Stopfbüchspackung Die Erfindung betrifft eine Stopfbüchspackung, die aus einer Mehrzahl von ungeschmierten geteilten Dicht ringen zusammengesetzt ist, insbesondere für Kolben stangen von Trockenlaufverdichtern.
Bei der Hintereinanderschaltung mehrerer gleich artiger Dichtringe in Stopfbüchspackungen bekannter Bauart wird der Druck an den einzelnen Dichtringen entlang der Stopfbüchspackung ungleichmässig abge baut, da das Volumen der Leckgasmenge bei der an jedem Dichtring entstehenden Entspannung zunimmt, wodurch sich unter der Voraussetzung eines an allen Dichtringen gleichen Spaltquerschnitts der Durchfluss- widerstand von Ring zu Ring ständig erhöht.
Da der auf den einzelnen Dichtring wirkende Dif ferenzdruck die Anpressung seiner Dichtfläche an die Gleitfläche des abzudichtenden Körpers, beispielsweise stimmt, entstehen bei Dichtringen der bekannten Stopf- büchspackungen ein unterschiedlicher Abrieb und un- einer Kolbenstange oder einer sich drehenden Welle be- terschiedliche Betriebstemperaturen, so dass unter Um ständen örtliche Überhitzungen auftreten kön nen.
Es ist bekannt, an einem mehrstufigen Verdichter die genannten Nachteile dadurch zu umgehen, dass man verschiedene Stellen längs einer Stopfbüchspackung mit Hilfe je einer Gasleitung an die verschiedenen Stufen des Verdichters anschliesst und damit eine gleichmässi gere Druckverteilung in der Stopfbüchspackung er zwingt. Diese Lösung des Problems ist jedoch nicht möglich, wenn sich beispielsweise die Stopfbüchspak- kung an einem einstufigen Hochdruck- oder Nachschalt- verdichter befindet.
Auch ist es bekannt, die Dicht ringe zu ihrer Entlastung mit Dichtflächen und den Aussenumfang verbindenden Kanälen für das Leckgas zu versehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, zumindest einen Teil der Dichtringe derart zu entlasten, dass möglichst alle Dichtringe wenigstens an- nähernd gleichmässig, aber vermindert belastet und so mit zumindest annähernd einem gleichen und geringe ren Verschleiss ausgesetzt sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die bei mindestens einem Teil der Dichtringe zu ihrer Entlastung vorge sehenen, die Dichtfläche und den Aussenumfang ver bindenden Strömungskanäle für das Leckgas als Dros selstellen für das an die Dichtflächen geleitete Leckgas ausgebildet.
Durch die Drosselung in den Strömungskanälen kann die Strömung des Leckgases nunmehr derart an passbar sein, dass bei allen Dichtringen der Stopfbüchs- packung ein gleicher Druckabfall und damit gleiche Anpressdrücke an den Dichtflächen erzielt werden kön nen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Dichtfläche der Dichtringe Längsnuten aufweisen, die das Ende der Strömungswege mit der dem Minder druck zugewandten Breitseite der Dichtringe verbinden. Im Falle, dass der Druckausgleich zwischen der dem Überdruck zugewandten Breitseite irgendwelcher Dicht ringe und deren Aussenseite nicht wie in bekannter Weise ohne weiteres vor sich geht, können diese Dicht ringe auf der dem Überdruck zugewandten Breitseite Radialnuten aufweisen, durch die sich der Druck von dieser bis zur Aussenseite des Ringes fortpflanzen kann.
Wenn einem solchen Druckausgleich also konstruktive Gegebenheiten entgegenstehen, kann sich dadurch der Druck an der Aussenseite mit dem am Dichtring herr schenden überdruck ausgleichen.
Für eine besonders gute und dauerhafte Dichtwir kung können die Dichtringe aus durch Teilung des Ringes nach mindestens zwei zu an der inneren Boh rung gleichmässig verteilt angeordneten Stellen etwa tangential im gleichen Drehsinn heranführenden Teil fugen gebildeten Segmenten bestehen.
Ferner kann es zweckmässig sein, in Richtung des Druckabfalls vor den Dichtringen radial geteilte Deckringe anzuordnen. Dabei können die Deckringe und die Dichtringe Vor- richtungen enthalten, welche die Deckringe in einer sol chen Lage gegenüber den Dichtringen halten, dass die Segmente der Deckringe die tangentialen Teilfugen der Dichtringe überdecken.
Die Segmente der tangential geteilten Dichtringe können bei Materialabrieb an den Dichtflächen mittels einer Umschlingungsfeder auf die Gleitfläche des abzu dichtenden Körpers nachgeschoben werden. Die Seg mente der radial geteilten Deckringe können so ausge bildet sein, dass sie sich an den Teilfugen nicht berüh ren; sie können sich dann unter dem Einfluss des Ab riebs an der Dichtfläche auf die Gleitfläche des abzu dichtenden Körpers nachschieben.
Wegen der dabei entstehenden hohen Reibungswärme kann es aber er wünscht sein, dass die Deckringe auf der Gleitfläche nicht fest aufliegen. In diesem Falle sind die Segmente der Deckringe zweckmässig so ausgebildet, dass sie sich an den Teilfugen brühren.
Um die Dichtringe, deren Werkstoff vorteilhaft mit Rücksicht auf die Gleiteigenschaften und weniger auf die Formbeständigkeit ausgewählt wird, gut lagern und die Reibungswärme gut abführen zu können, können in Richtung des Druckabfalls nach den Dichtringen Stützringe angeordnet sein, deren Innendurchmesser grösser als der Durchmesser des abzudichtenden Kör pers ist. Um die Stützringe gut einbauen zu können, ist es vorteilhaft, diese radial zu teilen, wobei sich die dabei entstehenden Segmente entlang den Teilfugen be rühren.
Die geteilten Deckringe und Stützringe können eben falls mittels Umschlingungsfedern zusammengehalten sein. Hierbei berühren die Dichtflächen der radial ge teilten Stützringe die Gleitfläche des abzudichtenden Körpers nicht.
Bisher ist es bekannt, dass einer Mehrzahl von Dichtringen Drosselringe mit radialer Teilung und dich tem Stoss in Richtung des zu erzeugenden Druckab falls vorangesetzt sind. Diese Drosselringe berühren im allgemeinen die Gleitfläche des abzudichtenden Körpers mit ihren Dichtflächen nicht, so dass der Leckgasstrom durch den Spaltquerschnitt zwischen Dichtfläche und Gleitfläche gross und die erzeugte Druckdifferenz klein ist.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung sind daher in Richtung des Druckabfalls nach der Mehrzahl der Dichtringe radial geteilte Drosselringe angeordnet, deren Segmente sich an den Teilfugen berühren. Diese Anordnung erzeugt einen grösseren Druckabfall im Leckgas, weil sich das Leckgas beim Durchtritt durch die Spaltquerschnitte an den Dichtringen bereits weit gehend entspannt und somit sein Volumen wesentlich vergrössert hat.
Bei einer besonders einfachen Ausführungsform kann das Material der Dichtringe porös sein, wobei die Porosität, also die Durchlässigkeit des Materials, die gedrosselten Strömungswege für das Leckgas bilden kann.
Da die Leckgasmenge sich in ihrem Volumen ver ändert und jeder Dichtring einen zumindest annähernd gleichen Druckabfall erzeugen soll, kann es zweckmäs sig sein, die Strömungswege der in Richtung des Druck abfalls aufeinander folgenden Dichtringe mit zuneh mendem Querschnitt auszubilden, ihre Anzahl zu ver- grössern oder durch grössere Porosität des Materials zu vergrössern. Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungs gegenstandes sind anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen etwa tangential zum inneren Ring durchmesser geteilten Dichtring in Aufsicht, Fig. 2 bis 4 Segmente dieses Dichtringes in Seiten ansicht, Fig. 5 den Querschnitt eines Segmentes, Fig. 6 einen dreifach radial geteilten Deckring in Aufsicht, Fig. 7 das Zusammenwirken des Deckringes gemäss Fig. 6, mit einem Dichtring, im Schnitt, Fig. 8 den Querschnitt eines Drosselringes und Fig. 9 und 10 verschiedene Ausführungsformen ei ner Stopfbüchspackung,
die sich in der Anordnung der Drosselringe unterscheiden.
In der Fig. 1 haben die Segmente des Dichtringes die Bezugszeichen 1, 2 und 3. Diese Segmente sind durch die tangentialen Teilfugen 4, 5 und 6 voneinan der abgetrennt. Die tangentialen Teilfugen 4, 5 und 6 setzen sich in den radialen Teilfugen 7, 8 und 9 fort. An den tangentialen Teilfugen 4, 5 und 6 berühren sich die Segmente 1, 2 und 3. Die radialen Teilfugen 7, 8 und 9 bilden zumindest bei den Dichtringen in neuem Zustand grössere Spalte, die durch die Seg mente eines Deckringes abgedeckt werden und durch Verschleiss im Laufe der Betriebszeit sich verengen.
Die tangentialen Teilfugen 4, 5 und 6 verlaufen also nicht direkt tangential auf die Dichtfläche im in neren des gezeigten Dichtringes zu, sondern berühren einen gedachten Zylindermantel mit einem grösseren Durchmesser als dem Durchmesser des von der Dicht fläche umgebenen Zylinders entspricht. Dadurch wird es vermieden, dass die Segmente des in Fig. 1 gezeig ten Dichtringes in dünnen Schneiden endigen, welche bei der Berührung mit der abzudichtenden Fläche im allgemeinen leicht abbrechen würden.
An der Aussenseite des in Fig. 1 gezeigten Dicht ringes verläuft eine Ringnut 10, deren Tiefe aus dem in Fig. 1 eingezeichneten, gestrichelten Kreis zu ersehen ist. In die Ringnut 10 wird eine ringförmig geschlos sene Schraubenfeder eingelegt, welche die Segmente 1, 2 und 3 des Dichtringes zusammenhält und an die Gleitfläche des abzudichtenden Körpers andrückt.
Das Segment 2 des in Fig. 1 gezeigten Dichtringes enthält ausserdem einen wenig herausragenden Zapfen 11. Dieser Zapfen 11 stellt eine Vorrichtung dar, wel che die noch zu beschreibenden Deckringe in einer sol chen Lage gegenüber den Dichtringen hält, dass die Segmente der Deckringe die tangentialen und radialen Teilfugen der Dichtringe überdecken. Bei dem vorlie genden Beispiel können auch an den entsprechenden Stellen der Segmente 1 und 3 Zapfen für denselben Zweck angeordnet sein. Es genügt jedoch in den mei sten Fällen, dass ein Segment des Dichtringes einen Zapfen aufweist.
In den folgenden Figuren 2 bis 5 sind gleiche Teile in Übereinstimmung mit der Fig. 1 mit gleichen Be zugsziffern gekennzeichnet.
Die Figuren 2a und 2b stellen ein Segment des Dichtringes nach Fig. 1 in der Aufsicht und einer Sei tenansicht dar. Das Segment enthält senkrecht zur Dichtfläche 13 eine Bohrung 12, welche einerseits in der Quernut 14 und andererseits in der Höhlung 15 endigt. Durch diese Bohrung 12 kann Leckgas von der Aussenseite des Segments bzw. des Dichtringes an der in der Ringnut 10 liegenden Schraubenfeder vorbei an die Dichtfläche 13 gelangen, wobei sich der Druck des Gases durch die Quernut 14 auf die Dichtfläche 13 verteilt. Dabei ist der durch die Bohrung 12 gegebene Strömungskanal als Drosselstelle für das Leckgas aus gebildet.
In den Fig. 3a und 3b ist ein Segment des Dicht ringes nach Fig. 1 in Aufsicht und einer Seitenansicht dargestellt, welches zunächst dieselben Merkmale wie das Segment nach Fig. 2a und 2b aufweist. Als Beson derheit enthält die Dichtfläche 13 zwei Längsnuten 16, welche das Ende des Strömungsweges mit der dem Minderdruck zugewandten Breitseite 17 des Segments verbinden.
In den Fig. 4a und 4b ist ein Segment des Dicht ringes nach Fig. 1 in Aufsicht und einer Seitenansicht dargestellt, welches drei Bohrungen 18, 19 und 20 ent hält. Diese Bohrungen endigen jeweils an der Aussen seite des Segmentes in eine von drei Höhlungen 21 und an der Dichtfläche 13 in eine von drei Höhlungen 22. Hierbei verläuft lediglich die Bohrung 18 noch senkrecht zur Dichtfläche 13, während die Bohrungen 19 und 20 entsprechend der Verteilung der Höhlungen 21 diese mit den Höhlungen 22 verbinden. Die Bohrungen 18, 19 und 20 bilden hier zusammen mit den Höhlungen die Drosselstellen für das Leckgas, durch die der Gas druck von der Aussenseite auf die Dichtfläche 13 ein wirken kann.
In Fig. 5 ist der Querschnitt eines Segments nach den Fig. 2 und 3 als Drosselstelle für das an die Dicht fläche geleitete Leckgas dargestellt.
Die Fig. 6 stellt einen dreifach radial geteilten Deck ring dar, dessen Segmente sich an den Teilfugen 23, 24 und 25 nicht berühren. Auch der Deckring enthält an der Aussenseite eine Ringnut 26, in die eine ring förmig geschlossene Schraubenfeder einlegbar ist. In der Stopfbüchspackung werden die Segmente 27, 28 und 29 des Deckringes nach Fig. 6 durch den Zapfen 11 in einer ganz bestimmten Lage zu dem Dichtring nach Fig. 1 gehalten. Hierbei liegt der Zapfen 11 in einem Spalt der Teilfuge 24 zwischen den Segmenten 27 und 28 des Deckringes.
Um die Reibung an der abzudich tenden Fläche zu vermindern, kann der Deckring auch mit dichten Radialspalten ausgebildet sein. Der Zapfen 11 greift dabei in eine passend angeordnete Nut ein.
In Fig. 7 ist ein Deckring nach Fig. 6 in Zusam menwirkung mit einem Dichtring nach Fig. 1 im Schnitt dargestellt. Gleiche Teile haben in Fig. 7 in überein stimmung mit den Figuren 1 und 6 gleiche Bezugszif fern. Der in Fig. 7 dargestellte Schnitt verläuft in den Figuren 1 und 6 von dem gemeinsamen Zapfen aus radial durch die Mitte der jeweils dargestellten Ringe. Hierbei überdecken die Segmente 28 und 29 des Deck ringes nach Fig. 6 die Teilfugen 8 und 9 des Dicht ringes nach Fig. 1.
In der Fig. 8 ist ein Drosselring im Schnitt darge stellt, welcher zwei- oder mehrfach geteilt sein kann, aber nicht geteilt sein muss. Wenn der Drosselring ge teilt ist, kann er im allgemeinen leichter auf den abzu dichtenden Körper, beispielsweise einer Kolbenstange, montiert werden. Auf die Funktion hat die Teilung des Drosselringes keinen Einfluss, weil die Segmente eines geteilten Drosselringes sich in jedem Fall an den Teil fugen berühren und auch durch Federelemente nicht nachgeschoben werden können. Ein zwei- oder mehr fach geteilter Drosselring hat am Umfang der Aussen seite eine geschlossene Ringnut 30, in die eine in sich geschlossene Schraubenfeder eingelegt ist. Diese hält die Segmente des Drosselringes zusammen.
Die Dicht fläche 31 des Drosselringes muss die abzudichtende Fläche nicht berühren und unterliegt deshalb nur einem geringen oder gar keinem Verschleiss.
Die Figuren 9 und 10 stellen verschiedene Stopf- büchspackungen gemäss der vorliegenden Erfindung dar. In beiden Figuren sind wiederum gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Jede Stopfbüchs- packung ist nur zur Hälfte im Schnitt dargestellt, wo bei eine Kolbenstange 32 als abzudichtender Körper von einem Stopfbüchsengehäuse 33 umgeben ist.
Das Stopfbüchsengehäuse endigt an der einen Seite in einer Labyrinthdichtung oder einer ähnlichen be rührungslosen Drosselstrecke 34. In das Stopfbüchs- gehäuse 33 sind die Elementträger 35, 36 und 37 so wie eine Kammerstütze 38 eingepasst und werden durch den Flansch 39 festgehalten, welcher die Stopfbüchs- packung an dem der Drosselstrecke 34 gegenüberlie genden Ende abschliesst.
Ein Elementträger 35 umfasst jeweils einen Deck ring 40 nach Fig. 6, einen Dichtring 41 nach Fig. 1 und - falls wegen der zu erwartenden Druckdifferenz erforderlich - einen Stützring 42. Die Stützringe 42 können den in Fig. 8 dargestellten Deckringen nach gebildet sein. Sie sind aber im allgemeinen nicht so dick wie die Deckringe und bestehen vorzugsweise aus einem Metall mit guten Trockenlaufeigenschaften.
Der Elementträger 36 umfasst jeweils 2 gleiche Drosselringe 43 nach Fig. B. Durch den Elementträger 37 werden jeweils zwei gleiche Dichtringe 44 gehalten, welche den in Fig. 1 gezeigten Dichtringen nachgebil det sein können, aber nicht die in Fig. 2 bis 5 darge stellten Kanäle aufweisen.
Die Kammerstütze 3 8 ist weitgehend den Element trägern 35, 36 und 37 nachgebildet und hat ein Loch 45, an das man eine Rohrleitung zum Ableiten von Ga sen anschliessen kann. Auch das Gehäuse 33 enthält ein Loch 46 an der Stelle, an der das Loch 45 der Kammerstütze 38 zu liegen kommt. Das Loch 46 ist grösser als das Loch 45 und ermöglicht den Anschluss einer Rohrleitung.
Alle zur Anwendung kommenden Ringe sind zu mindest aus Gründen der Montagevereinfachung mehr fach geteilt, wobei die Segmente der Ringe durch in sich ringförmig geschlossene Schraubenfedern 48 zu sammengehalten und an die Kolbenstange 32 ange drückt werden.
Die Elementträger 35, 36 und 37 haben die Auf gabe, abstandshaltend die Kräfte von den Ringen der Stopfbüchspackung aufzunehmen und an das Stopf büchsengehäuse 33 weiterzugeben. Gleichzeitig wird die durch Reibung entstehende Wärme von den Ringen der Stopfbüchspackung über die Elementträ ger nach aussen weitergeleitet. Durch die Kammerstütze 38 wird eine Kammer 47 zwischen den Ringen der Stopfbüchspackung erzeugt, in der sich Leckgase sam meln, welche durch die am Loch 45 angeschlossene Rohrleitung abgeleitet werden.
In der Stopfbüchspackung nach Fig.9 sind nun mehr drei Elementträger 35 mit jeweils einem Deck ring 40, einem Dichtring 41 und einem Stützring 42 hinter der Drosselstrecke 34 angeordnet. Dann folgt ein Elementträger 36 mit zwei Drosselringen 43 sowie eine Kammerstütze 3 8 und wiederum ein Elementträ ger 37 mit zwei Dichtringen 44 bekannter Bauart.
Wenn an dem von der Drosselstrecke 34 abgeschlos senen Ende der Stopfbüchspackung ein Überdruck ge genüber dem von dem Flansch 39 abgeschlossenen Ende herrscht, so wird der Druck insbesondere durch die Deckringe 40 und Dichtringe 41 in den Element trägern 35 entlang der Kolbenstange 32 abgebaut. Mit dem Druckabbau ist eine erhebliche Volumen- vergrösserung in den durchströmenden Leckgasen ver bunden. Die Leckgase mit dem erhöhten Volumen wer den nunmehr weiterhin durch die Drosselringe 43 in dem Elementträger 36 entlang der Kolbenstange 32 entspannt.
Die Leckgase sammeln sich in der durch die Kammerstütze 3 8 gebildeten Kammer 47 und werden durch die Löcher 45 und 46 abgezogen. Die Dicht ringe 44 in dem Elementträger 37 schliessen die Kam mer 47 von aussen ab.
Die Stopfbüchspackung nach Fig. 10 unterscheidet sich von der Stopfbüchspackung nach Fig. 9 lediglich in der Reihenfolge der Elementträger und der darin enthaltenen Ringe.
Hierbei wird der Druck zwischen der Drosselstrecke 34 und dem Flansch 39 insbeson dere in vier hintereinandergeschalteten Elementträgern 35 und den dazu gehörigen Deckringen 40, Dichtrin gen 41 und Stützringen 42 abgebaut. In der nachgeord neten Kammer 47 sammeln sich die entspannten Leck gase, welche durch die an dem Loch 45 angeschlossene Rohrleitung abgezogen werden. Zwei Drosselringe 43 oder Dichtringe beliebiger Bauart, welche in einem Elementträger 36 enthalten sind, schliessen die Kammer 47 nach aussen hin ab.
Das Kennzeichen dieser Erfindung, nämlich die zur zwangsläufigen Drosselung des Leckgases in die Dichtringe eingearbeiteten Strömungskanäle, ist nicht nur auf die als Beispiel in Fig. 1 angeführten dreiteili gen Dichtringe mit tangential liegenden Teilfugen be grenzt. Diese Kanäle können auch in Dichtungen an derer Teilung, zum Beispiel vierteilig oder sechsteilig, angeordnet werden und dabei die gleiche Wirkung er zielen.