DE3428744A1

DE3428744A1 - Befestigung von ringfoermigen siliziumcarbid-bauteilen an metalltraegerteilen

Info

Publication number: DE3428744A1
Application number: DE19843428744
Authority: DE
Inventors: Emil 8264 Waldkraiburg Neuburger; Harry 8261 Jettenbach Schommer
Original assignee: DICKOW PUMPEN KG
Current assignee: DICKOW PUMPEN KG
Priority date: 1983-08-12
Filing date: 1984-08-03
Publication date: 1985-02-28

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Befestigung von ringförmigen Siliziumcarbid-Bauteilen an Metallträgerteilen.
Bei Verbindungen von Siliziumcarbid-Bauteilen und Metallträgerteilen treten bei Belastung dieser Verbindungen mit hohen Betriebstemperaturen durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Siliziumcarbid und Metall Probleme auf, wenn die Siliziumcarbid-Bauteile konstruktiv mit metallischen Trägerteilen verbunden werden.
Siliziumcarbid ist hoch verschleißfest und nahezu gegen alle gebräuchlichen Fördermedien beständig. Im Gegensatz zu Wolframcarbid handelt es sich bei Siliziumcarbid um ein reines Material ohne zusätzlichen Binder, wie z.B. Nickel oder Kobalt-Zusätze.
Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich Siliziumcarbid z. B.
hervorragend als Gleitringwerkstoff für Apparaturen, die in der chemischen Industrie eingesetzt werden sollen.
Siliziumcarbid-Gleitringe wurden bisher auf verschiedene Weise im feststehenden Dichtungsgehäuse befestigt bzw. am rotierenden Dichtungsteil gelagert.
Bei der Lagerung der Siliziumcarbid-Gleitringe in Elastomeren, z. B. O-Ringen, Manschetten und dergleichen, wurden die Seststehenden und die rotierenden Gleitringe an ihrem äußeren Umfang elastisch in einem O-Ring oder einer Manschette aus gummiartigen oder elastischen Werkstoffen, wie z.B. Buna, Viton oder Polytetrafluoräthylen usw. gelagert. Die Gleitringe wurden gegen Verdrehung zusätzlich durch einen radialen Stift oder ein ähnliches Element gesichert. Die Einsatzmöglichkeit solcher Gleitringanordnungen ist begrenzt durch die Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit der verwendeten elastomeren Werkstoffe.
Es sind auch Schrumpfverbindungen für Gleitringe bekannt.
Hierbei werden die Gleitringe an ihrem äußeren Umfang in das Trägermaterial eingeschrumpft. Dabei ist zu beachten, daß 6 Siliziumcarbid einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5.10 °K aufweist. Dieser Ausdehnungskoeffizient ist kleiner als derjenige des Trägermaterials. Er beträgt beispielsweise nur etwa ein Drittel des Wertes eines gebräuchlichen Chrom-Nickel-Stahls oder etwa 80% einer als Inconel bekannten Legierung (X10 Ni 42).
Bei einer angenommenen Betriebstemperatur von 300°C und einem angenommenen Durchmesser von 50 mm bedeutet dies, daß der Siliziumcarbid-Ring mit einem Übermaß von etwa 0,3 mm in das Trägermaterial eingeschrumpft werden muß, wofür die Temperaturdifferenz zwischen Siliziumcarbid-Gleitring und Metallträgerteil bei etwa 3500C liegen muß.
Bei dieser Verbindung entstehen beim Abkühlen erhebliche Spannungen im Siliziumcarbid-Gleitring. Diese Spannungen bauen sich beim Aufheizen im Betrieb durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten wieder ab. Es findet also eine ständige Spannungsänderung im Gleitring statt. In der Praxis bedeutet dies, daß sich die Gleitflächen ständig verformen und Undichtigkeiten an den Gleitflächen entstehen.
Mit zunehmender Temperatur nimmt im allgemeinen bei den abzudichtenden Medien der Druck zu und die Viskosität ab. Bei zunehmenden Temperaturen treten also die abzudichtenden Medien immer leichter durch die Dichtungselemente durch, und die Abdichtung wird schwieriger.
Entsprechende Schwierigkeiten treten z. B. auch dann auf, wenn Siliziumcarbid aufgrund seiner überragenden Verschleißfestigkeit und chemischen Beständigkeit als Werkstoff für Wellenschutzhülsen eingesetzt werden soll. Einerseits muß eine solche Wellenschutzhülse mit möglichst geringem Spiel auf der Welle angeordnet werden, um den erforderlichen Rundlauf zu gewährleisten, und andererseits muß genügend Spiel vorhanden sein, um zu vermeiden, daß durch Ausdehnung der Welle in der Siliziumcarbidhülse Spannungen erzeugt werden, die zum Bruch der Hülse führen würden. Ebenso muß eine sichere Befestigung der Hülse zur Mitnahme durch die Welle gewährleistet sein.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Befestigung zwischen Siliziumcarbid-Bauteilen und Metallträgerteilen zu schaffen, bei der die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen diesen Werkstoffen keine Rolle spielen und nicht zu einem Verlust der Dichtwirkung oder zu einem Bruch der Siliziumcarbid-Bauteile führen können.
Bei der Erfindung gemäß Anspruch 1 ist zur Lösung dieser Aufgabe zwischen dem Siliziumcarbid-Bauteil und dem Metallträgerteil mindestens ein elastisches Lagerglied angeordnet.
Ein solches elastisches Lagerglied nimmt bei Temperaturerhöhungen die Wärmedehnungen des sich stärker ausdehnenden Metallträgerteils auf, so daß keine unzulässigen Verformungen oder Spannungen in dem Siliziumcarbid-Bauteil auftreten können, die zu einem Verlust der Abdichtung oder zu einem Bruch führen könnten.
In Weiterbildung der Erfindung soll bei Ausbildung der ringförmigen Siliziumcarbid-Bauteile als Gleitringe eine Gleitringdichtung geschaffen werden, deren Dichtungswirkung sich bei zunehmender Temperatur erhöht oder verbessert, ohne daß eine Verformung oder Leckage der Gleitringdichtung, insbesondere an den Gleitflächen, auftritt.
Diese Unteraufgabe wird durch die in Anspruch 2 gekennzeichnete Ausbildung der Befestigung mittels- einer Gleitringdichtung gelöst, bei der die Siliziumcarbid-Gleitringe an ihrem inneren Umfang auf symmetrisch angeordneten, vorgepreßten Dichtringen gelagert sind. Wegen der symmetrischen Anordnung wirken sich die im Betrieb durch Temperaturänderung entstehenden Kräfte gleichmäßig auf beide Gleitringe aus. Die radial innerhalb der Gleitringe liegenden Dichtringe sind so vorgepreßt, daß die Verbindung bereits in kaltem Zustand dicht ist. Bei Erhöhung der Betriebstemperatur dehnt sich das Metall der Trägerteile stärker aus als die Siliziumcarbid-Gleitringe, wodurch die Dichtwirkung zusätzlich erhöht wird. Dieser Effekt ist besonders vorteilhaft bei Medien, bei denen sich bei der Temperaturerhöhung der Druck an der Dichtung erhöht und bei denen bei Temperaturerhöhung die Viskosität abnimmt. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Gleitringdichtung eingesetzt werden zum Abdichten von Wärmeträgern, wie z.B. Diphyl oder Dowtherm.
In einer anderen Weiterbildung kann die Erfindung auch zur Befestigung von Siliziumcarbid-Büchsen oder -Hülsen auf Trägerwellen, beispielsweise Pumpenwellen,mit den Merkmalen von Anspruch 7 eingesetzt werden. Der elastische metallische Lagerring nimmt bei Temperaturerhöhungen die Wärmedehnungen der Trägerwelle auf, so daß keine unzulässigen Spannungen in der Wellenschutzhülse entstehen können, die zum Bruch führen könnten, und trotzdem gewährleistet der elastische Lagerring eine gute Rundlaufgenauigkeit.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Fig, 1 zeigt die allgemeine Anordnung einer erfindungsgemäßen Gleitringdichtung im Axialschnitt-, Fig. 2 zeigt die Gleitringanordnung im Axialschnitt in vergrößertem Maßstab, Fig. 3 zeigt eine Lagerung einer Pumpenwelle im Axialschnitt, Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie A-B durch Fig. 3.
Gemäß Fig. 1 und 2 ist die Gleitringdichtung auf einer Welle 1 zwischen einem mit der -Welle umlaufenden Metallträgerteil 5 und einem feststehenden Metallträgerteil 6 angeordnet, durch das die Welle 1 hindurchgeführt ist. Auf den Metallträgerteilen 5 und 6 sind Dichtringe 9.1 und 9.2 aus vorgepreßtem, hochtemperaturbeständigem Graphit gelagert bzw. aufgepreßt.
Der Dichtring 9.1 steht also mit dem Metallträgerteil 6 fest, und der Dichtring 9.2 läuft mit dem Metallträgerteil 5 um. Auf die Graphit-Dichtringe 9.1 und 9.2 sind Gleitringe 2.1 und 2.2 aus Siliziumcarbid aufgesetzt. Der innere Durchmesser der Siliziumcarbid-Gleitringe 2.1 und 2.2 ist also gegenüber den Dichtringen 9.1 und 9.2 abgedichtet. Die Dichtringe 9.1 und 9.2 sind symmetrisch zu den Gleitringen 2.1 und 2.2 und damit symmetrisch zu der Gleitfläche zwischen den Gleitringen 2.1 und 2.2 angeordnet.
Die Dichtringe 9.1 und 9.2 sind ferner durch Sicherungsringe 6.1 und 6.2 auf den Metallträgerteilen 5 und 6 gehaltert und von den Sicherungsringen 6.1 und 6.2 eingeschlossen oder eingekammert. Die Dichtringe 9.1 und 9.2 können sich also nicht im Betrieb deformieren.
Die Siliziumcarbid-Gleitringe 2.1 und 2.2 sind gegen Verdrehung auf den Metallträgerteilen 5 und 6 durch axiale Stifte 12 gesichert, die am Außenumfang der Gleitringe 2.1 und 2.2 angreifen und die axial in die Metallträgerteile 5 und 6 eingreifen.
Eine axiale Abdichtung der Siliziumcarbid-Gleitringe 2.1 und 2.2 erfolgt ferner durch flache Ringdichtungen 10 aus einem elastischen Werkstoff, die durch eine axiale Federkraft der Gleitringdichtung (Federbalg 13 in Fig. 1) unter Vermittlung der Siliziumcarbid-Gleitringe 2.1 und 2.2 elastisch gegen die Metallträgerteile 5 und 6 angepreßt werden.
Durch die symmetrische Anordnung der Dichtringe 9.1 und 9.2 in Bezug auf die Siliziumcarbid-Gleitringe 2.1 und 2.2 ist eine Verformung der Gleitflächen und damit eine Leckage der Dichtung ausgeschlossen. Die Dichtringe 9.1 und 9.2 sind so ausgelegt, daß sie durch die unterschiedlichen Ausdehnungen zwischen den Siliziumcarbid-Gleitringen 2.1 und 2.2 einerseits und den Metallträgerteilen 5 und 6 andererseits nicht plastisch verformt werden, so daß die Dichtheit der Verbindung bei allen Betriebsbedingungen ständig gewährleistet ist.
Bei der Wellenlagerung nach den Fig. 3 und 4 ist eine Pumpenwelle 21 mit zwei Wellenschutzhülsen 23. aus Siliziumcarbid versehen, die mit der Pumpenwelle 21 umlaufen. Die Siliziumcarbid-Schutzhülsen 23 arbeiten mit diese umgebenden stationären Lagerschalen aus Siliziumcarbid zusammen, die ortsfest in einem Trägergehäuse 28 angebracht sind.
Die Pumpenwelle 21 ist mit Nuten 26 im Bereich der Wellenschutzhülsen 23 versehen. In diese Nuten 26 sind elastische metallische Lagerringe 25 eingelegt, die in Umfangsrichtung Wellenform haben können, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Diese Lagerringe 25 bewirken eine elastische Lagerung der Siliziumcarbid-Wellenschutzhülsen 23 mit einer Rundlaufgenauigkeit von etwa 0,01 bis 0,03 mm, und diese elastischen Lagerringe 25 nehmen. bei Temperaturerhöhungen die Wärmedehnung der Pumpenwelle 21 so auf, daß keine unzulässigen Spannungen in den Wellenschutzhülsen 23 entstehen, die zum Bruch dieser Hülsen führen könnten.
Die Übertragung des Drehmoments der Pumpenwelle 21 bzw. die Mitnahme der Siliziumcarbid-Wellenschutzhülsen 23 erfolgt durch vorgepreßte Graphitringe 29 zwischen auf der Pumpenwelle 21 angeordneten Bunden 30 und 31 einerseits und den Wellenschutzhülsen 23 andererseits. Die Wellenschutzhülsen 23 sind mittels der Graphitringe 29 axial auf der Pumpenwelle 21 festgespannt.
Die Graphitringe 29 sind so vorgepreßt, daß sie die axiale Ausdehnung der Pumpenwelle 21 bei Temperaturerhöhung ausgleichen und die Verbindung über den gesamten Betriebs-Temperaturbereich kraftschlüssig halten.

Claims

Befestigung von ringförmigen Siliziumcarbid-Bauteilen an Metallträgerteilen Patentansprüche 1. Befestigung von ringförmigen Siliziumcarbid-Bauteilen an Metallträgerteilen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen dem Siliziumcarbid-Bauteil (2.1, 2.2; 23) und dem Metallträgerteil (5, 6; 21) mindestens ein elastisches Lagerglied angeordnet ist (9.1, 9.2, 10; 25, 29).
2. Befestigung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß bei Ausbildung der ringförmigen Siliziumcarbid-Bauteile als Gleitringe (2.1, 2.2) einer Gleitringdichtung-sowohl der feststehende (2.1) als auch der umlaufende Siliziumcarbid-Gleitring (2.2) an ihrem inneren Umfang auf vorgepreßten Dichtringen (9.1, 9.2) gelagert sind, die ihrerseits auf den Metallträgerteilen (5, 6) aufgepreßt sind und die symmetrisch zu den Siliziumcarbid-Gleitringen (2.1, 2.2) angeordnet sind.
3. Befestigung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß die vorgepreßten Dichtringe (9.1, 9.2) aus hochtemperaturbeständigem Graphit bestehen.
4. Befestigung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Dichtringe (9.1, 9.2) durch Sicherungsringe (6.1, 6.2) auf den Metallträgerteilen (5, 6) gehaltert und eingeschlossen sind.
5. Befestigung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Siliziumcarbid-Gleitringe (2.1, 2.2) gegenüber den Metallträgerteilen (5, 6) in axialer Richtung über Flachdichtungen (10) abgedichtet sind, die über die Siliziumcarbid-Gleitringe (2.1, 2.2) durch eine axiale Federkraft (13) der Gleitringdichtung zusammengepreßt sind.
6. Befestigung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß die Siliziumcarbid-Gleitringe (2.1, 2.2) gegen Verdrehung gegenüber den Metallträgerteilen (5, 6) durch axiale Stifte (12) gesichert sind.
7. Befestigung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß bei Ausbildung der ringförmigen Siliziumcarbid-Bauteile als Schutzhülsen (23) einer Trägerwelle (21) zwischen der Wellenschutzhülse (23) und der Trägerwelle (21) ein elastischer metallischer Lagerring (25) angeordnet ist.
8. Befestigung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß der elastische Lagerring (25) in Umfangsrichtung wellenförmig ausgebildet ist.
9. Befestigung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß axial zwischen der Wellenschutzhülse (23) und der Trägerwelle (21) vorgepreßte Graphitringe (29) eingespannt sind.
10. Befestigung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der elastische Lagerring (25) in eine Nut (26) der Trägerwelle (21) eingelegt ist.