Vorrichtung zum Abdichten des Zwischenraumes zwischen einem bewegbaren Über- tragungselement und einer von diesem Übertragungselement durchquerten Wand Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ab dichten des Zwischenraums zwischen einem beweg baren, im Querschnitt kreisförmigen übertragungs- element, insbesondere einer drehbaren Welle, und einer von diesem übertragungselement durchquerten Wand, wobei im Zwischenraum zwischen dem über tragungselement und der Wand eine rotierende Dich tungsbüchse angeordnet ist,
und in den Ringspalten zwischen der Dichtungsbüchse und der Wand bzw. dem Übertragungselement jeweils eine Spaltwand eine gewindeartige Rille aufweist.
Durch die Rotation der Dichtungsbüchse entsteht in den Ringspalten eine Pumpwirkung in Achsrich tung des Übertragungselementes, wobei der Win- dungssinn der gewindeartigen Rillen bezüglich der relativen Drehrichtung der den Ringspalt begrenzen den Teile zweckmässig so gewählt wird, dass die Pumpwirkungen in beiden Ringspalten in gleicher Richtung erfolgen. Auf diese Weise kann eine sichere Abdichtung des Zwischenraumes zwischen einer Welle und einer von dieser Welle durchquerten Wand erreicht werden.
Die Drehzahl der Welle muss nicht mehr in einem bestimmten Drehzahlbereich liegen. Die Welle kann mit einer beliebigen, sich ändernden Drehzahl rotieren, sie kann stillstehen oder sogar im umgekehrten Drehsinn rotieren, ohne dass die Dicht wirkung beeinträchtigt ist. Ausserdem kann auf diese Weise auch der Zwischenraum zwischen einer sich nicht drehenden, axial verschiebbaren Verstellstange und einer von dieser Verstellstange durchquerten Wand sicher abgedichtet werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass zwischen dem übertragungselement und der Dichtungsbüchse keine Berührung und damit nur eine kleine von dem in den Ringspalten befindlichen Medium herrührende Reibung auftritt. Bei den bekannten Vorrichtungen erfolgt der An trieb der Dichtungsbüchse durch eine Keilriemen- scheibe-oder ein Zahnrad.
Auch wenn man beachtet, dass die Relativdrehzahl zwischen den den jeweiligen Ringspalt begrenzenden Spaltwänden einerseits über einem bestimmten Minimalwert, bei dem die Pump wirkung anfängt, anderseits unter einem bestimmten Maximalwert, bei dem die Strömung abreisst, liegen muss, bricht die Dichtungswirkung der Vorrichtung gelegentlich zusammen.
Die Erfindung gründet sich auf die neue Er kenntnis, dass durch die einseitige Wirkung des Rie men- oder Zahnradantriebs eine einseitig wirkende Kraft auf die Dichtungsbüchse ausgeübt wird. Diese zusätzlich auftretende einzelne Umfangskraft zieht die Dichtungsbüchse aus ihrer Mittellage gegenüber der Wellenachse. Es ist also nicht möglich, einen gleichmässigen Lagerspalt und damit eine gleichblei bend gute Pumpwirkung aufrechtzuerhalten. Die Wir kung der einzelnen Umfangskraft ist ausserdem dreh zahlabhängig, so dass die angestrebte Dichtungswir kung besonders in gewissen Drehzahlbereichen versagt.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird in An wendung der geschilderten neuen Erkenntnis bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art die Dichtungsbüchse erfindungsgemäss mit einem auf sie ein in der Gesamtwirkung reines Drehmoment aus übenden Läufer, entweder dem Läufer einer an eine Drucköl-Schmiermittelquelle angeschlossenen und zur Büchse konzentrischen Turbine oder einem rotierend gelagerten Laufring mindestens eines Wälzlagers, ver bunden.
Auf diese Weise wird im ganzen Betriebsbereich ein Zentrischlaufen der Dichtungsbüchse erreicht und damit eine einwandfreie Dichtungswirkung erzielt. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Abdichtungs vorrichtung, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine andere Ab dichtungsvorrichtung und Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine weitere Ab dichtungsvorrichtung.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung weist eine drehbare Welle 1 auf, die sich durch die Wand 2 eines Gehäuses erstreckt. Durch die Wand 2 werden der Innenraum 3 und die Umgebung 4 des Gehäuses voneinander abgetrennt, wobei auf der einen Seite der Wand 2 im Innenraum 3 ein höherer Druck herrscht als in der Umgebung 4. Im Zwischen raum zwischen der Gehäusewand 2 und der Welle 1 ist eine rotierende Dichtungsbüchse 5 angeordnet, die auf einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Kugellager 6 gelagert ist, wobei der innere Kugel lagerkranz<B>61</B> auf die Dichtungsbüchse 5 aufgezo gen ist, während der äussere Kugellagerkranz 62 in eine mit dem Gehäuse verbundene Traverse 7 eingesetzt ist.
Der Kugellagerkranz 62 ist durch einen mit Schrauben 8 befestigten Anpressring 9 ge sichert. In der Traverse 7 ist ausserdem ein Gleit lager 10 eingebaut, in welchem die drehbare Welle 1 gelagert ist. Die Dichtungsbüchse 5 trägt auf der im Zwischenraum zwischen der Wand 2 und der Welle 1 verlaufenden Strecke zwei gewindeartige Rillen 11 und 12, wobei die Rille 11 in dem zwischen der Dichtungsbüchse 5 und der Wand 2 liegenden Ring- spalt 13 und die Rille 12 in dem zwischen der Dichtungsbüchse 5 und der Welle liegenden Ring spalt 14 angeordnet ist. Die Rillen 11 und 12 könn ten auch auf der anderen, den Ringspalt 13 bzw.
14 begrenzenden Spaltwand, d. h. an der Wand 2 bzw. der Welle 1 angeordnet sein, wobei dann die Büchse 5 eine glatte Oberfläche aufweisen würde.
Der Antrieb der rotierenden Dichtungsbüchse 5 erfolgt über eine Ölturbine 15. Diese weist einen mit dem dem Gleitlager 10 zugewandten Ende der Dichtungsbüchse 5 fest verbundenen, ringförmigen Flansch 16 auf. In die Stirnfläche des Flansches 16 sind Schlitze 17 eingearbeitet, die sich nahe der Peri pherie des Flansches 16 zu Düsen 18 verengen. Die Schlitze 17 sind durch einen ringförmigen Deckel 19 abgedeckt, wobei die nahe der Welle 1 liegenden Enden der Schlitze 17 über axiale, den Deckel 19 durchquerende Bohrungen 20 mit dem zwischen dem Deckel 19 und dem Ende des Gleitlagers 10 liegen den Raum 23 in Verbindung stehen.
Dem Gleitlager 10 wird durch die Öffnung 21 Drucköl zugeführt, das sich durch den Lagerspalt 22 gegen die beiden Enden des Lagers 10 bewegt. Das an dem gegen die Ölturbine 15 gerichteten Ende des Lagers 10 in den Raum 23 austretende Öl tritt noch unter Druck durch die axialen Bohrungen 20 in die Ölturbine 15 ein, fliesst durch die Schlitze 17 und entspannt sich schliesslich in den Düsen 18. Diese Druckumsetzung hat am Flansch 16 angrei fende Umfangskräfte zur Folge, die die Büchse 5 in der in Fig. 2 angegebenen Pfeilrichtung drehen.
Um zu erreichen, dass alles aus dem Lagerspalt 22 in den Raum 23 austretende Öl in die Turbine 15 gelangt, ist die zwischen einem den Raum 23 begrenzenden Ringteil 24 und dem rotierenden Dek- kel 19 liegende Trennfuge 25 mit einer Gewinde rillendichtung 26 abgedichtet. Ebenso ist der zwi schen der Dichtungsbüchse 5 und der Welle 1 lie gende, an den Raum 23 angrenzende Ringspalt 27 mit einer Gewinderillendichtung 28 abgedichtet.
Die im Ringspalt 27 liegende Gewinderillendichtung 28 ist von der im Ringspalt 14 liegenden Gewinderil- lendichtung 12 durch eine ringförmige Rille 29 ge trennt, in welche eine Anzahl von Bohrungen 30 münden, über welche der innere Ringspalt 14 an den im Gehäuseinnenraum 3 herrschenden Druck an geschlossen ist.
Durch die Rotation der Dichtungsbüchse 5 wird in den Ringspalten 13 und 14 mittels der Gewinde rillen 11 und 12 eine Pumpwirkung erzeugt. Die Windungssinne der Rilen 11 und 12 sind in bezug auf die Relativbewegung zwischen der Welle 1, der Büchse 5 und der Wand 2 so gewählt, dass die in den Ringspalten 13 und 14 auftretenden Pumpwir- kungen entgegen dem erhöhten Druck im Innen raum 3 arbeiten.
Die Relativdrehzahl der Büchse 5 gegenüber der Welle 1 und der Wand 2 ist dabei so gewählt, dass die in den Ringspalten 13 und 14 erzeugte Pumpwirkung genügend gross ist, um das aus dem Raum mit erhöhtem Druck, d. h. dem Innenraum 3, in die Ringspalten 13 und 14 eindrin gende Gas am Durchtritt durch die Ringspalten zu hindern und an seinen Ursprung zurückzudrängen. Um diese genügend grosse Pumpwirkung zu errei chen, müssen die Relativgeschwindigkeiten der die Ringspalten 13 und 14 begrenzenden Teile in einem bestimmten Bereich liegen.
Sie dürfen nicht unter einen gewissen Wert sinken, dürfen aber auch nicht zu hoch sein, da oberhalb eines bestimmten Ge schwindigkeitswertes die Pumpwirkung in den Ring spalten zusammenbricht und keine Dichtwirkung mehr besteht.
Damit die Relativgeschwindigkeiten der die Ring spalten 13 und 14 begrenzenden Teile in dem ge nannten Bereich liegen, wird die Drehzahl der Dich tungsbüchse 5 den Drehzahlen der Welle 1 angepasst. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, dass die Dreh zahl der Welle 1 selbst in einem bestimmten Dreh zahlbereich liegen muss.
Bei einer mit verschiedenen Drehzahlen drehba ren Welle 1, die in beiden Drehrichtungen rotieren oder auch stehen bleiben kann, wird die konstante Drehzahl der Büchse 5 vorteilhaft so gewählt, dass sie um den zur Erzeugung einer genügend grossen Pumpwirkung im Ringspalt 14 notwendigen Dreh- zahlbetrag grösser ist, als die in der Drehrichtung der Büchse 5 auftretende maximale Drehzahl der Welle 1.
Handelt es sich bei der Welle 1 um eine schnell drehende, nur in einer Drehrichtung rotierenden Welle, deren Drehzahl ausserdem nie unter einen bestimmten Minimalwert sinkt, lässt man die Dich tungsbüchse vorteilhaft im gleichen Drehsinn wie die Welle 1 rotieren, wobei ihre Drehzahl mindestens um den zur Erzeugung einer genügend grossen Pump wirkung im Ringspalt 14 notwendigen Drehzahlbe trag kleiner ist als die minimale Drehzahl der Welle 1, jedoch mindestens so gross ist, dass durch die Relativ bewegung der Dichtungsbüchse 5 gegenüber der Wand 2 im Ringspalt 13 eine genügend grosse Pump wirkung erzeugt wird.
Auf diese Weise ist es möglich, den Zwischen raum zwischen der Welle 1 und der Wand 2 ab zudichten, auch wenn die Welle 1 mit einer Dreh zahl rotiert, die über dem Wert liegt, bei welchem die Pumpwirkung im Zwischenraum zwischen der Welle 1 und der Wand 2 bei Verwendung einer be kannten gewöhnlichen Gewinderillendichtung zusam menbrechen würde. Durch die Dichtungsbüchse 5 wird der Zwischenraum zwischen der Welle 1 und der Wand 2 in die beiden Ringspalten 13 und 14 unterteilt, wodurch auch die Relativgeschwindigkei ten der die Ringspalten 13 und 14 begrenzenden Teile verkleinert werden und unterhalb des Wertes zu liegen kommen, bei welchem die Pumpwirkung zusammenbrechen würde.
Bei einer nur in einer Drehrichtung rotierenden, gegebenenfalls stillstehenden Welle 1 kann man; die Dichtungsbüchse 5 auch entgegengesetzt der Dreh richtung der Welle 1 rotieren lassen, wobei dann die Relativdrehzahl der Büchse 5 gegenüber der Wand 2 und gegenüber der gegebenenfalls stillstehenden Welle 1 so gross sein muss, dass in den Ringspalten 13 und 14 eine genügend grosse Pumpwirkung auf tritt. Dadurch kann die Drehzahl der Büchse 5 klein gehalten werden.
Bei einer Welle 1, deren Drehzahl stark ändert, kann die Drehzahl der Dichtungsbüchse 5 auch durch eine Regelvorrichtung reguliert werden, so dass die Relativgeschwindigkeiten zwischen den die Ringspal ten 13 und 14 begrenzenden Teilen immer im gün stigen Geschwindigkeitsbereich liegen.
Statt der Welle- 1 könnte auch eine axial ver schiebbare Verstellstange von kreisförmigem Quer schnitt vorgesehen sein. Die Drehzahl der Büchse 5 müsste dann so gewählt werden, dass die durch die gewindeartigen Rillen 11 und 12 in den Ringspalten 13 bzw. 14 erzeugten Pumpwirkungen, vermindert um die durch die axialen Bewegungen der Verstell stange in der entgegengesetzten Richtung hervor gerufene Pumpwirkung, zur Abdichtung der Ring spalte 13 und 14 genügend gross sind.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung weist eine Dichtungsbüchse 31 auf, die gegenüber der in Fig. 1 und 2 beschriebenen Dich tungsbüchse 5 unterschiedlich ausgebildete Gewinde- rillen aufweist. Die Dichtungsbüchse 31 ist in der Mitte der im Zwischenraum zwischen der Wand 2 und der drehbaren Welle 1 verlaufenden Strecke mit zwei ringförmigen Kammern 32 und 33 versehen, wobei die Kammer 32 in dem zwischen der Dich tungsbüchse 31 und der Weile 1 liegenden Ringspalt 35 angeordnet ist.
Von jeder der beiden Kammern 32 bzw. 33 gehen zwei gewindeartige Rillen 36 und 37 bzw. 38 und 39 aus, die sich von den ringför migen Kammern 32 bzw. 33 nach beiden Enden der Dichtungsbüchse 31 erstrecken, und deren Tiefe nach beiden Enden der Dichtungsbüchse 31 hin abnimmt. Die im Ringspalt 34 liegenden gewindeartigen Rillen 36 und 37 weisen einander entgegengesetzten Win- dungssinn auf, der bezüglich der Drehrichtung der Dichtungsbüchse 31 so gewählt ist, dass im Ring spalt 34 eine von der ringförmigen Kammer 32 gegen beide Enden der Dichtungsbüchse 31 gerichtete,
zur Verhinderung eines Durchtritts der durch die Wand 2 voneinander getrennten Medien durch den Ringspalt 34 genügend grosse Pumpwirkung auftritt. Auf glei che Weise sind die im Ringspalt 35 liegenden ge windeartigen Rillen 38 und 39 ausgebildet, deren Windungssinn bezüglich der Drehrichtung der Welle 1 gegenüber der Dichtungsbüchse 31 so ge wählt ist, dass im Ringspalt 35 eine von der ring förmigen Kammer 33 gegen beide Enden der Dich tungsbüchse 31 gerichtete Pumpwirkung auftritt.
Diese Abdichtungsvorrichtung wird vorteilhaft dann verwendet, wenn die durch die Wand 2 von einander getrennten Räume 3 und 4 verschiedene gasförmige Medien mit angenähert gleichem Druck enthalten. Die durch die Rotation der Dichtungs büchse 31 in den Ringspalten 34 und 35 hervor gerufenen Pumpwirkungen haben ein hohes Vakuum in den ringförmigen Kammern 32 und 33 zur Folge, während die von beiden Seiten der Dichtungsbüchse 31 in die Ringspalte 34 und 35 eindringenden Gase an ihren Ursprung zurückgedrängt werden.
Bei sehr schnell drehenden Wellen können im Zwischenraum zwischen der Welle und der Wand mehrere Dichtungsbüchsen angeordnet sein, wie es beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist. Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung weist eine schnell rotierende Welle 40 auf, die sich durch die Wand 41 eines Gehäuses erstreckt. Im Zwischen raum zwischen der Wand 41 und der Welle 40 be finden sich drei konzentrisch zueinander angeordnete Dichtungsbüchsen 42, 43 und 44, die durch vier Kugellager 45, 46, 47 und 48 aufeinander, auf einem auf die Welle 40 aufgezogenen Ring 49 und auf einem in die Wand 2 eingesetzten Ring 50 ge lagert sind. Der Kugellagerring 49 ist durch einen Gewindering 51 gesichert.
Auf den Dichtungsbüchsen sind vier gewinde artige Rillen 52, 53, 54 und 55 angeordnet, wobei in jedem der vier durch die Welle 40, die Büchsen 42 bis 44 und die Wand 41 gebildeten Ringspalten 56, 57, 58 und 59 je eine dieser vier Rillen liegt. Bei der Rotation der Welle 40 werden die Büch sen 42 bis 44 in der Drehrichtung der Welle mit genommen.
Die Drehzahlen von Welle 40, innerer Büchse 42, mittlerer Büchse 43; äusserer Büchse 44 und Wand 41 bilden dabei eine um angenähert gleiche Drehzahlbeträge abnehmende Zahlenfolge, wobei diese Drehzahlbeträge in dem zur Erzeugung einer genügend grossen Pumpwirkung günstigen Be reich liegen. (Um das zu erreichen, könnte je nach der Drehzahl der Welle die Anzahl der Dichtungs büchsen verändert werden.) Der Windungssinn der Rillen 52 bis 55 wird dabei wieder so gewählt, dass die Pumpwirkungen in allen Ringspalten in der glei chen Richtung erfolgen.
Die zur Lagerung der Dichtungsbüchsen 42 bis 44 dienenden Kugellager 45 bis 48 könnten auch weggelassen werden, wobei dann Mittel zur Verhin derung einer axialen Verschiebung der Dichtungs büchsen, beispielsweise aerodynamische Axiallager, vorzusehen wären. Die Büchsen wären dabei aero dynamisch oder hydrodynamisch gelagert und würden durch die von dem in den Ringspalten 55 bis 59 be findlichen Medium auf die Dichtungsbüchsen aus geübten Reibungskräfte angetrieben.