DE3925403C2 - Trockengasdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine als axiale Gleitring­ dichtung ausgebildete Trockengasdichtung für eine drehende, durch eine Gehäusewand geführte Welle mit einer mit der Welle umlaufenden Wellenbüchse als Träger einer Dichtfläche und einem stationären Gleitring mit einer mittels Gas an die Dichtfläche gedrückten und geschmierten Gleitfläche.

Solche axiale Wellendichtungen sind beispielsweise aus EP 13 678 B2 bekannt und dienen dazu, den unter einem gewissen Druck stehenden Gehäuse-Innenraum einer Turbomaschine, beispielsweise eines Turbokompressors oder einer Turbine, an der Durchführung der Welle nach außen oder zu einer Zwischenkammer abzudichten, um ein Ausströmen des Mediums aus dem Innenraum zu verhindern. Dies erfolgt mittels eines Sperrmediums, z. B. eines Gases, welches die Gleitfläche des Gleitringes an die Dichtfläche drückt und somit den Austritt von Gas aus dem Innenraum minimalisiert, wobei die Leckage der Dichtung durch entsprechende Dichtungsringe auf einem kleinstmöglichen Wert gehalten wird. Gleichzeitig wird ein Spalt zum berührungslosen Lauf der Dichtung gebildet.

Nachteilig ist hierbei insbesondere bei Turbomaschinen, die mit höheren Gastemperaturen bis zu mehreren Hundert °C arbeiten, daß an der Wellendurchführung große Temperaturerhöhungen und Temperaturschwankungen auftreten, welche Wärmeausdehnungen der einzelnen Teile zur Folge haben. Diese führen zu unzulässigen Deformationen, die die Dichtwirkung beeinträchtigen. Außerdem kann bei größeren Temperaturerhöhungen und einer dadurch verursachten Ausdehnung der Welle die Wellenbüchse und der meist aus Keramik bestehende Dichtungskörper derartige mechanische Spannungen erleiden, daß dieser zerbricht und zerstört wird und eine Havarie der Turbomaschine verursacht wird. Hinzu kommen insbesondere bei schnellaufenden Turbomaschinen die teilweise erheblichen Zentrifugalkräfte, welche ebenfalls Deformationen verursachen. Diese führen dazu, daß bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten z. B. die Wellenbüchse mit dem Dichtkörper von der Welle abheben kann, d. h. keine definierte Position und Zentrierung mehr vorhanden ist. Dieses führt zu Unwucht und zu unzulässigen Veränderungen des Dichtspaltes. Die unterschiedliche Dehnung von Wellenbüchse und Dichtkörper unter Einwirkung von Fliehkräften führt auch hier zu erhöhten mechanischen Spannungen am Dichtkörper und zur Havariegefahr. Die zulässigen Temperaturen und deren Schwankungen sowie die Drehzahl waren daher bei bekannten gasgesperrten axialen Wellendichtungen begrenzt.

Aus der GB 2 154 674 A ist bereits eine Wellendichtung bekannt, die jedoch keine Sicherung gegen eine Flieh­ kraftausdehnung der Wellenbüchse aufweist, und bei der die Wellenbüchse auch keine thermischen Ausdehnungen zuläßt.

Bei der in DE 37 00 888 A1 offenbarten Gleitringabdichtung ist der Dichtkörper auf der Welle aufgebracht und an der Außenseite von einem Steg, der flexibel sein kann, in einer Schrumpfverbindung gehalten. Damit können jedoch nicht gleichzeitig thermische Ausdehnungen auf­ gefangen, die Zentrierung beibehalten und Fliehkraft­ ausdehnungen verhindert werden.

In der DE-OS 14 26 864 ist eine Labyrinth-Dichtungs­ anordnung für Wärmekraftmaschinen beschrieben, bei der die die Dichtungskränze tragenden Naben auf nach­ giebigen Dichtungsträgern sitzen, so daß diese wärme­ bedingten Formänderungen den Naben folgen können. Für die exakte Abdichtung einer Welle mittels einer axialen Gleitringdichtung bei allen Temperaturen und Drehzahlen ist daraus jedoch keine ausreichende Lehre zu entnehmen.

Die Erfindung betrifft die Aufgabe, die genannten Nach­ teile des Standes der Technik zu beseitigen und insbe­ sondere eine axiale Wellendichtung der eingangs genann­ ten Art derart weiterzubilden, daß eine exakte Abdich­ tung der Welle ohne die Gefahr einer Havarie bei allen vorgesehenen Temperaturen und bei Temperatur­ schwankungen, sowie bei erhöhten Umfangs­ geschwindigkeiten und Drehzahlen erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wellenbüchse die Welle mit Radialspiel umgibt und mit der Welle durch eine formschlüssige Zentrier­ verbindung verbunden ist, die einen zylinderring­ förmigen Steg an der Welle aufweist, der als nach außen weisender, die Welle mit Zwischenraum umgebender Ring ausgebildet ist, und der in eine zylinderring­ förmige Nut an der Wellenbüchse eingreift, die an der der Dichtfläche entgegengesetzten Seite der Wellen­ büchse vorgesehen ist und eine starre, gegen den Steg mit einer Dichtung abgedichtete Innenwand und eine elastische, wenigstens am äußeren Ende auf die Außenseite des Steges drückende, in Radialrichtung elastisch federnde Außenwand aufweist.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Wellenbüchse kleiner zu wählen als den der Welle.

Bei einer Temperaturerhöhung und einer daraus resul­ tierenden Aufweitung der Welle und einer Verschiebung des Steges in Radialrichtung wird daher der Außenrand der Nut elastisch verformt und sorgt für einen festen formschlüssigen Zentriersitz der Wellenbüchse auf der Welle. Die Wellenbüchse selbst wird dabei nicht deformiert und zudem automatisch so zentriert, daß die Position der Dichtflächen nicht beeinflußt wird. Eine Aufweitung der Nut der Wellenbüchse bei erhöhter Drehzahl infolge der Zentrifugalkraft wird verhindert durch den Formschluß zwischen dem starren Innenrand der Nut und dem starren Steg der Welle. Die Funktion der Dichtung wird damit praktisch unabhängig von der Betriebstemperatur der Turbomaschine und auch von der Wellendrehzahl oder Umfangsgeschwindigkeit. Diese elastisch federnde Zentrierverbindung garantiert in jedem Fall, unabhängig von der Temperatur, der Umfangsgeschwindigkeit und den Materialien der verschiedenen den Dichtspalt beeinflussenden Teile einen festen Zentriersitz der Wellenbüchse auf der Welle, d. h. daß für die Welle und die Wellenbüchse Materialien mit unterschiedlicher Wärmedehnung verwendet werden können. Dies erlaubt es insbesondere z. B. auch, die Wärmedehnung der Wellenbüchse an diejenige des Dichtungskörpers anzupassen, so daß die Abdichtung weiter verbessert und die Zerstörungsgefahr weiter vermindert wird.

Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert. Diese zeigt in einem Schnitt längs der Wellenachse ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wellen­ dichtung.

Bei dem in der Figur dargestellten Beispiel ist eine Welle 1 dichtend durch die Gehäusewand 2 beispielsweise einer Turbomaschine von einer Stelle höheren Druckes p_i zu einer Stelle tieferen Druckes p_a geführt. Die Dichtung weist eine auf die Welle 1 aufgesetzte Wellenbüchse 3 auf, welche die Welle 1 mit einem Radialspiel 4 umgibt, so daß Durchmesserschwankungen bei einer Erwärmung der Welle 1 im Betrieb ohne Deformation der Büchse aufgefangen werden können. An der Außenseite 1′′ der Welle 1 liegt das hülsenförmige Ende 3′′ der Wellenbüchse dagegen auf der Welle elastisch federnd auf, so daß auch hier Deformationen der Welle ohne Beeinflussung des Dichtspaltes aufgefangen werden können. Vorzugsweise besteht die Wellenbüchse aus einem Metall mit einem im Vergleich zu dem der Welle 1 geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z. B. aus einem hoch nickellegierten Stahl, wie er z. B. unter dem Namen Invar bekannt ist. Die Wellenbüchse 3 trägt auf ihrer Außenseite einen Dichtkörper 5 , welcher auf seiner Außenseite eine kreisringförmige Dichtfläche 6 bildet.

Vorzugsweise ist dieser Dichtkörper aus einem Hartmetall ausgeführt, welches einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie die Wellenbüchse 3, beispielsweise aus Siliziumkarbid. Jedoch ist auch Wolframkarbid oder ein anderes Material mit ähnlichen Gleiteigenschaften geeignet.

Weiterhin weist die Dichtung einen in dem in das Gehäuse 2 eingeführten Dichtungshalter 2′ stationären, d. h. nicht-rotierenden, aber axial etwas verschiebbaren Gleitring 7 auf, welcher an seiner Innenseite 7′ gegenüber einem Ansatz 8 des Dichtungshalters zentriert ist. Vorzugsweise besteht der Gleitring 7 und der Dichtungshalter ebenfalls aus einem Metall geringer thermischer Ausdehnungsfähigkeit, beispielsweise ebenfalls aus einem hoch nickellegierten Stahl, wie er z. B. unter dem Namen Invar bekannt ist. An der nach innen gekehrten Seite trägt der Gleitring einen Gleitkörper 9 mit einer der Dichtfläche 6 zugekehrten Gleitfläche 9′ aus einem Material guter Gleiteigenschaft, beispielsweise einem kohlekeramischen Werkstoff, dem zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit metallische Zusätze beigefügt sein können.

Über eine Leitung 10 wird der Wellendichtung vom Gehäuse 2 aus ein Gas mit einem Druck p_s zugeführt, welcher ein wenig höher sein kann als der abzudichtende Druck p_i der Turbomaschine. Dabei kann das Gas der Turbomaschine selbst entnommen oder als externes Fremdgas zugeführt werden. Durch einen Spalt 11 gelangt das Gas auf die Rückseite 7′′ des Gleitringes 7 und drückt diesen an die Wellenbüchse 3, so daß der rotierende Dichtkörper 5 mit seiner Dichtfläche 6 auf der Gleitfläche 9′ des stationären Gleitkörpers 9 aufliegt und ein Austritt des Gases aus dem Gehäuseinneren weitgehend verhindert wird. Die trotzdem noch austretende geringe Menge von Gas wird über eine Leitung 13 abgeführt. Die Schmierung der Gleitflächen kann dabei in bekannter Art erfolgen, z. B. aerodynamisch über Taschen oder Rillen in der Gleitfläche oder Dichtfläche oder aerostatisch mit Gaszuführung durch den Gleitkörper hindurch zur Gleitfläche.

Außerhalb der beschriebenen Dichtung ist zur Erzielung einer noch besseren Dichtwirkung oder als Notdichtung im Störungsfall eine zweite ähnlich aufgebaute Gleitringdichtung 14 vorgesehen, auf die jedoch gegebenenfalls auch verzichtet werden kann.

Bei einer solchen Wellendurchführung, bei der die Welle 1 und die Wellenbüchse 3 stark verschiedene Temperaturen haben können, stellt sich im Betrieb der Turbomaschine das Problem, daß sich bei erhöhter Temperatur der Außendurchmesser der Welle 1 stärker aufweitet als der Innendurchmesser der Wellenbüchse. Umgekehrt neigt bei höherer Drehzahl die Wellenbüchse zu einer stärkeren Aufweitung als die Welle. Um solche Durchmesserschwankungen der Welle 1 und der Wellenbüchse 3 aufzufangen, ist die Wellenbüchse 3 mit der Welle 1 mittels einer elastisch federnden Verbindung verbunden, welche die auftretenden radialen Differenzdehnungen an der Verbindungsstelle zuläßt, jedoch die für die Dichtwirkung wichtige Position der Wellenbüchse 3 und deren Abmessungen im Bereich der Dichtfläche nicht beeinflußt.

Dazu trägt die Welle 1 im inneren Bereich 1′ einen zylinderringförmigen, die Welle mit einem ringförmigen Zwischenraum 15′ umgebenden Steg 15. Andererseits ist das entsprechende Ende 3′ der Wellenbüchse 3 mit einer zylinderringförmigen Nut 16 versehen, welche so dimensioniert ist, daß der an die Welle 1 angeformte Steg 15 in diese Nut eingreifen kann, so daß in kaltem Zustand ein formschlüssiger Zentriersitz gebildet wird. Zu diesem Zweck ist die Innenwand 16′ dieser Nut mit einer solchen Wandstärke ausgeführt, daß die Wand relativ starr, also nicht deformierbar ist. Gegenüber dem Steg 15 ist die Außenseite der Innenwand 16′ mit einer O-ringförmigen Dichtung 16′′ abgedichtet, welche gewissen Durchmesseränderungen des Steges 15 zu folgen vermag. Die Innenfläche der Innenwand 16′ besitzt, wie die gesamte Wellenbüchse 3, gegenüber der Welle ein Radialspiel 4, welches eine genügende Durchmesservergrößerung der Welle bei Erwärmung ohne Kontakt zuläßt. Der Außenrand 17 der Nut ist dagegen elastisch federnd ausgebildet und drückt mit seinem Innenkranz 17′ auf den Steg 15, um einen sicheren Zentriersitz auch bei Temperaturerhöhung der Welle 1 zu gewährleisten. Bei einer Wärmeausdehnung der Welle 1 im Innenbereich 1′, und damit auch bei einer Durchmesservergrößerung des Steges 15, wird der Außenring 17 jedoch elastisch aufgeweitet. Die Wellenbüchse 3 bleibt zufolge dieser elastischen Verformbarkeit jedoch im Bereich der Dichtfläche in ihrer Position und ist keinen Spannungen unterworfen. Eine Temperaturerhöhung der Welle 1 im Betrieb führt also nicht zu einer Deformation des Dichtspaltes und einer Beeinträchtigung der Funktion der Wellendichtung mit entsprechender Havariegefahr. Eine Aufweitung der Nut 16 der Wellenbüchse 3 wird andererseits durch den Formschluß zwischen dem starren Innenrand 16′ der Nut und dem Steg 15 der Welle 1 verhindert, so daß auch hierbei die Wellenbüchse ihre Position und Zentrierung ohne Deformation des Dichtspaltes beibehält.

Die beschriebene Wellendurchführung ist also auch für Turbomaschinen mit hoher Temperatur geeignet, bei welchen im Betrieb erhebliche Temperaturschwankungen an der Wellendurchführung auftreten, wie auch für Turbomaschinen mit hohen Drehzahlen und Umfangs­ geschwindigkeiten. Die beschriebene Wellendichtung erlaubt also eine erhöhte Betriebstemperatur der Turbomaschine, ohne aufwendige Kühlmaßnahmen und gleichzeitig einen Betrieb mit erhöhter Drehzahl.

Entsprechendes gilt für die Zentrierverbindung von Wellenbüchse und Welle der äußeren Wellendichtung 14 auf der Seite mit tieferem Druck p_a, wo die Wellenbüchse so elastisch ausgebildet ist, daß eine Aufweitung der Welle infolge Temperatur keine Deformation auf die Wellenbüchse im Bereich der Dichtfläche überträgt.

Claims (2)

1. Als axiale Gleitringdichtung ausgebildete Trockengasdichtung für eine drehende, durch eine Gehäusewand (2) geführte Welle (1) mit einer mit der Welle umlaufenden Wellenbüchse (3) als Träger einer Dichtfläche (6) und einem stationären Gleitring (7) mit einer mittels eines Gases an die Dichtfläche (6) gedrückten und geschmierten Gleitfläche (9′), dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenbüchse (3) die Welle (1) mit Radialspiel (4) umgibt und mit der Welle (1) durch eine formschlüssige Zentrierverbindung (15, 16) verbun­ den ist, die einen zylinderringförmigen Steg (15) an der Welle (1) aufweist, der als nach außen weisender, die Welle mit Zwischenraum (15′) umgebender Ring (15) ausgebildet ist, und der in eine zylinderringförmige Nut (16) an der Wellenbüchse (3) eingreift, die an der der Dichtfläche (6) entgegengesetzten Seite der Wellen­ büchse (3) vorgesehen ist und eine starre, gegen den Steg (15) mit einer Dichtung (16′′) abgedichtete Innen­ wand (16′) und eine elastische, wenigstens am äußeren Ende (17′) auf die Außenseite des Steges (15) drücken­ de, in Radialrichtung elastisch federnde Außenwand (17) aufweist.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Wellen­ büchse (3) kleiner ist als der der Welle (1).