DE3942408C2 - Trockenlaufende Gasdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine als axiale Wellendichtung ausgebildete trockenlaufende Gasdichtung für eine drehende, durch eine Gehäusewand geführte Welle mit einer mit der Welle umlaufenden Wellenbüchse als Träger eines Dichtkörpers mit einer Dichtfläche, und mit einem stationären Gleitring mit einer mittels Gas an die Dichtfläche gedrückten und mit diesem geschmierten Gleitfläche, wobei ein gasgefüllter Spalt zwischen Dichtfläche und Gleitfläche aufrechterhalten ist, sowie mit einem zwischen Dichtkörper und Wellenbüchse etwa in mittlerem Abstand von der Welle vorgesehenen flexiblen Dichtungsring, und einem gegen den Gleitring und die Gehäusewand bzw. ein damit verbundenes Bauteil abgedichteten Stützring, welcher auf der Rückseite des Gleitringes in Achsenrichtung verschiebbar angeordnet ist.

Solche axiale Wellendichtungen sind beispielsweise aus DE-OS 19 24 192 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 Zwischenkamner abzudichten, um ein Ausströmen des Mediums aus dem Innenraum zu verhindern. Dies erfolgt mittels eines als Sperrmedium dienenden Gases, welches die Gleitfläche des Gleitringes an die Dichtfläche drückt und somit den Austritt von Gas aus dem Innenraum minimalisiert. Gleichzeitig wird ein gasgefüllter Spalt zum berührungslosen Lauf der Dichtung gebildet.

Dabei wird angestrebt, im Betrieb einen gleichmäßigen Spalt aufrechtzuerhalten. Da bei einer Druckstörung ein solcher Spalt dazu tendieren kann, sich zu schließen, bis hin zu einer unerwünschten Berührung der Dichtfläche und der Gleitfläche, ist zur Erhöhung der Steifigkeit des Gasspaltes der Dichtspalt nach außen, d. h. mit zunehmenden Abstand von der Welle, leicht erweitert. Durch diese sogenannte "V"-Form wird eine größere Gassteifigkeit erreicht, so daß eine größere Gegenkraft gebildet wird, die eine Berührung der beiden Flächen verhindert.

Die gewünschte "V"-Form wurde durch die Formgebung der einzelnen Dichtungsteile und deren Zusammenwirken zu erreichen versucht. So wurde einerseits die Wellenbüchse so ausgebildet, daß der Dichtkörper auf einer Ringfläche der Wellenbüchse aufliegt. Dabei ist ein O-Dichtungsring in die Wellenbüchse eingelassen. Bei Einwirkung des Sperrgasdruckes quetscht sich dieser O-Ring jedoch in den Spalt, so daß die Gefahr einer Beschädigung besteht und dadurch die Dichtwirkung beeinträchtigt wird. Zudem ist kein definierter Kraftangriffspunkt vorhanden. Das gleiche gilt für den stationären Gleitring, so daß die gewünschte V-Form des Spaltes nur schwierig vorherbestimmt werden kann. Ein solcher V-förmiger Dichtspalt ist zudem kaum oder nur beschränkt einstellbar.

Aus der DE 26 39 586 A1 ist andererseits eine Gleitringdichtung bekannt, bei der die im Ruhezustand ebene Gleitfläche eines Gleitringes im Betrieb proportional zum Druck einer Sperrflüssigkeit so deformiert wird, daß ein keilförmiger "V"-Spalt entsteht. Auch hier ist eine definierte Spaltform nur schwer vorherbestimmbar oder einstellbar.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, bei der eingangs angegebenen trockenlaufenden Gasdichtung einen V-förmigen, sich nach außen leicht erweiternden Dichtspalt vorherbestimmen und auf unterschiedliche Anforderungen und Betriebsbedingungen einstellen zu können, so daß die Dichtung ohne erhebliche konstruktive Änderungen bei bestimmten Gasdrücken und Wellendrehzahlen optimal arbeitet, d. h. eine möglichst kleine Leckage bei möglichst großer Betriebssicherheit aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß unmittelbar innen anschließend an den Dichtungsring der Dichtkörper mittels eines koaxialen Steges auf der Wellenbüchse aufliegt, so daß der Dichtungsring unmittelbar auf der Außenseite des Steges angedrückt ist, und daß der Stützring in der inneren, der Welle benachbarten Zone mittels eines weiteren koaxialen Steges auf die Rückseite des Gleitringes drückt, wobei die radiale Position des Steges am Stützring bezüglich der Gleitfläche des Gleitringes so gewählt ist, daß die durch den Gasdruck gebildete, den Gleitring an den Dichtkörper pressende Kraft eine Resultierende erhält, welche in Richtung einer Vergrößerung des Dichtspaltes mit zunehmendem Abstand von der Welle wirkt.

Der Angriffspunkt der resultierenden Kraft wird hierbei durch die Lage des Steges am Stützring, d. h. durch dessen Abstand von der Welle und damit automatisch durch die Position gegenüber dem Gleitring bestimmt. Durch eine Änderung der Lage kann daher die einer Schließung des Spaltes im Störungsfalle entgegenwirkende Gegenkraft eingestellt werden. Auf besonders einfache Weise ist dies durch Auswechslung des Stützringes gegen einen Stützring mit anderem Durchmesser und Position des Steges möglich.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Diese zeigen in einem Schnitt längs der Wellenachse ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen trockenlaufenden axialen Wellendichtung, sowie einen vergrößerten Ausschnitt derselben.

Bei dem in den Figuren 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, die auf ihrer Außenseite einen Dichtkörper 5 trägt, welcher auf seiner Außenseite eine kreisringförmige Dichtfläche 6 bildet. Vorzugsweise ist der Dichtkörper 5 aus einem Hartmetall ausgeführt, beispielsweise aus Siliziumkarbid, oder einem anderen Material mit ähnlichen Gleiteigenschaften.

Die Wellenbüchse 3 weist zwischen ihrem mittleren und ihrem inneren, der Welle benachbarten Teil ihrer Radialfläche, einen zur Welle 1 koaxialen ringförmigen Steg 13 auf, auf welchem der Dichtkörper 5 mit seiner Rückseite aufliegt, während der Dichtkörper 5 mit der Wellenbüchse 3 sowohl in der Zone innerhalb des Steges 13 und außerhalb desselben einen minimalen Spalt bildet. Der Steg 13 wird auf der Außenseite unmittelbar von einer in eine Nut der Wellenbüchse 3 eingelassene O-ringförmige Dichtung 8 umgeben.

In die die Wellendurchführung bildende Bohrung der Gehäusewand 2 ist ein Dichtungshalter 2′ eingeführt, welcher einen Teil der Gehäusewand 2 bildet, und in welchem ein stationärer, d. h. nicht-rotierender, aber axial etwas verschiebbarer Gleitring 7 sitzt, welcher auf seiner nach innen gekehrten Seite einen Gleitkörper 9 mit einer der gegenüberliegenden Dichtfläche 6 zugekehrten Gleitfläche 9′ aus einem Material guter Gleiteigenschaft, z. B. einem kohlekeramischen Werkstoff, trägt.

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 zwischen dem Dichtungshalter 2′ und dem Gleitring 7 gelangt das Gas auf die Rückseite des Gleitringes 7 und drückt diesen an den Dichtkörper 5 an. Gleichzeitig wird jedoch durch das zugeführte Gas im Dichtspalt S ein Gasfilm von einigen Mikrometern Dicke gebildet, welcher eine berührungslose Dichtung bewirkt. Dabei kann die Schmierung der Gleitflächen in bekannter Weise erfolgen, z. B. aerodynamisch über Taschen oder Rillen in der Gleitfläche oder Dichtfläche, oder aerostatisch mit Gaszuführung durch den Gleitkörper hindurch zur Gleitfläche. Das durch den Dichtspalt und die verschiedenen Dichtungsringe hindurchtretende Leckgas wird über eine Leitung 12 nach außen abgeführt.

Auf der Rückseite des Gleitringes 7 ist in einer Ausnehmung desselben, der Welle 1 zugekehrt, ein Stützring 4 eingesetzt, welcher axial verschieblich und gegen den Gleitring 7 und den Dichtungshalter 2′ abgedichtet ist. Auf der dem Gleitring 7 zugekehrten Seite des Stützringes 4 ist ein weiterer koaxialer ringförmiger Steg 14 vorgesehen, mit welchem der Stützring 4 auf den Gleitring 7 drückt. Die Position des Steges 14 und dessen Abstand von der Achse A der Welle 1 ist so gewählt, daß die von der Rückseite des Stützringes 4 aufgenommene Druckkraft des Sperrgases an einer relativ weit innen liegenden Stelle auf den Gleitring 7 übertragen wird. Die aus der auf die Rückseiten des Gleitringes 7 und des Stützringes 4 wirkende Druckkraft erhält durch den Steg 14 eine resultierende Kraft, welche relativ weit innen und der Welle benachbart angreift, so daß mit der resultierenden Kraft des Druckes im Dichtspalt S ein Kräftepaar auf den Gleitring 7 wirkt und diesen derart verformt, daß der Dichtspalt in der inneren, der Welle 2 benachbarten Zone, stärker zusammengedrückt wird als in der äußeren, von der Welle 1 entfernteren Zone. Dabei überwiegt die Verformung des Gleitringes 7, welche in Richtung zu einem V-förmigen Spalt tendiert, die in der anderen Richtung wirkende Verformung des Dichtkörpers 5. Somit wird im Betrieb ein sich nach außen leicht erweiternder, d. h. V-förmiger Spalt, sicher aufrechterhalten.

Statt wie beschrieben als auf der Radialfläche der Wellenbüchse 3 ausgebildeter Absatz kann der erste Steg 13 auch am Dichtkörper 5 und der weitere Steg 14 auch am Gleitring 7 anstatt am Stützring 4 vorgesehen sein.

Die Form des Dichtspaltes S kann dabei durch die Position des ringförmigen Steges 14 des Stützringes 4 eingestellt werden, und zwar durch Wahl der radialen Position des Steges 14 bezüglich der Gleitfläche 9′ des Gleitringes 7. Die Anpassung an veränderte Betriebsbedingungen kann dabei auf einfache Weise durch Auswechseln des Stützringes 4 gegen einen solchen mit einer anderen Position des Steges 14 erreicht werden. Somit läßt sich die Gasdichtung auf einfache Weise ohne konstruktive Änderungen an unterschiedliche Betriebsbedingungen und Anforderungen, d. h. unterschiedliche Gasdrücke und Wellendrehzahlen, anpassen, wobei durch die individuell wählbare Rückstellkraft eine Spaltform mit geringstmöglicher Leckage bei größtmöglicher Sicherheit erreicht wird.

Außerhalb der beschriebenen Gasdichtung ist zur Erzielung einer noch besseren Dichtwirkung oder als Notdichtung im Störungsfall eine zweite analog aufgebaute berührungslose Dichtung 15 vorgesehen, auf die jedoch gegebenenfalls auch verzichtet werden kann.

Claims (6)

1. Als axiale Wellendichtung ausgebildete trockenlaufende Gasdichtung für eine drehende, durch eine Gehäusewand (2) geführte, Welle (1) mit einer mit der Welle (1) umlaufenden Wellenbüchse (3) als Träger eines Dichtkörpers (5) mit einer Dichtfläche (6), einem stationären Gleitring (7) mit einer mittels Gas an die Dichtfläche (6) gedrückten und mit diesem geschmierten Gleitfläche (9′), wobei ein gasgefüllter Spalt (S) zwischen Dichtfläche (6) und Gleitfläche (9′) aufrechterhalten ist, einem zwischen Dichtkörper (5) und Wellenbüchse (3) etwa in mittlerem Abstand von der Welle (1) vorgesehenen flexiblen Dichtungsring (8), und einem gegen den Gleitring (7) und die Gehäusewand (2) bzw. ein damit verbundenes Bauteil (2′) abgedichteten Stützring (4), welcher auf der Rückseite des Gleitringes (7) in Achsenrichtung verschiebbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß unmittelbar innen anschließend an den Dichtungsring (8) der Dichtkörper (5) mittels eines koaxialen Steges (13) auf der Wellenbüchse (3) aufliegt, so daß der Dichtungsring (8) unmittelbar auf der Außenseite des Steges (13) angedrückt ist, und
daß der Stützring (4) am inneren Teil des Gleitringes (7) angeordnet ist, wobei der Stützring (4) in der inneren, der Welle (1) benachbarten Zone mittels eines weiteren koaxialen Steges (14) auf die Rückseite des Gleitringes (7) drückt, wobei die radiale Position des Steges (14) am Stützring (4) bezüglich der Gleitfläche (9′) des Gleitrings (7) so gewählt ist, daß die durch den Gasdruck (p_s) gebildete, den Gleitring (7) an den Dichtkörper (5) pressende Kräft eine Resultierende erhält, welche in Richtung einer Vergrößerung des Dichtspaltes (S) mit zunehmendem Abstand von der Welle (1) wirkt.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche (9′) auf einem vom Gleitring (7) getragenen Gleitkörper (9) vorgesehen ist.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (4) in einer der Welle (1) zugekehrten Ausnehmung des Gleitringes 7) vorgesehen ist.

4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitring (7) in einem fest mit der Gehäusewand (2) verbundenen und einen Teil derselben bildenden Dichtungshalter (2′) axial verschiebbar angeordnet ist.

5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (13) zwischen Wellenbüchse (3) und Dichtkörper (5) als Ansatz der Radialfläche der Wellenbüchse (3) ausgebildet ist.

6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (4) gegen einen anderen Stützring mit anderer Position des ringförmigen Steges (14) auswechselbar ist.