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Dichtungsanordnung zum Ausgleich von Dehnungswechseln.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung,insbesondere
für Rohrverbindungen,bei denen die zu verbindenden Teile miteinander verschraubt
und radial über einander zugeordnete Stirnflächen abgedichtet sind,wobei eine Ringdichtung
aus unter Druck leicht verformbaren Werkstoff in mindestens eine Ringnut in einer
der Stirnflächen eingelegt ist.
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Bekanntlich weisen solche Rohrverbindungen entweder Flanschen auf,
die an den Rohrenden angeschweißt oder sonstwie gehaltert und mittels einer Mehrzahl
von Schrauben fest zusammengereßt sind,oder sie bestehen aus der Verschraubung je
eines Gewindestutzenteiles und eines tiberwurfmutterteiles,wobei mindestens in oder
an einem der beiden Teile ein Rohrende gegebenenfalls über iiilfsmittel,z.B.einem
Schneid-oder Klemm-Ring gehaltert ist.J)a eine leckfreie Abdichtung sinh ohne eine
elastische Ringdichtung nur durch das Zusammenpressen feinstbearbeiteter planparalleler
Stirnflächen sehr aufwändig erreichen läßt, haben sich elastische Ringdichtung,z.B.O-Ringe
zur Abdichtung der durch Unebenheiten der Stirnflåchen bedingten Durchlässe bezw.
beabsichtigter Ringspalte durchgesetzt. Diese sind in ein-oder beidseitig zugeordnet
in d bt. Stirnflächen eingearbeitete Ringnuten eingelegt
und bei
der Verschraubunzur Vorspannung um ein bestimmtes; Übermaß zusammengepreßt (GB 207,855).
Wird die Innenseite durch einen Durchlaß oder Spalt mit Druck aus dem Medium beaufschlagt,
so wird die vorgespannte Ringdichtung mit einer dem Druck proportionalen Kraft zusätzlich
zwischen die abzudichtenden Flüchen und gegebenenfalls teilweise- in einem in der
Druckrichtung hinter ihr, vorhandenen Spalt eingepreßt. (DT PS 860.583). Diese eingepreßten
Teile der Ringdichtungen werden bei einer folgenden opaltdickenverminderung infolge
Dehnungswechseln in der Verschraubung abgequetscht oder abgerieben.Ein ähnlicher
Abriebverschleiß liegt bekanntlich auch bei Ringdichtungen vor,die zur Agbdichtung
eines axialen Laufspaltes zwischen zwei relativ zu einander bewegten, Flächen, z.B.
Kolben-und Zylinder-Mantelflächen dienen. Dort sind, um den Abrieb zu vermindern,radial
federnde Stützringe bekannt, welche aus axial dünnen Bandmaterial höherer Festigkeit
spiralförmig ger; wickelt sind.Infolgedessen gleiten die-axial schmalen Laufflächen
des 8piralbandes federnd,praktisch spaltlos an der zylindrischen egenfläche,s-o'daß
die Ringdichtung gegenüber dem abzudichtenden Axialspalt sicher abgedeckt ist.
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Radial über plane Stirnflächen abgedichtete Rohrverbindungen sind
absolut dicht und verschleißfrei,solange durch eine feste Zusammenpressung eine
metallische Berührung gesichert ist. Voraussetzung-hierfür ist,daß die beide Teile
verbindenden Verschraubungen Vorspannungen aufweisen,die größer sind als alle anderen,auf
diese entgegengesetzt einwirkende Kräfte, z.B. mechanisch oder thermisch bedingte
Kräfte aus 'den- verbundenen Rohrleitungen.Die Größe und Richtung solcher Kräfte,insbesondere
ei;nseitiger;welche nur Teilquerschnitte der Verschraubung beanspruc'hen,sind je--
-doch durch Zufälligkeiten in der Verlegung der Rohrleitungen,der Toleranzen in
der Werkstoff eigenschaften und/oder Dimensionen, durch plötzliche hohe Druckwechsel
und oder Druckpulsationen be-ing dingt, deren Amplituden durch die Zylinderzahl
und deren Frequenz durch die jeweilige Drehzahl der Pumpen tezw; der Motoren bestimmt
sind. Insbesondere in der Hochdruck-Hydraulik wachse-n'die"
die
Amplituden der Druckpulsationen mit den steigenden Arforderunger Lin höhere-betriebsdrücke
und können Eigenschwingungen in den kohrleitungen erzeugen, welche zusätzlich erhebliche
Beanspruchungen in der Schwingungsebene auf die Verschraubung oder die Rohrendenhalterungen
lt Schneid-oder Klemm-Ringen ausüben. Zudem bedingen die genormten Stichmasse benachbarter
Anschlußbohrungen von ,hvdraulischen Geräten häufig gleich große äussere Abmessungen
der Rchrverhindungen fär Nieder-und Hoch-Druck-Hydraulik. Eine ausreichende d richtig
bemessene Vorspannung de Verschraubungen ist aber bei' der sehr häufig mit Behelfsmitteln
vorzunehmenden Rohrverlegurgen reicht immer gewährleistet, sodaß es bei einseitigen
Geßenkräften zu spaltbildenden Dehnungswechseln in der Verschraubung kommer kann.
Beim Untersuchen an der TH Aachen wurden an einem Einschraubstutzen allein durch
einen Druckunterschied von 500 atu eine gleichmäßig auf den Umfang verteilte Dehnungsdifferenz
von 45 P in der Verschraubung gemessen.--ierei können Spaltdicken auftreten, welche
die bei axial bewegten Flachen übliche Dichtspalte bereits-überschreiten.L-ei Dauerwechseln
in diesem Dehnungsbereich tritt daher an der Dichtung ein entsprechend hoher hbriebsverschleiß
auf.
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Bekannt ist ferner eine stoßfreie Rohrverbindung gem' der Patentanmeldung
P 18 13 124.3, bei welcher das Rohrende durch Eintreiben eines Stützringes höherer
Festigkeit aufgeweitet, das konische Rohrende in einem Überwurfmutterteil aufgenommen
und mit der Stirnfläche des Stützringes an die mit einer Ringdichtung versehene
Gegenfläche eine Einschraubstut.zenteiles angepreßt wird. Um eine für die Ringdichtung
ausreichende Stirnflächenbreite zu erhalten, ist die Stirnfläche des konischen Stützringes
mit einem Kragenbund verbreitert.Um gleichzeitig eine spaltfreie metallische Anlage
der dicht zu verbindenden Stirnflächen an der äusseren Nutwand zu erreichen, ist
die innere Nutwand gegenüber der äusseren zurückgesetzt,s.odaB hier ein geringer
Spalt- offen bleibt,durch welchen die Innenfläche der Ringdichtung mit dem Druck
aus dem Medium beaufschlagt ist.
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Die Erfind'ung geht von der an sich optimalen Dichtungsanordnung aus
bei der die zu verbindenden Teile über einander zugeordnete und'mittels- einer elastis-chen
Ringdichtung radial nach aussen ab-gedichtete Stirnflächen durch Verschraubung zusammengepreßt
stellt sich die Aufgabe eine Dichtungsanordnung zu schaffen'welche eine praktisch
unbegrenzte Haltbarkeit der Ringdichtung gewährleistet und insbesondere deren Verschleiß
durch Abrieb infolge von möglichen Spaltdickenänderungen, welche durch Dehnungswechseln
in der Verschraubung verursacht werden, sowie durch Brmündung der Elastizität infolge
von Druckpulsa-t ion-en welche durch die Beaufschlagung e-iner Fläche der Ringdichtun-g
mit dem Nedium verursacht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der die elastische
Ringdichtung einschliessende Ringnutraum mindßtens einseitig durch eine axial federnde
Wandfläche begrenzt ist.
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Die Erfindung bietet wesentlic-he Vorteile.Da die Ringdichtungen axial
von Stirnflächen und radial von Seitenflächen umschlossen sind,ergeben sich eine
Vielzahl von Realisationsmöglichkeiten der Erfindung,je nachdem der axiale Federweg
einer Stirnfläche,eine,r Seitenfläche oder einer Kombination beider Arten zugeordnet
ist.
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Unabhängig von der Ausführungsart bietet die erfindungsgemässe axial
federnde Wandfläche den grossen Vorteil -,auch Winkelabweichungen in der Planparallelität
der aufeinander zu pressenden Stirnflächen ausgleichen zu können,welche durch die
zulässigen Toleranzen in den Werkstoffeigenschaften und bei der erstellung bedingt
sind.Ferner ergibt sich bei einer Einschliessung der Ringdichtung zwischen zwei
axial federnde Seitenwände bezw zwischen je einer axial federnden Seiten - und Stirnwand
der Vorteil,dag die Ringdichtung gegen die Einwirkung von Druckpulsatio nen aus
dem Medium und damit vor Ermüdung ihrer Elastizität,besonders bei hohen Betriebstemperaturen
und aggressiven Medien geschützt ist.
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Die Erfindung ist in den Abbildungen beispielsweise an einer Rohrverbindung'gemäß
der Patentanmeldung-P 18 13 124.3 erläutert, da bei dieserhn verschiedenen Stellen
die axial federnde Wand als Seitenwand bezw. als Stirnwand ausgebildet,angewendet
werden kann.
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Dementsprechend zeigen die Abbildungen 2 bis 4 verschiedene Ausschnitte
im vergrösserten Maßstab, und zwar Abb. 1 eine solche Rohrverbindung im Längsschnitt
mit einer axial federnden Seitenwand bei "A" zur Abdichtung einer einfachen Verschraubung.
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und einer axial federnden Stirnwand bei " B zur Abdichtung der Rohrenden
nach aussen, Abb.2 Ausschnitt "A" unverschraubt, Abb.3. Ausschnitt A verschraubt,
Abb.4 Ausschnitt "B" mit beidseitig durch axial federnde Seitenwände ges.chüt'zterRingdichtung.
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Die Rohrverbindung besteht aus einem Einschraubstutzenteil 3 mit Gewinden
an seinen Enden,von denen das eine in eine Anschluß'-bohrung eines Gerätes 1- eingeschraubt
ist (Ausschni-tt "A") und der zweiteeine Überwurfmutter 9 haltert,welche ein durch
Eintreiben eines Stützringes 8 höherer Festigkeit konisch aufgeweitetes Rohrende
10 aufnimmt und die Stirnfläche 6 des Stützringes 8 gegen die mit einer Ringdichtung
versehene Stirnfläche 5 des Einsohraubstutzens 4 preßt(Ausschnitt "B"). Die Abbildungen
2 und-3 zeigen die Stirnflächenabdichtung mittels Ringdichtung einer'üblichen Verschraubung,
die völlig unabhängig von der dargestellten Rohrverbindung angewandt werden kann'.
In der Stirnfläche 18 am Schraubenkopf des Einschraubstutzenteiles- 3 ist eine Ringnut
15 mit den Seitenwänden 14,17 und der Grundstirnfläche 16 eingearbeitet,in welche
eine Ringdichtung (0-Ring) 12 eingelegt ist. Bei einer grösseren Vorspannung der
Verschraubung als alle übrigen der Vorspannung entgegen wirkenden Kräfte liegen
beide Stirnflächen 2,18' fest aneinander (Abb. 3) Übers-chreiten jedoch die entgegenwirkenden
Kräfte. einseitig die Vorspannung der Verächraubung,so entstehtauf' de ntsprechenden
Aussenfläche ein Spalt, in den die Aussenseite' der Ringdichtung teilweise hineingedrückt
wird.Vor diesem ÈindrUkken wird die Ringdichtung 12 erfindungsgemäß durch eine axial
federnde
Seitenwand bewahrt,die in Form eines radial dünnwandigen Ringes 13 aus einem elastischen
Material höherer Festigkeit, z.B.
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Kun'ststoff,Federstahl, zwischen der Ringdichtung 12 und der festen
Seitenwand 17 der Ringnut 15 angeordnet ist. Der Querschnitt, dieses Ringes, 13-kann
auch mit konkav oder konvex gebogener Aussenfläche ausgeführt werden,z.B. bei Federstahl.Die
axiale Höhe dieses Ringes weist im entspannten Zustande gegenüber der Höhe der Seitenwand
17 ein Übermaß al auf,welches an der Einsatzstelle des Ringes mindestens gleich
oder größer ist als die infolge einer Dehnung in der Verschraubung maximal mögliche
Spaltdicke.Das übliche Übermaß der Ringdichtung 12 gegenüber der Seitenwand 17 A
d muß dabei grösser als das Übermaß a 1 des Ringes 13 sein.
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Eine Stirnflächen-Abdichtung von Rohrenden zeigt in einer besonderen
Ausführung Abbildung 1 im mit -3" bezeichneten Gebiet, welche unter Benutzung der
Abbildung 4 erläutert wird.Um die Stirnfläche 6 des Stützringes 8 auf die für die
Ringdichtung 23 erforderliche Breite zu bringen,ist am Stützring 8 ein Kragenbund7
angeordnet. Um eine spaltfreie Verbindung beider Teile sicherzustellen,ist hier
die innere Stirnfläche 21 des Einechraubstutzens 4 gegenüber dessen äusserer Stirnfläche
5 zurückgesetzt,sodaß sich beim Zusammenpressen die äusseren Stirnflächen 5,6 metallisch
berühren, während zwischen den inneren Starnflächen 6,21 ein kleiner Spalt offenbleibt.Durch
diesen Spalt ist die Innenmantelfläche der Ringdichtung 23 mit dem Druck des islediums
beaufschlagt.Die Ringdichtung kann daher infolge von Druckpulsationen im Medium
durch Ermüdung ihrer Elastizität und infolge einseitiger Snaltdickenänderungen durch
Abrieb in ihrer Lebensdauer beeinträchtigt werden.
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Zur Vermeidung der Nachteile wurde erfindungsgemäß der Kragenbund
als axial federnde Stirnwand ausgebildet und die Stirnflächen 6,21 ebenfalls bis
zur metallischen Berührung zusammengepreßt. Hierdurch wird gleichzeitig,erreicht,daß
die Verschraubung von der Kraft aus der mit Druck aus dem Medium beaufschlagten
inneren Stirnfläche entlastet wird.
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Demgegenüber ist in Abbildung 4"eine Ausüh;r'-gsart einer Stirnflächenabdichtung
mit zwei axial federnden Ringen 22,24 bei starren
Stirnflächen 5,6,21
wiedergegeben,bei der die äussere und die innere Stirnfläche des Einschraubstutzens
4 in einer Ebene liegen.
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@ei dieser Ausführung ist die Ringdichtung 23 bei Spaltbildungen bis
# ] sowohl vor der Einwirkung vor Druckpulsationen aus dem Medium als huch vor dem
Einpressen in den äusseren Spalt gesiinert.