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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung einer
rotierenden Welle gegenüber einem Gehäuse umfassend
mindestens eine Radialdichtung und einen Gebläserotor,
welcher drehfest auf der Welle angeordnet ist, so dass bei einer
Rotation des Gebläserotors eine auf die Radialdichtung
wirkende Sperrluft erzeugt wird sowie eine Wellenbaugruppe mit der
Dichtungsanordnung.
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Insbesondere
zur Abdichtung von schnell drehenden Wellen werden in der Regel
berührungslos arbeitende Radialdichtungen, wie beispielsweise Labyrinth-Dichtungen,
eingesetzt, um die Wellen gegenüber einem Gehäuse
abzudichten. Diese Dichtungen zeichnen sich durch einen sehr engen Dichtspalt
aus.
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Aus
dem engen Dichtspalt ergibt sich jedoch das Problem, dass diese
Dichtungen empfindlich gegenüber Verschmutzungen sind,
wodurch die Gefahr von Beschädigungen besteht.
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Um
derartige Verschmutzungen von den Dichtungen fern zu halten, wird
im Raum zwischen Dichtung und Maschinenumgebung eine so genannte
Sperrluft eingebracht. Die Sperrluft erzeugt üblicherweise
durch Überdruck einen ständigen Luftstrom, der
von der Dichtung weg gerichtet ist und somit Verschmutzungen oder
Fremdpartikel aus der Umgebung der Dichtung hinausbefördert.
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Nachteilig
bei dieser Lösung ist jedoch, dass die Sperrluft dem betrieblichen
Druckluftnetz oder durch einen extra zugeteilten Kompressor erzeugt wird
und somit zu erhöhten Betriebskosten führt.
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Die
Druckschrift
EP 0 683
338 A1 , die wohl den nächst kommenden Stand der
Technik bildet, beschreibt ein Wellenabdichtungssystem für
ein ölgeschmiertes Wellenlager, welches eine Labyrinth-Dichtung
umfasst, die eine rotierende Welle gegenüber einem von
Flüssigkeitsdunst erfüllten, ruhenden Gehäuse
abdichtet. Zur Verbesserung der Abdichtung ist auf die Welle drehfest
ein Gegendrucklüfter aufgesetzt, der durch Ansaugen von
Außenluft einen gegen die Dichtungsanordnung gerichteten
Staudruck erzeugt, der über eine mit dem Gegendrucklüfter
kommunizierenden Strömungskanal gegen die Dichtungsanordnung
statisch drückt.
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Bei
diesem bekannten Wellenabdichtungssystem wird angenommen, dass während
des Betriebs aufgrund angetriebener Getriebezahnräder im Gehäuse
ein Überdruck gebildet wird, der dazu führt, dass Öldunst
aus dem Gehäuse über das ölgeschmierte
Wellenlager durch die Labyrinth-Dichtung hindurchgedrückt
wird. Durch den statischen Staudruck wird ein Gegendruck erzeugt,
so dass ein Ölfluss vermieden beziehungsweise deutlich
vermindert werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung zur
Abdichtung einer rotierenden Welle sowie einer Wellenbaugruppe mit
dieser Dichtungsanordnung vorzuschlagen, die eine kostengünstige
und effektive Abdichtung der Welle gegenüber einem Gehäuse
erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Dichtungsanordnung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie mit einer Wellenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs
8 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen,
der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß wird
eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung einer rotierenden Welle gegenüber
einem Gehäuse vorgeschlagen. Die Dichtungsanordnung umfasst
mindestens eine Radialdichtung und einen Gebläserotor.
Die Radialdichtung ist ringförmig ausgebildet und kann
optional mehrstufig und/oder als eine Hintereinanderschaltung von
mehreren Einzeldichtungen realisiert sein. Die Radialdichtung dichtet
die rotierende Welle gegen das Gehäuse ab.
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Der
Gebläserotor ist drehfest auf der Welle angeordnet und
bevorzugt als Ring ausgeführt. Allerdings ist die Gestalt
des Gebläserotors nicht auf einen Ring begrenzt, sondern
kann eine beliebige Form aufweisen, solange die Funktion erfüllt
ist, dass bei einer Rotation der Welle und des mitrotierenden Gebläserotors
eine Luftströmung erzeugt wird, durch die eine Sperrluft
resultiert. Der Gebläserotor ist bevorzugt als Axiallüfterrad
oder alternativ als Tangentiallüfterrad ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass die Dichtungsanordnung Leitmittel aufweist, die
angeordnet und/oder ausgebildet sind, die durch den Gebläserotor
bewirkte Sperrluft an der Radialdichtung vorbeizuleiten.
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Insbesondere
wird eine Luftströmung erzeugt, die von der Radialdichtung
weg gerichtet ist und somit Fremdpartikel oder Verschmutzung aus der
Umgebung der Radialdichtung wegbefördert, wegspült
oder abtransportiert.
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Im
Gegensatz zu den konventionellen Dichtungsanordnungen mit Sperrluft
wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im
Betrieb keine Fremddruckluft benötigt, sondern die benötigte
Druckluft wird direkt durch den Gebläserotor im Bereich
der Dichtungsanordnung erzeugt. Hierdurch ergibt sich ein weiterer
Vorteil, da die durch den Gebläserotor erzeugte Druckluft
stets verfügbar ist, sobald die Welle gedreht wird, wohingegen
die Fremddruckluft aus verschiedensten Gründen ausfalten
kann, so dass im Fehlerfall die Dichtwirkung der Sperrluft augenblicklich
nicht mehr gegeben ist.
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Im
Vergleich zu der eingangs diskutierten, bekannten Dichtungsanordnung
mit Gegendrucklüfter ist die Sperrluft durch Leitmittel
so gerichtet, dass Verunreinigungen von der Radialdichtung abtransportiert
und nicht in die Radialdichtung eingeblasen werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Radialdichtung auf oder im Bereich der Saugseite des Gebläserotors
angeordnet, so dass die Sperrluft an der Radialdichtung vorbei angesaugt
wird. Bevorzugt sind die Leitmittel dabei so ausgebildet, dass durch
einen Kanal saubere Zuluft aus der Umgebung angesaugt und der Luftstrom
beziehungsweise die Sperrluft gerichtet an der Radialdichtung vorbei
durch einen weiteren Kanal in die verunreinigte Umgebung geleitet
wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass für die Dichtungsanordnung schädliche
Unreinheiten in die Radialdichtung und in strömungstechnisch
nachgeschaltete, geschützte Bereiche, insbesondere Lagerbereiche
eindringen können.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform ist die Radialdichtung
auf der Pumpseite des Gebläserotors angeordnet, wobei die
durch den Gebläserotor erzeugte Luftströmung durch
das Leitmittel an der Radialdichtung, insbesondere berührend
vorbeigeführt wird.
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Um
die Dichtungsanordnung für höhere Drehzahlen anzupassen,
ist die Radialdichtung bevorzugt als eine zumindest im Betrieb berührungslose
Dichtung ausgebildet. Zum einen kann die Radialdichtung als eine
im Betrieb und im Ruhezustand berührungslose Dichtung realisiert
sein, zum anderen kann die Radialdichtung aber auch als eine im
Ruhezustand der Welle berührende Dichtung, welche sich erst
durch Zentrifugalkräfte im Betrieb in eine berührungslose
Dichtung wandelt, ausgebildet sein.
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Neben
anderen berührungslosen Dichtungen, wie zum Beispiel Bürstendichtungen,
ist die Radialdichtung bevorzugt als Labyrinth-Dichtung ausgebildet,
da diese Bauform zur Abdichtung von schnell drehenden Wellen besonders
geeignet ist. Hierbei ist es zum einen möglich, dass die
Labyrinth-Dichtung als eine Glattspaltlabyrinth-Dichtung ausgebildet
ist, welche gehäuseseitig Labyrinthgänge aufweist,
die mit einer glatten, wellenseitigen Dichtfläche zusammenwirken,
oder als eine Stolperbundlabyrinth-Dichtung ausgebildet ist, welche
wellenseitig Ringe oder Scheiben aufweist, die in gehäuseseitig
angeordnete Aufnahmen eingreifen. Die Stolperbundlabyrinthdichtung
ist dabei bevorzugt, da diese den Dichtspalt am effektivsten verlängert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der Gebläserotor
und der wellenseitige Abschnitt der Radialdichtung, insbesondere
der Labyrinthdichtung, einstückig oder einteilig ausgebildet.
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Bei
einer praktischen Realisierung sind die Leitmittel als ein mit dem
Dichtspalt der Dichtung und/oder mit Gebläserotor kommunizierender
Spalt und/oder Ringspalt und/oder Kanal ausgebildet, der eingangsseitig
mit sauberer, z. B. über eine Filtereinrichtung gereinigte
Umgebungsluft versorgbar ist und ausgangsseitig in die Umgebung
ausstößt.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Wellenbaugruppe
mit einer Welle, einer Wälzlagereinheit, welche die Welle
lagert und mit einer Dichtungsanordnung zur Abdichtung der Wälzlagereinheit,
wobei die Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
beziehungsweise gemäß der vorhergehenden Beschreibung
ausgebildet ist.
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Insbesondere
ist die Wellenbaugruppe für Umdrehungsgeschwindigkeiten
von größer als 5.000 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise
größer als 10.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere
größer als 20.000 Umdrehungen pro Minute ausgebildet.
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Bevorzugt
ist die Wälzlagereinheit ölgeschmiert und oder
stets mit einem ölgefüllten Raum in offener Verbindung,
so dass die Dichtungsanordnung die Wälzlagereinheit und/oder
den ölgefüllten Raum gegenüber der Umgebung
abdichtet. Somit wird bei dieser Ausführungsform die Dichtungsanordnung
genutzt, um eine Ölatmosphäre gegenüber
einer Umgebungsatmosphäre abzudichten.
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Die
Wälzlagereinheit, insbesondere eine Radialwälzlagereinheit,
weist bevorzugt mehrere Wälzlager, beispielsweise Radial-
oder auch Axiallager, auf, welche eine ausreichende Lagerung der
Welle sicherstellen.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Wellenbaugruppe so ausgebildet
das die Radialdichtung ergänzend mit Fremdluft als Sperrluft
beaufschlagbar ist. Zwar wird im Betrieb keine Fremdluft als Sperrluft
benötigt, so dass die Betriebskosten der Wellenbaugruppe
deutlich gesenkt werden können, jedoch ist bei niedrigen
Drehzahlen, insbesondere beim Anlaufen oder Auslaufen der Wellenbaugruppe möglicherweise
die Pumpleistung des Gebläserotors nicht ausreichend, so
dass aktiv Fremdluft als Sperrluft ergänzend zugeführt
werden kann. Diese Zuschaltung der Fremdluft kann beispielsweise
durch eine entsprechende Steuerungsvorrichtung gesteuert beziehungsweise
geregelt sein.
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Prinzipiell
kann die Dichtungsanordnung beziehungsweise die Wellenbaugruppe
bei allen schnell drehenden Wellen Einsatz finden. Bevorzugt ist
je doch ein Einsatz in Spindellagerungen bei Werkzeugmaschinen,
Wellen von Elektromotoren oder Getriebewellen.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung sowie der beigefügten Figur eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch eine Wellenanordnung als
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die 1 zeigt
einen Ausschnitt aus einer Baugruppe mit einer schnell drehenden
Welle 1, wie sie zum Beispiel bei Spindellagerungen an
Werkzeugmaschinen, Wellen von Elektromotoren, Getriebewellen und
so weiter zum Einsatz kommen.
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Die
Welle 1 wird über Wälzlager 2,
welche wie dargestellt als Kugellager ausgebildet sind, gegenüber
einem Gehäuse 3 gelagert. Auf der in 1 rechten
Seite stehen die Wälzlager 2 in einer offenen Verbindung
mit einem mit Schmieröl gefüllten Raum 4,
wobei das Schmieröl zur Schmierung der Wälzlager 2 sowie
der schnell drehenden Welle 1 genutzt wird.
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An
der dem ölgefüllten Raum 4 gegenüberliegenden
Seite der Wälzlager 2 schließt sich eine berührungslos
arbeitende Dichtung, in diesem Fall eine Labyrinth-Dichtung, 5 an,
welche aus einem gehäuseseitigen Aufnahmeabschnitt 6 und
einem wellenseitigen Scheibenabschnitt 7 gebildet ist.
Der wellenseitige Scheibenabschnitt 7 greift dabei derart
den gehäuseseitigen Aufnahmeabschnitt 6 ein, so
dass ein im Längsschnitt gefalteter und damit verlängerter Dichtspalt 8 gebildet
wird.
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An
die Labyrinth-Dichtung 5 angrenzend ist ein als Gebläserotor 9 ausgebildeter
Ring angeordnet, welcher drehfest mit der Welle 1 verbunden
ist. Der Gebläserotor 9 kann alternativ einstückig
mit dem wellenseitigen Scheibenabschnitt 7 der Labyrinth-Dichtung 5 oder
alternativ als ein eigenständiges Bauteil realisiert sein.
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Der
Gebläserotor 9 ist so angeordnet, dass die Ausstoßseite
des Gebläserotors 9 von der Labyrinth-Dichtung 5 weggerichtet
ist. Zudem sind ein Zuführkanal 10 und ein Abführkanal 11 vorgesehen, welche
ausgebildet sind, um als Leitmittel frische Zuluft zu dem Gebläserotor 9 zu
führen und die gegebenenfalls verschmutzte Abluft durch
den Abführkanal 11 von dem Gebläserotor 9 wegzuführen.
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Dabei
ist der Zuführkanal 10 so ausgebildet, dass die
Zuluft als Sperrluft an der Labyrinth-Dichtung 5 vorbeigeführt
wird und so Verunreinigungen aus der Labyrinth-Dichtung 5 bzw.
dem Dichtspalt 8 bzw. einem Ringspalt zwischen Labyrinth-Dichtung 5 und
Gebläserotor 9, welcher in leitender Verbindung mit
dem Dichtspalt 8 steht herausgesaugt werden. Optional ist
die Anordnung so ausgebildet, dass durch die Luftströmung
ein Unterdruck in der Labyrinth-Dichtung 5 bzw. dem Dichtspalt 8 erzeugt
wird. Funktionell betrachtet ist der Gebläserotor 9 sowie der
Zuführkanal 10 und der Abführkanal 11 als
Leitmittel derart ausgebildet, dass bei einer Drehung der Welle 1 saubere
Zuluft durch den Zuführkanal 10 aus zum Beispiel
der Umgebung angesaugt wird, der Luftstrom als Sperrluft gerichtet
an der Labyrinth-Dichtung 5 insbesondere berührend
vorbeigeführt und durch den Abführkanal 11 in
die Umgebung als Abluft abgegeben wird. Auf diese Weise ist sichergestellt,
dass im Betrieb schädliche Unreinheiten von dem Dichtspalt 8 fern
gehalten bzw. weggesaugt werden.
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- 1
- Welle
- 2
- Wälzlager
- 3
- Gehäuse
- 4
- Raum
- 5
- Labyrinth-Dichtung
- 6
- gehäuseseitiger
Aufnahmeabschnitt
- 7
- wellenseitiger
Scheibenabschnitt
- 8
- Dichtspalt
- 9
- Gebläserotor
- 10
- Zuführkanal
- 11
- Abführkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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