DE3544783A1 - Wellendichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellendichtung, die einen mit anspritzender Flüssigkeit oder mit Flüssigkeitsschwall beaufschlagten Wellendurchtritt in bekannter Weise labyrinthartig mittels Spritzringen und Fangrinnen abdichtet und bei der mittels erfinderischer Maßnahmen der Durchtritt von Luft, Staub oder Flüssigkeitsnebel verhindert wird.

Zur Abdichtung von auschließlich flüssigkeitsbespritzten oder schwallartig beaufschlagten Wellendurchtritten ist eine Reihe von mehr oder weniger wirksamen berührungslosen Dichtungen bekannt. Als besonders günstig erwiesen sich Ausführungen mit einander überdeckenden Spritzringen und Fangrinnen, die in axialer und in radialer Richtung verhältnismäßig große Spalte aufweisen /1/. Die Fangrinnen bilden zusammen mit gehäusefesten Wänden der Dichtung Fangräume, in denen die Flüssigkeit infolge der Schwerkraft nach unten fließt, wobei die Borde der Fangriemen die Flüssigkeit so leiten, daß dadurch Leckage verhindert wird. Die tiefsten Stellen der Fangräume sind über Rücklaufkanäle mit dem abzudichtenden Innenraum der Maschine verbunden.

Ein Nachteil dieser zur Abdichtung der anspritzenden Flüssigkeit hervorragend geeigneten Spritzring-Fangrinnenlabyrinthe ist deren geringer innerer Luftströmungswiderstand. Infolgedessen kommt es bei der praktischen Anwendung solcher Dichtungen häufig zum Einströmen von staubhaltiger Luft in die Maschine oder umgekehrt zum Ausströmen von Luft, die Flüssigkeitsnebel enthält. Ursache für den Durchtritt von Luft durch die Dichtung sind Luftdruckdifferenzen infolge der Rotation angrenzender Maschinenteile, wie Lüfterräder usw., oder aber die Luftförderwirkung der rotierenden Teile der Dichtung selbst. Die Luft kann sowohl vom Innenraum der abzudichtenden Maschine in die Umgebung als auch in umgekehrter Richtung strömen.

Zur Überwindung dieser Nachteile ist vorgeschlagen worden, ein Spritzring-Fangrinnen-Labyrinth mit einer Magnetflüssigkeitsdichtung zu kombinieren (W. Haas und H. K. Müller: "Berührungsfreie Abdichtungflüssigbespritzter Wellendurchtritte" Z. Konstruktion 36 (1984), H. 9, S. 329-334). Die Magnetflüssigkeitsdichtung bildet hinsichtlich ihrer Eigenschaften eine Zwischenstufe zwischen einer berührungslosen und einer berührenden Wellendichtung. Sie ist im herkömmlichen Sinne verschleißfrei, weist jedoch wegen der hohen Viskosität der Magnetflüssigkeit eine beträchtliche Reibung auf. Dazuhin besteht bei der Abdichtung einer Flüssigkeit mittels einer Magnetflüssigkeitsdichtung die Gefahr, daß Nebeltröpfchen der abzudichtenden Flüssigkeit sich mit der Magnetflüssigkeit vermischen und dadurch die Dichtwirkung mit der Zeit nachhaltig beeinträchtigen. Zudem ist ein solches Dichtsystem verhältnismäßig teuer.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, die Luftströmung durch eine Spritzring- Fangrinnen-Labyrinthdichtung oder durch irgend eine andere labyrinthartige, berührungsfreie Wellendichtungen wesentlich zu vermindern oder zu verhindern auf technisch einfache und wirtschaftlich günstige Weise dadurch gelöst, daß zwischen ein rotierendes Teil und ein stationäres Teil der Dichtung vor dem luftseitig letzten Fangraum eine berührende Dichtung eingebaut wird und daß zusätzlich in den Fangraum selbst oder in den den Fangraum mit dem abzudichtenden Raum verbindenden Rückflußkanal ein Schwimmerventil oder ein Drosselelement eingebaut wird, das den geringen Flüssigkeitsleckstrom der Berührungsdichtung durchläßt und gleichzeitig einen hohen Widerstand gegen Luftdurchströmung aufweist. Das Ventil bzw. das Drosselelement kann entfallen, wenn die Einmündung des Rückflußkanals in den abzudichtenden Raum tiefer liegt als ein dort vorhandener Flüssigkeitsspiegel.

Vorzugsweise wird als berührende Dichtung eine dünne Scheibe aus einem elastischen Werkstoff eingesetzt, die mit einer ihrer Stirnflächen an einer Oberfläche des Gehäuses oder eines gehäusefesten Dichtteils anliegt. Die Anpreßkraft zwischen den sich berührenden Dichtteilen braucht nur sehr klein zu sein, da die Berührungsdichtung gegenüber Flüssigkeitsdurchtritt nicht dicht zu sein braucht. Eine allenfalls noch durch die berührende Dichtstelle durchtretende Flüssigkeitsmenge wird vom letzten Spritzring, der vom abzudichtenden Flüssigkeitsraum her gesehen hinter der Berührungsdichtung angeordnet ist, in den letzten Fangraum abgeschleudert und kann von dort durch das Drosselelement in den abzudichtenden Raum zurückfließen.

In vorteilhafter Weise wirkt eine als elastische Scheibe ausgebildete Berührungsdichtung zusätzlich als Spritzring, indem sie die abzudichtende Flüssigkeit in einen sie umgebenden Fangraum, oder, falls ihr kein Spritzring vorgeschaltet wird, direkt in den abzudichtenden Raum abspritzt.

Wenn im Betrieb der Dichtung der anspritzende Flüssigkeitsstrom klein ist, gelangt zeitweilig keine oder nur sehr wenig Flüssigkeit an die Berührungsdichtung. Vorzugsweise dann, wenn solche Betriebszustände zu erwarten sind, besteht das berührende Teil aus einem Werkstoff mit guten Trockenlaufeigenschaften, beispielsweise auf der Basis von PTFE. Wegen der nur sehr kleinen Anpreßkraft der berührenden Dichtteile können auch verschleißfeste Elastomere verwendet werden. Besonders einfach und preisgünstig kann die Berührungsdichtung erfindungsgemäß auch als Scheibe aus Vliesstoff, Filz oder dergleichen ausgeführt werden. Unabhängig vom verwendeten Werkstoff kann die dichtende Anpreßkraft der radialen Dichtscheibe dadurch erzeugt werden, daß diese bei der axialen Montage infolge ihrer Anlage ab der Gegengleitfläche gebogen wird und somit infolge ihrer Biegeeigenspannung an der Gegengleitfläche anliegt. Ein weiterer Vorteil einer solchen Anordnung ist, daß die Dichtkraft der gebogen umlaufenden Scheibe durch die Fliehkraft vergrößert wird.

Die Berührungsdichtung bleibt im Hinblick auf ihre Funktion, den Luftstrom zu drosseln, auch dann noch wirksam, wenn ihre Anpreßkraft mit der Zeit, etwa infolge von Verschleiß oder Spannungsrelaxation abnimmt oder gar ganz verschwindet. Auch in diesem Fall bleibt ein erfindungsgemäß den Luftstrom drosselnder, sehr enger Spalt erhalten, da der Verschleiß bei verschwindender Anpreßkraft nicht mehr weiter fortschreitet.

Eine Spritzring-Fangrinnen-Labyrinthdichtung ist nur dann optimal wirksam, wenn sie einen Rückflußkanal zwischen der tiefsten Stelle des luftseitig letzten Fangraums und dem abzudichtenden Innenraum aufweist.

Um einen die erfindungsgemäß eingebaute Berührungsdichtung umgehenden Luftstrom durch den Rückflußkanal zu unterbinden, wird erfindungsgemäß in diesen ein Drosselelement eingesetzt oder diesem im Bereich des Fangraums ein Drosselelement vorgeschaltet. Dieses Drosselelement kann als ein an der tiefsten Stelle des Fangraums angeordnetes Schwimmerventil ausgebildet sein, dessen Dichtteil auf der in den letzten Fangraum eingedrungenen Flüssigkeit aufschwimmt, wodurch diese infolge Schwerkraft in den abzudichtenden Raum zurückfließt.

Vorzugsweise besteht das Drosselelement aus einem porösen, kapillar durchlässigen Werkstoff, beispielsweise aus Vliesstoff, Filz, Sintermetall, Sinterkeramik oder dergleichen. Eine derartige, beispielsweise aus einem Ring oder einem Ringsegment bestehende, innerhalb des letzten Fangraums angeordnete, Kapillardrossel läßt die geringfügigen, noch durch die Berührungsdichtung dringenden Flüssigkeitsmengen ohne weiteres abfließen, bildet aber andererseits, im Vergleich zu einem offenen Rückflußkanal einen beträchtlichen Widerstand gegen durchströmende Luft.

Außer der wesentlich verbesserten Dichtheit hinsichtlich der unerwünschten Luftströmung durch die Dichtung, weist die erfindungsgemäße Anordnung einen weiteren entscheidenden Vorteil auf. Während herkömmliche berührungsfreie Wellendichtungen bereits bei einer kurzzeitigen Überflutung durch einen Flüssigkeitsschwall Leckage aufweisen können, bleibt die erfindungsgemäße Dichtung bei einem derartigen Betriebszustand dicht, da sowohl der sehr enge Dichtspalt der Berührungsdichtung als auch die Drossel in Verbindung mit dem letzten Fangraum eine sichere Abdichtung gewährleisten. Andererseits weist das erfindungsgemäße Dichtsystem infolge der geringen erforderlichen Dichtflächenanpressung seiner Berührungsdichtung im Vergleich zu herkömmlichen Berührungsdichtungen eine sehr geringe Reibung auf. Dadurch ergibt sich auch eine verhältnismäßig geringe Reibungsverlustleistung und demgemäß eine gegenüber herkömmlichen Berührungsdichtungen geringe Erwärmung der Dichtung.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Fig. 1 bis 6 weiter erläutert. Alle Figuren zeigen erfindungsgemäße Dichtsysteme, die je eine Berührungsdichtung 1 und eine Drossel 2 in Verbindung mit in bekannter Weise gestalteten Spritzringen, Fangrinnen und Fangräumen aufweisen.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Dichtsystem mit einer schematisch dargestellten Berührungsdichtung 1, die zwischen einem axial vorspringenden ringförmigen Teil 3 des mit der Welle rotierenden Teils 4 der Dichtung und dem Gehäuse 5 angeordnet ist. Als Berührungsdichtung kann eine beliebige reibungsarme, herkömmliche berührende Dichtung verwendet werden. Der Berührungsdichtung vorgeschaltet ist der als Spritzring wirkende Außenrand 4 a des Rotors 4 sowie die von der Gehäusewand vorspringende Fangrinne 5 a. Der Berührungsdichtung nachgeschaltet ist der Spritzring 3 a, der die von der Berührungsdichtung durchgelassene Leckmenge in den Fangraum 5 b abschleudert, an dessen tiefster Stelle sich die Flüssigkeit sammelt und infolge Schwerkraft und Kapillarwirkung durch die Drossel 2 und den Rückflußkanal 5 c in den abzudichtenden Innenraum 6 zurückfließt.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Dichtsystems, bei der die Berührungsdichtung von einer elastischen Scheibe 1 a gebildet wird, die am Außenrand der Gehäusefangrinne 5 a dichtend anliegt. Die Scheibe wird beim Zusammenbau des Dichtsystems wie eine Tellerfeder elastisch vorgespannt. Der äußere Rand der Scheibe wirkt als Spritzring und weist die aus dem abzudichtenden Raum 6 anspritzende Flüssigkeit ab. Zwischen der Fangrinne und dem Rückflußkanal ist ein Drosselelement 2 eingebaut. Im übrigen ist die Ausführung nach Fig. 2 entsprechend der Ausführung nach Fig. 1 gestaltet.

Fig. 3 zeigt ein gegenüber Fig. 2 erweitertes Dichtsystem, bei dem der Berührungsdichtung ein weiterer Spritzring 4 b vorgeschaltet ist, der die den Eintrittsspalt 45 durchdringende Flüssigkeit abschleudert und in die Fangrinne 5 a befördert, von wo sie auf der Unterseite durch Öffnungen 5 d abfließen kann. Flüssigkeit, die die Berührungsdichtung 1 durchdringt, wird vom Spritzring 3 a abgeschleudert. An der tiefsten Stelle des Fangraums 5 b befindet sich ein Schwimmerventil 2 a, das die sich ansammelnde Leckflüssigkeit über den Rückflußkanal 5 c in den abzudichtenden Raum 6 zurückfließen läßt.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung mit einer Berührungsdichtung 1 und einem Drosselelement 2, bei der im Gegensatz zu der Ausführung nach Fig. 1 der Fangraum 5 b in bekannter Weise axial versetzt angeordnet ist. Im übrigen entspricht die Ausführung und die Wirkungsweise der Fig. 1.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung mit einer als elastische Scheibe ausgeführten Berührungsdichtung 1 und einem Drosselelement 2. Die Wirkungsweise dieser Ausführung entspricht im wesentlichen derjenigen nach Fig. 2, mit dem Unterschied, daß bekannter Weise der Fangraum, entsprechend der Ausführung nach Fig. 4, axial versetzt angeordnet ist.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Dichtsystems, bei der eine bekannte Ausführung einer berührungsfreien Wellendichtung nach F. Wankel (Trutnovsky, K.: "Berührungsfreie, nicht schleifende Schutzdichtungen." VDI 1977 S. 49-91) durch die erfinderischen Merkmale ergänzt wird. Zunächst wird die anspritzende Flüssigkeit in bekannter Weise vom Spritzring 4 a abgeschleudert. Die den Eintrittsspalt 45 noch durchdringende Flüssigkeit wird von einem zweiten Spritzring 3 a in die Fangrinne 5 a abgeschleudert, von wo sie durch die Schwerkraft und durch den Rückflußkanal 5 d in den abzudichtenden Raum 6 zurückfließt. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Rotor 4 und dem Außenrand der Fangrinne 5 a eine scheibenförmige Berührungsdichtung 1 angeordnet. Flüssigkeit, die den Dichtspalt der Berührungsdichtung noch durchdringt, wird vom Spritzring 3 b in den Fangraum 5 b abgeschleudert. Zwischen dem Fangraum 5 b und dem Rückflußkanal 5 c ist erfindungsgemäß ein Drosselelement 2 angeordnet, das die Leckflüssigkeit durchläßt, jedoch das Durchströmen von Luft durch das Dichtsystem über den Rückflußkanal 5 c vermindert.

Fig. 7 zeigt schließlich eine aus zwei zusammengesetzten Baugruppen, einem Rotor und einem Stator, bestehende Ausführung des erfindungsgemäßen Dichtsystems. Funktion und Wirkungsweise entsprechen der Ausführung nach Fig. 6. Fig. 7 zeigt eine einbaufertige Dichtung, deren Stator in eine glatte Gehäusebohrung eingesetzt und dessen Rotor auf eine Welle aufgesetzt ist. Außerdem bildet der überstehende Rand des Stators in bekannter Weise eine äußere Fangrinne.

Claims (4)

1. Wellendichtung zur Abdichtung einer flüssigkeitsbespritzten oder zeitweilig mit Flüssigkeitsschwall beaufschlagten Durchtrittsstelle einer Welle durch eine Gehäusewand, bestehend aus einem berührungslosen Labyrinth mit mindestens einem Spritzring und einem Fangraum mit Fangrinne sowie einem Rückflußkanal, der den an die Atmosphärenseite der Dichtung angrenzenden Fangraum mit dem abzudichtenden Innenraum verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß vom abzudichtenden Innenraum her gesehen vor dem atmosphärenseitigen Fangraum zusätzlich ein berührendes Dichtelement eingesetzt wird und daß die Luftströmung durch den Rückflußkanal mittels eines ihm vorgeschalteten oder in ihn eingebauten Drosselelements eingeschränkt oder unterbunden wird.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsdichtung von einer dünnen Ringscheibe aus elastischem Werkstoff gebildet wird, die mit einer Stirnfläche an einem die Gegendichtfläche bildenden, mit dem Gehäuse verbundenen Teil anliegt.

3. Wellendichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselelement aus einem porösen, kapillar für die abzudichtende Flüssigkeit durchlässigen Werkstoff besteht.

4. Wellendichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselelement ein Ventil ist, das durch Aufschwimmen eines den Rückflußkanal verschließenden Ventilkörpers die abzudichtende Flüssigkeit abfließen läßt.