DE2135344B2 - Vorrichtung zur Dichtung und Lagerung der ein Maschinengehäuse durchdringenden Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dichtung mittels Sperrflüssigkeit und Lagerung der ein Maschinengehäuse durchdringenden Welle und setzt sich eine Verbesserung der Sperrflüssigkeitsdichtung zum Ziel.

Hierzu schlägt die Erfindung eine Büchse vor, welche nicht nur einen von einer Sperrflüssigkeit mit gegenüber dem Innendruck der Maschine erhöhtem Druck durchfiossenen engen Dichtungsspalt und einen zur Übertragung des Rotorgewichtes mittels eines hydrodynamischen Schmiermittelfilms dienenden Dichtungsspalt aufweist, sondern auch im Bereich des Tragspaltes mittels eines elastisch wirkenden Elementes im Maschinengehäuse abgestützt isl.

Dabei macht sich die Erfindung die überraschende Erkenntnis zunutze, daß ein hydrodynamischer Flüssigkeitsfilm eine Büchse viel genauer zu zentrieren vermag als ein dünner Sperrflüssigkeitsfilm, selbst wenn die Büchse noch schwimmend angeordnet wäre. Daraus entsteht die weitere Folge, daß — insbesondere für hohe Drücke mit sehr dünnen Sperrflüssigkeitsfilmen — es gelingt, ein Traglager der Welle gleichzeitig mit der Dichtungsbüchse starr zu verbinden, vorausgesetzt, daß das Traglager nicht durch starre Einspannung im Maschinengehäuse in seiner Beweglichkeit gehemmt ist. Eine solche Bewegungshemmung wird durch die elastisch nachgiebige Abstützung in genügendem Maße verhindert. Eine kombinierte Dichtungs- und Tragbüchse vermag so alien Relativbewegungen der Wellenachse gegenüber dem Maschinengehäuse, z. B. Schwinggungsbewegungen oder Bewegungen infolge Lastenänderungen, einwandfrei zu folgen. Dichtungen nach der Erfindung eignen sich vor allem für Turbomaschiner besonders bei erhöhten Drücken, wenn die Dichtfilmi möglichst dünn zu halten sind. Schließlich bringt dii Verbindung der Dichtungsbüchse mit der Tragbüchsi 5 zu einer starren Einheit mit elastischer Abstützung gegenüber der an sich bekannten, getrennten einzelner Verwendung dieser drei Merkmale — den weiterer wesentlichen Vorteil einer Kürzung der Maschinenlän ge und damit eine weitere Verbesserung der dynamio sehen Verhältnisse.

Die drei Teilmerkmale sind allerdings einzeln und unabhängig voneinander schon bekannt. So zeigt z. B. die britische Patentschrift 652 109 eine von Sperrflüssigkeit durchströmte Dichtungsbüchse, die österreichisehe Patentschrift 232 804 ein hydrodynamisches Lager und die deutsche Auslegeschrift 1 116 483 eine radial federnde Abstützung einer Lagerschale. Die erfindungsgemäße Vereinigung aller drei Merkmale hat indessen eine Wechselwirkung zur Folge, die darin besteht, daß infolge zuverlässiger Zentrierung der Sperrbüchse mittels des hydrodynamischen Lagers zusammen mit der federnden Abstützung der miteinander vereinigten Büchsen die Gefahr einer Zerstörung des Sperrfilms und damit eine mechanische Zerstörung verhütet werden kann.

Das elastisch wirkende Element kann z. B. aus einer Packung zwischen Gehäuse und Dichtungsbüchse konzentrisch aufeinandergestapelter, von der Zylinderform leicht abweichender und dadurch elastisch wirkender Schalen bestehen. Die Büchse zur Bildung keilförmiger, hydrodynamischer Tragfilme kann im tragenden Abschnitt mit mindestens zwei taschenartigen, axial gerichteten Vertiefungen versehen sein oder zur Bildung keilförmiger, hydrodynamischer Tragfilme mit neigbaren Lagersegmenten ausgerüstet sein.

Die Erfindung ist an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 veranschaulicht eine Dichtungsbüchse mit einfachem Radiallager zu deren Führung im Längsschnitt;

F i g. 2 und 3 lassen im Längs- bzw. Querschnitt eine Dichtung mit zwei Dichtungsbüchsen erkennen, von denen eine der Büchsen neben einem Abschnitt mit einem Dichtungsspalt einen zweiten Abschnitt besitzt, dessen Spalt zur Ausbildung eines Tragfilms geeignet ist;

F i g. 4 zeigt den Querschnitt einer mit neigbaren Lagersegmenten ausgerüsteten Dichtungsbüchse; schließlich läßt

F i g. 5 eine Dichtungsbüchse erkennen, deren dichtender Abschnitt umgekehrt auf der Seite höheren Druckes und der tragende Abschnitt auf der Seite niedrigeren Druckes angeordnet sind.

Das Maschinengehäuse 1 (Fig. 1) wird von einer Welle 2 durchdrungen. Die Durchdringung ist gegen die Differenz des Innendruckes Pi gegen den Außendruck Pa abzudichten. Hierzu wird die Welle durch eine Dichtungsbüchse 3 umschlossen. Ein Raum 4 ist durch einen Deckel 5 so abgeschlossen, daß zwischen dem Boden des Raumes 4 und der Deckelfläche ein Abstand f besteht. Die Länge der Dichtungsbüchse 3 ist so gewählt, daß auch bei den größten vorkommenden Temperaturdifferenzen zwischen dem Gehäuse 1 und der Büchse 3 noch ein genügendes axiales Spiel si für die radiale Bewegung der Büchse bestehenbleibt. Ein Stift 11 sichert die Dichtungsbüchse gegen Drehung mit der Welle, läßt ihr aber Spiel zur radialen Einstellung frei.

Die Dichtungsbuchse 3 besitzt am inneren Umfang drei Abschnitte 6, 7 und 8. Davon dienen die Abschnitte 6 und 7 zum Dichten gegen die Hochdruckseite bzw. die Niederdruckseite und der Abschnitt 8 zur radialen Führung der Büchse 3 gegenüber der Welle 2 und zum Tragen des Gewichts von Welle und Rotor. Das durch die Bohrung 9 des Gehäuses mit dem Sperrdruck Ps zugeführte Sperrmittel gelangt durch die Bohrung 10 der Dichtbüchse 3 in den Abschnitt 8, welcher zur Ausbildung keilförmiger, hydrodynamischer Uleitfilme mit einer Anzahl von Nuten und keilförmiger Erweiterungen (wie sie beispielsweise in F i g. 3 dargestellt sind) dient.

Die der Dichtung dienenden Abschnitte 6 und 7 bilden mit der Welle zusammen engere Spalte s2 und s3 als der Spalt s4 des tragenden Abschnittes 8. Durch diese Bemessung können im Abschnitt 8 tragfähige hydrodynamische Gleitfilme von keilförmiger Gestalt entstehen, welche geeignet sind, die Büchse streng zentrisch zur Welle zu halten und Jamit eine metallische Berührung in den dichtenden Abschnitten 6 und 7 zu verhindern.

An der Außenseite weist die Dichtungsbüchse 3 eine Nut 18 auf, in welche ein elastisches Element 19 eingelegt ist. Dieses Element besteht aus einzelnen Schalen 20. die in drei Lagen zu einem zylinderähnlich, die Welle umgebenden Element gestapelt sind. Die koaxial übereinandergestapelten Schalen besitzen eine leicht von der Zylinderform abweichende Form, so daß ihre elastische Wirkung bei der Übertragung von radialen Kräften — insbesondere des Gewichts i;nd der durch Schwingungen entstehenden Kräfte — von der Welle über den Schmierfilm auf das Gehäuse die Dichtflächen der Büchse ungehindert den Bewegungen der Gegenflächen auf der Welle folgen läßt.

Der Druck Ps des zugeführten Sperrmittels ist um einen kleinen Betrag höher als der Druck Pi im Maschinengehäuse, so daß durch die in den Spalten si und s2 entstehende Sperrströmung ein Eintritt von Gasen in das Stopfbüchsgehäuse 4 verhindert wird. Der Ab- 4t¹ schnitt 7 dient zur Abdichtung des Sperrmittels gegenüber dem Außenraum. Es entsteht dabei über die Länge dieses Abschnittes ein Druckgefälle vom Sperrmitteldruck Ps auf den Außendruck Pa. Die bei diesen Sperrströmungen einerseits in das Maschinengehäuse und andererseits nach der Außenseite durchdringenden Mengen an Sperrmittel müssen durch nicht gezeichnete Vorrichtungen aufgefangen und abgeführt werden.

Die in den F i g. 2 und 3 dargestellte Dichtung besitzt zwei Dichtungsbüchsen: eine Büchse 12 für die Hochdruckseite und eine Büchse 13 für die Niederdruckseite. Die Gesamtlänge beider Büchsen 12 und 13 muß so viel kleiner als der Abstand zwischen dem Boden des Stopfbüchsraumes 4 und dem Deckel 5 sein, daß auch bei den größten Temperaturdifferenzen die Büchsen radial noch frei beweglich sind. Das Sperrmittel wird durch die Bohrung 9 in das Stopfbüchsgehäuse 4 und von hier durch Bohrungen 14 in den Spalt zwischen den beiden Büchsen 12 und 13 eingeführt. Von hier aus entsteht eine Sperrströmung durch den Dichtungsspalt zwischen der Büchse 12 und der Welle 2 gegen die Hochdruckseite und zum andern durch den Dichtungsspalt zwischen der Büchse 13 und der Welle 2 nach der Niederdruckseite.

Die Büchse 12 auf der Hochdruckseite besitzt gegenüber der Welle 2 ein Spiel s2, außerdem ist ihre Innenfläche mit einem Gewinde 15 versehen, das bei der Betriebsdrehrichtung d das aus dem Gehäuse 4 in den Dichtungsspalt eindringende Sperrmittel versucht zurückzudrängen, so daß die Sperrmittelmenge, welche in das Maschinengehäuse hineingelangt, möglichst klein bleibt.

Die Büchse 13 auf der Niederdruckseite besitzt zwei Abschnitte 7 und 8, von welchen der eine zum Abdichten des Sperrmittels gegen die Niederdruckseite und der zweite der radialen Führung der Büchse auf der Welle dient. Lti Abschnitt 8 ist der Spalt s4 zwischen der Büchse und der Welle weiter als der Spalt s3 zwischen dem Abschnitt 7 und der Welle. Wie der Schnitt Nl-JiI der Fig.2 in Fig. 3 zeigt, sind im Abschnitt 8 drei Taschen 16 vorgesehen, durch welche das Sperrmittel zur Bildung eines Tragfilms im Abschnitt 8 und zur Bildung eines Dichtfilms im Abschnitt 7 zuströmen kann. In Drehrichtung anschließend an die Taschen 16 besitzt die Büchse 13 im Abschnitt 8 keilförmige Ausnehmungen 1? welche mit einer Spalttiefe s4 beginnen und bis zur nächsten 'i asche sich verengen. Die Spalttiefe s4 ist jedoch mindestens in einem größeren Teil jedes Keils weiter als die Spalttiefen s2 und s3 der für die Sperrströmung bestimmten Abschnitte 6 und 7. In den Ausnehmungen 17 entstehen Tragfilme, welche zunächst die Büchse 3 gegenüber der Welle 2 zentrieren und überdies imstande sind, Radialkräfte von der Welle auf die Büchse, ohne die Zentrierung zu stören, zu übertragen. An der Außenseite weist die Dichtungsbüchse 13 eine Nut 18 auf, in welche ein elastisches Element 19 zur Übertragung von radialen Kräften von der Welle über den Schmierfilm auf das Gehäuse eingelegt ist.

An Stelle von Schmiertaschen 16 und Ausnehmungen 17 können auch, wie in F i g. 4 dargestellt, neigbare Lagersegmente 21 zur Lagerung der Welle verwendet werden. Hierzu ist in der Büchse 13 eine Nut 22 vorgesehen, welche die Segmente 21 aufnimmt und durch anschließende Bohrungen 23 mittels in diese greifender Stifte 24 gegen Drehung sichert Die Segmente 21 können sich nun so neigen, daß die für die Lagerung günstigste Form der Tragkeile 25 sich einstellt.

Schließlich zeigt F i g. 5, daß der zur Zentrierung der Büchse 13 verwendete Abschnitt 8 nicht durchaus zwischen den Dichtungsabschnitten 7 und 6 (F i g. 2) zu liegen braucht. Er ist in diesem Fall nach der Niederdruckseite außerhalb die Dichtungsabschnitte verlegt, braucht aber dann einen zusätzlichen Dichtungsabschnitt 26, welcher das Ausfließen des als Tragfilm zur Wirkung kommenden Dichtungsmittels aus dem Bereich 8 nach der Außenseite des Maschinengehäuses auf das zulässige Maß beschränkt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Dichtung mittels Sperrflüssigkeit und Lagerung der ein Maschinengehäuse durchdringenden Welle. gekennzeichnet durch eine Büchse (3), welche nicht nur einen von einer Sperrflüssigkeit mit gegenüber dem Innendruck der Maschine erhöhten Druck durchfiossenen engen Dichtungsspalt (52, 53) und einen zur Übertragung des Rotorgewichtes mittels eines hydrodynamischen Schmierfilmes dienenden Tragspalt (s4) aufweist, sondern auch im Bereich des Tragspaltes (54) mittels eines elastisch wirkenden Elementes (19) im Maschinengehäuse abgestützt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch J₁ dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch wirkende Element (19) aus einer Packung zwischen Gehäusi und Dichtungsbüchse konzentrisch aufeinandergestapelter, von der Zylinderform leicht abweichender und dadurch elastisch wirkender Schalen (20) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (13, Fig. 3) zur Bildung keilförmiger, hydrodynamischer Tragfilme im tragenden Abschnitt (8. F i g. 1) mit mindestens drei taschenartigen, axial gerichteten Vertiefungen (16, F i g. 3) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (13, Fig.4) zur Bildung keilförmiger, hydrodynamischer Tragfilme im tragenden Abschnitt (8, F i g. 1) mit neigbaren Lagersegmenten (21, F i g. 4) ausgerüstet ist.