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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Lager, insbesondere für eine dampfgetriebene Kolbenmaschine, und eine über einen Dampfkraftprozess antreibbare Kolbenmaschine. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Kolbenmaschinen, die über einen Dampfkraftprozess antreibbar sind und zur Nutzung der Abwärme von Brennkraftmaschinen dienen.
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Brennkraftmaschinen wandeln die Energie des Brennstoffs in mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen und dergleichen um. Dabei wird jedoch ein Teil der Energie als Abwärme freigesetzt, die durch das Kühlsystem oder im Abgas von der Brennkraftmaschine weggeleitet wird. Um diese Wärmeenergie zu nutzen, ist es denkbar, dass ein Dampfkraftprozess mit der Brennkraftmaschine gekoppelt wird. Hierdurch kann die Wärmeenergie aus der Brennkraftmaschine zur Erzeugung von Dampf genutzt werden, der in einer Kolbenmaschine entspannt wird und somit weitere Energie bereitstellt. Diese weitere Energie kann zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Erzeugung von Hilfsenergien genutzt werden. Hierbei ergibt sich allerdings das Problem, dass die Kolbenmaschine mit Wasserdampf oder dergleichen aus dem Dampfkraftprozess angetrieben ist, während der betätigte Kolben seine Kraft in einem mit Öl gefüllten Raum auf eine Kurbelwelle oder dergleichen überträgt, wodurch es an einer Lagerstelle zur Mischung der beiden Medien, nämlich beispielsweise Öl und Wasser, kommen kann. Hierdurch kann insbesondere Öl in den Dampfkraftprozess gelangen, wodurch sich der Wirkungsgrad verschlechtert.
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Die Offenlegungsschrift
DE 14 75 736 A zeigt ein Lager mit einer Stopfbuchse, die zumindest einen Packungsverbund und eine Brille aufweist, welche zum Verpressen des Packungsverbunds dient. Der Packungsverbund weist ringförmige Metallelemente und ringförmige Abstreifelemente auf. Die ringförmigen Metallelemente und die ringförmigen Abstreifelemente sind entlang einer Längsachse des Packungsverbunds einander abwechselnd angeordnet. Die ringförmigen Abstreifelemente sind zwischen den ringförmigen Metallelementen durch die Brille axial verpresst und liegen an einer durch die Stofbuchse geführten Welle an.
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Die Offenlegungsschrift
GB 428 782 A zeigt ebenfalls einen Verpackunsverbund mit ringförmigen Metallelementen und ringförmigen Abstreifelementen.
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Die Offenlegungsschrift
GB 170 047 A zeigt eine ringförmige Dichtlippe mit asymmetrischem Querschnittsprofil.
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Die Patentschrift
US 1 326 242 A zeigt ein für Dampf geeignetes Lager mit einem Packungsverbund.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Lager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Medientrennung ermöglicht ist. Speziell besteht der Vorteil, dass die Medientrennung über die Lebensdauer gewährleistet werden kann.
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Das Lager dient vorzugsweise für eine dampfgetriebene Kolbenmaschine. Das Lager umfasst eine Stopfbuchse, die zumindest einen Packungsverbund und eine Brille aufweist, wobei die Brille zum Verpressen des Packungsverbunds dient, wobei der Packungsverbund ringförmige Metallelemente und ringförmige Abstreifelemente aufweist, wobei die ringförmigen Metallelemente und die ringförmigen Abstreifelemente entlang einer Längsachse des Packungsverbunds einander abwechselnd angeordnet sind und wobei die ringförmigen Abstreifelemente zwischen den ringförmigen Metallelementen durch die Brille axial verpresst sind und an einer durch die Stopfbuchse geführten Welle anliegen. Die Metallelemente entlang der Längsachse des Packungsverbundes sind unterschiedlich gestaltet. Die der Dampfseite zugeordneten Metallelemente sind so ausgestaltet, dass ein geringer Dichtspalt zwischen den Metallelementen und der jeweiligen Welle entsteht. Und die der Ölseite zugeordneten Metallelemente sind so ausgestallter, dass sie durch ein verschwindendes Spiel eine hohe Abstreifwirkung in Richtung der Ölseite entwickeln.
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Die Kolbenmaschine, die über einen Dampfkraftprozess antreibbar ist, weist zumindest eine Lagerstelle auf, an der zur Medientrennung solch ein Lager vorgesehen ist, wobei die als Kolbenstange dienende Welle des Lagers an der Lagerstelle gelagert ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Lagers und der im Anspruch 10 angegebenen Kolbenmaschine möglich.
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In vorteilhafter Weise kann der Packungsverbund der Stopfbuchse über die Brille verpresst und mit einer gewissen Vorspannung beaufschlagt werden. Hierdurch wird eine Radialkraft zur Abdichtung zwischen dem Packungsverbund und einer durch die Stopfbuchse geführten Welle oder dergleichen erzeugt. Hierbei ermöglicht die Brille vorzugsweise ein Einstellen der axialen Kraft zum Verpressen des Packungsverbunds, so dass indirekt die Radialkraft zur Abdichtung zwischen dem Packungsverbund und der Welle oder dergleichen eingestellt werden kann. Hierdurch kann auch die Leckagemenge gezielt eingestellt werden. Hierbei ist es ferner möglich, dass im Rahmen einer Wartung ein Nachstellen der Brille erfolgt, um über die Lebensdauer die auftretende Leckagemenge zu begrenzen.
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In vorteilhafter Weise ist an zumindest einem ringförmigen Metallelement eine ringförmige Dichtlippe vorgesehen. Vorzugsweise sind hierbei an allen oder zumindest an fast allen ringförmigen Metallelementen solche ringförmigen Dichtlippen vorgesehen. Durch die ringförmigen Dichtlippen kann eine Labyrinthdichtung ausgestaltet werden, die ein Vordringen der Medien weiter reduziert.
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Hierbei ist es vorteilhaft, dass die ringförmigen Dichtlippen jeweils auf einer Innenseite der ringförmigen Metallelemente aufgebracht sind. Die ringförmigen Dichtlippen können beispielsweise auf der Innenseite durch Schweißen mit dem ringsförmigen Metallelement verbunden sein. Die ringförmigen Dichtlippen können beispielsweise aus einer Nichteisen-Legierung auf Basis von Chrom und Kobalt ausgestaltet sein. Hierbei kann diese Nichteisen-Legierung auf weitere Elemente, beispielsweise Wolfram, Nickel, Molybdän und Kohlenstoff oder eine Kombination solcher Elemente aufweisen. Möglich ist es auch, dass die ringförmige Dichtlippe aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet ist. Hierdurch kann die ringförmige Dichtlippe verschleißfest ausgestaltet sein. Die ringförmigen Metallelemente können beispielsweise aus Gusseisen oder Stahl ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind die ringförmigen Metallelemente aus einem temperatur-, verschleiß- und korrosionsbeständigen metallischen Werkstoff, insbesondere einem Ventil- oder Warmarbeitsstahl, ausgebildet.
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In vorteilhafter Weise ist die ringförmige Dichtlippe mit einem bauchförmigen und/oder symmetrischen Querschnittsprofil ausgestaltet, das sich zu der Welle hin verjüngt. Hierdurch kann unabhängig von der Einbaurichtung eine Abdichtung gegenüber den anstehenden Medien, insbesondere Öl und Wasserdampf, erzielt werden.
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Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass die ringförmige Dichtlippe mit einem asymmetrischen Profil ausgestaltet ist, das eine Flanke aufweist, die zumindest näherungsweise senkrecht zu der Längsachse des Packungsverbunds ausgestaltet ist. Der Packungsverbund weist hierbei die ringförmigen Metallelemente und die ringförmigen Abstreifelemente auf, wobei die ringförmigen Metallelemente und die ringförmigen Abstreifelemente entlang der Längsachse der Packungsverbunds einander abwechselnd angeordnet sind und wobei die ringförmigen Abstreifelemente zwischen den ringförmigen Metallelementen durch die Brille axial verpresst sind und an der durch die Stopfbuchse geführten Welle anliegen. Durch solch eine Ausgestaltung ist eine Vorzugsrichtung der Dichtwirkung gegeben. Insbesondere kann eine hohe Dichtwirkung gegenüber einem der Medien, insbesondere dem Öl, erzielt werden, um einen Eintrag dieses Mediums in das andere Medium, insbesondere einen Eintrag von Öl in den Wasserdampf, zu verhindern.
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In vorteilhafter Weise sind die ringförmigen Abstreifelemente aus einem Packungswerkstoff gebildet. Als Packungswerkstoff können insbesondere Graphit oder Kunststoff dienen. In vorteilhafter Weise umfassen die ringförmigen Abstreifelemente hierbei jeweils einen Grundkörper aus miteinander verflochtenen Fasern, zwischen denen ein Schmierstoff auf der Basis von Graphit vorgesehen ist. Diese miteinander verflochtenen Fasern können insbesondere als Aramidfasern ausgestaltet sein. Möglich ist auch die Ausgestaltung der Fasern aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Die ringförmigen Abstreifelemente können hierbei auch weitere Bestandteile umfassen, insbesondere Imprägniermittel. Somit können die ringförmigen Abstreifelemente nichtmetallisch ausgestaltet sein. Hierdurch ist ein Verschleiß der ringförmigen Abstreifelemente reduziert. Ferner kann eine gewisse Elastizität der ringförmigen Abstreifelemente erreicht werden, um beim Verpressen des Packungsverbunds eine Längenänderung entlang der Längsachse des Packungsverbunds zu erzielen, was sich in einer entsprechenden radialen Vergrößerung auswirkt. Hierdurch ist eine vorteilhafte Einstellung der Radialkraft zur Abdichtung zwischen dem Packungsverbund und einer Welle oder dergleichen möglich.
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In vorteilhafter Weise umfasst die Stopfbuchse einen Gegenring, der beispielsweise an einer Lagerstelle in ein Gehäuseteil einer Kolbenmaschine eingepresst ist. Der Packungsverbund der Stopfbuchse kann sich hierbei an dem Gegenring abstützen. Die Brille kann in vorteilhafter Weise zum Verpressen des Packungsverbunds der Stopfbuchse mit einem Außengewinde in das Gehäuseteil eingeschraubt werden, so dass die Verpressung des Packungsverbunds gezielt einstellbar ist. Die Brille kann hierbei als hohlzylinderförmige Buchse mit einem Außengewinde ausgestaltet sein.
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Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass die Kolbenmaschine ein Gehäuseteil aufweist, an dem eine Lagerstelle vorgesehen ist, dass das Gehäuseteil an der Lagerstelle einen ringförmigen Absatz aufweist, an dem der Packungsverbund abgestützt ist, und dass die Brille zum Verpressen des Packungsverbunds der Stopfbuchse mit einem Außengewinde in das Gehäuseteil eingeschraubt ist. Der ringförmige Absatz des Gehäuseteils kann hierbei die Funktion eines in das Gehäuseteil eingepressten Gegenrings übernehmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Kolbenmaschine in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 ein Lager mit einer Stopfbuchse und einer Welle der in 1 dargestellten Kolbenmaschine bei der Montage in einer auszugsweisen Darstellung;
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3 den in 1 mit III bezeichneten Ausschnitt einer Kolbenmaschine in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 den in 4 mit IV bezeichneten Ausschnitt einer Kolbenmaschine entsprechend einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung und
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5 den in 4 dargestellten Ausschnitt entsprechend einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Lagers der Kolbenmaschine.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Kolbenmaschine 1 mit Stopfbuchsen 2, 3 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kolbenmaschine 1 wird über einen Dampfkraftprozess angetrieben. Hierbei kann die Kolbenmaschine 1 speziell bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen, um die Abwärme der Brennkraftmaschine zu nutzen. Die Kolbenmaschine 1 wandelt die Abwärme dann in mechanische Energie um, die beispielsweise als zusätzliche Antriebsenergie oder zum Antreiben eines Hilfsaggregats, insbesondere eines elektrischen Generators, dienen kann. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Die Kolbenmaschine 1 weist ein Gehäuse 4 auf. Mit dem Gehäuse 4 sind Zylinder 5, 6 verbunden. Die Zylinder 5, 6 weisen jeweils eine Zylinderbohrung 7, 8 auf. In den Zylinderbohrungen 7, 8 der Zylinder 5, 6 sind Zylinderkolben 9, 10 angeordnet. Die Zylinderkolben 9, 10 teilen die Zylinderbohrungen 7, 8 in Räume 11, 12, 13, 14 auf. Je nach Ausgestaltung der Kolbenmaschine 1 können die Räume 11 bis 14 als Arbeitsräume 11 bis 14 der Kolbenmaschine 1 dienen.
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In die Arbeitsräume 11 bis 14 der Kolbenmaschine 1 kann jeweils komprimiertes, gasförmiges Arbeitsfluid, insbesondere Wasserdampf, eingeleitet werden. Hierfür sind ventilgesteuerte Einlässe 15, 16, 17, 18 vorgesehen. Entsprechend sind für die einzelnen Arbeitsräume 11 bis 14 ventilgesteuerte Auslässe 19, 20, 21, 22 vorgesehen. Über die ventilgesteuerten Auslässe 19 bis 22 kann das Arbeitsfluid aus dem jeweiligen Arbeitsraum 11 bis 14 geführt werden.
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Der Dampfprozess kann in vorteilhafter Weise als ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle Prozess) ausgestaltet sein. Hierbei wird die thermische Energie der Abwärme über den ORC-Prozess in mechanische Energie umgesetzt. Hierbei kann in vorteilhafter Weise die Abwärme aus einem Abgas der Brennkraftmaschine oder einer Abgasrückführung über einen Wärmetauscher an das Arbeitsfluid des ORC-Prozesses übertragen werden. Das Arbeitsfluid kann hierbei zumindest im Wesentlichen auf Wasser basieren. An dem Wärmetauscher kann das Arbeitsfluid verdampft werden. Dieser Dampf kann anschließend in der als Expansionsmaschine dienenden Kolbenmaschine 1 entspannt werden, wobei die mechanische Energie gewonnen wird. Hierfür wird das Arbeitsfluid in die einzelnen Arbeitsräume 11 bis 14 geführt. Das Arbeitsfluid wird anschließend in einem Kondensator abgekühlt und einer Pumpe zugeführt. Das Arbeitsfluid kann dadurch in der flüssigen Phase von der Pumpe auf das Druckniveau für die erneute Verdampfung am Wärmetauscher komprimiert werden. Hierdurch ist der Kreislauf geschlossen.
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Wird der unter Druck stehende Wasserdampf beispielsweise über den Einlass 16 in den Arbeitsraum 12 geführt, während der Auslass 20 geschlossen ist, dann wird der Zylinderkolben 9 in einer Richtung 23 mit einer Kraft beaufschlagt. Hierdurch kommt es zur Verstellung des Zylinderkolbens 9 in der Richtung 23. Der in dem Arbeitsraum 11 vorgesehene, entspannte Wasserdampf kann hierbei bei geschlossenem Einlass 15 und geöffnetem Auslass 19 aus dem Arbeitsraum 11 verdrängt werden. Entsprechend kann gleichzeitig eine Kraft auf den Zylinderkolben 10 erzeugt werden. Durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Einlässe 15 bis 18 und der Auslässe 19 bis 22 kann hierdurch eine Betätigung der Zylinderkolben 9, 10 in und entgegen der Richtung 23 erfolgen.
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Die Zylinderkolben 9, 10 sind durch als Kolbenstangen 24, 25 ausgestaltete Wellen 24, 25 mit einer Kurbelschleife 26 verbunden. In der Kurbelschleife 26 ist eine Ausnehmung 27 ausgestaltet, in der ein Kulissenstein 28 angeordnet ist. Der Kulissenstein 28 ist hierbei an einem Kurbelwellenzapfen 29 einer Kurbelwelle 30 angeordnet. Über diesen Kurbelschleifentrieb kann die lineare Bewegung der Kolbenstangen 24, 25 mit den Zylinderkolben 9, 10 in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle 30 umgesetzt werden.
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Zur Schmierung des Kurbelschleifentriebs und der für die Kurbelwelle 30 vorgesehenen Lager ist in einem Kurbelwellenraum 35 des Gehäuses 4 ein Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, vorgesehen. In Bezug auf die angrenzenden Arbeitsräume 12, 13 ist eine Medientrennung des Schmieröls von dem Wasserdampf erforderlich. Durch die lineare Bewegung der Kolbenstangen 24, 25 entlang einer Längsachse 36 in und entgegen der Richtung 23 kann hierbei auch durch an den Kolbenstangen 24, 25 anhaftendes Schmieröl ein Eintrag des Schmieröls in die Arbeitsräume 12, 13 begünstigt werden.
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Die Kolbenstangen 24, 25 sind mittelbar an Gehäuseteilen 37, 38 gelagert. Die Lagerung an Lagerstellen 39, 40 erfolgt hierbei über Lager 39', 40'. Das Lager 39' umfasst hierbei die Stopfbuchse 2. Das Lager 40' umfasst die Stopfbuchse 2. Somit gewährleisten die Lager 39', 40' eine radiale Lagerung der Kolbenstangen 24, 25. Die Stopfbuchsen 2, 3 der Lager 39', 40' gewährleisten hierbei eine Medientrennung, so dass der Eintrag von Schmieröl in die Arbeitsräume 12, 13 und umgekehrt der Eintrag von Wasserdampf in den Kurbelwellenraum 35 vermieden ist.
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Die Stopfbuchse 2 weist eine Brille 41, einen Packungsverbund 42 und einen Gegenring 43 auf. Die Stopfbuchse 3 ist entsprechend der Stopfbuchse 2 ausgestaltet. Hierbei weist die Stopfbuchse 3 eine Brille 44, einen Packungsverbund 45 und einen Gegenring 46 auf. Die Ausgestaltung der Stopfbuchse 2 an der Lagerstelle 39 ist im Folgenden weiter beschrieben. Die Ausgestaltung und Funktionsweise der Stopfbuchse 3 ergibt sich hierbei in entsprechender Weise.
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Die Stopfbuchse 2 und deren Funktionsweise ist im Folgenden auch unter Bezugnahme auf die 2 weiter beschrieben.
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2 zeigt die Stopfbuchse 2 und die Welle 24 der Kolbenmaschine 1 in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung während der Montage zur Veranschaulichung der Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Brille 41, der Packungsverbund 42 und der Gegenring 43 sind hierbei voneinander beabstandet an der als Kolbenstange 24 ausgestalteten Welle 24 angeordnet. Die Brille 41 weist ein Außengewinde 47 auf, mit dem die Brille 41 in ein Innengewinde 48 des Gehäuseteils 37 eingeschraubt werden kann. In der 1 ist die Brille 41 im eingeschraubten Zustand dargestellt. Die Brille 41 kann aus Kunststoff ausgebildet sein. Die Brille 41 ist vorzugsweise als hülsenförmige Brille 41 mit einem durchgehenden Außengewinde 47 ausgestaltet.
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Der Packungsverbund 42 weist mehrere ringförmige Metallelemente 50, 51, 52, 53 und mehrere ringförmige Abstreifelemente 60, 61, 62, 63 auf. Die ringförmigen Metallelemente 50 bis 53 und die ringförmigen Abstreifelemente 60 bis 63 sind hierbei entlang der Längsachse 36 des Packungsverbunds 42 einander abwechselnd angeordnet. Die ringförmigen Abstreifelemente 60 bis 63 sind aus einem Packungswerkstoff gebildet. Als Packungswerkstoffe kommen beispielsweise aromatische Polyamide (Aramide) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) in Frage. Speziell können die ringförmigen Abstreifelemente 60 bis 63 jeweils einen Grundkörper aus miteinander verflochtenen Fasern, insbesondere Aramidfasern, aufweisen. Ferner kann zwischen den miteinander verflochtenen Fasern der Abstreifelemente 60 bis 63 ein Schmierstoff, insbesondere ein Graphit, vorgesehen sein. Auch ein Imprägniermittel kann zwischen den Fasern der ringförmigen Abstreifelemente 60 bis 63 vorgesehen sein. Hierdurch können die ringförmigen Abstreifelemente 60 bis 63 im Unterschied zu einer metallischen Ausgestaltung verschleißarm ausgeführt werden, so dass diese eine lange Lebensdauer haben.
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Die ringförmigen Metallelemente 50 bis 53 des Packungsverbunds 42 können beispielsweise aus Gusseisen oder Stahl gefertigt werden. Speziell ist ein temperatur-, verschleiß- und korrosionsbeständiger Ventil- oder Warmarbeitsstahl als Werkstoff für die ringförmigen Metallelemente 50 bis 53 gewählt.
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Die Stopfbuchse 2 weist außerdem den Gegenring 43 auf, der mit dem Gehäuseteil 37 verbunden ist. Beispielsweise ist der Gegenring 43 in das Gehäuseteil 37 eingepresst. Der Packungsverbund 42 stützt sich einerseits an dem Gegenring 43 ab. Andererseits kommt beim Einschrauben der Brille 41 in das Gehäuseteil 37 der Packungsverbund 42 in Anlage mit der Brille 41. Durch das Anziehen der Brille 41 in dem Gehäuseteil 37 wird der Packungsverbund 42 verpresst. Über die axiale Kraft beim Anziehen der Brille 41 kann die Radialkraft zur Abdichtung zwischen dem Packungsverbund 42 und der Welle 24 gezielt eingestellt werden.
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Im Ausgangszustand, der in der 2 dargestellt ist, weist der Packungsverbund 42 eine Ausgangslänge 70 auf. Beim Anziehen der Brille 41 wird der Packungsverbund 42 auf eine Länge 71 zusammengepresst. Die ringförmigen Abstreifelemente 60 bis 65 sind zwischen den ringförmigen Metallelementen 50 bis 55 dann axial verpresst und liegen an der durch die Stopfbuchse 2 geführten Welle 24 an. Je stärker die Ausgangslänge 70 auf eine Länge 71 verkürzt wird, desto größer ist auch die axiale Verpressung, wodurch gleichzeitig der Anpressdruck der ringförmigen Abstreifelemente 60 bis 65 an die Welle 24 zunimmt. Durch die Verkürzung der Ausgangslänge 70 auf die Länge 71 kann somit die Leckagemenge verringert werden und gleichzeitig die Reibung eingestellt werden. Speziell kann der sich ergebende Dichtspalt beziehungsweise die sich ergebende Reibung auf ein zulässiges Maß gezielt eingestellt werden. Im Betrieb sind die Größe des Dichtspalts und die sich ergebende Reibung allerdings noch von der Betriebstemperatur abhängig, was bei der Einstellung zu berücksichtigen ist.
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Um einen eventuellen Verschleiß der ringförmigen Metallelemente 50 bis 53 auszugleichen, kann gegebenenfalls im Rahmen einer Wartung ein Nachstellen der Länge 71 erfolgen. Hierfür kann die Brille 41 nachgezogen werden. Somit kann die Dichtwirkung über die Lebensdauer der Kolbenmaschine 1 gewährleistet werden, so dass insbesondere eine Ölleckage minimiert ist. Hierbei kann der flexible Packungsverbund 42 über die Länge 71 an die jeweiligen Dichtigkeitsanforderungen angepasst werden. Zur Montage können die ringförmigen Metallelemente 50 bis 53 geteilt sein. Nach dem Aufbringen auf die Welle können diese beispielsweise mit einem Passstift gesichert werden. Je nach Anwendungsfall kann die Brille 41 auch aus einem Metall, insbesondere einem nichtrostenden Stahl, gebildet sein.
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3 zeigt den in 1 mit III bezeichneten Ausschnitt der Kolbenmaschine 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Packungsverbund 42 der Stopfbuchse 2 ringförmige Metallelemente 50 bis 55 und ringförmige Abstreifelemente 60 bis 65 auf, die einander entlang der Längsachse 36 abwechseln. Anstelle eines Gegenrings 43 ist in diesem Ausführungsbeispiel an der Lagerstelle 39 des Gehäuseteils 37 ein ringförmiger Absatz 72 ausgestaltet, an dem der Packungsverbund 42 abgestützt ist. Hierbei dient die Brille 41 zum Verpressen des an dem ringförmigen Absatz 72 abgestützten Verpackungsverbunds 42. Die Brille 41 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein in dem Kurbelwellenraum 35 angeordnetes Rad 73 auf, das das Einstellen der Vorspannkraft, mit der der Packungsverbund 42 verpresst ist, erleichtert.
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Die einzelnen ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 des Packungsverbunds 42 der Stopfbuchse 2 weisen Dichtlippen 74 auf, wobei in der 3 zur Vereinfachung der Darstellung nur die Dichtlippe 74 des ringförmigen Metallelements 42 gekennzeichnet ist. Mögliche Ausgestaltungen der Dichtlippe 74 sind anhand der 4 und 5 näher beschrieben.
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4 zeigt den in 3 mit IV bezeichneten Ausschnitt der Kolbenmaschine 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung. Das ringförmige Metallelement 52 weist eine Innenseite 75 auf, die der Welle 24 zugewandt ist. Hierbei kann das ringförmige Metallelement 52 beispielsweise ein rechteckiges Profil aufweisen. An der Innenseite 75 des ringförmigen Metallelements 52 ist eine ringförmige Dichtlippe 74 aufgebracht. Die ringförmige Dichtlippe 74 kann hierbei aus einer Nichteisen-Legierung auf der Basis von Chrom und Kobalt oder aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet sein. Eine metallische Dichtlippe 74 kann hierbei beispielsweise durch Aufschweißen mit dem ringförmigen Metallelement 52 verbunden sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist die ringförmige Dichtlippe 74 mit einem bauchförmigen Querschnittsprofil ausgestaltet. Hierbei ist die ringförmige Dichtlippe 74 mit einem zumindest näherungsweise symmetrischen Querschnittsprofil ausgestaltet, so dass keine Vorzugsrichtung besteht. Das bauchförmige und symmetrische Querschnittsprofil der ringförmigen Dichtlippe 74 verjüngt sich hierbei zu der Welle 24 hin. In einem mittleren Bereich 76 des Querschnittsprofils kann die ringförmige Dichtlippe 74 an der Welle 24 anliegen.
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Zwischen der ringförmigen Dichtlippe 74, der Innenseite 75, dem ringförmigen Abstreifelement 61 und der Welle 24 ist ein Zwischenraum 77 gebildet. Ein entsprechender Zwischenraum 78 ist zwischen der ringförmigen Dichtlippe 74, der Innenseite 75, dem ringförmigen Abstreifelement 62 und der Welle 24 gebildet. Weitere solche Zwischenräume sind an den anderen ringförmigen Metallelementen 50, 51, 53, 54, 55 ausgestaltet.
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Die Stopfbuchsen 2, 3 sind somit im Unterschied zu einer Labyrinthdichtung nicht berührungslos ausgeführt. Bei den Stopfbuchsen 2, 3 wird durch die axiale Verpressung des Packungsverbunds 42 gezielt das Packungsmaterial so verformt, dass es an der jeweiligen Kolbenstange 24, 25 anliegt. Das Packungsmaterial übernimmt dabei die Abdichtung. Zugleich ist das Packungsmaterial aus Kunststoff oder Graphitwerkstoffen, so dass es selbstschmierende Wirkung hat. Vorzugsweise sind alle ringförmigen Abstreifelemente aus solch einem Packungsmaterial (Packungswerkstoff) gebildet.
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Der Packungsverbund 42 der jeweiligen Stopfbuchse 2, 3 ist vorzugsweise aus zwei verschiedenen Materialien gefertigt. Nämlich zu einen den ringförmigen Metallelementen 50 bis 55, bei denen jeweils in vorteilhafter Weise eine ringförmige Dichtlippe 74 verwirklicht ist, und zum anderen den ringförmigen Abstreifelementen 60 bis 65 aus dem Packungswerkstoff.
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Die ringförmigen Abstreifelemente 60 bis 65 sind gewissermaßen als Zwischenringe in dem Packungsverbund 42 angeordnet. Die ringförmigen Abstreifelemente 60 bis 65 aus dem Packungswerkstoff werden über die axiale Vorspannung des Packungsverbundes 42 an die jeweilige Welle 24, 25 angepresst. Die Anpressung kann hierbei gezielt eingestellt werden, so dass zum einen die Abdichtung das gewünschte Maß erreicht und zum anderen die Anpress- und damit Reibkräfte nicht zu groß werden.
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Die ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 können auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Wenn die ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 so ausgestaltet werden, dass es einen geringen Dichtspalt zwischen den ringförmigen Metallelementen 50 bis 55 und der jeweiligen Welle 24, 25 gibt, dann wirken diese vergleichbar einer berührungslosen Labyrinthdichtung. Durch die aus Sicht des Dampfmediums hintereinandergeschalteten beziehungsweise angeordneten ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 mit jeweiliger ringförmiger Dichtlippe 74 ergibt sich eine höhere Anzahl an Engstellen, in denen der Druck des Dampfmediums durch die engen Spalte gedrosselt wird und somit die Leckagemenge von der Dampf- zu der Ölseite minimiert wird.
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Werden die ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 hingegen so ausgestaltet, dass diese kein Spiel zur jeweiligen Welle 24, 25 haben und somit kein Spalt zwischen der jeweiligen Welle 24, 25 und der jeweiligen Dichtlippe 74 vorhanden ist, dann wirken die ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 wie Ölabstreifringe eines Kolbenmotors. Somit wird verhindert, dass Öl von der Getriebeseite in die Dampfseite eingetragen wird, da etwaiges Öl auf der Welle 24, 25 wieder in Richtung der Ölseite gestreift wird. Hierbei können die ringförmigen Dichtlippen 74 in Richtung der Ölseite so geformt werden, dass sie die größtmögliche Abstreifwirkung in Richtung der Ölseite entwickeln. Dies wird durch eine asymmetrische Ausgestaltung erzielt. Auf der Dampfseite sind die Dichtlippen 74 und damit die Spalte vorzugsweise so geformt, dass sie dem Dampf eine möglichst hohe Sperre entgegenbringen und so den Eintrag von Dampf auf die Ölseite verhindern.
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Um die Reibung zu minimieren, ist es vorteilhaft, die ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 entlang der Längsachse 36 des Packungsverbundes 42 unterschiedlich zu gestalten. Hierbei wird auf der Dampfseite vorzugsweise bezüglich der Welle 24, 25 eher eine berührungslose Ausgestaltung mit geringem Spaltmaß realisiert. Auf der Ölseite wird hingegen vorzugsweise ein verschwindendes Spiel bezüglich der Welle 24, 25 vorgegeben, so dass sich eine bestmögliche Abstreifwirkung ergibt.
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Im jeweiligen Anwendungsfall gegebenenfalls auftretende Temperatureffekte können auf unterschiedliche Weise berücksichtigt werden. Zum einen können die ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 aus einem geeignet ausgewählten Werkstoff hergestellt werden. Speziell kann ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffs für die ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 hierdurch zumindest näherungsweise gleich einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs der Wellen 24, 25 sein. Hierdurch kommt es auch bei großen Temperaturänderungen zu keinen oder nur geringfügigen Veränderungen der Spaltmaße. Zusätzlich oder alternativ kann aber auch die Geometrie der ringförmigen Dichtlippen 74 der ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 geeignet vorgegeben werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass in jedem Temperaturbereich durch entsprechende Ausgangsgeometrien und thermische Längenänderungen die optimale Dichtwirkung erzielt wird. Speziell kann durch eine ausreichend große Anzahl an ringförmigen Metallelementen 50 bis 55 in jedem relevanten Temperaturbereich eine ausreichend große Anzahl an Dichtlippen 74 die erforderliche Dichtwirkung erzielen. Bei dieser Ausgestaltung werden somit unterschiedliche Ausgangsgeometrien der ringförmigen Dichtlippen 74 vorgegeben, so dass sich unter Berücksichtigung der thermischen Längenänderung stets eine ausreichende Dichtwirkung durch zumindest einen Teil der ringförmigen Dichtlippen 74 ergibt.
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Somit können vorgesehene Dichtspalte, eine Leckagemenge und die auftretende Reibkraft sowie auch der Effekt der Temperaturausdehnung durch gezielte Auswahl der axialen Verpressung sowie der geometrischen Gestaltung der ringförmigen Metallelemente 50 bis 55 mit geeigneten Dichtlippen 74 vorgegeben und eingestellt werden.
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5 zeigt den in 4 dargestellten Ausschnitt der Kolbenmaschine 1 entsprechend einer weiteren möglichen Ausgestaltung. Hierbei weist die ringförmige Dichtlippe 74 ein asymmetrisches Profil mit einer Flanke 79 auf. Hierbei ist die Flanke 79 zumindest näherungsweise senkrecht zu der Längsachse 36 des Packungsverbunds 42 ausgestaltet. Hierdurch ist eine Vorzugsrichtung der ringsförmigen Dichtlippe 74 gegeben. Hierdurch kann bei unterschiedlichen Medien und/oder unterschiedlichen Mediendrücken gegebenenfalls eine verbesserte Dichtwirkung bei vorgegebener Verpressung beziehungsweise Reibwirkung des Packungsverbunds 42 in Bezug auf die Welle 24 erzielt werden.
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Die ringförmige Dichtlippe 74 kann aus einem Hartmetall oder einem keramischen Werkstoff ausgebildet sein. Speziell kann die ringförmige Dichtlippe 74 aus einer Nichteisen-Legierung auf der Basis von Chrom und Kobalt ausgestaltet sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
