DE3043617C2 - Gasdichtung - Google Patents

Description

50

Die Erfindung betrifft eine Dichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine derartige Dichtung ist aus der DE-OS 21 35 344 bekannt, die eine Stopfbuchse für Wellen zeigt, welche gleichzeitig eine Tragfunktion und eine Dichtfunktion ausübt Dabei soll die Hochdruckseite einer Turbine oder eines Turbokompressors duich eine Labyrinthdichtung abgedichtet werden, während zum Abdichten der Niederdruckseite ein kombinierter Trag- und Dichtungsring dient Der kombinierte Trag- und Dichtungsring besitzt hierzu einen Tragbereich und einen Dichtbereich, die über einen Schmiermittelkanal mit einer Schmier- oder Sperrflüssigkeit versorgt werden. Der zum Abdichten vorgesehene Dichtbereich weist einen zur Welle konzentrischen Ringspalt auf, der vollständig mit der unter Druck zugeführten Schmier- oder Sperrflüssigkeit gefüllt wird. In axialer Richtung anschließend an den Dichtbereich ist der Tragbereich angeordnet Dieser Tragbereich weist einerseits drei Schmiertaschen und andererseits drei Keilspalte auf, die jeweils in den Schmiertaschen die größte Spalthöhe erreichen und an diesen Stellen beginnend sich in Drehrichtung verjüngen. Der Ring ist ein ungeschlitzter Vollring, der durch Stifte in der Lager- und Dichtanordnung gehalten und durch elastische Ringe zentriert wird Der Tragbereich dient mit seinen Keilspalten lediglich zum Tragen, jedoch nicht zum Dichten. Die bekannte Dichtung ist für den Schwermaschinenbau vorgesehen, nämlich zur Abdichtung von Turbokompressoren oder Turbinen in Atomkraftwerken.

Aus der DE-AS 12 43 478 ist ferner ein ausgeschnittener Dichtring für Wellen bekannt, dessen Stoßenden für die Montage mit hakenförmigen Erhebungen versehen sind. Im Betriebszustand hat der Dichtring einen kreisförmigen Innenumfang. Außerdem schwimmt er üblicherweise in einem Hydraulikfluid

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine einfach herstellbare, leicht montierbare, zuverlässige und wirksame Dichtung für schnellaufende Wellen zu schaffen, die im Betrieb die Welle nicht berührt und die als Dichtungsmittel einen Gas- oder Luftring verwendet, der das Eintreten von Fremdkörpern in den durch die Dichtung abgedichteten Raum verhindert

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Dichtung der eingangs genannten Art, welche außerdem die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist

Dadurch wird erreicht, daß der bei schnellaufender Welle z. B. 10 000 U/min, im Keilspalt entstehende Gasoder Luftfilm den Dichtungsring in Umfangsrichtung aufweitet und diesen dadurch von der Welle abhebt, so daß eine reibungsfreie Dichtung gebildet ist Der so gebildete Dichtungsspalt hat üblicherweise nur wenige Mikrometer Spiel zwischen dem Dichtungsring und der Welle, wodurch größere Fremdkörppr von vornherein abgehalten werden. Einrichtungen für die Zufuhr von Druckgas oder Druckluft zur Dichtung sind nicht erforderlich, da sich der Gasfilm durch die Drehung der Welle selbst bildet Obgleich das im Bereich der Dichtung vorliegende Gas üblicherweise Luft ist, kann auch jedes andere Gas oder jede andere Gasmischung hierfür verwendet werden. Aus Gründen der Einfachheit wird im folgenden jedoch nur von einem Luftfilm gesprochen, worunter alle Arten von Gasen fallen.

Um sicherzustellen, daß die Dichtung im Betrieb richtig arbeitet, muß die Rampenfläche richtig ausgebildet sein. Ein typischer Maximalwert für den Luftspalt liegt in der Größenordnung von etwa 0,127 mm, obgleich sich auch vorteilhafte Ergebnisse mit Maximalwerten im Bereich von etwa 0,050 bis etwa 0,076 mm erzielen ließen. Es ist klar, daß der Maximalwert sowie die Bogenlänge der Rampenfläche und damit der »Winkel« des sich verjüngenden Luftspaltes von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, wozu der Durchmesser der Welle, die axiale Ausdehnung der Dichtung, die Oberflächenbearbeitung der Welle und des Dichtungsringes, die Lufttemperatur in der Umgebung der Dichtungsstelle usw. gehören. Bei nur einer Rampenfläche soll diese vorzugsweise eine Winkelerstreckung oder eine Bogenlänge von etwas weniger als 2π Radian haben. Bei drei oder vier Rampenflächen sind deren bevorzugte Längen geringer als 2π/3 Radian bzw. nil Radian. Welche Anzahl von Rampenflächen auch immer gewählt ist, der Ringspalt ist so an eine Stelle des Dichtungsringes zu legen, daß er nicht in einem Bereich von vermindertem Abstand verläuft, also nicht eine Rampenfläche durchsetzt.

Die Innenfläche des Dichtungsringes läßt sich auf als zwischen dem Ring und dem Gehäuse, so daß er aufverschiedenste Weise zur Bildung der Rampenflächen hört, sich mitzudrehen, wodurch der Luftspalt aufherstellen. Beispielsweise wird die Innenfläche des Rin- rechterhalten wird.

ges zur Bildung der Rampenfläche gedreht Im Falle Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine einer Metalldichtung kann diese auch aus einem Metall- 5 Dichtungsanordnung für eine sich normalerweise nur in

streifen gewalzt werden, wobei während des Walzens eine Richtung drehende Weile geschaffen, wobei ein

die Walzen so eingestellt werden, daß sie jede der Ram- Gehäuse die Welle mit Abstand umgibt und ein zuvor

penflächen des fertigen Ringes formen. Eine weitere beschriebener Dichtungsring die Abdichtimg von Welle

Möglichkeit der Herstellung liegt mit Ausnahme des und Gehäuse bewirkt Das Gehäuse weist eine Vertie-Falles mit einer Rampenfläche darin, die zwei benach- io fung auf, in der der die Welle umgebende Dichtungsring

harten Enden des Ringes im Bereich des Schlitzes in ent- sitzt Die Vertiefung ist so geformt, daß sich der Ring in

gegengesetztem Sinne abgestuft auszubilden, so daß einer Radialebene der Welle verschieben kann, wodurch

ein Endbereich den anderen überlappt Durch richtige dieser eng um die Welle anliegt und bei zumindest einer

Abstimmung der radialen Dicke der abgestuften Endbe- vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit eine Luftdichreiche entsteht eine Rampenfläche in einem Ring von 15 tung bildet

im wesentlichen konstanter radialer Dicke: die Dicken Vorzugsweise ist die Vertiefung in axialer Richtung der Endbereiche sollen so bemessen sein, daß obgleich nur geringfügig breiter als der Dichtungsring, so daß die Innenfläche der Dichtung im Bereich des Schlitzes dieser gegen axiale Verschiebung gehalten wird, sich jeunterbrochen ist, am radial äußeren Ende, welches das doch in radialer Richtung frei bewegen kann. Für eine radial innere Ende überlappt und in bezug auf die Innen- 20 Welle mit verhältnismäßig großer Exzentrizität sowie fläche des radial inneren Endes um eine größe nach einem möglichen Fehlen an Konzentrizität zwischen außen versetzt ist die der erforderlichen maximalen der Vertiefung des Gehäuses und der Welle soll sich der Spaltgröße entspricht Bei abgestuften Enden müssen Dichtungsring in radialer Richtung um mindestens diese zur Ausdehnung in Umfangsrichtung aufeinander 1,5875 mm aus einer Mittellage verschieben lassen, gleiten können. Um eine freie Gleitbewegung zuzulas- 25 Vorzugsweise ist das Gehäuse mit Einrichtungen versen, liegt in einer Ausführung eine Rolle zwischen den sehen, die ein Drehen des Dichtungsringes verhindern, beiden Enden, wodurch ein Endbereich am anderen ab- beispielsweise ein in eine Nut des Dichtungsringes einrollt Die Rolle ist entweder frei eingesetzt oder in greifender Keil.

einem Käfig untergebracht, um ihre Lage beizubehal- Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Herten. Eine weitere Möglichkeit für die Halterung der 30 stellung einer Dichtung zwischen einer sich in einem Rolle besteht in einer V-förmigen Nut in einem der End- Gehäuse drehenden Welle, welches die Welle mit Abbereiche, die sich parallel zur Achse der Dichtung er- stand umgibt, wobei ein zuvor beschriebener Dichtungsstreckt In jedem Fall muß jedoch die Dicke der Endbe- ring in das Gehäuse eingelegt wird und die Welle eng reiche so gewählt sein, daß der erforderliche Luftspalt umgibt Ein Luftfilm wird zwischen dem Dichtungsring aufrechterhaltbar ist 35 und der Welle durch Luft gebildet, die bei einer Drein einer anderen Ausführung hat der Dichtungsring hung der Welle um die Welle in Richtung des sich veranstelle der abgestuften Enden einen einfachen, radial jungenden Spaltes zwischen der Rampenfläche des verlaufenden Schlitz, wobei die beiden Ringenden an- Dichtungsringes und der Welle gezogen wird. Dieser einanderstoßen, sich bei einer Ausdehnung des Ringes Luftfilm dehnt den Dichtungsring in Umfangsrichtung jedoch voneinander trennen. Dieser Schlitz kann in 40 aus und hebt ihn von der Welle ab. einer anderen Ausführung unter einem Winkel zu einer Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt Radialebene verlaufen, wobei die Enden aber wieder an- darin, daß keine Hilfseinrichtungen wie beispielsweise einanderstoßen. Diese Ausführungen, und zwar ein- eine Druckluftquelle erforderlich sind und daß unter der schließlich der Ausführung mit den abgestuften Enden, Voraussetzung eines richtig ausgebildeten Dichtungslassen sich bei Dichtungen verwirklichen, deren Ram- 45 ringes und einer sich mit einer Mindestgeschwindigkeit pen nicht durch Einstellung der Dicke der sich überlap- in Richtung des sich verjüngenden Luitspaltes zwischen penden Endbereiche erfolgt der Rampenfläche des Dichtungsringes und der Welle Es wird darauf hingewiesen, daß der erfhdungsge- drehenden Welle die Dichtung im wesentlichen reimäße Dichtungsring locker in das Gehäuse eingesetzt bungslos ist und sich selbst erhält Der Mindestspalt wird, um sich dicht um die Welle anzulegen. Dadurch so zwischen dem Dichtungsring und der Welle ist selbst bei wird nicht nur vermieden, daß der den Ring aufneh- vollständig von der Welle abgehobenem Dichtungsring mende Teil des Gehäuses sehr genau zu fertigen ist, son- nur sehr klein und beträgt üblicherweise wenige Mikrodern es wird auch eine gewisse Exzentrizität dar Welle meter, so daß die Wahrscheinlichkeit für das Durchtrezugelassen. Da der Ring im Gehäuse jedoch nicht fest- ten von Fremdkörpern durch die Dichtung sehr gering gehalten wird, sind vorzugsweise Einrichtungen vorge- 55 ist

sehen, die ein Drehen des Ringes im Gehäuse verhin- Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus-

dern. Hierzu dient beispielsweise ein im Gehäuse mon- führungsbeispieles näher erläutert; es zeigt

tierter Keil, der in eine entsprechende Nut des Ringes F i g. 1 eine Schemaansicht einer Welle mit Gehäuse

ragt und damit dessen Drehung trotz der Drehung der und Dichtungsring;

Welle verhindert In manchen Fällen kann eine Dre- 60 Fig.2 eine vergrößerte Stirnansicht des Ausfüh-

hung des Dichtungsringes jedoch nicht verhindert wer- rungsbeispiels gemäß F i g. 1;

den. Dieser dreht sich dann mit der Welle bei kleineren F i g. 3 Einzelheiten einer anderen Ausführung des

Drehzahlen mit, bei zunehmenden Drehzahlen stellt Dichtungsringes gemäß Fig.2;

sich jedoch ein Unterschied zwischen der Wellenge- F ί g. 4 eine Stirnansicht einer zweiten Ausführung des

schwindigkeit und der Ringgeschwindigkeit ein, bis ein 65 Dichtungsringes; und

Luftfilm gebildet ist, der den Ring vollständig von der F i g. 5 eine Stirnansicht einer dritten Ausführung des

Welle abhebt Zu diesem Zeitpunkt ist die Reibung zwi- Dichtungsringes,

sehen dem Dichtungsring und der Welle viel geringer Fig. 1 zeigt eine Welle 10, die zur Drehung in Rieh-

tung eines Pfeiles A in nicht dargestellten Lagern gelagert ist Die Welle 10 liegt teilweise in einem Gehäuse 11, das einen nach innen gerichteten Flansch 12 aufweist Der Flansch 12 bildet eine kreisförmige Bohrung 13, deren Rand im Abstand zur Welle 10 liegt An dem Flansch 12 ist beispielsweise von Nieten 14 ein Tragelement 15 befestigt, das eine im wesentlichen rechteckige Vertiefung 16 bildet, die sich um die Welle 10 erstreckt und dieser zugewandt ist Ein Dichtungsring 17 sitzt in der Vertiefung 16 und bildet eine Luftdichtung zwischen dem Gehäuse 11 und der Welle 10, wenn sich die Welle 10 mit einer Mindestdrehzahl in Richtung des Pfeiles A dreht

Der Dichtungsring 17 ist in F i g. 2 vergrößert dargestellt Er hat die Form eines Ringes, beispielsweise aus Federmetall wie Bronze und ist an der Stelle 18 geschlitzt Die beiden Enden 19 und 20 des Ringes sind in umgekehrter Weise abgesetzt, so daß sie einander in der dargestellten Weise überlappen. Auf diese Weise kann sich der Ring 17 in Umfangsrichtung ausdehnen, wobei die beiden Enden 19 und 20 relativ zueinander verschoben werden. Die radiale Dicke des radialen inneren Endes 19 und die radiale Dicke des radialen äußeren Endes 20 sind zweckmäßigerweise so gewählt, daß der Radius der Innenfläche 21 des Ringendes 19 kleiner ist als der Radius der Innenfläche 22 des Ringendes 20, und zwar um einen festen, vorgegebenen Betrag, nämlich beispielsweise 0,0635 bis 0,076 mm.

Wenn der Dichtungsring 17 gemäß F i g. 1 in das Gehäuse 11 eingesetzt ist, dann liegt die Innenfläche 21 des Ringendes 19 auf der Welle 10, während die Innenfläche 22 des Ringendes 20 um einen festen Betrag im Abstand zur Welle 10 liegt, der durch eine zweckmäßige Auswahl der radialen Dicken der Ringenden 19 und 20 im Überlappungsbereich bestimmt ist Da der Ring 17 im wesentlichen kreisförmig ist und das Ringende 20 im Abstand zur Welle 10 lliegt, während das Ringende 19 die Welle 10 berührt, bildet die Innenfläche des Ringes von der Innenfläche 22 zur Innenfläche 21 eine Rampe in bezug auf die Welle 10, wobei der Abstand von der Innenfläche des Ringes 17 zur Welle 10 von einem Maximalwert bis auf Null während der normalen Drehung der Welle 10 in Richtung des Pfeiles A abnimmt

Gemäß F i g. 2 ist d'e Umfangslänge des radial äußeren abgestuften Ringendes 20 geringer als die Umfangslänge des radial inneren abgestuften Ringendes 19, so daß eine Ausnehmung 23 zwischen dem freien Ende des äußeren Ringendes 20 und dem übrigen Teil des Ringes 17 gebildet ist Im Gehäuse 11 ist ein Keil 24 montiert, der in die Ausnehmung 23 ragt und dadurch eine Drehung des Ringes 17 verhindert.

Im Betrieb und bei Drehung der Welle 10 in Richtung des Pfeiles A mit wenigstens einer Mindestgeschwindigkeit wird Luft aus der Umgebung des Ringes um die Welle geführt und aufgrund des Reduzierabstandes zwischen der Ringinnenfläche des Ringes 17 und der Welle 10 entsteht ein Luftfilm zwischen dem Ring 17 und der Weile 10, der diesen gänzlich von der Welle 10 abhebt Dieser Film hat üblicherweise eine Dicke in der Größenordnung von 2,5 μηι und obgleich die zur Bildung eines solchen Spaltes erforderliche Umfangsausdehnung minimal ist, erfolgt diese Ausdehnung durch Relatiwerschiebung der abgesetzten Ringenden 19 und 20. Durch eine Bewegung des Ringes 17 in der Radialebene, und zwar durch Verschiebung innerhalb dieser Ebene im Tragelement 15 läßt sich eine Exzentrizität der laufenden Welle ausgleichen.

Soll insbesondere im Falle einer zwischen einem feststehenden Gehäuse und einer sehr schnell laufenden Welle von typischerweise nicht weniger als 10 000 U/Min, eine Dichtung gebildet werden, dann wird der Ring zweckmäßigerweise aus einem anderen Material als Metall hergestellt, beispielsweise aus Keramik, die sich innerhalb verhältnismäßig enger Grenzen in der gewünschten Weise nachgiebig verformen kann. Eine andere Möglichkeit liegt darin, den Metallring mit

to einer verschleißfesten Beschichtung zu versehen, beispielsweise mit einer Chrombeschichtung, um den Verschleiß während des Anlaufens der Welle und noch vor der Bildung einer Luftdichtung minimal zu halten, da Verschleiß die Bildung des Luftfilmes zwischen dem Dichtungsring und der Welle zunichte machen kann.

F i g. 3 zeigt Einzelheiten einer anderen Ausführung der in F i g. 2 allgemein dargestellten Erfindung. In dieser Weiterbildung liegt eine Rolle 25 zwischen den beiden abgesetzten Ringenden 19 und 20 des Dichtungsringes 17. Die Rolle 25 ist in eine parallel zur Ringachse in der Innenfläche des abgesetzten äußeren Ringendes 20 verlaufende Nut 26 eingelegt Diese Rolle 25 verringert die Reibung zwischen den beiden Ringenden 19 und 20 auf einen minimalen Wert und erleichtert dadurch die freie Relativverschiebung der beiden Ringenden bei der Umfangsausdehnung des Ringes während der Luftfilmbildung, die den Ring von der Welle 10 abhebt.

F i g. 4 zeigt eine andere Ausführung der in F i g. 1 dargestellten Dichtung. Diese Dichtung 27 ist in einer Radialebene bei 28 geschlitzt, wobei die beiden radialen Stirnflächen des Ringes 27 bei entspanntem Ring einfach aneinanderstoßen. In eng um die Welle 10 gelegtem Zustand können die beiden Stirnflächen je nach Erfordernis einen Abstand zueinander aufweisen, der dazwisehen einen Spalt freiläßt In die Innenfläche des Ringes sind vier im Abstand zueinander liegende, jedoch ähnliche Rampenflächen 29 eingearbeitet, die jeweils etwa τι/2 Radian lang sind. Jede Rampenfläche 29 bildet zusammen mit der Welle 10 einen Spalt, der von einem Maximalwert von 0,0635 mm bis auf 0 abnimmt Befindet sich der Ring 27 in dem in F i g. 4 dargestellten, entspannten Zustand, dann berührt er die Welle 10 mit seinen beiden Enden an jeder Seite des Spaltes 28 sowie an drei Zwischenstellen. Dreht sich hingegen die Welle in Richtung des Pfeiles A, dann wird der Ring 17 durch die Bildung eines von den vier Rampenflächen 29 erzeugten Luftfilmes von der Welle 10 abgehoben, wobei die Luft durch die Drehung der Welle innerhalb der von den Rampenflächen 29 gebildeten Spalte um die Welle geführt wird.

Ebenso wie bei der Ausführung gemäß F i g. 2 dient ein Keil 30 zur Verhinderung eines Drehens des Dichtungsringes 27. Der Keil 30 ist im Gehäuse 11 befestigt und in eine im Ring 27 vorgesehene Ausnehmung eingesetzt

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführung des Dichtungsringes 32, die im allgemeinen der Ausführung gemäß F i g. 4 ähnelt jedoch unterschiedlich geformte vier Rampenflächen 33 aufweist Bei der Ausführung gemäß F i g. 4 sind die Rampenflächen 29 auf einer Drehbank hergestellt während sie bei der Ausführung gemäß Fig.5 während des Walzens eines Metallstreifens zu seiner endgültigen Form hergestellt werden. Dies erfolgt durch richtige Einstellung des Abstandes der den Streifen zu einem Dichtungsring 32 formenden Walzen. Die freien Enden des Dichtungsringes 32 stoßen in der Radialebene aneinander, und zwar ebenso wie in F i g. 4, und der Ring 32 bildet wie auf zuvor beschriebene

Weise eine Luftdichtung, wobei Luft durch Drehung der Welle 10 in Richtung des Pfeils A herumgeführt wird und einen Luftfilm zwischen der Welle 10 und dem Dichtungsring 32 bildet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Dichtung in Form eines Ringes zum Abdichten s eines Gehäuses, das eine normalerweise nur in einer Richtung drehbare Welle im Abstand umgibt, bei welcher der Ring lose in das Gehäuse eingelegt ist, die Welle eng umgibt und die Innenfläche des Ringes zur Bildung von mindestens einer Rampenfläche relativ zur Welle geformt ist und dadurch bei in das Gehäuse eingelegtem Ring ein Spalt zwischen der Innenfläche des Ringes und der Welle von einem Maximalwert an einer ersten Stelle auf dem Ring zu einer im Winkelabstand von der ersten Stelle in Richtung der normalen Drehung der Welle liegenden zweiten Stelle abnimmt, an welcher der Ring die Welle berührt, dadurch gekennzeichnet, dad der Ring (17,27,32) einen eine Umfangsausdehnung zulassenden Schlitz (18, 28) aufweist, so daß bei sich mit hinreichend hoher Geschwindigkeit drehender Welle (10) Gas in dem Spalt um die Welle geführt wird, den Ring (17,27,32) in Umfangsrichtung dehnt und ihn an der zweiten Stelle- von der Welle (10) abhebt, und daß der Ring (17,27,32) gegen Verdrehen (24,30) gesichert ist

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (18,28) gegenüber dem Bereich der Rampenflächen (29) versetzt ist

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schute (18, 28) in Form von einander überlappenden Endbereichen (19, 20) des Ringes (17,27) gebildet ist

4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den beiden Endbereichen (19, 20) des Ringes (17) eine Rolle (25) eingelegt ist (F ig. 3)

5. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Endbereiche (19 oder 20) mit einer V-förmigen Nut (26) für die Aufnahme der Rolle (25) versehen ist, wobei sich die Nut (26) parallel zur Achse der Dichtung erstreckt

6. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz durch in einer Radialebene aneinanderstoßende Endbereiche des Ringes (32) gebildet ist (F i g. 5)