DE19639978C1 - Wellendichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung, insbesondere für die Welle eines gasgekühlten Generators, mit einem zwischen einer Führungsplatte und einem mittels Stehbolzen an dieser befestigten Entlastungsflansch gehalterten Dichtungsring, der an seiner Innenseite einen Auslaß für Dichtöl aufweist.

Eine derartige Wellendichtung ist aus der Deutschen Patent­ schrift DE 37 23 729 C2 bekannt. Die bekannte Wellendichtung in Scheibenbauweise gewährleistet eine dichte Durchführung einer rotierenden Welle durch ein mit Gas unter vorgegebenem Druck gefülltes Gehäuse, z. B. eines Generators. Dazu ist ein Dichtungsring zwischen einer Führungsplatte und einem über Stehbolzen mit dieser verbundenen Entlastungsflansch gehal­ tert. In dieser zweischaligen Halterungsausführung sitzt die Wellendichtung im eingebauten Zustand derart auf der Welle, daß die Führungsplatte dem Gehäuse zugewandt und damit auf der Gasseite des Dichtungsrings angeordnet ist, während der Entlastungsflasch auf der sogenannten Luftseite des Dich­ tungsrings sitzt.

Zur Abdichtung der rotierenden Welle schwimmt der Dichtungs­ ring auf einem Ölfilm, der durch Zuführen von Dichtöl in den Radialspalt zwischen Dichtungsring und Welle erzeugt wird. Dazu wird ein Radialspiel der Wellendichtung fertigungstech­ nisch vorgegeben, wobei ein Kompromiß zwischen Öldurchsatz und Laufverhalten der Welle gefunden werden muß. Der Dicht­ ring wird dann während des Betriebs durch das ihn umspülende Dichtöl gekühlt, so daß er sich im Vergleich zur Welle weni­ ger stark ausdehnt. Dies bedingt eine Aufzehrung des Radial­ spiels. Diese Vorgänge müssen bei der Auslegung des Einbau­ spiels des Dichtungsrings berücksichtigt werden. Dies bedeu­ tet, daß das Einbauspiel entsprechend groß ausgelegt werden muß. Außerdem wird zum Ausgleich von am Dichtungsring angrei­ fenden Kräften dessen der Führungsplatte und/oder dem Ent­ lastungsflansch zugewandte Flanke mit Drucköl beaufschlagt. Bei einem derartig vom zufließenden Dicht- und/oder Drucköl vollständig umspülten Dichtungsring ist eine Änderung des Ra­ dialspiels nach Inbetriebnahme nicht möglich.

In der DE 29 18 418 C2 ist eine Stevenrohrabdichtung mit ei­ ner Radialdichtung beschrieben. Eine Schiffswelle wird von einem Gleitring umgeben, auf welchem ein Stützring aufsitzt. Der Stützring ist geteilt und kann mittels einer Hydraulik­ vorrichtung zusammengedrückt werden. Damit ist der Anpreß­ druck des Gleitrings einstellbar. Mit einem Strömungswächter wird eine Leckagemenge ermittelt und abhängig von dieser Leckagemenge die Hydraulikvorrichtung so angesteuert, daß eine geringe Leckage bei einer gleichzeitig ausreichenden Schmierung des Gleitringes gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wellen­ dichtung anzugeben, bei der auch nach erfolgter Montage in einfacher Weise Eingriffsmöglichkeiten zur Erzielung eines besonders günstigen Laufverhaltens möglich sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Wellendichtung der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Die Steuerung oder Einstellung des Radialspiels erfolgt unter Nutzung der Wärmedehnung des Dich­ tungsrings.

Zur Spielsteuerung wird der Dichtungsring beeinflußt durch die im Radialspalt zwischen dem Dichtungsring und der Welle während der Wellenrotation anfallende Reibungswärme im Dicht­ öl einerseits, und durch eine einstellbare Wärmeabfuhr über eine abströmende Kühlölmenge andererseits. Als Einflußgröße für die Kühlölsteuerung oder -regelung kann zusätzlich zum Öldruck auch die Temperatur des Dichtungsrings, das Reibmo­ ment im Radial- oder Ölspalt und/oder die Radialspalthöhe herangezogen werden.

Eine üblicherweise außerhalb der Wellendichtung vorgesehene Ölverteilerkammer zur Versorgung der Lauffläche des Dich­ tungsrings mit Dichtöl ist in zweckmäßiger Ausgestaltung nun in die Führungsplatte verlegt. Mit dieser Verteilerkammer steht eine Zuflußbohrung im Dichtungsring in Verbindung, die in den Auslaß an der Innenseite des Dichtungsrings mündet.

Daher kühlt das zufließende Dichtöl im Dichtungsring nur an den relativ kleinen Flächen der Zuflußbohrung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die durch die Flanken des Dichtungsrings einerseits und die Seitenflä­ che der Führungsplatte bzw. des Entlastungsflansches anderer­ seits begrenzten Axialspalte mittels Nebendichtungen abge­ blockt, so daß im Axialspalt stehendes Öl keine Kühlwirkung hat. Erst wenn ein Regler mit einem Stellventil zur Einstel­ lung des Kühlölstroms öffnet, werden die den Axialspalt be­ grenzenden Flächen zur Kühlung des Dichtungsrings aktiviert.

Als besonders geeignete Nebendichtungen für die Axialspalte haben sich mit Drucköl beaufschlagte U-Profil-Dichtungen her­ ausgestellt. Zur Versorgung dieser Nebendichtungen ist zweck­ mäßigerweise innerhalb der Führungsplatte und/oder des Entla­ stungsflansches eine Zuflußbohrung für das Drucköl vorgese­ hen. Da allerdings die Reibung der Nebendichtungen die freie Einstellbarkeit des Dichtungsrings behindern könnte, wird mittels einer Regeleinrichtung der Anpreßdruck der Nebendich­ tungen soweit abgesenkt, bis die Dichtwirkung der Nebendich­ tung gerade aufgehoben ist. Dabei können kleine Leckagen zu­ gelassen werden. Da die Regeleinrichtung zur Druckregelung der Nebendichtungen lediglich Druck bei einer Ölmenge nahe Null zur Verfügung stellen muß, kann mit sehr kleinen Nenn­ weiten und unbedeutenden zusätzlichen Ölmengenverlusten gear­ beitet werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß bei einem derart steuerbaren Dichtungsring ein besonders kleines Einbauspiel bei gleichzeitig geringem Ölbedarf möglich ist. Außerdem sind in besonders einfacher und zuverlässiger Art und Weise Eingriffsmöglichkeiten zur optimalen Anpassung an eine vorhandene Betriebssituation ge­ geben. Desweiteren kann auch ein sehr steifer Dichtungsring mit relativ großer Bauhöhe eingesetzt werden.

Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung beschrieben. Es zeigen die Fig. 1 und 2 in verschiedenen Längsaxialschnitten eine Wellendichtung in Scheibenbauweise mit steuerbarem Radialspiel.

Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Wellendichtung 1 auf einer Welle 2, die Teil z. B. eines Generators einer Kraftwerksanlage ist. Zwischen einer Führungsplatte 3 und einem Entlastungsflansch 4 ist ein Dichtungsring 5 angeordnet. Der Entlastungsflansch 4 ist mit­ tels einer Anzahl von Stehbolzen 6 und darauf sitzenden Ge­ winde-Muttern 7 an der Führungsplatte 3 befestigt. Jeder Stehbolzen 6 ist mit Spiel durch eine Bohrung 8 des Dich­ tungsrings 5 geführt. Im Bereich der Bohrung 8 trägt der Stehbolzen 6 eine austauschbare Distanzhülse 9. Die Anzahl der am Umfang der Wellendichtung 1 verteilt angeordneten Stehbolzen 6 beträgt z. B. zwölf. Somit läßt sich der Abstand zwischen der Führungsplatte 3 und dem Entlastungsflansch 4 präzise einstellen. Durch Austausch der Distanzhülsen 9 sind insbesondere auch ein zwischen der Führungsplatte 3 und der dieser zugewandten ersten Flanke 10 des Dichtungsrings 5 ge­ bildeter erster Axialspalt 11 sowie ein zwischen dem Entla­ stungsflansch 4 und der dieser zugewandten zweiten Flanke 12 des Dichtungsrings 5 gebildeter zweiter Axialspalt 13 in ein­ facher Weise veränderbar.

Die dargestellte Wellendichtung 1 ist besonders zur Abdich­ tung eines mit Wasserstoff gefüllten Generatorgehäuses geeig­ net und weist daher ein Dichtölsystem auf. Eine Zuflußbohrung 14 in der Führungsplatte 3 mündet in eine in der Führungs­ platte 3 vorgesehene Verteilerkammer 15 und dient zum Zufüh­ ren von Dichtöl DI. Die Führungsplatte 3 ist dem Generatorge­ häuse zugewandt, so daß der erste Axialspalt 11 auf der Gas­ seite des Dichtungsrings 5 liegt. Der Entlastungsflansch 4 bildet damit die dem Generatorgehäuse abgewandte Seite der Wellendichtung 1, wobei der zweite Axialspalt 13 auf der so­ genannten Luftseite des Dichtungsrings 5 liegt. Der Dich­ tungsring 5 ist über eine an der Führungsplatte 3 befestigte Verdrehsicherung 16 mit Momentenmessung gegen ein Mitdrehen bei rotierender Welle 2 gesichert.

Der erste Axialspalt 11 ist mittels vorzugsweise zweier Ne­ bendichtungen 16a und 16b in Form von U-Profil-Dichtungen ab­ sperrbar, von denen jeweils eine auf einer der beiden Seiten der Stehbolzen 6 angeordnet ist. Analog ist der zweite Axial­ spalt 13 mittels Nebendichtungen 17a und 17b absperrbar. Da­ bei liegen die U-Profil-Dichtungen 16 und 17 in Nuten 20a, 20b und 21a, 21b der Führungsplatte 3 bzw. des Entlastungs­ flansches 4.

Die U-Profil-Dichtungen 16, 17 sind in Abhängigkeit von der Größe der gewählten oder eingestellten Axialspalte 11, 13 in einem Material verschiedener Härte ausführbar. Dabei sollte das Material bei größerer, Axialspalten 11, 13 härter sein, als bei vergleichsweise kleineren Axialspalten 11, 13.

Der Entlastungsflansch 4 weist außerdem auf der der zweiten Flanke 12 des Dichtungsrings 5 zugewandten Seite eine Auslaß­ nut 22 auf. Auch der Dichtungsring 5 weist auf der der Welle 2 zugewandten Seite - d. h. an seiner Lauffläche 23 - einen nutenförmigen Auslaß 24 auf. Die Funktionen der Auslaßnuten 22 und 24 werden im folgenden anhand der Fig. 2 erläutert.

Fig. 2 zeigt die Wellendichtung 1 in einer anderen Schnitt­ ebene. Sichtbar sind nun ein Druckölkreis und ein offener Kühlölkreis. Ebenso ist eine Zuflußbohrung 25 im Dichtungs­ ring 5 sichtbar, die über eine Bohrung 25a in der Führungs­ platte 3 mit der Verteilerkammer 15 in Verbindung steht, und die über einen Bohrungsabschnitt 25b im Dichtungsring 5 in den der Welle 2 zugewandten Auslaß 24 mündet. Die Verteiler­ kammer 15 ist über weitere, miteinander verbundene Bohrungen 26a und 26b in der Führungsplatte 3 mit der U-Profil-Dichtung 16b in der Nut 20b verbunden.

Zum Druckölkreis gehören Zuflußbohrungen 27 und 28 in der Führungsplatte 3 bzw. im Entlastungsflansch 4 sowie eine von der Verteilerkammer 15 ausgehende und die Zuflußbohrungen 27, 28 verbindende Druckölleitung 30. Die Zuflußbohrung 27 steht dabei mit der U-Profil-Dichtung 16a in der Nut 20a in Verbin­ dung, während die Zuflußbohrung 28 mit den U-Profil-Dichtun­ gen 17a und 17b in den Nuten 21a bzw. 21b in Verbindung steht. In der Druckölleitung 30, die über einen Abzweig 30a in einen Abfluß 29 führt, ist ein Durchflußmesser 31 angeord­ net. Der Durchflußmesser 31 und ein steuerbares Stellventil 32 im Abzweig 30a sind Teil einer Regeleinrichtung 33 zur Druckregelung oder -steuerung der Nebendichtungen 16 und 17. Damit einstellbar ist der Öldruck pD' von über die Zuflußboh­ rung 27 und durch die Druckölleitung 30 sowie über die Zu­ flußbohrung 28 zu den Nebendichtungen 16 und 17 geführtem Drucköl DR und damit der Anpreßdruck der Nebendichtungen 16, 17 gegen die Flanke 10 bzw. 12 des Dichtungsrings 5. Der Öl­ druck pD' ist derart eingestellt, daß dieser um z. B. 0,2 bar geringer ist, als der Öldruck pD in der Verteilerkammer 15. Allerdings ist die U-Profil- oder Nebendichtung 16b zweckmä­ ßigerweise stets mit dem Öldruck pD beaufschlagt, so daß eine Leckage zur Gasseite vermieden ist. Dadurch kann, insbeson­ dere bei niedrig eingestelltem Öldruck pD', kein H2-Gas rück­ wärts durch das Berohrungssystem nach außen gelangen. Die Auslaßnut 22 im Entlastungsflansch 4 ist - ebenso wie eine in diese mündende Kühlölleitung 34, in die ein steuerbares Stellventil 35 geschaltet ist - Teil des offenen Kühlölkrei­ ses. Das Stellventil 35 ist wiederum Teil der Regeleinrich­ tung 33.

Während des Betriebs, d. h. bei rotierender Welle 2, schwimmt der Dichtungsring 5 von einem Ölfilm getragen auf der Welle 2. Dazu wird aus der Verteilerkammer 15 und über die Bohrun­ gen 25 Dichtöl DI zum Auslaß 24 geführt, von dem es durch den zwischen Wellenoberfläche 2a und Lauffläche 23 gebildeten Wellenspalt 2b nach außen sowohl zur Luftseite als auch zur Gasseite der Wellendichtung 1 hin strömt. Um dabei eine frei Einstellung des Dichtringes 5 nicht zu beeinträchtigen, wer­ den die Anpreßdrücke der U-Profil-Dichtungen 16 und 17 soweit heruntergefahren, daß gerade noch ein Abdichten der Axial­ spalte 11 und 13 gewährleistet ist. Da der kühlende Einfluß des zufließenden Dichtöls DI an den Flächen der Bohrungen 25 praktisch ausgeschaltet ist, wird sich der Dichtungsring 5 aufgrund von Verlusten im Radial- oder Wellenspalt 2b aufhei­ zen, was zu einer Spielvergrößerung führt. Das Einbauspiel des Radialspaltes 2b kann daher entsprechend eng eingestellt werden.

Um eine Spieländerung einzustellen und damit eine Einfluß­ nahme auf das Laufverhalten des Dichtungsrings 5 zu ermögli­ chen, kann der Anpreßdruck der U-Profil-Dichtungen 16a, 17a und 17b abgesenkt werden. Dies erfolgt durch Einstellen des Drucks p im Druckölkreis 27, 28, 30 mittels des von der Re­ geleinrichtung 33 gesteuerten Stellventils 32 und durch Wär­ meabfuhr aus den Axialspalten 11, 13. Die Wärmeabfuhr wiede­ rum erfolgt über einen mittels des Stellventils 35 einstell­ baren Kühlölstrom KL, der zur Kühlung des Dichtungsrings 5 aus den Axialspalten 11, 13 abgeführt wird. Im Axialspalt 11 stehendes Dichtöl DI wird über die Bohrungen 8 zur Kühlöl­ leitung 34 geführt. Von dort wird es zusammen mit im Axial­ spalt 13 stehendem Drucköl DR abgeführt. Dabei wird die Kühl­ wirkung auf der dem Entlastungsflansch 4 zugewandten Seite des Dichtungsrings 5 noch dadurch verstärkt, daß die Flanke 12 des Dichtungsrings 5 auf dieser Seite, d. h. auf der Luft­ seite, größer ist, als die Flanke 10 auf der Gasseite. Die größere Flanke 12 kompensiert den von der Gasseite auf die Flanke 10 wirkenden Gasdruck pG. Die Reibung des Dichtungs­ rings 5 kann somit minimiert werden, was eine freie Einstell­ barkeit des Dichtungsrings 5 gewährleistet.

Insbesondere bei Nenndrehzahl der Welle 2 kann eine Regelung oder Steuerung des aus den Axialspalten 11, 13 abströmenden Kühlöls KL und damit eine einstellbare Wärmeabfuhr in Abhän­ gigkeit von der Temperatur T des Dichtrings 5 und/oder vom Reibmoment erfolgen. Die entsprechende Einstellung wird von der Regeleinrichtung 33 übernommen. Sollte die Ölmenge im Axialspalt 11, 13 in unerwünscht hohem Maße unregelmäßig über den Umfang der Welle 2 austreten, so kann der Abfluß des Kühlöls KL in nicht näher dargestellter Art und Weise, z. B. mittels eines weiteren Reglers, zusätzlich oder alternativ aus einer Sammelnut im luftseitigen Entlastungsflansch 4 er­ folgen.

Der Arbeitsbereich der möglichen Spielveränderung Δh läßt sich bei einer Temperatur des Dichtungsrings 5 von T = 50 - 75°C und einem Innendurchmesser der des Dichtrings 5 von d = 500 mm sowie einem Einbauspiel h = 0,25 mm abschätzen zu:

• 1. Δh = 0,14 mm oder 56% des Einbauspiels h bei einem Stahlring mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient α = 11.10 - 6.
• 2. Δh = 0,22 mm oder 88% des Einbauspiels h bei einem Bron­ zering mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient α = 18.10 - 6.

Wesentliche Vorteile der beschriebenen Wellendichtung 1 be­ stehen in einer einfachen Montage und einer guten Ausrich­ tungsmöglichkeit vor einem Einbau des Dichtungsrings 5. Wei­ terhin ist kein Entlastungsöl notwendig. Ferner wird der gasseitige Axialschub durch größere Dichtölflächen auf der Luftseite aufgefangen, während die Kühlflächen im Dichtungs­ ring 5 für das zufließende Dichtöl DI besonders klein gehal­ ten sind. Außerdem ist die Breite der Axialspalte 11, 13 und damit das Axialspiel, z. B. im Reparaturfall, durch einen Austausch der Distanzhülsen 9 in besonders einfacher Weise veränderbar. Auch können sehr steife Dichtungsringe 5 mit vergleichsweise großen Bauhöhen eingesetzt werden. Zudem ist eine Isolationsmessung der Führungs- oder Halteplatte 3 nach Lösen der Stehbolzen 6 und Abziehen des Dichtungsrings 5 pro­ blemlos möglich.

Claims (14)

1. Wellendichtung, insbesondere für die Welle (2) eines gasgekühlten Generators, mit einem zwischen einer Führungs­ platte (3) und einem mittels Stehbolzen (6) an dieser befe­ stigten Entlastungsflansch (4) gehalterten Dichtungsring (5), der an seiner Innenseite (23) einen Auslaß (24) für Dichtöl (DI) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steu­ erung des Radialspiels zwischen Dichtungsring (5) und Welle (2) ein einstellbarer Kühlölstrom (KL) aus mindestens einem der beiden Axialspalte (11, 13) an den Flanken (10, 12) des Dichtungsrings (5) abführbar ist.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Axialspalte (11, 13) mittels mindestens einer mit Drucköl (DR) beaufschlagbaren Nebendichtung (16, 17) absperr­ bar ist.

3. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpreß­ druck (p) der Nebendichtung (16, 17) gegen eine Flanke (10, 12) des Dichtungsrings (5) einstellbar ist.

4. Wellendichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füh­ rungsplatte (3) eine Zuflußbohrung (27) für das Drucköl (DR) aufweist, die mit der Nebendichtung (16) des Axialspalts (11) in Verbindung steht.

5. Wellendichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Neben­ dichtung (16, 17) eine U-Profil-Dichtung vorgesehen ist.

6. Wellendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Führungsplatte (3) eine mit einer Zuflußbohrung (14) in Verbindung stehende Verteilerkammer (15) für das Dichtöl (DI) angeordnet ist.

7. Wellendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dich­ tungsring (5) eine in den Auslaß (24) mündende Zuflußbohrung (25) für das Dichtöl (DI) aufweist.

8. Wellendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Entla­ stungsflansch (4) auf der dem Dichtungsring (5) zugewandten Seite eine mit einer Abführleitung (34) für das Kühlöl (KL) in Verbindung stehende Auslaßnut (22) aufweist.

9. Wellendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstel­ lung des Kühlölstroms (KL) eine Regeleinrichtung (33) mit mindestens einem Stellorgan (32, 35) vorgesehen ist.

10. Wellendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Entla­ stungsflansch (4) eine Zuflußbohrung (28) für das Drucköl (DR) aufweist, die mit der Nebendichtung (17) des Axialspalts (13) in Verbindung steht.

11. Wellendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuer­ größe zur Einstellung eines Radialspiels (Δh) der Öldruck (p) des Drucköls (DR) vorgesehen ist.

12. Wellendichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeits­ bereich der Einstellung des Radialspiels etwa 50 bis 90% des Einbauspiels (h) beträgt.

13. Wellendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dich­ tungsring (5) an seiner am Entlastungsflansch (4) angrenzen­ den Flanke (12) eine größere Fläche aufweist, als an seiner an der Führungsplatte (3) angrenzenden Flanke (10).

14. Wellendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stehbol­ zen (6) mit Spiel durch eine Bohrung (8) im Dichtungsring (5) geführt ist und in diesem Bereich eine austauschbare Distanz­ hülse (9) trägt.