DE102020117708A1

DE102020117708A1 - Dichtungsanordnung für Wellen mit Sperrluftdichtung

Info

Publication number: DE102020117708A1
Application number: DE102020117708.9A
Authority: DE
Inventors: Herbert Mlatschnik
Original assignee: Ecoma M & M Dichtungstechnik & Co Kg GmbH
Current assignee: Mlatschnik Herbert De
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2040-07-07
Also published as: DE102020117708B4

Abstract

Dichtungsanordnung für langsam laufende Wellen (4) mit Sperrluftdichtung gebildet aus mindestens einem Wellendichtring (2, 2a, 2b), der in mindestens einer Radialnut (10) in einem Gehäuse (5) angeordnet ist und an seinem Innenumfang eine Dichtfläche (21) in Richtung zu einer Gegenlauffläche (22) am Außenumfang der Welle (4) unter Bildung eines Lagerspalts (11) bildet, wobei zum Schutz gegen Austreten von Staub- oder Partikel aus dem Innenraum (1) des Gehäuses (5) ein Druckgefälle zwischen dem Innenraum (1) des Gehäuses (5) und einem Außenraum (20) besteht und dabei im Lagerspalt (11) zwischen dem Außenumfang der Welle (4) und dem Innenumfang des Wellendichtrings (2, 2a, 2b) ein in den Innenraum (1) des Gehäuses (5) gerichteter Spülluftstrom (12) eines Fluides vorhanden ist, wobei der im Lagerspalt (11) in den partikelbehafteten Innenraum des Gehäuses (5) gerichtete Spülluftstrom (12) den Außenumfang der Welle (4) spiral- oder schraubenlinienförmig umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für insbesondere langsam laufende Wellen mit Sperrluftdichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Dichtungsanordnung, welche mindestens einen Wellendichtring nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 verwendet, ist aus der EP 3 067 684 A1 bekannt. Es handelt sich um ein Drehrheometer zur Vermessung von pulvrigen oder granularen Materialien, wobei zur Abdichtung des Lagerspaltes oder der Durchführung der Messwelle durch die Abdeckung in den Messbehälter sowohl eine Fluiddichtung mit einer Dichtfluidzuleitung als auch zumindest eine mit dieser Fluiddichtung zusammenwirkende geometrische Dichtung als Pulversperre vorgesehen ist.
Die Fluiddichtung enthält eine mit Druck beaufschlagte Luftzufuhrleitung und erzeugt ein in den Messbehälter gerichteten Gasstrom aus Dichtgas oder Außen luft. Durch das Einblasen der Luft in eine Durchführung bildet sich eine in den Messbehälter gerichtete Luftströmung aus, welche die Sperrluftdichtung bildet.
Eine solche Dichtungsanordnung in der Ausbildung als Sperrluftdichtung hat sich zwar bei dem besonderen Einsatzzweck eines Drehrheometers bewährt, ist aber nicht für langsam laufende Wellen mit größerem Wellendurchmesser geeignet, weil die genannte Druckschrift nur offenbart, dass ein Spülluftstrom in den Partikel enthaltenden Behälter geleitet wird. Die Druckschrift schweigt jedoch darüber, wie der Spülluftstrom ausgebildet ist und welche Abdichtwirkung er letzten Endes auf der Welle erzielt.
Die DE 100 07 371 C2 offenbart eine Produktionsmaschine, insbesondere in einer Walzenpresse für pulverförmiges Material, bei welcher der Lagerraum zur Umgebung abgeschlossen ist und an einer Unterdruckwelle angeschlossen ist. Es handelt sich demnach ebenfalls um eine Dichtungsanordnung mit einem gespülten Wellendichtring.
Dies ergibt sich auch aus der US 5,199,718 A1 .
Die DE 100 46 798 A1 offenbart einen Wellendichtring zur Abdichtung am Außenumfang einer Welle, wobei ein Ringraum in einem Gehäuse als Sperre zwischen dem Innenraum des Gehäuses und der Umgebung vorgesehen ist. Durch den Überdruck mit einem Druckgefälle sowohl zum Innenraum als auch zur Umgebung oder eines sich daran anschließenden Raumes wird erreicht, dass Schmiermittel nicht aus dem Innenraum in den Ringraum gelangen kann. Auch kann kein Schmutz aus der Umgebung in den Ringraum aufgrund der Förderwirkung der Wellendichtringe in der gezeigten Einbaulage gelangen, wobei die Förderwirkung stets vom Ringraum weggerichtet ist, so dass sich im Ringraum weder Schmutz noch Schmiermittel ansammeln kann.
Eine solche Dichtungsanordnung ist speziell für die Abdichtung gegenüber flüssigem oder halbflüssigem Schmiermittel geeignet, nicht aber für die Abdichtung einer Welle mit Sperrluft, die besondere Eigenschaften gegenüber Staub, Partikel und Schüttgütern entfalten soll.
Der Erfindung liegt deshalb ausgehend von der EP 3 067 684 A1 die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung mit Sperrluftdichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine verbesserte Sperrwirkung mithilfe von Sperrluft zur Abdichtung der in den Innenraum des Gehäuses ragenden Welle ermöglicht wird.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist, dass der im Lagerspalt in den Innenraum des Gehäuses gerichtete Spülluftstrom die Welle spiral- oder schraubenlinienförmig umgibt.
Von besonderem Vorteil ist, dass der spiral- oder schraubenlinienförmige Sperrluftmantel auch bei stehender Welle vorhanden ist.
Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der Vorteil, dass nun sozusagen ein Schutzmantel aus einem Spülluftstrom aus der besagten Sperrluftdichtung im Lagerspalt des Gehäuses erzeugt wird, welcher bevorzugt spiral- oder schraubenlinienförmig ausgebildet ist und in Form einer Luft- oder Mantelglocke den Außenumfang der Welle im Innenraum des Gehäuses umgibt.
Damit wird zuverlässig ein Eindringen von schwebenden Staub- oder Partikelkörpern durch die Dichtungsanordnung in den Lagerkörper oder sogar nach außen verhindert, weil der in den Innenraum des Gehäuses gerichtete Lagerspalt durch den spiral- oder schraubenlinienförmigen Spülluftstrom umlaufend abgedichtet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der spiral- oder schraubenlinienförmige Spülluftstrom durch mindestens eine am Innenumfang des mindestens einen Wellendichtringes angeordnete Schraubennut gebildet ist.
Damit ist in dieser ersten Ausgestaltung vorgesehen, dass der Spülluftstrom durch mindestens eine am Innenumfang des Wellendichtringes angeordnete Schraubennut erzeugt wird, wobei in diesem Ausführungsbeispiel vorausgesetzt wird, dass die Gegenlauffläche der Welle, gegenüber der die Dichtfläche des Wellendichtringes abdichtet, glatt ist.
Die Formgebung der Schraubennut ist in vielfältigen Grenzen veränderbar. Es kann sich um ein ein- oder mehrgängiges metrisches Gewinde handeln. Andere Ausführungen sehen vor, dass die Gewindegänge in Richtung zur Ausströmseite dichter zusammen liegen als vergleichsweise die Gewindegänge an der Einströmseite.
Es kommen sämtliche, bekannte Gewindeformen in Betracht, insbesondere zylindrische Gewinde oder Spitzgewinde oder Flachgewinde oder Rundgewinde, ebenso wie Wälzschraubtriebe.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann es jedoch vorgesehen sein, dass der Spülluftstrom durch mindestens eine am Innenumfang des Wellendichtringes angeordnete Schraubennut gebildet ist und dass zusätzlich auch die Gegenlauffläche am Außenumfang der Welle mit spülluftfördernden Eigenschaften ausgebildet ist.
Beispielsweise kann in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen werden, dass am Außenumfang der Welle, gegenüberliegend zur Dichtfläche des Wellendichtringes eine in den Innenraum des Gehäuses gerichtete luftfördernde Struktur vorhanden ist.
Eine solche luftfördernde Struktur kann in einer ersten Ausführungsform ebenfalls aus einer Schraubennut bestehen, die beispielsweise ein- oder mehrgängig den Umfang der Welle umgreift und am Außenumfang angeordnet ist. In einer anderen Ausgestaltung kann es jedoch vorgesehen sein, dass statt der Schraubennut nunmehr in axialer Richtung der Welle, im gegenseitigen Abstand zueinander angeordnete und gleichmäßig am Umfang verteilte halboffene Nuten vorhanden sind.
Die Erfindung offenbart demnach verschiedene Strömungspfade, welche einen schraubenlinienförmigen Spülluftstrom aus dem Lagerspalt heraus in den Innenraum des Gehäuses am Umfang der Welle erzeugen, wobei - wie vorstehend erläutert - eine solche spülluftstromerzeugende Vorrichtung bevorzugt am Innenumfang des Wellendichtringes angeordnet ist.
In einer zweiten Ausgestaltung kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die spüllufterzeugende Anordnung ausschließlich am Außenumfang der Welle angeordnet ist und der Wellendichtring am Innenumfang glatt ausgebildet ist.
In einer dritten Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die den schraubenlinienförmigen Spülluftstrom erzeugende Sperrluft sowohl am Innenumfang des Wellendichtringes als auch am Außenumfang der dem Wellendichtring gegenüberliegenden Welle erzeugt werden.
Wegen dieser verschiedenen Möglichkeiten wurde deshalb im geltenden Anspruch 1 lediglich in allgemeiner Form angegeben, dass ein im Lagerspalt erzeugter Spülluftstrom vorzugsweise auch bei stehender Welle die Welle am Außenumfang spiral- oder schraubenlinienförmig umgibt. Dabei bleibt es entsprechend der oben genannten Offenbarung offen, ob der in den Innenraum des Gehäuses gerichtete Spülluftstrom allein durch den Wellendichtring oder allein durch den Außenumfang der Welle - bei glattem Wellendichtring - erzeugt wird oder ob Sperrluftströme erzeugende Strukturen sowohl am Innenumfang des Wellendichtringes als auch am Außenumfang der Welle angeordnet sind.
Zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung wird in der folgenden Beschreibung nur noch von einer Struktur ausgegangen, die am Innenumfang des Wellendichtringes angeordnet ist und den erfindungsgemäßen in den Innenraum des Gehäuses gerichteten schraubenlinienförmigen Spülluftstrom erzeugt, obwohl die Erfindung hierauf nicht allein beschränkt ist, wie oben stehend erläutert wurde.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Schraubennut als halboffene, vertieft in der Dichtfläche des mindestens einen Wellendichtrings eingeformte ein- oder mehrgängige schraubenlinienförmige Nut ausgebildet ist.
Im Prinzip handelt es sich dabei um ein am Innenumfang des Wellendichtringes eingearbeiteten Gewindegang, der ein oder mehrgängig ausgebildet sein kann.
Dabei wird es nach dem Gegenstand des Anspruches 4 bevorzugt, wenn die den Lagerspalt einseitig begrenzende Dichtfläche des Wellendichtringes zylindrisch geformt ist. Hierauf ist die Erfindung nicht beschränkt. Diese Dichtfläche kann auch andere Profilformen aufweisen, wie z. B. ein Dreiecksprofil, ein elliptisches oder quadratisches Profil oder auch ein polygonales Profil. Die beschriebenen Profilformen können auch das gesamte Profil des Wellendichtrings bestimmen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist es ferner vorgesehen, dass auf den Außenumfang des Wellendichtringes ein elastomerer Vorspannring aufgespannt ist, der den Wellendichtring auf Abstand zu der umlaufenden Welle hält, um einen definierten Lagerspalt in Richtung zum Außenumfang der Welle zu bilden, und ferner ist vorgesehen, dass der elastomere Vorspannring in einer Radialnut im Gehäuse aufgenommen ist, so dass er nach dem Merkmal des Anspruches 6 geeignet ist, radiale Wellenschläge der umlaufenden Welle stoßdämpfend aufzunehmen und in die Radialnut im Gehäuse einzuleiten, ohne dass dabei der Wellendichtring beschädigt wird. Damit wird eine höhere Laufleistung der Dichtungsanordnung gewährleistet und Wellenschläge werden von dem elastomeren Vorspannring aufgenommen, ohne dass dabei der Wellendichtring beansprucht wird.
In einer bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung wird die spülluftgespülte Dichtungsanordnung für langsam laufende Wellen verwendet, wobei die Welle in einem Bereich von etwa 0,5 m/s bis 10 m/s umläuft. Die den Sperrluftstrom ausbildende Druckluftquelle erzeugt einen Druck im Bereich von etwa 0,5 bis 10 bar.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet einer solchen Dichtungsanordnung liegt im Bereich von Zellenradschleusen, in denen ein pulver- oder granulatförmiges Material gefördert wird.
Ein weiterer Anwendungsbereich sind Siebmaschinen und/oder Kalander in der Papierverarbeitung.
Vorstehend wurde ausgeführt, dass der verwendete elastomere Vorspannring auf den Außenumfang des Wellendichtringes aufgespannt ist und in einer Radialnut im Gehäuse aufgenommen ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der elastomere Vorspannring ein Rundprofil auf. Er ist beispielsweise als O-Ring ausgebildet.
Andere Anwendungsfälle sehen jedoch vor, dass er ein Quadrat- oder Rechteckprofil aufweist oder auch ein X-Profil.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der elastomere Vorspannring klemmend in der Radialnut im Gehäuse aufgenommen, was dafür sorgt, dass der von ihm gehaltene Wellendichtring drehfest im Gehäuse gehalten wird und nicht mit der umlaufenden Welle mitläuft. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Dichtungsanordnung für derartige Wellen angegeben, wobei ein Wellendurchmesser im Bereich zwischen 10 bis 1000 mm mit der besagten Dichtungsanordnung abdichtbar ist.
Es werden mit der Dichtungsanordnung Temperaturbereiche beherrscht, die von -60 °C bis +200 °C reichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der erfindungsgemäße Wellendichtring mit der am Innenumfang ausgebildeten Schraubennut aus einem PTFE-Material.
Der Wellendichtring hat an seinem Außenumfang eine spezielle, vertieft ausgebildete Sitznut, welche den darauf lagernden elastomeren Vorspannring zentriert und in seiner Stellung hält.
In einer bevorzugten Ausgestaltung hat der elastomere Vorspannring eine Shore-Härte von 70 bis 80 +/-5 Shore A. Der Wellendichtring hat im Vergleich dazu eine wesentlich höhere Shore-Härte.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist es nach dem Gegenstand des Anspruches 7 vorgesehen, dass insgesamt zwei voneinander axial beabstandete Wellendichtringe zur Abdichtung der Welle vorhanden sind, und nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung gemäß dem Anspruch 8 ist vorgesehen, dass zur weiteren Abdichtung der Welle im Gehäuse noch zusätzlich ein Radial-Wellendichtring vorhanden ist, der in axialem Abstand von dem mindestens einen gespülten Wellendichtring im Gehäuse angeordnet ist.
In bestimmten Anwendungsfällen kann der Radial-Wellendichtring auch entfallen.
Bei Vorhandensein von zwei voneinander axial beabstandeten Wellendichtringen wird es bevorzugt, wenn der Fluidanschluss luftschlüssig mit einem Ringraum im Gehäuse verbunden ist, der in Strömungsrichtung hinter dem einen oder den beiden hintereinander liegenden Wellendichtringen angeordnet ist.
In einer anderen Ausgestaltung kann es jedoch nach dem Gegenstand des Anspruches 10 vorgesehen sein, dass bei Vorhandensein von zwei voneinander beabstandeten, gespülten Wellendichtringen der den Spülluftstrom führende Ringraum in Strömungsrichtung zwischen den beiden Wellendichtringen angeordnet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es im Übrigen vorgesehen, dass die Rotation des Spülluftstromes, der den in das schmutzbeladende Gehäuse hineinragende Wellenanteil mantelförmig umgibt, gleichsinnig wie die Drehrichtung der Welle ist.
In einer anderen Ausgestaltung kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass der Spülluftstrom gegensinnig zur Umlaufrichtung der Welle die Welle mantelförmig umgibt.
Bei Vorhandensein von zwei in axialem Abstand zueinander beabstandeten Wellendichtringen ist es im Übrigen nicht lösungsnotwendig, dass beide Wellendichtringe von dem Spülluftstrom gespült sind. Es kann auch in einer anderen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass nur ein einziger Wellendichtring von dem besagten Spülluftstrom schraubenlinienförmig durchsetzt wird, während der andere Wellendichtring eine solche schraubenlinienförmige Struktur am Innenumfang nicht aufweist, sondern glatt ausgebildet ist.
Vorstehend wurde ausgeführt, dass der mindestens eine Wellendichtring bevorzugt aus einem PTFE-Kunststoff bestehen kann.
In anderen Ausführungsformen kann es jedoch vorgesehen sein, dass es sich um einen Kunststoff-Verbund handelt, wobei in dem PTFE-Kunststoff Kohlepartikel, Graphit-Partikel, Glasfaserpartikel und dergleichen eingebunden sind. Ebenso ist es möglich, den erfindungsgemäßen Wellendichtring aus einem metallischen Sintermaterial, bevorzugt Bronze, zu fertigen.
In der vorstehenden Beschreibung wurde erwähnt, dass die Schraubenlinienform am Innenumfang des Wellendichtringes bevorzugt in Richtung auf den abzudichtenden Innenraum des Gehäuses gerichtet ist.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass diesem einen Schraubenprofil noch ein zweites, entgegengesetzt gerichtetes Profil zugeordnet ist, so dass sich insgesamt ein X-Profil aus zwei gegenläufig zueinander angeordneten Schraubengängen am Innenumfang des Wellendichtringes ergibt.
Bei Vorhandensein von zwei zueinander axial beabstandeten Wellendichtringen, die jeweils mit Spülluft gespült werden, kann es vorgesehen sein, dass die Schraubenwindungen an dem einen Wellendichtring entgegengesetzt sind zu den Schraubenwindungen des andren Wellendichtringes. Damit wird ein zusätzliches Druckpolster aus gestauter Spülluft am Innenumfang der Wellendichtringe gebildet, sodass noch eine Verbesserung der Zentrierung stattfindet.
Bei einem Innendurchmesser des Wellendichtringes von z. B. 100 mm wird es bevorzugt, wenn die Tiefe der Schraubenwindung etwa 1 bis 3 mm beträgt.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, könnten als erfindungswesentlich beansprucht werden, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Die Verwendung der Begriffe „wesentlich“ oder „erfindungsgemäß“ oder „erfindungswesentlich“ ist subjektiv und impliziert nicht, dass die so benannten Merkmale zwangsläufig Bestandteil eines oder mehrerer Patentansprüche sein müssen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:

1: schematisiert einen Schnitt durch eine Welle mit aufgesetzten Wellendichtringen
2: die vergrößerte Darstellung der in 3 perspektivisch dargestellten Wellendichtringe
3: ein Schnitt durch die in 1 verwendeten Wellendichtringe
4: eine Stirnansicht eines Wellendichtringes mit aufgespanntem Vorspannring
5: Schnitt gemäß der Linie B-B in 4
Tabelle 1: eine Versuchsanordnung mit Angabe der Dimensionen zur Messung der Spülluft-Menge
Tabelle 2: die Ergebnisse der Versuchsanordnung zur Erzeugung eines Sperrluftstromes bei unterschiedlichen Drücken am Fluid-Anschluss bei insgesamt drei verschiedenen Ausführungsformen eines Wellendichtringes
6: das Volumenstrom-Druck-Diagramm mit Angabe von drei verschiedenen Sperrluftdimensionen in Abhängigkeit vom Druck
7: die gleiche Darstellung wie 1 mit Darstellung des sich entfaltenden Strömungspfades der Sperrluft
8: die Stirnansicht auf 7
9-bis 13: verschiedene Ausführungsformen mit Darstellung der abschnittsweisen Abwicklung eines Wellendichtringes mit Ansicht auf den Innenumfang
14: vergrößerter Schnitt durch den oberen Teil eines Wellendichtringes in einer ersten Ausführungsform
15: eine zweite Ausführungsform im Vergleich zur 14
16: eine dritte Ausführungsform im Vergleich zur 14 und 15
17: eine abgewandelte Ausführungsform einer Dichtungsanordnung mit lediglich einem einzigen Wellendichtring
18: eine gegenüber 1 und 17 abgewandelte dritte Ausführungsform

Gemäß 1 ragt eine Welle 4 in den partikelbehafteten Innenraum 1 einer nicht näher dargestellten Zellenradschleuse oder einer anderen Vorrichtung hinein, bei der es darum geht, die ein oder mehreren Wellendichtringe 2 vor vorzeitigem Verschleiß zu schützen. Deshalb liegt die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, den Eintritt von schädlichen Medien in den Bauraum des Lagers zu verhindern, um somit den Verschleiß der im Bauraum angeordneten Lagerkomponenten zu vermeiden.
Im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 ist deshalb vorgesehen, dass in zwei voneinander beabstandeten Radialnuten 10 jeweils zwei im Abstand voneinander angeordnete Wellendichtringe 2 angeordnet sind, die mit Hilfe von Vorspannringen 3 in der jeweiligen Radialnut 10 verschiebungsgesichert und drehfest, unter Ausbildung eines Lagerspalts 11 zentriert zur Welle 4 gelagert sind.
Dem partikelbehafteten Innenraum 1 liegt der (relativ reine) Außenraum 20 gegenüber und ist durch ein Gehäuse 5 getrennt, wobei im Gehäuse 5 die Lagerkomponenten angeordnet sind. Aus Vereinfachungsgründen sind keine weiteren Lagerkomponenten dargestellt. Es können auch beliebige Kugel- oder Rollen- oder Kegel- oder Gleitlager vorhanden sein.
Im Gehäuse 5 ist ein Fluidanschluss 6 vorgesehen, der an einer nicht näher dargestellten Druckluftquelle 23 angeschlossen ist, so dass mit einem Überdruck im Bereich von vorzugsweise 0,5 bar bis 10 bar Druckluft von der Druckluftquelle 23 in den Fluidanschluss 6 eingespeist wird und dort unter Überdruck in einen Ringraum 19 gelangt, der bevorzugt im Zwischenraum zwischen einem Radial-Wellendichtring 8 und den bevorzugt zwei auf Abstand zueinander angeordneten Wellendichtringen 2 angeordnet ist.
Somit wird im Ringraum 19 ein nach links entlang des Lagerspaltes 11 auf der Oberfläche der Welle 4 verlaufender Spülluftstrom 12 erzeugt, der bevorzugt aufgrund der schraubenlinienförmigen Struktur an der Innenseite der Wellendichtringe 2 als Rotationsstrom mantelförmig den Außenumfang der Welle 4 im Bereich des partikelbehafteten Innenraumes 1 umgibt.
Die Welle dreht sich z. B. in Drehrichtung 14, und in einer bevorzugten Ausführungsform ist die schraubenlinienförmige Struktur der jeweiligen Schraubennut 7 in dem Wellendichtring 2 so ausgebildet, dass der Spülluftstrom 12 in der gleichen Drehrichtung wie die Drehrichtung der Welle gerichtet ist. Die drehende Welle nimmt sozusagen noch zusätzlich den in gleicher Richtung rotierenden Spülluftstrom 12 mit und verstärkt diesen dadurch.
In anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Drehrichtung des Spülluftstromes 12 entgegengesetzt zur Drehrichtung 14 der Welle 4 gerichtet ist.
Durch die Erzeugung eines rotierenden Spülluftstromes 12, der vorzugsweise auch bei stehender Welle 4 besteht, wird zuverlässig verhindert, dass Partikel aus dem partikelbehafteten Innenraum 1 in die Lagerstruktur in das Gehäuse 5 und dem dortigen Lagerspalt 11 eindringen.
Die 2 und 3 zeigen Details der verwendeten Wellendichtringe 2.
Dabei ist erkennbar, dass jeder Wellendichtring 2 an seiner innenseitigen Dichtfläche 21, die direkt zum Lagerspalt 11 gerichtet ist, eine schraubenlinienförmige Schraubennut 7 ausbildet, die somit gemäß 3 einen Einlauf 17 an der Einlaufseite des Wellendichtringes 2 ausbildet, dem gegenüber der Auslauf 18 der Schraubennut 7 am Umfang versetzt ausgebildet ist.
Damit wird der unter hohem Druck an der Einlaufseite 17 der Schraubennut 7 eintretende Spülluftstrom 12, der aus dem Ringraum 19 entstammt, in eine rotierende Bewegung versetzt und wird so von dem rechten Wellendichtring als rotierender Luftstrom dem linken Wellendichtring zugeführt, der den dort an den Einlaufseiten 17 eintretenden Spülluftstrom 12 noch in eine weitere Rotation versetzt, so dass der aus dem Lagerspalt 11 austretende Spülluftstrom 12 eine starke Rotation aufweist, die bevorzugt eine laminare Strömung um den Außenumfang der Welle 4 erzeugt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die drehfeste Lagensicherung der Wellendichtringe 2 im Gehäuse dadurch erreicht, dass jeder Wellendichtring 2 an seinem Außenumfang eine profilierte, vertieft ausgebildete Sitznut 13 aufweist, in die jeweils ein Vorspannring 3 zentriert aufgenommen ist.
Wie aus der allgemeinen Beschreibung zu entnehmen, besteht jeder Vorspannring 3 aus einem elastomeren vorspannbaren Kunststoffmaterial und kann beispielsweise als O-Ring ausgebildet sein. Sein Durchmesser ist so gewählt, dass er klemmend in der Radialnut 10 aufgenommen ist. Somit wird jeder Wellendichtring 2 auf Abstand im Lagerspalt 11 zur Gegenlauffläche 22 an der Oberfläche der Welle 4 gehalten und eventuelle Wellenstöße oder Unrundheiten der Welle 4 werden zwar möglicherweise auf die Wellendichtringe 2 übertragen, aber stoßdämpfend von den Vorspannringen 3 in die Radialnut 10 im Gehäuse 5 eingetragen.
Das hier im Ausführungsbeispiel gezeigte Dichtsystem 16 besteht bevorzugt aus zwei zueinander beabstandeten Wellendichtringen 2, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Andere Ausführungsformen wurden in der allgemeinen Beschreibung erwähnt.
Die 4 zeigt eine Stirnansicht auf einen Wellendichtring 2 mit aufgespanntem Vorspannring 3, wobei der besseren Unterscheidung wegen die Wellendichtringe mit den Bezugszeichen 2a und 2b versehen sind, während die Vorspannringe mit den Bezugszeichen 3a und 3b versehen sind.
Aus 4 ist zu entnehmen, dass die Einlaufseiten 17 jeweils in die vertieft in die Innenoberfläche des Wellendichtringes 2a, 2b eingearbeitete Schraubennuten 7 führen, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei eine gleichartige Steigung aufweisende Schraubennuten 7 mit gleicher Gangzahl vorgesehen sind.
Hierauf ist die Erfindung nicht beschränkt. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass gemäß 5 der linke Wellendichtring 2a eine eingängige Schraubennut 7a aufweist, während der andere Wellendichtring 2b eine mehrgängige Schraubennut 7b aufweist. Auch kann die Steigung der beiden Schraubennuten 7a, 7b voneinander abweichen.
Zur 1 wird noch angemerkt, dass lediglich der Einbauraum für einen Radial-Wellendichtring 8 dargestellt ist, nicht aber der Radial-Wellendichtring 8 selbst.
Die Tabellen 1 und 2 zeigen einen Versuchsaufbau, um darzustellen, welche Strömungsverhältnisse an einer stehenden Welle mit den erfindungsgemäßen Wellendichtringen in Abhängigkeit vom Luftdruck der Druckluftquelle am Fluidanschluss 6 bestehen.
In der Tabelle 1 ist der Versuchsaufbau mit einer Ausströmbohrung von 26 mm Durchmesser angegeben. Die Querschnittsfläche der Bohrung beträgt dann 530,9 mm² ergibt Durch diese Bohrung strömte die Luft aus dem Innenraum 1 heraus. Der Wellendurchmesser im Versuch betrug 180 mm. Der Versuch wurde bei stillstehender Welle und bei Raumtemperatur durchgeführt.
In der Tabelle 2 sind jeweils verschiedene Druckwerte in bar am Fluidanschluss 6 angegeben, und unter Verwendung von drei verschiedenen Versionen von Wellendichtringen ergeben sich im Lagerspalt 11 unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten in m/s als Spülluftstrom 12, der in den Innenraum 1 gerichtet ist.
Im rechten Teil der Tabelle 2 sind noch die Volumenströme aufgezeichnet, die sich bei der Verwendung von drei verschiedenen Ausführungsformen von Wellendichtringen ergeben.
Die 6 zeigt dabei das Volumenstrom-Druckdiagramm der drei verschiedenen Versionen von Wellendichtringen, wobei die mit Messpunkten dargestellten drei Kurven linearisiert wurden und als fein punktierte Linien linear begradigt sind. Somit ergibt sich beispielsweise aus der 6, dass bei einem Druck von 4 bar bei einer ersten Version eines Wellendichtringes ein Volumenstrom von 4,0 m³/h entsteht, während bei einer zweiten Version eines Wellendichtringes ein Volumenstrom von 4,50 m³/h entsteht und bei einer dritten Version ein Volumenstrom von annähernd 16 m³/h.
Der genannte Versuchsaufbau entsprechend den Tabellen 1 und 2 sowie der 6 beweist die Funktionsfähigkeit der Erzeugung eines rotierenden Spülluftstromes 12, der die Welle 4 mantelförmig umgibt und somit einen wirksamen Schutz gegen Eindringen von Partikeln aus dem partikelbehafteten Innenraum 1 in die Wellendurchführung 15 am Gehäuse 5 gewährleistet.
Die hier angegebenen physikalischen Parameter sollen den Erfindungsbereich der Erfindung nicht beschränken. Es handelt sich demnach um einen beispielhaften Versuchsaufbau.
Bei dem verwendeten Versuchsaufbau bestand die Version 1 aus zwei zueinander parallelen Wellendichtringen 2a, 2b, die jeweils eine fünfgängige Schraubennut aufwiesen. Die Version 2 bestand ebenfalls aus zwei axial zueinander beabstandet angeordneten Wellendichtringen 2a, 2b, von denen der eine Wellendichtring fünf Gänge und der andere Wellendichtring zehn Schraubengänge aufwies.
Bei der Version 3 waren zwei Wellendichtringe 2a, 2b mit jeweils zehn Schraubengängen verwendet worden.
Die hier angegebenen Beispiele im Hinblick auf die verwendeten Wellendichtringe sind auch nur beispielhaft zu verstehen und beschränken den Umfang der Erfindung nicht.
Die 7 zeigt im Vergleich zur 1 eine detailliertere Darstellung des erzeugten, rotierenden Spülluftstromes 12, der vorzugsweise auch bei stehender Welle 4 rotiert und bei umlaufender Welle sogar noch von der Welle mitgenommen wird und in eine stärkere Rotation versetzt wird.
Wird hingegen die Strömungsrichtung des Spülluftstromes entgegen der Drehrichtung 14 der Welle gewählt, kommt es vermehrt zu Turbulenzen im Bereich des Lagerspaltes 11 an dessen Austrittsöffnung in den Innenraum 1.
Die 8 zeigt einen sich gleichsinnig mit der Welle drehenden Spülluftstrom 12 in Stirnansicht, wo erkennbar ist, dass die jeweiligen Auslauföffnungen der ein- oder mehrgängigen Wellendichtringe 2 in den partikelbehafteten Innenraum 1 münden und aus diesen Auslauföffnungen 18 der Spülluftstrom 12 austritt.
Die 9 bis 12 zeigen jeweils abschnittsweise aufgeschnittene Wellendichtringe, wobei z. B. lediglich ein Drittel einer vollständigen Länge eines Wellendichtringes aufgeschnitten und auf die Ebene projiziert dargestellt ist.
Während die 9 eine Schraubennut 7a mit einer ersten Steigung zeigt, zeigt die 10 eine Schraubennut 7b mit einer anderen Steigung und die 11 eine Schraubennut 7c mit wiederum einer anderen Steigung im Vergleich zu der Schraubennut 7d nach 12.
Die 13 zeigt auch, dass statt der schraubenlinienförmigen Schraubennuten 7a-7d auch in axialer Richtung verlaufende Nuten 7e am Innenumfang des jeweiligen Wellendichtringes 2 angeordnet sein könnten.
In den Figuren ist nicht dargestellt, dass die in axialer Richtung gerichteten Nuten 7e auch mit den Schraubennuten 7a-7d kombiniert werden können, so dass es bei einem Wellendichtring - der hier nicht zeichnerisch dargestellt ist - möglich ist, ein oder mehrgängige Schraubennuten 7a-7d noch zusätzlich von einem in axialer Richtung gerichteten Spülluftkanal durchsetzen zu lassen.
Ebenso wurde in der allgemeinen Beschreibung bereits schon darauf hingewiesen, dass die Schraubennuten 7a-7d mit gegenläufig ausgebildeten Schraubennuten 7a-7d kombiniert werden können, so dass sich ein X-Muster als luftleitende Struktur am Innenumfang des jeweiligen Wellendichtringes ergibt.
Es ist auch zeichnerisch nicht dargestellt, dass der jeweiligen Dichtfläche 21 des jeweiligen Wellendichtringes 2 eine gegenüberliegende Gegenlauffläche 22 einer Welle 4 noch mit weiteren luftleitenden Strukturen ausgebildet sein kann. Somit würde einer luftleitenden Struktur an der Innenseite des Wellendichtringes 2 im Bereich der Dichtfläche 21 eine weitere luftleitende Struktur am Außenumfang der Gegenlauffläche 22 gegenüberliegend zu dem jeweiligen Wellendichtring 2 vorgesehen sein.
Auch bei den axial gerichteten Schraubennuten 7e gemäß 13 ist es gleichwohl möglich, einen rotierenden Spülluftstrom 12 am Außenumfang der Welle 4 zu erzeugen, vor allem dann, wenn sich die Welle dreht. Ein rotierender Spülluftstrom 12 kann auch bei axial ausgerichteten Nuten 7e dadurch erzeugt werden, dass auf der Gegenlauffläche 22 der Welle 4 luftleitende Strukturen (z.B. halboffene schraubenlinienförmige Strukturen) angeordnet sind, die zu einer Rotationsströmung des Spülluftstromes 12 führen.
So zeigt die 14 eine erste Ausführungsform einer in axialer Richtung gerichtete Nut 7e, die direkt im Bereich der Dichtfläche 21 gleichmäßig am Umfang verteilt des Wellendichtringes 2 ausgebildet ist.
Die 15 zeigt hingegen, dass eine solche axiale Nut 7e auch dem Körper des Wellendichtringes 2 im Abstand zu der Dichtfläche 21 durchsetzen kann und die 16 zeigt die Anordnung von Schraubennuten 7a-7d von der Einlaufseite 17 zur Auslaufseite 18, wodurch dann der dort erzeugte Spülluftstrom 12 unmittelbar auf die Gegenlauffläche 22 der Welle 4 gerichtet wird und einen rotierenden Spülluftstrom 12 erzeugt.
In der 17 ist im Vergleich zur 4 gezeigt, dass es nicht lösungsnotwendig auf die Anordnung von zwei Wellendichtringen 2a, 2b ankommt, sondern dass auch ein einziger Wellendichtring 2 ausreicht, die gewünschte rotierende Spülluftströmung 12 zu erzeugen. Ansonsten gelten für die gleichen Teile die gleichen Erläuterungen.
Die 18 zeigt eine gegenüber 1 abgewandelte Ausführungsform, bei welcher der Ringraum 19 zwischen zwei im gegenseitigen Abstand zueinander angeordneten Wellendichtringen 2a, 2b angeordnet ist, wobei der bezüglich des Ringraums 19 hinten liegende Wellendichtring 2b mehr einen Spülluftstrom in Richtung auf den Radial-Wellendichtring 8 erzeugt, während der vordere Wellendichtring 2a den rotierenden Spülluftstrom 12 erzeugt, der aus dem Lagerspalt 11 herausströmt.
Der hintere Wellendichtring 2b wird deshalb eine Staustrecke gegen Eindringen von Partikeln in Richtung auf den Radial-Wellendichtring 8 erzeugen, weil dort ein erhöhter Überdruck besteht.
Bezugszeichenliste

1: Innenraum (partikelbehaftet)
2: Wellendichtring 2a, 2b
3: Vorspannring 3a, 3b
4: Welle
5: Gehäuse
6: Fluidanschluss
7: Schraubennut 7a, 7b, 7c; 7d; 7e axiale Nut
8: Radial-Wellendichtring
9 10: Radialnut
11: Lagerspalt
12: Spülluftstrom
13: Sitznut (von 3)
14: Drehrichtung
15: Wellendurchführung
16: Dichtsystem
17: Einlauf (von 7)
18: Auslauf (von 7)
19: Ringraum
20: Außenraum
21: Dichtfläche (von 2)
22: Gegenlauffläche (von 4)
23: Druckluftquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3067684 A1 [0002, 0009]
DE 10007371 C2 [0005]
US 5199718 A1 [0006]
DE 10046798 A1 [0007]

Claims

Dichtungsanordnung für langsam laufende Wellen (4) mit Sperrluftdichtung gebildet aus mindestens einem Wellendichtring (2, 2a, 2b), der in mindestens einer Radialnut (10) in einem Gehäuse (5) angeordnet ist und an seinem Innenumfang eine Dichtfläche (21) in Richtung zu einer Gegenlauffläche (22) am Außenumfang der Welle (4) unter Bildung eines Lagerspalts (11) bildet, wobei zum Schutz gegen Austreten von Staub- oder Partikel aus dem Innenraum (1) des Gehäuses (5) ein Druckgefälle zwischen dem Innenraum (1) des Gehäuses (5) und einem Außenraum (20) besteht und dabei im Lagerspalt (11) zwischen dem Außenumfang der Welle (4) und dem Innenumfang des Wellendichtrings (2, 2a, 2b) ein in den Innenraum (1) des Gehäuses (5) gerichteter Spülluftstrom (12) eines Fluides vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der im Lagerspalt (11) in den partikelbehafteten Innenraum des Gehäuses (5) gerichtete Spülluftstrom (12) den Außenumfang der Welle (4) spiral- oder schraubenlinienförmig umgibt.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülluftstrom den Außenumfang der Welle (4) auch bei stehender Welle (4) mantelförmig umgibt.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der spiralförmige Spülluftstrom (12) durch mindestens eine am Innenumfang des mindestens einen Wellendichtrings (2, 2a, 2b) angeordnete Schraubennut (7) gebildet ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubennut (7) als halboffene, vertieft in der Dichtfläche (21) eingeformte ein- oder mehrgängige schraubenlinienförmige Nut ausgebildet sind.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Lagerspalt einseitig begrenzende Dichtfläche (21) des Wellendichtrings (2, 2a, 2b) zylindrisch geformt ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Außenumfang des Wellendichtrings (2, 2a, 2b) ein elastomerer Vorspannring (3, 3a, 3b) aufgespannt ist, der in einer Radialnut (10) im Gehäuse (4) drehfest aufgenommen ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elastomere Vorspannring (3, 3a, 3b) radiale Wellenschläge der umlaufenden Welle (4) stoßdämpfend aufnimmt und in die Radialnut (10) im Gehäuse (4) einleitet.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der am Innenumfang des Wellendichtrings (2, 2a, 2b) erzeugt Spülluftstrom (12) den Wellendichtring auf dem Außenumfang der Welle (4) zentriert und auf Abstand hält.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt zwei voneinander axial beabstandete Wellendichtringe (2, 2b) zur Abdichtung der Welle (4) vorhanden sind.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Abdichtung der Welle (4) im Gehäuse (5) mindestens ein Radial-Wellendichtring (8) vorhanden ist, der von dem mindestens einen gespülten Wellendichtring (2, 2a, 2b) axial beabstandet ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Fluidanschluss (6) luftschlüssig verbundene, den Spülluftstrom (12) führende Ringraum (19) in Strömungsrichtung des Spülluftstromes (12) hinter dem mindestens einen gespülten Wellendichtring (2, 2a, 2b) angeordnet ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein von zwei voneinander beabstandeten, gespülten Wellendichtringen (2, 2a, 2b) der den Spülluftstrom (12) führende Ringraum (19) in Strömungsrichtung vor den beiden Wellendichtringen (2, 2a, 2b) oder zwischen den beiden Wellendichtringen (2, 2a, 2b) angeordnet ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der spiral- oder schraubenlinienförmig ausgebildete Spülluftstrom (12) gleichsinnig wie die Drehrichtung (14) der Welle (4) ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auch die dem mindestens einen spülluft-erzeugenden Wellendichtring (2, 2a, 2b) gegenüberliegenden Dichtflächen der Welle (4) luftleitende Strukturen aufweisen, die einen rotierenden Spülluftstrom erzeugen.