DE3840487C2

DE3840487C2 - Wellendichtungsanordnung

Info

Publication number: DE3840487C2
Application number: DE3840487A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Jinnouchi; Hiroshi Matsumoto; Tetsuya Iguchi
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 1987-12-25
Filing date: 1988-12-01
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2008-12-02
Also published as: US4971306A; DE3840487A1; FR2625283A1; GB2214243A; GB8827852D0; GB2214243B

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtungsanordnung zur Trennung einer Hochdruckgasseite von einer Niederdruckflüssigkeitsseite, mit einer zylindrischen Dichtfläche, die auf der Festseite der Wellen dichtungsanordnung in einem Segmentdichtkörper ausgebildet ist, der eine Anzahl von schraubenlinien förmigen Rillen aufweist, und mit einem zylindrischen Dichtkörper auf der Drehseite der Wellendich tungsanordnung, wobei auf der Gasseite der Wellendichtungsanordnung eine Ringzone von Rillen frei bleibt.

Eine Wellendichtung der gattungsgemäßen Art nach der US-PS 3 874 677 dient zur Abdichtung unterschiedlicher Strömungsmittel. Wenn ein Gas durch die Wellendichtung abgedichtet wird, arbeitet die Dichtfläche in trockenem Zustand, so daß die Reibungswärme unter manchen Betriebsbedingungen nicht in ausreichendem Maße abgeführt werden kann. Die schraubenförmigen Rillen sind als Druckaus gleichsnut wirksam. Unter bestimmten Druckbedingungen ist dieses jedoch unzureichend.

Bei Triebwerken für Flugzeuge, Gaskompressoren oder Gasturbinen strömt Hochdruckgas wie komprimierte Luft, Verbrennungsgas und dergleichen in die Lagerbereiche, so daß eine Schmierung der Lager gestört wird. Infolgedessen muß man eine Dichtung zur Trennung zwischen einer Lagerkammer und einem Hochdruckgasraum vorsehen.

Die Wellendichtung kann so eingebaut werden, daß innerhalb der Arbeitsatmosphäre die Stirnseite mit Hochdruckgas und die Hinterseite mit Niederdruckflüssigkeit beaufschlagt ist. Wenn unter diesen Umständen die Druckdifferenz zwischen dem Gas und der Flüssigkeit klein ist, dringt die Flüssigkeit in den Dichtungsabschnitt ein und leckt unter bestimmten Umständen zur Gasseite durch.

Die GB 2173264 A beschreibt eine Dichtelement mit einer nachgiebigen Dichtlippe, in der schlitz förmige Rillen ausgebildet sind. Eine solche Dichtlippe ist bei einer Wellendichtung mit Dichtelementen aus einem Kohlewerkstoff nicht anwendbar.

Die CH-PS 626694 und Trutnovsky "Berührungsfreie Dichtungen" Düsseldorf, 1954, S. 227 bis 249 beschreiben jeweils Wellendichtungen mit als eingängige oder mehrgängige Schraubenlinien aus gebildeten Rillen, die über mehrere Schraubengänge reichen. Derartige Schraubengänge sind bei seg mentierten Dichtringen unbrauchbar.

Aufgabe der Erfindung ist eine Verkleinerung der axialen Baulänge der Wellendichtung und eine Stabilisierung der Stufenbereiche der Segmente.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Länge der Rillen wesentlich klei ner als der Durchmesser der zylindrischen Oberfläche ist und daß im Bereich der Stufenverbindungen des Segmentdichtkörpers keine Rillen vorgesehen sind.

Die Erfindung unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik, als die Rillen die Dichtfläche im wesentlichen in ihrem gesamten Bereich unbeeinträchtigt lassen. Im Bereich der Stufenverbindung liegt die Dichtfläche voll an. Die Dichtwirkung wird so bei allen Betriebsverhältnissen gewährleistet.

Die Dichtwirkung wird dadurch verbessert, daß die äußere Dichtfläche eines auf der Drehseite der Dichtung angeordneten Dichtkörpers sich in unmittelbarem Kontakt mit der zylindrischen Dichtfläche des Segmentdichtkörpers auf der Festseite der Dichtungsanordnung befindet und mit einer Anzahl schrau benlinienförmiger Rillen versehen ist.

Zur Anpassung an die Gasseite und die Flüssigkeitsseite des Wellendichtung wird vorgeschlagen, daß zusätzlich zu den Rillen weitere an der Gasseite des Segmentdichtkörpers austretende Rillen vorge sehen sind, die jedoch nicht bis zur Flüssigkeitsseite des Segmentdichtkörpers reichen.

Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen darstellen:

Fig. 1, 4, 8 und 11 jeweils Schnitte zur Erläuterung der Anordnung einer Wellendichtung nach der Erfindung,

Fig. 2, 3, 5, 6, 7, 9 und 10 jeweils Abwicklungen zur Darstellung der inneren Oberfläche eines Dichtringes,

Fig. 12 ein Schaubild zur Erläuterung von Meßergebnisses,

Fig. 13 bis 17 jeweils Schnitte zur Erläuterung des Einbaus einer Wellendichtung mit den wesent lichen Teilen der äußeren Dichtfläche einer Buchse,

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Wellendichtung 24, die Gleitkontakt mit einer Buchse 14 auf einer Welle 11 hat. Im Einzelnen schließt ein Gehäuse 2 der Wellendichtung 14 einen Dichtringsatz 3 aus einem Dichtring 4, einem Hüllring 5, einer als Spannfeder wirksamen Ringfeder 7 und einer Schrauben druckfeder 8 ein. Die Anordnung ist durch eine Federaufnahme 9 abgeschlossen und durch einen Spann ring 10 gesichert. Der Dichtring 4 und der Hüllung 5 bestehen im wesentlichen aus einem Kohlewerk stoff. Beide Ringe 4 und 5 sind in jeweils mehr als zwei Umfangsabschnitte entsprechend dem Durch messer der Welle 11 unterteilt. Im Einbauzustand sind die Teilungsfugen der Ringe 4 und 5 in Umfangs richtung gegeneinander versetzt.

Der Teilungsabschnitt des Dichtrings 4 ist gemäß Fig. 2 und 3 als Stufenverbindung 12 ausgebil det, um einen Leckweg in axialer Richtung zu unterbinden. Der Dichtringsatz 3 wird durch die Ringfe der 7 in Eingriff mit der Welle 11 gehalten, damit der Dichtringsatz 3 einer radialen Bewegung der Welle 11 folgen kann. Die innere Umfangsfläche des Dichtrings 4 befindet sich mit der äußeren Umfangsfläche der Buchse 14 in Gleitkontakt. Die Buchse 14 ist auf die Welle 11 aufgeschoben und bildet ein Gleitele ment in Form eines dynamischen Gleitkörpers, der einen ersten Dichtungsabschnitt 15 bildet.

Der Dichtringsatz 3 ist durch die Schraubendruckfeder 8 in axialer Richtung vorgespannt und gegen die Stirnwandung des Gehäuses 2 gepreßt, so daß man eine statische Dichtungals zweiten Dich tungsabschnitt 16 erhält. Die senkrecht ausgerichtete Stirnfläche weist eine Druckausgleichsnut 18 auf damit Belastungen aufgrund des Strömungsmitteldrucks ausgeglichen werden. In der inneren Dichtfläche 25 des Dichtringes 4 ist keine Druckausgleichsnut vorhanden. Die gesamte Oberfläche der inneren Dichtfläche 25 befindet sich in enger Berührung mit der Buchse 14 und weist nach Fig. 2, die eine Ab wicklung dieser Dichtfläche darstellt, eine Anzahl von Rillen 26 auf.

Die Wellendichtung 24 trennt ein Hochdruckgas G von einer Niederdruckflüssigkeit L und ist unter der Voraussetzung bemessen, daß eine kleine Druckdifferenz zwischen dem Gas G und der Flüs sigkeit L vorhanden ist. Wenn die Druckdifferenz in der beschriebenen Weise einen kleinen Wert hat und insbesondere weniger als 3 N/cm² beträgt, kann der Innendurchmesser des Dichtringes 4 in genügendem Ausmaß als glatte Fläche ohne Druckausgleichnut zum Einsatz kommen. In diesem Fall hebt sich der Dichtring 4 durch dynamische Effekte ab, so daß ein weiterer Eintritt von Flüssigkeit L möglich ist. Des halb ist die Wellendichtung 24 so aufgebaut ist, daß die innere Dichtfläche 25 eine glatte Ausbildung mit Rillen 26 hat, damit die in den Dichtungsabschnitt 15 eingedrungene Flüssigkeit L infolge der Drehung der Welle 11 zurückgedrängt wird.

Fig. 2 zeigt eine Abwicklung der inneren Dichtfläche 25, wobei sich das Hochdruckgas auf der rechten Seite und die Niederdruckflüssigkeit auf der linken Seite, bezogen auf die Dichtfläche 25 der Fig. 2, befinden. Die Drehrichtung, bezogen auf die Buchse 14 bei der Drehung der Welle 11, ist durch den Pfeil A angegeben. Die Rillen 26 sind so ausgebildet, daß sie zur Kante 27 auf der Flüssigkeitsseite der inneren Dichtfläche 25 reichen, jedoch nicht zu der Kante 28 auf der Gasseite. Die Rillen 26 haben einen Neigungswinkel von 0° < Θ < 90° gegenüber der Drehrichtung A, beginnend in einem Abschnitt an der Kante 27 auf der Flüssigkeitsseite. Fig. 3 zeigt ein Beispiel, wonach die Rillen 26 unter Ausbildung von Nuten 29 verbreitert sind. Man erkennt aus den Fig. 2 und 3, daß die Rillen 26 und Nuten 29 nicht inner halb der Stufenverbindungen 12 vorgesehen sind.

Fig. 4 zeigt die Anordnung der Wellendichtung 24 auf dem Lager 20 eines Triebwerkes. Man erkennt, daß die Wellendichtung nach der Erfindung einen geringen Raumbedarf hat. Ein Gebläse oder eine Turbine kann auf der linken Seite Fig. 4 recht nahe an dem Lager 20 angeordnet sein. Die Anord nung hat im Ganzen ein geringes Gewicht. Gleichzeitig ist keine Abzweigung von dem Kompressorteil erforderlich, so daß der Wirkungsgrad des Triebwerkes erhöht wird.

Die Fig. 5 und 7 zeigen eine Ausführungsform für eine größere Druckdifferenz zwischen dem Gas G und der Flüssigkeit L im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Beispielen nach den Fig. 2 und 3. Da bei sind Nuten 29 zum Austragen der Flüssigkeit sowie auch Nuten 30 oder Rillen 31 zum Druckaus gleich vorgesehen.

Es ist auch in Betracht zu ziehen, daß bei erheblich größerer Druckdifferenz zwischen dem Gas G und der Flüssigkeit L die Wellendichtung 24 nach der Erfindung mit Rillen 26 oder Nuten 29 zum Aus trag der Flüssigkeit und eine Segmentdichtung 1 bekannter Bauart Anwendung finden können. Dieser Aufbau ist dann besonders wirkungsvoll, wenn während des Betriebes die Flüssigkeit L eine Befeuchtung des Dichtungsabschnittes 15 bewirkt und während des Stillstandes oder der Anlaufphase die Flüssigkeit L in den Dichtungsabschnitt 15 eindringt. Wenn dann die Druckdifferenz bei hoher Drehzahl groß ist, er höht sich auch die Reibungswärme innerhalb des Dichtungsabschnittes 15 entsprechend. Wenn infolge dessen der Dichtungsabschnitt 15 durch die Flüssigkeit L befeuchtet ist, ist ein Austrag der Flüssigkeit L erforderlich, damit sich Öl O infolge der Wärmeerzeugung bei hoher Drehzahl nicht thermisch zersetzt und keine Schlammbildung eintritt.

Bei der Konstruktion nach Fig. 8 ist die Wellendichtung 24 nach der Erfindung auf der Flüssig keitsseite L und eine Wellendichtung 1 herkömmlicher Art auf der Gasseite G angeordnet. Die her kömmliche Wellendichtung arbeitet in trockenem Zustand, so daß ein Flüssigkeitsauslecken an der Wel lendichtung 1 nicht möglich ist. Innerhalb der Wellendichtung nach der Erfindung sind die Rillen 26 oder Nuten 29 in axialer Richtung nach den Fig. 9 und 10 ausgebildet. In Fig. 8 ist eine Entlüftungsbohrung 32 für die Kammer 33 zwischen den beiden Wellendichtungen 1 und 24 dargestellt. Die Entlüftungsbohrung 32 dient zur Entlüftung des durch die Wellendichtung 1 von der Hochdruckseite ausgeleckten Gases G. Diese Entlüftungsbohrung verläuft in eine Richtung, in die Flüssigkeit L kaum strömen kann. Man kann eine Anzahl solcher Entlüftungsbohrungen 32 verteilt über den Umfang vorsehen. Insbesondere die Ent lüftungsbohrung an der Niederdruckseite der Kammer 33 kann als Ableitungsöffnung für die Flüssigkeit L dienen.

Die beschriebene Konstruktion kann nicht nur für eine Wellendichtung mit einem Doppelringauf bau der beschriebenen Art, sondern auch für eine Wellendichtung mit einem Einringaufbau ohne einen Hüllring 5 Anwendung finden und ebenso für eine Wellendichtung mit einem Dreiringaufbau mit einem Stützring. Bei einer Wellendichtung 37 nach Fig. 11 mit einem Aufbau nach der Erfindung sind keine Druckausgleichnuten in der inneren Dichtfläche 25 des Dichtringes 4 erforderlich, da derselbe mit Rillen 28 oder Nuten 29 zum Austrag der Flüssigkeit L versehen ist.

Fig. 12 ist ein Schaubild zur Darstellung der Ergebnisse von Dauerversuchen an einer Wellendich tung 24 nach der Erfindung, die Rillen 26 nach den Fig. 2 und 9 in der inneren Dichtfläche 25 des Dich trings 4 hat. Die Versuche wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Größe der Dichtung: 250 mm ⌀
Öl: Schmieröl für Flugzeuge (60°C)
Rundheit der Buchse: 0,015 mm (Ellipsenform)
Druckdifferenz: keine
Temperatur: Normaltemperatur
Breite der Rillen: 0,2mm
Tiefe der Rillen: 0,1 mm
Neigungswinkel der Rillen (Θ): 15°
Steigung der Rillen: 6mm
⚫-Punkt: Streifen nach Fig. 2
○-Punkt: Streifen nach Fig. 9
Δ-Punkt: glatte Gleitfläche.

(Vergleichsversuch)

Die Versuchsergebnisse zeigen, daß die Wellendichtung 24 nach der Erfindung das Auslecken von Öl merklich verringert im Vergleich zu einer Wellendichtung mit glatter Dichtfläche nach dem Ver gleichsversuch. Die Vergleichsversuch wurde unter einer Bedingung nahe der Drehzahl der Welle für das Eintrittsgebläse eines Flugzeugtriebwerkes und unter der Bedingung nahe dem praktischen Betrieb, in dem der Druck des Gebläseteils kaum merklich ist, durchgeführt. Aufgrund der Versuche konnte der Einfluß der geringfügig abgewandelten Buchse 14 ebenfalls bestätigt werden. Aufgrund eines anderen Versuches hat es sich bestätigt, daß die Tiefe der Rillen 26 und der Nuten 29 vorzugsweise kleiner als etwa 0,5 mm sein soll.

Ein Beispiel der Anwendung der Konstruktion nach der Erfindung auf den Drehteil der Wellen dichtung wird nunmehr erläutert.

Fig. 13 zeigt den Einbauzustand einer Wellendichtung 38. Eine äußere Dichtfläche 39 der Buchse 14 befindet sich in Gleitkontakt mit der inneren Dichtfläche 25 des Dichtringes 4 der Wellendichtung 38. Die äußere Dichtfläche 39 ist mit Rillen 26 im Sinne der Erfindung ausgestattet. Die Rillen 26 können eingearbeitet werden, wenn die äußere Umfangsfläche 3 der Buchse 14 fertigbearbeitet wird. Wenn die Fertigbearbeitung durch Drehen erfolgt, werden die Rillen 26 in kontinuierlicher Einzelform gemäß Fig. 13 ausgebildet. Wenn die Fertigbearbeitung durch Schleifen erfolgt, erhalten die Rillen 26 eine diskonti nuierliche Form nach Fig. 14. Die Rillen 26 können durch Nuten 29 mit etwas größerer Breite ersetzt werden. Wenn die Nuten 29 jedoch gemäß Fig. 15 ausgebildet werden, kann deren Tiefe kleiner als die jenige der Rillen sein.

In den Fig. 13 bis 15 drehen sich die Welle 11 und die darauf geschobene Buchse 14 gemeinsam in Gegenuhrzeigerrichtung bei Betrachtung in Pfeilrichtung B. Die Rillen 26 oder die Nuten 29 sind in einer Richtung geneigt, daß sie die Flüssigkeit L durch Pumpwirkung zurückfördern. Der Neigungswin kel Θ bezogen auf die Achse liegt zwischen 30° Θ 90°, die Tiefe der Rillen bzw. Nuten beträgt 0,25 mm oder weniger.

Nach den Fig. 13 bis 15 sind die Rillen 26 und Nuten 29 auf der gesamten äußeren Gleitfläche der Buchse 14 ausgebildet. Sie reichen also in axialer Richtung über die gesamte Länge des Dichtungsab schnitts 15. Da jedoch die Rillen 26 und die Nuten 29 sehr fein ausgebildet sind, kann ein Auslecken von Gas G in die Flüssigkeit L über die Rillen 26 oder Nuten 29 vernachlässigt werden. Zur Unterdrückung des Ausleckens von Gas G kann man eine nicht bearbeitete Zone 28 der Rillen 26 und der Nuten 29 in einem Kantenbereich auf der Gasseite des Dichtungsabschnitts 15 entsprechend Fig. 16 vorsehen. Vor zugsweise beträgt die Breite dieser nicht bearbeiteten Zone 28 mehr als 0,5 mm. Bei den Ausführungs formen nach den Fig. 13 bis 15 ist die innere Dichtfläche 25 des Dichtringes 4, die sich in Gleitkontakt mit der äußeren, mit Rillen 26 oder Nuten 29 versehenen Dichtfläche 39 der Buchse 14 befindet, mit Druckausgleichnuten 17 versehen. Infolgedessen kommt die äußere Dichtfläche 39 der Buchse 14 ledig lich mit den Wallabschnitten, die keine Druckausgleichnuten 17 aufweisen, der inneren Dichtfläche 25 des Dichtringes in Berührung. Auch mit einer solchen Konstruktion können die Rillen 26 oder Nuten 29 in ausreichendem Ausmaß ihre Aufgabe erfüllen. Nach Fig. 16 weist die innere Dichtfläche 25 des Dich tringes 4 keine Druckausgleichnuten 17 auf, sondern ist in einer glatten Form ausgebildet und hat infol gedessen überall Kontakt mit der äußeren Dichtfläche 39 der Buchse 14. Hierdurch wird zweifellos die Wirkung der Rillen 26 oder der Nuten 29 erhöht. Gleichwohl kann die innere Dichtfläche 25 des Dich tringes 4 bei Bedarf mit Druckausgleichnuten 17 versehen sein. Nach Fig. 17 ist vorgesehen, daß die innere Dichtfläche 25 des Dichtringes 4 eine glatte Ausbildung hat und daß die Rillen 26 oder die Nuten 29 in der äußeren Dichtfläche 39 der Buchse 14 so ausgebildet sind, daß sie Druckausgleichnuten 30 bilden.

Wenn die vorgeschlagene Dichtung im Lagerbereich 20 eines Strahltriebwerkes eingebaut wird, erhält man eine Ausbildung ähnlich der Ausbildung nach Fig. 4. Somit ergibt die vorgeschlagene Dich tung eine einfachere Konstruktion und einem erheblich verringerten Raumbedarf. Die Lage eines nicht dargestellten Gebläses, das auf der linken Seite der Figur angesetzt wird, kann dem Lager 20 wesentlich angenähert werden. Die Anordnung kann daher eine Gewichtsverringerung aufweisen, und gleichzeitig ist ein Anzapfen des Kompressorteils nicht erforderlich, so daß dadurch der Wirkungsgrad des Trieb werks erhöht wird.

Wenn die Wellendichtung nach der Erfindung bei Anordnungen eingesetzt wird, in denen der Druck des Gases G ansteigt, so daß die Druckdifferenz zwischen dem Gas G und der Flüssigkeit L sich weiter erhöht, kann man in Erwägung ziehen, daß die Wellendichtung nach der Erfindung als Kombina tion der Buchse 14 mit Rillen 26 oder Nuten 29 in der äußeren Dichtfläche 39 zum Austrag der Flüssig keit L und des Dichtrings 4 mit der inneren Dichtfläche 25 in glatter Ausbildung sowie zusätzlich eine herkömmliche Wellendichtung eingesetzt werden. Diese Konstruktion ist dann besonders vorteilhaft, wenn im Betrieb die Flüssigkeit L eine Befeuchtung des Dichtungsabschnitts 15 bewirkt und während des Stillstandes oder in der Anlaufphase die Flüssigkeit L in den Dichtungsabschnitt 15 eindringt. In einem Kompressor, in dem der Druck der Flüssigkeit L während hoher Drehzahlen hoch ist, steigt nämlich die Reibungswärme innerhalb des Dichtkörpers 15 an. Wenn dann der Dichtungsabschnitt 15 durch die Flüssigkeit L befeuchtet ist, wird besonders das Öl O zersetzt und erzeugt schlammige Rückstände. Das Öl O wird verkohlt oder verkokt, so daß dadurch die Wirkung der Wellendichtung erniedrigt wird und die Dichtfunktion gegebenenfalls verloren gehen kann. Nach dem obigen Vorschlag ist die Wellendich tung nach der Erfindung auf der Flüssigkeitsseite L angeordnet, und die herkömmliche Dichtung arbeitet unter trockenen Bedingungen. So kann ein Flüssigkeitsverlust innerhalb der Dichtung vermieden werden.

Die Ausstattung der äußeren Dichtfläche 39 der aus gehärtetem Stahl bestehenden Buchse 14 mit Rillen 26 oder Nuten 27 läßt sich außerordentlich leicht durchführen gegenüber der entsprechenden Aus stattung der inneren Dichtfläche 25 des Dichtringes 4 aus Kohlenstoff. Bei der Einarbeitung der Rillen und der fertigbearbeiteten Abschnitte kann man leicht eine hohe Genauigkeit infolge des Maschinenvor schubes bei der Bearbeitung der Einzelteile erhalten. Hierdurch erhält man im praktischen Betrieb eine außerordentlich hohe Genauigkeit.

Claims

1. Wellendichtungsanordnung zur Trennung einer Hochdruckgasseite von einer Niederdruckflüs sigkeitsseite, mit einer zylindrischen Dichtfläche, die auf der Festseite der Wellendichtungsanordnung in einem Segmentdichtkörper ausgebildet ist, der eine Anzahl von schraubenlinienförmigen Rillen aufweist, und mit einem zylindrischen Dichtkörper auf der Drehseite der Wellendichtungsanordnung, wobei auf der Gasseite der Wellendichtungsanordnung eine Ringzone von Rillen freibleibt, dadurch gekennzeich net, daß die Länge der Rillen wesentlich kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Oberfläche ist und daß im Bereich der Stufenverbindungen des Segmentdichtkörpers keine Rillen (26, 29) vorgesehen sind.

2. Wellendichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Dicht fläche eines auf der Drehseite der Dichtung angeordneten Dichtkörpers sich in unmittelbarem Kontakt mit der zylindrischen Dichtfläche des Segmentdichtkörpers auf der Festseite der Dichtungsanordnung befin det und mit einer Anzahl schraubenlinienförmiger Rillen versehen ist.

3. Wellendichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Rillen (29) weitere an der Gasseite des Segmentdichtkörpers austretende Rillen (30) vorgesehen sind, die jedoch nicht bis zur Flüssigkeitsseite des Segmentdichtkörpers reichen.