DE10062204A1 - Wellenabdichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine zwischen einer Welle und einer Gehäuseöffnung angeordnete Abdichtung, die zwei Räume unterschiedlichen Druckes bis auf einen verbleibenden Ringspalt, der eine durch einen Spaltstrom verursachte geringe Leckage zuläßt, voneinander trennt. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wellenabdichtung vorzuschlagen, die an die Stelle der zitierten Wellenabdichtungen treten kann und die bei geringem Aufwand für Bauteile, Montage und Wartung nur noch einen sehr geringen Leckvolumenstrom zuläßt. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine die Welle (2) dicht umschließende Buchse (13) mit einer oder mehreren Nuten (14), in welcher bzw. welchen jeweils ein durch einen längs verlaufenden Spalt (16, 17, 19) aufgetrenntes elastisches Ringelement (15, 18, 20, 21, 23) mit geringem axialen Spiel angeordnet ist, wobei die zwischen den axialen Stirnseiten eines Ringelementes (15, 18, 20, 21, 23) anstehende Druckdifferenz das Ringelement (15, 18, 20, 21, 23) dichtend an die Gehäuseöffnung (3) derart anlegt, daß der Spaltstrom über den zwischen der Nut (14) und dem Ringelement (15, 18, 20, 21, 23) vorhandenen Ringspalt geführt wird (Fig. 1).

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine zwischen einer Welle und einer Gehäuseöffnung angeordnete Abdichtung, die zwei Räume unterschiedlichen Druckes bis auf einen verbleibenden Ringspalt, der eine durch einen Spaltstrom verursachte geringe Leckage zuläßt, voneinander trennt.

Leckende Wellenabdichtungen, wie Schwimmringdichtungen oder Packungsstopf­ buchsen, versehen die Aufgabe, eine gewisse Druckdifferenz bei möglichst geringem Leckvolumenstrom abzudrosseln. Gemeinsam ist den bekannten Wellenabdichtungen der Nachteil, daß sie aufwendig gestaltet sind. Für Packungsstopfbuchsen gilt im übrigen, daß sie wegen der notwendigen Kontrolle und Wartung einen vergleichsweise hohen Bedienungsaufwand erfordern. Schwimmringdichtungen dagegen verursachen einen relativ hohen Leckverlust.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wellenabdichtung vorzuschlagen, die an die Stelle der zitierten Wellenabdichtungen treten kann und die bei geringem Aufwand für Bauteile, Montage und Wartung nur noch einen sehr geringen Leckvolumenstrom zuläßt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine die Welle dicht umschließende Buchse mit einer oder mehreren Nuten, in welcher bzw. welchen jeweils ein durch einen längs verlaufenden Spalt aufgetrenntes elastisches Ringelement mit geringem axialen Spiel angeordnet ist, wobei die zwischen den axialen Stirnseiten eines Ringelementes anstehende Druckdifferenz das Ringelement dichtend an die Gehäuseöffnung derart anlegt, daß der Spaltstrom über den zwischen der Nut und dem Ringelement vorhandenen Ringspalt geführt wird.

Bei der Montage der Wellenabdichtung kann das Ringelement aufgrund des auftrennenden Spalts aufgeweitet und über den Rand der Buchse geschoben werden, um schließlich in der es aufnehmenden Nut einzurasten. Der Spalt im Ringelement bildet, sofern er offen ist, eine fluidführende Verbindung zwischen den Stirnseiten des Ringelementes.

Durch das Ringelement wird der zwischen ihm und der Gehäuseöffnung bestehende Ringspalt verschlossen. Ein Spaltstrom fließt jetzt nur noch durch den Spalt im Ringelement selbst und durch den Spalt, der zwischen dem Ringelement und den benachbarten Wänden der das Ringelement aufnehmenden Nut bestehen.

Durch die unterschiedlichen Drücke, die in den Spalten zwischen den Stirnflächen des Ringelementes und den seitlichen Begrenzungswänden der zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite gelegenen Nut bestehen, entsteht eine auf das Ringelement wirkende Axialkraft. Diese Axialkraft verschiebt das Ringelement in Richtung der Niederdruckseite, wodurch die Weite des dortigen Ringspaltes reduziert und dessen Drosselwirkung erhöht wird.

Das tribologische Verhalten der Wellenabdichtung ist abhängig von der gewählten Werkstoffpaarung zwischen dem Ringelement und der dieses aufnehmenden Buchse sowie von der resultierenden Axialkraft, die die Stirnseite des Ringelementes gegen die Flanke der Nut drückt. Bei geeigneter Wahl der Ringgeometrie, d. h. dem Verhältnis der Ringlänge l zum inneren bzw. äußeren Ringdurchmesser d_i bzw. d_a, ist es möglich, die resultierende Axialkraft F_ax so weit zu reduzieren, daß die durch die Spaltverminderung verursachte Drosselwirkung erhalten bleibt, ohne daß zwischen der Ringstirn- und der Nutflankenfläche Abrieb durch Mischreibung entsteht, daß also ein hydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut wird und erhalten bleibt.

Aufgrund der wirkenden Kräfteverhältnisse ist das Ringelement selbsteinstellend. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Teil der Axialkraft durch die Haftreibungskraft, die durch das Anpressen der Ringmantelfläche an die Gehäusewand entsteht, unter Berücksichtigung des vorhandenen Haftreibungskoeffizienten µ, kompensiert wird.

Diese Bedingungen sind erfüllt, wenn die Ringelementgeometrie gemäß der Formel

gewählt wird.

Der Aufbau und der Erhalt des hydrodynamischen Schmierfilms werden durch in die Stirnoberfläche eingebrachte regelmäßige oder unregelmäßige Strukturen, wie Rillen, Nuten oder Vertiefungen, begünstigt. Längsbohrungen, die die axialen Stirnflächen verbinden, erhöhen die Schmierfilmbildung und verbessern die selbsteinstellende Wirkung des Ringelementes.

Der in einem Ringelement angeordnete Spalt weist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine die Spaltlänge vergrößernde Verlaufsform auf. Bei einer Draufsicht auf eine Abwicklung der Oberfläche eines Ringelementes verläuft der Spalt nicht geradlinig auf kürzestem Wege zwischen den Stirnseiten, sondern er weist einen schrägen, einen wellenförmigen, einen gebogenen, einen mäanderförmigen, einen zickzackförmigen oder einen beliebigen anderen, von einer Geraden abweichenden Verlauf auf. Eine solche Form des Spaltes erlaubt eine Beeinflussung der drosselnden Wirkung innerhalb des Spaltes.

Um die drosselnde Wirkung des Spaltes noch zu steigern oder den Spalt ganz zu verschließen, kann in den Spalt ein Dichtmittel eingefügt werden. Dies kann durch einen Dichtstreifen aus einem elastisch nachgiebigen Material gebildet werden. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann aber auch der den Ring auftrennende Spalt nach der Montage in die Nut der ihn tragenden Buchse durch Einbringen eines während seiner Verarbeitung fließfähigen Materials dicht verschlossen werden. Dabei ist zu beachten, daß die Möglichkeit der Ringaufweitung durch den anstehenden Druck durch eine solche Maßnahme nicht beeinträchtigt werden darf.

Das Ringelement selbst oder Teile hiervon können aus einem druckfesten elastischen Material bestehen.

Die Ausführungsformen sind nicht auf rechteckige Ringquerschnitte beschränkt. Vielmehr gilt die Wirkungsweise auch für Winkel- oder Trapezringausführungen.

Eine Besonderheit ergibt sich durch eine Serienanordnung mehrerer Ringe. Eine integrierte Anordnung wird dadurch erreicht, daß der Nutgrund und die Innenkontur des Ringelementes durch gerade oder anders geformte Einstiche ausgebildet sind und somit ineinandergreifen.

Die erfindungsgemäße Wellenabdichtung ist geeignet, an die Stelle einer Packungsstopfbuchse oder einer Schwimmringdichtung zu treten, also auch eine solche bei einer Nachrüstung zu ersetzen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt die

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Strömungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Wellenabdichtung, die eine Packungsstopfbuchse ersetzt;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer weiteren Strömungsmaschine mit einer erfindungsgemäße Wellenabdichtung, die an die Stelle einer Schwimmringdichtung tritt;

Fig. 3 und 4 ein in der erfindungsgemäßen Wellenabdichtung eingesetztes Ringelement in zwei Ansichten;

Fig. 5 bis 10 verschiedene alternative Ausführungen von Ringelementen.

Der in der Fig. 1 dargestellte Ausschnitt zeigt Teile eines Kreiselpumpengehäuses 1 und einer das Kreiselpumpengehäuse 1 durchdringenden Welle 2. Das Kreiselpumpengehäuse 1 besitzt eine Gehäuseöffnung 3, in welcher eine Wellenabdichtung angeordnet ist.

Im unteren Teil der Fig. 1 wird die Wellenabdichtung durch eine Packungsstopfbuchse 4 gebildet, deren einzelne Packungsringe 5 durch eine Stopfbuchsbrille 6 und mehrere über den Umfang verteilte Schraubbolzen 7 und Muttern 8 mit einer bestimmten Vorpressung gehalten werden. Um einen durch die Packungsringe 5 verursachten Verschleiß von der Welle 2 fernzuhalten, ist die Welle 2 von einer auswechselbaren Hülse 9 umschlossen. Um einen Leckstrom zwischen der Welle 2 und der Hülse 9 zu vermeiden, muß der zwischen diesen Teilen vorhandene Spalt durch eine statische Dichtung 10 verschlossen werden.

Die während des Betriebes der Kreiselpumpe gegebene Pressung der Packungsstopf­ buchse 4 ist entscheidend für den zwischen der Packungsstopfbuchse 4 und der Hülse 9 verbleibenden Spalt und damit für den Grad der Abdichtung. Dabei ist Sorge dafür zu tragen, daß die mit Hilfe der Muttern 8 erfolgende Einstellung der Pressung einerseits eine ausreichende Abdichtung erbringt, andererseits aber keine Hemmung der Welle 2 oder einen gesteigerten Verschleiß der Packungsstopfbuchse 4 und der Hülse 9 nach sich zieht. Da sich aber auch bei bester Einstellung der Pressung zwangsläufig ein gewisser Verschleiß ergibt, muß die Wellenabdichtung regelmäßig überprüft und von Zeit zu Zeit nachgestellt werden. Schließlich müssen die Packungsringe 5 und gegebenenfalls die Hülse 9 nach gegebener Zeit erneuert werden.

Es ist leicht erkennbar, daß die Wellenabdichtung mit einer Packungsstopfbuchse vom Aufbau und der Wartung her sehr aufwendig ist und daß bei mangelnder Kontrolle und Wartung mit einem erheblichen Anstieg der Leckvolumenmenge zu rechnen ist.

Die im unteren Teil der Fig. 2 dargestellte Schwimmringdichtung 11 bedarf eines wesentlich geringeren Wartungsaufwandes. Sie verursacht allerdings eine relativ hohe Leckvolumenmenge und ist daher nur in einem eng begrenzten Anwendungsspektrum einsetzbar. Im übrigen ist auch sie mit dem Nachteil eines aufwendigen Aufbaus belastet.

Die in den oberen Teilen der Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Wellenabdichtung 12 besitzt, wie bereits auf den ersten Blick erkennbar ist, einen relativ einfachen Aufbau mit nur wenigen, unkomplizierten Teilen: Auf die Welle 2 ist eine Buchse 13 aufgeschoben, die in einer Nut 14 ein Ringelement 15 trägt. Wie aus den Fig. 3 und 4 erkennbar ist, ist das Ringelement 15 mit einem axial verlaufenden Spalt 16 versehen. Der Spalt 16 läßt eine Verformung in der Weise zu, daß das Ringelement 15 über die Buchse 13 geschoben und in die Nut 14 zum Einrasten gebracht werden kann.

Das Ringelement 15 besitzt gegenüber den Stirnwänden der es aufnehmenden Nut 14 ein kleines Axialspiel. Dies ist im Hinblick auf die erreichbare Leckvolumenmenge und das tribologische Verhalten der Wellendichtung 12 von Bedeutung:
Während des Betriebes der Kreiselpumpe wird das Ringelement 15 durch die zwischen dem Pumpeninneren und der Atmosphäre herrschende Druckdifferenz und somit durch den sich im Spalt zwischen der Nut 14 und dem Innendurchmesser des Ringelemen­ tes 15 aufbauenden Druck einerseits dichtend gegen die Gehäuseöffnung 3 gepreßt; andererseits wird das Ringelement 15 axial in Richtung der atmosphärenseitig gelegenen Stirnfläche der Nut 14 gedrückt. Als Folge hiervon verengt sich der an dieser Stelle gelegene Spalt, seine Drosselwirkung erhöht sich und die Leckvolumenmenge verringert sich.

Das tribologische Verhalten der Paarung Nut 14/Ringelement 15 ist abhängig von den gewählten Werkstoffen für diese Paarung und von der resultierenden Axialkraft, die die Stirnseite des Ringelementes 15 gegen die Flanke der Nut 14 drückt. Die entsprechend der Formel

ausgelegte der Ringgeometrie (Verhältnis der Ringlänge l zum inneren bzw. äußeren Ringdurchmesser d_i bzw. d_a) führt dazu, daß die resultierende Axialkraft F_ax so weit reduziert ist, daß die Drosselwirkung aufgrund der Spaltverengung erhalten bleibt, ohne daß zwischen der Stirnfläche des Ringelementes 15 und der Flankenfläche der Nut 14 ein Abrieb durch Mischreibung entsteht, daß also ein hydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut wird und erhalten bleibt. Aufgrund der wirkenden Kräfteverhältnisse ist das Ringelement 15 selbsteinstellend. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Teil der Axialkraft durch die Haftreibungskraft, die durch das Anpressen der äußeren Mantelfläche des Ringelementes 15 an die Gehäuseöffnung 3 entsteht, unter Berücksichtigung des vorhandenen Haftreibungskoeffizienten µ, kompensiert wird.

Ein weiterer Weg für den Leckvolumenstrom ist durch den Spalt 16 im Ringelement 15 gegeben. Das Maß für den hier fließenden Leckvolumenstrom wird bestimmt durch die Weite und Länge des Spaltes 16, also durch die hier erzeugte Drosselwirkung. Die Drosselwirkung kann durch eine Veränderung des Verlaufs und damit der Länge des Spaltes 16 gesteigert werden. Die Fig. 5 und 6 zeigen Beispiele hierfür. Sowohl der wellenförmig verlaufende Spalt 17 im Ringelement 18 der Fig. 5 als auch der mäandernde Spalt 19 im Ringelement 20 der Fig. 6 vergrößern die für die Drosselung verfügbare Spaltlänge und damit die Drosselwirkung. Im übrigen ergibt sich eine zusätzliche Drosselwirkung durch die innerhalb eines Spaltes 17 bzw. 19 erfolgende Umlenkung des Leckstroms. Neben den dargestellten Spaltformen sind auch andere Ausführungen, wie ein gezackter Spaltverlauf oder beliebige Kombinationen verschiedener Linienführungen, möglich.

In den Fig. 7 und 8 ist als Alternative ein Ringelement 21 dargestellt, welches mit axial verlaufenden Bohrungen 22 versehen ist. Die Bohrungen 22 leiten Flüssigkeit von der Seite höheren Druckes auf die Seite geringeren Druckes des Ringelementes 21. Die an der dortigen Stirnseite austretende Flüssigkeit wirkt als Schmierfilm zwischen dieser Stirnseite und der benachbarten - hier nicht dargestellten - Nutwand.

In den Fig. 9 und 10 ist eine weitere alternative Gestaltung des Ringelementes dargestellt. Das dort gezeigte Ringelement 23 ist mit Einstichen 24 versehen, welche in entsprechende ringförmige Erhebungen innerhalb der Nut der das Ringelement 23 aufnehmenden - nicht dargestellten - Buchse eingreifen.

In der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt sind solche Ausführungen, bei denen der das Ringelement auftrennende Spalt durch ein zusätzlich einzubringendes Dichtmittel verschlossen wird. Ein solches Dichtmittel kann z. B. durch eine flexible Einlage im Spalt gebildet werden, welches bei der Einbringung des Ringelementes in das Gehäuse bzw. die dort angebrachte Büchse kurzzeitig verdichtet wird, um nach der folgenden Aufweitung des Ringelementes den Spalt auszufüllen. Es kann aber auch ein nach der Montage des Ringelementes in den Spalt eingebrachtes, bei der Verarbeitung fließfähiges Dichtmittel sein, welches den Spalt im Betriebszustand ausfüllt. Ein solches Dichtmittel ist je nach seiner Art und Anbringung geeignet, die Drosselwirkung des Spaltes zu steigern oder einen Leckvolumenstrom an dieser Stelle gänzlich zu verhindern.

Claims (17)

1. Zwischen einer Welle und einer Gehäuseöffnung angeordnete Abdichtung, die zwei Räume unterschiedlichen Druckes bis auf einen verbleibenden Ringspalt, der eine durch einen Spaltstrom verursachte geringe Leckage zuläßt, voneinander trennt, gekennzeichnet durch eine die Welle (2) dicht umschließende Buchse (13) mit einer oder mehreren Nuten (14), in welcher bzw. welchen jeweils ein durch einen längs verlaufenden Spalt (16, 17, 19) aufgetrenntes elastisches Ringelement (15, 18, 20, 21, 23) mit geringem axialen Spiel angeordnet ist, wobei die zwischen den axialen Stirnseiten eines Ringelementes (15, 18, 20, 21, 23) anstehende Druckdifferenz das Ringelement (15, 18, 20, 21, 23) dichtend an die Gehäuseöffnung (3) derart anlegt, daß der Spaltstrom über den zwischen der Nut (14) und dem Ringelement (15, 18, 20, 21, 23) vorhandenen Ringspalt geführt wird.

2. Wellenabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Ringelement (15, 18, 20, 21, 23) auftrennende Spalt (16, 17, 19) eine fluidführende, druckübertragende Verbindung zwischen den Stirnseiten des Ringelementes (15, 18, 20, 21, 23) bildet.

3. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Ringelement (18, 20) auftrennende Spalt (17, 19) eine die Spaltlänge vergrößernde Verlaufsform aufweist.

4. Wellenabdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (17, 19) einen schrägen, einen wellenförmigen, einen gebogenen einen mäander­ förmigen, einen zickzackförmigen oder einen beliebigen anderen, von einer Geraden abweichenden Verlauf aufweist.

5. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Abmessungen des Ringelementes (15, 18, 20, 21, 23) der Bedingung
genügen, wobei
d_a der äußere Durchmesser des Ringelementes,
d_i der innere Durchmesser des Ringelementes,
µ der Haftreibungskoeffizient und
l die Länge des Ringelementes ist.

6. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der niederdruckseitige radial durchflossene Dichtspalt zwischen Ringelement (15, 18, 20, 21, 23) und Nut (14) durch die hier wirkende resultierende Axialkraft auf einen Minimalwert eingestellt wird.

7. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (23) mit axialen, die Stirnseiten verbindenden Bohrungen (22) versehen ist.

8. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den das Ringelement (15, 18, 20, 21, 23) auftrennenden Spalt (16, 17, 19) ein Dichtmittel eingefügt ist.

9. Wellenabdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dichtstreifen aus einem elastisch nachgiebigen Material in den Spalt (16, 17, 19) eingefügt ist.

10. Wellenabdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein während seiner Verarbeitung fließfähiges, den Spalt (16, 17, 19) im Betriebszustand verschließendes Dichtmittel eingefügt ist.

11. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen des Ringelementes (15, 18, 20, 21, 23) mit einer Profilierung oder mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Strukturen, wie Rillen, Nuten oder Vertiefungen, versehen sind.

12. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringelement (15, 18, 20, 21, 23) oder Teile hiervon aus einem druckfesten elastischen Material bestehen.

13. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement einen von der rechteckigen Form abweichenden Querschnitt, wie eine Winkel- oder Trapezform, besitzt.

14. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Serienanordnung mehrerer Ringelemente innerhalb einer entsprechenden Anzahl von Nuten in der Buchse.

15. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund der Nut (14) der Buchse (13) und die Innenkontur des Ringelementes (23) durch gerade oder anders geformte Einstiche gebildet werden, welche bei montierter Wellenabdichtung (1) ineinandergreifen.

16. Verwendung einer Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Austauschdichtung für eine Packungsstopfbuchse.

17. Verwendung einer Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 im Austauschdichtung für eine Schwimmringdichtung.