DE2609753A1

DE2609753A1 - Vorrichtung zum hermetischen abdichten von bauteilen

Info

Publication number: DE2609753A1
Application number: DE19762609753
Authority: DE
Inventors: Konstantin Grigorie Charitonow; Leonid Bentschiono Israilewsky; Alexandr Yakowlewitsch Lewin; Solomon Lasarewitsch Riwkin; Alexandr Fedorowi Steptschenko; Nikolai Alexandrowit Tschuikin
Original assignee: V TEPLOTECHNITSCHESKY NII IM F
Current assignee: V TEPLOTECHNITSCHESKY NII IM F
Priority date: 1976-03-09
Filing date: 1976-03-09
Publication date: 1977-09-15
Also published as: DE2609753C2; GB1518583A

Description

Vorrichtung zum hermetischen Abdichten von
Bauteilen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum hermetischen Abdichten von Bauteilen, bestehend aus zwei zusammenwirkenden Teilen, die einen mit flüssigem Dichtungsmittel gefüllten Ringraum begrenzen, das Medien von unterschiedlichen Drücken trennt, und aus einem oberflächenaktiven Sperrglied aus einem vom Dichtungsmittel nicht benetzbaren Werkstoff, der eine Polykapillar-Struktur hat. Derartige Dichtungsvorrichtungen werden in Anlagen der Energiewirtschaft, der Hütten- und chemischen Industrie sowie in anderen Industriezweigen verwendet.
Die Abdichtung von Maschinenteilen, Armaturen oder Anlagen enthält üblicherweise zwei zusammenwirkende, gegeneinander bewegliche oder unbewegliche Teile mit einem Raum zwischen ihnen, der die Medien von verschiedenem Druck trennt. Als abzudichtende Baugruppen können Flanschverbindungen, Stangen und Wellen in Führungsbuchsen od. dgl. angesehen werden.
In allen Fällen der Abdichtung einer solchen Baugruppe soll durch verschiedene Dichtungsmittel ein Überfließen der Medien durch den Zwischenraum in Richtung des unter dem niedrigeren Druck stehenden Mediums verhindert werden. Als Dichtungsmittel dienen meistens Stopfbuchsen oder Packungen. Diese Dichtungsmittel erfordern eine ständige Überwachung und ein intermittierendes Nachziehen und Auswechseln des Packungsmittels. Derartige Dichtungen gewährleisten Jedoch keine ausreichend zuverlässige hermetische Abdichtung, insbesondere bei hohen Temperaturen und Hochdruck.
In bestimmten Anlagen, z. B. bei dem Primärkreislauf eines Kernkraftwerkes sind auch geringste Medienverluste unerwünscht, so daß vollständig hermetische Abdichtungen entwickelt werden mußten. Zur Erzielung einer derartig vollkommen hermetischen Abdichtung ist der sog. hydraulische Verschluß bekannt, bei dem das Gewicht einer Flüssigkeitssäule dem Druck des abgesperrten Mediums entgegenwirkt. Es ist auch die Verwendung sog. Magnetflüssigkeiten bekannt, die im Dichtungszwischenraum durch ein Magnetfeld zurückgehalten werden. Diese Abdichtungen sichern zwar einen voll hermetischen Abschluß> sie halten aber bei annehmbaren Abmessungen nur geringe Druckgefälle aus, nämlich etwa Bruchteile einer at.
Ferner sind hermetische Abdichtungen bekannt, die auf dem Prinzip einer sog. eingefrorenen Stopfbuchse beruhen. In der US-PS 5 129 947 ist eine derartige Abdichtung für Elemente eines Flüssigmetall-Kreislaufs beschrieben. Die Absperrung des Flüssigmetalls in dem abzudichtenden Zwischenraum erfolgt durch örtliches Einfrieren eines Dichtungsmittels mittels Vorrichtungen, die einen Teil des Metalls bei einer Temperatur halten, die unter seinem Schmelzpunkt liegt. Dabei wird der andere Teil des Metalls, der direkt am kalten Abschnitt liegt, auf einer Temperatur gehalten, die über dem Schmelzpunkt liegt. Das unter dem Druck des Arbeitsmediums stehende geschmolzene Metall kann den Zwischenraum nicht durchqueren, weil es in der gekühlten Zone einfriert.
In der US-PS 5 554 558 ist eine Abdichtung beschrieben, die nach diesem Prinzip arbeitet, aber die Verwendung eines vom Dichtungsstoff verschiedenen Arbeitsmedium ermöglicht. Dies wird durch einen Anschluß das abzudichtenden 7wischenraumes an eine Quelle eines flüssigen Dichtungsmittels erreicht, das dem Zwischenraum unter einem Druck zugeführt wird, der in bezug auf die durch den Zwischenraum getrennten Medien einen überschüssigen Wert aufweist, wobei Vorrichtungen zum Erwärmen des Zwischenraumes an der Zuführungsstelle des Dichtungsmittels zwecks Einhaltung des letzteren im geschmolzenen Zustand und Vorrichtungen zum Kühlen des Zwischenraumes beiderseits des flüssigen Dichtungsmittelabschnittes zwecks Erzeugung von absperrenden Kaltverschlüssen vorgesehen sind.
Die beiden oben angeführten Abdichtungsarten gewährleisten nicht nur, wie der hydraulische Verschluß, eine vollständige hermetische Abdichtung eines Systems, sondern sie können auch im Unterschied zum hydraulischen Verschluß ausreichend große Druckgefällewerte und Hochtemperaturen aushalten.
Gleichzeitig aber zeigen derartige Abdichtungen wesentliche Nachteile, die ihre Anwendung in der Praxis einschränken. Sie haben die Festigkeit des Metalls ungünstig beeinflussende starke Temperaturgradienten, sie sind durch die erforderlichen Sondererhitzer und Kühlaggregate kompliziert aufgebaut und nicht zuverlässig in Zusammenhang mit einer momentanen Enthermetisierung bei Notabschaltung der Stromversorgung des Erhitzers und/oder der Kühlaggregate. Außerdem erfordern solche Abdichtungen einen Stromverbrauch auch im Ruhebetrieb, wenn sich das Arbeitsmedium vom Umgebungsmedium in bezug auf die Temperatur nicht unterscheidet, aber einen in bezug auf das Umgebungsmedium überschüssigen Druck aufweist.
Ein weiterer Nachteil der hermetischen Abdichtung durch ein örtlich eingefrorenes Dichtungsmittel besteht darin, daß bei einer solchen Baugruppe eine gegenseitige Verschiebung der zusammenwirkenden Teile nur mit einer relativ geringen Geschwindigkeit stattfinden kann, die durch Schmelzen der am verschiebbaren Teil liegenden Schicht des eingefrorenen Dichtungsabschnittes infolge Reibungswärmeausscheidung beschränkt ist.
Es sind auch Baugruppen bekannt, die durch ein flüssiges Dichtungsmittel hermetisch abtidffichtet sind, das durch Oberflächenspannungskräfte direkt in dem abzudichtenden Zwischenraum oder im Sperrelement zurückgehalten wird, das eine Polykapillar-Struktur aufweist und aus einem durch das Dichtungsmittel nicht benetzbaren Stoff besteht. Solche Baugruppen werden z. B. zur Abdichtung von Durchgangstellen eines laufenden Dünndrahtes durch einen Sonderreaktor benutzt, in dem der Draht mit einem Uberzug aus einem dampfförmigen Mittel versehen wird (siehe US-PS 5 669 o65> 5 751 651, 5 738 514).
Bei derartigen Baugruppen wird als Dichtungsmittel üblicherweise Quecksilber benutzt, das Sperrelement aber stellt einen Netzkorb aus Molybdändraht dar.
Die Wirkungsweise einer solchen Abdichtung beruht auf der bekannten Kapillarerscheinung, der entsprechend in schmalen zylindrischen Kanälen (Kapillaren) oder in schmalen Spalten mit konstanter Breite infolge Oberflächenspannung eine Krümmung der Flüssigkeits-Oberschicht bemerkbar ist und ein Meniskus entsteht u zw. ein konkaver, falls die Flüssigkeit die Kapillarwände benetzt, oder ein konvexer, falls keine Benetzung stattfindet. Nach dem aus der theoretischen Physik bekannten Laplace-Gesetz verursacht die Entstehung eines Meniskus im Kapillar einen zusätzlichen Druck auf die Flüssigkeitsoberfläche, u. zw.
einen in das Innere der Flüssigkeit gerichteten, falls der Meniskus konvex ist, oder einen in die entgegengesetzte Richtung wirkenden, falls der Meniskus konkav ist.
Der Wert dieses Druckes wird aus folgender Gleichung ermittelt: worin Pm eine Druckgröße, die von der Krümmung des Meniskus abhängig ist, 67 eine Oberflächensparlnung, R1 und R Krflmmungsradien des Meniskus bedeuten.
Für ein zylindrisches Kapillar kann arlgenommen werden R1 = R2 = d/2, hier ist d ein Innendurchmesser (des Kapillars). Für einen Ringspalt ist einer der Radien in die Unendlichkeit gerichtet und der andere kann gleich der Hälfte der Spaltbreite s12 gesetzt werden. Damit können die Ausdrücke für den Meniskusdruck bei einer zylindrischen Einzelkapillare und einer Einzeiringkapillare in folgender Form dargestellt werden: Der Oberflächendruck eines konvexen Meniskus wird zur Erzeugung einer Sperrkraft benutzt, die einen Auswurf des verdichteten Mediums aus dem Raum zwischen den Baugruppenelemenen verhindert. Ein solcher Meniskus könnte beim Eindringen einer Flüssigkeit in den Zwischenraum entstehen, die den Werkstoff der Baugruppenelemente nicht benetzt. Die Berechnungen nach den oben angeführten Formein zeigen jedoch, daß zur Erzeugung eines Mcniskusdrukkes nur von ca. 1 at die Größe des erforderlichen Spaltes ungefähr 0,01 mm beträgt.
Dies ist zur Abdichtung der Durchgangsstelle des Dünndrahtes beim Auftragen eines Überzugs gemäß den oben erwähnten US-PS 5 669 065, 5 751 651, 5 758 514 ausreichend, da zum Durchlassen des biegsamen Drahtes der Raum zwischen den letzteren und den Lochwänden genügend klein sein kann und der Dampfdruck im Reaktor gering ist. Das im Korb aus Netzdraht angeordnete Quecksilber (US-PS 5 738 314) ist aber durch ein Druckgefälle nicht belastet und der Oberflächendruck in den Netzelementen hält nur das Quecksilbereigengewicht zurück.
Derartige Dichtungen sind bemerkenswert, da sie eine vollständige Dichtheit ohne Anwendung von EXhitzern und Kühlaggregaten gewährleisten. Jedoch können die in diesen US-Drllekschriften beschriebenen Abdichtungen der Baugruppen keine hermetische Abdichtung von auf einem großen Umfang zusammenwirkenden schnell rotierenden Teilen und von willkürlich im Raum angeordneten Baugruppen gewährleisten. Diese Konstruktionen sind außerdem für einen Betrieb unter grobem Druckgefälle und unter Hochtemperaturen, die z. B. moderne Kraftwerkausrüstungen kennzeichnen, nicht geeignet. Bei einem Druck des Arbeitsmittels von ca. 10 ... 50 Megapascal, der bei solchen Ausrüstungen üblicherweise benutzt wird, muß die Breite des Raumes zwischen Baugruppenteilen oder die Größe der effektiven Durchmesser der Sperrelementen-Kapillare (unter dem effektiven Durchmesser wird in diesem Falle der bedingte Durchmesser einer Öffnung unregelmäßiger Form verstanden, der gleich dem kleinsten lichten Querschnitt ist) eine Größe von ca. einem Zehntel eines Mikrons betragen, was in der Praxis durch die in den genannten Patentschriften vorgesehenen Vorrichtungen nicht ausführbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hermetisch abdichtende Baugruppe aus zwei zusammenwirkenden Teilen und einem Medien verschiedener Druckwerte trennenden Ringspalt zu schaffen, dessen Sperrglied eine zuverlässige Druckabdichtung der Baugruppe bei einfachem Aufbau und wirtschaftlichem Betrieb und bei hohen Kenndaten des Arbeitsmittels gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Sperrglied einen mit dem Dichtungsmittel in Berührung stehenden feinkörnigen Einsatz darstellt, der in einem der Bauteile in mindestens einer zu dem Ringraum konzentrischen Aussparung aufgenommen ist, und daß eine Vorrichtung zum Komprimieren des Einsatzes in den Aussparungen vorgesehen ist.
Durch Verwendung des zusammengepreßten feinkörnigen Einsatzes als Sperrglied können die gestellten Anforderungen auf einfache Weise erfüllt werden, da bei der sehr einfachen Bauart des Einsatzes eine ausreichend feine Kapillarstruktur und die Möglichkeit ihrer Einstellung durch Anderung der Kompression gewährleistet wird sowie der Raum zwischen den zusammenwirkenden Teilen vollständig dicht ausgefüllt wird, was ein Durchdrücken des Dichtungsmittels durch den Dichtungsspalt auch bei großen Druckgefällen von Hunderten Atmosphären (Dutzenden Megapascal) verhindert.
Als Werkstoff für den feinkörnigen Einsatz eignet sich für die genannten Betriebsbedingungen insbesondere Graphitpulver, das von dem geschmolzenen Metall nicht benetzt wird und inert sowie hochtemperaturbeständig ist.
Der Einsatz kann vorteilhaft mindestens zwei Schichten mit einer von Schicht zu Schicht in Richtung auf das unter geringem Druck stehende Medium zunehmender Korngröße aufweisen. Dadurch kann ein aus technologischen Rücksichten ausreichend großer Montagespielraum zwischen den Teilen ohne Gefahr eines Austragens von Feinkorn aus dem Spaltraum erhalten werden.
Als Dichtungsmittel kann erfindungsgemäß ein heterogener zweiphasiger Verbund aus einer Flüssigkeit und einem durch die Flüssigkeit benetzbaren Stoff, der eine feinkörnige oder schwammartige Struktur hat, z. B. ein gemisch aus geschmolzenem Zinn oder geschmolzener Woods-Legierung mit Bronzenpulver in freien oder gesintertem umstand, dienen. Ein solches Gemisch weist gegenüber einer reinen Schmelze eine höhere effektive Oberflächenspannung auf, wodurch die Anforderungen an die Feinheit der Kapillarstruktur des Einsatzes und seine Anpressung an die Aussparungswände niedriger gehalten werden können.
Zur Abdichtung einer ortsfesten Verbindung ist eine Vorrichtung zum Komprimieren des Einsatzes in den Aussparungen mit ringförmigen Vorsprüngen zweckmäßig, die äquidistant zu Aussparungen in den den letzteren gegenüberliegenden Teilen angeordnet sind.
Zur Abdichtung einer horizontalen ortsfesten Flanschverbindung ist die zum Ringraum konzentrische Aussparung vorteilhaft im unteren Flansch vorgesehen und die Vorrichtung zum Nachdrücken des Einsatzes als zur Aussparung äquidistanter Vorsprung ausgebildet, der im oberen Flansch ausgeführt wird.
Für eine derartige Verbindung kann das Dichtungsmittel in derselben Aussparung angeordnet werden; dazu hat erfindungsgemäß die Aussparung eine größere Breite im Vergleich zu dem Vorsprung, der mit einer Seite an der Aussparungswand angrenzt, die zum Medium mit niedrigerem Druckwert gerichtet ist, während an der anderen Seite ein ringCdrmiger Schirm vorgesehen ist, wobei der Einsatz auf der Oberfläche des Dichtungsmittels in dem Aussparungsteil angeordnet wird, der durch den Schirm und die Aussparungswand begrenzt ist, die zum Medium mit niedrigerem Druckwert gerichtet ist, die Oberfläche des Dichtungsmittelspiegels im gebliebenen Aussparungsteil höher als die untere Schirmkante liegt. Dadurch wird die Ausbildung eines hydraulischen Verschlusses erreicht, der eine direkte Berührung des abzuschließenden Mediums mit dem Einsatz verhindert.
Um den Einfluß des Dichtungsmittels bei wiederholtem Anfahren im Kaltzustand auf den Komprimierungsgrad des Einsatzes zu beseitigen, sind erfindungsgemäß für den Einsatz und das Dichtungsmittel Einzelringhohlräume vorgesehen, die durch den Ringspalt miteinander in Verbindung stehen.
Für eine vertikale Flanschverbindung mit einem Dichtungsmittel-Freispiegel auf der Seite des Mediums mit höherem Druckwert stellt erfindungsgemäß der Ringhohlraum für das Dichtungsmittel eine in einem der Flansche ausgeführte zusätzliche, zum Ringspalt konzentrische Aussparung dar, wobei als Hohlräume für den Einsatz Aussparungen im anderen Flansch dienen. Dabei ist der durch die zusätzliche Aussparung gebildete Hohlraum über dem Dichtungsmittelspiegel durch ein Uberströmrohr mit dem Medium höheren Druckes verbunden.
Für eine horizontale Flanschverbindung mit Dichtungsmittel-Freispiegel auf der Seite des Mediums mit höherem Druck können erfindungsgemäß das Dichtungsmittel und der Einsatz in ein und derselben Aussparung angeordnet werden, die eine ihren Oberteil erweiternde Abstufung aufweist, welche auf der Seite des Mediums mit höherem Druck liegt, wobei der untere schmale Teil der Aussparung als Hohlraum fUr den Einsatz dient, ihr erweiterter Oberteil über der Abstufung aber als Hohlraum für das Dichtungsmittel.
Für alle Abwandlungen einer Flanschverbindung kann erfindungsgemäß die Stirnfläche des Vorsprunges zum Komprimieren des Einsatzes auf der ganzen Länge mindestens mit einem ringförmigen geschlossenen Zahn mit zur Flanschteilebene senkrechten Seitenflächen versehen werden. Dadurch kann ein bestimmtes Offnen des Flansches ohne Beeinträchtigung der Baugruppendichtheit zugelassen werden, da die Berührung des Einsatzes mit dem Zahn an der Seitenfläche bei einem minimalen Öffnen der Flansche nicht gestört wird.
Die Spielräume zwischen dem Vorsprung zum Komprimieren des Einsatzes und den Wänden der entsprechenden Aussparung können erfindungsgemäß durch eine Schnur aus wärmebeständigem Stoff, z. B. Asbest oder Weichmetall, abgedichtet werden. Dadurch vermindern sich die Anforderungen an die Größe der Ringräume, die zur Vereinfachung eer Herstellung und der Montage ausreichend groß angenommen werden können.
Die sichere Abdichtung einer Baugruppe bei willkürlicher Stellung im Raum wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Vorrichtung zum Komprimieren des Dichtungsmittels vom Medium mit höherem Druckwert durch einen Einsatz getrennt ist, der auf dieser Seite einen höheren effektiven Kapillarkanäle-Durchmesser aufweist als auf der Seite des Mediums mit niedrigerem Druckwert.
Die Komprimierung des Dichtungsmittels beseitigt seinen Freispiegel, wodurch die Lage der Baugruppe im Raum ohne Gefahr eines Ausfließens des Dichtungsmittels aus dem Ringspalt in Richtung des Baugruppen-Arbeitsraumes geändert werden kann. Die erwähnten Anforderungen an die Größe der effektiven Kapillardurchmesser des Einsatzes auf der Seite des Mediums mit höherem Druckwert gewähritisten die Stabilisierung des Druckes im Dichtungsmittel unabhängig von seinem Komprimierungsgrad mit einer Sollüberschreitung dieses Druckwertes gegenüber dem Druckwert des abzudichtenden Mediums.
Die Flanschverbindung weist erfindungsgemäß zur Ermöglichung einer willkürlichen Anordnung im Raum insbesondere in einem der Flansche Aussparungen für einen Einsatz mit unterschiedlichen effektiven Durchmessern der Kapillarkanäle und im anderen Flansch Aussparungen für das Dichtungsmittel auf, wobei die Vorrichtungen zum Komprimieren des Dichtungsmittels und des Einsatzes in den Aussparungen äquidistant ausgeführte Vorsprünge in den gegenüberliegenden Flanschen darstellen.
Für eine Baugruppe, bei der die Teile ineinandersitzen und gegenseitig verschoben werden können, ist erfindungsgemäß die Aussparung für den Einsatz im außenliegenden Teil angeordnet und die Vorrichtung zum Komprimieren des Einsatzes als eine der Aussparung äquidistante Buchse mit einem Flansch ausgebildet, der mit diesem Teil durch Befestigungsstücke gespannt wird.
Um die Komprimierung des Einsatzes in der Aussparung zu verbessern, kann der Einsatz erflndungsgemäß zwischen Metallringen eingefaßt werden, die unter Berücksichtigung der Montageverhältnisse mit einem minimalen Spielraum in bezug auf die zusammenwirkenden Teile angeordnet sind.
Für vertikal angeordnete Baugruppen mit beweglichen Teilen kann im Unterteil der Aussparung zur Erzeugung eines hydraulischen Verschlusses erfindungsgemäß eine oben offene Buchse angeordnet werden, in deren Boden eine Öffnung fr den innenliegenden Teil vorgesehen ist und in die von oben frei auf eine bestimmte Buchsentiefe ein ringförmiger Schirm eingesetzt ist, der durch seinen Oberteil auf dem ganzen Umfang mit dem außenliegenden Teil dicht verbunden ist, wobei das Dichtungsmittel in einem oben offenen ringförmigen Hohlraum sitzt, der durch die Buchse und den Schirm gebildet ist, während der Einsatz im Ringspalt zwischen dem Schirm und dem innenliegendenTeil untergebracht ist.
Um in einer solchen Baugruppe eine Leckage des Dichtungsmittels zum Arbeitsmedium zu verhindern, kann die Buchse an ihrem Bodenteil erfindungsgemäß eine am innenliegenden Teil anliegende ringförmige Aussparung aufweisen, in der zusätzlich ein feinkörniger Einsatz untergebracht ist.
Dieselbe Wirkung kann nach einer anderen Abwandlung der Erfindung durch eine dichte Verbindung der Buchse mit dem innenliegenden Teil an ihrem Boden erreicht werden.
Bei einer willkürlichen Stellung im Raum einer Baugruppe mit beweglichen Teilen ist die Anordnung des Dichtungsmittels erfindungsgemäß in der gemeinsamen Aussparung mit dem Einsatz zwischen zwei Metallringen vorgesehen, die die benachbarten Einsätze trennen. Dadurch kann der Einfluß des Dichtungsmittels auf den Komprimierungsgrad des Einsatzes in derselben Weise vermindert werden, wie es bei der Anordnung des Dichtungsmittels und Einsatzes in verschiedenen Aussparungen bei Flanschverbindungen der Fall ist.
Um den Komprimierungsgrad des Dichtungsmittels bei seiner Anordnung in der gemeinsamen Aussparung mit dem Einsatz zu beschränken, sind zwischen den Ringen Zwischenstücke (Distanzstücke) zur Begrenzung des minimalen Ahstandes zwischen diesen Ringen angeordnet.
Die Sicherung einer zuverlässigen Abdichtung der Baugruppe bei großen Relativgeschwindigkeiten der Teile (Rotierung einer Welle im feststehenden Gehäuse) wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an der Stelle der Berührung des Ringspaltes zwischen den zusammenwirkenden Teilen mit dem Umgebungsmedium ein ringförmiger Hohlraum vorgesehen ist, der mit einer Flüssigkeit gefüllt wird, die den Stoff des Einsatzes benetzt, und der durch einen Kanal mit einer elektrisch angetriebenen Förderpumpe sowie durch ein Rückschlagventil mit dem Raum der Aussparung über dem freien Spiegel des Dichtungsmittels auf der Seite des Umgebungsmediums in Verbindung steht. Die den Einsatz benetzende Flüssigkeit vermindert die Reibung und Erhitzung der an der Welle anliegenden Einsatzschicht, wodurch die Entstehung von Rissen in der letzteren, durch die das Dichtungsmittel eindringen könnte, verhindert wird.
Für die horizontale Stellung einer Welle ist erfindungsgemäß eine Anordnung des Dichtungsmittels und Einsatzes in einer einzigen Aussparung vorgesehen, die an der Anordnungszone des Dichtungsmittels einen den Aussparungsraum einengenden ringförmigen Schirm aufweist, der Oberteil der Aussparung aberssteht an der Seite des Arbeitsmediums mit dem letzteren in Verbindung. Das Vorhandensein des einengenden Schirms gewährleistet die Bildung eines hydraulischen Verschlusses mit zwei Spiegeln des Dichtungsmittels, wobei der eine durch das Arbeitsmedium komprimiert wird, der andere aber an das Umgebungsmedium gerichtet ist und mit der den Einsatz benetzenden FLüssigKeit in Berührung steht.
Zur Automatisierung der Inbetriebsetzung der Pumpe, die die benetzende Flüssigkeit fördert, ist der Anlaßkreis des Pumpenelektroantriebs mit zwei Dichtungamittel--Stand gebern auf der Seite des Umgebungsmediums geschaltet.
In der Dichtungamittelzone für Baugruppen mit schnelllaufenden Teilen sind erfindungsgemäß Vorrichtungen angeordnet, die eine Übertragung der Rotierung von der Welle auf das Dichtungsmittel verhindern, z. B. radiale Rippen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine hermetisch abgedichtete feststehende horizontale Flanschverbindung, deren linker Teil eine Abwandlung für einen kleineren Druck und deren rechter Teil eine Ausführung für einen Uberdruck des Arbeitsmediums in bezug auf das Umgebungsmedium darstellt; Fig. 2 einen Längsschnitt in vergrößertem Maßstab durch einen Teil der Baugruppe mit einem Sperrglied in Form eines feinkörnigen Einsatzes, der zwei Schichten mit einer von Schicht zu Schicht in Richtung zum Umgebungsmedium ansteigenden Korngröße hat; Fig. 5 einen Längsschnitt einer hermetisch abgedichteten Baugruppe mit einem flüssigen Arbeitsmedium als Dichtungsmittel; Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine abgedichtete vertikale Flanschverbindung mit ringförmigen Einzelhohlräumen für den Einsatz und das Dichtungsmittel; Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine horizontale Flanschverbindung mit einem für das Dichtungsmittel bestimmten Hohlraum, der über der Abstufung im erweiterten Teil der Aussparung des Unterflansches und dem Einzahnvorsprung liegt; Fig. 6 eine der Ausführung nach Fig. 5.entsprechende Verbindung mit zahnförmigen Vorsprüngen; Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Flanschverbindung mit einer Dichtungsmitteleinheit, die eine willkürliche Orientierung im Raum ermöglicht; Fig. 8 einen Längsschnitt durch die Abdichtung einer beweglichen Stange, wobei auf der linken Seite der Fig. die Abwandlung einer vertikalen, auf der rechten aber einer willkürlichen Orientierung im Raum dargestellt ist; Fig. 9 einen Längsachnitt durch die Abdichtung einer schnellaufenden horizontalen Welle; Fig.10 einen Längsschnitt durch die Abdichtung einer schnellaufenden Vertikalen Welle.
Die in der Zeichnung dargestellten Vorrichtungen bestehen aus je zwei zusammenwirkenden Teilen 1 und 2 (Fig. 1 .... 7), 18 und 19 (Fig. 8), 29 und 50 (Fig. 9, 10), zwischen denen ein Ringspalt 3 ausgebildet ist, der die unter verschiedenem Druck stehenden Medien trennt und hermetisch abzudichten ist.
Im Ringspalt ist ein fließfähiges Dichtungsmittel 4 angeordnet, das durch Oberflächenspannunskräfte mittels eines Sperrgliedes zurückgehalten wird. Das Sperrglied hat eine Polykapillarstruktur und besteht aus einem vom Dichtungsmittel nicht benetzbaren Werkstoff.
Das Sperrglied stellt einen mit dem Dichtungsmittel 4 in Berührung stehenden feinkörnigen Einsatz dar. Zur Unterbringung dieses Einsatzes 5 in einem der Teile 1 oder 2 (Fig. 1 ... 7), 19 (Fig. 8), 50 (Fig. 9, 10) ist mindestens eine zu dem Spalt 5 konzentrische Aussparung 6 ausgeführt.
Die Baugruppe enthält auch eine Vorrichtung zum Komprimieren des Einsatzes 5 in den Aussparungen 6. Als feinkörniger Einsatz kann Graphitpulver dienen.
Um ein Auspressen des Graphitpulvers oder eines anderen feinkörnigen Einsatzes 5 aus dem Ringspalt zwischen den zugeordneten Teilen 1 und 2, 18 und 19, 29 und 50 der Dichtungs-Baugruppe zu verhindern, ist eine geschichtete Struktur des Einsatzes besonders geeignet.
Der feinkörnige Einsatz 5 weist mindestens zwei Schichten 5a (Fig. 2) und 5b mit einer von Schicht 5a zu Schicht 5t in Richtung vom Medium mit höherem Druckwert P1 zum Medium mit niedrigerem Druckwert P2 zunehmenden Korngröße auf.
Die Graphitkorngröße kann z. B. in der Schicht 5a etwa 0,1 mm und in der Schicht 5b etwa 0,3 mm betragen. Dabei steht mit dem Dichtungsmittel 4 die Schicht 5a des Einsatzes 5 mit feinerer Korngröße in Berührung, die eine ausreichend feine Kapillarstruktur gewährleistet, während auf der Seite des Mediums mit niedrigerem Druckwert P2 die Schicht 5a des Einsatzes 5 mit gröberer Korngröße angeordnet ist, die zum Zurückhalten des letzteren Korns im Ringspalt 5 zwischen den erwähnten Teilen ausreichend ist.
Als Dichtungsmittel 4 ist erfindungsgemäß die Benutzung von Schwerflüssigkeiten, insbesondere von leichtschmelzenden Metallen und Legierungen vorgesehen, die bei Wärmeeinwirkung des Arbeitsmediums in den Schmelzzustand übergehen, z. B. Zinn, Woods-Legierung u.a. leichtschmelzende Metalle.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Dichtungs-Baugruppe bei einer feststehenden horizontalen Flanschverbindung zwei zusammenwirkende Flansche 1 und 2 mit einem Ringspalt 3 zwischen ihnen enthält. Im unteren Flansch 1 ist eine zum Ringspalt 3 konzentrische ringförmige Aussparung 6 vorgesehen, in der in Richtung vom Medium mit höherem Druckwert P1 zum Medium mit niedrigepem Druckwert P2 ein fließfähiges Dichtungsmittel 4 und ein Sperrglied in Form eines feinkörnigen Einsatzes 5 angeordnet sind.
Die Vorrichtung zum Komprimieren des Einsatzes 5 stellt einen der Aussparung 6 äquidistanten Vorsprung 7 dar, der im Oberflansch 2 ausgeführt ist. Die Aussparung 6 hat eine im Vergleich zum Vorsprung 7 größere Breite, wobei der letztere durch seine eine Seite an der Innenwand der Aussparung 6 auf der Seite des Mediums mit niedrigerem Druckwert P2 liegt. Die linke Hälfte der Zeichnung in Fig. 1 entspricht einer Ausführung, bei der das Arbeitsmedium im Innenhohlraum der abzudichtenden Verbindung einen im Vergleich zum Umgebungsmedium niedrigeren Druckwert, in der rechten Hälfte der Zeichnung aber einen höheren Druckwert aufweist.
Auf der anderen Seite des Vorsprunges 7 ist ein ringförmiger Schirm 8 ausgeführt, wobei der Einsatz 5 auf der Oberfläche des Dichtungsmittels in einem Teil der Aussparung 6 angeordnet ist, der durch den erwähnten Schirm 8 und die Wand dieser Aussparung begrenzt ist, die zum Medium mit niedrigerem Druckwert gerichtet ist. Die Freispiegelfläche des Dichtungsmitteis 4 im anderen Teil der Aussparung liegt höher als die untere Kante des Schirms 8 zwecks Bildung eines hydraulischen Verschlusses, der eine direkte Berührung zwischen dem abzudichtenden Medium und dem Einsatz 5 verhindert.
Um ein Durchfließen des abzudichtenden Mediums an den Anliegestellen des Einsatzes 5 an den Wänden der Teile 1 und 2 zu verhindern, müssen die Oberflächen der letzeren im Berührungsbereich mit dem Einsatz 5 ebenfalls unbenetzbar sein, was durch Auswahl eines geeigneten Werkstoffes oder durch Überzüge zu erreichen ist.
Der Einsatz 5 muß dicht zwischen den zusammenwirkenden Teilen eingepreßt sein, damit ein Lecken des abzudichtenden Mediums durch die Undichtheiten der Struktur und zwischen dem Einsatz 5 und den Wänden der Aussparung 6 verhindert wird. Das Zusammenpressen vermindert außerdem den Abstand zwischen den Körnern des Einsatzes 5, Dabei wird seine Kapillarstruktur feiner, d. h. die effektiven Durchmesser der Kapillarkanäle werden kleiner. Ublicherweise wird bei dem Einsatz eines Graphiteinsatzes für ein Druckgefälle von 20 ... 25 Megapascal eine ausreichende Dichtheit bei einem Komprimieren des Einsatzes um etwa 60 ... 70 % der Tiefe der Aussparung 6, in welcher der Einsatz sitzt, gesichert. Ein weiteres Komprimieren des Einsatzes 5 wird durch die Annahme der Höhe des anpressenden Vorsprungs 7 oder durch andere bekannte Begrenzungsvorrichtungen eingeschränkt.
Der einfachste Fall einer Abdichtung von Baugruppen unter Verwendung von Polykapillar-Sperrgliedern ist eine Kombinierung der letzteren direkt mit dem Arbeitsmedium des Dichtungsmittels 4, falls dieses Medium das Sperrglied und die Wände der Baugruppenteile nicht benetzt.
Eine solche Möglichkeit ist insbesondere für eine hermetische Abdichtung des Flüssigmetallkreises von Kernkraftwerken mit schnellen Reaktoren zweckmäßig. Eine hermetische Abdichtung ein r horizontalen Flanschteilfuge für einen ähnlichen Fall ist in Fig. 2 und 3 dargestellt.
Hier steht das flüssigmetallische Arbeitsmedium vom Druckwert Pl mit dem Einsatz 5 in direkter Berührung.
Bei der Wärme- und Kernenergetik sowie in anderen Industriezweigen handelt es sich meistens um Arbeitsmedien, wie Wasser und Wasserdampf unter Hochtemperaturen und Hochdruck. Als üblicher Werkstoff für mit diesen Medien betriebene Anlagen dienen hitzebeständige Legierungsstahlsorten, die durch das Arbeitsmedium benetzt werden. Da es für diese Medien auBerdarPlrrrrh#oierig ist, einen geeigneten Werkstoff für das Sperrglied zu finden, ist ein flüssiges Zwischendichtungsmittel 4 erforderlich, das einerseits als Verschluß gegen das abzudichtende Medium dienen kann und andererseits selbst durch den Einsatz 5 abgesperrt werden kann. Als solches Dichtungsmittel 4 können für die oben angegebenen Verhältnisse geschmolzenes Zinn, Woods-Legierungen u.a. leichtschmelzbare Metalle dienen.
Einige Schwierigkeiten bei der Druckdichtung von Baugruppen nach dem oben beschriebenen Grundsatz bestehen darin, daß die in bezug auf Hochtemperaturen beständigen Stoffe, aus denen der Einsatz 5 gefertigt sein kann, unter Betriebsverhältnissen mit der Zeit mindestens teilweise ihre ursprünglichen Eigenschaften verlieren und der Einsatz sintert. Es können Risse entstehen, die die Dichtheit der Baugruppe beeinträchtigen.
Eine Erhöhung der Abdichtungszuverlässigkeit kann bei Beseitigung dieses Einflusses dadurch erreicht werden, daß als Dichtungsmittel 4 ein heterogenes zweiphasiges Gemisch mit einem vom Gemisch benetzbaren festen Stoff benutzt wird. Dabei wird im Dichtungsmittel 4 der effektive Koeffizient der Oberflächenspannung gegenüber einem entsprechenden Koeffizienten für ein flüssiges Dichtungsmittel wesentlich erhöht. Ausgehend von den oben angeführten Gleichungen 2 und ), die das Verhältnis zwischen Oberflächendruck, Oberflächenspannung und Kapillardurchmesser angeben, ermöglicht eine Erhöhung der effektiven Oberflächenspannung das zulässige Maß der effektiven Durchmesser der Kapillarkanäle (der Poren) im Einsatz und der Spalte zwischen dem Einsatz und den Wänden der Baugruppenteile zu vergrößern, wodurch eben die Zuverlässigkeit der Druckdichtung erhöht und der erforderliche Komprimierungsgrad des Einsatzes vermindert werden kann.
Wird als flüssige Phase des Dichtungsmittels geschmolzenes Zinn oder die Woods-Legierung benutzt, so kann Bronze in Form von Pulver oder Schwamm als feste Phase empfohlen werden, die die Rolle eines elastischen Gerippes, das die flüssige Phase des Dichtungsgemisches zurückhält, erfüllt.
Eine andere Schwierigkeit besteht darin, daß die Dichtungsmittel auf der Basis von leichtschmelzenden Metallen erst als Schmelze wirksam sind. Das Arbeitsmedium aber in der abzudichtenden Ausrüstung hat üblicherweise bis zum Beginn des Nominalbetriebes eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Dichtungsmittels. Beim Anfahren eines Kraftwerkes kann eine Tempratur von 180 Or, die als niedrigster Schmelzpunkt für Blei-Zinnlegierungen gilt, erst in einigen Stunden nach Anlaßbeginn erreicht werden.
Zur Verhinderung von Mediumverlusten kann in diesem Fall ein Stoff für den Einsatz gewählt werden, der bei Betriebskenndaten das abzudichtende Medium nicht zurückhalten kann, aber bei niedrigeren Kenndaten, die dem Anlaßbetrieb und der Stillsetzung der Anlage entsprechen, das Medium erfolgreich zurückhält. Als geeigneter Stoff für Wasser ist insbesondere das bereits erwähnte Graphitpulver zu nennen, welches in der Praxis bis zum Schmelzpunkt des Dichtungsmittels durch das Wasser nicht benetzt wird.
Die Anordnung des Dichtungsmittels 4 und des Einsatzes 5 in einer gemeinsamen Aussparung 6, gemäß Fig. 1, kann mit einigen Schwierigkeiten verbunden sein. Diese bestehen darin, daß der Einsatz 5 für einen effektiven Betrieb allseitig komprimiert werden muß. Der Zusammenbau der Dichtungs-Baugruppe einer Flanschverbindung erfolgt durch aufeinanderfolgende Einbringung des Dichtungsmittels 4 im Hartzustand und des Einsatzes 5 in die Aussparung 6, wonach im Verlauf der Verbindung der Teile 1 und 2 durch den ringförmigen Vorsprung 7 der erforderliche Komprimierungsgrad des Einsatzes 5 bewerkstelligt wird. Bei wiederholter Inbetriebnahme der Anlage mit jeweiligem Erstarren und neuer Schmelzung des Dichtungsmittels 4 kann der Einsatz 5 bei stillgesetzter Ausrüstung unkomprimiert bleiben, wodurch Leckstellen entstehen können. Für eine solche Dichtungs-Baugruppe ist somit eine wiederholte Montage bei jedem Anfahren nach dem Erstarren des Dichtungsmittel erforderlich. Daher kann sie in der Hauptsache nur für dauernd betriebene Anlagen empfohlen werden.
Andere konstruktive Abwandlungen gemäß den Fig. 4 - 10 ermöglichen es, den nachteiligen Einfluß wiederholter Inbetriebnahmen der Anlagen auf die Dichtheit der Baugruppe zu beseitigen, was durch eine räumliche Trennung des Dichtungsmittels und Einsatzes erreicht wird, wobei der Einsatz während sämtlicher Betriebsarten im zusammengepreßten Zustand bleibt. Dabei sind für den Einsatz 5 und das Dichtungsmittel 4 in der Baugruppe Einzelringräume vorgesehen, die miteinander durch den Ringspalt 3 in Verbindung stehen.
In Fig. 4, 7 und 8 stellen die ringförmigen Hohlräume Einzelaussparungen 6 dar, in Fig. 5 und 6 aber dienen der schmale und der erweiterte Teil der Aussparung 6 als ringförmiger Hohlraum.
Bei vertikaler Lage der Flansche (Fig. 4) sind zum Unterbringen des Einsatzes im Flansch 1 zwei Aussparungen 6 vorgesehen, die durch entsprechende Vorsprünge 7 des Flansches 2 auf der Seite des Arbeits- bzw. Umgebungsmediums abgeschlossen werden. Das Dichtungsmittel 4 ist in einer zusätzliche zum Ringspalt 3 konzentrischen Aussparung 9 des Flansches 2 zwischen seinen zwei Vorsprüngen 7 angeordnet.
Zur Ubertragung des Arbeitsmediumdruckes auf das Dichtungsmittel 4 dient ein Uberströmrohr 10. Ein- und Auslauf des Dichtungsmittels 4 erfolgt durch einen mit einer Verschlußschraube 12 geschlossenen Kanal 11.
Bei einer horizontalen Stellung der Flansche 1 und 2 kann die Trennung des Dichtungsmittels 4 und des Einsatzes 5 voneinander durch ihre gemeinsame Anordnung in einer gemeinsamen Aussparung 6 (Fig. 5) erreicht werden. Dazu hat die Aussparung 6 eine ihren Oberteil erweiternde Abstufung 13, die auf der Seite des Mediums mit höherem Druckwert P1 liegt (in diesem Falle auf der Arbeitsmediumseite).
Die Trennung wird dadurch gesichert, daß der Vorsprung 7 und der Einsatz 5 im schmalen Teil der Aussparung unter einem Vorsprung 13 liegen, während das Dichtungsmittel über dem Vorsprung 15 im erweiterten Teil der Aussparung 6 angeordnet ist.
Das durch das Arbeitsmedium geschmolzene Dichtungsmittel 4 stellt im Ausgangszustand einen Metallring dar.
Die Ausgangshöhe des Einsatzes 5 soll unter Berücksichtigung seiner Komprimierbarkeit so gewählt werden, daß nach dem Anziehen der Verbindung die Stirnfläche des Vorsprungs 7 und folglich auch die endgültige Höhenlage des Einsatzes 5 unter der horizontalen Fläche des Vorsprungs 13 liegt, auf dem der Ring des Dichtungsmittels sitzt.
Die Stirnfläche des Vorsprungs 7 am Teil 2 hat einen (Fig. 5) oder mehrere (Fig. 6) Zähne 14 mit vertikalen, zur Teilfuge senkrecht gerichteten Seitenwänden, die eine Leckage des abzudichtenden Mediums und des geschmolzenen Dichtungsmittels 4 in den Ringspalt 3 über den Einsatz 5 bei einer geringen Öffnung der Verbindung unter dem Arbeitsmediumdruck P1 verhindern, z. B. infolge Abschwächung der Befestigungsmittel, die die Teile 1 und 2 verspannen (in Fig. 5 und 6 durch eine punktierte Linie angedeutet). Die Zähne 14 mit ihren vertikalen Wänden verursachen einen Abschluß des Ringspaltes 3 über dem Einsatz 5.
Dadurch kann die Vorspannkraft der Befestigungsmittel vermindert werden, die, wie Versuche erwiesen haben, 60 ... 80 % der durch den Innendruck des abzudichtenden Mediums erzeugten Beanspruchung beträgt. Sind zur Vereinfachung von Herstellung und Montage der Baugruppe relativ große Räume (1 ... 2 mm) zwischen dem Vorsprung 7, dem Teil 2 und dem schmalen Teil der Aussparung 6 im Teil 1 erforderlich, können über dem Einsatz 5 an den vertikalen Wänden der Aussparung 6 Schnüre 15 aus hitzeheständigem Material, z. B. Asbest oder Weichmetall (Kupfer, Aluminium) verlegt werden. Es kann auch ein Metallseil oder eine mehradrige Leitung sein. An den Berührungsstellen der Schnur 15 sind auf dem anpressenden Vorsprung 7 Abschrägungen 7a zum Andrücken der Schnur 15 an die Vertikalwände der Aussparung 6 im Teil 1 vorgesehen.
Die Schnüre 15 verhindern ein Auspressen des Einsatzes 5 durch die herstellungstechnisch bedingten Toleranzspalte zwischen dem Vorsprung 7 und der Aussparung 6.
Zur Erzielung einer willkürlichen Stellung der Dichtungs-Baugruppe im Raum ohne einen Freispiegel des Dichtungsmittels 4 sind die in Fig. 7, 8 (rechte Seite) gezeigten Vorrichtungen zum Komprimieren des Dichtungsmittels 4 vorgesehen, das Dichtungsmittel 4 selbst aber ist durch die Aussparung mit Einsatz 5 sowohl vom Medium mit Hochdruck P1 als auch vom Medium mit Niederdruck P2 getrennt, wobei der Einsatz 5 auf der Hochdruckseite 21 einen größeren Wert der effektiven Durchmesser der Itapillarkanäle aufweist als derjenige auf der Seite des Mediums mit einem Niederdruck Pp.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Flanschverbindung nehmen die Aussparungen 6 den Einsatz 5 im Flansch 3 tuf und das Dichtungsmittel ist im anderen Flansch 2 in einer zusätzlichen konzentrischen Aussparung 16 vorgesehen, die durch die Aussparung 6 mit dem Einsatz 5c vom Medium mit höherem Druck und durch die Aussparung 6 mit dem Einsatz 5a vom Medium mit niedrigerem Druck getrennt wird, wobei der Einsatz 5c auf der Seite des Mediums mit höherem Druckwert P1 einen größeren effektiven Durchmesser der Kapillarkanäle aufweist als der Einsatz 5d auf der Seite des Mediums mit niedrigerem Druck P1. Die Vorrichtungen zum Komprimieren des Dichungsmittel# 4 in der Aussparung 16 und der Einsätze gc, 5d in den Aussparungen 6 s-tellen diesen Aussparungen äquidistante Vorsprünge 17 und 7 in den den Aussparungen gegenüberliegenden Flanschen 1 und 2 dar. Der Einsatz 5c auf der Seite des Mediums mit höherem Druck P1 erfüllt gegenüber dem Einsatz 5d auf der Seite des Mediums mit niedrigerem Druck P1 eine andere Funktion, da er kein Sperrglied darstellt, sondern einc Vorrichtung zur Erhöhung des Druckes im Dichtungsmittel 4 im Vergleich zum Druck des Arbeitsmediums ist. Eine minimale Differenz zwischen den Drücken des Dichtungsmittels und des abzudichtenden Mediums ist erforderlich, da sonst das letztere durch das Dichtungsmittel zum Sperrglied (Einsatz 5) einbrechen kann, wobei unvermeidliche Verluste entstehen.
Liegt der Einsatz vor dem Dichtungsmittel, so entsteht im letzteren ein erhöhter Druck infolge des auf das Dichtungsmittel wirkenden in den Kapillaren entstehenden Oberflächendruckes. Da der in bezug auf das abzudichtende Medium überschüssige Druck des Dichtungsmittels als Minimalwert ausreichend ist, können die effektiven Porendurchmesser bei diesem Einsatz erheblich größer sein als die entsprechenden Durchmesser zum Einsatz, der hinter dem Dichtungsmittel angeordnet ist, wo der Oberflächeridruck den Druck des abzudichtenden Mediums summiert mit dem überschüssigen Druck im Dichtungsmittel zurückhalten muß (vgl. auch die oben angeführten Gleichungen für die Verhältnisse zwischen Kapillardurchmesser, Meniskusdruck und Oberflächenspannung).
Eine Dichtungs-Baugruppe für bewegliche Teile mit relativ kleiner gegenseitiger Geschwindigkeit, z. B. eine tanenbagruppe, ist in Fig. 8 dargestellt, wobei die linke Elfte der Fig. eine Ausführung für eine vertikale und die rechte Hqlfte für eine willkürliche Stellung der Stange im Raum angibt.
Die Baugruppe enthält eine Stange (Fig. 8), die in einem Gehäuse 19 verschiebbar ist, in dem eine der Stange zugewendete Aussparung 6 vorgesehen ist.
Für eine vertikale Stellung der Dichtungs-Baugruppe ist im unteren Teil der einen Ringspalt 20 bildenden Aussparung 6 eine nach oben offene Buchse 21 angeordnet, in deren Boden eine Offnung für die Stange 18 vorgesehen ist.
In die Buchse 21 ist von oben frei auf einen Teil der Buchsentiefe ein ringförmiger Schirm 22 eingesetzt, dessen oberer Flansch z. B. durch Anschweissung, auf dem ganzen Umfang dicht mit dem Gehäuse 19 verbunden ist. Das Dichtungsmittel 4 ist in einem nach oben offenen ringförmigen Hohlraum 23 untergebracht, der durch die Buchse 21 und Schirm 22 gebildet wird. Der Einsatz 5 befindet sich zwischen Metallringen 24 in dem durch den Schirm 21 und Stange 18 gebildeten Ringspalt. In diesem Ringspalt ist auch eine zum Komprimieren des Einsatzes 5 bestimmte flanschförmige Preßbuchse 25 eingesetzt, die mit dem Gehäuse durch in der Zeichnung nicht dargestellte Befestigungsstücke gespannt wird.
Die Buchse 21 hat unterhalb des Hohlraumes 25 in ihrem Bodenteil eine an der Stange 18 anliegende Aussparung 6a zur zusätzlichen Aufnahme des feinkörnigen Einsatzes 5, der ein Ausfließen des Dichtungsmittels 4 längs der Stange 18 abwärts in den abzudichtenden hohlraum verhindert. Zum Zusammenpressen dieses Dichtungsmittels 4 ist eine zwischenliegende Preßbuchse 26 vorgesehen, die Seitenöffnungen 27 aufweist, durch welche das Dichtungsmittel 4 mit dem Ringspalt 5 in Verbindung steht. Anstatt der zusätzlichen Aussparung 6a kann die Buchse 21 durch ihren Bodenteil mit der Stange 21 dicht verbunden werden.
Zur willkürlichen Orientierung der Stange 18 im Raum (rechte Hälfte der Fig. 8) ist der Hohlraum 23 für das Dichtungsmittel 4 durch Anordnung zwischen den zwei Metallringen 24 von Distanzstücken 27 gebildet, die den minimalen Abstand zwischen diesen einschränken. An beiden Seiten des Hohlraumes 23 ist zwischen den Ringen 24 ein feinkörniger Einsatz 5 angeordnet, und zwar mit größeren effektiven Durchmessern an der Seite des abzudichtenden Arbeitsmediums mit Druckwert P1 und mit kleinerem effektiven Durchmesser an der Seite des Umgebungsmediums mit Druckwert P2 Ein besonderes Problem stellt die hermetische Abdichtung von Baugruppen dar, die hohe gegenseitige Relativgeschwindigkeiten der Teile aufweisen, wie z. B. schnelllaufende Wellen. Die Schwierigkeit besteht darin, daß durch Schwingungen und Schlagen der Welle ein Verlust der elastischen Eigenschaften der an der Welle liegenden Einsatzoberflächenschicht erfolgt. Dadurch entsteht ein Spiel zwischen Welle und Einsatz. Die zur Beseitigung dieser Erscheinung vorgesehenen Vorrichtungen werden durch Fig. 9 und 10 für horizontale bzw. vertikale Anordnung der Laufwelle erläutert.
Wie bei der Ausführung nach Fig. 8 enthält die Dichtungs-Baugruppe ebenfalls einen beweglichen Teil, d. h.
eine Welle 29, die in einem festehenden Gehäuse 30 rotiert.
Längs des Ringspaltes 5 zwischen der Welle 29 und dem Gehäuse 30 ist eine ringförmige Aussparung 6 vorgesehen, die mit dem flüssigen Dichtungsmittel 4 und dem auf dem Verschiebungsweg des Dichtungsmittels 4 angeordneten Einsatz 5 ausgefüllt ist, der an beiden Seiten durch Metallführungsringe 24 begrenzt ist. Das Nachkomprimieren des Einsatzes 5 erfolgt durch eine Flanschpreßbuchse 25 über eine Zwischenbuchse 26, deren Längsschlitze 31 ein Mitnehmen des Dichtungsmittels 4 beim Rotieren der Welle 29 verhindern.
Für eine horizontal angeordnete Welle 29 (Fig. 9) hat die für das Dichtungsmittel 4 bestimmte Aussparung 6 in der Mitte einen ringförmigen Schirm 52 zur Bildung eines hydraulischen Verschlusses mit zwei in Verbindung stehen den Abschnitten der Dichtungsflüssigkeit 4 und mit getrennten Spiegelflächen auf der Seite des Arbeitsmediums und des Umgebungsmediums. Der Druck P1 des abzudichtenden Arbeitsmediums wird auf die Spiegelfläche 55 des in der Zeichnung linken Abschnittes des Dichtungsmittels 4 durch die Öffnung 34 übertragen.
An der Auslaufstelle des Ringspaltes 5 zwischen Welle 29 und Gehäuse 30 in das Umgebungsmedium ist ein ringförmiger Hohlraum 55 vorgesehen, der mit einer Flüssigkeit 56 gefüllt ist, die den Stoff des Einsatzes 5 benetzt. Auf einem Abschnitt der Welle 29 ist innerhalb des Hohlraumes 55 ein Spritzring 37 angeordnet, der ein Auswerfen der Flüssigkeit 36 in das Umgebungsmedium verhindert. Der Unterteil des Hohlraumes 35 ist über eine elektrische Förderpumpe 39 mit einem Kanal 38 und ein Rückschlagventil 40 mit dem Raum über dem Spiegel 41 des in der Zeichnung rechten Abschnittes des Dichtungsmittels 4 verbunden. Zur Kühlung der Flüssigkeit 36 ist im Körper der Preßhuchse 25 ein Kühler angeordnet, z. B. in Gestalt eines Ringkanals 42, durch den ein Kältemittel fließt. Verluste der Flüssigkeit 56 werden durch eine Dichtung üblicher Art, z. B. eine Zwischenlage 45 verhindert.
Der Anlaßkreis des in der Zeichnung nicht dargestellten elektrischen Antriebs der Pumpe 39 ist mit einem Standgeber 41 des Dichtungsmittels 4 an der Seite des Umgebungsmediums geschaltet.
Das Gebergerät stellt einen Elektrokontakt 44 dar, der mit der Wicklung eines Relais 45 geschaltet ist, dessen Schließkontakteden Stromkreis des Elektromotors der Pumpe 39 steuern.
An der Baugruppe mit vertikal angeordneter Welle 29 (Fig. 10) hat das Dichtungsmittel zwei Abschnitte, einen unteren 4a und einen oberen 4b. Der untere Abschnitt 4a liegt in einem oben offenen ringförmigen Bad 46, in dem Radialrippen 47 angeordnet sind, die eine Übertragung der Drehbewegung von der Welle 29 auf das Dichtungsmittel 4 in ähnlicher Weise wie die Schlitze 31 in der Buchse 26 verhindern.
Wie angegeben, wird die Flüssigkeit 36 durch die Pumpe 39 aus dem Hohlraum 55 in den Raum über den Spiegel 41 des Dichtungsmittels 4 an der Seite des Umgebungsmediums mit dem Druck P2 gefördert. Der durch die Pumpe 39 erzeugte Druck soll den Druck im Dichtungsmittel 4 übertreffen. Dabei wird der letztere durch die Flüssigkeit 56 zurückgedrängt, der Spiegel 41 des Dichttmgsmittels 4 im Abschnitt an der Seite des Umgebungsmediums wird solange sinken bis der Kontakt 44 bloßgelegt ist ìnd dabei den Steuerkreis der Pumpe 59 unterbricht.
Unter Einwirkung des Druckes, den das Årbeitsmedium auf das DichtunJsmittel durch die ',piegelfläcEle 33 überträgt, wird die Flü#sig.keit infolge der Benetzbarkeit in den Ringspalt 3 zwischen der Welle 29 und den Einsatz 5 eindringen, dabei die Reibung und Anwärmung der an der Welle 29 liegenden Einsatzoberschicht vermindern, wodurch Risse im Einsatz verhindert werden. Zur Verminderung der Reibung ist es zweckmäßig, daß die Flüssigkeit außer der Benetzung auch gute Schmiereigenschaften aufweist. Als Flüssigkeit 56 können z. B. echte Mineralöle, synthetische hitzebeständige Flüssigkeiten, die für Regelungssysteme bei Dampfturbinen benutzt werden, od. dgl. dienen.
Die zwischen dem Dichtungsmittel 4 und dem Einsatz 5 befindliche Flüssigkeit 36 wirkt auch als Dichtungszwischenmittel, das jedoch durch den Einsatz 5 nicht gesperrt wird, sondern durch den letzteren frei läuft und mittels der Elektropumpe 39 in den Umlaufkreis mitgenommen wird.
Bei stillstehender Welle kann die Elektropumpe 38 ausgeschaltet werden. Dabei wird die Flüssigkeit in den Hohlraum 35 verdrängt und das Dichtungsmittel 4 tritt mit dem Einsatz 5 in Berührung, d. h. es beginnt die Ausführung der oben beschriebenen Hauptwirkungsweise der Abdichtung.

Claims

Patentansprüche i, Vorrichtung zum hermetischen Abdichten von Bauteilen, bestehend aus zwei zusammenwirkerlderl Teileri, die eilen mit flüssigem DichtungsmitteL gefüllten Ringraum begrenzen, das Medien von unterschiedlichen Drücken trerlrlt, und aus einem oberflächenaktiven Sperrglied aus einem vom Dichtungsmittel nicllt benetzbaren Werkstoff, der eine Polykapillar-Struktur hat, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Sperrglied einen mit dem Dichtungamlttel (4) in Berührung stehenden feinkörnigen Einsatz (5) darstellt, der in einem der Bauteile (1, 2) in mindestens einer zu dem Ringraum (3) konzentrischen Aussparung (6) aufgenommen ist, und daß eine Vorricatung (7, 25) zum Komprimieren des Einsatzes (5) in den Aussparungen (6) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feinkörnige Einsatz !5) aus Graphitpulver besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feinkörnige Einsatz (5) mindestens zwei Schichten (5a, 5b) mit von Schicht zu Schicht in Richtung zum Medium kleineren Druckwertes zunehmender Korngröße aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - ), dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsmittel (4) aus einem heterogenen zweiphasigen Gemisch aus einer Flüssigkeit und einem durch diese benetzbaren Werkstoff besteht, der eine feinkörnige oder schwammartige Struktur hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Phase des Dichtungsmittels (4) eine Zinnschmelze oder eine Woods-Legierungsschmeize und die feste Phase Bronze ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5 für eine ortsfeste Verbindung zweier Bauteile, g e X e n n -z e i c h n e t d u r c h ringförmige Vorsprünge (7) zum Komprimieren des Einsatzes (5) in den Aussparungen (6), die äquidistant zu den Aussparungen (6) in den Teilen (1 und 2) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6 für eine horizontale Flanschverbindung mit einem Spiegel des Dichtungsmittels auf der Seite des Mediums mit höherem Druckwert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Dichtungsmittel (4) in einer Aussparung (6) mit dem Einsatz (5) angeordnet ist, die eine größere Breite als ein Vorsprung (7) hat, der mit einer Seite an der Aussparung anliegt, die zum Medium mit niedrigerem Druckwert gerichtet ist, auf seiner anderen Seite aber einen ringförmigen Schirm (8) aufweist, wobei der Einsatz (5) auf der Oberfläche des Dichtungsmittels (4) in dem Aussparungsteil angeordnet ist, der durch den Schirm (8) und die Aussparungswand begrenzt ist, die zum Medium mit niedrigerem Druckwert gerichtet ist, während der Spiegel des Dichtungsmittels (4) im Teil der Aussparung (6) oberhalb der unteren Kante des Schirms (8) liegt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Einsatz (5) und das Dichtungsmittel (4) ringförmige Einzelhohlräume vorgesehen sind, die durch den abzudichtenden Ringspalt (3) miteinander in Verbindung stehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 für eine vertikale Flanschverbindung mit freiem Dichtungsmittelspiegel auf der Seite des Meaiums mit höherem Druckwert, d a d-ur c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Hohlraum für das Dichtungsmittel (4) eine in einem der Flansche (2) ausgeführte zusätzlich zu dem Ringspalt konzentrische Aussparung (9) darstellt, als Hohlräume für den Einsatz aber Aussparungen (6) dienen, die im anderen Flansch (1) liegen, wobei der durch die zusätzliche Aussparung (9) gebildete Hohlraum über dem Spiegel des Dichtungsmittels (4) durch ein Uberströmrohr (10) mit dem Medium höheren Druckwertes in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 für eine horizontale Flanschverbindung mit Dichtungsmittelspiegel auf der Seite des Mediums mit höherem Druckwert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daB das Dichtungsmittel (4) und der Einsatz (5) in einer einzigen Aussparung (6) angeordnet sind, die eine ihren Oberteil erweiternde Abstufung (1)) auf der Seite des Medium mit höherem Druckwert aufweist, wobei der untere schmale Teil der Aussparung als Hohlraum für den Einsatz (5) und ihr erweiterter Oberteil über der Abstufung (15) zur Aufnahme des Dichtungsmittels (4) dienen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Vorsprungs (7) zum Komprimieren des Einsatzes auf der ganzen Länge mindestens einen ringförmigen geschlossenen Zahn (14) mit zur Teilebene der Flansche senkrechten Seitenflächen aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringräume zwischen dem Vorsprung (7) zum Komprimieren des Einsatzes und den Wänden der Aussparung (6) durch eine Schnur (15) aus wärmebeständigem Stoff, z. B. Asbest oder Weichmetall, abgedichtet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 11 oder 12 für eine willkürlich im Raum ausgerichtete Baugruppe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrichtung (17, 25) zum Komprimieren des Dichtungsmittels (4) vom Medium mit höherem Druckwert durch den Einsatz (5) getrennt ist, der an dieser Seite einen höheren Wert der effektiven Kapillarkanälen-Durchmesser aufweist als derselbe auf der Seite des Mediums mit niedrigerem Druckwert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 15 für eine Flanschverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (6) zur Aufnahme des Einsatzes (5) in dem einen Flansch (1) liegen, während im anderen Flansch (2) eine zusätzlich zum Ringspalt ()) konzentrische Aussparung (16) ausgeführt ist, die mindestens durch eine Aussparung (6) mit Einsatz (5c) vom Medium mit höherem Druckwert und mindestens durch eine Aussparung (6) mit Einsatz (5d) vom Medium mit niedrigerem Druckwert getrennt ist, wobei der Einsatz (5c) auf der Seite des Mediums mit höherem Druckwert einen größeren effektiven Durchmesser der Kapillarkanäle aufweist als der Einsatz (5d) auf der Seite des Mediums mit niedrigerem Druckwert und wobei die Vorrichtungen zum Komprimieren des Dichtungsmittels (4) in der Aussparung (16) und die Einsätze (5c, 5d) in den Aussparungen (6) äquidistant ausgeführte Vorsprünge (17 und 7) in den gegenüberliegenden Flanschen (1 und 2) darstellen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, 8 oder 15 zur Abdichtung von gegeneinander beweglichen Bauteilen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zum Ringraum (3) konzentrische Aussparung (6) im äußeren Teil (19) angeordnet ist, und daß die Vorrichtung zum Komprimieren des Einsatzes (5) eine der Allssparuny (6) äquidistante Buchse (25) mit einem Flansch enthält, der mit dem äußeren Teil (19) durch Befestigungsstücke gespannt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) zwischen Metallringen (24) eingefaßt ist, die mit einem minimalen Spiel in bezug auf die zusammenwirkenden Teile angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16 zur Abdichtung einer vertikal angeordneten Laufachse, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Unterteil der Aussparung eine oben offene Buchse (21) angeordnet ist, in deren Boden eine Öffnung für den Innenliegenden Teil (18) vorgesehen ist und in die von oben frei auf eine bestimmte Buchsentiefe ein ringförmiger schirm (22) eingesetzt ist, der durch seinen Oberteil auf dem ganzen Umfang mit dem äußeren Teil (19) dicht verbunden ist, wobei das Dichtungsmittel (4) in einem oben offenen ringförmigen wohlraum (23) sitzt, der durch die Buchse (21) und den Schirm (22) gebildet ist, während der Einsatz (5) im Ringspalt zwischen dem Schirm (22) und dem inneren Teil (18) untergebracht ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (21) an ihrem Bodenteil eine am inneren Teil (18) verlaufende ringfo#rmige Aussparung (6a) aufweist, in der zusätzlich ein feinvörniger Einsatz (5) untergebracht ist.

1',). Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Buchse dicht mit dem inneren Teil (18) verbunden ist.

zum Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13, 15 oder 16 zur Abdichtung von willkürlich im Raum ausgerichteten Bauteilen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das DichtungsmitteL (4) in der Aussparurlg (6) zwischen den Metallr;!ngen (24) angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anordnungszone des Dichtungsmittels (4) Distanzstücke (28) zur Begrenzung des minimalen Abstandes zwischen den Ringen !24) eingesetzt sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ikrisprüche 15, 16 üür eine schnellaufende Welle und ein Arbeitsmedium mit höherem Druckwert als das Umgebungsmedium, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß an der Stelle der Berührung des Ringspaltes ()) zwischen den zusammenwirkenden Teilen (29 und D0) mit dem Umgebungsmedium ein ringförmiger Hohlraum (55) vorgesehen ist, der mit einer Flüssigkeit (D6) gefüllt ist, die den Stoff des Einsatzes (5) benetzt, und der durch einen Kanal (58) mit einer-elektrisch angetriebenen Förderpumpe (59) sowie durch ein Rückschlagventil (40) mit der Aussparung (6) über dem Spiegel (41) des Dichtungsmittels (4) auf der Seite des Umgebungsmediums in Verbindung steht.

25. Vorrichtung nach Anspruch 22 für horizontal angeordnete Wellen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das Dichtungsmittel (4) und der Einsatz (5) in einer Aussparung (6) sitzen, die in der Anordnungszone des Dichtungsmittels (4) einen den Raum der Aussparung (6) einengenden ringförmigen Schirm (32) zur Bildung eines hydraulischen Verschlusses aufweist, mit dem der Oberteil der Aussparung (6) auf der Seite des Arbeitsmediums in Verbindung steht.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlaßkreis des Elektroantriebs der Pumpe (39) mit einem Standgeber (41) des Dichtungsmittels (4) auf der Seite des Umgebungsmediums geschaltet ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 - 24, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zone des Dichtungsmittels (4) Vorrichtungen, wie radiale Rippen (47), angeordnet sind, die eine Ubertragung der Rotierung von der Welle (29) auf das Dichtungsmittel (4) unterbinden.