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Dichtungsanordnung zum Abdichten von relativ zueinander bewegten
Maschinenteilen bei hohen Drücken Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung
zum Abdichten von relativ zueinander bewegten Maschinenteilen bei hohen Drücken,
mit mindestens zwei hintereinander angeordneten Dichtstellen zwischen dem Hochdruckbereich
und einem Niederdruckbereich oder der Atmosphäre, wobei die hochdruckseitige Dichtstelle
eine zur Einstellung des Dichtspaltes nachstellbare Dichtung aufweist0
Es
ist bereits bekannt, mehrere Dichtungen hintereinander anzuordnen. Auch ist bekannt,
eine Dichtung so anzuordnen und auszubilden, daß der Hochdruck, den es abzudichten
gilt, die Dichtung beaufschlagt und den Anpreßdruck der Dichtung gegen die abzudichtende
Fläche erhöht.
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Dichtungen, bei denen die Abdichtung abhängig vom abzudichtenden Druck
gesteuert ist, arbeiten zufriedenstellend, solange bei einer bestimmten Relativgeschwindigkeit
der bewegten Maschinenteile ein spezifischer Grenzdruck auf die Dichtung nicht überschritten
wird.
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Dieser Grenzdruck hängt vom Material und der Formgebung der Dichtung
und von der Art der Flüssigkeit, gegen welche abgedichtet werden muß, ab. Der druckabhängigen
Dichtungspressung wirkt der hydrodynamische Schmierfilmdruck zwischen der Dichtung
und der bewegten Maschinenfläche entgegen, der sich in Abhängigkeit von der Viskosität
des Schmiermittels und der Relativgeschwindigkeit zwischen Dichtung und Maschinenfläche
aufbaut, Überwiegt nun der Dichtungsdruck über den Schmierfilmdruck, reißt der Scnmierfilm
ab und es herrscht trockene Reibung mit entsprechendg Erwärmung der Dichtung und
den bekannten schädlichen Folgen Überwiegt dagegen der Schmierfilmdruck, wird die
Dichtung unwirksam und es entsteht ein Leckstrom zwischen den relativ zueinander
bewegten Teilen. Jede der herkömmlichen Dichtungen muß also an den Anwendungsfall
angepaßt sein, wenn sie zuverlässig arbeiten
soll. Auch die vom
abzudichtenden Druck beaufschlagten Dichtungen, deren Dichtwirkunz also druckabhängig
gesteuert ist, können nur in einem relativ engen Druckbereich zuverlässig unc ohne
übennäßigen Verschließ arbeiten0 Der :rfindlLng liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Dichtung für relativ zueinander bewegte Maschinenteile, beispielsweise Kolbenstangen
oder ellen, zu schaffen, bei welcher die Dichtpressung in Abhängigkeit von den für
die Dichtung wesentlichen Verhältnissen im Dichtspalt geregelt ist.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Dichtungsanordnung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen den beiden Dichtstellen
ein Regeldruckraum ausgebildet ist, der über den Dichtspalt der einen Dichtstelle
mit der Hochdruckseite und über den Dichtspalt der anderen Dichtstelle mit der Niederdruckseite
Verbindung hat und teilweise durch ein auf die hochdruckseitige Dichtung im Sinne
einer Dichtspaltverstellung einwirkendes Stellglied begrenzt ist. Zum Abdichten
sehr hoher Drücke kann die Dichtungsanordnung auch in Form einer Dichtungskaskade
ausgebildet sein und mehr als zwei hintereinanderliegende Dichtstellen aufweisen,
wobei zwischen allen Dichtstellen jeweils ein gesonderter, teilweise durch ein Stellglied
begrenzter Regeldruckraum ausgebildet ist.
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Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtungsanordnung wird der
Dichtungsdruck nicht durch die Beaufschlagung der Dichtung mit dem Hochdruck in
Abhängigkeit von dem abzudichtenden Druck gesteuert, sondern es wird eine echte
selbsttätige Regelung des Dichtdruckes in Abhängigkeit von der Dichtspalthöhe und
vom für die Abdichtung wesentlichen Schmierfilmdruck im Dichtungsspalt erzielt,
Der Regeldruck, der sich hinter der Dichtung aufbaut und die Belastung des auf die
Dichtung im Sinne einer Dichtspaltverstellung einwirkenden Stellgliedes bestimmt,
hängt nämlich von den Verhältnissen im Dichtspalt abO Ist die Dichtungspressung
zu gering und wird dementsprechend der Dichtungsspalt zu groß, gelangt viel Leckflüssigkeit
in den Regelraum und läßt dort den Regeldruck ansteigen.
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Ein Ansteigen des Regeidruckes bewirkt eine Erhöhung der Dichtungspressung
und damit eine entsprechende Reduzierung des Dichtspaltes und somit des Leckstromes.
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Wird die Dichtungspressung zu hoch, baut der Regeldruck im Regelraum
über die niederdruckseitige Dichtstelle ab, und die Dichtungspressung läßt entsprechend
wieder nach. Auf diese Weise wird die Dichtungspressung immer auf den für die entsprechende
Dichtung und den momentan abzudichtenden Druck optimalen Wert geregelt.
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Die Dichtungsanordnung eignet sich sowohl für die Abdichtung von Maschinenteilen,
deren Relativbewegung in einer Axialbewegung besteht, wie beispielsweise für Kolbenstangen,
als auch für die Abdichtung rotierender Teile, also für die Abdichtung von Wellen.
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Das Stellglied kann vorteilhafterweise als in einer Ringkammer eines
der gegeneinander abzudichtenden Teile axial verschiebbar gelagerter Ringkolben
ausgebildet sein, der die Ringkammer in den Regelraum und in einen druckentlasteten
Kammerbereich unterteilt und mit seiner Rückseite teilweise an der hochdruckseitigen
Dichtung anliegt und teilweise den druckentlasteten Kammerbereich begrenzt. Der
Ringkolben kann zweckmäßig eine Ringdichtung tragen, mit welcher der Regelraum gegenüber
dem drucklosen Kammerteil abgedichtet wird.
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Die Querschnittsform und der Aufbau der hochdruckseitigen Dichtung
der Dichtungsanordnung kann unterschiedlich sein, wobei lediglich sichergestellt
sein muß daß zunehmender Druck des Stellgliedes eine Bewegung oder Verformung der
Dichtung im Sinne einer Dichtspaltverengung bewirkt. Vorteilhafterweise kann mindestens
einer der relativ bewegten und gegeneinander abzudichtenden Maschinenteile zur Aufnahme
der
Dichtungen an den Dichtstellen Ausnehmungen oder Abstufungen aufweisen, die radial
durch Kegelflächen begrenzt sind, so daß sie in Richtung auf das Stellglied erweitert
sind. Bei solchen Dichtungen läßt sich der Druckverlauf über die Länge des Dichtspaltes
besonders günstig beeinflussen. Die Art des verwendeten Dichtmaterials richtet sich
nach den Abmessungen der abzudichtenden Teile, den aii ?tretnden Drücken und der
Art des Mediums. Es können Dichtungen sowohl aus elastisch verformbarem Material
als auch aus plastisch verformbarem 1--laterial Verwendung finden. Es können profilierte
Dichtungskörper aus Kunststoff oder Metall oder Dichtungspackungen sein.
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Das Stellglied und die von ihm beeinflußte hochdruckseitige Dichtung
können auch miteinander verbunden sein, beispielsweise auch einstückig aus elastischem
Material geformt sein. Es ist aber auch möglich, das Stellglied, die hochdruckseitige
und die niederdruckseitige Dichtung als einstückigen Körper aus einem elastisch
verformbaren Material zu fertigen, in welchen der Regelraum eingeformt und über
einen Spalt oder mehrere Kanäle nach der Dichtspaltseite des Körpers hin geöffnet
ist. Zweckmäßig kann bei dieser Ausführungsform
der Dichtungsanordnung
der gemeinsame Stellglied-und Dichtungskörper abschnittsweise mittels starrer Ansatz-
oder Einsatzteile versteift sein.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des ErfIndungsgegenstandes
anhand der beiliegenden, mehr oder weniger schematischen Zeichnung näher erläutert.
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Im einzelnen zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Nutringdichtung
zur Erläuterung der Wirkungsweise bekannter druckgesteuerter Dichtungen; Fig. 2
einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Dichtungsanordnung; Fig. 3 eine Darstellung des Druckverlaufs im Regelraum einer
erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtungsanordnung für einen Pumpenkolben;
Fig0
4 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Dichtungsanordnung
in Kaskadenform; Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform mit einem
einstückigen Stellglied- und Dichtungskörper.
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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine bekannte Nutringdichtung, die
eine Abdichtung zwischen einer rotierenden Welle oder einer axial verschiebbaren
Kolbenstange 10 und einem stationären Lagerteil 11 bei wechselndem Hochdruck PH
auf der einen Seite und Atmosphärendruck p = 0 auf der anderen Seite bewirken soll.
Die Dichtung besteht aus einem Dichtring 12,der in eine Ringausnehmung des Lagerteiles
11 gegen Axialverschiebung gesichert eingesetzt ist und mit seiner Innenmantelfläche
13 den Dichtspalt 14 an der bewegten Kolbenstange 10 begrenzt0 Der Dichtring 12
ist auf der Hochdruckseite mit einer Nut 15 versehen, die eine Stelldruckkammer
bildet, in welcher der wechselnde Hochdruck PH voll wirksam wird, wie durch die
Pfeile 16 angedeutet ist. Der in der Ringnut 15 wirksame Druck beeinflußt die Anpressung
der Dichtfläche 13 gegen die Oberfläche der bewegten Kolbenstange 10, so daß
der
Dichtdruck der Dichtung abhängig vom Hochdruck gesteuert ist. Die Grenzen und Nachteile
dieser Dichtungen sind eingangs erwähnt worden.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Dichtungsanordnung mit
geregelter Dichtungswirkung. Die Dichtungsanordnung dient zur Abdichtung einer Welle
oder eines axial bewegten Kolbens 20 gegenüber einem Lagergehäuse oder Zylinder
21o Die Dichtungsanordnung weist zwei hintereinander angeordnete Dichtstellen auf,
wobei die hochdruckseitige Dichtstelle durch einen Dichtungsring 22 und die niederdruckseitige
Dichtstelle durch einen Dichtungsring 23 gebildet ist. Zwischen den beiden Dichtringen
22 und 23 ist in der Zylinderwandung eine Ringkammer ausgebildet, in welcher ein
Ringkolben 24 als Stellglied axialverschiebbar anordnet ist. Der Ringkolben 24 liegt
mit einem inneren Buchsenteil 25 am hochdruckseitigen Dichtring 22 an und teilt
die Ringkammer in einen Regelraum 26 und in einen Kammerteil 27, der über einen
Kanal 28 entlastet ist0 Der Regelraum 26 ist gegenüber dem entlasteten Kammerteil
27 durch einen im Ringkolben 24 gelagerten Dichtring 29 abgedichtet.
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Vor dem Dichtungsring 22 herrscht ein Druck PH mit z03.
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über dem Hub des Kolbens 20 wechselnder Stärke, Hinter
dem
Dichtungsring 23 befindet sich ein druckloser Bereich mit p = 0 oder ein Niederdruckbereich.
Der Regelraum 26 steht über den Dichtspalt 30 des hochdruckseitigen Dichtringes
22 mit dem Hochdruckraum und über den Dichtspalt 31 des niederdruckseitigen Dichtringes
23 mit dem druckfreien Bereich oder einem Niederdruckbereich in Verbindung, uber
den Dichtspalt 30 des Dichtringes 22 baut sich im eelraum 26 ein Regeldruck pR auf,
der über den ganzen Regelbereich nur einen Bruchteil des Hochdruckes Pti beträgt.
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Die Wirkungsweise der Dichtungsanordnung ist olgende: Beim Anlaufen
der Pumpe, zu welcher der Kolben 20 gehör-t, ist der Regelraum 26 im allgemeinen
drucklos und der Ringkolben 24 bewirkt keine Vorspannung des Dichtringes 22, sofern
nicht der Ringkolben unter einer Federvorspannung steht. Beim Druckhub des Kolbens
gelangt durch den Dichtspalt 30 des Dichtungsringes 22 Druckflüssigkeit in den r.egelraun
26 und bewirkt dort den Aufbau eines Regeldruckes pR, der auf den Ringkolben 24
einwirkt, der auf den Dichtring 22 drückt und ihn verformt, so daß eine Verengung
des Dichtspaltes 30 eintritt. Die Folge davon ist, daß gemäß dem Kurvenverlauf der
Fig. 3, die ein Diagramm zeigt, in welchem der Regeldruck pR uber der Zeit aufgetragen
ist, der Regeldruck auf einem Wert
stehenbleibt, also eingeregelt
ist. Wenn im Zeitpunkt t1 der Druckhub des Kolbens 20 beendet ist und der Saughub
des Kolbens beginnt, baut sich der Regeldruck über die Dichtspalte 30 und 31 bis
auf einen Restwert Prg ab, um dann im Zeitpunkt t2, mit dem Beginn des nächsten
Druckhubs des Kolbens 20, wieder anzusteigen. Sin großer Vorteil der Dichtungsanordnung
liegt darin begründet, daß im Regelraum 26 ein Restregeldruck pRN verbleibt, weil
dadurch bei Saugpumpen verhindert wird, daß Luz oder andere Gase in die Förderflüssigkeit
und die Dichtapalte 30 und 31 eintreten und dort Kavitationsschäden verursachen.
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rig. 4 zeigt eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung bei sehr hohen
Drücken, beispielsweise an einer Welle 40.
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Die Dichtungsanordnung weist drei hintereinander angeordnete Ringdichtungen
43, 44 und 45 auf, von denen die beiden Ringdichtungen 43 und 44 jeweils durch einen
Ringkolben 46 oder 47 beaufschlagt sind. Bei dieser Kaskadendichtung ist also sowohl
hinter der ersten hochdruckseitigen Dichtung 43 als auch hinter der nächsten Dichtung
44 ein Regeldruckraum 48 oder 49 ausgebildet, in welchem sich in der vorstehend
beschriebenen Weise ein Regeldruck PR1 und PR2 aufbaut und die durch die Ringkolben
46 und 47 bewirkte Pressung der Ringdichtungen 43 und 44 geregelt wird.
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Der Regeldruck PR1 beträgt einen Bruchteil des
Hochdruckes
PH, der Regeldruck pR2 einen Bruchteil des Regeldrucks PR1. Beide Ringkolben 46
und 47 sind mit Dichtringen 50 und 51 zur Erzielung einer Abdichtung der Regeldruckräume
48 und 49 gegenüber den druckentlasteten Kammerbereichen 41, 42 auf der Rückseite
der Ringkolben versehen. Die Ringdichtungen 43, 44 weisen einen keilförmigen Querschnitt
auf und stützen sich an konischen BegrenzungsfLächen 52, 53 des stationären Lagerteils
54 abO Dadurch wird auf optimale Weise der Axialdruck der Ringkolben 46 und 47,
also der Stellglieder der Regeleinrichtung, in eine radiale Dichtpressung der druckseitigen
Dichtringe 43 und 44 verwandelt.
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Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Dichtungsanordnung, die
einen einstückig aus Dichtungsmaterial gefertigten Stellglied- und Dichtungskörper
60 aufweist, der in einer gestuften und über eine Leitung 61 entlasteten Ringausnehmung
62 eines Lagerkörpers 63 als Ringkörper angeordnet ist. Der kombinierte Körper 60
bildet mit dem Buchsenteil 64 die erste und hochdruckseitige Dichtstelle und mit
dem Buchsenteil 65 die niederdruckseitige Dichtstelle0 Zwischen den beiden Dichtstellen
ist in den Körper eine ringförmige Regeldruckkammer 66 eingeformt, die über den
Ringspalt 67
Verbindung mit dem hochdruckseitigen und mit dem niederdruckseitigen
Dichtspalt 68 bzw. 69 der Dichtungsanordnung hat0 Die Querschnittsform des kombinierten
Körpers 60 ist so gewählt, daß ein im Regeldruckraum 66 herrschender Druck eine
Anpressung des Buchsenteiles 64 gegen eine abzudichtende Welle 70 oder eine abzudichtende
Kolbenstange bewirkt.
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Durch Einsatzteile 71 oder Ansatzteile aus starrem Material ist der
kombinierte Ringkörper 60 an denjenigen Stellen verstärkt, an welchen keine elastische
Verformung des Körpers angestrebt wird. Gleichzeitig wird durch den Regeldruck in
der Regeldruckkammer 66 auch eine gewisse Anpressung des niederdruckseitigen Buchsenteils
65 an die Welle 70 bewirkt.