DE3821971A1 - Stopfbuchse zum abdichten einer welle mit grossem rundlauffehler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stopfbuchse zum Abdichten einer Welle mit großem Rundlauffehler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei zahlreichen in der chemischen Industrie gebräuchlichen Apparaten bzw. Maschinen, z.B. bei Autoklaven, Mischern, Zentrifugen, führt die abgedichtete Durchführung einer hochbelasteten umlaufenden Welle durch den Anschlußstutzen der Einrichtung zu schwerwiegenden Problemen, da die Wel­ le dieser Maschinen während des Betriebes einen großen Rundlauffehler aufweist und deshalb die in herkömmlichen Stopfbuchsen zur Verwendung gelangenden Dichtungselemente zufolge der durch den Rundlauffehler bzw. Radialschlag verursachten Beanspruchung außerordentlich rasch zerstört oder fortbewegt werden. Demzufolge wird das Gefäß an der Durchführungsstelle der Welle undicht und das darin befindliche Material kann aus dem Gefäß austreten, was einerseits einen Materialverlust bedeutet, andererseits eine Umweltverschmutzung verursachen kann, d.h. auf jeden Fall nachteilig und zu beseitigen ist.

Zur Lösung dieses Problems wurden bereits auch zur Aufnah­ me von sogar mehrere Millimeter große Rundlauffehler ge­ eignete Stopfbuchsen vorgeschlagen, bei denen bei der Wellendurchführung zwischen dem Anschlußstutzen des Gefäs­ ses und dem Stopfbuchsengehäuse ein mit einer Rohrfeder versehener Kompensator eingebaut ist. Dieser Rohrfederkom­ pensator folgt seiner Elastizität zufolge recht gut den Radialschlägen der Welle und verhindert dadurch, daß eine die Dichtungselemente beschädigende Beanspruchung auftritt.

Eine derartige Konstruktion beschreibt die DE-PS 22 08 407, bei der die Stopfbuchse mittels eines Flansches mit Hilfe mehrerer Schrauben an der Gefäßwandung bzw. an dem An­ schlußstutzen befestigt wird, wobei die beiden Enden die­ ser Stopfbuchse im Vergleich zur Gefäßwandung bzw. zum Flansch ein wenig ausweichen können und bei der zur Zen­ trierung der Stopfbuchse zur Welle am Flansch befestigte durch Rollenträgerböcke gehaltene und auf der Welle lau­ fende Rollen dienen. Diese Ausführung wurde für eine Dif­ fusionskolonne der Zuckerindustrie entwickelt, wo die einen großen Durchmesser aufweisende Welle durch den Boden des Apparates durchgeführt wird und man deshalb für den Ausgleich des auftretenden Drehmoments und der sich aus dem eigenen Gewicht der Stopfbuchse ergebenden Komponenten sorgen mußte.

Diese bekannte Ausführung ist wegen der Verwendung der Rollen und Rollenhalterböcke, die jeweils getrennt aber abgestimmt eingestellt werden müssen, ziemlich schwerfäl­ lig. Eine weitere Fehlerquelle besteht darin, daß sowohl der Rohrfederkompensator als auch die die Stopfbuchse befestigenden Schrauben an dem Gefäß befestigt sind, mit dem sie jeweils getrennt verbunden werden. Die genaue Anordnung der zahlreichen ca. 10-12 Schrauben erfordert eine außerordentlich genaue Arbeit, um die Auflagefläche der Stopfbuchse festzulegen. Bereits eine geringe Unge­ nauigkeit kann einen Koaxialitätsfehler verursachen. We­ gen der vorstehend ausgeführten Schwierigkeiten kann die­ se Stopfbuchsenausführung nur in dem Falle zur Verwendung gelangen, wenn bei dem Entwurf des Apparates auch die Stopfbuchse von vornherein mitkonstruiert wird. Nachträg­ lich kann sie auf einem bereits vorhandenen Apparat an­ stelle der früheren herkömmlichen Stopfbuchse nicht einge­ baut werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine mit einem Rohrfederkompensator ausgeführte Stopf­ buchse zur Abdichtung von Wellen mit großem Rundlauffehler zu schaffen, die sich zur Abdichtung der durch die Wandung bzw. den Anschlußstutzen des abzudichtenden Apparates durchgeführten Welle eignet und in einer einfachen und preiswerten Ausführung die Zentrierung der Stopfbuchse zur Welle ermöglicht und bei jedem Apparat und auch in dem Falle verwendet werden kann, wenn sie anstelle der ursprünglich eingebauten Stopfbuchse anderer Bauart nach­ träglich zum Einbau gelangt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der Stopfbuchse der gat­ tungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das eine Ende des Rohrfederkompensators starr an das Stopf­ buchsengehäuse zweckmäßigerweise lösbar angeschlossen ist, wobei das wesentliche Merkmal darin besteht, daß im Stopfbuchsengehäuse ein oder mehrere die Stopfbuchse auf der Welle zentrierende Führungsringe angeordnet sind. Jeder Führungsring ist vorteilhafterweise zwischen den im Stopfbuchsengehäuse vorgesehenen Dichtringen und dem Stopfbuchsengehäusedeckel angeordnet und wird aus einem eine geringe Reibungszahl aufweisenden Material, vorzugs­ weise aus einem Lagerwerkstoff, hergestellt, da er im wesentlichen als ein Gleitlager arbeitet.

Vorzugsweise ist an den beiden Enden des Rohrfederkompen­ sators je ein Flansch vorgesehen. Der eine Flansch ist dabei an den Anschlußstutzen des Gefäßes, der andere Flansch an die Stopfbuchse mit einer lösbaren starren Verbindung, zweckmäßigerweise einer Schraubenverbindung, angeschlossen. Die beiden Flansche sind miteinander in einer eine geringfügige elastische Bewegung in radialer und axialer Richtung erlaubenden Weise verbunden. Diese eine axiale Bewegung ermöglichende nachgiebige Verbin­ dung kann dadurch zustandegebracht werden, daß die beiden Flansche des Kompensators mittels durch Bohrungen in den Flanschen durchgeführte Schrauben miteinander verbunden werden, an deren Enden fest angeordnete Anschläge, z.B. Gewindemuttern, vorgesehen sind und die Schrauben in der Mitte von zwischen den Flanschen gespannten Spiralfedern hindurchgeführt werden.

Bei einer Variante der erfindungsgemäßen Konstruktion, die sich insbesondere zur Abdichtung von durch Anschluß­ stutzen von Druckgefäßen durchgeführten Wellen eignet, ist zwischen den an den Enden des Rohrfederkompensators angeordneten Flanschen eine den Rohrkompensator umfassen­ de und einen abgedichteten Sicherheitsraum darstellende vorgespannte Rohrfeder angeordnet. In diesem Falle wird die Elastizität bzw. Nachgiebigkeit der Verbindung durch diese Rohrfeder gesichert. Bei dieser Ausführungsvariante kann der Sicherheitsraum mit einem den Anstieg des in ihm herrschenden Druckes wahrnehmenden und/oder anzeigenden Gerät bzw. mehreren Geräten, z.B. einem Druckmesser und einem Ausgleichsstutzen, verbunden werden.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch den Führungsring die Zentrierung zwischen der Welle und der Stopfbuchse auf eine außerordentlich einfache Weise ge­ löst und gleichzeitig auch die aus dem Rundlauffehler sich ergebende radiale Belastung vermindert wird. Der Führungsring übernimmt nämlich die von der Welle ausge­ führten radialen Bewegungen (Rundlauffehler) und nimmt das Stopfbuchsengehäuse stets mit, wodurch die schädli­ chen Beanspruchungen bereits innerhalb des Stopfbuchsen­ gehäuses begrenzt werden. Der Führungsring kann einfach und preiswert durch spanabhebende Bearbeitung in großen Serien mit der gewünschten Genauigkeit hergestellt und in das Stopfbuchsengehäuse einfach eingesetzt werden. Die Koaxialität der Dichtringe und des Führungsringes kann infolge des gleichen Passungsdurchmessers eindeutig garantiert werden.

In die Stopfbuchse können sämtliche bisher verwendete Dichtringe eingebaut werden, eine besondere Qualität ist nicht erforderlich und es können auch einfachere und preis­ wertere Dichtungselemente verwendet werden, da die erfin­ dungsgemäße Konstruktion eine schonende Beanspruchung und deshalb eine lange Lebensdauer gewährleistet. Die Erfindung ermöglicht die Montage der Stopfbuchse sowohl bei einer oberen als auch bei einer unteren Wellendurch­ führung. Der Zusammenbau der Vorrichtung erfordert keine besonderen Fachkenntnisse oder spezielle Präzision. Die Stopfbuchse kann auch in bereits bestehende Anlagen an­ stelle von früher eingesetzten Stopfbuchsen eingebaut werden.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Wellendichtung im Längsschnitt und

Fig. 2 eine mit erhöhtem Druckschutz versehene Variante der Wellendichtung von Fig. 1.

Durch den in Fig. 1 gezeigten Anschlußstutzen 1 eines Apparates, z.B. eines Autoklaven, eines Mischers oder einer Zentrifuge, geht eine Welle 2 hindurch. An den An­ schlußstutzen 1 ist mit einer beliebigen geeigneten lös­ baren Verbindung das eine Ende eines Rohrfederkompensa­ tors 4 angeschlossen, dessen anderes Ende ebenfalls mit einer lösbaren Verbindung an einer Stopfbuchse 7 befestigt ist. Die Stopfbuchse 7 ist an einer an der Welle 2 be­ festigten und mit dieser zusammen umlaufenden Verschleiß­ hülse 17 montiert, die einerseits zum Schutz der Wellen­ oberfläche und andererseits zur Beseitigung eventueller Oberflächenfehler der Welle bestimmt ist.

Die Stopfbuchse 7 besteht aus einem Stopfbuchsengehäuse 8 und aus in diesem angeordneten Dichtringen 9 und 9 a. Von diesen dient der Dichtring 9 zur Abdichtung gegen den inneren Überdruck, der Dichtring 9 a hingegen zur Ab­ dichtung gegen den äußeren Überdruck (z.B. im Falle eines inneren Vakuums). Über den Dichtringen 9 und 9 a ist ein starr montierter Führungsring 10 angeordnet, der aus ei­ nem gute Gleiteigenschaften aufweisenden Lagerwerkstoff, z.B. kohlegefülltem Polytetrafluoräthylen angefertigt ist. Sein innerer Passungsdurchmesser stimmt mit dem der Dichtringe 9 und 9 a überein.

Es können auch mehrere Führungsringe, z.B. zwei, einge­ setzt werden. In diesem Fall kann der zweite Führungs­ ring zwischen dem Dichtring 9 und dem Dichtring 9 a ange­ ordnet werden oder die beiden Führungsringe können die Dichtringe in die Mitte nehmen oder es können auch mehr als zwei Führungsringe eingesetzt und in diesem Falle die Führungsringe und die Dichtringe abwechselnd montiert werden. Der Führungsring 10 wirkt auf der Verschleißhül­ se 17 als ein Gleitlager und zentriert die Stopfbuchse 7 bezüglich der Verschleißhülse. Die Verschleißhülse 17 ist mittels Befestigungsschrauben 19 an der Welle 2 be­ festigt und mit mindestens einem Dichtring 18 abgedich­ tet. Das Stopfbuchsengehäuse 8 ist durch einen Deckel 11 abgeschlossen, der durch eine Schraubenverbindung 12 mit dem Stopfbuchsengehäuse 8 verbunden ist. Der Rohrfederkom­ pensator 4 wird an dem Flansch 3 des Anschlußstutzens 1 auf folgende Weise montiert:

Das eine Ende des Kompensators 4 wird durch einen auf dem Flansch 3 unter Zwischenfügung einer Dichtung 16 auf­ liegenden, mit einer Schraubenverbindung 14 befestigten Flansch 20, das andere Ende des Kompensators 4 hingegen durch einen an das Stopfbuchsengehäuse 8 ebenfalls unter Zwischenfügung einer Dichtung 16 mittels einer Schrauben­ verbindung 15 befestigten Flansch 21 eingespannt. Entlang des Umfanges des Flansches 20 und des Flansches 21 sind Bohrungen 36 und 37 vorgesehen, durch welche je eine Schraube 13 durchgeführt wird. An den Enden der Schrau­ ben 13 sind außerhalb des Flansches 21 Gewindemuttern 34 befestigt. Zwischen dem Schraubenkopf und dem Flansch 20 sowie zwischen der Gewindemutter 34 und dem Flansch 21 ist jeweils ein Federring 35 vorgesehen. Die Schrauben 13 sind durch zwischen den Flanschen 20 und 21 auf Feder­ stellern 5 aufliegende Spiralfedern 6 hindurchgeführt, die die Flansche 20 und 21 auseinanderspreizen.

Bei der Variante von Fig. 2 sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet. Der we­ sentlichste Unterschied zwischen dieser Ausführungsva­ riante und der Ausführung nach Fig. 1 besteht darin, daß wegen des in einer abzudichtenden Chemieanlage vorherrschen­ den Druckes hier eine für den Fall eines eventuellen Schad­ haftwerdens des Kompensators eine erhöhte Sicherheit bie­ tende Anordnung vorgesehen wird. Der Rohrfederkompensator 4 ist hier einerseits zwischen dem Stopfbuchsengehäuse 8 und einem Flansch 22 und andererseits zwischen dem am Anschlußflansch 1 aufliegenden Flansch 3 und einem Flansch 23 eingespannt. Zwischen den Flanschen 22 und 23 ist eine vorgespannte Rohrfeder 26 angeordnet, die unter Zwischen­ fügung von Dichtringen 25 in der im Flansch 22 ausgearbei­ teten Vertiefung 31 bzw. der im Flansch 23 ausgearbeite­ ten Vertiefung 32 abgestützt ist. Im Flansch ist eine Ausgleichsbohrung 22 a vorgesehen, an die sich eine Aus­ gleichsleitung 30 anschließt. In dieser Ausgleichslei­ tung 30 ist über ein Kugelventil 27 und eine Impulslei­ tung 28 ein Druckmesser 29 eingesetzt. Aus dem Kugelven­ til 27 führt ein Ausgleichsstutzen 27 a heraus. Wenn eine der Schrauben 13 in Fig. 1 in diesem Falle entsprechender, die Flansche 22 und 23 miteinander verbindender Schrauben­ bolzen 24 vorgesehen ist, kann die in Fig. 1 dargestellte Spiralfeder entfallen, wobei bei diesem Ausführungsbei­ spiel die vorgespannte Rohrfeder neben ihrer Sicherheits­ rolle auch die erforderliche Elastizität der Verbindung gewährleistet.

Die Vorrichtung funktioniert auf folgende Weise: Beim Umlauf der Welle 2 läuft die mittels der Befesti­ gungsschrauben 19 mit ihr starr verbundene Verschleiß­ hülse 17 mit der Welle 2 zusammen um und bewegt sich auch im Falle eines Radialschlages mit ihr zusammen. Gleich­ zeitig ist die Stopfbuchse 7 mittels der Schraubenverbin­ dung 15, des Flansches 21, des Flansches 20 und der Schrau­ benverbindung 14 an dem Flansch 3 des Anschlußstutzens 1 befestigt. Eine im Vergleich zueinander erfolgende koaxi­ ale und radiale Bewegung der beiden Enden des Kompensa­ tors 4, d.h. des Anschlußstutzens 1 und der Stopfbuchse 7, wird entgegen der Spiralfederwirkung durch die den Flansch 20 und 21 miteinander verbindenden Schrauben 13 ermög­ licht, die gleichzeitig eine stärkere Verdrehung der Stopf­ buchse 7 im Vergleich zum Anschlußstutzen 1 verhindern. Die radialen und geringfügigeren axialen Abweichungen der Welle 2 zwischen dem Flansch 20 und dem Flansch 21 (Rundlauffehler bzw. Taumelfehler) werden durch die mit­ tels der Schraube 13 und der Feder 6 gesicherte nachgie­ bige (elastische) Verbindung aufgenommen. Da zwischen dem Flansch 3 und dem Stopfbuchsengehäuse 8 der Kompen­ sator 4 eine geringfügige elastische Bewegung ermöglicht, gleichzeitig aber der Führungsring 10 die Verschleißhülse 12 zentriert und eng umfasst, bewegt sich das Stopfbuchsen­ gehäuse 8 konzentrisch zusammen mit der Welle 2, so daß auf die Dichtungsringe 9, 9 a keine aus dem Rundlauffehler der Welle resultierende Beanspruchung einwirkt. Diese flexible Lagerung vermindert die in der Praxis vorkommen­ den, oftmals 2 bis 3 mm erreichenden Rundlauffehler we­ sentlich, z.B. unter 0,1 mm, so daß im Ergebnis die Häu­ figkeit und die Kosten der zufolge der Zerstörung der Dichtung nötig werdenden Wartungsarbeiten wesentlich zu­ rückgehen, wobei die Betriebssicherheit des Apparates in wesentlichem Maße zunimmt.

Zusammen mit unter Druck arbeitenden Apparaten der chemi­ schen Industrie wird eine Stopfbuchse 7 in der Ausführung von Fig. 2 verwendet. Diese Ausführung arbeitet hinsicht­ lich der Verminderung der Rundlauffehler im wesentlichen gleich der Variante von Fig. 1 mit dem Unterschied, daß Rundlauffehler und geringfügige Taumelfehler der Welle 2 durch eine Rohrfeder 26 aufgenommen werden. Außerdem wird, wenn der Kompensator 4 dem im Gefäß vorherrschen­ den Druck nicht mehr standhalten, also bersten würde, sowohl die Aufrechterhaltung des Druckes als auch die flexible Lagerung zeitweilig durch die Rohrfeder 26 über­ nommen bzw. gesichert. Gleichzeitig gelangt durch die Ausgleichsbohrung 22 a, die Ausgleichsleitung 30 und das Kugelventil 27 das Druckmittel in den Druckmesser 29, der demgemäß den im Raum innerhalb der Rohrfeder 26 ange­ stiegenen Druck anzeigt. Weiterhin kann an den Ausgleichs­ stutzen 27 ein entsprechender Mechanismus angeschlossen werden, der z.B. durch ein Tonsignal das Bedienungsperso­ nal auf den eingetretenen Fehler aufmerksam macht. Im Falle des Auftretens einer entsprechend großen Strömungs­ geschwindigkeit schließt das Kugelventil 27 und unterbin­ det das durch den Ausgleichsstutzen erfolgende Ausströmen des Gases. Die vorgespannte Rohrfeder 26, die sich abdich­ tend auf den Flanschen 22 und 23 abstützt, versieht ihre Aufgabe bis zum Abstellen und Drucklosmachen des Appara­ tes und zum Beseitigen des Fehlers einwandfrei.

Claims (11)

1. Stopfbuchse zur abgedichteten Durchführung einer Wel­ le (2) mit großem Rundlauffehler durch einen Anschluß­ stutzen (1), die ein mit einem Deckel (11) abgeschlos­ senes, Dichtringe (9, 9 a) enthaltendes Stopfbuchsen­ gehäuse (8) sowie einen Rohrfederkompensator (4) be­ sitzt, der mit seinem einen Ende an den Anschlußstutzen (1) und mit seinem anderen Ende starr an das Stopf­ buchsengehäuse (8) angeschlossen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Stopfbuchsengehäuse (8) mindestens ein die Stopfbuchse (7) an die Welle (2) zentrierender Führungsring (10) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Führungsring (10) zwischen den Dichtringen (9, 9 a) und dem Deckel (11) angeord­ net ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Stopfbuchsengehäuse (8) mehrere Führungsringe (10) angeordnet sind, die beiderseits der Dichtringe (9, 9 a) oder abwechselnd mit den Dicht­ ringen (9, 9 a) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Führungsring (10) aus einem eine geringe Reibungszahl aufweisenden Material besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden des Rohrfederkompensators (4) je ein Flansch (20, 21) angeordnet ist, von denen der eine (20) an den Anschluß­ stutzen (1) und der andere (21) an die Stopfbuchse (7) über eine lösbare starre Verbindung angeschlossen ist, wobei beide Flansche (20, 21) miteinander in einer eine geringfügige nachgiebige Bewegung in radialer und axialer Richtung zulassenden Weise verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der andere Flansch (21) an die Stopfbuchse (7) mit einer Schraubenverbindung (14, 15) angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Flansche (20, 21) miteinander mittels durch Bohrungen (37, 36) in den Flanschen (20, 21) durchgeführter Schrauben (13) verbunden sind, an deren Enden fixierte Anschläge (34) angeordnet sind, und daß die Schrauben (13) durch zwischen den Flanschen (20, 21) eingespannte Spiral­ federn (6) hindurchgeführt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die fixierten Anschläge an den Enden der Schrauben (13) Gewindemuttern (34) sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den an beiden Enden des Rohrfederkompensators (4) angeordne­ ten Flanschen (22, 23) eine den den Rohrfederkompensa­ tor (4) umgebenden abgedichteten Sicherheitsraum (33) bestimmende vorgespannte Rohrfeder (26) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sicherheitsraum (33) mit einem oder mehreren den Anstieg des in ihm herrschen­ den Druckes wahrnehmenden und/oder anzeigenden Geräten (29, 27 a) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sicherheitsraum (33) mit einem Druckmesser (29) und einem Ausgleichsstutzen (27 a) verbunden ist.