AT500740B1

AT500740B1 - SHAFT SEAL

Info

Publication number: AT500740B1
Application number: AT0199904A
Authority: AT
Inventors: Walter Dolzer
Original assignee: Walter Dolzer
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: DE102004052263A1; AT500740A4; WO2006045610A1; AT500740B8

Description

2 AT 500 740 B12 AT 500 740 B1

Die Erfindung bezieht sich auf die Abdichtung einer Welle, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to the sealing of a shaft, according to the preamble of claim 1.

Zur Abdichtung von Wellen, die ein Gehäuse durchsetzen, werden Simmerringe verwendet, 5 also eine Wellendichtung, bei der eine Dichtungsmanschette in dem Gehäuse gefasst ist und durch Federdruck an die Welle gepresst wird. Simmerringe stoßen jedoch bei höheren Drücken und/oder höheren Drehzahlen an die Grenzen der Verlässlichkeit, speziell dann, wenn gleichzeitig ein hoher Innendruck im Gehäuse als Axialkraft auf die Welle einwirkt. io Aus US 3 835 801 A ist eine abgedichtete Durchführung einer gelagerten Welle durch eine Wand mit unterschiedlichen Drücken auf beiden Seiten der Wand bekannt. Als Anwendungsbeispiel wird die Wand eines Unterseebootes angegeben. Neben einer Reihe von Dichtungen ist ein Axialwälzlager vorgesehen, das sich einerseits an der Schulter der Welle und andererseits an der Gehäusefläche des Gehäuses abstützt. In FR 1 045 390 A ist eine Herausführung 15 einer Welle aus einem Gehäuse beschrieben, wobei innerhalb und außerhalb des Gehäuses stark unterschiedliche Drücke auftreten. Neben einem Dichtelement ist ein Axialwälzlager vorgesehen. Ferner geht aus DE 94 14 482 U1 die abgedichtete Lagerung einer hohlen Welle in einem unter Hochdruck stehenden Gehäuse hervor. Die Vorrichtung dient als Drehkupplung für ein Hochdruckreinigungsgerät. Neben unterschiedlichen Dichtungen ist ein Axialwälzlager 20 vorgesehen, das sich einerseits am Gehäuse und andererseits an einer Schulter der Welle abstützt.Sealing rings are used to seal corrugations that penetrate a housing, ie a shaft seal in which a sealing collar is gripped in the housing and pressed against the shaft by spring pressure. Simmerrings, however, reach the limits of reliability at higher pressures and / or higher speeds, especially when at the same time a high internal pressure in the housing acts as an axial force on the shaft. From US 3 835 801 A a sealed passage of a supported shaft through a wall with different pressures on both sides of the wall is known. As an application example, the wall of a submarine is specified. In addition to a number of seals Axialwälzlager is provided, which is supported on the one hand on the shoulder of the shaft and on the other hand on the housing surface of the housing. In FR 1 045 390 A a lead-out 15 of a shaft is described from a housing, wherein inside and outside of the housing very different pressures occur. In addition to a sealing element Axialwälzlager is provided. Furthermore, DE 94 14 482 U1 discloses the sealed mounting of a hollow shaft in a housing under high pressure. The device serves as a rotary coupling for a high-pressure cleaning device. In addition to different seals Axialwälzlager 20 is provided which is supported on the one hand on the housing and on the other hand on a shoulder of the shaft.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Dichtungsprobleme bei mit hohem Innendrücken beaufschlagten Wellenabdichtungen insbesondere bei höheren Drehzahlen ohne spürbare Rei-25 bungsverluste zu beseitigen.The object of the invention is therefore to eliminate sealing problems at high internal pressures acted upon shaft seals, especially at higher speeds without noticeable Rei-25 bungsverluste.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Wellenabdichtung erreicht. In den Unteransprüchen 2 bis 8 sind bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wellenabdichtung wiedergegeben. 30This is achieved according to the invention with the marked in claim 1 shaft seal. In the dependent claims 2 to 8 preferred embodiments of the shaft seal according to the invention are shown. 30

Nach der Erfindung ist an der Welle eine Ringschulter vorgesehen, ferner ein Axialwälzlager, das sich mit seinem einen ersten Laufring an der Ringschulter der Welle und mit seinem anderen, zweiten Laufring direkt oder über einen Gehäusedeckel an dem Gehäuse abstützt. Das Axialwälzlager nimmt damit die Axialkraft auf, die durch den Innendruck im Gehäuse auf die 35 Welle einwirkt.According to the invention, an annular shoulder is provided on the shaft, further an axial roller bearing, which is supported with its one first race on the annular shoulder of the shaft and with its other, second race directly or via a housing cover on the housing. The axial rolling bearing thus absorbs the axial force, which acts on the shaft by the internal pressure in the housing.

Ferner ist erfindungsgemäß ein Kunststoff-Gleitring vorgesehen, welcher einerseits an der Welle und andererseits an der den Wälzkörpern zugewandten Innenseite des zweiten Laufrings dicht anliegt. Dabei wird er durch den Innendruck im Gehäuse gegen den zweiten Laufring 40 gedrückt. Vorzugsweise sitzt der Kunststoff-Gleitring drehfest auf der Welle. Auch weist er vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt auf, sodass die Dichtfläche durch die Radialfläche gebildet wird, an der der Gleitring mit seiner Radialfläche mit der Innenseite des zweiten Lagerrings in Kontakt steht, gegen die er durch den Innendruck im Gehäuse gepresst wird. 45 Als Kunststoff kann irgendein beliebiger Kunststoff verwendet werden, der einen niedrigen Reibungskoeffizienten und die erforderliche Temperaturbeständigkeit besitzt. Vorzugsweise werden fluorhaltige Polymere eingesetzt, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), z. B. Teflon ®, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und dergleichen. so Zur Montage der erfindungsgemäßen Wellenabdichtung weist das Gehäuse vorzugsweise einen Deckel auf, den die Welle durchsetzt und an dem sich der zweite Laufring des Wälzlagers abstützt. Der Deckel ist beispielsweise mit Schraubbolzen am Gehäuse befestigt.Further, a plastic seal ring is provided according to the invention, which rests tightly on the one hand on the shaft and on the other hand on the inside of the second race facing the rolling elements. He is pressed by the internal pressure in the housing against the second race 40. Preferably, the plastic seal ring rotatably seated on the shaft. Also, it preferably has a rectangular cross section, so that the sealing surface is formed by the radial surface on which the sliding ring with its radial surface with the inside of the second bearing ring is in contact against which it is pressed by the internal pressure in the housing. Any plastic that has a low coefficient of friction and the required temperature resistance can be used as the plastic. Preferably, fluorine-containing polymers are used, in particular polytetrafluoroethylene (PTFE), z. Teflon®, polyvinylidene fluoride (PVDF) and the like. Thus, for mounting the shaft seal according to the invention, the housing preferably has a cover, which passes through the shaft and on which the second race of the rolling bearing is supported. The lid is attached, for example with bolts on the housing.

Das Axialwälzlager kann ein beliebiges Wälzlager sein, beispielsweise ein Axialkegellager oder 55 dergleichen. Vorzugsweise wird jedoch ein Axialkugellager verwendet. 3 AT 500 740 B1The thrust roller bearing may be any roller bearing, such as an axial taper bearing or the like. Preferably, however, an axial ball bearing is used. 3 AT 500 740 B1

Die Ringschulter an der Welle kann in beliebiger Weise ausgebildet sein, beispielsweise durch einen durch Abspanung der Weile erhaltenen Bund oder einen Seeger-Ring, also einen gegen axiales Verschieben gesicherten Federring, der beispielsweise in eine Ringnut oder in eine Bohrung in der Welle einfedern kann. 5The annular shoulder on the shaft can be formed in any desired manner, for example by a Bund obtained by Abspanung the time or a Seeger ring, so a secured against axial displacement spring ring which can, for example, in an annular groove or in a hole in the shaft. 5

Bei der erfindungsgemäßen Wellenabdichtung ist die Gleitringdichtung an dem Axialwälzlager dort integriert, wo nur ein kleiner Luftspalt zwischen der sich drehenden Welle und dem feststehenden zweiten Laufring des Axialwälzlagers vorhanden ist. io Da die den Wälzkörpern zugewandte Innenseite des zweiten Laufrings die Dichtfläche bildet, weist der zweite Laufring zumindest in diesem Bereich eine den Verschleiß des Kunststoff-Gleitrings reduzierende glatte und gehärtete Oberfläche auf. Der zweite, feststehende Laufring kann darüber hinaus mit einer ringförmigen Ausnehmung an seiner den Wälzkörpern zugewandten Innenseite ausgebildet sein, die den Gleitring aufnimmt. 15In the shaft seal according to the invention, the mechanical seal is integrated at the axial roller bearing where only a small air gap between the rotating shaft and the stationary second race of the Axialwälzlagers is present. Since the rolling elements facing the inner side of the second race forms the sealing surface, the second race at least in this area on a reducing the wear of the plastic slip ring smooth and hardened surface. The second, fixed race may also be formed with an annular recess on its inner side facing the rolling elements, which receives the sliding ring. 15

Der zweite, feststehende Laufring kann ferner an seiner von den Wälzkörpers abgewandten Seite mit einer Dichtung, beispielsweise einem O-Ring gegenüber dem Gehäuse bzw. Deckel abgedichtet sein. 20 Die erfindungsgemäße Wellenabdichtung wird vorzugsweise zur Abdichtung der Abtriebswelle einer Expansionsturbine verwendet, die das Drosselorgan einer Kältemaschine oder Wärmepumpe bildet, mit der das Arbeitsmittel in einem Verdampfer expandiert. Eine solche Kältemaschine bzw. Wärmepumpe ist in WO 03/098128 A1 beschrieben. Die Expansionsturbine wird dabei durch eine Zahnradturbine gebildet. In einer solchen Turbine treten neben hohen Dreh-25 zahlen der Abtriebswelle erhebliche Drücke auf, insbesondere, wenn als Arbeitsmittel Kohlendioxid verwendet wird, das als umweltfreundlich angesehen und damit zunehmend verwendet wird. Mit der Erfindung wird selbst bei einem hohen Innendrucks von z. B. 100 bar bei Verwendung von C02 als Arbeitsmittel eine sichere und verlustarme Wellenabdichtung erreicht, sodass die geforderten störungsfreien Standzeiten erreicht werden können. 30The second, stationary raceway can also be sealed on its side facing away from the rolling element with a seal, for example an O-ring relative to the housing or cover. The shaft seal according to the invention is preferably used to seal the output shaft of an expansion turbine, which forms the throttle body of a chiller or heat pump with which the working fluid expands in an evaporator. Such a refrigerator or heat pump is described in WO 03/098128 A1. The expansion turbine is formed by a gear turbine. In such a turbine occur in addition to high rotational-25 pay the output shaft considerable pressures, especially when used as a working fluid carbon dioxide, which is considered environmentally friendly and thus increasingly used. With the invention, even at a high internal pressure of z. B. 100 bar when using C02 as a working medium a safe and low-loss shaft seal achieved, so that the required trouble-free life can be achieved. 30

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher beschrieben. Darin zeigen:The invention is described in more detail by way of example with reference to the drawing. Show:

Figur 1 den Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenabdichtung; 35 Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A von Figur 1;1 shows the section through an embodiment of the shaft seal according to the invention; FIG. 2 shows a section along the line A-A of FIG. 1;

Figur 3 eine Kältemaschine; undFIG. 3 shows a refrigerator; and

Figur 4 einen Längsschnitt durch die Expansionsturbine der Kältemaschine nach Figur 3.FIG. 4 shows a longitudinal section through the expansion turbine of the refrigerating machine according to FIG. 3.

Gemäß Figur 1 und 2 weist ein Gehäuse 1 zur Durchführung einer Welle 2 eine Öffnung 3 auf, 40 die durch einen Deckel 4 verschlossen ist, den die Welle 2 durchsetzt. Der Deckel 4 ist mit Schraubbolzen 5 an der Außenseite des Gehäuses 1 befestigt.According to Figure 1 and 2, a housing 1 for carrying out a shaft 2, an opening 3, 40 which is closed by a cover 4, which passes through the shaft 2. The cover 4 is fastened with bolts 5 on the outside of the housing 1.

Die Welle 2 weist eine durch einen Bund gebildete Ringschulter 6 auf. Zwischen der Ringschulter 6 und dem Deckel 4 ist ein als Kugellager ausgebildetes Axialwälzlager 7 vorgesehen, das 45 neben den Kugeln 8 und dem Käfig 9 aus den beiden Laufringen 11 und 12 besteht. Der eine, erste Laufring 11 stützt sich an der Ringschulter 6 der Welle 1 ab und der zweite Laufring 12 an dem Gehäusedeckel 4. Der Laufring 11 ist dabei drehfest mit der Welle 2 verbunden, während der Laufring 12, der an dem Deckel 4 anliegt, feststehend ist. Auf der Welle 2 sitzt drehfest ein Gleitring 13, der vorzugsweise aus einem fluorhaltigem Kunststoff besteht, beispielsweise Tef-50 Ion ®. Der Gleitring 13 weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Laufring 12 ist an der der Welle 2 und dem anderen Laufring 11 zugewandten Kante mit einer im Querschnitt rechteckigen ringförmigen Ausnehmung 14 versehen, die den Gleitring 13 aufnimmt. Die Radialfläche 15 zwischen dem Laufring 12 und dem Gleitring 13 bildet damit die Dichtfläche der erfindungsgemäßen Abdichtung. Durch den Innendruck in dem Gehäuse 1 wird der Gleitring 13 an der Kon-55 taktfläche 15 axial gegen den Laufring 12 gedrückt.The shaft 2 has an annular shoulder 6 formed by a collar. Between the annular shoulder 6 and the cover 4 designed as a ball bearing Axialwälzlager 7 is provided, the 45 next to the balls 8 and the cage 9 consists of the two races 11 and 12. The one, first race 11 is supported on the annular shoulder 6 of the shaft 1 and the second race 12 on the housing cover 4. The race 11 is rotatably connected to the shaft 2, while the race 12, which bears against the cover 4, is stationary. On the shaft 2 rotatably seated a sliding ring 13, which preferably consists of a fluorine-containing plastic, such as Tef-50 Ion ®. The sliding ring 13 has a rectangular cross-section. The race 12 is provided on the shaft 2 and the other race 11 facing edge with a rectangular cross-section annular recess 14 which receives the seal ring 13. The radial surface 15 between the race 12 and the seal ring 13 thus forms the sealing surface of the seal according to the invention. Due to the internal pressure in the housing 1, the slide ring 13 is pressed axially against the raceway 12 on the con tact surface 15.

Claims

4 AT 500 740 B1 For sealing the second race 12 relative to the lid 4 and for sealing the lid 4 to the housing 1, an O-ring 16, 17 may be provided in each case. Also, the two rings 16,17 may be replaced by a continuous single sealing disc. The lubricant can be supplied, for example, via the gap 18 between the race 11 and the wall of the opening 3 from the interior of the housing 1 to the thrust bearing 7 and the radial sealing surface 15. This possibility exists in particular when a working medium is used in the housing, to which a lubricant is added. However, it can be provided in the housing 1 special channels or holes to supply the thrust bearing io 7 and the sealing surface 15 lubricant. FIG. 3 shows a refrigerating machine in which a working medium with a compressor 21, which is designed as a piston compressor driven by an electric motor 25, is liquefied and supplied to a condenser 27, in which the liquid working fluid heated to a high temperature Gives off heat to the environment. The condenser 27 is connected to a throttle member 30 through which the cooled liquid working fluid expands in the evaporator 31, wherein the evaporation heat necessary for this purpose is removed from the ambient air. 20 According to Figure 4, the throttle body 30 is formed as a gear turbine 39, not shown. On the shaft 33 of the gear of the gear turbine 39, a pinion 34 is fixed, which meshes with the reduction gear with a gear 35 which is keyed to the output shaft 2, which can be sealed according to Figure 1 and 2 with respect to the housing wall 1 of the throttle body 10, which in Figure 4 but not shown in detail. The output shaft 2 is, as shown schematically in Figure 4 25, supported by further bearings 36 radially and axially. 1. seal for a shaft, which sets the wall of a housing with high internal pressure, wherein the shaft (2) has an annular shoulder (6) and one with its one, first raceway (11) on the annular shoulder (6) the shaft (2) and with its other, second race (12) on the housing (1) supporting axial rolling bearing (7) is provided, characterized by a plastic - slip ring (13) which both on the shaft (2) 35 as applied to the rolling elements facing the inside of the second race (12).

2. Seal according to claim 1, characterized in that the sliding ring (13) consists of a fluorine-containing plastic.

3. Seal according to claim 1, characterized in that the sliding ring (13) rotationally fixed on the shaft (2) is arranged.

4. Seal according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding ring (13) has a rectangular cross-section. 45

5. Seal according to one of the preceding claims, characterized in that on the inside of the second race (12) an annular recess (14) is provided, in which engages the sliding ring (13). 6. Seal according to one of the preceding claims, characterized in that the second race (12) via a housing cover (4), the shaft (2) passes through, on the housing (1) is supported.

7. Seal according to claim 1, characterized in that the axial rolling bearing (7) 55 is formed by an axial ball bearing. 5 AT 500 740 B1

8. Seal according to claim 1, characterized in that the annular shoulder (6) of the shaft (2) by a shaft collar or a Seeger - ring is formed.

9. Use of the seal according to one of the preceding claims for the output shaft 5 le (2) of an expansion turbine (30), the throttle body of a chiller or Wär me pump forms, having a compressor (21) for a working medium, via the expansion turbine (30) in an evaporator (31) expands.

10. Use according to claim 9, wherein the expansion turbine (30) is a gear turbine. For this purpose 2 sheets of drawings 15 20 25 30 35 40 45 50 55