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Berührungsfreie Wellendichtung zur Abdichtung des Durchtritts einer
umlaufenden Welle Die Erfindung bezieht sich auf eine berührungsfreie Wellendichtung
zur Abdichtung des Durchtritts einer umlaufenden Welle durch eine einen ein wertvolles
Gas enthaltenden Raum mit Unterdruck und einen Raum mit höherem bzw. Atmosphärendruck
trennende Wand, wobei die mit einem Läufer und einer diesen mit geringem Spiel umgebenden
Muffe versehene Wellendichtung aus einer mit schraubenlinigen Nuten versehenen Hauptdichtung
und einer dieser vorgeschalteten Zusatzdichtung besteht und mindestens ein Sperrgas
benutzt wird.
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Für die Zusatzdichtung läßt sich hierbei jedoch nicht einfach ein
Reibungsbelag verwenden, da dieser den Verlust des Vorteils der Hauptdichtung zur
Folge hätte, der in dem Fehlen jeder Berührung zwischen den in Relativbewegung zueinander
befindlichen Teile, d. h. von Welle und Muffe, besteht. Die Verwendung einer
der Hauptdichtung ähnlichen Zusatzdichtung verbietet sich andererseits meist aus
Gründen der Raumbeanspruchung. Man ist daher gezwungen, als Zusatzdichtung eine
Labyrinthdichtung oder eine ähnliche Dichtungsvorrichtung vorzusehen, die aus einer
Reihe von miteinander verbundenen, mit geringem Spiel in Aussparungen der Muffe
drehbaren Ringen zusammengesetzt ist, die an der einen oder an jeder ihrer Seitenflächen
glatt oder mit Gewindegängen oder Streifen ausgebildet sind, Man sieht dabei zwischen
zwei dieser die Zusatzdichtung darstellenden Ringe eine Zufuhr des Gases vor, das
die auf der entsprechenden Seite der Hauptdichtung herrschende Atmosphäre bilden
soll und zwischen die Haupt- und die Zusatzdichtung zur Erzielung des notwendigen
niederen Druckes gepumpt wird. Eine Zusatzdichtung dieser Ausführung und Wirkungsweise
erfordert jedoch einen verhältnismäßig hohen Gasaufwand, was zu erheblichen Betriebskosten
führt, wenn das benutzte Gas aus besonderen Gründen ein Edelgas sein muß, wie dies
beispielsweise bei bisher bekannten Wellendichtungen der Fall ist, für welche rektifizierter
Stickstoff in Betracht kommt.
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Es ist auch bereits eine Stopfbüchse für Kreiselverdichter bekannt
(deutsche Patentschrift 467 562), die dazu bestimmt ist, die Abdichtung bei
einer Drehbewegung zu bewirken, bei der die Einführung eines als Sperre dienenden,
von dem in der Maschine verwendeten Gas, nämlich einem Edelgas, unterschiedlichen
Hilfsgases vorgesehen ist, wobei jedoch Verluste an Edelgas nicht zu vermeiden sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Welleiidichtung
der eingangs genannten Art eine Zusatzdichtung zu schaffen, die eine einwandfreie
Trennung zwischen der umgebenden Atmosphäre und dem einen Ende der Hauptdichtung
bewirkt. Diese Aufgabe ist bei der hier vorgeschlagenen Wellendichtung dadurch gelöst,
daß die Zusatzdichtung aus mindestens drei aufeinanderfolgenden am Läufer vorgesehenen
Dichtungszonen besteht, von denen die eine der zwei außenliegenden Zonen an ihrer
Außenseite mit dem Bereich von verhältnismäßig hohem Druck und die am entgegengesetzten
Ende befindliche Dichtungszone an ihrer Außenseite mit einem die Hauptdichtung von
der Zusatzdichtung trennenden und an einen Unterdruckerzeuger angeschlossenen Raum
in Verbindung steht, während eine Sperrgaszufuhr eines billigen Gases, vorzugsweise
Luft, unter einem gegenüber dem im Raum zwischen Haupt- und Zusatzdichtung herrschenden
Druck verhältnismäßig hohen Druck mit dem an der Außenseite der Dichtungszone gelegenen
Druckbereich und eine Sperrgaszufuhr eines wertvolleren Gases, zur Bildung einer
Gassperre zwischen Haupt- und Zusatzdichtung, mit dem zwischen der einen äußeren
Dichtungszone und der mittleren Dichtungszone gelegenen Druckbereich verbunden ist
und der zwischen der mittleren Dichtungszone und der anderen äußeren Dichtungszone
gelegene Druckbereich an eine Saugvorrichtung angeschlossen ist.
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Diese Zusatzdichtung ermöglicht nicht nur die Anwendung gereinigten
Stickstoffs für die Dichtungszonen, sondern erlaubt es, in dem ein wertvolles Gas
enthaltenden Raum einen äußerst niedrigen Druck
zu schaffen, so
daß die Hauptdichtung unter guten Bedingungen arbeiten kann, d. h. die Drücke der
von ihr getrennten Medien sehr niedrig sind. Für eine gegebene Stickstoffmenge ist
es somit durch die Dichtung gemäß der Erfindung möglich, den Druck in diesem Raum
tiefer abzusenken, als dies bei bisher bekannten derartigen Wellendichtungen möglich
ist. lfierbei ist auch der Vorteil eines äußerst geringen Verbrauchs an gereinigtem
Stickstoff von Bedeutung, der ein neutrales und nahezu vollkommenes Gas ist,
was in besonderen Anwendungen bei Edelgasen unerläßlich ist.
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Von den einander gegenüberliegenden Flächen der Muffe und des Läufers
kann die eine oder die andere oder jede glatt ausgeführt sein. Statt dessen kann
aber auch von den einander gegenüberliegenden Flächen der Muffe und des Läufers
mindestens eine mit besonderer Foringebung, insbesondere mit Schrauben-A 01 ngen
oder Riefen, ausgebildet sein.
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Die Zeichnung veranschaulicht die eine Hauptwellendichtung mit gegensinnig
schraubenlinigen, in der Welle oder einer umschließenden Muffe ausgesparten Nuten
ergänzende Zusatzdichtung nach der Erfindung beispielsweise in einer Ausführungsform.
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F i g. 1 zeigt im halben Achsschnitt die grundsätzliche Bauart
der Zusatzdichtung und F i g. 2 läßt ebenfalls im Achsschnitt die Verbindung
dieser Zusatzdichtung mit einer mittels gegen-Sinnig schraubenliniger Wellen- oder
Muffenmiten C als Hauptdichtung wirksamen Wellendichtung erkennen, während F i
g. 3 im Kurvenbild die bei der Wellendichtung nach F i g. 2 auftretenden
Drücke wiedergibt. Gemäß F i g. 1 ist angenommen, daß es sich darum -handelt,
eine links von F i g. 1 gelegene Gasatmosphäre von dem# rechts von F i
g. 1 liegenden einen Ende einer- nicht dargestellten, mittels gegensinnig
schraubenliniger Nuten wirksamen Hauptdichtung zu trennen, welche eine um ihre Achse
XX-' umlaufrnde Welle 21 längs einer sie mit geringem Spiel umschließenden, feststehenden
Muffe 22 zwischen einer in der Welle ausgesparten, ein Edelgas unter niedrigem Druck
enthaltenden Ringkammer 23 und einem an dem anderen Ende der Spaltdichtung
vorgesehenen Raum abdichten soll.
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Eine diese Hauptdichtung ergänzende Zusatzdichtung ist nach F i
g. 1 dadurch geschaffen, daß ein Abschnitt 24 der Welle 21, der von der ruhenden
Muffe 22 mit geringem, in F i g. 1 der zeichnerischen Deutlichkeit halber
übertrieben groß wiedergegebenen Spiel umschlossen ist, als mit der Muffe abdichtend
zusammenarbeitender Läufer durch zwei von einem glatten Wellenteil 27 voneinander
getrennte Reihen 25 und 26 von am Wellenumfang ausgefrästen Ringriefen
ausgebildet ist, während an dem diesen Riefen 25, 26 und der Ringkammer
23 der Welle 21 gegenüberliegenden Teil der Innenfläche -der Muffe 22 drei
in dieser gebohrte Kanäle 28, 29, 30 ausmünden, von denen der Kanal
28 sich nach dem glatten Wellenteil 27 hin in der Nähe der Riefenreihe
26 mit seinem einen Ende öffnet und mit seinem anderen Ende Ei
an eine
nicht dargestellte, mit niederem Druck arbeitende Saugpumpe angeschlossen ist und
der Kanal 29
an seinem einen Ende etwa in der Mitte der Riefenreihe
26 mit dem Wellenspalt und an seinem anderen Ende A, mit einer mit
einem etwas höheren Druck als die Saugpumpe am Ende Ei des Kanals
28 wirksamen Edelgasspeisequelle in Verbindung steht sowie der dritte Kanal
30 mit seinem einen Ende der Ringkammer 23 der Welle 21 gegenüberliegt
und mit seinem anderen Ende E, an emie nicht veranschaulichte, mit sehr niederem
Druck arbeitende Sangpumpe angeschlossen ist.
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Der Läufer 21 ist durch seine Ringriefen 25, 26
und durch die
Kanäle 28 bis 30 der Muffe 22 in drei aufeinanderfolgende Dichtungszonen
Ll, L 25 L3 unterteilt, von denen die Zone Li die Riefenreihe 25 und
die Zone L 2 einen etwas größeren Teil der Riefenreihe 26 als die Zone
L3 umfaßt. Zu der Zone L, hat die Umgebungsluft in der Pfeilrichtung.Al Zutritt,
und aus dem Ende Ei des Kanals 28 wird ein Gemisch von Luft und einer
kleinen Menge Edelgas abgesaugt. Da die Gasentwicklung über Dichtungszonen, wie
sie die Riefen 25, 26 darstellen, praktisch proportional der Differenz der
Quadrate der beiderseits der betrachteten Zone herrschenden Drücke ist, sind die
Gasabgänge über die Dichtungszonen L2 und L 3 viel geringer als die Gasentweichungen,
die über eine einzige, mit hohem Druck gespeiste Dichtungszone wie die Zone L, erfolgen.
Man kann daher durch die Unterteilung des Läufers 24 in die drei Dichtungszonen
L., L2) L 3 erhebliche Ersparnisse an Edelgas erzielen, das sonst
durch Entweichen über die Zone L 2 verlorengeht.
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Aus F i g. 2 ist der Zusammenbau einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Zusatzdichtung mit einer die Hauptdichtung darstellenden, mit gegensinnig schraubenlinigen
Nuten arbeitenden Wellendichtung in Anwendung bei der Welle eines den Umlauf von
Uranhexalluorid bewirkenden Fliehkraftverdichters ersichtlich, bei dem eine Atmosphäre
von rektifiziertem Stickstoff unter niederem Druck auf der Seite der Hauptdichtung
vorhanden ist, die der Seite entgegengesetzt ist, wo sich das Uranhexafluorid befindet.
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Gemäß F i g. 2 geht von der auf ihrer einen Seite mit Flügeln
32 versehenen Scheibe 31 eines Fliehkraftverdichters, die in einem
Gehäuse 33 umläuft, außer der Antriebswelle 34 auch noch ein zu dieser gleichachsiger
Hohlzylinder 35 aus, welcher den Läufer nicht nur für die Zusatzdichtung
in der Art des Wellenabschnittes 24 in F i g. 1, sondern auch für die mit
Schraubennuten wirksame Hauptdichtung bildet. Der Zylinder 35 enthält auch
die äußeren Ringe von zwei Kugellagern 36, deren innere Ringe auf einer mit
dem Gehäuse 33 verbundenen, im Inneren des Hohlzylinders 35 liegenden
Buchse 37 sitzen und die den ganzen Drehteil des Verdichters tragen.
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An der Außenfläche des hohlzylindrischen Läufers 35 sind zwei
gegensinnig schraubenlinige Nuten 38 und 38a eingeschnitten, die von einer
nicht genuteten Zone 39 aus nach dem einen bzw. dem anderen Ende des Hohlzylinders
35 hin in zur Umlaufrichtung der Scheibe 31 und damit des Hohlzylinders
35 entgegengesetztem Drehsinn fortschreiten. Die Nuten 38 weisen acht
und die Nuten 38 a
zwei Windungen auf, und die Tiefe der Nuten
38 und 38 a nimmt von der glatten Zone 39 aus nach dem einen
bzw. dem anderen der beiden Enden des Hohlzylinders 35 hin ab. Mit dem entsprechenden
zylindrischen Teil 40 der Innenfläche des Verdichtergehäuses 33 bilden die
schraubenlinigen Nuten 38 und 38 a für die Welle 34 die Hauptdichtung,
die durch einen in einer Ringnut 42 des Verdichtergehäuses 33
frei angeordneten
Ring 41 ergänzt ist,,der zwei elastische Dichtungsringe 43 trägt, die sich, wenn
der Ring 41 durch beim Anhalten der Welle 34 von einem
dann
-ausgelösten Mechanismus verschobene Stangen 44 nach links gestoßen wird,
an die benachbarte Seitenwand der Ringnut42 bzw. gegen das rechte Ende des hohlzylindrischen
Läufers 35 legen und auf diese Weise die Abdichtung des Wellenspaltes bei
ruhender Welle gewährleisten. Die Abdichtung der Stangen 44 erfolgt hierbei mittels
Dichtmembranen.
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Die Innenfläche des Hohlzylinders 35 weist vier Reihen von
Ringriefen 45, LI, L 2 und L 3 auf, die durch ringförmige Nuten
47, 48, 49 voneinander getrennt sind, nach welchen die in der Buchse 37 gebohrten
Kanäle 50, 51, 52 ausmünden. Die Umfangsfläche 53 der Buchse
37, die an den Austrittsenden der Kanäle 50 und 51 mit sich
an diese anschließenden umlaufenden Nuten versehen sein kann, bildet mit der Innenfläche
des hohlzylindrischen Läufers 35
die Zusatzdichtung nach der Erfindung. In
der Buchse 37 sind außerdem zwei weitere Kanäle 54 und 55
ausgespart,
von denen der Kanal 54 nach dem die Kugellager 36 enthaltenden Raum zwischen
Läufer und Buchse führt und der Kanal 55 von der den verschiebbaren Dichtungsring
41, 42 umschließenden Ringnut 42 ausgeht.
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Der Kanal 50 ist mit einer Druckluftquelle, die unter einem
den Atmosphärendruck etwas überschreitenden Druck steht, und der Kanal
51 mit einer Vakuumpumpe 56 verbunden, während der Kanal
52
an eine rektifizierten Stickstoff unter geringem Druck liefernde Gasquelle
angeschlossen ist. Der Kanal 54 steht mit einem Öl-Luft-Mischer 57, der mit
Luft aus der gleichen Quelle wie der Kanal 50 gespeist wird, in Verbindung,
und der Kanal 55 führt nach einer Vakuumpumpe 58 über ein Ventil
59 und über ein Uranhexafluorid anhaltendes doppelmanteliges, durch einen
flüssigen Stickstoffstrom zwischen den beiden Mänteln gekühltes Gefäß
60.
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Man bildet in dem Mischer 57 einen ölnebel, der durch den Kanal
54 den Kugellagern 36 unter einer praktisch dem Atmosphärendruck gleichen
Druck zugeleitet wird, um die Schmierung der Kugellager zu erzielen, und der dann
nach der freien Außenluft längs der Welle 34 zu entweichen vermag. Es herrscht demnach
der Atmosphärendruck an dem linken Ende der Zusatzdichtung, deren Aufgabe gerade
die Trennung zwischen diesem Druck und dem sehr niederen Druck ist, der in der Ringnut
42 am Ende der Hauptdichtung vorhanden sein soll. Dieser niedere Druck wird durch
die Vakuumpumpe 58 beispielsweise in der Größe von 3 mm Quecksilbersäule,
d. h. in einer Größenordnung gehalten, die hinsichtlich der Wirkungsweise
der Hauptdichtung dem am Fuß der Verdichterhilfsflügel 32 a an der Rückseite
der Scheibe 31
herrschenden Druck vergleichbar ist und auf Grund der Wirkung
dieser Flügel ungefähr 20 mm Quecksilbersäule beträgt, während am Umfang der Scheibe
31 ein Druck von 200 mm Quecksilbersäule wirksain ist.
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Ein Teil der über den Kanal 50 ankommenden Luft strömt nach
den Kugellagern 36 über die Dichtungszone 45 und verhindert dabei den nach
den Kugellagern 36 geleiteten ölnebel am Zutritt zu der Zusatzdichtung und
sichert gleichzeitig die Kühlung der Kugellager. Der andere Teil der durch den Kanal
50 zugeführten Luft durchquert die Dichtungszone Ll, um dann in den Kanal
51 durch die Vakuumpumpe 56 abgesaugt zu werden, welche in diesem
Kanal einen Druck von etwa 100 mm Quecksilbersäule aufrechterhält. Gleichzeitig
wird eine geringe Menge Stickstoff abgesaugt, die durch den Kanal 52 unter
einem Druck von 150 mm Quecksilbersäule ankommt und über die Dichtungszone
L2 ihren Weg nimmt. Ein anderer Teil des zugeführten Stickstoffs entweicht nach
der Ringnut 42, von wo er durch die Vakuumpumpe 58 gleichzeitig mit den Spuren
von Uranhexafluorid abgesaugt wird, die über die Hauptdichtung haben entweichen
können und die durch die Falle 60
auf Grund ihrer Kristallisation angehalten
werden, die bei einer Temperatur unter 50' C durch die Wirkung des zwischen
den Mänteln des doppelmanteligen Behälters 60 umlaufenden flüssigen Stickstoffstrom
erreicht wird.
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Da die Schraubengangnuten L, bis L, gleichsinnig geschnitten
sind, fördern sie auch gleichsinnig. Der Druckabfall im Bereich von L 2 rührt von
der Absaugung bei 28 in F i g. 1 bzw. 51 in F i g. 2
her. Die Absaugung ist deshalb niedriger als der bei 29 bzw. 52 herrschende
Druck gewählt, damit ein übertreten von Luft in den Bereich L, verhindert wird.
Im Bereich L 2 tritt somit eine überlagerung der durch L 2 bewirkten Förderung und
der Strömung infolge des zwischen 29 und 28 (F i g. 1) bzw.
52 und 51 (F i g. 2) herrschenden Druckgefälles auf.
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Das in F i g. 3 wiedergegebene Kurvenbild stellt in einem logarithmischen
Maßstab in Ordinaten die Druckänderungen P in Millimeter Quecksilbersäule zwischen
den verschiedenen Punkten der Doppeldichtung in vollen Linien während des Laufes
und an gestrichelten Linien während des Stillstandes der abzudichtenden Welle dar,
und die verschiedenen Punkte sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in F i
g. 2 bezeichnet. Diese Punkte 61 bis 64 entsprechen dem Umfang der
Scheibe 31 und dem Fuß der Hilfsflügel 32a sowie den Anfängen der schraubenlinigen
Nuten 38 und 38 a zu beiden Seiten der glatten Zone
39.
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Da es sich bei der Hauptdichtung um eine doppelsinnig wirkende Pumpe
handelt, wie eine solche beispielsweise in der deutschen Patentschrift
1182 915
beschrieben ist, herrscht in dem Punkt 63 der niedrigste Druck.
Infolge Absaugung durch die Pumpe 58 ergibt sich bei 42 ein niedrigerer Druck
als bei 62.
In der zwischen den Punkten 50 und 51 (F i
g. 2 und 3) liegenden Zone L, ist die Strömungsrichtung (gemäß der
Zeichnung) von rechts nach links gerichtet. Das gleiche trifft zu für die zwischen
den Punkten 52 und 42 (F i g. 2 und 3) bzw. 29 und
30 (F i g. 1)
befindlichen Zone L.. In der zwischen den Punkten
52 und 51 (F i g. 2 und 3) bzw. 29 und
28 (F i g. 1)
liegenden Zone L 2 ist demgegenüber die Strömung von
links nach rechts gerichtet.