DE69619777T2

DE69619777T2 - Dichtungseinheit für Gasspülung

Info

Publication number: DE69619777T2
Application number: DE69619777T
Authority: DE
Inventors: Clive John Stanley
Original assignee: Dowty Seals Ltd
Current assignee: Dowty Seals Ltd
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: US5758881A; EP0780606B1; DE69619777D1; GB9526171D0; EP0780606A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Wellendichtungen der Art, die einen elastischen Dichtungsring mit einer umfänglichen Dichtungslippe umfassen, welche beim Gebrauch axial so gebogen ist, dass sie radial gegen eine Dichtungsoberfläche dar Welle oder eines Gehäuseteils um die Welle drückt.
Wellendichtungen haben gewöhnlich eine einheitliche Dicke über ihre volle radiale Breite und nehmen, wenn sie gegen die Dichtungsoberfläche gebogen werden, eine gleichmäßige, gekrümmte Gestalt an, so dass die Kontaktspannung allmählich so gegen Null geht, wie sich die Lippe von der Welle weg krümmt. Es liegt daher eine in hohem Maße unbestimmte Dichtungskontaktfläche und Spannungsverteilung vor, welche beide durch Verschleiß der Lippe und eine glockenförmige Öffnung, die durch das freie Ende der Lippe bewirkt wird, welches sich von der Welle weghebt, hervorgerufen werden.
Wellendichtungen können verwendet werden, um gegen den Fluss eines Fluids von einem Hochdruckbereich zu einem Niederdruckbereich entlang einer Welle oder eines Schafts abzudichten, wobei vorgesehen wird, dass sich das freie Ende der Dichtungslippe in Richtung Hochdruckbereich erstreckt und durch den Druck des Fluids gegen die Welle oder den Schaft gedrückt wird. Alternativ können Wellendichtungen als Fluidabführungsdichtungen verwendet werden, bei denen sich das freie Ende der Dichtungslippe in Richtung Niederdruckbereich erstreckt und bewirkt, dass entweder Fluid vom Hochdruckbereich in einer kontinuierlichen, kontrollierten Weise abgeführt oder dass überschüssiger Druck abgeführt wird.
Konventionelle Wellendichtungsanordnungen sind in der FR-A-1334962, GB-A- 1457261, DE-U-9213373.8 und in der US-A-2149147 offenbart.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Wellendichtungsanordnung bereitzustellen.
Die Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert, auf die sich nun bezogen werden sollte.
Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung eine Wellendichtungsanordnung bereit, die einen Träger und eine erste Wellendichtung umfasst, wobei die erste Wellendichtung einen elastischen Dichtungsring mit einer umfänglichen Dichtungslippe umfasst, welche beim Gebrauch axial so gebogen ist, dass sie radial gegen eine Dichtungsoberfläche einer Welle oder eines Gehäuseteils um die Welle drückt, und die Dichtungskontaktfläche auf der Dichtungslippe zwischen vorbestimmten Grenzen bildet, wobei jede Grenze durch eine Änderung des Winkels der Oberfläche der Dichtungslippe definiert wird, so dass beim Gebrauch eine hohe Kontaktspannung über die gesamte Dichtungskontaktfläche erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiter eine zweite Wellendichtung umfasst, bei der jede Wellendichtung so in dem Träger montiert ist, dass sie die Welle beim Gebrauch radial umgibt, wobei die Wellendichtungen so beabstandet sind, dass sie einen Bereich um die Welle definieren, bei der die erste Wellendichtung auf der Welle ausgerichtet ist, wodurch das freie Ende der Dichtungslippe sich von diesem Bereich weg erstreckt, und bei der die zweite Wellendichtung eine Dichtungslippe aufweist, deren freies Ende sich von diesem Bereich weg erstreckt, wobei mindestens eine, die erste oder die zweite Wellendichtung, bewirkt, dass entweder ein Fluid aus diesem Bereich in kontinuierlicher, kontrollierter Weise weggeführt oder dass überschüssiger Druck abgeführt wird.
Die Anordnung gemäß der Erfindung reduziert vorteilhaft das Risiko der unerwünschten Bewegung von Verschmutzungen, wie zum Beispiel anderen Fluiden oder Partikeln, unter jeder der Dichtungen in den Bereich oder sogar unter beiden Dichtungen und entlang der Welle.
Vorzugsweise wird Fluid über einen Einlass in den Bereich zwischen den Dichtungen eingeführt und tritt zwischen mindestens einer Dichtung und der Welle oder dem Gehäuseteil aus, um einen Eintritt von Verschmutzungen in den Bereich zu verhindern.
Die Dichtungen sind beide vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Mindestens eine und vorzugsweise beide Dichtungen können in korrespondierenden Schlitzen im Träger durch Quetschen sicher befestigt werden.
Die Erfindung wird beispielhaft in der begleitenden Zeichnung illustriert, in der
Fig. 1 ein Teilschnitt einer Wellendichtung gemäß der Erfindung ist,
Fig. 2 ein Schnitt einer Wellendichtungsanordnung ist, die die Dichtung der Fig. 1 umfasst, und
Fig. 3 ein Schaubild ist, das die Kontaktspannung der Wellendichtung in Fig. 2 darstellt.
Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine andere Wellendichtungsanordnung, die die Wellendichtung umfasst, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Die gezeigte Wellendichtung umfasst einen PTFE-Ring 1, der außer an seinem inneren Umfang, wo er dicker ist, um Platz für eine ringförmige, abgeschrägte Dichtungskontaktoberfläche 2 zu haben, die in einem Winkel Θ gegen die Hauptebene des Rings angeordnet ist, eine einheitliche Dicke B aufweist. Diese Dichtungskontaktoberfläche 2 läuft spitz in Richtung des inneren umfänglichen Rands 3 des Rings 1 zu und weist eine vorbestimmte Breite auf, die durch ihre innere Verbindungsstelle mit dem Rand 3 und ihre äußere Verbindungsstelle mit einer Rampe 4 an der Stelle der Änderung der Dicke des Rings 1 definiert ist.
Beim Gebrauch ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist, der äußere Umfang des Rings 1 in einem äußeren ringförmigen Träger 5 zwischen einem Klemmteil 6 innerhalb des Trägers 5 und einer radialen Wand 7 des Trägers festgeklemmt. Eine inwärts geneigte Lippe 8 des Trägers schließt das Klemmteil 6 axial innerhalb des Trägers ein, und ein Packungsring 9 ist zwischen dem Ring 1 und der radialen Wand 7 des Trägers vorgesehen.
Der montierte Träger 5 und der Ring 1 sind so über eine Welle 10 oder einen Schaft angeordnet, dass die Welle den inneren Umfang des Rings 1 ablenkt und die Dichtungskontaktoberfläche 2 fluchtend an der äußeren Oberfläche der Welle anliegt.
Die Kontaktspannung entlang der Dichtungskontaktoberfläche 2 zwischen der Lippe 3 und der Rampe 4 ist in Fig. 3 gezeigt. Dies demonstriert, dass eine hohe Kontaktspannung entlang der gesamten Breite der Oberfläche 2 besteht. Die Einheitsflächenkontaktspannung ist abhängig von der Breite A der Dichtungskontaktfläche, wobei diese - wie gefordert - vergrößert werden kann. Das Minimum der Breite A sollte das 0,6-fache der Dicke B sein.
Die Kontaktspannung kann ebenso unabhängig von der Breite A durch geeignete Wahl der anderen Dimensionen des Rings 1, wie des Winkels Θ und der Dicke B, angepasst werden. Die Kontaktspannung ist daher eine vorhersagbare Gestaltungscharakteristik.
Die Kontaktspannung ist auch von der Elastizität des PTFE abhängig, aus dem der Ring 1 gemacht ist. Dieses Material ist außerdem vorzugsweise chemisch stabil und in der Lage, über einen weiten Temperaturbereich zu funktionieren.
Ebenso erlaubt die, im Vergleich zu konventionellen elastischen Lippenwellendichtungen, einheitlichere Kontaktspannungsverteilung eine bessere Verschleißkontrolle, und die Geometrie der Dichtungskontaktfläche 2 und ihre Grenzen 3 und 4 dienen dazu, den Verschleißeffekt im Rahmen der gesamten Geometrie der Dichtung zu reduzieren.
In einer typischen Ausführung der Erfindung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Verhältnis der Breite A zur Dicke B 4 : 1, und beträgt der Winkel α zwischen der Dichtungskontaktoberfläche 2 und der Rampe 4 120º. Jedoch können diese Parameter verändert werden, um für die Dichtungsanwendung geeignet zu sein, wobei der Winkel α zwischen 90º und 160º variabel ist.
In der illustrierten Ausführung der Erfindung ist der Ring 1 in dem Träger 5 eingeklemmt, aber in einer alternativen Ausführung kann der Ring 1 mit dem Träger 5 bspw. durch adhäsive Bindung von aneinander liegenden, sich radial erstreckenden Flächen des Rings 1 und des Trägers 5 verbunden sein. In noch einer weiteren, alternativen Ausführung kann der äußere Umfang des Rings 1 in einen Schlitz im Träger 5 eingreifen, welcher teilweise durch Quetschen geschlossen ist, um den Ring zu greifen. In dieser letzten Ausführung muss dafür Sorge getragen werden, dass sichergestellt ist, dass das Quetschen nicht die erforderliche Orientierung des Rings 1 relativ zum Träger während des Zusammenbaus stört.
Eine Wellendichtung gemäß der Erfindung ist besonders effektiv, wenn sie als eine Gasabführungsdichtung eingesetzt wird, wobei die Belastungsspannungsverteilung so ist, dass ein eingeschränkter Fluss von Gas unter die Dichtungslippe kontrolliert wird.
Eine andere Wellendichtungsanordnung, die den Ring 1 einschließt, ist in Fig. 4 gezeigt. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, hat diese andere Wellendichtungsanordnung einen Träger 5' mit einer Aussparung 15, in den sich ein röhrenförmiger Einlass 12 zu einem Bereich 14 zwischen dem Ring 1 und einer Wellendichtung 16 erstreckt. Die Wellendichtung 16 ist von einem bekannten Typ. Die Wellendichtung 16 bekannten Typs wirkt ebenfalls mit einer Welle 10' oder einem Schaft zusammen und hat eine im Wesentlichen einheitliche Dicke entlang ihrer radialen Breite. Wenn sie gegen die Dichtungsoberfläche gebogen wird, nimmt die Wellendichtung 16 eine gleichmäßige, gekrümmte Gestalt an, bei der die Kontaktspannung allmählich so gegen Null fällt, wie sich die Dichtung von der Welle 10 weg krümmt. Die Wellendichtung 16 umfasst eine Reihe von hydrodynamischen Nuten 18, um die Biegung der Dichtung zu erleichtern und einen Pumpvorgang bereitzustellen, welcher dahingehend unterstützend wirkt, dass eine geeignet unter Druck gesetzte Dichtung erhalten wird. In einer anderen Ausführung umfasst die Wellendichtung 16 keine hydrodynamischen Nuten.
Der Ring 1 und die Wellendichtung 16 sind aus PTFE gemacht, können aber aus irgendeinem anderen nicht-elastomeren Material bestehen, um chemisch stabil zu sein und über einen weiten Temperaturbereich mit gutem Fluidwiderstand arbeiten zu können. Wie in Fig. 4 gezeigt ist; sind der Ring 1 und die Wellendichtung 16 jeweils vorzugsweise in einem korrespondierenden Schlitz 18, 20 im Träger 5' durch Quetschen einer Seitenwand 18', 20' des jeweiligen Schlitzes gehalten, um ihn teilweise zu schließen und den Ring 1 oder die Dichtung 16 an ihrem Platz zu halten. Das Quetschen minimiert die Anzahl der Fluid-Leckage-Pfade innerhalb der Wellendichtungsanordnung.
In einer bevorzugten Anwendung hat der Bereich 17 der Aussparung 15 auf der Seite des Dichtungsrings 1, entfernt von dem zentralen Bereich 14, ein toxisches oder korrosives Fluid oder Partikel eingeschlossen. Um das Fluid oder die Partikel daran zu hindern, in den zentralen Bereich 16 und möglicherweise sogar von dort in den entfernten Bereich 18 der Aussparung 15 einzudringen, wird Gas unter Druck über den Einlass 12 eingebracht. Bei dem Gas handelt es sich um Stickstoffgas, aber es könnte ebenso Luft oder ein anderes Gas sein, welches mindestens relativ inert ist. Es besteht ein Fluss dieses Gases vom zentralen Bereich 14 nach außen in den Bereich 17 zwischen der Welle und dem Dichtungsring 1. Diese sogenannte "Gasabführung" verhindert den unerwünschten Eintritt von Fluid oder Partikeln in der entgegengesetzten Richtung.
In der bevorzugten Ausführung besteht ebenfalls eine Gasabführung, welche an der Dichtung 16 vorbeiführt, wobei das Gas vom zentralen Bereich 14 in den Bereich 18 zwischen der Lippe der Dichtung 16 und der Oberfläche der Welle fließt. Dies verhindert ebenfalls den Eintritt von Verschmutzungen, wie zum Beispiel ein Fluid oder Partikel, wenn überhaupt, vom Bereich 18 in den zentralen Bereich 14. In anderen Ausführungen kommt diese Gasabführung, die an der Dichtung 16 bekannten Typs vorbeiführt, nicht vor.
Durch Anpassung des Drucks des Gases, welches über den Einlass 12 eingetreten ist, kann die Rate der Gasabführung, die an einer oder beiden Dichtungen vorbeiführt, kontrolliert werden, um ein effektives Abführen bei verschiedenen Fluiddrücken in der Anordnung, zum Beispiel im Bereich 17 und möglicherweise auch im Bereich 18, und für verschiedene Typen von Fluiden oder Partikeln, wenn überhaupt, in diesen Bereichen 17, 18 zu ermöglichen.

Claims

1. Eine Wellendichtungsanordnung, die einen Träger (5) und eine erste Wellendichtung (1) umfasst, wobei die erste Wellendichtung einen elastischen Dichtungsring mit einer umfänglichen Dichtungslippe umfasst, welche beim Gebrauch axial so gebogen ist, dass sie radial gegen eine Dichtungsoberfläche einer Welle (10) oder eines Gehäuseteils um die Welle drückt, und die Dichtungskontaktfläche (2) auf der Dichtungslippe zwischen vorbestimmten Grenzen bildet, wobei jede Grenze durch eine Änderung des Winkels der Oberfläche der Dichtungslippe definiert wird, so dass beim Gebrauch eine hohe Kontaktspannung über die gesamte Dichtungskontaktfläche erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiter eine zweite Wellendichtung (16) umfasst, bei der jede Wellendichtung so in dem Träger montiert ist, dass sie die Welle beim Gebrauch radial umgibt, wobei die Wellendichtungen so beabstandet sind, dass sie einen Bereich (14) um die Welle definieren, bei der die erste Wellendichtung auf der Welle ausgerichtet ist, wodurch das freie Ende der Dichtungslippe sich von diesem Bereich weg erstreckt, und bei der die zweite Wellendichtung eine Dichtungslippe aufweist, deren freies Ende sich von diesem Bereich weg erstreckt, wobei mindestens eine, die erste oder die zweite Wellendichtung, bewirkt, dass entweder ein Fluid aus diesem Bereich in kontinuierlicher, kontrollierter Weise weggeführt oder dass überschüssiger Druck abgeführt wird.

2. Eine Wellendichtungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die zweite Dichtung von im Wesentlichen einheitlicher Form ist und beim Gebrauch eine mindestens im Wesentlichen gleichmäßige, gekrümmte Gestalt annimmt, so dass die Kontaktspannung im Wesentlichen allmählich so gegen Null geht, wie sich die Lippe von der Welle weg krümmt.

3. Eine Wellendichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die zweite Dichtung mindestens eine hydrodynamische Nut in ihrer Kontaktoberfläche aufweist.

4. Eine Wellendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der beim Gebrauch ein Fluid über einen Einlass (12) in den Bereich zwischen den Dichtungen eingeführt wird und zwischen mindestens einer Dichtung und der Welle oder dem Gehäuseteil austritt, um einen Eintritt von Verschmutzungen zwischen dieser mindestens einen Dichtung und der Welle oder dem Gehäuseteil in den Bereich zu verhindern.

5. Eine Wellendichtungsanordnung nach Anspruch 4, bei der der Druck des eingeführten Fluids abhängig von den Drücken in benachbarten Bereichen der Wellenbohrung gewählt wird, um einen im Wesentlichen kontinuierlichen Fluss des eingetretenen Fluids zumindest an einer Dichtung vorbei zu bewirken.

6. Eine Wellendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der beide, die erste und die zweite Wellendichtung in korrespondierende Schlitze im Träger eingreifen, wobei die Schlitze teilweise durch Quetschen verschlossen sind.

7. Eine Wellendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Dichtungskontaktfläche als eine abgeschrägte Oberfläche (2) am freien Ende der Dichtungslippe ausgebildet ist, die in einem spitzen Winkel gegen die Hauptebene des Dichtungsrings geneigt ist.

8. Eine Wellendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Dichtungslippe durch einen Abschnitt des Dichtungsrings gebildet wird, der dicker ist als die Dicke des Restes des Dichtungsrings, um Platz für die abgeschrägte Kontaktfläche zu haben.