DE3016148C2

DE3016148C2 - Hochdruck-Wellendichtung

Info

Publication number: DE3016148C2
Application number: DE3016148A
Authority: DE
Inventors: Arthur Russel Martinson; Victor Day Portland Oreg. Rogers
Original assignee: GUY F ATKINSON Co PORTLAND OREG US; Guy F Atkinson Co
Current assignee: Sulzer Bingham Pumps Inc Portland Oreg Us
Priority date: 1979-04-30
Filing date: 1980-04-26
Publication date: 1984-07-05
Also published as: DE3050514A1; BE883009A; ES490894A0; AU5779680A; DE3050514C2; BR8002448A; GB2047821B; AR242851A1; GB2047821A; FR2455698A1; FR2455698B1; NL8002476A; IN151946B; JPS6347952B2; AU527873B2; US4272084A; DE3016148A1; CA1131269A; ES8102650A1; MX151208A

Description

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der ringförmigen Vorsprünge (72, 77) ein Fünftel der radialen Breite des einen Dichtungsrings (76) nicht überschreitet.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste ringförmige Vorsprung (77) am einen Dichtungsring (76) und der zweite ringförmige Vorsprung (72) an der ringförmigen Auflage (71) ausgebildet ist.

4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Auflage (71) mit einem sich in axialer Richtung erstrekkenden ersten Dichtungsträger (51) verbunden ist, daß elastische nicht-dichtende Zentrier- und Dislanzringe (80, 81) zwischen dem einen Dichtungsring (76) und dem ersten Dichtungsträger (51) und zwischen dem Stützring (75) und dem ersten Dichtungsträger (51) eingesetzt sind, und daß elastische dichtende O-Ringe (67, 68) zwischen dem einen Dichtungsring (76) und dem Stützring (75) sowie zwischen dem Stützring (75) und der ringförmigen Auflage (71) eingesetzt sind.

5. Dichtung nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-dichtenden Zentrier- und Distanzringe (80,81) O-Ringe sind.

6. Dichtung nach einem der vorangehenden An-Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Dichtungsring (76) der umlaufende Dichtungsring ist.

7. Dichtung nach Anspruch 4 oder 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-dichtenden Zentrier- und Distanzringe (80, 81) zwischen dem en Innendurchmesser des einen Dichtungsrings (76) und den mit der Welle (11) verbundenen ersten Dichtungsträger (51) sowie zwischen dem Innendurchmesser de«, Stüt/rings (75) und dem ersten Dichtungsträger (51) eingesetzt sind. h^r>

8. Dichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen zweiten Dichtungstriigcr (95) für den nicht-umlaufcnden Dichtungsring (96). einen feststehenden Haltering (91) und eine Zahl von axial angeordneten Federn (109), die zwischen dem zweiten Dichtungsträger (95) und dem Haltering (91) zusammengedrückt werden und den nicht-umlaufenden Dichtungsring (96) in feste Planflächen-Berührung mit dem umlaufenden Dichtungsring (76) drükken. wobei der zweite Dichtungsträger (95) lang genug und dergestalt geformt ist, daß der nicht-umlaufendc Dichtungsring (96) in Berührung mit dem umlaufenden Dichtungsring (76) bleiben und Axialverschiebungen einer Welle (11) folgen kann, an der die ringförmige Auflage (71) befestigt ist

9. Dichtung nach Ansprüche, gekennzeichnet durch eine feststehende zusätzliche Dichtungshülse (90), die in den Haltering (91) eingebaut ist und sich längs des zweiten Dichtungsträgers (95) erstreckt, durch einen zusätzlichen Dichtungsring (88), der zwischen den zweiten Dichtungsträger (95) und die zusätzliche Dichtungshülse (90) eingesetzt ist, eine das Mitdrehen verhindernde Nase (107), die radial aus dem zweiten Dichtungsträger (95) herausragt und in einen axial verlaufenden Schlitz (108) in dem Haltering (91) eingreift, wobei die Nase (107) in Radialnchtung gegenüber dem zusätzlichen Dichtungsring (88) angeordnet ist und die Dichtungshülse (90) eine ausreichende Länge aufweist, um die Berührung mit dem zusätzlichen Dichtungsring (88) aufrechtzuerhalten, wenn der zweite Dichtungsträger (95) den Axialverschiebungen der Welle (11) folgt.

10. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (75) und der von diesem gestützte Dichtungsring (76) die gleichen Materialeigenschaften, insbesondere Wärmedehnungskoeffizienten, aufweisen.

Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Wellendichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Wellendichtung gemäß der Erfindung ist zwar nicht auf irgendeine bestimmte Anwendung oder auf ein bestimmtes Anwendungsgebiet beschränkt, aber sie wurde entwickelt, um den bei Primär-Kühlmittelpumpen für Kernkraftwerke auftretenden strengen Anforderungen und extremen Bedingungen gerecht zu werden, für die sich Dichtungen nach dem Stand der Technik als ungeeignet erweisen oder die Leistungsanforderungen nur am Rande erfüllen. Ein zuverlässiges und vorhersagbares Leistungsverhalten von Dichtungen für Reaktor-Kühlmittelpumpen ist für den sicheren Betrieb und die Einsatzbereitschaft von Kernkraftwerken lebenswichtig. Die nicht vorhergesehene Stillegung eines Werks wegen ungenügender Leistungsfähigkeit oder Ausfall einer Dichtung kann sowohl für das Elektrizitätsversorgungsunternehmen als auch für den Dichtungslicferanten äußerst kostspielig werden. Desgleichen ist die Wartung solcher Dichtungen eine sehr schwierige und anspruchsvolle Aufgabe wegen der Umgebungsbedingungen im Kernkraftwerk und der begrenzten Ziigangsmöglichkeit zur Reaktor-Sicherheitshiillc.

Dichtungen für Rcaklor-Kühlmiuelpumpcn müssen in der Lüge sein, unter extremen Bedingungen zu arbeiten, wie sie bei anderen Betriebsarten nicht angetroffen werden. Wenn schon die konstanten Betriebsbedingungen unter Hochdruck und Hochtemperatur an sich

schwierige Probleme mit sich bringen, so werden Dichtungen für Reaktor-Kühlmittelpumpen in weiten Grenzen schwankenden Bedingungen bezüglich Druck, Temperatur und Weilenstellung ausgesetzt und müssen dabei voll einsatzfähig sein.

Der normale Betriebsdruck in einem Druckwasser-Reaktor liegt im Bereich von 1500 N/cm² abs, und beim Anfahren eines Kraftwerks kann der Druck auch nur 200 N/cm² betragen.

Weitere Abweichungen vom normalen Pumpbeirieb aufgrund vo!= Fehlfunktionen oder Ausfall der Anlage verursachen ebenfalls Schwankungen im Betriebsdruck der Anlage. Daher können die Schwankungen der Betriebsbedingungen für Dichtungen eine hohe Größenordnung einnehmen.

Das gleiche gilt in bezug auf die Temperatur. Die normale Betriebstemperatur des Wassers im Kühlmittelkreis des Reaktors liegt in der Nähe von 315°C. Unter normalen Betriebsbedingungen werden die Wellendichtungen gekühlt, und der Druck wird durch Wasser abgestuft, das von einer zusätzlichen Hochdruck-Einspritzanlage geliefert wird. Die Wassertemperatur beim Eintritt in den Dichtungsbereich hat einen Nennwert von 49⁰C. Bei Fehlfunktion oder Ausfall der Einspritzanlage wird das Wasser im Dichtungsraum durch Wasser aus dem Kühlmittelkreis des Reaktors ersetzt. Da dieses Wasser äußerst heiß ist, muß es im Wärmeaustauscher der Pumpe gekühlt werden, bevor es den Dichtungsbereich erreicht. Die Wassertemperatur im Dichtungsbereich hängt bei dieser Betriebsart vom Gasamtaustritt aus den Dichtungen (Leckströmung + Stufungsstri> mung) sowie den Leistungskennlinien des Wärmeaustauschers ab. Daher können die erreichten Temperaturen und deren Änderungsgeschwindigkeit bei einem gegebenen Abfall der Einspritzung extremen Schwankungen unterliegen.

Eine typische vertikale Reaktor-Kühlmittelpumpe ist so ausgebaut, daß ihre Welle in drei Lagern gelagert ist, von denen zwei im Motor am oberen Wellenende und eines in der Pumpe unmittelbar über dem Zentrifugal-Laufrad angeordnet sind. Während des Betriebs veranlaßt die unausgeglichene Radiallast am Pumpcnlaufrad, die eine natürlich gegebene Eigenschaft einer Kreiselpumpe darstellt, eine Durchbiegung der Welle zwischen dem Pumpenlager und den Motorlagern. Desgleichen wird die Welle in vertikaler (axialer) Richtung während des Betriebs durch die Schubkraft am Wellenende (Druckbelastung) und durch Wärmeausdehnung verschoben. Die Größenordnung und die Geschwindigkeit dieser Verschiebung hängt von den Betriebsbedingungen der Anlage (Temperatur, Druck und Pumpendurchsatz) ab. Die größte Verschiebung (Radialverschiebung) erfolgt in der Nähe der Dichtungsteile.

Eine Wellendichtung der eingangs genannten Art ist bereits aus der DE-OS 26 47 016 bekannt. Bei dieser bekannten Wellendichtung liegen die ringförmigen Vorsprünge der Stützringe über einen großen Teil ihrer radialen Erstreckung am zugehörigen Dichtungsring einerseits und an der ringförmigen Auflage hinter dem Stützring andererseits an. Dieser Anlagebereich der ringförmigen Vorsprünge erstreckt sich insbesondere bis zum inneren Umfang des Stützrings und des Dichtungsrings. Dadurch wird eine relativ feste axiale Stabilisierung des Stützrings erreicht, der somit den oben geschilderten großen Verschiebungen der Welle nicht folgen kann.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Wellendichtung dieser Art so zu verbessern, daß die Dichtung auch bei starker thermischer und mechanischer Belastung lange Zeit einwandfrei arbeitet, indem die Teile der Dichtung die durch die Belastung hervorgerufenen Verformungen aufnehmen und ausgleichen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmaie des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die schmalen ringförmigen Vorsprünge jeweils im Abstand von Innen- und Außendurchmesser des

ίο Dichtungsrings werden, im Querschnitt gesehen, drehpunktarlige Auflagen des Stützrings geschaffen, die in gewissen Grenzen eine Drehung des Stützringquerschnitts zum Ausgleich der auftretenden Belastungen ermöglichen. Dadurch kann die Wellendichtung sehr

is hohen Belastungen ohne Schaden und Verschlechterung der Dichtungswirkung nachgeben. Radial gerichtete Belastungskräfte unterwerfen den Stützring einer unausgeglichenen Bewegung, die eine Ablenkung oder eine leichte Verdrehung desselben bewirkt. Da jedoch die schmalen ringförmigen Vorsprünge vorgesehen sind, hat die entstandene Ablenkung des Stützrings während des Ausgleichs nur eine unbedeutende Auswirkung auf die Ablenkung des zugehörigen Dichtungsrings. Die Dichtung wird daher nicht beeinträchtigt.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung unter Schutz gestellt.

Anhand der Figuren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Reaktor-Kühlmittelpumpe mit Motor, in der die erfindungsgemäße Wellendichtung angewendet wird,

F i g. 2 eine Darstellung des Problems der Wellen-Schwenkbewegung bei einer Dichtung nach dem Stand der Technik, wobei der frei bewegliche Dichtungsring und eine Sekundärdichtung am Rotor angebracht sind und mit der Dichtungsbüchse und der Welle umlaufen; der Wellen-Schwenkwinkel und der Zeichnungsmaßstab sind der Deutlichkeit wegen übertrieben dargestellt,

F i g. 3 eine Kurve der Wellen-Abweichung bezüglich der Mittellinie der Pumpe für eine dreifach gelagerte Reaktor-Kühlmittelpumpe ähnlich der in F i g. 1 gezeigten,
Fig.4 einen vertikalen Schnitt durch die dreistufige Dichtungsgruppe mit der Dichtung gemäß der Erfindung, eingebaut in eine Reaktor-Kühlmittelpumpe,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung einer der in F i g. 4 gezeigten Dichtungsstufen unter Weglassung des Mittleren Wellenteils,

F i g. 6 eine schematische Darstellung der radialen Reibungskraft an der Berührungsfläche zwischen dem Vorsprung der ringförmigen Auflage und dem Stützring sowie des entstehenden Verdrehmoments auf den Stützring der umlaufenden Dichtungsgruppe von F i g. 5, und

Fig. 7 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Dichtungshülse und der umlaufenden Dichtungsgruppe von Fig. 5.
Die mechanische Anordnung einer Reaktor-Kühlmit-

fao telpumpe ist schematisch in F i g. 1 dargestellt. Ein Pumpenlaufrad 10 mit hoher Förderleistung ist am unteren Ende einer vertikalen Pumpenwelle 11 mit großem Durchmesser angebaut, die von einem Motor 9 über eine Motorwelle 12 und eine Kupplung 13 angetrieben

ti5 wird, welche die Motorwelle 12 starr mit der Pumpenwclle 11 verbindet. Die Kupplung 13 ist genügend lang, um den Ausbau der Dichtungs-Baugruppe zu ermöglichen, die im Dichtungsbereich 20 als BaueruDDeneinheit

enthalten ist.

Wellen, Laufrad und Kupplung sind in einem zweiseitig wirkenden Axialkugellager 14, einem oberen Motorlager 15, einem unteren Motorlager 16 und einem Pumpenlager 17 mit Wasserschmierung unmittelbar über der Drosselbuchse 18 und dem Laufrad 10 gelagert. Der Motor 9 ruht in einer Motorhalterung 19, die mit der Pumpe 21 durch die Stopfbuchse 22 verbunden ist.

Die Dichtungsgruppe, die innerhalb der Stopfbuchse 22 mit der Bezugszahl 20 bezeichnet ist, wird mit Einspritzwasser 23 versorgt, das sowohl zur Kühlung als zur Druckabstufung der Dichtung dient. Im Normalbetrieb (Versorgungsanlage für Einspritzwasser 23 in Betrieb) wird das Einspritzwasser 23 mit der Rücklaufströmung 25 aus dem Wärmeaustauscher 24 gemischt, bevor es in die Stopfbüchse 22 der Pumpe eintritt. Die Rücklaufströmung 25 wird durch den Wärmeaustauscher 24 der Pumpe und das Pumpenlager 17 mit Hilfe einer Axialpumpe 26 gefördert, die auf die Pumpenwelle 11 oberhalb des Pumpenlagers 17 montiert ist. Beim Normalbetrieb fließt auch ein Teil der Einspritzströmung 23 in die Reaktor-Kühlmittelpumpe 21 durch die Drosselbuchse 18 zwischen dem Pumpenlager 17 und dem Laufrad 10. Dieser Teil des Einspritzwassers verhindert, daß umgepumptes Reaktor-Kühlmittel 27 mit hoher Temperatur in die Stopfbüchse 22 und den Dichtungsbereich 20 durch die Drosselbuchse 18 fließt.

Ein anderer Teil des Einspritzwassers 23 fließt durch den Dichtungsbereich 20 und verläßt die Stopfbuchse 22 durch die Rückleitung 28, und wenn die obere Dichtungsstufe undicht ist, verläßt ein Teil dieses Wassers die Stopfbüchse durch die Leckwasser-Rückleitung 29.

Das Auftreten einer Wellen-Schwenkbewegung in einer Reaktor-Kühlmittelpumpe beeinflußt in großem Ausmaß die Konstruktion und die für diese Dichtung gewählte grundlegende Ausführung. Zum vollen Verständnis der Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Dichtung folgt eine Erläuterung des Ursprungs und der Größenordnung der Wellen-Schwenkbewegung.

Beim Pumpenbetrieb entsteht eine unausgeglichene Radialbelastung (eine Betriebseigenschaft der meisten Pumpen) am rumpeniaufrad 10, das eine Durchbiegung der Welle bewirkt, wie in Fig. 3 gezeigt. Dies verursacht nicht nur eine Radialverschiebung der Welle 11 durch den Dichtungsbereich 20, sonern auch eine Schwenkbewegung, wie in Fig. 2 und F i g. 3 übertrieben dargestellt ist. Der Schwenkwinkel in F i g. 2 ist mit der Bezugszahl 35 bezeichnet, wobei zu beachten ist, daß sich dieser Winkel über die Länge der Welle sowohl bezüglich Richtung als Größenordnung ändert, wie in F i g. 3 in Kurvenform dargestellt.

!n F i g. 3 stellt die Linie A die »vnische Ablenkung der Welle 1 im Normalbetrieb dar, während die Abszisse B die Radiaiverschiebung der Wellenachse in Millimetern und die Ordinate C die Lage auf der Welle in Metern angibt. Die Linien D bis /geben die Lage verschiedener Festpunkte der Pumpe in Längsrichtung der Welle an, wobei D die Lage des Motorlagers 15. £ diejenige des Motorlagers 16, F die Lage des unteren Kupplungsflansches. Gdie Lage der oberen Dichtung, //diejenige des Pumpenlagers 17 und / die Radialbelastung der Welle am Pumpelaufrad darstellt.

Die in F i g. 2 gezeigte Dichtungsanordnung mit frei beweglichem Rotor wurde bei Dichtungen nach dem Stand der Technik verwendet, die in Reaktor-Kühlmittelpumpen eingebaut waren und wird für Pumpen, deren Wellen einen großen Durchmesser aufweisen und die mit einer Wellenschwenkung von dem in F i g. 3 gezeigten Ausmaß arbeiten, nicht mehr empfohlen. Die Wellcnschwenkung 35 verursacht bei dieser Dichtungsanordnung nach dem Stand der Technik eine Axialverschiebung der Dichtungshülse 38 innerhalb der umlaufcndcn Sekundärdichtung 37, die vom umlaufenden Dichtungsring 36 getragen wird, und daher daran gehindert wird, zusammen mit der Sekundärdichtungshülse 38 eine Schwenkbewegung auszuführen. Diese Gleitbewegung erfolgt zyklisch mit einer Auswanderung pro Umdrehung der Welle 11, aufgrund von drei Faktoren, die der Auslegung nach dem Stand der Technik eigen sind.

Der erste Faktor liegt darin, daß der umlaufende Dichtungsring 36 durch nicht gezeigte Federn nach oben in Planflächenberührung mit der feststehenden Dichtungsfläche 30 gepreßt und dadurch so gehalten wird, daß seine Drehachse mit der Pumpenachse zusammenfällt oder parallel zu ihr verläuft und nicht in der Lage ist. eine Kippbewegung auszuführen, damit seine Drehachse mit der geschwenkten Achse der Sekundär-Dichlungshülse 38 zusammenfällt. Der zweite Faktor liegt darin, daß der umlaufende Dichtungsring 36, der mit Stiften 39 angetrieben wird, mit der Welle 11 umläuft. Der dritte Faktor liegt darin, daß die Welle 111 und die Sekundär-Dichtungshülse 38, die starr mit der Weile Il verbunden ist, mit einem Winkel 35 über den Dichtungsbereich hinausragen. Dieser Winkel 35 erscheint in Fig.2 zwischen der Wellenmittellinie WA und der Pumpenmittellinie liß. Die Mittellinie des umlaufenden Dichtungsrings 36 ist parallel mit der Pumpenmitteülinie, so daß der Winkel 35 immer zwischen dem umlaufenden Dichtungsring 36 und der Welle 11 besteht.

Diese Winkelverlagerung verursacht eine Schrägstellung der Sekundärdichtung 37 in bezug auf die Welle 11 mit dem gleichen in F i g. 2 gezeigten Winkel 35. Wenn sich dann die Welle 11 und der umlaufende Dichtungsring 36 um eine volle Umdrehung drehen, wird die Sekundärdichtung 37 bezüglich der Dichtungshülse 38 vom Punkt 40 zum Punkt 41 und dann zurück zu Punkt 40 auf den Berührungsbereich 42 (gekreuzt schraffierter Bereich) der Dichtungshülse 38 axial verschoben.

Die Größe des Berührungsbereichs 42, der den Bereich festlegt, in dem die Sekundärdichtung 37 auf der Dichtungshülse 38 gleitet, hängt vom Winkel der WeI-lenschwenkung 35 und vom Durchmesser 43 der Dichtungshülse ab. (Je größer der Durchmesser 43 oder je größer der Schwenkwinkel 35, desto größer ist der Abstand zwischen den Punkten 40 und 41 auf der Dichtungshülse 38.)

Die oben beschriebene zyklische Gleitbewegung verursacht schließlich eine Abnützung der Sekundärdichtung 37 oder der Sekundärdichtungshülse 38 im Berührungsbereich 42 und führt gewöhnlich zum Ausfall der Dichtung.

Dagegen bleibt die Dichtungsauslegung mit ausgeglichenem Stator gemäß der Erfindung wegen der konstruktionsbedingten Ausgestaltung, bei der die Achse eines frei beweglichen Stators unabhängig von der WeI-lenslellung parallel zur Mittellinie der Welle bleibt, von der Wellenschwenkung unbeeinflußt

Nun folgt eine Beschreibung der in Fig.4 und 5 gezeigten dreistufigen Dichtungsbaugruppe. Zunächst werden die umlaufenden Teile beschrieben.

Auf der Welle 11 sind untereinander eine Antriebshülse 50, ein oberer erster Dichtungsträger 51, ein mittlerer erster Dichtungsträger 52 und ein unterer erster Dichtungsträger 53 angeordnet. Die drei Dichtungsstufen sind im wesentlichen gleich aufgebaut

Das obere Ende der Antriebshülse 50 ist mit der Welle durch einen an der Hülse angebrachten Gewindering

54 und einen an der Welle angebrachten Gewindering

55 befestigt, wobei diese beiden Gewinderinge durch Schrauben 56 miteinander verbunden sind. Eine Relativbewegung der Hülse 50 gegenüber der Welle 11 wird durch eine Paßfeder 57 in der Welle und in der Hülse verhindert.

Das obere Ende des ersten Dichtungstriigers 5! ist am unteren Ende der Antriebshülse 50 durch einen Kupplungsring 60, einen Haltering 61 und durch mehrere Schrauben 62 befestigt. Das obere Ende des mittleren Dichtungsträgers 52 ist am unteren Ende des ersten Dichtungsträgers 51 mit zwei radialen Antriebssliften 65 befestigt, die durch die Hülsen von innen in Bohrungen, der Dichtungsträger 5! und 52 eingesetzt werden. Das obere Ende des unteren Dichtungsträgers 53 ist in der gleichen Weise am unteren Ende des Dichtungsträgers 52 befestigt. Auf diese Weise werden die vier Dichtungsträger 50, 51,52 und 53 durch die Paßfeder 57 und die Stifte 65 zusammen mit der Welle 11 in Umdrehung versetzt. Statische O-Ringe 66, die zwischen der Welle 11 und den Dichtungsträgern 51,52 bzw. 53 angeordnet sind, dichtenden Druck am Innendurchmesser der Dichtungsbaugruppe ab.

Das untere Ende jedes Dichtungsträgers 51,52 und 53 ist mit einer ringförmigen Auflage 71 verschen, die eine ringförmige Auflage mit einem abstehenden ringförmigen Vorsprung 72 als Auflage für einen umlaufenden Stützring 75 bildet. Ein umlaufender Dichtungsring 76 sitzt auf dem Stützring 75 über einem abstehenden ringförmigen Vorsprung 77. Axiale Stifte 78 greifen lose in die drei Teile 51 (ebenfalls 52 und 53), 75 und 76 ein, um eine gegenseitige Verdrehung zwischen diesen Teilen ?u verhindern. O-Ringe 67 und 68, die zwischen dem umlaufenden Dichtungsring 76, dem Stützring 75 und der ringförmigen Auflage 71 auf dem Außendurchmesser der abstehenden ringförmigen Vorsprünge 72 und 77 angebracht sind, sind dichtende O-Ringe, wogegen die Zentrier- und Distanzringe 80 und 81 zum Zentrieren des umlaufenden Dichtungsrings 76 und des Stützrings 75 auf den Dichtungsträgern 51,52 und 53 dienen.

Es werden nunmehr die nicht-umlaufenden Teile der dreistufigen Dichtungsbaugruppe beschrieben: Aus F i g. 4 und 5 geht ebenfalls hervor, daß alle nicht-umlaufenden Teile im Dichtungshalter 82 enthalten sind, der in der Stopfbuchse 22 durch den Stopfbüchsenansatz 83 und den Sprengring 84 festgehalten wird. Der Sprengring 84 wird durch den Spannring 85 und die Schrauben 86, wie gezeigt, festgehalten. Der Stopfbüchsenansatz 83 ist erforderlich zur Abänderung der Stopfbüchse 22 von bereits irn Einsatz stehenden Pumpen für den Einbau der neuen dreistufigen Dichtungsbaugruppe mit ausgeglichenem Stator. Der Stopfbüchsenansatz 83 wird durch mehrere Bolzen 87 und Muttern befestigt.

Im oberen Ende des Dichtungshalters 82 ist eine Zusatzdichtungshülse 90 in einem oberen Haltering 91 durch einen Blockierring 93 festgehalten. Ein feststehender zweiter Dichtungsträger 95 ist, wie in Fig.5 gezeigt, auf der Zusatzdichtungshülse 90 mit einem zusätzlichen O-Ring 88 und einem Unterlegering 89 befestigt und zentriert

Der zweite Dichtungsträger 95 schafft die erforderliche Auflage für den feststehenden Dichtungsring 96 mit niedngem Elastizitätsmodul (kohlenstoffarm) und dient dazu, diesen gegen Verschiebungen oder Verbiegungen zu isolieren, die in den benachbarten feststehenden Teilen auftreten. Die Gestaltung des Dichtungsträgers wird beeinflußt durch die konstruktiven Forderungen nach einer Axialbewegung von 19 mm (V₄ZoII) und einer Schwenkbewegung in begren/.iem Ausmaß an der Zusatzdichtungshülse 90.

ι Die erwähnte Zusatzdichtung umfaßt den O-Ring 88 und den das Herausdrücken verhindernden Unterlegering 89. Der Unterlegering 89 ist zwar beim Normalbetrieb nicht erforderlich, soll jedoch das Herausdrücken des O-Rings 88 verhindern, wenn eine Dichtung in diescr dreistufigen Dichtungsbaugruppe dem vollen Betriebsdruck ausgesetzt wird. Die Zusatzdichtung 88 und 89 ist am frei beweglichen /weiten Dichtungsträger 95 und nicht an der Dichtungshülse 90 befestigt, um sicherzustellen, daß die druckbedingte Lastverteilung rund um den Dichtungsträger sich nicht ändert (keine Änderung im Angriffsbereich), wenn der Dichtungsträger der Axialverschiebung der Welle folgt. Schwankungen in der Lastverteilung rund um den zweiten Dichtungsträger 95 würden die Ablenkung des Dichtungsträgers 95 und schließlich den Dichtungsspalt zwischen den feststehenden und den umlaufenden Dichtungsringen 96 und 76 beeinträchtigen.

Ebenfalls zur Vermeidung von Schwankungen in der Lastverteilung am zweiten Dichtungsträger 95 und am feststehenden Dichtungsring 96 im Bereich (Hohlraum) hinter dem O-Ring 103 aufgrund eines möglichen Druckanstiegs in diesem Bereich durch Leckfluß am O-Ring 103 oder Porosität im feststehenden Dichtungsring 96 ist ein Belüftungsloch 97 zur Niederdruckseite der Dichtung vorgesehen.

Blockierringe 101 und 102 halten den O-Ring 103 und den feststehenden Dichtungsring % im feststehenden zweiten Dichtungsträger 95. Der O-Ring 103 ist zwischen dem feststehenden Dichtungsring % und seinem Dichtungsträger 95 angeordnet. Ein O-Ring 104 ist zwischen dem feststehenden Haltering 91 und der Zusatzdichtungshülse 90 eingesetzt. Diese O-Ringe 103,88 und 104 sowie der Unterlegering 89 ergeben eine statische Abdichtung zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite jeder Dichtungsstufe.

Die verschiedenen genannten O-Ringe sind Ringe mit kompaktem Querschnitt und elastischen mechanischen Eigenschaften, sind nicht-metallisch, elastomerisch und weisen eine quadratische, runde oder x-förmige Schnittfläche mit einem Diagonalmaß von 9,5 mm oder weniger auf.

Bei Betrieb wird eine Reibungskraft in Umfangsrichtung am Dichtungsspalt zwischen den feststehenden und den umlaufenden Dichtungsringen 96 und 76 erzeugt. Diese Kraft (Dehmoment) wird auf den Dichtungsträger durch die Reibung zwischen zweitem Dichiungsiräger 95 und Dichtungsring 96 an ihrer Berührungsfläche 105 und durch den O-Ring 103 übertragen. Daher werden keine Vorrichtungen zum Verhindern des Mitdrehens verwendet, wie sie für die Dichtungen nach dem Stand der Technik typisch waren, um das Mitdrehen des feststehenden Dichtungsrings zu verhindern. Die Größenordnung der Reibungsbeanspruchung in Umfangsrichtung ist bedingt durch die Normalbelastung an den Berührungsflächen und durch die Reibungskoeffizienten des Dichtungsmaterials sowie durch die Reibungseigenschaften der zähflüssigen Schicht zwischen den umlaufenden und den feststehenden Dichtungsflächen. Der Vorteil dieser Lösung, bei der die Mitdrehung durch Reibung verhindert wird, liegt darin, daß der Dichtungsring nicht durch die üblichen Nuten und Bohrungen unterbrochen wird, die für Antriebsteile oder Stifte erforderlich sind, so daß eine symmetrische

ίο

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ίϋί

Lastverteilung an unsymmetrischen Teilen sichergestellt wird.

Die Drehung des Dichtungsträgers wird durch eine einzige Nase 107 am zweiten Dichtungsträger 95 verhindert, die in einen axialen Schlitz 108 in dem anliegenden Haltering 91 eingreift. Die das Mitdrehen verhindernde Nase 107 liegt über der Zusatzdichtung 88 und 89, um das entstehende Verdrehmoment in Längsrichtung zwischen der Nase und der Zusatzdichtung auf den Dichtungsträger auszuschalten, das sonst vorhanden wäre, wenn die Nase an einer anderen Stelle angeordnet würde, und dadurch werden Gegenkräfte an den Dichtungsflächen ausgeschaltet.

In Axialrichtung angeordnete Druckfedern 109 drükken den feststehenden zweiten Dichtungsträger 95 und den feststehenden Dichtungsring 96 gegen den umlaufenden Dichtungsring und steilen dadurch die gegenseitige Berührung zwischen den Dichtungsflächen sicher. Da die hier beschriebene Dichtungsbaugruppe so aussetzt sind, dehnen sie sich im wesentlichen gleich schnell aus. Dies hält weitgehend radiale Reibung von ihrer Berührungsfläche fern. Da der Elastizitätsmodul und die Radialabmessungen ebenfalls bei beiden Ringen (75 und

76) gleich sind, ist auch die Umfangsverformung durch Druck die gleiche.

Würde der Stützring 75 nicht verwendet, so würde der umlaufende Dichtungsring 76 in der gleichen Weise verdreht wie der in Fig. 7 gezeigte Stützring, und es

ίο ergäben sich unzulässige Flächenverformungen. Bei der hier gezeigten Anordnung erfährt der umlaufende Dichtungsring 76 nur eine geringfügige Lageverschiebung der Gegenkraft (Fn) von ihrem theoretischen Druckmittelpunkt (Durchmesser DRMS) auf dem ringförmigen

Vorsprung 77, und die sich daraus ergebende Änderung der Ablenkung ist daher unbedeutend. Diese würde auch für den in F i g. 7 gezeigten unwahrscheinlichen Fall gelten, daß die gesamte Gegenkraft (Fn) auf die Kante (Berührungslinie am Außendurchmesser) des

gelegt ist, daß sie eine Gesamt-Axialverschiebung der 20 ringförmigen Vorsprungs 77 aufgrund der geringen
Welle bis zu 19 mm aufnehmen kann, sind die Federn Breite des ringförmigen Vorsprungs 77 verschoben

25

30

35

109 so dimensioniert, daß sie über diesen gesamten Bereich eine ausreichende Vorspannung liefern. Hierfür ist es erforderlich, eine möglichst lange Feder (freie Länge) mit einer sehr niedrigen Federkonstanten zu verwenden.

Die mittlere, den Dichtungsträger 52 umgebende Dichtungsstufe und die untere, den Dichtungsträger 53 umgebende Dichtungsstufe enthalten die gleichen Teile wie die beschriebene obere Dichtungsstufe.

Eines der wichtigsten Merkmale der Dichtuntsbaugruppe im Hinblick auf die Reduzierung der Auswirkungen von Temperatur- und Druckspitzen auf die Verschiebung der Dichtungsflächen ist die Art, in der der umlaufende Dichtungsring 76 gehalten und an den Dichtungsträgern 51,52 und 53 isoliert ist. Wie in F i g. 5 und im einzelnen in F i g. 7 dargestellt, ist der umlaufende Dichtungsring 76 von der ringförmigen Auflage 71 der Dichtungshülse durch einen dazwischen liegenden Stützring 75 isoliert, und am ersten Dichtungsträger 51 ist er durch einen nicht-dichtenden Zentrier- und Distanzring 81 isoliert und zentriert. In gleicher Weise zentriert und isoliert der nicht-dichtende Zentrier- und Distanzring 80 den Stützring 75 auf dem ersten Dichtungsträger 51.

Im Prinzip arbeitet der Stützring 75 wie folgt, um die Auswirkungen von Temperatur- und Druckspitzen zu reduzieren: Bei einer ansteigenden Temperaturspitze dehnt sich der erste Dichtungsträger 51 und die ringförmige Auflage 71 schneller aus als der karbidische Stützring 75. Die durch die gegenseitige Verschiebung längs der radialen Berührungsfläche entstehende Reibungskraft (Ff) zwischen ringförmiger Auflage 71 und Stützring 75 entwickelt ein unausgeglichenes Moment (Mf) im Stützring von Fig.6, das eine leichte Auslenkung würde.

Die Breite und Lage des ringförmigen Vorsprungs 77 auf dem umlaufenden Ring 76 sind auf bestmögliche Abstützung und geringstmögliche Ablenkung des umlaufenden Rings 76 ausgelegt. Der Querschnitt (Form) des umlaufenden Rings 76 ist als freier Körper auf die Belastung abgestimmt und auf den Nullwert des Verdrehmoments ausgelegt.

Der Stützring 75 ist so ausgelegt, daß er so dünn wie möglich ist, ohne bei vorübergehenden Spitzenwerten übermäßige Ablenkungen zu gestatten. (Die axiale Gesamtlänge der Dichtung muß bei diesem Anwendungsfall in den Raum zwischen Pumpe und Motorwellen 11 und 12 passen, wenn die Kupplung 13 entfernt wird. Daher muß die Länge der Dichtung auf ein Minimum reduziert werden, und alle Dichtungsteile müssen so dünn wie möglich sein.)

Der Stützring 75 ruht in gleicher Weise auf einem schmalen Ansatz oder einem ringförmigen Vorsprung 72 auf der ringförmigen Auflage 71. Die Auflage 71 ergibt eine ringförmige Auflagefläche für den Stützring 75.

Diese ringförmigen Vorsprünge 72 und 77 sind konzentrisch mit der Mittellinie der Dichtungsträger (51,52 und 53) und weisen den gleichen Innen- und Außendurchmesser auf. Diese Durchmesser sind gleich, um den Stützring 75 im stationären Betrieb ohne entstehende Verdrehmomente konzentrisch zu belasten. Die Breite dieser ringförmigen Vorsprünge 72 und 77 wird so schmal wie möglich gewählt, um die axiale Gegenkraft aufzunehmen, ohne das Material beim Zusammendrükken übermäßig zu beanspruchen. Bei der bevorzugten Ausführungsform übersteigt die Breite der Vorsprünge 72 und 77 nicht ein Fünftel der radialen Breite des Dichtungsrings 76.

Wie bereits erwähnt werden vier Zentrier- Und Distanzringe bzw. O-Ringe 80,81,67 und 68 zum Einbau des umlaufenden Dichtungsrings 76 verwendet Zwei

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desselben bewirkt, wie in F i g. 7 dargestellt Die Größenordnung dieser Auslenkung, die durch den Winkel
125 angezeigt wird, ist eine Funktion des Quadrats der
Ringdicke. Die Ringdicke kann daher optimiert werden,
um diese Auslenkung zu steuern. Eine abfallende Tem- to O-Ringe 67 und 68 sind an den gegenüberliegenden Flä-

peraturspitze erzeugt die umgekehrte Wirkung und be- chen des umlaufenden Stützrings 75 angeordnet; diese

wirkt eine Verdrehung des Stützrings in entgegenge- O-Ringe ergeben eine statische Dichtung zwischen der

setzter Richtung zu der in F i g. 7 gezeigten. Da jedoch Hochdruck- und der Niederdruckseite der Dichtung,

der Stützring 75 und der umlaufende Dichtungsring 76 Die Zentrier- und Distanzringe 80 und 81, die nicht-dichden gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen (in b5 tend (belüftet) sind, liegen zwischen dem ersten Dich-

diesem Fall sind die Werkstoffe gleich), und da beide tungsträger 51 (dem Dichlungsträger 52 und 53) und

Ringe 75 und 76 der gleichen Temperatur des Dich- dem umlaufenden Stützring 75 bzw. dem umlaufenden

tungskühlmittels oder der Abstufungsströmung ausge- Dichtungsring 76, um diese Ringe konzentrisch um den

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Dichtungsträger zu zentrieren. Diese Zentrierungs-O-Ringe sind erforderlich, da zwischen den umlaufenden Ringen 75 und 76 und dem Dichtungsträger 51 ein Zwischenraum besteht. Dieser Zwischenraum wurde vorgesehen, um einen Bruch der umlaufenden Ringe 75 und 76 ^r> aufgrund möglicher gegenseitiger Beeinflussungen an ihren Bohrungen durch extreme Temperaturspit/en zu vermeiden. (Dichlungsiräger und umlaufende Ringe haben verschiedene Ausdehnungskoeffizienten.)

Verschiedene Änderungen können an Einzelheiten de·; Aufbaus und der Anordnung von Teilen vorgenommen werden, wie z. B. die Positionierung eines zweiten Stützrings 75 zwischen der Berührungsfläche 105 des zweiten Dichtungsträgers 95 und des feststehenden Dichtungsrings 96, wobei der zweite Stüizring auf ringförmigen Vorsprüngen am Dichtungsträger bzw. am feststehenden Dichtungsring ruht, ähnlich den oben erwähnten Vorsprüngen 72 und 77, oder die Zentrierung irgendwelcher Dichtungsringe (feststehender Dichtungsring 96, umlaufender Dichtungsring 76 und Stützring 75) durch Einsetzen von nicht-dichtenden O-Ringen oder ähnlichen Teilen zwischen dem Außendurchmesser irgendwelcher oder aller dieser Ringe (96,76,75) und einem diese umgebenden Dichtungsträger.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Wellendichtung mit einem nicht-umlaufenden Dichtungsring und einem umlaufenden Dichtungsring, die miteinander über eine Planfläche in Berührung stehen, mit einem Stützring, der hinter einem der Dichtungsringe liegt, an einem Dichtungsring und am Stützring ausgebildeten und einander zugewandten Planflächen, einem ringförmigen Vorsprung auf einer der einander zugewandten Flächen, der mit der gegenüberliegenden Fläche in Berührung steht, um diesen einen Dichtungsring auf dem Siützring abzustützen, einer ringfrömigen Auflage hinter dem Stützring, an der ringförmigen Auflage und am Stützring ausgebildeten und einander zugewandten Planflächen und einem ringförmigen Vorsprung auf einer der einander zugewandten Flächen, der mit der gegenüberliegenden Fläche in Berührung steht, um den Stützring auf der ringförmigen Auflage abzustützen, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Vorsprünge (72, 77) jeweils im Abstand vom Innendurchmesser und vom Außendurchmesser des einen Dichtungsrings (76) verlaufen, wobei die ringförmigen Vorsprünge (72, 77) schmal sind gegenüber der radialen Breite des einen Dichtungsr.nges (76) und die beiden ringförmigen Vorsprünge (72, 77) im wesentlichen den gleichen Außen- und Innendurchmesser aufweisen.