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Verschleißfeste Wellendurchführung durch den Boden eines Flüssigkeitsbehälters
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Durchführungen für rotierende Wellen
an einem Flüssigkeitsbehälter, insbesondere auf angenähert senkrecht stehende Wellen.
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Derartige Wellendurchführungen, die unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
eines Behälters gelegen sind, bereiten bezüglich ihrer Abdichtung stets gewisse
Schwierigkeiten, und bei den üblichen Stopfbüchsenkonstruktionen treten früher oder
später irgendwelche Undichtheiten auf. Besonders bei schnell rotierenden Wellen
und relativ großen Drücken ist eine ausreichende Abdichtung sehr schwierig, wenn
verlangt wird, daß dieselbe sowohl beim Betrieb wie auch beim Stillstand einwandfrei
abdichtet und trotzdem nur geringem Verschleiß unterworfen ist.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung der bisherigen
Schwierigkeiten und betrifft eine verschleißfeste Durchführung für eine im Betrieb
rotierende, angenähert senkrechte Welle durch den Boden eines Flüssigkeitsbehälters.
Kennzeichnend hierbei ist, daß auf der Welle im
Behälterinnenraum
ein axial-. verschiebbarer-,. Mitrotierender Gleitkörper vorgesehen - ist, der auf
seiner unteren Stirnseite .eine flache, nur nach unten offene Mulde aufweist. Im
Ruhezustand liegt der Gleitkörper unter großem Flächendruck mit einer am Muldenboden
konzentrisch um die Welle angeordneten Ringfläche ventilsitzartig auf einer entsprechenden
Dichtungsfläche an der Wellendurchführung, diese damit vom Behälterinnenraum flüssigkeitsdicht
abschließend. Bei rotierender Welle hebt sich aber der Gleitkörper unter der Wirkung
einer Axialkraft von der Dichtungsfläche an der Durchführung ab. Dabei wird gleichzeitig
durch eine von außerhalb des Behälters zugeführte Gasmenge die in der Mulde befindliche
Flüssigkeit verdrängt. Ferner sind an der Außenseite. der Durchführung Mittel vorgesehen,
die dort einen angenähert gleich großen Gasdruck gewährleisten.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert,
die einen Längsschnitt durch eine beispielsweise Ausführung darstellt. Bei der schematisch
wiedergegebenen Apparatur handelt es sich um eine sogenannte Begasungseinrichtung
zur Lösung oder Vermischung von Gasen mit einer Flüssigkeit, bei welcher Apparatur
die vorliegende Konstruktion der Wellendurchführung mit besonderem Vorteil angewendet
werden kann, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.
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Bei einer derartigen Begasungseinrichtung läuft ein Rotationskörper
i innerhalb eines Behälters -von dem hier nur die Bodenplatte 2 mit der kreisrunden
Öffnung 3 für die Durchführung angedeutet ist - mit relativ hoher Drehzahl in der
Flüssigkeit 4. Dem perforierten Rotationskörper i wird das mit der Flüssigkeit zu
vermischender Gas über eine Rohrleitung 5- von außen in noch. näher- zu beschreibender
Weise zugeführt. Der - Rotationskörper i ist auf einer Welle 6 befestigt, die angenähert
senkrecht über eine Durchführung durch den Boden des Behälters 2 hindurchragt und
am unteren Ende angetrieben wird. Angesichts der relativ hohen Drehzahl der Welle
6 und dem nicht unerheblichen hydrostatischen Flüssigkeitsdruck auf die dem Behälterinnenraum
zugekehrte Seite der Durchführung, liegt hier ein mit den bisher bekannten Mitteln
nur unvollkommen lösbares Dichtungsproblem für die Wellendurchführung vor. Sämtliche
Schwierigkeiten wurden jedoch durch die Durchführung gemäß der vorliegenden Erfindung
überwunden, die in mehreren Exemplaren im Dauerbetrieb mit bestem Erfolg erprobt
worden ist.
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Auf der Welle 6 ist ein Gleitkörper 7 angeordnet, der hier beispielsweise
den Träger für den eigentlichen Rotationskörper i bildet und längs der Welle 6 axial
verschiebbar ist. Die Längsbewegung wird durch eine auf den innerhalb der Welle
verschiebbar angeordneten Gleitstab 8 wirkende Axialkraft bewirkt. Der Längsbewegung
des Gleitkörpers 7 wirkt die Feder 9 entgegen, die bestrebt ist, den Gleitkörper
7 nach unten zu drücken. Die Axialkraft zur Längsverschiebung wird durch einen Fliehkraftkörper
i i über den Drehzapfen 12 und den Hebel 13 auf die Gleitstange B ausgeübt, welche
Einrichtung . nach Art eines Fliehkraftreglers wirkt. Wird bei einer Rotation der
Welle 6 die Zentrifugalkraft auf den Körper i i und damit die Axialkraft auf die
Gleitstange 8 größer als die Gegenkraft -seitens der Druckfeder 9, dann verschiebt
sich der Gleitkörper 7 nach oben, welche betriebsmäßige Stellung in der Zeichnung
wiedergegeben ist.
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Der Gleitkörper 7 ist an seiner unteren Stirnfläche mit einer flachen
Mulde 14 versehen, deren Außenwandungen 15 sich nach unten etwas verjüngen. Der
die Mulde 14 umschließende untere Teil des Gleitkörpers 7 ragt in eine passende
Vertiefung 16 in dem den Boden des Behälters 2 fortsetzenden und die Öffnung 3 abdeckenden
Durchführungskörper 17. Die Innenseiten der Vertiefung 16 sind den Wandungen
16 entsprechend ebenfalls abgeschrägt, so daß zwischen beiden ein relativ enger
Ringspalt 18 entsteht. Am Boden der Mulde 14 des Gleitkörpers 7 ist ein Ring i9
konzentrisch zur Welle 6 befestigt, der aus geeignetem Metall, beispielsweise Messingbronze,
besteht und eine plan geschliffene Oberfläche aufweist. Diesem mit dem Gleitkörper
7 mitro-tierenden Ring i9 gegenüber ist ein gleich dimensionierter Ring 2o auf einem
aus der Vertiefung 16 im Durchführungskörper 17 herausragenden Fortsatz 2i angeordnet,
der ebenfalls eine plan geschliffene Oberseite besitzt. Der Fortsatz 2i -umschließt
die eigentliche Wellendurchführung, die hier beispielsweise als Stopfbüchse
22a, 22b angegeben ist.
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Im Ruhezustand, also bei stillstehender Welle 6, wird der Gleitkörper
7 durch die Feder 9 und sein Eigengewicht mit der Ringfläche i9 ventilsitzartig
auf der Dichtungsfläche 2o aufliegen und damit die Wellendurchführung 22a, 22b vom
Behälterinnenraum flüssigkeitsdicht abtrennen. Die Flüssigkeit 4 gelangt also dann
überhaupt nicht an die Durchführung 22a, 22b,- so däß diese druckentlastet ist und
keinen Anlaß zu unerwünschten Undichtheiten geben kann: Dagegen füllt die Flüssigkeit
4 natürlich den ,gesamten Raum- der Vertiefung 16 und der Mulde 14 aus, soweit derselbe
außerhalb der Dichtungsflächen i9; 2o gelegen ist. Angesichts des hohen zur Verfügung
stehenden Flächendruckes an den ventilsitzartigen Ringflächen i9, 2o ist deren Abdichtung
gegen den Flüssigkeitsdruck kein Problem. Falls erwünscht, kann einer der Ringe
ig, 2o oder auch beide mit einer Auflage aus geeignietem, nicht metallischem Dichtungsmaterial
versehen werden.
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Im Betrieb wird, wie in der Zeichnung dargestellt, der Gfeitkörper
7 samt dem übrigen Rotorkörper i von der Dichtungsfläche 2o abgehoben, so
daß dieselbe praktisch keinem Verschleiß ausgesetzt ist. Durch die Fliehkraftwirkung
wird die in der Mulde 14 befindliche Flüssigkeit durch die in der Muldenwandung
15 vorgesehenen Kanäle 23 radial nach außen, 'also in den Behälterinnenraum geschleudert,
wodurch die Mulde 14 praktisch frei Von Flüssigkeit wird. Über die Bohrung 5 im
Durchführungskörper i7, die unterhalb der" Mulde 14 in die Vertiefung 16 einmündet,
kann nunmehr
ein Gasstrom zugeführt werden, der in der Mulde 14.,
also auch an der dem Behälterinnenraum zugekehrten Seite der Durchführung
22a, 226, einen Gasdruck bewirkt, der vorzugsweise dem Druck der Flüssigkeit
an der Muldenunterseite entspricht. Somit ist also auch im Betrieb die Durchführung
22a, 226 frei von einer Berührung mit der Flüssigkeit 4. des Behälterinnenraumes.
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Hierbei kann der Ringspalt 18 auch noch durch einen ebenen Spalt ergänzt
werden, der zwischen einem flachen flanschartigen Rand auf der Außenseite der Wandung
15 und der Fortsetzung des Behälterbodens 2 durch den Durchführungskörper 17 entsteht.
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Bei der vorliegenden Anwendung dieser Durchführung für eine Begasungsapparatur
steht die Mulde 1.1. über die Kanäle 24. mit dem Innern des perforierten Rotationskörper
i in Verbindung, und das über die Bohrung 5 zugeleitete Gas gelangt so in den Rotationskörper
und wird mit der Flüssigkeit 4. auf eine hier nicht weiter interessierende Weise
vermischt. Natürlich wird der Gasstrom derart einreguliert, daß die Mulde 14 stets
gasgefüllt ist.
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Um die Durchführung 22a, 226 aber auch vom Gasdruck in der Mulde 14
zu entlasten, ist dieselbe außerhalb des Behälters 2 in einem Druckraum 25 angeordnet,
durch den die Welle 6 hindurchgeführt ist und in dem der nach Art eines Fliehkraftreglers
arbeitende Mechanismus 11, 12, 13 zur Betätigung der Gleitstange 8 angeordnet ist.
In diesem Raum 25 wird über die Öffnung 26 ein Gasdruck hergestellt, der unter angenähert
demjenigen in der Wellendurchführung 22a, 226 steht, in der ungefähr der gleiche
Gasdruck herrscht, also die Durchführung 22",22b nur noch wenig beansprucht ist.
Die Welle 6 muß natürlich noch mit einer gasdichten Durchführung 27 durch die Wandung
des Druckraumes 25 versehen werden, jedoch sind hierfür bekannte Konstruktionen
ausreichend, da genügend Platz zur Verfügung steht und keine Flüssigkeit mit derselben
in Berührung kommen kann. Ferner ist eine Undichtheit an dieser Stelle meist weniger
störend, da dieselbe nur einen etwas größeren Gasverbrauch während des Betriebes
bedingt. Die Durchführung 27 muß ferner mit dem eigentlichen Traglager für die Welle
6 samt dem Rotationskörper i und Gleitkörper 7 vereinigt werden, wofür bekannte
Konstruktionen verwendbar sind.
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Die beschriebene Durchführung ist auch mit Vorteil verwendbar, wenn
die Begasung der Flüssigkeit 4. mit einem chemisch aggressiven Gas erfolgt. Dann
wird der Gegendruck im Druckraum 25 zweckmäßig durch ein neutrales Gas, beispielsweise
Luft, hergestellt und damit das Ausströmen des aggressiven Gases über die Durchführung
22a, 226 vermieden.
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Für Anwendungen, bei denen jede Berührung zwischen der Flüssigkeit
;4 im Behälterinnenraum und den Dichtungsringen 1g, 20 vermieden werden soll, etwa
bei sterilen Flüssigkeiten, wird am Muldenboden eine die Ringfläche ig umschließende,
nach unten ragende Ringwand 28 angeordnet, die angenähert parallel zur Außenwandung
15 der Mulde 14. verläuft.
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Die gleiche Durchführung ist natürlich nicht nur für Begasungsapparaturen
geeignet. Vielmehr kann auf jeder beliebigen abzudichtenden Welle 6 ein entsprechend
gestalteter Gleitkörper 7 mit einer Mulde 1q. und einem Auflagering ig vorgesehen
werden. In diesem Fall werden dann keine Kanäle 23 vorgesehen und über die Bohrung
5 jeweils nur die zur Füllung der Mulde 1q. und Aufrechterhaltung dieser Füllung
erforderliche Gasmenge zugeführt. Hierbei besteht dann auch die Möglichkeit, die
Gaszuleitung durch Kanäle vorzunehmen, die im Raum zwischen der Welle 6 und dem
Dichtungsring 2o in den Behälter 2 bzw. die Vertiefung 16 einmünden, damit im Ruhezustand
die Gaszuführung durch die Dichtungsflächen 19, 20 automatisch unterbrochen ist.
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Der nach Art eines Fliehkraftreglers arbeitende Mechanismus 1 i, 12,
13 zur Erzeugung einer Axialkraft für die Verstellung der Gleitstange 8 kann natürlich
auch innerhalb des Behälters 2 am oberen Ende der Welle 6 angeordnet werden, so
daß die Gleitstange 8 wegfallen kann. Ferner sind auch geeignete Einrichtungen an
Stelle eines Fliehkraftreglers verwendbar. Die einfachste Methode stellt ein von
Hand zu betätigender Mechanismus bekannter Ausführung dar, mit dem die Stange 8,
beispielsweise über einen Stellring aus der Außenseite der Welle 6, nach Inbetriebsetzung
der Anlage betätigt und der Gleitkörper 7 mit dem Ring ig vom Dichtungsring 20 abgehoben
werden kann. Aber auch elektromagnetische oder pneumatische Einrichtungen zur Betätigung
der Gleitstange 8 -oder eines äquivalenten Verstellmechanismus für den Gleitkörper
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auf der Welle 6 und der Flüssigkeit q. eine der Schwerkraft und der Feder 9 entgegenwirkende
Axialkraft auf den Gleitkörper 7 ausgeübt werden, beispielsweise durch eine Ausgestaltung
des Rotors nach Art einer Schiffsschraube.