DE4441653C1 - Dichtungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Dichtungsanordnung zum Abdichten eines umweltgefährdenden Fluids an der Durchtrittsstelle einer Welle aus dem Innenraum eines Ge­ häuses in einen Außenraum wenn der Innenraum zumindest zeitweilig einen höheren Druck aufweist als der Außenraum. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf eine als Sicherheits­ dichtung wirkende Dichtungsanordnung, die mit dem in einem Prozeßraum befindlichen Fluid erst dann beaufschlagt wird, wenn eine zwischen dem Prozeßraum und dem Innenraum angeord­ nete primäre Wellendichtung undicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das im Innenraum befindliche Fluid am Spalt zwischen der Welle und dem Gehäuse auch dann sicher abzudichten, wenn die primäre Wellen­ dichtung erst nach einer Betriebszeit von mehreren tausend Stunden versagt und die Dichtungs­ anordnung dabei plötzlich unter hohem Druck steht. In der Praxis besteht diese Aufgabe bei­ spielsweise bei verfahrenstechnischen Aggregaten, Pumpen, Rührwerken usw., die toxisches oder brennbares Fluid fördern beziehungsweise mischen. Ein Versagen der Wellendichtung, bei dem große Fluidmengen in die Umgebung austreten, kann zu unübersehbar großen, möglicher­ weise katastrophalen Folgeschäden führen. Weil grundsätzlich mit dem Versagen einer einzelnen Dichtung zu rechnen ist, muß unter solchen Bedingungen das Wellendichtsystem redundant ausgeführt sein, das heißt, es muß mehrere unabhängig voneinander funktionierende Dichtungen enthalten. Nach dem Stand der Technik werden solche Dichtsysteme häufig aus mehreren, hintereinandergeschalteten Gleitringdichtungen aufgebaut. Oft wird zwischen aufeinanderfolgen­ de Gleitringdichtungen zur Abführung der Reibwärme und zum Ausspülen einer unvermeidba­ ren Leckage der primären Wellendichtung ein Sperrfluid eingeleitet. Oft dient das umgewälzte Sperrfluid auch zur Schmierung gleitender Dichtflächen von nachgeschalteten Sicherheits­ dichtungen, damit diese auch nach langer Laufzeit im Notfall funktionsfähig sind. Neuerdings werden auch Sperrgas-Gleitringdichtungen eingesetzt, die mittels besonders strukturierter Gleit­ flächen als hydrodynamische Pumpen wirken und beispielsweise ein inertes Gas in den Prozeß­ raum fördern. Derartige Dichtsysteme verursachen jedoch hohe Kosten, sowohl für die verhält­ nismäßig teuren Gleitringdichtungen als auch für die gegebenenfalls zur Bereitstellung, Umwäl­ zung, Kühlung und Reinigung der Sperrfluide erforderlichen Hilfsaggregate und Energien. Als Kompromiß zwischen der Dichtsicherheit und den dafür aufzuwendenden Kosten zu finden, werden in der Praxis auch Dichtsysteme verwendet, bei denen nach einer primären Gleitring­ dichtung ungekühlte und ungeschmierte Sicherheitsdichtungen angeordnet sind [1].

Oft sind dies radiale oder axiale Drosselspalte oder Lippendichtungen. Auf diese Weise können jedoch weder permanente kleine Leckagen noch exzessive Leckagen beim plötzlichen Versagen der Primär­ dichtung verhindert werden. Auch trocken gleitende Dichtungen, die mit hoher Temperatur laufen und permanent verschleißen, werden als Sicherheitsdichtungen verwendet. Ihre Dicht­ sicherheit nach langer Laufzeit ist sehr problematisch, wenn bei einem Bruch der primären Gleitringdichtung heiße Dichtkörper einem plötzlichen thermischen und mechanischen Schock ausgesetzt sind.

Weiter ist eine Sicherheitsdichtung bekannt, deren Funktion von einer in DE 38 36 506 A1 beschriebenen Dichtungsanordnung ausgeht. Bei dieser in Lit. [2], S. 131/132 beschriebenen Sicherheitsdichtung bildet ein "PTFE-Doppelkantenring" eine im Normalbetrieb abgeschlossene Zwischenkammer. Diese Doppellippendichtung aus PTFE hat zwei entgegengesetzt gerichtete Dichtlippen. Bei einem Ausfall der Primärdichtung wird der PTFE-Doppelkantenring axial bewegt und die Zwischenkammer infolge der Entlastung einer Nebendichtung zum Innenraum hin geöffnet. Die Dichtung hat sich praktisch nicht bewährt, weil die Dichtlippen zu steif und nicht "thermoelastisch" sind, die Dichtung entweder durch Verschleiß oder Wärmedehnung undicht wird und die druckabhängige Öffnungsfunktion ungenau und unzuverlässig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die als Sicherheitsdichtung zuverlässig funktioniert und mit geringem Kostenaufwand hergestellt und betrieben werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Dichtungsanordnung gemäß Patentan­ spruch 1 in Form einer erfindungsgemäß neuartigen Kombination bekannter Dichtelemente. Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung besteht im wesentlichen aus mindestens zwei hinter­ einandergeschalteten, vorzugsweise fest mit dem Gehäuse verbundenen, radial elastisch mit Dichtlippen an der Welle anliegenden Wellendichtungen, wobei die Dichtlippen beider Wellen­ dichtungen vom Innenraum abgewandt und, entlang der von ihnen berührten Mantelfläche der Welle, dem Außenraum zugewandt sind. Eine an den Innenraum angrenzende innere Wellen­ dichtung und eine an den Außenraum angrenzende äußere Wellendichtung bilden zusammen mit dem sie umgebenden Gehäuse einen Pufferraum, der mindestens teilweise mit Schmierstoff gefüllt ist. Die äußere Wellendichtung ist in bekannter Weise druckentlastet. Durch die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung wird mit geringem Aufwand eine Sicherheitsdichtung geschaffen, die lange Betriebszeiten ohne Vorschädigung übersteht und beim Ausfall der Primär­ dichtung sofort zuverlässig abdichtet.

Ein wesentlicher Erfindungsgedanke ist, mit der inneren Wellendichtung den Pufferraum zum Innenraum hin völlig abzudichten, solange die Druckdifferenz zwischen Innenraum und Pufferraum kleiner ist als ein einstellbarer Grenzdruck, jedoch die Dichtfunktion der inneren Wellendichtung außer Kraft zu setzen, wenn der Grenzdruck überschritten wird. Dazu wird erfindungsgemäß als innere Wellendichtung eine Lippendichtung verwendet, bei der die Innen­ seite der Dichtlippe dem Innenraum zugewandt ist. Dadurch wirkt sie wie ein Druckbegrenzungsventil, das beim Überschreiten des Grenzdrucks öffnet, indem die Dichtlippe von der Welle abhebt. Dadurch strömt Fluid vom Innenraum in den nach außen abgedichteten Pufferraum. Zugleich nimmt der Druck im Pufferraum zu und die auf die innere Wellendichtung wirkende Druckdifferenz nimmt ab. Wenn dabei die Druckdifferenz unter den Grenzdruck abfällt, legt sich die innere Wellendichtung wieder dichtend an die Welle an. Im Pufferraum herrscht jetzt ein Druck, der kleiner ist als der Druck im Innenraum, das heißt, die innere Wellen­ dichtung wirkt auch als Druckreduzierventil. Unter der Voraussetzung, daß die äußere Wellen­ dichtung dicht ist, strömt also, auch bei einem plötzlichen Anstieg des Drucks im Innenraum, nur eine geringe und begrenzte Fluidmenge vom Innenraum in den Pufferraum. Falls das ein­ strömende Fluid ein Gas ist, steigt dieses im Pufferraum auf, ohne die Schmierung der Dicht­ lippen zu beeinträchtigen. Der Grenzdruck ist abhängig von der Form und der radialen Vor­ spannung der Dichtlippe. Er kann vom Konstrukteur der Wellendichtung auf einen erwünschten Wert eingestellt werden. Die innere Wellendichtung ist vorzugsweise eine Manschette aus Kunststoff, bestehend aus einem mit dem Gehäuse verbundenen radialen Flansch und einer mit diesem zusammenhängenden ausgestülpten Dichtlippe, die an der Welle vorzugsweise mit einer Dichtkante anliegt. Vorzugsweise wird als innere Wellendichtung eine handelsübliche PTFE- Manschette verwendet.

In der Praxis wird die Forderung gestellt, daß die Sicherheitsdichtung bei einem plötzlich auftretenden Innenraumdruck von 20 bis 40 bar bei drehenden oder stillstehender Welle minde­ stens zwei Stunden lang dicht hält. Dies wird erfindungsgemäß realisiert, indem bei der äußeren Wellendichtung ein bekanntes Dichtprinzip angewendet wird. Als äußere Wellendichtung wird eine Lippendichtung verwendet, deren Dichtlippe von der inneren Wellendichtung abgewandt ist, wobei am Übergang vom Pufferraum zum Außenraum eine Gehäusedichtung angeordnet ist, die am Gehäuse und an der äußeren Wellendichtung anliegt und den Spalt zwischen dem Gehäu­ se und der äußeren Wellendichtung abdichtet. Die Gehäusedichtung überträgt den Druck im Pufferraum auf die Außenseite der Dichtlippe und drängt sie dadurch radial nach innen. Da jedoch auch die Innenseite der Dichtlippe an den Pufferraum grenzt, wird die Dichtlippe radial nach außen gedrängt. Dadurch wird die Dichtlippe von der Anpreßwirkung des Drucks entlastet.

Dichtungen mit dieser Wirkungsweise sind beispielsweise aus DE 36 16 689 C1 bzw. EP 0 268 624 bekannt. Unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen an eine Sicher­ heitsdichtung wird für die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung als äußere Wellendichtung vorzugsweise eine von der EP 0268 624 abgeleitete Variante verwendet. Wellendichtungen gemäß EP 0 268 624 sind zweiteilig und bestehen gemäß den dort gewählten Bezeichnungen aus einem "nachgiebigen Dichtungsring" und einem "Spannring aus elastischem Werkstoff". Der Spannring der äußeren Wellendichtung ist ein Dichtring aus Elastomerwerkstoff, vorzugsweise ein O-Ring. Für die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung wird vorzugsweise ein Variante gewählt, bei der der "Dichtungsring" der äußeren Wellendichtung eine Manschette aus Kunst­ stoff ist, bestehend aus einem mit dem Gehäuse verbundenen radialen Flansch und einer mit diesem zusammenhängenden ausgestülpten Dichtlippe, die, vorzugsweise mit einer Dichtkante, an der Welle anliegt.

Die als Wellendichtungen verwendeten Manschetten bestehen im Sinne der Wärmebestän­ digkeit, der chemischen Beständigkeit und zwecks guter Gleiteigenschaften vorzugsweise aus verstärktem Polytetrafluorethylen. Vorzugsweise werden handelsübliche PTFE-Manschetten verwendet. Vorzugsweise werden für die innere und die äußere Wellendichtung baugleiche Manschetten verwendet.

Wenn die Dichtlippe der inneren Wellendichtung beim Ausfall der Primärdichtung sehr schnell öffnet und dabei das Fluid schwallartig mit hoher Geschwindigkeit in den Pufferraum strömt, kann die Dichtlippe der äußeren Wellendichtung vom Impuls des auftreffenden Fluids geöffnet und die äußere Wellendichtung kurzzeitig undicht werden. Um dies zu verhindern können erfindungsgemäß im Pufferraum nahe der Wellenoberfläche Strömungsbarrieren ange­ ordnet werden. Sie bestehen beispielsweise aus einem sehr engen Spalt, der von einem mit dem Gehäuse verbundenen Trennsteg und einer mit der Welle verbundenen Zylinderfläche gebildet wird. Alternativ kann als Barriere eine mit dem Gehäuse verbundene und an der Welle anliegen­ den weitere Wellendichtung im Pufferraum angeordnet sein. Die Drosselwirkung des Trennstegs bzw. der weiteren Wellendichtung hat zur Folge, daß der die Dichtlippe belastende Druck im Pufferraum im Bereich der Gehäusedichtung ansteigt, bevor ein entlastender Druckimpuls die Innenseite der Dichtlippe der äußeren Wellendichtung erreicht.

Der von den Wellendichtungen und dem Gehäuse gebildete Pufferraum ist vorzugsweise wenigstens zum Teil mit einem Schmiermittel (Wasser, Öl, Fett usw.) gefüllt. Damit wird lang­ fristig ein reibungsarmer und verschleißfreier Lauf der Wellendichtungen erfindungsge­ mäßen Dichtungsanordnung sichergestellt. Solange der Druck im Innenraum unter dem Grenz­ druck bleibt, herrscht im Pufferraum ein niederer Druck, in der Regel annähernd der Druck des Außenraums. Bei Verlust von Schmiermittel durch eine geringfügige Leckage der Wellen­ dichtungen kann Schmiermittel nachgespeist werden, vorzugsweise aus einem mit dem Puffer­ raum verbundenen druckfesten Reservoir. Falls aus wirtschaftlichem Grund ein Reservoir ver­ wendet werden soll, das dem möglichen Druck im Pufferraum nicht widersteht, wird zwischen dem Pufferraum und dem Reservoir ein den Rückfluß vom Pufferraum in das Reservoir verhin­ derndes Absperrorgan (Rückflußventil) eingebaut.

Infolge ihrer kompakten Bauweise und der Druckbelastbarkeit ihrer äußeren Wellendichtung ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung nicht lediglich als Sicherheits­ dichtung sondern auch als produktseitige primäre Wellendichtung einzusetzen. Erfindungsgemäß bilden somit zwei hintereinandergeschaltete, nach den Patentansprüchen 1 bis 12 ausgeführte, Dichtungsanordnungen eine komplette Wellendichtung. Die erste, produktseitige Dichtungsan­ ordnung ersetzt die bisher übliche Gleitringdichtung; die zweite, nachgeschaltete Dichtungs­ anordnung wirkt beim Ausfall der produktseitigen Dichtungsanordnung als Sicherheitsdichtung. Eine derartig gestaltete komplette Wellendichtung ist gegenüber herkömmlichen Dichtsystemen kostengünstiger und beansprucht weniger Bauraum. Darüber hinaus ist ihre Sicherheitsfunktion zuverlässiger als bei Verwendung herkömmlicher Sicherheitsdichtungen. Dabei sind erfindungs­ gemäß zwei unterschiedliche Arten des Betriebs möglich. Bei der ersten Betriebsart wird der Pufferraum mit einem Raum verbunden (beispielsweise mit der Saugleitung der Pumpe), dessen Druck niederer ist als der des Produktraums. Der Grenzdruck der inneren - in diesem Fall pro­ duktseitigen - Wellendichtung ist so eingestellt, daß ihre Dichtlippe infolge des Drucks im Produktraum von der Welle abhebt und das Fluid zur Kühlung der äußeren Wellendichtung gedrosselt in den Pufferraum einströmen läßt. Bei der zweiten Betriebsart wird der Pufferraum einerseits mit einem Raum verbunden (beispielsweise mit der Druckleitung der Pumpe), dessen Druck höher ist als der des Produktraums und auf der anderen Seite mit einem Raum verbunden, dessen Druck niederer ist als der des Produktraums. Die innere Wellendichtung wird dadurch geringfügig druckbelastet und dichtet permanent ab und das Fluid durchströmt zum Zwecke der Kühlung den Pufferraum.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die vorteilhafte Ausführungsbeispiele veranschaulicht.

Es zeigen die Fig. 1 bis 7 je einen bis zur Wellenachse geführten radialen Längsschnitt (Halbschnitt) durch eine Dichtungsanordnung, nämlich

Fig. 1 eine Ausführungsform mit einer inneren und einer äußeren Wellendichtung,

Fig. 2 eine Ausführungsform mit zwei gleichen Manschetten als Wellendichtungen,

Fig. 3 eine Ausführungsform mit zwei gleichartigen Manschetten, abgesetzter Welle und einem Zwischensteg,

Fig. 4 eine Ausführungsform mit drei Manschetten und abgesetzter Welle

Fig. 5 eine Ausführungsform als Sicherheitsdichtung in Verbindung mit einer Gleitringdich­ tung als Primärdichtung, und

Fig. 6 sowie 7 eine Hintereinanderschaltung von zwei erfindungsgemäßen Dichtungsanordnungen je zwei Manschetten und je einem Zwischensteg.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung, bestehend aus einer an den Innenraum 4 angrenzenden inneren Wellendichtung 1 und einer an den Außenraum 5 angrenzenden äußeren Wellendichtung 2. Die Wellendichtungen sind rotationssymmetrisch zur Achse 30 der Welle 3. Die innere Wellendichtung 1 hat eine radial elastisch vorgespannte Dicht­ lippe 11, die dichtend an der Welle bzw. an der mit der Welle verbundenen Zylinderfläche 31 anliegt. Die äußere Wellendichtung 2 hat eine radial elastisch vorgespannte Dichtlippe 21, die dichtend an der Welle bzw. an der mit der Welle verbundenen Zylinderfläche 31 anliegt. Die Anlagestellen der Wellendichtungen an der Welle und innere Wandflächen des Gehäuses 6 grenzen den Pufferraum 7 ein. Kanäle 71 verbinden verschiedene Bereiche des Pufferraums. Die innere Wellendichtung 1 liegt am Übergang vom Innenraum 4 zum Pufferraum 7 dichtend am Gehäuse 6 an. Vorzugsweise ist der Übergang mittels einer Dichtung 66 abgedichtet. Das Ende 13 der Dichtlippe 11 der inneren Wellendichtung 1 ist der äußeren Wellendichtung 2 zugewandt. Das Ende 23 der Dichtlippe 21 der äußeren Wellendichtung 2 ist von der inneren Wellen­ dichtung 1 abgewandt, das heißt, beide Dichtlippen weisen in dieselbe Richtung, nämlich entlang der Wellenoberfläche zum Außenraum 5 hin. Am Übergang vom Pufferraum 7 zum Außenraum 5 dichtet eine elastische Gehäusedichtung 63 den Spalt 62 zwischen dem Gehäuse 6 und dem Ende 23 der Dichtlippe 21 der äußeren Wellendichtung 2 ab, indem sie an der Fläche 64 des Gehäuses 6 und an der Außenfläche 25 der Dichtlippe 21 dichtend anliegt. Der an den Außen­ raum grenzende Dichtrand 22 der die Zylinderfläche 31 berührenden Dichtfläche 24 der Dicht­ lippe 21 liegt nahe an dem an den Außenraum grenzenden Außenrand 65 der gemeinsamen Dichtfläche der Gehäusedichtung 63 und des Gehäuses 6. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen dem Dichtrand 22 und dem Außenrand 65 höchstens 2 Millimeter. Die Dichtlippe der äußeren Wellendichtung ist von innen und von außen mit dem Druck des Pufferraums beauf­ schlagt. Durch Anwendung dieses an sich bekannten Prinzips der Druckentlastung nimmt die Anpressung der Dichtlippe 21 an die Welle bei steigendem Druck im Pufferraum nur geringfügig zu, das heißt, die Reibung, die Erwärmung und der Verschleiß der äußeren Wellendichtung 2 ist nahezu unabhängig davon, welcher Druck im Pufferraum herrscht.

Fig. 2 zeigt eine vorzugsweise Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtungsan­ ordnung mit der inneren Wellendichtung 1, der äußeren Wellendichtung 2 und der Gehäuse­ dichtung 63, die zusammen mit dem Gehäuse 6 den Pufferraum 7 bilden. Der Teil des Puffer­ raums zwischen den Dichtlippen 11 und 21 der Wellendichtungen ist mit dem die Gehäuse­ dichtung 63 umgebenden Teil des Pufferraums durch Kanäle 71 verbunden. Die Wellendich­ tungen sind vorzugsweise baugleiche Manschetten aus Kunststoff, vorzugsweise aus verstärktem Polytetrafluorethylen. Die Flansche 12 bzw. 26 der Manschetten sind am Gehäuse befestigt. Vorzugsweise ist der Übergang vom Innenraum 4 zum Pufferraum 7 an der Stelle, an der die innere Wellendichtung am Gehäuse 6 anliegt, mittels einer Dichtung 66 abgedichtet. Die Enden 13 bzw. 23 der Dichtlippen 11 bzw. 21 weisen in dieselbe Richtung, nämlich entlang der Wellenoberfläche zum Außenraum 5 hin. Die Dichtlippen liegen dichtend an der Welle an, vorzugsweise mittels einer an die Dichtlippe angeformten Dichtkante. Die Gehäusedichtung 63 liegt im Bereich des Übergangs vom Flansch 26 zur Dichtlippe 21 an der äußeren Wellendich­ tung dichtend an. Die Gehäusedichtung liegt auch an der Stirnfläche 64 des Gehäuses 6 dichtend an und dichtet somit den Spalt 62 zwischen dem Gehäuse und dem Ende 23 der Dichtlippe 21 ab.

Fig. 3 zeigt eine weitere vorzugsweise Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dich­ tungsanordnung, die sich von der Ausführungsform der Fig. 2 lediglich durch die folgenden Merkmale unterscheidet: Die innere Wellendichtung berührt die Welle an einer Zylinderfläche 31 mit dem Durchmesser D1. Die äußere Wellendichtung berührt die Welle an einer Zylinder­ fläche 32 mit dem Durchmesser D2, der kleiner ist als D1. Zwischen der inneren Wellendichtung und der äußeren Wellendichtung befindet sich der Trennsteg 8, der mit der Zylinderfläche 32 den engen Spalt 38 bildet. Der Wellenabsatz vom Durchmesser D1 auf den Durchmesser D2 und der Trennsteg bewirken, daß beim Durchtritt von Fluid aus dem Innenraum 4 durch den infolge einer Druckdifferenz entstandenen Spalt zwischen der Dichtlippe der inneren Wellendichtung ein direkter Aufprall des Fluidstrom auf die Innenfläche der Dichtlippe der äußeren Wellendichtung nicht erfolgen kann. Der Wellenabsatz und die Drosselwirkung des Spalts 38 haben zur Folge, daß der Druck im Bereich 70 des Pufferraums ansteigt, bevor ein Druckimpuls die Innenfläche der Dichtlippe der äußeren Wellendichtung erreicht. Damit ist auch im Moment des Einströmens von Fluid aus dem Innenraum in den Pufferraum eine hinreichend große radiale Anpressung der Gehäusedichtung 63 an die äußere Wellendichtung und damit auch eine hinreichend große radiale Anpressung der äußeren Wellendichtung an die Welle gewährleistet. Eine übermäßige Entlastung und die möglicherweise daraus resultierende kurzfristige Undichtheit der äußeren Wellendichtung wird somit vermieden.

Fig. 4 zeigt eine weitere vorzugsweise Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dich­ tungsanordnung die sich von der Ausführungsform der Fig. 3 lediglich durch die folgenden Merkmale unterscheidet: Zwischen der inneren Wellendichtung 1 und dem Wellenabsatz ist eine mit dem Gehäuse 6 verbundene weitere Wellendichtung 81 in Form einer Manschette angeord­ net. Das Ende der Dichtlippe der weiteren Wellendichtung 81 ist der äußeren Wellendichtung 2 zugewandt. In gleicher Weise wie der Trennsteg 8 bewirkt die weitere Wellendichtung, daß beim Durchtritt von Fluid aus dem Innenraum 4 durch den Spalt zwischen der Dichtlippe der inneren Wellendichtung 1 ein direkter Aufprall des Fluidstrom auf die Innenfläche der Dichtlippe der äußeren Wellendichtung nicht erfolgen kann. Da sie beidseitig an den Pufferraum angrenzt, hat die weitere Wellendichtung keine Abdichtfunktion. Sie ist vielmehr eine besonders wirksame Strömungsbarriere zum Abweisen von Fluid, das mit hoher Geschwindigkeit entlang der Zylinderfläche 31 vom Innenraum 4 durch die kurzzeitig geöffnete innere Wellendichtung 1 in den Pufferraum strömt. Selbstverständlich können die demselben Zweck dienenden Merkmale, nämlich eine weitere Wellendichtung 81, ein Wellenabsatz und ein Trennsteg 8 jeweils für sich allein oder in beliebiger, jeweils zweckmäßiger Kombination angeordnet werden.

Fig. 5 zeigt - in Verbindung mit einer primären Prozeßdichtung in Form einer Gleitring­ dichtung - eine weitere vorzugsweise Ausführungsform einer als Sicherheitsdichtung wirkenden erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung. Das Maschinengehäuse 90 (Gehäuse einer Pumpe, eines Rührwerks etc.) bildet den mit einem beispielsweise brennbaren oder toxischen Prozeß­ fluid gefüllten Prozeßraum 40. Der Durchtritt der Welle aus dem Prozeßraum in den Innenraum 4 ist primär mittels einer Gleitringdichtung, bestehend aus dem rotierenden, federangepreßten Gleitring 92 und dem stationären Gegenring 91 abgedichtet. Die Gleitringdichtung wird vom Prozeßfluid gekühlt, das seitlich durch Anschlüsse 94 zugeführt wird. In den Innenraum 4 hinter dem Gegenring 91 strömt die in der Regel geringfügige Leckage der Gleitringdichtung (Primär­ leckage). Gegebenenfalls wird diese Leckage über Anschlüsse 93 kontrolliert abgeleitet. In der Regel herrscht im Innenraum 4 gegenüber dem Außenraum ein geringer Überdruck, beispiels­ weise 0,5 bis 1 bar. Die Dichtlippe der inneren Wellendichtung 1 der im Gehäuse 6 angeordne­ ten erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung liegt an der Zylinderfläche 31 der Wellenhülse 33 dichtend an. Die Wellenhülse ist mittels von Verbindungselementen 34 mit der Welle 3 verbun­ den und mit dem O-Ring 35 abgedichtet. Die Dichtlippe der äußeren Wellendichtung 2 liegt ebenfalls an der Zylinderfläche 31 dichtend an. Die Gehäusedichtung, vorzugsweise ein O-Ring, liegt an der äußeren Wellendichtung und am Gehäuse 6 an und dichtet somit den Spalt 62 ab. Die Flansche der als Manschetten ausgebildeten inneren und äußeren Wellendichtung sind zusammen mit dem Zwischenring 82 und dem Druckring 73 durch Umbördeln des Randes einer Zwischenhülse 72 zusammengehalten. Der Zwischenring 82 bildet über einen Teil seiner Länge einen engen Spalt zur Zylinderfläche 31. Der Flansch der inneren Wellendichtung 1 ist zum Innenraum an der Zwischenhülse 72 mittels eines elastischen Dichtrings 66 abgedichtet. Die Zwischenhülse ist zum Innenraum an ihrer Stirnseite mittels eines O-Rings abgedichtet. Die Zwischenhülse 72 bildet zusammen mit der Wellenhülse 33 eine Labyrinthspaltdichtung 74, die im Falle eines plötzlichen Versagens der Gleitringdichtung den Zustrom zur inneren Wellen­ dichtung 1 drosselt. Anschlüsse 68 ermöglichen die Verbindung des Pufferraums 7 mit einem Schmierstoffreservoir.

Fig. 6 zeigt eine Wellendichtung bei der die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung einmal unmittelbar als produktseitige Wellendichtung eingesetzt ist und, dieser nachgeschaltet, eine zweite erfindungsgemäße Dichtungsanordnung als Sicherheitsdichtung angeordnet ist. Hier bilden zwei hintereinandergeschaltete, gemäß den Patentansprüchen 1 bis 12 ausgeführte Dichtungsanordnungen erfindungsgemäß eine komplette Wellendichtung. Die erste, pro­ duktseitige Dichtungsanordnung ersetzt die bisher übliche Gleitringdichtung; die zweite, nach­ geschaltete Dichtungsanordnung wirkt beim Ausfall der produktseitigen Dichtungsanordnung als Sicherheitsdichtung. Das Maschinengehäuse 90 (Gehäuse einer Pumpe, eines Rührwerks etc.) bildet den mit einem beispielsweise brennbaren oder toxischen Prozeßfluid gefüllten Prozeßraum 40. Der Durchtritt der Welle aus dem Prozeßraum in den Innenraum 4 ist primär mittels einer gemäß den Patentansprüchen 1 bis 12 ausgeführten primären Dichtungsanordnung abgedichtet. Die primäre Dichtungsanordnung besteht im wesentlichen aus der inneren Wellendichtung 41 und der äußeren Wellendichtung 42, die mit der Welle und dem Zwischengehäuse 601 den Zwischendichtungsraum 47 bilden. Die Dichtlippen der Wellendichtungen 41, 42 liegen an der Zylinderfläche 31 dichtend an. Die primäre Dichtungsanordnung ist mit Prozeßfluid gekühlt, das entweder durch den Dichtspalt der von einer Druckdifferenz geöffneten inneren Wellendichtung 41 oder durch Anschlüsse 94 zugeführt und mittels im Bild nicht gezeigten, am Umfang zu den Anschlüssen 94 versetzt angeordneten Anschlüssen wieder aus dem Zwischendichtungsraum 47 abgeführt wird. Die Gehäusedichtung 603 liegt an der äußeren Wellendichtung 42 und am Ge­ häuse 601 an. Wahlweise kann ein Kühlfluid auch unter einem Druck durch den Pufferraum geführt werden, der ständig etwas höher ist als der Druck im Prozeßraum 40. In diesem Fall liegt die innere Wellendichtung 41 ständig dichtend an der Welle an und es kann wahlweise auch ein anderes als das Prozeßfluid zur Kühlung und Schmierung der Wellendichtungen eingesetzt werden. Insbesondere kann als Kühlfluid eine Flüssigkeit verwendet werden, wenn das Prozeß­ fluid ein Gas ist. Der primären Dichtungsanordnung ist eine bereits in Fig. 5 gezeigte, als Sicherheitsdichtung wirkende sekundäre Dichtungsanordnung nachgeordnet.

Fig. 7 zeigt schließlich eine Wellendichtung bei der wiederum zwei erfindungsgemäß gestaltete Dichtungsanordnungen hintereinandergeschaltet sind. Im Gegensatz zu der in Fig. 6 gezeigten Anordnung ist hier die Dichtlippe der inneren Wellendichtung 401 von der äußeren Wellendichtung 42 abgewandt, also dem Prozeßraum 40 zugewandt. Bei dieser Anordnung kann zur Kühlung der Dichtungen Prozeßfluid durch die Anschlüsse 94 unter einem Druck in den Pufferraum 47 eingeleitet, der höher ist als der Druck im Prozeßraum 40, so daß der Grenz­ druck der inneren Wellendichtung 41, bei der deren Dichtlippe abhebt, überschritten ist. In diesem Fall strömt das Prozeßfluid aus dem Pufferraum direkt unter der Dichtlippe der inneren Wellendichtung 41 hindurch in den Prozeßraum 40. Wahlweise kann jedoch mittels Zu- und Ableitungsanschlüssen ein Kühlfluid auch unter einem niedereren Druck durch den Pufferraum geführt werden, so daß die innere Wellendichtung 41 ständig dichtend an der Welle anliegt. In diesem Fall kann wiederum ein anderes als das Prozeßfluid zur Kühlung und Schmierung der Wellendichtungen eingesetzt werden. Insbesondere kann auch hierbei als Kühlfluid eine Flüssig­ keit verwendet werden, wenn das Prozeßfluid ein Gas ist.

Zusammengefaßt hat die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung gegenüber bekannten Sicherheitsdichtungen folgende wesentlichen und erfindungsgemäßen Vorteile:

• - Die Dichtungsanordnung kann bei verhältnismäßig kleinem Bauraumbedarf aus einfachen und verhältnismäßig billigen, vorzugsweise handelsüblichen Dichtelementen aufgebaut werden. Vorzugsweise werden zwei gleiche PTFE-Manschetten mit im wesentlichen konstanter Dicke und ein O-Ring eingesetzt.
• - Bei niederem Innenraumdruck ist die Dichtungsanordnung für eine Betriebszeit von mehreren tausend Stunden dicht.
• - Ein in der Praxis bei intakter Primärdichtung auftretender niederer Innenraumdruck, der kleiner ist als der wählbare Grenzdruck der Dichtlippe der inneren Wellendichtung, verringert die Anpressung der inneren Wellendichtung an die Welle und trägt - ohne daß die Dichtungsan­ ordnung dabei undicht wird - zur Verlängerung der Lebensdauer bei.
• - Die innere Wellendichtung vermindert den Druck beim Überströmen von Fluid aus dem Innenraum in den Pufferraum. Im Fall des Versagens der Primärdichtung stehen deshalb der Pufferraum und die äußere Wellendichtung unter einem Druck, der niedriger ist, als der Innen­ raumdruck.
• - Die nach einem bekannten Prinzip druckentlastete und flüssigkeitsgeschmierte äußere Wellendichtung läuft - nach Totalausfall der Primärdichtung - auch bei einen Druck von 40 bar mehrere Stunden lang betriebssicher ohne Gasleckage.
• - Auch verhältnismäßig große axiale Bewegungen der Welle beeinträchtigen die Funktion der Dichtungsanordnung nicht.
• - Durch das Hintereinanderschalten von zwei im wesentlichen gleich aufgebauten erfin­ dungsgemäßen Dichtungsanordnungen wird mit einfachen, vorzugsweise handelsüblichen Dicht­ elementen eine komplette, kostengünstige und sichere Wellendichtung zum Abdichten umwelt­ gefährdender Fluide geschaffen.

Literatur

[1] N.M.Wallace and J.A.M.ten Houte de Lange: "Zero Emission Solutions for Mechanical Seals on Light Hydrocarbons" in: Proceedings of the Ninth International Pump Users Symposium, Turbomachinery Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Texas A University, College Station, Texas, pp 69-76 (1992).

[2] H.K.Müller: "Abdichtung bewegter Maschinenteile", Waiblingen 1990, (ISBN 3-920484-00-2), S. 131-132.

Claims (13)

1. Dichtungsanordnung zum Abdichten eines zeitweilig unter hohem Druck stehenden, von einem Gehäuse (6) und einer Welle (3) gebildeten Innenraums (4) gegenüber einem unter niede­ rem Druck stehenden Außenraum (5), wobei sich die Welle vom Außenraum in den Innenraum erstreckt, bestehend aus einer an den Innenraum (4) angrenzenden inneren Wellendichtung (1) und einer in axialer Distanz zur inneren Wellendichtung angeordneten äußeren Wellendichtung (2), wobei jede Wellendichtung eine radial elastisch vorgespannte Dichtlippe (11, 21) aufweist, die dichtend an einer mit der Welle verbundenen Zylinderfläche (31) anliegt, wobei die Wellen­ dichtungen (1, 2), die Zylinderfläche (31) und innere Wandflächen des Gehäuses (6) einen Pufferraum (7) einschließen, der aus einem Raum zwischen der inneren Dichtung (1) und der äußeren Dichtung (2) und einem Raum zwischen der äußeren Dichtung (2) und dem Gehäuse (6) besteht, die über Kanäle (71) miteinander verbunden sind, daß die innere Wellendichtung (1) am Übergang vom Innenraum (4) zum Pufferraum (7) am Gehäuse (6) dichtend anliegt, daß das Ende (13) der Dichtlippe (11) der inneren Wellendichtung (1) der äußeren Wellendichtung (2) zugewandt ist, daß das Ende (23) der Dichtlippe (21) der äußeren Wellendichtung (2) von der inneren Wellendichtung (1) abgewandt ist, und daß am Übergang vom Pufferraum (7) zum Außenraum (5) eine elastische Gehäusedichtung (63) angeordnet ist, die am Gehäuse (6) und an der äußeren Wellendichtung (2) anliegt und einen Spalt (62) zwischen dem Gehäuse (6) und dem Ende (23) der Dichtlippe (21) der äußeren Wellendichtung (2) abdichtet und die Dichtlippe (21) der äußeren Wellendichtung (2) radial gegen die Welle (3) belastet.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusedichtung (63) am äußeren Umfang (25) der Dichtlippe (21) der äußeren Wellendichtung (2) dichtend anliegt.

3. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wellendichtung (2) am Gehäuse (6) befestigt ist.

4. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Ebene, die gebildet wird von dem an den Außenraum (5) angrenzenden Dichtrand (22) einer Dichtfläche (24) an der die Dichtlippe (21) der äußeren Wellendichtung (2) die Zylinderfläche (31, 32) berührt, von derjenigen Ebene, die gebildet wird von dem an den Außen­ raum (5) angrenzenden Außenrand (65) einer Dichtfläche (64), an der die Gehäusedichtung (63) das Gehäuse (6) berührt, einen Abstand von höchstens 2 Millimeter hat.

5. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wellendichtung eine Manschette (1) ist, bestehend aus einem Flansch (12) und einer ausgestülpten Dichtlippe (11).

6. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wellendichtung eine Manschette (2) ist, bestehend aus einem Flansch (26) und einer ausgestülpten Dichtlippe (21) und daß die Gehäusedichtung ein Dichtring (63) aus Ela­ stomerwerkstoff ist.

7. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wellendichtung (1) eine Zylinderfläche (31) an einem Umfang des Durchmessers D1 berührt und die äußere Wellendichtung (2) eine Zylinderfläche (32) an einem Umfang des Durchmessers D2 berührt, und daß der Durchmesser D2 kleiner ist als der Durchmesser D1.

8. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Pufferraum (7) ein mit dem Gehäuse (6) verbundener Trennsteg (8) angeordnet ist, der mit der Zylinderfläche (31, 32) einen engen Spalt (38) bildet.

9. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wellendichtungen (1, 2) eine mit dem Gehäuse (6) verbundene weitere Wellendichtung (81) angeordnet ist, die an einer mit der Welle (3) verbundenen Zylinderfläche (31, 32) anliegt.

10. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferraum (7) mindestens teilweise mit einem Schmierstoff gefüllt ist.

11. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Wellendichtungen (1, 2, 81) aus einem Polymerwerkstoff besteht.

12. Dichtungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerwerk­ stoff verstärktes Polytetrafluorethylen ist.

13. Dichtsystem zum Abdichten eines von einem Gehäuse (90) gebildeten Prozeßraums (40) an der Durchtrittsstelle einer Welle (3) in einen Außenraum (5), wobei das Dichtsystem aus minde­ stens zwei axial hintereinander angeordneten Dichtungsanordnungen besteht, die an den Prozeß­ raum (40) angrenzende Dichtungsanordnung derart ausgebildet ist, daß das Ende der Dichtlippe der inneren Wellendichtung (401) von einer äußeren Wellendichtung (42) abgewandt ist, daß das Ende der Dichtlippe der äußeren Wellendichtung (42) von der inneren Wellendichtung (41) abgewandt ist, und daß am Übergang eines Pufferraums (47) zum Innenraum (4) eine Gehäuse­ dichtung (630) angeordnet ist, die am Gehäuse (601) und an der äußeren Wellendichtung (42) anliegt und einen Spalt (620) zwischen dem Gehäuse (601) und dem Ende der Dichtlippe der äußeren Wellendichtung (42) abdichtet und die Merkmale eines der Ansprüche 2 bis 12 aufweist und daß die an den Außenraum (5) angrenzende Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgeführt ist.