DE10217181A1

DE10217181A1 - Vorrichtung zur Begrenzung von Leckströmen an gelagerten Wellendurchführungen

Info

Publication number: DE10217181A1
Application number: DE2002117181
Authority: DE
Inventors: Ludwig Hoelting; Michael Reisen; Fritz Wilhelm
Original assignee: ZiAG Plant Engineering GmbH
Current assignee: Lurgi Zimmer GmbH
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: DE10217181B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung von Leckströmen an Wellendurchführungen bei Apparaten mit mehreren, mittels Zwischenwänden in Reihe geschalteten Apparatekammern, die durch eine gemeinsame Welle durchdrungen werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, dass im Bereich der Zwischenwände (4, 4a) ein hydraulisch enger Dichtspalt (11a) zwischen der Welle (5) und einer radial beweglichen Hülse (11) eingerichtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung von Leckströmen an Wellendurchführungen bei Apparaten mit mehreren, mittels Zwischenwänden in Reihe geschalteten Apparatekammern, die durch eine gemeinsame Welle durchdrungen werden.
Apparate mit mehreren, mittels Zwischenwänden in Reihe geschalteten Stufen sind in liegenden und stehenden Anordnungen in der Prozessindustrie bekannt. Es ist ebenfalls bekannt, je Apparatestufe Rührorgane vorzusehen, die über eine gemeinsame Welle gehaltert und angetrieben werden. Im mehrkammerigen System wird die gemeinsame Welle stets an der Wellenantriebsseite und meistens auch am Wellenende gelagert. Bei einer Druckkaskade ist an wenigstens einer Zwischenwand mindestens eine Wellendurchführung angeordnet, wobei die Wellendurchführung durch das flüssige Reaktorprodukt geschmiert wird. Die Welle ist einer Durchbiegung aufgrund der am Rührer angreifenden Kräfte sowie ihres Eigengewichtes bei horizontalem Einbau ausgesetzt. Die Änderungen und Winkelabweichungen gegenüber der theoretisch geraden Welle müssen von der Wellendurchführung störungsfrei ertragen werden. Das bedeutet, dass die radialen Auslenkungen der Welle kompensiert werden müssen. Es sind für solche Wellendurchführungen aufwendige Dichtungen, wie Gleitringdichtung oder Stopfbuchsdichtung bekannt, die zur Begrenzung des radialen Spiels in der Nähe eines Lagers installiert werden müssen und die teuer, schwierig zu montieren und zu warten, und störungsanfällig sind. Der Verschleiß dieser Wellendurchführungen steigt mit einer engen Toleranz des Dichtspaltes. Die Leckage nimmt zu, wenn in den aufeinanderfolgenden Apparatestufen Druckdifferenzen herrschen oder das Medium eine niedrige Viskosität aufweist. Bei einer Zunahme der Leckage von einer Apparatestufe in die darauffolgende Apparatestufe sind die Regelbarkeit des Produktstromes, das Anfahren bei niedriger Viskosität und das Stillstandsverhalten (Entleeren der oberen in die unterste Stufe) als kritisch zu betrachten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Begrenzung von Leckströmen an produktgeschmierten Wellendurchführungen zu schaffen, die preiswert ist, einfach zu montieren ist und störungsfrei arbeitet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, dass im Bereich der Zwischenwände ein hydraulisch enger Dichtspalt zwischen der Welle und einer radial beweglichen Hülse eingerichtet wird. Dabei wird als Spaltweite die halbe Durchmesserdifferenz definiert.

Die radiale Beweglichkeit der Hülse gestattet es, den Dichtspalt zu minimieren. Indem die Hülse den radialen Bewegungen der Welle folgt, werden keine oder nur geringe Querkräfte auf die Wellendurchführung übertragen und der für eine Schmierung erforderliche Spalt kann sehr klein werden. Eine Kombination aus einem metallischen Werkstoff und Gleitlagermaterial minimiert den möglichen Verschleiß im Bereich des Dichtungsspalts.

Die radiale Beweglichkeit der Hülse wird dadurch einmal erreicht, dass die Hülse elastisch mittels axialem oder radialem Faltenbalg an der Zwischenwand befestigt wird. Die Hülse kann mit dieser Anordnung den radialen Bewegungen der Welle folgen. Dabei ist eine benachbarte Lagerung im allgemeinen nicht erforderlich.

Bei direkter Anwesenheit eines Gleitlagers im Bereich der Wellendurchführung und dem Vorliegen von zur Wellenachse senkrechten Ringflächen auf der Vorder- oder Rückseite des Lagers besteht eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wellendurchführung darin, dass die dichtende Hülse, die im Vergleich zum Lagerspalt einen engeren Dichtspalt zur Welle bildet, stirnseitig an einer der Lagerabschlussflächen, alternativ am Abschlussflansch eines nachgeschalteten Lagergehäuses anliegt und am Lager über einen quasi statischen, von der Welle innerhalb des Lagerspiels radial verschiebbaren Dichtsitz verfügt. Die Hülse wird durch ihr Eigengewicht, einem anliegenden Differenzdruck oder andere axiale Kräfte (z. B. eine Federkraft) auf der Dichtfläche gehalten.

Da die Hülse bei dieser Anordnung Radial- und Drehbewegungen der Welle teilweise mit vollzieht, ist es von Vorteil, wenn die Stirnfläche der Hülse, die auf dem Flansch oder dem Lager aufliegt, mit Schmiernuten versehen ist. Ein Hülsenwerkstoff aus Gleitlagermaterial sorgt für verbesserte Reibverhältnisse.

Die Leckagemenge kann in Abhängigkeit von Wellendurchmesser, Viskosität, Temperatur und Druck durch eine axiale Hülsenlänge zwischen 20 mm bis 500 mm und durch eine Spaltweite zwischen Hülse und Welle von 20 µm bis 400 µm eingestellt werden.

Eine geringere Spaitweite und höhere Dichtheit zwischen Welle und Hülse kann bei ausreichend hoher Viskosität dadurch erreicht werden, dass im Bereich der Hülse in die Welle eine wendelförmige Nut eingearbeitet wird, die in Drehrichtung der Welle abfällt. Dadurch wird das zwischen Hülse und Welle eindringende Produkt aus dem Spalt herausbefördert. Bei reagierenden Flüssigkeiten wird andererseits die Spaltentgasung begünstigt.

Damit beim Anfahren der Welle das Produkt nicht durch die wendelförmige Nut in die darunter liegende Apparatekammer läuft, wird die Nut nur über eine axiale Lange in die Welle eingearbeitet, die sich zwischen 25% bis 75% der Hülsenlänge erstreckt. In Abhängigkeit von den Betriebsparametern kann die wendelförmige Nut auch als eine in Drehrichtung steigende Wendel vorliegen. Diese erleichtert den Anfahrvorgang bei hochviskosen Medien, wenn nach längeren Stillständen ein ungeschmierter Spalt vorliegt. Dadurch wird der Spalt schneller und intensiver mit der Betriebsflüssigkeit geschmiert.

Ausgestaltungsmöglichkeiten der Vorrichtung werden mit Hilfe der Zeichnungen beispielhaft erläutert.
Fig. 1 zeigt den schematischen Längsschnitt durch einen zweistufigen Apparat mit einer Trennwand
Fig. 2 zeigt den schematischen Längsschnitt durch einen dreistufigen Apparat mit zwei Trennwänden
Fig. 3 zeigt die Wellendurchführung einer vertikalen Welle
Fig. 4 zeigt die Gestaltung der Welle im Bereich der Hülse
Fig. 5 zeigt die Wellendurchführung einer vertikalen Welle mit einer in einem Gehäuse nachgeschalteten Dichtung
Fig. 6 zeigt eine weitere Wellendurchführung einer vertikalen Welle mit Dichtungsgehäuse und federgestützter Dichthülse
Fig. 7 zeigt eine weitere Wellendurchführung einer vertikalen Welle mit aufgesetzter Dichthülse
Fig. 8 zeigt eine Wellendurchführung einer horizontalen Welle
Fig. 9 zeigt die Lageranordnung einer vertikalen Welle mit nachgeschalteter separater Abdichtung
Fig. 1 zeigt einen senkrecht angeordneten Apparat (1) mit zwei Apparatestufen oder Apparatekammern (2a, 2b), die durch eine gemeinsame Zwischenwand (4) voneinander getrennt sind. Auf einer gemeinsamen Welle (5) sind für jede Apparatekammer (2a, 2b) je ein Rührorgan (3a, 3b) angeordnet, wobei die Welle (5) die Zwischenwand (4) durchdringt und durch einen außerhalb des Apparates (1) angeordneten Antrieb (6) getrieben wird. Die Lagerung der Welle (5) erfolgt am Apparateboden durch das Gleitlager (7). Die Dichtung in der Zwischenwand (4) erfolgt innerhalb der Wellendurchführung (12). Zwischen den Apparatekammern (2a, 2b) kann sowohl Gleichdruck als auch ein Differenzdruck vorliegen. Dieser Apparat bildet zum Beispiel eine Reaktionsstufe oder eine zweikammerige Veresterungsstufe einer Polykondensationsanlage. Die Temperaturen liegen dabei im Bereich von 240°C bis 290°C. Die Druckdifferenz kann bis zu 2 bar zwischen den Apparatestufen betragen.
Fig. 2 zeigt einen senkrecht angeordneten Apparat (1) mit drei Apparatestufen oder Apparatekammern (2a, 2b, 2c), bei dem die Apparatekammern (2a, 2b) durch die gemeinsame Zwischenwand (4) voneinander getrennt sind, und die Trennung der Apparatekammern (2b, 2c) durch die gemeinsame Zwischenwand (4a) erfolgt. Auf der gemeinsamen Welle (5) ist für jede Apparatekammer (2a, 2b, 2c) je ein Rührorgan (3a, 3b, 3c) angeordnet, wobei die Welle (5) die Zwischenwände (4, 4a) durchdringt und durch einen außerhalb des Apparates angeordneten Antrieb (6) getrieben wird. Die Lagerung der Welle (5) oberhalb der Zwischenwand (4) erfolgt durch das Loslager (7), das als Gleitlager ausgebildet ist. Die Dichtung in der Zwischenwand (4, 4a) erfolgt innerhalb der Wellendurchführung (12). Das Festlager ist bei dieser Anordnung im Kopf des Apparates (1) im Bereich des Antriebes (6) angebracht und aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt. Die Welle (5) ist in der Apparatekammer (2c) frei fliegend angeordnet. Zwischen den Apparatekammern (2a, 2b, 2c) kann sowohl Gleichdruck als auch ein Differenzdruck vorliegen.
In Fig. 3 ist eine Wellendurchführung einer vertikalen Welle (5) in der Zwischenwand (4) eines Apparates dargestellt. Oberhalb der Zwischenwand (4) ist die Apparatekammer (2a) angeordnet und unterhalb der Zwischenwand (4) die Apparatekammer (2b). Hierbei ist die Hülse (11) in einem Gehäuse (12a) eingefasst und mittels radialem Faltenbalg (18) an der Zwischenwand (4) elastisch befestigt. Die Hülse (11) kann mit dieser Anordnung den radialen Bewegungen der Welle (5) folgen.
Die Weite des Spaltes (11a) hängt neben der Dimensionierung der Bauteile von der Viskosität des Produktes, der Prozesstemperatur und der Druckdifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Apparatekammern ab. Je geringer die Viskosität, desto höher ist die Leckage im Spalt (11a). Eine niedrige Viskosität tritt insbesondere während des Anfahrvorganges auf. Die Hülse (11) ist in dem Gehäuse (12a) fixiert und kann nach Entfernen des Flansches (16) ausgetauscht werden. Bei Prozesstemperaturen oberhalb von 150°C wird bevorzugt ein Metallfaltenbalg verwendet.
Die gleiche Anordnung lässt sich bei geflutetem Wellendurchgang auch zur Abdichtung einer horizontalen Welle nutzen.
Fig. 4 zeigt eine weitere Wellendurchführung im Bereich der Zwischenwand (4a) eines Apparates mit drei Apparatekammern. Die höhere Dichtheit zwischen Welle (5) und Hülse (11) kann dadurch erreicht werden, dass im Bereich der Hülse (11) in die Welle (5) eine wendelförmige Nut (19) eingearbeitet wird, die in Drehrichtung der Welle (5) abfällt. Dadurch wird das zwischen Hülse (11) und Welle (5) eindringende Produkt bei hinreichend hoher Viskosität aus dem Spalt (11a) herausbefördert. Damit beim Anfahren der Welle (5) das Produkt nicht durch die wendelförmige Nut (19) in die darunter liegende Apparatekammer läuft, wird die axiale Ausdehnung der Nut (19) auf 25% bis 75% der axialen Länge der Hülse (11) begrenzt. Um die Welle (5) nicht zu schwächen, wird eine nicht dargestellte Buchse mit der wendelförmigen Nut (19) auf die Welle (5) aufgezogen.
Alternativ ist auch eine Einarbeitung einer wendelförmigen Nut (19) in die Hülse (11) möglich.
In Fig. 5 ist die Wellendurchführung einer vertikalen Welle (5) dargestellt, die die Zwischenwand (4) durchdringt. Oberhalb der Zwischenwand (4) ist die Apparatekammer (2a) angeordnet und unterhalb der Zwischenwand (4) die Apparatekammer (2b). In der Zwischenwand (4) ist das Gleitlager (7) befestigt. Das Gleitlager (7) wird im Lagergehäuse (7a) drehbar geführt. Hierzu besitzt das Lager (7) eine äußere Kugelsegmentführung mit einem sehr kleinen Spalt (9) zwischen dem Lager (7) und dem Lagergehäuse (7a). Aufgrund des Eigengewichtes und der Drucklasten ergibt sich ein Aufliegen des Lagers (7) auf einer dichtenden Umfangslinie in der Kugelsegmentführung. Der Spalt (10) zwischen der Welle (5) und dem Lager (7) weist zum Zwecke der hydrodynamischen Lagerschmierung durch das Produkt aus der Apparatekammer (2a) eine vergleichsweise große Spaltweite von 100 bis 500 µm auf bei der ohne eine nachgeschaltete Dichtung eine unkontrolliert große Menge des Produktes aus der Apparatekammer (2a) in die Apparatekammer (2b) fließen würde. Deshalb ist dem Schmierspalt (10) ein engerer Dichtspalt (11a) zwischen Welle (5) und der Hülse (11) nachgeschaltet.
Die Hülse (11) ist in einer Verlängerung der inneren Lagerschale (7c) gekammert und kann durch Entfernen des Flansches (13) ausgetauscht werden. Die Hülse (11) verfügt neben dem inneren radialen Spiel (11a) zur Welle (5) ein äußeres, vergrößertes Radialspiel (11b) gegenüber der verlängerten Lagerschale (7c). Die Hülse (11) liegt auf dem Flansch (13) auf womit sich eine Dichtfläche (7b) mit einer minimalen Spaltweite ergibt.
Das Produkt aus der oberen Apparatekammer schmiert den Spalt (10) zwischen Welle (5) und Lager (7). Das Durchfließen in die darunter liegende Apparatekammer wird durch die Hülse (11) stark eingeschränkt bzw. kontrolliert.
Da die Hülse (11) einen Teil der Drehbewegung der Welle (5) mit vollzieht, kann es von Vorteil sein, die Hülsenstirnfläche im Bereich der Dichtungsfläche (7b) mit nicht dargestellten Schmiernuten zu versehen. Die Verwendung eines Gleitlagerwerkstoffes für die Hülse (11) sorgt für verbesserte Reibverhältnisse.
In Fig. 6 ist eine alternative Wellendurchführung einer vertikalen Welle (5) dargestellt, bei der die Dichtfläche (7b) sich direkt an der Heckseite des Lagers (7) befindet. Um die Leckage bei Produkten mit geringer Viskosität zu verringern, wird die Hülse (11) mit einer das Hülsengewicht und die Druckkräfte übersteigenden axialen Kraft von mindestens einer Feder (14) auf dem Flansch (13) gegen das Lager (7) gedrückt, womit der Spalt an der Dichtfläche (7b) zwischen Hülse (11) und Lager (7) sich auf ein Minimum reduziert.
In Fig. 7 ist eine weitere Wellendurchführung einer vertikalen Welle (5) dargestellt. Auf dem Lagerkörper (7) innerhalb des Lagergehäuses (7a) in der Zwischenwand (4) sitzt die Dichtungshülse (11), die den Dichtspalt (11a) zwischen Welle (5) und Hülse (11) definiert. Die Hülse (11) wird durch ihr Eigengewicht und eine mögliche Druckkraft an die Stirnfläche des Lagerkörpers (7) gedrückt.
In Fig. 8 ist die Wellendurchführung einer horizontalen Welle (5) durch eine Zwischenwand (4) dargestellt, welche eine linke Apparatekammer (2a) von der rechten Apparatekammer (2b) trennt. In der Zwischenwand (4) ist im Lagergehäuse (7a) das Gleitlager (7) gehaltert, welches die Welle (5) führt. Auf der Stirnseite des Lagers (7) ist eine Hülse (11) angebracht, mit der wellenseitig ein Dichtspalt (11a) erzeugt wird. Dabei wird die Hülse (11) über die Feder (14) auf der Wellenschulter (5a) gegen das Lager (7) gedrückt, wodurch ein Gleitsitz zwischen Hülse (11) und Lager (7) entsteht.
Die Lagerführung und Dichtung einer vertikalen Welle in der zweiten Zwischenwand (4a) eines dreistufigen Apparates (siehe Fig. 2) wird in Fig. 9 dargestellt. Sie zeigt die konstruktive Trennung des Lagers (7) von der dichtenden Hülse (11). Hierbei wird die Hülse elastisch mittels axialem Faltenbalg (18) an der Zwischenwand (4a) befestigt. Die Hülse (11) kann mit dieser Anordnung den radialen Bewegungen der Welle (5) folgen.
Das Lagergehäuse (7a) ist mittels eines Gestells (15) in der Apparatekammer (2b) auf der Zwischenwand (4a) befestigt und führt die Welle (5). Die Hülse (11) ist in einem Gehäuse (12a) fixiert und kann nach Entfernen des Flansches (16) ausgetauscht werden.
Das Gestell (15) kann aus mehreren Stäben bestehen, die das Lagergehäuse (7a) haltern. Zwischen dem Gestell (15) und dem Faltenbalg (18) kann das Produkt der Apparatekammer (2b) frei zirkulieren.
Bei geringeren Prozesstemperaturen sind anstelle des Faltenbalgs (18) auch nichtmetallische Dichtungselemente möglich. Hierbei wird das Dichtungsgehäuse über federgestützte, radiale Halterungen elastisch mit der Trennwand verbunden.

Claims

1. Vorrichtung zur Begrenzung von Leckströmen an Wellendurchführungen (12) in Zwischenwänden (4, 4a) von Apparaten mit mehreren in Reihe geschalteten Apparatekammern (2a, 2b, 2c), die von einer gemeinsamen Welle (5) durchdrungen werden, wobei die Wellendurchführung (12) mit der Betriebsflüssigkeit der jeweils vorgeschalteten Apparateteile beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Zwischenwände (4, 4a) ein hydraulisch enger Dichtspalt (11a) zwischen der Welle (5) und einer radial beweglichen Hülse (11) eingerichtet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (11) über eine äußere metallische Fassung (12a) und eine elastische, dichte Verbindung an der Zwischenwand (4, 4a) beweglich gehaltert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung der Hülse (11) an die Zwischenwand (4, 4a) über einen radialen Faltenbalg (18) erfolgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung der Hülse (11) an die Zwischenwand (4, 4a) über einen axialen Faltenbalg (18) erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwesenheit eines Gleitlagers (7) die Hülse (11) als loser Dichtring vorliegt, der mit seiner Stirnfläche am Lager (7) oder an dem Gegenflansch (13) des Lagergehäuses anliegt und einen überwiegend statischen, radial verschiebbaren Dichtsitz bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche der Hülse (11) mit einer axialen Kraft auf die Dichtfläche (7b) gedrückt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Kraft durch mindestens eine Feder (14) erzeugt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen der Hülse (11), die auf dem Flansch (13) oder an dem Lager (7) anliegen, mit Schmiernuten versehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (11) und die Gehäuseteile (7), (12a), (13) bzw. (16) in einer Materialkombination aus einem metallischen Werkstoff und einem Gleitlagermaterial vorliegen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge der Hülse (11) 20 mm bis 500 mm beträgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (11a) zwischen Hülse (11) und Welle (5) 20 µm bis 400 µm beträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Hülse (11) wellenseitig eine wendelförmige Nut (19) eingearbeitet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wendelförmige Nut (19) in der Drehrichtung der Welle (5) abfällt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wendelförmige Nut (19) in der Drehrichtung der Welle (5) ansteigt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (19) über eine axiale Länge in die Welle (5) eingearbeitet ist, die sich über 25% bis 75% der axialen Länge der Hülse (11) erstreckt.