Schwimmringdichtung Die Erfindung betrifft eine Schwimmringdichtung zur Abdichtung des Durchtritts einer Welle durch eine Gehäusewand, mit einem Schwimmring, der sich unter dem Einfluss eines Sperrmediums in axialer Richtung dichtend an das Gehäuse anlegt, die Welle mit kleinem Spiel umschliesst und zur Anpassung an Wellenbewegun gen in radialer Richtung beweglich ist.
Die Wirkungsweise von Schwimmringdichtungen be ruht auf der Drosselwirkung eines zwischen Welle und Lagerbüchse gebildeten engen Spaltes. Die Schwimm ringe sind frei beweglich und zentrieren sich selbst, wo durch die Gefahr einer Berührung mit der Welle ver mindert wird. Sie bilden ein sehr sicheres Bauelement, da sie praktisch keinem Verschleiss unterworfen sind, und sind gegen Änderungen des Betriebszustandes un empfindlich.
Eine Schwimmringdichtung bekannter Ausführung ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Die Welle 1 ist von den Schwimmringen 2 umschlossen, die in einer Aus- nehmung der Gehäusewand 3 untergebracht und an der Innenseite mit Lagermetall 4 ausgefüttert sind. Sie dienen dazu, den unter hohem Druck stehenden Raum 5 gegen die Atmosphäre 6 abzudichten. Zu diesem Zwecke wird durch die Leitung 7 ein Sperrmedium, beispielsweise Drucköl, zugeführt, unter dessen Einfluss sich der Schwimmring mit der Dichtfläche 8 an die Innenfläche 9 des Gehäuses 10 anlegt.
Dabei genügt es, das Sperr medium mit verhältnismässig kleinem Überdruck gegen über dem Druck im Raume 5 zuzuführen, um ein Aus strömen aus dem Raum 5 in die Atmosphäre mit Sicher heit zu verhindern.
Die dabei auf dem rechten Ring in Fig. 1 einwirken den Kräfte, die ihn auf die Dichtfläche pressen, sind grösser als beim linken Ring, da auf der Aussenseite nur der niedrige Atmosphärendruck entgegenwirkt. Eine Entlastung kann in bekannter Weise dadurch erreicht werden, dass die Dichtfläche klein gehalten und so der Schwimmring vom Sperrmedium nahezu gänzlich um spült wird.
Es hat sich aber gezeigt, dass auch diese Konstruk tion nur bis zu Drücken von ca. 30 at anwendbar ist. Bei höheren Drücken wird nämlich die auf den Schwimm- ring einwirkende Axialkraft, welche von der Dichtfläche aufgenommen werden muss, so gross, dass der Ring den Bewegungen der Welle in radialer Richtung nicht mehr leicht folgen kann, was nur dann möglich ist, wenn die in der Dichtfläche auftretende Reibungskraft klein ist. Bei höheren Drücken im Sperrmedium, die z. B. 200 at betragen können, wird selbst bei knappster Dimensionie- rung der Dichtfläche die Axialkraft ausserordentlich hoch.
Dadurch werden auch die radialen Verschiebungs kräfte so gross, dass die Welle nicht mehr in den Lagern, sondern in den Schwimmringen geführt wird.
Es ist bekannt, das Druckgefälle zwischen Sperrme dium und Atmosphäre auf mehrere Ringe aufzuteilen (z. B. Zeitschrift (Konstruktion , 1964, Heft 8, S. 341), wodurch aber keine allseits befriedigende Lösung gefun den wurde. Die Abdichtung ist dadurch zwar besser zu beherrschen und der einzelne Ring ist leichter verschieb bar, die totale Verschiebungskraft für alle Ringe bleibt aber unverändert.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, den Ring einer Schwimmringdichtung auch bei den höchsten abzudichtenden Drücken radial beweglich zu erhalten. Die Lösung besteht erfindungsgemäss darin, dass der Schwimmring zur Druckentlastung seiner Dicht fläche sich über mindestens eine zusätzliche kraftüber tragende Fläche am Gehäuse abstützt. Durch die Tren nung der die Axialkräfte übertragenden Fläche von der Dichtfläche kann diese nach den Gesichtspunkten der Abdichtungsaufgabe praktisch frei dimensioniert werden.
Es ist dadurch möglich, die Dichtfläche in ihrer radialen Erstreckung kleinstmöglich zu bemessen, wodurch die Entlastungsfläche des Ringes vergrössert und so die Axialkräfte auf den Ring und damit die Ringverschiebe- kraft minimal wird.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung in Axialschnitt dargestellt. Es zeigen die Fig. 2, 3 und 4 mechanische Einrichtungen und Fig. 5 eine hydraulische Einrichtung zur Druckentlastung des Schwimmringes. In sämtlichen Figuren der Zeichnung sind gleiche Bauteile mit gleichen Hinweiszeichen ver sehen. Nach Fig. 2 ist der Schwimmring 2 an der Stirnfläche nahe dem Aussenumfang mit einem ringförmigen Wulst 11 versehen, mit dem er sich gegen einen in axialer Rich tung federnden Ring 12 abstützt, der im Gehäuse 10 untergebracht ist. Der Begriff Gehäuse ist dabei im wei ten Sinne zu verstehen, es kann damit z. B. auch ein mit dem Gehäuse fest verbundener Haltering gemeint sein.
Im Ring 12 sind mehrere Bohrungen 13 angeordnet, damit der zwischen dem Wulst und der Dichtfläche 8 gebildete Ringraum 14 verlässlich unter dem vollen Druck des durch die Leitung 7 zugeführten flüssigen oder gasförmigen Sperrmediums steht, wodurch der Schwimmring teilweise durckentlastet wird. Federnder Ring und Schwimmring sind so ausgebildet und aufein ander abgestimmt, dass sich unter dem Einfluss der auf den Schwimmring einwirkenden (in der Zeichnung nach rechts gerichteten) Axialkraft zuerst der Wulst an den federnden Ring anlegt, der elastisch verformt wird und so zumindest einen Teil der Axialkraft aufnimmt.
Dann erst kommt die Dichtfläche 8 am Gehäuse L0 zum Anliegen und dichtet das Sperrmedium gegen die At mosphäre ab. Der auf die Dichtfläche wirkende Druck ist nun weitaus geringer als die gesamte auf den Schwimmring einwirkende Axialkraft und kann je nach Ausbildung des federnden Ringes bis null verkleinert werden.
Der Schwimmring bleibt selbst bei höchstem Druck im Sperrmedium radial leicht beweglich, weil die Reibungskräfte in der Dichtfläche 8 nunmehr klein sind, ferner die Dichtfläche so klein gehalten werden kann, wie es zum Abdichten gerade notwendig ist und dadurch die Druckentlastung durch das den Schwimmring umge bende Sperrmedium gross wird, und endlich durch die gleitschuhähnliche Ausbildung des radial weit aussenlie genden Wulstes, wodurch in der zusätzlichen kraftüber tragenden Fläche ein hydrodynamischer Auftrieb erzielt wird, der einen kleinen Reibungskoeffizienten ergibt.
Der federnde Ring kann auch mit dem Schwimm ring verbunden sein. Nach Fig. 3 sind der Schwimmring 2 und der federnde Ring 15, der in diesem Falle mit dem Wulst 11 versehen ist, aus einem Stück hergestellt. Die erzielbare Wirkung ist die gleiche wie im vorigen Bei spiel. Zu erwähnen wäre noch, dass in beiden Ausfüh rungen der Wulst auch auf der Gegenfläche angeordnet sein kann, in Fig. 2 also auf dem federnden Ring 12, in Fig. 3 an der Innenwand 9 des Gehäuses 10. Die Wir kungsweise wird dadurch praktisch nicht geändert. Auch ist es nicht notwendig, dass der Wulst eine vollständig geschlossene Ringfläche bildet, sondern er könnte auch stellenweise unterbrochen sein.
Ferner wäre die Anord nung von zwei oder mehreren, konzentrisch angeordneten Wülsten möglich.
Nach Figur 4 werden die auf den federnden Ring 16 übertragenen Axialkräfte von Druckfedern 17 aufgenom men, die im Gehäuse 10 untergebracht sind. Natürlich wäre auch hier ein Wulst anwendbar, doch ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine andere Möglichkeit der Kraft übertragung gezeigt. Zwischen Schwimmring 2 und Ring 16 ist ein Wälzlager 18 angeordnet, wodurch statt der Gleitbewegung eine Rollbewegung ausgeführt wird. Das Wälzlager ist federnd aufgehängt, um es in der rich tigen Lage zu halten.
Die Wirkungsweise ist die gleiche, wie sie bei der Ausführung nach Fig. 2 beschrieben wurde. Zuerst neh men die Druckfedern 17 über den Ring 16 zumindest einen Teil der auf den Schwimmring einwirkenden Axial kräfte auf, bevor die Dichtfläche 8 an der Innenfläche des Gehäuses zum Anliegen kommt. Ring 16 und Druck- federn 17 können auch im Schwimmring 2 untergebracht sein.
Bei den Ausführungen nach den Figuren 2 bis 4 ist es nicht unbedingt nötig, dass die Dichtfläche 8 am Ge häuse anliegt und dabei noch einen Teil der Axialkräfte übernimmt. Es kann auch eine Viskositätsdichtung an gewendet werden, d.h. die zusätzliche Abstützfläche überträgt die gesamten Axialkräfte und die Dichtfläche kommt auf der Innenwand des Gehäuses nicht zum An liegen, sondern es bleibt noch ein Spalt bestehen, der allerdings genügend eng sein muss, um den Durchfluss des Sperrmediums derart zu drosseln, dass eine ausrei chende Dichtung vorhanden ist.
Eine andere Ausführung der Erfindung zeigt Fig. 5. Die zusätzliche kraftübertragende Fläche 19 ist als Dicht fläche ausgebildet. Der zwischen den beiden Dichtflä chen 8 und 19 entstandene Ringraum 14 steht mit der Druckleitung 20 in Verbindung. Durch diese Leitung wird ein Medium zugeführt, dass zweckmässigerweise das gleiche ist wie das Sperrmedium, jedoch unter höherem Druck als dieses steht. In diesem Falle können die bei den Leitungen 7 und 20 aus dem gleichen System ge speist werden, nur muss dann der Druck in der Lei tung 7 vorher reduziert werden, um tiefer zu sein als der Druck in der Leitung 20.
Bei dieser Einrichtung wirkt den Axialkräften das im Ringraum 14 gebildete Druckpolster entgegen. Je nach Bemessung des Druckes im Ringraum 14 kann die auf die beiden Dichtflächen ausgeübte Anpresskraft bis null verkleinert werden. Es ist zweckmässig, in die Druck leitung 20 ein Drosselorgan 21 einzubauen, um die in den Ringraum 14 strömende Sperrmediummenge so klein wie möglich zu halten. Auf diese Weise stellen sich bei den beiden Dichtflächen 8 und 19 minimale Spalte ein. Bei Vergrösserung dieser Spalte würde die austretende Sperrmediummen'ge sehr rasch zunehmen und das Druck system könnte wirkungslos werden.
Durch die erfindungsgemässe Druckentlastung der Dichtfläche des Schwimmringes bleibt dieser auch bei den höchsten vorkommenden Drücken im Sperrmedium radial leicht beweglich und die Möglichkeit einer Be schädigung der Dichtfläche oder ihrer Gegenfläche, mit der bei einer Verschiebung unter hohem Anpressdruck immer gerechnet werden muss, ist praktisch beseitigt.
Floating ring seal The invention relates to a floating ring seal for sealing the passage of a shaft through a housing wall, with a floating ring which, under the influence of a barrier medium, creates a seal against the housing in the axial direction, encloses the shaft with little play and for adaptation to wave movements in a radial direction Direction is movable.
The operation of floating ring seals be based on the throttling effect of a narrow gap formed between the shaft and the bearing bush. The floating rings move freely and center themselves, where the risk of contact with the shaft is reduced. They form a very safe component because they are practically not subject to wear and tear and are insensitive to changes in the operating state.
A floating ring seal of known design is shown in Fig. 1 of the drawing. The shaft 1 is enclosed by the floating rings 2, which are accommodated in a recess in the housing wall 3 and are lined with bearing metal 4 on the inside. They serve to seal off the space 5, which is under high pressure, from the atmosphere 6. For this purpose, a barrier medium, for example pressure oil, is fed through the line 7, under the influence of which the floating ring with the sealing surface 8 rests against the inner surface 9 of the housing 10.
It is sufficient to supply the barrier medium with a relatively small overpressure compared to the pressure in the room 5 to prevent a flow from the room 5 into the atmosphere with certainty.
The forces acting on the right ring in FIG. 1, which press it onto the sealing surface, are greater than on the left ring, since only the low atmospheric pressure counteracts on the outside. Relief can be achieved in a known manner in that the sealing surface is kept small and the floating ring is almost completely flushed by the barrier medium.
However, it has been shown that this construction can only be used up to pressures of approx. 30 at. At higher pressures, the axial force acting on the floating ring, which has to be absorbed by the sealing surface, becomes so great that the ring can no longer easily follow the movements of the shaft in the radial direction, which is only possible if the in the frictional force occurring on the sealing surface is small. At higher pressures in the barrier medium, the z. B. 200 at, the axial force is extremely high even with the smallest dimensioning of the sealing surface.
As a result, the radial displacement forces are so great that the shaft is no longer guided in the bearings, but in the floating rings.
It is known to divide the pressure gradient between barrier medium and atmosphere over several rings (z. B. Zeitschrift (Konstruktions, 1964, Issue 8, p. 341), but this did not result in a universally satisfactory solution. The seal is indeed better and the individual ring is easier to move, but the total displacement force for all rings remains unchanged.
The present invention has therefore set itself the task of keeping the ring of a floating ring seal radially movable even at the highest pressures to be sealed. According to the invention, the solution consists in the fact that the floating ring is supported on the housing via at least one additional force-transmitting surface in order to relieve pressure on its sealing surface. By separating the surface that transmits the axial forces from the sealing surface, it can be dimensioned practically freely according to the sealing task.
It is thereby possible to dimension the sealing surface as small as possible in its radial extension, whereby the relief surface of the ring is enlarged and the axial forces on the ring and thus the ring displacement force are minimal.
Several exemplary embodiments of the invention are shown in axial section in the drawing. 2, 3 and 4 show mechanical devices and FIG. 5 shows a hydraulic device for relieving pressure on the floating ring. In all figures of the drawing, the same components are seen with the same reference symbols. According to Fig. 2, the floating ring 2 is provided on the end face near the outer circumference with an annular bead 11 with which it is supported against a resilient ring 12 in the axial Rich direction, which is housed in the housing 10. The term housing is to be understood in the wei th sense, it can thus z. B. also mean a retaining ring firmly connected to the housing.
Several bores 13 are arranged in the ring 12 so that the annular space 14 formed between the bead and the sealing surface 8 is reliably under the full pressure of the liquid or gaseous barrier medium supplied through the line 7, whereby the floating ring is partially relieved of pressure. Resilient ring and floating ring are designed and matched to one another that under the influence of the axial force acting on the floating ring (in the drawing, directed to the right), the bead first rests on the resilient ring, which is elastically deformed and thus at least part of the Absorbs axial force.
Only then does the sealing surface 8 come to rest on the housing L0 and seal the barrier medium against the atmosphere. The pressure acting on the sealing surface is now much lower than the total axial force acting on the floating ring and can be reduced to zero depending on the design of the resilient ring.
The floating ring remains easily radially movable even at the highest pressure in the barrier medium because the frictional forces in the sealing surface 8 are now small, and the sealing surface can also be kept as small as it is necessary for sealing, thereby relieving the pressure caused by the floating ring Barrier medium is large, and finally through the slipper-like design of the radially far aussenlie lowing bead, whereby a hydrodynamic lift is achieved in the additional force-carrying surface, which results in a small coefficient of friction.
The resilient ring can also be connected to the swimming ring. According to FIG. 3, the floating ring 2 and the resilient ring 15, which in this case is provided with the bead 11, are made in one piece. The achievable effect is the same as in the previous example. It should also be mentioned that in both versions the bead can also be arranged on the mating surface, i.e. on the resilient ring 12 in FIG. 2 and on the inner wall 9 of the housing 10 in FIG. 3 changed. It is also not necessary for the bead to form a completely closed annular surface, but it could also be interrupted in places.
Furthermore, the arrangement of two or more concentrically arranged beads would be possible.
According to FIG. 4, the axial forces transmitted to the resilient ring 16 by compression springs 17 which are accommodated in the housing 10 are recorded. Of course, a bead could also be used here, but in this exemplary embodiment another possibility of power transmission is shown. A roller bearing 18 is arranged between floating ring 2 and ring 16, whereby a rolling movement is carried out instead of the sliding movement. The roller bearing is resiliently suspended to keep it in the correct position.
The mode of operation is the same as that described for the embodiment according to FIG. First, the compression springs 17 take over the ring 16 at least part of the axial forces acting on the floating ring before the sealing surface 8 comes to rest against the inner surface of the housing. Ring 16 and compression springs 17 can also be accommodated in the floating ring 2.
In the embodiments according to FIGS. 2 to 4, it is not absolutely necessary that the sealing surface 8 rests on the housing and still takes over part of the axial forces. A viscosity seal can also be used, i.e. the additional support surface transfers the entire axial forces and the sealing surface does not come to rest on the inner wall of the housing, but a gap still remains, which, however, has to be sufficiently narrow to restrict the flow of the barrier medium in such a way that a sufficient seal is created is available.
Another embodiment of the invention is shown in FIG. 5. The additional force-transmitting surface 19 is designed as a sealing surface. The annular space 14 created between the two sealing surfaces 8 and 19 is connected to the pressure line 20. A medium is fed through this line that is expediently the same as the barrier medium, but is under higher pressure than this. In this case, the lines 7 and 20 can be fed from the same system, but the pressure in the line 7 then has to be reduced beforehand in order to be lower than the pressure in the line 20.
In this device, the pressure cushion formed in the annular space 14 counteracts the axial forces. Depending on the dimensioning of the pressure in the annular space 14, the contact pressure exerted on the two sealing surfaces can be reduced to zero. It is useful to install a throttle element 21 in the pressure line 20 in order to keep the amount of barrier medium flowing into the annular space 14 as small as possible. In this way, there are minimal gaps in the two sealing surfaces 8 and 19. If this gap were to be enlarged, the escaping barrier medium quantity would increase very quickly and the printing system could become ineffective.
Due to the pressure relief of the sealing surface of the floating ring according to the invention, this remains easily radially movable even at the highest pressures occurring in the barrier medium and the possibility of damage to the sealing surface or its counter surface, which must always be expected in the event of a displacement under high contact pressure, is practically eliminated.