DE19532549A1 - Wellenabdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellenabdichtung zum Abdichten zwischen einer Welle und einem Maschinengehäuse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Solche Wellenabdichtungen werden auch als trockenlaufende und schwimmende Wellenabdichtungen bezeichnet und weisen als zweites ringförmiges Befestigungsteil eine sogenannte Klemmbrille auf, die über eine Ausgleichsscheibe an dem Lagergehäuse mittels des ersten ringförmigen Befestigungsteils befestigt ist. Thermobewegungen und Durchbiegungen der Welle werden über die Wälzlagereinrichtung auf das Lagergehäuse übertragen, so daß der radiale Abstand des Lagergehäuses zu der Welle konstant bleibt, während die angegebenen Differenzen durch die Ausgleichsscheibe aufgefangen werden. Die Ausgleichsscheibe, welche sich radial erstreckt, ist zum Teil aber erheblichen Querkräften unterworfen, wenn im Maschineninneren ein Überdruck herrscht, wie es gewöhnlich bei chemischen Apparaten der Fall ist. Dieser Überdruck breitet sich in einem größeren radialen Raum zwischen Maschinengehäuse, Klemmbrille, Ausgleichsscheibe und Lagergehäuse aus und führt nicht selten zum Reißen der Ausgleichsscheibe bzw. beschränkt die anwendbaren Drücke auf 3 bis 4 bar bzw. bis 10 bar. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß sich in dem sich radial erstreckenden Raum Produkte im Falle von chemischen Apparaturen ablagern können, die zu Krustenbildung neigen. Diese zum Teil scharfkantigen Aushärtungen führen dann zu einer Beschädigung der Ausgleichsscheibe. Ferner läßt sich eine Maschine mit großen Toträumen nicht gut sterilisieren und nur schwer reinigen. Die bekannten Wellenabdichtungen haben auch nur einreihige Kugellager verwendet, mit denen sich die Spielfreiheit nicht sicher erzielen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellendichtung der eingangs angegebenen Art so zu gestalten, daß eine sichere Abdichtung auch bei größeren Drücken erzielbar ist und eine gute Reinigung sowie Sterilisation der Wellendichtung möglich wird.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und durch die weiteren Merkmale der Unteransprüche ausgestaltet und weiterentwickelt.

Statt einer einfachen Ausgleichsscheibe wird ein Überbrückungsteil aus einem Elastomer verwendet, der Teil eines "Ausgleichsflansches" oder einer Ausgleichseinrichtung ist, der noch das erste und das zweite ringförmige Befestigungsteil angehören und die einerseits an dem Maschinengehäuse und andererseits an dem Abdicht- und Lagergehäuse befestigt wird. Diese Ausgleichseinrichtung reicht bis nahe der Lippendichtung, wodurch Toträume weitgehend vermieden werden. Die Ausgleichseinrichtung kann auch eine Umkleidung im Bereich seines Innenradius aufweisen, die aus einem gegen chemische Angriffe geeigneten Stoff, z. B. PTFE mit elastischem Kern (Polytetrafluorethylen) oder PTFE-Folie/TFM-PTFE-Folie mit gewisser Dehnbarkeit und Biegsamkeit besteht. Auf diese Weise kann das Elastomer der Ausgleichseinrichtung gegen chemischen Angriff geschützt werden. Aus Sicherheitsgründen kann auch ein Metallfaltenbalg vorgesehen sein, der die Ausgleichseinrichtung mit einem Lagerdeckelflansch des Abdicht- und Lagergehäuses verbindet. Schließlich ist es auch möglich, eine nachgeschaltete, selbsttätige und verschleißarme Notlaufdichteinrichung vorzusehen, mit der man den Austritt von Produkt verhindern kann, das bereits einige der Lippendichtungen überwunden hat und die auch als Stillstandsdichtung dienen kann. Die Notlaufdichtung kann entweder durch ein spezielles Druckmedium "von außen" angelegt werden, oder sie wird "von innen" durch das Produkt beaufschlagt, welches abgedichtet werden soll.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Wellenabdichtung im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Wellenabdichtung mit Umkleidung des Ausgleichsflansches,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Ausgleichseinrichtung in einer gedehnten Stellung,

Fig. 4 die Ausgleichseinrichtung in einer vorgespannten Stellung,

Fig. 5 eine Wellenabdichtung mit einem zusätzlichen Metallfaltenbalg,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Metallfaltenbalg und

Fig. 7 eine Wellenabdichtung mit zusätzlicher Notlaufdichtung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wellenabdichtung im Längsschnitt durch den Rand dieser Wellenabdichtung. Die Wellenabdichtung soll die Lücke 1 zwischen einer Welle 2 und einem Gehäuse 3 abdichten und weist zu diesem Zweck ein Dichtungs- und Lagergehäuse 10, eine Wälzlagereinrichtung 11, eine Wellenschonhülse 12, eine Reihe von Lippendichtungen 13 und einen Ausgleichsflansch 14 auf. Die Wellenschonhülse 12 ist mit der Welle 2 statisch abgedichtet verbunden und mittels einer Spannkeileinrichtung 15 auf der Welle 2 festgezogen, so daß die Wellenschonhülse 12 jede Bewegung der Welle 3 mitmacht. Die Wälzlagereinrichtung 11 weist einen inneren Laufring 16, einen äußeren Laufring 17 und zwei Kugellagerreihen 18 und 19 auf, die sich an entsprechenden Schultern der Laufringe 16 bzw. 17 so abstützen, daß praktisch Spielfreiheit des Wälzlagers gegeben ist. Der Laufring 16 wird durch Federringe an der Wellenschonhülse 12 spielfrei gehalten, während der Laufring 17 in einer Ringaussparung des Lagergehäuses 10 sitzt und dort mittels eines Lagerdeckels 20 und eines Abstandsrings 21 spielfrei gehalten wird. Durch diese Ausbildung erreicht man, daß das Dichtungs- und Lagergehäuse 10 allen thermischen Bewegungen und Durchbiegungen der Welle 2 folgt, so daß der Abstand zwischen der Außenfläche der Buchse 12 und der Innenseite des Dichtungs- und Lagergehäuses 10 konstant bleibt. Dies ist für die Wirkungsweise der Lippendichtungen 13 wichtig, die aus einem geeignet nachgiebigen Werkstoff, z. B. PTFE-modifiziertem Kunststoff oder aus einem festeren Kunststoff, z. B. aus PAEK (Polyaryletherketon) besteht, um den im Maschinengehäuse inneren auftretenden Betriebsdrücken unter Berücksichtigung ihrer Lippenformgebung gewachsen zu sein. Die Dichtlippen selbst dürfen keinen radialen oder axialen Bewegungen unterworfen sein. Wie ersichtlich, wird die Reihe der Lippendichtungen 13 über einen Federring 22 an dem Abdicht- und Lagergehäuse 10 gehalten. Im Laufbereich der Lippendichtungen 13 ist die Wellenschonhülse 12 mit einer Auflage 12a versehen, d. h. die Oberfläche ist metallurgisch veredelt.

Der Ausgleichsflansch 14 umfaßt ein radial inneres, ringförmiges Befestigungsteil 23, eine Ringscheibe mit Flanschrand als Überbrückungsteil 24 und ein radial äußeres, ringförmiges Befestigungsteil 25. Das Überbrückungsteil 24 besteht aus einem Elastomer, beispielsweise EPDM (Ethylen- Propylen-Elastomer), FPM (Fluor-Elastomer) (Viton®), NBR (Copolymerisat Butadien-Acrylnitril Perbunan) oder einem anderen geeigneten elastomeren Werkstoff, der an die Wände der Befestigungsteile 23 bzw. 25 anvulkanisiert werden kann. Die innere Ringscheibe 23 trägt einen Kranz von Bohrungen 26, um in einer Ringaussparung des Lagergehäuses 10 befestigt zu werden, während das äußere Befestigungsteil 25 einen weiteren Kranz von Bohrungen 28 aufweist, um mittels Schrauben 29 am Maschinengehäuse 3 befestigt zu werden. Es versteht sich, daß die Köpfe der Schrauben 27 in entsprechenden Aussparungen des Überbrückungsteils 24 und des Befestigungsteils 25 zu liegen kommen.

Das Dichtungs- und Lagergehäuse 10 kann Kanäle 30 enthalten, die der Mediumsleitung und/oder der Druckmessung bzw. Überwachung dienen. Zur Stelle 31 wird z. B. Stickstoff oder ein geeignetes Spülmedium aufgegeben, um das Eindringen von Festkörpern zu den Dichtlippen zu erschweren. Mittels des Kanals zu der Stelle 32 wird abgetastet, ob die druckseitig vorgeschalteten Lippendichtungen 13 noch funktionstüchtig sind, und die Leckage wird abgeleitet. Die Lippendichtungen 41 und 42 können als Sicherheitsstufen zu der Hauptreihe 13 angesehen werden.

Wenn es im Betrieb der Wellenabdichtung zu Wärmedehnungen oder Durchbiegungen der Welle 2 kommt, folgt das Lagergehäuse 10 diesen Bewegungen getreu nach, wodurch es zu einer Relativverschiebung zu dem Maschinengehäuse 3 kommen kann. Das Überbrückungsteil 24 ermöglicht solche Relativbewegungen in gewissem Maße, und zwar sowohl axial als auch radial als auch kippend. Wie ersichtlich, sind bei 1 praktisch keine Toträume vorhanden, so daß sich die Wellenabdichtung gut für chemische Apparate und Maschinen eignet.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei gleichartige Teile mit den gleichen Bezugszeichen belegt sind. Der hauptsächlichste Unterschied zu Fig. 1 besteht in der Umkleidung 40, welche wenigstens den Innenradius des Ausgleichsflansches 14 bedeckt. Aus praktischen Gründen und erhöhter Abdichtungssicherheit wird auch die dem Lagergehäuse 10 abgewandte Seite des Ausgleichsflansches bedeckt. Die Umkleidung 40 besteht aus einem biegsamen und gegebenenfalls auch etwas dehnbaren, chemisch inerten Material, beispielsweise aus PTFE, und schützt das Material des Überbrückungsteils 24. Der Ausgleichsflansch 14 der Fig. 2 ist im Querschnitt rechteckförmig und reicht hier etwas weniger radial nach innen als in der Ausführungsform nach Fig. 1.

Fig. 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Wellenabdichtung, wobei gleichartige Teile wiederum die gleichen Bezugszeichen tragen. Die Ausgleichseinrichtung 14 weist zwei Befestigungsringe 43, 45 und ein Überbrückungsteil 44 auf, das aus einem dehnbaren und zusammendrückbaren Elastomer besteht, das mit seinen Rändern 46 und 47 in entsprechende Aussparungen der Befestigungsteile 43 und 45 eingeklemmt und gegebenenfalls auch einvulkanisiert ist. Wie im Falle der Fig. 2 kann noch eine Umkleidung 40 vorgesehen sein, um das Elastomer 44 gegen den Angriff chemischer Substanzen abzuschirmen. Das Überbrückungsteil 44 kann ferner durch eine Ringfeder 48 gespannt gehalten werden. Wie der Vergleich zwischen den Stellungen der Fig. 3 und 4 zeigt, können Verschiebebewegungen der Welle 2 um 10 mm und mehr abgefangen werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 zeigt zusätzlich noch einen Metallfaltenbalg 50, der das Abdicht- und Lagergehäuse 10 überspannt und dessen inneres Ende an einem Flansch 49 abgedichtet befestigt ist, während das äußere Ende an einem Flanschfortsatz des Lagerdeckels 20 abdichtend befestigt ist. Der Metallfaltenbalg 50 stellt einen zusätzlichen Schutz für den Fall dar, daß die Umhüllung 40 und das Überbrückungsteil 44 versagen sollten.

Fig. 6 zeigt, daß man einen Metallfaltenbalg 50 auch im Falle einer Wellenabdichtung gemäß Fig. 1 verwenden kann. Fig. 6 zeigt außerdem, daß in dem Falle, daß keine Druckabtastung erfolgt, die Anzahl der hintereinander geschalteten Lippendichtungen 13 vergrößert werden kann, ohne die Länge der Wellenabdichtung als solche zu vergrößern.

Fig. 7 zeigt, daß man bei der Wellenabdichtung auch eine sogenannte nachgeschaltete, selbsttätig und verschleißarme Notlaufdichtung 60 anwenden kann. Die Notlaufdichtung 60 besteht aus einer ringförmigen Druckmanschette 61 mit Dichtring 62, der normalerweise von der Oberfläche der Wellenschonhülse 12 einen geringfügigen Abstand einhält, jedoch bei der Beaufschlagung über einen Druckkanal 63 fest an die Buchse 12 angepreßt werden kann. Die Notlaufdichtung 60 enthält ein ringförmiges Gehäuse 64 und ein oder mehrere Einsätze 65, in welche die Manschette 61 mit ihren Rändern eingesetzt ist. Durch die Notlaufdichtung kann eine Notabdichtung der Welle 2 erzielt werden, auch wenn die Reihe der Lippendichtungen 13 versagt haben sollte. Ein solcher Gefahrenzustand wird über das Druckabtastsystem festgestellt, wonach ein Fremdmedium, z. B. aus einem Thermosyphonbehälter oder einer vorgespannten Druckblase, der Notlaufdichtung 60 über die Druckleitung 63 zugeführt wird.

Bei geeigneter Konsistenz des im Maschinengehäuse 3 verarbeiteten Mediums kann dieses Medium selbst zur Beaufschlagung der Notlaufdichtung 60 benutzt werden. In diesem Fall wird das Druckabtastsystem mit der Notlaufdichteinrichtung 60 verbunden, beispielsweise über einen Querkanal, der von dem überwachten System zur Bohrung 63 führt. Es versteht sich, daß dann die gezeigten Anschlüsse des Lagergehäuses 10 verschlossen werden. Die Manschette 61 hat einen genügenden Querschnitt, um den Dichtring 62 mit genügender Kraft gegen den Umfang der Wellenschonhülse 12 zu pressen und damit den Spalt zum Wälzlager 11 abzudichten.

Die Wellenabdichtung unter Einbezug der Notlaufdichteinrichtung 60 kann auch mit einem Faltenbalg 50 versehen sein, wie dies in Fig. 5 oder 6 gezeigt ist. Der Faltenbalg 50 kann dazu verwendet werden, das aus dem Kanal 30 austretende Produkt der Notlaufdichtung 60 zuzuleiten.

Die Notlaufdichtung 60 kann auch bei den eingangs beschriebenen Wellendichtungen verwendet werden, d. h. man ist frei darin, ein scheibenförmiges Überbrückungsteil wie in Fig. 1, 2, 6 oder ein ringbandförmiges Überbrückungsteil 44 wie in Fig. 3, 4, 5 zu verwenden, und zwar mit oder ohne Umkleidung 40.

In den unterschiedlichen Darstellungen sind noch Dichtringe gezeigt, mit denen Spalte zwischen relativ zueinander ruhenden Maschinenteilen abgedichtet werden. Es handelt sich dabei um O-Ringe oder äquivalente Dichtmittel, wie sie im Stand der Technik bekannt sind und deren Ausbildung sich danach richtet, welcher Überdruck von innen nach außen abzudichten ist.

Mit der erfindungsgemäßen Wellenabdichtung können Drücke von 10 bis 15 bar abgedichtet werden, es können aber auch höhere Drücke bewältigt werden, insbesondere ertragen Metallfaltenbalge Überdrücke von 30 bis 60 bar und in Ausnahmefällen sogar bis zu 200 bar. Für solche Fälle muß eine den hohen Druckanforderungen geeignete Hochdruckdichtung und Lagerung ausgelegt werden.

Die neue Wellenabdichtung zeichnet sich dadurch aus, daß praktisch kein Totraum vorhanden ist, wie bei 1 angedeutet. Das Fehlen von Toträumen führt auch dazu, daß der hydraulische, axiale Schub auf die Lippendichtungen 13 und das Lagergehäuse 10 sicher abgefangen wird und relativ klein bleibt, so daß die Lager 11 in axialer Richtung weniger belastet werden, als dies bei früheren vorbekannten Wellenabdichtungen der Fall war.

Für die Konstanz des Abstandes zwischen dem Innenradius des Lagergehäuses 10 und dem Außenradius der Buchse 12 ist die Güte des Wälzlagers 11 verantwortlich. Erfindungsgemäß werden zwei gegeneinander gerichtete Laufreihen 18, 19 verwendet, deren Abstützstellen zwei Kegel bilden, deren Spitzen voneinander wegstreben, wie dies durch die strichpunktierten Mantellinien 18a, 19a angedeutet wird. Es können zwei Rillenkugellager oder zwei Schrägkugellager verwendet werden oder eben auch ein doppelreihiges Schrägkugellager, wie dargestellt. Auch zwei gegeneinander verspannte Kegelrollenlager in sogenannter (spielfreier) "Null-Anordnung" sind gut brauchbar.

Wegen der guten Montierbarkeit wird man im allgemeinen die Wellenabdichtung mit der Wellenschonhülse 12 verwenden. Bei gedrängten Platzverhältnissen kann man aber auch die Lippendichtungen 13 unmittelbar auf der Welle 2 laufen lassen.

Claims (12)

1. Wellenabdichtung zum Abdichten zwischen einer Welle und einem Maschinengehäuse mit folgenden Merkmalen:
ein rohrförmiges Lagergehäuse (10), welches einen Innenradius und einen Außenradius aufweist;
eine Wälzlagereinrichtung (11) mit äußeren und inneren Laufringen (16, 17), wobei der innere Laufring (16) gegebenenfalls über eine Wellenschonhülse (12) mit der Welle (2) und der äußere Laufring (17) mit dem Dichtungs- bzw. Lagergehäuse (3) verbunden sind;
eine Ausgleichseinrichtung (14), die einerseits über ein erstes ringförmiges Befestigungsteil (23, 43) mit dem Lagergehäuse (10) und andererseits über ein zweites ringförmiges Befestigungsteil (25, 45) mit dem Maschinengehäuse (3) abdichtend verbunden ist und ein Überbrückungsteil (24, 44) zwischen den ringförmigen Befestigungsteilen aufweist;
eine Reihe von Lippendichtungen (13), die am Dichtungs- und Lagergehäuse (10) befestigt sind und mit ihren Dichtlippen die Welle (2) oder die Wellenschonhülse (12) berühren; gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:
das Überbrückungsteil (24, 44) besteht aus einem Elastomer, das die ringartigen Befestigungsteile (23, 25; 43, 45) mit einer gewissen Nachgiebigkeit miteinander verbindet und im Bereich des Innenradius des Lagergehäuses (10) oder nahe dieser Stelle überbrückt.

2. Wellenabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überbrückungsteil (24) eine Ringscheibe mit Flanschrand darstellt, die an den Befestigungsteilen (23, 25) anvulkanisiert ist.

3. Wellenabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überbrückungsteil (44) ein axial dehnbarer und sich wölbender Ring darstellt, der mit Verankerungsrändern (46, 47) in den Befestigungsteilen (43, 45) verankert und vulkanisiert ist.

4. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichseinrichtung (14) eine Umkleidung (40) im Bereich ihres Innenradius aufweist, die aus einem gegen chemische Angriffe geeigneten Stoff mit gewisser Dehnbarkeit und/oder Biegsamkeit besteht.

5. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlagereinrichtung (11) zwei gegeneinander gerichtete Laufreihen (18, 19) aufweist, die zur Erzeugung von Spielfreiheit des Wälzlagers ausgebildet und angeordnet sind.

6. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Lagergehäuse (10) umgebender Metallfaltenbalg (50) vorgesehen ist, der einerseits an einem Lagerdeckel (20) des Lagergehäuses und andererseits an einem Flanschring (49) befestigt ist.

7. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine nachgeschaltete, selbsttätige, verschleißarme Notlaufdichteinrichtung (60) in einer Reihe zu den Lippendichtungen (13) angeordnet ist und über eine Druckzuführung (63) betätigbar ist.

8. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungs- und Lagergehäuse (10) Kanäle (30) zur Mediumsleitung und/oder Druckabtastung aufweist.

9. Wellenabdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckabtasteinrichtung zu einer Stelle (32) hinter der Reihe der Lippendichtung (13) hinführt.

10. Wellenabdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabtasteinrichtung einen Sensor beinhaltet, der zu einem Überwachungsgerät gehört, welches die nachgeschaltete, selbsttätige, verschleißarme Notlaufdichteinrichtung (60) des Anspruchs 7 betätigt.

11. Wellenabdichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabtasteinrichtung direkt mit der Notlaufdichteinrichtung (60) des Anspruchs 7 verbunden ist.

12. Wellenabdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gegebenenfalls vorgesehene Wellenschonhülse (12) wenigstens im Laufbereich der Dichtlippen (13) mit einer metallurgisch veredelten Oberfläche (12a) versehen ist.