DES0037287MA - - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
Tag der Anmeldung: 23. Januar 1954 Bekanntgemacht am 19. Juli 1956
DEUTSCHES PATENTAMT
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 ab-Aveicht.
609 550/240
S 37287 XII/47 f
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 Druckenergie 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 Strömungsbähn 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 Kegelwinkel 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, welche
axialen Verschiebungen im Betrieb, beispielsweise
. infolge unterschiedlicher 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 Verschiebungen
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°/o>
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 wesent-Hch
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;
550/240
S 37287 XII/47 f
Fig. 3 stellt eine Dichtung dar, bei der die gleichen Nuten wie in den Fig. ι und 2 mit kürze-
- rem 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 i, 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,1 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 s einander gleich
sind, ist in Fig. 4 die Nutteilung t größer als der Schneidenabstand s. 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 j 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
s 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 Anwendung 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 umlaufen 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)
- Patentansprüche: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 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-609 550/240S 37 287 XII/47 fstehen, 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 daran anschließenden Seitenflächen der Nuten als tofusähnliche Flächen ausgebildet sind, welche 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. 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. 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°/o größere oder kleinere Anzahl Schneiden gegenüberstehen, welche einen anderen, ebenfalls gleichen Abstand voneinander besitzen.In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 189 239, 474 360, 192;französische Patentschrift Nr. 605 508;
USA.-Patentschrift Nr. 1 505 647.Hierzu τ Blatt Zeichnungen
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