BE1016462A3 - Verbeterde dichting voor persluchtinrichtingen. - Google Patents

Abstract

Dichting voor het afdichten van een roteerbare as voor persluchtinrichtingen die aangewend wordt rond een as (2) ter plaatse van een wand van een behuizing (3) waardoor de as (2) voert, welke dichting in hoofdzaak bestaat uit een dichtingsring (1) die met een kleine speling S over de as (2) en tussen een houder (4) en de behuizing (3) is aangebracht, daardoor gekenmerkt dat het gewicht en de afmetingen van de dichtingsring (1), de speling S tussen de dichtingsring (1) en de as (2) en de afwerking van de dichtingsring en van de as (2) ter plaatse van hun onderlinge contactoppervlakken zodanig zijn dat een dragende fluïdumfilm gevormd wordt bij rotatie van de as (2) waardoor de dichtingsring (1) zichzelf centreert.

Description

  Verbeterde dichting voor persluchtinrichtingen.

  
De huidige uitvinding heeft betrekking op een verbeterde dichting voor het afdichten van een roteerbare as voor persluchtinrichtingen, zoals bijvoorbeeld compressoren.

  
Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een verbeterde dichting die aangebracht kan worden bij de doorgang door een wand van een behuizing waardoor een roteerbare as is gevoerd, bijvoorbeeld een scheidingswand tussen een hoge druk gedeelte en een lage druk gedeelte.

  
Naast de welbekende toepassing van zulke dichting tussen twee gassen, worden zulke dichtingen ook aangewend tussen een gas en een vloeistof of tussen twee vloeistoffen. Het vervolg van de tekst verwijst naar de toepassing tussen twee gassen, maar de uitvinding is toepasbaar tussen fluïda in het algemeen.

  
De dichtingen die voor zulke toepassingen gebruikelijk worden aangewend, bestaan in hoofdzaak uit een dichtingsring die nauw passend rond de as wordt aangebracht en waarbij de rotatie van de ring voorkomen wordt door de dichtingsring in axiale richting aan te drukken tegen een houder die op haar beurt klemmend is aangebracht in de behuizing.

  
Het probleem dat zich stelt, is dat door de hierboven beschreven opspanning, de dichtingsring ook radiaal geblokkeerd wordt, zodat de vlottende werking van de dichtingsring wordt weggenomen. 

  
Deze starre positie veroorzaakt onoverkomelijk schade door slijtage aan de as en aan de dichtingsring.

  
De speling tussen de dichtingsring en de as dient namelijk zeer klein te zijn opdat de lekkage van perslucht langs de as beperkt zou blijven.

  
Door deze kleine speling kan het contact van de as met de dichtingsring niet voorkomen worden, omdat de radiale slag of de thermische uitzetting van de as groter kan zijn dan de gewenste speling.

  
Daarbij komt dat de speling groter wordt door de hierboven beschreven slijtage en dat daardoor de lekkage van perslucht langs de as toeneemt.

  
Het doel van de uitvinding is een afdoend antwoord te bieden aan voornoemde en andere problemen en daartoe bestaat de verbeterde dichting voor het afdichten van een roteerbare as voor persluchtinrichtingen die aangewend wordt rond een as ter plaatse van een wand van een behuizing waardoor de as voert, welke dichting in hoofdzaak bestaat uit een dichtingsring die met een kleine speling S over de as en tussen een houder en de behuizing is aangebracht, waarbij het gewicht en de afmetingen van de dichtingsring, de speling S tussen de dichtingsring en de as, en de afwerking van de dichtingsring en van de as ter plaatse van hun onderlinge contactoppervlakken zodanig zijn dat een dragende fluïdumfilm gevormd wordt, zij het een gasfilm of een vloeistoffilm, bij rotatie van de as waardoor de dichtingsring zichzelf centreert. 

  
Inderdaad, het drukverschil veroorzaakt in de toepassing van de dichting tussen luchtcompartimenten een luchtlek langs de speling S die bij rotatie van de as een dragende gasfilm opbouwt door de aanwezige gaswig tussen de dichtingsring en de as waardoor de dichtingsring zichzelf centreert.

  
Bij voorkeur wordt de ring in haar buitenwand of ter plaatse van haar kopse kant voorzien van een holte die kan samenwerken met een pen of dergelijke die rechtstreeks of onrechtstreeks verbonden is met de behuizing.

  
De pen is zodanig uitgevoerd dat ze de rotatie van de dichtingsring voorkomt maar dat ze tegelijk de vlottende werking van de dichtingsring toelaat.

  
Volgens een voorkeurdragende uitvoeringsvorm zijn de onderlinge contactoppervlakken van de as, van de dichtingsring, van de houder en van de behuizing geslepen uitgevoerd.

  
Aldus wordt de dichting geoptimaliseerd.

  
In tegenstelling tot de hierboven vermelde voorkeurdragende uitvoeringsvorm, kan het contactoppervlak van de as met de dichtingsring en/of het inwendig gelegen contactoppervlak van de dichtingsring met de as voorzien zijn van een textuur. 

  
Met contactoppervlak wordt bedoeld de oppervlakken van de as en van de dichtingsring die door de speling S van elkaar gescheiden zijn.

  
Zulk een textuur biedt het voordeel dat het inloopgedrag van de ring op de as verbeterd wordt bij een te kleine radiale speling, bijvoorbeeld ten gevolge van thermische uitzetting.

  
Bovendien versterken en/of stabiliseren zulke textuuroppervlakken de zelfcentrerende werking.

  
Volgens een bijzondere uitvoeringsvorm zijn één of meerdere delen van de textuurgedeelten voorzien van eventueel enigszins verhoogde delen die functioneren als drukdammen.

  
Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven van een verbeterde dichting voor persluchtinrichtingen, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin:
figuur 1 schematisch en in doorsnede een bekende dichting voor persluchtinrichtingen weergeeft; figuur 2 schematisch en in doorsnede een verbeterde dichting voor persluchtinrichtingen volgens de uitvinding weergeeft; figuur 3 een doorsnede volgens lijn III-III van de dichting uit figuur 2 weergeeft; figuur 4 een variante positie van de dichting uit figuur 3 weergeeft; figuur 5 in doorsnede een variante uitvoeringsvorm van de as weergeeft; figuren 6 tot 8 variante uitvoeringsvormen weergeven van een verbeterde dichting voor persluchtinrichtingen volgens de uitvinding.

  
In figuur 1 wordt een bekende dichtingsring 1 voor persluchtinrichtingen weergegeven die gebruikelijk wordt aangewend rond een roteerbare as 2 ter plaatse van een wand van een behuizing 3 waardoor de as 2 voert, bijvoorbeeld een scheidingswand tussen een hoge druk gedeelte HP en een lage druk gedeelte LP.

  
De dichtingsring 1 is met kleine speling S rond de as 2 aangebracht en de rotatie van de dichtingsring 1 rond de as 2 wordt voorkomen door de dichtingsring 1 in axiale richting aan te drukken tegen een houder 4 die op haar beurt klemmend is aangebracht in de behuizing 3.

  
De axiale druk kan bijvoorbeeld worden uitgevoerd door een veer 5 die voorzien kan worden tussen de behuizing 3 en de dichtingsring 1.

  
Deze axiale druk voorkomt dat de dichtingsring 1 gaat roteren en tegelijk wordt de afdichting tussen de dichtingsring 1 en de houder 4 gegarandeerd.

  
Het probleem dat zich stelt, is dat de hierboven beschreven opspanning de dichtingsring 1 niet enkel tegen rotatie blokkeert, maar dat ook de radiale vrijheidsgraad of de zogenaamde vlottende werking van de dichtingsring 1 wordt weggenomen. 

  
Deze starre positie veroorzaakt onoverkomelijk schade door slijtage aan de as 2 en aan de dichtingsring 1.

  
De speling S tussen de dichtingsring 1 en de as 2 dient namelijk zeer klein te zijn, opdat de lekkage van perslucht langs de as 2 beperkt zou blijven.

  
Door deze kleine speling S kan het contact van de as 2 met de dichtingsring 1 niet voorkomen worden omdat de radiale slag of de thermische uitzetting van de as 2 groter kan zijn dan de gewenste speling S.

  
Daarbij komt dat de speling S groter wordt door de hierboven beschreven slijtage en dat daardoor de lekkage van perslucht langs de as 2 toeneemt.

  
In figuur 2 wordt een verbeterde dichting voor persluchtinrichtingen volgens de uitvinding weergegeven, die in hoofdzaak bestaat uit een dichtingsring 1 gemaakt uit grafiet die met een speling over een as 2 is aangebracht.

  
De dichtingsring 1 heeft een breedte B en een binnendiameter die enkele micrometers of enkele tientallen micrometers groter is dan de buitendiameter van de as 2.

  
De dichtingsring 1 werkt samen met een bijhorende houder 4 die in een wand 6 van een behuizing 3 is aangebracht.

  
De buitenwand 7 van de dichtingsring 1 is voorzien van een holte 8. 

  
In lijn met deze holte 8 is de houder 4 voorzien van een boring 9 waarin een pen 10 klemmend is aangebracht.

  
De pen 10 reikt tot in de holte 8 van de dichtingsring 1 waarbij de diameter en de vorm van de holte 8, respectievelijk van de pen 10, zodanig zijn dat de pen 10 niet noodzakelijk contact maakt met de binnenwand 11 van de holte 8, zodat de dichtingsring 1, zowel radiaal, als axiaal vrij kan bewegen.

  
De houder 4 bestaat in hoofdzaak uit een bus 12 waarvan de binnendiameter over een eerste gedeelte 13 groter is dan de diameter van de as 2 en waarvan de binnendiameter over een tweede gedeelte 14, in dit geval 0,75 mm groter is dan de buitendiameter van de dichtingsring 1.

  
De overgang van het eerste gedeelte 13 naar het tweede gedeelte 14 bestaat in deze uitvoering uit een dwars op de as 2 gerichte wand 15 die een schouder vormt die kan samenwerken met de hoofdzakelijk parallel daaraan gelegen voorwand 16 van de dichtingsring 1.

  
De lengte van het tweede gedeelte 14 is hier 0,5 mm groter dan de breedte B van de dichtingsring 1. In het algemeen kan gesteld worden dat het verschil tussen voornoemde afmetingen zo klein mogelijk dient te zijn, doch dat de dichtingsring 1 nooit mag geklemd zitten en dat hierbij rekening dient te worden gehouden met de toleranties.

  
Het tweede gedeelte 14 van de houder 4 vertoont vanaf haar kopse uiteinde 17 en tot voorbij de boring 9 een kleinere buitendiameter dan de buitendiameter van de bus 12. 

  
De behuizing 3 is, ter plaatse van de doorgang 18 van de as 2, voorzien van een cilindervormige kamer 19 waarvan de diameter en de diepte afgestemd zijn op de grootste buitendiameter en de lengte van de houder 4, zodat de houder 4 er klemmend kan worden ingebracht.

  
De werking van de hierboven besproken dichtingsring 1 is eenvoudig en als volgt.

  
De dichtingsring 1 scheidt de hoge drukzijde HP in de persluchtinrichting, bijvoorbeeld een schroefcompressor, van de lage drukzijde LP.

  
Zolang dit drukverschil niet aanwezig is, bijvoorbeeld bij stilstand van de schroefcompressor, zal bij een horizontale as 2 de dichtingsring 1 op de as 2 rusten waardoor er een excentriciteit ontstaat, zoals weergegeven in figuur 3.

  
In figuur 4 wordt verduidelijkt hoe de dichtingsring 1 loskomt van de as 2 wanneer de as 2 draait en wanneer er een drukverschil over de dichtingsring 1 wordt gecreëerd.

  
Inderdaad, het drukverschil veroorzaakt een luchtlek die bij rotatie van de as 2 een dragende gasfilm opbouwt tussen de dichtingsring 1 en de as 2 waardoor de dichtingsring 1 zichzelf centreert.

  
De normaalkracht die de gaswig of de dragende gasfilm uitoefent op de dichtingsring 1 is hoogstens gelijk aan het gewicht van de dichtingsring 1, wat beduidend lager is dan de wrijvingskracht opgewekt door een veer, zoals toegepast in de bekende uitvoering, zoals weergegeven in figuur 1. 

  
Uit metingen blijkt bovendien dat de luchtlek anderhalve keer kleiner is wanneer de dichtingsring 1 perfect gecentreerd is rond de as 2 in vergelijking met de luchtlek wanneer de dichtingsring 1 op de as 2 rust.

  
De zelfcentrering zorgt er uiteraard ook voor dat de wrijving en de bijhorende slijtage sterk worden teruggedrongen.

  
De overdruk zorgt er tevens voor dat de dichtingsring 1 met zijn voorwand 16 tegen de wand 15 van de houder 4 wordt gedrukt, zodat de afdichting aldaar gegarandeerd is, doch zodanig dat de radiale krachten de wrijvingskracht tussen de wanden 15 en 16 kunnen overwinnen.

  
De pen 10 die klemmend in de boring 9 is aangebracht, reikt zoals gezegd tot in de holte 8 van de dichtingsring 1, doch zonder noodzakelij k contact te maken met de binnenwand 11 van de holte 8.

  
Deze pen 10 voorkomt dat de dichtingsring 1 gaat meedraaien met de as 2 en laat tegelijkertijd toe dat de dichtingsring 1 zich enigszins radiaal en axiaal kan verplaatsen.

  
De montage van de dichtingsring 1 volgens de uitvinding is eveneens eenvoudig en als volgt.

  
Eerst wordt de dichtingsring 1 in de houder 4 geplaatst en wordt de pen 10 door de boring 9 tot in de holte 8 van de dichtingsring 1 gevoerd en in die positie in de boring 9 bevestigd door een klemming of dergelijke. 

  
Vervolgens wordt de houder 4 in de kamer 19 aangebracht waarbij het tweede gedeelte 14 van de houder 4, dankzij de kleinere buitendiameter, vrij in de kamer 19 gevoerd kan worden, waarna het eerste gedeelte 13 in de kamer 19 geklemd wordt.

  
Vervolgens kan de as 2 door de dichtingsring 1 gevoerd worden.

  
Opdat de dragende gasfilm in staat zou zijn de dichtingsring 1 te centreren, is aldus de uitvinding de dichtingsring 1 bij voorkeur licht en met grote breedte B uitgevoerd.

  
Met andere woorden is de verhoudingsfactor van het contactoppervlak van de dichtingsring 1 met de as 2 tot het gewicht van de dichtingsring 1 relatief groot en bij voorkeur groter dan 20 mm2/g.

  
In het besproken voorbeeld is de dichtingsring 1 gemaakt uit grafiet.

  
Uit experimenten is gebleken dat grafiet naast de lage massadensiteit ook zeer gunstige eigenschappen vertoont op het gebied van de wrijvingseigenschappen met staal.

  
Grafiet is tevens zeer geschikt voor de spreiding van warmte, bijvoorbeeld afkomstig van de wrijving van de dichtingsring 1 met de as 2. De warmte dient inderdaad voldoende snel te worden verspreid om de vorming van lokaal verhitte punten of zogenaamde "hot spots" te voorkomen. 

  
Het gebruikte materiaal voor de dichtingsring 1 bezit bij voorkeur een thermische uitzettingscoëfficiënt die gelijk is aan de thermische uitzettingscoëfficiënt van staal waaruit de as 2 is vervaardigd.

  
In het geval van grafiet is de thermische uitzettingscoëfficiënt kleiner dan die van staal, meer

  
 <EMI ID=1.1> 

  
Als gevolg daarvan neemt, bij opwarming, de speling S tussen de stalen as 2 en de dichtingsring 1 af, en daarop dient men te anticiperen, indien men werking in hogere temperatuurszones verwacht door de speling tussen de as 2 en de dichtingsring 1 groter uit te voeren opdat de vernauwing bij opwarming kan worden opgevangen.

  
Dit probleem kan ook worden opgevangen door het oppervlak van de as 2 ter plaatse van het mogelijk contact met de dichtingsring 1 een fijne textuur te geven van enkele microns diep, zoals schematisch weergegeven in figuur 5.

  
In het algemeen worden de onderlinge contactoppervlakken of de afdichtingsvlakken van afdichtingsring 1, van de as 2, van de houder 4 en van de behuizing 3 geslepen, zodat een optimale afdichting bekomen wordt.

  
In tegenstelling tot dit algemene voorschrift kan, zoals hierboven beschreven, een textuur voorzien worden ter plaatse van de contactoppervlakken van de as 2 en de dichtingsring 1. 

  
Met contactoppervlakken wordt hier bedoeld de vlakken van de as 2 en van de dichtingsring 1 die door de speling S van elkaar gescheiden worden.

  
Deze textuur kan abrasief inwerken op de dichtingsring 1 in geval van gebrek aan radiale speling door werking in hoge temperatuursgebieden. Het teveel aan grafiet kan worden weggesleten door de as 2 waarbij het losgemaakte grafiet zich kan verzamelen in de textuur.

  
De textuur kan eventueel ook al dan niet in combinatie voorzien worden aan de binnenkant van de dichtingsring 1.

  
Naast het verbeterde inloopgedrag van de dichtingsring 1 op de as 2 zorgt de voornoemde textuur bijkomend voor een liftende werking.

  
Met andere woorden wordt de dragende gasfilm krachtiger zodat een sterker zelfcentrerend effect optreedt.

  
We merken op dat hiertoe bijkomend ook één of meer drukdammen, die bijvoorbeeld kunnen bestaan uit een ringvormige rib, voorzien kunnen worden, zowel aan de inwendige zijde van de dichtingsring 1, als aan het buitenoppervlak van de as 2.

  
Het probleem van de afnemende speling S tussen de as 2 en de dichtingsring 1 bij toenemende temperatuur kan tenslotte ook worden voorkomen door zulke dichtingsring 1 uit grafiet te voorzien van een stalen ring, bijvoorbeeld aan de buitenwand ervan, zoals weergegeven in figuur 6. 

  
De binnenring gemaakt uit grafiet wordt met een perspassing in de stalen ring aangebracht. Zulke samengestelde dichtingsring 1 zet uit, zoals de stalen ring uitzet, maar is zwaarder en duurder, vooral als de stalen ring uit martensietisch/ferrietisch roestvrij staal is vervaardigd.

  
Wat betreft de breedte B van de dichtingsring 1 is het belangrij k te melden dat een te grote breedte B leidt tot scheefstelling van de dichtingsring 1 ten opzichte van de as 2 waardoor de dichting tussen de dichtingsring 4 en de houder 4 benadeeld wordt.

  
Voor een as 2 met diameter gelijk aan 35 mm wordt bijvoorbeeld een goede afdichting opgemeten met een dichtingsring 1 met breedte B gelijk aan 15 mm.

  
In figuur 7 wordt bijkomend nog een variante uitvoeringsvorm van de dichtingsring 1 aldus de uitvinding weergegeven, waarbij vooral de buitenwand van de dichtingsring 1 anders is uitgevoerd.

  
In figuur 8 is een dichting volgens de uitvinding weergegeven waarbij de pen 10 in deze bijzondere uitvoering parallel aan de as 2 is aangebracht.

  
Het is hierbij uiteraard van belang dat de axiale en radiale speling van de dichtingsring 1 gegarandeerd blijven.

  
Het is duidelijk dat het blokkeren van de rotatie van de dichtingsring 1, terwijl de axiale en radiale speling mogelijk blijven op talrijke wijzen gerealiseerd kan worden.

  
De dichtingsring 1 uit het besproken voorbeeld is gemaakt uit grafiet, maar het is duidelijk dat de dichtingsring 1 ook uit een ander materiaal, met een bij voorkeur lage massadensiteit, vervaardigd kan worden.

  
In geval van metalen kunnen de wrijvingseigenschappen worden verbeterd door een coating te voorzien ter plaatse van de dichtingsring 1 of de as 2, bijvoorbeeld gebaseerd op vlamspuiten, opdampen, stroomloos vernikkelen of nog andere technieken.

  
Het gewicht kan anderzijds ook beperkt worden door de dichtingsring 1 relatief dunwandig uit te voeren.

  
Men dient in zulk geval rekening te houden met een voldoende nauwkeurige uitvoering en een beperkte afwijking van de ronde vorm van de dichtingsring 1.

  
De ring kan bijvoorbeeld ook uit al dan niet gecoat roestvast staal gemaakt worden, bijvoorbeeld uit AISI430F of AISI416.

  
Het is duidelijk dat de dichting volgens de uitvinding naast de besproken toepassing tussen twee gassen ook kan worden toegepast tussen een gas en een vloeistof of tussen twee vloeistoffen, of tussen fluida in het algemeen. In dat opzicht is het duidelijk dat de gasfilm veralgemeend als een "fluïdumfilm" dient te worden gelezen. 

  
De materialen van de dichting dienen desgevallend te zijn aangepast voor gebruik met vloeistoffen.

  
De huidige uitvinding is geenszins. beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een dergelijke verbeterde dichting voor persluchtinrichtingen kan volgens verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (11)

Conclusies.

1. Dichting voor het afdichten van een roteerbare as voor

persluchtinrichtingen die aangewend wordt rond een as

(2) met de dichtingsring (1) en/of van het inwendig gelegen contactoppervlak van de dichtingsring (1) met de as (2) voorzien zijn van een enigszins verhoogd gedeelte.

2. Dichting volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de

dichtingsring (1) voorzien is van middelen die de dichtingsring (1) kunnen blokkeren tegen rotatie en deze toch axiaal en radiaal vrij kunnen laten bewegen.

(2) ter plaatse van een wand van een behuizing (3) waardoor de as (2) voert, welke dichting in hoofdzaak bestaat uit een dichtingsring (1) die met een kleine speling S over de as (2) en tussen een houder (4) en de behuizing (3) is aangebracht, daardoor gekenmerkt dat het gewicht en de afmetingen van de dichtingsring (1), de speling S tussen de dichtingsring (1) en de as (2) en de afwerking van de dichtingsring (1) en van de as (2) ter plaatse van hun onderlinge contactoppervlakken zodanig zijn dat een dragende fluïdumfilm gevormd wordt bij rotatie van de as (2) waardoor de dichtingsring (1) zichzelf centreert.

(3) geslepen zijn uitgevoerd.

3. Dichting volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de

dichtingsring (1) ter plaatse van zijn buitenwand (7) of ter plaatse van zijn kopse kant voorzien is van een holte (8) die kan samenwerken met een pen (10) of dergelijke die is verbonden met de houder (4).

4. Dichting volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat de

pen (10) tot in de holte (8) reikt zonder dat ze noodzakelijk contact maakt met de binnenwand (11) van de holte (8), om te bekomen dat ze de rotatie van de dichtingsring (1) met de as (2) voorkomt maar tegelijk de radiale en axiale vlottende werking toelaat.

5. Dichting volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de

onderlinge contactoppervlakken van de as (2), van de dichtingsring (1), van de houder (4) en van de behuizing

6. Dichting volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat

minstens delen van het contactoppervlak van de as (2) met de dichtingsring (1) en/of van het inwendig gelegen contactoppervlak van de dichtingsring (1) met de as (2) voorzien zijn van een textuur.

7. Dichting volgens conclusie 1 of 6 , daardoor gekenmerkt

dat minstens delen van het contactoppervlak van de as

8. Dichting volgens conclusie 6 of 7, daardoor gekenmerkt

dat de as (2) en/of de dichtingsring (1) voorzien is van minstens een verhoogde rand nabij één van de kopse uiteinden van de dichtingsring (1).

9. Dichtingsring die kan aangewend worden in de dichting

volgens één of meer van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat hij vervaardigd is uit grafiet of een ander gepast materiaal met lage massadensiteit.

10. Dichtingsring die kan aangewend worden in de dichting

volgens één of meer van de conclusies 1 tot 8 , daardoor gekenmerkt dat hij dunwandig is uitgevoerd.

11. Dichtingsring die kan aangewend worden in de dichting

volgens één of meer van de conclusies 1 tot 8 , daardoor gekenmerkt dat de verhoudingsfactor van het contactoppervlak van de dichtingsring (1) met de as (2) tot het gewicht van de dichtingsring (1) groter is dan 20 mm2/g.