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Diese
Erfindung betrifft das technische Gebiet der Lager, und zwar der
Lager mit einem abgeschlossenen Raum, der Öl enthält, und einem abgeschlossenen
Raum, der Luft enthält.
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Solche
Lager werden insbesondere dazu verwendet, um eine Turbomaschinenwelle
zu lagern, die sich mit großer
Geschwindigkeit dreht, d. h. mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung
von 40 000 U/min. oder mehr.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Dichtungsvorrichtung für solche
Lager, wobei diese Dichtungsvorrichtung als Trennung zwischen dem abgeschlossenen
Raum, der Öl
enthält,
und dem abgeschlossenen Raum, der Luft enthält, angeordnet ist.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Turbomaschine, die mit einer solchen
Dichtungsvorrichtung ausgerüstet
ist.
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Eine
Dichtungsvorrichtung für
Drehwellenlager gemäß dem Stand
der Technik ist in der Schrift
US
2 857 182 beschrieben.
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Das
Lager umfasst einen Lagerinnenring, in dem eine Welle gelagert ist,
und einen Lageraußenring,
der mit einem Gehäuse
fest verbunden ist. Diese Dichtungsvorrichtung weist auf
- – einen
ersten Ring und einen zweiten Ring, die mit der Welle in Drehbewegung
angetrieben werden, wobei der erste Ring zwischen dem zweiten Ring
und dem Lagerinnenring angeordnet ist, und wobei sich der erste
Ring einem ringförmigen Öl-Hohlraum des Gehäuses gegenüber befindet,
- – eine
Dichtung, die mit einem feststehenden Teil fest verbunden ist, welches
den zweiten Ring umgibt, wobei diese Dichtung in Kontakt mit dem
ersten Ring gehalten wird,
- – einen Ölkreislauf
zur Schmierölversorgung
einer Reibungs-Grenzfläche
zwischen der Dichtung und dem ersten Ring, wobei der Ölkreislauf
mindestens einen Dichtungs-Einspritzkanal
aufweist, der Schmieröl
von einer radial innen liegenden Seite des ersten Rings bis zu der
Reibungs-Grenzfläche
zwischen diesem ersten Ring und der Dichtung zuführt, wobei der Dichtungs-Einspritzkanal
eine Abzweigung aufweist, die zum Wellenlager hin mündet.
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Eine
weitere Dichtungsvorrichtung für
Drehwellenlager gemäß dem Stand
der Technik ist in 1 dargestellt.
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Eine
Welle 12 (mit Strich-Punkt-Linie dargestellt), die eine
Achsrichtung bestimmt, ist in einem Kugellager 20 drehbar
gelagert, wobei die Kugeln 22 zwischen einem Lagerinnenring 24,
der mit der Welle 12 in Drehbewegung versetzt wird, und
einem Lageraußenring 26,
der mittels geeigneter Befestigungsmittel wie z. B. Schrauben 32 mit
einem Gehäuse 30 fest
verbunden ist, angeordnet sind. Einspritzkanäle 28 für die Kugeln
verlaufen durch den Innenring 24, um Schmieröl zu den
Kugeln 22 ins Innere des Lagers 20 einzuspritzen,
wobei das Öl
von einem außen
umlaufenden Spiel 14 zwischen der Welle 12 und
dem Innenring 24 kommt.
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Die
Dichtungsvorrichtung weist einen ersten Ring 40 und einen
zweiten Ring 50 auf, die beide mit der Welle 12 in
Drehbewegung versetzt werden. Der erste Ring 40 ist zwischen
dem Lagerinnenring 24 und dem zweiten Ring 50 angeordnet
und mit den üblichen,
nicht dargestellten Mitteln mit diesen beiden jeweils starr verbunden,
so dass die drei Ringe 24, 40, 50 zusammen
mit der Welle 12 drehen. Das außen umlaufende Spiel 14 zwischen
dem Innenring 24 und der Welle 12 setzt sich zwischen
dem ersten Ring 40 und der Welle 12 entlang mindestens
eines Teils dieses ersten Rings 40 fort.
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Gegenüber dem
ersten Ring 40 weist das Gehäuse 30 eine ringförmige Auskehlung 34 auf,
die einen ringförmigen Öl-Hohlraum 36 um
den ersten Ring 40 herum bildet.
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Gegenüber dem
zweiten Ring 50 und diesen umgebend befindet sich ein Haltering 60,
der am Gehäuse 30 mit
geeigneten (nicht dargestellten) Befestigungsmitteln befestigt ist.
Eine erste, feststehende, ringförmige
Manschette 62 wird von dem Haltering 60 gehalten
und erstreckt sich von dem Haltering 60 aus radial nach
innen zu dem zweiten Ring 50 hin. Eine zweite, bewegbare
Manschette 64 wird von dem Haltering 60 gehalten
und erstreckt sich von dem Haltering 60 aus radial nach
innen zu dem zweiten Ring 50 hin. Sie kann sich zwischen
der ersten Manschette 62 und dem ersten Ring 40 axial
verschieben.
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Die
zweite, bewegbare Manschette 64 weist eine ringförmige Aufnahme
auf, die dem zu dem ersten Ring 40 hin gerichtet ist und
in der eine ringförmige
Dichtung 66 aus einem relativ harten Werkstoff aufgenommen
ist, wie beispielsweise eine Kohlenstoffdichtung oder eine Keramikdichtung.
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Zwischen
dem zweiten Ring 50 und jeder der ringförmigen Manschetten 62, 64 ist
ein außenumlaufendes
Spiel 58 gebildet, das in eine ringförmige Luftkammer 59 mündet, die
von der zweiten Manschette 64, der Dichtung 66 und
dem zweiten Ring 50 umgrenzt ist.
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Zwischen
der ersten, feststehenden Manschette 62 und der zweiten,
axial bewegbaren Manschette 64 ist ein dichtes Rückstellmittel
wie beispielsweise eine Balgfeder 68 angeordnet, die an
der ersten, feststehenden Manschette 62 anliegt und eine
Kraft auf die zweite, axial bewegbare Manschette 64 ausübt, so dass
die Dichtung 66 an eine radiale Seite 46 des ersten
Rings 40 gedrückt
wird.
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Da
die Dichtung 66 feststehend gehalten wird und der erste
Ring 40 um die Welle 12 drehbar beweglich ist,
ist die Grenzfläche
zwischen dieser Dichtung 66 und diesem ersten Ring 40 eine
Reibungs-Grenzfläche,
die mit Öl
geschmiert wird, welches von dem außen umlaufenden Spiel 14 über einen Ölkreislauf
kommt, der eine Vielzahl von Dichtungs-Einspritzkanälen 42 aufweist,
die in der Dicke des ersten Rings 40 ausgeführt sind.
Diese Dichtungs-Einspritzkanäle 42 münden einerseits
in die innen liegende, umlaufende Seite des ersten Rings 40 und
andererseits in die radiale Seite 46 dieses ersten Rings 40,
und zwar im Bereich der Reibungs-Grenzfläche.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf 1 Arbeitsweise
und Nachteile des Lagersystems beschrieben, das die Dichtungsvorrichtung
für Lager
gemäß dem bisherigen
Stand der Technik beinhaltet.
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Das
Bezugszeichen 80 bezeichnet den abgeschlossenen Raum, der
nur Luft enthält,
und das Bezugszeichen 82 bezeichnet den abgeschlossenen Raum,
der Öl
und Luft enthält
und in dem sich insbesondere das Wälzlager 20 und der
ringförmige Öl-Hohlraum 36 befinden.
Das Schmieröl,
das sich in dem umlaufenden Spiel 14 befindet, wird in
die Einspritzkanäle 28 für die Kugeln
eingesaugt, wie mit dem Pfeil 84 angezeigt, und dient zur
Schmierung der Kugeln 22, wie mit dem Pfeil 86 angezeigt.
Desgleichen wird es von den Dichtungs-Einspritzkanälen 42 eingesaugt,
wie mit dem Pfeil 88 angezeigt, und dient zur Schmierung
der Reibungs-Grenzfläche
zwischen der Dichtung 66 und der radialen Seite 46 des ersten
Rings 40, wie mit dem Pfeil 90 angezeigt. Im Bereich
der Reibungs-Grenzfläche
wird das Öl
unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte hauptsächlich radial auswärts, wie
mit dem Pfeil 92 angezeigt, in den ringförmigen Öl-Hohlraum 36 abgelassen,
wo es durch Zentrifugieren in der Form von Tröpfchen von der Luft getrennt
wird. Diese Tröpfchen
werden sodann in der ringförmigen
Auskehlung 34 aufgefangen und gesammelt, dann wird das Öl durch
Durchlässe 38,
die durch das Gehäuse 30 und
den Lageraußenring 26 verlaufen,
zu dem abgeschlossenen Raum für Öl 82 abgeführt und
am Außenumfang
verteilt.
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Ein
Restbestand des Öls,
der die Reibungs-Grenzfläche
schmiert, wird unter der Wirkung der Zentripetalkräfte auch
radial einwärts,
wie mit dem Pfeil 94 angezeigt, in die ringförmige Luftkammer 59 abgelassen,
die zu dem abgeschlossenen Raum 80, der Luft enthält, gehört. Dieses
radial einwärts
erfolgende Abführen
des Öls
in eine Kammer, die dazu gedacht ist, nur Luft zu enthalten, äußert sich
in unerwünschten Ölverlusten,
die insbesondere im Leerlauf, im Umkehrschub oder beim Übergangsdrehzahlen
stattfinden.
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Ein
Nachteil der Dichtungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik liegt
darin, dass diese Ölverluste
den Leistungen des Lagers 20 abträglich sind. Sie können Unwuchten
der Welle 12 bewirken, die ihrerseits vorzeitigen Verschleiß, ja sogar
Beschädigungen
von Teilen verursachen können.
Außerdem
haben diese Ölverluste
einen erhöhten Ölverbrauch
und Luftverschmutzung während
des Betriebs der Turbomaschine zur Folge.
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Diese
Erfindung hat zum Zweck, die Nachteile der Dichtungsvorrichtung
für Lager
gemäß dem Stand
der Technik zu beseitigen.
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, die Ölleckagen zwischen dem abgeschlossenen Raum,
der Öl
und Luft enthält,
und dem abgeschlossenen Raum, der nur Luft enthält, mittels der Reibungs-Grenzfläche zwischen
der Dichtung und dem ersten Ring zu verhindern.
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Erfindungsgemäß ist die
Dichtungsvorrichtung für
ein Wellenlager gemäß dem Gegenstand des
selbständigen
Anspruchs 1 ausgeführt.
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Vorzugsweise
ist der Abstand zwischen der ersten Seite des radialen Ansatzes
und der genannten umgebenden Gehäusewand
größer als
ein gegebener Minimalabstand.
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Vorzugsweise
ist dieser Abstand zwischen der ersten Seite des radialen Ansatzes
und der umgebenden Gehäusewand
geringer als ein gegebener Maximalabstand.
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Vorzugsweise
weist der genannte Ölkreislauf mindestens
einen Dichtungs-Einspritzkanal
auf, der Schmieröl
von einer radial innen liegenden Seite des ersten Rings bis zu der
Reibungs-Grenzfläche
zwischen diesem ersten Ring und der Dichtung zuführt, wobei dieser Dichtungs-Einspritzkanal
eine Abzweigung aufweist, die zum Wellenlager hin mündet.
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Vorzugsweise
ist der radiale Ansatz im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgeführt, wobei
seine zweite Seite dergestalt geneigt ist, dass sie sich in dem
Maße,
wie sie sich radial von der Welle entfernt, axial an die Dichtung
annähert.
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Vorzugsweise
weist der radiale Ansatz über den
Umfang verteilt Ablasslöcher
auf, die einen Luftdurchgang zwischen seiner ersten Seite und seiner zweiten
Seite ermöglichen.
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Gemäß einem
ergänzenden
Aspekt der Erfindung weist der zweite Ring Vorsprünge auf,
die im Bereich des ersten Rings über
seine äußere Umfangsseite
verteilt angeordnet sind.
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Vorzugsweise
befinden sich diese Vorsprünge
in Kontakt mit dem ersten Ring.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Turbomaschine, die mindestens
eine solche Dichtungsvorrichtung aufweist.
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Die
Erfindung geht näher
aus der folgenden detaillierten Beschreibung von besonderen Ausführungsformen
der Erfindung hervor, die rein zu Darstellungszwecken und in keiner
Weise einschränkend
sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird,
wobei
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1 wie
bereits beschrieben eine Dichtungsvorrichtung nach dem Stand der
Technik zeigt,
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2 eine
Dichtungsvorrichtung gemäß dieser
Erfindung zeigt, und
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3 in
einer teilweise vergrößerten Ansicht von 1 die
Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung
im Besonderen zeigt.
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In 2 werden
die Elemente, die identisch mit den bereits unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen
sind, mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet,
und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
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Erfindungsgemäß wird der
erste Ring 40 in radialer Richtung nach außen durch
einen radialen Ansatz 70 verlängert, dessen freies Ende allgemein zu
der ringförmigen
Auskehlung 34 hin ausgerichtet ist. Dieser radiale Ansatz 70 weist
eine erste Seite 72 auf, die zu der Dichtung 66 hin
gerichtet ist, sowie eine zweite Seite 74, die zu dem Lager 20 hin
gerichtet ist. Diese zweite Seite 74 ist im Wesentlichen,
bezogen auf die axiale Richtung der Welle 12, entgegengesetzt
zu der genannten ersten Seite 72 ausgerichtet.
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Die
erste Seite 72 dieses radialen Ansatzes 70 befindet
sich gegenüber
einer Innenwand 31 des ringförmigen Öl-Hohlraums 36, der
Teil des Gehäuses 30 ist.
Die Strecke zwischen dieser ersten Seite 72 und dieser
Innenwand 31 bildet ein Spiel J.
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Der
radiale Ansatz 70 ist im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgeführt, wobei
seine zweite Seite 74 dergestalt geneigt ist, dass sie
sich in dem Maße,
wie sie sich radial von der Welle 12 entfernt, axial an
die Dichtung 66 annähert.
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Der
radiale Ansatz 70 weist durchgehende Ablasslöcher 78 auf,
die im Wesentlichen parallel zur Achsrichtung der Welle ausgerichtet
sind und über den
Umfang dieses radialen Ansatzes 70 verteilt angeordnet
sind.
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Der Ölkreislauf,
der in der Dicke des ersten Rings 40 ausgeführt ist,
weist eine Vielzahl von Dichtungs-Einspritzkanälen 42 auf. Analog
zu den Kanälen
nach dem bisherigen Stand der Technik münden diese Dichtungs-Einspritzkanäle 42 einerseits
in die innen liegende, umlaufende Seite des ersten Rings 40,
um Öl,
das von dem außen
umlaufenden Spiel 14 kommt, anzusaugen, und andererseits
in die radiale Seite 46 dieses ersten Rings 40,
um die Reibungs-Grenzfläche
zwischen der Dichtung 66 und diesem ersten Ring 40 mit Öl zu versorgen.
Außerdem
weisen diese Dichtungs-Einspritzkanäle 42 erfindungsgemäß ebenfalls
eine Abzweigung 48 auf, die in die zweite Seite 74 des
radialen Ansatzes 70 in dem ringförmigen Öl-Hohlraum 36 mündet.
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Gemäß einem
ergänzenden
Aspekt der Erfindung weist der zweite Ring Vorsprünge 54 auf,
die über
die Außenseite 52 dieses
zweiten Rings 50 verteilt angeordnet sind.
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Vorzugsweise
sind diese Vorsprünge 54 an einem
Rand des zweiten Rings 50 angeordnet, so dass sie sich
in Kontakt mit dem ersten Ring 40 befinden.
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Im
Folgenden werden die Arbeitsweise und die Vorteile des Lagersystems
mit der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung
für Wellenlager
unter Bezugnahme auf 3 sowie auf 2 für alle in 3 nicht
enthaltenen Elemente beschrieben:
- – zunächst hinsichtlich
der Erfindung: Verbesserung des ersten Rings 40,
- – dann
hinsichtlich eines ergänzenden
Aspekts der Erfindung: Verbesserung des zweiten Rings 50.
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Analog
zur Arbeitsweise des Lagersystems nach dem bisherigen Stand der
Technik wird das Schmieröl,
das sich in dem umlaufenden Spiel 14 befindet, von den
Dichtungs-Einspritzkanälen 42 eingesaugt,
wie mit dem Pfeil 88 angezeigt, und dient zur Schmierung
der Reibungs-Grenzfläche
zwischen der Dichtung 66 und der radialen Seite 46 des
ersten Rings 40, wie mit dem Pfeil 90 angezeigt.
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Ist
gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung ein erster Ring 40 vorhanden, wird
gleichzeitig der Schmieröl-Überschuss,
der die Reibungs-Grenzfläche
versorgt, durch die Abzweigung 48 abgeführt und tritt in den ringförmigen Öl-Hohlraum 36 im
Bereich der zweiten Seite 74 des radialen Ansatzes 70 aus, wie
mit dem Pfeil 91 angezeigt. Dieses Abführen des Schmieröl-Überschusses,
der die Reibungs-Grenzfläche versorgt,
hat den Vorteil, dass Leckagen in die Luftkammer 59 vermieden
werden, indem dem Öl eine
andere Bahn geboten wird. Ferner bietet es den Vorteil, dass die
im Bereich der Reibungs-Grenzfläche
freigesetzte Wärme
abgeführt
wird.
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Das
so durch die Abzweigung 48 in den ringförmigen Öl-Hohlraum 36 zwischen
der zweiten Seite 74 des radialen Ansatzes 70 und
dem Lager 20 abgeführte
Schmieröl
befindet sich dann in einem Zustand von Öltröpfchen, die durch Zentrifugieren
von der Luft getrennt sind.
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Im
Bereich der Reibungs-Grenzfläche
wird das Öl
unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte hauptsächlich radial auswärts, wie
mit dem Pfeil 92 angezeigt, in den ringförmigen Hohlraum 36 zwischen
der ersten Seite 72 des radialen Ansatzes 70 und
der Innenwand 31 des Gehäuses 30 abgelassen.
Das Öl befindet
sich dann in einem Zustand von Öltröpfchen, die
durch Zentrifugieren von der Luft getrennt sind. Diese Öltröpfchen werden
durch das Spiel J hindurch transportiert, wie mit dem Pfeil 98 angezeigt,
und zwar von einem Leckluftkreislauf, der von dem umlaufenden Spiel 58 stammt
(Pfeil 100), wobei sie durch die Luftkammer 59 (Pfeil 102)
und über
die Reibungs-Grenzfläche
zwischen der Dichtung 66 und der radialen Seite 46 des
ersten Rings 40 (Pfeil 92) gelangen.
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Das
Spiel J ist in geeigneter Weise dimensioniert. Es ist größer als
ein gegebenes Minimalspiel Jmin, so dass der Transport des Öls durch
dieses Spiel J korrekt vonstatten gehen kann, da die Zeitspanne,
während
der sich das Öl
in der ringförmigen Auskehlung 34 im
Bereich des Spiels J aufhält,
wegfällt.
Das Spiel J ist kleiner als ein gegebenes Maximalspiel Jmax, so
dass der Durchgang der Leckluft durch die Ablasslöcher 78 unterstützt wird
und der Transport von Luft/Öl-Gemisch
in den ringförmigen Hohlraum 36 reduziert
wird. Die Werte des Minimalspiels Jmin und des Maximalspiels Jmax
werden in Abhängigkeit
von der Dimensionierung des Lagers 20 und dessen Umgebung
bestimmt.
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Die
beiderseits des radialen Ansatzes 70 zentrifugierten und
transportierten Öltröpfchen werden
sodann in der ringförmigen
Auskehlung 34 aufgefangen und gesammelt, dann wird das Öl über durchgehende
Durchlässe 38 zu
dem abgeschlossenen Raum für
das Öl 82 abgeführt.
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Auf
der Seite der zweiten Seite 74 ermöglicht es deren Neigung, dass
die Öltröpfchen sich
von ihr lösen.
Auf diese Weise kann eine Wärmeabgabe
im Bereich dieser zweiten Seite 74 vermieden werden, die
unter der Wirkung einer Reibung stattfände, wenn die Öltröpfchen auf
dieser zweiten Seite 74 entlang rollen würden.
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Ferner
sorgen beim Drehen des ersten Rings das Spiel J und die Ablasslöcher 78 für einen
Luftunterdruck in dem ringförmigen Öl-Hohlraum 36,
am Austritt der Reibungs-Grenzfläche, sowie
für eine
zusätzliche
Luftzirkulation in der Richtung von der ersten Seite 72 des
radialen Ansatzes 70 zu dessen zweiter Seite 74 (Pfeil 99).
In Folge dessen werden die Ölleckagen
in umgekehrter Richtung über
die Reibungs-Grenzfläche zu der
ringförmigen
Luftkammer 59 noch weiter reduziert, und das Abführen der Öltröpfchen zu
der ringförmigen
Auskehlung 34 wird noch verbessert.
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Mit
einem zweiten Ring 50 gemäß dem ergänzenden Aspekt der Erfindung,
der im Bereich des ersten Rings 40 und vorzugsweise an
diesem Vorsprünge 54 aufweist,
entsteht beim Drehen des ersten und des zweiten Rings 40, 50 gleichzeitig
in der ringförmigen
Luftkammer 59 an der Dichtung 66 ein Luftüberdruck.
In Folge dessen wird die von dem umlaufenden Spiel 58 stammende
Luftzirkulation durch die ringförmige
Luftkammer 59 und dann über
die Reibungs-Grenzfläche
noch verbessert. Diese Luftzirkulation hat den vorteilhaften Effekt,
dass sie einerseits den Ölleckagen über die
Reibungs-Grenzfläche hin
zu der ringförmigen
Luftkammer 59 entgegenwirkt, und andererseits die Luftzirkulation
verbessert, die die Öltröpfchen durch
das Spiel J mitnimmt. Die Dimensionierung der Vorsprünge 54 erfolgt
in geeigneter Weise in Abhängigkeit
von den gewünschten Wirkungen.
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Die
soeben beschriebenen Merkmale der Erfindung, nämlich das Vorhandensein eines
radialen Ansatzes 70 an dem ersten Ring 40, wobei
dieser radiale Ansatz 70 eine geneigte zweite Seite 74 sowie Ablasslöcher 78 aufweist,
tragen dazu bei, ob nun einzeln oder in Kombination miteinander,
die Luftzirkulation über
die Reibungs-Grenzfläche hin
zu dem ringförmigen Öl-Hohlraum
zu unterstützen
und in wirkungsvollerer Weise die Öltröpfchen zu der ringförmigen Sammelauskehlung 34 mitzunehmen,
wobei gleichzeitig die Wärmeabgabe
im Bereich der Reibungs-Grenzfläche und
auf diesem radialen Ansatz 70 eingeschränkt wird, so dass die gewünschten
Ziele erreicht werden können.
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Ferner
trägt das
Merkmal eines ergänzenden
Aspekts der Erfindung, das soeben beschrieben wurde, nämlich das
Vorhandensein von Vorsprüngen 54 auf
dem zweiten Ring 50, ebenfalls dazu bei, diese Luftzirkulation über die
Reibungs-Grenzfläche
hin zu dem ringförmigen Öl-Hohlraum
durch Ansaugen von Luft von der anderen Seite der Dichtung 66 zu unterstützen, und
ermöglicht
es damit ebenfalls, die gewünschten
Ziele zu erreichen.
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Und
schließlich
kombinieren und verstärken sich
die gewünschten
Wirkungen durch das Vorhandensein des ersten Rings 40 und
des zweiten Rings 50. Auf noch wirkungsvollere Weise wird
den Ölleckagen
hin zu der ringförmigen
Luftkammer 59 entgegengewirkt. Die Leistungen der Dichtungsvorrichtung
werden noch weiter verbessert. Der Ölverbrauch wird vorteilhaft
gesteuert. Die Luftverschmutzung wird vorteilhaft verringert. Verschleiß und Beschädigung der
Dichtung werden noch besser vermieden, und ihre Lebensdauer wird
verlängert.
Die Risiken einer Unwucht der Welle werden noch reduziert.