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Die vorliegende Erfindung betrifft mechanische Hochdruck-
Dichtungseinheiten, die so konstruiert sind und verwendet
werden, um das unkontrollierte Lecken einer Flüssigkeit
entlang einer sich drehenden Welle, beispielsweise das Lecken
entlang der Welle einer Flüssigkeitsrotationspumpe, zu
verhindern.
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In der US-A-4 272 084 ist allgemein eine mechanische
Dichtungseinheit beschrieben, mit der im wesentlichen das
Fließen eines Strömungsmittels entlang einer drehbaren Welle
von einem Hochdruckbereich zu einem Niederdruckbereich
verhindert wird. Die Dichtungseinheit ist einem Gehäuse
Zugeordnet und umfaßt ein Paar von relativ zueinander drehbaren
Dichtungsringen, die die Welle umgeben und gegenüberliegende
Stirnflächen besitzen. Ein Dichtungsring steht mit der Welle
in Verbindung, und der andere Dichtungsring ist im Abstand
von der Welle angeordnet und mit dem Gehäuse verbunden. Die
Einheit umfaßt ferner Einrichtungen, die den anderen
Dichtungsring in Richtung auf den einen Dichtungsring
pressen, einen Stützring für den anderen Dichtungsring, wobei
der andere Dichtungsring und der Stützring ringförmige
Paßflächen besitzen und der Stützring die Welle umgibt und im
Abstand von dieser angeordnet ist, und eine zylindrische
Ausgleichshülse, die die Welle umgibt und im Abstand von
dieser angeordnet ist, wobei die Ausgleichshülse einen
Abschnitt mit einem ersten Durchmesser, der den Stützring
lagert, und einen zweiten Abschnitt mit größerem Durchmesser
aufweist.
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Erfindungsgemäß ist die vorstehend allgemein beschriebene
mechanische Dichtungseinheit dadurch gekennzeichnet, daß die
Abschnitte mit dem ersten und zweiten Durchmesser der
Ausgleichshülse eine ringförmige, radial angeordnete Fläche
bilden, die dem Strömungsmittel im Hochdruckbereich
ausgesetzt ist, und daß eine zylindrische Ausnehmung im Gehäuse
ausgebildet ist, das einen Sitz für den zweiten Abschnitt
mit größerem Durchmesser der zylindrischen Ausgleichshülse
bildet und aufnimmt, der durch den auf seine ringförmige,
radial angeordnete Fläche einwirkenden Strömungsmitteldruck
in die zylindrische Ausnehmung unter Vorspannung gesetzt
wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind
insbesondere für den Einsatz mit Kühlpumpen für
Atomreaktoren, Boilerumwälzpumpen, Boilerzuführpumpen und Pipeline-
Pumpen entwickelt worden und werden den Anforderungen in
bezug auf extreme und sich im großen Ausmaß ändernde Druck-
und Temperaturbedingungen, die bei diesen Anwendungsfällen
auftreten, gerecht. Es versteht sich aber, daß eine
erfindungsgemäß ausgebildete mechanische Dichtungseinheit auch
für Installationen geeignet ist, die weniger Anforderungen
stellen. Als Beispiel der sich in großem Umfang ändernden
Druck- und Temperaturverhältnisse ist anzuführen, daß der
normale Betriebsdruck in einem Druckwasserreaktor bei etwa
2200 psig (1,517 x 10&sup7; Pa Meßdruck) liegt, während beim
Anlaufen der Druck einen niedrigen Wert von beispielsweise 20
bis 30 psig ((1,38 bis 2,07) x 10&sup5; Pa Meßdruck) annehmen
kann. In einem derartigen Reaktor kann das Wasser in einem
Kühlkreislauf eine Temperatur von etwa 315º C (600º F)
erreichen, während das in den abgedichteten Bereich
eintretende Wasser einen niedrigen Temperaturwert von etwa 27º C
(80º F) besitzen kann. In diesen Pumpen kann sich die
Pumpenwelle axial bewegen und auch taumeln oder radial
abgelenkt werden. Ein weiterer harter Betriebszustand für die
Dichtungen in derartigen Anwendungsfällen besteht in der
Kombination aus hohem Druck und hohen
Oberflächengeschwindigkeiten, die aus Teilen mit großem Durchmesser
resultieren. Es ist somit erforderlich, eine mechanische
Dichtungseinheit zu konstruieren, die unter diesen
Betriebsbedingungen arbeiten kann.
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Bei den bevorzugten Ausführungsformen besteht der drehbare
Dichtungsring aus einem Karbid-Material, und der stationäre
Dichtungsring oder zumindest seine Dichtungsfläche aus einem
weicheren Material, wie beispielsweise Kohlenstoff. Darüber
hinaus werden der Stützring und der stationäre Dichtungsring
durch eine Vielzahl von Schraubenfedern elastisch in
Richtung auf den rotierenden Dichtungsring gepreßt.
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Die bevorzugte mechanische Dichtungseinheit ist derart
ausgebildet, daß Druckbelastungen auf den Außenumfang des
weicheren Dichtungsringes, die Verformungen und Ablenkungen
dieses Dichtungsringes verursachen und zu einem Ausfallen
der Dichtungseinheit führen, in einem beträchtlichen Umfang,
wenn nicht sogar ganz, eliminiert werden. Dies wird dadurch
erreicht, daß der weichere Dichtungsring und sein Stützring
durch ein zylindrisches Element ummantelt sind und daß ein
oder mehrere Kanäle in der aus dem Dichtungsring und dem
Stützring bestehenden Untereinheit vorgesehen sind, um einen
Ausgleich der Strömungsmitteldrücke auf ihren radial inneren
und äußeren Flächen sicherzustellen. Die Anpassung des
zylindrischen Elementes um den Dichtungsring und seinen
Stützring ist derart durchgeführt, daß dazwischen
Strömungsmittel vorhanden sein kann und daß die radial äußere Fläche
des zylindrischen Elementes dem unter Hochdruck stehenden
Strömungsmittel ausgesetzt ist. Auch ist die aus dem
Dichtungsring und dem Stützring bestehende Untereinheit so
konstruiert, daß der auf den Stützring einwirkende axiale
Strömungsmitteldruck ausreicht, um eine Abdichtung der
Paßflächen des weichen Dichtungsringes und des Stützringes
sicherzustellen und die Übertragung von Verformungen des
Stützringes auf den weicheren Dichtungsring zu begrenzen.
Die auf die gegenüberliegenden Seiten des stationären
Dichtungsringes einwirkenden axialen Strömungsmitteldrücke
sind im wesentlichen ausgeglichen, wodurch, wenn überhaupt,
nur geringe Verformungen des weicheren Dichtungsringes
auftreten, die durch axiale Druckdifferenzen verursacht werden
können.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nunmehr
anhand von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit
der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
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Figur 1 einen Teilschnitt durch die bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung; und
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Figur 2 einen Teilschnitt durch eine zweite
Ausführungsform der Erfindung.
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Figur 1 zeigt eine mechanische Dichtungseinheit 10, die als
einzige Dichtung oder bei einer umfassenderen
Ausführungsform als mechanische Mehrstufendichtung verwendet werden
kann. Die Dichtungseinheit 10 umfaßt eine Wellenbuchse 12,
die über einer Welle 145 angeordnet und (über nicht gezeigte
Einrichtungen) damit verbunden sein kann. Die Dichtung
verhindert
im wesentlichen das Fließen von Strömungsmittel
entlang der Welle 14 von einem Hochdruckbereich oder einer
entsprechenden Zone 16, beispielsweise einer Pumpe (nicht
gezeigt), bis zu einem Niederdruckbereich oder einer Zone 18,
beispielsweise einem Motor (ebenfalls nicht gezeigt). Eine
Dichtung (nicht gezeigt) ist zwischen der Buchse 12 und der
Welle 14 vorgesehen, um den Durchfluß von Strömungsmittel zu
verhindern.
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Die Dichtungseinheit 10 umfaßt des weiteren einen
rotierenden Dichtungsring 20 aus einem Karbid-Material und einen
stationären Dichtungsring 22. Die Ringe 20 und 22 sind im
Abstand von der Wellenbuchse 12 angeordnet und besitzen
geläppte Dichtungsstirnflächen 24, 26, die einander
gegenüberliegen. Die Stirnfläche 26 ist eine ringförmige Fläche mit
einem Innendurchmesser, der größer ist als der
Innendurchmesser des Ringes 20, und einem Außendurchmesser, der
geringer ist als der Außendurchmesser des Ringes 20. Eine Fläche
28 des Ringes 22 ist dem unter hohem Druck stehenden
Strömungsmittel im Bereich 16 ausgesetzt. Der Dichtungsring 20
ist über einen Keil 27 oder irgendeine andere geeignete
bekannte Einrichtung mit der Buchse 12 verbunden und besitzt
einen hinteren Abschnitt, der in einem Halter 30 angeordnet
ist, welcher über einen Spaltring 32, der in komplementären
Nuten in der Buchse 12 und im Halter 30 angeordnet ist, an
der Welle 14 positioniert ist. Der Halter 30 ist durch einen
O-Ring 34 gegenüber der Buchse 12 und durch einen O-Ring 36
gegenüber dem Ring 20 abgedichtet.
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Der Dichtungsring 22, bei dem es sich bei dieser
Ausführungsform um einen weicheren Dichtungsring handelt, der
vorzugsweise aus Kohlenstoff besteht, ist von einem
allgemein zylindrischen Element 38 ummantelt, das ebenfalls einen
Stützring 40 ummantelt. Die Passung zwischen dem Element 38
und den Ringen 22 und 40 ist derart, daß Strömungsmittel
dazwischen vorhanden sein kann. Der Stützring 40 ist ferner im
Abstand von der Wellenbuchse 12 angeordnet und besitzt einen
ringförmigen Stirnflächenabschnitt 42, der gegen einen
hinteren Stirnflächenabschnitt 44 des Ringes 22 stößt. Das
Element 38 weist einen herabhängenden Radialflansch 46 auf, der
über einen O-Ring 48 in bezug auf die Fläche 28 des Ringes
22 abgedichtet ist. Ein Sprengring 50, der in eine Nut im
Element 38 eingepaßt ist und gegen eine rückseitige
Stirnfläche des Stützringes 40 stößt, hält die Ringe 22 und 40 in
ihren richtigen aneinanderstoßenden Positionen. Der
Stützring weist einen ersten zylindrischen Abschnitt 40A und
einen zweiten zylindrischen Abschnitt 40B auf, der an einer
zylindrischen Ausgleichshülse 54 zur Durchführung einer
begrenzten Axialbewegung montiert ist. Die Ausgleichshülse 54
ummantelt die Wellenbuchse 12 und ist im Abstand davon
angeordnet, so daß unter niedrigem Druck stehendes
Strömungsmittel vom Niederdruckbereich 18 zwischen der Wellenbuchse 12
und den Ringen 20, 22 und 40 vorhanden ist. Ein Ring 56
ummantelt den Stützring 40 und dichtet ein Ende desselben mit
dem Element 38 ab. Ein O-Ring 58 umgibt die Ausgleichshülse
54 und dichtet die Hülse 54 gegenüber dem hinteren Abschnitt
40B des Stützringes 40 ab, während er die begrenzte
Axialbewegung des Stützringes 40 relativ zur Ausgleichshülse 54
zuläßt. Die Ausgleichshülse 54 ist durch einen O-Ring 64
gegenüber einem Dichtungsflansch 60 eines Gehäuses 62
abgedichtet. Ihr Außendurchmesser ist abgestuft, so daß eine
ringförmige radial angeordnete Fläche 54A gebildet wird. Die
Ausgleichshülse 54 stößt gegen eine Schulter 60A des
Gehäuseflansches 60, und der auf die Fläche 54A einwirkende
Strömungsmitteldruck spannt die Ausgleichshülse gegen die
Schulter 60A vor, um sicherzustellen, daß die Hülse 54 im
Gehäuseflansch 60 sitzt. Der Gehäuseflansch 60 stellt einen Teil
eines umfassenderen Gehäuses 62 dar, von dem nicht alle
Teile gezeigt sind.
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Schraubenfedern 66, von denen nur eine in Figur 1 gezeigt
ist, spannen die aus dem Dichtungsring 22, dem Stützring 40
und dem Element 38 bestehende Untereinheit in Richtung auf
den drehbaren Dichtungsring 20 vor. Die Federn 66 sind in
entsprechenden Federtaschen 68 im Gehäuse 62 und
Federtaschen 70 in einem auswärts verlaufenden Radialflansch 72
des Elementes 38 angeordnet. Die Federn 66 werden von einer
allgemein zylindrischen Abdeckung 74 im wesentlichen
umschlossen. Die Abdeckung umgibt den Flansch 72 des Elementes
38 und ist mit dem Gehäuseflansch 60 verbolzt.
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Die rückseitige Fläche 52 des Stützringes 40, die
rückseitige Fläche 51 des Elementes 38 und die Ringfläche 61 des
Gehäuseflansches 60 bilden zusammen einen ringförmigen
Hohlraum 76, der für das unter hohem Druck stehende
Strömungsmittel offen ist. Der Stützring 40 besitzt bei 78 eine
Axialbohrung, um einen Strömungsmittelkanal zwischen dem
Hohlraum 76 und einem Hohlraum 80 zu bilden. Der Hohlraum 80
wird durch O-Ringe 82, 84, einen Abschnitt 86 der
rückseitigen Fläche 44 des Dichtungsringes 22 und einen reduzierten
Abschnitt 88 der Vorderfläche 42 des Stützringes 40
begrenzt. Der auf die Fläche 86 einwirkende Druck entspricht
im wesentlichen dem auf die Fläche 28 einwirkenden Druck.
Somit sind die auf die gegenüberliegenden Enden des
Dichtungsringes 22 einwirkenden Strömungsmitteldrücke im
wesentlichen identisch.
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Die radial inneren Flächen des stationären Dichtungsringes
22 und seines Stützringes 40 sind im Abstand von der
Wellenbuchse 12 angeordnet und bilden zusammen mit der
Wellenbuchse 12 eine erste Zone 90, die mit der Niederdruckzone 18
in Verbindung steht. Die radial äußeren Flächen des
Dichtungsringes 22 und des Stützringes 40 bilden mit dem
Element 38 eine zweite Zone 92. Um sicherzustellen, daß der
Druck auf der radial äußeren Fläche des Dichtungsringes 22
in der Zone 92 der gleiche ist wie der Druck auf der radial
inneren Fläche des Dichtungsringes 22 in der Zone 90,
besitzt der Stützring 40 eine Radialbohrung, um einen
Strömungsmittelkanal 94 zur Verfügung zu stellen, während das
Element 38 eine winklige Bohrung aufweist, um einen
Strömungskanal 96 vorzusehen, der den O-Ring 82 überbrückt. Da
der auf die radial innere und radial äußere Fläche des
Dichtungsringes 22 und des Stützringes 40 einwirkende Druck
identisch oder im wesentlichen identisch ist, treten keine
Druckbelastungen aufgrund von Druckdifferenzen auf, und
Verformungen und Ablenkungen des weicheren Dichtungsringes 22,
die normalerweise durch derartige Druckdifferenzen
verursacht werden, werden vollständig oder im beträchtlichen
Umfang ausgeschaltet.
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Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung,
bei der es sich wiederum um eine mechanische Einheit 100
handelt, die im wesentlichen das Fließen von Strömungsmittel
entlang einer Welle 102 von einem Hochdruckbereich oder
einer entsprechenden Zone 104 zu einem Niederdruckbereich oder
einer entsprechenden Zone 106 verhindert. Die
Dichtungseinheit 100 umfaßt einen drehbaren Dichtungsring 108, der
wiederum aus einem Karbid-Material besteht, sowie einen
stationären Dichtungsring 110 mit Stirnflächen 112, 114, die
einander gegenüberliegen. Der Dichtungsring 108 ist über einen
Keil 116 mit einer Wellenbuchse 118 verkeilt und sein Ende
stößt gegen einen Buchsenflansch 120, der über einen O-Ring
122 damit abgedichtet ist. Die Axialposition des Ringes 108
wird durch einen Sprengring 124 fixiert, wie dargestellt.
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Bei dem stationären Dichtungsring 110 handelt es sich um
einen Verbundring, der aus einem Stirnflächenabschnitt 110A
aus Kohlenstoff und einem Stützabschnitt 110B aus Metall
besteht. Der Ring ist von einem allgemein zylindrischen
Element 126 umgeben, das einen einwärts verlaufenden Flansch
128 aufweist, der über einen O-Ring 130 in bezug auf den
Ring 110 abgedichtet ist. Ein Stützring 132 besitzt einen
ersten zylindrischen Abschnitt 132A und einen nach hinten
verlaufenden zylindrischen Abschnitt 132B. Der Abschnitt
132A weist einen ringförmigen Stirnflächenabschnitt 134 auf,
der gegen eine hintere Fläche 136 des Ringes 110 stößt. Der
Stützring 132 ist ebenfalls durch das Element 126 ummantelt.
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Die Passung zwischen dem Dichtungsring 110, dem Stützring
132 und dem Element 126 ist derart, daß dazwischen
Strömungsmittel vorhanden sein kann. Ein Sprengring 138, der
gegen eine rückseitige Fläche 140 des Ringes 132 stößt, stellt
die richtige Positionierung der Ringe 110 und 132 innerhalb
der Basis des Elementes 126 sicher, und ein O-Ring 142
umgibt den Ring 132 an einer Stelle benachbart zum Sprengring
138, so daß auf diese Weise die Verbindungsstelle zwischen
dem Ring 132 und dem Element 126 abgedichtet wird. Der
Abschnitt 132B des Ringes 132 umgibt eine Ausgleichshülse 144,
die wiederum die Wellenbuchse 118 umgibt und hiervon im
Abstand angeordnet ist. Der Dichtungsring 110, der Stützring
132 und die Ausgleichshülse 144 sind alle im Abstand von der
Wellenbuchse 118 angeordnet, so daß ein Ringraum oder eine
Zone 145 zwischen dem Dichtungsring 110, dem Stützring 132
und der Ausgleichshülse 144 zur Niederdruckzone 106 hin
offen ist. Der Außenumfang der Ausgleichshülse 144 ist
abgestuft, so daß eine ringförmige, radial angeordnete Fläche
144A gebildet wird. Die Hülse 144 stößt gegen eine Schulter
146 eines Gehäuseflansches 148. Der Druck auf die Fläche
144A spannt die Ausgleichshülse 144 gegen die Schulter 146
vor, um sicherzustellen, daß die Hülse 144 im Gehäuseflansch
148 sitzt. Ein Hohlraum 150 im Ring 144 nimmt ein U-förmiges
Becherelement 152 aus elastomerem Material und ein
stiernasenartiges U-förmiges Folgeelement 154 auf. Die Taschen
156 im Gehäuseflansch 148 nehmen jeweils eine Feder 158 auf,
um das Folgeelement 154, den Stützring 132 und den
Dichtungsring 110 in Richtung auf den Dichtungsring 108
unter Vorspannung zu setzen.
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Die hinteren Flächen 140 des Stützringes 132 und 140 des
Elementes 126 sind dem unter hohem Druck stehenden
Strömungsmittel in einem Hohlraum 160 ausgesetzt, und der Ring
132 weist bei 162 eine Axialbohrung auf, um das unter hohem
Druck stehende Strömungsmittel einem ringförmigen Hohlraum
164 zuzuführen, der durch O-Ringe 166, 168, einen Abschnitt
der Hinterseite 136 des Ringabschnittes 110B und einen
reduzierten Teil 170 der Stirnfläche 134 des Stützringes 132
begrenzt wird. Die Federn 158 stellen einen Sitz der Flächen
134 und 136 des Stützringes 132 und des Dichtungsringes 110
sicher. Der Stützring 132 und eine Vorderfläche 172 des
metallischen Ringabschnittes 110B weisen bei 174 eine
Radialbohrung auf, und die Vorderseite 172 des metallischen
Ringabschnittes 110B besitzt bei 176 eine Radialnut, um eine
Verbindung zwischen der Zone 145 und einer Zone 180 sowie
ebenfalls zwischen den Zonen 145 und 180 herzustellen. Somit
ist der auf die radialen Außenflächender Ringe 110 und 132
einwirkende Druck im wesentlichen mit dem auf die radialen
Innenflächen dieser Ringe einwirkenden Druck identisch.
Dadurch, daß auf diese Weise Druckdifferenzen auf den radialen
Innenflächen und radialen Außenflächen des Dichtungsrings
110 und des Stützrings 132 im wesentlichen vermieden werden,
werden Druckbelastungen auf den Ringabschnitt 110A im
wesentlichen verhindert. Ferner entspricht der auf einen
Frontflächenabschnitt 184 des Ringabschnittes 110A
einwirkende
Druck im wesentlichen dem Druck im Hohlraum 164, so
daß die axialen Strömungsmitteldrücke auf den Ring 110 im
wesentlichen ausgeglichen werden.
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Die O-Ring-Dichtungen bestehen dort, wo sie eingesetzt
werden, im wesentlichen aus elastomeren Materialien, wie
beispielsweise synthetischem Gummi u.ä.
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Die vorliegende Beschreibung enthält Gemeinsamkeiten mit der
europäischen Patentanmeldung Nr. 84305363.8 (als EP-A-0 138
317 veröffentlicht), von der die vorliegende Anmeldung eine
Ausscheidungsanmeldung darstellt.