DE3819566C2 - - Google Patents

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 außen abströmt. Bei einer Dichtung gemäß des DE-PS 26 10 045 wird die verfahrensgasseitige Wellendichtung mit dem gleichen Gas versorgt, das z.B. als leichtes Zusatzgas in einem Fördergut vorhanden ist. In dem Raum zwischen beiden Wellendichtungen kommt es zu einer Vermischung von Sperrgas jeweils aus der verfahrensseitigen und aus der atmosphä­ renseitigen Wellendichtung. 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. Außerdem neigen die Anlaufringe zu Taumelbewegungen, die durch den in radialer Richtung unsymmetrischen Druckaufbau zu Instabilitäten im Dichtspalt führen.

Da nun 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. Diesem sind jedoch durch die Taumelbewegungen Grenzen gesetzt.

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 betriebsbedingten Verkleinerung der Spalthöhe durch einen genügend steilen Druckanstieg im Gasspalt entgegengewirkt werden kann.

Aus der DE-PS 23 20 681 ist eine gattungsgemäße Spaltdichtung bekannt, bei welcher das Gas von innen nach außen gefördert wird, d.h. der Druckaufbau vollzieht sich nach außen gegen einen unspiralten Rand hin. Das Gas im Spalt kann nicht definiert zugeführt werden, evtl. kontaminiertes Gas wird von außerhalb der Dichtung wieder in den Dichtspalt zurückgeführt. Für kontaminierte Gase ist so eine Gasmischung ungeeignet. Da sich der Druckaufbau bei dieser Art von Dichtung nur in einer Zone abspielt, neigen solche Spaltdichtungen zu Instabilitäten.

Eine weitere Spaltdichtung ist aus der DE-OS 24 44 544 bekannt. Auch bei dieser Spaltdichtung baut sich der Druck in der Mitte der Ringnut auf, in einem Bereich, bei dem eine evtl. Taumelbewegung des Umlaufringes nicht vollständig ausgeglichen werden kann. Die Kraft wird nicht im Außenbereich der Dichtung aufgebaut. Das Sperrgas wird von außen und innen geholt und innen vermischt, was aus den bereits genannten Gründen nicht gewünscht wird.

Weitere Spaltdichtungen sind aus dem EP 00 97 802 und der DE-PS 32 21 380 bekannt. Auch bei diesen Entgegenhaltungen erfolgt überall eine Vermischung des Sperrgases. Es ist keine saubere Trennung von Atmosphäre und Verfahrensgas bzw. umgekehrt möglich. Auch bei diesen Spaltdichtungen führt der einseitige Druckaufbau im Spalt bei den nicht zu vermeidenden Taumelbewegungen zu Instabilitäten der Dichtung.

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 Sperrgaseinstrom 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.

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.

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.

Letztlich 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) möglichst klein zu halten.

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

Es zeigt 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 feststehenden 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.

Claims (4)

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 radial außerhalb der Nut (20) als auch in dem von der Nut (20) eingeschlossen, radialinneren 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 (16) des Lagerringes (3) eingreifen.