DE1193324B - Hydrodynamische Dichtung, insbesondere fuer Pumpen, Kompressoren oder Turbinen - Google Patents

Hydrodynamische Dichtung, insbesondere fuer Pumpen, Kompressoren oder Turbinen

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DE1193324B
DE1193324B DEV17799A DEV0017799A DE1193324B DE 1193324 B DE1193324 B DE 1193324B DE V17799 A DEV17799 A DE V17799A DE V0017799 A DEV0017799 A DE V0017799A DE 1193324 B DE1193324 B DE 1193324B
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JM Voith GmbH
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    • F16J15/002Sealings comprising at least two sealings in succession
    • F16J15/008Sealings comprising at least two sealings in succession with provision to put out of action at least one sealing; One sealing sealing only on standstill; Emergency or servicing sealings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D11/02Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F01D11/04Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type using sealing fluid, e.g. steam
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

  • Hydrodynamische Dichtung, insbesondere für Pumpen, Kompressoren oder Turbinen Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrodynamische Dichtung, insbesondere für die Welle von Pumpen, Kompressoren oder Turbinen, mit einem an der abzudichtenden Stelle zwischen zwei Maschinenteilen angeordneten ringförmigen Zwischenstück, das mit jedem der beiden Maschinenteile je einen mit einem Dichtungsmedium (z. B. Öl) gefüllten Dichtungsspalt bildet und das mit einem Antrieb, insbesondere mit einem hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Antrieb, versehen ist.
  • Die üblichen Schleifdichtungen, wie Schleifringdichtungen, Stopfbüchsen usw., haben insbesondere den Nachteil erheblichen Verschleißes. Dieser Mangel wird bei hydrodynamischen Dichtungen vermieden, bei denen das Abdichten mittels eines gesonderten Sperrmediums mit höherem Druck als im abzudichtenden Druckraum erfolgt. Der Sperrdruck wird hierbei beispielsweise durch einen oder mehrere rotierende Maschinenteile erzeugt. Als gebräuchlichste Ausführung einer solchen hydrodynamischen Dichtung ist die Abdichtung einer Wellendurchführung mittels eines Flüssigkeitsringes bekanntgeworden, der etwa durch ein umlaufendes Schaufelrad erzeugt wird. Diese Wellenabdichtung hat allerdings unter anderem den Nachteil, daß sie in radialer Richtung viel Platz benötigt.
  • Eine weitere hydrodynamische Wellenabdichtung ist unter dem Namen Viskodichtung bekannt. Bei dieser wird die durch den Dichtungsspalt leckende Flüssigkeit mittels einer auf der Welle eingeschnittenen gewindeförmigen Nut zurückgefördert. Eine derartige Wellenabdichtung ist allerdings nur bei großen Umfangsgeschwindigkeiten oder kleinen Druckdifferenzen verwendbar, da sonst die benötigte Schraubenlänge zu groß wird. Bei Motoren ist diese Konstruktion als sogenanntes Rückführgewinde üblich, um die Schmierölverluste zu verringern.
  • Nach einer Weiterbildung dieser Viskodichtung ist vorgesehen worden, an einem der gegeneinander abzudichtenden Maschinenteile axial nebeneinander zwei Gewindeabschnitte mit entgegengesetzter Steigung anzuordnen und das Gewinde gegebenenfalls mit einem hochviskosen Sperrmedium zu füllen. Dieses Sperrmedium wird bei entsprechender Drehrichtung zum Teil in den zwischen den beiden Gewindeabschnitten befindlichen Spaltraum gefördert. Der sich hier aufbauende Druckberg sperrt den Durchfluß des abzudichtenden Arbeitsmediums. Wird die Drehrichtung umgekehrt, so entsteht an Stelle des Druckberges ein Drucktal, das unter Umständen Hochvakuum erreichen kann. In. diesem Fall ist die Dichtung zur Abdichtung von Vakuum geeignet. Die letztgenannte Dichtungsausführung (Viskodichtung) benötigt wohl in radialer Richtung nur geringe Abmessungen, sie hat aber andererseits den Nachteil, daß sie - was übrigens auch für die anderen hydrodynamischen Dichtungen gilt - stets eine ausreichend hohe Relativdrehzahl erfordert, da sonst der Sperrdruck zu gering und damit oft keine Abdichtung mehr gewährleistet ist. Dieser Mangel tritt vor allem bei Dichtungen an Maschinen in Erscheinung, deren Drehzahl stark wechselt oder deren abzudichtender Druck große Schwankungen aufweist und überhaupt sehr hoch ist. Es wurde daher bereits zwischen den beiden Maschinenteilen ein ringförmiges, mit einem Antrieb versehenes und gesondert gelagertes Zwischenstück vorgesehen. Bei umlaufendem Zwischenstück baut das Dichtungsmedium einen eine Dichtung bewirkenden Druckberg auf, und zwar unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft des umlaufenden Dichtungsmediums. Die radial fördernden Teile benötigen jedoch einen gewissen Platz in radialer Richtung und müssen im Betrieb stets eine entsprechende Absolutgeschwindigkeit erreichen.
  • Die Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, daß nach einem älteren, aber nicht vorveröffentlichten Vorschlag jedem Dichtungsspalt an wenigstens einer der ihn begrenzenden Wände Schraubengangnuten zugeordnet sind und das Zwischenstück ebenso mit einer eine Relativbewegung gegenüber jedem der beiden Maschinenteile bewirkenden Drehzahl angetrieben wird und daß die Schraubengangnuten in an sich bekannter Weise jeweils unterteilt und so ausgebildet werden, daß in jedem Spalt eine zueinander gerichtete Förderwirkung erzielt wird. Der Antrieb des Zwischenstückes kann hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch und unabhängig von dem Antrieb des oder der Maschinenteile erfolgen. Ferner kann es mitunter zweckmäßig sein, den Antrieb des Zwischenstückes regelbar auszubilden. Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn das ringförmige Zwischenstück für einen peltonturbinenartigen Druckmittelantrieb ausgebildet wird, wobei als Betriebsmittel für diesen Antrieb Schmieröl besonders geeignet ist.
  • Mit der erfindungsgemäßen Dichtung, die unter Ausnutzung der stets in gewissem Maß vorhandenen Wandreibung des Dichtungsmediums an den mit Schraubengangnuten und an den nicht mit Schraubengangnuten versehenen Wandteilen der axialen Dichtungsspalte mit das Dichtungsmedium entgegengesetzt zueinander fördernden Schraubengangnuten arbeitet, ist es möglich, bei geringem Platzbedarf eine Wellendurchführung od. dgl. in jedem Betriebszustand, also auch bei stark schwankenden oder nur kleinen Relativdrehzahlen der Maschinenteile und sogar bei deren Stillstand hydrodynamisch befriedigend abzudichten. Der Antrieb des Zwischenstückes der erfindungsgemäßen Dichtung sorgt dafür, da.ß die für eine einwandfreie Abdichtung erforderlichen Relativdrehzahlen zwischen den Maschinenteilen und dem Zwischenstück immer eingehalten bzw. sogar eingeregelt werden können. Der verlangte Sperrdruck kann also unter Umständen sogar in jedem Betriebszustand an den abzudichtenden Druck angepaßt werden. Dabei arbeitet die hydrodynamische Dichtung mit einem Leckverlust von beispielsweise nur 5 g im Jahr; sie dichtet also vollkommen. betriebssicher ab und steht in dieser Hinsicht den Berührungsdichtungen in keiner Weise nach.
  • In. dem Fall, daß sämtliche den Dichtungsspalt begrenzenden Teile stillstehen, hört selbstverständlich auch die Dichtungswirkung der üblichen Viskodichtung auf. Um bei einem solchen vollkommenen Betriebsstillstand trotzdem eine Abdichtung zu erhalten, ist bereits eine Sonderausführung einer Viskodichtung bekannt, bei der die zusammengehörigen Gewindeabschnitte auf unterschiedlichen Durchmessern einer mit einer Maschinenwelle drehfest verbundenen, aber axial verschiebbaren Büchse angeordnet sind. Der sich im Innern der Viskodichtung aufbauende Druck wirkt hierbei auf eine zwischen den Gewindeabschnitten liegende achssenkrechte Ringfläche (Schulter) der Büchse und verschiebt letztere entgegen dem auf ihre Stirnfläche einwirkenden Druck des abzudichtenden Arbeitsmediums in eine solche Lage, daß diese Kräfte im Gleichgewicht sind. Die Büchse wird also im normalen Betrieb in axialer Richtung selbsttätig in eine berührungsfreie Lage eingestellt. Bei Stillstand oder zu geringer Drehzahl der Welle ist dagegen dieser Gleichgewichtszustand gestört, und das auf eine Stirnfläche der Büchse einwirkende abzudichtende Medium preßt die Büchse an eine entsprechend ausgebildete Gegenfläche des Gehäuses, so daß dann der Dichtungsspalt durch Berührung geschlossen wird. Die Abdichtung zwischen. Büchse und Welle erfolgt hierbei durch übliche Dichtungsringe.
  • Bei Wellendurchführungen mit häufigen Druckschwankungen im abzudichtenden Spalt ist diese Ausführung einer auch bei Stillstand dichtenden Viskodichtung jedoch nicht zweckmäßig, da durch die wiederholten Axialverschiebungen der Büchse die Dichtungsringe erheblichem Verschleiß unterworfen sind. Ein Auswechseln. der eventuell schadhaften Dichtungsringe verursacht stets erhebliche Kosten, mitunter ist dies überhaupt nicht durchführbar. Außerdem ist es mit dieser vorbekannten Viskodichtung auch nicht möglich, aggressive Stoffe, wie sie in der chemischen Industrie und im Reaktorbau anfallen, in befriedigender Weise abzudichten, da das Material der Dichtungsringe zwischen Büchse und Welle die hier gestellten Anforderungen nicht aushält.
  • Um diese Nachteile zu vermeiden, wird bei der erfindungsgemäßen Viskodichtung in ähnlicher Weise vorgeschlagen, daß die einem Dichtungsspalt zugeordneten beiden Abschnitte mit Schraubengangnuten auf je unterschiedlichen Durchmesserbereichen angeordnet werden, derart, daß der Dichtungssspalt zwischen den Abschnitten mit Schraubengangnuten in radialer Richtung abgesetzt ist, und daß ferner das Zwischenstück axial verschiebbar ausgebildet wird. Weiterhin wird vorgeschlagen, die durch den Innen- und Außendruck in Achsrichtung beaufschlagten Flächen des Zwischenstückes sowie die zwischen je zwei zusammengehörigen Abschnitten mit Schraubengangnuten liegende Ringfläche des Zwischenstückes so auszubilden und zu bemessen, daß die bei Betrieb der Maschine und einer berührungsfreien axialen Lage des Zwischenstückes auf dieses ausgeübten Axialkräfte im Gleichgewicht sind (Stellung als Laufdichtung). Zugleich werden je zwei in jedem Dichtungsspalt an den beiden Maschinenteilen und am Zwischenstück befindliche Anlageflächen so angeordnet, daß bei Betriebsstillstand und/oder bei Ausfall des Antriebes des Zwischenstückes dieses unter der Wirkung der Axialkräfte in eine dichtende Endstellung verschiebbar ist. Durch die letztgenannte Maßnahme wird erreicht, daß das Zwischenstück auch noch als Stillstandsdichtung dient. Sowohl bei Stillstand der Maschinenteile als auch bei Stillstand des Zwischenstückes wird dann eine sichere Abdichtung erzielt. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die bei Betriebsstillstand einander berührenden Anlageflächen des einen Maschinenteiles und des Zwischenstückes in dem Dichtungsspaltbereich zwischen zwei zusammengehörigen, je unterschiedliche Durchmesser aufweisenden und mit Schraubengangnuten versehenen Abschnitten angeordnet werden. Der Bauaufwand und die axiale Baulänge der Viskodichtung können dadurch vermindert werden.
  • In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen die obere und die untere Hälfte der Zeichnung jeweils unterschiedliche Ausbildungsvarianten der Viskodichtung.
  • Auf der rotierenden Welle 1 sitzt eine im wesentlichen zylindrisch ausgebildete Büchse 3, die in radialer und axialer Richtung schwimmend gelagert ist. Die Lagerung in. radialer Richtung erfolgt hierbei ausschließlich über das zwischen der Büchse 3 und der Welle 1 bzw. einem feststehenden Gehäuse 2 befindliche Dichtungsmedium 12, z. B. Öl, das vor der Inbetriebnahme der Dichtung durch eine Zuführungsleitung 20 und Ausgleichsbohrungen 21 in die Dichtungsspalte 10 und 11 geleitet wird.
  • Mit 4 ist der einen Überdruck aufweisende abzudichtende Maschinenraum bezeichnet. Bei Stillstand der Maschine und der Büchse 3 (Zwischenstück) wirkt der Druck des Maschinenraumes 4 auf die letzterem zugewandte Stirnfläche 14 dieser Büchse. Dadurch wird die Büchse 3 in axialer Richtung so weit nach links verschoben, bis ihre Ringfläche 15 an einer Gegenfläche 16 des Gehäuses 2 dichtend anliegt. Gleichzeitig legt sich auch die andere, dem Maschinenraum 4 abgewandte Stirnfläche 17 der Büchse 3 an einen Wellenbund 18 an (obere Hälfte der Zeichnung). Dadurch wird auch bei vollkommenem Stillstand der Maschine und des Zwischenstückes 3 ein Durchströmen des abzudichtenden Arbeitsmediums durch die Dichtungsspalte 10 und 11 verhindert.
  • Bei der in der unteren Hälfte der Zeichnung dargestellten Ausführung ist zwischen der Stirnseite 17 der Büchse 3 und dem Wellenbund 18' eine axial stark elastisch komprimierbare Dichtung 19 aus elastischem Werkstoff angeordnet, durch die ein ungleicher Abstand zwischen den bei Stillstandsdichtung zur Anlage kommenden Flächen ausgeglichen werden kann.
  • Auf den äußeren und inneren Zylinderflächen der Büchse 3 sind jeweils entgegengesetzt fördernde Schraubengangnuten 6 und 7 bzw. 8 und 9 eingeschnitten. Wird nun zwischen der Büchse 3 und dem Gehäuse 2 bzw. der Welle l eine Relativdrehbewegung hervorgerufen, etwa durch einen regelbaren, von der Drehzahl der Welle 1 unabhängigen Antrieb 13 der Büchse 3, so wird das Dichtungsmedium 12 durch die Schraubengangnuten 6, 7 und 8, 9 zu einem Teil von beiden Seiten zur Mitte der Dichtungsspalte 10 und 11 gefördert. Der sich hier aufbauende Druckberg ist beträchtlich höher als der Druck im Maschinenraum 4, so daß durch diesen Überdruck im Dichtungsmedium 12 die Dichtungsspalte 10 und 11 abgedichtet werden. Außerdem wird dabei die Büchse 3 in axialer Richtung so verschoben, daß alle auf die Büchse einwirkenden axialen Kräfte (Außen- und Innendruck und Druck des Sperrmediums) im Gleichgewicht sind. Die Büchse 3 stellt sich also in Achsrichtung selbsttätig in eine berührungsfreie Lage ein.
  • In der Welle 1 (obere Hälfte der Zeichnung) undioder im Gehäuse 2 (unterer Teil der Zeichnung) sind von einem Kühlmittel durchflossene Kühlkanäle 22 und 23 angeordnet, damit die Viskosität des Dichtungsmediums möglichst konstant gehalten werden kann. Die hohen Drehzahlen oder die hohe Temperatur des abzudichtenden Arbeitsmediums könnten sonst das Dichtungsmedium 12 ungünstig beeinflussen, indem sie dessen Viskosität herabsetzen.
  • Ferner kann das Zwischenstück als Büchse mit im wesentlichen in axialer Richtung zylindrischen Flächen ausgebildet werden. Die Dichtungsspalte zwischen dem Zwischenstück und den Maschinenteilen sollen des weiteren so bemessen sein, daß das Zwischenstück in radialer Richtung durch den von den Gewindeabschnitten erzeugten Druck selbsttätig zentriert wird. Eine andere Zentriermöglichkeit des Zwischenstückes (Viskobüchse) ist auch dadurch zu erreichen, daß ein oder mehrere Abschnitte am Außen- und Innenmantel der rotierenden Büchse und des zugeordneten Maschinenteils als Mehrflächen-Gleitlager ausgebildet werden.
  • Die Ansprüche 2 bis 5 sind echte Unteransprüche, die nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch Schutz genießen.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: 1. Hydrodynamische Dichtung, insbesondere für die Welle von Pumpen, Kompressoren oder Turbinen, mit einem an der abzudichtenden Stelle zwischen zwei Maschinenteilen angeordneten ringförmigen Zwischenstück, das mit jedem der beiden Maschinenteile je einen mit einem Dichtungsmedium (z. B. (31) gefüllten Dichtungsspalt bildet und das mit einem Antrieb, insbesondere mit einem hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Antrieb, versehen ist, g e k e n n z e i c hn e t durch die Kombination der beiden zum Gegenstand des älteren Patents gehörenden Merkmale, a) daß jedem Dichtungsspsalt (10 und 11) an wenigstens einer der ihn begrenzenden Wände Schraubengangnuten (6 und 7 bzw. 8 und 9) zugeordnet sind, b) daß das Zwischenstück (3) mit einer eine Relativbewegung gegenüber jedem der beiden Maschinenteile (1 und 2) bewirkenden Drehzahl angetrieben wird, mit dem bekannten Merkmal, c) daß die Schraubengangnuten jeweils unterteilt und so ausgebildet sind, daß in jedem Spalt eine zueinander gerichtete Förderwirkung erzielt wird.
  2. 2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (3) bei (13) für einen peltonturbinenartigen Druckmittelantrieb ausgebildet ist.
  3. 3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die einem Dichtungsspalt (10 bzw. 11) zugeordneten Abschnitte mit Schraubengangnuten (6 und 7 bzw. 8 und 9) auf je unterschiedlichen Durchmesserbereichen angeordnet sind, derart, daß dieser Dichtungsspalt zwischen den Abschnitten mit Schraubengangnuten in radialer Richtung abgesetzt ist, und daß ferner das Zwischenstück (3) axial verschiebbar ist.
  4. 4. Dichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung und Größe der durch den Innen- und Außendruck in Achsrichtung beaufschlagten Flächen (14 und 17) des Zwischenstückes (3) sowie ferner der zwischen je zwei zusammengehörigen Abschnitten mit Schraubengangnuten(6 und 7 bzw. 8 und 9) liegenden Ringflächen (15 und 24) des Zwischenstückes (3), daß die bei Betrieb der Maschine und einer berührungsfreien axialen Lage des Zwischenstückes auf dieses ausgeübten Axialkräfte im Gleichgewicht sind (Stellung für Laufdichtung), und dadurch gekennzeichnet, daß je zwei in jedem Dichtungsspalt (10 und 11) an den beiden Maschinenteilen (1 und 2) und am Zwischenstück befindliche Anlageflächen (15 bis 17) so angeordnet sind, daß bei Betriebsstillstand und/oder bei Ausfall des Antriebes des Zwischenstückes (3) dieses unter der Wirkung der Axialkräfte in eine dichtende Endstellung verschiebbar ist (Stellung für Stillstandsdichtung).
  5. 5. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Stillstandsdichtung .einander berührenden Anlageflächen (15 und 16) des einen Maschinenteiles (2) und des Zwischenstückes (3) in dem Dichtungsspaltbereich (10) zwischen zwei zusammengehörigen, je unterschiedliche Durchmesser aufweisenden und mit Schraubengangnuten (6 und 7) versehenen Abschnitten angeordnet sind.
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