DE2102369A1

DE2102369A1 - Wellendichtung

Info

Publication number: DE2102369A1
Application number: DE19712102369
Authority: DE
Inventors: Leendert Lourens Johannes De Steeg Koster Olav Edward Arnhem Derks, (Niederlande)
Original assignee: Akzo NV
Current assignee: Akzo NV
Priority date: 1970-01-29
Filing date: 1971-01-19
Publication date: 1971-08-05
Also published as: US3823949A; NL7001239A; JPS4819813B1; GB1324453A; FR2077144A5

Description

Priorität: 29. Januar 197o Nr.: 70 - 0I239 Holland

Die Erfindung betrifft eine Dichtung für eine Welle, die sich, durch eine Bohrung in einer Wand einer Kammer erstreckt, die eine Flüssigkeit enthält, welche unter einem höheren Druck steht als das außerhalb der Kammer befindliche Medium.

Für die Abdichtung eines beweglich geführten Teils, beispielsweise einer Welle oder einer Stange bzw. eines Stabes, in einem unbeweglichen bzw. stationären Teil, sind verschiedene Lösungen bekannt. So verwendet man beispielsweise bereits eine Stopfbüchse, bei welcher die Abdichtung durch Anfüllen des Spaltes zwischen der Welle und der Bohrung mit Dichtungsmaterial, beispielsweise mit Hanf, Baumwolle, Leder Asbest, Weichmetall oder dergleichen, bewirkt wird.

Bei Verwendung von Stopfbuchsen ist es jedoch dann schwierig, eine zufriedenstellende Abdichtung zu gewährleisten, wenn der Unterschied der auf jeder Seite der Wand herrschenden Drucke beträchtlich ist. Wenn sich die Flüssigkeit infolge Degradation oder wegen einer zu niedrigen Temperatur verfestigt, wie ·· bei vielen Polymerisaten der Fall ist, besteht zudem die Gefahr, daß da* Dichtungsmaterial und das bewegliche Teil

109832/152Ά

aneinanderheften bzw. zusammenkleben, wodurch eine starke Beschädigung des Dichtungsmaterials hervorgerufen werden kann.

Es ist auch bekannt, Wellen mittels einer hydrodynamischen Dichtung abzudichten. Dabei wird entweder eine mit Gewinde versehene Welle oder eine mit Gewinde versehene Bohrung verwendet, durch welche das Medium, das auslaufen möchte, zurück in die abzudichtende Kammer gezwungen wird. Die Dichtungs— wirkung geht jedoch verloren, wenn die Welle nicht bewegt wird, also stationär ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestelle darin, eine Dichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher die vorstehenden Nachteile wirksam vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei der Dichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der Spalt zwischen der Bohrung und der Welle über wenigstens einem Teil seiner Länge nach außen gerichtet konvergent ist und eine Einrichtung zum Kühlen der Flüssigkeit unter ihren Verfestigungspunkt in dem konvergierenden Teil des Spaltes vorgesehen ist.

Unter dem Ausdruck "nach außen gerichtet" ist die Richtung zur Außenseite der Kammer zu verstehen.

Infolge dieser Abkühlung verfestigt sich die Flüssigkeit, welche über den Spalt zwischen der Welle und der Bohrung auslecken möchte,und bildet einen Pfropfen, welcher dem Lecken entgegenwirkt. Der verengte Bereich hindert den Pfropfen daran, daß er von der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit nach außen gedrückt wird. Auf diese Weise sorgt die Flüssigkeit selbst für die Abdichtung, und zwar unabhängig davon, ob sich die Welle dreht oder nicht.

109832/1524

Es sei noch hinzugefügt, daß es bekannt ist, Leitungen und Speicherbehälter, die ein schmelzbares synthetisches Material enthalten, durch Abkühlen dieses Materials bis zur Bildung eines Dichtungspfropfens abzudichten und sie durch Schmelzen des Dichtungspfropfens durch Erwärmen wieder zu öffnen.

Es ist jedoch äußerst bemerkenswert, daß dieses Prinzip auch für das Abdichten einer Öffnung verwendet werden kann, durch welche ein bewegliches Teil, beispielsweise eine Welle, hindurchragt. Bei Anwendung dieses Prinzips müßte man nämlich erwarten, daß die Welle, insbesondere wenn sie längere Zeit nicht bewegt worden ist, in der Öffnung festsitzt , was dazu führen würde, daß eine weitere Drehbewegung der Welle unmöglich oder zumindest ernsthaft behindert wäre. Dadurch würde es gänzlich unmöglich, dieses Prinzip der Wellenabdichtung zu verwenden. Versuche mit Polymerisaten haben jedoch gezeigt, daß diese Nachteile vermieden werden können.

Dex~ Spalt zwischen der Welle und der Bohrung kann in mehreren Aus führung s formen ausgebildet werden. So ist es denkbar, daß die Bohrung aus zwei zylindrischen Teilen unterschiedlichen Durchmessers besteht', wodurch der Propfen an der Übergangsstelle vom größeren zum kleineren Durchmesser festsitzt. Man kann auch an die Verwendung einer Welle denken, die an der Stelle der Bohrung aus zwei Teilen ungleichen Durchmessers besteht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Bohrung oder die Welle anstelle der Bohrung konisch auszubilden.

Bevorzugt wird jedoch die Bohrung in Form einer Büchse angeordnet, die in der Wand befestigt ist. In diesem Fall nämlich kann der Spalt auf einfache Weise die erwünschte Form erhalten, indem die Büchse maschinell bearbeitet wird.

10Γ- ' ■?/ 1 524

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgeniäßen Dichtung besteht darin, daß der Spalt aus einem konvergenten und einem schraubenförmigen Teil besteht, der zwischen dem ersteren Teil und der Kamnierinnenseite liegt.

Bei dieser Ausführungsform sorgt der Schraubenteil des Spaltei für die vorstehend erwähnte hydrodynamische Abdichtung. Aus dieser Dichtung ausleckende Flüssigkeit strömt in den konver« genten Teil des Spaltes, wo sie abgekühlt wird, so daß sie fc sich verfestigt.

Die schraubenförmigen Aussparungen bzw. Nuten können in der Welle vorgesehen werden. Man bevorzugt jedoch die Verwendung einer Dichtung, bei welcher der Teil der Bohrung zwischen dem konvergenten Teil und der Kamnierinnenseite eine in der Wand befestigte Büchse ist, wobei die Innenseite der Büchse mit einer oder mehreren schraubenförmigen Aussparungen versehen ist. Bei dieser Ausführung wird eine glatte Welle verwendet.

Der konvergente und der schraubenförmige Teil des Spaltes können in ein und derselben Büchse, die in der Wand angeordnet wird, ausgebildet sein. Man bevorzugt jedoch, daß die Bohrung P zwei koaxiale hintereinander angeordnete Büchsen aufweist, von denen die eine zusammen mit der Welle den konvergenten Teil des Spaltes umschließt, während die andere mit der schraubenförmigen Aussparung bzw. mit den Aussparungen versehen ist.

Die für das Abkühlen der Flüssigkeit unter dem Verfestigungspunkt verwendete Einrichtung kann unterschiedlicher Art sein. Im einfachsten Fall, wo die Temperatm* des zweiten Mediums niedriger ist als die Verfestigungstemperatur des ersten Mediums (der Flüssigkeit), kann die Dichtung so angeordnet sein, daß der Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit in dem konverrenten Spalt und dem Medium außerhalb der Kammer ausreicht, um die Flüssigkeit zu verfestigen.

109832/1524

Jedoch wird im allgemeinen die Anwendung einer Zwangskühlung erforderlich sein. Eine besonders geeignete Ausführungsform der erfindungsgernäßen Dichtung besteht deshalb darin, daß der konvergente Teil des Spaltes von einer Rohrleitungsanordnung für den Transport eines Kühlmediums umgeben ist.

Die erfindungsgetiiäße Wellendichtung eignet sich besonders für die Ver\vendung bei Rotationsviskosimeter^ wenn beispielsweise die .Viskosität von Polymerisatströmen gemessen werden soll, sowie für die Verwendung bei Mischern für Polymerisate.

Anhand der beiliegenden Zeichnung werden bei^p"» eisweise Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 bis k zeigen verschiedene Ausführungsformeh des Spaltes in der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung.

Fig. 5 zeigt eine Dichtungsanordnung in einem Mischer.

Fig. 6 zeigt eine Mischungsanordnung in einem Rotationsviskosimeter.

Die in Fig. 1 gezeigte Welle 1 erstreckt sich durch eine Bohrung in einer Wand 2„

Die Wand trennt zwei Medien, von denen das eine auf der Seite der Wand eine unter Druck stehende Flüssigkeit ist. Das andere Medium befindet sich an der Seite 4. Die bohrung in der Wand weist zwei Teile 5 und 6 auf, wovon der Teil 5 einen größeren Durchmesser als der Teil 6 hat. Auf diese Weise verengt sich der Spalt 7 zwischen der Welle 1 und den Bohrungsteilen 5j 6 in Richtung von der Seite 3 zur Seite k. Wenn sich nun der Schlitz 7 mit Flüssigkeit, die sich auf der Seite 3 befindet, füllt und diese Flüssigkeit dort bis unter ihren Verfestigungspunkt abgekühlt wird, bildet sich ein Pfropfen, der einem

109832/1524

Lecken der Flüssigkeit entgegenwirkt. Der Pfropfen kommt gegen den Boden 8 der großen Bohrung 5 zum Anliegen, wodurch verhindert wird, daß er unter dem Einfluß des auf der Seite 3 herrschenden hohen Drucks herausgedrückt wird.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform verengt sich der Spalt 7 in Richtung von der Seite 3 zur Seite k allmählich. Um dies zu erreichen, gibt man der Bohrung 9 in der Wand 2 eine konische Form.

W Fig. 3 stellt eine Ausführungsform dar, bei welcher die Welle einen konischen Teil ic hat, der sich über die Länge der zylindrischen Bohrung 9 erstreckt, so daß hier ebenfalls ein konischer Spalt 7 erreicht wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 hat die Bohrung 9 wiederum die Form eines Zylinders. Die Welle 1 ist aus zwei Teilen 11 und 12 von nicht gleichförmigem Durchmesser zusammengesetzt, was dazu führt, daß der Spalt 7 sich wiederum in Richtung von der Seite 3 zur Seite 4 verengt.

Der in Fig. 5 gezeigte Mischer besteht aus einem Gehäuse 13 ^ mit Zuführungs- und Abführungskanälen l4 bzw. 15· Ein in dem Mischer zu homogenisierendes Polymerisat, im vorliegenden Fall Polyathylenterephthalat, wird über den Zuführungskanal lk der Mischkammer l6 zugeführt, in der ein nicht gezeigter Rührer angeordnet ist. Der Rührer wird durch eine Welle 1 angetrieben, die mit einer nicht gezeigten Antriebseinrichtung gekuppelt ist. Die Welle 1 wird von einer zylindrischen Büchse 17 gehaJ.-ten, die durch Schrauben l8 an einem Deckel 19 befestigt ist. Der Deckel 19 ist in einer Bohrung 2o durch Schrauben 21 befestigt.

An dem Teil der Welle 1, der sich in die Büchse 17 erstreckt, ist ein Gewinde 22 von rechteckigem Querschnitt ausgebildet.

109832/1524

Die Welle 1 hat auch einen leicht konischen Teil 23, der sich in die Büchse 17 erstreckt.

Auf diese Weise besteht der Spalt zwischen der Büchse 17 und der Welle 1 teilweise aus einem schraubenförmigen Teil 2k. und teilweise- aus einem konischen Teil 25«

Im Normalbetrieb wird Polymerisat mit einem Druck von loo atm und einer Temperatur von 275 C durch den Mischer geführt. Die Welle 1 dreht sich dann so, daß in dem Polymerisat in dem Spalt 2^lt ein Gegendruck aufgebaut wird, der das Auslecken des Polymerisats verhindert. Dieser Druck nimmt allmählich von rechts nach links zu.

Die Größe der gesamten Druckzunahme wird unter anderem durch die Viskosität der Flüssigkeit, durch die Geschwindigkeit und den Druchmesser der Welle, durch die Länge des Wellenteils, in dem das Gewinde 22 vorgesehen ist, sowie durch den Spalt links zwischen der Büchse 17 und dem Gewinde 22 bestimmt. Gibt man der hydrodynamischen Dichtung die richtigen Abmessungen, so ist gewährleistet, daß der Druckunterschied zwischen dem Polymerisat in dem Mischer und der Atmosphäre praktisch ohne Lecken aufrechterhalten werden kann.

Dies ist jedoch dann nicht der Fall, wenn die Welle 1 stationär ist, d. h. nicht bewegt wird, da in diesem Fall kein Gegendruck vorhanden ist. Das Polymerisat dringt nun über den schraubenförmigen Spalt 2k in den konischen Spalt 25 ein. Hier wird das Polymerisat unter seinen Verfestigungspunkt abgekühlt ,und bildet einen Dichtungspfropfen, der ein Lecken verhindert.

Es besteht keine Gefahr, daß die Welle jetzt festsitzt. Wenn sie sich nämlich wieder zu drehen beginnt, reicht die in dem konischen Spalt 25 erzeugte Reibungswärme aus, um den Pfropfen wenigstens teilweise zu schmelzen, so daß die Drehbewegung der. Welle nicht behindert wird. Bei Verwendung einer relativ dicken

-109832/1524

Welle kann es erforderlich sein, daß man das Schmelzen des Pfropfens dadurch begünstigt, daß man den Spalt, in dem sich der Pfropfen bildet, so dünn wie möglich macht, oder daß man beim Anlaufen zusätzlich heizt.

Bei dem in Fig. 6 gezeigten Rotationsviskosimeter wird veranschaulicht, wie die Antriebswelle durch das Gehäuse des Viskosimeters geführt ist.

Das Viskosimeter hat einen vertikalen zylindrischen Rotor 26, W der innerhalb eines ebenfalls zylindrischen Stators 27 angeordnet ist. Der Stator 27 wird von einem Außenmantel 28 umgeben. In der Kammer zwischen dem Stator 27 und dem Außenmantel 28 befindet sich eine Flüssigkeit, die dazu dient, das Meßgerät auf einer vorher festgelegten Temperatur zu halten. Im Stator 27 sind Leitungen 29» 3o vorgesehen, die für die Zufuhr bzw. Abführung einer Flüssigkeit dienen, deren Viskosität gemessen werden soll. Das Viskosimeter ist mit Hilft? von Flanschen 31, 32 in eine Flüssigkeitsleitung eingesetzt. Der Rotor 26 ist über eine Hohlwelle 33 mit einer Antriebswelle gekuppelt, die auf nicht gezeigte Weise angetrieben wird.

^ Die Welle 1 dreht sich in einer Büchse 34, deren Innenwand

ein Gewinde 35 aufweist. Die Büchse 34 sitzt in einem Deckel 36, der durch Schrauben 37 am Stator 27 befestigt ist. Am Deckel 36 ist eine weitere Büchse 39 durch Schrauben 38 befestigt. Die Büchse 39 hat einen nach oben zusammenlaufenden bzw. sich verengenden konischen Teil 4o, der über einen kurzen zylindrischen Teil 4l in einen längeren zylindrischen Teil 42 übergeht. Der längere Teil 42 ist mit einer Tropfrinne 43 verbunden, die an der Büchse 39 angebracht ist.

Der konische Teil 4o der Büchse 39 hat im Deckel 36 einen Ringkanal 44 für den Transport eines Kühlmediums. Das Kühlmedium wird über ein Verbindungsrohr 45 zugeführt und durch

109832/1524

ein nicht gezeigtes Rohr abgeführt. An der Büchse 34 mit dem Gewinde 35 hat der Deckel 36 einen zweiten Ringlcanal 46. Über eine Verbindung 47 nimmt dieser Ringkanal ein Heizmedium auf, welches ihn über eine Verbindung 48 verläßt.

Dem Viskosimeter wird ein Polyathylenterephthalats.trom zugeführt, dessen Druck 2oo atm und dessen Temperatur 275 C beträgt. Bei drehender Welle reicht der in dem Schraubenspalt 24 aufgebaute Gegendruck aus, um ein Lecken des Polymerisats aus dem Viskosimeter zu verhindern. Die Gefahr der Verfestigung von Polymerisat in dem Spalt 24 wird durch das durch den Ringlcanal 46 strömende Heizmedium beseitigt.

Wenn die Welle ruht, ist das in den konischen Spalt 25 eintretende Polymerisat dem Einfluß des durch den Ri'ngkanal 44 strömenden Kühlmediums ausgesetzt und wird unter seinen Verfest igung spunkt abgekühlt. Dadurch bildet sich in dem Spalt 25· ein Pfropfen, der infolge der konischen Form der Büchse 39 nicht herausgedrückt werden kann. Das bedeutet, daß die ganze Anlage, in welche das Viskosimeter eingesetzt ist, in Betrieb bleiben kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß das unter hohem Druck stehende Polymerisat herausgedrückt wird. Wenn das Viskosimeter nach einem Stillstand wieder anlaufen soll, muß bei unterbrochener Heizmediumzufuhr zuerst dieses Medium wieder zugeführt werden, um das Polymerisat in dem Gewinde 35 zu schmelzen.

Wenn sich die Welle zu drehen beginnt, ist die sich durch Reibung in dem konischen Spalt 25 entwickelnde Wärmemenge so groß, daß wenigstens eine dünne Schicht des Polymerisatpfropfens verflüssigt wird. Diese dünne Schicht dürfte der Teil des Pfropfens sein, der sich in nächster Nähe der Welle 1 befindet. Nachdem diese Schicht somit in ausreichendem Maße geschmolzen ist, kann sich die Welle wieder frei drehen. Das Abschmelzen des

109832/1524

- Io -

Polymerisatpfropfens wird dadurch begünstigt, daß die Kühlraediumzufuhr zu dem Ringkanal kk zeitweise unterbrochen wird.

Die Konizität des Spaltes 25 ist kein kritischer Faktor, es muß jedoch gewährleistet sein, daß das Polymerisat ausreichend gekühlt werden kann, um es zu verfestigen. Es ist deshalb zweckmäßig, daß bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform, wo die Abkühlung des Polymerisats in dem Spalt von außen nach innen erfolgt, die Konizität des Spaltes nur gering ist und näherungsweise 3 beträgt.

Die Tropf rinne ¹L^ di3i·. ι zur Sammlung von Polymerisat, das unter irgendwelchen Umständen austreten könnte.

- Patentansprüche -

109832/152A

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1,J Dichtung für eine Welle, die sich durch eine Bohrung in einer Wand einer Kammer erstreckt, welche eine Flüssigkeit enthält, die unter höherem Druck steht als das Medium außerhalb der Kammer, insbesondere für Rotationsviskosimeter zur Bestimmung der Viskosität von Polymerisatströmen sowie für Polymerisatmischer, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (7> 24, 25) zwischen der Bohrung (5, 6, 9, 17, 34, 39) und der Welle (l) über ' wenigstens einen Teil seiner Länge nach außen gerichtet konvergent ist, und daß eine Einrichtung (44) zum Abkühlen der* Flüssigkeit unter ihren Verfestigungspunkt in dem konvergierenden Teil des Spaltes (7, 24, 25) vorgesehen ist.
2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung eine in der Wand angeordnete Büchse (17» 34, 39) ist.
3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Spalt (24, 25) aus einem sich vereingenden Teil M (23, 4o) und einem schraubenförmigen Teil (22, 35) besteht, der zwischen dem ersteren Teil und der Innenseite der Kammer angeordnet ist.
4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Bohrung zwischen dem sich verengenden Teil und der Kammerinnenseite eine in der Wand angeordnete

Büchse (34) ist, deren Innenseite eine oder mehrere ', schraubenförmige Aussparungen (35) aufweist.

109832/1524

21023R9
5· Dichtung nach Anspi'uch k_t dadurch gekennzeichnet,
daß die Bohrung zwei koaxiale Büchsen (3^» 39)
hintereinander angeordnet aufweist, wovon die eine (39) zusammen mit der Welle (l) den sich verengenden Teil (4o) des Spaltes (25) umschließt, während die andere (3^±) eine schraubenförmige Auisijparung
oder Aussparungen (35) aufweist.
6. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der sich verengende
Teil (4o) der Pn^ltes (25) von einer Rohrleitungsanordnung (4A) für den Transport eines Kühlmediums umgeben ist.

1 0 C :'? /15 2