DE102012013988B4 - Gleitkassettenabdichtung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung, die eine gasfeste und berührungsfreie Abdichtung zwischen Welle und Gehäuse verbunden durch ein Kugellager schafft. Die Abdichtungsfähigkeit des Vorrichtung steigt mit der Drehzahl des rotierenden Teils. Dabei wird eine absolut zuverlässige Abdichtung auch während des Stillstands oder bei niedrigen Drehzahlen erreicht, indem eine mit dem Rotor der Vorrichtung sich drehende Kassette mit variabler Geometrie die Dichtungsfunktion übernimmt; bei höheren Drehzahlen wird das elastische Element dieser Kassetten durch Zentrifugalkraft verbogen, sodaß sie ohne Kontakt mit dem Gegenstück bleiben und somit keine Reibungsverluste mehr verursachen. Das Besondere dabei ist, daß die radiale Ausdehnung dieser Kassetten durch Führungsringe begrenzt ist, wobei sie ebenfalls gasdichte Gebilde sind, und durch Komprimierung des darin enthaltenen Gases die elastischen Elemente in ihrer Funktion unterstützen.The present invention describes a device which creates a gas-tight and contact-free seal between the shaft and the housing connected by a ball bearing. The sealing ability of the device increases with the speed of rotation of the rotating part. In this case, an absolutely reliable seal is achieved even during standstill or at low speeds, in that a cassette with variable geometry that rotates with the rotor of the device takes over the sealing function; At higher speeds, the elastic element of these cassettes is bent by centrifugal force, so that they remain without contact with the counterpart and thus no longer cause any friction losses. The special feature here is that the radial expansion of these cassettes is limited by guide rings, whereby they are also gas-tight structures and support the elastic elements in their function by compressing the gas they contain.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleitkassettenabdichtung zur Gasabdichtung, welche in einem Kugellager integriert ist, Vorrichtungen die diesen Zweck erfüllen sind bekannt, wie z. B. die Simmerringe oder Lippendichtungen, die mittels eines elastischen Teils auf die Welle drücken und so das Fliessen vom Gas oder Flüssigkeit dadurch verhindern. Ebenso sind Vorrichtungen bekannt, die eine Kontaktdichtung bei niedrigen Drehzahlen und eine kontaktlose Abdichtung bei hohen Drehzahlen verwenden, wie in der Patentschrift DD 62 972 A1 enthalten. Die Aufgabe besteht darin, eine derartige Abdichtung zu verbessern. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The invention relates to a Gleitkassettenabdichtung gas seal, which is integrated in a ball bearing, devices that meet this purpose are known, such as. As the Simmerrings or lip seals that press by means of an elastic member on the shaft and thus prevent the flow of gas or liquid thereby. Likewise, devices are known which use a contact seal at low speeds and a non-contact seal at high speeds, as in the patent DD 62 972 A1 contain. The object is to improve such a seal. The object is achieved with the features of claim 1.

Die vorliegende Erfindung verwendet statt der einfachen Kontaktdichtung eine sogenannte Gleitkassettendichtung. Diese bietet eine relativ kleine Fläche – vor allem von auslegbarer Größe –, die parallel mit der Achse verläuft, dem umgebenden Gasdruck und dies stellt sicher, daß ein zentrifugales Abheben in einem vertretbaren – also relativ geringen – Drehzahlbereich stattfindet. Diese Fläche ist ein Dimensionierungsparameter für die Abhebedrehzahl. Darüber hinaus hat die Lösung mit Gleitkassettendichtungen weitere Vorteile, wie folgt:

  • – verhindert die übermäßige Deformation der elastischen Elemente der Abdichtung und somit ist deren Reißen bei hohen Drehzahlen ausgeschlossen
  • – ermöglicht nur ein radiales Gleiten des elastischen Elemente, ohne Gefahr einer seitlichen Ausdehnung, die mit Schleifen an den Gehäusewänden verbunden sein kann
  • – bildet eine interne Gaskammer (Kassetteninnere), die sich elastische verhält und die Wirkung der elastischen Elemente, die im unterem Drehzahlbereich als Kontaktdichtungen arbeiten, unterstützt
  • – zusätzlich weist der Rotor der Vorrichtung seitliche Erhebungen auf, die ein Mitnahmeeffekt für die umgebende Flüssigkeit hat, wodurch der Abdichtungsdruck im höheren Drehzahlbereich wesentlich erhöht wird.
The present invention uses a so-called sliding cassette seal instead of the simple contact seal. This provides a relatively small area - especially of ausleggbarer size - which runs parallel to the axis, the surrounding gas pressure and this ensures that a centrifugal lifting takes place in a reasonable - so relatively small - speed range. This area is a sizing parameter for the lift-off speed. In addition, the slip cassette seal solution has further advantages as follows:
  • - Prevents the excessive deformation of the elastic elements of the seal and thus their rupture is excluded at high speeds
  • - Only allows a radial sliding of the elastic elements, without the risk of lateral expansion, which may be connected to loops on the housing walls
  • - Forms an internal gas chamber (cassette interior), which behaves elastic and supports the action of the elastic elements, which work as contact seals in the lower speed range
  • - In addition, the rotor of the device has lateral elevations, which has a entrainment effect for the surrounding liquid, whereby the sealing pressure in the higher speed range is substantially increased.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.An embodiment of the device according to the invention is shown in the drawing and will be explained in more detail below.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 Längsschnitt durch die VorrichtungFig. 1 longitudinal section through the device

Aufgrund der Figur wird die Funktion näher erläutert.Due to the figure, the function is explained in detail.

Es gibt zwei zentrifugal beschleunigte Flüssigkeitsscheiben 1, 2, welche entlang des größten Umfangs miteinander kommunizieren, so daß der statisch aufgebaute Druck darin sich gegenseitig kompensiert und einem äußeren einseitigen Gasdruck standhält, indem ein Teil der Flüssigkeit von der Druckseite 1, in die andere Flüssigkeitsscheibe 2 vorübergehend sich verlagert – oder umgekehrt, bei anders gerichtetem Druck –, wodurch der zentrifugale Druck in dieser Scheibe 2 sich dadurch erhöht und in der Scheibe 1 der Druck sich vermindert.There are two centrifugally accelerated liquid disks 1 . 2 which communicates with each other along the largest circumference so that the statically built-up pressure therein mutually compensates and withstands an external one-sided gas pressure by a part of the liquid from the pressure side 1 , in the other liquid disk 2 temporarily shifted - or vice versa, with differently directed pressure -, causing the centrifugal pressure in this disc 2 thereby increased and in the disk 1 the pressure decreases.

Der Rotor 3 ist mittels Lot 9 an dem Innenring 6 eines Kugellagers 8 angeflanscht, während der Stator aus Teilen 4, 5 den Rotor 3 umschließt und an dem Außenring 7 des Kugellagers 8 mittels Lot 10 ebenfalls angeflanscht ist.The rotor 3 is by means of solder 9 on the inner ring 6 a ball bearing 8th flanged while the stator is made of parts 4 . 5 the rotor 3 encloses and on the outer ring 7 of the ball bearing 8th by means of solder 10 also flanged.

Der Querschnitt des Rotors 3 bildet eine in Richtung Peripherie sich verjungende Scheibe. Der Stator besteht aus den Teilen 4 und 5 und ist mittels Lot 23 zusammengehalten, welche nach innen parallele Flächen mit dem Scheibenförmigen Rotor 3 aufweisen, dergestalt, daß darin die Flüssigkeitsscheiben 1, 2 während der Rotation existieren.The cross section of the rotor 3 forms a disk that slopes towards the periphery. The stator consists of the parts 4 and 5 and is by means of solder 23 held together, which inwardly parallel surfaces with the disc-shaped rotor 3 have, in such a way that therein the liquid discs 1 . 2 exist during the rotation.

Jeweils eine der zwei mit dem Rotor 3 rotierende Kammern oder Gleitkassetten 39, 40 komprimiert das darin befindliche Gas bei Deformationen des jeweiligen elastischen Elements 22, 29 unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft und somit läßt nur kleine radiale Bewegungen des jeweiligen elastischen Elements 22, 29 zu, die jedoch groß genug sind, um ein Abheben des als jeweiligen Schleifring 11, 12 gebildeten Ende des jeweiligen elastischen Elements 22, 29 von dem Gegenstück 26, 24 auch bei moderaten Drehzahlen zu ermöglichen. Bei großen Drehzahlen verhindert der jeweilige Führungsring 37, 38 ein weiteres Abheben komplett, indem am Ende der Gleitstrecke der jeweilige Führungsring 37, 38 als Stopper fungiert. Eine lokale Abdichtung gegen das Entweichen vom Gas aus der Gleitkassette 39, 40 oder ein Eindringen vom Gas oder Flüssigkeit von außen in dieselbe wird durch konstruktive Maßnahmen verhindert.In each case one of the two with the rotor 3 rotating chambers or slide cassettes 39 . 40 Compresses the gas therein in deformations of the respective elastic element 22 . 29 under the influence of the centrifugal force and thus leaves only small radial movements of the respective elastic element 22 . 29 however, which are large enough to lift off the respective slip ring 11 . 12 formed end of the respective elastic element 22 . 29 from the counterpart 26 . 24 even at moderate speeds to allow. At high speeds prevents the respective guide ring 37 . 38 complete another lift off by the respective guide ring at the end of the sliding section 37 . 38 acts as a stopper. A local seal against the escape of gas from the slip cassette 39 . 40 or intrusion of the gas or liquid from the outside into the same is prevented by constructive measures.

Durch weitere konstruktive Maßnahmen wird ein Großteil der Flüssigkeitsmenge enthalten in den Spalten zwischen dem Rotor 3 und den Seitenwänden der Gehäuseteile 4, 5 mit derselben Drehzahl wie der Rotor 3 in Rotation gebracht, um die Zentrifugalkraft in den Flüssigkeitsscheiben 1, 2 auf Höchstwert zu bringen, da abhängig von der Menge der rotierenden Masse und deren Drehzahl. Ein Restteil der Flüssigkeit bildet dabei eine Übergangsschicht mit immer stärker abnehmenden Drehzahlen in Richtung der Wände und je kleiner diese Restmenge an Flüssigkeit ist, desto größer ist die Fähigkeit der Vorrichtung dem äußeren Überdruck standzuhalten. Der symmetrisch gestaltete Rotor 3 hat auf seinen Seiten zwei mitrotierende Kassetten 39, 40 mit variabler Geometrie, bestehend aus den jeweiligen elastischen Elements 22, 29, dem jeweiligen Führungsring 37, 38 und den Seitenteilen 32, 33, dergestalt, daß die jeweiligen elastischen Elemente 22, 29 eine kreisförmige Rille 41, 42 aufweisen. Der jeweilige Führungsring 37, 38 paßt da rein, sodaß die radiale Ausdehnung des jeweiligen elastischen Elements 22, 29 mit einem Gleiten verbunden ist. Die kleinen radialen Verlängerungen „a” und „b” des jeweiligen elastischen Elements 22, 29 gewährleistet beim Überdruck von der einen oder anderen Seite ein gasdichtes Gleiten. Die radiale Deformation des jeweiligen elastischen Elements 22, 29 durch die Zunahme der Zentrifugalkraft kommt mit steigender Drehzahl zustande, dergestalt, daß der jeweilige Schleifring 11, 12 als Ende des jeweiligen elastischen Elements 22, 29 sich vom jeweiligen Gegenstück 24, 26 hebt. Bei ausreichend großer Drehzahl ist das weitere Abheben durch die Führungsringe 37, 38 gestoppt, indem der radiale Kontakt zwischen Innenfläche des jeweiligen Führungsrings 37, 38 und dem Boden der jeweiligen Rille 41, 42 hergestellt wird. An den Seiten des äußeren zylindrischen Fortsatzes 43 des Rotors 3 sind regelmäßig plazierte, längliche, schmale und flache Erhebungen 44, 45 radial angebracht, wobei sie auf jeder Rotorseite jeweils einen Kranz von Flügeln zur Mitnahme der umgebenden Flüssigkeit bilden.By further design measures, a large part of the amount of liquid contained in the gaps between the rotor 3 and the side walls of the housing parts 4 . 5 at the same speed as the rotor 3 brought into rotation to the centrifugal force in the liquid disks 1 . 2 to maximum, depending on the amount of rotating mass and its speed. A residual part of the liquid thereby forms a transition layer with increasingly decreasing rotational speeds in the direction of the walls and the smaller this residual amount of liquid, the greater the ability of the device to withstand the external overpressure. The symmetrically designed rotor 3 has two co-rotating cassettes on its sides 39 . 40 with variable geometry, consisting of the respective elastic element 22 . 29 , the respective guide ring 37 . 38 and the side panels 32 . 33 in that the respective elastic elements 22 . 29 a circular groove 41 . 42 exhibit. The respective guide ring 37 . 38 fits in there, so that the radial extent of the respective elastic element 22 . 29 is associated with a slide. The small radial extensions "a" and "b" of the respective elastic element 22 . 29 ensures overpressure from one side or the other a gas-tight sliding. The radial deformation of the respective elastic element 22 . 29 by the increase of the centrifugal force comes with increasing speed, such that the respective slip ring 11 . 12 as the end of the respective elastic element 22 . 29 from the respective counterpart 24 . 26 lifts. At sufficiently high speed is the further lifting through the guide rings 37 . 38 stopped by the radial contact between the inner surface of the respective guide ring 37 . 38 and the bottom of the respective groove 41 . 42 will be produced. On the sides of the outer cylindrical extension 43 of the rotor 3 are regularly placed, elongated, narrow and flat elevations 44 . 45 mounted radially, each forming a ring of wings for entrainment of the surrounding liquid on each side of the rotor.

Der Abstandshalter 47 ist plaziert zwischen der Innenfläche des Rotors 3 und der Welle 16 und gewährleistet eine unveränderliche relative Position des Rotors 3 zum Innenring 6 des Kugellagers 8. Er verhindert, daß wegen eventuelle Verformungen des Lots 9 im Laufe des Betriebs der Rotor 3 nicht mehr zentrisch ist, was zur Vermeidung von Unwucht führt. Von außen wird der Abstandshalter ständig elastisch durch den O-Ring 15 angepreßt.The spacer 47 is placed between the inner surface of the rotor 3 and the wave 16 and ensures a fixed relative position of the rotor 3 to the inner ring 6 of the ball bearing 8th , He prevents that because of possible deformations of the solder 9 during operation of the rotor 3 is no longer centric, which leads to the avoidance of imbalance. From the outside, the spacer is constantly elastic by the O-ring 15 pressed.

Der O-Ring 15 plaziert in der Aussparung 36 des Rotors 3 gewährleistet eine zuverlässige gasfeste Abdichtung für den Teil der Welle 16, die im Kugellager 8 steckt. Die verhindert, daß Gas zwischen Welle 16 und Kugellager 8 fließen kann. Ein weiterer O-Ring – ohne Darstellung in der Zeichnung – realisiert die Abdichtung des Statorteils 4 zum Gehäuse 17, worin das Kugellager 8 mit seinem Außenring 7 steckt.The O-ring 15 placed in the recess 36 of the rotor 3 ensures a reliable gas-tight seal for the part of the shaft 16 in the ball bearing 8th plugged. The prevents gas between shaft 16 and ball bearings 8th can flow. Another O-ring - without representation in the drawing - realizes the sealing of the stator 4 to the housing 17 in which the ball bearing 8th with its outer ring 7 plugged.

Durch die Gewindelöcher 21 und 19 – ohne Darstellung im Bild – kann die benötigte Flüssigkeit in die erfindungsgemässe Vorrichtung eingefüllt werden. Anschließend sind diese Öffnungen mittels Schrauben 30, 31 – ohne Darstellung im Bild – dicht abgeschlossen.Through the threaded holes 21 and 19 - Without representation in the picture - the required liquid can be filled in the inventive device. Subsequently, these openings are by means of screws 30 . 31 - without representation in the picture - tightly closed.

Für einen geringen Druckausgleich erforderlich um die Bewegungsfreiheit der Flüssigkeitsscheiben zu gewährleisten, dienen die zylindrischen Kanäle 35 und 46, welche durch die konstruktive Trennung des Rotors 3 und der Statorteile 4 und 5 entstanden sind.For a low pressure balance required to ensure the freedom of movement of the liquid discs, serve the cylindrical channels 35 and 46 , which by the constructive separation of the rotor 3 and the stator parts 4 and 5 have arisen.

Claims (3)

Gleitkassettenabdichtung, wobei a. ein Rotor (3) mittels Lot (9) an einem Innenring (6) eines Kugellagers (8) angeflanscht ist, und ein Stator aus Teilen (4, 5) den Rotor (3) umschließt und an einem Außenring (7) des Kugellagers (8) mittels Lot (10) ebenfalls angeflanscht ist, b. wobei der Querschnitt des Rotors (3) eine in Richtung Peripherie sich verjüngende Scheibe bildet, c. wobei der Stator aus den Teilen (4) und (5) besteht und mittels Lot (23) zusammengehalten wird, welche nach innen parallele Flächen mit dem scheibenförmigen Rotor (3) aufweisen, dergestalt, dass darin Flüssigkeitsscheiben (1), (2) während der Rotation existieren, d. wobei der symmetrisch gestaltete Rotor (3) auf seinen Seiten zwei mitrotierende Kassetten (39, 40) mit variabler Geometrie, bestehend aus einem jeweiligen elastischen Element (22, 29), einem jeweiligen Führungsring (37, 38) und Seitenteilen (32, 33), aufweist, dergestalt, dass die jeweiligen elastischen Elemente (22, 29) eine kreisförmige Rille (41, 42) aufweisen, worin jeweils Führungsringe (37, 38) reinpassen, so dass eine radiale Ausdehnung des jeweiligen elastischen Elements (22, 29) mit einem Gleiten verbunden ist, e. wobei kleine radiale Verlängerungen (a, b) des jeweiligen elastischen Elements (22, 29) bei einem Überdruck von der einen oder anderen Seite ein gasdichtes Gleiten gewährleisten, f. wobei eine radiale Deformation des jeweiligen elastischen Elements (22, 29) durch die Zunahme der Zentrifugalkraft mit steigender Drehzahl zustande kommt, dergestalt, dass ein jeweiliger Schleifring (11, 12) als Ende des jeweiligen elastischen Elements (22, 29) sich von einem jeweiligen Gegenstück (24, 26) hebt, g. wobei bei ausreichend großer Drehzahl das weitere Abheben durch die Führungsringe (37, 38) gestoppt wird, indem ein radialer Kontakt zwischen der Innenfläche des jeweiligen Führungsrings (37, 38) und dem Boden der jeweiligen Rille (41, 42) hergestellt wird.Slide cassette seal, where a. a rotor ( 3 ) by means of solder ( 9 ) on an inner ring ( 6 ) of a ball bearing ( 8th ) is flanged, and a stator of parts ( 4 . 5 ) the rotor ( 3 ) and on an outer ring ( 7 ) of the ball bearing ( 8th ) by means of solder ( 10 ) is also flanged, b. the cross section of the rotor ( 3 ) forms a disk tapering towards the periphery, c. the stator being made of the parts ( 4 ) and ( 5 ) and by means of solder ( 23 ), which inwardly parallel surfaces with the disk-shaped rotor ( 3 ) in such a way that therein liquid disks ( 1 ) 2 ) exist during rotation, d. the symmetrically designed rotor ( 3 ) on its sides two co-rotating cassettes ( 39 . 40 ) of variable geometry consisting of a respective elastic element ( 22 . 29 ), a respective guide ring ( 37 . 38 ) and side parts ( 32 . 33 ), such that the respective elastic elements ( 22 . 29 ) a circular groove ( 41 . 42 ), wherein respective guide rings ( 37 . 38 ), so that a radial extension of the respective elastic element ( 22 . 29 ) is associated with sliding, e. wherein small radial extensions (a, b) of the respective elastic element ( 22 . 29 ) at a positive pressure from one side or the other ensure a gas-tight sliding, f. wherein a radial deformation of the respective elastic element ( 22 . 29 ) is due to the increase in centrifugal force with increasing speed, such that a respective slip ring ( 11 . 12 ) as the end of the respective elastic element ( 22 . 29 ) from a respective counterpart ( 24 . 26 ) lifts, g. wherein at sufficiently high speed further lifting by the guide rings ( 37 . 38 ) is stopped by a radial contact between the inner surface of the respective guide ring ( 37 . 38 ) and the bottom of the respective groove ( 41 . 42 ) will be produced. Gleitkassettenabdichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Seiten eines äußeren zylindrischen Fortsatzes (43) des Rotors (3) regelmäßig platzierte, längliche, schmale und flache Erhebungen (44, 45) radial angebracht sind, wobei sie auf jeder Rotorseite jeweils einen Kranz von Flügeln zur Mitnahme der umgebenden Flüssigkeit bilden.Gleitkassettenabdichtung according to claim 1, characterized in that on the sides of an outer cylindrical extension ( 43 ) of the rotor ( 3 ) regularly placed, oblong, narrow and flat elevations ( 44 . 45 ) are radially mounted, wherein they each form a ring of wings for entrainment of the surrounding liquid on each rotor side. Gleitkassettenabdichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstandshalter (47) zwischen einer Innenfläche des Rotors (3) und einer Welle (16) platziert ist, wobei er eine unveränderliche relative Position des Rotors (3) zum Innenring (6) des Kugellagers (8) gewährleistet, wobei er verhindert, dass wegen eventueller Verformungen des Lots (9) im Laufe des Betriebs der Rotor (3) nicht mehr zentrisch ist, was zur Vermeidung von Unwucht führt und wobei von außen der Abstandshalter ständig elastisch durch einen O-Ring (15) angepreßt wird.Gleitkassettenabdichtung according to claim 1 or 2, characterized in that a spacer ( 47 ) between an inner surface of the rotor ( 3 ) and a wave ( 16 ), wherein it has a fixed relative position of the rotor ( 3 ) to the inner ring ( 6 ) of the ball bearing ( 8th ), whereby it prevents that due to possible deformations of the solder ( 9 ) during operation of the rotor ( 3 ) is no longer concentric, which leads to the avoidance of imbalance and from the outside, the spacer is constantly elastic by an O-ring ( 15 ) is pressed.
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