DE843813C

DE843813C - Fluessigkeitsdichtung fuer umlaufende Maschinen

Info

Publication number: DE843813C
Application number: DEF283A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Max Willi Dr Barske
Original assignee: Filton Ltd
Current assignee: Filton Ltd
Priority date: 1948-01-23
Filing date: 1949-11-15
Publication date: 1952-07-14
Also published as: US2646999A; CH293218A; FR979356A; BE486955A; NL76600C

Description

Flüssigkeitsdichtung für umlaufende Maschinen Die Erfindung bezieht sich auf Dichtungen, durch die der Durchtritt von flüssigen oder gasförmigen Medien zwischen zueinander drehbaren Maschinenteilen von Pumpen, Turbinen, Elektromotoren u. dgl. verhindert werden soll. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf sogenannte Flüssigkeitsdichtungen, deren Prinzip darin besteht, daß einer Flüssigkeit in einem ringförmigen Aufnahmekanal eine Rotationsbewegung erteilt wird, so daB unter der Zentrifugalwir4kung in dem Flüssigkeitsring ein ausreichend hoher Druck entsteht, der ein Durchströmen des abzudichtenden Mediums durch den Ringkanal unmöglich macht. Die Drehbewegung der Flüssigkeit irr dem Ringkanal kann durch ein Schaufelrad hervorgerufen werden, das in dem Ringkanal rotiert. Natürlich kann die Drehbewegung der Flüssigkeit auch durch eine Rotation der Wände des Ringkanals oder durch beide Mittel gleichzeitig erteilt werden. Flüssigkeitsdichtungen dieser Art sind bekannt und mit Erfolg da zur Abdichtung benutzt worden, wo es sieh darum ,handelte, Reibungsverluste so klein wie möglich zu halten. Der Nachteil solcher Einrichtungen bestand bisher darin, daß die Abdichtung versagt, wenn der durch Zentrifugalkraft erzeugte Druck unter einen kritischen Wert fällt, was der Fall ist, wenn die Umlaufgeschwindigkeit vermindert wird oder auf Null sinkt.
Eine andere bekannte Art von Dichtungen, bei denen zusammenwirkende Teile an den zueinander drehbaren i\LIaschinenteilen unter Druck gegeneinandergepreßt werden (im nachfolgenden Berührungsdichtungen genannt), besitzt den eben genannten Nachteil nicht. Dagegen unterliegen solche Berührungsdichtungen einem sehr starken Verschleiß, der so groß werden `kann, daß er die Benutzungsmöglichkeit solcher Dichtungen .bei sehr hohen abzudichtenden Drücken oder sehr hohen Drehzahlen der Teile zueinander überhaupt ausschließt.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, zwei derartige Dichtungssysteme miteinander zu kombinieren. ><[an hat hierbei eine Flüssigkeitsdichtung ttnd eine Berührungsdichtung koaxial zueinander angeordnet und mit einer Vorrichtung versehen, mit deren Hilfe der durch die Zentrifugalwirkung in der Flüssigkeitsdichtung erzeugte Druck den Berührungsdruck zwischen den zusammenarbeitenden Teilen der Berührungsdichtung und dem Druck des abzudichtenden Mediums auf diese Teile herabsetzt oder aufhebt. Auf eine solche Anordnung bezieht sich die I_rfindung, die darin besteht, daß eines der, zttsantinenwirkenden Teile der Berührungsdichtung zusammen mit der Anordnung, die den Flüssigkeitsring in Rotation versetzt, drehbar ist, während das andere Teil dieser Dichtung von einem nachgiebigen Wandungsteil getragen oder gebildet wird, welches sich infolge der Erzeugung eines Zentrifugaldrucks in der Flüssigkeit verlagert. Das nachgiebige Wandungsteil bildet eine der Wände des Ringkanals für die infolge der Zentrifugalwirkung unter Druck stehende Flüssigkeit.
Vorzugsweise findet eine Berührungsdichtung Verwendung, bei welcher die zusammenwirkenden Teile durch federnde Mittel zusammengepreßt werden; der durch die Zentrifugalwirkuiig erzeugte Druck in der Flüssigkeitsdichtung dichtet dann gleichzeitig ab und wirkt den federnden Mitteln der Berührungsdichtung entgegen. Bei einer anderen :Ausfiihrun,gsform können die zusammenwirkenden Teile der Berührungsdichtung durch den Undichtigkeitsdruck des Arbeitsmittels zusammengepreßt werden, der auf die Berührungsdichtung wirkt. Bei dieser zweiten Ausführungsform können zusätzlich federnde Mittel Verwendung finden, um den Berührungsdruck bzw. einen festeren Berührungsdruck der zusammenwirkenden Teile der Berührungsdichtung nach Bildung des dichtenden Flüssigkeitsrings herabzusetzen oder aufzuheben.
Die Berührungsdichtung kann noch einen oder mehrere zwischengeschaltete Teile aufweisen, die mit den Dichtflächen der zusammenwirkenden Teile in dichtenden Kontakt kommen können.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. i ist ein senkrechter Schnitt durch eine Ausführungsform einer solchen Dichtung; oberhalb der waagerechten Mittellinie der Welle ist die Lage der Teile wiedergegeben, wenn die Maschine stillsteht, und> unterhalb der Miftellinie; wenn-die: Teile iueinander umlaufen; Fig.2 zeigt in ähnlicher Darstellungsweise wie die obere Hälfte der Fig. i eine abgeänderte Ausführungsform der neuen Dichtung; Fig.3 zeigt in gleicher Darstellungsweise wie Fig.2 einen Teil einer Dichtung für ein Pumpenwelienlager, hauptsächlich für Anwendungsfälle, wo hei den in Frage kommenden Umlaufgeschwindigkeiten des normalen Betriebs nur niedrige Drücke in Frage kommen; Fig. ,4 veranschaulicht in gleicher Darstellungsweise wie Fig. i eine Dichtung fürAnwendungsfälle; bei denen im Stillstand der Maschine hohe Innendrücke auftreten; Fig.5 endlich veranschaulicht im Schnitt die, obere Hälfte einer Dichtung, bei welcher die Rotation des dichtenden Flüssigkeitsrings durch die umlaufenden Wände des Ringkanals erzeugt wird.
In Fig. i trägt die Welle i der abzudichtenden Maschine ein Schaufelrad, das durch eine Scheibe 2 mit Schaufeln 3 .gebildet wird und in einem Ringraum-umlaufen kann, der durch eine ringförmige Ausnehmung 4 in der Außenwand des Maschinengehäuses gebildet wird. Der durch dieAusnehmung 4 gebildete Ringraum ist während des Stillstands'ü'ei Maschine (obere Hälfte von Fig. i) durch eine biegsame. Ringscheibe 5 aus Gummi od. dgl. abgeschlossen. Der Innenrand dieser membranartigen Scheibe wird durch Blattfedern 6, 6, die einen Teil einer Scheibenfeder bilden, gegen den Nabenteil 7 des Schaufelrades gedrückt. Membran 5 und Scheibenfeder 6, 6 werden durch einen Deckel 8 auf dem Gehäuse festgeklemmt.
Steht die Maschine oder' läuft sie nur mit niedriger Drehzahl, wird ein Austritt des Arbeitsmittels aus der Maschine durch die dichtende Anlage der Membran 5 an den Nabenteil 7 verhindert. Steigt die Drehzahl der Maschinenwelle, so wird Flüssigkeit, die sich in ausreichender Menge in dem Ringraum 4 befindet; durch die Zentrifugalwirkung der Schaufeln 3 radial nach außen geschleudert. Es bildet sich infolgedessen ein unter Druck stehender Flüssigkeitsring. Die Anordnung und Ausbildung der Teile wird so gewählt, daß der auftretende Flüssigkeitsdruck nicht nur den Innendruck der Maschine ausgleicht und dadurch die Abdichtung bewirkt, sondern gleichzeitig auch (untere Hälfte von Fig. i) die Scheibe 5 gegen die Wirkung der Federn 6, 6 zurückbiegt. Dadurch wird (der Berührungsdruck zwischen der Nabe des Schaufelrades und der Membran herabgesetzt oder sogar vollständig unterbrochen. Wie die Zeichnung erkennen läßt, erstrecken sich die Schaufeln 3 nicht nur radial vom Scheibenkörper 2 fort, sondern erstrecken sich auch noch über die der Membran 5 zugewandte Vorderseite der Scheibe 2. Diese Ausbildung erleichtert die Erzielung des für die Abdichtung der Maschine und@die Verformung der Membran erforderlichen Flüssigkeitsdrucks.
In Fig.2 nimmt die Stelle der biegsamen Membran eine im wesentlichen starre Ringscheibe 9 ein, die von einem Metallbalgen io getragen wird und einen inneren Ringrand i i besitzt. Eine Feder 12, die sich gegen eine Deckelplatte 13 abstützt, drückt den Ringrand i i dichtend gegen einen Ring 14, der an der Nabe des Schaufelrades anliegt. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, bewegt sich bei dieser Ausführungsform die Ringscheibe 9 als Ganzes unter der Einwirkung des Drucks des dichtenden Flüssigkeitsrings oder der Feder 12, wobei diese Bewegung durch eine Ausdehnung oder Zusammenziehung des l;algens ermöglicht wird.
Bei dieser Ausführungsform ist eine besondere Ausnehmung 4 wie in Fig. i zur Bildung eines Ringkanals nicht erforderlich. Der ringförmige Arbeitsraum für das Schaufelrad wird durch die Ringscheibe 9, den Balgen io und die Außenseite des Maschinengehäuses gebildet. Infolge dieses Umstandes eignet sich die Ausführungsform nach Fig. 2 bevorzugt zum nachträglichen Einbau in bestehende Maschinen; es ist indessen klar, daß auch die übrigen in den Zeichnungen veranschaulichten Konstruktionen durch geeignete Maßnahmen eine entsprechende Änderung erfahren könnten.
Die in Fig.3 veranschaulichte Dichtung weist eine Wellblechmembran 15 mit einem Dichtring 16 auf. Das 1Zingprofil besitzt eine Verstärkung 37. Die l,'e(lerutigseigenscliaften der Membran 15 reichen aus, ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Federn während des Stillstands der Maschine den Dichtring 16 mit ausreichendem Dichtungsdruck gegen den mitumlaufenden hing 14 zu pressen. Zu beiden Seiten der Scheibe 2 trägt das Schaufelrad Schaufeln 17 und 18. Die der Membran 15 zugewandten Schaufeln 17 besitzen eine größere radiale Länge als die Schaufeln 18, doch ragt keine der Schaufeln radial über das Scheibenprofil hinaus. An dem Pumpengehäuse befinden sich feststehende Schaufeln i9. Bohrungen 20 im Pumpengehäuse leiten das Schmieröl zu den Lagerstellen.
Bei dieser Ausführungsform dient die größere radiale Länge der Schaufeln 17 dazu, die Erzeugung eines ausreichenden Drucks in dem dichtenden Flüssigkeitsring durch Zentrifttgalwirkung zu erleichtern, eines Drucks. der nicht nur dem Innendruck der Maschine (las Gleichgewicht hält, sondern auch die Membran zurückzubiegen vermag. Die Heranführung des Scheibenkörpers bis an den Außenrand des. Schaufelrads verhindert einen Durchtritt der Luft von außen nach innen bei niedrigen Innendrücken, wie sie unter bestimmten Betriebsbedingungen der Pumpe auftreten können. Die feststehenden Schaufeln i9 sollen das 01 in der Nachbarschaft der Welle daran hindern, an der Drehbewegung teilzunehmen. Die Profilverstärkullg 37 des Dichtungsrings soll 01 auffangen, das an der Innenwandung der Membran hängen bleibt und, da es vom Schaufelrad nicht mit in Drehung versetzt wird, nach der Welle zu kriechen versuchen würde. Würde die Profilverstärkung 37 fehlen, könnte derartiges 01 austreten, sobald der Ring 16 aus seiner dichtenden Anlage durch den Innendruck des dichtenden Flüssigkeitsrings abgehoben würde.
Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen setzt der durch Zentrifugalwirkung erzeugte Druck des Flüssigkeitsrings den Berührungsdruck zwischen den zueinander rotierenden Teilen der Berührungsdichtung herab, indem er der Federkraft entgegenwiekt, die diese Teile zusammenzuhalten sucht. Fig.4 veranschaulicht demgegenüber eine Ausführungsform, bei welcher die zueinander drehbaren Teile der Berührungsdichtung durch den Undichtigkeitsdruck des Arbeitsmittels zusammengepreßtwerden. Bei dieser Ausführungsform wird die Berührungsdichtung durch. eine biegsame Membranscheibe 22'gebildet. Wenn diese sich unter der Einwirkung des während des Stillstands der Maschine vorhandenen Innendrucks verformt (obere Hälfte von Fig.4), so preßt sich der Dichtungsrand 23 der Membranscheibe gegen einen Flansch 24 derWelle i. DieserVerformung der Membranscheibe wirken Federn 26,26 entgegen. Sobalid die Drehteile der Maschine umlaufen, gleicht der durch das Schaufelrad erzeugte Innendruck des dichtenden Flüssigkeitsrings den Innendruck der Maschine aus, und infolgedessen wird der auf die Innenseite der Membranscheibe wirkende Gesamtdruck wesentlich herabgesetzt. Dadurch werden die Federn 26, 26 befähigt, den Dichtungsrand 23 der Membran von dem umlaufenden Wellenflansch abzuheben (untere Hälfte von Fig.4).
Da bei dieser Ausführungsform der Zentrifugaldruck des Flüssigkeitsrings nur den Innendruck der Maschine auszugleichen braucht und ein Übermaß an solchem Druck unerwünscht ist, besitzt das Schaufelrad zweckmäßig nur an der Außenseite seines Scheibenkörpers 2 Schaufeln 27.
Kommt die die Flüssigkeit unter Druck setzende Pumpe zum Stillstand, wirkt der Innendruck der Maschine wieder unmittelbar auf die Membran und stellt dadurch die Anlage bzw. eine festere Anlage zwischen den Teilen 23 und 24 wieder her, auf diese Weise jede Gefahr einer kurzzeitigen unzulässigen Undichtigkeit an dieser Stelle vermeidend.
Ausführungsformen nach Art der Fig.4 sind besonders da zweckmäßig, wo der Innendruck der Maschine im Stillstand hoch ist und infolgedessen die Federkraft für die Aufrechterhaltung einer Berührungsdichtung nach Art der voraufgegangenen Figuren so groß sein müßte, .daß eine unzulässig große Flüssigkeitsreibung bei der Erzeugung eines ausreichend großen Zentrifugaldrucks im Flüssigkeitsring zur Überwindung dieses Federdrucks in Kauf genommen werden müßte.
Wo der Innendruck der umlaufenden Maschine besonders groß oder eine Beschränkung des Schaufelradra@dius von besonderer Wichtigkeit ist, können in jeder der beschriebenen Ausführungsformen mehrere Schaufelräder statt eines einzigen Anwendung finden. Eine derartige Ausführungsmöglichkeit ist beispielsweise in der unteren Hälfte von Fig.4 angedeutet, wo bei 25 die Umrißlinien eines zweiten Schaufelrads in gestrichelten Linien angedeutet sind.
Bei der Ausführungsform nach Fig.5 wird das Ringkanalgehäuse von der Welle i getragen und besteht aus zwei scheibenartigen Wänden 31 und 32, die durch eine zylindrische Wand 33 verbunden sind. Die Wand 31 ist starr auf der Welle befestigt. Wand 32 umgibt die Welle in einem Abstand, der eine die Welle i umschließende Hülse 35 aufnimmt. Die Hülse ist von dem Maschinengehäuse 36 herangeführt und trägt an ihrem Ende eine Trennwand 47 innerhalb des Gehäuses 31, 32, 33. Schaufeln 38 und 39 an den Innenseiten der Wände 31 und 32 erzeugen den dichtenden Flüssigkeitsring. Die Be-, rührungsdichtung wird durch einen Dichtungsring 4o gebildet, der mittels einer federnden Membran 41 von einem dünnen zylindrischen Wandungstei148 getragen wird, sowie einem damit zusammenarbeitenden Dichtring 42 am Wandungsteil 32, wobei die federnde Membran innerhalb des Ringkanals liegt.
Eine nicht bezeichnete Abänderungsmöglichkeit dieser Anordnung würde darin bestehen, daß man dein Wandteil 32 die Form einer in sich federnden oder federbeeinflußten biegsamen Membran gibt, die einen Dichtring trägt, der mit einem Dichtring an der Trennwand 47 zusammenarbeitet; geeignete Anschläge begrenzen die Abbiegung der Membran unter der Druckwirkung des Flüssigkeitsringes.
Dichtungen nach der Erfindung können sowohl zur Abdichtung von flüssigen als auch von gasförmigen Medien benutzt werden.

Claims

PATENTANSPRÜ.CHF: i. Dichtung zur Verhinderung des Durchtritts flüssiger oder gasförmigerArbeitsmittelzwischen zueinander umlaufenden Teilen, die aus einer Flüssigkeitsdichtung und einer Berührungsdichtung besteht, die koaxial zueinander angeordnet und mit einer Vorrichtung versehen sind, mit deren Hilfe der durch die Zentrifugalwirkung in der Flüssigkeitsdichtung erzeugte Druck den Berührungsdruck zwischen den zusammenarbeitenden Teilen der'Berührungsdichtung und den Druck des abzudichtenden Arbeitsmittels auf diese Teile herabsetzt oder aufhebt, dadurch gekennzeichnet, daß eines der zusammenwirkenden Teile der Berührungsdichtung zusammen mit der Anordnung, die den Flüssigkeitsring in Rotation versetzt, drehbar ist, während das andere Teil dieser Dichtung von einem nachgiebigen Wandungsteil (5, 9, 15, 22 oder 41) getragen oder gebildet wird, welches sich unter der Wirkung eines entstehenden Zentrifugaldrucks in der Flüssigkeit verlagern kann und eine der Wände eines Ringkanals für die infolge der Zentrifugalwirkung unter Druck stehende Flüssigkeit bildet.
2. Dichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaufelrad (2, 3) in dem Ringkanal drehbar gelagert ist und dieser im oder am Maschinengehäuse so ausgebildet ist, daß er die vom Schaufelrad in Drehung versetzte Flüssigkeit aufnehmen kann.
3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelrad in Formeiner Scheibe (i) ausgebildet ist, an deren einer bzw. beiden Seitenflächen die Schaufeln (3; 17, 18, 27) radial angeordnet sind.
4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (3) in radialer Richtung über den Rand der Scheibe hinwegragen.
5. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der nachgiebigen Wandung wenigstens so groß ist wie der des Schaufelrades.
6. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenwirkenden Teile der Berührungsdichtung durch federnde Mittel (6, 12, 15, 41) zusammengepreßt werden.
7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Mittel die Form einer flachen Scheibenfeder besitzen. B.
Dichtung nach einem der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenwirkenden Teile der Berührungsdichtung so ausgebildet sind, daß sie durch den Undichtigkeitsdruck des Arbeitsmittels zusammengepreßt werden (Fig. 4).
9. Dichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß federnde Mittel (26) so angeordnet sind; daß sie die zusammenwirkenden Teile (23, 24) der Berührungsdichtung zu trennen suchen. io.
Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seitenwand des Ringkanals durch eine biegsame oder verschiebbare Membran oder ein Teil einer solchen gebildet und durch die Wirkung des ansteigenden Drucks vom Schaufelrad fortbewegt wird und daß dieses Wandteil eine Mittelöffnung zur Aufnahme der Welle und in der Nähe des Randes dieser Mittelöffnung eine Ringfläche aufweist, die durch federnde Mittel dichtend an eine Gegenfläche am Schaufelrad oder ein damit verbundenes Teil gepreßt werden kann. i i.
Dichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wand des Ringkanals für die Flüssigkeitsdichtung die Form einer biegsamen oder verschiebbaren Membran mit einer Mittelöffnung zur Aufnahme der Welle und einer Ringfläche in der Nähe des Randes dieser Mittelöffnung hat, daß diese Ringfläche mit einer entsprechenden Gegenfläche am Schaufelrad oder einem damit verbundenen Teil in dichtende Berührung gebracht werden kann, daß das Schaufelrad in umlawfendem Zustand den Druck des Arbeitsmittels auf die Membran in der Nachbarschaft der ringförmigen Berührungsdichtfläehe herabsetzt und daß Federn vorgesehen sind, die die Berührungsdichtflächen voneinander zu trennen suchen.
12. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das der Berührungsdichtung benachbarte Wandungsteil des Ringkanäls für die Flüssigkeitsdichtung mit einem mit einer.Profilverdickung (37) versehenen Ring (i6) an einer Innenseite ausgerüstet ist, der Flüssigkeit auffangen kann, die an dieser Innenseite herunterläuft.
13. Dichtung nach Anspruch t oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Wandungsteil in der Mitte eine Öffnung besitzt, um eine Welle aufzunehmen, und mit einem angeschlossenen Teil durch einen elastischen Balgen verbunden ist, der die Außenwandung des Ringkanals bildet.