DE3208657A1

DE3208657A1 - Beruehrungslose dichtanordnung fuer die endflaechen einer rotationsmaschine

Info

Publication number: DE3208657A1
Application number: DE19823208657
Authority: DE
Inventors: Izhak Dr. Haifa Etsion
Original assignee: Technion Research and Development Foundation Ltd
Current assignee: Technion Research and Development Foundation Ltd
Priority date: 1981-03-11
Filing date: 1982-03-10
Publication date: 1982-10-21
Also published as: FR2501817A1; FR2501817B1; IT1198361B; JPS6158703B2; CA1166663A; IT8220044A0; IL62344A0; JPS5842869A; DE3208657C2; US4407509A; ZA821513B

Description

(',1.Yl R, HAGfMANK .&-PARTNER .

I'-ITIM/JNAV'ALCE '. " ."". -' O ~) C) ρ g Γ *7

I'ROIf SMOSAI Rl I¹HlSl MAI.Ü4 S ^!OKl" -,iCl "ΚΛΟ PtA-fv IV-.H-M OHICE ^ ^

Sii,if<<. 108 · 8000 München 80 -Telefon O 0«<J 480731-34 -Iflcx 5-216136 hagt? d -Telegramm hageypatent -Telekopiercf (1«<ί 9H0731

Hnc(,ins< hrift: Posti.u h 860 329 · 8000 München 86

u.Z.: Pat 77/2-82M München, den

10. März 1982

Dr.G/2/ns

Technion Research & Development Foundation Ltd.

Haifa/Israel

BERÜHRUNGSLOSE DICHTANORDNUNG FÜR DIE ENDFLÄCHEN EINER ROTATIONSMASCHINE

Priorität:
Land: Israel
Datum: 11. März 1981
Az.: 62344

GEYER, HAßFMÄNN-& PARTNER

fVW f S' T AN WA LT-E . Q O O O C Γ 7

PKOfLbSlOMAL Kf f'KI Sl N¹IAKVTS HTICJKf ΓΠΕ EUr?OPEAi>l PAItNT OFFICE ^ ^- ¹^ Ü 0 O /

i-r SiuRf 108 ■ 8000 München 80 -Telefon O OH') ¹JB0731-34 -Telex 5-216136 hage d -Telegramm hageypatenl -Telekopicrer O8'J.'98O731"

Briefanschrift- Postfach 860329 · 8000 München 86

Technion Research & München, den

Development Foundation Ltd. 10. März 1982

Haifa/Israel Dr.G/2/ns

u.Z. : Pat 77/2-82M

BERÜHRUNGSLOSE DICHTANORDNUNG FÜR DIE ENDFLÄCHEN EINER RO-

TATIONSMASCHINE

Die Erfindung bezieht sich auf eine berührungslose Dichtanordnung zum Abdichten der Endflächen bei einer Rotationsmaschine, die einen auf einer drehbaren Maschinenwelle angeordneten Rotor und einen mit einem Maschinengehäuse verbundenen Stator aufweist, wobei Rotor und Stator einander gegenüberliegende glatte und vorzugsweise planare Oberflächen aufweisen, die durch einen Spalt getrennt sind, ■ der über seinen Verlauf wenigstens zwei Spaltweiten ausbildet.

Solche Dichtungen werden eingesetzt, um zwei Räume, die auf unterschiedlichen Drücken gehalten sind, voneinander zu trennen, und um zu verhindern, daß Fluid von der Zone hohen Druckes zu der geringen Druckes hin fließt.

Es sind zwei Arten solcher Dichtungen allgemein bekannt, nämlich solche, die mit Berührung und solche die berührungslos arbeiten. Ganz allgemein läßt sich sagen, daß ein mechanischer Kontakt zwischen den Dichtflächen, wie z. B. in der US-PS 2 250 348 beschrieben, praktisch ein unerwünschtes Ausfließen von Fluid verhindert, dies jedoch unter Inkaufnahme relativ hoher Reibverluste und von

Abrieb/ wodurch eine nur kurze Lebensdauer erreichbar ist. In der US-PS 4 026 564 wird ein Vorschlag zur Verringerung der Reibung durch Einführung eines relativ großen Spaltes zwischen den abzudichtenden Flächen gemacht, dies führt aber wiederum unvermeidlich zu Leckverlusten. Aus der US-PS 3 751 045 ist eine berührungslose Dichtanordnung gezeigt, die man als eine Art Kompromiß ansehen kann, indem dort zwar ein Spalt eingesetzt wird, der jedoch so gering ausgebildet ist, daß er gerade noch ausreichend ist, um einen Reibschluß bzw. Reibkontakt zu vermeiden: hierdurch läßt sich zwar ein Leckverlust nicht ganz vermeiden, bewegt sich aber in einem sehr engen Rahmen.

¹^ Es gibt eine Vielzahl von Einsatzfällen, bei denen das Austreten eines Fluids unter allen Umständen vermieden werden muß, so z.B. bei giftigen, korrosiven, radioaktiven oder sehr teueren Flüssigkeiten, oder auch aus anderen Gründen. So ist eine lange Einsatzdauer ebenfalls ein sehr wünschenswert Faktor per se.

Ausgehend hiervon liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter weitgehender Vermeidung der aufgezeigten Nachteile eine berührungslose Endflächendichtung auch für diese Einsatzfälle zu schaffen, die überdies geringe Anfangs- und Betriebskosten durch Verwendung einfacher Einzelbauteile ermöglicht und die eine lange Einsatzdauer sicherstellt, indem sie das Auftreten von Verschleiß und Abrieb durch Kontakt zwischen den Dicht-

flächen verhindert.

Diese Aufgabe wird bei einer Endflächen-Dichtanordnung· der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß eine der beiden Oberflächen glatt und gleichförmig ausgebildet ist, daß die andere der beiden Oberflächen eine geschlossene Kurvenfläche ausbildet, die eine Innenseite aufweist,

Technion Research & Development Foundation Ltd.

Pat 77/2-82M - 7 -

welche die Maschinenwelle umschließt, und deren Außenseite innerhalb der Kontur der anderen Oberfläche liegt, daß diese geschlossene Kurvenfläche eine Trennung zwischen einer Zone hohen Druckes und einer Zone niedrigen Druckes darstellt und so geformt, ist, daß eine Tangente an einen beliebigen Punkt auf dieser Kurvenfläche einen spitzen, positiven oder negativen Winkel zur Richtung des Geschwindigkeitsvektors ausbildet, der durch diesen Punkt geht oder mit ihm zusammenfällt, und daß an allen Punkten dieser Kurve, bei denen der Geschwindigkeitsvektor von der Zone höheren Drucks nach der Zone geringeren Drucks hin ausgerichtet ist, die Spaltweite zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen geringer ist als bei den Punkten, bei denen der Geschwindigkeitsvektor von der Zone geringeren Drucks zu der Zone höheren Drucks gerichtet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung macht von folgenden grundsätzliche Prinzipien Gebrauch:
20

Befindet sich ein Fluid in einem Spalt der Weite h zwischen einer stationären Oberfläche und einer beweglichen Oberfläche, dann wird das Fluid durch die bewegte Oberfläche in Richtung des Geschwindigkeitsvektors ν mitgerissen. Der Fluidstrom Q₁ pro Längeneinheit läßt sich ausdrücken durch die Gleichung

Q₁ = ν - h/2 . (1) .

" Falls die bewegte Oberfläche sich von einer Zone geringeren Druckes (P_?) zu einer Zone höheren Druckes (P₁) hin bewegt, ergibt sich auch ein durch den Druckunterschied hervorgerufener Fluidstrom Q„ in entgegengesetzter

Richtung, der sich durch die Gleichung 35

,3 P₁ - P„

Q₂ ⁼ · , (2)

12μ L

Technion Research & Development Foundation Ltd.

Pat 77/2-82M · - 8 -

wobei L die Länge des Spaltes in Richtung vom höheren zum niedrigeren Druck hin und μ die Viskosität des Fluids bezeichnend Q₂ ebenfalls auf Längeneinheit bezogen).

Um zu verhindern, daß Fluid nun durch den Spalt von der Zone höheren zu der niedrigeren Druckes ausfließt, muß der Fluidstrom Q₁ gleich oder größer dem Fluidstrom Q₇ sein, d.h. die Bedingungen sind erf indungsg'emäß · so gewählt, daß eine der Flächen der Spaltdichtung stets

JO sich in Richtung von der Zone geringen Druckes zu der hohen Druckes hin bewegt. Die erfindungsgemäße Lösung sieht also einen Rotor und einen Stator vor, die durch einen engen Spalt voneinander getrennt sind, wobei die Ausbildung der Dichtanordnung erfindungsgemäß so gewählt ist, daß die Strömungsbedingungen nicht längs des Umfangs des Spaltes gleich sind, sondern daß sie für jeden Punkt der Dichtflächen unterschiedlich sind, wodurch sich die erfindungsgemäße Aufgabenstellung lösen läßt, was bei Einsatz einer rotierenden axialsymmetrisehen Oberfläche und einer stationären Oberfläche nicht erzielbar ist. Die erfindungsgemäß eingesetzte Kurvenfläche weist dabei die Eigenschaft auf, daß eine Tangente, die man an irgendeinen Punkt innerhalb der Kurvenfläche anlegt, einen spitzwinkligen (positiven oder negativen) Winkel mit der Richtung des Geschwindigkeitsvektors des Rotors, der gerade für diesen Punkt gültig ist, einschließt. Dabei werden alle Punkte innerhalb der Statoroberfläche, bei denen der Geschwindigkeitvektor des Rotors eine Richtung von der Innenseite der geschlossenen Kurvenflache zu deren Außenseite hin aufweist, von der Rotoroberfläche durch einen Spalt einer vorgewählten Spaltweite getrennt, und alle Punkte auf der Statoroberfläche, bei denen der Geschwindigkeitsvektor für die Rotorgeschwindigkeit eine Richtung von der Außenseite der geschlossenen Kurvenfläche zu deren Innenseite hin aufweist, von der Rotoroberfläche durch einen

Technion Research & Development Foundation Ltd. _ Pat 77/2-82M

Spalt mit einer anderen Spaltweite (nämlich einer größeren Spaltweite) getrennt.

Geht man wiederum von dem Fall aus, daß der Druck auf der Außenseite der geschlossenen Kurvenfläche größer als auf deren Innenseite ist, dann wird Fluid bei jedem Punkt auf der Kurvenfläche, bei dem der Geschwindigkeitsvektor nach deren Außenseite hin gerichtet ist, in diese Richtung gegen einen Druckaufbau transportiert.

Umgekehrt wird an all den Punkten, bei denen der Geschwindigkeitsvektor nach der Innenseite der geschlossenen Kurvenfläche hin gerichtet ist, Fluid durch den hydrodynamischen Effekt nach innen transportiert, was noch durch den Druckunterschied begünstigt wird. Da die Kurvenfläche vorzugsweise symmetrisch ist und symmet risch zur Rotorachse angeordnet ist, wird Fluid über eine Hälfte der Kurvenfläche nach innen und über die zweite Hälfte der Kurvenfläche nach außen transportiert. Sieht man nun eine größere Spaltweite längs des Abschnittes, bei dem der Fluidstrom nach außen gerichtet ist, und einen engeren Spalt längs des Abschnittes der Kurvenfläche, bei dem der Fluidstrom nach innen gerichtet ist, vor, dann ergibt sich der Fluidausstrom durch den größeren Spalt - setzt man den Druck auf beiden Seiten der Kurvenfläche gleich an als größer als der Fluidstrom nach innen durch den engen Spalt, wie dies sich aus Gleichung (1) ableiten läßt: dies kommt daher, daß der Fluidstrom proportional der Spaltweite ist. Allerdings wird der

³^ Druckabfall auch eine nach innen gerichtete Fluidstrorikomponente in Übereinstimmung mit Gleichung (2) erzeugen, weshalb zum Erzielen einer vollständigen Dichtwirkung die Ausstrommenge des Fluides gleich oder größer der insgesamt auftretenden Einströmmenge gewählt werden muß. Durch geeignete Wahl der Form der Kurvenfläche, deren Breite sowie der Spaltweite ist es möglich, das einströmende und das ausströmende Fluid für bestimmte Druckvorgaben gegeneinander auszugleichen.

Technion Research & Development Foundation Ltd. _ Pat 77/2-82M ^Ίϋ

-ΙΟΙ Es bestünde sogar die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Prinzip auch dahingehend anzuwenden, daß man insgesamt ein Eintreten oder ein Austreten von Fluid durch den Spalt zuläßt, entweder durch die Innen- oder durch die Außenseite der Kurvenfläche des Stators, um hierdurch einen Pumpeffekt ähnlich der Wirkung einer Zentrifugaloder Zentripedalpumpe zu erreichen. In diesen Fällen müssen Öffnungen auf der Innenseite und Außenseite der Kurvenfläche vorgesehen werden, die als Einlasse und ^als Auslässe für das zu pumpende Fluid dienen können. Solche Pumpen können dann von großem Wert sein, wenn eine Verschmutzung des Fluides unter allen Umständen verhindert werden muß. Da in diesem Fall kein mechanischer Kontakt zwischen dem rotierenden Teil einer sol- chen "Pumpe" gegeben ist, können auch keine Festkörperpartikel abgerieben werden und auf diesem Weg in das Fluid gelangen. Eine vorteilhafte Möglichkeit für den Einsatz einer solchen Pumpe könnte in deren Verwendung als Blutpumpe bei Herz- oder Nierenoperationen sein, bei denen jegliche Art einer Verunreinigung des Fluids tötliche Folgen haben kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dichtanordnung kann man sowohl die Oberfläche des Rotors glatt und eben und die des Stators in Form der geschlossenen Kurvenfläche oder auch umgekehrt ausbilden.

Wird die Oberfläche des Rotors glatt und eben und die des Stators in Form der geschlossenen Kurve ausgebildet, dann ist es besonders empfehlenswert, daß die Oberfläche des Stators in Form eines Kreisringes gleicher Breite ausgebildet ist, dessen Mittelpunkt um einen Abstand vom Mittelpunkt der Oberfläche des Rotors versetzt ist, wobei die Statoroberfläche durch einen klei_nen Spalt einer Weite h für all die Punkte auf ihr, die auf einer Seite einer durch die Mittelpunkte der

Technion Research & Development Foundation Ltd. Pat 77/2-82M

Oberflächen des Rotors und des Kreisringes gelegten Geraden liegen, und durch einen größeren Spalt einer Weite H für alle anderen Punkte, die auf der anderen Seite dieser Geraden liegen, von der Oberfläche des Rotors getrennt ist.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn bei einer erfindungsgemäßen Dichtanordnung Mittel zum Verändern der Spaltweite zwischen den Oberflächen von Rotor und Stator vorgesehen sind. Hierfür lassen sich alle geeigneten Mittel einsetzen, besonders vorzugsweise wird dabei jedoch die Oberfläche des Stators einstückig mit einem ringförmigen Körper verbunden, der axial relativ zur Oberfläche des Rotors hin beweglich ist und mittels einer Elastizität, vorzugsweise einer Schraubenfeder, gegen die Oberfläche des Rotors hin vorgespannt wird.

Unter bestimmten Einsatzbedingungen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn der Rotor auf der Maschinenwelle axial beweglich angeordnet und mittels einer Elastizität/ wiederum vorzugsweise mittels einer Schraubenfeder, gegen die Oberfläche des Stators hin vorgespannt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Dichtanordnung besteht darin, daß die Oberfläche des Stators in Form von zwei oder mehr gleichen Kreisringabschnitten als Kurvenfläche ausgebildet ist, wobei die Kreisringabschnitte zusammen eine geschlossene Kurvenfläche ausbilden und an ihren Enden ineinanderlaufen, und daß die Kurvenfläche von der Oberfläche des Rotors, jeweils abwechselnd durch größere und kleinere Spaltweiten entfernt ist, derart, daß sich jeweils eine solche Spaltweite über je eine Hälfte eines Kreisringabschnittes erstreckt, woran sich dann anschließend über die andere Hälfte desselben Kreisringabschnittes die andere Spaltweite anschließt.

Technion Research & Development Foundation Ltd. Pat 77/2-82M . "

Die Erfindung setzt das Prinzip ein, daß zwischen einer nicht-rotationssymmetrischen, geschlossenen Kurvenfläche einerseits und einer in einem Abstand von ihr angeordneten anderen ebenen Fläche andererseits dann, wenn eine der beiden Flächen bewegt wird und die andere feststeht, in einem Fluid innerhalb des Spaltes an jeder Stelle unterschiedliche Strömungsverhältnisse derart ausbilden, daß dabei insgesamt sowohl ein Fluidstrom von der Innennach der Außenseite der insich geschlossenen Kurvenfläehe als auch umgekehrt auftritt. Herrschen nun unterschiedliche Drücke im Bereich innerhalb und außerhalb der geschlossenen Kurvenfläche, dann kann das erfindungsgemäß erkannte Prinzip durch geeignete Wahl der Spaltweiten so eingesetzt werden, daß entweder ein vollstän- diger Ausgleich zwischen dem nach außen aus der geschlossenen Kurvenfläche austretenden und dem in sie von außen her eintretenden Fluidstrom erzielt wird oder daß gar ein gewünschter Gesamtaustritt bzw. Gesamteintritt von Fluid bezüglich des innerhalb der geschlossenen Kurvenfläche liegenden Raumes erreicht werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber im Prinzip noch näher erläutert. Es

zeigen:
25

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Dichtanordnung mit einer exzentrisch gelagerten kreisförmigen Statoroberfläche;,

Fig. 2 einen Schnitt längs B-B aus Fig. 1 zur "

Darstellung der Geometrie für die Fließverhältnisse zwischen Rotor und Stator;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer anderen Aus-

fü hrungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung mit einer Statoroberfläche, die symmetrisch zur Rotoroberfläche angeordnet ist;

Technion Research & Development Foundation Ltd. .. Pat 77/2-82M

Fig. 4 einen Schnitt längs C - C in Fig. 3, und

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausgestaltung für eine Statoroberfläche bei einer erfindungsgemäßen Dichtanordnung. 5

In den Fig. 1 und 2 ist ein Rotor 1 dargestellt, der an einer Maschinenwelle 3 befestigt ist und, wie durch einen Pfeil dargestellt, sich in Uhrzeigerrichtung dreht. Der Rotor 1 ist vom Stator 2 durch einen Spalt getrennt, der längs seines halben Umfanges eine Spaltweite h und längs der anderen Hälfte seines Umfanges eine Spaltweite H aufweist. Der Stator 2 ist in Form einer Kreisringfläche mit einem mittleren Radius R und einer Breite L ausgeführt, wie dies in Fig.· 2 dargestellt ist, worauf verwiesen wird.

Der Mittelpunkt des Stators 2 ist zum Mittelpunkt des Rotors 1 um eine Exzentrizität e versetzt exzentrisch angeordnet, wobei die Mittelpunkte des Rotors 1 und des Stators 2 auf einer Durchmesserlinie A-A angebracht sind. Betrachtet man die obere Hälfte von Fig. 2, d.h. den oberhalb der Schnittlinie A-A liegenden Abschnitt der Figur,und insbesondere Punkt D auf dem Stator 2, dann wird ersichtlich, daß jeder Punkt des Rotors 1 auf einem Radius R sich mit einer Geschwindigkeit v, die von der Innenseite zur Außenseite der Statoroberfläche gerichtet ist, bewegt. Dies führt dazu, daß das Fluid im Spalt über die Breite des Stators 2 hinweg mit einer Geschwindigkeit ν bewegt wird, wobei ν die Komponente der Geschwindigkeit ν in Richtung des Radius R des Stators 2 darstellen soll.

Aus der Figurendarstellung kann weiterhin gesehen werden, daß bei jedem Punkt in der oberen Zeichnungshälfte der Fig. 2, d.h. oberhalb der Schnittlinie A-A, ein nach außen gerichteter Geschwindigkeitsvektor (wie be-

Technion Research & Development Foundation Ltd. _ .. Pat 77/2-82M

schrieben) vorliegt, der bis auf den Wert 0 hin abnimmt, wenn der betreffende Punkt die Linie A-A schneidet. Gleichermaßen ist erkennbar für den Abschnitt aus Fig. 2,der unterhalb der Linie A-A liegt und dort den Punkt D¹ aufweist (unterhalb der'Schnittlinie A-A), daß dort an jedem Punkt der Vektor v' der Rotorgeschwindigkeit nach innen, d.h. von der Außenseite zur Innenseite der Statoroberfläche hin gerichtet ist. Wenn man nun die Spaltweite H im Abschnitt oberhalb der Linie A - A in Fig. 2 größer ausbildet als die Spaltweite h unterhalb dieser Linie, dann wird bei zwei Punkten, die symmetrisch bezüglich der Linie A - A in den beiden Hälften des Rotors liegen, ein größeres Fluidvolumen nach außen (in der oberen Hälfte) als nach innen (in der unteren Hälfte) bewegt. Der netto nach auswärts fließende Fluidstrom läßt sich analytisch durch entsprechende Anwendung von Gleichung (1) - siehe oben - wie folgt erfassen:

dQ_t = dQ₁ - dQ.J (3).

Die Gleichung (3) führt nach Integrierung über den Statorumfang zu:

Qt = w . e . R (H-h). (4)

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich nur auf eine Ausführungsform für die Erfindung, nämlich auf eine solche, die sich auf einen Rotor 1 mit glatter Oberfläche bezieht,und auf eine.Statoroberfläche, die in Form einer

geschlossenen Kurve ausgebildet ist. Zum selben Ergebnis kann man aber auch gelangen, wenn man die Aufgaben des rotierenden und des stationären Teils miteinander vertauscht, da der vorstehend beschriebene Effekt auf die Relativgeschwindigkeit zwischen Stator und Rotor zurück-

zufuhren ist.

Technion Research & Development Foundation Ltd. _ *c _ Pat 77/2-82M

In einer alternativen Ausführungsform kann man daher den Stator auch mit einer glatten,ebenen Oberfläche ausbilden, während der Rotor mit einer erhabenen und geschlossenen Kurve an seiner Oberfläche versehen ist,

p- wobei diese Kurve von der Statoroberfläche durch einen Spalt getrennt ist, dessen Weite unterschiedlich ist in Übereinstimmung mit dem relativen Geschwindigkeitsvektor an jedem Punkt der Kurve, wie weiter oben für das andere Ausführungsbeispiel im Prinzip ausgeführt.

Der Fluidfluß durch den Spalt ergibt sich als Differenz zwischen den Fluidströmen, die nach auswärts und nach einwärts gerichtet sind, entsprechend dem Druckgradienten P₁ - P„ (vgl. Gleichung (2) weiter oben). Demgemäß läßt 5 sich der resultierende Gesamtfluß Q durch den Spalt berechnen zu

Q = R. (H-h)-w-e-TC -R- (H³+h³) · (P₁-P₂)ZIZ^-L (5).

Bei vorgegebenen Einsatzbedingungen, etwa bei einer Druckdifferenz P₁-P₂, einer Rotationsgeschwindigkeit w und einer Viskosität μ des Fluides, kann eine Dichtungsgeometrie, welche die Werte für H, h, L und e erfaßt, so ausgewählt werden, daß Q entweder den Wert Null oder einen positiven Wert einnimmt, wodurch ein Fluidstrom von der Hochdruckzone zur Niederdruckzone verhindert wird.

Fig. 1 zeigt auch einige konstruktive Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Endflächen-Dichtanordnung. Der Stator 2 weist eine kreisringförmige Formgebung mit einer zylindrischen Bohrung auf und ist in axialer Richtung längs einer zylindrischen Nabe 5 verschieblich, die als innenliegender Vorsprung eines Gehäuses 4 ausgeformt ist. Die zylindrische Oberfläche der Nabe 5 ist exzentrisch zur Achse der Welle 3 um einen Abstand e (Exzentrizität) versetzt, wodurch sich die exzentrische Lage des Stators

Technion Research & Development Foundation Ltd. _ _{1 fi} Pat 77/2-82M

ergibt. Dabei werden die beiden Teile gegenseitig gegen das Eindringen von Fluid durch eine ringförmige Dichtung (Ringdichtung) oder einen O-Ring 6 abgedichtet. Weiterhin ist eine Schraubenfeder 7 vorgesehen, welche den Stator 2 in Richtung auf die Oberfläche des Rotors 1 hin drückt. Anstelle der Schraubenfeder 7 kann jedoch auch jede andere geeignete Einrichtung zum Andrücken des Stators 2 in Richtung auf die Rotoroberfläche vorgesehen werden, wie etwa eine Druckdose, ein Faltenbalg, ein Federungsblech oder eine Serie geeignet verteilter kleiner Druckfedern. Es soll auch noch darauf hingewiesen werden, daß bei der Darstellung der Spaltweiten H und h in der Zeichnung und des Unterschiedes zwischen beiden Größen aus Gründen einer besseren und klareren Darstellung viel größere Weiten und Unterschiede dargestellt sind, als diese in Praxis, wo es sich nur um Bruchteile von Millimetern handelt, auftreten.

Die Flächeridichtung, die in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, ist im wesentlichen identisch mit der aus den Fig. 1 und 2,mit Ausnahme der Tatsache, daß hier die Statorfläche 2a symmetrisch relativ zur Wellenachse angeordnet ist, was zu einer ausgeglichenen Druckverteilung auf dem Rotor 1 führt. Die Statorfläche ("Statorkurve") 2a ist aus zwei zusammenlaufenden Kreisbögen zusammengesetzt, die ihrerseits von der Oberfläche des Rotors 1 über zwei weite Spalte H. und zwei enge Spalte h.. getrennt sind (vgl. Fig. 3). Die in Fig. 4 dargestellte Fließrichtung des Fluids entspricht einer Drehung des Rotors 1 in Uhrzeigerrichtung (wie durch den Pfeil dargestellt) · Eine noch andere Ausbildung der Statorfläche ist in Fig. 5 dargestellt: die Statorfläche hat hier einen symmetrisch zur Rotorachse angeordneten Kurvenverlauf und ist aus vier Kreisbögen zusammengesetzt. 35

Technion Research & Development Foundation Ltd. .-Pat 77/2-82M

Wie bei den vorhergehenden Figuren bereits dargestellt, ist jeder der vier Kreisbögen jeweils mit einem Oberflächenabschnitt, der von der Rotoroberflache durch einen engen Spalt getrennt ist, und mit einem Oberflächenabschnitt, der Von der Rotoroberfläche durch einen weiteren Spalt getrennt ist, verseilen. Es ist durchaus möglich, auch noch andere Ausgestaltungen für die Form der Statorfläche zu finden, wobei sich insbesondere verschiedene Kombinationen aus gleichen Kreisbögen einsetzten lassen, deren jeder, wie vorstehend erwähnt, einen Spaltabschnitt mit kleiner Weite h und einen Spaltabschnitt mit größerer Weite H zur Rotoroberfläche ausbildet. Die für einen bestimmten Einsatzfall zu treffende Wahl wird im wesentlichen abhängig sein von den gegebenen Herstellmöglichkeiten so_wi_e von anderen Überlegungen.

Wenn bei geringen Geschwindigkeiten und bei Stillstand ein unerwünschtes Austreten von Fluid verhindert werden muß, kann die erfindungsgemäße Dichtung mit einem Schutzelement versehen werden, etwa mit einem Ring S (vgl.

Fig. 5), der entweder innerhalb der geschlossenen Statorkurve oder der diese umgebend angeordnet ist und der von der gegenüberliegenden Oberfläche durch einen Spalt

der Weite h oder geringer entfernt ist. 25

Bei einem praktisch ausgeführten Versuch, der mit einer " kreisringförmigen Enddichtung durchgeführt wurde, und bei dem ein Druckunterschied von 11 kp/cm² erzielt wurde, hatte die Dichtung die nachfolgend angegebenen Dimensio-

nen und arbeitete unter den folgenden Einsatzbedingungen:

Exzentrizität e = 21 mm Breite L =4 mm

große Spaltweite H = 0,018 mm enge Spaltweite h =0,010 mm Viskosität des Fluids = 0,030 Pa-see.

Winkelgeschwindigkeit w = 100 rad/sec.

Technion Research & Development Foundation _ _1ft _ Pat 77/2-82M ^lö

Um einen Austritt des Fluids durch die Dichtung trotz des Druckgefälles zu verhindern, ist es erforderlich, die Spaltweite in Abhängigkeit von der Änderung der Druckverhältnisse einzustellen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man in geeigneter Form Dimensionen und Eigenschaften der Schraubenfeder 7 (Fig. 1) berechnet bzw. auswählt. Eine andere Möglichkeit besteht auch darin, den Stator mit einem mechanischen oder hydraulischen Mechanismus zu verbinden-, der dafür einig gerichtet ist, den Stator axial in Richtung auf die Rotorfläche hin oder von dieser weg zu bewegen, wobei dies abhängig von einem Signal ausgelöst werden kann, das von einem Sensor erhalten wird, wobei dieser Sensor auf Druckänderungen oder Änderungen der Fluidgeschwindigkeit anspricht.

Wenn im vorhergehenden nur Ausgestaltungen der Statoroberfläche beschrieben wurden, so ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt: es besteht sehr wohl die Möglichkeit, eine Vielzahl anderer Arten von Statorausbildungen ("Stafeorkurven") für denselben Zweck einzusetzen, wobei nach der Erfindung die Bedingung erfüllt sein muß, daß nämlich wechselseitige Spannungen bzw. Kräfte auftreten müssen, bei denen die Geschwindigkeitsvektoren hinsichtlich der geschlossenen Statorfläche einmal nach innen und einmal nach außen gerichtet sein müssen. Die geschlossene Statorfläche muß dabei nicht notwendigerweise eine symmetrische Formgebung aufweisen, weder bezüglich ihrer eigenen Halbierungslinie, noch bezüglich der Rotorachse. Aber es versteht sich von selbst, daß eine symmetrische Formgebung für die Statorfläche, wie z. B. in Fig. 4 dargestellt, zu einer symmetrischen Belastung des Rotors führt, was für den' Ausgleich der

rotierenden Teile von Vorteil ist. 35

Anstelle gleichmäßiger Spaltweiten h und H längs eines vollständigen Bogens der geschlossenen Statorkurve ist

Technion Research & Development Foundation Ltd. _Q_ Pat 77/2-82M "^iy"

-19-

es auch möglich, die Spaltweite entsprechend den Änderungen der Vektor: nehmen zu lassen.

rungen der Vektorkomponente ν (Fig. 2) zu- und ab-

Leerseite

Claims

(,LYhR, HAClF Μ-ΛΝΝ- & -RARTNf R ι'λι (\ ΐ/*Ν\Λ-ΜΤ-[ ο ^ π P C C PKOf(SSlONAl. RtPKlSlNIAH11SΗΜΟκΓ ?H~r EVROPLAN IVTiXT Ol [ICC O Z J O O O / MraRe 1OB · HOOO München 80 -Telefon O 089 ΊΒΟ731-.14 -Telex V210136 hage d -Telegramm hagi>y|wtenl -Telekr.im-ift 0H«i.9807.11 Briofonschritt: Postfach 860329 · 8000 München 86 Technion Research & München, den Development Foundation Ltd., 10' März 1982 Haifa/Israel Dr.G/2/ns u.Z.: Pat 77/2-82M Ansprüche

1.1 Berührungslose Endflächen-Dichtanordnung für eine Rotationsmaschine, die einen auf einer drehbaren Maschinenwelle angeordneten Rotor und einen mit einem Maschinengehäuse verbundenen Stator aufweist, wobei Rotor und Stator einander gegenüberliegende glatte und vorzugsweise ebene Oberflächen aufweisen, die durch einen Spalt voneinander getrennt sind, der über seinen Verlauf wenigstens zwei unterschiedliche Spaltweiten aufweist, dadurch g e kennz ei chnet, daß eine der beiden Oberflächen glatt und eben ausgebildet ist, während die andere die Form einer in sich geschlossenen Kurvenfläche (2; 2a) ausbildet, innerhalb deren Innenseite die drehbare Maschinenwelle (3) angeordnet ist und deren Außenseite innerhalb der Kontur der anderen Oberfläche (1) liegt, daß die geschlossene Kurvenfläche (2; 2a) eine Untertei— lung zwischen einer Zone höheren und einer Zone niedrigeren Druckes ausbildet und eine solche Formgebung aufweist, daß die Tagente an einen beliebigen Punkt (D; D₁) aus der Kurvenfläche (2; 2a) mit dem Vektor (v; v¹) der im jeweiligen Punkt gegebenen Geschwindigkeit einen (positiven oder negativen) spitzen Winkel einschließt, und daß die Spaltweite (h, H; h., H₁) zwischen beiden Oberflächen bei den Punkten ^innerhalb der Kurvenfläche (2; 2a), deren Geschwindigkeitsvektoren (v¹) eine von der Zone höheren Druckes zu der niedrigeren Druckes hin verlaufende Richtung aufweisen, kleiner als bei den

Punkten ist, deren Geschwindigkeitsvektoren (v) eine von der Zone niedrigeren Druckes zu der höheren Druckes hin verlaufende Richtung aufweisen.

c

2. Dichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Rotors (1) glatt und eben und die des Stators (2) in Form der geschlossenen Kurve ausgebildet ist.

-^q

3. Dichtanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Stators (2) glatt und eben und die des Rotors (1) in Form der geschlossenen Kurve ausgebildet ist.

4. Dichtanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Stators (2) in Form eines Kreisringes gleicher Breite (L) ausgebildet ist, dessen Mittelpunkt um einen Abstand (e) vom Mittelpunkt der Oberfläche des Rotors (1) versetzt ist, wobei die Oberfläche des Stators (2) durch einen kleinen Spalt einer Weite (h) für den Abschnitt von ihr, der auf einer Seite einer durch die Mittelpunkte der Oberflächen des Rotors (1) und des Kreisringes (2) verlaufenden Geraden (A-A) liegt, und durch einen größeren Spalt einer Weite

(H) für den anderen, auf der anderen Seite der Gerade (A-A) liegenden Abschnitt von der Oberfläche des Rotors (1) getrennt ist.

5. Dichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7) zum Verändern der Spaltweite zwischen den Oberflächen von Rotor (1) und Stator (2) vorgesehen sind.

6. Dichtanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Stators (2) einstückig mit einem ringförmigen Körper verbunden ist, der axial relativ zur Oberfläche des Rotors (1) hin be-

Technion Research & Development Foundation Ltd. _ Pat 77/2-82M ^J

weglich ist und mittels einer Elastizität (7). gegen die Oberfläche des Rotors (1) hin vorgespannt wird.

7. Dichtanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Elastizität eine Schraubenfeder (7) vorgesehen ist.

8. Dichtanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) auf der Maschinenwelle (3) axial beweglich angeordnet und mittels einer Elastizität gegen die Oberfläche des Stators (2) hin vorgespannt ist.

9. Dicht anordnung, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Stators (2) in Form von zwei oder mehr gleichen Kreisringabschnitten ausgebildet ist, die zusammen eine geschlossenen Kurvenfläche ausbilden und an ihren Enden miteinander verbunden sind, und daß die Kurvenfläche von der Oberfläche des Rotors (1) durch abwechselnd größere und kleinere Spaltweiten entfernt ist, wobei sich jeweils eine solche Spaltweite über je eine Hälfte eines Kreisringabschnittes erstreckt.

Technion Research & Development Foundation Ltd.

Pat 77/2-82M ■ - 4 -