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"Spaltdichtung für die Abdichtung hin- und hergehender Kolben" Die
Erfindung betrifft eine Spaltdichtung für die Abdichtung hin- und hergehender, fest
geführter Kolben (oder entsprechender Teile wie Kolbenstange od.dgl.) mit einer
elastisch verformbaren Dichtungsbüchse, die auf ihrer dem Dichtungsspalt radial
gegenüberliegenden Rückseite über den wesentlichen Teil ihrer Länge bis zu einer
Abdichtung gegenüber dem sie axial abstützenden Teil, insbesondere dem Maschinengehäuse,
von einem bestimmten Druck beaufschlagt und relativ zum Kolben radial beweglich
ist, wobei unter Selbstzentrierung von Dichtungsbüchse und Kolben der sich aus der
resultierenden Druckbeaufschlagung ergebende engste Spaltquerschnitt nahe dem niederdruckseitigen
Ende der Dichtungsbüchse einstellt und diese durch den Arbeitsdruck gegen das die
Dichtungsbüchse axial abstützende Maschinenteil gedrückt wird.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei einer Spaltdichtung dieser
Art die Rückseite der Dichtungsbüchse vom Arbeitsdruck beaufschlagen zu lassen,
so daß infolge des Druckunterschiedes zwischen der Rückseite der Dichtungsbüchse
und dem Dichtungsspalt im Bereiche des niederdruckseitigen Endes die Weite des Spaltes
vom hochdruckseitigen Ende zum niederdruckseitigen Ende zunehmend verengt wird.
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Auch wurde schon vorgeschlagen, die Dichtungsbüchse hierbei allseitig
beweglich im Maschinengehäuse zu lagern, 11ns indem die Dichçbüchse im Bereiche
der Niederdruckseite an einer kugelförmigen Fläche abgestützt wird, deren Krümungs
mungsmittelpunkt sich etwa in der Mitte der DichUSüchse befindet. Die Dichtungsbüchse
wird hierbei durch den Arbeitsdruck gegen die Kugelfläche gedrückt, wobei der Raum
auf der Rückseite der Dichtungsbüchse gegen den Niederdruck, insbesondere den atmosphärischen
Außendruok, abgedichtet und die Dl¢hungsbUchse vom Arbeitsdruck über ihre ganze
Länge auf Druck beansprucht wird.
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Da es sich bei der Verformung der Dichtungsbüchse um Durch messer
änderungen handelt, die im Bereiche von Hundertstel eines Millimeters liegen, kann
unter Umständen bei hohen Drücken die axiale Druckbeanspruchung der Büchse nachteilig
auf die erwünschte Genauigkeit der Formänderung wirken.
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Aufgabe der Erfindung ist es vor allem, diesen besonderen Verhältnissen
Rechnung zu tragen und eine sich auf ie ganze
Länge der Dichtungsbüchse
auswirkende axiale Druckbelastung zu vermeiden. Die Erfindung besteht demgemäß im
wesentlichen darin, daß die Dichtungsbüchse im Bereiche ihres hochdruckseitigen
Endes, z.B. mittels Bundes, gegen das MaschinengehBuse od. dgl. radial- und winkelbeweglich
abgestützt ist und auf ihrer dem Dichtungsspalt radial gegenüberliegenden Rückseite
über den wesentlichen Teil ihrer Länge bis zur Abdichtung gegenüber dem Gehäuse
od.dgl. am hochdruckseitigen Ende vom niederseitigen Druck, insbesondere atmosphärischen
Außendruck, beaufschlagt wird.
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In einer bevorzugten Ausführgsform der Erfindung ist zur axialen Abstützung
der Dichtungsbüchse eine Zwischendichtscheibe vorgesehen, die an dem einen der beiden
gegeneinander abzustützenden Teile, z.B. an der Dichtungsbüchse, mittels einer zur
Achse der Dichtungsbüchse senkrechten Planfläche und an dem anderen Teil, z.B. dem
Maschinengehause, mittels einer kugelförmigen Abstützfläche mittelbar oder unmittelbar
anliegt.
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Vorzugsweise ist zwischen Dichtungsbüchse und Zwischendichtscheibe
ein Zwischenring angeordnet, der sich einerseits gegen einen Bund an der Dichtunsbüchse
und andererseits gegen die Planfläohe der Zwischendiohtscheibe abstützt.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß sich die axiale Druckbeanspruchung
unter der Wirkung des Arbeitsdruckes auf die Dichtungsbüchse nur auf das hochdruckseitige
Ende
derselben, insbesondere nur über die axiale Länge eines Bundes,
erstreckt, der übrige Teil der Dichtungsbüchse jedoch von diesem Druck entlastet
ist und lediglich von den relativ geringen Schleppkräften der durch den Dichtungsspalt
strömenden Flüssigkeit auf Zug beansprucht wird. Die Dichtungsbüchse wird daher
nicht auf Knicken beansprucht und liegt auch bei relativ dünnen Wandstärken sehr
stabil zwischen Gehäuse und Kolben. Da der Druck im Dichtungsspalt von dem hochdruckseitigen
Ende zum niederdruckseitigen Ende der Dichtungsbüchse kontinuierlich abnimmt, wird
die Dichtungsbüchse durch den Druck im Dichtungsspalt entgegen der Wirkung des Niederdruckes
verformt, so daß auch in diesem Falle ein Dichtungsspalt entsteht, dessen Weite
von dem hochdruckseitigen Ende zum niederdruckseitigen Ende der Dichtungsbüchse
abnimmt.
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Je nachdem, ob die Dichtungsbüchse am Maschinengehäuse oder am Kolben
angeordnet und abgestützt ist, erfolgt die Spalterweiterung im Bereiche des hochdruckseitigen
Endes durch Verformen der Dichtungsbüchse im Sinne eines radialen Aufweitens oder
eines radialen Verengens.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt der Kugelmittelpunkt
einer die Winkelbeweglichkeit der Dichtungsbüchse bestimmenden kugelförmigen Abstützfläche
in einem Endbereich der Dichtungsbüchse oder außerhalb der Längserstreckung derselben,
vorzugsweise jedoch auf der Hochdruckseite der Dichtungsbüchse. Hierdurch wird eine
besonders günstige BeßannslpruchunS der Dichtungsbüchse erzielt,
indem
sich diese um einen Punkt auf der Hochdruckseite winkelbeweglich verschwenken kann,
was zugleich auch für die Selbstzentrierung der Büchse von Vorteil ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispieles zu entnehmen.
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Hierbei zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäBe
DichtungsvorFichtung, Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, Fig. 7 eine
Schemadarstellung für die Druckbelastung der Dichtungsbüchse und Fig. 4 eine Schemadarstellung
für die Verformung des Dichtungsspaltes mit stark vergrößert dargestellter Spaltweite
Im Pumpenmaschinengehäuse 10 ist in FührungsXagern 11 und 12 der Pumpenkolben 13
hin- und hergehend mit einem Kolbenhub H gelagert, wobei mit 13a die äußere (in
der Zeichnung linke) Totpunktstellung des Kolbens am Ende des Saughubes derselben
angedeutet ist. Der Antrieb des Kolbens kann in beliebiger Weise, z.B. mittels Kreuzkopfes
od.dgl., erfolgen.
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Mit dem (in der Zeichnung nicht dargestellten) Pumpenarbeitsraum ist
über einen drosselfreien, den Pumpenkolben 13 umgebenden Ringraum 14 und z.B. über
Querbohrungen 15 und ebenfalls drosselfreie Kanäle 16 ein Ringraum 17 kommunizierend
verbunden, derart, daß der Arbeitsdruck im Pumpenarbeitsraum sich praktisch ungedrosselt
auf den Ringraum
17 fortpflanzen kann. Zur Abdichtung dieses Raumes
gegenüber dem Niederdruckraum 18, der mit einer Ableitung 19, z.B. zu einem Behälter
für die Arbeitsflüssig keit oder zu einer Pumpe od.dgl., verbunden ist und vorzugsweise
unter atmosphärischem Druck oder nahezu unter diesem Druck steht, dient die Dichtungsbüchse
20, deren Innendurchmesser so bemessen ist, daß sie in unbelastetem Zustand mit
einem gewissen radialen Spiel, etwa in der Größenordnung von 0,005 bis 0,05 mm,
den Kolben 15 umgibt und bei konzentrischer Anordnung zum Kolben mit diesem ungs
einen ringförmigen Dichbipalt 21 entsprechender Spaltweite bildet.
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Die Dichtungsbüchse 20 weist am hochdruckseitigen Ende einen Bund
22 auf, dessen dem hochdruckseitigen Ende abgewandte ringförmige Stirnfläche 25
sich gegen einen Zwischenring 24 abstützt, der mit geringem radialen Spiel auf der
Dichtungsbüchse 20 gelagert ist und eine zur Achse a-a des Kolbens senkrechte Planfläche
25 aufweist, die sich ihrerseits gegen eine entsprechende Planfläche 26 einer Zwischendichtscheibe
27 abstützt, die ebenfalls mit geringem radialen Spiel auf der Dichtungsbüchse 20
gelagert ist und sich mittels einer kugelförmigen Fläche 28 gegen eine entsprechende
kugelförmige Fläche 29 am Maschinengehäuse 10 abstützt. Die Kugelflä.chen 28, 29
sind hierbei so gewölbt, daß sich der Kugelmittelpunkt M etwa am hochdruckseitigen
Ende der Dichtungsbüchse 20 auf der Achse a-a
befindet. Durch den
in Richtung B-wirkenden Arbeitsdruck wird die Dichtungsbüchse 20 in Pfeilrichtung
zur Niederdruckseite hin gedrückt, indem sie sich mittels des Zwischenringes 24
und der Zwischendichtscheibe 27 am Maschinengehäuse 10 mittels der kugelförmigen
Flächen 28,29 abstützt.
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Der Zwischenring 24 und die Zwischendichtscheibe 27 dichten hierbei
den unter Hochdruck stehenden Ringraum 17 gegen einen auf der radialen Rückseite
der Dichtungsbüchse 20 sich erstreckenden Ringraum 30, der mit dem Niederdruckraum
18 in offener Verbindung und somit ebenfalls unter dem Niederdruck, z.B. dem atmosphärischen
Druck, steht.
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In Fig. 2 ist das Druckschema für die die Dichtungsbüchse belastenden
radialen Drücke dargestellt, indem die Dichtungsbüchse einerseits von innen her
unter dem im Dichtungsspalt 21 wirkenden, von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite
abnehmenden Druck und auf der radial äußeren Seite unter dem im Ringraum 30 herrschenden
Niederdruck steht.
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Der Druckverlauf im ;Dichtungsspalt 21 ist etwa durch die Kurve P
dargestellt, die linearen oder etwa linearen Verlauf hat. Auf der radialen Rückseite
der Büchse herrscht dagegen der konstante Druck P,, z.B. atmosphärischer Außendruck.
Infolge des starken inneren Überdruckes am hochdruckseiten Ende weitet sich die
Dichtungsbüchse 20 an diesem Ende guts, was dadurch erleichtert wird, daß der Zwischenring
24 und die Zwischendichtscheibe 27 entsprechendes radiales Spiel gegenüber der Dichtungsbüchse
20 hat, so daß die
Ausweitung der letzteren unbehindert durch den
Zwischenring und die Zwischendichtscheibe erfolgen kann. Es ergibt sich dadurch
ein Dichtungsspalt 21, dessen engste Stelle mit einer Spaltweite so, wie Fig. 4
in stark überhöhtem Maßstabe zeigt, am niederdruckseitigen Ende der Dichtungsbüchse
20 und dessen größte Weite sl am hochdruckseitigen Ende der Dichtungsbüchse 20 besteht.
Durch den dadurch erzeugten, etwa konischen Ringspalt 21 wird eine starke selbstzentrierende
Wirkung der Dichtungsbüchse 20 gegenüber dem in den Führungslagern 11 und 12 geführten
Kolben 13 erzeugt, die gleichzeitig ein berührungsloses Zusammenwirken von Dichtungsbüchse
und Kolben sicherstellt. Die engste Spaltweite sO wird hierbei zweckmaßig so klein
wie irgend möglich gewählt, etwa in der Größenordnung von 0,005 mm, so daß auch
bei hohem Überdruck des Arbeitsdruckes P1 die Leckmenge der Flüssigkeit möglichst
klein gehalten werden kann. Das Minimum der Spaltweite sO ist dadurch begrenzt,
daß auch beim Anfahren der Maschine aus dem Stillstand jede Berührung zwischen Dichtungsbüchse
und Kolben so weit und so schnell wie möglich vermieden bzw. aufgehoben wird.
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Durch den Druck P1 wird die Dichtungsbüchse 20, wie bereits beschrieben,
mittels ihres Bundes 22 an der Stirnfläche 25 fest gegen den Zwischenring 24 gedrückt,
der sich seinerseits mittels der Zwischendichtscheibe 27 und dessen kugelförmiger
Stützfläche 28 an der kugelförmigen Abstützfläche 29 am Maschinengehäuse 10 abstützt.
Zur Selbstzentrierung der Dichtungsbüchse 20 kann sich diese daher einerseits an
den
radialen Planflächen 25,26 quer zur Achse a-a des Kolbens 15 und andererseits um
den Mittelpunkt M der kugelförmigen Flächen 28,29 allseitig winkelbeweglich einstellen
und sich damit unter der Wirkung der durch den Dichtungsspalt 21 strömenden Flüssigkeit
zum Kolben 15 selbst zentrieren. Der Druck P1 auf die hochdruckseitige Stirnfläche
des Bundes 22 gewährleistet hierbei eine zuverlEssige Dichtung an den Flächen 23
bzw. 25/26 und 28/29. Wie ersichtlich, wird hierbei lediglich der Bund 22 der Dichtungsbüchse
20 von dem Arbeitsdruck P1 axial auf Druck beansprucht, während der übrige rohrSörmige
Teil der Dichtungsbüchse hiervon entlastet ist. Hierbei ist es von Vorteil, daß
sich der Krümmungsmittelpunkt M im Bereiche des hochdruckseitigen Endes der Dichtungsbüchse
20 befindet.
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Gegebenenfalls können Zwischenring 24 und Zwischendichtscheibe 27
in ihrer Anordnung zwischen Dichtungsbüchse und Maschineng;ehäuse axial miteinander
vertauscht werden, so daß z.B. die kugelförmigen Abstützflächen zwischen Dichtungsbüchse
und Zwischendichtscheibe vorgesehen sind. Auch sonst ist die Erfindung nicht auf
das dargestellte Ausruhrungsbeispiel beschränkt.