DE2647192A1

DE2647192A1 - Drehwellen-flaechendichtung

Info

Publication number: DE2647192A1
Application number: DE19762647192
Authority: DE
Inventors: Raymond Metcalfe
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-10-19
Publication date: 1977-07-07
Also published as: FR2336611A1; JPS5277960A; US4026564A; IT1071962B; JPS5345459B2

Description

· DEUFEL · SCHÖN · HERTEL ^ ^ ' '

PATEJfTAIiWlITE

DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALT VON 1927-1975) DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS.

Hl/We/th - A 2498 f 8. OKT.

ATOMIC ENERGY OF CANADA LIMITED
Ottawa, Ontario, Kanada

Drehwellen-Flächendichtung

Die Erfindung "betrifft eine Drehwellen-Flächendichtung,
die auch als Drehwellen-Stirnflächendichtung bezeichnet
werden könnte.

Drehwellen-Flachendich.tun.gen sind bekannt, bei welchen unter Druck stehendes Fluid zwischen einander gegenüber angeordneten, ringförmigen, aufeinander gleitenden Dichtungsflächen eines ringförmigen Rotors, der drehfest und dicht mit einer Drehwelle verbunden ist, und einem ringförmigen Stator, der fest und gegen Drehung gesichert an einer Trennwand angebracht ist, injiziert wird, während der ringförmige Stator elastisch gegen den ringförmigen Rotor gedrückt wird, um
die ringförmigen Gleitflächen zusammenzupressen. Ein Problem bei derartigen Flächendichtungen besteht darin, daß sie
ausreichend gekühlt und geschmiert werden müssen, und dabei dennoch nicht gegen einen Druck empfindlich sein sollen, welcher bei den größeren Abmessungen der Dichtungen
bei hohen Fluiddrücken zu Verformungen an den unter hohem

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Fluiddruck stehenden, einander gegenüber angeordneten, ringförmigen, aufeinander gleitenden Flächenbereichen führen könnte, die nicht mehr in geeigneter Weise zu kontrol lieren sind, so daß ein Fluidleck und eine Reibung zwischen diesen Dichtungsbereichen nicht mehr beherrscht werden können. Herkömmliche kreisförmige, konzentrische Flächendichtungen verlassen sich auf eine ausreichende Kühlung durch Wärmeleitung durch die Dichtungsteile hindurch, anstatt die Dichtungsfläche direkt zu kühlen. Dadurch wird die Wirksamkeit der Kühlung begrenzt, und es werden Anwendungsgrenzen hinsichtlich der Größe, des Fluiddruckes und der Gleitgeschwindigkeit an den Dichtungsflächen gesetzt.

Es ist bereits versucht worden, einen ringförmigen Gleitflächen-Dichtungsbereich entweder auf dem Rotor oder auf dem Stator vorzusehen, wobei die ringförmige Fläche exzentrisch in bezug auf die Drehachse des Rotors angeordnet ist, so daß der ringförmige Dichtungsbereich intermittierend freigelegt wird, und zwar gegenüber von der exzentrischen, ringförmigen Gleitfläche, so daß die Gleitfläche mit einem Kühlfluid in Berührung gebracht werden kann, welches unter Druck auf eine Seite der Dichtung wirkt, während auf der gegenüberliegenden Seite kein entsprechender Druck herrscht, und zwar während jeder Umdrehung des Rotors. Weiterhin ist versucht worden, einen elliptischen Gleitflächen-Dichtungsbereich entweder auf dem Rotor oder auf dem Stator vorzusehen, um denselben Zweck zu erfüllen. Bei diesen Dichtungen sind der Rotor und der Stator koaxial zueinander angeordnet, und beide bekannten Versuche leiden unter dem Nachteil, daß ihre Anwendungsmöglichkeit auf geringe Fluiddrücke begrenzt ist, weil höhere Fluiddrücke unerwünschte Verformungen zwischen den Gleitflächen-Dichtungsbereichen bewirken. Eine übermäßige Verformung ergibt sich durch die

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nicht achsensymmetrische Anordnung und ist am stärksten, wenn eines der Flächendichtungselemente aus einem Material mit einem geringen Elastizitätsmodul wie Kohlenstoff "besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehwellen-Flächendichtung bzw. eine Drehwellen-Stirnflächendichtung zu schaffen, bei welcher eine einwandfreie Fluidkühlung und eine gute Schmierung der Dichtungsfläche gewährleistet ist, ohne daß auch bei außerordentlich hohen Fluiddrücken unerwünschte Verformungen zwischen den Gleitflächen-Dichtungsbereichen durch eine nicht-achsensymmetrische Anordnung der Dichtung auftreten können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß sich die Drehwellen-Flächendichtung durch folgende Teile gekennzeichnet:

a) durch einen drehfest und dicht auf der Drehwelle angebrachten Eotir, wobei der Rotor entlang der Drehwelle gegen eine Längsbewegung gesichert ist und auf einer Seite eine ringförmige Dichtungsfläche aufweist,

b) durch eine Trennwand, durch welche hindurch sich die Drehwelle erstreckt, so daß sie in bezug auf die Trennwand eine Relativbewegung ausführen kann, wobei die Trennwand einen Ansatz hat, der in bezug auf die Drehachse der Drehwelle in radialer Richtung exzentrisch angeordnet ist und durch welchen hindurch sich die Drehwelle erstreckt,

c) einen Stator auf der Drehwelle, welcher auf dem rohrförmigen Ansatz der Trennwand dicht angeordnet ist, wobei der Stator gegen eine Drehung in bezug auf den rohrförmigen Ansatz gesichert ist und in bezug auf den rohrförmigen Ansatz entlang der Drehwelle gleiten kann, wobei der Stator eine ringförmige Dichtungsfläche mit einem kleineren Außendurchmesser als demjenigen der

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Dichtungsflache des Rotors aufweist, und. wobei die ringförmige Dichtungsflache des Stators der Dichtungsfläche des Rotors gegenüber steht und im wesentlichen koaxial in bezug auf den rohrförmigen Ansatz angeordnet ist,

d) durch eine elastische Einrichtung, durch welche die ringförmige Dichtungsfläche des Stators in einen dichtenden Eingriff mit der Dichtungsfläche des Rotors gebracht wird, so daß ein federnder Eingriff erfolgt, um das Entweichen von unter Druck stehendem Fluid zwischen diesen Teilen zu verhindern, und

e) durch einen Außendurchmesser "D" der ringförmigen Dichtungsfläche des Rotors, der nicht kleiner ist als d + 2x, wobei d der Außendurchmesser der ringförmigen Dichtungsfläche des Stators ist und wobei χ die radiale Exzentrizität des rohrförmigen Ansatzes ist.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, in welcher die einzige Figur einen schematischen Teilschnitt durch Teile einer erfindungsgemäßen Drehwellen-Flächendichtung veranschaulicht.

Gemäß der Zeichnung weist die erfindungsgemäße Drehwellen-Flächendichtung folgende Teile auf:

a) einen Rotor 1, der durch einen O-Eing 2 auf der Drehwelle 4 abgedichtet ist und daran mittels eines Keils 6 drehfest angebracht ist. Gegen eine Längsbewegung ist der Rotor durch eine Gewindemutter 8 gesichert, und der Rotor 1 hat auf einer Seite eine ringförmige Dichtungsfläche =10;

b) eine Trennwand 12, durch welche sich die Drehwelle 4 hindurcherstreckt, und zwar derart, daß sie eine ReIativbewegung ausführen kann; die Trennwand 12 hat weiterhin einen rohrförmigen Ansatz 14, der in radialer Richtung exzentrisch in bezug auf die Achse XX der Drehwelle 4 angeordnet ist, und die Drehwelle 4 erstreckt sich durch den rohrförmigen Ansatz 14 hindurch;

c) einen Stator 16 auf der Drehwelle 4, welcher auf dem rohrförmigen Ansatz 14 der Trennwand 12 durch einen O-Ring 18 abgedichtet ist, wobei der Stator 16 gegen Drehung in bezug auf den rohrförmigen Ansatz 14 durch einen Keil 20 gesichert ist und wobei der Stator 16 [ in bezug auf den rohrförmigen Ansatz 14 in der Längsrichtung der Drehwelle 4 gleitbar angeordnet ist, und zwar durch eine besonders lange Keilnut 22 im Stator 16, der eine ringförmige Dichtungsfläche 24 mit einem kleineren Außendurchmesser "d" als dem Außendurchmesser "D" der Dichtungefläche 10 des Rotors 1 aufweist, so daß die ringförmige Dichtungsfläche 24 des Stators 16 der

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Dichtungsflache 10 des Rotors 1 gegenübersteht und in bezug auf den rohrförmigen Ansatz 14 koaxial angeordnet ist;

d) eine elastische Einrichtung, in der Form von Druckfedern 26, welche die ringförmige Dichtungsfläche 24 des Stators 16 in dichtenden Kontakt mit der Dichtungsfläche 10 des Rotors 1 bringen, um das Entweichen von dazwischen befindlichem Druckfluid zu verzögern, und

e) durch einen Außendurchmesser "D" der ringförmigen Dichtungsfläche 10 des Rotors 1, die nicht kleiner ist als d + 2x, wobei d der Außendurchmesser der ringförmigen Dichtungsfläche 24 des Stators 16 ist, und wobei χ die radiale Exzentrizität des rohrförmigen Ansatzes 14 ist.

Im Idealfall sind die radiale Exzentrizität "x" des rohrförmigen Ansatzes 14 und des Stators 16 sowie die ringförmige Dichtungsfläche 24 des Stators 16 gleich ^, wobei w die Breite der ringförmigen Dichtungsfläche 24 des Stators 16 ist, weil dann jeder Abschnitt der Dichtungsfläche 10 während einer Umdrehung des Rotors 1 freigelegt wird.

Die radiale Exzentrizität χ kann größer sein als ^, weil dann jeder Abschnitt der Dichtungsfläche 10 während einer Umdrehung des Rotors 1 noch freigelegt wird.

Die radiale Exzentrizität χ kann auch geringer sein als |j, jedoch wird dann nur ein Teil der Dichtungsfläche 10 während einer Umdrehung des Rotors 1 freigelegt.

Vorzugsweise ist der Stator 16 lose an dem rohrförmigen Ansatz 14 angebracht, um die Möglichkeit zu schaffen, daß der Stator 16 eine Kippbewegung oder Schwenkbewegung ausführen

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kann, so daß dadurch ein Schlagen oder Fehlausrichtungen der Welle aufgrund von Herstellungstoleranzen aufgefangen werden können.

Der hinsichtlich seiner Geometrie achsensymmetrische Rotor 1, der jedoch hinsichtlich der Belastung nicht achsensymmetrisch "beaufschlagt wird, ist vorzugsweise aus einem hinreichend starren bzw. festen Material mit einem großen Elastizitätsmodul hergestellt, während das Material, aus welchem der hinsichtlich der Geometrie achsensymmetrische und hinsichtlich der Belastung achsensymmetrische Stator hergestellt ist, einen geringen Elastizitätsmodul haben kann, und es kann auch die ringförmige Dichtungsfläche 24 eine verhältnismäßig geringe Festigkeit haben, ohne daß dadurch eine nicht-achsensymmetrische Verformung auftritt.

Der Rotor 1 ist an einem Absatz 32 auf der Drehwelle 4 angebracht und ist durch einen Keil 6 fest mit der Drehwelle verbunden. Er ist weiterhin durch eine Gewindemutter 8 gesichert, welche auf einen Gewindeansatz 34 der Drehwelle 4 aufgeschraubt ist, so daß der Rotor fest gegen den Absatz 32 angedrückt ist. Die Gewindemutter 8 hält den Rotor 1 fest in seiner Lage, und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle durch die ringförmige Dichtungsfläche 24 des Rotors 16 ein Druck ausgeübt wird und unabhängig von den Druckkräften des abgedichteten Fluids, dessen Entweichen durch entsprechende Abdichtung nach außen oder nach innen zwischen den Dichtungsflächen 24 und 10 unterbunden wird, und zwar in Abhängigkeit davon, auf welcher Seite ein größerer Druck herrscht.

Vorzugsweise weist die ringförmige Dichtungsfläche 24 des Stators 16 die Form eines kreisringförmigen Vorsprunges 3&

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auf der ringförmig ausgebildeten Stirnfläche 38 des Stators 16 auf.

Im Betrieb dreht die Drehwelle 4- während ihrer Rotation den Rotor 1, während eine bestimmte Menge des unter Druck stehenden Fluids, welches abgedichtet wird, zwischen den einander gegenüber angeordneten Stator- und Rotor-Dichtungsflächen 24- bzw. 10 hindurchgehen kann, so daß an der Trennstelle eine Schmierung hervorgerufen wird. Das unter Druck stehende Fluid ist nicht in der Lage, an den O-Ring-Dichtungen 2 und 18 vorbeizugehen.

Während der Drehung des Rotors wird die Dichtungsfläche 30, welche durch die ringförmige Dichtungsfläche 24 abgedeckt ist, intermittierend zur Kühlung freigelegt, so daß die verwendete Dichtung dabei bei höheren Fluiddrücken und in größeren Abmessungen arbeiten kann, als dies bei herkömmlichen Drehwellen-Flächendichtungen der Fall war. Anstatt der Bezeichnung Flächendichtung könnte auch Stirnflächendichtung gesetzt werden.

Obwohl die ringförmige Dichtungsfläche 24 des Stators 16 exzentrisch angeordnet ist, wirkt keine exzentrische Belastung auf den Stator 16, der zu einer nicht-achsensymmetrischen Verformung des Stators 16 führen könnte.

In anderen Ausführungsformen nach der Erfindung wird das unter Druck stehende Fluid in radialer Richtung nach innen oder nach außen zwischen der ringförmigen Dichtungsfläche 24 und der Dichtungsfläche 30 hindurchgeführt, und zwar in Abhängigkeit davon, auf welcher Seite der Trennwand 12 der Druck höher ist, woraus sich die Richtung ergibt, in welcher

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die Dichtung wirksam wird.

Typische Abmessungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der in der Fig. 1 dargestellten Drehwellen-Flächendichtung sind folgende:

a) der Drehwellendurchmesser "dr" beträgt 12,06 cm (4 3/4-"),

b) der Rotor 1 ist 2,5^- cm (1 ") dick und hat einen Außendurchmesser "D", welcher dem Außendurchmesser der Rotordichtungsfläche von 10,68 cm (7 3/4 ") entspricht,

c) die Exzentrizität "x" beträgt 0,63 cm (1/4 ")

d) der Außendurchmesser des rohrförmigen Ansatzes beträgt 16,00 cm (6,3 "), und zwar für eine gut ausgeglichene Dichtung, bei welcher der höhere Druck auf der Außenseite der Dichtungsflächen herrscht, oder 17,01 cm (6,7 ") für eine gut ausgeglichene Dichtung, wobei der höhere Druck auf der Innenseite der Dichtungsflächen herrscht,

e) der Stator 16 hat einen Außendurchmesser von 20,32 cm (8 "), einen Innendurchmesser von 13,97 cm (5 1/2 ") und ist 3,81 cm (1 1/2 ") lang,

f) die ringförmige Dichtungsfläche des Stators hat einen Außendurchmesser "d" von 17,78 cm (7 ") und einen Innendurchmesser von 15,24 cm (6 "), was eine Dichtungsflächenbreite "w" von 0,13 cm (1/2 ") ergibt.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Drehwellen-Flächendichtung, gekennzeichnet durch folgende Teile:

a) durch einen drehfest und dicht auf der Drehwelle angebrachten Rotor, wobei der Rotor entlang der Drehwelle gegen eine Längsbewegung gesichert ist und auf einer Seite eine ringförmige Dichtungsfläche aufweist,

b) durch eine Trennwand, durch welche hindurch sich die Drehwelle erstreckt, so daß sie in bezug auf die Trennwand eine Relativbewegung ausführen kann, wobei die Trennwand einen Ansatz hat, der in bezug auf die Drehachse der Drehwelle in radialer Richtung exzentrisch angeordnet ist und durch welchen hindurch sich die Drehwelle erstreckt,

c) einen Stator auf der Drehwelle, welcher auf dem rohrförmigen Ansatz der Trennwand dicht angeordnet ist, wobei der Stator gegen eine Drehung in bezug auf den rohrförmigen Ansatz gesichert ist und in bezug auf den rohrförmigen Ansatz entlang der Drehwelle gleiten kann, wobei der Stator eine ringförmige Dichtungsfläche mit einem kleineren Außendurchmesser als demjenigen der Dichtungsfläche des Rotors aufweist, und wobei die ringförmige Dichtungsfläche des Stators der Dichtungsfläche des Rotors gegenüber steht und im wesentlichen koaxial in bezug auf den rohrförmigen Ansatz angeordnet ist,

d) durch eine elastische Einrichtung, durch welche die ringförmige .Dichtungsfläche des Stators in einen dichtenden Eingriff mit der Dichtungsfläche des Rotors gebracht wird, so daß ein federnder Eingriff erfolgt, um das Entweichen von unter Druck stehendem Fluid zwischen diesen Teilen zu verhindern, und

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ORIGINAL INSPECTED

e) durch, einen Außendurchmesser "Γ" der ringförmigen Bichtungsflache des Eotors, der nicht kleiner ist als d + 2x, wobei d der Außendurchmesser der ringförmigen Dichtungsfläche des Stators ist und wobei χ die radiale Exzentrizität des rohrförmigen Ansatzes ist.
2. Drehwellen-Flächendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Exzentrizität "x" des rohrförmigen Ansatzes und des Stators sowie der ringförmigen Dichtungsfläche des Stators gleich ™ ist, wobei w die Breite der ringförmigen Eichtungsfl'-Jchp des Stators ist.
3. Drehwellen-Dichtung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator lose mit dem rohrförmigen Ansatz verbunden ist, damit der Stator kippen oder schwenken kann, um nicht ausgeglichene Kräfte aufgrund der Rotation des Rotors oder aufgrund eines nicht-achsensymmetrisch wirkenden Fluiddruckes auszugleichen.
4-. Drehwellen-Flächendichtung nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor an einem Absatz der Drehwelle angebracht ist und durch einen Keil uric durch eine Gewindemutter fest mit der Welle verbunden ist, welche auf einen Gewindeansatz der Drehwelle derart aufschraubbar ist, daß sie den Rotor gegen den Ansatz drückt, und daß die Gewindemutter den Rotor hält, und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle der Druck durch die ringförmige Dichtungsfläche des Rotors und durch die Kräfte des abzudichtenden Fluids wirkt.
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Drehv'fi] 1 en-Flächenri j chtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Dichtungsflache cee Ctaio^Ti3 die Form eines kreisringförmigen Vorsprunges puf eier ringförmigen Stirnfläche des Stators aufwei ri-.
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BAD ORIGINAL