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Hydrodynamische Dichtung, insbesondere für Pumpen, Kompressoren oder
Turbinen Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrodynamische Dichtung, insbesondere
für die Welle von Pumpen, Kompressoren oder Turbinen, mit einem an der abzudichtenden
Stelle zwischen zwei Maschinenteilen angeordneten ringförmigen Zwischenstück, das
mit jedem der beiden Maschinenteile je einen mit einem Dichtungsmedium (z. B. Öl)
gefüllten Dichtungsspalt bildet und das mit einem Antrieb, insbesondere mit einem
hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Antrieb, versehen ist.
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Die üblichen Schleifdichtungen, wie Schleifringdichtungen, Stopfbüchsen
usw., haben insbesondere den Nachteil erheblichen Verschleißes. Dieser Mangel wird
bei hydrodynamischen Dichtungen vermieden, bei denen das Abdichten mittels eines
gesonderten Sperrmediums mit höherem Druck als im abzudichtenden Druckraum erfolgt.
Der Sperrdruck wird hierbei beispielsweise durch einen oder mehrere rotierende Maschinenteile
erzeugt. Als gebräuchlichste Ausführung einer solchen hydrodynamischen Dichtung
ist die Abdichtung einer Wellendurchführung mittels eines Flüssigkeitsringes bekanntgeworden,
der etwa durch ein umlaufendes Schaufelrad erzeugt wird. Diese Wellenabdichtung
hat allerdings unter anderem den Nachteil, daß sie in radialer Richtung viel Platz
benötigt.
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Eine weitere hydrodynamische Wellenabdichtung ist unter dem Namen
Viskodichtung bekannt. Bei dieser wird die durch den Dichtungsspalt leckende Flüssigkeit
mittels einer auf der Welle eingeschnittenen gewindeförmigen Nut zurückgefördert.
Eine derartige Wellenabdichtung ist allerdings nur bei großen Umfangsgeschwindigkeiten
oder kleinen Druckdifferenzen verwendbar, da sonst die benötigte Schraubenlänge
zu groß wird. Bei Motoren ist diese Konstruktion als sogenanntes Rückführgewinde
üblich, um die Schmierölverluste zu verringern.
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Nach einer Weiterbildung dieser Viskodichtung ist vorgesehen worden,
an einem der gegeneinander abzudichtenden Maschinenteile axial nebeneinander zwei
Gewindeabschnitte mit entgegengesetzter Steigung anzuordnen und das Gewinde gegebenenfalls
mit einem hochviskosen Sperrmedium zu füllen. Dieses Sperrmedium wird bei entsprechender
Drehrichtung zum Teil in den zwischen den beiden Gewindeabschnitten befindlichen
Spaltraum gefördert. Der sich hier aufbauende Druckberg sperrt den Durchfluß des
abzudichtenden Arbeitsmediums. Wird die Drehrichtung umgekehrt, so entsteht an Stelle
des Druckberges ein Drucktal, das unter Umständen Hochvakuum erreichen kann. In.
diesem Fall ist die Dichtung zur Abdichtung von Vakuum geeignet. Die letztgenannte
Dichtungsausführung (Viskodichtung) benötigt wohl in radialer Richtung nur geringe
Abmessungen, sie hat aber andererseits den Nachteil, daß sie - was übrigens auch
für die anderen hydrodynamischen Dichtungen gilt - stets eine ausreichend hohe Relativdrehzahl
erfordert, da sonst der Sperrdruck zu gering und damit oft keine Abdichtung mehr
gewährleistet ist. Dieser Mangel tritt vor allem bei Dichtungen an Maschinen in
Erscheinung, deren Drehzahl stark wechselt oder deren abzudichtender Druck große
Schwankungen aufweist und überhaupt sehr hoch ist. Es wurde daher bereits zwischen
den beiden Maschinenteilen ein ringförmiges, mit einem Antrieb versehenes und gesondert
gelagertes Zwischenstück vorgesehen. Bei umlaufendem Zwischenstück baut das Dichtungsmedium
einen eine Dichtung bewirkenden Druckberg auf, und zwar unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft
des umlaufenden Dichtungsmediums. Die radial fördernden Teile benötigen jedoch einen
gewissen Platz in radialer Richtung und müssen im Betrieb stets eine entsprechende
Absolutgeschwindigkeit erreichen.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, daß nach einem älteren,
aber nicht vorveröffentlichten Vorschlag jedem Dichtungsspalt an wenigstens einer
der ihn begrenzenden Wände Schraubengangnuten zugeordnet sind und das Zwischenstück
ebenso mit einer eine Relativbewegung gegenüber jedem der beiden Maschinenteile
bewirkenden Drehzahl angetrieben wird und daß die Schraubengangnuten in an sich
bekannter Weise jeweils unterteilt und so ausgebildet
werden, daß
in jedem Spalt eine zueinander gerichtete Förderwirkung erzielt wird. Der Antrieb
des Zwischenstückes kann hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch und unabhängig
von dem Antrieb des oder der Maschinenteile erfolgen. Ferner kann es mitunter zweckmäßig
sein, den Antrieb des Zwischenstückes regelbar auszubilden. Des weiteren ist es
vorteilhaft, wenn das ringförmige Zwischenstück für einen peltonturbinenartigen
Druckmittelantrieb ausgebildet wird, wobei als Betriebsmittel für diesen Antrieb
Schmieröl besonders geeignet ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Dichtung, die unter Ausnutzung der stets
in gewissem Maß vorhandenen Wandreibung des Dichtungsmediums an den mit Schraubengangnuten
und an den nicht mit Schraubengangnuten versehenen Wandteilen der axialen Dichtungsspalte
mit das Dichtungsmedium entgegengesetzt zueinander fördernden Schraubengangnuten
arbeitet, ist es möglich, bei geringem Platzbedarf eine Wellendurchführung od. dgl.
in jedem Betriebszustand, also auch bei stark schwankenden oder nur kleinen Relativdrehzahlen
der Maschinenteile und sogar bei deren Stillstand hydrodynamisch befriedigend abzudichten.
Der Antrieb des Zwischenstückes der erfindungsgemäßen Dichtung sorgt dafür, da.ß
die für eine einwandfreie Abdichtung erforderlichen Relativdrehzahlen zwischen den
Maschinenteilen und dem Zwischenstück immer eingehalten bzw. sogar eingeregelt werden
können. Der verlangte Sperrdruck kann also unter Umständen sogar in jedem Betriebszustand
an den abzudichtenden Druck angepaßt werden. Dabei arbeitet die hydrodynamische
Dichtung mit einem Leckverlust von beispielsweise nur 5 g im Jahr; sie dichtet also
vollkommen. betriebssicher ab und steht in dieser Hinsicht den Berührungsdichtungen
in keiner Weise nach.
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In. dem Fall, daß sämtliche den Dichtungsspalt begrenzenden Teile
stillstehen, hört selbstverständlich auch die Dichtungswirkung der üblichen Viskodichtung
auf. Um bei einem solchen vollkommenen Betriebsstillstand trotzdem eine Abdichtung
zu erhalten, ist bereits eine Sonderausführung einer Viskodichtung bekannt, bei
der die zusammengehörigen Gewindeabschnitte auf unterschiedlichen Durchmessern einer
mit einer Maschinenwelle drehfest verbundenen, aber axial verschiebbaren Büchse
angeordnet sind. Der sich im Innern der Viskodichtung aufbauende Druck wirkt hierbei
auf eine zwischen den Gewindeabschnitten liegende achssenkrechte Ringfläche (Schulter)
der Büchse und verschiebt letztere entgegen dem auf ihre Stirnfläche einwirkenden
Druck des abzudichtenden Arbeitsmediums in eine solche Lage, daß diese Kräfte im
Gleichgewicht sind. Die Büchse wird also im normalen Betrieb in axialer Richtung
selbsttätig in eine berührungsfreie Lage eingestellt. Bei Stillstand oder zu geringer
Drehzahl der Welle ist dagegen dieser Gleichgewichtszustand gestört, und das auf
eine Stirnfläche der Büchse einwirkende abzudichtende Medium preßt die Büchse an
eine entsprechend ausgebildete Gegenfläche des Gehäuses, so daß dann der Dichtungsspalt
durch Berührung geschlossen wird. Die Abdichtung zwischen. Büchse und Welle erfolgt
hierbei durch übliche Dichtungsringe.
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Bei Wellendurchführungen mit häufigen Druckschwankungen im abzudichtenden
Spalt ist diese Ausführung einer auch bei Stillstand dichtenden Viskodichtung jedoch
nicht zweckmäßig, da durch die wiederholten Axialverschiebungen der Büchse die Dichtungsringe
erheblichem Verschleiß unterworfen sind. Ein Auswechseln. der eventuell schadhaften
Dichtungsringe verursacht stets erhebliche Kosten, mitunter ist dies überhaupt nicht
durchführbar. Außerdem ist es mit dieser vorbekannten Viskodichtung auch nicht möglich,
aggressive Stoffe, wie sie in der chemischen Industrie und im Reaktorbau anfallen,
in befriedigender Weise abzudichten, da das Material der Dichtungsringe zwischen
Büchse und Welle die hier gestellten Anforderungen nicht aushält.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, wird bei der erfindungsgemäßen Viskodichtung
in ähnlicher Weise vorgeschlagen, daß die einem Dichtungsspalt zugeordneten beiden
Abschnitte mit Schraubengangnuten auf je unterschiedlichen Durchmesserbereichen
angeordnet werden, derart, daß der Dichtungssspalt zwischen den Abschnitten mit
Schraubengangnuten in radialer Richtung abgesetzt ist, und daß ferner das Zwischenstück
axial verschiebbar ausgebildet wird. Weiterhin wird vorgeschlagen, die durch den
Innen- und Außendruck in Achsrichtung beaufschlagten Flächen des Zwischenstückes
sowie die zwischen je zwei zusammengehörigen Abschnitten mit Schraubengangnuten
liegende Ringfläche des Zwischenstückes so auszubilden und zu bemessen, daß die
bei Betrieb der Maschine und einer berührungsfreien axialen Lage des Zwischenstückes
auf dieses ausgeübten Axialkräfte im Gleichgewicht sind (Stellung als Laufdichtung).
Zugleich werden je zwei in jedem Dichtungsspalt an den beiden Maschinenteilen und
am Zwischenstück befindliche Anlageflächen so angeordnet, daß bei Betriebsstillstand
und/oder bei Ausfall des Antriebes des Zwischenstückes dieses unter der Wirkung
der Axialkräfte in eine dichtende Endstellung verschiebbar ist. Durch die letztgenannte
Maßnahme wird erreicht, daß das Zwischenstück auch noch als Stillstandsdichtung
dient. Sowohl bei Stillstand der Maschinenteile als auch bei Stillstand des Zwischenstückes
wird dann eine sichere Abdichtung erzielt. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die bei
Betriebsstillstand einander berührenden Anlageflächen des einen Maschinenteiles
und des Zwischenstückes in dem Dichtungsspaltbereich zwischen zwei zusammengehörigen,
je unterschiedliche Durchmesser aufweisenden und mit Schraubengangnuten versehenen
Abschnitten angeordnet werden. Der Bauaufwand und die axiale Baulänge der Viskodichtung
können dadurch vermindert werden.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigen die obere und die untere Hälfte der Zeichnung jeweils unterschiedliche
Ausbildungsvarianten der Viskodichtung.
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Auf der rotierenden Welle 1 sitzt eine im wesentlichen zylindrisch
ausgebildete Büchse 3, die in radialer und axialer Richtung schwimmend gelagert
ist. Die Lagerung in. radialer Richtung erfolgt hierbei ausschließlich über das
zwischen der Büchse 3 und der Welle 1 bzw. einem feststehenden Gehäuse 2 befindliche
Dichtungsmedium 12, z. B. Öl, das vor der Inbetriebnahme der Dichtung durch eine
Zuführungsleitung 20 und Ausgleichsbohrungen 21 in die Dichtungsspalte 10 und 11
geleitet wird.
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Mit 4 ist der einen Überdruck aufweisende abzudichtende Maschinenraum
bezeichnet. Bei Stillstand der Maschine und der Büchse 3 (Zwischenstück) wirkt der
Druck des Maschinenraumes 4 auf die letzterem zugewandte Stirnfläche 14 dieser Büchse.
Dadurch wird die Büchse 3 in axialer Richtung so weit nach
links
verschoben, bis ihre Ringfläche 15 an einer Gegenfläche 16 des Gehäuses 2 dichtend
anliegt. Gleichzeitig legt sich auch die andere, dem Maschinenraum 4 abgewandte
Stirnfläche 17 der Büchse 3 an einen Wellenbund 18 an (obere Hälfte der Zeichnung).
Dadurch wird auch bei vollkommenem Stillstand der Maschine und des Zwischenstückes
3 ein Durchströmen des abzudichtenden Arbeitsmediums durch die Dichtungsspalte 10
und 11 verhindert.
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Bei der in der unteren Hälfte der Zeichnung dargestellten Ausführung
ist zwischen der Stirnseite 17 der Büchse 3 und dem Wellenbund 18' eine axial stark
elastisch komprimierbare Dichtung 19 aus elastischem Werkstoff angeordnet, durch
die ein ungleicher Abstand zwischen den bei Stillstandsdichtung zur Anlage kommenden
Flächen ausgeglichen werden kann.
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Auf den äußeren und inneren Zylinderflächen der Büchse 3 sind jeweils
entgegengesetzt fördernde Schraubengangnuten 6 und 7 bzw. 8 und 9 eingeschnitten.
Wird nun zwischen der Büchse 3 und dem Gehäuse 2 bzw. der Welle l eine Relativdrehbewegung
hervorgerufen, etwa durch einen regelbaren, von der Drehzahl der Welle 1 unabhängigen
Antrieb 13 der Büchse 3, so wird das Dichtungsmedium 12 durch die Schraubengangnuten
6, 7 und 8, 9 zu einem Teil von beiden Seiten zur Mitte der Dichtungsspalte
10 und 11 gefördert. Der sich hier aufbauende Druckberg ist beträchtlich
höher als der Druck im Maschinenraum 4, so daß durch diesen Überdruck im Dichtungsmedium
12 die Dichtungsspalte 10 und 11 abgedichtet werden. Außerdem wird dabei die Büchse
3 in axialer Richtung so verschoben, daß alle auf die Büchse einwirkenden axialen
Kräfte (Außen- und Innendruck und Druck des Sperrmediums) im Gleichgewicht sind.
Die Büchse 3 stellt sich also in Achsrichtung selbsttätig in eine berührungsfreie
Lage ein.
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In der Welle 1 (obere Hälfte der Zeichnung) undioder im Gehäuse 2
(unterer Teil der Zeichnung) sind von einem Kühlmittel durchflossene Kühlkanäle
22 und 23 angeordnet, damit die Viskosität des Dichtungsmediums möglichst konstant
gehalten werden kann. Die hohen Drehzahlen oder die hohe Temperatur des abzudichtenden
Arbeitsmediums könnten sonst das Dichtungsmedium 12 ungünstig beeinflussen, indem
sie dessen Viskosität herabsetzen.
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Ferner kann das Zwischenstück als Büchse mit im wesentlichen in axialer
Richtung zylindrischen Flächen ausgebildet werden. Die Dichtungsspalte zwischen
dem Zwischenstück und den Maschinenteilen sollen des weiteren so bemessen sein,
daß das Zwischenstück in radialer Richtung durch den von den Gewindeabschnitten
erzeugten Druck selbsttätig zentriert wird. Eine andere Zentriermöglichkeit des
Zwischenstückes (Viskobüchse) ist auch dadurch zu erreichen, daß ein oder mehrere
Abschnitte am Außen- und Innenmantel der rotierenden Büchse und des zugeordneten
Maschinenteils als Mehrflächen-Gleitlager ausgebildet werden.
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Die Ansprüche 2 bis 5 sind echte Unteransprüche, die nur in Verbindung
mit dem Hauptanspruch Schutz genießen.