DE2838221A1 - Mechanische wellenabdichtung - Google Patents
Mechanische wellenabdichtungInfo
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J. Pfenning, Dipl.-ing. · Berlin Dr. I. Maas, Olpl.-Chem. ■ München
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Telefon:
030-8812008/8812009
Telegrammadresse: Seilwehrpatent
Berlin
Date
30. August 1978
INSINÖÖRITOIMISTO PäINETEKNIIKKA OY
SF-4O95O Muurame, FINNLAND
Mechanische Wellenabdichtung
909812/0782
Ja"
Diese Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Wellenabdichtung
zum Abdichten eines Spalts zwischen einem rotierenden Element und einem stationären Element zwecks Trennung eines
Druckmittelraumes von einem äusseren Raum, welche Wellenabdichtung
wenigstens einen, an eines der Elemente gestützten, beweglichen Abdichtungsring, der gegen dieses Element abdichtet,
und wenigstens einen, an das andere Element befestigten, auf der Druckraumseite des Abdichtungsringes befindlichen Gegenring,
welcher gegen dieses Element abdichtet, wobei der Abdichtungsring und der Gegenring mit, aneinander axialgedrückten
abdichtenden Gleitflächen versehen sind, und einen, zwischen dem einen Element und dem Abdichtungsring befindlichen, an die
erwähnten Gleitflächen grenzenden Zwischenraum für eine Sperrflüssigkeit
und einen, am Abdichtungsring angeordneten Ringsatz umfasst, mittels welchem der Druck des Druckmittels auf
die Gleitfläche des Abdichtungsringes eine schliessende Kraft ausübt, welche Kraft grosser als die, durch den Druck des
Druckmittels ausgeübte, die Gleitflächen öffnende Kraft ist.
Eine Abdichtung solcher Art wird in Pumpen, Mühlen, Bläsern etc. verwendet, wo sich eine rotierende Welle durch eine
stationäre Wand erstreckt. Auf den verschiedenen Seiten der Wand sind normalerweise verschiedene Drucke und verschiedenartige
Flüssigkeiten und Gase vorhanden. Somit kann das Druckmittel eine Flüssigkeit oder ein Gas sein und der auswändige
Raum kann aus einem unter lieber- oder Unterdruck oder atmosphärischem Druck stehenden oder Flüssigkeits- oder Gasraum oder
aus der Atmosphäre bestehen« Als Sperrflüssigkeit wird meistens
Wasser benutzt.
Es ist auf vielen Gebieten bekannt, mechanische Wellenabdichtungen
dieser Art zu benutzen zwecks Abdichten von unter Druck
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stehenden Flüssigkeiten gegen die Atmosphäre. Das Abdichten kann entweder mittels einer solchen Abdichtung ausgeführt werden,
wo der Druck des verwendeten Sperrwassers kontinuierlich, auch bei einer Maschine ausser Gang, höher ist als der Flüssigkeitsdruck,
oder mittels einer Abdichtung, wo der Druck des SpeTrwassers immer niedriger sein soll, als der Flüssigkeitsdruck.
Wenn eine solche Abdichtung verwendet wird, wo der Druck des
Sperrwassers immer höher sein soll, als der Flüssigkeitsdruck, ist es schwer bei allen Verhältnissen darüber sicher zu sein,
dass die Menge von unter Lieberdruck stehendem Sperrwasser z.B. bei elektrischen Störungen ausreicht. Zur Ausschliessung von
Störungen der Elektrizitätsverteilung bei der Erzeugung von
ausreichenden Quantitäten von Sperrwasser unter ausreichendem Druck, wird man dazu gezwungen, komplizierte und kostspielige,
mit Reservekraftquellen versehene Sperrwassersysteme aufzubauen.
Sollte der Sperrwasserdruck jedoch, trotz allen Reserveanordnungen,
aus irgendeinem Grunde unter den Flüssigkeitsdruck sinken, wird der auf der Flüssigkeitsseite befindliche
Abdichtungsring durch den Flüssigkeitsdruck axial verschoben und Flüssigkeit drängt zwischen den abdichteten Gleitflächen
in den Sperrwasserraum. Wenn Verunreinigungen in der Flüssigkeit vorhanden sind, verschleissen die dichtenden Gleitflächen
schnell oder sie können Stockungen im Sperrwasserraum veranlassen oder ein erneutes Schliessen der Gleitflächen verhindern.
Hierbei wird die Abdichtung verdarben.
Wenn wieder eine solche Abdichtung verwendet wird, wo der
Sperrwasserdruck niedriger sein soll, als der Flüssigkeitsdruck, wird ein zwischen den Gleitflächen befindlicher
schmierender Film nicht aus dem Sperrwasser, sondern aus der
Flüssigkeit gebildet. Wenn die Flüssigkeit z.B. ätzend ist, verursacht der schmierende Flüssigkeitsfilm ein rascheres Ätzen
der Gleitflächen auf der Flüssigkextsseite, oder wenn die
schmierenden Eigenschaften der Flüssigkeit schwach sind, wird
hierdurch eine raschere Abnutzung der auf der Flüssigkeitsseite befindlichen Gleitfläche als bei der Verwendung von unter
Ueberdruck stehendem Sperrwasser veranlasst. Wenn der Druck des
Dichtungswassers, aus irgendeinem Grunde, über den Flüssigkeitsdruck steigt, öffnen sich die auf der Flüssigkeitsseite
befindlichen Gleitflächen und Flüssigkeit kann in den Sp.errwasserraum drängen. Die in der Flüssigkeit vorhandenen Verunreinigungen
können das erneute Schliessen der Gleitflächen verhindern und den Sperrwasserraum verstopfen. Die oben angeführten
Ursachen können in wesentlichem Masse die Lebensdauer der Abdichtungen verkürzen und sie kann wegen eines falschen Sperrwasserdruckes
verdorben werden.
Die Aufgabe dieser Erfindung ist, eine mechanische Wellenabdichtung
zu erzielen, deren Dichtungsvermögen von der Höhe des Sperrflüssigkeitsdruckes im Verhältnis zum Druckmitteldruck unabhängig
ist. Dieses wird mittels einer erfindungsgemassen Wellenabdichtung
erzielt, welche dadurch gekennzeichnet ist„ dass der Abdichtungsring mit einem, gegen eines der Elemente abdichtenden
Kolben versehen ist, mittels welchem die Sperrflüssigkeit den Abdichtungsring in Richtung zum Druckmittelraum
hin drückt und der so gross ist, dass die, von dem Druck der
Sperrflüssigkeit ausgeübte, die Gleitflächen öffnende Kraft
kleiner ist, als die, von dem Druck der Sperrflüssigkeit ausgeübte
schliessende Kraft und dass der Gleitraum des Kolbens
durch einen Kanal mit einem1 unter Druck stehenden Raum verbunden
ist. ■ '
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In einer erfindungsgemäss erzielten Wellenabdichtung kann der
Sperrflüssigkeitsdruck höher oder niedriger als der Druckmittelsdruck
sein, ohne dass sich die Gleitflächen durch Einfluss des Druckmitteldruckes oder der Sperrflüssigkeitsdruckes oder
durch den gleichzeitigen Einfluss der beiden öffnen. In einer erfindungsgemässen Wellenabdichtung veranlasst der erwähnte
ringförmige Ansatz des Abdichtungsringes, dass die, durch den Druckmitteldruck auf den Gleitflächen wirkende öffnende Kraft
kleiner ist als die von dem Druckmitteldruck veranlasste schliessende Kraft, wogegen der erwähnte ringförmige Kolben des
Abdichtungsringes veranlasst, dass der vom Sperrflüssigkeitsdruck auf den Gleitflächen wirkende öffnende Kraft bei allen
Verhältnissen kleiner ist als die, vom Sperrflüssigkeitsdruck
veranlasste schliessende Kraft. Hierdurch ist das Abdichtungsvermögen der Wellenabdichtung von der Höhe des Sperrflüssigkeitsdruckes
im Verhältnis zum Druckmitteldruck unabhängig. Der aus dem Gleitraum des Kolbens in einen Raum unter Druck, z.B. in
die Aussenluft führende Kanal versichert, dass die, von der axialen Bewegung des Abdichtungsringes verursachte Änderung im
Volumen des Gleitraums des Kolbens, nicht die Funktion der Abdichtung stört.
Die Erfindung wird unten mehr im Einzelnen betrachtet, und zwar
mit Bezug auf die beigelegten Zeichnungen, wo
Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Wellenabdichtung, fertig montiert, darstellt.
Figur 2 den Abdichtungsring und den Abdichtungskörper der Wellenabdichtung,
auseinander gesondert, als Axialschnitt, darstellt.
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Figur 3 das Betätigungsprinzip der Wellenabdichtung in grösserem
Format darstellt, und
Figur 4 eine alternative Ausführungsform der Wellenabdichtung
darstellt.
Auf den Zeichnungen sind eine rotierende Welle 1 z.B. einer
Flüssigkeitspumpe und ein stationäres Gehäuse 2 dargestellt. Der Spalt zwischen der Welle und dem Gehäuse ist mit einer ringförmigen
Wellenabdichtung 3 abgedichtet. Inrarhalb des Gehäuses
(links auf der Figur 1) befindet sich ein Druckraum 4 für eine
Druckflüssigkeit und ausserhalb des Gehäuses (rechts auf der
Figur 1) ist die Atmosphäre 5.
Die Wellenabdichtung 3 umfasst einen, auf dem Gehäuse angeordneten
festen ringförmigen Abdichtungskörper B, zwei zwischen dem
Abdichtungskörper und der Welle befindliche Abdichtungsringe 7, 8 und zwei auf entgegengesetzten Seiten liegende, an der
Welle befestigte Gegenringe 9, 10. Die Sperrschrauben der Gegenringe
sind mit den Hinweisnummern 9', 10' versehen. Die Gegenringe sind in einer an sich bekannten Weise gegen die Welle mit
Ringabdichtungen 11 und der Abdichtungskörper 6 gegen das Gehäuse 2 mit Ringabdichtungen 12 abgedichtet. Die Abdichtungsringe 7, 8 sind gleichsam gegen den Abdichtungskörper 6 mit
Ringabdichtungen 13 abgedichtet. Beide Gegenringe haben gegen die Abdichtungsringe gerichtete Gleitflächen 14, 15 und die,
gegen die Gegenringe gerichteten Enden der Abdichtungsringe haben entsprechende Gleitflächen 16, 17. Zwischen den Abdichtungsringen
7, 8 befindliche Druckfedern 18 drücken die Abdichtungsringe
auseinander* sodass die Gleitflächen paarweise aneinandergedrückt
werden. Zwischen.den Abdichtungsringen und der Welle bleibt ein Zwischenraum 19 für Sperrwasser und im Gehäu-
se 2 gibt es einen Einlaufkanal 20 und einen Ablaufkanal 21 für Sperrwasser. Am druckraumseitigen Abdichtungsring 7 gibt
es einen ringförmigen Ansatz 22 zu einem spater zu erläuterndem Zweck.
An dem äusseren Ende des druckraumseitigen Abdichtungsringes 7 ist ein ringförmiger abdichtender Kolben 23 befestigt. Der
Kolben umfasst eine elastische Ringabdichtung 24 (Figur 2), auf deren entgegengesetzten Seiten Stützplatten 25, 26 angeordnet
sind» Die Kombination 24, 25, 26 ist axial unbeweglich mit einer Schraube 27 an dem Abdichtungsring 7 befestigt. Für
den Kolben ist an dem Abdichtungskörper 6 ein zylinderförmiger
Glsitraurn 28 zur Axialbewegung des mit dem Abdichtungsring zusammen
beweglichen Kolbens geformt. Durch den Dichtungskörper erstreckt sich ein radialer Kanal 29. Das innere Ende des
Kanals steht in Verbindung mit dem erwähnten Gleitraum 28 durch einen Zwischenraum zwischen diesem Gleitraum und der
Ringabdichtung 13. Der Kanal 29 des Abdichtungskörpers ist
durch einen, sich durch den Körper erstreckenden Kanal 3D mit der Atmosphäre 5 in Verbindung.
In der oben beschriebenen Konstruktion neigt die Druckflüssigkeit
31 (Figur 3) dazu, aus dem Druckraum 4 zwischen die Gleitflächen 14, 16 einzudrängen und eine, die Gleitflächen
öffnende Kraft F, zu veranlassen
(1) F1 = Pn . A1.
wo ρ der Druckflüssigkeitsdruck und A1 die effektive Fläche
der Gleitflächen ist. Die Druckflüssigkeit wirkt auch auf den
Ansatz 22 und veranlasst eine, die erwähnten Gleitflächen 14,
10
IB schliessende Kraft F-
(2) F2 - pn . A2 ,
wo A- die effektive Fläche des Ansatzes ist.
Das Sperrwasser 32 neigt entsprechend dazu, zwischen die erwähnten
Gleitflächen 14, 16 einzudrängen und eine, die Gleitflächen öffnende Kraft f, zu veranlassen
(3) "P1 a Pl ■ A1 ,
wo p, der Sperrwasserdruck ist. Das Sperrwasser wirkt auch auf
den oben beschriebenen Kolben 23 und veranlasst entsprechend eine, die Gleitflächen 14, 16 schliessende Kraft f„
(4) f3
wo A_ die effektive Kolbenfläche ist.
Wenn die, die Gleitflächen 14, 16 schliessende Kraft der Federn
IB mit F . bezeichnet wird,
geschlossen, vorausgesetzt, dass
geschlossen, vorausgesetzt, dass
dern IB mit F . bezeichnet wird, verbleiben die Gleitflächen
(5) F2 ♦ f3 ♦ Fj >
F1 ♦ fx .
Wenn der Sperrwasserdruck p. Null, d.h. niedriger als der
Druck der Druckflüssigkeit ist (und die Federkraft F. der Ein-
fachheit halber mit Null bezeich.net wird.), wird die Bedingung
(5) erfüllt, wenn
(6) A2 ^ Al (pt -- D).
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Wenn der Druckflüssigkeitsdruck ρ Null ist, d.h. der Druckwasserdruck
grosser als der Druckflüssigkeitsdurck ist, wird die
Bedingung (5] erfüllt, wenn
(7) A- \ Al (p„ = O) .
Wenn der Sperrwasserdruck p. und der Druckflüssigkeitsdruck ρ
"Π η
gleich gross sind, wird die Bedingung (5) erfüllt, wenn
(8) A2 ♦ A3 V, A1 Cpt = pn).
2 ♦ A3 V, A1 Cpt = pn
Der Figur 3 kann entnommen werden, dass durch Ausrüsten des Abdichtungsringes
7 mit einem Kolben 23 obenbeschriebener Art, kann immer auf die Gleitflachen 14, 15 eine schliessende
Kraft f- gerichtet werden, welche grosser ist als die öffnende
Kraft f,, ganz abgesehen davon, ob der Druckwasserdruck kleiner
oder grosser als oder ebenso gross wie der Druckflüssigkeitsdruck
ist.
Ois Verbindung des Gleitraums 28 des Kolbens 23 durch dis Kanäle 29, 30 mit der Atmosphäre 5 versichert,, dass die„ durch die
axiale Bewegung des Kolbens im Gleitraum veranlasste Änderung des Volumens des Gleitraums keine,, die Erfüllung der Bedingung
C5} widerstehenden axialsn Zusatzkräfte in der Abdichtung veranlasst.
In den oben angeführten Formeln ist vorausgesetzt worden* dass
die Federkraft der Federn 18 unwesentlich ist„ doh„ dass die
Fadem dimensioniert sind,, nur einen Vordruck dsr Gleitflächen
14, IB und entsprechend 15» 17 aneinander hervorzurufen= Es ist
jedoch klar» dass je grosser dis Federkraft ist» dssto mehr
steigert sie die vom Kolben 23 ausgeübte schliessende Kraft f3<.
Bei zunehmender Federkraft, kann die Kolbenfläche somit entsprechend
herabgesetzt werden.
In der auf der Figur 4 dargestellten Ausführungsform sind die
gleichen Teile mit denselben Hinweisnummern, wie in der vorhergehenden
Ausführungsform bezeichnet worden. Die Konstruktion gemäss Figur 4 weicht von der vorhergehenden Konstruktion zunächst
insofern ab, dass die Abdichtungsringe 7, B anstatt an dem Maschinengehäuse, an der Welle 1 und die Gegenringe 9, 10,
anstatt an der Welle, an dem Maschinengehäuse 2 befestigt worden sind.
Die Zeichnungen und die angeschlossene Beschreibung »ind nur
abgesehen, die Erfindungsidee zu veranschaulichen. In ihren-Einzelheiten
kann die erfindungsgemässe Abdichtung sogar bedeutend im Rahmen der Patentansprüche variieren. Das atmosphärenseitige
Abdichten der Abdichtung kann anstatt durch die Gleitflächen 15, 17, durch irgendeine andere Axialabdichtung erzielt
worden sein. DiB Dichtungsringe 7, 8 können direkt gegen
an dem Maschinengehäuse 2 verarbeitete Gleitflächen abdichten, wobei der Abdichtungskörper 6 ausgelassen werden kann. Auch
wenn oben zwei separate Abdichtungsringe 7, θ vorgelegt worden sind, kann der Abdichtungsring 7 angeordnet werden, direkt gegen
einen auswärtigen Gegenring 10 abzudichten, wobei der Abdichtungsring
θ ausfällt. Der Kolben 23 kann, anstatt aus einem
separaten Stück 24, 25, 26, aus einem, vom Abdichtungsring 7 und einer ringförmigen Flansche geformten Stück, welches in geeigneter
Weise gegen den Abdxchtungskörper 6 abdichtet, bestehen. In der, auf der Figur 2 dargestellten Ausführungsform
ist der Kolben 23 axial unbeweglich an einem Dichtungsring befestigt worden, es ist aber möglich, dass sich zwischen dem
Kolben und der Schraube 27 ein Zwischenraum befindet, weil es
V*
von der Erfindung aus gesehen nur wesentlich ist, dass sich
der Kolben in Richtung zum Druckraum dicht an den Abdichtungsring drückt. Anstatt des sich durch das Maschinengehäuse erstreckenden
Kanals 30, kann der Kanal 29 des Abdichtungskörpers 6 angeordnet sein, sich axial durch den Abdichtungskörper B zu
erstrecken und in die Atmosphäre 5 durch dessen äussere Kante auszumünden. Anstatt der Atmosphäre, kann der Gleitraum 28
durch die Kanäle 29, 30 mit einem separaten Raum 5' (Figur 3) unter konstantem Druck angeschlossen sein, der, trotzdem, dass
der Kolben 2Θ sich in dem Gleitraum axial bewegt, einen konstanten
Druck im Gleitraum beibehaltet.
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Claims (6)
- Patentansprüche:!'•Ylechanische Wellenabdichtung zum Abdichten eines Spaltsischen einem rotierenden Element (1) und einem stationären Element (2) zwecks Trennung eines Druckmittelraumes (4) von einem äusseren Raum (5), welche Wellenabdichtung (3) wenigstens einen, an eines (2) der Elemente gestützten, beweglichen Abdichtungsring (7), der gegen dieses Element (2) abdichtet, und wenigstens einen, an das andere Element (1) befestigten, auf der Druckraumseite des Abdichtungsringes befindlichen Gegenring (9), welcher gegen dieses Element (1) abdichtet, wobei der Abdichtungsring und der Gegenring mit, aneinander axialgedrückten abdichtenden Gleitflächen (14, IB) versehen sind, unc einen, zwischen dem einen Element und dem Abdichtungsring befindlichen, an die erwähnten Gleitflächen grenzenden- Zwischenraum (19) für eine Sperrflüssigkeit (32) und einen, am Abdichtungsring angeordneten Ringsatz (22) umfasst, mittels welchem der Druck des Druckmittels (31) auf die Gleitfläche (16) des Abdichtungsringes eine schliessende Kraft (F7) ausübt, welche Kraft grosser als die, durch den Druck des Druckmittels ausgeübte, die Gleitflächen öffnende Kraft (F,) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdichtungsring mit einem, gegen eines der Elemente (1 oder 2) abdichtenden ringförmigen Kolben (23) versehen ist, mittels dessen die Sperrflüssigkeit (32) den Abdichtungsring (7) in Richtung zum Druckraum (4) hin drückt und' der so gross ist, dass die durch den Druck der Sperrflüssigkeit ausgeübte, die Gleitflächen öffnende Kraft (f,), kleiner ist als die, durch den Druck der Sperrflüssigkeit ausgeübte schliessende Kraft (f3) ist, und dass der Gleitraum (2Θ) des Kolbens (23) durch einen Kanal (29, 30) einem unter Druck stehenden Raum (5) angeschlossen ist.909812/0782
- 2. Wellenabdichtung gemäss Patentanspruch 1, wo an dem stationären Element (2) axial unbeweglich ein Abdichtungskörper (6) befestigt ist, gegen welchen der Abdichtungsring (73 abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Abdichtungskärper (6) ein zylinderförmiger, den Innenkreis des Abdichtungskörpers umschliessender Gleitraum (28) für die axialgerichtete Bewegung des Kolbens (23) geformt ist und dass der Gleitraum mit dem, unter Druck stehenden Raum (5) durch einen, sich durch den Abdichtungskörper erstreckenden Verbindungskanal (29) in Verbindung steht.
- 3. Wellenabdichtung gemäss. Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (29) durch einen, im stationären Element (2) geformten Kanal (30) mit einem Raum unter konstantem Druck, vorzugsweise mit der Atmosphäre (5) verbunden ist.
- 4. Wellenabdichtung gemäss Patentanspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, dass sich der Verbindungskanal axial durch den Abdichtungskörper (6) erstreckt und am äusseren Ende des Abdichtungskörpers in die Atmosphäre ausmündet.
- 5. Wellenabdichtung gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die effektiven Flächen des Ansatzes (22) , des Kolbens (23) und der Gleitflächen (14, 16) in einer solchen Weise dimensioniert sind, dassA v^ Al und A3 v. Al sowie A2 + A3 >ΑχA, = die unter Einfluss des Druckmittels stehende effektiveFläche der Gleitfläche,Ay = die unter dem Einfluss des Druckmittels stehende effektive Fläche des Ansatzes,A3 = die unter Einfluss der Sperrflüssigkeit stehende effektive Fläche des Kolbensbedeuten.
- 6. Wellenabdichtung gemäss Patentanspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, dass der Kolben (23) als eine, von dem Dichtungsring (7) getragene elastische Ringabdichtung (24, 25, 26) geformt ist.909812/0782
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