DE2559667C3 - Flüssigkeitsringdichtung für strömende Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsringdichtung für strömende Medien zur Abdichtung des Spaltes zwischen einer Welle und einer von dieser durchsetzten Wand, welche zwei Druckräume voneinander trennt und einen Ringraum für den Flüssigkeitsring sowie ein an der Welle befestigtes Rotorteil aufweist, das im Halbquerschnitt etwa die Form eines zur Welle hin offenen U hat sowie einen Hohlraum begrenzt und dessen einer Schenkel im Abstand von der Welle zur Bildung einer etwa ringförmigen Öffnung endet, in die ein von der Wand ausgehender stationärer Stutzen mit einem in den Hohlraum einigenden Ablenkorgan eingreift.

ίο Bei einer Dichtung dieser Art zum Einsatz in Zentrifugalpumpen mit Dichtflüssigkeit nach der FR-PS 3 71719 bietet das Rotortsil zwei von einem querschnittlich etwa ein T darstellenden Läufer getrennte Hohlräume an, die miteinander durch eine Ventilöffnung kommunizierend verbunden sind und zwischen sich einen axialen Fluß der Dichtflüssigkeit erzeugen sollen; die Höhe der von der Dichtflüssigkeit in beiden Hohlräumen erzeugten Ringe bleibt unterschiedlich, an die Dichtflüssigkeit stößt reibungsfordernd das Ablenkorgan.

Bisher bekannte Fluidringdichtungen sind insbesondere dann nicht einsatzfähig, wenn an der Wellendichtung eine sehr geringe sogenannte Leckage gefordert wird; vor allem bei hohen Wellenumlaufgeschwindigkeiten treten erhebliche Austritte von Fluid bzw. Flüssigkeit auf, die im übrigen bei allen bekannten Wellendichtungsarten bisher bekannter Ausführungsformen ".vährend des Betriebes beobachtet werden können, vor allem bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten — selbst dann, wenn das dynamische Dichtungselement nicht bis zur vollen Dichtungskapazität ausgelastet ist. Für das Auftreten dieser vorzeitigen »leichten« Leckagen sind neben der Geometrie des Dichtungsmechanismus der Wellendichtung hauptsächlich deren Umfangsgeschwindigkeit und die Fließeigenschaft des benutzten Strömungs- oder Dichtungsmediums verantwortlich.

So weist beispielsweise eine durch die DE-PS 5 40 033 beschriebene Flüssigkeitsdichtung einen Hohlraum mit in diesen einragender stehender Scheibe auf, durch welche erfahrungsgemäß der entstehende Flüssigkeitsring durchschnitten und gestört wird; es bilden sich zwei Flüssigkeitsringteile heraus, die sowohl von stehenden als auch von bewegten Flächen begrenzt sind. Die Umfangsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsringes wird durch die Reibungswirkung zumindest an den stehenden benetzten Flächen etwa um die Hälfte vermindert. Aufgrund der Strömungsverhältnisse an den stationären benetzten Flächen ergeben sich bei derartigen Dichtungen Leckagen an der inneren Oberfläche des rotierenden Flüssigkeitsringes.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt eine Flüssigkeitsringdichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die einen praktisch leckagefreien Betrieb selbst bei extrem hohen Wellenumfangsgcschwindigkeiten gewährleistet und nahezu keine Abnutzungserscheinungen an den für die Abdichtung verantwortlichen Teilen während des Betriebes erleidet. Es soll eine extrem hohe Lebensdauer der dynamischen Dichtelemente im Betrieb erreicht werden sowie eine Unabhängigkeit von der Lubrizität der abzudichtenden Medien.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt eine Flüssigkeitsringdichtung, deren Hohlraum durch wenigstens eine in

b^r, Hnem radial äußeren Bereich vorgesehene Öffnung mit icm Ringraum verbunden ist und deren Stutzen als Ablenkorgan wenigstens eine Slufung mit etwa radialer Stufenfront und/oder zumindest eine teilweise in den

Hohlraum einragende, zum Flüssigkeitsring in Abstand stehende Radialscheibe oder Ringzunge aufweist. Dabei soll der maximale Radius des radialen Ablenkorgans kürzer sein als der Innenradius des Flüssigkeitsringes, um diesen nicht zu stören und ihn lediglich mit rotierenden Flächen in Berührung zu haken.

Dank der Öffnungen oder Bohrungen im radial äußeren Bereich, deren Durchflußfläche bevorzugtermaßen zur Gewährleistung eines proportionalen Abflusses entsprechend den Zuflußflächen oder -mengen zum Hohlraum ausgelegt werden soll, kann ein Teil des strömenden Mediums — beispielsweise einer Sperrflüssigkeit für Gase od. dg). — aus den Hohlraum wieder dem vor der Dichtung liegenden Druckraum höheren Druckes zugeführt werden.

Durch die US-PS 37 65 688 sind zwar Bohrungen in den Hüllwänden drehender Ringhohlräume bekannt, jedoch dienen diese Bohrungen nicht zur Rückführung von Leckagen.

Bei dem Erfindungsgegenstand handelt es sich im wesentlichen um eine berührungsfreie dynamische Wellendichtung mit einem rotierenden Hohlraum, in welchen ein etwa zylindrisches Statorelement, nämlich der Stutzen mit seinen Ablenkorganen, berührungsfrei eingeschachtelt ist; in den Hohlraum eindringende Leckage wird von diesem Statorelement erfindungsgemäß in einer Weise umgelenkt, daß sie ausschließlich mit rotierenden Flächen des Hohlraumes in Berührung kommt und dabei durch jene Öffnungen oder Bohrungen in den Hohlraumwänden wieder den letztere umgebenden Spalträumen zugepumpt wird.

Um die Pumpwirkung der benetzten Außenflächen und der Innenflächen des hohlen ringförmigen Rotorteils zu verbessern, können im Rahmen der Erfindung Rotorteil und die dieses umgebende Wand mit pumpfähiger Geometrie und/oder entsprechenden Einsätzen versehen werden, welche die Pumpwirkung und die Rezirku'ation der Leckage entscheidend verbessern.

So hat es sich als günstig erwiesen, im Hohlraum etwa wellenradiale Ringlamellen, Pumpscheiben oder entsprechende Segmente mit Zwischenräumen vorzusehen und letztere miteinander sowie mit einem wellenfernen Flüssigkeitsraum außerhalb des Rotorteiies durch nahe ihres Ringrandes angeordnete Durchbrüche zum gegebenenfalls stufenweisen Ableiten radial abgelenkter Leckage zu versehen. Jene Pumpscheibensegmente können als Fliehkraftgewichte zum Abheben von rotierenden Dichtungselementen benutzt werden, die mit der Dichtung integriert sind.

Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, daß im Hohlraum des Rotorteiles, gegebenenfalls in die Zwischenräume der Ringlamellen oder Pumpscheiben, Einlagen in Form durchlässiger Geweberinge oder Drahtelemente eingelegt werden, durch welche die Zentrifugalkraft Flüssigkeit hindurchdrückt, die aber anderseits das Rückfließen der Flüssigkeit weitgehend verhindern.

Den Ringlamellen, Pumpscheiben oder entsprechenden Segmenten ist wenigsten" eine schulterartige bo Abstufung oder eine umlaufende Kingnut der Wand bzw. des Statorteils zugeordnet, welche die Flüssigkeit zu den rotierenden Flächen leitet. Diese Abstufungen werden am Stutzen angebracht sein, der dazu in von der Welle steigenden Radien gestuft wird. Als zusätzliche strömungshemmende Elemente können auch an diesem Stutzen mehrere Rillen od. dgl hintereinander vorgesehen werden.

Im Rahmen der Erfindung liegt, daß dem Stutzen ein etwa paralleles Ansatzorgan bzw. ein sogenannter Abstreifring am kurzen U-Schenkel des Rotorteils zugeordnet und jener mit Ausnehmungen versehen ist. Letztere können tangential angeordnet sein. Im Abstreifring oder Ansatzorgan entlang laufende Flüssigkeitspartikel werden am Rande dieser Ausnehmungen von der Welle abgestreift und abgelenkt, bevor sie in den Hohlraum des Rotors gelangen können.

Auch hat es sich als günstig erwiesen, daß dem Hohlraum wenigstens ein wandseitiges Diffusorelement zur automatischen Überführung von Dichtflüssigkeit etwa vom Außendurchmesser des Rotorteils unter Druck durch Ausnehmungen zu einem radial nach innen um die Welle angeordneten Spalt zugeordnet ist.

Dii erfindungsgemäße Konstruktion der Dichtung hat eine besondere Wirkung auf die Ausbildung der Sekundärströmungen innerhalb des Flüssigkeitsringes im Hohlraum des Rotorteiles, die sich deutlich von den sekundären Strömungserscheinungen in den zwischen Stator- und Rotoraußenflächen vorhandenen Spalträumen unterscheidet. Die Tatsache, daß bei leckagefreiem Betrieb der Flüssigkeitsring im Hohlraum nur rotierende Flächen benetzt und mit stationären Flächen nicht in Berührung kommt, verhindert das Entstehen radialer. zur Rotationsachse nach innen hin gerichteter Sekundärströmungen entlang den benetzten Begrenzungswandungen. Statt deren bilden sich entlang den benetzten Oberflächen der rotierenden Teile im Hohlraum Sekuiidärströme, die nur von der Rotationsachse weg nach auswärts gerichtet sind. Ein Ausbrechen energiearmer Fluidteile der Sekundärströmung ist im Flüssigkeitsring des Hohlraumes nicht mehr möglich, sie wird verhindert durch die Einwirkung der Fliehkraft.

Durch den Einbau des erfindungswesentlichen Diffusorringelementes wird automatisch die Rezirkulation der Leckage kontrolliert und das Dichtungsverhalten der dynamischen Dichtung während der Wcllenrot-uion verbessert; es ist nunmehr eine automatische Füllung der Dichtung möglich, darüber hinaus kann die Dichtwirkung durch teilweise Ausnutzung des dynamischen Druckanteils gegen Druckunterschiedc verbessert werden. Die aktive Zirkulation der Dichtflüssigkeit erlaubt auch den Einsatz im Bereich sehr hoher Umfangsgeschwindigkeiten. Neben der Dichtungswirkung während des dynamischen Betriebes können durch die Pumpwirkung im rotierenden Hohlraum die Schmiermittel der Wcllenlagerung zu einem Schmierstoffsumpf zurückgeführt oder durch einen Schmierstoffkühler rezirkuliert werden. Hierbei ist an die Dichtung mittels einer Leitung ein Sammeltank zur Aufnahme zurückgeführter Schmier- und/oder Sperr- und/oder Kühlflüssigkeit angeschlossen.

Die beschriebene leckagefreie Wellendichtung kann in geschickter Kombination mit Leckage gedrosselten Spaltringdichtungen auch überall dort Anwendung finden, wo Leckage des Arbeitsmediums oder des Schmiermittels aus druckhohen Räumen nach druckniedrigen Räumen entlang eine rotierenden Welle vermindert werden muß, beispielsweise entlang einer Pumpenwelle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausf'ihrungsbcispiele beschrieben, die in der Zeichnung wiedergegeben sind. Diese zeigt in

F i g. 1 den Längsschnitt durch eine Kreiselpumpe mit einer Wellendichtung;

F i g. 2 einen Tcillängsschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Wellendichtung;

F i g. 3 den Teilquerschnitt durch F i g. 2 nach deren Linie IH-III:

F i g. 4 den Teilquerschnitt durch F i g. 2 nach deren Linie IV-IV;

F i g. 5 bis I g. 11 jeweils in der Darstellung einander entsprechende schematisierte Längsschnitte durch verschiedene Ausführungsbeispicle der Wellendichtung;

Fi g. 12 den teilweise geschnittenen Aufriß durch eine von der Welle gelöste Dichtung;

Fig. 13 eine Schrägsicht auf die hier teilweise wiedergegebene Wellendichtung nach Fig. 12;

F i g. 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Weilendichtung im schematisierten Längsschnitt;

Fig. 15 den Schnitt durch ein Einbaubeispiel mit gegenüber den voraufgehenden Fig. verkleinerten Wellendichtung.

Eine Kreiselpumpe 100 mit Saugstutzen 99 und Druckstutzen 98 weist in dem auf ihrer Pumpenwelle 101 sitzenden Laufrad 102 wellenparallele Bohrungen 103 auf; durch diese gelangt der größte Teil von am Umfang 104 des Laufrades 102 austretender Flüssigkeit — welche unter Druckabfall über einen radialen Drosselspalt 105 in den Pumpraum 106 geflossen ist — als gedrosselte Leckage zurück in den Niederdruckbereich 107 am Laufradeintritt 108 der Kreiselpumpe 100.

Der andere Teil der Leckage tritt vom Pumpenraum 106 in einen axialen Drosselspalt 109. der mit kontaktfreien Gewinde-Dichtungsringen 110 versehen sein kann, um die Leckage gering zu halten und weiteren Druckabfall zu bewirken. Dem Drosselspalt 109 folgt ein die Welle 101 umgebender Ringraum 111, in dem eine Wellendichtung 10 installiert ist. Durch den axialen Drosselspalt 109 aus dem Pumpraum 106 austretende Leckage wird dank der besonderen Ausgestaltung der Wellendichtung 10 in den Pumpraum 106 zurückgedrückt und von dort ebenfalls durch die Bohrung 103 zum Niederdruckbereich 107 der Kreiselpumpe 100 geführt; die Wellendichtung 10 verhindert jegliche Leckage nach außen — Bereich 112 — entlang der Pumpenwelle 101. Ein Rückschlagventil 113 verhindert unbeabsichtigtes Rückströmen der Flüssigkeit vom Pumpraum 106 zur Wellendichtung 10.

Die Pumpwirkung kann noch erhöht werden, indem man die Außenseite der Wellendichtung 10 und der diese umgebenden stehenden Statorteile Sder Kreiselpumpe 100 mit pumpgünstiger Geometrie konstruiert, beispielsweise als Seitenkanalpumpe.

Die Wellendichtung 10 weist einen an der Wellt 101 festliegenden Dichtungsrotor R auf. der mit einer scheibenförmigen Stirnwand i, einem an deren Umfangskante anschließenden, der Wellenachse A parallelen Firstring 2 und einer der Stirnwand 1 parallelen Scheibenwand 3 einen Hohlraum 87 einschließt; der durch die Wellenachse A in F i g. 1 begrenzte Halbquerschnitt durch den Dichtungsrotor R zeigt, dessen etwa U-förmige Gestalt mit einem von der Scheibenwand 3 gebildeten kürzeren Schenkel, an den im gewählten Ausführungsbeispiel ein etwa wellenparalleler Ringarm 4 angesetzt ist. Den von letzterem und der Welle 101 gebildeten Spalt 5 der Spaltweite q durchsetzt ein ebenfalls wellenparalleler Stutzen 6 mit endwärtiger Radialscheibe 7 — beides Teile des den Ringraum 111 umgebenden Stators S.

Oberhalb der Radialscheibe 7 sind im Hohlraum 87 wechselnd Lamellenringe 8 und Distanzringe 8_r so angeordnet, daß die Lamellenringe 8 Zwischenräume 9 erzeugen; diese werden miteinander durch in F i g. 3 erkennbare Ausnehmungen 11 der Lamellenringe verbunden. Bohrungen 12 führen aus dem — in Fig. linken — statornächsten Zwischenraum 9 in den dor zwischen Dichtungsrotor R und Stator 5 erkennbarer Radialspalt oder Spaltraum 13.

Bei dem in F i g. 2 wiedergegebenen Ausführungsbei spiel einer Wellendichtung 10_a sind Stirnwand 1 und Firstring 2 des Dichtungsrotors R mit der Welle 10 einstückig, die Scheibenwand wird von einem lösbaren schalenartigen Ringdeckel 3_a gebildet.

Der Dichtungsrotor R verursacht durch Reibung
und/oder besondere, an seiner Außensci.r angibrachte Pumpvorrichtungen, beispielsweise nicht dargestellte Flügel- oder Gewindenuten — mit einem flüssigen ode gasförmigen Dichtungsmedium 90 dessen Rotation in den etwa radialen Spalträumen 13 und 14 zwischen Dichtungsrotor R und Ringraumwand oder Stator S. Diese Spalträume 13 und 14 verbindet ein der Welle 10 parallelerQuerspalt 15 der Weite a.

Durch die Rotation des ringförmig die Welle 101 umgebenden Dichtungsmediums 90 in den Spalträumen 13 bis 15 wird an allen Medien- bzw. Flüssigkeitsteilchen eine Zentrifugalkraft wirksam, wobei sich auf beiden Seiten des hohlen Dichtungsrotors R ein etw; parabolisches Druckfeld aufbaut. Dieses kann mögli chen Druckunterschieden das Gleichgewicht halten, die zwischen den etwa wellenparallelen und zueinander gegenläufigen Fortsetzungen 16 bzw. 17 der Spalträume 13 bzw. 14 entstehen. Die Breite b des Wellenspaltes 17 ist in dem dargestellten Beispiel erheblich geringer als die Weite a der Spalträume 13,14,15.

Die primär dominierende Strömungsrichtung der rotierenden Dichtungsflüssigkeit 90 in den Spalträumen 13, 14 ist tangential zur Rotorachse in Drehrichtung ζ der Welle 101 gerichtet. Gleichzeitig entstehen an den die Dichtungsflüssigkeit 90 begrenzenden Wänden etwa radiale Sekundärströmungen, die an den wellennahen Rotorflächen 18 in Pfeiirichtung χ nach außen laufen und an den statorseitigen Innenflächen 19 wellenwärts nach innen (Pfeil y).

An der Peripheriefläche 20 des inneren Radius rder rotierenden Dichtungsflüssigkeit 90 erfolgt eine plötzliche Richtungsänderung der einwärts laufenden Sekundärströmung y. wenn die nach außen gerichtete Gegenströmung x erhalten bleiben soll.

In Abhängigkeit von den verwendeten Dichtungsmedien 90. der Spaltraum-Geometrie und vor allem der Umfangsgeschwindigkeit des dichtenden Flüssigkeitsringes 90 durchbrechen die innere Peripheriefläche 20, insbesondere an der Stator-Innenfläche 19, energieschwache Fiüssigkeitsteiichen 90, und werden nicht mehr entsprechend der radial nach außen gerichteten Sekundärströmung χ an der Rotorfläche 18 abgelenkt. Ohne besondere Maßnahmen würde jetzt bei einer marktüblichen Flüssigkeitsringdichtung die »leichte« Leckage einsetzen. Die an der Peripherieoberfläche 20 recht schwach auf die Flüssigkeitsteilchen 90, des nach innen gerichteten Sekundärstromes y einwirkenden Zentrifugalkräfte sowie die Kraft der Oberflächenspan nung an der Oberfläche des inneren rotierenden

Flüssigkeitsringes 90 reicht nicht aus, die sekundären Flüssigkeitsteilchen 90, an der Peripherieoberfläche 20

in Richtung auf den Dichtungsrotor R umzulenken.

Bei der erfindungsgemäßen leckfreien Wellendich-

tung 10 versuchen jetzt die »ausgebrochenen« Flüssigkeitspartikel 90, aus einem an die Peripherieoberfläche 20 anschließenden Ringraumabschnitt 21 in den wellennahen Axialspalt 17 zu gelangen. Auf dem Wege

dorthin wird jene »ausgebrochene« flüssigkeit 90, gezwungen, einen Spaliraum 22 zwischen Ringarm oder Abstreifring 4 und dem Stutzen 6 des Stators 5 zu passieren. Im Abstreifring 4 vorgesehene Bohrungen 24 werfen einen Teil der »ausgebrochenen« Flüssigkeit 90, zurück in den Ringraumabschnitt 21 und vermindern damit effektiv die in den Rotorhohlrauni 87 gelangende Flüssigkeitsmenge der »ausgebrochenen« Flüssigkeil 90,.

Im Bereich des Axialspaltes 17 sind an der Welle eine zusätzliche Dichtwirkung erzeugende Gewindekerbungen 23 zu erkennen.

Insbesondere Fig.4 verdeutlicht die tangentiale Anordnung der Bohrungen 24 im Abstreifring 4; die Bohrungsachsen schließen miteinander Winkel ν von hier 35° ein.

Beim Eintritt der »ausgebrochenen« Flüssigkeitspartikel 90, in den Hohlraum 87 des Dichtungsrotors R entlang des ersten Zwischenraumes 9_C kommen die Flüssigkeitspartikel 90, mit den rotierenden Ringlamellen 8 in Berührung, werden mitgerissen und durch die Rotorbohrungen 12 wieder zurück in den Spaltraum 13 gefördert.

Von Bedeutung ist die in Fig. 2 erkennbare Abstufung 26 zwischen den Radien c und d des stehenden Stutzens 6; sie verhindert effektiv ein mögliches Kriechen der »ausgebrochenen« Flüssigkeitspartikel 90, entlang der äußeren Oberfläche 27 des Stutzens 6 und damit evtl. »leichte« Leckage in den Axialspalt 17. im übrigen kann die Stufung 26 in nicht dargestellter Weise durch mehrere hintereinander angeordnete Rillen ersetzt sein.

Die Zirkulation der »ausgebrochenen« Flüssigkeitspartikel 90, in dem mit den Ringlamellen 8 ausgefüllten Hohlraum 87 gleicht nicht jener in den äußeren Spalträumen 13, 14 des Ringraumes 111. da alle den Hohlraum 87 zugeordneten Begrenzungswände 1,2,3,8 rotieren! Die »ausgebrochenen« Flüssigkeitspartikel 90, sind einer größeren Fliehkraft ausgesetzt als sie in den etwa radialen Spahräumen 13, 14 herrscht, und sie werden daher leicht durch die Ringlamellen 8 über die Bohrungen oder Ausnehmungen 12 in den Spaltraum 13,14,15 zurückgepumpt.

Ein Füllen des Hohlraumes 87 und eventuelles Überfluten über einen Hohlraumabschnitt 28 nach jenem Wellenspalt 17, also die Leckage, ist nur durch Überlastung der leckfreien Wellendichtung 10 denkbar. Sonst wird dank des hohlen Dichtungsrotors R und der besonders ausgebildeten Ineinanderschachtelung der rotierenden und der stehenden Teile — insbesondere dank der Ringiameiien 8 und des Stutzens 6 mit seinen Ausformungen 7, 26 — jede Leckage der Flüssigkeit 90 zum Wellenspalt 17 hin verhindert.

Da an keiner Stelle rotierende und stationäre Elemente der leckfreien Wellendichtung 10 während des Betriebes gegeneinander reiben, ist selbst bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten der Verschleiß praktisch unbedeutend, was die Lebensdauer dieser Wellendichtung 10 erheblich steigert! Durch Wahl entsprechender Materialien können selbst aggressive Medien, — beispielsweise die Flüssigkeitsmetalle Kalium, Natrium od. dgl. — zuverlässig bei hohen Wellenumfangsgeschwindigkeiten abgedichtet werden; auch die Schmierfähigkeit des Dichtungsmediums 90 hat keinen Einfluß auf Lebensdauer und Dichtwirkung der Wellendichtung 10 selbst

Das hier beschriebene Prinzip, durch Verwendung eines hohlen Dichtungsrotors R sowie die besondere Konstruktion der Ineinanderschachtelung rotierender und statischer Wellendichtungselemente »leichte« Leckagen zu verhindern, läßt sich auch bei Gewindewellendichtungen anwenden, die ebenfalls oft derartige Leckagen aufweisen. Auch bei berührungslosen Gewindewellendichtungen gilt es, diese Leckagen zu unterbinden; bei berührungslosen Gewindewellen wurden »leichte« Leckagen selbst dann beobachtet, wenn die Dichtungskapazität nicht voll ausgenutzt wurde. Allerdings sind die physikalischen Ursachen für die »leichte« Leckage der Gewindedichtung meist anderer Natur als die weiter oben für die Flüssigkeitsringdichtung beschriebenen.

Der Einsatz von Wellendichtungen 10 einfacher Bauform zur Verhinderung der Leckage von Lagerschmierstoffen wie Öl oder Schmierfetten an Lagern 30 sind in den Fig. 5ff verdeutlicht. Mittels dieser Wellendichtungen 10 soll unerwünschterweise in den Spaltraum 13 gelangender Schmierstoff wieder dem Lagerraum 31 zugeführt werden. Die Stutzenzunge bzw. Radialscheibe 7 des Stators 5 erzwingt im Zusammenwirken mit der Innenseite der rotierenden Scheibenwand 3 ein radial von der Wellenachse A nach außen gerichtetes Abströmen der Schmiermittelleckage, die nach dem Spaltraum 13 auszutreten trachtet. Die Pumpwirkung im Rotorhohlraum 87 wird nur durch Reibung des Lagerschmiermittels mit den rotierenden Innenwändendes Dichtungsrotors Rerzeugt.

Die Übertragung des notwendigen Drehmomentes auf den Rotor R von der rotierenden Welle 101 und die Ableitung des Reaktionsdrehmomentes durch den Stator 5 in das stationäre Lagergehäuse kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. In F i g. 5 greift eine — gegebenenfalls auch mehrere — halbkugelförmige Ausbuchtung 32_r des Dichtungsrotors R bzw. 32_S des Stators Sin entsprechende Einformungen oder Ausnehmungen 33 eines rotierenden Lagerringes 34 bzw. eines stationären Lagerringes 35. Jene Ausbuchtungen 32 sind in gleichmäßigem Winkelabstand über den Kreisumfang verteilt.

Um die Pump- und Abstreifwirkung des Rotorhohlraumes 87 zu verbessern, sind die durch Wellungen oder Rillen auf Abstand gehaltenen Ringlamellen oder Pumpscheiben 8 eingebaut.

An deren äußeren Umfang finden sich gemäß F i g. 5 die Bohrungen 11 oder entsprechende Schlitze, die ein Entleeren des Schmierstoffes aus den Lamellenzwischenräumen 9 durch die Ausnehmungen 12 in den Lagerraum 31 ermöglichen.

Zur Dämpfung der Schmiermittelumwälzung im Lagerraum 31 durch den in F i g. 7 gezeigten Dichtungsrotor R und zur Reduzierung der Rezirkulation des Schmiermittels durch die Wellendichtung 10 ist der Stator S zusätzlich durch ein statisches Diffusor-Element 88 mit Spaltdichtung 40 vom Lagerraum 31 abgetrennt. Rezirkulation durch die Wellendichtung 10 stellt sich automatisch ein und wird durch den — bei Wellendrehung in einer Ringspaltzuführung 41 entstehenden — Schmiermitteldruck kontrolliert.

Das in den Innenraum 87_C zwischen Wellendichtung 10 und Diffusor-Element 88 — welches sich in gleicher Weise auch bei anderen als den oben beschriebenen Dichtungsarten einbauen läßt — eingedrungene Schmiermittel wird unter statischem Druckrückgewinn im Diffusor-Element 88 zur Ringspaltzuführung 41 zurückgefördert und spritzt von dort — die Lagerschmierung verbessernd — gegen in 42 rotierende Lagerkugeln, oder es rezirkuliert zusammen mit frisch

aus dem Lagerraum 31 eingedrungenem Schmiermittel wiederum durch die rotierende Wellendichtung 10.

Außerdem zeigt F i g. 7 vom äußeren Umfang einer der Ringlamellen 8 abgebogene Zacken 43, welche mit der Drehrichtung einen Winkel von etwa 90° einschließen. Diese Zacken 43 verbessern die Pumpwirkung im Hohlraum 87 zusätzlich und erschweren ein mögliches Rückströmen des Schmiermittels vom Lagerraum 31 durch die Bohrungen 12 in den Rotorhohlraum 87. Dieser kann — wie Fig. 6 erkennen läßt — einen ringförmigen Gewebeeinsatz 44 aus Drahtgeflecht, Filz oder ähnlichen Materialien aufnehmen, der ebenfalls die Pump- und Abstreifwirkung im Rotorhohlraum 87 steigert und eine zusätzliche Filterwirkung übernimmt.

Das Drehmoment wird gemäß F i g. 6 ein- und abgeleitet durch statische Reibung zwischen dem Dichtungsrotor R bzw. dem Stator Seinerseits und der Welle 101 bzw. dem Lagergehäuse 89 andererseits.

Fig. 8 stellt eine Variation des stationären Diffusorelements 88 dar. Zusätzlich ist hier die Wellendichtung 10 mit einer vorgesetzten Zusatzdichtung 50 versehen, um das Eindringen von Staub-, Schmutzteilen und anderen Fremdmedien in die Hauptdichtung 10 — und damit in das Lagerschmiermittel — zu verhindern. Die Wirkungsweise dieser Zusatzdichtung 50 entspricht im Prinzip jener der bereits beschriebenen Wellendichtung 10. Durch Löcher oder Schlitze 12,/ im Rotor Rd der Zusatzdichtung 50 werden Staub- oder Schmutzteile, die möglicherweise ihren Weg in den Hohlraum 87 des Rotors Rd gefunden haben könnten, wieder in den umgebenden Raum 51 zurückzentrifugiert, bevor sie — in den Hohlraum 87 der Wellendichtung 10 eindringend — das Schmiermittel verunreinigen könnten. Auf der anderen Seite der Wellendichtung 10 ist wiederum ein Diffusor-Element 88 erkennbar.

Die bisher gezeigten Ausführungsbeispiele der Wellendichtung 10 wirken vor allem im Betrieb, d. h. bei Wellenrotation, abdichtend.

Um nun auch eine zuverlässige Dichtwirkung bei Wellenstillstand zu gewährleisten, sind im folgenden Dichtungskonstruktionen gezeigt, die mit nichtintegrierten (Fig. 9, 10) und mit integrierten (Fig. 11) statischen Dichtungsvorrichtungen ausgerüstet sind.

Eine statische Abdichtung wird beispielsweise durch gegenseitigen Druckkontakt einer Fläche 60 des Dichtungsrotors R und der gegenüberliegenden Reibfläche 61 des Stators S erreicht; bei den meisten hier gezeigten Ausführungsformen drückt ein mit der Welle 101 rotierendes Organ 62 aus elastomercm oder gummiartigem Werkstoff auf jene Reibfläche 61. Außerdem können alle statischen Dichtungsteile Fliehkraftsegmente 63 enthalten, die so bemessen sind, daß von einer vorbestimmten Wellendrehzahl ab die Dichtungsfläche 60 des rotierenden Elastomers 62 von der statischen Reibungsfläche 61 abgehoben wird; die Dichtwirkung wird dann von der oben beschriebenen berührungslosen Dichtung übernommen, damit Reibungsverschleiß an aneinanderreihenden Dichtungsflächen unterbunden wird.

In den F i g. 9 und 10 ist das rotierende Dichtorgan 62 in einem dünnwandigen hartschaligen Blechgehäuse 70 untergebracht, welches mit einem an seiner äußeren Peripherie abgebogenen Winkel 71 den gegebenenfalls gestreckten elastomeren Dichtungsteil 62 nach einem bei Drehung der Welle 101 erfolgenden Abheben von der Reibungsfläche 61 Unterstützung gegen die Einwirkung der Zentrifugaleigenkräfte und der Fliehkraftsegmente 63 gibt Damit wird ein Überstrecken des Elastomers 62 sinnvoll verhindert. Sektionen 72 um inneren Durchmesser des Elastomers 62 sind gleichzeitig so mit dem umgebenden Gehäuse 70 verbunden, daß sie eine Dichtwirkung gegen beispielsweise mögliche Schmiermittelleckage entlang des Wellenspaltes 17 zwischen der Welle 101 und der Dichtung 10 ausüben.

Als nichtintegrierte Komponente kann die statische Dichtung unabhängig von der eigentlichen Hauptdichtung montiert werden.

In der Ausführung gemäß Fig. 11 wird die statische Abdichtung während des Welienstillstandes durch eine zusätzliche Gleitringdichtung mit Dichtring 73 im Stator S gewährleistet. Dieser Dichtring 73 kann beispielsweise aus Graphit geformt sein und braucht keine elastomeren Eigenschaften zu besitzen; er wird durch eine vorgespannte Feder 74 gegen eine Stirnfläche 75 des Stators S gedrückt und sichert damit ebenfalls die Abdichtung gegen Leckage während des Wellenstillstandes. Bei zunehmender Wellendrehzahl erzeugen die Fliehkraftsegmente 63 über Haken 76 einen axialen Schub auf den Dichtring 73; unter Zusammendrücken der Dichtungsvorspannfeder 74 löst sich der Kontakt zwischen Rotor- und Statordichtung und die Abdichtung wird — wie oben wiederholt beschrieben — von dem dynamischen Teil der Dichtung 10 übernommen.

Das Statorgehäuse 77 in F i g. 11 ist mit einer Abstufung 26s versehen, durch welche ein mögliches Kriechen der Dichtungsflüssigkeit entlang dem wellenparalielen Spalt 22 zwischen Stator Sund Dichtungsrotor R nach Ringraum 111 unterbunden wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 13 und 12 umfängt den die Welle 101 umgebenden Kragen 80 des Dichtungsrotors R eine Rinne 81, in welcher ein elastomerer Ring 62 V-förmigen Querschnittes durch eine Haftschicht 82 gehalten wird. Auf jenem elastomeren Ring 62 erkennt man — in diesen mittels eines Zapfens eingreifend — mehrere Fliehkraftsegmente 63. Diese sind seitlich in einem Abstand / von einem Ringrand 2_e umgeben, an dessen unterer Kante (drei auf dem erzeugten Kreisbogen gleichmäßig verteilte) Bohrungen 12 angeordnet sind. Diesen Dichtungsrotor R überspannt einschließlich der eingelegten Ringlamellen 8 ein Rotordeckel 3^. Über dem Rotor 3 und seinem Deckel 3^ findet sich der Stator S. dessen wellenparallele Innenwandung 6^zwischen den Rotorkragen 80 und die Ringlamellen 8 eingreift sowie die bereits beschriebene Abstufung 26s aufweist. Die Außenwandung 84 des Stators S umgibt in zusammengebautem Zustand sowohl den Dichtungsrotor R und dessen Deckel 3^ als auch ein gegebenenfalls unterhalb des Dichtungsrotors R vorgesehenes deckelähnliches Organ 85.

Ein typisches Einbaubeispie! einer trennbaren Dichtung 10, zeigt Fig. 14; Dichtungsrotor R₁ und Stator S, können unabhängig voneinander axial auseinandergenommen und separat montiert bzw. demontiert werden.

Ein mittlerer Ringzwischenraum ist mit 86 bezeichnet.

Diese Dichtungen sind den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 2 und 11 bis 13 gleich.

Gemäß Fig. 15 läßt sich eine Wellendichtung 10, in Kombination mit einer Sperrflüssigkeitsanlage zum leckfreien Abdichten von hohen Druckunterschieden zwischen einem Hochdruckraum 16, und einem Niederdruckraum 112, einsetzen. Das Dichtungs- oder Sperrmedium wird aus einem obenliegenden Vorratsbehälter 120 durch eine Pumpe 121 unter Druck — der wenigstens gleich oder größer ist als der in Raum 16, vorherrschende Druck — einer Nut 122 für das Dichtungsmedium zugeführt Drosselbereiche R, und 16

kontrollieren den Durchsatz des Dichtungsmediums nach Hochdruckraum 16, sowie zur Wellendichtung 10, und wirken dabei abdichtend auch gegen große Druckunterschiede zwischen Hochdruckraum 16, und Niederdruckraum 112,.

Während des Betriebes sorgt die Wellendichtung 10, für die leckagefreie Ruckführung des durch den Drosselbereich der Länge L zur Wellendichtung 10, gelangten Dichtungsmediums zum Vorratsbehälter 120 in schon oben beschriebener Weise.

Leckage des Dichtungs- oder Spcrrmcdiums selbst und/oder des abzudichtenden Mediums aus Hochdruckraum 16, in den Niederdruckraum 112"q wird durch die — Dichtungsrotor /?,, Stator Sq, Hohlraum 87, und Ringlamellen 8 aufweisende — Wellendichtung 10, verhindert. Die Dichtungswirkung des Weüenspaltes 17

wird zusätzlich noch durch das Anbringen von dynamischen Dichtungselementen — zum Beispiel Gewindedichtungen 23 und 23, — verstärkt, die jeweils im Dichtungsrotor R_q und Statorteil S_q vorgesehen sind.

Die Förderrichtung dieser Zusatzdichtung ist hier zum rotierenden Hohlraum 87, hin gerichtet.

Um bei Einsatz der Wellendichtung 10, mit Hilfe von Sperrflüssigkeit im Spaltraum 14 Vakuum im Räume 112, gegen Drücke im Hochdruckraum 16, abzudichten, sind die Zusatzdichtungen 23 als vakuumpumpende Elemente ausgebildet, die ein Entweichen eventueller Dampf- und Gaspartikcl aus Raum 87, entlang dem Spalt 17 nach Raum 112, vermindern oder verhindern — letzteres gibt in vergrößerter Darstellung auch Fig. 2 am Beispiel des Rückführgewindes 23 als Sperre für Dampfmoleküle wieder.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsringdichtung für strömende Medien zur Abdichtung des Spaltes zwischen einer Welle und einer von dieser durchsetzten Wand, welche zwei Druckräume voneinander trennt und einen Ringraum für den Flüssigkeitsring sowie ein an der Welle befestigtes Rotorteil aufweist, das im Halbquerschnitt etwa die Form eines zur Welle hin offenen U hat sowie einen Hohlraum begrenzt und dessen einer Schenkel im Abstand von der Welle zur Bildung einer etwa ringförmigen Öffnung endet, in die ein von der Wand ausgehender stationärer Stutzen mit einem in den Hohlraum einragenden Ablenkorgan eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (87) durch wenigstens eine .^;n seinem radial äußeren Bereich vorgesehene Öffnung (12) mit dem Ringraum (13,14, 15; 111) verbunden ist und daß der Stutzen (6) als Ablenkorgan wenigstens eine Stufung (26) mit etwa radialer Stufenfront und/oder zumindest eine teilweise in den Hohlraum einragende, zum Flüssigkeitsring (90) in Abstand stehende Radialscheibe oder Ringzunge (7) aufweist.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (87) eine Pumpwirkung erzeugende Einbauten (8,43,44) angeordnet sind.

3. Dichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch sich mit dem Rotorteil (R) drehende Flächen aufweisende, etwa radiale Einbauten (8), beispielsweise Ringlamellen oder Pumpscheiben, welche im Hohlraum (87) Zwischenräume (9) erzeugen, wobei die Zwischenräume miteinander durch Ausnehmungen (II) in den Ringlamellen oder Pumpscheiben verbunden sind.

4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußfläche der Öffnung/en bzw. Ausnehmungen (12 bzw. 11) proportional zu den Zuflußflächen zum Hohlraum (87) ausgelegt sind.

5. Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (87) des Rotorteils fWJ wenigstens ein ringähnlicher Gewebeeinsatz (44) vorgesehen ist.

b. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang des Stutzens (6) mehrere Rillen hintereinander angeordnet sind.

7. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stutzen (6) ein etwa paralleles Ansatzorgan (4) am kurzen U-Schenkel (3) des Rotorteils (R) zugeordnet und dieses mit Ausnehmungen (24) versehen ist.

8. Dichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hohlraum (87) wenigstens ein wandseitiges Diffusorelement (88) zur automatischen Überführung von Dichtflüssigkeit (90) etwa vom Außendurchmesser (2) des Rotortcils (R) unter Druck durch Ausnehmungen zu einem radial nach innen um die Welle (101) angeordneten Spalt (40) zugeordnet ist.