DE3925404C2 - - 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 mit einem stationären Gleitring mit einer mittels eines Gases an die Dichtfläche gedrückten Gleitfläche, wobei auf der Dichtfläche und/oder Gleitfläche vom Außenrand ausgehende geneigt zur Radialrichtung verlaufende Rillen zur aerodynamischen Schmierung der Dichtfläche bzw. der Gleitfläche mittels Druckaufbau vorgesehen sind.

Solche axiale Wellendichtungen sind beispielsweise aus EP-PS 13 678 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 der Wellenbüchse 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 zur berührungslosen Relativbewegung gebildet.

Bei der bekannten Wellendichtung werden die Vorteile aerodynamischer Dichtungen ausgenützt, bei denen das als Schmiermittel dienende Gas von außen der Dicht­ fläche bzw. Gleitfläche über geneigte, z. B. schräge oder spiralförmige Rillen zugeführt wird, wodurch die Schmiermittel- bzw. Gasleckage wesentlich geringer ist als bei anderen bekannten aerostatischen Dichtungen. Die geneigt zur Radialrichtung verlaufenden Rillen bewirken hierbei, daß das Schmiermittel bei Rotation der Welle mittels Pumpwirkung automatisch von außen nach innen auf die Dicht- bzw. Gleitfläche derart verteilt wird, daß ein zweckmäßiger Druckaufbau in radialer Richtung zustandekommt und dadurch eine reibungsarme Dichtung gebildet wird. Der Nachteil solcher Dichtungen ist, daß sie bei Bewegung in entgegengesetzter Richtung, beispielsweise bei einem Rücklauf der Turbomaschine keine ausreichende Verteilung des Schmiermittels auf der Gleitfläche erlauben und daher verklemmen und festsitzen, oder gar zerstört werden können.

Aus DE-GM 18 00 558, US-PS 30 52 475 oder DD-PS 1 37 745 sind Wellendichtungen mit schrägen Verschiebeflächen bekannt, die bei korrekter Drehrichtung bei Auftreten erhöhter Reibung, z. B. infolge Druckmittelausfall, die Dichtflächen voneinander zurückziehen. Ein Schutz der Dichtung vor einer Beschädigung bei entgegengesetzter Drehrichtung ist hiermit weder vorgesehen noch erreichbar.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, und insbesondere eine Trockengasdichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ein Festklemmen und eine Havarie der Wellendichtung bei einem Lauf der Welle entgegengesetzt zur vorgesehenen Drehrichtung vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Entlastungseinrichtung vorgesehen ist, welche am Außenkranz des Gleitringes oder dem gegenüber­ liegenden Teil eines Dichtungshalters wenigstens eine schräg zur Achse orientierte Verschiebefläche und wenigstens eine Anschlagfläche aufweist, durch welche bei der vorgesehenen Drehrichtung der Welle infolge der Reibung zwischen Dichtfläche und Gleitfläche mittels der Anschlagfläche eine Kraft nur in Umfangsrichtung bzw. mit einer Komponente in Anpreßrichtung des Gleitringes an die Dichtfläche, jedoch bei einer zur vorgesehenen Drehrichtung der Welle entgegengesetzten Drehrichtung infolge der Reibung zwischen Dichtfläche und Gleitfläche mittels der Verschiebeflächen auf den Gleitring eine Kraft mit einer Komponente entgegen der Anspreßrichtung des Gleitringes an die Dichtfläche erzeugt wird.

Durch diese Entlastungseinrichtung wird bei Umkehr der Relativbewegung zwischen der Gleitfläche und der Dichtfläche eine solche Kraft entgegen der Anpreßrichtung erzeugt, daß die Reibung auf ein ungefährliches Maß reduziert oder der Gleitring ganz von der Dichtfläche abgehoben wird.

Mit Vorteil weist eine solche Entlastungseinrichtung eine oder mehrere über den Umfang verteilte, gegen die Drehachse geneigte Verschiebeflächen auf, die mit einem Gegenelement im anderen Teil zusammenwirken.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Dichtung werden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Wellendichtung im Schnitt längs der Wellenachse,

Fig. 2 eine Teil-Draufsicht auf eine Dichtfläche bzw.eine Gleitfläche,

Fig. 3a und b Prinzipskizzen zur Darstellung der Wirkungsweise in der Form von Draufsichten auf den Kranz eines Gleitringes bei vorgesehener Rotationsrichtung und bei Rotation in Gegenrichtung, sowie

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Kranz bei einem anderen Ausführungsbeispiel.

Bei dem in Fig. 1 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 Spalt 4 umgibt, während ihr hülsenförmiges Ende 3′ an der Außenseite auf der Welle 1 elastisch federnd aufliegt. Die Wellenbüchse 3 trägt auf ihrer Außenseite einen Dichtkörper 5, welcher eine kreisringförmige Dichtfläche 6 bildet.

Weiterhin weist die Dichtung einen in dem in das Gehäuse 2 eingeführten Dichtungshalter 2′ stationären, d. h. nicht-rotierenden, aber axial und in Umfangsrichtung mit einem kleinen Spiel verschiebbaren Gleitring 7 auf, welcher an seiner Innenseite 7′ gegen­ über einem Ansatz 8 des Dichtungshalters zentriert ist. An der nach innen gekehrten Seite trägt der Gleitring 7 einen Gleitkörper 9 aus einem Material guter Gleit­ eigenschaft mit einer der Dichtfläche 6 zugekehrten Gleitfläche 9′.

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. Das Gas drückt auf die Rückseite des Gleitringes 7 und drückt diese an die Wellenbüchse 3, so daß die 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.

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

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind auf der Dichtfläche 6 oder auf der Gleitfläche 9′ vom äußeren Rand 17 aus­ gehende, z. B. spiralförmige Rillen 18 vorgesehen. Diese Rillen 18 verlaufen geneigt zur Radialrichtung R, wodurch bewirkt wird, daß in der vorgesehenen richtigen Drehrichtung das Gas mittels Pumpwirkung von außen in die Rillen hineingefördert und durch den Druckaufbau eine hinreichende Gasschmierung der Dichtfläche und der Gleitfläche gewährleistet wird.

Bei umgekehrter Drehrichtung wird der Druckaufbau im Spalt so ungenügend, daß es zum Kontakt zwischen Dichtfläche und Gleitfläche kommt, so daß keine ausreichende Schmierung vorhanden ist und die Gefahr des Festfressens oder Festsitzens der Dichtung besteht, was zur Zerstörung der Dichtung und zur Havarie führen kann. Um dies zu verhindern, ist als Rücklaufsicherung eine Entlastungseinrichtung 19 am Außenkranz 11 des Gleitringes 7, bzw. der Gegenfläche 20 des Dichtungs­ halters vorgesehen. Diese bewirkt, daß bei einer Umkehr der Drehrichtung automatisch eine Gegenkraft auf den Gleitring 7 ausgeübt wird, welche die Gleitfläche 9′ von der Dichtfläche 6 entlastet oder ganz zurückzieht.

Diese Entlastungseinrichtung 19 kann aus Keilen 21 am Außenkranz 11 des Gleitringes 7 bestehen, mit welchen ebenfalls keilförmige Vorsprünge 22 an der Innenfläche 20 des Dichtungshalters 2′ zusammenwirken. Diese Keile 21 bzw. Vorsprünge 22 weisen jeweils an einer Seite eine geneigt zur Achsenrichtung A verlaufende Verschiebefläche 21′ bzw. 22′ auf, und an der anderen Seite in Achsenrichtung verlaufende Anschlagflächen 21′′ bzw. 22′′.

Fig. 3a zeigt die Entlastungseinrichtung im normalen Betrieb, d. h. bei der vorgesehenen Drehrichtung der Welle 1. Da der Gleitring 7 von der Dichtfläche 6 mittels Reibung mitgenommen wird, liegen hierbei die Anschlagflächen 21′′ und 22′′ aneinander. Da diese Flächen in Achsenrichtung orientiert sind tritt im wesentlichen lediglich eine Kraft in Umfangsrichtung P auf. Damit dienen diese Anschlagflächen 21′′ und 22′′ als Drehsicherung für den Gleitring 7.

Bei Umkehr der Drehrichtung der Welle 1 wird der Gleit­ ring 7, wie in Fig. 3b gezeigt, ebenfalls mittels Reibung vom Dichtkörper der umlaufenden Wellenbüchse mitgenommen und die Verschiebeflächen 21′ und 22′ kommen zur Auflage und drücken mit einer gewissen Kraft aufeinander. Da diese Flächen jedoch schräg zur Achse der Welle orientiert sind, entsteht eine Kraftkomponente in Achsenrichtung A, welche den Gleitring 7 von der Dichtfläche 6 entlastet und bei hinreichender Kraft sogar von diesem abhebt. Es kann daher nur eine geringe oder überhaupt keine Trockenreibung entstehen, welche die Dichtung abnützen oder zerstören könnte.

Wie in Fig. 4 gezeigt, kann anstatt der keilförmigen Vorsprünge 21 auch ein Element anderer Art vorgesehen sein, beispielsweise ein Stift oder eine Rolle 23. Voraussetzung ist lediglich daß dieses Gegenstück auf einer schrägen Verschiebefläche 22′ zu gleiten oder abzurollen vermag.

Es wird bemerkt, daß die Anschlagfläche 22′′ auch anders ausgeführt sein kann, beispielsweise ebenfalls als Rolle 23′ und/oder als entgegengesetzt zur Gleitfläche 22′ geneigte Fläche, wodurch im Normalbetrieb eine zusätzliche Anpreßkraft oder eine Entlastungskraft des Gleitringes 7 an die Dichtfläche 6 erzeugt wird.

Vorteilhaft ist es, mehrere Rückstelleinrichtungen 19 am Umfang des Gleitringes 7 vorzusehen, vorzugsweise in symmetrischer Anordnung am Außenkranz, beispielsweise zwei Rückstelleinrichtungen diametral gegenüber oder eine größere Anzahl in sternförmiger Anordnung zwecks gleichmäßiger Krafteinleitung und Vermeidung eines Kippmomentes.

Claims (6)

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 mit einem stationären Gleitring (7) mit einer mittels eines Gases an die Dichtfläche (6) gedrückten Gleitfläche (9′), wobei auf der Dicht­ fläche (6) und/oder Gleitfläche (9′) vom Außenrand (17) geneigt zur Radialrichtung (R) verlaufende Rillen (18) zur Schmierung der Dichtfläche (6) bzw. Gleitfläche (9′) mittels Druckaufbau vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entlastungs­ einrichtung (19) vorgesehen ist, welche am Außenkranz (11) des Gleitringes (7) oder dem gegenüberliegenden Teil (20) eines Dichtungshalters (2′) wenigstens eine schräg zur Achse (A) orientierte Verschiebefläche (21′, 22′) und wenigstens eine Anschlagfläche (21′′, 22′′) aufweist, durch welche bei der vorgesehenen Dreh­ richtung der Welle (1) infolge der Reibung zwischen Dichtfläche (6) und Gleitfläche (9′) mittels der Anschlagfläche (21′′, 22′′) eine Kraft nur in Umfangs­ richtung bzw. mit einer Komponente in Anpreßrichtung des Gleitringes (7) an die Dichtfläche (6) jedoch bei einer zur vorgesehenen Drehrichtung der Welle (1) entgegengesetzten Drehrichtung infolge der Reibung zwischen Dichtfläche (6) und Gleitfläche (9′) mittels der Verschiebeflächen (21′, 22′) auf den Gleitring (7) eine Kraft mit einer Komponente entgegen der Anpreß­ richtung des Gleitringes (7) an die Dichtfläche (6) erzeugt wird.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlich zur Achse (A) orientierten Flächen (21′, 21′′, 22′, 22′′) auf einem keilförmigen Teil (21, 22) des Gleitringes (7) und/oder des Dichtungshalters (2′) vorgesehen sind.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (22′, 22′′) an einem Teil (22) mit jeweils einem Gegenelement (21′, 21′′) im anderen Teil (21) zusammenwirken.

4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenelement eine der Fläche (22′, 22′′) entsprechend orientierte Gegenfläche (21′, 21′′) aufweist.

5. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenelement eine mit der Fläche (21′, 22′′) zusammenwirkende Rolle (23, 23′) aufweist.

6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß am Gleitring (7) mehrere symmetrisch über den Umfang (11) verteilte Entlastungs­ einrichtungen (19) vorgesehen sind.