DE2838221A1

DE2838221A1 - Mechanische wellenabdichtung

Info

Publication number: DE2838221A1
Application number: DE19782838221
Authority: DE
Inventors: Kauko Hytoenen
Original assignee: PAINETEKNIIKKA Oy
Current assignee: PAINETEKNIIKKA Oy
Priority date: 1977-09-14
Filing date: 1978-08-30
Publication date: 1979-03-22
Also published as: GB2004333B; IT1107984B; JPS6038591B2; FI772705A; FI61558C; SE7809633L; AR216802A1; SE439190B; IT7850995A0; DE2838221C2; DD138918A5; ATA628578A; GB2004333A; JPS5499858A; CA1090387A; BR7805970A; NO783097L; FR2403499A1; FR2403499B1; AT360297B

Description

PFENNING · MAAS · SEILER · MEINIG · LEMKE · SPOTT

PATENTANWÄLTE
BERLIN · MÜNCHEN · AUGSBURG

Patentanwalt· ■ Kurfürstendamm 170 ■ D1000 Berlin 15

30346

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Unser Zeichen Our reference

Me/St

J. Pfenning, Dipl.-ing. · Berlin Dr. I. Maas, Olpl.-Chem. ■ München H. Salier, Dipl.Hng.· Berlin K. H. Meinig, Dipl.-Phys. ■ Berlin J. M. Lemke, Dipl.-Ing. · Augsburg Dr. G.Spott, Dipl.-Chem. - München

BÜRO BERLIN: Kurfürstendamm 170 D1000 Berlin 15

Telefon:

030-8812008/8812009

Telegrammadresse: Seilwehrpatent

Berlin Date

30. August 1978

INSINÖÖRITOIMISTO PäINETEKNIIKKA OY SF-4O95O Muurame, FINNLAND

Mechanische Wellenabdichtung

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Ja"

Diese Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Wellenabdichtung zum Abdichten eines Spalts zwischen einem rotierenden Element und einem stationären Element zwecks Trennung eines Druckmittelraumes von einem äusseren Raum, welche Wellenabdichtung wenigstens einen, an eines der Elemente gestützten, beweglichen Abdichtungsring, der gegen dieses Element abdichtet, und wenigstens einen, an das andere Element befestigten, auf der Druckraumseite des Abdichtungsringes befindlichen Gegenring, welcher gegen dieses Element abdichtet, wobei der Abdichtungsring und der Gegenring mit, aneinander axialgedrückten abdichtenden Gleitflächen versehen sind, und einen, zwischen dem einen Element und dem Abdichtungsring befindlichen, an die erwähnten Gleitflächen grenzenden Zwischenraum für eine Sperrflüssigkeit und einen, am Abdichtungsring angeordneten Ringsatz umfasst, mittels welchem der Druck des Druckmittels auf die Gleitfläche des Abdichtungsringes eine schliessende Kraft ausübt, welche Kraft grosser als die, durch den Druck des Druckmittels ausgeübte, die Gleitflächen öffnende Kraft ist.

Eine Abdichtung solcher Art wird in Pumpen, Mühlen, Bläsern etc. verwendet, wo sich eine rotierende Welle durch eine stationäre Wand erstreckt. Auf den verschiedenen Seiten der Wand sind normalerweise verschiedene Drucke und verschiedenartige Flüssigkeiten und Gase vorhanden. Somit kann das Druckmittel eine Flüssigkeit oder ein Gas sein und der auswändige Raum kann aus einem unter lieber- oder Unterdruck oder atmosphärischem Druck stehenden oder Flüssigkeits- oder Gasraum oder aus der Atmosphäre bestehen« Als Sperrflüssigkeit wird meistens Wasser benutzt.

Es ist auf vielen Gebieten bekannt, mechanische Wellenabdichtungen dieser Art zu benutzen zwecks Abdichten von unter Druck

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stehenden Flüssigkeiten gegen die Atmosphäre. Das Abdichten kann entweder mittels einer solchen Abdichtung ausgeführt werden, wo der Druck des verwendeten Sperrwassers kontinuierlich, auch bei einer Maschine ausser Gang, höher ist als der Flüssigkeitsdruck, oder mittels einer Abdichtung, wo der Druck des SpeTrwassers immer niedriger sein soll, als der Flüssigkeitsdruck.

Wenn eine solche Abdichtung verwendet wird, wo der Druck des Sperrwassers immer höher sein soll, als der Flüssigkeitsdruck, ist es schwer bei allen Verhältnissen darüber sicher zu sein, dass die Menge von unter Lieberdruck stehendem Sperrwasser z.B. bei elektrischen Störungen ausreicht. Zur Ausschliessung von Störungen der Elektrizitätsverteilung bei der Erzeugung von ausreichenden Quantitäten von Sperrwasser unter ausreichendem Druck, wird man dazu gezwungen, komplizierte und kostspielige, mit Reservekraftquellen versehene Sperrwassersysteme aufzubauen. Sollte der Sperrwasserdruck jedoch, trotz allen Reserveanordnungen, aus irgendeinem Grunde unter den Flüssigkeitsdruck sinken, wird der auf der Flüssigkeitsseite befindliche Abdichtungsring durch den Flüssigkeitsdruck axial verschoben und Flüssigkeit drängt zwischen den abdichteten Gleitflächen in den Sperrwasserraum. Wenn Verunreinigungen in der Flüssigkeit vorhanden sind, verschleissen die dichtenden Gleitflächen schnell oder sie können Stockungen im Sperrwasserraum veranlassen oder ein erneutes Schliessen der Gleitflächen verhindern. Hierbei wird die Abdichtung verdarben.

Wenn wieder eine solche Abdichtung verwendet wird, wo der Sperrwasserdruck niedriger sein soll, als der Flüssigkeitsdruck, wird ein zwischen den Gleitflächen befindlicher schmierender Film nicht aus dem Sperrwasser, sondern aus der

Flüssigkeit gebildet. Wenn die Flüssigkeit z.B. ätzend ist, verursacht der schmierende Flüssigkeitsfilm ein rascheres Ätzen der Gleitflächen auf der Flüssigkextsseite, oder wenn die

schmierenden Eigenschaften der Flüssigkeit schwach sind, wird hierdurch eine raschere Abnutzung der auf der Flüssigkeitsseite befindlichen Gleitfläche als bei der Verwendung von unter Ueberdruck stehendem Sperrwasser veranlasst. Wenn der Druck des Dichtungswassers, aus irgendeinem Grunde, über den Flüssigkeitsdruck steigt, öffnen sich die auf der Flüssigkeitsseite befindlichen Gleitflächen und Flüssigkeit kann in den Sp.errwasserraum drängen. Die in der Flüssigkeit vorhandenen Verunreinigungen können das erneute Schliessen der Gleitflächen verhindern und den Sperrwasserraum verstopfen. Die oben angeführten Ursachen können in wesentlichem Masse die Lebensdauer der Abdichtungen verkürzen und sie kann wegen eines falschen Sperrwasserdruckes verdorben werden.

Die Aufgabe dieser Erfindung ist, eine mechanische Wellenabdichtung zu erzielen, deren Dichtungsvermögen von der Höhe des Sperrflüssigkeitsdruckes im Verhältnis zum Druckmitteldruck unabhängig ist. Dieses wird mittels einer erfindungsgemassen Wellenabdichtung erzielt, welche dadurch gekennzeichnet ist„ dass der Abdichtungsring mit einem, gegen eines der Elemente abdichtenden Kolben versehen ist, mittels welchem die Sperrflüssigkeit den Abdichtungsring in Richtung zum Druckmittelraum hin drückt und der so gross ist, dass die, von dem Druck der Sperrflüssigkeit ausgeübte, die Gleitflächen öffnende Kraft kleiner ist, als die, von dem Druck der Sperrflüssigkeit ausgeübte schliessende Kraft und dass der Gleitraum des Kolbens durch einen Kanal mit einem¹ unter Druck stehenden Raum verbunden ist. ■ '

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In einer erfindungsgemäss erzielten Wellenabdichtung kann der Sperrflüssigkeitsdruck höher oder niedriger als der Druckmittelsdruck sein, ohne dass sich die Gleitflächen durch Einfluss des Druckmitteldruckes oder der Sperrflüssigkeitsdruckes oder durch den gleichzeitigen Einfluss der beiden öffnen. In einer erfindungsgemässen Wellenabdichtung veranlasst der erwähnte ringförmige Ansatz des Abdichtungsringes, dass die, durch den Druckmitteldruck auf den Gleitflächen wirkende öffnende Kraft kleiner ist als die von dem Druckmitteldruck veranlasste schliessende Kraft, wogegen der erwähnte ringförmige Kolben des Abdichtungsringes veranlasst, dass der vom Sperrflüssigkeitsdruck auf den Gleitflächen wirkende öffnende Kraft bei allen Verhältnissen kleiner ist als die, vom Sperrflüssigkeitsdruck veranlasste schliessende Kraft. Hierdurch ist das Abdichtungsvermögen der Wellenabdichtung von der Höhe des Sperrflüssigkeitsdruckes im Verhältnis zum Druckmitteldruck unabhängig. Der aus dem Gleitraum des Kolbens in einen Raum unter Druck, z.B. in die Aussenluft führende Kanal versichert, dass die, von der axialen Bewegung des Abdichtungsringes verursachte Änderung im Volumen des Gleitraums des Kolbens, nicht die Funktion der Abdichtung stört.

Die Erfindung wird unten mehr im Einzelnen betrachtet, und zwar mit Bezug auf die beigelegten Zeichnungen, wo

Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Wellenabdichtung, fertig montiert, darstellt.

Figur 2 den Abdichtungsring und den Abdichtungskörper der Wellenabdichtung, auseinander gesondert, als Axialschnitt, darstellt.

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Figur 3 das Betätigungsprinzip der Wellenabdichtung in grösserem Format darstellt, und

Figur 4 eine alternative Ausführungsform der Wellenabdichtung darstellt.

Auf den Zeichnungen sind eine rotierende Welle 1 z.B. einer Flüssigkeitspumpe und ein stationäres Gehäuse 2 dargestellt. Der Spalt zwischen der Welle und dem Gehäuse ist mit einer ringförmigen Wellenabdichtung 3 abgedichtet. Inrarhalb des Gehäuses (links auf der Figur 1) befindet sich ein Druckraum 4 für eine Druckflüssigkeit und ausserhalb des Gehäuses (rechts auf der Figur 1) ist die Atmosphäre 5.

Die Wellenabdichtung 3 umfasst einen, auf dem Gehäuse angeordneten festen ringförmigen Abdichtungskörper B, zwei zwischen dem Abdichtungskörper und der Welle befindliche Abdichtungsringe 7, 8 und zwei auf entgegengesetzten Seiten liegende, an der Welle befestigte Gegenringe 9, 10. Die Sperrschrauben der Gegenringe sind mit den Hinweisnummern 9', 10' versehen. Die Gegenringe sind in einer an sich bekannten Weise gegen die Welle mit Ringabdichtungen 11 und der Abdichtungskörper 6 gegen das Gehäuse 2 mit Ringabdichtungen 12 abgedichtet. Die Abdichtungsringe 7, 8 sind gleichsam gegen den Abdichtungskörper 6 mit Ringabdichtungen 13 abgedichtet. Beide Gegenringe haben gegen die Abdichtungsringe gerichtete Gleitflächen 14, 15 und die, gegen die Gegenringe gerichteten Enden der Abdichtungsringe haben entsprechende Gleitflächen 16, 17. Zwischen den Abdichtungsringen 7, 8 befindliche Druckfedern 18 drücken die Abdichtungsringe auseinander* sodass die Gleitflächen paarweise aneinandergedrückt werden. Zwischen.den Abdichtungsringen und der Welle bleibt ein Zwischenraum 19 für Sperrwasser und im Gehäu-

se 2 gibt es einen Einlaufkanal 20 und einen Ablaufkanal 21 für Sperrwasser. Am druckraumseitigen Abdichtungsring 7 gibt es einen ringförmigen Ansatz 22 zu einem spater zu erläuterndem Zweck.

An dem äusseren Ende des druckraumseitigen Abdichtungsringes 7 ist ein ringförmiger abdichtender Kolben 23 befestigt. Der Kolben umfasst eine elastische Ringabdichtung 24 (Figur 2), auf deren entgegengesetzten Seiten Stützplatten 25, 26 angeordnet sind» Die Kombination 24, 25, 26 ist axial unbeweglich mit einer Schraube 27 an dem Abdichtungsring 7 befestigt. Für den Kolben ist an dem Abdichtungskörper 6 ein zylinderförmiger Glsitraurn 28 zur Axialbewegung des mit dem Abdichtungsring zusammen beweglichen Kolbens geformt. Durch den Dichtungskörper erstreckt sich ein radialer Kanal 29. Das innere Ende des Kanals steht in Verbindung mit dem erwähnten Gleitraum 28 durch einen Zwischenraum zwischen diesem Gleitraum und der Ringabdichtung 13. Der Kanal 29 des Abdichtungskörpers ist durch einen, sich durch den Körper erstreckenden Kanal 3D mit der Atmosphäre 5 in Verbindung.

In der oben beschriebenen Konstruktion neigt die Druckflüssigkeit 31 (Figur 3) dazu, aus dem Druckraum 4 zwischen die Gleitflächen 14, 16 einzudrängen und eine, die Gleitflächen öffnende Kraft F, zu veranlassen

(1) F₁ = ^Pn . A₁.

wo ρ der Druckflüssigkeitsdruck und A₁ die effektive Fläche der Gleitflächen ist. Die Druckflüssigkeit wirkt auch auf den Ansatz 22 und veranlasst eine, die erwähnten Gleitflächen 14,

10

IB schliessende Kraft F-

(2) F₂ - p_n . A₂ ,

wo A- die effektive Fläche des Ansatzes ist.

Das Sperrwasser 32 neigt entsprechend dazu, zwischen die erwähnten Gleitflächen 14, 16 einzudrängen und eine, die Gleitflächen öffnende Kraft f, zu veranlassen

(3) "P₁ ^a ^Pl ■ A₁ ,

wo p, der Sperrwasserdruck ist. Das Sperrwasser wirkt auch auf den oben beschriebenen Kolben 23 und veranlasst entsprechend eine, die Gleitflächen 14, 16 schliessende Kraft f„

(4) f₃

wo A_ die effektive Kolbenfläche ist.

Wenn die, die Gleitflächen 14, 16 schliessende Kraft der Federn IB mit F . bezeichnet wird,
geschlossen, vorausgesetzt, dass

dern IB mit F . bezeichnet wird, verbleiben die Gleitflächen

(5) F₂ ♦ f₃ ♦ Fj > F₁ ♦ f_x .

Wenn der Sperrwasserdruck p. Null, d.h. niedriger als der Druck der Druckflüssigkeit ist (und die Federkraft F. der Ein-

fachheit halber mit Null bezeich.net wird.), wird die Bedingung (5) erfüllt, wenn

(6) A₂ ^ ^Al (p_t -- D).

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Wenn der Druckflüssigkeitsdruck ρ Null ist, d.h. der Druckwasserdruck grosser als der Druckflüssigkeitsdurck ist, wird die Bedingung (5] erfüllt, wenn

(7) A- \ ^Al (p„ = O) .

Wenn der Sperrwasserdruck p. und der Druckflüssigkeitsdruck ρ

"Π η

gleich gross sind, wird die Bedingung (5) erfüllt, wenn

(8) A₂ ♦ A₃ V, A₁ Cp_t = p_n).

₂ ♦ A₃ V, A₁ Cp_t = p_n

Der Figur 3 kann entnommen werden, dass durch Ausrüsten des Abdichtungsringes 7 mit einem Kolben 23 obenbeschriebener Art, kann immer auf die Gleitflachen 14, 15 eine schliessende Kraft f- gerichtet werden, welche grosser ist als die öffnende Kraft f,, ganz abgesehen davon, ob der Druckwasserdruck kleiner oder grosser als oder ebenso gross wie der Druckflüssigkeitsdruck ist.

Ois Verbindung des Gleitraums 28 des Kolbens 23 durch dis Kanäle 29, 30 mit der Atmosphäre 5 versichert,, dass die„ durch die axiale Bewegung des Kolbens im Gleitraum veranlasste Änderung des Volumens des Gleitraums keine,, die Erfüllung der Bedingung C5} widerstehenden axialsn Zusatzkräfte in der Abdichtung veranlasst.

In den oben angeführten Formeln ist vorausgesetzt worden* dass die Federkraft der Federn 18 unwesentlich ist„ doh„ dass die Fadem dimensioniert sind,, nur einen Vordruck dsr Gleitflächen 14, IB und entsprechend 15» 17 aneinander hervorzurufen= Es ist jedoch klar» dass je grosser dis Federkraft ist» dssto mehr steigert sie die vom Kolben 23 ausgeübte schliessende Kraft f₃<.

Bei zunehmender Federkraft, kann die Kolbenfläche somit entsprechend herabgesetzt werden.

In der auf der Figur 4 dargestellten Ausführungsform sind die gleichen Teile mit denselben Hinweisnummern, wie in der vorhergehenden Ausführungsform bezeichnet worden. Die Konstruktion gemäss Figur 4 weicht von der vorhergehenden Konstruktion zunächst insofern ab, dass die Abdichtungsringe 7, B anstatt an dem Maschinengehäuse, an der Welle 1 und die Gegenringe 9, 10, anstatt an der Welle, an dem Maschinengehäuse 2 befestigt worden sind.

Die Zeichnungen und die angeschlossene Beschreibung »ind nur abgesehen, die Erfindungsidee zu veranschaulichen. In ihren-Einzelheiten kann die erfindungsgemässe Abdichtung sogar bedeutend im Rahmen der Patentansprüche variieren. Das atmosphärenseitige Abdichten der Abdichtung kann anstatt durch die Gleitflächen 15, 17, durch irgendeine andere Axialabdichtung erzielt worden sein. DiB Dichtungsringe 7, 8 können direkt gegen an dem Maschinengehäuse 2 verarbeitete Gleitflächen abdichten, wobei der Abdichtungskörper 6 ausgelassen werden kann. Auch wenn oben zwei separate Abdichtungsringe 7, θ vorgelegt worden sind, kann der Abdichtungsring 7 angeordnet werden, direkt gegen einen auswärtigen Gegenring 10 abzudichten, wobei der Abdichtungsring θ ausfällt. Der Kolben 23 kann, anstatt aus einem separaten Stück 24, 25, 26, aus einem, vom Abdichtungsring 7 und einer ringförmigen Flansche geformten Stück, welches in geeigneter Weise gegen den Abdxchtungskörper 6 abdichtet, bestehen. In der, auf der Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist der Kolben 23 axial unbeweglich an einem Dichtungsring befestigt worden, es ist aber möglich, dass sich zwischen dem Kolben und der Schraube 27 ein Zwischenraum befindet, weil es

V*

von der Erfindung aus gesehen nur wesentlich ist, dass sich der Kolben in Richtung zum Druckraum dicht an den Abdichtungsring drückt. Anstatt des sich durch das Maschinengehäuse erstreckenden Kanals 30, kann der Kanal 29 des Abdichtungskörpers 6 angeordnet sein, sich axial durch den Abdichtungskörper B zu erstrecken und in die Atmosphäre 5 durch dessen äussere Kante auszumünden. Anstatt der Atmosphäre, kann der Gleitraum 28 durch die Kanäle 29, 30 mit einem separaten Raum 5' (Figur 3) unter konstantem Druck angeschlossen sein, der, trotzdem, dass der Kolben 2Θ sich in dem Gleitraum axial bewegt, einen konstanten Druck im Gleitraum beibehaltet.

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Claims

Patentansprüche:

!'•Ylechanische Wellenabdichtung zum Abdichten eines Spalts

ischen einem rotierenden Element (1) und einem stationären Element (2) zwecks Trennung eines Druckmittelraumes (4) von einem äusseren Raum (5), welche Wellenabdichtung (3) wenigstens einen, an eines (2) der Elemente gestützten, beweglichen Abdichtungsring (7), der gegen dieses Element (2) abdichtet, und wenigstens einen, an das andere Element (1) befestigten, auf der Druckraumseite des Abdichtungsringes befindlichen Gegenring (9), welcher gegen dieses Element (1) abdichtet, wobei der Abdichtungsring und der Gegenring mit, aneinander axialgedrückten abdichtenden Gleitflächen (14, IB) versehen sind, unc einen, zwischen dem einen Element und dem Abdichtungsring befindlichen, an die erwähnten Gleitflächen grenzenden- Zwischenraum (19) für eine Sperrflüssigkeit (32) und einen, am Abdichtungsring angeordneten Ringsatz (22) umfasst, mittels welchem der Druck des Druckmittels (31) auf die Gleitfläche (16) des Abdichtungsringes eine schliessende Kraft (F₇) ausübt, welche Kraft grosser als die, durch den Druck des Druckmittels ausgeübte, die Gleitflächen öffnende Kraft (F,) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdichtungsring mit einem, gegen eines der Elemente (1 oder 2) abdichtenden ringförmigen Kolben (23) versehen ist, mittels dessen die Sperrflüssigkeit (32) den Abdichtungsring (7) in Richtung zum Druckraum (4) hin drückt und' der so gross ist, dass die durch den Druck der Sperrflüssigkeit ausgeübte, die Gleitflächen öffnende Kraft (f,), kleiner ist als die, durch den Druck der Sperrflüssigkeit ausgeübte schliessende Kraft (f₃) ist, und dass der Gleitraum (2Θ) des Kolbens (23) durch einen Kanal (29, 30) einem unter Druck stehenden Raum (5) angeschlossen ist.

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2. Wellenabdichtung gemäss Patentanspruch 1, wo an dem stationären Element (2) axial unbeweglich ein Abdichtungskörper (6) befestigt ist, gegen welchen der Abdichtungsring (73 abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Abdichtungskärper (6) ein zylinderförmiger, den Innenkreis des Abdichtungskörpers umschliessender Gleitraum (28) für die axialgerichtete Bewegung des Kolbens (23) geformt ist und dass der Gleitraum mit dem, unter Druck stehenden Raum (5) durch einen, sich durch den Abdichtungskörper erstreckenden Verbindungskanal (29) in Verbindung steht.
3. Wellenabdichtung gemäss. Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (29) durch einen, im stationären Element (2) geformten Kanal (30) mit einem Raum unter konstantem Druck, vorzugsweise mit der Atmosphäre (5) verbunden ist.
4. Wellenabdichtung gemäss Patentanspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, dass sich der Verbindungskanal axial durch den Abdichtungskörper (6) erstreckt und am äusseren Ende des Abdichtungskörpers in die Atmosphäre ausmündet.
5. Wellenabdichtung gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die effektiven Flächen des Ansatzes (22) , des Kolbens (23) und der Gleitflächen (14, 16) in einer solchen Weise dimensioniert sind, dass

A v^ ^Al und A₃ v. ^Al sowie A₂ + ^A3 >^Αχ

A, = die unter Einfluss des Druckmittels stehende effektive

Fläche der Gleitfläche,

Ay = die unter dem Einfluss des Druckmittels stehende effektive Fläche des Ansatzes,

A₃ = die unter Einfluss der Sperrflüssigkeit stehende effektive Fläche des Kolbens

bedeuten.
6. Wellenabdichtung gemäss Patentanspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, dass der Kolben (23) als eine, von dem Dichtungsring (7) getragene elastische Ringabdichtung (24, 25, 26) geformt ist.

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