CH616213A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung an der Rotorwelle einer Maschine, in der ein in der Maschine enthaltenes Arbeitsmedium durch eine Hochdruck-Flüssigkeitssperre zwischen der Welle und dem Maschinenrahmen daran gehindert wird, entlang der Welle auszutreten, mit wenigstens einem Druckreduzierring, der die Welle im Bereich der Flüssigkeitssperre umgibt, um den Sperrflüssigkeitsstrom aus einem Hochdruckbereich zu einem Niederdruckbereich zwischen der Welle und dem Druckreduzierring hindurch zu drosseln, welcher Druckreduzierring lose in einer Ausnehmung liegt, die von maschinenrahmenfesten Teilen gebildet ist, so dass die Sperrflüssigkeit aus dem Hochdruckbereich den Druckreduzierring in der Ausnehmung umgibt.

In zahlreichen Arten von Hochgeschwindigkeits- und Hochdruckmaschinen, beispielsweise in Turbinen und Kompressoren, werden die rotierenden Komponenten der Maschine auf einer Welle montiert und die Welle drehbar in einem Druckgehäuse gelagert. In der Regel werden an den Durchtrittsstellen der Welle durch das Gehäuse Wellendichtungen angebracht. Bei Drehung der Welle unter Last wird dieselbe in Schwingungen versetzt oder einer Biegewechselbeanspruchung unterworfen. Es wurde gefunden, dass die gebogene Welle Teile der Wellendichtung verschieben kann, wodurch diese Teile an stationären Elementen des Maschinenrahmens zur Anlage kommen können. Wenn Teile der Wellendichtung am Maschinenrahmen anliegen, dann wirken diese als Lager für die Welle und übernehmen einen Teil der Wellenlast anstelle des Lagersystems. Dies hat nachteilige Wirkungen auf den Betrieb der Maschine und hindert auch die Wellenlager daran, wirksam auf Wellenschwingungen bei kritischen Betriebsgeschwindigkeiten einzuwirken.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die eingangs angegebene Wellendichtung so auszubilden, dass sich der Druckreduzierring in der genannten Ausnehmung frei radial bewegen kann, ohne an den maschinenfesten Teilen anzuhaften oder sich an diesen zu verklemmen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemässe Wellendichtung die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale auf.

Durch den Stützring, der den Durchtritt von Hochdruck-Sperrflüssigkeit durch die Ausnehmung um den Druckreduzierring herum verhindert, wird erreicht, dass in der Ausnehmung aussen um den Druckreduzierring herum überall der gleiche Druck der Sperrflüssigkeit herrscht. Da der mittlere Durchmesser des Stützringes etwa gleich dem Aussendurchmesser des unmittelbar vor der Eindrehung liegenden, vom Druckreduzierring umgebenen Abschnittes der Welle ist, heben sich die axialen Kräfte, die von der Sperrflüssigkeit auf den Druckreduzierring ausgeübt werden, annähernd auf, so dass die Differenzkraft, die den Druckreduzierring gegen eine Wand der Ausnehmung drückt, nur klein ist und nicht zu einem Festsetzen des Druckreduzierringes führt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, einer in einer Endwand einer Maschine montierten Wellendichtung,

Fig. 2 in grösserem Masstab einen Schnitt durch die Wellendichtung von Fig. 1,

Fig. 3 einen teilweisen Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 und

Fig. 4 eine Teilansicht eines Druckreduzierrings ähnlich den in Fig. 2 gezeigten, jedoch mit teilweise anderen Mitteln zum Ausgleichen der axialen Kräfte.

Fig. 1 zeigt einen Lagerdeckel 11 einer Maschine 10, beispielsweise einer Turbine oder eines Kompressors, in welchem eine Rotorwelle 17 gelagert ist. Der Lagerdeckel 11 ist in einer im äusseren Gehäuse 12 der Maschine gebildeten Öffnung angeordnet und ist mittels eines Klemmrings 15 gegen ein inneres Gehäuse 13 der Maschine gehalten und damit gegen axiale Bewegung gesichert. Im Lagerdeckel 11, durch welchen die Welle 17 führt, ist eine Öffnung 16 vorgesehen. In der Öffnung sind eine Wellendichtung 20 und ein gedämpft nachgiebiges Lager 22, welches die Welle umfasst, befestigt. Obwohl die Wellendichtung 20 mit dem gedämpft nachgiebigen Lager 22 zusammenwirkend gezeigt ist, geht aus der nachstehenden Beschreibung der Einrichtung klar hervor, dass die Dichtung in Verbindung mit beliebigen gekannten Lagern verwendet werden kann. Die Dichtung 20 ist so ausgebildet, dass sie um die Welle 17 eine Flüssigkeitssperre bildet, welche s

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das im unter Druck stehenden Maschinengehäuse enthaltene Arbeitsmedium daran hindert, durch die Wellenöffnung 16 auszutreten. Der allgemeine Aufbau der Dichtung 20 ist ähnlich dem Aufbau der im USA-Patent Nr. 3 695 627 beschriebenen Dichtungseinrichtung.

Gemäss dem USA-Patent Nr. 3 456 992 ist das gedämpft nachgiebige Lager 22 an einem stationären Maschinenteil, beispielsweise am Lagerdeckel 11, mittels einer Reihe von elastischen Federn aufgehängt, welche dem Lager 22 die Fähigkeit verleihen, in entsprechender Weise mechanisch auf Wellenschwingungen anzusprechen. Im weiteren ist ein flüssiger Druckfilm im Lager 22 enthalten, welcher zwischen dem stationären Lagerdeckel 11 und den beweglichen Lagerkomponenten wirkt, um die Lagerung bei kritischen Betriebsgeschwindigkeiten weiter zu dämpfen. Das Lager 22 ist speziell dazu eingerichtet, die schädlichen Einflüsse der Wellenschwingungen bei Resonanzfrequenzen einzudämmen. Jegliche Aus-seneinflüsse, welche den Betrieb des Lagers 22 beeinträchtigen können, haben einen nachteiligen Einfluss auf den Betrieb der Maschine. Es wurde gefunden, dass ein solcher Einfluss von den Wellendichtungseinrichtungen ausgehen kann, wie sie für diese Art von Maschinen erforderlich sind.

Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Dichtung 20 und das gedämpft nachgiebige Lager 22 in einem gemeinsamen feststehenden Element, nämlich dem Lagerdeckel 11, gehalten und liegen nah beieinander. In bekannten Dichtungen können sich bei Biegung oder Vibration der Welle 17 unter einer Last die Dichtungskomponenten festsetzen oder verklemmen, wodurch sich die Dichtung über den Lagerdeckel 11 mit dem Lager 22 verkuppeln kann. Die Dichtungen wirken in solchen Fällen als Lager in bezug auf die Welle 17, wodurch die Hauptlager 22 in ihren vorgesehenen Funktionen behindert werden. Wie nachstehend näher beschrieben, weist dagegen die vorliegende Wellendichtung 20 eine genügende Flexibilität auf, um sich frei entsprechend der Welle 17 zu bewegen, ohne dass die Gefahr auftritt, dass die Dichtungskomponenten sich verklemmen, während gleichzeitig die Dichtungswirkung erhalten bleibt.

Gemäss Fig. 2 und 3 enthält die Wellendichtung 20 einen Einsatz 30, zwei zylindrische Druckreduzierringe 31 und 32 und zwei ringförmige Statoren 34 und 35, in welchen die Ringe 31 und 32 lose untergebracht sind. Der maschinensei-tige Einsatz 30 besteht aus einem Verteilring 37, welcher beispielsweise mittels Bolzen an einem Abzugsring 38 befestigt ist, wobei die beiden Ringe 37 und 38 zusammenwirken, um einen Ringkanal 40 zu bilden. Innerhalb des Ringkanals 40 ist ein allgemein ringförmiges Dichtungselement 41 angebracht. Der sich radial erstreckende Teil des Dichtungselementes 41 ist in dem Ringkanal 40 mittels eines Federringes 42 gehalten, welcher zwischen dem Verteilring 37 und dem Dichtungselement 41 wirkt, um das Dichtungselement 41 an den Abzugsring 38 anzudrücken. Ein O-Ring 43 liegt zwischen dem Dichtungselement 41 und dem Abzugsring 38, um dazwischen einen flüssigkeitsdichten Verschluss zu bilden. In ähnlicher Weise liegt ein zweiter O-Ring 44 zwischen dem Abzugsring 38 und dem Lagerdeckel 11, um den Durchtritt von Flüssigkeit zwischen dem Abzugsring 38 und dem Lagerdeckel zu verhindern.

Beim Zusammenbau wird der Einsatz über die Welle 17 geschoben und liegt dann an einer Anschlagfläche 46 des Lagerdeckels 11 an. Der Einsatz 30 wird mittels eines nicht gezeigten Stiftes gegen Verdrehung gesichert, welcher sich vom Lagerdeckel in den Einsatz erstreckt. Mit dem radialen Teil des Dichtungselementes 41 ist ein axial ausgerichteter Zylinder 39 verbunden, welcher die Welle 17 eng umfasst. Der radial ausgerichtete Teil des Dichtungselementes 41, welcher im Einsatz 30 mittels des Federringes 42 befestigt ist, weist eine genügende radiale Beweglichkeit auf, um jede radiale

Bewegung der Welle 17 mitzumachen, welche sich in diesem Bereich abspielen könnte. Nachdem der Einsatz 30 am gewünschten Ort angeordnet ist, wird der hochdruckseitige Druckreduzierring 31 in eine passende Ausnehmung 47 im Ring 37 eingeführt, und der erste Stator 34 wird über den Druckreduzierring 31 gestülpt. Der Stator 34 enthält auch eine Ausnehmung 48, die zusammen mit der Ausnehmung 47 eine Kammer bildet, welche die Rückseite des Druckreduzierrings

31 umfasst. Der zweite, niederdruckseitige Druckreduzierring

32 wird sodann über die Welle 17 geschoben und der äussere Stator 35 über dem Ring 32 montiert. Auch hier weist der äussere Stator 35 eine grosse Ausnehmung 49 auf, in welcher der Ring 32 lose untergebracht ist. Die ganze Vorrichtung wird dann mittels eines Klemmrings 50 an Ort und Stelle befestigt, wobei die Statoren 34, 35 über O-Ringe 52, 53 gegen den Lagerdeckel 11 abgedichtet werden. Obwohl nicht gezeigt, versteht es sich, dass der Einsatz 30 und die Statorringe 34, 35 in montiertem Zustand mittels üblicher Stifte gegen Verdrehung gesichert werden.

Im Betrieb wird eine unter hohem Druck befindliche Sperrflüssigkeit, vorzugsweise Öl, durch eine ringförmige Kammer 55 im Lagerdeckel 11 in die Dichtung eingeführt. Der Druck der Sperrflüssigkeit wird etwas höher gehalten als der Druck des in der Maschine enthaltenen Arbeitsmediums. Die Sperrflüssigkeit tritt in den Ringkanal 40 im Einsatz 30 ein und gelangt am Federring 42 vorbei über eine Austrittsöffnung 56 in Berührung mit der Welle 17. Eine Reihe von Öffnungen 75 sind im axial ausgerichteten Teil 39 des Dichtungselementes 41 angeordnet, durch welche Öffnungen Sperrflüssigkeit in eine ringförmige Nut 57 gelangt, welche innerhalb des Zylinders 39 gebildet ist, um eine aktive Flüssigkeitssperre innerhalb des Dichtungselementes 41 zu bilden. Es wurde gefunden, dass die Anordnung der Öffnungen 75 die Pumpwirkung der Welle 17 in diesem Gebiet vermindert und eine gute Abdichtung an der kritischen Grenzfläche zwischen den Medien ergibt. Im Dichtungselement 41 sind an den Eingängen der Öffnungen 75 bogenförmige Ausnehmungen 53 gebildet, um die Entstehung eines Flüssigkeitswirbels an den Eingängen zu verhindern, welcher die ungehinderte Strömung der Flüssigkeit behindern könnte.

Da die Sperrflüssigkeit einen etwas höheren Druck aufweist als das in der Maschine enthaltene Medium, bewegt sich etwas Sperrflüssigkeit innerhalb des Zylinders 39 gegen das Innere des Maschinengehäuses. Diese Flüssigkeit wird durch im Abzugsring 38 ausgebildete radiale Kanäle 58 nach aussen abgeleitet und wird schliesslich in einem Fremdstoffabzug 59 gesammelt, von wo sie aus der Maschine ausgestossen werden kann.

Ein grosser Teil der mit der Welle 17 in Berührung gebrachten Sperrflüssigkeit bewegt sich jedoch entlang der Welle 17 unter den Druckreduzierringen 31, 32 hindurch. Im Zwischenraum zwischen den Ringen 31, 32 und der Welle 17 wird der Sperrflüssigkeitsstrom gedrosselt und der Druck der Sperrflüssigkeit reduziert. In der dargestellten Ausführungsform, in welcher zwei Druckreduzierringe 31, 32 in der Einrichtung vorgesehen sind, ist der Druckabfall an jedem Druckreduzierring etwa gleich der Hälfte des Totaldruckes der Sperrflüssigkeit.

Wie oben beschrieben, sind die Druckreduzierringe 31, 32 je in einer grossen Ausnehmung 48 bzw. 49 angeordnet, welche in den Statorringen 34, 35 vorgesehen sind. Diese ringförmigen Ausnehmungen werden in Fliessverbindung mit der sich entlang der Welle 17 bewegenden Hochdruck-Sperrflüssigkeit gehalten, wodurch die Hochdruck-Sperrflüssigkeit die Ringe 31, 32 umströmen kann und die Rückseite derselben beaufschlagt. Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Welle 17 bei jedem Ring 31, 32 an der Niederdruckseite abgestuft, um eine Eindrehung 60 zu bilden. Ein einwärts gerichteter Flansch s

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61 des Druckreduzierrings erstreckt sich radial in die Eindrehung hinein, und zwar bis auf einen Durchmesser, der kleiner ist als der Aussendurchmesser des unter dem Druckreduzierring liegenden Abschnittes der Welle. Auf der niederdrucksei-tigen Stirnfläche des Flansches 61 ist ein Stützring 63 angeordnet, der eine ebene Stirnfläche 65 aufweist, welche an der benachbarten Wand der Ausnehmung 48 bzw. 49 im betreffenden Stator 34 bzw. 35 anliegt. Vorzugsweise bildet, wie in der Zeichnung gezeigt, der Stützring 63 einen integralen Bestandteil des Druckreduzierringes 31 bzw. 32. Es versteht sich jedoch, dass der Stützring 63 in beliebiger Weise ausgeführt werden kann. Demnach kann der Stützring 63 als integrales Element des Stators 34 bzw. 35 ausgeführt werden, wobei der Stützring dann mit dem Druckreduzierring 31 bzw. 32 in Berührung steht. Der Stützring 63 kann auch ein unabhängiges Element bilden, welches innerhalb einer im Druckreduzierring 31 bzw. 32 oder im Stator 34 bzw. 35 ausgenommenen Nut getragen wird. Der mittlere Durchmesser der Stütz-ring-Stirnfläche 65 ist gleich dem Durchmesser der äusseren Peripherie des jeweiligen, unter dem Druckreduzierring 31 bzw. 32 liegenden Abschnittes der Welle 17. Im Betrieb wirkt die Berührungsfläche zwischen dem Stützring 63 und der benachbarten Statorwand als Dichtungsfläche, um die Hoch-druck-Sperrflüssigkeit daran zu hindern, vollständig um die Aussenfläche des Druckreduzierringes 31 bzw. 32 herumzuströmen und dadurch in den Flüssigkeitsstrom zu gelangen, welcher unterhalb des Druckreduzierringes 31 bzw. 32 auf einen niedrigeren Druck gedrosselt wurde.

Die Sperrflüssigkeit, die sich auf der Rückseite des Druckreduzierringes 31 bzw. 32 befindet, übt auf die äussere Periphe-riefläche des Druckreduzierringes einen gleichmässigen Druck aus. Die Kontaktfläche 65 auf dem Stützring 63 wirkt als Steuerfläche im System. Infolge der Anordnung dieser Kontaktfläche 65 werden die auf den Druckreduzierring 31 bzw. 32 einwirkenden Axialkräfte auf ein Minimum reduziert, wodurch ermöglicht wird, dass sich der Druckreduzierring in Kontakt mit der Statorwand bewegen kann, ohne sich daran festzusetzen. Dadurch werden die Druckreduzierringe 31, 32 in den Statoröffnungen in im wesentlichen vertikaler Stellung festgehalten, d. h. senkrecht zur Mittellinie der Welle 17, und können sich somit mit der Welle 17 frei in radialer Richtung bewegen. Dabei wird die Dichtungswirkung uneingeschränkt aufrecht erhalten. Gleichzeitig kann die Geometrie der Druckreduzierringe 31, 32 durch die Anordnung des Stützrings 63 an einer Stelle, die einen minimalen axialen Druck ergibt, wie hiervor beschrieben, stark vereinfacht werden, um die bedeutenden auftretenden Kräfte aufzunehmen.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Druckreduzierrings. In dieser Ausführungsform ist der Stützring 63 des s Druckreduzierrings 31 leicht gegenüber der optimalen Druckausgleichsstellung versetzt, wodurch die durch den hohen Druck der Sperrflüssigkeit auf den Druckreduzierring 31 ausgeübte Axialkraft dazu neigt, den Druckreduzierring in der Statorausnehmung 48 axial zu verschieben. Um dieser Schie-io bewirkung entgegenzuwirken, ist eine Reihe von federbelasteten Stösseln 70 vorgesehen, welche parallel zur Achse der Welle 17 ausgerichtet sind und je in einem Sackloch 71 im Druckreduzierring 31 gehalten sind. Eine Druckfeder 72 ist um jeden Stössel 70 angeordnet und im Sackloch 71 abge-is stützt. Die Feder 72 wirkt zwischen einem vergrösserten Kopf 73 des Stössels 70 und einer Scheibe 74, welche sich auf die Schulterfläche des Sackloches 71 abstützt. Die Feder 72 dient dazu, den Kopf 73 des Stössels 70 nach aussen gegen eine Seitenwand des Ringes 37 zu pressen. Die Vorspannung der 2« Federn 72 überwindet die durch die Sperrflüssigkeit auf den Druckreduzierring 31 ausgeübten Axialkräfte, um dem Druckreduzierring 31 genügend radiale Bewegungsfreiheit zu verleihen, derart, dass ein Festsitzen des Druckreduzierrings verhindert wird.

25 Unter bestimmten Bedingungen muss der Stützring 63 des in Fig. 2 dargestellten Druckreduzierrings 31 bearbeitet werden, um die Wirkungsfläche 65 des Stützrings genau festzulegen und dadurch sicherzustellen, dass sich die auf den Druckreduzierring 31 einwirkenden Axialkräfte im wesentlichen 30 aufheben. Dieser Bearbeitungsvorgang verlangt, dass der Druckreduzierring 31, welcher relativ gross sein kann, aus der Einheit herausgenommen und in einer geeigneten Werkzeugmaschine montiert wird. In der Ausführungsform gemäss Fig. 4 kann dieser komplizierte Bearbeitungsvorgang umgan-35 gen werden, indem der durch die Stösselfedern 72 ausgeübte Druck reguliert wird. Dies ist leicht zu erreichen, indem entweder die Dicke der Scheiben 74 oder die Anzahl der in der Einrichtung verwendeten Federn 72 verändert wird. Somit kann der Druck durch Anwendung dieser einfachen Technik 40 ausgeglichen werden, so dass auf dem Druckreduzierring nur ein leichter Axialdruck beibehalten wird, welcher die Stirnfläche 65 des Stützrings 63 in dichtendem Kontakt mit der benachbarten Statorwand hält. Diese leichte Unausgeglichenheit reicht jedoch nicht aus, um eine Verklemmung der Druck-4S reduzierringe 31, 32 an den Statoren 34, 35 zu bewirken.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

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1. Wellendichtung an der Rotorwelle einer Maschine, in der ein in der Maschine enthaltenes Arbeitsmedium durch eine Hochdruck-Flüssigkeitssperre zwischen der Welle (17) und dem Maschinenrahmen daran gehindert wird, entlang der Welle (17) auszutreten, mit wenigstens einem Druckreduzierring (31), der die Welle (17) im Bereich der Flüssigkeitssperre umgibt, um den Sperrflüssigkeitsstrom aus einem Hochdruckbereich zu einem Niederdruckbereich zwischen der Welle (17) und dem Druckreduzierring (31) hindurch zu drosseln, welcher Druckreduzierring (31) lose in einer Ausnehmung (47, 48) liegt, die von maschinenrahmenfesten Teilen (37, 34) gebildet ist, so dass die Sperrflüssigkeit aus dem Hochdruckbereich den Druckreduzierring (31) in der Ausnehmung (47,48) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckreduzierring (31) auf der dem Niederdruckbereich zugekehrten Seite einen radialen Flansch (61) aufweist, der sich nach innen in eine Eindrehung (60) in der Welle (17) erstreckt, und zwar bis auf einen Durchmesser, der kleiner ist als der Aussendurchmesser des unmittelbar vor der Eindrehung liegenden, vom Druckreduzierring (31) umgebenen Abschnittes der Welle (17), und dass in der Ausnehmung (47, 48) im Bereich dieses Flansches (61) ein Stützring (63) angeordnet ist, dessen mittlerer Durchmesser etwa gleich dem genannten Aussendurchmesser ist und der die Ausnehmung zur Welle hin abdichtet, um den Durchtritt von Hochdruck-Sperrflüssigkeit durch die Ausnehmung (47, 48) um den Druckreduzierring (31) herum zu verhindern.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (63) mit dem radialen Flansch (61) verbunden ist und eine ebene Stirnfläche (65) aufweist, welche so angeordnet ist, dass sie an der genannten Wand der Ausnehmung (47, 48) anliegt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Stirnfläche (65) des Stützrings (63) und die genannte Wand der Ausnehmung (47, 48) senkrecht zur Mittellinie der Welle (17) liegen.

4. Wellendichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Vorspannungsmittel (70, 72,73), welche eine Wirkungseinheit mit dem Druckreduzierring (31) bilden und so angeordnet sind, dass sie auf eine Seitenwand der Ausnehmung (47, 48) einwirken, um axiale Kräfte zu kompensieren, die von der Hochdruck-Sperrflüssigkeit auf den Druckreduzierring (31) ausgeübt werden.

5. Wellendichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungsmittel eine Anzahl von federbelasteten Stösseln (70) aufweisen, welche auf einem Umfang des Stützrings (31) in Abständen angeordnet und parallel zur Achse des Stützrings (31) ausgerichtet sind.

6. Wellendichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Federn (72) und dem Stützring (31) Distanzscheiben (74) zur Regulierung der Vorspannungskraft der Vorspannungsmittel eingelegt sind.