DE3019874A1

DE3019874A1 - Wellendichtung fuer hydraulische maschinen

Info

Publication number: DE3019874A1
Application number: DE19803019874
Authority: DE
Inventors: Takuya Kako
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-05-31
Filing date: 1980-05-23
Publication date: 1980-12-04
Also published as: JPS6125913B2; US4408767A; JPS55160172A; DE3019874C2; CH646763A5

Description

Firma TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA, 72, Horikawa-Cho, Saiwai-Ku, Kawasaki-Shi, Kanagawa-Ken, Japan

Wellendichtung für hydraulische Maschinen

Die Erfindung betrifft, eine Wellendichtung für eine hydraulische Maschine, insbesondere eine Wellendichtung zur Verhinderung des Austretens von Wasser entlang der Welle einer hydraulischen Maschine, wie z.B., einer hydraulischen Turbine oder einer Pumpe.

Eine Packungen enthaltende Wellendichtung ist zwischen einem festen Bauteil und einer um ihre Achse rotierenden oder in Längsrichtung hin- ,und herbewegten Welle angeordnet, um einen Spalt zwischen den beiden Elementen abzudichten und das Austreten von Wasser oder einem ähiichen Medium aus dem Raum zu verhindern.

Obgleich in der oben beschriebenen Anwendung ein radial einwärts auf die Außenfläche jeder Packung ausgeübten Druck wesentlich ist, um die WeIlendichtwxrkung sicherzustellen, führt die Anwendung eines übermäßig starken Druckes auf jeder Packung zu einer Beschränkung der Wellenbewegung, Außerdem wird die Abnutzung der Packungen und der Wellenoberfläche beschleunigt, während im schlimmsten Falle eine Beschädigung der Welle hervorgerufen wird.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer üblichen Wellendichtung für eine

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hydraulische Maschine. Die Turbine enthält ein Spiralgehäuse 1/ eine Welle 6 und einen an der Welle 6 befestigten Läufer 3, der in dem Gehäuse 1 drehbar ist. Das Druckwasser in dem Spiralgehäuse 1 durchsetzt eine Leitschaufel 2 in Richtung auf den Läufer 3, um diesen anzutreiben. Das ausgenutzte Druckwasser wird durch ein nicht gezeigtes Saugrohr in einen Abzugskanal abgegeben. Gleichzeitig fließt ein Teil des Druckwassers aufwärts durch einen Spalt zwischen dem Läufer 3 und der Kopfabdeckung 4 der Turbine in einen durch die Außenflächen der Welle 6 und die Kopfabdeckung 4 begrenzten Raum. Eine Wellendichtung 7 ist zwischen der Welle 6 und der Kopfabdeckung 4 vorgesehen, um das Ausfließen von Wasser durch einen Spalt zwischen den beiden Elementen 6 und 4 zu verhindern.

Wie im einzelnen in Fig. 2 gezeigt, enthält die Wellendichtung 7 eine Stopfbüchse 9, die an der Kopfabdeckung 4 mit Hilfe von Bolzen 8 befestigt ist, Packungen 10a, 10b und 10c, die in der Stopfbüchse 9 entlang der Welle 6 vertikal übereinanderliegen, Halteringe 11 jeweils radial außerhalb der Packungen 10a, 10b und 1Oc und Ringbandfedern 12, die um den Außenumfang der Halteringe 11 angeordnet sind, um die Halteringe 11 gegen die Welle 6 zu drängen.

Unter den oben beschriebenen Packungen 10a, 10b und 10c sind die beiden oberen Packungen 10a und 10b Kohlepackungen, die normalerweise Furan enthalten und die gesintert sind, während die untere Packung 10c eine Kunststoffpackung ist, die normalerweise aus Phenolharz besteht.

Jede der Packungen 10a, 10b und 10c ist in Umfangsrichtung in mehrere Packungsteile unterteilt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

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Jeder Packungsteil besitzt einen Vorsprung 14 an einem Umfangsende und auch eine Ausnehmung 15 an dem anderen Umfangsende. Wenn die Packungsteile um die Welle 6 herum angeordnet sind, so daß die Innenflächen der Packungsteile eine Hülse 16 berühren, die fest auf der Welle 6 sitzt, ragt der Vorsprung 14 eines Packungsteiles in die Ausnehmung 15 des benachbarten Packungsteiles, Wie es in der Zeichnung gezeigt ist_f wobei zwischen gegenüberliegenden Endflächen ein Spalt g verbleibt.

Eine Frischwasserzuführung 17 ist in der Stopfbüchse 9 vorgesehen, welche einen Teil des Frischwassers zwischen den Packungen 10b und 10c hindurchführt. Eine Wasserzufuhrleitung 18 ist mit der Zuführung 17 verbunden, welche Frischwasser zu den Gleitflächen der Packungen 10a, 10b und 10c zuführt. Der Druck des Frischwassers ist so gewählt, daß er gleich dem Druck einer Kammer ist, die zwischen einem Flansch 19 der Welle 6 und der Stopfbüchse 9 gebildet ist, oder daß er gleich einem Druck ist, der um 1 bis 2 kg/cm² höher ist als der Druck in der Kammer 20.

Durch die Zuführung des frischen Druckwassers wird die Möglichkeit ausgeschaltet, daß Schlamm oder Sand aufwärts in die Dichtung und die Packungen eindringt, wodurch auch die Möglichkeit einer Überhitzung oder Abnutzung im wesentlichen ausgeschaltet werden kann.

Oberhalb der Stopfbüchse 9 ist eine Wasserspritzplatte 21 vorgesehen, welche das durch die Packungen eindringende Wasser von der Welle wegleitet und das Eindringen des Wassers in ein oberhalb der Wellendichtung 7 angeordnetes Lager 22 verhindert.

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Es hat sich aber herausgestellt, daß in der oben beschriebenen üblichen Wellendichtung unter Verwendung von Kohlepackungen 10a und 10b und einer Kunststoffpackung 10c die obere Grenze des Wellendichtungsdruckes der Kohlepackungen 1 Oa und 10b ungefähr bei 5 kg/cm² liegt und daß der Wellendichtungsdruck der Kunststoffpakkung 10c pro Stufe der Packung niedriger als 3 kg/cm² liegt. Für eine hydraulische Hochdruckturbine ist deshalb eine große Anzahl von Packungsstufen erforderlich, was zu einer Vergrößerung eines Abstandes L zwischen dem Zentrum des Läufers 3 und dem Zentrum des Lagers 22 führt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Diese Vergrößerung des Abstandes L vergrößert die Ausladung der Welle, die nach abwärts über das Lager 22 hinaus vorspringt, wodurch die Größe der Wellendurchbiegung vergrößert wird und die Arbeitsweise der Turbine unstabil wird.

Außerdem zerbricht die bekannte Kohlepackung leicht infolge ihrer Brüchigkeit, und sie neigt dazu, durch Schlamm und Sand abgenutzt zu werden, die in die Wellendichtung eindringen. Eine Vergrößerung des Widerstandsmomentes der Kohlenpackung zur Verfestigung der Packung vergrößert aber die Abmessung der Packungen, wodurch auch der Abstand L zwischen dem Läufer und dem Lager vergrößert wird.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Wellendichtung für eine hydraulische Maschine, bei welcher der Wellendichtungsdruck jeder Packung wesentlich erhöht ist und die Wellendichtungsfähigkeit lange Zeit aufrechterhalten werden kann, während die Zahl der Packungen verringert ist.

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Durch die Erfindung wird auch eine Wellendichtung für eine hydraulische Maschine geschaffen, deren Packungen weder leicht brechen hoch durch Schlamm oder Sand, der in die Wellendichtung eindringt, zerbrochen oder abgenutzt wird.

Durch die Erfindung wird auch eine Wellendichtung für eine hydraulische Maschine geschaffen, bei welcher Frischwasser eingeführt wird, um die Welle gegen das Eindringen von Druckluft abzudichten.

Diese und weitere' Ziele der Erfindung werden erreicht durch eine Wellendichtung für eine hydraulische Maschine mit einer eine Welle der Maschine umgebenden, mehrere Packungen enthaltenden Stopfbüchse, wobei die Gleitflächen der Packungen gegen die Welle gedrängt werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jede Packung aus einem mit einem Füllstoff gemischten Tetrafluoräthylen-Harζ besteht, das unter Druck in die gewünschte Form gebracht ist.; -'.,..-;'"-..-"- ."" - ■

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jede Packung aus 40 bis 90 Gew.~% Tetrafluoräthylen-Harz und Rest Füllmaterial hergestellt, wobei das Füllmaterial aus Kohlepulver, Graphitpulver/Kohlefasern, Glasfasern oder Bronzepulver oder Kombinationen dieser Stoffe bestehen kann.

Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung ist eine Wasserzuführung zur Zuführung von Wasser zu den die Welle berührenden Gleitflächen der Packungen vorgesehen.

In. noch einer anderen Ausführung der Erfindung ist jede Packung

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in Umfangsrichtung in mehrere Packungsteile unterteilt, die durch Nut und Feder so miteinander verbunden sind, daß zwischen benachbarten Packungsteilen ein Spalt verbleibt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Teiles einer üblichen hydraulischen

Turbine in einem Längsschnitt, Fig. 2 eine Einzelheit der bekannten Wellendichtung nach Fig. T, ebenfalls in einem Längsschnitt,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer in mehrere Packungsteile unterteilten Packung in vergrößertem Maßstab, Fig. 4 eine Darstellung einer Anordnung der üblichen Packung in

stark vergrößertem Maßstab,
Fig. 5 eine Ansicht einer Wellendichtung gemäß der Erfindung in

einem Längsschnitt,
Fig. 6 eine grafische Darstellung der Leckdruckcharakteristiken einer üblichen Packung und einer erfindungsgemäßen Pak-

kung,
Fig. 7 eine Ansicht einer anderen Ausführung der Erfindung in einem Längsschnitt,

Fig. 8, jeweils perspektivische Ansichten verschiedener Abwand-

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lungen der Packung, und

Fig. 9, Ansichten der Anordnungen dieser Abwandlungen in einem

11 + 13

Längsschnitt.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem Teile, die mit denjenigen nach der Fig. 1 gleich sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. ■

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Eine Wellendichtung ist in Fig. 5 allgemein mit 30 bezeichnet. Sie enthält eine Stopfbüchse 31 mit zwei Stufen, die zwischen einer Kopfabdeckung 4 und einer Welle 6 einer hydraulischen Turbine (oder einer umkehrbaren Pumpenturbine) angeordnet sind. In der zweistufigen Stopfbüchse 31 sind Packungen 32 enthalten. Ein Haltering 11 ist radial außerhalb jeder Packung 32 vorgesehen. Eine sich um den Haltering 11 herum erstreckende Ringfeder 12 drängt den Haltering 11 und die Packung 32 gegen die Welle 6.

Gemäß der Erfindung besteht die Packung 32 aus 40 bis 90 Gew.-% Tetrafluoräthylen-Harz,das mit dem verbleibenden Prozentsatz an Füllmaterial gemischt ist, wobei das Füllmaterial aus Kohlepulver, Graphitpulver, Kohlefasern, Glasfasern, Bronzepulver oder dergleichen und Kombinationen dieser Stoffe bestehen kann. Wenn es erforderlich ist, kann der oben beschriebenen Mischung eine Spur eines Schmiermittels, wie z.B. Molybdändisulfid, zugesetzt werden. Die sich ergebende Mischung wird dann unter Druck geformt, und sie wird in Packungsstücke von einer Form zurechtgeschnitten und geformt, wie sie z.B. in Fig. 3 gezeigt sind. Jede Packung und jeder Haltering 11 in der Stopfbüchse 31 werden durch die Ringbandfeder 12 in Richtung auf eine Hülse 16 gedrängt, die fest auf der Welle 6 sitzt. Wegen der schrägen Kontaktflächen zwischen dem Haltering 11 und der Packung 32 wird die Packung 32 weiter gegen die obere Wand der Stopfbüchse 31 gedrängt.

Da die Packung 32, die aus einer Mischung aus Tetrafluoräthylen mit Füllmaterial besteht und die, wie oben beschrieben, durch Druck geformt ist, eine hohe Affinität zu Wasser besitzt, kann zwischen der die Welle 6 umgebenden Hülse 16 und der Gleitfläche der Packung 32 ein Wasserfilm aufrechterhalten werden. Infolge-

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dessen rotiert die Welle 6 unter einer Wasserschmierungsbedingung, und es wird das Leckwasser entlang der Gleitfläche der Pakkung begrenzt, und zwar unabhängig von der Anwendung eines verhältnismäßig hohen Wasserdruckes.

Da ferner die Packung der Wellendichtung nach der Erfindung aus einer Mischung aus Tetrafluoräthylen-Harz mit Füllmaterial besteht, kann die Packung einem hohen WeIlendichtungsdruck (eine Druckdifferenz über einer Packung) von mehr als 15 kg/cm² pro Packungsstufe widerstehen, während ein hoher Abnutzungswiderstand aufrechterhalten wird.

Außerdem ist infolge eines niedrigen Zug-Elastizitätsmoduls des

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Packungsmaterials (im Bereich von 1,3 χ 10 bis 2,0 χ 10 kg/cm²) die Packung schwer zerbrechlich, weshalb das Widerstandsmoment der Packung wesentlich verringert werden kann.

Aus diesem Grunde kann nicht nur die Größe jeder Packung, sondern auch die Anzahl der Packungen und auch die Größe der Stopfbüchse verringert werden, wodurch die Größe der gesamten Wellendichtung verringert wird.

Im einzelnen kann eine übliche Packung mit einer axialen Höhe von 50 bis 60 mm durch eine erfindungsgemäße Packung ersetzt werden, die eine axiale Höhe von etwa 25 mm hat. Die Größenverringerung der Wellendichtung wiederum verringert den Abstand L (siehe Fig. 1) zwischen dem Zentrum des Läufers 3 und dem Zentrum des Lagers 22. Somit wird die vorspringende Länge der Welle wesentlich verringert, wodurch die Arbeitsweise der Turbine stabilisiert und der Unterhalt der Turbine vereinfacht wird.

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Während der Druck P, der radial einwärts auf die Außenfläche der Packung aufgebracht wurde, verändert wurde, wurde die Grösse Q des Leckwassers und die Größe der Abnutzung für eine erfindungsgemäße Packung und eine Packung üblicher Konstruktion (aus Kohle) gemessen. Die erfindungsgemäße Packung bestand aus Tetrafluoräthylen, und zwar aus einer Mischung von 70 Gew.-% Tetrafluoräthylen mit etwa 30 Gew.-% Kohlepulver. Die Mischung würde durch Pressen geformt, und zwar zu einem Gebilde mit einer axialen Höhe von 25 mm und einem solchen Innendurchmesser, daß die Packung mit einer Wellenhülse von 200 mm Außendurchmesser einen Gleitkontakt hatte» ' ■"-

Aus der oben beschriebenen Messung wurde ermittelt, daß die Leckwassermenge Q durch die Packung gemäß der Erfindung in einem Bereich von 1 /2 bis 1/3 derjenigen einer üblichen Packung lag und daß auch die Abnutzung der erfindungsgemäßen Packung auf 1/3 einer üblichen Packung verringert war. Es wurde auch festgestellt, daß der maximale Wellendichtungsdruck pro Packungsstufe größer als 15 kg/cm² war und daß die maximale Umfangsgeschwindigkeit der Welle größer als 40 m/sec war. Die Kurve A in Fig. 6 zeigt die Meßergebnisse der Leckwassermenge Q für die erfindungsgemäße Packung, während die Kurve B die Leckwassermenge Q der üblichen Packung gegen einen Druck P, der radial einwärts auf die Außenfläche der Packung aufgebracht war.

Die erfindungsgemäße Packung hat eine verhältnismäßig hohe thermische Leitfähigkeit, wodurch der Temperaturanstieg durch Reibung verringert war und das Auftreten von Reibungsabnutzung und Korrosion an der Gleitfläche der Packung verhindert wurde.

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Außerdem ist die erfindungsgemäße Packung verhältnismäßig-weich (in einem Bereich von D65 bis D68, gemessen mit einem Härteprüfgerät) , weshalb eine Frischwasser-Zuführvorrichtung 17 und 18, wie sie in Fig. 2 für den Schutz der Gleitflächen der Wellenhülse und der Packung vor Abnutzung durch Schlamm oder Sand enthaltendes Wasser nicht erforderlich war. Es können also die Frischwasserzuführung 17, 18 und auch die Kunststoffpackung 10c für den Schutz der Kohlepackungen 10a und 10b, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, vollständig weggelassen werden, wodurch die Konstruktion der Wellendichtung vereinfacht ist.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, in welcher Elemente und Teile, die denjenigen nach Fig. 5 gleich oder ähnlich sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, weshalb eine Wiederholung der Beschreibung überflüssig ist.

In diesem Ausführungsbeispiel ist durch einen Teil zwischen der Stopfbüchse 31 und der Druckkammer 20 eine Wasserzuführung 33 vorgesehen. Mit der Zuführung 33 ist eine Wasserzuführleitung verbunden, so daß Wasser W der Umfangsflache der Wellenhülse 16 zugeführt werden kann. Wenn der Läufer der umkehrbaren Pumpenturbine bei Beginn der Aufpumparbeitsweise oder während des Antriebes der Turbine in einer Kondensatorarbeitsweise, in Druckluft umläuft, wird das so zugeführte Wasser W dafür verwendet, ein Austritt von Druckluft durch die Wellendichtung zu verhindern. Zu diesem Zweck muß das Wasser W nicht notwendigerweise Frischwasser sein, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Fig. 8 bis 13 zeigen verschiedene Abwandlungen der erfindungsgemäßen Packung, in denen Elemente und Teile, die denjeni-

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gen nach Fig. 5 gleich oder ählich sind, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.

Um die Abnutzungsfestigkeit der Packung zu verbessern und die Lebensdauer der Packung zu erhöhen, ist in der Gleitfläche einer Packung 32. aus einem Material, das demjenigen nach Fig. 5 ähnlich ist, eine Wasserdurchführung verschiedener Konstruktion vorgesehen, so daß das Wasser in dem Turbinengehäuse, das unter einem-Druck P₁ steht, durch den Wasserdurchlaß der Gleitfläche der Packung zugeführt wird.

Im einzelnen ist eine Packung 32 in eine Anzahl Packungsteile unterteilt, wie es in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist. Jedes Packungsteil ist mit mehreren Löchern 35 versehen, die durch die Gleitfläche an. einem Zwischenteil gebohrt sind. Ferner stehen eine erforderliche Anzahl von Durchgangslöchern 36, die durch den Pakkungsteil gebohrt sind, mit den Löchern 35 in Verbindung und verbinden diese mit der Druckkammer 20 (siehe Fig. 1 und 2). Durch diese Löcher wird Wasser in der Kammer 20, das unter einem Druck P₁ steht, auf die Gleitfläche der Packung gebracht, wodurch der Kühleffekt verbessert und ein stabiler Wasserfilm zwischen den Gleitflachen, gebildet wird, während die Abnutzung der Packungen verringert und die Lebensdauer der Packungen erhöht wird, wenn die von außen auf die Packungen aufgebrachten Druckkräfte in geeigneter Weise verringert werden.

In einem weiteren Beispiel der Packung nach den Fig. 10 und 11 ist in der Gleitfläche jedes Packungsteiles in dessen Mittelteil eine rechteckförmige Nut 37 vorgesehen. Ferner ist ein Durchgangsloch 38 vorgesehen, welches die rechteckförmige Nut 37 mit der

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Druckkammer 20 verbindet, so daß Druckwasser mit einem Druck P₁ aus der Kammer 20 der Nut 37 zugeführt wird. Diese Ausführung einer Packung weist einen Vorteil auf, der im wesentlichen gleich dem Vorteil nach dem Beispiel nach den Fig. 8 und 9 ist.

Noch eine weitere Ausführung ist in der Fig. 12 und 13 gezeigt. Diese Ausführung ist mit einem Ausschnitt 39 entlang einer Hochdruck-Seitenkante der Gleitfläche jedes Packungsteiles versehen. Ferner ist eine Zuführung von Druckwasser in den Ausschnitt 39 vorgesehen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich eine vorteilhafte Wirkung ähnlich derjenigen nach dem Beispiel, wie es in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist.

Obgleich die vorliegende Erfindung in bezug auf eine mehrstufige Wellendichtung für eine hydraulische Turbine oder Pumpe beschrieben ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß die Erfindung auch auf eine Wellendichtung einer einzigen Stufe anwendbar ist, beispielsweise für eine hydraulische Maschine.

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L e e r s e i t e

Claims

DIPL.-ING. KLAUS BEHN DIPL.-PHYS. ROBERT MUNZHUBER PATENTANWÄLTE WIDENMAYERSTRASSE 6 D 8000 MÜNCHEN 22 TEL. IO89) 22 2530 295192 BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT ZUGELASSENE VERTRETER . 23. Mai 1980 A 6680 B/±b PATENTANSPRÜCHE

1. Wellendichtung für eine hydraulische Maschine mit einer eine Welle der Maschine umgebenden, mehrere Packungen enthaltenden Stopfbüchse, wobei die Gleitflächen der Packungen gegen die Welle gedrängt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Packung (32) aus einem mit einem Füllstoff gemischten Tetrafluoräthylen-Harz besteht, das unter Druck in die gewünschte Form gebracht ist.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, daß jede Packung (32) aus 40 bis 90 Gew.-% Tetrafluoräthylen-Harz und Rest Füllmaterial hergestellt ist.

3. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial aus Kohlepulver, Graphitpulver, Kohlefasern, Glasfasern oder Bronzepulver oder Kombinationen dieser Stoffe besteht.

4. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserzuführung (33) zur Zuführung von Wasser zu den

Bankhaus Merck, Finck & Co., München Bankhaus H. Aufhäuser. München Postscheck: München

(BLZ 70030400) Konto-Nr. 254649 (BLZ 70030600) Konto-Nr 261 300 (BLZ 70010080) KontoNr. 20904-800

■ TELEGR./CABLE: PATENTSENIOR

die Welle (6) berührenden Gleitflächen der Packungen (32) vorge-

5. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Packung (32) in Umfangsrichtung in mehrere Packungsteile unterteilt ist, die durch Nut und Feder so miteinander verbunden sind, daß zwischen benachbarten Packungsteilen ein Spalt verbleibt.

6. Wellendichtung nach Anspruch .1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Packung mit mehreren die Gleitfläche durchsetzenden Löchern (35) versehen ist und daß in der Packung Durchlässe (36) zur Zuführung von Druckwasser zu den Löchern (35) vorgesehen sind.

7. Wellendichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß jede Packung (32) in der Gleitfläche mit mehreren rechteckförmigen Nuten (37) versehen ist und daß in der Packung Durchlässe (38) zur Zuführung von Druckwasser zu den Nuten (37) vorgesehen sind.

8. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Packung entlang der Hochdruck—Seitenkante ihrer Gleitfläche mit einem Ausschnitt (39) versehen ist.

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