CH680526A5 - - Google Patents

Description

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CH 680 526 A5 CH 680 526 A5

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft eine als axiale Wellendichtung ausgebildete trockenlaufende Gasdichtung für eine drehende, durch eine Gehäusewand geführte Welle mit einer mit der Welle umlaufenden Wellenbüchse als Träger eines Dichtkörpers mit einer Dichtfläche und einem stationären Gleitring mit einer mittels Gas an die Dichtfläche gedrückten und mit diesem geschmierten Gleitfläche, wobei ein gasgefüllter Spalt zwischen Dichtfläche und Gleitfläche aufrechterhalten ist. The invention relates to a dry-running gas seal designed as an axial shaft seal for a rotating shaft guided through a housing wall with a shaft sleeve rotating with the shaft as a carrier of a sealing body with a sealing surface and a stationary slide ring with a sliding surface pressed by means of gas and lubricated with the same , whereby a gas-filled gap between the sealing surface and the sliding surface is maintained.

Solche axiale Wellendichtungen sind beispielsweise aus EP-B 13 678 bekannt und dienen dazu, den unter einem gewissen Druck stehenden Gehäuse-Innenraum einer Turbomaschine, beispielsweise eines Turbokompressors oder einer Turbine, an der Durchführung der Welle nach aussen oder zu einer Zwischenkammer abzudichten, um ein Ausströmen des Mediums aus dem Innenraum zu verhindern. Dies erfolgt mittels eines als Sperrmedium dienenden Gases, welches die Gleitfläche des Gleitringes an die Dichtfläche drückt und somit den Austritt von Gas aus dem Innenraum minimalisiert. Gleichzeitig wird ein gasgefüllter Spalt zum berührungslosen Lauf der Dichtung gebildet. Dabei wird angestrebt, im Betrieb einen gieichmässigen Spalt mit einer vom Abstand von der Welle nahezu unabhängigen Weite von einigen Mikrometern aufrechtzuerhalten. Such axial shaft seals are known, for example, from EP-B 13 678 and are used to seal the interior of a turbomachine, for example a turbocompressor or a turbine, which is under a certain pressure, on the passage of the shaft to the outside or to an intermediate chamber in order to seal it To prevent the medium from flowing out of the interior. This is done by means of a gas serving as a barrier medium, which presses the sliding surface of the sliding ring against the sealing surface and thus minimizes the escape of gas from the interior. At the same time, a gas-filled gap is formed for the contactless running of the seal. The aim is to maintain a uniform gap in operation with a width of a few micrometers that is almost independent of the distance from the shaft.

Bei einer Druckstörung kann ein solcher Spalt dazu tendieren, sich zu schliessen, bis hin zu einer unerwünschten Berührung der Dichtfläche und der Gleitfläche. Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Erhöhung der Steifigkeit des Gasspaltes diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, dass sich der Dichtspalt nach aussen, d.h. mit zunehmendem Abstand von der Welle, leicht erweitert. Durch diese sogenannte «V»-Form wird eine grössere Gasstei-figkeit erreicht, so dass eine grössere Gegenkraft gebildet wird, die eine Berührung der beiden Flächen verhindert. Die gewünschte V-Form wurde durch die Formgebung der einzelnen Dichtungsteile und deren Zusammenwirken zu erreichen versucht. So wurde einerseits die Wellenbüchse so ausgebildet, dass der Dichtkörper in der inneren, der Welle benachbarten Zone auf einer Ringfläche der Wellenbüchse aufliegt, während er aussen einen kleinen Spalt bildet. In der mittleren Zone war ein O-Dichtungsring in die Wellenbüchse eingelassen. Bei Einwirkung des Sperrgasdruckes quetscht sich dieser O-Ring jedoch in den Spalt, so dass die Gefahr einer Beschädigung besteht und dadurch die Dichtwirkung beeinträchtigt wird. Andererseits deformieren die einwirkenden Radialkräfte den stationären Gleitring, so dass die gewünschte V-Form des Spaltes entsteht. Ein solcher V-förmiger Dichtspalt ist bei der in der Praxis erforderlichen kleinen Baulänge jedoch nur beschränkt einstellbar. In the event of a pressure disturbance, such a gap can tend to close, up to an undesired contact of the sealing surface and the sliding surface. In order to increase the rigidity of the gas gap, it has already been proposed to eliminate this disadvantage in that the sealing gap faces outwards, i.e. with increasing distance from the shaft, slightly expanded. This so-called “V” shape achieves greater gas rigidity, so that a greater counterforce is generated, which prevents the two surfaces from touching. The desired V-shape was tried to achieve by the shape of the individual sealing parts and their interaction. On the one hand, the shaft sleeve was designed in such a way that the sealing body rests on an annular surface of the shaft sleeve in the inner zone adjacent to the shaft, while it forms a small gap on the outside. In the middle zone there was an O-ring in the shaft bushing. When the sealing gas pressure acts, however, this O-ring squeezes into the gap, so that there is a risk of damage and the sealing effect is thereby impaired. On the other hand, the acting radial forces deform the stationary slide ring, so that the desired V-shape of the gap is created. However, such a V-shaped sealing gap can only be adjusted to a limited extent given the small overall length required in practice.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, bei der eingangs angegebenen trockenlaufenden Gasdichtung einen V-förmigen, sich nach aussen leicht erweiternden Dichtspalt auf unterschiedliche Anforderungen und Betriebsbedingungen einstellen zu können, wobei die Dichtung ohne erhebliche konstruktive Änderungen bei bestimmten Gasdrücken und Wellendrehzahlen optimal arbeitet, d.h. eine möglichst kleine Leckage bei möglichst grosser Betriebssicherheit aufweist. The invention sets itself the task of being able to adjust a V-shaped sealing gap which widens slightly outwards to different requirements and operating conditions in the case of the dry-running gas seal specified at the outset, the seal working optimally at certain gas pressures and shaft speeds without significant structural changes, i.e. has the smallest possible leakage with the greatest possible operational reliability.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen Dichtkörper und Wellenbüchse etwa in mittlerem Abstand von der Welle ein flexibler Dichtungsring vorgesehen ist, dass unmittelbar innen anschliessend an den Dichtungsring der Dichtkörper mittels eines koaxialen Steges auf der Wellenbüchse aufliegt, so dass der Dichtungsring unmittelbar auf der Aussenseite des Steges angedrückt ist, und dass auf der Rückseite des inneren Teiles des Gleitringes ein in Achsenrichtung verschiebbarer und gegen den Gleitring und die Gehäusewand bzw. einen damit verbundenen Dichtungshalter abgedichteter Stützring vorgesehen ist, welcher in der inneren, der Welle benachbarten Zone mittels eines weiteren koaxialen Steges auf die Rückseite des Gleitringes drückt, wobei der Abstand des weiteren koaxialen Steges am Stützring von der Welle so gewählt ist, dass die durch den Gasdruck gebildete, den Gleitring an den Dichtkörper pressende Kraft eine Resultierende erhält, welche in Richtung einer Vergrösserung des Dichtspaltes mit zunehmendem Abstand von der Welle wirkt. According to the invention, this object is achieved in that a flexible sealing ring is provided between the sealing body and the shaft sleeve approximately at a medium distance from the shaft, that the sealing body rests directly on the inside of the sealing ring by means of a coaxial web on the shaft sleeve, so that the sealing ring is directly on the Outside of the web is pressed, and that on the back of the inner part of the slide ring, an axially displaceable and sealed against the slide ring and the housing wall or a seal holder connected thereto is provided, which in the inner, the shaft adjacent zone by means of another presses the coaxial web on the back of the slide ring, the distance of the further coaxial web on the support ring from the shaft being selected so that the force formed by the gas pressure and pressing the slide ring on the sealing body receives a resultant, which in direction ng an enlargement of the sealing gap with increasing distance from the shaft.

Der Angriffspunkt der resultierenden Kraft wird hierbei durch die Lage des Steges am Stützring, d.h. durch dessen Abstand von der Welle oder deren Achse, bestimmt. Durch eine Änderung der Lage kann daher die einer Schliessung des Spaltes im Störungsfalle entgegenwirkende Gegenkraft eingestellt werden. Auf besonders einfache Weise ist dies durch Auswechslung des Stützringes gegen einen Stützring mit anderem Durchmesser und Position des Steges möglich. The point of application of the resulting force is determined by the position of the web on the support ring, i.e. by its distance from the shaft or its axis. By changing the position, the counterforce counteracting a closing of the gap in the event of a fault can therefore be set. This is possible in a particularly simple manner by replacing the support ring with a support ring with a different diameter and position of the web.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Diese zeigen in einem Schnitt längs der Wellenachse ein Ausführungsbeispiel einer erfin-dungsgemässen trockenlaufenden axialen Wellendichtung sowie einen vergrösserten Ausschnitt derselben. The invention is explained in more detail with reference to FIGS. 1 and 2. These show in a section along the shaft axis an embodiment of a dry-running axial shaft seal according to the invention and an enlarged section of the same.

Bei dem in den Figuren dargestellten Beispiel ist eine Welle 1 dichtend durch die Gehäusewand 2, beispielsweise einer Turbomaschine, von einer Stelle höheren Druckes pi zu einer Stelle tieferen Druckes pa geführt. Die Dichtung weist eine auf die Welle 1 aufgesetzte Wellenbüchse 3 auf, die auf ihrer Aussenseite einen Dichtkörper 5 trägt, welcher auf seiner Aussenseite eine kreisringförmige Dichtfläche 6 bildet. Vorzugsweise ist der Dichtkörper 5 aus einem Hartmetall ausgeführt, beispielsweise aus Siliziumkarbid, oder einem anderen Material mit ähnlichen Gleiteigenschaften. In the example shown in the figures, a shaft 1 is sealingly guided through the housing wall 2, for example a turbomachine, from a point of higher pressure pi to a point of lower pressure pa. The seal has a shaft sleeve 3 placed on the shaft 1, which carries on its outside a sealing body 5 which forms an annular sealing surface 6 on its outside. The sealing body 5 is preferably made of a hard metal, for example silicon carbide, or another material with similar sliding properties.

Die Wellenbüchse 3 weist zwischen ihrem mittleren und ihrem inneren, der Welle benachbarten Teil ihrer Radialfläche, einen zur Welle 1 koaxialen ringförmigen Steg 13 auf, auf welchem der Dichtkörper 5 mit seiner Rückseite aufliegt, während der Dichtkörper 5 mit der Wellenbüchse 3 sowohl in der Zone innerhalb des Steges 13 und ausserhalb desselben einen minimalen Spalt bildet. Der Steg 13 wird auf der Aussenseite 13' unmittelbar von einer in eine The shaft sleeve 3 has between its central and its inner, the shaft adjacent part of its radial surface, an annular web 13 coaxial to the shaft 1, on which the sealing body 5 rests with its rear side, while the sealing body 5 with the shaft sleeve 3 both in the zone forms a minimal gap within the web 13 and outside the same. The web 13 is on the outside 13 'directly from one to one

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10 10th

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CH 680 526 A5 CH 680 526 A5

4 4th

Nut der Wellenbüchse 3 eingelassene O-ringförmi-ge Dichtung 8 als flexibler Dichtungsring umgeben. Surround the groove of the shaft sleeve 3 embedded O-ring-shaped seal 8 as a flexible sealing ring.

In die die Wellendurchführung bildende Bohrung der Gehäusewand 2 ist ein Dichtungshalter 2' eingeführt, welcher einen Teil der Gehäusewand 2 bildet, und in welchem ein stationärer, d.h. nicht-rotieren-der, aber axial etwas verschiebbarer Gleitring 7 sitzt, welcher auf seiner nach innen gekehrten Seite einen Gleitkörper 9 mit einer der gegenüberliegenden Dichtfläche 6 zugekehrten Gleitfläche 9' aus einem Material guter Gleiteigenschaft, z.B. einem kohlekeramischen Werkstoff, trägt. In the bore of the housing wall 2 forming the shaft bushing, a seal holder 2 'is inserted, which forms part of the housing wall 2, and in which a stationary, i.e. non-rotating, but axially somewhat displaceable slide ring 7 is seated, which on its inward-facing side has a sliding body 9 with a sliding surface 9 'facing the opposite sealing surface 6 and made of a material with good sliding properties, e.g. a carbon ceramic material.

Über eine Leitung 10 wird der Wellendichtung vom Gehäuse 2 aus ein Gas mit einem Druck ps zugeführt, welcher ein wenig höher sein kann als der abzudichtende Druck pi der Turbomaschine. Dabei kann das Gas der Turbomaschine selbst entnommen oder als externes Fremdgas zugeführt werden. Durch einen Spalt 11 zwischen dem Dichtungshalter 2' und dem Gleitring 7 gelangt das Gas auf die Rückseite des Gleitringes 7 und drückt diesen an den Dichtkörper 5 an. Gleichzeitig wird jedoch durch das zugeführte Gas im Dichtspalt S ein Gasfilm von einigen Mikrometern Dicke gebildet, welcher eine berührungslose Dichtung bewirkt. Dabei kann die Schmierung der Gleitflächen in bekannter Weise erfolgen, z.B. aerodynamisch über Taschen oder Rillen in der Gleitfläche oder Dichtfläche, oder aero-statisch mit Gaszuführung durch den Gleitkörper hindurch zur Gleitfläche. Das durch den Dichtspalt und die verschiedenen Dichtungsringe hindurchtretende Leckgas wird über eine Leitung 12 nach aussen abgeführt. A gas with a pressure ps, which can be a little higher than the pressure pi of the turbomachine to be sealed, is supplied to the shaft seal from the housing 2 via a line 10. The gas can be taken from the turbomachine itself or supplied as an external foreign gas. Through a gap 11 between the seal holder 2 'and the slide ring 7, the gas reaches the back of the slide ring 7 and presses it against the sealing body 5. At the same time, however, a gas film of a few micrometers thickness is formed in the sealing gap S by the supplied gas, which causes a contactless seal. The sliding surfaces can be lubricated in a known manner, e.g. aerodynamically via pockets or grooves in the sliding surface or sealing surface, or aero-statically with gas supply through the sliding body to the sliding surface. The leakage gas passing through the sealing gap and the various sealing rings is discharged to the outside via a line 12.

Auf der Rückseite des Gleitringes 7 ist in einer Innenkerbe desselben, der Welle 1 zugekehrt, ein Stützring 4 eingesetzt, welcher axial verschieblich und gegen den Gleitring 7 und den Dichtungshalter 2' abgedichtet ist. Auf der dem Gleitring 7 zugekehrten Seite des Stützringes 4 ist ein weiterer koaxialer ringförmiger Steg 14 vorgesehen, mit welchem der Stützring 4 auf den Gleitring 7 drückt. Die Position des Steges 14 und dessen Abstand von der Achse A der Welle 1 ist so gewählt, dass die von der Rückseite des Stützringes 4 aufgenommene Druckkraft des Sperrgases an einer relativ weit innen liegenden Stelle auf den Gleitring 7 übertragen wird. Die aus der auf die Rückseiten des Gleitringes 7 und des Stützringes 4 wirkende Druckkraft erhält durch den Steg 14 eine resultierende Kraft, welche relativ weit innen und der Welle benachbart angreift, so dass mit der resultierenden Kraft des Druckes im Dichtspalt S ein Kräftepaar auf den Gleitring 7 wirkt und diesen derart verformt, dass der Dichtspalt in der inneren, der Welle 2 benachbarten Zone, stärker zusammengedrückt wird als in der äusseren, von der Welle 1 entfernteren Zone. Dabei überwiegt die Verformung des Gleitringes 7, welche in Richtung zu einem V-förmi-gen Spalt tendiert, die in der anderen Richtung wirkende Verformung des Dichtkörpers 5. Somit wird im Betrieb ein sich nach aussen leicht erweiternder, d.h. V-förmiger Spalt, sicher aufrechterhalten. On the back of the slide ring 7, in an inner notch of the same, facing the shaft 1, a support ring 4 is inserted, which is axially displaceable and sealed against the slide ring 7 and the seal holder 2 '. On the side of the support ring 4 facing the slide ring 7, a further coaxial annular web 14 is provided, with which the support ring 4 presses on the slide ring 7. The position of the web 14 and its distance from the axis A of the shaft 1 is selected such that the pressure force of the sealing gas received by the rear side of the support ring 4 is transmitted to the sliding ring 7 at a relatively far inner point. The pressure force acting on the rear sides of the slide ring 7 and the support ring 4 receives a resulting force through the web 14, which acts relatively far inside and adjacent to the shaft, so that with the resulting force of the pressure in the sealing gap S, a pair of forces acts on the slide ring 7 acts and deforms it in such a way that the sealing gap in the inner zone adjacent to the shaft 2 is compressed more than in the outer zone which is further away from the shaft 1. The deformation of the sliding ring 7, which tends towards a V-shaped gap, predominates over the deformation of the sealing body 5 which acts in the other direction. V-shaped gap, securely maintained.

Statt wie beschrieben als auf der Radialfläche der Wellenbüchse 3 ausgebildeter Absatz kann der erste Steg 13 auch am Dichtkörper 5 und der weitere Steg 14 auch am Gleitring 7 anstatt am Stützring 4 vorgesehen sein. Instead of as described as a shoulder formed on the radial surface of the shaft sleeve 3, the first web 13 can also be provided on the sealing body 5 and the further web 14 also on the slide ring 7 instead of on the support ring 4.

Die Form des Dichtspaltes S kann dabei durch die Position des ringförmigen Steges 14 des Stützringes 4, d.h. durch dessen Abstand von der Welle 1 eingestellt werden. Die Anpassung an veränderte Betriebsbedingungen kann dabei auf einfache Weise durch Auswechseln des Stützringes 4 gegen einen solchen mit einer anderen Position des Steges 14 erreicht werden. Somit lässt sich die Gasdichtung auf einfache Weise ohne konstruktive Änderungen an unterschiedliche Betriebsbedingungen und Anforderungen, d.h. unterschiedliche Gasdrücke und Wellendrehzahlen, anpassen, wobei durch die individuell wählbare Rückstellkraft eine Spaltform mit geringstmöglicher Leckage bei grösst-möglicher Sicherheit erreicht wird. The shape of the sealing gap S can be determined by the position of the annular web 14 of the support ring 4, i.e. can be adjusted by its distance from the shaft 1. The adaptation to changed operating conditions can be achieved in a simple manner by exchanging the support ring 4 for one with a different position of the web 14. Thus, the gas seal can be easily changed without design changes to different operating conditions and requirements, i.e. adapt different gas pressures and shaft speeds, whereby the individually selectable restoring force achieves a gap shape with the least possible leakage and the greatest possible safety.

Ausserhalb der beschriebenen Gasdichtung ist zur Erzielung einer noch besseren Dichtwirkung oder als Notdichtung im Störungsfall eine zweite analog aufgebaute berührungslose Dichtung 15 vorgesehen, auf die jedoch gegebenenfalls auch verzichtet werden kann. Outside of the gas seal described, a second non-contact seal 15 of analog design is provided to achieve an even better sealing effect or as an emergency seal in the event of a fault, but this may also be dispensed with if necessary.

Claims (6)

PatentansprücheClaims 1. Als axiale Wellendichtung ausgebildete trockenlaufende Gasdichtung für eine drehende, durch eine Gehäusewand (2) geführte, Welle (1) mit einer mit der Welle (1) umlaufenden Wellenbüchse (3) als Träger eines Dichtkörpers (5) mit einer Dichtfläche (6) und einem stationären Gleitring (7) mit einer mittels Gas an die Dichtfläche (6) gedrückten und mit diesem geschmierten Gleitfläche (9'), wobei ein gasgefüllter Spalt (S) zwischen Dichtfläche (6) und Gleitfläche (9') aufrechterhalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Dichtkörper (5) und Wellenbüchse (3) etwa in mittlerem Abstand von der Welle (1) ein flexibler Dichtungsring (8) vorgesehen ist, dass unmittelbar innen anschliessend an den Dichtungsring (8) der Dichtkörper (5) mittels eines koaxialen Steges (13) auf der Wellenbüchse (3) aufliegt, so dass der Dichtungsring (8) unmittelbar auf der Aussenseite (13') des Steges (13) angedrückt ist, und dass auf der Rückseite des inneren Teiles des Gleitringes (7) ein in Achsenrichtung verschiebbarer und gegen den Gleitring (7) und die Gehäusewand (2) bzw. einen damit verbundenen Dichtungshalter (2') abgedichteter Stützring (4) vorgesehen ist, welcher in der inneren, der Welle (1) benachbarten Zone mittels eines weiteren koaxialen Steges (14) auf die Rückseite des Gleitringes (7) drückt, wobei der Abstand des weiteren koaxialen Steges (14) am Stützring (4) von der Welle (1) so gewählt ist, dass die durch den Gasdruck (ps) gebildete, den Gleitring (7) an den Dichtkörper (5) pressende Kraft eine Resultierende erhält, welche in Richtung einer Vergrösserung des Dichtspaltes (S) mit zunehmendem Abstand von der Welle (1) wirkt.1. Dry-running gas seal designed as an axial shaft seal for a rotating shaft (1) guided through a housing wall (2) with a shaft sleeve (3) rotating with the shaft (1) as a carrier of a sealing body (5) with a sealing surface (6) and a stationary sliding ring (7) with a sliding surface (9 ') pressed by means of gas onto the sealing surface (6) and lubricated therewith, a gas-filled gap (S) being maintained between the sealing surface (6) and sliding surface (9') characterized in that a flexible sealing ring (8) is provided between the sealing body (5) and the shaft bushing (3) approximately at a medium distance from the shaft (1), that directly on the inside of the sealing ring (8) the sealing body (5) by means of a coaxial Web (13) rests on the shaft sleeve (3), so that the sealing ring (8) is pressed directly onto the outside (13 ') of the web (13), and that on the back of the inner part of the slide ring (7) n axially displaceable and against the slide ring (7) and the housing wall (2) or an associated seal holder (2 ') sealed support ring (4) is provided, which in the inner, the shaft (1) adjacent zone by means of another presses the coaxial web (14) on the back of the slide ring (7), the distance of the further coaxial web (14) on the support ring (4) from the shaft (1) being selected so that the gas pressure (ps) the slide ring (7) pressing force on the sealing body (5) receives a resultant, which acts in the direction of an enlargement of the sealing gap (S) with increasing distance from the shaft (1). 2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (9') auf einem vom Gleitring (7) getragenen Gleitkörper (9) vorgesehen ist.2. Seal according to claim 1, characterized in that the sliding surface (9 ') is provided on a sliding body (9) carried by the sliding ring (7). 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 33rd 55 CH 680 526 A5CH 680 526 A5 3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (4) auf einer der Welle (1) zugekehrten Innenkerbe des Gleitringes (7) vorgesehen ist.3. Seal according to claim 1 or 2, characterized in that the support ring (4) on one of the shaft (1) facing inner notch of the sliding ring (7) is provided. 4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitring (7) in einem fest mit der Gehäusewand (2) verbundenen und einen Teil derselben bildenden Dichtungshalter (2') axial verschiebbar angeordnet ist.4. Seal according to one of claims 1-3, characterized in that the slide ring (7) in a fixed to the housing wall (2) and part of the same seal holder (2 ') is arranged axially displaceable. 5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (13) zwischen Wellenbüchse (3) und Dichtkörper (5) als Absatz der Radialfläche der Wellenbüchse (3) ausgebildet ist.5. Seal according to one of claims 1-4, characterized in that the web (13) between the shaft sleeve (3) and sealing body (5) is designed as a shoulder of the radial surface of the shaft sleeve (3). 6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (4) gegen einen anderen Stützring mit anderer Position des weiteren koaxialen Steges (14) auswechselbar ist.6. Seal according to one of claims 1-5, characterized in that the support ring (4) can be exchanged for another support ring with a different position of the further coaxial web (14). 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 44th