DE3819566A1

DE3819566A1 - Spaltdichtung

Info

Publication number: DE3819566A1
Application number: DE19883819566
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Keller; Klaus Dr Schubert; Dieter Dr Seidel
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1988-06-09
Filing date: 1988-06-09
Publication date: 1989-12-14
Also published as: DE3819566C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spaltdichtung zum Ab dichten des Innenraumes in einem Gehäuse gegen die Außenseite, wobei in das Gehäuse eine sich drehende Welle führt mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die bekannten, z.B. bei Verdichtern eingesetzten doppelt wir kenden Wellendichtungen bestehen aus einem mit der Welle um laufenden planparallelen Ring, dem stirnseitig jeweils ein feststehender, mit dem Gehäuse verbundener Dichtring, durch einen sehr dünnen radialen Gasfilm bzw.-spalt getrennt, gegen übersteht. In der Mitte des feststehenden Dichtringes wird das Sperrgas zur Erzeugung des Gasfilmes zugeführt, von wo es ra dial nach innen und außen abströmt. Bei bestimmten Verdichtern wird die verfahrensgasseitige Wellendichtung mit dem gleichen Gas versorgt, das z.B. als leichtes Zusatzgas in einem Förder gut vorhanden ist. In dem Raum zwischen beiden Wellendichtun gen kommt es zu einer Vermischung von Sperrgas jeweils aus der verfahrenseitigen und aus der atmosphärenseitigen Wellendich tung. Das Gasgemisch wird dann aus diesem Raum entfernt und ins Freie geleitet, was einen kontinuierlichen Bedarf an Sperrgas bedeutet.

Der Nachteil bei den bekannten Bauweisen von Wellendichtungen mit Dichtspalten ist der relativ große Sperrgasverbrauch, der in einem Fall, bei welchem Helium als Sperrgas verwendet wird, einen nicht zu vernachlässigenden Kostenfaktor darstellt. Außerdem kann die durch den Sperrgaseinstrom bedingte Verun reinigung oder Konzentrationsänderung des Föderguts eine Ver ringerung des Sperrgasverbrauches wünschenswert erscheinen lassen.

Da der Sperrgasverbrauch proportional zur dritten Potenz der Spalthöhe ist, besteht die wirkungsvollste Möglichkeit zur Verringerung des Gasverbrauches in der Verkleinerung der Spalthöhe des Gasfilms zwischen dem feststehenden Dichtring und dem mit der Welle umlaufenden Ring. Weiterhin besteht die Möglichkeit durch unsymmetrische Aufteilung des eintretenden Sperrgasstromes im Gasspalt den in den Förderraum strömenden Teilstrom (Verunreinigung des Fördergutes) als auch den zur Atmosphärenseite strömenden Teilstrom (Sperrgasverlust) mög lichst klein zu halten. Soll die Betriebssicherheit auch bei verkleinerter Spalthöhe gewährleistet sein, so sind folgende Voraussetzungen zu beachten:

Die Steifigkeit des Gasfilms im Dichtspalt muß ausreichend hoch sein; d.h., daß über dem ganzen Drehzahlbereich einer be triebsbedingten Verkleinerung der Spalthöhe durch einen genü gend steilen Druckanstieg im Gasspalt entgegengewirkt werden kann.

Da betriebsbedingte Spaltweitenveränderungen hauptsächlich am Innen- und Außenrand einer Spaltdichtung auftreten, muß die radiale Druckverteilung dort ihr Maximum haben. Dies wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Spiralnuten erreicht. Anordnungen, bei denen entweder im rotierenden oder im fest stehenden Ring spiralförmige Rillen, Nuten oder flache Taschen angeordnet sind, sind als dynamisch arbeitende axiale Lager und als Dichtungen mit flüssigen und gasförmigen Medien be kannt. Bekannt sind außerdem Dichtungsbauformen mit Spiralnu ten, die vom Außenrand nach innen oder vom Innenrand nach außen gegen einen Damm fördern. Weiterhin ist eine symmetri sche Anordnung der Spiralnuten bekannt, die vom Außen- und In nenrand zur Mitte hin fördern und als gasgeschmiertes Axialla ger eingesetzt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine gasge sperrte, berührungsfreie Wellendichtung für Verfahrensdrücke unter Atmosphärendruck zu schaffen, die im Vergleich zu den vorhandenen Wellendichtungen einen deutlich kleineren Sperr gasverbrauch bzw. einen kleineren Sperrgaseintrom in das För dergut aufweist. Die Dichtung sollte auch wie bisher beim An fahren und Abfahren bis zum Stillstand berührungsfrei arbei ten.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt nun die vorliegende Erfin dung die Merkmale vor, die im Kennzeichen des Anspruches 1 aufgeführt sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findung ergeben sich aus den Merkmalen, die in den Kennzeichen der Unteransprüche angegeben sind.

Die erfindungsgemäße Spaltdichtung vereinigt die Vorteile sowohl der dynamisch arbeitenden Wellendichtung als auch die der statisch arbeitenden. Bei der erfindungsgemäßen Spaltdich tung übernehmen im Betrieb die im feststehenden Ring symme trisch nach innen und außen fördernden spiralförmigen flachen Taschen (Spiralnuten) im wesentlichen den Druckaufbau, wobei das Maximum jeweils in den Randzonen innen und außen auftritt. Die Sperrwirkung wird durch die Gaszufuhr in die konzentri sche, in der Ringmitte angeordnete flache Ringnut gewährlei stet. Beim An- und Abfahren entfällt der Druckaufbau in den Spiralnuten. In diesem Fall sorgt die Sperrgaszuführung für den Aufbau eines Gaspolsters in der Ringnut und in den Spiral nuten, d.h. die Dichtung arbeitet in diesem Fall als statische Dichtung. Natürlich können die Spiralnuten und die konzentri sche Ringnut anstelle im feststehenden Ring auch in den Um laufring eingebracht werden. Neu ist bei der erfindungsgemäßen Wellendichtung die symmetrische Anordnung der Spiralnuten von der Ringmitte jeweils nach außen und innen gegen einen Damm fördernd, wobei die Spiralnuten jeweils voneinander weglaufen. Weiterhin neu ist die Sperrgaszuführung über die Ringnut in Kombination mit den daran anschließenden Spiralnuten. Dadurch wird erreicht, daß die Dichtung bei rotierender als auch bei stehender Welle berührungsfrei ihre Sperrfunktion erfüllt. Der Vorteil der neuen erfindungsgemäßen Wellendichtung gegenüber den bekannten Bauformen beteht in einem deutlich geringeren Sperrgasverbrauch und damit einem kleineren Sperrgaseinstrom in dem Verfahrensraum.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im fol genden anhand der Figuren näher erläutert:

Es zeigen die

Fig. 1 einen Schnitt durch die gesamte Anordnung der Spaltdichtung und die

Fig. 2 den Schnitt AB in der Fig. 1 bzw. die Draufsicht auf die Spiralnuten.

Gemäß der Fig. 1 soll der Innenraum 5 eines Gehäuses 6 gegen über dem Raum 7 abgedichtet werden, von welchem aus eine Welle 1 in das Gehäuse 6 führt. In dem Innenraum 5 besteht ein Ver fahrensdruck, der Atmosphärendruck sein kann. Auf der Welle 1, z.B. eines Strömungsverdichters, sitzt ein sich mitdrehender Umlaufring 2, der eine Dichtspaltfläche 8 aufweist, die senk recht zur Drehachse steht. Dieser sich drehenden Fläche 8 steht die Lagerfläche 9 eines feststehenden Dichtringes 3 ge genüber, wobei zwischen den Flächen 8 und 9 der Dichtspalt 4 gebildet wird. Der feststehende Dichtring 3 wird durch Druck federn 10 gegen den Umlaufring 2 gedrückt, wobei sich die Fe dern 10 in Bohrungen 13 eines Einbauringes 11 befinden, in welchem der Dichtring 3 mittels seines Bundes 12 mit Spiel ge lagert ist. Die Federn 10 stützen sich auf einem Haltering 14 ab, der fest mit dem Gehäuse 6 verbunden ist. In den Einbau ring 11 sind innerhalb des Bundes 12 noch gehärtete Verdrehsi cherungen in Form von eingeschraubten Stehbolzen 15 eingebaut, die in weitere Bohrungen 16 in Dichtring 3 eingreifen und im Falle eines Reibschlusses zwischen feststehendem Dichtring 3 und sich drehendem Umlaufring 2 eventuell vorhandene Diag nostikeinrichtungen oder ähnliches vor Zerstörung schützen.

Zwischen dem festehenden Dichtring 3 bzw. seinem Bund 12 und der Innenfläche des Einbauringes 11 befindet sich ein Radial dichtring 17, der folgende Aufgaben hat:
Abdichtung zwischen dem Verfahrensgas und der Atmosphäre, Auf nehmen der Wärmedehnung während des Betriebs, sofortige Dämp fung bei Einsetzen von Instabilitäten. Als Lagerelement kann auch ein nicht dargestellter Faltenbalg dienen, der die Funk tionen von Lagerung, Abdichtung und der Federkraft vereinigt.

Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des feststehenden Dicht ringes 3 vom Dichtspalt 4 her mit Blick auf die dem drehenden Umlaufring 2 gegenüberliegende, genutete Stirn- bzw. Lagerflä che 9. Der Umlaufring 2 rotiert während des Betriebes mit kon stanter Umfangsgeschwindigkeit und definierter Spalthöhe über dem in der Lagerfläche 9 mit Spiralnuten 18, 19 versehenen feststehenden Dichtring 3. Damit die Spiralnuten 18, 19 auf der Eingangsseite des festehenden Dichtringes 3 gleichmäßig mit Sperrgas versorgt werden, ist eine flache Ringnut 20 ein gearbeitet, die von Drosseln 21 gespeist wird. Das Sperrgas strömt nun radial von der Ringnut 20 zu den nach innen und außen fördernden Spiralnuten 18 bzw. 19.

Die Druckerhöhung in der Sperrgasschicht entsteht aufgrund der an den rechtwinklig abgesetzten Spiralnutenstegen 22 gestauten azimutalen Gasförderung durch die Schleppwirkung des Umlauf ringes 2.

Wird die Gasförderung in den Spiralnuten 18, 19 am Ende der Spiralnuten behindert, indem sich ein unspiralter, kreisring förmiger Damm innen 23 und außen 24 anschließt, so überlagert sich dem azimutalen Druckaufbau ein zusätzlicher Druckaufbau in radialer Richtung. Kräftegleichgewicht herrscht dann, wenn die entstehende Druckkraft im Dichtspalt mit den von oben an greifenden Druckkräften einschließlich der Federschließkraft der Federn 10 übereinstimmt und sich eine konstante Arbeits spalthöhe im Dichtspalt 4 zwischen feststehendem Dichtring 3 und Umlaufring 2 einstellt.

Die Ringnut 20 beschickt die Spiralnuten 18 und 19, wobei diese in der ringförmigen Lagerfläche 9 von der Ringnut 20 aus - in Laufrichtung 25 des Umlaufringes 2 gesehen - symmetrisch sowohl im Bereich der Ringfläche außerhalb der Ringnut 20 als äußere Spiralnuten 19, als auch in dem von der Ringnut 20 ein geschlossenen Ringbereich als innere Spiralnuten 20 bezogen auf ihre Krümmungsrichtung jeweils symmetrisch gegen die als Dämme wirkenden unspiralten Ränder 23 und 24 hin verlaufen. Die Ringnut 20 kann, wie dargestellt zusammen mit den Spiral nuten 18 und 19 in derselben Fläche 8 oder 9 angeordnet sein, sie kann jedoch auch von diesen getrennt in der jeweils gegenüberliegenden Fläche liegen.

Im Stillstand und beim An- und Abfahren (niedrige Drehzahl) eines beispielsweise zu der Welle 1 gehörigen Strömungsver dichters arbeitet die Spaltdichtung aufgrund der nach innen und außen verlaufenden Spiralnuten 18, 19 bei gegenüber dem Betriebszustand erhöhten Sperrgaseinspeisedruck statisch. Da bei wirken die gleichmäßig und symmetrisch z.B. auf dem feststehenden Dichtring 3 verteilten Spiralnuten 18, 19 als Gastaschen.

Bezugszeichenliste:

1  Welle
2  Umlaufring
3  Dichtring
4  Dichtspalt
5  Innenraum
6  Gehäuse
7  Raum
8  Dichtspaltfläche
9  Lagerfläche
10  Druckfedern
11  Einbauring
12  Bund
13  Bohrungen
14  Haltering
15  Stehbolzen
16  Bohrungen
17  Radialdichtring
18  Spiralnuten innen
19  Spiralnuten außen
20  Ringnut
21  Drosseln
22  Spiralnutenstege
23  unspiralter Damm innen
24  unspiralter Damm außen
25  Laufrichtung

Claims

1. Spaltdichtung zur Abdichtung des Innenraumes in einem Ge häuse gegen die Außenseite, wobei in das Gehäuse eine sich drehende Welle führt, mit den folgenden Merkmalen:

a) Auf der Welle (1) sitzt ein sich mitdrehender Umlaufring (2) dessen Dichtspaltfläche (8) senkrecht zur Drehachse steht,
b) am Gehäuse (6) ist unter Federkraft ein stationärer Dichtring (3) beweglich abgestützt,
c) der Dichtring (3) ist in einem zum Gehäuse (6) gehörigen Lagerelement (11) geführt,
d) der Dichtring (3) weist eine Lagerfläche (9) auf, zwi schen welcher und der Dichtspaltfläche (8) der ring förmige Dichtspalt (4) gebildet wird,
e) in eine der Begrenzungsflächen (8, 9) des Dichtspaltes (4) sind Spiralnuten (18, 19) eingebracht, die am inneren und am äußeren Rand jeweils einen unspiralten Damm (23, 24) freilassen,
f) im Bereich der Spiralnuten (18, 19) ist eine diese be schickende Ringnut (20) eingebracht, welche mit Sperrgas beaufschlagbar ist,

gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

g) In der ringförmigen Begrenzungsfläche (8, 9) verlaufen die Spiralnuten (18, 19) von der Ringnut (20) aus - in Laufrichtung gesehen - sowohl im Bereich der Ringfläche außerhalb der Nut (20) als auch in dem von der Nut (20) eingeschlossenen Ringbereich bezogen auf ihre Krümmungs richtung symmetrisch jeweils gegen den als Damm wirken den unspiralten Rand (23, 24) weg.

2. Spaltdichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:

h) Die Spiralnuten (18, 19) und die Ringnut (20) sind ge meinsam oder voneinander getrennt in die Lagerfläche (9) des Dichtringes (3) oder die Dichtspaltfläche (8) des Umlaufringes (2) eingebracht.

3. Spaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

i) Das Lagerelement für den Dichtring (3) besteht aus einem koaxial zur Welle (1) bzw. zum Dichtring (3) im Gehäuse (6) eingebauten Einbauring (11),
j) in einer Eindrehung des Einbauringes (11) greift der Dichtring (3) mit einem bundförmigen Fortsatz (12) als Lagerung ein,
k) am Einbauring (11) sind stationäre Bolzen (15) über den Umfang verteilt angebracht, die als Verdrehsicherung mit Spiel in Bohrungen (18) des Lagerringes (3) eingreifen.