DE102013215468A1

DE102013215468A1 - Tauchlageranordnung und Verfahren zur Abdichtung derselben

Info

Publication number: DE102013215468A1
Application number: DE102013215468.2A
Authority: DE
Inventors: Claus Müller; Thorsten Herrmann; Gotthold Bürklin
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2015-02-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tauchlageranordnung mit einer sich von einem schmiermittelgefluteten Lagerbereich 8 in einen Außenbereich 30 eines flüssigen Tauchmediums erstreckenden Welle 20. Ziel der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, die eine Verlängerung der Lebensdauer einer Tauchlageranordnung gewährleisten können, ohne positive Eigenschaften der Lagerung in Mitleidenschaft zu ziehen. Es wird vorgeschlagen, entweder den hydrostatischen Druckunterschied innerhalb der Prozesskavität zu nutzen und alternativ oder optional die Welle 20 zwischen dem Lagerbereich 8 und dem Außenbereich 30 durch eine mit einem Sperrmedium 15 geflutete Sperrkammer 14 verlaufen zu lassen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abdichtung einer Tauchlagerung, wobei durch eine Regulierung des Außendrucks P3, des Innendrucks P2 und Sperrdrucks P0 eine äußerst vorteilhafte Leckage Situation entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tauchlageranordnung mit einer sich mit einem Prozessmedium, insbesondere Schmiermittel, gefluteten Lagerbereich in einen Außenbereich eines, insbesondere flüssigen, Tauchmediums erstreckenden Welle. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abdichtung einer Tauchlagerung.
Gebiet der Erfindung
Tauchlageranordnungen finden als Wälz- oder Gleitlager Einsatz in Tauchmedien oder auch Umgebungsmedien. Solche Tauch- oder Umgebungsmedien können vornehmlich dünnflüssige Medien sein zum Beispiel wässrige Flüssigkeiten, Emulsionen, wässrige Suspensionen, Kühlflüssigkeiten, Kühlschmierstoffe, Bohrflüssigkeiten, Meerwasser oder andere Gewässer. In diesen Medien würde aufgrund des Eindringens des Tauch- oder Umgebungsmediums ein Lager konventioneller Bauart deutliche Lebensdauereinbußen hinnehmen, weil durch das Eindringen ein Verschmutzungsgrad erreicht wird, der für den Lagerbetrieb intolerabel ist. Des Weiteren wird der Begriff Tauchmedium vereinfachend auch im Sinne eines Umgebungsmediums verwendet.
Jedoch erfordern Einsatzgebiete, wie zum Beispiel Lager für Meeres- und Flusskraftwerke, Meer- und Süßwasserturbinen, Wasserbauwerke (z. B. Schleusentore), Schiffsantriebe, Bohrkopflager, Pumpenlager, Kompressionslager einen nachhaltigen Einsatz und eine entsprechende Lebensdauer, zumal derartige Lager nicht ohne weiteres regelmäßig überprüft, beziehungsweise ausgetauscht werden können. Erschwerend kommt hinzu, dass das Tauchmedium auch ein Schadstoff, Staub, Schmutz oder Partikel belastetes Gas oder Luft sein kann. Dies ist bei Einsatzgebieten, wie zum Beispiel bei Tunnel- und Bergbaumaschinen, Bohrgeräten, Rohstoffgewinnung und Verarbeitung (zum Beispiel Zementdrehrohröfen) der Fall.
Diese Problematik des Lagerschutzes hat im Stand der Technik eine Reihe von Lehren hervorgebracht, die Gleit- und Wälzlager vor dem Tauchmedium oder den darin enthaltenen Schadstoffen schützt. Beispielsweise gibt es eine Reihe von Ansätzen, die auf gereinigtem Wasser basieren, welches als Prozessmedium, welches nicht notwendiger Weise ein Schmiermittel sein muss, verwendet wird, um bei einem gegebenen Überdruck im Lagerbereich durch eine regelmäßige Leckage nach außen einen kontinuierlichen, säubernden Ausfluss gewährleistet, der ein Eindringen des Tauchmediums oder der Schmutzpartikel in den Lagerbereich verhindert ( DE 10 2007 052 427 A1 , DE 34 113 12 A1 , JP 571 340 14 A ).
Grundsätzlich kann auch ein Schmiermittel derart eingesetzt werden, dass durch kontinuierliche Leckage ein Ausfluss aus dem Lagerbereich stattfindet. In diesem Zusammenhang wurde insbesondere mit biologisch abbaubarem Schmieröl gearbeitet ( WO 00 2012 022 615 A1 , WO 000 2012 022 603 A1 ).
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Wartungsintervalle und die Lebensdauer von Tauchlageranordnungen zu verlängern, ohne Einbußen bei der Leistungsfähigkeit derartiger Lagerungen in Kauf nehmen zu müssen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird bei einer Tauchlagerung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der mit dem Prozessmedium, insbesondere mit einem Schmiermittel, geflutete Lagerbereich Teil einer Prozesskavität bildet, wobei innerhalb der Prozesskavität ein durch das Tauchmedium hydrostatisch bedingter Druckunterschied vorliegt. Auf diese Weise ist es möglich, durch eine Tiefendruckdifferenz eine optimale Druckregulierung zu etablieren, die für eine möglichst angepasste Leckage des Prozessmediums sorgt. Für reibungsarme Lagerungen ist es denkbar ein Schmiermittel als Prozessmedium zu verwenden. Das Prozessmedium muss keine Schmierfunktion aufweisen, hat aber die Funktion den erforderlichen Druck gegenüber dem Tauchmedium aufzubauen, um das Eindringen des Tauchmediums in den Lagerbereich zu verhindern. Dennoch ist es sinnvoll dem Prozessmedium eine weitere Funktion zu geben und dieses gleichzeitig, beispielsweise als Schmiermittel auszuführen.
Die Prozesskavität kann nun mittels diverser Schläuche, Rohrverbindungen oder anderen Bauteilen derart gebildet werden, dass die Prozesskavität an mehreren Stellen unterschiedliche statische Drucke des Tauchmittels erfahren kann. Hierbei wird festgehalten, dass der Terminus „hydrostatisch” den Gegenstand nicht auf Wasser begrenzt ist, sondern alle möglichen Flüssigkeiten beinhaltet, in denen ein Eintauchen, beziehungsweise ein Betrieb eines beweglichen Teiles, wie zum Beispiel einer Welle, erfolgen soll.
Die Tauchlagerung kann in Teilen auch an einer Oberfläche des Tauchmediums angeordnet sein, solange der hydrostatische Druckaufbau nach wie vor bewerkstelligt werden kann, zum Beispiel, dann wenn eine der beiden Tauchtiefen nahezu null ist.
Unter einer Kavität wird ein Raum verstanden, der zur Aufnahme eines flüssigen oder gasförmigen Mediums vorgesehen ist und aus mehreren Medium enthaltenden Bauteilen bestehen kann, wie zum Beispiel Rohre, Schläuche, Behälter oder dergleichen. Eine Kavität kann also aus einem Bauteil oder einer Vielzahl von Bauteilen gebildet sein.
Vorteilhafterweise bilden ein Speicherbehälter und/oder ein Lagerbehälter zumindest teilweise die Prozesskavität aus, wobei die Prozesskavität das Prozessmedium zur Umspülung des Tauchlagers enthält und der Lagerbehälter die Lageranordnung beinhaltet oder aufweist. Beide Behälter können über eine, zwei oder mehrere Verbindungen miteinander verbunden sein und innerhalb des Tauchmediums an Orten unterschiedlichen hydrostatischen Tiefendrucks angeordnet sein. So können der Speicherbehälter bei einer ersten Tauchtiefe und der Lagerbehälter bei einer zweiten Tauchtiefe angeordnet werden. Unter Berücksichtigung der Differenz der beiden genannten Tauchtiefen, kann Prozessmedium optimal aus dem Speicherbehälter in den Lagerbehälter gedrückt werden, um dort den optimalen Druck für die gewünschte Leckage zur Verfügung zu stellen.
Der Speicherbehälter kann durch das Tauchmedium kompressibel sein, wofür dieser auch zumindest teilweise aus einem bewegbaren oder deformierbaren Teil bestehen muss. Damit kann der hydrostatische Druck im Außenbereich des Speicherbehälters auf das Prozessmedium einwirken. Idealerweise ist die Überdruckversorgung für die Leckage unabhängig von einer externen Versorgung.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Tauchtiefe t_b des Speicherbehälters kleiner als die zweite Tauchtiefe t_sk des Lagerbehälters gewählt, wobei das Prozessmediums eine größere Dichte als das Tauchmediums aufweist (ρ_pm > ρ_tm). Dazu wird der Speicherbehälter über dem Lagerbehälter installiert. Für den Druck P₂ im Lagerbehälter gilt: P₂ = ρ_tm·g·t_sk P₂ = P₁ + ρ_pm·g·(t_sk – t_b), mit P₁ = ρ_tm·g·t_b → P₂ = ρ_tm·g·t_b + ρ_pm·g·(t_sk – t_b) (A)
In der Tiefe des Lagerbehälters muss P₂ > P₃ gelten, wobei P₃ der Außendruck in der Tiefe t_sk des Lagerbehälters ist. P₂ = ρ_tm·g·t_b + ρ_pm·g·(t_sk – t_b) > ρ_tm·g·t_sk = P₃ (B) ρ_pm·g·(t_sk – t_b) > ρ_tm·g·(t_sk – t_b) (C)
In dieser Formel kann t_sk nur größer als t_b sein, wenn der Wert der Klammern positiv ist. Damit ist, wie bereits erwähnt, der Speicherbehälter über dem Lagerbehälter anzuordnen, womit der Speicherbehälter näher an der Oberfläche des Tauchmediums liegt als der Lagerbehälter.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Tauchtiefe t_b größer als die zweite Tauchtiefe t_sk gewählt, wobei das Prozessmedium eine kleinere Dichte als das Tauchmedium (ρ_pm < ρ_tm) aufweist, womit der Speicherbehälter über dem Lagerbehälter installiert oder angeordnet werden muss. Für den Druck P₂ im Lagerbehälter gilt das gleiche, wie in Formel C, wobei die Tauchtiefen nunmehr für negative Klammerwerte sorgen.
Bei einer weiteren Ausführungsform verstärkt eine Pumpe den hydrostatischen Druckunterschied oder, insbesondere wenn die erste Tauchtiefe im Wesentlichen gleich der zweiten Tauchtiefe gewählt ist, baut die Pumpe einen Pumpdruckunterschied auf, der den hydrostatischen Druckunterschied ersetzt.
Bei gleichen Dichten (ρ_pm = ρ_tm = ρ) gilt ausgehend von Formel (B): P₂ = P₁ + ρ·g·(t_sk – t_b) mit P₁ = ρ·g·t_b → P₂ = ρ·g·t_b + ρ·g·(t_sk – t_b) = P₃, oder → P₃ = P₂ = ρ·g·t_sk (D)
Somit besteht nicht die erforderliche hydrostatische Druckdifferenz mehr, die für den Betrieb einer kontrollierten Leckage erforderlich ist. Deshalb wird unter Zuhilfenahme einer Pumpe (Pumpendruck: P_pump) wieder ein Druckunterschied in Form eines Pumpdruckunterschiedes hergestellt: P₂ = P₃ + P_pump, und damit P₂ > P₃.
Die Pumpe kann das Prozessmedium im Speicherbehälter durch verschiedene Methoden unter Druck setzen. Dabei sollte der Überdruck P_pump zwischen 0,5% und 30%, bevorzugt zwischen 1% und 10%, vom Druck P₂ des Lagerbehälters ausmachen. Eine Möglichkeit besteht in einer pumpähnlichen Kartusche, die durch eine chemische Reaktion Druck aufbaut. Alternativ könnte die Pumpe elektromechanisch mittels einer Batterie oder einem Akku als Energiequelle Druck aufbauen. Die weniger aufwändige Lösung ohne Pumpe ist jedoch der Einfachheit halber zu bevorzugen. Leider ist dies an die Bedingung ρ_pm ≠ ρ_tm geknüpft.
Bevorzugt ist die Prozesskavität zur Aufrechterhaltung eines Prozessmediumkreislaufs vorgesehen. Auf diese Weise ist es möglich, durch entsprechende Filteranordnungen das Prozessmedium, insbesondere Schmiermittel, von Verunreinigungen zu trennen, die nachträglich in die Prozesskavität eingedrungen sind. Es können diverse Filter vorgesehen werden, die Verunreinigungen von der Lagerung, also insbesondere den Laufbahnen eines Wälzlagers oder den Gleitflächen eines Gleitlagers fernhalten. Idealerweise ist das Serviceintervall dieser Filter sehr lange, beispielsweise so lange wie die Lebensdauer des Tauchlagers selbst.
Bevorzugt ist die Prozesskavität, insbesondere ein Speicherbehälter der Prozesskavität, dazu vorgesehen aufgrund der Leckage des Prozessmediums in den Außenbereich des Tauchmediums eine abnehmende Menge Prozessmedium mittels einer Volumenänderung der Prozesskavität zu ermöglichen. Auf diese Weise ist es möglich, dass eine Druckübertragung vom Tauchmedium auf das Prozessmedium derart stattfindet, dass der statische Druck eine Zirkulation oder zumindest eine Bewegung des Sperrmediums innerhalb der Prozesskavität unterstützt oder sogar dazu den Ausschlag gibt. Alternativ kann das Volumen der Prozesskavität auch konstant bleiben, wobei der Füllstand der Prozesskavität abnimmt.
Eine weitere Tauchlageranordnung im Sinne der Erfindung weist eine sich von einem Prozessmedium gefluteten Lagerbereich in einen Außenbereich eines, insbesondere flüssigen, Tauchmediums erstreckende Welle aus. Zur Verlängerung der Lebensdauer verläuft die Welle zwischen dem Lagerbereich und dem Außenbereich durch eine mit einem Sperrmedium gefüllte Sperrkammer. Daran ist vorteilhaft, dass das Sperrmedium sowohl in den Außenbereich, als auch in den Lagerbereich per Leckage gelangen kann. Da der Lagerbereich in der Prozesskavität angeordnet ist, gilt das zuletzt gesagte im Hinblick auf die Prozesskavität entsprechend. So ist es möglich, dass das Prozessmedium, insbesondere Schmiermittel, umso besser von der Außenwelt und damit der Umwelt getrennt ist. Außerdem bestehen hohe Freiheitsgrade bei der Auswahl des Sperrmediums, welches nach Kriterien der biologischen Abbaubarkeit (Umwelt) ausgewählt werden kann. Jedoch muss dabei sichergestellt sein, dass kleine Mengen des Sperrmediums in das Schmiermittel der Lageranordnung gelangen können ohne Schaden anzurichten.
Vorteilhafterweise ist ein Sperrdruck in der Sperrkammer größer als der Innendruck des Prozessmediums im Lagerbereich und größer als der Außendruck des, beispielsweise flüssigen, Tauchmediums. Dadurch ist sichergestellt, dass sich das Prozessmedium nicht durch die Sperrkammer in den Außenbereich bewegen kann. Ferner ist auch kontrollierbar, wie groß die Leckage des Sperrmediums in den Außenbereich, beziehungsweise die Leckage in den Lagerbereich sein soll.
In einer besonders einfachen Ausführungsform kann als Sperrmedium und als Prozessmedium, insbesondere Schmiermittel, die gleiche Substanz verwendet werden. Somit ist es denkbar, dass die Leckage des Sperrmediums aus der Sperrkammer in dem Lagerbereich sehr groß gewählt werden kann, womit eine regelmäßige Nachfüllung des Prozessmediums erreicht wird und gleichzeitig für eine Abschottung der Sperrkammer und des Lagerbereichs vom Außenbereich eingesetzt werden kann.
Des Weiteren bedarf es beim Einsatz eines Sperrmediums nicht notwendigerweise einer Sperrkammer. Auch in anderen Ausführungsformen ist auf der Basis einer Funktionstrennung sowohl ein Sperrmedium als auch ein Prozessmedium einsetzbar. Aufgrund des Anwendungsfalles der jeweiligen Ausführungsform einer Tauchlageranordnung kann aber trotz der unterschiedlichen Funktion die gleiche Substanz, insbesondere Schmiermittel, sowohl als Prozessmedium als auch als Sperrmedium eingesetzt werden.
Die Erfindung ist mit einer üblichen, aus dem Stand der Technik bekannten, Abdichtung des Lagerbereiches, beziehungsweise der Lagerkavität, vom Außenbereich kombinierbar, solange die für die Druckdifferenz erforderliche Leckage durch die gewählte Dichtung nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Die Dichtung muss beispielsweise temporäre Druckschwankungen des Tauchmediums aushalten, um dessen Eindringen zu verhindern und gleichzeitig die Leckage so klein wie möglich halten.
Die Dichtung kann einstufig (zum Beispiel Einlippen-Elastomerdichtung, metallische Laufwerksdichtung, einstufige Radialwellendichtungringe, einstufige nichtmetallische Gleitringdichtung, magnetische Gleitringdichtung, Filzring, Stopfbuchse, Bürstendichtung) oder mehrstufig berührend (zum Beispiel zwei- oder Mehrlippen-Elastomerdichtung, doppelte Gleitringdichtung (GLRD), Hintereinanderschaltung von Radialwellendichtring (RWDR), mehrere Stopfbuchringe) ausgeführt werden.
Alternativ kann die Dichtung einstufig berührungslos (zum Beispiel Drosseldichtung [Spalt- oder Labyrinthdichtung], Sperrdichtungen [zum Beispiel Gewindedichtungen, Zentrifugal-Wellendichtung, Sperrluftdichtung]) oder mehrstufig berührungslos (zum Beispiel mehrstufige Drosseldichtungen, Sperrdichtung in verschiedenen Ausführungen [stufenweise, mehrstufige], Magnetflüssigkeitsdichtung) ausgelegt sein.
Ebenso sind Kombinationen aus berührenden und berührungslosen Dichtungen denkbar (zum Beispiel RWDR und Drosseldichtungen, RWDR und Sperrdichtung, RWDR und Gleitringdichtung, Kombination aus mehreren Drosseldichtungen und Sperrdichtungen mit berührenden Dichtungen [zum Beispiel RWDR/GLRD, Labyrinthdichtung, Gewindewellendichtung, Sperrluftdichtung, Drosseldichtung, Spaltdichtung]).
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Abdichtung einer Tauchlagerung vor, wobei

– eine Prozesskavität eines Lagerbereiches mit einem Prozessmedium, insbesondere Schmiermittel, gefüllt ist und einen Innendruck aufweist,
– eine Sperrkavität mit Sperrmedium gefüllt ist und einen Sperrdruck aufweist, und

Beim erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Tauchlageranordnung ist der Einsatz einer Versorgungspumpe in den meisten Fällen vermeidbar. Ferner ist eine Wartung gar nicht mehr oder nur in sehr großen Zeitabständen notwendig, womit Kosten eingespart werden können. Interessanterweise kann die Lagerung mit einem Schmiermittel, anstatt zum Beispiel mit gereinigtem Wasser, als Prozessmedium geflutet werden, womit nochmals eine Lebensdauerverlängerung eintritt. Zumal mit einem Ausfluss des Schmiermittels nicht immer gerechnet werden muss.
Aufgrund der flexiblen Auswahl der unterschiedlichen Medien, mit Ausnahme des Tauchmediums selbst, kann die Schmierwirkung des Schmiermittels erhöht oder eine antikorrosive Wirkung des Sperrmediums verbessert werden, idealerweise auch beides zusammen. Insbesondere können vornehmlich ökologisch unbedenkliche Sperrmedien oder Prozessmedien verwendet werden, bei denen andauernde, kontrollierte Leckagen toleriert werden können:

a) Fluide niedriger Viskosität: Bio-Öle, wie zum Beispiel Speiseöl, Rapsöl, Palmöl, Rübböl.
b) Fluide höherer Viskosität: Fette und fettähnliche Medien, wie biologisch schnell abbaubares Fett für Wälz- und Gleitlager aller Art mit geringer Toxizität, zum Beispiel auf Basis spezieller Seifen (zum Beispiel Lithium oder Kalzium). Auch können Fette aus dem Lebensmittelbereich eingesetzt werden, wie zum Beispiel Margarine oder Lebertran.

Bei den genannten Optionen für Prozessmedien, Sperrmedien und Schmiermitteln kann die ökologische Unbedenklichkeit, Verträglichkeit oder ausreichende Nichttoxizität oder dergleichen durch die geringe Dosierung der Leckage erreicht werden. Alternativ kann auch in Abhängigkeit der Menge der Leckage entsprechend ökologisch gewählt werden. Sogar herkömmliche Lagerschmierstoffe auf Mineralölbasis können eine Option für ein Schmiermittel sein, sofern die Leckage gering genug gehalten werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Tauchlageranordnung im Querschnitt,
2 eine geschnittene Ansicht einer Wellenlagerung, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der 1,
3 einen Speicherbehälter mit einem Prozessmediumbalg,
4 eine geschnittene Darstellung einer Wellenlagerung in einem Tauchmedium mit einer Sperrkammer, und
5 eine Tauchlagerung in einer Prozesskavität mit Prozessmediumkreislauf oder Sperrmediumkreislauf.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Tauchlageranordnung beinhaltet einen Speicherbehälter 7, der mit einem Prozessmedium 1 gefüllt ist. Das Prozessmedium hat die Aufgabe innerhalb des Lagerbereichs 8 einen Innendruck P₂ aufrecht zu erhalten, der es erlaubt eine kontante Leckage 6 aus dem Kugellager mit den Wälzkörpern 2, dem Außenring 5 und dem Innenring 4 zu ermöglichen. Dazu sind die Dichtungen 3 als Spaltdichtungen ausgelegt, um mit dem Innenring 4 eine Spaltdichtung zu bilden. Die Breite des Dichtspaltes und der Druckunterschied zwischen dem Außendruck P₃ und dem Innendruck P₂ definieren die Menge des Ausflusses des Prozessmediums 1 pro Zeitintervall, wobei dessen Viskosität ebenfalls eine Rolle spielt.
Die Lagerkavität ist durch alle Räume definiert, die vom Prozessmedium 1 eingenommen werden, wobei innerhalb der Lagerkavität ebenfalls ein Druckgradient existiert, denn der Druck P₁ im Speicherbehälter 7 und der Innendruck P₂ im Lagerbereich sind zur Erhaltung eines Flusses aus dem Speicherbehälter 7 in den Lagerbereich 8 unterschiedlich. Nun kann in erfindungsgemäßer Weise mittels der Drucke P₁ und P₂ die für die Leckage 6 erforderliche Druckdifferenz erzielt werden, indem die Tiefenpositionen des Speicherbehälters 7 und des Wälzlagergehäuses 27 festgelegt werden. Wichtigstes Kriterium ist dabei, der Druckgradient P₁ > P₂ > P₃. Da P₁ vom statischen Druck des Tauchmediums im Außenbereich 30 beeinflusst ist, wird der hydrostatische Druckunterschied im Tauchmedium zur Generierung der Leckage 6 herangezogen.
2 zeigt eine geschnittene Ansicht einer Wellenlagerung, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der 1. Das Grundprinzip ist das gleiche, wie in 1, jedoch ist noch eine gelagerte Welle 20 in einem Gehäuse 9 abgebildet, welches das Prozessmedium 1 enthält. Die Leckage 6 erfolgt wellenseitig an der Dichtung 10, die beispielsweise als eine Lippendichtung, basierend auf einer elastischen Radiallippe, ausgeführt sein kÖnnte.
Der Speicherbehälter 7 weist eine Druckkopplung zum Tauchmedium 30 auf, die auf unterschiedliche Weise umgesetzt werden kann, beispielsweise mit einem Hubkolben.
3 zeigt einen Speicherbehälter 23 mit einem Prozessmediumbalg 19, welcher sich der aktuellen Menge des Prozessmediums 1 im Prozessmediumbalg 19 anpasst und eine Druckkopplung mit dem Tauchmedium 30 herstellt. Der Gitterkäfig 18 gewährleistet Schutz vor mechanischer Beschädigung und begrenzt die Aufnahmemenge des Prozessmediums 1. Das Gitter kann ein Metall- oder Polymergitter sein. Alternativ kann der Gitterkäfig 18 aus Tauchmedium beständigem Polymerwerkstoff, mit relativ dünner Wandung, bestehen, um den Druck von außen nach innen übertragen zu können. Somit wäre ein Prozessmediumbalg 19 nicht notwendig.
Eine weitere Aufgabe des Gitters 18 konnte eine Positionierung unter oder über dem Lagerbehälter 29 beinhalten. Dazu konnten regulierbare Schwimmkörper eingesetzt werden, die gegebenenfalls mit Abspannseilen geführt oder anderweitig ergänzt werden.
Der Ablauf 17 führt zu einem Gehäuse 9 aus 2 oder einem Lagerbehälter 29 wie in 4 und ist druckstabil ausgeführt.
4 eine geschnittene Darstellung einer Wellenlagerung in einem Lagerbehälter 29 in einem Tauchmedium mit einer durch eine Sperrkammer 16 reichende Welle 20. Durch den Zulauf 14 wird ein Sperrmedium 15 in eine Sperrkammer 16 eingespeist, wobei der Druck P₀ der Sperrkavität größer ist als der Innendruck P₂ und der Außendruck P₃. Somit kann das Prozessmedium 1 von dem Tauchmedium im Außenbereich 30 sehr effektiv separiert werden, wobei eine Leckage 26 aus der Sperrkammer 16 in den Lagerbereich 8 und eine weitere Leckage 6 aus der Sperrkammer 16 in den Außenbereich 30 vorgesehen ist. Dazu ist eine Innendichtung 12 zwischen Sperrkammer 16 und Lagerbereich 8 und eine Außendichtung 13 zwischen Sperrkammer 16 und Außenbereich 30 erforderlich. Deren Spaltdichtungen müssen den gewünschten Leckagen 6, 26 angepasst werden, genauso wie die Druckunterschiede der Drucke P₀, P₂ und P₃, wobei P₀ über eine Wahl der Tiefenposition des angeschlossenen Speicherbehälters 23 aus 3 oder über einen Sperrmediumkreislauf wie in 5.
Bei diesem Ausführungsbeispiel können Zur Kontrolle des Sperrkammerdrucks P₀ die gleichen Vorrichtungen vorgesehen werden, wie dies bereits in den 1 und 2 für das Prozessmedium 1 vorgesehen ist. Alternativ kann die Sperrkammer 16 neben dem Zulauf 14 noch einen Ablauf beinhalten, womit diese in einen Sperrmediumkreislauf eingebunden wäre, wie es in 5 für das Prozessmedium 2 vorgesehen ist. Der Vorteil der Kreislauflösung besteht darin, dass Schmutzstoffe und eingedrungenes Tauchmedium, wie Meer- oder Süßwasser, wenn sie einmal in die Sperrkammer 16 gelangt sind, über das Sperrmittel 15 oder das Prozessmittel 1 von dort abtransportiert werden kann. Damit gelangt es nicht in den Lagerbereich 8, sondern kann in einem Filter deponiert oder anderweitig abgeschieden werden.
Vorteilhaft ist auch, dass das Sperrmedium 15 und das Prozessmedium 1 sehr speziell für ihre jeweilige Funktion ausgewählt werden können. Beispielsweise kann das Prozessmedium 1 ein Schmiermittel sein und als Sperrmedium 15 kann eine zähflüssige Substanz gewählt werden, damit wenig Leckage zu erwarten ist. Das Prozessmedium 1 kann nunmehr auch Reibungswärme abtransportieren und für eine Kühlung des Wälzlagers 11 sorgen.
In einer einfachen Ausführung kann das Prozessmedium 1 auch identisch mit dem Sperrmedium 15 sein, sofern die Schmierung des Wälzlagers 11 noch gewährleistet werden kann.
Die Sperrkavität kann als Kreislauf ausgelegt sein oder eine einzige Verbindung zu einem Speicherbehälter 7, 23 haben. Alternativ kann die Sperrkammer 16 die gesamte Sperrkavität bilden, die durch alle Räume definiert ist, in denen sich Sperrflüssigkeit 15 ungemischt aufhält. Dazu gehört also nicht der Außenbereich 30 oder die Prozesskavität des Lagerbereiches 8.

5 zeigt eine Tauchlagerung in einer Prozesskavität mit Prozessmediumkreislauf. Wie bereits beschrieben wurde, können verschiedene Regime für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Tauchlagers angegeben werden: 1. Fall: Dichte des Prozessmediums 1 größer er als die Dichte des Tauchmediums

Angaben	Werte	Einheit	Beispiel
g	9,81	m/s²
Dichte Prozessmedium	1090	kg/dm³
Dichte Tauchmedium	1020	kg/dm³	Meerwasser
Tiefe Speicherbehälter	18	m
Tiefe Anlage/Lagerbehälter/Sperrkammer 16	20	m
P₃	20,0124	bar
P₂	20,14974	bar
P₁	18,01116	bar

2. Fall: Dichte des Prozessmediums 1 kleiner als die Dichte des Tauchmediums

Angaben	Werte	Einheit	Beispiel
g	9,81	m/s²
Dichte Prozessmedium	900	kg/dm³	Rapsöl
Dichte Tauchmedium	1020	kg/dm³	Meerwasser
Tiefe Speicherbehälter	22	m
Tiefe Anlage/Lagerbehälter/Sperrkammer	20	m
P₃	20,0124	bar
P₂	20,24784	bar
P₁	22,01364	bar

3. Fall: Die Dichte des Prozessmediums 1 ist gleich der Dichte des Tauchmediums

Angaben	Werte	Einheit	Beispiel
g	9,81	m/s²
Dichte Prozessmedium	1020	kg/dm³	Gefiltertes Meerwasser
Dichte Tauchmedium	1020	kg/dm³	Meerwasser
Tiefe Speicherbehälter	22	m
Tiefe Anlage/Lagerbehälter/Sperrkammer	20	m
P₃	20,0124	bar
P₂	20,0124	bar
P₁	22,01364	bar

Beim Fall 1 handelt es sich um den tatsächlich in der 5 abgebildeten Fall.
Der Hauptvorteil der Erfindung gegenüber konventionellen hermetisch abgedichteten Lagern besteht in der niedrigen Reibung des Systems, sowie der Einsetzbarkeit in großen Wassertiefen. Eine Wartung einer Tauchlageranordnung gemäß einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele, insbesondere die Ausführungsbeispiele ohne Pumpe, ist nur dann erforderlich, wenn das Prozessmedium 1, das Sperrmedium 15 oder das Schmiermittel nachgefüllt werden muss. Dies ist bei geeigneter Auslegung erst nach langen Zeitintervallen erforderlich. Auch Filter können weitgehend vermieden werden oder setzen sich während des Betriebes kaum zu.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass das Prozessmedium 1 und/oder das Sperrmedium 15 ein Schmiermittel sein kann oder zumindest eine Schmierfunktion aufweisen. Damit ist die Lasttragefähigkeit des Tauchlagers erhöht im Vergleich zur Flutung mit dem Tauchmedium. In allen Ausführungsbeispielen hat das Sperrmedium 15 oder das Prozessmedium 1 eine bessere Schmierwirkung beziehungsweise wirkt im Wälz- oder Gleitkontakt lagerverträglicher und ist somit vorteilhafter als das Tauchmedium. Mit anderen Worten, es kann bei gleicher Gebrauchsdauer eine höhere Lasttragefähigkeit im Vergleich zu Tauchmedien, wie zum Beispiel reinem Meer-, Süß- oder Schmutzwasser erreicht werden oder alternativ bei gleicher Lasttragefähigkeit eine längere Gebrauchsdauer, bevor eine kritische Schädigung des Lagers eintritt.
Des Weiteren sind alle Ausführungsbeispiele für Wellen einsetzbar, die horizontal zur Erdbeschleunigung oder vertikal mit der Erdbeschleunigung orientiert sind. Damit kann der Lagerbehälter 29, der als ein Generator, ein Maschinengehäuse oder dergleichen ausgeführt sein kann, beliebig orientiert werden, obwohl er sich in einem getauchten Zustand befindet.
Des Weiteren sind alle Ausführungsbeispiele für Tauchlagerungen mit Gleitlagern einsetzbar. Das Sperrmedium 15 und/oder das Prozessmedium 1 kann hierbei optimal auf der Basis der Werkstoffe, der Oberflächenbeschaffenheit, der Beschichtungen, Innengeometrie und/oder Kinematik abgestimmt werden, zum Beispiel derart, dass das jeweilige Medium bezüglich Tribologie oder Verschleiß oder Korrosion nicht nachteilig wirkt.
Schutz und Funktionalität eines Wälz- oder Gleitlagers in Anlagen oder Maschinen, welche eingetaucht in einem Tauchmedium (zum Beispiel Meerwasser, Schmutzwasser, Chemikalien) eingesetzt werden, können durch eine Sperrtechnik gewährleistet werden, wobei die Sperrtechnik

a) eine sperrende, passive, berührungsarme, reibungsarme und/oder nicht-hermetische Dichtung zur kontrollierten Leckage aufweist,
b) ein gegenüber der der Umgebung ökologisch verträgliches Sperrmedium 15 oder Prozessmedium 1 aufweist, welches mit Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck (Außendruck P₃ des Tauchmediums) unabhängig von externer Versorgung gehalten werden kann, und
c) das Tauchlager und dessen Prozessmedium 1 und/oder Sperrmedium 15 tribologisch und bezüglich Korrosion derart aufeinander abgestimmt sind, dass das jeweilige Medium eine tribologische Schmierwirkung aufweist, die höher ist, als die des Tauchmediums und das Lager nicht oder nur gering korrosiv angegriffen wird, sodass eine hohe Funktionalität (Lasttragefähigkeit, Gebrauchsdauer, et cetera) erreicht wird.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Tauchlageranordnung mit einer sich von einem schmiermittelgefluteten Lagerbereich 8 in einen Außenbereich 30 eines flüssigen Tauchmediums erstreckenden Welle 20. Ziel der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, die eine Verlängerung der Lebensdauer einer Tauchlageranordnung gewährleisten können, ohne positive Eigenschaften der Lagerung in Mitleidenschaft zu ziehen. Es wird vorgeschlagen, entweder den hydrostatischen Druckunterschied innerhalb der Prozesskavität zu nutzen und alternativ oder optional die Welle 20 zwischen dem Lagerbereich 8 und dem Außenbereich 30 durch eine mit einem Sperrmedium 15 geflutete Sperrkammer 14 verlaufen zu lassen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abdichtung einer Tauchlagerung, wobei durch eine Regulierung des Außendrucks P₃, des Innendrucks P₂ und Sperrdrucks P₀ eine äußerst vorteilhafte Leckage Situation entsteht.
Bezugszeichenliste

1: Prozessmedium
2: Wälzkörper
3: Dichtung
4: Innenring
5: Außenring
6: Leckage in den Außenbereich
7: Speicherbehälter
8: Lagerbereich
9: Gehäuse
10: Dichtung
11: Wälzlager
12: Innendichtung
13: Außendichtung
14: Zulauf
15: Sperrmedium
16: Sperrkammer der Sperrkavität
17: Ablauf
18: Gitterkäfig
19: Prozessmediumbalg
20: Welle
21: Oberfläche
22: Flussrichtung
23: Speicherbehälter
26: Innenleckage
27: Wälzlagergehäuse
28: Meeresbewohner
29: Lagerbehälter
30: Außenbereich
P₀: Sperrdruck
P₁: Druck im Speicherbehälter
P₂: Innendruck
P₃: Außendruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007052427 A1 [0004]
DE 3411312 A1 [0004]
JP 57134014 A [0004]
WO 002012022615 A1 [0005]
WO 0002012022603 A1 [0005]

Claims

Tauchlageranordnung mit einer sich von einem mit Prozessmedium (1) gefluteten Lagerbereich (8) in einen Außenbereich (30) eines Tauchmediums erstreckenden Welle (20), dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Prozessmedium (1) geflutete Lagerbereich (8) Teil einer Prozesskavität bildet, wobei innerhalb der Prozesskavität ein durch das Tauchmedium hydrostatisch bedingter Druckunterschied vorliegt.
Tauchlageranordnung nach Anspruch 1, wobei ein Speicherbehälter (23) und ein Lagerbehälter (29) zumindest teilweise die Prozesskavität ausbilden.
Tauchlageranordnung nach Anspruch 2, wobei der Speicherbehälter (23) bei einer ersten Tauchtiefe (T_b) und der Lagerbehälter (29) bei einer zweiten Tauchtiefe (T_sk) angeordnet sind.
Tauchlageranordnung nach Anspruch 3, wobei die erste Tauchtiefe (T_b) kleiner als die zweite Tauchtiefe (T_sk) gewählt ist und das Prozessmedium (1) eine größere Dichte als das Tauchmedium aufweist (ρ_pm > ρ_tm) oder die erste Tauchtiefe (T_b) größer als die zweite Tauchtiefe (T_sk) gewählt ist und das Tauchmedium eine größere Dichte als das Prozessmedium (1) aufweist (ρ_pm > ρ_tm).
Tauchlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Pumpe, die derart ausgebildet ist, dass sie den hydrostatischen Druckunterschied verstärkt oder bei gleicher Dichte des Prozessmediums (1) und des Tauchmediums einen Pumpdruckunterschied aufbaut, der den hydrostatischen Druckunterschied ersetzt.
Tauchlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prozesskavität, insbesondere der Speicherbehälter (23) der Prozesskavität, dazu vorgesehen ist, aufgrund einer Volumenänderung eine Leckage (6) des Prozessmediums (15) in den Außenbereich (30) zu ermöglichen.
Tauchlageranordnung mit einer sich von einem Prozessmedium (1) gefluteten Lagerbereich (8) in einen Außenbereich (30) eines Tauchmediums erstreckenden Welle (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (20) zwischen dem Lagerbereich (8) und dem Außenbereich (30) durch eine mit einem Sperrmedium (15) geflutete Sperrkammer (16) verläuft.
Tauchlageranordnung nach Anspruch 7, wobei ein Sperrdruck (P₀) in der Sperrkammer (16) größer ist als der Innendruck (P₂) des Prozessmediums (1) des Lagerbereichs (8) und größer als der Außendruck (P₃) des Tauchmediums.
Tauchlageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Prozessmedium (1) und als Sperrmedium (15) die gleiche Substanz verwendet wird.
Verfahren zur Abdichtung einer Tauchlagerung, wobei – eine Prozesskavität eines Lagerbereiches (8) mit einem Prozessmedium (1) geflutet ist und einen Innendruck (P₂) aufweist, – eine Sperrkavität mit einem Sperrmedium (15) geflutet ist und einen Sperrdruck (P₀) aufweist, und – die Prozesskavität im Wesentlichen durch die Sperrkavität mit einem Außenbereich (30) eines Tauchmediums mit dem Außendruck (P₃) verbunden ist, wobei der Sperrdruck (P₄) größer als der Innendruck (P₂) und größer als der Außendruck (P₃) gehalten wird.