DE10117079C2

DE10117079C2 - Modulgleitringdichtungssystem

Info

Publication number: DE10117079C2
Application number: DE2001117079
Authority: DE
Inventors: Juergen Kaestner
Original assignee: KOETHENER SPEZIALDICHTUNGEN GM
Current assignee: KOETHENER SPEZIALDICHTUNGEN GM
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2001-04-04
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2021-04-05
Also published as: DE10117079A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitringdichtungssystem in einzel- und in patronenmontierter Bauweise, welches in maschinentechnischen Anlagen zur Bewegung oder Förderung hochviskoser Medien Verwendung findet und in Stufen wachsenden Anforderungen bzgl. der Zentrierung, der Quenchung und der Doppelabdichtung Rechnung trägt, ohne den kostenintensiven Ersatz bereits vormontierter Ausführungen vornehmen zu müssen.

Dabei wird auch zusätzlich mittels weiterer Modifizierungen die Wärmeableitung z. B. im Be reich des mit entsprechender Temperatur konfrontierten, d. h. medienzugewandten, O-Ringes verbessert und die Aufrechterhaltung der Elastizität des O-Ringes unterstützt.

Dem Stand der Technik folgend, existieren Lösungen, die in der Literatur nach folgenden Grundtypen unterschieden werden:

- Gleitringdichtung mit Gruppen- oder Einzelbefederung, die im Produktraum angeordnet sind und dadurch mit dem wirkenden Druckgradienten gleichgerichtet arbeiten.
- Gleitringdichtung mit Gruppen- oder Einzelbefederung, die außerhalb des Produktraumes angeordnet und dadurch vor dem Medium geschützt arbeiten. Ihre Anpreßwirkung muß aber entgegen des wirkenden Druckgradienten aufgebaut werden.

Die o. g. Grundversionen sind in einzel- oder patronenmontierter Bauweise bekannt.

Ihre Anwendung kann als einfachwirkende Gleitringdichtung, als gequenchte Gleitringdichtung oder als doppeltwirkende Gleitringdichtung vorgenommen werden. Nachteilig bei allen Prinziplösungen ist die Zuordnung zu einer der oben beschriebenen Federanordnungen im stationären oder rotierenden Teil.

Es werden damit immer die Vorteile der nicht verwendeten Federanordnung aufgegeben und Nachteile der verwendeten Federanordnung in Kauf genommen.

Diese Zweiteilung in der Gleitringdichtung-Philosophie führte in der Vergangenheit zu einer Vielzahl verschiedener Lösungen, deren Zuordnung für optimale Anwendungsaufgaben durch den Anwender immer komplizierter wird.

Einen besonderen Platz in der modernen Dichtungstechnik nehmen mehr und mehr die patronenmontierten Gleitringdichtungen ein.

Leider steigen mit wachsender Ausbaustufe auch die Kosten und die Baugröße oft überdimensional an. Die große Baulänge kann bei Belastungen der Antriebswelle zum Verkanten der Gleitringe führen und somit zum Ausfall der Dichtung.

Ein weiterer Nachteil muß in den engen Führungen der Gleitringe gesehen werden, wodurch die Beweglichkeit derselben eingeschränkt wird.

Nur aufwendige Sonderkonstruktionen, wie sie beispielsweise von den Firmen AES und GLE in Form eines beweglichen Gegenringes angeboten werden, können das Problem lösen.

Ebenfalls nachteilig bei allen Gleitringdichtungen ist die formschlüssige Verständigung zwischen Gleitring und rotierenden Teilen.

Dadurch werden Schwingungen und Stöße von der Antriebswelle auf die Gleitringe verstärkt übertragen. Bei stark klebenden Medien und häufigen An- und Abfahrvorgängen kann das zur Zerstörung der Gleitringe oder der Formschlußelemente führen.

Ein weiterer Nachteil gequenchter oder doppeltwirkender Gleitringdichtungen, insbesondere in kompakter Patronenbauweise besteht darin, daß die Quench- bzw. Sperrflüssigkeit nicht in jedem Fall optimal an die zu kühlende Gleitfläche herangeführt wird. Aufwendige Pumpsysteme, z. B. von GLE verhelfen zu einer Lösung, führen jedoch zu hohen Kosten und zum weiteren Anstieg der Baugröße.

Gemäß der DE 37 00 888 A1 wird eine Gleitringabdichtung zum Abdichten einer hinsichtlich einer Wandung rotierenden Achse vorgeschlagen, wobei Gleit- und Dichtungsring an ihren Berührungsflächen, insbesondere mittels Schrumpfung über eine konvexe Ausformung des Gleit oder Dichtungsringes, auch bei Temperaturschwankungen, eine dauerhafte radiale und axiale Abstützung realisieren. Es bleibt indessen dahingestellt, ob die gewählte Anordnung auch geeignet ist, ruckartige Anfahrvorgänge in schwergängigen Medien (Bitumen, Zuckerlösungen etc.) und teilweise leichten Auslenkungen der rotierenden Elemente elastisch abzufangen. Auf die den angedeuteten Betriebsbedingungen geschuldeten Kühlprobleme wird nicht weiter eingegangen.

Mit den beschriebenen Nachteilen behaftet kann der bekannte Stand der Gleitringdichtsysteme nicht befriedigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzubieten, mit der eine nur geringe Baugrößenerweiterung bei wachsenden Anforderungen an die Dichtungsproblematik möglich ist, indem auf vorhandene Grundmuster, ohne Komplettersatz, zurückgegriffen wird, die Lebensdauer der Gleitringdichtung besonders unter dem Einfluß hoher Temperaturen des anstehenden Mediums erhöht wird, durch den Einsatz einer Redundanzanfederung und eines integrierten Pumpmechanismus', der die Kühlflüssigkeit optimal in die Bereiche hoher Temperatur fördert und durch ein speziell gestaltetes Spannkegelsystem, das auch bei sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten gänzlich auf formschlüssige Mitnahmeelemente verzichtet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 10.

Zur erfindungsgemäßen Lösung sollen weitere Erläuterungen folgen.

Das modulare Gleitringdichtungssystem baut sich ausgehend von einem Basismodul, das eine neuartige Spannkegelkombination mit O-Ringen aufweist, schrittweise zu einem Doppeldich tungsmodul auf, wobei letztendlich primär-, d. h. medienseitig und sekundär-, d. h. atmosphärseitig umfassender Schutz gegen austretendes Medium erreicht wird.

Das Basismodul, bestehend aus einem Spannkegel, der sich auf einer Hohlsteckwelle befindet, einem O-Ring, Gleit- und Gegenring, wobei sich letzterer über einen weiteren O-Ring am Gehäuseflansch abstützt, erhält sekundärseitig in einer 1. Stufe über die verlängerbare Hohlsteckwelle eine die Wellenfluchtung unterstützende Zentriereinheit, das Zentriermodul. Es umschließt in seiner Ausbildung den bereits im Basismodul integrierten Zentrier- und Pumpring und wirkt stabilisierend auf radiale Wellenbewegungen. Der Zentrier- und Pumpring selbst weist an seinem inneren Durchmesser mehrere spiralförmig, gebogene "Verzahnungen" auf, sodaß bei Quench- oder Sperrwasserbetrieb, infolge seiner Rotation die Kühlflüssigkeit in Richtung der primärseitig vorhandenen Spannkegelkombination verwirbelt wird, was durch eine großgängige Spiralfeder, die sich auf der Hohlsteckwelle befindet, bzgl. des gewünschten richtungsgebundenen Transports, unterstützt wird.

Bereits in dieser Ausbildung zeigt sich, daß keine formschlüssigen Mitnahmeelemente verwendet werden und die Torsionsmomente in voller Höhe über die im Basismodul ange ordneten einfach- oder doppeltangeordneten Spannkegelkombinationen mittels der aus Elastomeren bestehenden O-Ringe übertragen werden.

In einer 2. Stufe erfährt das bis hier eingesetzte System zur Erhöhung der sekundärseitigen Dichtwirkung mittels Anpassung der Hohlsteckwelle an neu aufzunehmende Bauteile eine Erweiterung in der Weise, daß die zweiteilige Hohlsteckwelle teleskopartig in eine nächst vorhandene Rastung, die sich auf ihrem inneren Durchmesser des kleineren Teils befindet, gezogen und mittels versenkter Madenschrauben erneut fixiert wird. Dadurch ist es möglich, das bereits vorhandene Zentriermodul in umgekehrter Weise in Richtung medienzugewandter Seite, zu platzieren und zur weiteren Vervollkommnung der Abdichtung in einer bereits im Zentriermodul vorhandenen Nut einen O-Ring einzubetten sowie im nach außen weisenden Abschluß des Zentriermoduls einen Radialwellendichtring anzuordnen. Der Verlängerung der Hohlsteckwelle wird insofern Rechnung getragen, indem ein Distanzring zur Sicherung der "inneren" Stabilität am Ende der Hohlsteckwelle aufgeschoben wird. Auch diese konstruktive Ausbildung eignet sich für drucklosen Quenchbetrieb.

Der geringfügigen Erweiterung der Baugruppe wird ebenso hier mit der Neujustierung der Hohlsteckwelle gefolgt, wobei mehrere Distanzringe Verwendung finden. Einen außerordentlichen nützlichen Effekt zur Aufrechterhaltung der ggf. nachlassenden Elastizität der die Torsionsmomente übertragenden O-Ringe erfüllt dabei eine sich gegen den O-Ring und Gleitring abstützende Sinusfeder aus elastischem Federstahl.

Zum Schutz des Gleitringes, der ggf. eine Siliciumlegierung aufweist und damit druck unempfindlich gegenüber der punktuellen Anlage der Sinusfeder ist, befindet sich vor dem Gleitring ein Stützring, der auch eine günstigere, flächige Krafteinleitung gewährleistet.

Mit dieser 3. Stufe werden auf höchstem Niveau die Probleme von Zentrierring und Dichtung bzgl. erkennbar gewachsener Anforderungen in kompakter Bauweise gelöst, ohne bereits vorhandene oder scheinbar ungeeignete Elemente ersetzen zu müssen, wobei die Kraftüber tragung der Torsionsmomente auch bei höheren Temperaturen und zerstörungsfrei, bei etwaigem ruckartigem Anfahren der Aggregate erfolgen kann.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Dabei wird auf folgende Darstellungen zurückgegriffen:

Fig. 1 Schnittdarstellung Basismodul

Fig. 2 Schnittdarstellung Basismodul mit Zentriermodul

Fig. 3 Schnittdarstellung mit gedrehtem Zentriermodul und Radialwellendichtring

Fig. 4 Schnittdarstellung Basismodul mit gedrehter Einzeldichtung kombiniert

Fig. 5 Schnittdarstellung der Einzeldichtung (Übersichtsdarstellung) Die im einzelnen verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutungen: 1 Spannkegel
2 Gleitring
3 O-Ring
4 Gegenring
5 Hohlsteckwelle
6 Gehäuseflansch
7 O-Ring
8 Kühlmittelzuführung
9 Zentrier- und Pumpring
10 Druckfeder
11 Rastungen
12 O-Ring
13 Radialwellendichtring
14 Madenschraube
15 Distanzring
16 O-Ring
17 Distanzring
18 Sinusfeder
19 O-Ring
20 O-Ring
21 Gleitring
22 Stützring
23 Zentriermodul
24 Bund
25 Bund

Ein als Grundausführung vorliegendes Basismodul enthält eine Spannkegelkombination, be stehend im wesentlichen aus dem auf einer Hohlsteckwelle 5 aufgearbeiteten Spannkegel 1, dem Gleitring 2 und dem O-Ring 3.

In Weiterführung einer Baukastenbauweise wird zur Zentrierung von Wellen und Gehäuse ein Zentriermodul 23 sekundärseitig auf die Hohlsteckwelle 5 geschoben, wobei der in Richtung des Gehäuseflansches 6 weisende Bund 24 den Zentrier- und Pumpring 9 umschließt, der seinerseits mit der Druckfeder 10 in Wirkkontakt steht.

In Weiterführung der Baukastenbauweise wird die Druckfeder 10 gegen den Gleitring 2 geschoben. Diese übernimmt die Funktion einer Redundanzfeder zum bereits beschriebenen primärseitigen Spannkegelsystem. Sie schließt sich am Zentriermodul 23 mit Zentrier- und Pumpring 9 an, der auf die Hohlsteckwelle 5 geschoben, ihr das Basismodul die Zentrierung zwischen Hohlsteckwelle 5 und Gehäuse sicherstellt. Auf dem Umfang des inneren Teils der Hohlsteckwelle 5 befinden sich Rastungen 11 in doppelringförmig versetzter Anordnung, die mittels in sie einschraubbarer Madenschrauben 14 zur Fixierung der teleskopartig erweiterbaren Hohlsteckwelle 5 nutzbar sind.

Dies tritt dann ein, wenn zur Verbesserung der sekundärseitigen (atmosphärenseitig) Dichtungswirkung weitere Maßnahmen zu treffen sind und die Hohlsteckwelle 5, leicht auseinandergezogen in eine nächste Rastung 11 zu fixieren ist. Dabei bleibt das vorgenannte Zentriermodul 23 als Bauteil, allerdings in gedrehter Anordnung, erhalten, wobei in einer vorbereiteten Nut der O-Ring 12 und in den jetzt nach außen weisenden Bund 24 des Zentriermoduls 23 der Radialwellendichtring 13 plaziert wird.

Ebenfalls wird ein O-Ring 20 zur Abdichtung der Hohlsteckwelle 5 in die dafür vorbereitete Nut platziert. Der leicht sekundärseitig zugenommenen Baugröße wird insofern Rechnung getragen, als zur Überbrückung im Innern der Hohlsteckwelle 5 der Distanzring 15 eingesetzt wird.

Innerhalb dieser Modulversion übernimmt der Zentrier- und Pumpring 9 die Aufgabe, die im Innern des Gehäuses über die Rotation der Hohlsteckwelle 5 mitgerissene Flüssigkeit in eine axiale Richtung zu lenken. Dabei ist die Gestaltung des Zentrier- und Pumpringes 9 so vorzunehmen, daß sein kleinstmöglicher Durchmesser von mindestens 3 gebogenen "Verzahnungen" dem äußeren Durchmesser der Hohlsteckwelle 5 im hinteren Bereich und der größte dem der gebogenen "Verzahnungen" bzgl. des inneren Durchmessers von Druckfeder 10 entspricht. Weiterhin sollen dabei diese gebogenen "Verzahnungen" in Drehrichtung der Gleitringdichtung ausgeführt sein, wobei ein Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften und geringer Härte gegenüber dem der Hohlsteckwelle 5 verwendet werden sollte.

In Bezug auf den Flüssigkeitstransport wird dieses Anliegen durch die Druckfeder 10 unterstützt, welche in dieser speziellen Anordnung als eine Art "archimedischer Wasserschnecke" fungiert.

Dadurch ist es möglich, eine Kontaktströmung zwischen Quencheingang und -ausgang zu vermeiden und so die Quenchflüssigkeit direkt an die wärmeproduzierende Gleitfläche zu lenken.

Falls der Dichtungsproblematik ein noch höherer Stellenwert zuzumessen ist, wird in abermaliger Anpassung der Hohlsteckwelle 5 - unter Weglassung des bis hier modi fiziert eingesetzten Zentriermoduls 23 - eine komplette Einzeldichtung, gemäß Fig. 5, sekundärseitig vorgesehen und als Besonderheit zur Aufrechterhaltung der "inneren Spannung" in den beiden kombinierten Spannkegelkombinationen, beispielsweise vor der sekundärseitigen, eine ringförmige, gewellte Sinusfeder 18 eingebettet. Durch diese Maßnahme wird die bei höheren Temperaturen zwangsläufig nachlassende Elastizität des "federnden" O-Ringes 19 kompensiert.

Beim Einsatz der mehrfach erwähnten Spannkegelkombinationen sollte darauf geachtet werden, daß der größere Spannkegelwinkel direkt auf der Hohlsteckwelle 5 platziert ist und der kleinere im Innern des Gleitringes 2 eingearbeitet ist.

Die bereits erwähnten O-Ringe 16, 20 sowie die Distanzringe 17 sind auch für diese Ausführung vorgesehen.

Bei einem Silizium-Gleitring 21 wird zur Vermeidung mechanischer Beschädigung ein Stützring 22 zwischen diesen und der Sinusfeder 18 eingesetzt.

Die Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Ein Steckwellensystem läßt eine baukastenartige "Aufrüstung" zu.
2. Integration zweier voneinander unabhängig wirkender Federsysteme, wodurch über einen längeren Zeitraum als bisher, Gleitringdichtungen mit aus elastomeren Werkstoffen
3. bestehenden O-Ringen, einsatzfähig sind und die Vorteile beider Federanordnungsprinzipien, Werkstoff-Feder 1, 2, 3 im rotierenden Teil und Druckfeder 10 im Stationärteil, nutzbar sind.
4. Druckloser Quenchbetrieb oder druckbeaufschlagter Sperrwasserbetrieb mit hoher Kühlwirkung mittels zweckmäßiger und multifunktionaler "Steuerelemente", wie Zentrier- und Pumpring 9 und Druckfeder 10 (Wirkung als "archimedische Wasserschnecke").
5. Stoßgedämpfte Übertragung der Torsionsmomente auch bei ruckartigem Anfahren der Aggregate, wobei auf sonst übliche Feder (Schraub-)/Stiftpaarungen im Primärbereich bekannter Gleitringdichtungen verzichtet wird, und damit formschlüssige Verbindungen nicht zerstört werden können.

Claims

1. Modulgleitringdichtungssystem, bestehend aus bekannten Bauteilen, nämlich Spannkegel (1), Gleitring (2), O-Ring (3) und Quenchzuführung (8), dadurch gekennzeichnet, daß sekundärseitig das Zentriermodul (23) mit zwei unterschiedlichen Bünden (24, 25) auf die teleskopartig, erweiterungsfähige Hohlsteckwelle (5) variabel wendbar aufgesetzt werden kann und dabei stets mit einem Zentrier- und Pumpring (9) und der Druckfeder (10) in Verbindung steht.

2. Modulgleitringdichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zen triermodul (23) durch eine komplette Einzeldichtung, bestehend aus einer Spannkegel kombination mit O-Ringen (16, 19), Gleitring (21) unter Beibehaltung von Zentrier- und Pumpring (9) und Druckfeder (10), einsetzbar ist und zusätzlich die Sinusfeder (18) über den Stützring (22) mit dem Gleitring (21) in Kontakt steht.

3. Modulgleitringdichtungssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlsteckwelle (5) doppelringförmig, versetzt angeordnete Rastungen (11) besitzt, in die in den äußeren Teil der Hohlsteckwelle (5) einschraub- und versenkbare Madenschruben (14) eingreifen.

4. Modulgleitringdichtungssystem nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Dis tanzringe (15, 17) im Innern der Hohlsteckwelle (5) eingesetzt sind.

5. Modulgleitringdichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Zentriermodul (23) ein weiterer O-Ring (12) und der Radialwellendichtring (13) eingesetzt sind.

6. Modulgleitringdichtungssystem nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit druckloser oder druckbeaufschlagter Kühlflüssigkeit, eingeleitet über die Kühlmittelzuführung (8), gearbeitet wird.

7. Modulgleitringdichtungssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Spannkegelwinkel direkt auf der Hohlsteckwelle (5) platziert ist und der kleinere im Innern des Gleitringes (2) eingearbeitet ist.

8. Modulgleitringdichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Durchmesser eines Zentrier- und Pumpringes (9) von mindestens 3 gebogenen Verzahnungen dem äußeren Durchmesser der Hohlsteckwelle (5) im hinteren Bereich und der größte Durchmesser der gebogenen Verzahnungen dem inneren Durchmesser der Druckfeder (10) entspricht.

9. Modulgleitringdichtungssystem nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogenen Verzahnungen in Drehrichtung der Gleitringdichtung ausgeführt sind und ein Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften und geringer Härte gegenüber dem der Hohlsteckwelle (5) verwendet wird.

10. Modulgleitringdichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ba sisausführung der Gegenring (4) zwischen dem Gleitring (2) und dem Gehäuseflansch (6) angeordnet ist.