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Berührungslose Dichtung Die Erfindung betrifft eine berührungslose
Dichtung zwischen einem in einem abzudichtenden Raum rotierenden Teil und einem
feststehenden Teil, an dem ein die Rotationsachse umschliessender, zwei zu dieser
Achse konzentrische Dichtflächen aufweisender Dichtkörper axial beweglich angeordnet
ist, wobei in dem Dichtkörper zwischen den beiden Dichtflächen eine gegen den rotierenden
Teil offene, mit einer Druckmediumquelle verbundene Druckkammer gebildet ist und
der Dichtkörper durch eine Druckkraft gegen eine am rotierenden Teil befindliche
Dichtfläche so angedrücktwird, dass zwischen den zusammenwirkenden Dichtflächen
Spalte freibleiben.
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Eine solche Dichtung ist aus der US-PS 3 606 568 bekannt. Dabei handelt
es sich um die Abdichtung einer Wasserturbine, wobei die Dichtflächen auf einem
grossen Radius liegen, z. B. 2 bis 5 m, und die Relativgeschwindigkeit zwischen
feststehendem Teil und rotierendem Teil bis zu 150 m/sek betragen kann. Als Druckmedium
dient von aussen zugefUhrtes gefiltertes Wasser, das zugleich als Spermedium wirkt
und ein Ausströmen von eventuell sandhaltigem Wasser aus dem Turbinengehäuse verhindert.
Das Sperrmedium wird der Druckkammer ungedrosselt zugeführt, wobei der Druck des
Sperrmediums in
der Druckkammer konstant ist. Die Spaltweite zwischen
den Dichtflächen soll sich auf eine Gleichgewichtsweite einstellen, weil die spaltöffnende
Kraft, hervorgerufen durch den Druck des Sperrmediums im Spalt, mit zunehmender
Durchflussgeschwindigkeit abnimmt, also auch mit zunehmender Spaltweite. Dies wegen
des Bernoullischen Gesetzes, wonach der Druck eines Mediums quadratisch mit zunehmender
Strömungsgeschwindigkeit abnimmt. Mit dieser Dichtung sind also nur relativ grosse
Spaltweiten möglich, was mit entsprechenden Verlusten an Sperrmedium verbunden ist.
Nachteilig bei der bekannten Dichtung ist auch, dass sie Betriebs störungen unterliegt,
z. B. wenn die Sperrmediumzufuhr ausfallen sollte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Dichtung
so zu verbessern, dass sie mit sehr kleinen Spaltweiten im Gleichgewichtszustand
und ohne besonderes Sperrmedium arbeitet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Druckkammer
mittels diese durchquerender Stege in mehrere, über den Umfang des Dichtkörpers
verteilte Einzelkammern unterteilt ist, die je über mindestens eine Drosselstelle
mit der Druckmediumquelle verbunden sind, und dass die Druckmediumquelle von dem
abzudichtenden Raum gebildet ist, dessen Druckmedium zur Bildung der Druckkraft
eine den Dichtflächen abgewendete Fläche des Dichtkörpers beaufschlagt.
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Durch diese Gestaltung der Dichtung wird also die bisher in Umfangsrichtung
durchlaufende Druckkammer in eine Vielzahl kleiner Einzelkammern unterteilt, wobei
der Druck des Druckmediums in der einzelnen
Kammer infolge der
vorgeschalteten Drosselstelle bei sich ändernder Spaltweite variiert. Wenn bei der
neuen Dichtung die Spaltweite grösser wird, so entweicht mehr Druckmedium, wobei
der Druck des Mediums in der betreffenden Einzelkammer infolge der Drosselwirkung
fällt. Dadurch werden die spaltöffnenden Kräfte kleiner, während die spaltverengenden
Kräfte, vom auf den Dichtkörper wirkenden Druckmedium hervorgerufen, konstant bleiben.
Auf diese Weise kommt eine stabile Gleichgewichtslage des Dichtkörpers bei sehr
geringer Spaltweite zustande. Dieser die Spaltweite eindeutig bestimmende Mechanismus
wirkt über den ganzen Umfang der Dichtung in gleicher Weise, denn wegen der Stege
zwischen den einzelnen Kammern werden in Umfangsrichtung verlaufende Ausgleichsströmungen
von einer Einzelkammer zur nächsten vermieden. Damit stellt sich die Dichtung über
den ganzen Umfang gleichmässig auf die gewünschte Spaltweite ein und zwar auch dann,
wenn die Dichtfläche des rotierenden Teils nicht völlig eben ist, sondern etwas
gewellt verläuft. Weiterhin ist für die neue Dichtung vorteilhaft, dass das im abzudichtenden
Raum vorhandene Druckmedium das Andrükken des Dichtkörpers in Richtung auf die Dichtfläche
des rotierenden Teils bewirkt; hierdurch wird der Aufbau der Dichtung wesentlich
einfacher und der Betrieb der Dichtung weniger störanfällig.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch
eine berührungslose Dichtung nach der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt entsprechendder
Linie II II in
Fig. 1 in kleinerem Massstab als Fig. 1, Fig. 3 einen
Axialschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Dichtung, Fig. 4 einen
Querschnitt entsprechend der Linie IV - IV in Fig. 3 und Fig. 5 und 6 je einen Axialschnitt
durch zwei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemässen Dichtung.
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Gemäss Fig. 1 ist mit 1 ein rotierender Steil bezeichnet, der z. B.
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die Welle eines Verstellpropellers bilden kann. Mit 2 ist ein feststehender
Teil bezeichnet, der die Wand eines den rotierenden Teil 1 umgebenden Gehäuses bildet,
das von dem rotierenden Teil 1 durchdrungen wird. In Fig. 1 rechts des feststehenden
Teils 2 befindet sich ein unter dem Druck p1 stehendes Druckmittel, z. B. Oel. Zwischen
dem rotierenden Teil 1 und dem feststehenden Teil 2 ist ein Dichtkörper 3 vorgesehen,
der die Rotationsachse des Teils 1 umschliesst und zwei zu dieser Achse konzentrische
Dichtflächen 4 und 5 aufweist. Der Dichtkörper 3 besteht im wesentlichen aus einem
flanschartigen Abschnitt 6 und einem daran anschliessenden hülsenförmigen Abschnitt
7, der sich in eine Aussparung 8 des feststehenden Teils 2 hinein erstreckt. Der
hülsenförmige Abschnitt 7 weist nahe seinem in Fig. 1 linken Ende eine Ringnut 9
auf, in der eine die Aussparung 8 berührende Dichtung 10, z. B. ein O-Ring, untergebracht
ist.
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Im flanschartigen Abschnitt 6 sind über den Umfang verteilt mehrere
Drosselbohrungen
11 vorgesehen (Fig. 2), die von der in Fig. 1 linken Stirnfiäche 13 des ttaLrehallgen
Abschnitts 6 ausgehen und zu je einer Druckkammer 12 führen. Die einzelnen Druckkammern
sind im flanschartigen Abschnitt 6 ausgebildet und gegen den rotierenden Teil 1
offen. Wie Fig. 2 zeigt, reihen sich die einzelnen Druckkammern 12 in Umfangsrichtung
des Dichtkdrpers 3 aneinander an und sind durch radiale Stege 14 voneinander getrennt.
Die Stege 14 erstrecken sich über die ganze axiale Breite der Kammern 12. Den Dichtflächen
4 und 5 benachbart befindet sich am rotierenden Teil 1 eine mit diesen Flächen zusammenwirkende
Dichtfläche-15, die im Betrieb zwischen sich und den beiden Dichtflächen 4 und 5
Spalte freilässt, so dass zwischen ihnen keine Berührung stattfindet.
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Die in Betrieb berührungsiose Dichtung gemäss Fig. 1 und 2 wirkt wie
folgt: Das unter dem Druck p1 stehende Druckmittel wirkt auf die Stirnfläche 13
des flanschartigen Abschnitts 6 des Dichtkörpers 3 und erzeugt eine axiale Druckkraft
PA die den Dichtkörper 3 in Richtung gegen die Dichtfläche 15 am rotierenden Teil
1 drückt.
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Ueber die Drosselbohrungen 11 gelangt das Druckmittel auch in die
einzelnen Kammern 12, wo sich ein entsprechend niedrigerer Druck aufbaut, der der
Druckkraft PA entgegenwirkt und bewirkt, dass keine Berührung zwischen den Dichtflächen
4 und 5 einerseits und der Dichtfläche 15 andererseits stattfindet. Wie aus dem
in Fig. 1 rechts der Dichtfläche 15 eingezeichneten Diagramm erkennbar ist, fällt
der Druck Pt über der Dichtfläche 5 bis auf den Druck in den Kammern 12, der dann
über die Dichtfläche 4 auf einen ausserilalb des Raumes mit dem Druck p1 herrschenden
Druck Po absinkt, der in den
meisten Fällen dem AtmosphNrendruck
entspricht. Der sich einstellende Druck in den einzelnen Kammern 12 ist von der
Weite des Spaltes zwischen den zusammenwirkenden Dichtflächen abhängig. So stellt
sich bei einem engeren Spalt ein höherer Druck ein, der in dem Diagramm gestrichelt
eingezeichnet ist und dessen Verlauf über den Dichtflächen 4 und 5 sich wie gestrichelt
gezeichnet ändert. Da der Druck p1 als konstant angenommen werden kann, stellt sich
eine stabile Gleichgewichtslage des Dichtkörpers 3 mit einer bestimmten Spaltweite
ein. Durch entspreehendes Dimensionieren der radialen Breite der Dichtflächen 4
und 5, der in Umfangsrichtung gemessenen Länge der einzelnen Kammern 12 und der
Drosselbohrungen 11 kann die der stabilen Gleichgewichtslage zugehörende Spaltweite
auf ein gewünschtes Mass gebracht werden.
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In dem hülsenartigen Abschnitt 7 des Dichtkörpers 3 sind über den
Umfang verteilt mehrere Federn 20 in Bohrungen 21 untergebracht, von denen in Fig.
1 nur eine Feder und eine Bohrung gezeigt ist.
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Die Federn 20 stützen sich mit ihrem in Fig. 1 linken Ende an einer
in der Aussparung 8 untergebrachten Scheibe 22 ab. Die Federn 20 haben den Zweck,
den Dichtkörper 3 mit seinen Dichtflächen 4 und 5 unter Berührung gegen die Dichtfläche
15 des rotierenden Teils 1 zu drücken, solange das Druckmedium noch nicht den Druck
P1 aufweist.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 und 4 hat der Dichtkörper 33 im
Prinzip die gleiche Form wie der Dichtkörper 3 gemäss Fig. 1 und wiederum einzelne,
sich in Umfangsrichtung aneinanderreihende Druckkammern 32, die durch radiale Stege
34 voneinander getrennt sind. In Jede Kammer 32 können mehrere Drosselbohrungen
31 münden.
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Die Drosselbohrungen 31, die sich in axialer Richtung durch den flanschartigen
Abschnitt 36 des Dichtkörpers 33 erstrecken, sind Jedoch zu kurz, um eine genügende
Drosselung des Druckmediums zu erreichen. Aus diesem Grunde sind die Drosselbohrungen
31 durch spiralförmige Drosselkanäle 31' verlängert, die sich in einer radialen
Ebene des flanschartigen Abschnitts 36 erstrecken und in diesen in Form von Spralnuten
eingearbeitet sind. Die Nuten werden in axialer Richtung durch eine ringscheibenförmige
Platte 37 verschlossen, die in geeigneter Weise mit dem flanschartigen Abschnitt
36 verbunden ist. Der Zutritt zu den Drosselkanälen 31' ist also über dem Umfang
des Dichtkörpers 33 verteilt.
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Die Wirkungsweise der Dichtung gemäss Fig. 3 und 4 stimmt mit der
gemäss Fig. 1 und 2 überein.
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Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 hat der Dichtkörper 53 im wesentlichen
die Gestalt eines Flansches und setzt sich aus drei ringförmigen Teilen 40, 41,
42 zusammen. In dem Teil 40 sind die einzelnen Druckkammern 52 ausgebildet, und
er weist zwei konzentrische Dichtflächen 44 und 45 auf, die mit einer ebenen Dichtfläche
55 am rotierenden Teil 51 zusammenwirken. Aehnlich wie beim AusfUhrungsbeispiel
nach Fig. 3 und 4 münden in die einzelnen Druckkammern 52 axiale Drosselbohrungen
61, die über spiralförmige Kanäle 61' verlängert sind. Die Kanäle 61' sind in dem
ringförmigen-Teil 42 ausgebildet, der an einer ebenen Fläche des Teils 40 anliegt.
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Zwischen den ringförmigen Teilen 41 und 42 ist das eine Ende einer
wellrohrartigen Dichtung 60 eingeklemmt, die mit ihrem anderen Ende zwischen zwei
ringförmigen Stirnwandteilen 62 und 62 t eingeklemmt
ist, die zum
feststehenden Teil gehören. Die wellrohrar tige Dichtung 60 entspricht in ihrer
Funktion dem Dichtungsring 10 in Fig. 1.
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Zum Andrücken und Dichten des Dichtkörpers 53 während der Zeit, in
der das Druckmittel noch nicht den Druck p1 aufweist, ist beim Ausführungsbeispiel
gemäss Fig. 5 eine ringförmige Scheibe 70 vorgesehen, die von mehreren über den
Umfang verteilten Federn 71, vcrl denen nur eine gezeigt ist, gegen den Dichtungskörper
53 gedrückt wird und diesen damit zum Anliegen an der Dichtfläche 55 des rotierenden
Teils 51 bringt. Die Andrückkraft ist mit PF bezeichnet.
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Der ringförmige Teil 42 des Dichtkörpers 53 steht über radiale Stege
72 mit einem zur Rotationsachse des rotierenden Teils 51 konzentrischen Ring 73
in Verbindung, der zwischen zwei Ringen 74 und 75 mit Hilfe von Schrauben 76 eingeklemmt
ist. Die Ringe 74 und 75 ihrerseits sind mittels Schrauben 77 am Wandteil 62 befestigt.
An dem Wandteil 62 ist ausserdem in nicht näher dargestellter Weise eine zylindrische
Wand 78 eines den rotierenden Teil 51 umgebenden Gehäuses dicht befestigt. Eine
nach innen ragende Schulter 79 des Ringes 75 bildet mit ihrer inneren zylindrischen
Begrenzungsfläche eine axiale Führung für die ringförmige Scheibe 70, deren axiale
Bewegung h und h' durch den Wandteil 62 und die Schulter 79 begrenzt ist.
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Die im Betrieb berührungslose Dichtung gemäss Fig. 5 wirkt wie folgt:
Das in dem Gehäuse 62, 78 vorhandene Druckmittel mit dem Druck p1 wirkt einerseits
in axialer Richtung auf den Dichtkörper 53 und
drückt diesen in
Richtung auf die Dicht fläche 55 des rotierenden Teils 51. Ueber die Drosselkanäle
61, 61' gelangt das Druckmittel auch in die einzelnen Druckkammern 52, in denen
es einen Druck aufbaut, der den Dichtkörper 53 von der Dichtfläche 55 des rotierenden
Teils 51 wegdrückt, so dass sich im Gleichgewichtszustand ein Spalt s zwischen den
Dichtflächen 44, 45 einerseits und 55 andererseits einstellt. Die axial auf den
Dichtkörper 53 in entgegengesetzten Richtungen wirkenden Kräfte PA bilden eine Kräftepaar
mit dem Abstand a. Dieses Kräftepaar übt auf den Dichtkörper 53 ein Kippmoment aus.
Ausserdem wirkt das Druckmedium mit dem Druck p1 in radialer Richtung von aussen
auf den Dichtkörper 53. Die daraus resultierende Kraft ist mit PR bezeichnet. Dieser
Kraft entgegen wirkt eine Zugkraft PR, die vom Ring 73 über die radialen Stege 72
auf den Dichtkörper 53 ausgeübt wird. Das aus diesen beiden Kräften PR mit dem Abstand
b gebildete Kräftepaar übt ebenfalls ein Moment auf den Dichtkörper 53 aus, das
dem aus dem Kräftepaar PA resultierendenMoment entgegenwirkt und dieses ausgleicht.
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Die Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die berührungslose
Dichtung ausserhalb des das Druckmedium mit dem Druck p1 umgebenden Gehäuses angeordnet
ist. Der rotierende Teil ist mit 91 bezeichnet und durchdringt die Stirnwand 99
eines Gehäuses 98, in dem das Druckmedium mit dem Druck p1 enthalten ist. Die Wand
99 bildet den feststehenden Teil der Dichtung. Der rotierende Teil 91 weist ausserhalb
des Gehäuses 98 einen Abschnitt 91' mit grösserem Durchmesser auf, wobei zwischen
91 und 91' eine ebene Dichtfläche 105 für den rotierenden Teil vorgesehen ist. Dieser
Dichtfläche benachbart ist ein Dichtkörper 93, der - ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel
nach Fig. 5 - aus drei ringförmigen Teilen 80, 81 und 82 zusammengesetzt
ist.
Der Teil 80 enthält die einzelnen Druckkammern 92, die in radialer Richtung von
den mit der Dichtfläche 105 zusammenwirkenden Dichtflächen 84 und 85 begrenzt sind.
Die einzelnen Druckkammern 92 stehen über Drosselbohrungen 111 und diesen vorgeschaltete
spiralförmige Kanäle 111' mit dem Raum in Verbindung, in dem das Druckmittel mit
dem Druck p1 enthalten ist. Zwischen der Stirnwand 99 und dem Dichtkörper 93 erstreckt
sich eine wellrohrartige 60 Dichtung 100, die - ähnlich wie die Dichtung/in Fig.
5 - mit ihren beiden Enden zwischen den Teilen 80 und 81 des Dichtkörpers 93 bzw.
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zwischen den Teilen 99 und 99' der Stirnwand eingeklemmt ist.
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Zur Halterung des Dichtkörpers 93 in radialer Richtung sowie zum dichten
Andrücken des Dichtkörpers 93 während der Zeitspanne, in der kein genügender Druck
des Druckmittels vorhanden ist, dienen mehrere rechtwinklig gebogene Biegefedern
102. Der jeweils radiale Schenkel der Federn 102 ragt mit seinem freien Ende in
radiale Nuten 103 des Teils 99' und ist zwischen diesem Teil und einem Ring 104
eingespannt, der mittels Schrauben 106 am Gehäuse 98 befestigt ist. Mit dem Jeweils
axialen Schenkel ragen die Federn 102 in eine Ringnut 86 des Teils 80 des Dichtkörpers
93. Die Biegefedern 102 liegen dabei mit einer gewissen Vorspannung am Dichtkörper
93 an, die in Fig. 6 mit PF bezeichnet ist.
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Die Wirkungsweise der berührungslosen Dichtung gemäss Fig. 6 ist bezüglich
der Dichtfunktion gleich derJenigen nach Fig. 5, indem das Druckmittel mit dem Druck
p1 auf die den Dichtflächen 84 und 85 abgewendete, innerhalb der wellrohrartigen
Dichtung 100 befindliche Fläche des Dichtkörpers 93 wirkt und diesen in Fig. 6 in
axialer Richtung nach rechts zur Dichtfläche 105 am rotierenden
Teil
91' bewegt, während das Druckmittel gleichzeitig über die Drosselkanäle 1111 und
Drosselbohrungen 111 in die einzelnen Druckkammern 92 gelangt und dort einen Gegendruck
aufbaut, der eine Berührung des Dichtkörpers 93 mit der Dichtfläche 105 verhindert.
Die beiden erwähnten Drücke rufen ein im Gegenuhrzeigersinn wirkendes Kippmoment
hervor, das durch ein entgegenwirkendes Moment ausgeglichen wird. Das letztgenannte
Moment rührt von dem Kräftepaar PR mit dem Helbelarm b her. Der radial von innen
nach aussen wirkenden Kraft PR, die aus der auf die innere UmfangsRläche des Dichtkörpers
93 wirkenden Beaufscnlagung durch das Druckmittel resultiert, entspricht die entgegengesetzt
gerichtete Kraft PR, die am Drehpunkt des Querschnitts des flanschartigen Dichtkörpers
93 angreift.
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Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bei dem das Druckmittel
mit dem Druck p1 auf die äussere Umfangsfläche des Dichtkörpers 53 wirkt, eine Abstützung
des Dichtkörpers nach aussen mit Hilfe des Ringes 73 vorgenommen worden ist, um
den flanschartigen Dichtkörper stabil zu machen, weist der flanschartige Dichtkörper
93 in Fig. 6 wegen der Beaufschlagung auf die innere Umfangsfläche eine Eigenstabilität
auf, wodurch sich eine Abstützung gegen aussen erübrigt. Die Konstruktion gemäss
Fig. 6 ist also einfacher. Trotz dieser Vereinfachung ist auch bei dieser Ausführungsform
der Momentenausgleich erreicht.
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Abweichend von den beschriebenen Beispielen mit spiralförmigen Drosselkanälen
311, 61' und 111' können diese Kanäle auch eine andere Form aufweisen, z. B. Mäanderform.