DE10159638A1

DE10159638A1 - Vorrichtung zum Abdichten einer Wellendurchführung

Info

Publication number: DE10159638A1
Application number: DE2001159638
Authority: DE
Inventors: Roman Bart; Herbert Britz; Peter Schweiss; Harald Hes; Rolf Wenske; Heinz Bischoff; Herbert Weibl
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2003-06-26

Abstract

Die Vorrichtung dient zum Abdichten einer Wellendurchführung durch eine Trennwand (13). Eine dynamische Dichtung übernimmt die Dichtfunktion, solange die Welle (2) rotiert. Um auch während des Wellenstillstandes abdichten zu können, ist zusätzlich ein Dichtring (1) vorgesehen mit einer Dichtfläche, die dann gegen eine Gegenfläche (6) angedrückt wird. Wenn der Dichtring (1) mit der Welle (2) mitrotiert, reduziert sich die Andruckkraft, eventuell hebt sich die Dichtfläche auf Grund der Zentrifugalkraft von der Gegenfläche (6) ab, so dass Reibung, Verschleiß und Beschädigung verhindert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Vorrichtungen der oben genannten Art werden in einer großen Anzahl und Vielfältigkeit verwendet. Der typische Fall für eine Anwendung ist eine Maschine mit einem feststehenden Gehäuse, in dem sich ein von außen angetriebener Rotor befindet. Solche Maschinen können z. B. Pumpen oder Bearbeitungsmaschinen sein, um nur diese zu nennen. Da in der Regel innerhalb des Gehäuses ein anderer Druck herrscht als außerhalb, ist es erforderlich, an der Wellendurchführung eine Abdichtung vorzunehmen. Auch hierzu sind bereits eine Vielzahl von Dichtvorrichtungen bekannt, die sich auch in vielen Anwendungen bewährt haben. Eine spezielle Ausführungsform solcher Abdichtvorrichtungen ist die sogenannte dynamische Dichtung. Bei dieser wird infolge der Drehung, z. B. der Welle, ein umlaufender Fluidring erzeugt, der den Spalt zwischen den beiden Räumen so ausfüllt, dass eine Abdichtung erfolgt. Auf Grund der Zentrifugalkräfte ist ein solcher Fluidring in der Lage, eine Gegenkraft gegen die zwischen diesen beiden Räumen anliegende Druckdifferenz zu erzeugen und eine vorgesehene Position beizubehalten. Dynamische Dichtungen haben insbesondere den Vorteil, dass sie keine relativ zueinander bewegte, sich berührenden Teile aufweisen, die bekanntlich einem mehr oder weniger großen Verschleiß unterworfen sein können. Starker Verschleiß führt zum Versagen der Dichtung, zu Betriebsstörungen und zusätzlichen Wartungsarbeiten. Daher werden dynamische Dichtungen in vielen Fällen bevorzugt. Das gilt auch dort, wo eventuell ein etwas höherer apparativer Aufwand zur Herstellung einer solchen Dichtvorrichtung erforderlich ist.
Aus einsichtigen Gründen können dynamische Dichtungen ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen, wenn die rotierbare Welle still steht oder eine zu geringe Drehzahl hat. Daher besteht die unerwünschte Möglichkeit, dass z. B. bei Abstellen einer Pumpe auf Grund des noch vorhandenen Überdruckes im Pumpengehäuse Flüssigkeit austritt. Um das zu verhindern, ist es auch bekannt, zusätzlich zur dynamischen Dichtung eine weitere Dichtung einzubauen, die mit sich berührenden Dichtflächen versehen ist. Damit ist zwar das Problem des Abdichtens im Stillstand gelöst, aber um den Preis, dass wiederum verschleißgefährdete Dichtflächen vorhanden sind. Ein weiterer Nachteil ist die durch Reibung verursachte höhere Leistungsaufnahme der abgedichteten Maschine.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Abdichten einer Wellendurchführung zu schaffen, mit der es möglich ist, die bereits genannten Vorteile der dynamischen Dichtung zu verbinden mit einer sicheren Abdichtung auch bei Stillstand der Welle.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale vollständig gelöst.

Der mitrotierbare Dichtring am Umfang der Welle kann nämlich dann, wenn dynamische Dichtung wirksam ist, mitlaufen, ohne dass er die Gegenfläche berührt. Zumindest erfolgt eine Entlastung an dieser Stelle, d. h. dass die Kraft, mit der die Flächen gegeneinander gedrückt werden, reduziert wird. Dadurch werden die bereits genannten Nachteile vermieden. Bei Stillstand der Welle wird keine Zentrifugalkraft mehr erzeugt, und die Dichtfläche des Dichtringes legt sich mit der benötigten Dichtkraft an die Gegenfläche an. Dabei kann der Dichtring so ausgebildet und eingebaut sein, dass die Druckdifferenz, die sich bei Wellenstillstand zwischen den beiden Räumen einstellt, die Dichtfläche des Dichtringes an die Gegenfläche drückt. Sie wirkt dann ähnlich wie eine Rückschlagklappe. Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung von elastischen, also durch Verspannen erzeugten Kräften, die außerdem den Vorteil haben, dass die Dichtwirkung bei Stillstand schnell und damit ohne größere Leckage eintritt. Natürlich können auch beide Arten kombiniert werden.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet für die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung sind Maschinen, die mit papierfaserhaltiger Suspension betrieben werden, z. B. sogenannte Stoffpumpen, Refiner oder Entstipper. Suspensionen, die zur Herstellung von Papier benötigt werden, enthalten neben einer großen Menge von Wasser, z. B. 95%, die Papierfasern und neben anderen Stoffen eine bestimmte Menge von mineralischen Stoffen, wie z. B. Kaolin oder andere Füllstoffe bzw. Pigmente. Die Fasern neigen dazu, sich an den Dichiflächen von berührenden Dichtungen abzusetzen, zu entwässern und dort zu Störungen oder gar Zerstörung der Dichtung zu führen. Dem wird zwar gelegentlich durch Sperrwasser gespülte Packungsdichtungen begegnet, aber auch diese haben beträchtliche Nachteile, was Wartungsfreundlichkeit und Energieverluste betrifft. Hinzu kommt, dass das bereits erwähnte Kaolin eine sehr stark schmirgelnde Wirkung hat und daher gerade bei solchen Dichtungen zu einem hohen Verschleißrisiko führt. Wegen der bereits genannten Vorteile der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtungen können in der Papierindustrie die Nachteile bekannter Konstruktionen vermieden werden.

Ein typisches Beispiel ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtung in Maschinen, deren Welle mit einer Drehzahl zwischen 700 und 1500 UpM betrieben wird. Bei der Annahme, dass der Wellendurchmesser 100 mm beträgt, ergeben sich dann je nach Größe des umlaufenden Dichtringes Werte für die Zentrifugalbeschleunigung, die zwischen dem 30-Fachen und 150-Fachen der Erdbeschleunigung liegen. Die dadurch erzeugten Zentrifugalkräfte müssen ausreichen, die beweglichen Teile des Dichtringes, die die Dichtfläche tragen, so zu dehnen, dass die in den Ansprüchen genannten Bedingungen erfüllt werden. Aus diesem Grund wird man diese Teile relativ elastisch halten. Andererseits darf aber auch die Dichtwirkung bei Wellenstillstand nicht dadurch beeinträchtigt werden, dass diese genannten Teile uneben werden, also eine Art Wellenform bilden. Das kann durch spezielle Ausführungsformen verhindert werden, bei denen die die Dichtfläche bzw. Dichtflächen tragenden Teile relativ steif sind, aber elastisch genug, um eine Radialdehnung auf Grund der . Zentrifugalkräfte zuzulassen. Sie können auch in ihrem Querschnitt verdickt sein, was zusätzlich den Vorteil hat, dass die durch das Zentrifugalfeld erzeugten Kräfte ansteigen.

Auf spezielle Ausführungsformen des Dichtringes wird im Zusammenhang mit den Zeichnungen noch eingegangen werden.

Der Dichtring muss normalerweise keine relativ zueinander bewegten Flächen abdichten (statische Dichtung). Es ist daher ohne funktionelle Nachteile möglich, ihn geteilt auszuführen, z. B. aus zwei Segmenten über je 180 Grad herzustellen. Dann ist ein Tausch sehr einfach durchzuführen, da die Welle eingebaut bleibt. Die Teilung kann das Öffnen der Dichtung durch die Zentrifugalkräfte erleichtern.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 und 2 den Schnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtvorrichtung (oberer Teil) bei zwei verschiedenen Betriebszuständen;
Fig. 3 bis 6 jeweils Varianten der erfindungsgemäß gestalteten Dichtstelle;
Fig. 7 und 8 Ansichten in axialer Richtung gesehen auf spezielle Dichtringe;
Fig. 9 und 10 weitere Varianten;
Fig. 11a und 11b doppeltwirkende Dichtung in zwei verschiedenen Betriebszuständen.
Eine erfindungsgemäß abgedichtete Wellendurchführung ist in Fig. 1 schematisch, also ohne konstruktive Details, dargestellt. Durch eine nur zum Teil gezeigte Trennwand 13 verläuft die rotierbare Welle 2, die hier auf der rechten Seite fliegend gelagert ist, und auf der linken Seite ein schematisch dargestelltes Kreiselpumpenlaufrad antreibt. Bei einer solchen Maschine muss der Innenraum, in dem sich das Pumpenlaufrad befindet, abgedichtet werden gegenüber dem äußeren Raum, also der Umgebung. Auf der dem zu pumpenden Medium zugewandten Seite der Dichtungsstelle befindet sich eine dynamische Dichtung, gebildet im Wesentlichen durch eine von der Welle angetriebene Scheibe 4, auf der sich eine Anzahl von Förderrippen 3 befindet. In der schon beschriebenen Weise erzeugt diese dynamische Dichtung einen umlaufenden Flüssigkeitsring, wobei die Flüssigkeit identisch ist mit der, die durch die Pumpe gefördert wird. Diese Flüssigkeit ist in der Figur durch kleine Wellenlinien angedeutet. Die statische Dichtung mit dem erfindungsgemäß gestalteten mitrotierbaren Dichtring 1 befindet sich, axial gesehen, zwischen der dynamischen Dichtung und der Umgebung. Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Betriebszustand, bei dem die Welle 2 und damit der Dichtring 1 rotiert, bildet sich auf Grund der Zentrifugalkräfte ein Spalt 7 (übertrieben groß gezeichnet) zwischen dem Dichtring 1 und der nicht rotierenden Gegenfläche 6. In anderen Fällen findet zumindest eine Reduzierung der Kraft statt, mit der der Dichtring 1 gegen die Gegenfläche 6 drückt. Grundsätzlich kann die Gegenfläche 6 gegen Verschleiß geschützt werden, z. B. durch Härten, Hartverchromen oder Nitrieren. Auch Keramikschichten können von Vorteil sein. Der Dichtring 1 selbst kann zumindest an den Dichtflächen aus PTFE ("Teflon") bestehen, um auch hier Reibung und Verschleiß zu reduzieren.
Der Betriebszustand ändert sich, wenn gemäß Fig. 2 durch Anhalten der Welle 2 die Wirkung der dynamischen Dichtung nicht mehr möglich ist und das sich im Pumpengehäuse befindende Fluid auf Grund eines Überdrucks gegenüber der Umgebung gegen die vorspringenden Teile des Dichtrings 1 drückt. Infolge dieser Andruckskraft schließt sich der Spalt, so dass die erforderliche Dichtwirkung einsetzen kann.
Aus diesen Figuren geht auch hervor, wie sich grundsätzlich die Andruckskraft der statischen Dichtung einstellen lässt. Hierzu dient der Schiebering 12, der nicht mitrotiert, axial verschiebbar und gegenüber der Trennwand 13 abgedichtet ist. Die Verschiebung dieses Schieberinges 12 kann mit Vorteil von außen durch eine Einstellvorrichtung 14 erfolgen. Für Notfälle, d. h. bei Versagen der statischen Dichtung, kann der Schiebering 12 so weit verschoben werden, bis er an dem O-Ring 11 anliegt und abdichtet.
Fig. 3 zeigt die statische Dichtstelle noch etwas detaillierter. Der Dichtring 1 kann so aufgebaut sein, dass er aus drei Teilen unterschiedlicher Funktion besteht, nämlich einem die Dichtfläche tragenden Druckring 8, einem mit der Welle 2 verbundenen Spannring 10 sowie einem Verbindungsteil 9 zwischen diesen beiden Ringen. Der Spannring 10 kann prinzipiell ähnlich wie bei normalen Radialdichtringen (Simmerringen) ausgebildet sein. Die Gegenfläche ist bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel kreisringförmig, so dass die Dichtlippe 5, welche die Dichtfläche des Dichtrings 1 bildet, axial gegen die Gegenfläche 6 gedrückt werden muss, um die Dichtwirkung zu erzielen. Der radial äußere Teil des Druckringes 8 ist hier verdickt ausgeführt, was eine höhere Zentrifugalkraft erzeugt und die Form dieses Teiles stabilisiert, um die schon genannte Wellenbildung zu vermeiden. Das Verbindungsteil 9 dagegen, das also den Druckring 8 mit dem Spannring 10 verbindet, wäre dann relativ weich elastisch auszuführen. Dadurch, dass Spannring 10 und Druckring 8 zueinander axial versetzt angeordnet sind, erfolgt bei einer radialen Aufweitung des Druckringes 8 auch eine gewisse Axialbewegung der Dichtlippen.
Es kann aber auch von Vorteil sein, gemäß Fig. 4 eine Gegenfläche 6' zu wählen, die die Form eines Kegelstumpfes hat. In einem solchen Fall ist durch die radial nach außen wirkenden Zentrifugalkräfte die Trennung der Dichtfläche von der Gegenfläche 6' leichter erreichbar. Bei dem in dieser Figur gezeigten Beispiel hat der Dichtring 1 zwei Dichtlippen, was aber nicht immer erforderlich ist.
In Fig. 5 sind Maßnahmen dargestellt, um den relativ empfindlichen Teil der Dichtung vor mit der Flüssigkeit mittreibenden Feststoffteilen zu schützen. Das können z. B. Papierfasern oder Schmutzteilchen sein. Hierzu ist die Gegenfläche 6' axial in den Schiebering 12' hineinverlegt.
Um die Zentrifugalkräfte am Druckring zu erhöhen, kann es zweckmäßig sein, kleine Gewichtskörper 15 (Fig. 6) in den Druckring 8 einzusetzen, z. B. einzugießen. Bei entsprechend hoher Dichte der Gewichtskörper 15 bewirkt das weit mehr als die im Zusammenhang mit Fig. 3 erwähnten Verdickungen. Ähnliche Dichtkörper könnten sich auch außerhalb des Druckrings befinden.
Die Fig. 7 und 8 zeigen jeweils eine Ansicht in axialer Richtung, etwa frontal auf die Dichtfläche, die hier exemplarisch als Dichtlippe 5 gezeichnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Druckring 8' an seinem Außendurchmesser nicht durchgehend, sondern ist dort mit einem Stollenprofil versehen. Die radial nach außen vorstehenden Stollen 16 sind geeignet, zusätzliche Zentrifugalkräfte zu erzeugen. Da sie jedoch im radial äußeren Bereich nicht in Umfangsrichtung zusammenhängen, erzeugen sie nur wenig Widerstand gegen die gewünschte Radialausdehnung des Dichtringes. Mit Vorteil ist es auch möglich, in diesen Stollen 16 - ähnlich wie in Fig. 6 gezeigt - Gewichtskörper 15 zu integrieren. Eine ähnliche Wirkung wie die in Fig. 7 gezeigte Form entfaltet die in Fig. 8, bei der der äußere Teil des Druckringes 8" mit einer Anzahl von radialen Einschnitten 17 versehen ist, wodurch ebenfalls eine gute radiale Verformbarkeit des Dichtrings gewährleistet ist. Die radiale Länge dieser Einschnitte 17 kann je nach Anforderungen variiert werden.
Fig. 9 zeigt insofern ein Extrembeispiel als hier die Gegenfläche 6" zylindrisch ist, so dass die Zentrifugalkraft, die am äußeren Teil des Dichtringes 1 angreift, auch ohne Axialverformung zu einer maximalen Entlastung zwischen Dichtfläche und Gegenfläche führt. Im Gegensatz dazu ist bei dem in Fig. 10 gezeigten Beispiel die Gegenfläche 6 kreisringförmig. Außerdem ist bei diesem Beispiel der Druckring 8 nicht mit einer Dichtlippe versehen, sondern er dichtet breitflächig ab. Solche breitflächigen Dichtflächen sind auch bei anderen Ausführungen denkbar.
In speziellen Fällen kann es von Vorteil sein, dass der Dichtring beim Angreifen der Zentrifugalkräfte gegen eine äußere Gegenfläche 18 gedrückt wird, wodurch die Radialbewegung begrenzt wird und eine neue Dichtfläche entsteht. Dieses Beispiel ist in Fig. 11a im Ruhestand und Fig. 11b im Betriebszustand, also bei rotierender Dichtung, dargestellt.
Es ist davon auszugehen, dass neben den hier gezeigten Formen auch noch weitere Möglichkeiten bestehen, um Dichtvorrichtungen gemäß den Ansprüchen auszugestalten. Im Wesentlichen kommt es darauf an, die radial nach außen wirkenden Zentrifugalkräfte so einzusetzen, dass zumindest eine starke Entlastung oder auch eine Öffnung an den Dichiflächen erreicht wird. Gleichzeitig müssen die Dichtflächen beim Andruck gegen die Gegenflächen eine stabile Form annehmen, die ein gutes Abdichten garantiert.
Auch zu den Verwendungsmöglichkeiten sind bisher nur Beispiele genannt. Alternativen sind z. B. Wellendurchführungen zwischen zwei innerhalb desselben Gehäuses liegenden Kammern, wie sie z. B. bei mehrstufigen Pumpen vorkommen.

Claims

1. Vorrichtung zum Abdichten einer Wellendurchführung, bei der eine rotierbare Welle (2) durch mindestens eine Trennwand (13) zwischen zwei gegeneinander abzudichtenden Räumen hindurchgeführt wird, wobei zwischen diesen Räumen eine dynamische Dichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass sich am Umfang der Welle (2) ein mitrotierbarer Dichtring (1) befindet, der mindestens eine umlaufende Dichtfläche aufweist, welche bei Wellenstillstand durch Andruck an eine Gegenfläche (6, 6', 6") die beiden Räume gegeneinander abdichtet und
dass die Andruckskraft durch die bei der betriebsbedingten Wellenrotation erzeugte Zentrifugalkraft zumindest teilweise aufgehoben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass infolge der Zentrifugalkraft bei der betriebsbedingten Wellenrotation ein Spalt (7) zwischen Dichtfläche und Gegenfläche (6, 6', 6") entsteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft des Andrucks der Dichtfläche zumindest teilweise durch die herrschende Druckdifferenz bei Wellenstillstand zwischen den beiden Räumen erzeugt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckskraft zumindest teilweise eine elastische Rückstellkraft ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dynamische Dichtung von der Welle (2) angetrieben wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mitrotierbare Dichtring (1) überwiegend aus einem elastischen gummiartigen Material besteht.

7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche von mindestens einer zum Dichtring (1) gehörenden Dichtlippe (5) gebildet wird.

8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mitrotierbare Dichtring (1) aus einem auf der Welle (2) befestigten Spannring (10), einem die Dichtfläche enthaltenden Druckring (8, 8', 8", 8''') und einem dazwischen liegenden Verbindungsteil (9) besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckring (8, 8', 8", 8''') an seinem freien Ende verdickt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckring (8, 8', 8", 8''') signifikant steifer ausgebildet ist als das Verbindungsteil (9).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil (9) aus einem anderen Material besteht als der Druckring (8).

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Spannring (10) und Druckring (8, 8', 8", 8''') zueinander axial versetzt angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckring (8') an seinem radial äußeren Bereich mit einem Stollenprofil versehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckring (8") an seinem radial äußeren Bereich mit radialen Einschnitten (17) versehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckring mit Gewichtskörper (15) versehen ist zur Erhöhung der Zentrifugalkräfte.

16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenfläche (6) die Form eines Kreisringes hat.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenfläche (6') die Form eines Kegelstumpfes hat.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenfläche (6") die Form der Außenseite eines Zylinders hat.

19. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckskraft von außen verstellbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckskraft durch Verschieben der Gegenfläche (6, 6', 6") verstellbar ist.

21. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) ein Kreiselpumpenlaufrad antreibt und dass der eine Raum das Innere des Pumpengehäuses und der andere Raum die Umgebung ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe eine Stoffpumpe ist und für die Papierindustrie und zur Förderung von papierfaserhaltigen wässrigen Suspensionen mit einem Feststoffgehalt zwischen 0,1 und 10% geeignet ist.