DE3827103A1 - Stopfbuchse zur abdichtung einer wellendurchfuehrung gegen fluessigkeitsdurchtritt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stopfbuchse zur Abdichtung einer Wellendurchführung gegen Flüssigkeitsdurchtritt, mit einer aus einem oder mehreren Packungsringen bestehenden Packung, die innerhalb einer Stopfbuchsenbohrung mittels eines Druckgliedes axial eingespannt ist.

Bei den bekannten Stopfbuchsen dieser Art erfolgt die axia­ le Einspannung der Packung mit Hilfe der sog. Stopfbuchsen­ brille, die mit Gewinde, Schrauben oder Federkraft gegen das die Stopfbuchsenbohrung enthaltende Gehäuse verspannt wird und dadurch auf die aus einem oder mehreren Weich­ packungsringen bestehende Packung einen Druck in Axialrich­ tung ausübt, der die Packung verformt und radial gegen die Welle anpreßt. Dabei darf, wenn die Stopfbuchse zur Abdich­ tung einer Wellendurchführung gegen Flüssigkeitsdurchtritt eingesetzt wird, der Anpreßdruck der Packung gegen die Welle nicht zu groß sein, um einen von der Flüssigkeit ge­ bildeten Schmierfilm aufrechtzuerhalten und unzulässige Reibungskräfte zwischen der Packung und der Welle zu ver­ hindern. Andererseits darf der Anpreßdruck mit Rücksicht auf die Leckage auch nicht zu niedrig sein.

Bei den herkömmlichen Stopfbuchsen ist der Anpreßdruck ge­ gen die Welle über die Packungslänge nicht gleich, sondern fällt nach einer Exponentialfunktion ab. Die Einstellung und Aufrechterhaltung des richtigen Anpreßdruckes ist des­ halb bei den üblichen Weichpackungsstopfbuchsen sehr schwie­ rig, und führt entweder zu unerwünscht großem Verschleiß durch Reibung oder mangelhafter Abdichtung.

Die ebenfalls bekannte radiale Anpressung der Packung mit Hilfe von Spannschellen beseitigt zwar den Nachteil der Druckumsetzung bei der axial angepreßten Packung, jedoch ist auch hier eine gleichmäßige Druckverteilung auf der Gesamtlänge der Packung und damit eine Begrenzung des Reib­ verschleißes durch eine definiert geregelte Leckage nicht möglich.

Der Fachliteratur und den Prospekten der Packungshersteller ist zu entnehmen, daß die bekannten Stopfbuchsen die Anwen­ der offensichtlich nicht befriedigen, weil bei einer nicht geregelten Anpressung eine hohe Reibung mit entsprechender Erwärmung und Verschleiß sowohl der Packung als auch der abzudichtenden Welle auftritt, was wiederum zu einer wesent­ lichen Minderung der Lebensdauer der Stopfbuchse bishin zum Festpressen der drehenden Welle führen kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile eine Stopfbuchse zu schaffen, die es ermöglicht, die Packungringe auch bei sich änderndem Flüssigkeitsdruck so geregelt anzupassen, daß der Dicht­ spalt zwischen Packung und Wellenoberfläche immer annähernd konstant bleibt und dadurch ein definierter Schmierfilm zwischen Packung und Welle gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Stopfbuchsenbohrung einen größeren Durchmesser als die Packung aufweist und in den dadurch geschaffenen erweiter­ ten Bereich wenigstens eine hohle Ringmanschette aufgenom­ men ist, der ein Druckmittel zur Ausübung eines radialen Anpreßdruckes gegen die Packung zuführbar ist.

Derartige Ringmanschetten und ihr Einsatz bei der Abdich­ tung von Wellen ist an sich vor allem aus dem Schiffbau bekannt. Sie dienen jedoch dort als Notabdichtung und um­ schließen die Welle außerhalb der eigentlichen Betriebs­ dichtung, um bei deren Ausfall jeglichen Wassereintritt zu verhindern und eine Reparatur der Betriebsdichtung zu ermöglichen. Beim Unterdrucksetzen der Ringmanschette ist ein Weiterdrehen der Welle jedoch nicht möglich, weil die Ringmanschette notwendig aus elastischem Material wie insbe­ sondere synthetischem Gummi besteht, das gegenüber der Wel­ le einen hohen Reibungskoeffizienten besitzt.

Bei der erfindungsgemäßen Stopfbuchse wird demgegenüber die Ringmanschette als leicht regelbares Kraftelement zur unmittelbaren radialen Anpressung der Packung gegen die Welle benutzt, mit welcher der Leckspalt zwischen Packung und Welle leicht und genau, insbesondere auch an sich än­ dernde Flüssigkeitsdrücke angepaßt werden kann, wozu in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung das Druckmittel eine Druckflüssigkeit ist.

Eine solche Anpassung spielt eine ganz besondere Rolle bei der Verwendung von Stopfbuchsen als Hilfsdichtung bei der Wellendurchführung durch die Außenhaut von Schiffskörpern, um bei Ausfall der für gewöhnlich als Gleitringdichtung ausgebildeten Hauptdichtung den Fahrbetrieb und damit die Manövrierfährigkeit des Schiffes, insbesondere eines Unter­ seebootes zumindest in beschränktem Maße weiter aufrechter­ halten zu können. Für diesen wie natürlich auch andere Fäl­ le sieht ein besonderes Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung vor, daß die Packungsringe aus elastischem Material mit guter Gleiteigenschaft bestehen und in der Stopfbuchsenboh­ rung zwischen starren Stützringen mit kegeligen Stirnflä­ chen eingespannt sind, welche die Endflächen der Packungs­ ringe hohlkegelig verformen. Durch die Einspannung zwischen Stützringen mit kegeligen Endflächen sind die aus elasti­ schem Material bestehenden Packungsringe bei der Verminde­ rung oder gar dem völligen Wegfall des Anpreßdruckes der Ringmanschetten von selbst bestrebt sich aufzuweiten und dadurch den Ringspalt zur Welle zu vergrößern, wodurch die Regelung der Leckage auch bei extremen Druckschwankungen der abzudichtenden Flüssigkeit, wie sie vor allem bei Unter­ seebooten vorkommen, besonders leicht zu beherrschen ist.

Weitere Merkmale zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei der Abdichtung einer Schiffswellendurchführung wird nachstehend in Ver­ bindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Gesamtabdichtung der Schiffswelle im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in größerem Maßstab mit einer als Stopfbuchse nach der Erfindung ausgeführten Hilfsdich­ tung und

Fig. 3 eine vereinfachte Stopfbuchsenausfüh­ rung nach der Erfindung im Längsschnitt.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Teil der Außenhaut eines Schiffs­ körpers bezeichnet, die eine Durchbrechung 12 zur Durch­ führung der Schiffswelle 14 von der Antriebsmaschine zur Schiffsschraube enthält. Zur Abdichtung der Welle 14 dient eine Dichtungsanordnung mit einem an der Innenseite der Außenhaut 10 angeschraubten mehrteiligen Gehäuse 16, das eine Hauptdichtung 18, eine Hilfsdichtung 20 sowie eine Notdichtung 22 enthält.

Die Hauptdichtung 18 ist als Gleitringdichtung ausgebil­ det, deren genauer Aufbau hier nicht interessiert und des­ halb nicht erläutert zu werden braucht. Fällt sie, aus wel­ chen Gründen auch immer aus, wird die davor in Richtung zur Antriebsmaschine liegende Hilfsdichtung 20 zur Wirkung ge­ bracht und gestattet aufgrund ihrer Ausbildung als Stopf­ buchse eine Fortsetzung des Fahrbetriebs, was insbesondere dann wichtig ist, wenn sich das Schiff in schwerer See oder engen Gewässern befindet oder, wie im Fall eines im Kriegs­ einsatz befindlichen Unterseebootes, durch die Tiefenruder in bestimmter Wassertiefe gehalten werden muß. Fällt auch die Hilfsdichtung 20 aus oder soll die Hauptdichtung 18 repariert werden, wird die hinter der Hauptdichtung 18 in Richtung zur Schiffsschraube liegende Notdichtung 22 zur Wirkung gebracht, die in bekannter Weise aus einer hohlen elastischen Ringmanschette besteht, deren Querschnitt bei der Einleitung eines Druckmittels in das Innere der Man­ schette aufgeweitet wird und sich dadurch dichtend zwischen die sie enthaltende Bohrungswandung des Gehäuses 16 und die dabei stillstehende Welle verspannt. In diesem Zustand ist ein Fahrbetrieb nicht mehr möglich.

Fig. 2 zeigt in größerem Maßstab den Aufbau der als Stopf­ buchse nach der Erfindung ausgebildeten Hilfsdichtung 20. In einem Dichtungsgehäuse 24, das aus zwei beispielsweise durch Schweißung miteinander verbundenen Teilen 26, 28 be­ steht und seinerseits einen Teil des mehrteiligen Gehäuses 16 bildet, ist um die Welle 14 ein ringförmiger Hohlraum 30 ausgebildet, der einer erweiterten Packungsbohrung ent­ spricht und radial nach außen durch den Gehäuseteil 28, zur Hauptdichtung 18 hin durch den Gehäuseteil 26 und in entgegengesetzter Richtung durch eine Ringscheibe 32 sowie ein in diese mit einem kragenförmigen Ansatz 34 eingreifen­ den Einstellflansch 36 begrenzt ist. Die Ringscheibe 32 ist auf nicht gezeigte Weise fest am Gehäuseteil 28 verschraubt, während der Einstellflansch 36 durch Schrauben 38 axial eingestellt werden kann.

Der ringförmige Hohlraum 30, der im radial inneren Bereich eine größere Länge als im radial äußeren Bereich aufweist, nimmt im radial inneren Bereich zwischen dem Gehäuseteil 26 und dem Einstellflansch 36 zwei Packungsringe 40 zwi­ schen drei Stützringen 42, 44, 46 auf. Die Packungsringe 40 bestehen aus einem elastisch verformbaren Material mit gu­ ten Gleiteigenschaften wie beispielsweise Polytetrafluor­ äthylen und sind mit hohlkegeligen Endflächen versehen und zwischen den mit kegeligen Stirnflächen versehenen Stützrin­ gen 42, 44, 46 derart eingespannt, daß ihre Endflächen hohl­ kegelige Gestalt annehmen, wodurch zugleich auf die Pac­ kungsringe eine radial nach außen wirkende Kraft ausgeübt wird. Der mittlere Stützring 44 trägt an beiden Enden Kegel­ flächen, während die beiden äußeren Stützringe 42, 46 je­ weils eine kegelige und eine ebene Stirnfläche aufweisen. Die Packungen 40 sind von dünnen hülsenförmigen Bandagen 48 aus begrenzt elastischem Material umschlossen, die je einen (nicht gezeigten) Längsschlitz am Umfang aufweisen, und grenzen über diese an die ringförmigen Stegwände 50 zweier im Querschnitt U-förmiger Ringmanschetten 52 aus elasti­ schem Material wie natürlichem oder künstlichem Gummi oder einem geeigneten sonstigen Kunststoff an, die im radial äußeren Bereich des Hohlraumes 30 zwischen dem Gehäuseteil 26 und der Ringscheibe 32 mit einem dazwischenliegenden Trennring 54 formschlüssig aufgenommen sind. Die von den Schenkelwänden gebildeten Stirnenden der Ringmanschetten 52 tragen im radial äußeren Bereich kragenförmige Vorsprünge 56, mit denen sie in entsprechende Ausnehmungen des Gehäuse­ teils 26, der Ringscheibe 32 und des Trennrings 54 form­ schlüssig eingreifen und durch in die Maulöffnungen der Ringmanschetten eingesetzte Distanzringe 58 in Stellung gehalten werden.

Die Distanzringe 58 sind am Außenumfang mit je einer fla­ chen Ringnut 60 versehen, von der am Umfang verteilte Ra­ dialbohrungen 62 in die von den Manschettenwandungen und dem Distanzring umschlossene Hohlkammer 64 führen. Im Ge­ häuseteil 28 ausgebildete Kanäle 66 münden in die Ringnuten 60 und gestatten die gesteuerte Zuleitung von Druckluft aus einem (nicht gezeigten) Druckluftsystem zu den Hohl­ kammern 64, wodurch die Stegwände 50 der Ringmanschetten 52 radial nach einwärts verformt werden und über die Ban­ dagen 48 auf die Packungsringe 40 drücken, die ihrerseits radial nach einwärts verformt werden und die Ringspalte 68 zwischen den Packungsringen 40 und der Welle 14 derart ver­ schließen, daß nur noch eine ganz geringe Leckflüssigkeits­ menge aus dem davorliegenden Ringspalt zwischen dem Gehäuse­ teil 26 und der Welle 14 in den Ringspalt 68 zwischen den Packungsringen 40 und der Welle 14 zur Bildung eines Schmierfilms gelangt, der ein Weiterdrehen der Welle 14 und dadurch die Aufrechterhaltung des Fahrbetriebs gestat­ tet. Ein in eine Ringnut in der ebenen Stirnwand des Stütz­ rings 42 eingesetzter Dichtring 72 verhindert das Eindrin­ gen des Seewassers in den äußeren Bereich des Hohlraums 30 und dadurch einen Druckaufbau von rückwärts, der die Ein­ stellbarkeit der Dichtung beeinträchtigen würde. Ein Mit­ drehen der Packungen 40 und der Stützringe 42, 44, 46 mit der Welle 14 wird durch Verbindungsstifte 74, 76 verhin­ dert, die einmal axial in entsprechende Bohrungen der Packungen 40 und der Stützringe 42, 44, 46 an deren Umfang und zum anderen radial in einen oder mehrere Bohrungen des Trennrings 54 und eine entsprechende Anzahl von Axialschlit­ zen 78 des mittleren Stützringes 44 angeordnet sind. Eine weitere Stiftverbindung zwischen dem Gehäuseteil 28 und dem Trennring 54 wird für gewöhnlich entfallen können, da der Trennring durch den Reibschluß zu den Manschetten 52 aus­ reichend gegen Drehung gesichert ist.

Im Gegensatz zu den bekannten Stopfbuchsen dient der Flansch 36 nur zur einstellbaren Axialbegrenzung des inne­ ren Bereichs des Hohlraums 30 derart, daß die Packungsringe 40 eine ausreichende Vorspannung erhalten, die bei der Druckverminderung in den Manschetten ihre Aufweitung über die kegeligen Endflächen der Stützringe zur Folge hat. Hier­ durch wird bei der Druckentlastung der Ringmanschetten 52 ein völliges Öffnen der Hilfsdichtung 20 bewirkt und jeg­ licher Verschleiß der Packungsringe während des normalen Fahrbetriebs verhindert. Die Axialschlitze 78 ermöglichen bei der axialen Einstellung des Flansches 36 eine ungehin­ derte Axialbewegung des Stützrings 44 bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der drehschlüssigen Verbindung zum Trenn­ ring 54 und damit der Sicherung aller Teile innerhalb des Hohlraums 30 gegen Drehung mit der Welle 14.

In Fig. 3 ist eine vereinfachte Ausführung der Stopfbuchse nach der Erfindung dargestellt, wobei für gleiche Teile dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet sind.

Die Stopfbuchse nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 im wesentlichen darin, daß die Packung aus mehreren axial unmittelbar aneinander anschließenden Packungsringen 40 besteht, die zwischen Stützringen 42, 46 mit beiderseits ebenen Stirnflächen eingespannt sind. Zur axialen Schlie­ ßung der Stopfbuchsenbohrung dient eine Ringscheibe 32, deren Innendurchmesser nur geringfügig größer als der Durch­ messer der Welle 14 ist und die demzufolge den Einstell­ flansch 36 der Ausführungsform nach Fig. 2 überflüssig macht.

Weiterhin sind die Packungsringe 40 von einer gemeinsamen, axial durchgehenden Bandage 48 umschlossen. Die ebenso wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform axial ge­ schlitzt ist.

Die Packungsringe 40 bestehen vorzugsweise ebenfalls aus einem elastischen Material mit guter Gleiteigenschaft und weisen im entspannten Zustand einen größeren Innendurch­ messer im Vergleich zum Durchmesser der Welle 14 auf, so daß sie im entlasteten Zustand, d. h. also bei Druckent­ lastung der Kammern 50 innerhalb der Ringmanschetten 52 sich aufweiten und die Welle 14 völlig freigeben.

Im übrigen ist die Wirkung der Stopfbuchse nach Fig. 3 die gleiche wie die nach Fig. 2, wobei ebenfalls eine Ringdich­ tung 72 am inneren Ende der Stopfbuchsenbohrung vorgesehen ist.

Claims (10)

1. Stopfbuchse zur Abdichtung einer Wellendurchführung gegen Flüssigkeitsdurchtritt, mit einer aus einem oder mehreren Packungsringen bestehenden Packung, die inner­ halb einer Stopfbuchsenbohrung mittels eines Druckglie­ des axial eingespannt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stopfbuchsenbohrung (30) einen größeren Durchmesser als die Packung (40) auf­ weist und in dem dadurch geschaffenen erweiterten Be­ reich wenigstens eine an sich bekannte hohle Ringman­ schette (52) aufnimmt, der ein Druckmittel zur Ausübung eines radialen Anpreßdruckes gegen die Packung (40) zuführbar ist.

2. Stopfbuchse nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Druckmittel eine Druckflüssigkeit ist.

3. Stopfbuchse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der Ringman­ schette (52) und der Packung (40) eine mit einem Längs­ schlitz versehene dünne hülsenförmige Bandage (48) aus wesentlich steiferem Material als die Ringmanschette (52) angeordnet ist.

4. Stopfbuchse nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bandage (48) mehre­ re axial aufeinanderfolgende Packungsringe (40) um­ schließt.

5. Stopfbuchse nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der Außenseite der Bandage (48) wenigstens zwei Ringmanschetten (52) mit einem starren Trennring (54) dazwischen angeordnet sind.

6. Stopfbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Packungsringe (40) aus elastischem Material mit guter Gleiteigenschaft bestehen und in der Stopfbuch­ senbohrung (30) zwischen starren Stützringen (42, 44, 46) mit kegeligen Stirnflächen eingespannt sind, welche die Endflächen der Packungsringe (40) hohlkegelig ver­ formen.

7. Stopfbuchse nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stützringe (42, 44, 46) mit den Packungsringen (40) drehfest verbunden sind und wenigstens ein Stützring (44) gegen Drehung inner­ halb der Stopfbuchsenbohrung (30) festgelegt ist.

8. Stopfbuchse nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur drehfesten Verbin­ dung axial gerichtete Verbindungsstifte (74) dienen.

9. Stopfbuchse nach Anspruch 7 oder 8 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der eine Stützring (44) gegen Drehung in­ nerhalb der Stopfbuchsenbohrung (30) durch mindestens einen Verbindungsstift (76) festgelegt ist, der mit einem Teil in eine Radialbohrung des Trennrings (54) eingesetzt ist und mit dem anderen Teil in eine Längs­ nut des Stützrings (44) axial verschieblich eingreift.

10. Stopfbuchse nach einem der Ansprüche 6 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem flüssigkeitsseitigen Ende der Stopfbuchsenbohrung (30) und dem daran anliegenden Stützring (42) wenig­ stens ein in eine Ringnut eingesetzter Dichtring (72) angeordnet ist.