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Dichtungskörper aus einer Masse aus Kohle und einem darin gleichmäßig
fein verteilten Metall, insbesondere zur Abdichtung von Wellen Die Erfindung betrifft
einen Dichtungskörper, insbesondere zur Abdichtung von Wellen, welcher aus .einer
Masse .aus Kohle und einem darin gleichmäßig fein verteilten Metall besteht.
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Zur Abdichtung eines unter höherem Druck stehenden Raumes hat man
bereits Kohlenringe verwendet. Die Abdichtung erfolgte beispielsweise bei der Welle
einer Dampfturbine durch dreiteilige, graphithaltige Ringe, von denen eine größere
Anzahl anal hintereinandergeschaltet am Gehäuse festgelegt sind und von umgelegten
Schlauchfedern gegen die Welle gepreßt werden. Diese Kohlenringdichtung hat den
Vorzug, daß bei sachgemäßem Einbau die Reibung zwischen Welle und Ringen und daher
auch der Verschleiß gering sind und daß die Ringe, da Kohle die Eigenschaft der
Selbstschmierung hat, keiner Schmierung bedürfen.
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Bei den bekannten Kohlenringen hat sich gezeigt, daß bei Temperaturänderungen
zwischen den Ringen und dem abzudichtenden Körper, z. B. der Stahlwelle einer Dampfturbine,
ein Spalt entsteht. Dadurch ist die Abdichtung mehr oder weniger aufgehoben, so
daß die an sich günstigen Kohlenringel praktisch nicht brauchbar sind, selbst wenn
man mehrere Ringpakete hintereinanderschaltet. Diesem Notbehelf ist auch oft durch
die Raumverhältnisse eine Grenze gesetzt.
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Nach der Erfindung ist eine gute Abdichtung dadurch gesichert, daß
der Dichtungskörper aus einer Masse besteht, welche durch Kohle einerseits und durch
Metall, dessen Ausdehnungskoeffizient größer als derjenige des abzudichtenden Körpers
ist, anderseits in solchem Mengenverhältnis gebildet" wird, daß, der gesamte Dichtungskörper
reit Rücksicht auf den verhältnismäßig geringen Ausdehnungskoeffizienten der Kohle
und den verhältnismäßig großen Ausdehnungskoeffizienten des Metalls den gleichen
Ausdehnungskoeffizienten wie der abzudichtende Körper hat. Bekanntlich hat Kohle
einen -sehr geringen Ausdehnungs.-koeffizienten, jedenfalls einen weit geringeren
als die Stoffe, aus denen die ,abzudichtenden Körper bestehen. Setzt man daher der
Kohle ein Metall zu, dessen Ausdehnungskoeffizient größer als derjenige des abzudichtenden
Körpers ist, so ist es durch entsprechende Bemessung der Menge des Metalls möglich;
der Masse genau den gleichen Ausdehnungskoeffizienten zu geben, den der abzudichtende
Körper hat. Erst durch diese Anpassung des kohlehaltigen Dichtungskörpers an den
Ausdehnungskoeffizienten des abzudichtenden
Körpers, z. B. der Dampfturbinenwelle,
ist ein Dichtungskörper geschaffen, der bei allen Temperaturen zuverlässig dicht
ist und dabei keiner besonderen Schmierung bedarf.
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Es ist an sich bekannt, Dichtungs- oder. Lagerkörper aus einem Gemisch
von Graphit und einem Mantel herzustellen, um sog. Metallkohle zu erzeugen, jedoch
ist bisher noch nicht vorgeschlagen worden, diese Bestandteile in solchem Mengenverhältnis
zusammenzumischen, daß der gesamte Dichtungskörper den gleichen Ausdehnungskoeffizienten
wie der abzudichtende Körper hat.
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Es ist auch bekannt, Dichtungskörper aus Kohle nach dem sog. Acheson-Verfahren
herzustellen, nach welchem die Kohle mit so hohen Hitzegraden behandelt wird, daß
metallische Beimengungen, in dieser Kohle verdampfen. Die Kohle wird dann an der
Oberfläche metallisiert, um die Kohlenoberfläche gegen mechanische Einflüsse zu
schützen. Der Zweck des bekannten Verfahrens besteht daher nicht darin, Dichtungskörper
zu erzielen, die den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie der abzudichtende Körper
haben.
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Handelt es sich um die Abdichtung einer Welle o. dgl., d. h. eines
Körpers, der aus Stahl hergestellt ist, so besteht nach der Erfindung zweckmäßig
das in der Masse des Abdichtungskörpers fein verteilte Metall z. B. aus Kupfer.
Kupfer hat einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als Stahl, beeinträchtigt nicht
die Vorzüge der Kohle, nämlich deren Selbstschmierung und geringen Reibungswiderstand
und läßt sich insbesondere leicht in Pulverform herstellen.
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Bei Anordnung des aus Kohle und Metall bestehenden Dichtungskörpers
an :einer dem Zutritt von Dampf ,ausgesetzten Stelle, also. insbesondere in Stopfbüchsen
von mit Dampf arbeitenden Maschinen, ist die Gefahr der Oxydierbarkeit dieser Masse
zu berücksichtigen. Um auch hiergegen gesichert zu sein, enthält nach der Erfindung
zweckmäßig die Masse neben Kohle -und einem Metall, z. B. Kupfer, noch Zinn. Der
Gehalt an Zinn macht die Masse oxydationsbeständig, ohne die Gleichmäßigkeit des
Gefüges bei der Herstellung der Masse zu gefährden.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel für die Zusammensetzung der
Masse nach der Erfindung und für das Herstellungsverfahren der Masse beschrieben.
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Wenn es sich bei der Abdichtung einer Welle darum handelt, das Ausdehnungsvermögen
des Dichtungskörpers dem Ausdehnungskoeffizienten von Stahl anzugleichen, so ergibt
bei den für Wellen üblichen Stahlsorten eine Zusammensetzung des Dichtungskörpers
aus 21 Gewichtsprozenten Kohle und 79 Gewichtsprozenten Kupfer Gleichheit der Ausdehnungskoeffizienten.
Zur Herstellung eines diese Zusammensetzung aufweisenden Dichtungskörpers werden
21 Gewichtsteile Kohlenpulver (Graphit) mit 79 Gewichtsteilen Kupferpulver mittels
besonderer Maschinen innig zu einem gleichmäßigen Gemenge vermischt. Diese Masse
wird unter hohem Druck in Formen zu Formlingen der gewünschten Größe und Gestalt
(z. B. drei-!i teiligen Ringen) gepreßt, worauf diese Formlinge in einem Ofen unter
Luftabschluß geglüht werden. Hierbei sintern Graphit und Kupferpulver zu einer homogenen
Masse zusammen, welche die oben gekennzeichneten Eigenschaften bat.
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Als Zusatz zum Graphit eignet sich jedes Metall, das einen größeren
Ausdehnungs; koeffizienten hat als, Stahl und sich zu feinem Pulver verarbeiten
läßt. Unter den gleichen Voraussetzungen ist auch die Verwendung einer Metallverbindung
möglich, sofern beim Glühen des Formlings die Metallverbindung zu dem Metall reduziert
wird. Eine solche Metallverbindung ist z. B. Zinkoxyd.
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Soll der Dichtungskörper neben der Eigenschaft der Übereinstimmung
seines Ausdehungs izienten mit demjenigen von Stahl n 'koeff sich noch durch besondere
Oxydationsbeständigkeit auszeichnen, so wird das Kohlenpulver (Graphit) an Stelle
der Vermischung mit reinem Kupferpulver mit einem Gemenge aus Kupfer- und Zinnpulver
vermischt. Das Mischungsverhältnis dieser drei Bestandteile richtet sich wiederum
nach der Zusammensetzung bzw. dem Ausdehnungskoeffizienten des abzudichtenden Körpers.
Durch Versuche hat sich das Gemischverhältnis 2 i Graphit, 71% Kupfer und 8% Zinn
als günstig herausgestellt. In dieser Masse sind Kupfer und Zinn in einem gegenseitigen
Gewichtsverhältnis von 9o% Kupfer und io% Zinn, also nach dem Glühen in Form einer
Alphabronze, vertreten.
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Als ähnliche Zusammensetzung der Masse kommt eine Mischung von 20,50/0
Graphit, 68,5 % Kupfer und i i % Zinn in Frage. Die Gewichtsanteile von Kupfer
und Zinn entsprechen in dieser Mischung :einem Verhältnis von 87,5% Kupfer und 12,50/0
Zinn. Das Kennzeichen dieser Mischung ist der höhere Zinngehalt gegenüber der zuerst
:erwähnten Mischung. Der Höhe des Zinngehaltes ist jedoch eine Grenze gesetzt, da
mit steigendem Zinngehalt die Fähigkeit der einzelnen Bestandteile, beim Glühen
zu einem homogenen Gefüge zu legieren, sich verringert oder sogar ganz beseitigt
wird. Maßgebend für das Mischungsverhältnis zwischen Kupfer und Zinn ist das Mischungsverhältnis
dieser Bestandteile in einer Alphabronze, die bekanntlich nur den Höchstgehalt an
Zinn von
I3,9% haben kann. Je mehr sich der Zinngehalt der Alphabronze
dieser Grenze von I3,9% nähert, um so mehr neigt der Herstellungsvorgang der Bronze
dazu, den Gleichgewichtszustand nach der Zinnseite (Alpha -E- Delta) zu verschieben.
Dieser oberen Grenze des Zinngehaltes steht eine untere Grenze gegenüber, die bei
etwa i o liegt; wird diese Grenze unterschritten, so besteht die Gefahr, daß in
Gegenwart von 2o Gewichtsprozenten Graphit (etwa 45 Raumprozenten) Kupfer und Zinn
nicht zu einer gleichmäßigen Alphabronze legieren, sondern eine Masse entsteht,
in der kupferreiche Stellen enthalten sind.
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Es können auch mehr als zwei metallische Bestandteile, z. B. Kupfer,
Zink und Zinn in der Masse enthalten sein.
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Wird der aus einer Masse nach der Erfindung bestehende Dichtungskörper
in Form von Ringen als Dichtungsmaterial für die Stopfbüchsen von Dampfturbinen
verwendet, so ist infolge des gleichen Ausdehnungsvermögens der Welle und der Ringe
gewährleistet, daß bei allen Tempieraturen die Ringe gleichmäßig dicht an die Welle
angepreßt sind. Spalte, welche den Austritt des Dampfes aus dem Turbinengehäuse
zulassen, können nicht auftreten. Infolgedessen braucht nur eine geringe Anzahl
Ringe hintereinandergeschaltet zu werden, so daß die Baulänge der Turbine entsprechend
klein ist.