Fachgebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine neue Drehkupplung oder
Kupplungsvorrichtung, die zur Kopplung eines drehenden Teils mit einem
nichtdrehenden Teil verwendbar ist. Genauergesagt betrifft
diese Erfindung eine neue Drehkupplung oder
Kupplungsvorrichtung, die ein drehendes Teil mit einem nichtdrehenden Teil
koppelt, den Durchgang einer Prozeßflüssigkeit von dem drehenden
Teil zu dem nichtdrehenden Teil oder umgekehrt erlaubt und die
fließende Prozeßflüssigkeit gegen die äußere Umgebung
abdichtet.
Hintergrund der Erfindung
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Die Aufgabe, ein drehendes Teil mit einem nichtdrehenden Teil
zu verbinden, wobei einer Flüssigkeit der Durchgang von einem
Teil zu dem anderen ohne Leckage ermöglicht ist, stellte über
viele Jahre hinweg ein herausforderndes technologisches Problem
dar. Das Problem ist vergrößert, wenn hohe Temperaturen oder
hohe Prozeßflüssigkeitsdrücke vorliegen.
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Zahlreiche Lösungen dieses fundamentalen technologischen
Problems sind im Laufe der Jahre vorgeschlagen worden und eine
Vielzahl von Drehkupplungen, Kupplungseinrichtungen oder
Dichtungen sind erfunden und in der Industrie verwendet worden.
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Kalanderwalzen, die mit hohen Geschwindigkeiten, hohen
Temperaturen und hohen Drücken zum Pressen von Papier zu Zellstoff
arbeiten, und Papierfabriken offenbaren gemeinsam mit anderen
Aufgaben Probleme dieser Art. Durch die Kalanderwalzen wird
heizendes Wasser bei Drücken bis zu 2,068 x 10&sup6; Pa (300 psi)
und Temperaturen bis zu 232º C (450º F) durchgeleitet. Die
Kalanderwalzen drehen sich mit hoher Geschwindigkeit und
pressen und plätten dabei die kontinuierliche Papierbahn, die
zwischen den Walzen durchläuft. Oftmals befinden sich in der
Papierbahn Klumpen, die ein plötzliches Auseinandergehen und ein
plötzliches Zusammenstoßen der Walzen verursachen. Dies
bewirkt, daß Stoßwellen erzeugt und auf die Walzen und jegliche
an den Walzen befestigte Ausrüstungsteile übertragen werden.
Die Leitungen, die heizende Flüssigkeit zu und von den
Kalanderwalzen übertragen, sind stationär. Viele Ausführungen von
Drehkupplungen oder Kupplungseinrichtungen sind im Laufe der
Jahre mit dem Ziel entwickelt worden, die stationären Leitungen
mit den sich schnell drehenden Kalanderwalzen zu verbinden und
dabei heizende Flüssigkeit durch die Kalanderwalzen zu leiten.
Ungeachtet der auf diesem Gebiet im Laufe der Jahre
entwickelten Technologie ist es bei derartigen Drehkupplungen oder
Kupplungseinrichtungen üblich, daß sie zwei bis drei Monate
nach ihrem Einbau aufgrund einer durch Stoßübertragung
verursachten Dichtungsbeschädigung anfangen zu lecken. In den Fällen
höherer Temperatur fressen sich die Lager in den Drehkupplungen
aufgrund des Auftretens der durch den Aufprallstoß verursachten
Dichtungsbeschädigung fest. Die Lager der Drehkupplungen müssen
dann ersetzt werden.
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Eine Vielzahl von Patenten offenbaren Drehkupplungen oder
Kupplungseinrichtungen, die repräsentativ sind.
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Das US-Patent 3 833 273, Rickley at al, erteilt am 3. September
1974, offenbart eine absperrende Labyrinthdichtung für einen
drehbar in einer Anordnung von Blöcken gelagerten Walzenzapfen
in einem Walzwerk. Die Dichtung weist ein inneres erstes
Dichtungsteil auf, das sich mit dem Walzenzapfen dreht, ein äußeres
zweites Dichtungsteil, das bezüglich der Anordnung von Blöcken
fixiert ist, und ein drittes Dichtungsteil, das von dem einen
oder dem anderen der ersten oder zweiten Dichtungsteile
getragen und entlang denen axial bewegbar ist. Die Dichtungsteile
weisen axial und/oder radial beabstandete Flansche und
Oberflächen auf, die derart zusammenwirken, daß sie ein absperrendes
Dichtungslabyrinth zur Vermeidung des Entweichens von Schmieröl
aus dem Lager definieren, wobei sie gleichzeitig verhindern,
daß das Lager und das Schmieröl mit Kühlwasser des
Wälzschmiermittels, Walzzunder, Schmutz und dgl. kontaminiert werden.
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Das US-Patent 4 071 255, Salter, Jr., erteilt am 31. Januar
1978, offenbart ein flexibles Dichtungsteil mit einem
verstärkten Ableitungslabyrinth zum Gebrauch auf dem äußeren Dichtring
einer Dichtungsanordnung, die zwischen einer Walzenendseite und
einem Lagerblock in einem Walzwerk angeordnet ist, insbesondere
den Lagerblöcken der oberen Stützwalze und der Arbeitswalzen in
einem Vierwalzengerüst. Das Dichtungsteil weist einen
kreisförmigen Gehäusebereich auf, der zum festen Einfassen des äußeren
Dichtungsrings angepaßt ist. Eine erste kreisförmige Lippe
erstreckt sich weg von dem Gehäusebereich in einem Winkel relativ
zu dessen Achse nach außen, um in Reibkontakt mit der
Walzenendseite zu gelangen. Das Dichtungsgehäuse weist eine
Ableitungsöffnung auf, die derart angeordnet ist, daß sie mit einer
Ablaßöffnung in dem äußeren Dichtungsring radial fluchtbar ist.
Die Ableitungsöffnung ist mittels einer zweiten Lippe
geschützt, die sich von dem Dichtungsgehäuse nach außen in eine
Richtung erstreckt, die entgegengesetzt zu der der
erstgenannten Lippe verläuft. Ein relativ steifes Ablenkteil ist an dem
Dichtungsgehäuse an einer von der zweiten Lippe radial nach
innen beabstandeten Stelle befestigt. Das Ablenkteil und die
zweite Lippe wirken derart zusammen, daß sie ein verstärktes
Ableitungslabyrinth bilden, das wirksam verhindert, daß
Kühlwasser, Walzzunder und dgl. von den drehenden Oberflächen
darunterliegender Walzen zentrifugal nach oben in das Lager
befördert werden.
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Das US-Patent 4 585 236, Divirgilio, erteilt am 29. April 1986,
offenbart eine kreisförmige Kühlmitteldichtung, die einen in
einer senkrecht zu der Dichtungsachse verlaufenden Basisebene
angeordneten Basisflansch aufweist. Ein flexibler, elastischer
Dichtungsflansch ist innen an einem Rand mit dem Basisflansch
verbunden und an seinem entgegengesetzten Rand durch eine
Dichtungslippe begrenzt, die in einer parallel zur Basisebene
verlaufenden
und von dieser axial beabstandeten Dichtungsebene
angeordnet ist. Die Dichtungslippe weist einen ersten Bereich
auf, der sich von dem Basisflansch in einem Winkel weg aus der
Basisebene und nach innen in Richtung Dichtungsachse zu einem
mittleren Gelenkbereich hin erstreckt, und einen zweiten
Bereich, der sich von dem Gelenkbereich weg von der
Dichtungsachse und in einem Winkel in Richtung Dichtungsebene erstreckt.
Die Konfiguration, die Flexibilität und die Elastizität des
Dichtungsflansches ist derart, daß eine axiale Versetzung der
Dichtungslippe bezüglich des Basisflansches von sowohl einer
axialen als auch radialen Versetzung des Gelenkbereichs
begleitet ist.
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Das US-Patent 3 167 332, Simmers, erteilt am 26. Januar 1965,
offenbart eine Vorrichtung zur Kühlung von Drehzapfen und
Lagern von Konvertern in Stahlwerken, in welchen eine große
Wärmemenge erzeugt wird. Das Bauteil ist insbesondere zur Kühlung
eines Drehzapfens, seines Achszapfens und Lagers bestimmt, bei
welchem kein leicht zugängliches offenes Ende vorgesehen ist,
an das ein herkömmliches Kühlsystem angebracht werden kann.
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Das US-Patent 3 259 442, Boghosian, erteilt am 5. Juli 1966,
offenbart eine Dichtung zum Gebrauch in einem Walzwerk und
insbesondere ein Mittel zur Vermeidung von Kontamination von
Walzenzapfenlagern durch Fremdmaterie, wie bspw. Kühlwasser,
Walzzunder, Staub und dgl., wobei gleichzeitig der Verlust von
Schmieröl von den Lagerblöcken vermieden wird. Im Gegensatz zur
vorliegenden Erfindung und wie aus den beigefügten
Patentansprüchen ersichtlich werden wird, offenbart Boghosian keine
Drehkupplung mit einer außergewöhnlichen Kombination einer
separat gekühlten drehbaren Dichtung und eines bezüglich der
drehenden Dichtung außerhalb angeordneten Drehlagers.
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Das US-Patent 3 420 555, Faccou, beschreibt eine Drehverbindung
zur Verwendung mit leitenden, korrosiven Flüssigkeiten bei
hohen Temperaturen, welche zwei Kugellagerlaufringe aufweist, die
radial außerhalb einer Dichteinrichtung angeordnet sind, welche
eine flüssigkeitsundurchlässige Abdichtung zwischen zwei
ineinanderführenden Leitungen bildet. Die Dichteinrichtung besteht
aus einer stationären Dichtung und sieht keine drehbare
Dichtung vor. Die Faccou'sche Verbindung dreht sich ausschließlich
über die Kugellager und es ist kein Gebrauch von einer durch
die Dichteinrichtung zirkulierten Kühlflüssigkeit gemacht
worden. Es wird deshalb klar erkennbar, daß Faccou keine
Drehkupplung offenbart, die eine drehbare Dichtung aufweist, welche
zwischen der durch die Kupplung geförderten Flüssigkeit und
einem getrennt geschmierten drehbaren Lager angeordnet ist.
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Bei der Erfindung, die in den beigefügten Patentansprüchen
definiert ist, sind die drehbaren Lager zwischen dem Lagerrohr
und dem Lagergehäuse angeordnet und von den Dichtmitteln und
dem Dichtrohr separiert. Die drehbaren Lager können ein inneres
Lager und ein äußeres Lager aufweisen. Das innere Lager ist in
Richtung des einen Endes des Lagerrohrs und des Lagergehäuses
angeordnet und das äußere Lager in Richtung des anderen Endes
des Lagerrohrs und des Lagergehäuses. Das innere Lager und das
äußere Lager können Kegelrollenlager sein, die sich zwischen
den jeweiligen inneren und äußeren Lagerringen wälzende Rollen
aufweisen.
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Die Schmiereinrichtungen können ein Lagerschmiermittel
aufweisen, das durch eine Öffnung in dem Lagerrohr an einen Ort
zwischen dem inneren Lager und dem äußeren Lager eingeleitet wird.
Das Lagerschmiermittel kann aus dem Lagergehäuse durch eine in
dem stationären Teil der Kupplung befindliche Öffnung
austreten. Innere und äußere Labyrinthe können an jedem Ende des
Lagergehäuses ausgebildet sein, um das Eintreten fremder
Schmutzstoffe in die inneren und äußeren Lager und das Austreten des
Schmiermittels in die äußere Umgebung zu vermeiden.
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In dem Lagerrohr kann eine Öffnung vorgesehen sein, damit
Dichtungsschmiermittel und Kühlflüssigkeit zu der inneren Dichtung
und der äußeren Dichtung zwischen dem Lagerrohr und dem
Dichtrohr eingeleitet werden können. Die Dichtungsflüssigkeit kann
aus dem Raum zwischen dem Lagerrohr und dem Dichtrohr durch
eine Öffnung in dem Lagerrohr austreten. Zwischen das innere
Lager und das äußere Lager kann ein entfernbarer Abstandshalter
positioniert werden. Zugang zu den inneren und äußeren Lagern
kann mittels einer entfernbaren Abdeckung erlangt werden, die
mit dem Lagergehäuse entfernbar verbunden ist; dabei bilden ein
Teil der Berührungsfläche der Abdeckung und das Lagergehäuse
das äußere Labyrinth.
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In der äußeren Oberfläche der Lagergehäuseoberfläche können
Kühlrippen ausgebildet sein. Zwischen der inneren Dichtung und
der äußeren Dichtung kann eine das Dichtrohr umgebende
Schraubenfeder angeordnet sein. Bei der Drehkupplung können jeweilige
stationäre Teile der inneren Dichtung und der äußeren Dichtung
an dem Lagerrohr befestigt sein.
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Bei der Drehkupplung können Kraftbeaufschlagungsmittel
verwendet werden, die bewirken, daß das innere Lager und das äußere
Lager als Einheit aus dem Inneren der Drehkupplung
herausgezogen werden können.
Zeichnungen
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In einer Zeichnung, die eine spezielle Ausführung der Erfindung
darstellt, aber in keiner Weise als Begrenzung oder
Einschränkung des Geistes oder des Umfangs der Erfindung aufgefaßt
werden soll:
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zeigt Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht der Drehkupplung.
Detaillierte Beschreibung einer speziellen
Ausführung der Erfindung
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Fig. 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer Drehkupplung
2 oder Kupplungsvorrichtung, die Dichtungen und Lager aufweist.
Die Drehkupplung dient zum Koppeln eines drehenden Teils mit
einem nichtdrehenden Teil und gestattet den Durchgang einer
Prozeßflüssigkeit, wie bspw. einer heizenden Flüssigkeit, von
einem Teil zu dem anderen. Die fundamentale Aufgabe der
Drehkupplung besteht darin, die durch das Zentrum der Drehkupplung
fließende Prozeßflüssigkeit gegen ein Lecken in die äußere
Umgebung abzudichten und dabei gleichzeitig die Lager sowohl
vor einem Lecken und der Wärme der Prozeßflüssigkeit als auch
vor jeglicher interner oder externer Verschmutzung zu schützen,
die dazu neigen könnte, in die Lager einzudringen. Die Lager
und mechanischen Dichtungen, die in der Drehkupplung verwendet
werden, sind herkömmlicher Art und können von zahlreichen
Herstellern erworben werden.
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Die Drehkupplung 2 ist grundsätzlich aus einem Lagergehäuse 4
und einem Lagerrohr 5 aufgebaut. Das Lagergehäuse 4 ist
typischerweise mittels Bolzen an einer drehenden Kalanderwalze 6
befestigt und das Lagerrohr 5 ist mittels eines
Gewindeanschlusses 8 an dem Prozeßflüssigkeitsförderrohr 7 angebracht.
Das Lagergehäuse 4 und das Lagerrohr 5 sind mittels zweier
Kegelrollenlager 9 und 10 aneinander gekoppelt, die dem
Lagergehäuse 4 gestatten, sich bezüglich des Lagerrohrs 5 zu drehen,
wobei ein in axialer Richtung feststehender Aufbau erhalten
bleibt. Obwohl Fig. 1 Kegelrollenlager 9 und 10 zeigt, wird es
verständlich sein, daß auch andere geeignete Lagertypen
verwendet werden können.
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Ein Dichtrohr 14 ist mittels einer rückwärtigen Platte 12 an
dem Lagergehäuse 4 befestigt. Eine doppelte mechanische
Dichtung, die aus einer äußeren Dichtung 16 und einer inneren
Dichtung 18 besteht, ist an dem Dichtrohr 14 angebracht und
diametral
innerhalb eines großen Teilbereichs der inneren Oberfläche
des Lagerrohrs 5 angeordnet. Diese Dichtungen 16 und 18 sind
innerhalb eines Dichtungsraumes 20 angeordnet, der durch den
Innendurchmesser des Lagerrohrs 5 und den Außendurchmesser des
Dichtrohrs 14 definiert ist. Es sei bemerkt, daß das Dichtrohr
14 sowohl unter den inneren als auch den äußeren
Dichtungsflächenbereichen leicht ausgehöhlt ist, um einen gewissen
Ablenkungsraum zu schaffen, wenn die Dichtung einem Stoß unterliegt
und momentan abgelenkt wird. Somit stößt die Dichtung nicht
gegen die innere Oberfläche des Dichtrohrs 14 und zerbricht. Die
innere Dichtung 18 und die äußere Dichtung 16 sind an den
jeweiligen Enden des Raumes 20 angeordnet. Ein als "Sperrwasser"
bezeichnetes, aus Kühlflüssigkeit bestehendes Schmiermittel
wird über die Sperrwassereinlaßöffnung 22 durch den
Dichtungsraum 20 und nach außen durch eine in dem Lagerrohr 5
angeordnete Sperrwasserauslaßöffnung (hier nicht gezeigt) zirkuliert.
Neben dem Schmieren der Dichtungsflächen der Dichtungen 16 und
18 wirkt das Sperrwasser als Hitzepuffer oder -schild zwischen
heißer Prozeßflüssigkeit 24 (die durch das Innere des
Lagerrohrs 5 und des Dichtrohrs 14 fließt) und den Lagern 9 und 10,
indem es aus der Prozeßflüssigkeit 24 übergeleitete Wärme
absorbiert und abführt, bevor sie die Lager 9 und 10 erreicht.
Dieses Merkmal hilft, die Lager 9 und 10 kühl zu halten
(überhitzte Lager stellen eine hauptsächliche Fehlerursache von
konventionellen Drehkupplungen bei Anwendungen im
Hochtemperaturbereich dar), und ist als neuer Aspekt der Erfindung anzusehen.
Im Falle, daß die innere Dichtung 16 ausfällt, umgeht die
Dichtungsflüssigkeit aufgrund der Einwirkung des Lagerrohrs 5 und
des Labyrinths 26 die Lager 9 und 10 und fließt zwischen der
rückwärtigen Platte 12 und dem inneren Labyrinth 26 zur
Ausgangsöffnung 28.
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Das äußere Labyrinth 30 schützt die Lager 9 und 10 vor
externer, in die Lager eindringender Verschmutzung. Falls Öl als
Lagerschmiermittel verwendet wird, verhindern die inneren 26
und äußeren Labyrinthe 30, daß Öl in die äußere Umgebung
ausfließt.
Lagerschmiermittel wird durch die
Lagerschmiermitteleinlaßöffnung 32 zwischen die Lager eingeleitet und tritt durch
die Lagerschmiermittelauslaßöffnung 34 nach außen.
Schmiermittel wandert von der Innenseite der Lager durch in dem
Lagergehäuse angeordnete Öffnungen 36 zu der Auslaßöffnung. Wie in
Fig. 1 gesehen, dreht sich das Lagergehäuse 4, während das
Lagerrohr 5 stationär bleibt.
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In der in der Fig. 1 dargestellten Ausführung sind drei
Lagerabstandshalter verwendet. Der mittlere Abstandshalter 40
gestattet die Justierung des axialen und longitudinalen Spiels
des Lagerrohrs 5 bezüglich des Lagergehäuses 4 und ist von
konventioneller Bauweise. Die beiden äußeren Abstandshalter 42 und
44 können von unterschiedlicher, jeweils erforderlicher Größe
sein und gestatten zwischen von verschiedenen Lagerherstellern
erhältlichen Lagern zu wählen, deren Lager in der Größe
variieren.
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Die erfindungsgemäße Drehkupplung stellt eine erhebliche
Verbesserung gegenüber bekannter Technologie insofern dar, als
normalerweise die Lager und Dichtungen bei einer herkömmlichen
Drehkupplung in einer Linie auf demselben
Flüssigkeitsförderrohr angeordnet sind. Diese zusammenhängende Anordnung bietet
der Wärme aus der Prozeßflüssigkeit einen einfachen
Leitungspfad durch das Rohr zu den Lagern, wodurch ein Lagerausfall
bewirkt wird.
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Der Aufbau der äußeren mechanischen Dichtung 16 und der inneren
mechanischen Dichtung 18 ist konventioneller Art. Dies
erleichtert den Ersatz, wenn sich die Dichtungen abnutzen. Die
Dichtungen 16 und 18 sind so angeordnet, daß sich die drehenden
Teile 48 und 50 gegenüberliegen. Eine Schraubenfeder 46 umgibt
das Dichtrohr 14 und bewirkt, daß die drehenden Teile 48 bzw.
50 an das jeweilige stationäre Teil 52 der äußeren Dichtung und
das stationäre Teil 54 der inneren Dichtung anstoßen. Das
stationäre Teil 52 der äußeren Dichtung wird mittels des Trägers
56 der äußeren Dichtung in Position gehalten. Ebenso wird das
stationäre Teil 54 der inneren Dichtung mittels des Trägers 58
der inneren Dichtung in Position gehalten. Die O-Ringe 60 und
62 dienen als Dichtungen zwischen dem stationären Teil 52 der
äußeren Dichtung, dem Träger 56 der äußeren Dichtung und dem
Inneren der äußeren Oberfläche des Lagerrohrs 5.
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Ebenso dienen die O-Ringe 64 und 66 als Dichtungen zwischen dem
stationären Teil 54 der inneren Dichtung, dem Träger 58 der
inneren Dichtung und dem Inneren der inneren Oberfläche des
Lagerrohrs 5. Als allgemeine Regel sind die O-Ringe auf der Achse
des Massenschwerpunkts der einzelnen Komponenten angeordnet.
Dies verhindert, daß die jeweiligen Komponenten dazu neigen, zu
"kippen", wenn die Kupplung einer Stoßwelle unterworfen ist.
Jede Kippbewegung könnte einen Schaden an den einzelnen Teilen
verursachen. Das äußere Kegelrollenlager 9 wälzt sich zwischen
dem inneren Lagerring 68 und dem äußeren Lagerring 70. Des
gleichen wälzt sich das innere Kegelrollenlager 10 zwischen dem
inneren Lagerring 72 und dem äußeren Lagerring 74. Das äußere
Kegelrollenlager 9 und das innere Kegelrollenlager 10 sind
gemeinsam mit nebengeordneten Teilen mittels der vorderen
Abdeckung 76 umschlossen, die mit der äußeren Fläche des
Lagergehäuses 4 zusammenpaßt und die äußere Fläche des äußeren
Labyrinths 30 bildet. Die vordere Abdeckung 76 wird mittels der
Lagersicherungsscheibe 78 und der Lagersicherungsmutter 80 in
Position gehalten. Zugang zu dem äußeren Lager 9, dem inneren
Lager 10 und nebengeordneten Teilen ist durch ein Entfernen der
Lagersicherungsmutter 80, der Lagersicherungsscheibe 78 und der
vorderen Abdeckung 76 erreichbar. Dies ist nützlich, wenn die
Zeit zum Warten oder Ersetzen der Lager 9 oder 10 und
nebengeordneter Teile kommt.
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Die Kühlung des Lagergehäuses 4 wird durch in der äußeren
Oberfläche eines Teils des Lagergehäuses 4 angeordnete
Lagergehäusekühlrippen 38 unterstützt. An unterschiedlichen
Verbindungsstellen in der Drehkupplung 2 sind O-Ringe 82, 84, 86 und 88
verwendet, um Dichtungen gegen jegliche wandernde Flüssigkeiten
und um ebenfalls ein gewisses Stoßabsorptionsvermögen
vorzusehen.
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Das Dichtrohr 14 und die beteiligten Dichtungen 16 und 18, die
Schraubenfeder 46 und dgl. können als Einheit, in Form einer
einzigartigen Kombination abgenommen und ersetzt werden.
Kopfschrauben 92 (gewöhnlich sechs oder mehr) können aufgeschraubt
werden, um das Abnehmen der rückwärtigen Platte 12 zu
ermöglichen. Dann können zwei oder drei der Kopfschrauben 92 in zwei
oder drei in dem Träger 58 der inneren Dichtung ausgebildete
Extraktionsöffnungen 94 geschraubt werden. Dies übt eine Kraft
gegen das Lagerrohr aus und drückt die gesamte Dichtungseinheit
in einem Stück heraus. Der Sprengring 90, der in das äußere
Ende des Dichtrohrs 14 eingepaßt ist, gewährleistet, daß die
Dichtungsteile nicht von dem Dichtrohr 14 herunterrutschen,
wenn dieses abgezogen ist. Ein am inneren Ende angeordneter
Sprengring 96 hält das innere Ende der Dichtungskomponenten
zusammen.
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Als ein wesentliches Neuheitsmerkmal der Erfindung ist die von
der Wärmequelle entfernte Anordnung der Lager anzusehen, wobei
das durch den Dichtungsraum 20 zirkulierende Sperrwasser dazu
verwendet wird, die normalerweise auf die Lager übertragene
Wärme abzuführen.