DE4407453A1 - Gas- und öldichtes Spiralnuten-Axiallager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsteinstellende Spiralnutendichtung mit zwei gegenläufigen Spiralnutfeldern, die parallel als hydrodynami­ sches Axialgleitlager genutzt wird und mit einer bei Wellenlauf zentri­ fugal abhebenden, bei Stillstand federangepreßten Elastomerdichtlippe kombiniert ist.

Dichtringe mit zwei gegenläufigen konzentrischen Spiralnutfeldern, die selbsttätig im Gleichgewicht vom anstehenden Differenzdruck auf eine auslegungsgemäß kleine berührungsfreie Dichtspalthöhe gedrückt und gehalten werden, sind aus den Patentschriften DE 41 19 768 A1, DE 41 21 819 A1 und DE 41 35 583 A1 bekannt. Eine zentrifugal abhebende Elastomerdichtlippe ist in der P 43 26 921.4 zu finden. Kombiniert sind solche Dichtungen geeignet, hohe Gasdrücke bei großen Drehzahlen und Umfangsgeschwindigkeiten verschleißarm mit relativ kleiner Reibverlust­ leistung abzudichten und Gas und Schmieröl hermetrisch zu trennen, und zwar mittels der aufsetzenden Dichtlippe auch bei Wellenstillstand.

Häufig müssen derartige Dichtungen neben einem Axialgleitlager, das einen Läuferschub aufnimmt, eingebaut werden. Bei großer Drehzahl, ho­ her Fluidviskosität und sehr engem Dichtspalt erzeugen Spiralnutfelder jedoch sehr hohe Drücke, die wiederum zu Axiallagerkräften vergleichbare Druckkräfte auf die Welle ausüben können. Da außerdem eine Wellenschub­ kraft genauso wie eine Differenzdruckkraft zur selbsttätigen Spalthöhen­ einstellung über den Spiralnutdämmen herangezogen werden kann, bietet es sich an, die beiden Bauelemente zu einem einzigen zusammenzufassen. Dabei pendeln der Dichtspalt und die in ihm sich aufbauende Druckschwelle im Öl sich dann so ein, das letztere den Schub trägt, gleichzeitig aber auch den öl- oder ölnebelgefüllten Getrieberaum gegen den unter Gasdruck stehenden Arbeitsraum abschottet. Es zeigt sich sogar, daß das gasdichte Axiallager nicht nur den Bauaufwand senkt, sondern auch weit weniger Reibenergie verbraucht als die beiden separaten Bauelemente.

Die Erfindungsaufgabe lautet daher: Entwerfe ein bei Wellenlauf und -stillstand gas- und öldichtes Spiralnuten-Axiallager für große Schub­ kraft und hohe Drehzahl bei großer Druckdifferenz zwischen Schmieröl an seinem Innenrand und Gas an seinem Außenrand.

Zur Lösung der Erfindungsaufgabe werden die aus den Vorerfindungen zu nehmenden Elemente zusammengestellt und ausgelegt. Dabei entfällt allerdings die Notwendigkeit, ein selbsttätiges Kräftegleichgewicht besonders zu organisieren, da die schubbelastete auf dem Dichtfilm schwimmende Welle selbst zum Stellglied wird. In der Fig. 3 ist ein Druck- und Kraftschaubild dargestellt. Es gibt die wirklichen Verläufe nur angenähert wieder, weil für die beiden Spiralnutfelder ein linearer und gleich steiler Druckanstieg, der nach Boon/Tal I 1 I oder Heitel I 2 I für Gewindewellendichtungen berechenbar ist, angenommen ist. In Spiralnutfeldern wächst der Durchmesser von innen nach außen mit ent­ sprechender Zunahme des Druckgradienten. Weiter überlagern sich noch die Fliehkräfte des Fluidfilmes, was im inneren Feld den Durchmesser­ einfluß verstärkt und ihm im äußeren entgegenwirkt. Wegen der Schmal­ heit der Spiralnutfelder und der großen Fluidzähigkeit sind diese Ein­ flüsse relativ schwach und fallen bei einer prinzipiellen Betrachtung nicht ins Gewicht.

Neben der Schubkraft wird der Druckverlauf im Dichtspalt bei verschie­ denen Betriebszuständen gezeigt. Die gestrichelten Linien repräsentie­ ren die symmetrische Druckschwelle über den gegenläufigen Spiralnutfel­ dern und der Zwischennut in dem Falle, daß keine Gas-Öl-Druckdifferenz an dem Axiallager ansteht, und in dem der Höchstdruck in der Zwischen­ nut am größten wird. Das innere Feld, in welches das Schmieröl eintritt, ist immer ganz gefüllt. Es drückt das Öl in das äußere Feld hinüber, das zur Sicherheit etwas breiter sein muß, sich aber automatisch bis zur gleichen Breite füllt, wobei der übrige Teil vom Gas besetzt und außer Förderkraft gesetzt wird. Bei den tatsächlichen nach oben oder unten leicht gekrümmten Verläufen ergäbe sich zwar eine etwas andere Füllbreite, das innere und das äußere Feld müßten aber trotzdem beide den gleichen Maximaldruck erzeugen, und ihre dabei leicht unterschied­ lichen Druckkräfte würden auch dann gemeinsam die axiale Schubkraft tragen.

Da die Druckerzeugung reziprok zum Quadrat der Dichtspalthöhe zunimmt, verkleinert der Schub den Spalt solange, bis die Gegenkraft ihm gleich wird. Und dann bleibt die Spalthöhe konstant. Ändert sich nun die Schub­ kraft, der Gasdruck aber nicht, so variieren die Füllbreite nicht son­ dern nur die Spalthöhe und der erzeugte Höchstdruck. Wenn jedoch bei bei gleichbleibendem Schub der Gasdruck erhöht wird, so ändert sich das Druckgebirge im Spalt, das den Schub trägt. Der ausgezogene und der punktierte Linienzug zeigen dies für zwei verschieden hohe Gasdrücke. Die verringerte Differenz zwischen dem Gas- und dem Höchstdruck bedarf nur einer schmäleren aktiven Breite des Außenfeldes, zu welcher hin dieses sich automatisch selbst leerpumpt. Das Gas rückt nach. In dem von ihm besetzten Feldteil drückt es auf die Welle und beteiligt sich an der Schubaufnahme, weshalb der erforderliche Höchstdruck ab­ nimmt, und die Dichtspalthöhe sich entsprechend vergrößert. Die Vermin­ derung der Druckerzeugung führt zu sinkendem Leistungsbedarf des Spiral­ nuten-Axialgleitlagers bei Steigerung des Gasdruckes. Dabei ist das Lager jeweils nur bis zu dem Grenzdruck funktionsfähig, bei welchem die aktive Breite des Außenfeldes gleich Null wird, dieses sich ganz leergepumpt hat. Diese Grenze erhöht sich jedoch mit der Schubbelastung des Lagers.

Das ist in den Fig. 4 und 5 erkennbar, in denen für ein Lager der Leistungsverbrauch und die Dichtspalthöhe abhängig von den Betriebsgrö­ ßen Schubkraft, Gasdruck, Wellendrehzahl und Ölzähigkeit dargestellt sind. Alle Parameter können stark variiert werden. Mit dem Gasdruck ändern sich die Dichtspalthöhe und der Leistungsverbrauch am wenigsten. Die Zähigkeit des Öles kann herangezogen werden, den Leistungsverbrauch zu minimieren oder die Dichtspalthöhe im zulässigen Rahmen zu halten. Erfreulicherweise ändert letztere sich relativ schwach, so daß ohne Nachteile große Variationsbreiten der Betriebsparameter möglich sind.

Die kleinste zulässige Dichtspalthöhe bestimmt auch die Lagerabmessungen, vor allem die radiale Breite der gegenläufigen Spiralnutfelder, die z. B. aus 0.3 mm breiten und 0.2 mm tiefen Nuten zwischen 0.3 mm breiten Dämmen bestehen können. Je schmäler man die beiden Felder macht, umso niedriger wird in den einzelnen Betriebszuständen die Dichtspalthöhe und mit dieser die Reibleistung. Wegen der vielen möglichen Parameter­ kombinationen sei nur ein konkretes Beispiel herausgegriffen. Bei einem speziellen Motorlager ist eine axiale Lagerkraft von 244 daN bei der Drehzahl 24 000 U/min aufzunehmen, und gleichzeitig ein Gasdruck von 5.2 bar abzudichten. Bei einer Dichtspalthöhe von 26 Mikrometern wiese ein Spiralnuten-Axialgleitlager mit den Durchmessern 48/70 hierfür einen Leistungsbedarf von lediglich 1.33 KW auf. Ein gleichgroßes serienmä­ ßiges Mehrflächengleitlager würde nach Herstellerkatalog dagegen zusam­ men mit einer separaten Spiralnutendichtung P_R = 3,8 KW verbrauchen, die 2.9fache Leistung. Offenbar birgt ein hydrodynamisches Keilflächen­ lager erheblich mehr Leistungsverlustquellen als die gegenläufigen Spi­ ralnutfelder.

Dieses Beispiel spricht eindeutig für die Erfindung. Das Lager läßt sich einfach in eine einem Mehrflächenlager ähnliche Scheibe, welche vermutlich am besten aus Lagerwerkstoff gefertigt wird, eingravieren und dürfte in der Herstellung eher billiger als teurer als jenes sein. Die abhebende Elastomerdichtlippe verursacht nicht mehr Aufwand als ein Norm-Radialwellendichtring, nur daß dieser bei der hohen Umfangs­ geschwindigkeit und dem hohen Druck nicht einsetzbar ist und durch kom­ pliziertere Dichtorgane ersetzt werden müßte. Die federbelastete Dicht­ lippe wird zusammen mit einem tiefgezogenen Tragring, an dem sie be­ festigt ist, in die Welle eingepreßt und setzt sich dann auf die Um­ fangsfläche der Lagerscheibe, um bei Wellentotation zentrifugal von dieser abzuheben und sich an ihren Tragring anzulehnen. Wichtig ist es, die Dichtlippe so zu formen, daß zwischen ihr, dem Wellenflansch und der Lagerscheibe möglichst wenig, sozusagen überhaupt kein Hohlraum entsteht, in welchen sich bei Wellenstillstand Schmieröl setzt, das später über die abgehobene Dichtlippe hinweg in den Gasraum einsickern könnte. Es ist möglich, lediglich einen hauchdünnen sackmäßigen Bewe­ gungsspalt zwischen der Dichtlippe und der Lauffläche an der Welle vor­ zusehen. Die Spiralnuten des Außenfeldes müssen an den unvermeidlichen Restraum anschließen, um ihn bei Laufbeginn möglichst leerzusaugen.

Der niedrige Leistungsverbrauch des Spiralnuten-Axiallagers ist nicht nur wirtschaftlich vorteilhaft, sondern für seine Funktionsfähigkeit auch erforderlich. Das Schmieröl tritt nur am Innenrand in die Spiral­ nutfelder ein und aus, und die Maschine ist so zu gestalten, daß dort mit Sicherheit Schmieröl ansteht, sobald die Welle sich dreht. Ein Öl­ durchfluß wäre schwer zu erreichen und wird nicht angestrebt. Das be­ deutet, daß die Verlustleistung das Schmieröl in den Spiralnutfeldern aufheizt, und die Wärme durch die Lagerscheibe und die Wellenwand abzu­ führen ist, weshalb diese leitfähig und gut gekühlt sein müssen. Viel­ leicht sind sogar Lagerscheiben aus Kupfer sinnvoll. Trotzdem wird das Schmieröl eine erhöhte Temperatur annehmen, die in dem vorne zitierten Beispiel bereits einberechnet ist.

Auf der anderen Seite ist es auch günstig, daß das Schmieröl nicht ausgetauscht wird, weil es dann auch keinen Schmutz in das Lager trans­ portiert, der sich in den Spiralnuten festsetzen könnte. Es empfiehlt sich sogar, die Spiralnuten des Innenfeldes daran zu hindern, Schmutz­ partikel aus dem anstehenden Schmieröl anzusaugen, was durch die Flieh­ kraft unterstützt werden würde. Ein Filter kann nicht eingebaut werden, aber etwas Ahnliches. Da die Welle nur auf einen mikrometerweiten Spalt abhebt, läßt ein Schutzwall höchstens Partikel, die kleiner als die Dichtspalthöhe sind, in die zehnfach tieferen Spiralnuten eintreten. Das Lager wird dafür mit einem ein bis zwei Millimeter breiten scharfkantigen Schmutzrückhalterand genau in der Ebene der Spiraldamm­ kronen ausgerüstet, der durch eine tiefe Ölsammelnut vom inneren Spiral­ nutfeld getrennt ist, und auf den sich die Welle bei Stillstand, wie auch auf die Dammkronen, aufsetzt. Wenn die Zentralbohrung der Lager­ scheibe sich von der scharfen Kante aus konisch weitet, können die abge­ wiesenen Schmutzpartikel mit der Wirbelströmung zentrifugal an der Wand entlang abwandern, anstatt sich vor den Spalt zu setzen. Diese Überle­ gungen müssen noch durch Versuche erhärtet werden. Auch andere Schmutz­ abweismaßnahmen sind denkbar.

Die Erfindung ist in den Fig. 1, 2 und 6 in zwei Ausführungen darge­ stellt. Im einzelnen zeigen die

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein kombiniertes Mehrflächen-Radial- und Spiralnuten-Axialgleitlager, die

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Sitzfläche dieses Lagers, die

Fig. 3 ein Druck- und Kraftschaubild über den gegenläufigen Spiral­ nutfeldern dieses Lagers, die

Fig. 4 ein Diagramm von dem Leistungsbedarf eines bestimmten gas- und öldichten Spiralnuten-Axialgleitlagers in Abhängigkeit von den Parametern Lagerkraft, Gasdruck, Wellendrehzahl und dynamische Zähigkeit des Schmieröls, die

Fig. 5 ein Diagramm über die zugehörige Dichtspalthöhe, und die

Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein gas- und öldichtes Spiralnuten- Axialgleitlager mit einem Schmutzrückhalterand und einer verbes­ serten Elastomerdichtlippe.

Bezugszeichenliste

 1 radiales Mehrflächengleitlager
 2 Sitzfläche des Spiralnuten-Axialgleitlagers
 3 Lagerscheibe
 4 nach außen förderndes inneres Spiralnutfeld
 5 nach innen förderndes äußeres Spiralnutfeld
 6 Zwischennut
 7 Gleit- und Aufsetzfläche auf der axialen Mantelfläche der Lagerscheibe
 8 Welle
 9 radiale Lauffläche an der Welle
10 Elastomerdichtlippe
11 Anpreß-Ringfeder
12 axial vorstehende konzentrische Bordwand an der Welle
13 Freispalt
14 Teil (12) als eingepreßter Tiefziehblechring
15 Bewegungsspalt
16 Innenbohrung der Welle
17 Schmutzrückhalterand
18 Lauffläche auf dem Schmutzrückhalterand
19 Trenn- und Ölsammelnut
20 konische Bohrungswand

Literatur:
I 1 I Boon, E. F. u. S. E. Tal: Hydrodynamische Dichtung für rotierende Wellen. Chemie-Ing.-Techn. 31 (1959), S. 202/12.
I 2 I Heitel, K. Beitrag zur Berechnung und Konstruktion von konzen­ trisch und exzentrisch betriebenen Gewindewellen-Dichtungen im lamina­ ren Bereich. Diss. TU Stuttgart., Berichte aus dem Inst. A für Maschi­ nenelemente, Ber. 4; s.a. Konstruktion 31 (1979) 12, S. 483/92.

Claims (4)

1. Spiralnuten-Axiallager, dadurch gekennzeich­ net, daß in die ebene radiale Sitzfläche (2) der Lagerscheibe (3) um die zentrale Wellendurchgangsbohrung (16) herum konzentrisch zwei gegenläufige Spiralnutfelder (4, 5) mit einer Zwischennut (6) eingraviert sind, das nach außen fördernde innere Spiralnutfeld (4) und das nach innen fördernde äußere Spiralnutfeld (5), und daß letz­ teres bis zum Außenrand der Lagerscheibe reicht, welche da eine glat­ te zylindrische axiale Aufsetzfläche (7) hat.

2. Spiralnuten-Axiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (8) über der Sitzfläche der Lagerscheibe eine glatte radiale Lauffläche (9) besitzt, neben der außen eine an der Welle feste axial vorragende Elastomerdichtlippe (10) von einer Ringfeder (11) auf die Aufsetzfläche (7) an der Lagerscheibe gepreßt wird, während eine wellenfeste Bordwand (12) die Dichtlippe und ihre An­ preßfeder mit einem schmalen Spalt (13) umgibt.

3. Spiralnuten-Axiallager nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bordwand (12) durch einen tiefgezogenen Blechring (14) gebil­ det wird, der in die Welle eingepreßt und -geklebt ist, und in den selbst die Elastomerdichtlippe so einvulkanisiert oder -geklebt ist, daß zwischen ihr und der Wellenlauffläche (9) nur ein hauchdünner Axialspalt (15) besteht.

4. Spiralnuten-Axiallager nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem inneren Spiralnutfeld (4) und der zentralen Wellendurchgangsbohrung (16) ein Schmutzrückhalterand (17) vorgesehen ist, der exakt in der Dammkronenebene der Spiralnutfelder eine schma­ le glatte Ringfläche (18) aufweist und durch eine Ringnut (19) vom Spiralnutfeld (4) getrennt ist, und unter dem die Lagerscheibe sich innen nach unten hin konisch weitet (20).