Dichtung Die Erfindung bezieht sieh auf eine Dich tung eines zylindrischen Elementes, welches aus einem Raum höheren Druckes durch ein hohlzylindrisches Element in einen Raum ge ringeren Druckes führt und relativ zu diesem hohlzylindrischen Element beweglich ist, z.
B: auf die Dichtung einer drehbaren Welle, die eine Öffnung in einem Gehäuse durchdringt, oder auch eines Kolbens in einem Kompres- sorgehäuse. Die Erfindung ist dadurch ge kennzeichnet, dass eine Anzahl in Umfangs riehtung verlaufender Schneiden mit gerin gem Abstand. einer zylindrischen Wand ge genüberstehen, in der in Umfan.gsrie.htung Nuten verlaufen, deren Seitenflächen auf der Seite höheren Druckes als Kegelflächen aus gebildet sind,
welche stumpfwinklig mit der zylindrischen Wand zusammenstossen, und deren daran anschliessenden zweiten Seiten- fl < iehen als torusartige Flächen ausgebildet sind, welche spitzwinklig mit der zylindri schen Wand zusammentreffen.
Bei Labyrinth-Stopfbüehsen wird die Dichtwirkung dadurch erzielt, dass der durch die Stopfbüchse noch entweichende Teil des Mediums durch einen Spalt zwischen dem zylindrischen und dem hohlzylindrischen Ele ment strömt, und dass dieser Strömung in einer Vielzahl von Drosselstellen so vielWider- stand entgegengesetzt wird, dass die durch fliessende Menge in tragbaren Grenzen bleibt.
An jeder Drosselstelle wird ein Teil der Druckenergie des ausströmenden Mediums in kinetische Energie umgesetzt., welche anschlie ssend durch möglichst starke Wirbelung in Wärme übergeführt werden soll. Die Dicht- wirkung ist also um so stärker, je besser die Wirbelbildung und je länger die Strömungs bahn ist, längs welcher sieh die Wirbel bilden können.
Die bekannte, gut dichtende Laby- rinth-Stopfbüchse beispielsweise, bei der zwei Reihen von Schneiden kammartig ineinander greifen, besitzt viele 180 -Umkehrungen, die die Strömungsbahn um ein Vielfaches gegen über .der Länge der Stopfbüchse vergrössern., und es treten längs dieser Bahn viele kleine Wirbel auf.
Bei der Dichtung gemäss der Erfindung wird das an der zylindrischen Wand entlang geführte Medium durch die kegelige Fläche in die Nut hinein abgelenkt, an der torusför- rnigen Fläche nahezu verlustlos um fast 180 umgelenkt und in den Raum zwischen zwei Schneiden hineingeführt, wo. sich zu beiden Seiten der .Strömungsbahn zwei starke, ein ander entgegengesetzt drehende Wirbel aus bilden können.
Die Dichtwirkung einer sol chen Anordnung kann die Dichtwirkung einer Labyrinth-Stopfbüchse mit ineinandergreifen- den Schneiden übersteigen.
Versuche haben eindeutig ergeben, dass die sehr gute Dichtwirkung etwa einen unver änderlichen Wert beibehält, wenn die Schnei den: im Betrieb jeweils gegenüber der zylin- drischen Wand an irgendeiner Stelle zwischen zwei Nuten angeordnet sind.
Damit ergibt sich ein zweiter, wesentlicher Vorteil der Er findung ; Diese Stopfbüchse ist in axialer Richtung ohne Einbusse ihrer Dichtwirkung verschiebbar. Da man von vornherein über blicken kann, welche axialen Verschiebungen im Betrieb, beispielsweise infolge unterschied licher Wärmedehnung, auftreten können, ist es möglich, der zylindrischen Wand zwischen zwei Nuten eine entsprechende Länge zu ge ben. Dieser Abschnitt der zylindrischen Wand kann ohne weiteres ebenso gross und auch grösser als die Nutbreite sein.
Es sind zwar bereits Stopfbüchsen be kannt, bei denen die Schneiden nicht inein- andergreifen und die deshalb in einem star ken Masse axial verschieblieh sind. Aber ab gesehen davon, dass sieh bei diesen Dichtun gen die Dichtwirkung bei geringen axialen Verschiebungen bereits stark ändert, sind die I\Tuten- und Schneidenanordnungen bisher ohne Rücksicht- auf eine bestgeeignete Strö mung gewählt worden.
Es bilden sich im Nutengrund kleine Wirbel aus, die zwar einen geringen Teil der kinetischen Energie verzeh ren, anderseits aber die Strömung aus der Nut herausdrä.ngen, so da-ss sie fast geradlinig ihren Weg durch die Dichtung nimmt, ohne hierbei durch Wirbeleng einen grossen Ener gieverlust zu erfahren.
In andern Fällen ist die gleichmässige Dichtwirluing auch bei wesentlich stärkeren Verschiebungen notwendig, wie sie beispiels- weise beim Anfahren von Axialkompressoren und ähnlichen Maschinen infolge unterschied licher Wärmedehnung auftreten können, oder wie sie beispielsweise bei ölfreien Kolbenkom pressoren möglich sind, bei denen die Relativ bewegung zwischen dem zylindrischen Kolben und dem hohlzylindrischen Gehäuse keine Drehbewegung,
sondern nur noch eine Hin und Herbewegung ist. In diesen Fällen kann man die Dichtung derart ausführen, dass einer Anzahl Nuten, welche gleichen Abstand voneinander besitzen, eine um mindestens eine grössere oder kleinere Anzahl Schneiden ge genüberstehen, welche einen andern, eben falls gleichen Abstand voneinander besitzen. bluten -und Schneiden stehen sich also nach Art eines Nonius gegenüber. Es ist gleichgül tig, welche Stellung beide Teile zueinander haben, immer wird eine bestimmte gleichblei bende Anzahl gut dichtender Stellen vorhan den sein.
Es bestehen auch keine Bedenken, dass beispielsweise bei einem ölfreien Kom pressor die Hin- und Herbewegung des Kol bens das Strömungsbild wesentlich verändern könnte, .da .die Kolbengeschwindigkeit im Ver gleich zu der Geschwindigkeit des ausströ- nienden Mediums klein ist, so dass man die Strömung in kleinen Zeitintervallen als nahezu stationär betrachten kann.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes werden an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die gleiche Dien tung in einem Axialsehnitt bei verschiedener Stellung der Schneiden in bezug auf die Nuten. Fig. 3 stellt. eine Dichtung dar, bei der die gleichen Nuten wie in den Fig. 1 und 2 mit kürzerem Abstand a.ufeina.nderfolgen. In Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die Nutteilung nicht mit dem Abstand der Schneiden übereinstimmt.
Bei allen dargestellten Dichtungen stehen einer zylindrischen Wand 1, in welcher in Umfangsrichtung verlaufende NTuten 2 ange ordnet sind, mit geringem Abstand Schnei den 3 gegenüber. Die Nuten werden jeweils auf der Seite höheren Druckes von einer kegeligen Fläche 4, welche stumpfwinklig mit der zylindrischen Wand 1 zusammenstösst, und anschliessend durch eine torusähnliche Fläche 5, die mit .der zylindrischen Wand 1 einen spitzen Winkel bildet, begrenzt. Die allgemeine Richtung des durchtretenden Me diums verläuft jeweils von links nach rechts.
In Fig. 1 ist ein Teil der Strömung sche matisch eingetragen. Die Hauptströmung 6 bewegt sieh zunächst längs der zylindrischen Wand 1 und wird dann an der kegeligen Fläche 4 in die Nut. hineingezogen.
Hierbei ist. eine Unsy mmetrie notwendig, das heisst, der kegeligen Fläche 4 darf nicht eine Fläche mit ähnlicher Neigung gegenüberstehen. Die Strömung wird an der torusförmigen Fläche um nahezu 180 umgelenkt und strömt in den Raum zwischen den Schneiden, wo sich zwei starke,. einander entgegengesetzt drehende Wirbel 7 und 8 ausbilden. Anschliessend tritt die Hauptströmung durch den Spalt zwischen einer Schneide 3 und .der Wand 1 in den riäehsten Abschnitt über.
Die durch Versuche belegten Strömungsbilder zeigen deutlich, dass der Strömungsweg durch aufeinanderfol- gende 180 -Umlenkungen ein Vielfaches der Länge der Dichtung annimmt. Ausserdem ver zehren starke Wirbel 7 und 8 jeweils den 'rössten Teil der Strömungsenergie.
Versuche haben ergeben, dass die Dicht wirkung annähernd konstant bleibt, wenn die Schneiden 3 gegenüber der zylindrischen Wand 1. verschoben werden, also beispiels weise die Schneiden 3 der Fi:g 1 nach links bis in die in Fig. 2 gezeigte Stellung.
Es dürfte also bei diesem Ausführungsbeispiel im Betrieb eine stärkere axiale Verschiebung der Teile gegeneinander auftreten als der # Nutbreite T entspricht, da der Abschnitt der zylindrischen Wand 1 zwischen zwei Nuten grösser als die Nutbreite ist.
n In F!-. 3 ist eine Anordnung gezeigt, die bei kleineren axialen Verschiebungen sehr günstig ist.. Die Länge der zylindrischen Wandabschnitte, denen gegenüber die Schnei den 3 verschoben werden können, ist gerin ger. Dafür können aber bei gleicher Länge der Dichtung wesentlich mehr Nuten ange ordnet werden, und deshalb ergibt sich eine stärkere Dichtwirkung.
Während in Fig. 1 bis 3 die Nutteilung t und der Abstand der Scheiben s einander gleich sind, ist. in Fig. 4 die Nutteilung t grö sser als der Sehneidenabstand s. In dem ge zeigten Beispiel, in dem nur ein Ausschnitt aus einer Dichtung dargestellt ist, würde bei spielsweise in einem Abschnitt der Dichtung der Länge von elf Schneidenabstäuden s die Länge von zehn Nutteilungen t entsprechen.
<B>2</B> uf diese Weise ist dafür gesorgt, da.ss bei beliebigen Verschiebungen immer ein. be stimmter Teil der Dichtung die optimale Dichtwirkung ausübt.
Dieses Ausführungsbeispiel eignet, sich be sonders gut für die Dichtung des in einem Gehäuse hin und her gehenden Kolbens eines ölfreien Kolbenkompressors. Es kann aber auch ebenso wie die Beispiele gemäss den Fig. 1 bis 3 für eine Wellendichtung Ver- wendung finden.
Die dargestellten Anordnungen dienten nur der Erläuterung des Erfindungsgegen- standes. Es sind viele Abwandlungen möglich. So können beispielsweise :die Schneiden in einem andern als einem rechten Winkel zur Achse stehen.
Bei der Anordnung nach Fig. 4 könnte auch der Schn:eidenabstand s grösser sein als die Nutteilung t. Ausserdem können bei doppeltwirkenden Kolbenkompressoren jeweils zwei in entgegengesetzter Richtung geneigte Nuten aufeinanderfo.lgen, da der Raum höheren Druckes abwechselnd auf der einen und auf der andern Seite, der Dichtung liegt.
Selbstverständlich brauchen die Schnei den und die Übergänge zwischen Nut und zylindrischer Wand nicht immer so scharf kantig ausgeführt zu werden, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Insbesondere bei Verwendung verdichteter Medien, die bei spielsweise durch abrasiven Staub verunrei nigt sind, wird man die Kanten von vorn herein leicht abrunden.
Die Erfindung kann. in entsprechender Weise auch dann zur Anwendung kommen, wenn auf der Welle zylindrische Körper aufgesetzt sind, die in hohlzylindrischen Ele menten umlaufen und gegen diese abgedich tet werden sollen, also, beispielsweise bei Tur binenrädern. Es ist unerheblich, ob die Nuten bei einer .Wellendichtung an der Welle oder an dem Gehäuse angebracht sind. Ebenso spielt es keine Rolle, ob sie bei einem ölfreien Kolbenkompressor in dem Kolben, der gol- benstange oder dem Gehäuse sitzen.
Ganz all gemein gilt, dass sich die Nuten an dem zylindrischen oder an dem hohlzylindrischen Element und die Schneiden an dem gegen überliegenden Element befinden können. Unter torus.artigen Flächen werden nicht nur Flächen eines kreisförmigen Torus verstan den, sondern auch solche,
die im Schnitt in einer die Torusachse enthaltenden. Ebene wenigstens zum grössten Teil gebogen sind.
Seal The invention relates to a log device of a cylindrical element, which leads from a space of higher pressure through a hollow cylindrical element in a space ge lower pressure and is movable relative to this hollow cylindrical element, for.
B: on the seal of a rotatable shaft that penetrates an opening in a housing, or of a piston in a compressor housing. The invention is characterized in that a number of cutting edges running in the circumferential direction with a narrow spacing. face a cylindrical wall in which grooves run in the circumference, the side surfaces of which are formed as conical surfaces on the side of higher pressure,
which meet at an obtuse angle with the cylindrical wall and whose adjoining second side flanges are designed as toroidal surfaces which meet at an acute angle with the cylindrical wall.
In labyrinth stuffing boxes, the sealing effect is achieved in that the part of the medium still escaping through the stuffing box flows through a gap between the cylindrical and the hollow cylindrical element, and that this flow is opposed in a large number of throttling points so much resistance that the amount flowing through remains within acceptable limits.
At each throttle point, part of the pressure energy of the outflowing medium is converted into kinetic energy, which is then to be converted into heat by the strongest possible turbulence. The sealing effect is the stronger the better the vortex formation and the longer the flow path along which the vortices can form.
The well-known, well-sealing labyrinth stuffing box, for example, in which two rows of cutting edges intermesh like a comb, has many 180 reversals that increase the flow path many times over .the length of the stuffing box, and it occurs along this path lots of little eddies.
In the case of the seal according to the invention, the medium guided along the cylindrical wall is deflected into the groove by the conical surface, deflected by almost 180 degrees on the toroidal surface with almost no loss and guided into the space between two cutting edges where. On both sides of the .Strömungsbahn two strong, one opposite rotating vortices can form.
The sealing effect of such an arrangement can exceed the sealing effect of a labyrinth stuffing box with interlocking cutting edges.
Tests have clearly shown that the very good sealing effect retains an unchangeable value if the cutting edges are: During operation, each opposite the cylindrical wall is arranged at any point between two grooves.
This results in a second, major advantage of the invention; This stuffing box can be moved in the axial direction without losing its sealing effect. Since one can see from the outset which axial displacements can occur during operation, for example due to different thermal expansion, it is possible to give the cylindrical wall between two grooves a corresponding length. This section of the cylindrical wall can easily be just as large and also larger than the groove width.
It is true that stuffing boxes are already known in which the cutting edges do not intermesh and which are therefore axially displaceable to a large extent. But apart from the fact that the sealing effect changes significantly with small axial displacements in these seals, the tongue and blade arrangements have so far been chosen without regard to the most suitable flow.
Small eddies form in the bottom of the groove, although they consume a small part of the kinetic energy, but on the other hand force the flow out of the groove so that it makes its way through the seal almost in a straight line without creating a narrow eddy to experience a great loss of energy.
In other cases, uniform swirling of the seal is necessary even with significantly greater shifts, as can occur, for example, when starting up axial compressors and similar machines as a result of differing thermal expansion, or as is possible, for example, with oil-free piston compressors where the relative movement between the cylindrical piston and the hollow cylindrical housing do not rotate,
but only a back and forth movement. In these cases, the seal can be designed in such a way that a number of grooves which are equally spaced from one another are opposed by at least a greater or lesser number of cutting edges which have a different, equally spaced apart distance. bleeding and cutting face each other like a vernier. It does not matter what position both parts are in relation to one another, there will always be a certain constant number of well-sealed locations.
There are also no concerns that, for example in an oil-free compressor, the reciprocating movement of the piston could significantly change the flow pattern, because the piston speed is small compared to the speed of the outflowing medium, so that the Can consider the flow to be almost stationary in small time intervals.
Some embodiments of the subject invention are explained in more detail with reference to the drawing.
1 and 2 show the same service in an axial section with different positions of the cutting edge with respect to the grooves. Fig. 3 represents. a seal in which the same grooves as in Figs. 1 and 2 are made with a shorter distance a.ufeina.nder. In Fig. 4 an arrangement is shown in which the groove pitch does not match the distance between the cutting edges.
In all the seals shown are a cylindrical wall 1, in which extending in the circumferential direction NTuten 2 are arranged, with a small distance cutting the 3 opposite. The grooves are each limited on the side of higher pressure by a conical surface 4, which abuts at an obtuse angle with the cylindrical wall 1, and then by a torus-like surface 5, which forms an acute angle with the cylindrical wall 1. The general direction of the medium passing through is from left to right.
In Fig. 1, part of the flow is cal cally entered. The main flow 6 initially moves along the cylindrical wall 1 and then enters the groove on the conical surface 4. drawn in.
Here is. an asymmetry is necessary, that is, the conical surface 4 must not face a surface with a similar inclination. The flow is deflected by almost 180 on the toroidal surface and flows into the space between the cutting edges, where two strong,. oppositely rotating vertebrae 7 and 8 form. The main flow then passes through the gap between a cutting edge 3 and the wall 1 into the riäehste section.
The flow patterns verified by tests clearly show that the flow path through successive 180 deflections takes on a multiple of the length of the seal. In addition, strong eddies 7 and 8 each consume most of the flow energy.
Tests have shown that the sealing effect remains approximately constant when the cutting edges 3 are displaced with respect to the cylindrical wall 1, that is to say, for example, the cutting edges 3 in FIG. 1 to the left as far as the position shown in FIG.
In this exemplary embodiment, a greater axial displacement of the parts relative to one another than corresponds to the groove width T, since the section of the cylindrical wall 1 between two grooves is greater than the groove width, should therefore occur during operation.
n In F! -. 3 shows an arrangement which is very favorable for smaller axial displacements. The length of the cylindrical wall sections, which can be displaced with respect to the 3 cutting edges, is gerin ger. For this, however, significantly more grooves can be arranged with the same length of the seal, and therefore there is a stronger sealing effect.
While in Fig. 1 to 3, the groove pitch t and the spacing of the disks s are equal to each other. in Fig. 4 the groove pitch t is greater than the chord spacing s. In the example shown, in which only a section of a seal is shown, the length of ten slot pitches t would correspond to the length of ten slot pitches t in a section of the seal, for example, with the length of eleven cutting edge spacings.
<B> 2 </B> In this way it is ensured that for any shifts a. certain part of the seal exerts the optimal sealing effect.
This exemplary embodiment is particularly suitable for sealing the piston of an oil-free piston compressor that reciprocates in a housing. However, like the examples according to FIGS. 1 to 3, it can also be used for a shaft seal.
The arrangements shown only served to explain the subject matter of the invention. Many variations are possible. For example: the cutting edges are at an angle other than a right angle to the axis.
In the arrangement according to FIG. 4, the cutting edge distance s could also be greater than the groove pitch t. In addition, in double-acting reciprocating compressors, two grooves inclined in opposite directions can meet, since the space of higher pressure is alternately on one side and on the other, the seal.
Of course, the cutting and the transitions between the groove and the cylindrical wall do not always need to be as sharp as it is shown in the drawing. Especially when using compressed media that are contaminated by abrasive dust, for example, the edges will be slightly rounded from the start.
The invention can. in a corresponding manner are also used when cylindrical bodies are placed on the shaft, which revolve in hollow cylindrical elements and are to be sealed against them, so, for example, turbine wheels in turbo. It is irrelevant whether the grooves are attached to a shaft seal on the shaft or on the housing. It also makes no difference whether they are located in the piston, the piston rod or the housing of an oil-free piston compressor.
Generally speaking, the grooves can be located on the cylindrical or hollow cylindrical element and the cutting edges can be located on the opposite element. Torus-like surfaces are understood to mean not only surfaces of a circular torus, but also those
those in section in a containing the torus axis. Level are at least for the most part curved.