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Hydrodynamische Wellendichtung Von den bekannten Wellendichtungen
in Gehäusewänden sind die Berührungsdichtungen (Packungen, Manschetten, Gleitringe)
bei hohen Drehzahlen und Drücken oft nicht brauchbar, weil die entstehende Reibungswärme
nicht mehr abgeführt werden kann. Die berührungsfreien Labyrinthdichtungen sind
zwar bei hohen Drehzahlen zu verwenden, sie benötigen aber einen zusätzlichen Aufwand
und bewirken keine völlige Dichtheit. Deshalb sind sie für die Abdichtung schädlicher
Gase und Dämpfe und für Vakuumapparate, bei denen schon geringe Undichtigkeiten
stören, nicht brauchbar.
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Zur Abdichtung von umlaufenden Wellen werden auch Flüssigkeitsringdichtungen
angewandt. Bei diesen wird unter dem Einfluß der Fliehkraft in einem Gehäuse ein
Flüssigkeitsring gebildet, in den eine mit der Welle verbundene Scheibe eintaucht
und der gegen einen vom spezifischen Gewicht der Dichtflüssigkeit und von der Umfangsgeschwindigkeit
des Flüssigkeitsringes abhängigen Druck abdichten kann.
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Selbst bei Verwendung des oft lästigen Quecksilbers ist eine solche
Dichtung aber nicht zur Abdichtung größerer Druckunterschiede geeignet.
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Es ist auch bekannt, Wellendurchführungen durch eine Gewindewellendichtung
hydrodynamisch abzudichten. Diese besteht aus einem Gewinde, das an der Dichtungsstelle
auf die Welle oder in das Gehäuse geschnitten ist, so daß ein geringer Spalt zwischen
Welle und Gehäuse verbleibt. Die Abdichtung kommt dadurch zustande, daß die sich
drehende Welle die in dem Spalt vorhandene Dichtflüssigkeit entgegen dein abzudichtenden
Druckgefälle durch die Gehäusewand fördert und der Förderdruck dem entgegenwirkenden
Druck das Gleichgewicht hält.
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Diese Vorrichtung besitzt aber, wie grundsätzlich zunächst jede hydrodynamischeAbdichtung,
den Nachteil, daß sie bei abnehmender Drehzahl bzw. bei Stilltand der Welle infolge
des fehlenden Förderdruckes nicht mehr dichtet. Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten
wurde vorgeschlagen, zusätzlich eine ausrückbare mechanische Abdichtung zu Hilfe
zu nehmen. Aber hierbei ergeben sich Schwierigkeiten dadurch, daß die Wirksamkeit
der hydrodynamischen Dichtung erst aufhören darf, wenn die mechanische Abdichtung
voll abdichtet.
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Bei der obenerwähnten hydrodynamischen Flüssigkeitsringdichtung ist
bereits eine Anordnung getroffen worden, bei der durch einen Fremdantrieb der Ringtasse
die Abdichtung von der Drehzahl der abzudichtenden Welle unabhängig wird, ohne aber
die dieser Abdichtung sonst anhaftenden Nachteile zu beseitigen.
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Es wurde nun gefunden, daß sich die besprochenen Nachteile dadurch
beseitigen lassen, daß man eine hydrodynamisch wirkende Wellendichtung von besonderer
Form verwendet, bei der eine Dichtflüssigkeit im Spalt zwischen einem feststehenden
und einem umlaufenden Teil durch die Pumpwirkung von in einem dieser Teile angebrachten
Schraubennuten gegen den abzudichtenden Druck dadurch gefördert wird, daß die Schraubennuten
auf den Zylinderflächen. einer zwischen der Welle und dem Gehäuse angeordneten und
unabhängig von der Welle angetriebenen Hülse oder auf deren' zylindrischen Gegenflächen
an der Welle bzw. am Gehäuse vorgesehen sind. Es ergeben sich dadurch zwei Spalte,
und zwar zwischen Welle und Hülse einerseits und zwischen Hülse und Gehäuse andererseits.
Von den zwei Zylinderflächen, die jeweils einen Spalt bilden, ist die der Hülse
zugehörende mit Schraubennuten versehen.
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In Umkehrungen dieser Anordung können aber die Schraubennuten auch
statt in die Hülse in die beiden Gegenflächen, d. h. in die Welle und das Gehäuse,
eingeschnitten werden. Jeder Spalt besteht also einerseits aus einer glatten, andererseits
aus einer mit Schraubennuten, versehenen Zylinderfläche.
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Die Hülse läuft in umgekehrter Drehrichtung als die Welle um, und
zwar mit beliebiger Drehzahl. Die Hülse kann auch in derselben Drehrichtung wie
die Welle, aber mit anderer Umdrehungszahl als diese umlaufen. Durch ein entgegen
dem abzudichtenden Druckgefälle gefördertes Medium kann die Dichtwirkung der Hülse
unterstützt werden.
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Abb. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung für
eine senkrechte Welle. Die Welle 1, welche auch stillstehen kann, ist von einer
drehbaren Hülse 2 mit geringem Spiel umgeben. Die Hülse wiederum ist an der äußeren
Seite mit geringem Spiel in einem Führungsstück 3 des Gehäuses 4 gelagert, welches
gleichzeitig als Lager dient und die Trennwand der beiden gegeneinander abzudichtenden,
unter
verschiedenem Druck stehenden Räume 5 und 6 darstellt. Die Hülset ist außen und
innen mit Schraubennuten 7 und 8 versehen. Dadurch wird auch bei stillstehender
Welle an der Innen- und Außenwand der sich drehenden Hülse eine Förderwirkung auf
-die Dichtflüssigkeit ausgeübt und damit die Abdichtung erzielt. Solange die Hülse
umläuft, bleibt die Dichtung bestehen, auch wenn die Welle steht oder nur eine kleine
Drehzahl aufweist: '-' Die Gehäusewand ist an -der oberen Öffnung des Führungsstückes
3 erweitert, -so daß eine Rinne 9 zur Aufnahme der Dichtflüssigkeit gebildet wird.
Von der Rinne 9 aus führen Bohrungen 10 durch die Verlängerung des Führungsstückes
3 nach innen zur Hülse 2. In gleicher Höhe mit diesen Bohrungen 10 befinden sich
auch in der Hülse 2 Bohrungen 11, durch welche die Dichtflüssigkeit aus der Rinne
9 an die Innenseite der Hülse gelangt. Im Raum 5 möge -Atmosphärendruck, im Raum
6 Vakuum herrschen. Die aus der Rinne 9 durch die Bohrungen 10 zur Hülse 2 austretende
Flüssigkeit strebt, dem Druckgefälle folgend, längs der Innen- und Außenseite der
Hülse dem Raum 6 zu. Die durch die Keilriemenscheibe 12 angetriebene Hülse fördert
die Flüssigkeit nach oben, bis sich in den Dichtungsspalten ein Gleichgewicht zwischen
dem abzudichtenden Druck und dem Förderdruck der Schraubennuten einstellt.
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Die im Ringspalt 14 nach oben kriechende Flüssigkeit tritt durch die
Bohrung 15 aus und wird zusammen mit der Flüssigkeit, die im äußeren Ringspalt 13
hochläuft, von einem Spritzring 16 abgeschleudert. Das untere Hülsenende ist von
einer Ringkammer 17 umgeben, die mit der Welle dicht verbunden ist. Beim Stillsetzen
der Hülse 2 fließt die Dichtflüssigkeit durch die Schraubennuten nach unten und
wird in der Ringkammer aufgefangen. Diese ist so angeordnet, daß die Hülse in die
Flüssigkeit eintaucht. Schaltet man den Hülsenantrieb wieder ein, so wird die Flüssigkeit
aus der Ringkammer 17 in die Rinne 9 zurückgefördert. Hierdurch ist die Dichtung
wiederhergestellt. Der Klarheit der Zeichnung wegen wurde auf die Darstellung einer
gegebenenfalls erforderlichen besonderen Lagerung der Dichtungshülse in dieser und
den folgenden Abbildungen verzichtet.
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Bei dieser hydrodynamischen Wellendichtung kann eine zusätzliche statische
Abdichtung vorgesehen werden, die in an sich bekannter Weise die Abdichtung der
Welle nach dem Stillsetzen des Antriebes der Hülse übernimmt. Diese zusätzliche
Einrichtung hat somit nur ruhende Teile gegeneinander abzudichten.
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Abb.2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung, bei
der eine Rückkühlung der Dichtungsflüssigkeit vorgesehen ist. Bei der Ausführung
nach Abb. 1 muß die kleine, die Abdichtung bewirkende Flüssigkeitsmenge die Verlustwärme
aufnehmen, die durch den hohen Geschwindigkeitsunterschied zwischen den gegeneinander
bewegten Zylinderflächen infolge innerer Flüssigkeitsreibung erzeugt wird. Dadurch
nimmt die Flüssigkeitstemperatur zu und zugleich die Zähigkeit ab, so daß die Wirksamkeit
der Abdichtung in Frage gestellt ist. Die unerwünschte Steigerung der Flüssigkeitstemperatur
kann zwar durch eine Kühlung des Gehäuses vermieden werden. Bei hohen Gegendrücken
' oder hoher Umfangsgeschwindigkeit der Welle genügt aber diese Maßnahme nicht mehr.
In an sich bekannter Weise wird deshalb die Schraubennutdichtung so ausgeführt,
da.ß die Dichtflüssigkeit in stetem Strom die Dichtvorrichtung durchläuft und im
äußeren Rücklauf durch einen besonderen Flüssigkeitskühler gekühlt wird. Hierbei
dienen erfindungsgemäß die Schrauben der Wellendichtung gleichzeitig als Förderpumpen
für den Kreislauf der Dichtflüssigkeit.
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Bei,der als Beispiel in Abb. 2 dargestellten Ausführungsform ist zwischen
der Welle 1, welche hier horizontal gelagert ist, und dem Führungsstück 3 die Hülse
2 drehbar angeordnet. Die Gehäusewand 4 trennt auch bei dieser Ausführung die gegeneinander
abzudichtenden Räume 5 und 6. Der Druck im Raum 5 soll über dem im Raum 6 liegen.
Die Hülse wird über einen mit ihr verbundenen Zahnkranz 12a angetrieben. Die Dichtflüssigkeit
fließt aus einem Vorratsbehälter 18 über ein Regelventil 19, eine Leitung 20 und
eine Bohrung 21 zu der Hülse. Ringnuten 22 und 23 sowie einige Verbindungsbohrungen
24 sorgen für eine gleichmäßige Flüssigkeitszufuhr zu den beiden Schraubennuten.
Die Dichtflüssigkeit wird an dieser Stelle von den Schraubennuten erfaßt und entgegen
dem abzudichtenden Druck in die Dichtungsspalte gefördert, wie es durch Pfeile angedeutet
ist.
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Die Pumpwirkung der Schraubennuten ist durch deren Gestaltung und
durch die Wahl der Hülsendrehzahl so zu bemessen, daß die Dichtflüssigkeit bis zum
druckseitigen Ende der Nuten gefördert und dort in einem Ringraum 25 aufgefangen
wird, welcher die Austrittsstelle umgibt. Durch einen Spritzring 26 wird verhindert,
daß die Flüssigkeit die Welle entlangläuft. Unter der Wirkung des höheren Druckes
im Raum 5 kann die Flüssigkeit über eine Abflußleitung 27 einem Kühler 28 zugeleitet
werden. Aus diesem fließt sie über ein Rückschlagventi129 dem Vorratsbehälter 18
wieder zu. Bei dieser Anordnung der äußeren Flüssigkeitsführung steht der Vorratsbehälter
etwa unter dem Druck des Raumes 5. Beim Stillsetzen des Hülsenantriebes ist daher
das Regelventil 19 zu schließen, was durch eine automatische Kopplung der beiden
Vorgänge erreicht wird. Wie Abb. 2 zeigt, ist der zwischen den Ringnuten 22, 23
und dem Raum 6 liegende Teil 2a der Hülse 2 auf der Antriebsseite ebenfalls mit
Schraubennuten versehen, die verhindern, daß Leckflüssigkeit an diesem Hülsenende
austritt.
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Im Bedarfsfall kann eine weitere Sicherung vorgesehen werden, wie
sie Abb. 3 zeigt, in der eine andere Ausführungsform des Antriebsendes der in Abb.2
dargestellten Wellendichtung wiedergegeben ist. Das Führungsstück 3 endet hier in
einem Ringraum 30, in welchem die Dichtflüssigkeit aufgefangen wird, welche beim
wiederholten Abschalten des Hülsenantriebes möglicherweise ausgetreten ist. Das
äußere Ende der Hülse 2 trägt einen Bund 31, der sich mit Spiel zum Ausgleich axialer
Verschiebungen vor der tunnelseitigen Innenwand des Ringraumes befindet und auf
seiner dieser Innenwand zugekehrten Stirnseite radiale Schlitze 36 aufweist. Die
zylindrische Fläche des Bundes ist mit Schraubennuten 32 versehen, die mit der inneren
zylindrischen Fläche des Ringraumes 30 zusammenwirken. Eine wellenseitige Ringnut
33 der Hülse 2 und Bohrungen 34 sorgen für die Verbindung der inneren und äußeren
Schraubennuten. Sobald sich Leckflüssigkeit in dem Ringraum 30 angesammelt hat,
wird diese von den Schraubennuten 32 des Bundes 31 erfaßt und durch die radialen
Schlitze 36 zu den inneren Schraubennuten 35 gefördert, wo sie sich mit dem Flüssigkeitsstrom,
welcher den Abdichtungsvorgang bewirkt, wieder vereinigt.
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Abb. 4 zeigt beispielsweise die Anordnung eines die Leckflüssigkeit
rückfördernden Bundes 31 bei senkrechter Welle. Die radial genutete Stirnseite des
Bundes gleitet hier auf dem Boden der schon aus Abb. 1 ersichtlichen Ringkammer
17, während Schraubennuten
am Umfang des Bundes mit der zylindrischen
Innenfläche der Ringkammer zusammenwirken.
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Eine zusätzliche mechanische Abdichtungseinrichtung kann mit jeder
Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Dichtung kombiniert werden.
Da diese mechanische Dichtung nur ruhende Teile, nämlich die Welle im Stillstand
gegen das Gehäuse abzudichten braucht, ist sie sicher und einfach auszuführen. Abb.5
zeigt schematisch eine Abdichtung, bei der neben einer hydrodynamischen Wellenabdichtung
in an sich bekannter Weise zusätzlich eine ausrückbare mechanische Dichtung angebracht
ist. Hierzu trägt die Welle 1 einen Bund 37, während ein Wellrohr 38 mit dem Gehäuse
3 dicht verbunden und am freien Ende mit einem Dichtungsring 39 versehen ist. Zur
statischen Abdichtung wird der Dichtungsring 39 bei noch rotierender Hülset, jedoch
bereits stillstehender Welle 1 gegen den Bund 37 gedrückt, wodurch die beiden Räume5
und 6 gegeneinander abgeschlossen werden.