DE3612327A1 - Gasgesperrte axiale wellendichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gasgesperrte axiale Wellen­ dichtung, insbesondere für Turboverdichter und andere Turbo­ maschinen, bestehend aus einem mit der Welle rotierenden Wellenbund und einem nicht umlaufenden, axial beweg­ lichen Gleitring mit einer Sperrgaseinspeisung in die Gleitfläche, wobei der Gleitring über zwei konzentrische Bälge mit einer feststehenden Wand in Verbindung steht, und die Sperrgaszuführung zwischen den Bälgen erfolgt.

Eine gasgesperrte Wellendichtung der genannten Art ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 21 34 964. Sie dient dazu, den Maschineninnenraum an der Wellendurchführung nach aussen hin bei kleinstmöglicher Leckage berührungs­ frei abzudichten bzw. unter geringstmöglichem Sperr­ gasdurchsatz ein Heraustreten eines Gases aus dem Innen­ raum zu verhindern. Die zulässigen Mengenströme sind dabei so klein, dass sie nur durch selbsteinstellende Axialdichtungen mit Spaltweiten von wenigen Hunderstel mm realisiert werden können.

Durch den Gleitringhindurch wird dabei - ungefähr in der Mitte seiner Gleitfläche - das Sperrgas in den Dichtspalt gedrückt, wodurch Wellenbund und Gleitring auf Distanz gehalten werden. Damit sich ein stabiler Spalt und ein sperrender Druckberg ausbilden können, muss der Gleit­ ring durch eine äussere Kraft angedrückt werden. Zur Abdichtung der Rückseite des Gleitrings ist daher zwischen ihm und einer feststehenden Wand eine Balgdichtung aus zwei konzentrischen Bälgen angebracht, zwischen denen die Sperrgaszuführung derart erfolgt, dass die axiale Beweglichkeit des Gleitringes nicht behindert wird.

Die Aufrechterhaltung eines berührungsfreien Spaltes stellt dabei grosse Anforderungen an die Ebenheit der Gleitfläche; diese Ebenheit wird durch unterschiedliche Wärmedehnungen beeinträchtigt, die nie ganz zu vermeiden sind, weil Dehnungsdifferenzen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzten Gleitringteile, also des eigentlichen Gleitringes und der Bälge, auftreten. Der eigentliche Gleitring ist beispielsweise aus Wärme­ leitungsgründen bevorzugt aus Leichtmetall, während die Bälge aus Festigkeitsgründen aus Stahl bestehen. Die unterschiedlichen Wärmedehnungen führen im allgemeinen zu einer konischen Verwölbung der Gleitfläche.

Bei der bekannten Konstruktion sind die Bälge auf der Gleitringrückseite befestigt. Damit ergibt sich ein Bi-Metall-Element, bei dem die unterschiedlichen Wärme­ dehnungen von Gleitring und Bälgen bereits bei geringer Erwärmung eine unzulässige Verwölbung hervorrufen; denn wegen des Abstandes zur Mitte des Gleitringes entsteht an der Verbindungsstelle ein Moment, das die Gleitringverwölbung hervorruft.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Bildung eines "Verwölbungs"-Momentes zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Bälge über ein Zwischenstück mit dem Gleitring verbunden sind, und dass ferner die Verbindungsstelle des Zwischenstückes mit dem Gleitring mindestens annähernd im Flächenschwer­ punkt der radialen Querschnittsflächen des Gleitringes angeordnet ist.

Die Verwendung eines Zwischenstückes, das - weil es mit den Bälgen verschweisst wird - vorzugsweise ebenfalls aus Stahl besteht, ermöglicht es, die Verbindung zwischen dem eigentlichen Gleitring und den Bälgen, an der bei thermischen Belastungen die Kraftwirkung der unterschied­ lichen Wärmedehnungen auftreten, mittels einer Nut in den Flächenschwerpunkt des Gleitringes zu verlegen. Dadurch wird die Entstehung von Verwölbungs-Momenten verhindert. Der Gleitring verformt sich bei Kraftein­ wirkungen somit nur rein radial und/oder axial, so dass die Gleitfläche eben bleibt.

Eine erste vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die Verbindung von Gleitring und Zwischenstück durch radial vorgespannte O-Ringe erfolgt; dabei können die Querschnittsflächen der Gleitringausnehmung für die Aufnahme des Zwischenstückes und des Zwischen­ raumes zwischen den Bälgen vorteilhafterweise etwa gleich gross sein, wodurch sich die axialen Kräfte auf das Zwischenstück nahezu aufheben. Zusätzlich ist es möglich, das Zwischenstück gegen axiale Verschiebungen in dem Gleitring zu sichern, wofür das Zwischenstück beispielsweise einen nach aussen gerichteten Ansatz auf­ weist, der im "normalen" Gleichgewichtszustand der Dichtung berührungsfrei in einen entsprechenden Schlitz des Gleitringes hineinragt.

Eine andere Möglichkeit für eine Axialsicherung ist gegeben, wenn die auf einer Seite in Rechtecknuten gelagerten O-Ringe auf der Gegenseite in flache Aus­ nehmungen eingepresst sind.

Eine weitere, zweckmässige Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die axiale Querschnittsfläche zwischen den Bälgen grösser ist als diejenige des Zwischenstückes, und wenn an der inneren Stirnseite des Zwischenstückes eine axiale Doppelsitzdichtung vorhanden ist; durch die Vergrösserung der Fläche des Balg-Zwischenraumes relativ zur Fläche der Nut im Gleitring tritt eine Axialkraft auf, die die Doppelsitzdichtung in axialer Richtung gegen den Boden der Gleitringnut drückt.

Eine andere, vorteilhafte Ausführungsform für die Wellendichtung ergibt sich, wenn das hohlzylindrische Zwischenstück dünne, elastische Zylindermantelscheiben aufweist, die unter axialer Vorspannung und Innendruck in der Mitte der radialen Querschnittsflächen des Gleit­ ringes gegen metallische Dichtflächen gedrückt sind, und wenn ferner eine axiale Fixierung des Zwischenstückes durch Radialstifte erfolgt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher er­ läutert.

Die Fig. 1-4 zeigen in Schnitten längs einer die Wellenachse enthaltenden Ebene vier verschiedene Ausführungs­ formen der neuen Wellendichtung, wobei jeweils nur eine Hälfte der zu Wellenachse rotationssymmetrischen Anordnung dargestellt ist.

Die Welle 1, die in nicht dargestellten Lagern in einem festen Gehäuse 2 gelagert ist, trägt einen mit­ rotierenden Wellenbund 3. Die mit der Wellen-Durchtritts­ öffnung 4 durch die feststehende Wand 5 des Gehäuses 2 in Verbindung stehende "Aussenseite" 10 ist gegen den Maschineninnenraum 11 mit Hilfe einer gasgesperrten Wellendichtung abgedichtet. Zu diesem Zweck wirken der Wellenbund 3 und ein nicht rotierender, jedoch axial beweglicher Gleitring 6 zusammen, der dem Bund 3 gegen­ übersteht und vorzugsweise wegen der Wärmeleitfähigkeit aus einer Leichtmetall-Legierung - z.B. aus A1 Mg 3 - gefertigt ist. Etwa in der Mitte der Gleitfläche 7 des Ringes 6 ist eine Nut 8 vorgesehen, der aus einer nicht gezeigten Druckgasquelle durch den Ring 6 hindurch von der Rückseite her Sperrgas zugeführt werden kann. Der erhöhte Druck des Sperrgases hebt zur Erzeugung eines Dichtspaltes 9 den axial beweglichen Gleitring 6 vom Wellenbund 3 ab, so dass die Dichtung berührungsfrei arbeitet. Wie durch Pfeile angedeutet, fliesst das Sperrgas von der Nut 8 nach beiden Seiten zur Aussen­ seite 10 bzw. in den Innenraum 11 ab.

Die Sperrgaszufuhr zum Gleitring 6 erfolgt zwischen zwei zur Wellenachse konzentrischen Bälge 12, die zum einen über ringförmige Vorsprünge 13, zwischen denen das Sperrgas durch das Gehäuse 2 leitende Bohrungen 15 enden, an der Wand 5 des Gehäuses 2 und zum anderen an einem Zwischenstück 14 gasdicht befestigt, z.B. mit beiden Elementen verschweisst, sind.

In den Gleitring 6 ist von der Rückseite her eine zylindrische Eindrehung 16 eingearbeitet, in die mit seitlichem Spiel das mit den Bälgen 12 verbundene Zwischenstück 14 eingesetzt ist; in diesem sind über den Umfang verteilt Längsbohrungen 35 für die Sperrgas­ strömung vorgesehen.

Erfindungsgemäss sind das Zwischenstück 14 und der Gleitring 6 mindestens nahezu in der Mitte der radialen Querschnittsflächen des Ringes 6 miteinander verbunden.

Diese Verbindung erfolgt in den Fig. 1 und 2 über O-Ringe 17, die in der genannten Flächenmitte das Zwischenstück 14 mit dem Gleitring 6 verbinden und dort sowohl abdichten als auch Wärmedehnungsdifferenzen elastisch überbrücken. Um ein Auswandern der Verbindungs­ stelle aus der Flächenmitte zu verhindern, sind annähernd gleiche druckbeaufschlagte Flächen 18 und 19 zu beiden Seiten des Zwischenstückes 14 vorgesehen, womit in axialer Richtung ein annähernder Ausgleich der Kräfte angestrebt wird. Zusätzlich ist als Sicherung gegen axiale Verschiebungen in Fig. 1 das Zwischenstück 14 mit einem radialen Ansatz 20 versehen; dieser ragt in eine Ausnehmung 21 im Gleitring 6, die von einer Ab­ deckung 22 verschlossen ist. Im "normalen" Betriebszu­ stand "schwimmt" der Ansatz 20 dabei berührungsfrei in der Ausnehmung 21.

Die Sicherung 20 bis 22 kann entfallen, wenn die O-Ringe 17, die im Zwischenstück 14 in Rechtecknuten 24 ge­ lagert sind, auf der Gleitringseite in eine kleine - z. B. V-förmige - Nut 25 hineindrücken (Fig. 2). Dabei sollte, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, sichergestellt sein, dass durch annähernd gleiche Druckflächen 18 und 19 nur relativ geringe Axialkräfte auf das Zwischenstück einwirken.

Wenn die Balgen-Zwischenraumfläche 19 ins Gewicht fallend grösser ist als die Gleitringnutfläche 18 (Fig. 3), ergibt sich durch die Flächendifferenz 26 eine Axialkraft; diese kann auf einen axialen metallischen Sitz 27 drücken, wodurch zwischen dem Gleitring 6 und dem Zwischenstück 14 eine axiale Doppelsitzdichtung entsteht. Dadurch werden O-Ringe entbehrlich; es besteht jedoch unter Umständen die Gefahr einer erhöhten Sperrgas-Leckage. Das radiale Spiel 28 an der Verbindungs­ stelle von Ring 6 und Zwischenstück 14 wird bei dieser Ausführungsform so gewählt, dass es der Relativdehnung bei Betriebstemperatur entspricht, wodurch grössere Radialkräfte verhindert werden.

Bei Druckabfall des Sperrgases hebt der Gleitring 6 bei allen dargestellten vertikalen und unter dem Wellen­ bund liegenden Anordnungen infolge seines Eigengewichtes vom Wellenbund 3 ab. Bei einer umgekehrten und gegebenen­ falls bei horizontaler Einbaulage muss dieses Abheben durch Zugfedern 29 zwischen dem Gleitring 6 und der Gehäusewand 5 sichergestellt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist das Zwischen­ stück 14 von "oben" her so geschlitzt, dass eine Gabel mit zwei dünnen elastischen Schenkeln 30 entsteht, die in der Flächenmitte des Gleitringes 6 einerseits aufgrund einer Vorspannung und andererseits durch den Innendruck gegen Dichtflächen 31 an den peripheren Wänden der Gleitringeindrehung 16 gepresst werden. Eine axiale Fixierung erfolgt durch über den Umfang der Eindrehung 16 bzw. des Gleitringes 6 verteilte Radialstifte 32.

Claims (7)

1. Gasgesperrte axiale Wellendichtung, insbesondere für Turbo- Verdichter und andere Turbomaschinen, bestehend aus einem mit der Welle rotierenden Wellenbund und einem nicht umlaufenden, axial beweglichen Gleitring mit einer Sperrgaseinspeisung in die Gleitfläche, wobei der Gleitring über zwei konzentrische Bälge mit einer feststehenden Wand in Verbindung steht, und die Sperr­ gaszuführung zwischen den Bälgen erfolgt, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Bälge (12) über ein Zwischenstück (14) mit dem Gleitring (6) verbunden sind, und dass ferner die Verbindungsstelle des Zwischenstückes (14) mit dem Gleitring (6) mindestens annähernd im Flächen­ schwerpunkt der radialen Querschnittsflächen des Gleit­ ringes (6) angeordnet ist.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Gleitring (6) und Zwischenstück (14) durch radial vorgespannte O-Ringe (17) erfolgt.

3. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsflächen der Gleitringausnehmung (16) für die Aufnahme des Zwischenstückes (14) und des Zwischenraumes zwischen den Bälgen (12) etwa gleich gross sind.

4. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (14) gegen axiale Verschiebungen in dem Gleitring (6) gesichert ist.

5. Wellendichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einer Seite in Rechtecknuten (24) gelagerten O-Ringe (17) auf der Gegenseite in flache Ausnehmungen (25) eingepresst sind.

6. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Querschnittsfläche zwischen den Bälgen (12) grösser ist als diejenige des Zwischenstücks (14), und dass an der inneren Stirnseite des Zwischenstückes (14) eine axiale Doppelsitzdichtung (27) vorhanden ist.

7. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlzylindrische Zwischenstück (14) dünne, elastische Zylindermantelscheiben (30) aufweist, die unter axialer Vorspannung und Innendruck in der Mitte der radialen Querschnittsflächen des Gleitringes (6) gegen metallische Dichtflächen (31) gedrückt sind, und dass ferner eine axiale Fixierung des Zwischenstückes (14) durch Radialstifte (32) erfolgt.