DE2503856B2 - Wellendichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung mit einem angrenzend am Hochdruckbereich angeordneten stationären Dichtring, mehreren in Richtung auf den Niederdruckbereich hinter den stationären Dichtring und axial hintereinander angeordneten, als Schwimmring ausgebildeten Dichtringen und einem Schmier- und Sperrkreislauf, durch den mittels einer Pumpe eine Schmier-Sperrflüssigkeit in den Bereich zwischen der Welle und dem stationären Dichtring geleitet wird, so daß ein Trennspiegel zwischen dem abzudichtenden Medium und der Schmier-Sperrflüssigkeit gebildet wird und die Schmier-Sperrflüssigkeit in Richtung auf den Niederdruckbereich abfließt, wobei Schmier-Sperrflüssigkeit zwecks Kühlung zur Rückseite zumindest der Schwimmringe zuführbar ist.

Eine Wellendichtung dieser Gattung ist aus der US-PS 36 95 621 der Anmelderin bekannt. Bei dieser Wehendichtung wird die Schmier-Sperrflüssigkeit mit relativ hohem Druck in den Bereich des stationären Dichtrings zugeführt, um eine sichere Sperre für das abzudichtende Medium zu erzielen. Dieser relativ hohe Druck der Schmier-Sperrflüssigkeit wird durch die in Reihe geschalteten Schwimmringe stufenweise abgebaut. Die Schwimmringe sind in Gehäuseausnehmungen so gelagert, daß die Rückseiten der Schwimmringe mit den Zwischenräumen zwischen den Schwimmringen und der Welle in Verbindung stehen, so daß die von der Hochdruck- zur Niederdruckseite fließende Schmier-Sperrflüssigkeit zur Rückseite der Schwimmringe gelangen kann. Auf diese Weise wird die Schmier-Sperrflüssigkeit zur Kühlung der Schwimmringe ausge- -, nutzt.

Bei normalen Betriebsbedingungen arbeitet diese Wellendichtung zufriedenstellend. Im Teillastbereich, insbesondere beim Starten der Antriebsmaschine, nimmt jedoch der Strom der Schmier-Sperrflüssigkeit

ίο erheblich ab. Infolgedessen werden die Schwimmringe nur noch ungenügend gekühlt, was eine Überhitzung dieser Bauteile zur Folge hat Diese Schwierigkeit könnte dadurch gehoben werden, daß die Schmier-Sperrflüssigkeit im Teillastbereich mit erhöhtem Druck

ij zugeführt wird. Dies würde jedoch komplizierte Regeleinrichtungen, einen erhöhten Strömungsmittelverbrauch sowie einen relativ hohen Herstellungs- und Wartungsaufwand erfordern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wellendichtung der eingangs angegebenen Gattung in möglichst einfacher Weise eine bessere Kühlung der Schwimmringe im Teillastbereich, insbesondere beim Starten der Antriebsmaschine, zu erzielen.

Diese Aufgabe wird bei einer Wellendichtung mit den

2~> eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rückseite jedes Schwimmringes gegenüber dem Bereich, in dem Schmier-Sperrflüssigkeit vom stationären Dichtring zum Niederdruckbereich fließt, abgedichtet ist, daß die Rückseiten der

ίο Schwimmringe mit einer die Schwimmringe konzentrisch umgebenden gemeinsamen Ringkammer in Verbindung stehen, daß die Ringkammer und damit die Rückseiten der Schwimmringe durch einen Kühlkreislauf mit einem kontinuierlichen Kühlstrom beaufschlagt

si ist, der die gleiche Flüssigkeit wie der Schmier-Sperrkreislauf enthält, und daß im Kühlkreislauf eine gesonderte Pumpe vorgesehen ist, die den Druck im Kühlkreislauf auf einem niedrigeren Niveau als dem des Schmier-Sperrkreislaufes hält.

Bei Gleitringdichtungen ist es bereits bekannt geworden, getrennte Schmier- und Kühlkreisläufe für den Dichtspalt einerseits und den stationären Gegenring andererseits vorzusehen, vgl. z. B. US-PS 30 19 026. Bei diesen Gleitringdichtungen stellt sich jedoch das Problem einer Überhitzung im Teillastbereich nicht, da die Kühlflüssigkeitsversorgung des stationären Gegenringes unabhängig von der Drehzahl der Welle ist. Eine Trennung von Schmier- und Kühlkreislauf dürfte in diesem Fall in erster Linie den Zweck haben,

^r>o unterschiedliche Medien in den beiden Kreisläufen zu verwenden.

Im Gegensatz hierzu wird bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Wellendichtung in beiden Kreisläufen dasselbe Medium verwendet. Da die Rückseiten der in

« Reihe geschalteten Schwimmringe mit einer relativ großvolumigen Ringkammer frei in Verbindung stehen, ist nur ein relativ niedriger Druck der Kühlflüssigkeit erforderlich, um einen kontinuierlichen Kühlstrom aufrechtzuerhalten. Der Druck im Kühlkreislauf kann daher auf einem wesentlich niedrigerem Niveau als im Schmier-Sperrkreislauf gehalten werden. Da im übrigen der Kühlkreislauf nicht durch die Drehzahl der Welle beeinflußt wird, ist auch im Teillastbereich eine ausreichende Kühlung der Schwimmringe sichergestellt.

<>5 Der Schmier-Sperrkreislauf kann daher auf konstanten Druck geregelt werden, wodurch die Regelung vereinfacht und der Herstellungs- und Wartungsaufwand verringert wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rückseiten der Schwimmringe mit Kühlrippen versehen sind. Die Kühlrippen sind zur Ringkammer ungedrosselt und frei zugänglich, wodurch eine besonders wirksame Kühlung der Schwimmringe erzielt wird.

Anhand der Zeichnungen wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Wellendichtung;

F i g. 2 eine schematische Darstellung des Kühlkreislaufes und Schmier-Sperrkreislaufes der Wellendichtung nach Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 enthält das Gehäuse 10 einer Rotationsmaschine, etwa eines Kompressors oder einer Turbine, eine Öffnung, durch die eine umlaufende Welle 11 verläuft, die die bewegten Maschinenteile trägt. Die Welle 11 erstreckt sich in Axialrichtung von dem im Sinne der F i g. 1 rechts gelegenen Hochdruckbereich der Maschine 12 zu einem Niederdruckbereich 13. Der Niederdruckbereich sieht üblicherweise auf Atmosphärendruck, kann jedoch auch einem geringfügig höheren oder niedrigeren Druck ausgesetzt sein. Die Innenwand der Öffnung kann einstückig am Gehäuse 10 angeformt oder durch einen Ring 15 gemäß F i g. 1 gebildet sein, der durch Senkschrauben 17 fest mit dem Gehäuse 10 verbunden ist. In diesem Fall dient der Ring 15 zur Halterung einer Labyrinthdichtung 20, die die W. lie Il indem Hochdruckbereich 12umgreift.

Die Dichtung enthält ferner ein stationäres, ringförmiges Einsatzstück 22, das in der Stirnwandöffnur.g angeordnet ist und am Ring 15 anliegt. Im Einsatzstück 22 befindet sich ein gasseitiger Dichtring 23, der die Welle 11 in der Nähe der Hochdruckzone 12 umgreift. Der Dichtring 23 besteht aus einer zylindrischen, hülsenförmigen Buchse 24. die die Welle mit Drehspiel umschließt, sowie einem schräg zur Buchse 24 angestellten, konusförmigen Abschnitt 25, der in einen radial verlaufenden Flansch 26 übergeht, der an der Außenseite des Rings 15 angeordnet ist.

Auf seiner Innenseite ist das Einsatzstück 22 an die Form des Dichtrings 23 angepaßt und mit mehreren gleichförmig verteilten Öffnungen 30 versehen, die in Umfangsrichtung um den Dichtring 23 verlaufen. Die Öffnungen 30 sind an eine ringförmig um den Außenumfang des Einsatzstückes 22 verlaufende Hochdruck-ölnut 33 angeschlossen. Hochdrucköl wird auf die weiter unten im einzelnen erläuterte Weise über einen die Gehäusestirnwand 10 durchsetzenden ölzufuhrkanal 35 der Ringnut 33 zugeführt.

Beidseitig des Flansches 26 befinden sich zwei Q-Ringe 38 und 39, die verhindern, daß Hochdrucköl zwischen das Einsatzstück 22 und den Ring 15 gelangt. Mehrere am Einsatzstück 22 befestigte Stifte 27 greifen nach unten in Horizontalnuten, die am Außenumfang des Flansches 26 ausgebildet sind, und sichern den gasseitigen Dichtring 23 gegen eine Drehbewegung, ermöglichen jedoch gleichzeitig eine Bewegung der Dichtung sowohl in Axial- als auch in Radialrichtung.

Während des Betriebs wird Hochdrucköl, das unter einem geringfügig höheren Druck als das Arbeitsgas steht, den Öffnungen 30 zugeführt und in dem mit 31 bezeichneten Bereich in Berührung mit der Welle 11 unterhalb der Buchse 24 gebracht. Infolgedessen gelangen die zu diesem Bereich vorgedrungenen Arbeitsgase unter den Einfluß des Gegendrucks des Hochdrucköls und werden somit an einem Entweichen im Bereiche niedrigeren Drucks längs der Welle gehindert. Verunreinigtes öl, das sich im Öl-Gas-Grenzbereich ansammelt, wird über eine übliche Ablaßleitung 32 aus dem Kreislauf entfernt.

Ein Hochdruck-Ölstrom wird in Axialrichtung längs ■> der Welle vom Gas-Öl-Grenzbereich in Richtung der Niedeidruckseite erzeugt. Mehrere den Druck abbauende Dichtungen in Form von Schwimmringen 40,41 und 42 sind in gleichmäßigen Abständen auf der Welle hinter der gasseitigen Dichtung in Strömungsnchtung axial

in zueinander ausgerichtet angeordnet. Zwischen der innenfläche der Schwimmringe und dem Außenumfang der Welle ist ein ausreichend großer Spalt vorhanden, wodurch der Druck im ölstrom gleichförmig und schrittweise zum Bereich niedrigeren Drucks hin

ΐϊ abgebaut wird. Die Schwimmringe sind in stationären Ringen 46, 47, 48 gelagert, die in der Wellenöffnung gehaltert sind. Wie F i g. 1 zeigt, liegen die Ringe in Axialrichtung aneinander an, wobei der im Stapel letzte Ring 48 auf der Außenfläche des Einsatzstückes 22 für die gasseitige Dichtung anliegt. In Axialrichtung ist der Ringstapel in der Wellenöffnung durch einen Haltering 67 gesichert, welcher etwa durch Schrauben oder dergl. auf der linken Seite der Stirnwand befestigt ist Im Haltering 67 kann eine zweite äußere Labyrinthwellen-

-'> dichtung (nicht gezeigt) angeordnet sein, die einen zusätzlichen Schutz gegen eine Leckage aus der Maschine gewährleistet.

Wie in der oben erwähnten US-PS beschrieben, dient bei dieser Art von Wellendichtung das Hochdrucköl

u> nicht nur als Sperre, die ein Entweichen von Arbeitsmedien aus der Maschine verhindert, sondern auch zur Kühlung der verschiedenen Bauteile der Wellendichtung. Bei bestimmten kritischen Betriebsbedingungen, insbesondere beim Start der Maschine,

Ji verringert sich jedoch der Mengenstrom des Hochdrucköls längs der Dichtflächen ganz erheblich und bis zu einem Punkt, wo eine Überhitzung der Dichtungen auftritt. Bei diesen Betriebszuständen werden eine Exzentrizität in den miteinander zusammenwirkenden Bauteilen, ein unrunder Wellenlauf oder Vibrationen der Maschine verstärkt, was zu einem übermäßigen Verschleiß der Dichtungen und schließlich zu einem Versagen führt.

Die beschriebene Wellendichtung verfügt über eine verhältnismäßig einfache Kühleinrichtung für die Dichtungen, die unabhängig vom Betriebszustand der Maschine kontinuierlich auf einem konstanten Betriebspegel arbeitet. Zu diesem Zweck ist ein Niederdruck-Kühlkreislauf mit einem Kühlmittelstrom vorgesehen, der kontinuierlich mit den Schwimmringen in Berührung gebracht wird, solange die Maschine arbeitet.

Gemäß F i g. 1 befindet sich jeder Schwimmring in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Ausnehmung 50, 51 bzw. 52, die in den Tragringen für die Schwimmringe ausgebildet ist. In jedem Tragring· ist ferner unmittelbar hinter der Ausnehmung eine axial verlaufende Ringkammer 60 ausgebildet, die mit dieser über Zufuhrbohrungen 61 in Verbindung steht. Im zusammengebauten Zustand bilden die Ringkammern eine gemeinsame Längskammer, die ein Strömungsmittel unter niedrigem Druck enthält, das über die Zufuhrbohrungen 61 in Berührung mit der Rückseite der Schwimmringe gebracht wird. Das Niederdruckmittel wird <uif die weiter unten im einzelnen beschriebene

e>5 Weise der Ringkammer 60 über einen die Maschinenwand durchsetzenden Einlaßkanal 62 von einem Reservoir zugeführt. Der Mengenstrom des Niederdruck-Kühlmittels wird mittels einer im Einlaßkanal

befindlichen Drosselöffnung derart reguliert, daß die die Schwimmringe umströmende Kühlmiuelmenge ausreicht, deren Temperatur unabhängig vom Betriebszustand der Maschine in einem konstanten Betriebsbereich zu halten. Nach dem Umströmen der Dichtungsstücke wird das Niederdruckmittel von den stationären Bauteilen über einen Auslaß 65 abgeführt und zum Reservoir zurückgeleitet.

Im Niederdruck-Kühlkreislauf wird das gleiche Strömungsmittel wie im Hochdruck-Schmier- und Sperrkreislauf verwendet. Auf diese Weise läßt sich die Steuerung erheblich vereinfachen, und es entsteht kein oder nur ein geringer Schaden, wenn das Kühlmittel unbeabsichtigterweise von dem Niederdruck-Kühlkreislauf zum Hochdruck-Schmier- und Sperrkreislauf gelangt.

Zwei in Umfangsrichtung verlaufende O-Ringe 66 liegen zwischen den Seitenwänden jeder Ausnehmung und den Stirnflächen der darin befindlichen Schwimmringe, um den Niederdruck-Kühlmittelstrom von dem Dichtöl-Hauptstrom zu trennen. Die O-Ringe liegen verhältnismäßig nahe der der Welle zugekehrten, axial verlaufenden Innenfläche jedes Schwimmrings, so daß der überwiegende Flächenbereich jedes Schwimmrings dem Kühlmittelstrom ausgesetzt ist. Um den Kühlvorgang weiter zu fördern, sind auf der Rückseite jedes Dichtungsstücks mehrere Kühlrippen 68 vorgesehen, durch die die benetzte Fläche vergrößert wird.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der gasseitige Dichtring 23 nicht von der Hilfskühlung versorgt Es hat sich herausgestellt, daß das anfangs mit einem speziellen Dichtring 23 in Berührung gebrachte öl des Hauptkreislaufs sich auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur befindet und daher jegliche Wärmeansammlung an dieser besonderen Stelle in den meisten Betriebszuständen wirksam abzuführen vermag. Erforderlichenfalls läßt sich jedoch entsprechend der anhand der Schwimmringe erläuterten Weise auch eine Hilfskühlung der gasseitigen Dichtung erreichen.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Pumpanordnung zur Zufuhr sowohl des Kühlmittels zum Kühlkreislauf als auch des Hochdrucköls zum Schmier-Sperrkreislauf. Beide Kreisläufe werden vom "> gleichen Strömungsmittel in Form von Öl gespeist. Hierdurch vereinfachen sich die erforderlichen Steuerungen beträchtlich, insbesondere im Vergleich zu öldichtungen dieser Art, welche eine öleinspritzung oder dergl. benötigen. Wie gezeigt, wird das öl für beide

κι Kreisläufe einem gemeinsamen Olreservoir 70 entnommen. Das öl gelangt zunächst zur Niederdruckpumpe 71, die den Öldruck auf einen Druckpegel anhebt, der erforderlich ist. einen zur wirksamen Kühlung der Schwimmringe ausreichenden ölmengenstrom im

ι^Γι Kühlkreislauf zu erzeugen. Diese Pumpe arbeitet kontinuierlich, so daß sie lür eine konstante Druckhöhe sorgt, solange die Maschine arbeitet. Das von der Pumpe über einen Kühler 73 geförderte Öl gelangt durch einen Filter 72, bevor es den stationären Teilen der Dichtung zugeführt wird. Eine Öl-Teiimenge strömt über die Leitung 74 über ein Rückschlagventil 75 zum Einlaßkanal 62 des Kühlkreislaufs, wo es auf die oben beschriebene Weise in Berührung mit den Schwimmringen gebracht wird.

Außerdem gelangt öl von der Niederdruckpumpe 71 über einen Kühler 78 zur Hochdruckpumpe 76, die den Öldruck auf einen zweiten Druckpegel anhebt. Das von der Hochdruckpumpe 76 geförderte Hochdrucköl strömt über einen zweiten Filter 77 und über eine

so Leitung 79 zum Einlaß 35 des Hochdruck-Schmier-Sperrkreislaufs. In der Leitung 79 liegt ein Steuerventil 82, das mit einem Druckregelbehälter 80 gekoppelt ist.

Der Regler mißt den Druck des Arbeitsmediums in der Maschine und stellt in Abhängigkeit von diesem den Druck in der Leitung 79 über das Ventil 82 derart ein, daß der Druck auf der Hochdruckseite des Kreislaufs um einen bestimmten Bei rag oberhalb des Druckwertes des Arbeitsmediums gehalten wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Wellendichtung mit einem angrenzend am Hochdruckbereich angeordneten stationären Dichtring, mehreren in Richtung auf den Niederdruckbereich hinter dem stationären Dichtring und axial hintereinander angeordneten, als Schwimmring ausgebildeten Dichtringen und einem Schmier- und Sperrkreislauf, durch den mittels einer Pumpe eine Schmier-Sperrflüssigkeit in den Bereich zwischen der Welle und dem stationären Dichtring geleitet wird, so daß ein Trennspiegel zwischen dem abzudichtenden Medium und der Schmier-Sperrflüssigkeit gebildet wird und die Schmier-Sperrflüssigkeit in Richtung auf den Niederdruckbereich abfließt, wobei Schmier-Sperrflüssigkeit zwecks Kühlung zur Rückseite zumindest der Schwirrmringe zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite jedes Schwimmringes (40—42) gegenüber dem Bereich, in dem Schmier-Sperrflüssigkeit vom stationären Dichtring (23) zum Niederdruckbereich (13) fließt, abgedichtet ist, daß die Rückseiten der Schwimmringe (40—42) mit einer die Schwimmringe konzentrisch umgebenden gemeinsamen Ringkammer (60) in Verbindung stehen, daß die Ringkammer (60) und damit die Rückseiten der Schwimmringe (40—42) durch einen Kühlkreislauf (60—62, 70—75) mit einem kontinuierlichen Kühlstrom beaufschlagt ist, der die gleiche Flüssigkeit wie der Schmier-Sperrkreislauf enthält, und daß im Kühlkreislauf eine gesonderte Pumpe (71) vorgesehen ist, die den Druck im Kühlkreislauf auf einem niedrigeren Niveau als dem des Schmier-Sperrkreislaufes hält.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseiten der Schwimmringe (40—42) mit Kühlrippen (68) versehen sind.