Dichtungsring für Wellenabdichtungen

Die Erfindung betrifft einen Dichtring zur Verwendung in Wellenabdichtungen, und eine mit dem Dichtring versehene Dichtungsanordnung. Der Dichtring findet vorzugsweise Anwendung in Schraubenkompressoren zum Abdichten der Wellenzapfen der Schraubenrotoren gegen das Kompressorgehäuse.

Bei ölfrei verdichtenden, so genannten "trockenlaufenden" Schraubenkompressoren müssen die im Gehäuse gelagerten Wellenzapfen der Schraubenrotoren möglichst gasdicht abgedichtet werden, um den Austritt von Leckgas aus dem Druckraum des Kompressors entlang der Welle gering zu halten. Zusätzlich benötigen die Wellenzapfen eine öldichrung, um das Einwandern von öl aus dem ölgeschmierten Lager des Wellenzapfens in Richtung auf den Kompressordruckraum zu verhindern. Um eine wirksame Abdichtung sowohl fiir Gas als auch für öl zu erzielen, werden Dichtungsanordnungen verwendet, die eine Anzahl von hintereinander angeordneten Dichtringen aufweisen, bei denen es sich um an der Welle anliegende Berührungsdichtringe, insbesondere Lip- pendichtringe, oder um an der Welle berührungsfrei abdichtende Dichtringe, insbesondere Labyrinthdichtringe, handeln kann. Es ist bekannt, innerhalb solcher Dichtungsanordnungen mit zwei oder mehr Dichtringen eine als "Laterne" bezeichnete Entlüftung vorzusehen, bestehend aus einem ringförmigen Sammelraum für aus dem Druckraum des Kompressors stammendes Leckgas, und einem an den Leckgassammeiraum angeschlossenen Entlüftungskanal, der entweder zur Atmosphäre offen oder mit dem Luft- einlass oder einem Zwischeneinlass des Druckraums des Kompressors verbunden ist.

Eine Dichtungsanordnung dieser Art für Schraubenkompressoren ist aus US-A- 4,153,395 bekannt und kann zwei nebeneinander liegende ringförmige Leckgassammel- räume aufweisen, von denen der eine durch eine Rückfuhrleitung mit einem Zwischeneinlass des Kompressors und der andere durch eine Abblasleitung mit Atmosphäre verbunden ist.

Weitere Beispiele für derartige über eine Laterne entlüftete Dichtungsanordnungen für die Rotorwellenzapfen von Schraubenkompressoren finden sich in EP-A-I 399 677 und EP-A-O 993 553.

Bei diesen bekannten Dichtungsanordnungen wird der ringförmige Leckgassammel- raum dadurch gebildet, dass zwei der die Dichtungsanordnung bildenden Dichtringe in einem axialen Abstand voneinander angeordnet werden, so dass der zwischen ihnen vorhandene Zwischenraum den ringförmigen Leckgassammeiraum bildet. Innerhalb der Breite dieses Zwischenraums mündet auch der im Dichtungsgehäuse ausgebildete Entlüftungskanal (Laterne). Durch die Notwendigkeit, zwei der Dichtringe der Dichtungsanordnung in einem axialen Abstand voneinander anzuordnen, wird die gesamte Baulänge der Dichtungsanordnung in unerwünschter Weise vergrößert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dichtring und eine damit versehene Dichtungsanordnung mit ringförmigem Leckgassammeiraum und Entlüftung zu schaffen, die eine besonders kompakte Bauweise, d. h. eine geringe Axiallänge bei gleichzeitig möglichst großem Strömungsquerschnitt für das Leckgas ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Anspruch 1 definierten Dichtring gelöst. Die weiteren Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Dichtungsrings bzw. der mit diesen ausgerüsteten Dichtungsanordnungen.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Dichtring in einem Schnitt entlang einer axialen Schnittebene gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine Frontansicht des Dichtrings, mit Blickrichtung von links in Fig. l;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Dichtring entlang der Schnittebene III-III von Fig. 1 ;

Fig. 4 und 5 zwei perspektivische Darstellungen des Dichtrings von beiden Seiten;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Lager- und Dichtungsanordnung für den Rotorwellenzapfen eines Schraubenkompressors;

Fig. 7 und 8 Schnittdarstellungen ähnlich Fig. 1 von zwei weiteren Ausfuhrungsformen des erfindungsgemäßen Dichtrings.

Der in allen Figuren mit 1 bezeichnete Dichtring ist ein einstückig aus Metall gefertigter Ring mit einer äußeren Umfangsfläche 3, einer inneren Umfangsfläche 5 und zwei Seitenflächen 7, 9. Die äußere Umfangfläche 3 hat eine Nut 11 zum Einlegen eines Dichtrings aus elastomerem Material, der den Dichtring 1 gegen ein ihn umgebendes Dichtungsgehäuse abdichtet. An der Innenumfangsfläche 5 des Dichtrings 1 ist eine Dichtungskonfiguration 13 für das abdichtende Zusammenwirken mit der Oberfläche einer rotierenden Welle ausgebildet. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform besteht die Dichtungskonfiguration 13 aus Rippen und Nuten, die mit der zylindrischen Oberfläche der Welle eine berührungsfreie Labyrinthdichtung bilden. In dem Teil, der bei Einbau des Dichtrings 1 in einer Dichtungsanordnung dem ölgeschmierten Lager zugewandt ist (in Fig. 1 rechts), sind bei der gezeigten Ausführungsform die Rippen und Nuten ringförmig angeordnet, während sie in dem ölabgewandten Teil (in Fig. 1 links) schraubenförmig verlaufen und ein ölrückführgewinde bilden. An seiner einen Seitenfläche 9 weist der Dichtring axial vorspringende Klauen 14 mit ringsektorförmigem Querschnitt auf, mit denen sich der Dichtring 1 gegen ein benachbartes Lager abstützen kann, ohne dass durch diese Abstützung der radiale Abfluss von öl aus dem Lager blockiert wird.

Auf seiner anderen Seitenfläche 7 weist der Dichtring 1 eine plane ringförmige Fläche 15 auf, die am Umfang von einem in Axialrichtung vorspringenden Bund 17 umgeben ist. Ausgehend von der Planfläche 15 ist in den Ring 1 eine kreisringförmige Nut 19 eingearbeitet. In diese Nut 19 münden eine Vielzahl von radialen Sackbohrungen 21,

die von der äußeren Umfangsfläche 3 her in den Ring eingebohrt worden sind, und zwar bis zu einer Tiefe, die ungefähr dem inneren Durchmesser der Ringnut 19 entspricht. Die Mündungen 21b der Sackbohrungen 21 an der äußeren Umfangsfläche 3 bilden eine Vielzahl von über deren Umfang verteilten Leckgas-Austrittsöffnungen. Die Tiefe der Ringnut 19 und der Sackbohrungen 21 ist so bemessen, dass die Bodenfläche der Ringnut 19 sekant bezüglich des kreisförmigen Querschnitts der Bohrungen 21 verläuft, was bedeutet, dass ein innerer Endbereich 21a jeder Bohrung 21 auf einem Teil seines Umfangs zur Nut 19 hin offen ist. Dies hat zur Folge, dass in der Frontansicht des Ringes von links in Fig. 1, also in der Ansicht gemäß Fig. 2 und Fig. 4, die von der Nut 19 geschnittenen inneren Endbereiche 21a der Bohrungen 21 als offene Vertiefungen sichtbar sind. Die Mittelachsen der Radialbohrungen 21 liegen in einer gemeinsamen radialen Ebene.

Um bei gegebenen Abmessungen des Dichtrings 1, insbesondere bei geringer axialer Breite, einen möglichst großen Strömungsquerschnitt für in die Ringnut 19 einströmendes Leckgas zur äußeren Umfangsfläche 3 des Dichtrings 1 zu schaffen, hat der Dichtring 1 vorzugweise eine relativ große Anzahl von Radialbohrungen 21, die in gleichförmigen Winkelabständen angeordnet sind. Die gezeigte bevorzugte Ausführungsform hat vierundzwanzig Radialbohrungen 21 in Winkelabständen von 15°.

Fig. 6 veranschaulicht die Verwendung des Dichtrings 1 als Komponente einer Lagerund Dichtungsanordnung für den Wellenzapfen 31 eines Rotors eines Schraubenkompressors. Der Wellenzapfen 31 hat drei Abschnitte 31a, 31b und 31c, die unterschiedlichen Durchmesser haben, wobei am übergang eines Abschnitts zum andern jeweils eine Ringschulter des Wellenzapfens 31 gebildet wird. Der in Fig. 6 linke Wellenabschnitt 31a mit dem größten Durchmesser ist mit einem links davon zu denkenden (nicht dargestellten) Rotor des Kompressors verbunden. Der in Fig. 6 rechte Endabschnitt 31c des Wellenzapfens 31 mit dem kleinsten Durchmesser ist mittels eines schematisch bei 33 angedeuteten, ölgeschmierten Wälzlagers in einem Lager- und Dichtungsgehäuse 35 gelagert, bei dem es sich um einen einstückigen Bestandteil des Gehäuses des Schraubenkompressors oder aber um einen gesonderten, in das Rotorgehäuse eingesetzten Lagerring handeln kann.

Die in Fig. 6 gezeigte Dichtungsanordnung hat eine doppelte Aufgabe. Sie soll einerseits verhindern, dass größere Mengen von unter Druck stehendem Gas aus dem Verdichtungsraum des Kompressors (d. h. in Fig. 6 von links) entlang des Wellenzapfens 31 bis in das ölgeschmierte Lager 33 gelangen können. Andererseits soll sie verhindern, dass öl aus dem Lager 33 entlang der Oberfläche des Wellenzapfens 31 (in Fig. 6 von rechts nach links) in den Verdichtungsraum des Kompressors gelangt und das zu verdichtende Gas verunreinigt.

Die Dichtungsanordnung gemäß Fig. 6 weist in ihrem linken, dem (nicht dargestellten) Rotor zugewandten Abschnitt eine ringförmige Dichtung oder ein Paket aus zwei oder mehr Dichtringen 37 auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um acht hintereinander angeordnete Dichtringe 37. Die Dichtringe 37 sind "schwimmend" angeordnet und über Federn vorgespannt und bilden Ringspaltdichtungen, die mit der Umfangsfläche des Wellenabschnitts 31a berührungslos zusammenwirken.

Zwischen dem Dichtungspaket 37 und dem Lager 33 befindet sich als öldichtung der Dichtring 1, der so gestaltet ist, wie anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben wurde. Das als Rückführgewinde ausgebildete Labyrinthprofil 13 an der inneren Umfangsfläche des Dichtrings 1 dichtet berührungslos als Labyrinthdichtung gegen den mittleren Abschnitt 31b des Wellenzapfens 31 ab. An seinem Außenumfang ist der Dichtring 1 durch einen in die Nut 11 eingesetzten elastomeren Dichtungsring 39 gegen das Lager- und Dichtungsgehäuse 35 abgedichtet. Zwischen dem Dichtring 1 und dem ihm nächstliegenden Ring 37a des Dichtungsringpaketes 37 ist eine Beilagscheibe 41 eingesetzt, die die Anlage zwischen dem Dichtring 1 und dem benachbarten Dichtungsring 37a vermittelt und die teilweise die öffnung der Ringnut 19 des Dichtrings 1 überdeckt. Zwischen dem Dichtring 1 und dem Lager 33 befindet sich ein ölspritzschirm 43, der öltröpfchen aus dem Lager 33 auffangen und von dem Dichtring 1 fernhalten soll. öl aus dem Lager 33 kann sich in einer im Lager- und Dichtungsgehäuse 35 ausgebildeten Ringnut 44 sammeln und aus dieser z. B. in einen ölsumpf abgezogen werden.

Die Leckgas- Austrittsöffhungen 21b, mit denen die Radialbohrungen 21 des Dichtrings 1 an dessen Umfangsfläche 3 ausmünden, liegen einer im Gehäuse 35 ausgebildeten Ringnut 45 gegenüber, die mit einem (nicht dargestellten) Entlüftungskanal (Laterne) verbunden ist, der zur Atmosphäre offen oder mit dem Einlass des Kompressors verbunden ist.

Da erfindungsgemäß innerhalb der Breite des Dichtrings 1 durch die Ringnut 19 und die Radialbohrungen 21 ein Strömungsweg mit großem Querschnitt für das abzuziehende Leckgas geschaffen wird, kann die das Leckgas aufnehmende Ringnut 45 des Dichtungsgehäuses 35 ebenfalls innerhalb der axialen Breite des Dichtrings 1 angeordnet werden und braucht nicht, wie bei den bekannten Dichtungsanordnungen, seitlich versetzt zu dem öldichtring 1 angeordnet zu werden. Dadurch lässt sich eine beträchtliche Verkürzung der gesamten Dichtungsanordnung in Axialrichtung erzielen.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Sie kann gegenüber dieser Ausführungsform abgeändert werden. Zwei solche Abänderungen sind in Fig. 7 und 8 in einer durch die Achse verlaufenden Schnittdarstellung entsprechend Fig. 1 dargestellt, wobei jedoch nur die obere Hälfte der Schnittdarstellung gezeigt ist. Im Folgenden werden nur die Abweichungen der Ausführungsformen gemäß Fig. 7 und Fig. 8 von der anhand von Fig. 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsform erläutert. Bezüglich der im Folgenden nicht erläuterten Details stimmen die Ausfuhrungsformen gemäß Fig. 7 und Fig. 8 mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 5 überein.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist in der Seitenfläche 7 des Dichtrings, bzw. der planen Fläche 15, eine Ringnut, wie die Ringnut 19 in Fig. 1, nicht vorgesehen. Statt dessen sind von der Seitenfläche 7 her eine Vielzahl von axial verlaufenden Sackbohrungen 25 in den Dichtring eingebohrt, die in kreisförmiger Anordnung bezüglich der Achse A des Dichtrings und in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet sind. Dabei sind die axialen Sackbohrungen 25 so ausgerichtet, dass jede axiale Sackbohrung 25 sich mit einer der radialen Sackbohrungen 21 in jeweils der gleichen radialen Ebene kreuzt. Die Mündung 25a jeder axialen Sackbohrung 25 in

der Seitenfläche 7 des Dichtrings bildet eine Einströmöffhung für Leckgas, so dass in der Seitenfläche des Dichtrings, anstelle der bei der vorigen Ausfuhrungsform vorgesehenen Ringnut 19, eine Vielzahl von durch die axialen Sackbohrungen gebildeten Einströmöffhungen 25a vorgesehen ist. An der äußeren Umfangsfläche 3 des Dichtrings bilden, wie bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 1 bis 5, die radialen Sackbohrungen 21 eine Vielzahl von Leckgas- Austrittsöfϊhungen 21b.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausfuhrungsform ist ebenfalls eine Vielzahl von axialen Sackbohrungen 25 vorgesehen, die von der Seitenfläche 7 her in den Dichtring 1 eingebohrt sind. Die axialen Sackbohrungen 25 sind in gleichmäßigen Winkelabständen bezüglich der Achse A des Dichtrings angeordnet, und ihre Mündungen 25a an der Seitenfläche 7 bilden eine kreisförmige Anordnung von Leckgas-Eintrittsöffhungen.

Anstelle der von der äußeren Umfangsfläche ausgehenden radialen Sackbohrungen 21 bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 5 und Fig. 7 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 in die äußere Umfangsfläche 3 eine Ringnut 23 eingearbeitet, deren Tiefe so bemessen ist, dass die Ringnut 23 die axialen Sackbohrungen 25 schneidet. Die Ringnut 23 bietet somit eine einzige, mit allen axialen Sackbohrungen 25 kommunizierende Leckgas- Austrittsöffhung.

Weitere abgeänderte Ausfuhrungsformen sind im Rahmen der Erfindung denkbar. So können z. B. die Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 5 und Fig. 7 so modifiziert werden, dass die radialen Sackbohrungen 21 nicht direkt an der äußeren Umfangsfläche 3 ausmünden, sondern in einer flachen Ringnut, die in die äußere Umfangsfläche 3 eingearbeitet ist. Ferner kann bei der Dichtungsanordnung gemäß Fig. 6 die Beilagscheibe 41 weggelassen werden und statt dessen einen Dichtring 1 einer seitlichen Lagerfläche für den angrenzenden Dichtungsring 31a ausgebildet werden, wodurch sich allerdings die Fertigung des Dichtrings 1 schwieriger gestalten könnte.

Auch die gesamte Dichtungsanordnung, in die der erfindungsgemäße Dichtring 1 eingebaut werden soll, kann anders gestaltet werden als anhand von Fig. 6 dargestellt und beschrieben. Die Zahl der zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Dichtring 1 vorhande-

nen Dichtungsringe 37, die zwischen diesem und dem Gas-Verdichtungsraum des Schraubenkompressors eingesetzt werden, kann größer oder kleiner als 8 sein. Anstelle des Pakets von Dichtringen 37, oder zusätzlich zu diesem, kann z. B. eine Kohleringdichtung (nicht dargestellt) zwischen dem erfindungsgemäßen Dichtring 1 und dem Gas- Verdichtungsraum des Kompressors eingesetzt werden.