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Die
Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung für eine rotierende Welle mit
einem gehäusefest
angeordneten, federbeaufschlagten Gleitring und einem auf einer
rotierenden Welle fixierten Gegenring, wobei zwischen dem Gegenring
und der Welle eine statische Dichtung vorgesehen ist und wobei der
Gegenring zwischen zwei auf der Welle angeordneten Hülsen eingespannt
ist.
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Eine
aus der Praxis bekannte Gleitringdichtung mit den eingangs beschriebenen
Merkmalen wird beispielsweise in schnelllaufenden Turbomaschinen
eingesetzt. Hierbei muss ein fester Sitz des Gegenrings auf der
Welle sichergestellt sein. Zu vermeiden sind große Spannkräfte, wenn der Gegenzug zwischen
den Hülsen
eingespannt wird, denn unter der Wirkung großer Spannkräfte kann sich der Gegenring
verziehen, wobei Welligkeiten in der Gleitfläche auftreten, die sich nachhaltig
auf die Dichtwirkung der Gleitringdichtung auswirken und bei hochwertigen
Gleitringdichtungen für
Turbomaschinen nicht tolerabel sind.
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Die
Druckschrift
FR 2 072
296 A5 beschreibt eine Rohrverbindung, bei der eine ringförmige Spiralfeder
als Klemmring zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung von zwei
Rohren eingesetzt ist. Die beiden Rohre sind integral so ineinander
gefügt,
dass der Innendurchmesser des einen Rohres dem Außendurchmesser
des anderen Rohres entspricht. Über
eine Flanschverbindung sind die beiden Rohre miteinander verbunden.
In einem Zwickel, der zwischen der Innen- bzw. Außenoberfläche der
beiden Rohre sowie dem Flansch gebildet ist, befindet sich die ringförmige Spiralfeder,
die sich unter der Wirkung der Flanschverbindung elastisch gegenüber den
Rohroberflächen
verformt und damit die auf eine elastische Dichtung wirkenden Dichtungskräfte erhöht.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, in
einer Gleitringdichtung den Sitz des Gegenrings auf der rotierenden
Welle so zu verbessern, dass keine hohen Spannkräfte zur Festlegung des Gegenrings
auf der Welle notwendig sind.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
zwischen dem Gegenring und der benachbarten Stirnfläche zumindest
einer Hülse
ein ringförmiger
Metallschlauch angeordnet ist, dessen Wandung aus den Windungen
einer in Federlängsrichtung
elastisch dehnbaren Spiralfeder besteht. Die Spiralfeder besteht
aus einem Blechstreifen aus Federstahl, der durch spiralförmige Windungen
zu dem Schlauch geformt ist. Zwischen den Windungen der Spiralfeder
sind Spalte ausgebildet, so dass der Metallschlauch keine Dichtungsfunktion
erfüllt,
sondern ausschließlich
dazu dient, den Reibschluss zwischen Hülsen und Gegenring zu verbessern.
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Der
zu einem Ring geformte Metallschlauch erstreckt sich in einem Ringraum
zwischen Gegenring und der benachbarten Stirnfläche der zugeordneten Hülse um den
Umfang der Welle, wobei der Metallschlauch vorzugsweise in radialer
Richtung gedehnt ist. Durch die elastischen Eigenschaften des aus
Windungen bestehenden Metallschlauchs können Unebenheiten ausgeglichen
und eine um den Umfang gleichmäßige Krafteinwirkung
von der Hülse auf
den Gegenring erreicht werden. Der ringförmige Metallschlauch liegt
sowohl an dem Gegenring als auch an einer Stirnfläche der
zugeordneten Hülse
an. Da die Oberfläche
des schlauchförmigen
Ringkörpers
nicht glatt, sondern aus einer Vielzahl von Windungen gebildet wird,
trägt der
elastische Ring zu einer Erhöhung
des Reibschlusses zwischen Hülse und
Gegenring bei. Erfindungsgemäß wird auch ohne
eine sehr feste Einspannung des Gegenringes, ein guter Reibschluss
zwischen Gegenring und Welle bewirkt, wodurch die Gefahr, dass der
Gegenring beim Anlaufen der Welle aufgrund einer Haftreibung zwischen
Gegenring und Gleitring auf der Welle rutscht, reduziert wird. Durch
die Verwendung von Federstahl ist eine sehr gute und dauerhafte
Elastizität
gewährleistet.
Da der ringförmige
Schlauch mit den Kanten des Blechstreifens, aus dem die spiralförmigen Windungen
gebildet sind, an den zugeordneten Stirnflächen der Hülse und des Gegenrings unter Verspannung
anliegt, wird ein sehr guter Reibschluss zwischen Welle und Gegenring
erreicht.
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Vorzugsweise
ist die Hülse,
an deren Stirnfläche
der Metallschlauch angeordnet ist, von einer in Wellenlängsrichtung
wirkenden Spannvorrichtung beaufschlagt, wobei der Metallschlauch
durch eine in Wellenlängsrichtung
wirkende axiale Spannbewegung der Hülse deformiert ist. Der ringförmige, aus Federwandungen
bestehende Metallschlauch sorgt um den Umfang der Welle für eine gleichmäßige Verteilung
der wirkenden Kraft. Durch die Deformation des Metallschlauchs kann
die klemmende Wirkung der Windungen der Spiralfeder und damit der
Reibschluss zwischen Gegenring und Hülse noch signifikant verbessert
werden.
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Der
Ringraum, in dem der ringförmige
Metallschlauch eingelegt ist, kann im Rahmen der Erfindung in der
Hülse und/oder
in dem Gegenring vorgesehen sein. Sofern der Ringraum zur Welle
hin geöffnet
ist, wird nicht nur eine klemmende Wirkung zwischen Gegenring und
Hülse,
sondern auch zwischen Gegenring und Welle erreicht. In einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung ist vorgesehen, dass die dem ringförmigen Metallschlauch zugeordnete
Stirnfläche
der Hülse
zum Hülseninnendurchmesser
hin abgeschrägt
ist und dass der Metallschlauch in den zwickelförmigen Ringraum eingelegt ist,
der von der Mantelfläche
der Welle, dem Gegenring und der Abschrägung der Hülse begrenzt ist. Bei einer
Krafteinwirkung verformt sich der Metallschlauch in diesem Ringraum
und wirkt klemmend gegen die Mantelfläche der Welle, dem Gegenring
und die Abschrägung der
Hülse.
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Im
Rahmen der Erfindung ist insbesondere ein an Federwindungen bestehender
ringförmiger Metallschlauch
geeignet, dessen Ringkörper
im entspannten Zustand einen Durchmesser von 1,5 bis 5 mm aufweist,
wobei der Metallschlauch im eingebauten Zustand zwischen einer der
Hülsen
und dem Gegenring durch eine axiale Einspannung um 0,15 bis 0,3
mm deformiert wird. Je nach der Form des Ringraumes kann der deformierte
schlauchförmige Ringkörper im
Querschnitt die Form einer Ellipse oder auch eine unregelmäßige Form
aufweisen. Ausgehend von einem im unbeaufschlagten Zustand im Querschnitt
runden Ringkörper
beziehen sich die genannten Werte der Deformation auf den im Querschnitt
minimalen, durch den Mittelpunkt gemessenen Durchmesser des Ringkörpers im
deformierten Zustand.
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Im
Rahmen der Erfindung kann zwischen der an dem Metallschlauch anliegenden
Stirnfläche
der Hülse
und dem Gegenring ein Spalt verbleiben, wobei der direkte Reibschluss
zwischen Gegenring und Hülse über den
ringförmigen
Metallschlauch erfolgt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass
die Hülse
spaltfrei an dem Gegenring anliegt, wobei der Reibschluss durch
den Metallschlauch erhöht
wird.
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Im
Rahmen der Erfindung sind eine Vielzahl von Ausgestaltungen möglich. So
kann an den Stirnflächen
beider Hülsen,
zwischen denen der Gegenring gehalten ist, ein ringförmiger Metallschlauch
aus Federwandungen vorgesehen sein. Des Weiteren kann die Gleitringdichtung
auch als Doppeldichtung mit zwei gehäusefest angeordneten, federbeaufschlagten
Gleitringen ausgeführt
sein, die an gegenüberliegenden
Seiten des Gegenringes dichtend anliegen.
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Im
Rahmen der Erfindung kann der Gegenring auch zwischen einer als
Spannhülse
ausgebildeten Hülse
und einem Wellenbund der Welle angeordnet sein.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung erläutert.
Es zeigen schematisch:
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1 eine
rotierende Welle mit einer Gleitringdichtung,
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2 einem
Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Metallschlauch in einer
perspektivischen Darstellung,
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3 eine
Testvorrichtung zur Bestimmung des Reibschlusses zwischen einer
Hülse und
einem Gegenring.
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1 zeigt
eine rotierende Welle 1 mit einer Gleitringdichtung 2.
Die Gleitringdichtung 2 weist einen in einer Aufnahme 3 des
Gehäuse
fest angeordneten und mit einer Feder beaufschlagten Gleitring und
einen auf der rotierenden Welle 1 fixierten Gegenring 6 auf.
Zwischen dem Gegenring 6 und der Welle 1 einerseits
und dem Gleitring 2 und der Aufnahme 3 des Gehäuses andererseits
ist jeweils als statische Dichtung 7, 7' eine Rundschnurdichtung vorgesehen.
Der Gegenring 6 ist zwischen zwei auf der Welle angeordneten
Hülsen 8, 8' eingespannt, wobei
eine der Hülsen 8' gegen einen
Wellenbund 9 der Welle 1 abgestützt ist
und wobei die andere Hülse 8 als
Spannhülse
ausgeführt
ist. Gleitring 5 und Gegenring 6 liegen an einer
Dichtfläche 10 aneinander an
und dichten einen druckbeaufschlagten Innenbereich 11 gegen
einen Außenbereich 12 ab.
Zwischen dem Gegenring 6 und der benachbarten Stirnfläche einer
der Hülsen 8 ist
ein ringförmiger
Metallschlauch 13 angeordnet, dessen Wandung aus den Windungen
einer elastisch dehnbaren Spiralfeder 14 besteht. Zwischen
den Windungen der Spiralfeder 14 sind Spalte ausgebildet,
so dass der Metallschlauch 13 keine Dichtungsfunktion erfüllt, sondern
ausschließlich
dazu dient, den Reibschluss zwischen Hülse 8 und Gegenring 6 zu
verbessern.
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2 zeigt
einen Ausschnitt des Metallschlauches 13, dessen Wandung
aus einer elastisch dehnbaren Spiralfeder 14 besteht in
einer Detailansicht. Die Spiralfeder besteht aus einem Blechstreifen 16 aus
Federstahl, der durch spiralförmige
Windungen zu dem Schlauch geformt ist. Das dünne Blech gewährleistet
eine hohe Flexibilität
des elastischen Ringes 13. Der Blechstreifen 16 hat typischerweise
eine Breite von etwa 1 mm. Wird der elastische Ring 13 zwischen
der Hülse
und dem Gegenring gespannt, wirken die Kanten 17 des Blechstreifens 16 klemmend
auf die angrenzenden Flächen
von Hülse 8 und
Gegenring 6, so dass der Gegenring drehfest gehalten ist.
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1 entnimmt
man, dass die dem Metallschlauch zugeordnete Stirnfläche der
Hülse 8 ist
zum Hülseninnendurchmesser
hin abgeschrägt
ist, wobei der Metallschlauch in dem zwickelförmigen Ringraum 15 eingelegt
ist, der von der Mantelfläche
der Welle 1, dem Gegenring 6 und der Abschrägung der Hülse 8 begrenzt
ist. Der aus Spiralfederwindungen gebildete schlauchförmige Ringkörper weist
einen Durchmesser von 1,5 bis 5 mm auf. Die als Spannhülse ausgebildete
Hülse 8 ist
unter der Wirkung einer Spannvorrichtung auf der Welle angeordnet,
wodurch der Metallschlauch 13 durch die einwirkenden Kräfte deformiert
wird. Die Deformation durch die axiale Einspannung beträgt 0,15
bis 0,3 mm.
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3 zeigt
eine Testvorrichtung zur Bestimmung des Einflusses des elastischen
Ringes 13 auf den Wellensitz des Gegenringes 6.
Der Gegenring 6 ist zwischen einer unteren Hülse 18 und
einer oberen Hülse 19 angeordnet
und mit einer Rundschnurdichtung 20 klemmend mit einer
Welle 1' verbunden.
Mit einer Wellenmutter 21 kann die obere Hülse 19 gegen
den Gegenring 6 gespannt werden. Die obere Hülse 19 weist
einen im Querschnitt rechteckigen Ringraum 15' für die Aufnahme
des Metallschlauches 13 auf. Im Rahmen einer Versuchsreihe
wurde zunächst
ohne einen Metallschlauch 13 und bei einem Axialspiel zwischen
den Stirnflächen
der oberen Hülse 19 und
des Gegenrings 6 von 50 μm
bis 100 μm
mit einem an dem Gegenring 6 angreifenden Drehmomentschlüssel das
Losbrechmoment bestimmt, bei dem der Gegenring auf der Welle zu
Rutschen beginnt. Nachfolgend wurde das Losbrechmoment mit einem
eingelegten Metallschlauch 13 bestimmt, wobei eine den
schlauchförmigen
Ringkörper bildende
Spiralfeder 14 aus einem Blechstreifen 16 aus
Federstahl verwendet wurde. Bei einem Anzugsmoment der Wellenmutter 21 von
50 Nm ist der Metallschlauch 13 in axialer Richtung der
Welle 1' um etwa
0,2 mm gestaucht, wobei das Spiel zwischen oberer Hülse 19 und
Gegenring 6 kleiner als 0,1 mm ist. Bezogen auf den zuvor
gemessenen Referenzwert des Losbrechmomentes wurde ein sechsfach höherer Wert
gemessen.
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Bei
einem Anzugsmoment der Wellenmutter 21 von 100 Nm wurde
der Metallschlauch 13 in axialer Richtung der Welle 1' um 0,25 mm
gestaucht, wobei das Spiel zwischen oberer Hülse 19 und Gegenring 6 weniger
als 50 μm
betrug und wobei das Losbrechmoment bezogen auf den Referenzwert
ohne elastischen Ring 13 auf einen zehnfachen Wert anstieg.
Bei einem Anzugsmoment der Wellenmutter 21 von 200 Nm lag
die obere Hülse 19 um
den gesamten Umfang auf dem Gegenring 6 spaltfrei auf,
wobei der Metallschlauch um mehr als 0,25 mm gestaucht war. Das
Losbrechmoment stieg auf einen 26-fachen Wert. Als Vergleichsmessung wurde
eine elastische Rundschnurdichtung in den Ringraum 15' zwischen oberer
Hülse 19 und
Gegenring 6 eingelegt. Bei einem Spiel zwischen oberer
Hülse 19 und
Gegenring 6 von 20 μm
bis 50 μm
in axialer Richtung war die Rundschnurdichtung um 0,5 mm gestaucht.
Das unter diesen Bedingungen bestimmte Losbrechmoment war lediglich
um einen Faktor 3 größer als
der Referenzwert.
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In
einer weiteren Messreihe wurde auf der dem elastischen Ring 13 gegenüberliegenden
Seite des Gegenringes 6 die Welligkeit der Gleitfläche in Abhängigkeit
von der Vorspannung der Wellenmutter 21 bestimmt. Bei einer
losen Wellenmutter 21 betrug die Welligkeit 0,2 μm. Bei einem
Anzugsmoment von 100 Nm, wurde eine Welligkeit von 2,82 μm und bei einem
Anzugsmoment von 200 Nm eine Welligkeit von 4,58 μm gemessen.