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Kammerringpackung Gegenstand der Erfindung ist eine selbstwirkende
Federpackung oder Kammerringpackung, bei der in Kammern, gegebenenfalls auch in
Halbschalen, je zwei oder mehr axial und radial unter Vorpressung durch Federn o.
dgl. stehende, geteilte Ringe in jeder Kammer liegen.
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Bei derartigen Packungen ist die axiale Breite der Ringe, insbesondere
des dem Betriebsdruck zugewandten Dichtringes, bisher nur ungefähr ohne Rücksicht
auf die radiale Ringbreite bestimmt worden. Das Bestreben ging dahin, den Druck
des abzudichtenden Mittels in dem Spalt zwischen Ring und Welle möglichst stark
zu drosseln, um das Durchkriechen des Mittels zu verhindern. Deshalb wurde es bei
hohen Betriebsdrücken für erforderlich gehalten, die Zahl der Kammern der Packung
zu vergrößern. Auf diese Weise ließ sich zwar im allgemeinen eine genügende Abdichtung
gegen Gase erzielen, nicht aber gegen einige besonders schwer abzudichtende gasförmige
oder flüssige Mittel wie Ammoniak, Kohlensäure oder Wasser. Bei diesen Mitteln mußte
neben der Kammerringpackung noch eine besondere Stopfbüchsenpackung vorgesehen werden,
in der durch eine nachziehbare Stopf= Büchsenbrille angepreßte Weichstofffringe
das durch den Drosselspalt kriechende Mittel zurückhalten.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis; daß eine vollständige Abdichtung
nicht durch Drosseln des Mittels in dem Spalt zwischen der Welle und den Packungsringen
zu erzielen ist, sondern vielmehr dadurch, daß in der von Manschettendichtungen
bekannten Weise der Druck des abzudichtenden Mittels selbst dazu benutzt wird, die
Dichtfläche des Packungsringes gegen die Kolbenstange oder Welle zu pressen und
so den Durchtritt des Mittels unmöglich zu machen. Gegenüber der bisherigen, rein
erfahrungsmäßigen Bemessung der Padkungsringe setzt diese Erkenntnis eine genaue
Berechnung der Druckverhältnisse, insbesondere der Stirnflächenkraft, die der Betriebsdruck
auf die radiale Breite
des Packungsringes ausübt, und der Kraft,
mit der der Betriebsdruck den Packungsring an die Kolbenstange preßt, voraus. Ein
dichtes Anliegen der Ringe an der Kolbenstange wird nur erreicht, wenn die letztgenannte
Kraft gleich oder größer ist als die durch die Stirnflächenanpressung hervorgerufene
Reibungskraft, die an den beiden radialen Stirnflächen des Packungsringes gegenüber
der Deckscheibe und dem benachbarten Packungsring entsteht.
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Aus dein Gesagten ergibt sich, daß die radiale Breite des Packungsringes
zu seiner axialen Breite in einem bestimmten, rechnerisch zu ermittelnden Mindestverhältnis
stehen muß, um ein wirklich dichtes Anliegen des Ringes an der Kolbenstange zu erzielen.
Überraschenderweise hat es sich bei der rechnerischen Ableitung gezeigt, daß der
Ring axial erheblich breiter sein muß als die bekannten Packungsringe gleicher radialer
Breite, daß also die bisherigen Störungs- und Undichtigkeitsquellen der bekannten
Kammerringpackungen nur auf der erfahrungsmäßigen Bemessung der Ringe ohne Berechnung
oder auf Grund falscher Berechnungen beruhte.
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Die Stirnflächenkraft ergibt sich, wenn man die vom Betriebsdruck
herbeigeführten Anpreßkräfte auf einen halben Ring bezieht, aus dem Produkt der
Stirnfläche und dem Betriebsdruck, also aus der Formel
wenn Pst die Stirnflächenkraft, d den Kolbenstangendurchmesser, b die radiale Ringbreite
und p1 den Betriebsdruck bedeutet.
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Die Normalkraft, mit der der einzelne Ring durch den Betriebsdruck
an die Kolbenstange angepreßt wird, lädt sich unter der Voraussetzung eines linearen
Druckanstiegs bei den Ringen in einer Kammer aus dem Produkt der Dichtfläche mit
dem spezifischen Betriebsdruck errechnen, also aus der Formel -
wenn PN die Normalkraft, d den Kolbenstangendurchmesser, a1 die axiale Breite
eines Ringes, a die axiale Breite sämtlicher Ringe in einer Kammer und p1 den Betriebsdruck
bedeutet.
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Setzt man die beiden Werte unter Einfügung des doppelten Reibungskoeffizienten
,u auf der Seite der Stirnflächenkraft zur Berücksichtigung der entstehenden Reibung
gleich, so ergibt sich für a1 der Wert
Praktisch bedeutet das, daß bei Annahme eines Reibungskoeffizienten von ß = o,15
die axiale Ringbreite gleich oder größer sein muß als
oder bei zwei axial gleich breiten Ringen in der Kammer, was einem Verhältnis von
a : a, entspricht,
Das durch die Gleichung errechnete Ringverhältnis ist bei den seither üblichen Ringen
bei weitem nicht erreicht. Es lädt sich damit auch bei höheren Drücken eine einwandfreie
Abdichtung nicht nur bei Gasen, sondern auch bei Wasser und sonstigen Flüssigkeiten
erreichen, ohne daß die bisherigen Schwierigkeiten mit zusätzlichen Stopfbüchsenpackungen
in Kauf genommen zu werden brauchen. Die axiale und radiale Vorpressung der Ringe
spielt dabei für die Bemessung der Ringe eine nur unwesentliche Rolle; sie wird
üblicherweise mit o,5 kg/cm2 angesetzt werden können, kann aber bei der Errechnung
der durch den Betriebsdruck notwendigen axialen Ringbreite außer Betracht bleiben,
da sie größenordnungsmäßig nicht ins Gewicht fällt und sich hinsichtlich axialer
und radialer Anpressung weitgehend gegenseitig aufhebt.
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Die Erfindung besteht demnach darin, daß bei Kammerringpackungen der
eingangs geschilderten Gattung die axiale Ringbreite des druckzugewandten Ringes
mindestens gleich der Wurzel aus dem halben Produkt der radialen Ringbreite, der
axialen Breite aller Ringe in der gleichen Kammer und der durch den Wellendurchmesser
dividierten und dann um i erhöhten radialen Breite der Ringe, ist. Dabei ist der
konstante Faktor ,u mit 0,5 angenommen worden.
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Sind, wie es meist der Fall ist, in jeder Kammer der Kammerringpackung
zwei axial gleich breite Ringe vorgesehen, so ist erfindungsgemäß die axiale Breite
jedes Ringes mindestens gleich der Summe aus der radialen Ringbreite und dem Quotienten
aus dem Quadrat der radialen Ringbreite und dem Wellendurchmesser.
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Auch hierbei ist ,u - n gleich o,5 gesetzt.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an dem Beispiel einer Kammerringpackung
mit nur einer, zwei axial gleich breite Packungsringe aufnehmenden Kammer erläutert.
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Die Kolbenstange i mit dem Durchmesser d wird durch die beiden Packungsringe
2, 3 abgedichtet, die die gleiche radiale Breite b und die gleiche axiale Breite
a1 bzw. a2 haben. Die Packung wird von den Gehäuseteilen 4, 5 umgeben. Eine Feder
f1 setzt die Ringe 2, 3 über eine Deckscheibe axial unter Vorpressung; radial werden
sie durch die Schlauchfedern f2 an die Kolbenstange i angepreßt. Der Dichtdruck
wird aber im wesentlichen durch den Betriebsdruckp, ausgeübt, der in dem diagrammatisch
dargestellten linearen Abfall axial und radial auf die Packungsringe einwirkt.
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Packungen gemäß der Erfindung eignen sich zur Abdichtung von Kompressoren
und Dampfmaschinen, Plungerpumpen und Wasserpumpen, aber auch zur Abdichtung von
umlaufenden Wellen und zeichnen sich durch große Lebensdauer aus, während ihr Aufbau
wesentlich einfacher und ihre Dichtwirkung besser ist als die der bekannten Kammerringpackutigen.
Die
Erfindung umfaßt naturgemäß auch den Fall, daß zwei oder mehr Packungsringe zur
Erzielung der bisher nicht bekannten, großen axialen Breite miteinander fest verbunden
werden.