DE3329613C2 - Dichtung für Wellen gleichbleibender Drehrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung für Wellen gleichbleibender Drehrichtung, bei­ spielsweise Turbinenwellen mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Dichtungen dieser Art sind in verschiedenen Ausführungsformen bekanntgeworden (US-PS 3 235 274; GB-PS 444 578; Zeitschrift: Machine Design, 13. Sept. 1973, Seite 27/28). Dichtungen dieser Art haben sich durchaus bewährt, doch können sie nur stirnseitig vom einen Ende der ab­ zudichtenden Welle eingeführt bzw. eingeschoben werden. Da aber eine solche Montage nicht immer möglich ist, wurden auch Dichtungen entwickelt, bei welchen der eine der beiden Ringe, nämlich der, der unmittelbar an der sich drehenden Welle anliegt, aus mehreren einzelnen Bo­ gensegmenten besteht, die durch den zweiten Ring oder eine elastische Bandage zusammenge­ halten sind. Der Vorteil einer solchen bekannten Dichtung liegt darin, daß sie auch bei be­ schränktem Montageraum eingebaut werden kann, da die einzelnen Segmente durch relativ klei­ ne Montageöffnungen eingeschoben und aneinandergereiht und schlußendlich mit einer Bandage umwunden werden können. Diese Dichtungen zeigen jedoch einen sehr hohen Sperrwasserver­ lust; darüberhinaus sind sie außerordentlich teuer, da ihre Herstellung aufwendig ist, denn die einzelnen Ringsegmente müssen in aufwendiger Weise bearbeitet werden, da die Stoßflächen, die endseitig an den aufeinander folgenden Segmenten vorgesehen sind, sehr exakt und genau bearbeitet werden müssen.

In diesem Zusammenhang ist auch eine bekannte berührungslose Ölfilm-Wellendichtung für wasserstoffgekühlte Stromerzeuger zu erwähnen (DE-PS 10 12 999). Sie besitzt einen Ring, der die Welle mit geringem Spiel umgibt, und dessen mit Ölverteilungsnuten versehener Innenboh­ rung aus einem Ringkanal Öl in gleichmäßiger Verteilung über den Umfang zugeführt wird. Solche ölversorgten Dichtungen sind für Wellen von Turbinen nicht geeignet, die vom Nutzwas­ ser durchströmt sind.

Des weiteren ist ein geschlitzter oder geteilter metallischer Dichtungskörper bekannt (DE-AS 10 56 440), der zwischen sich relativ zueinander drehenden, ineinander liegend angeordneten Ma­ schinenteilen in eine Ringnut des einen Maschinenteiles eingesetzt ist. Dieser Dichtungskörper weist sowohl Achsial- als auch Radialspiel auf und er liegt in der einen Richtung mit verhält­ nismäßig größerer Fläche und mit dementsprechend größerem Druck an dem einen Maschinen­ teil an als am anderen Maschinenteil. Der Ausgestaltung dieses Dichtkörpers liegt ein Problem zugrunde wie es bei Kolbenringen auftritt.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, die eingangs genannten Dichtungen für Wellen gleichblei­ bender Drehrichtung in der Weise konstruktiv zu gestalten, daß sie auch unter erschwerten Montagebedingungen und beschränkten Platzverhältnissen eingebaut werden können, ohne daß dadurch die ihnen zugeordnete Dichtfunktion beeinträchtigt wird. Dies gelingt erfindungsgemäß durch jene Maßnahme, die Inhalt und Gegenstand des kennzeichnenden Teiles des Patentan­ spruches 1 ist. Eine Dichtung dieser Art ist aus einem elastischen Werkstoff, einem geeigneten Kunststoff, einfach herzustellen, da solche Ringe auf Drehbänken gefertigt und bearbeitet wer­ den können. Für die Anbringung der Schlitze bedarf es keiner aufwendigen Bearbeitungseinrich­ tungen. Dank des nachgiebigen Materials können für die Montage die Ringe aufgebogen wer­ den, und durch die besondere Verbindung der beiden Ringe miteinander unter Berücksichtigung der Drehrichtung der Welle legt sich beim betriebsmäßigen Einsatz der Dichtung der Ring bzw. die Ringe an der Welle an und erhöhen dadurch den Dichtungsgrad. Zweckmäßige Ausgestal­ tungen der Erfindung sind in dem Unteransprüchen festgehalten.

Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 die Ansicht der Dichtung und Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, und zwar in einem gegenüber Fig. 1 vergrößerten Maßstab;

Fig. 3 ist ein Detailschnitt durch die Verbindungsstelle der beiden Ringe in ihrem betriebsmäßi­ gen Einsatz an einer Turbinenwelle und auch hier in einem sowohl gegenüber der Fig. 1, wie auch gegenüber der Fig. 2 vergrößerten Maßstab.

Die Dichtung nach den Fig. 1 und 2, die beispielsweise für Turbinenwellen vorgesehen ist, be­ steht aus zwei aneinander anliegenden Ringen 1 und 2, die aus einem elastisch verformbaren Kunststoffmaterial gefertigt sind. Solche Ringe können auf Drehbänken bearbeitet und gefertigt werden. Beide Ringe 1 und 2 besitzen radial verlaufende Schlitze 3 und 4, so daß diese beiden Ringe offene Ringe sind. Im betriebsmäßigen Einsatz sind die beiden Ringe 1 und 2 so zueinander ange­ ordnet, daß diese beiden Schlitze 3 und 4 winkelmäßig gegen­ einander versetzt sind, wie dies Fig. 1 zeigt. Das Ausmaß dieser winkelmäßigen Versetzung ist mindestens so groß, wie die Breite b des kleinsten Schlitzes, so daß sich diese Schlitze gegenseitig nicht überdecken. Darüberhinaus sind diese beiden Ringe 1 und 2 an einem Punkt 6 miteinander verbunden und es hängt die Lage dieses Verbindungspunktes 6 von der Drehrichtung der Welle ab, die im gezeigten Bei­ spiel durch den Pfeil 5 angedeutet wurde, so daß ersichtlich ist, daß die hier nicht dargestellte Welle sich im Uhrzeiger­ sinn dreht. Bezogen auf diese Drehrichtung der Welle (Pfeil 5) liegt dieser Verbindungspunkt 6 unmittelbar im Bereich hinter dem Schlitz 3 des Ringes 1. Da zwischen dem Ring 1 und der sich drehenden Welle Reibungskräfte wirksam sind, wird durch diese Ringausbildung und Ringlagerung der offene Ring bei sich drehender Welle an die Welle angezogen und dadurch der Dichtungsgrad des Ringes 1 erhöht.

Es ist aus Fig. 1 auch erkennbar, daß der Verbindungspunkt 6 am anderen Ring 2 ebenfalls auf die Drehrichtung der Welle (Pfeil 5) bezogen unmittelbar im Bereich hinter dessen radialen Schlitzes 4 liegt, so daß das vorstehend zum Ring 1 Gesagte auch für diesen Ring 2 gilt. Beide Ringe 1 und 2 weisen denselben Innendurchmesser d auf (siehe Fig. 2), jedoch ist der Außendurchmesser D₁ und D₂ dieser Ringe 1 und 2 unterschiedlich. Um hier eine Dichtung kompakter Bau­ art zu schaffen besitzt der Ring 2 mit dem größeren Außen­ durchmesser D₂ eine stufenförmige zentrale Ausdrehung 15, in welche der Ring 1 eingesetzt ist. Dabei ist die in axialer Richtung des eingesetzten Ringes 1 gemessene Breite B₁ gleich der axialen Höhe h der stufenförmigen zentralen Ausdrehung 15, so daß die ineinander liegenden Ringe 1 und 2 eine gemeinsame, bündige Oberfläche (Fig. 2) besitzen.

Zur Verbindung der beiden Ringe 1 und 2 dient ein Zapfen 7 (Fig. 3), der in eine Bohrung 25 des Ringes 2 eingesetzt ist und in dieser Bohrung kraftschlüssig gehalten ist. Der Ring 1 nimmt diesen Zapfen in einer Bohrung 8 auf, deren Durchmesser etwas größer ist, als der des Zapfens 7, so daß ein ausreichendes Spiel zwischen Zapfen 7 und Bohrung 8 vorhanden ist, so daß der Ring 1 im betriebsmäßigen Einsatz im Bereich dieser Verbindung mit dem Zapfen 7 nur eine Linienberührung aufweist. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Verbindung sozusagen umzudrehen, so daß der Zapfen 7 im Ring 1 festgehalten ist und die Bohrung 25 bezogen auf den Zapfen 7 ein entsprechendes Spiel besitzt.

Da es nicht immer möglich ist, die Dichtringe vom Ende einer Welle her einzuführen oder einzuschieben, solche Dichtungen häufig quer zur Welle eingesetzt und eingefahren werden müssen, besitzen die Ringe 1 und 2 in jeweils dia­ metraler Lage zu ihren Schlitzen 3 und 4 von der Innenseite ausgehende Einschnitte 9 und 10 zur Bildung einer schar­ nierartigen Zone. Dank dieser Einschnitte 9 und 10 können die Ringe für Montagezwecke leicht aufgebogen werden. Zweckmäßigerweise sind diese scharnierartigen Zonen als Filmscharniere ausgebildet, die ja eine Stärke bis zu mehreren Millimetern haben können. Zweckmäßigerweise be­ sitzt der Ring 1 mit dem kleineren Außendurchmesser D₁ in der den Einschnitt 9 aufweisenden Durchmesserebene an seiner Außenseite eine kleine Aussparung 11, so daß eventuelle Ver­ formungen bei der Betätigung des Scharniers das nachträgliche Zusammenfügen der Ringe nicht beeinträchtigt. Die Breite b der Schlitze 3 und 4 ist mindestens so groß, wie die axiale Stärke B₁ oder B₂ der Ringe 1, 2. Dies hat den Vorteil, daß auch Abnutzungserscheinungen größeren Ausmaßes von diesen Dichtringen sozusagen selbsttätig ausgeglichen werden können.

Es ist auch zweckmäßig, an der Innenseite der Ringe 1 und 2, also an denjenigen Seiten der Ringe, die an der Welle 12 unmittelbar anliegen, Nuten 13 vorzusehen. In Fig. 1 sind drei solcher Nuten veranschaulicht, doch sind in einer praktischen Ausführung der Dichtung solche Nuten in gleichmäßigen Abständen über die ganze Innenseite der Ringe verteilt. Diese können axial verlaufen oder auch eine schräge Lage nach Art von Gewindegängen aufweisen. Die Nu­ ten sind dabei so ausgestaltet, daß ihre Breite größer ist als ihre Tiefe.

Um zu verhindern, daß sich die Dichtringe 1 und 2 im be­ triebsmäßigen Einsatz aufgrund der unvermeidbaren Reibungs­ kräfte mit der Welle 12 mitdrehen, sind am äußeren Ring 2 Aussparungen vorgesehen, in welche am Lager oder Dichtungs­ gehäuse der Welle vorgesehene, hier jedoch nicht dargestellte ortsfeste Halt er eingreifen. Zweckmäßigerweise sind diese Aussparungen beidseitig des Schlitzes 4 des äußeren Ringes 2 angeordnet, so daß je nach Drehrichtung der Welle die eine oder andere Aussparung 14 mit dem erwähnten, nicht dargestellten ortsfesten Halter verbunden wird. Im gezeig­ ten Ausführungsbeispiel besitzt der Ring 2 eine Bohrung 25 zur Aufnahme des einen Bolzens 7 und im Ring 1 ist auch nur eine Aussparung 8 zur Aufnahme des Zapfens vorgesehen. Würde eine Dichtung der in Fig. 1 gezeigten Art für eine Turbinenwelle verwendet, die sich im Gegenuhrzeigersinn dreht, also entgegen des Pfeiles 5, so ist der Ring 1 gegen­ über dem Ring 2 so anzuordnen, daß der Schlitz 3 des Ringes 1 links vom Schlitz 4 liegt und der Verbindungspunkt 6 zwischen beiden Ringen 1 und 2 ist ebenfalls links von die­ sem Schlitz 3 anzuordnen. Der ortsfeste Halter des Lager- oder Dichtungsgehäuses greift dann in die Aussparung 14 links des Schlitzes 4 des Ringes 2 ein. Um die in Fig. 1 gezeigte Dichtung sowohl für Wellen mit der einen, wie auch mit der anderen Drehrichtung verwenden zu können, werden Bohrungen 8 und 25 zu beiden Seiten der Schlitze 3 und 4 paarweise vorgesehen. Der Zapfen 7 kann austausch­ bar eingesetzt sein oder aber so ausgebildet sein, daß er erst dann eingesetzt wird, wenn geklärt wurde, für welche Drehrichtung der Welle die Dichtung verwendet werden soll.

Die absatzartige Ausdrehung 15 im Ring 2 mit dem größeren Außendurchmesser D₂ ist so gestaltet, daß zwischen beiden ineinandergesetzten Ringen 1 und 2 ein Spalt 16 verbleibt, in welchen beim betriebsmäßigen Einsatz Druckwasser ein­ dringen kann, was zu einer Druckentlastung der Dichtung führt.

Fig. 3 zeigt den ordnungsgemäßen Einbau einer Dichtung wie vorstehend näher beschrieben. Eine Turbinenwelle 12 ragt hier durch die Öffnung 18 eines Turbinengehäuses 17. In diesem Bereich ist ein Lager oder Dichtungsgehäuse 19 ange­ schweißt, das mit einem aufgeschraubten Flanschdeckel 20 verschlossen ist. Innerhalb des vom Lagergehäuse 19 be­ grenzten Raumes ist nun die vorstehend beschriebene Dichtung angeordnet, wobei der hier gezeigte Schnitt durch die Verbindungsstelle 6 der beiden Ringe 1 und 2 geführt ist. An seiner Außenseite 21 besitzt der Ring 2 eine um­ laufende offene ringförmige Nut 22, in welcher eine elasti­ sche Bandage oder eine Schlauchfeder 23 eingelegt ist. Mit den Federn 24, die am Flanschdeckel 20 abgestützt sind, wird die Dichtung an die Innenwand des Dichtgehäuses ge­ preßt. Im Lagergehäuse sind mehrere solcher Federn entlang des Ringes vorgesehen. Das Druckwasser, das die Turbine be­ treibt, liegt, bezogen auf die Fig. 3, links der Dichtung die aus den Ringen 1 und 2 besteht.

Grundsätzlich wäre es möglich, die beiden Ringe 1 und 2 mit demselben Außendurchmesser auszustatten. Zur Bildung eines Druckausgleichspaltes 16 wäre dann mindestens eine der paarweise aneinander liegenden Flächen absatzartig auszugestalten. Ferner wäre es möglich, die Flächen der Ringe, die paarweise aneinander anliegen, als Kegelflächen auszugestalten, wobei jener Ring, der die äußere elastische Bandage oder Schlauchfeder trägt, sozusagen als Hohlkegel zu gestalten wäre, der dann den anderen Kegel zur Gänze oder zumindest teilweise in sich aufnimmt. Daraus ist er­ kennbar, daß die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Querschnitts­ form der Ringe für die Erfindung nicht zwingend ist, viel­ mehr hier auch dreieckige oder trapezförmige Querschnitts­ formen in Frage kommen.

Ringe der gezeigten und beschriebenen Art sind einfach herzustellen, sie können auf Drehbänken gefertigt und be­ arbeitet werden. Die Anordnung der Schlitze und Einschnitte ist mit einfachen Gerätschaften möglich. Eine besondere Präzision wird für diese Schlitze und Einschnitte nicht gefordert. Auch die Bohrungen 8 und 25 können mit ein­ fachen Geräten hergestellt werden. Aufgrund des gewählten elastischen Werkstoffes und der erfindungsgemäßen Ausbil­ dung schmiegt sich die Dichtung beim betriebsmäßigen Ein­ satz an die sich drehende Welle an und erhöht den Dichtungs­ grad. Für Montagezwecke kann die Dichtung aufgeklappt wer­ den, da an den Ringen eine scharnierartige Zone vorgesehen werden kann. Aufgrund des hohen Dichtungsgrades ist der Sperrwasserverlust verringert und damit der Wirkungsgrad der Dichtung erhöht. Trotz all dieser nicht unerheblicher Vorteile gegenüber den bisherigen bekannten Dichtungen kann die erfindungsgemäße Dichtung wesentlich billiger ge­ fertigt werden.

Wenn mit hohem Verschleiß des Lagermaterials beim be­ triebsmäßigen Einsatz gerechnet werden muß, kann es zweckmäßig sein, die Nuten 13 möglichst tief zu gestal­ ten, so daß ihre Breite eventuell kleiner ist als ihre Tiefe. Auf diese Weise sind Schmiernuten auch dann noch vorhanden, wenn aufgrund des hohen Verschließes in er­ heblichem Umfang Lagermaterial abgetragen worden ist.

Vorstehend wurde wiederholt darauf hingewiesen, daß die Dichtung aus einem elastischen Werkstoff gefertigt ist. Diese Werkstoffangabe bedarf abschließend noch einer Erläuterung: Die Elastizität liegt in einem Bereich, der für Kunststoffe typisch ist, beispielsweise beträgt der Elastizitätsmodul bei hochmolekularem Polyäthylen ca. 700 N/mm² bzw. bei im Normklima gesättigtem Polyamid 6 (PA-6) ca. 1200 bis 1600 N/mm² (ermittelt am Zug-E- Modul). Es sind aber auch Werkstoffe hier einsetzbar, die hinsichtlich ihrer Elastizität ein gummiartiges bzw. gummiähnliches Verhalten zeigen, z. B. Polyurethan mit einer Shorehärte von A 60-95. Wenn relativ weiche Werk­ stoffe, wie z. B. das letzterwähnte Polyurethan verwendet wird, so kann auf die scharnierartigen Einschnitte 9 - 10 - 11 verzichtet werden. Die Lagerringe sind dann hinreichend elastisch verformbar, um sie montieren zu können.

Claims (5)

1. Dichtung für Wellen gleichbleibender Drehrichtung, beispielsweise Turbinenwellen, mit mindestens zwei aneinander anliegenden Ringen (1, 2) aus elastischem Material, von wel­ chen wenigstens einer mittels eines ihm außen anliegenden Zuggliedes, beispielsweise mittels einer elastischen Bandage bzw. mittels einer Zugfeder (23) an die Welle (12) an­ drückbar ist und mindestens einer der Ringe gegenüber einem ihn aufnehmenden Lager­ gehäuse fixierbar ist, wobei jeder der beiden Ringe (1, 2) einen radial verlaufenden Schlitz (3, 4) aufweist, die Ringe (1, 2) also offen sind und im betriebsmäßigen Einsatz die radia­ len Schlitze (3, 4) beider Ringe (1, 2) winkelmäßig gegeneinander versetzt sind, und zwar um ein Maß, das mindestens gleich ist der Breite (b) der Schlitze (3, 4) und der eine Ring (1), bezogen auf die Drehrichtung (5) der Welle (12), unmittelbar im Bereich hinter sei­ nem radialen Schlitz (3) an einem Punkt (6) mit dem anderen Ring (2) verbunden ist, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Ringe (1, 2) in etwa diametraler Lage zum radialen Schlitz (3, 4) einen von seiner Innenseite ausgehenden Einschnitt (9, 10) zur Bildung einer scharnierartigen Zone aufweist.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die scharnierartige Zone als Filmscharnier mit einer Dicke bis zu 3 mm ausgebildet ist.

3. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der den Einschnitt (9) aufweisenden Durchmesserebene des Ringes (1) an seiner Außenseite eine Aussparung (11) geringer Tiefe vorgesehen ist.

4. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) der radialen Schlitze (3, 4) mindestens der axialen bzw. radialen Stärke (B₁, B₂) der Ringe (1, 2) ent­ spricht.

5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Ringen (1, 2) ein Entlastungsspalt (16) ausgespart ist, und dieser vorzugsweise durch eine stufenför­ mige Ausdrehung gebildet wird.