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Spaltdichtung für Kreiselmaschinen.
Bei Kreiselmaschinen aller Art für tropfbare oder dehnbare Flüssigkeiten als Mittel zur Energie- umsetzung, d. h. Maschinen, die mit einem umlaufenden Kreisel arbeiten, der von dem feststehenden
Teil durch Spalte getrennt ist, treten an diesen Spalten als Folge von Druckunterschieden zwischen Innen-und Aussenräumen unerwünschte, meist Energie verzehrende Nebenströmungen auf, deren
Wirkung gewöhnlieh als Spaltverlust bezeichnet wird.
Es ist naheliegend, an diesen Stellen in bekannter Weise mit elastisch angepressten Schleifringen mit grosser Auflagefläche abzudichten, um den Flüssigkeitsdurchtritt unmöglich zu machen. Jedoch würden derartige Ringe ohne sorgfältige Ölschmierung leicht fressen, wofern nicht leicht abnutzbare
Stoffe dazu verwendet werden.
Erfindungsgemäss werden die Spaltwände so geformt, dass der Querschnitt des Spaltes sich in der Fliessrichtung des Spaltstromes allmählich verengt, wobei in bekannter Weise die Wände des Spaltes gegeneinander beweglich angeordnet werden. Diese Beweglichkeit der beiden Spaltwände gegeneinander kann dabei auf verschiedene Weise erreicht werden. Z. B. kann die eine Wand des Spaltes durch einen beweglichen Dichtungsring gebildet werden, der unter dem Einfluss der veränderlichen Drücke in dem Durchflussraum der austretenden Spaltflüssigkeit und von entgegenwirkenden Schliesskräften beliebiger Herkunft (z. B. Wasserdruck-oder Federkräften) sich selbsttätig auf die kleinste Spaltöffnung einstellt.
Wenn aber die beiden Teile, die die Spaltwände bilden, und von denen der eine zum Gehäuse, der andere zum Laufrad gehören muss, gegeneinander in axialer Richtung beweglich sind, kann der besondere Spaltring weggelassen und die bewegliche Spaltwand durch das Laufrad selbst gebildet werden.
Dies wird sich besonders dann empfehlen, wenn die beschriebene Spaltform in symmetrischer Anordnung auf beiden Seiten des Laufrades benutzt wird. Dann können die beweglichen Spaltringe weggelassen und die beweglichen Spaltwände durch das Laufrad selbst gebildet werden, wobei die Anordnung der Spalte so getroffen wird, dass die in den Spalten auftretenden axialen Drücke einander entgegenwirken.
In den Fig. 1-4 der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es bedeuten in Fig. 1 : 1 den umlaufenden Teil (Läufer), 2 den feststehenden Teil (Gehäuse), 3 den zwischen ihnen befindlichen Spalt, der abgedichtet werden soll.
Die Flüssigkeit durchströmt den Spalt in der durch Pfeile gekennzeichneten Richtung. Zwischen die äusseren Teile des Läufers und des Gehäuses ist der Dichtungsring 4 eingefügt.
Entsprechend dem Erfindungsgedanken erhält er die aus der Fig. 1 ersichtliche Form, durch die die stetige Verengung des Spaltes erreicht wird. Diese Form ist in dem Ausführungsbeispiel bei ebener Gegenfläche am Laufrad dadurch gekennzeichnet, dass die dem Laufrad zugewandte Seite des Ringes so abgeschrägt ist, dass er nur längs einer Kreislinie sich gegen das Laufrad legen kann, so dass zwischen ihm und dem Laufrad der sich verengende Spalt 6 entsteht, und weiter dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dem Gehäuse zugewandten Seite des Ringes und dem Gehäuse ein Belastungsraum 5 entsteht. Seine Querschnittsform ist unwesentlich. Die beiden Räume 5 und 6 stehen miteinander und mit dem abzudichtenden Spalt 3 in Verbindung.
Im Belastungsraum 5 herrscht ein nahezu unveränderlicher Druck, der abhängig von den Spaltdrücken am Umfang des Spaltes 3 ist. Der Belastungsraum 5 ist gegenüber der Gehäusewand 2 elastisch abgedichtet, etwa durch einen Ring 7, um den sich nach Art
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der bekannten Fernis-Ventildichtung eine Doppelmanschette 8 aus Gummi oder Leder legt. Im Durchflussraum (Spaltraum) 6 würde ungefähr der gleiche Druck wie im Belastungsraum 5 herrschen, wenn der Spaltring 4 so fest an das Rad 1 anschliessen würde, dass kein Wasser zwischen ihnen hindurchfliessen könnte.
Durch die Verengung des Spaltes 6 nach aussen zu, die für die richtige Wirkung der Dichtung entscheidend ist, wird die auf die abgeschrägte, auf der Laufradseite liegende Wand des Spaltringes wirkende Druckkraft stark veränderlich, u. zw. so, dass die Druckkraft am grössten ist, wenn der Spaltring 4 am Laufrad 1 anliegt, und dass sie stetig abnimmt, je weiter der Spaltring sich entfernt.
Da die von der Flüssigkeit im Raum 5 auf den Spaltring 4 ausgeübte gegenwirkende Druckkraft nahezu konstant bleibt, so ist der Spaltring in der Stellung stabil im Gleichgewicht, in der die Druckkraft auf der Seite des Spaltes mit der Druckkraft der Flüssigkeit im Raum 5 und etwa in der gleichen Richtung wirkenden Federkräften sich aufheben.
Wenn der Spaltring 4 sich dem Laufrad 1 nähern will, so wird die ausfliessende Spaltwassermenge kleiner, die Fliessgeschwindigkeit im Spalt 6 nimmt ab. Nach bekannten Gesetzen erhöht sich aber dadurch der Druck im Spalt 6 und infolgedessen auch die von der Seite des Spaltes auf den Spaltring 4 wirkende Druckkraft, so dass der Spaltring vom Laufrad weggedrängt wird.
Für die Wirkungsweise des Ausführungsbeispieles wesentlich ist also die freie Beweglichkeit des Ringes 4. Dieser muss daher in solcher Weise. am Gehäuse befestigt werden, dass er sich frei einstellen kann, etwa in der Art, wie es oben bereits beschrieben wurde.
Durch die Spaltdichtung gemäss der Erfindung wird nicht der Zustand angestrebt, bei dem überhaupt kein Wasser zwischen Laufrad und Dichtungsring durchfliesst. Dieser Zustand würde zur Abnutzung des Ringes 4 und zum Anfressen des Radbundes führen. Vielmehr ist für die Formgebung des Dichtungringes 4 die Absicht massgebend, eine bestimmte Wassermenge zwischen Laufrad und Dichtungsring austreten zu lassen und verloren zu geben, aber nur so viel, wie zur Erzielung der sogenannten reinen Flüssigkeitssehmierung zwischen Rad und Ring und zur Vermeidung der gegenseitigen Abnutzung nötig ist. Mit diesem bewusst zugelassenen Wasserverlust ist notwendigerweise ein Energieverlust verknüpft. Jedoch bleibt er wesentlich unter denjenigen, der sich bei andern Spaltdichtungen ergibt.
Die Belastungsflächen auf beiden Seiten des Ringes werden so bemessen, dass der Dichtungsring in der Gleichgewichtslage sich dem Laufrad bis auf einen kleinen Wert nähert und daher nur noch sehr geringe Wassermengen durchtreten lässt, die gerade zur Schmierung zwischen Laufrad und Dichtungsring hinreichen und ein gegenseitiges Abnutzen der beiden verhindern.
Die ruhende Abdichtung zwischen dem Spaltring 4 und der festen Wand kann auch durch Vollgummi, durch elastische oder unelastische Metallringe erfolgen. Auch kann die Schliessbelastung des Ringes 4, d. h. diejenige Druckkraft, die den Ring gegen das Laufrad presst, ganz oder teilweise durch Federn erzeugt werden. In Fig. 1 ist eine solche Druckfeder 9, von denen mehrere am-Umfang des Ringes verteilt sind, eingezeichnet.
Eine andere Ausgestaltung der Befestigung des Ringes und seiner Abdichtung gegen das Gehäuse gibt Fig. 2 wieder. Hier ist der Dichtungsring 4 mit Hilfe einer membranartigen federnden Ringscheibe 10 am Gehäuse 2 befestigt, die eine solche Vorspannung erhält, dass sie den Ring gegen das Laufrad drückt.
Die Feder 10 bildet zugleich einen vollkommenen Abschluss des Raumes 5 nach aussen.
An die Stelle des Ringes 4 kann auch ein dicht am Gehäuse befestigter Blechstreifen treten, dessen Vorspannung ihn gegen das Laufrad presst. Fig. 3 zeigt eine solche Anordnung, wobei 11 den federnden
Blechstreifen bedeutet. Bei dieser Anordnung ist der Belastungsraum 5 weggelassen, da er überflüssig geworden ist. Der im Schliesssinne wirkende Flüssigkeitsdruck ist durch die Vorspannung der Feder 11 ersetzt. Hier ist die erfindungsgemässe Spaltverengung durch Abschrägung der Spaltwand am Laufrad 1 bei ebener Feder erreicht worden. Sie könnte natürlich auch durch Schiefstellung der Feder bei ebener Spaltwand am Laufrad hervorgebracht werden.
Auch bei Verwendung eines Dichtungsringes nach den Fig. 1 und 2 lässt sich die Verengung des Spaltes durch Abschrägung der Spaltwand am Laufrad bei ebener Dichtungsfläche des Ringes hervorbringen.
Erfindungsmerkmal bleibt in allen Fällen eine solche Gestaltung der Spaltwände, dass ein sich in der Fliessrichtung allmählich verengender Spalt entsteht, wobei in bekannter Weise die eine Spaltwand gegen die andere beweglich ist, so dass sich im Zusammenwirken der Flüssigkeitsdruckkräfte im Spalt und der Schliesskräfte eine kleinste Spaltöffnung einstellt.
Fig. 4 zeigt die Verwendung der beschriebenen Spaltdichtung in symmetrischer Anordnung an einem Laufrad, das in axialer Richtung beweglich ist. Hier kann, wie bereits oben dargelegt ist, auf besondere an der Gehäusewand gelagerte Dichtungsringe verzichtet werden, weil das Laufrad selbst die beweglichen Spaltwände bildet. Es bedeutet 12 das Laufrad einer Wasserturbine, 13 und 14 seine Spalte gegen das Gehäuse, welche durch die Gestaltung der Wände in Richtung des durch Pfeile gekennzeichneten Wasserdurchflusses verengert sind. Will sich Rad 12 etwa nach oben verschieben, so wird Spalt 13 grösser, Spalt 14 kleiner. Infolge der besonderen Formgebung der Spalte wird dabei der Druck im Spalt 13 kleiner, im Spalt 14 grösser.
Es entsteht also bei der Auslenkung sofort eine rücktreibende Kraft, so dass beim Fehlen sonstiger Axialkräfte das Rad 12 stabil in seiner Mittellage schwebend erhalten wird.
Macht man die Austritts- oder Eintrittsdurchmesser der beiden Spalte verschieden gross, so ist es möglich,
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auch fremde Axialkräfte aufzunehmen. Es ist bekannt, dass bei Spalten mit parallelen Wänden ähnliche Wirkungen auftreten, wenn sich an die Spalte solche Durchflussräume anschliessen, in denen der Druck unabhängig von der Durchflussmenge ist. Die Wirkung ist aber bei Spalten, die sich nach dem Spaltaustritt zu allmählich verengern, wesentlich besser und sicherer, so dass der engste Spaltquerschnitt sehr viel kleiner gehalten werden kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Spaltdichtung für Kreiselmaschinen aller Art für tropfbare und dehnbare Flüssigkeiten als Mittel zur Energieumsetzung mit gegeneinander beweglichen Spaltwänden, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Spaltquerschnitt in der Fliessrichtung des Spaltstromes allmählich verengt.