DE964737C - Dichtung - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 29. MAI 1957

S 37287 XIII47f

Dichtung

Die Erfindung bezieht sich auf die Dichtung eines zylindrischen Elements, welches aus einem Raum höheren Drucks durch ein hohlzylindrisches Element in einen Raum geringeren Drucks führt und relativ zu diesem hohlzylindrischen Element beweglich ist, wobei in einer zylindrischen Wand jeweils zwischen zwei zylindrischen Wandteilen in Umfangsrichtung Nuten verlaufen und den zylindrischen Wandteilen mit geringem Abstand in Umfangsrichtung verlaufende Schneiden gegenüberstehen. Eine solche Dichtung kann beispielsweise einer drehbaren Welle, die eine öffnung in einem Gehäuse durchdringt, oder auch einem Kolben in einem Kompressorgehäuse zugeordnet sein. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Seite höheren Drucks als Kegelflächen ausgebildeten Seitenflächen der Nuten unter einem solchen Winkel mit der zylindrischen Wand zusammenstoßen, daß das an der zylindrischen Wand entlang strömende, abzudichtende Medium infolge des Coandaeffekts ohne Ablösung an der Stoßstelle in die Richtung der kegeligen Seitenflächen umgelenkt wird, daß ferner die daran anschließenden Seitenflächen der Nuten als torusähnliche Flächen ausgebildet sind, welche spitzwinklig mit der zylindrischen Wand zusammentreffen, und daß schließlich der Abstand benachbarter Schneiden voneinander höchstens geringfügig von dem Abstand sich entsprechender Punkte benachbarter Nuten abweicht.

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Bei Labyrinthstopfbüchsen wird die Dichtwirkung dadurch erzielt, daß der durch die Stopfbüchse noch entweichende Teil des Mediums durch einen Spalt zwischen dem zylindrischen und dem hohlzylindrischen Element strömt und daß dieser Strömung in einer Vielzahl von Drosselstellen so viel Widerstand entgegengesetzt wird, daß die durchfließende Menge in tragbaren Grenzen bleibt. An jeder Drosselstelle wird ein Teil der Druckto energie des ausströmenden Mediums in kinetische Energie umgesetzt, welche anschließend durch möglichst starke Wirbelung in Wärme übergeführt werden soll. Die Dichtwirkung ist also um so stärker, je besser die Wirbelbildung und je langer die Strömungsbahn ist, längs welcher sich die Wirbel bilden können. Die bekannte, gut dichtende Labyrinthstopfbüchse beispielsweise, bei der zwei Reihen von Schneiden kammartig ineinandergreifen, besitzt viele i8o°-Umkehrungen, die die Strömungsbahn um ein Vielfaches gegenüber der Länge der Stopfbüchse vergrößern, und es treten längs dieser Bahn viele kleine Wirbel auf.

Bei der Dichtung gemäß der Erfindung wird das an der zylindrischen Wand entlang geführte Medium infolge des Coandaeffekts längs der kegeligen Fläche in die Nut hinein abgelenkt, an der torusförmigen Fläche nahezu verlustlos um fast i8o° umgelenkt und in den Raum zwischen zwei Schneiden hineingeführt, wo sich zu beiden Seiten der Strömungsbahn zwei starke, einander entgegengesetzt drehende Wirbel ausbilden können. Die Dichtwirkung einer solchen Anordnung kann die Dichtwirkung einer Labyrinthstopfbüchse mit ineinandergreifenden Schneiden übersteigen. Es hat sich gezeigt, daß bei Dichtungen nach der Erfindung der erwünschte Coandaeffekt eintritt, d. h. eine Ablösung der Strömung an den Übergangsstellen zwischen den zylindrischen Wandteilen und den kegelförmigen Seitenflächen der Nuten vermieden wird, wenn der Kegel winkel der Seitenflächen 8o° nicht überschreitet. Dieser Grenzwinkel ist aber von der Art des strömenden Mediums und von seiner Geschwindigkeit abhängig. In Sonderfällen kann es deshalb erforderlich sein, den zulässigen Kegelwinkel durch Versuche zu ermitteln.

Versuche haben eindeutig ergeben, daß die sehr gute Dichtwirkung etwa einen unveränderlichen Wert beibehält, wenn die Schneiden im Betrieb jeweils gegenüber der zylindrischen Wand an irgendeiner Stelle zwischen zwei Nuten angeordnet sind, wobei — wenn die Schneiden nicht zu dicht nebeneinander angeordnet sein sollen, weil dadurch der für die freie Verwirbelung erforderliche Raum beschränkt würde — der Abstand der Schneiden voneinander gleich dem Abstand sich entsprechender Punkte benachbarter Nuten sein kann. Damit ergibt sich ein zweiter, wesentlicher Vorteil der Erfindung: Diese Stopfbüchse ist in axialer Richtung ohne Einbuße ihrer Dichtwirkung verschiebbar. Da man von vornherein überblicken kann_r welche axialen Verschiebungen im Betrieb, beispielsweise infolge untergchiedlicher Wärmedehnung, auftreten können, ist es möglich, der zylindrischen Wand zwischen zwei Nuten eine entsprechende Länge zu geben. Dieser Abschnitt der zylindrischen Wand kann ohne weiteres ebenso groß und auch größer als die Nutbreite sein.

Es sind zwar bereits Stopfbüchsen bekannt, bei denen die Schneiden nicht ineinandergreifen und die deshalb in einem starken Maße axial verschieblich sind. Aber abgesehen davon, daß sich bei diesen Dichtungen die Dichtwirkung bei geringen axialen Verschiebungen bereits stark ändert, insbesondere, wenn sich lediglich scharfe Schneiden gegenüberstehen, sind die Nuten- und die Schneidenanordnungen bisher ohne Rücksicht auf eine bestgeeignete Strömung gewählt worden. Beispielsweise sind die Nuten schmal und tief ausgeführt sowie mit parallelen Seitenwänden versehen und besitzen teilweise nicht einmal einen ausgerundeten Nutengrund. Hier bilden sich in der Tiefe der Nut kleine Wirbel aus, die zwar einen geringen Teil der kinetischen Energie verzehren, andererseits aber die Strömung aus der Nut herausdrängen, so daß sie fast geradlinig ihren Weg durch die Dichtung nimmt, ohne hierbei durch Wirbelung einen großen Energieverlust zu erfahren.

In anderen Fällen ist eine gleichmäßige Dichtwirkung auch bei wesentlich stärkeren Verschie- go bungen notwendig, wie sie beispielsweise beim Anfahren von Axialkompressoren und ähnlichen Maschinen infolge unterschiedlicher Wärmedehnung auftreten können oder wie sie beispielsweise bei ölfreien Kolbenkompressoren möglich sind, bei denen die Relativbewegung zwischen dem zylindrischen Kolben und dem hohlzylindrischen Gehäuse keine Drehbewegung, sondern nur noch eine Hin- und Herbewegung ist. In diesen Fällen kann man die Dichtung derart ausführen, daß einer Anzahl von Nuten, welche durch Zwischenschaltung gleicher Längen zylindrischer Wandteile, gleichen Abstand voneinander besitzen, eine um mindestens i, aber höchstens um 20% größere oder kleinere Anzahl Schneiden gegenüberstehen, welche einen anderen, ebenfalls gleichen Abstand voneinander besitzen.

Nuten und Schneiden stehen sich also nach Art eines Nonius gegenüber. Es ist gleichgültig, welche Stellung beide Teile zueinander haben, immer wird eine bestimmte gleichbleibende Anzahl gut dichtender Stellen vorhanden sein. Es bestehen auch keine Bedenken, daß beispielsweise, bei einem ölfreien Kompressor die Hin- und Herbewegung des Kolbens das Strömungsbild wesentlieh verändern könnte, da die Kolbengeschwindigkeit im Vergleich zu der Geschwindigkeit des ausströmenden Mediums klein ist, so daß man die Strömung in kleinen Zeitintervallen als nahezu stationär betrachten kann.

Einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. ι und 2 zeigen die gleiche Dichtung bei verschiedener Stellung der Schneiden in bezug auf die Nuten;

Fig. 3 stellt eine Dichtung dar, bei der die gleichen Nuten wie in den Fig. ι und 2 mit kürzerem Abstand aufeinanderfolgen; in

Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die Nutenteilung nicht mit dem Abstand der Schneiden übereinstimmt.

Bei allen dargestellten Dichtungen stehen einer zylindrischen Wand 1, in welcher in Umfangsrichtung verlaufende Nuten 2 angeordnet sind, mit geringem Abstand Schneiden 3 gegenüber. Die Nuten werden jeweils auf der Seite höheren Drucks von einer kegeligen Fläche 4, welche stumpfwinklig mit der zylindrischen Wand 1 zusammenstößt, und anschließend durch eine torusähnliche Fläche 5, die mit der zylindrischen Wand 1 einen spitzen Winkel bildet, begrenzt. Die allgemeine Richtung des durchtretenden Mediums verläuft jeweils von links nach rechts.

In Fig. ι ist ein Teil der Strömung schematisch eingetragen. Die Hauptströmung 6 bewegt sich zunächst längs der zylindrischen Wand 1 und wird dann an der kegeligen Fläche 4 in die Nut hineingezogen. Hierbei ist eine Unsymmetrie notwendig, d. h. der kegeligen Fläche 4 darf nicht eine Fläche mit ähnlicher Neigung gegenüberstehen. Die Strömung wird an der torusförmigen Fläche um nahezu i8o° umgelenkt und strömt in den Raum zwischen den Schneiden, wo sich zwei starke, einander entgegengesetzt drehende Wirbel 7 und 8 ausbilden.

Anschließend tritt die Hauptströmung durch den Spalt zwischen einer Schneide 3 und der Wand 1 in den nächsten Abschnitt über. Die durch Versuche belegten Strömungsbilder zeigen deutlich, daß der Strömungsweg durch aufeinanderfolgende i8o°-Umlenkungen ein Vielfaches der Länge der Dichtung annimmt. Außerdem verzehren starke Wirbel 7 und 8 jeweils den größten Teil der Strömungsenergie.

Versuche haben ergeben, daß die Dichtwirkung annähernd konstant bleibt, wenn die Schneiden 3 gegenüber der zylindrischen Wand 1 verschoben werden ■— also beispielsweise die Schneiden 3 der Fig. ι nach links bis in die in Fig. 2 gezeigte Stellung. Es dürfte also bei diesem Ausführungsbeispiel im Betrieb eine stärkere axiale Verschiebung der Teile gegeneinander auftreten, als der Nutbreite entspricht, da der Abschnitt der zylindrischen Wand ι zwischen zwei Nuten größer als die Nutbreite ist.

In Fig. 3 ist eine Anordnung gezeigt, die bei kleineren axialen Verschiebungen sehr günstig ist. Die Länge der zylindrischen Wandabschnitte, denen gegenüber die Schneiden 3 verschoben werden können, ist geringer. Dafür können aber bei gleicher Länge der Dichtung wesentlich mehr Nuten angeordnet werden, was eine stärkere Dichtwirkung ergibt.

Während in den Fig. 1 bis 3 die Nutteilung t und der Abstand der Schneiden ί einander gleich sind, ist in Fig. 4 die Nutteilung t größer als der Schneidenabstand j. In dem gezeigten Beispiel, in dem nur ein Ausschnitt aus einer Dichtung dargestellt ist, würde beispielsweise in einem Abschnitt der Dichtung der Länge von elf Schneidenabständen ί die Länge von zehn Nutteilungen t entsprechen. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, daß bei beliebigen Verschiebungen immer ein bestimmter Teil der Dichtung die optimale Dichtwirkung ausübt.

Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich besonders gut für die Dichtung des in einem Gehäuse hin und her gehenden Kolbens eines ölfreien Kolbenkompressors. Es kann aber auch ebenso wie die Beispiele gemäß den Fig. 1 bis 3 für eine Wellendichtung Verwendung finden.

Die dargestellten Anordnungen dienen nur der Erläuterung des Erfindungsgegenstandes. Es sind viele Abwandlungen möglich. So können beispielsweise die Schneiden in einem anderen als einem rechten Winkel zur Achse stehen. Bei der Anordnung nach Fig. 4 könnte auch der Schneidenabstand j größer sein als die Nutteilung t. Außerdem können bei doppelt wirkenden Kolbenkompressoren jeweils zwei in entgegengesetzter Richtung geneigte Nuten aufeinanderfolgen, da der Raum höheren Druckes abwechselnd auf der einen und auf der anderen Seite der Dichtung liegt. Selbstverständlich brauchen die Schneiden und die Übergänge zwischen Nut und zylindrischer Wand nicht immer so scharfkantig ausgeführt zu werden, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Insbesondere bei Verwendung verdichteter Medien, die beispielsweise durch abrasiven Staub verunreinigt sind, wird man die Kanten von vornherein leicht abrunden.

Die Erfindung kann in entsprechender Weise auch dann zur Anwendung kommen, wenn auf die Welle zylindrische Körper aufgesetzt sind, die in hohlzylindrischen Elementen umk 'fen und gegen diese abgedichtet werden sollen, also beispielsweise bei Turbinenrädern. Es ist unerheblich, ob die Nuten bei einer Wellendichtung an der Welle oder an dem Gehäuse angebracht sind. Ebenso spielt es keine Rolle, ob sie bei einem ölfreien Kolbenkompressor in dem Kolben, der Kolbenstange oder dem Gehäuse sitzen. Ganz allgemein gilt, daß sich die Nuten an dem zylindrischen oder an dem hohlzylindrischen Element und die Schneiden an dem gegenüberliegenden Element befinden können. Unter torusähnlichen Flächen werden nicht nur Flächen eines kreisförmigen Torus verstanden, sondern auch solche, die im Schnitt in einer die Torusachse enthaltenden Ebene wenigstens zum größten Teil gebogen sind.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: "⁵

   i. Dichtung eines zylindrischen Elements, welches aus einem Raum höheren Drucks durch ein hohlzylindrisches Element in einen Raum geringeren Drucks führt und relativ zu diesem lflo hohlzylindrischen Element beweglich ist, wobei in einer zylindrischen Wand jeweils zwischen zwei zylindrischen Wandteilen in Umfangsrichtung Nuten verlaufen und den zylindrischen Wandteilen mit geringem Abstand in Umfangsrichtung verlaufende Schneiden gegenüber-

   stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der-Seite höheren Drucks als Kegelflächen ausgebildeten Seitenflächen der Nuten unter einem solchen Winkel mit der zylindrischen Wand zusammenstoßen, daß das an der zylindrischen Wand entlang strömende abzudichtende Medium infolge des Coandaeffekts ohne Ablösung an der Stoßstelle in die Richtung der kegeligen Seitenfläche umgelenkt wird, daß ferner die

   ίο daran anschließenden Seitenflächen der Nuten als torusähnliche Flächen ausgebildet sind, weiche spitzwinklig mit der zylindrischen Wand zusammentreffen, und das schließlich der Abstand benachbarter Schneiden voneinander höchstens geringfügig von dem Abstand sich entsprechender Punkte benachbarter Nuten abweicht.
2. 2. Dichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Schneiden voneinander gleich dem Abstand sich entsprechender Punkte benachbarter Nuten ist und daß jede Schneide einem zylindrischen Wandteil gegenübersteht.
3. 3. Dichtung nach Anspruch 1, jedoch mit dem Unterschied, daß einer Anzahl von Nuten, welche durch Zwischenschaltung gleicher Längen zylindrischer Wandteile gleichen Abstand voneinander besitzen, eine um mindestens 1, aber höchstens um 20% größere oder kleinere Anzahl Schneiden gegenüberstehen, welche einen anderen, ebenfalls gleichen Abstand voneinander besitzen.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 189239, 474360,

   575 192; französische Patentschrift Nr. 605 508;
   USA.-Patentschrift Nr. 1 505 647.

   Hierzu τ Blatt Zeichnungen

   © 6Ö9 550/240 7.56 (709 524/125 5. 57)