DE3545281C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung zwischen rotierenden Maschinenteilen nach Art einer Gleitringdichtung für eine aus einem Druckraum austretende Welle, bei der ein Ring mit Dichtungsfläche und ein Gegenlaufring in dichtende Anlage bringbar sind, wobei zur Kühlung und Reibungsminderung ein Fluid durch Fliehkräfte über nahe den Dichtungsflächen an­ geordnete Kanäle in Umlauf gebracht wird.

Eine solche Dichtung ist aus der DE-OS 31 19 467 bekannt.

Bei der bekannten Lösung, die nur eine Axialdichtung mit einer in axiale Richtung weisende Dichtfläche umfaßt, dienen die nahe der Dichtungsfläche angeordneten Kanäle dazu, ein wechselndes Temperaturfeld und damit eine periodisch gleich­ förmig gewellte Gleitfläche am Gegenlaufring zu erzeugen.

Bei der bekannten Lösung wird ein axial wirkendes Feder­ element dazu benutzt, die Dichtungsringe in gegenseitig ab­ dichtende Anlage zu bringen. Zwischen rotierenden Maschinen­ teilen sind die Einsatzmöglichkeiten solcher Federelemente aufgrund ihrer Kennlinien begrenzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine radial und axial wirkende Zwischenwellendichtung zu schaffen, bei der die auf Dichtelemente ausgeübten Anpreßkräfte von im Betrieb auftretenden Fliehkräften abgeleitet sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe ausgehend von einer gattungsgemäßen Dichtung gelöst durch eine primäre Dichtstelle, an der der Gegenlaufring in axialer Richtung gegen einen Gleitring unter Fliehkraft anpreßbar ist und durch eine sekundäre Dichtstelle an der Kolbenringe des Gegenlaufringes in radialer Richtung gegen eine äußere Welle unter Vorspannung einer Feder anpreßbar sind, mittels einer axialer und radialen Kraftkomponente, welche durch Keilwirkung hervorgerufen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteran­ sprüchen angegeben. Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung sind folgende:

• 1. Die erfindungsgemäße Dichtung ist für beide Dreh­ richtungen von Wellen sowohl in Gleich- als auch im Gegenlauf anwendbar.
• 2. Dadurch, daß die Anpreßkräfte auf die Dichtelemente aus den Fliehkräften, die im Betrieb auftreten, ab­ geleitet sind, erhöhen sich die Dichtkräfte mit steigen­ der Drehzahl und damit steigender Belastung der Maschine.
• 3. Bei Relativbewegungen zweier rotierender Wellen in radialer Richtung - z. B. hervorgerufen durch Schwingungen, Unwucht, Lagerspiel - wird der Dicht­ spalt nicht beeinflußt.

Die axiale Anpreßkraft des Gleitringes ist durch die Größe des Keilwinkels β vorwählbar.

Die radiale Anpreßkraft des Gleitringes ist durch die Größe des Keilwinkels α vorwählbar.

Diese jeweiligen Keilwinkel bestimmen die Kraftkomponenten welche in axialer und radialer Richtung wirksam werden.

Das übertragbare Drehmoment an der Sekundärdichtung soll immer größer sein als die Summe der Reibmomente.

Die axiale Anpreßkraft soll immer größer sein als die Summe der Kräfte aus der Druckbeaufschlagung der Dichtung und dem axialen Widerstand.

Der Zusammenbau der Dichtung ist sehr einfach, weil alle Dichtungsteile auf einer Welle montiert sind.

Weiter vereinfacht ist die Montage dadurch, daß alle Dichtungsteile in einer zylindrischen Bohrung der äußeren Hohlwelle eingebaut sind.

Die Ausgestaltung eines Ausführungsbeispieles ist der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Wellenan­ ordnung mit Dichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 die Einzelheit B in Fig. 1,

Fig. 4 eine Anwendung der Erfindung bei einer Gasturbine.

Wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt, sind auf einer inneren Welle 1 in Form einer Hohlwelle ein Trägerring 2, ein Verteilerring 3 für das fluide Kühl­ mittel und ein zweiter Trägerring 4 fest montiert. Im Trägerring 2 ist ein Gleitring 5 befestigt der z. B. aus Kohlenstoff, Graphit o. ä. besteht und mit einem Gegen­ laufring 6 die primäre Dichtstelle 7 bildet. Auf der gegen­ überliegenden Seite des Gegenlaufringes 6 befinden sich Gleitringsegmente 8 aus dem gleichen Werkstoff wie Ring 5, in beliebiger Anzahl, gleichmäßig über den Umfang ver­ teilt, auf einem geschlitzten Federring 9 angeordnet, so daß sie im Betrieb radial nach außen gegen eine Keilfläche 17 des Trägerringes 4 gedrückt werden. Durch diese Keilfläche ergibt sich eine Kraftkomponente in axialer Richtung die den Gegenlaufring 6 am Gleitring 5 zum Anliegen bringt. Wie die Gleitringsegmente 8 auf dem Federring 9 befestigt sind, läßt sich besonders deutlich aus dem Längsschnitt in Fig. 1 ersehen, aber auch aus Fig. 2. Die Gleitringsegmente 8 sind über Stifte 15 mit der Keil­ fläche 17 des Trägerrings 4 verbunden. Die Zylinder­ stifte 15 wirken als Mitnehmer in Umfangsrichtung, sind in der Keilfläche 17 des Trägerrings 4 fest montiert und greifen lose in die Gleitringsegmente 8, hier in den Spalt jeweils zwischen zwei Gleitringsegmenten ein (siehe Fig. 2).

Der Gegenlaufring 6 ist mit Kolbenringen 10 und 11 ver­ sehen (Fig. 3) die sich radial nach außen gegen die Hohlwelle 13 federnd anlegen und mit ihr die sekundäre Dichtstelle 14 bilden. Der Feder­ ring 12 sorgt durch seine radiale Vorspannung dafür, daß die beiden Kolbenringe 10, 11 über Keilflächen 10 a und 11 a an den damit korrespondierenden Keilflächen des Feder­ ringes 12 anliegen und angepreßt werden mit einer ent­ sprechenden Kraftkomponente. Die Anpreßkraft der Kolben­ ringe kann durch die Wahl des Keilwinkels a variiert werden. Der Gegenlaufring 6 ist somit kraftschlüssig mit der Hohlwelle 13 verbunden und läuft gemeinsam mit ihr um.

Durch die Rotation der äußeren Hohlwelle 13 treten Fliehkräfte an den Ringen 10, 11 und 12 auf, wodurch auch höhere Anpreßkräfte zwischen der Hohlwelle 13 und Kolbenring 10, 11 bzw. zwischen den Kolbenringen und dem Gegenlaufring 6 entstehen. Mit zunehmender Drehzahl erhöht sich das übertragbare Drehmoment an der Sekundär­ dichtung 14. Es muß immer höher sein als die Summe der Reibmomente die an den Gleitflächen des Gegenlaufringes 6 auftreten.

Durch die Rotation der inneren Welle 1 sind u. a. auch die Gleitringsegmente 8 und der Federring 9 Fliehkräften ausge­ setzt. Diese Fliehkräfte erzeugen an der Keilfläche 17 des Trägerringes 4 eine Kraftkomponente senkrecht zur Dreh­ achse und eine in axialer Richtung, also parallel zur Drehachse. Die axiale Kraftkomponente drückt den Gegenlaufring 6 gegen den Gleitring 5 an der primären Dichtstelle 7. Die Anpreß­ kraft muß dabei immer größer sein als die Summe der Kräfte die sich aus der Druckbeaufschlagung (Δ p) und dem axialen Widerstand des Gegenlaufringes 6 gegenüber der Hohlwelle 13 ergeben. Beaufschlagt wird die Dichtung von einer Druckdifferenz P 1 minus P 2, wobei angenommen wird, daß P 1 in Fig. 1 von links einwirkender Gasdruck höher ist als der Druck P 2 im Raum rechts von der Dichtung, hier innerhalb der Hohlwelle 13. Die Anpreßkraft ist also die Gegenkraft gegen den axialen Widerstand des Gegen­ laufringes 6 und die der Druckdifferenz entsprechenden Kräfte. Die Anpreßkraft kann durch die Wahl des Keil­ winkels β vorherbestimmt werden. Es ist somit sicher­ gestellt, daß die Primärdichtung 7 bei allen möglichen Relativbewegungen zwischen den Wellen 1 und 13 dicht geschlossen bleibt, insbesondere an der sich radial erstreckenden Gleitfläche an den Stirnseiten des Ringes 6 an denen sich eine axiale Gleitfläche des Ringes 5 und des Ringelementes 8 anlegt und anpaßt.

Die Kühlung der Dichtung erfolgt in der Weise, daß am Gegenlaufring 6 Bohrungen 16 vorgesehen sind, die möglichst nahe den besagten Gleitflächen angeordnet sind. Die Kühlmittelzufuhr erfolgt z. B. aus einer Lagerkammer oder einem Umlaufsystem über Bohrungen 18, 19 in der Welle 1 und im Verteilerring 3. Der Verteilerring 3 ist auf der Welle 1 angeordnet zwischen den Trägerringen 2 und 4 und alle drei Bauelemente sind von dem Befestigungselement 20 axial festgelegt und festgehalten.

In den Gegenlaufring 6 werden vor dem Einsetzen in die Bohrung der Hohlwelle 13 die Kolbenringe 10 und 11 sowie der Federring 12 eingebaut. Der Gleitring 5 ist im Träger­ ring 2 und die Gleitringsegmente 8 sind zusammen in dem keilförmigen Teil 17 des Trägerrings 4 und zwar radial innerhalb desselben und mit der Gleitfläche der dem Ring 5 gegenüberliegenden Gleitfläche des Ringes 6 zugekehrt montiert.

Infolge der Fliehkrafteinwirkung auf die Keilflächen 17, 10 a und 11 a wird die Dichtung primär in axialer Richtung und sekundär in radialer Richtung stets geschlossen ge­ halten.

Abwandlungen des dargestellten und beschriebenen Aus­ führungsbeispiels sind selbstverständlich möglich, ohne hierdurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind vorhanden weitgehende Gestaltungs­ möglichkeiten bei der Wahl der Ringe bzw. Ringsegmente, den Federmaterialien und den Werkstoffen und der Gleit­ flächengestaltung der Ringe. Auch gut gleitende Be­ schichtungen sind anwendbar. Die Zahl der Wellen, zwischen denen Dichtungen der in Rede stehenden Art ausgeführt werden, ist nicht beschränkt.

Fig. 4 zeigt ein Gasturbinentriebwerk in Mehrwellenanordnung mit einer Stufe eines Turbinenrotors mit Laufschaufeln 21 gelagert in einem Lagerrahmen 22 der sich abstützt auf inneren drehenden Teilen 23, 24 wie z. B. Hohlwellen die über die Gleitringdichtung nach Fig. 1 abgestützt sind auf der inneren Welle 1.

Claims (9)

1. Dichtung zwischen rotierenden Maschinenteilen nach Art einer Gleitringdichtung für eine aus einem Druck­ raum austretende Welle, bei der ein Ring mit Dichtungs­ fläche und Gegenlaufring in dichtende Anlage bringbar sind, wobei zur Kühlung und Reibungsminderung ein Fluid durch Fliehkräfte über nahe den Dichtungsflächen angeordnete Kanäle in Umlauf gebracht wird, gekennzeichnet durch eine primäre Dichtstelle (7) an der der Gegen­ laufring (6) in axialer Richtung gegen einen Gleit­ ring (5) unter Fliehkraft anpreßbar ist und durch eine sekundäre Dicht­ stelle (14) an der Kolbenringe durch (10, 11) des Gegenlaufringes (6) in radialer Richtung gegen eine äußere Welle (13) unter Vorspannung einer Feder (12) anpreßbar sind, mittels einer axialen und radialen Kraftkomponente welche durch Keilwirkung hervorgerufen werden.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Anpreßkraft des Gleitringes (5) und die des Gegenlaufringes (6) gegeneinander durch die Größe des gewählten Keilwinkels (β) an Gleitring­ segmenten (8) voreinstellbar ist.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die radiale Anpreßkraft an die äußere Hohlwelle durch die Größe des gewählten Keilwinkels (α) an den Kolbenringen (10-12) voreinstellbar ist.

4. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitring Segmente (8) aufweist, die auf einem gemeinsamen Federring (9) angeordnet sind.

5. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitringsegmente (8) über Mitnehmer (15) mit einem Trägerring (4) verbunden sind.

6. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen zwei (1, 13) relativ zueinander beweglichen Wellen, insbesondere zwischen zwei kontrarotierenden Wellen angeordnet ist.

7. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gleitring (5) und Gegen­ laufring (6) auf einer einzigen Welle montiert sind.

8. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer zylindrischen Bohrung der äußeren Hohlwelle (13) eingesetzt ist.

9. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Gleit­ bewegung an der primären Dichtstelle (7) senkrecht zur Rotationsachse ist.