NO328832B1 - Trykkmotstandsdyktig statisk og dynamisk ekspellerakseltetning - Google Patents

Abstract

En akseltetningsinnretning (100) for statisk og dynamisk aksialtetning av en sentralt plassert rotasjonsbevegelig aksel (10). Innretningen (100) omfatter minst én første tetningskomponent (8) som tet ner nevnte aksel (10), minst én rotorkomponent (3, 6) festet på nevnte aksel (10) og en statorkomponent (1) festet til et lagerhus (30). Et første tetningskomponent (8) er anbragt i en fordypning (7) i nevnte rotorkomponent (3) og tetner effektivt én side av innretningen (100) fra dens andre side når det eksisterer en trykkforskjell mellom mediene på de to sidene. Ved rotasjon av akselen (10) blir den statiske tetningskomponenten (8) sentrifugalt beveget aksielt og radielt vekk fra sin statiske tetningsposisjon, og friksjon mellom tetningskomponenten (8) og statoren (1) er fjernet. Dynamisk tetning fremkalles av en trykkforskjell forårsaket av en turbineffekt fra rotorkomponenten (3, 6).

Description

TRYKKMOTSTANDSDYKTIG STATISK OG DYNAMISK EKSPELLERAKSELTETNING

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler generelt området anordninger for tetning av aksler, og i særdeleshet et statisk og dynamisk akseltetningsarrangement, og mer spesifikt en ekspellerakseltetning som effektivt tetner statisk når en aksel er i ro, og som effektivt tetner dynamisk når akselen roterer, samt under overganger mellom statisk og dynamisk drift, hvor et tetnings-arrangement endrer konfigurasjon slik at det effektivt tetner statisk ved hjelp av mekanisk kontakt ved en tetningsflate, og uten friksjon når akselen roterer, og hvor tetningsarrangementet frembringer en god tetningseffekt selv ved differensialtrykk i det omkringliggende mediet, for eksempel væske, gass eller støv, mellom begge sider av tetningsarrangementet, både under statisk og dynamisk drift.

BAKGRUNNEN FOR OPPFINNELSEN

I dag brukes hovedsakelig leppetetninger for å isolere lagre i roterende utstyr. Tetningene og lagrene står for et stort antall sammenbrudd i roterende utstyr, og det er et nært forhold mellom levetidene til disse to kritiske komponentene. Sammenbrudd i en slik pakning kan forårsake sammenbrudd i lagrene, og dårlige lagerforhold kan redusere levetiden på pakningen. Regn, produktlekkasje, rusk og nedspylt vann som kommer inn i lagerhuset forurenser smøremiddelet i lageret og har en ødeleggende effekt på produktlevetiden til lageret. Meget små mengder vann eller andre forurensende stoffer kan forkorte lagerets levetid vesentlig.

Hjelpeinnretninger for tetning av aksler i mekanisk utstyr, noen ganger kalt lagerisolatorer eller tetningsringer, brukes til utstyr som er tiltenkt drift i applikasjoner i skadelig miljø, hvor utstyret blir utsatt for potensielt forurensende stoffer som for eksempel støv. Elastomeriske akseltetninger blir dermed raskt utslitt og bryter sammen i slike aggressive miljøer. En sammenbrutt, standard-tetningsinnretning kan ikke ekskludere støv og andre ytre forurensende stoffer fra innsiden avet tetnet hus. Olje eller andre væsker kan heller ikke forhindres fra å lekke ut avtransmisjons-innretningene forbi en slitt leppetetning. Det er heller ikke mulig å hindre inntrengning av forurensende stoffer og at smørevæsker kommer ut når det eksisterer et differensialtrykk i tetningsinnretningens omkringliggende medier, for eksempel væsker, gass eller støv, mellom begge sider av tetningsinnretningen. Både i statisk og dynamisk drift bidrar differensialtrykk til lekkasje i kjente tetninger, og underletter transport av forurensende stoffer over tetningenes barrierer.

Et eksempel på en statisk og dynamisk akseltetningsinnretning er beskrevet i US-A-5,221,095, hvor en massiv, ringformet tetningskomponent er montert på hunnflaten på en rotor og inngriper med en hannflate på en stator når rotoren og tetningskomponenten er i ro. Den deformerbare tetningskomponenten strekkes langs omkretsen i en radiell retning av sentrifugalkraft ut av inngrep med statoren når rotoren og tetningskomponenten beveger seg i driftshastigheter, og derved elimineres tetningskomponentens friksjon.

Selv om tetningskomponenten yter beskyttelse mot at regn, produktlekkasje, rusk og nedspylt vann kommer inn i lagerhuset, vil den beskrevne tetningsinnretning imidlertid ikke bli tetnet når det eksisterer en trykkforskjell over akseltetningsinnretningen. Trykkforskjellen kan forårsakes av for eksempel en pumpeeffekt på lagersiden eller av et overtrykk på yttersiden. Et slikt overtrykk på yttersiden avtetningsinnretningen kan foreksempel forårsakes av rengjøringsutstyr, så som høytrykksvaskeapparater, eller hvis huset er plassert under vann, vil økt ytre trykk være forårsaket av vannsøylen som ligger ovenfor huset. Differensialtrykket kan også genereres av temperatur-variasjoner forårsaket av for eksempel eksponering for varme fra solen om dagen og avkjøling om natten, eller av varme generert inne i huset av for eksempel friksjon eller varmespredning fra drivinnretninger. Væske inne i huset ekspanderer når det varmes opp, noe som resulterer i økt trykk, og omvendt. Slike differensialtrykk forårsaker at de kjente tetningskomponentene løftes vekk og løsner fra mekanisk kontakt med den tilstøtende tetningsflaten, hvilket resulterer i tap av tetning som igjen gir rom for at forurensende stoffer kan passere til for eksempel et lager, og derved forkorte produktlevetiden for utstyret som omfatter den tetnede akselen.

Dessuten er tetningsinnretningen som er beskrevet i US-5,221,095 vanskelig å montere siden den elastiske tetningskomponenten må posisjoneres mot den kontraherende elastisitet inn i tetningsinnretningen.

En annen akseltetningsinnretning er beskrevet i CH-369329, hvori en O-ring tetner en aksel statisk. O-ringen er plassert i en rotorfordypning som har koaksiale vegger med en viss helnings-vinkel relativ til en radielt orientert stator. På denne måten presses O-ringen ved hjelp av sin elastisitet mot en radiell statoroverflate og en tetningseffekt oppnås. Når akselen roterer medfører det at O-ringen ekspanderer i omkrets på grunn av sentrifugalkraften som den utsettes for. Ved hjelp aven av de hellende omkretsveggene, beveges O-ringen lengre aksielt og radielt bort fra statoren. Derved fjernes kontaktfriksjonen til O-ringen når akselen roterer. Denne akseltetningsinnretningen er lettere montere enn den tidligere beskrevne innretningen som er beskrevet i US-A-5,221,095. Denne akseltetningsinnretningen lider imidlertid på samme måte av den samme ulempen at tetningsinnretningen ikke tetter når det eksisterer et differensialtrykk i de omkringliggende medier på de to sidene av akseltetningsinnretningen. Derfor er problemet som skal løses å frembringe en ny akseltetningsinnretning som ikke er følsom for differensiale trykk i mediene på begge sider av tetningsinnretningen, som sørger for beskyttelse mot inntrengning av forurensende stoffer, og mot at smøremidler kommer ut, både i statisk og dynamisk driftsmodus.

Et annet problem som skal løses av den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en tetning for maskineri av typen som er beskrevet ovenfor, i hvilken en massiv tetningskomponent bringes i kontakt med både en statortetning og en rotortetning når akselen er i ro, og i hvilken tetningskomponenten ekspanderer vekk fra statoren når akselen roterer.

Enda et annet problem som skal løses av den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en tetning av typen som er beskrevet ovenfor, og som gir enkel montering, fremstilling og en lang livssyklus for produktet.

Enda et problem som skal løses av den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en tetning for roterende aksler med store diametre opptil omtrent 3 m, for eksempel omtrent 1 m. Aksler med slike store diametre, som krever effektiv statisk og dynamisk tetning, brukes for eksempel i vanndrevne turbiner i hyd ro-e le kt riske kraftstasjoner eller i propellakseltetninger i skip.

Dessuten vil en fagperson være i stand til å identifisere ytterligere problemer forbundet med den eksisterende teknikkens stand og som ikke eksplisitt nevnes i teksten til denne søknad, men som løses av den foreliggende oppfinnelsen.

KORT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelsen overvinner manglene som er identifisert ovenfor i den eksisterende teknikkens stand og løser minst de problemene som er identifisert ovenfor enkeltvis eller i hvilken som helst kombinasjon, ved å frembringe en akseltetningsinnretning i henhold til de vedlagte patentkravene.

Den generelle løsningen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen frembringes av en aksiell tetningsinnretning for statisk og dynamisk tetning, fortrinnsvis av et aksiallager. Innretningen omfatter minst en første, ettergivende, elastisk tetningskomponent, en sentralt plassert roterende, bevegelig aksel, en rotor festet på nevnte aksel og en stator festet til et lagerhus. Den første tetningskomponenten er plassert på en slik måte at en trykkforskjell som påføres over den aksielle tetningsinnretningen ikke forringer tetningsytelsen til nevnte tetningskomponent ved statisk tetning. Tetningskomponenten er plassert i en ringformet fordypning i rotoren, og innretningen har følgende driftsmodi: et statisk driftsmodus, hvori den sentrale akselen og derved hele tetningsinnretningen er i ro, og et dynamisk driftsmodus, hvori akselen roterer i en driftshastighet, samt overgangene mellom de to foregående driftsmodi når akselen akselererer fra å være i ro og omvendt. I det statiske driftsmoduset tetner den ettergivende, elastiske tetningskomponenten effektivt én side av innretningen fra den andre siden når det eksisterer en trykkforskjell i mediene som er tilstede på de to sidene, idet tetningseffekten støttes av trykkforskjellen, det vil si at trykket for eksempel skyver tetningskomponenten inn i dennes tetningsflater. I det dynamiske driftsmoduset fremkalles tetningen av en trykkforskjell forårsaket av en turbineffekt av ekspellerkomponenten(e). Ved overgangen fra statisk til dynamisk drift blir den statiske tetningskomponenten sentrifugalt flyttet aksielt og radielt vekk fra sin statiske tetningsposisjon til en annen posisjon, ute av kontakt med statoren ved hjelp a v sentrifugal kraft og et undertrykk generert av ekspelleren som suger den elastiske tetningskomponenten unna tetningsflatene. Derved fjernes friksjon mellom tetningskomponenten og statoren mens akselen roterer. Ved akselens overgang fra å være i ro til å rotere, tillates ikke tetningen å lekke. Dette oppnås ved en passende oppbygning av komponentene i akseltetningsinnretningen. For eksempel sørges det for at ekspellerens pumpeeffekt frembringer et tilstrekkelig høyt trykk i forhold til trykket i det omgivende mediet slik at tetning sikres til enhver tid.

Den foreliggende oppfinnelsen har en rekke fordeler i forhold til den eksisterende teknikkens stand. Den foreliggende oppfinnelsen har nemlig den fordelen at den frembringer en tetningsinnretning som er lett å produsere og sette sammen, noe som effektivt sørger for statisk og dynamisk tetning med et differensialtrykk tilstede mellom de to sidene som er tetnet fra hverandre, uten å forringe tetningsytelsen selv ved store akseldiametre.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Videre formål, egenskaper og fordeler ved den foreliggende oppfinnelsen vil framgå fra den følgende beskrivelsen av utførelser av den foreliggende oppfinnelsen, med henvisning til de medfølgende tegningene, hvor

figur 1 er en perspektivtegning med delvis snittvisning av en utførelse aven akseltetningsinnretning for statisk og dynamisk tetning av en aksel,

figur 2 er en frontal plantegning som viser den aksielle tetningsinnretningen fra figur 1 i et hus,

figur 3 er et tverrsnitt langs linje A-A vist i figur 2 som illustrerer den a ksielle tetningsinnretningen fra figur 1, bygget inn i et hus og med en aksel,

figur 4 er et forstørret tverrsnitt av utførelsen i figur 1 som illustrerer statisk og dynamisk tetning av den aksielle tetningsinnretningen,

figur 5 er en plantegning som viser en friksjonskoplingskomponent av utførelsen som er vist i figur 1,

figur 6 er en perspektivtegning som viser friksjonskoplingen fra figur 5,

figur 7 er en snittegning som viser en aksel, en rotor og friksjonskoplingskomponenten fra figurene 5 og 6, anbragt mellom akselen og rotoren, hvor friksjonskoplingskomponenten er i ro,

figur 8 er en snittegning som likner på figur 7, hvor friksjonskoplingskomponenten er spent opp,

figur 9 er en plantegning som viser friksjonskoplingen fra figur 5 i sin monterte og oppkilte stilling,

figur 10 er en snittegning som viser en væskekanal for fordeling av væske i tetningsinnretningen, og

figur 11 er en skjematisk snittegning som illustrerer et lagerhus med to akseltetninger i henhold til utførelsen fra figur 1 og en akseltetning som en oljeforstøver.

BESKRIVELSE AV UTFØRELSER

En eksempelutførelse av oppfinnelsen er vist i figurene 1 til 4 for å illustrere den foreliggende oppfinnelsen. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til denne spesifikke utførelsen og er bare begrenset av de vedlagte patentkravene.

Figur 1 viser en utførelse 100 av en aksiell akseltetningsinnretning for statisk og dynamisk tetning av en aksel. Den aksielle tetningsinnretningen omfatter en statorkomponent 1, en tetningskomponent 2 som tetner statorkomponenten mot et omgivende hus, en første ekspellerrotorkomponent 3 som omfatter ekspellerfremspring 4 og mellomliggende ekspellerutsparinger 5, enda en ekspellerrotorkomponent 6 som har en ringformet fordypning 7 som omgir en ringformet tetningskomponent 8, en friksjonskoplingskomponent 9 som rotasjonsmessig låser den aksielle tetningsinnretningen mot en sentral aksel, en tetningskomponent 11 som tetner langs akselen i

lengderetningen, og en sentral innside 12 for å motta en rotasjonsbevegelig aksel som er montert i minst ett lager inne i huset. De to ekspellerrotorkomponentene 3 og 6 settes sammen ved hjelp av presspasning. Rotoren og statoren griper ikke fysisk inn i hverandre, og en spalte mellom statoren og rotoren forblir åpen. Denne spalten er en passasje fra en side av tetningsinnretningen til den andre. For å tetne denne passasjen, brukes delvis tetningskomponenten 8 i ro og delvis brukes en sentrifugal pumpeeffekt når akselen er i bevegelse.

Under dynamisk drift, som beskrevet mer detaljert nedenfor, genererer ekspellerkomponentene 3 og 6 en trykkforskjell i spaltepassasjen ved rotasjon av akselen og ekspellerrotorkomponentene 3 og 6. Trykkforskjellen genereres av sentrifugalkrefter som presser ut eventuelt løst materiale eller medium, for eksempel løse partikler, væsker, gasser, støv og så videre, inne i spalten og ut av spalten. Dette forårsakes av rotasjonsbevegelsen av ekspellerrotorkomponentene i tilslutning til den vingeliknende fasongen på ekspellerfremspringene og -utsparingene, hvorved eventuelt materiale som har kommet inn i spalten blir utsatt for et pumpetrykkfra ekspelleren forårsaket av sentrifugalkrefter som slenger materialet tilbake og presser det ut av den samme spalten. Ekspellerrotorvingene 3 og 6 som omfatter ekspellerfremspringene 4 og mellomliggende ekspellerutsparingene 5, er hensiktsmessig utformet for å skape et trykk som er tilstrekkelig for å motstå det høyeste differensialtrykk som kan forventes mellom de to sidene av innretning 100 under drift av innretning 100. Ved en hensiktsmessi g utforming av vingene blir trykket balansert, det vil si at trykket som genereres av turbin effekten av de roterende vingene kompenserer trykket utenfor tetningsinnretningen ved å "pumpe tilbake" det eksterne trykket og derved sørge for effektiv tetning under alle driftsforhold.

Innretningen har følgende driftsmodi: et statisk driftsmodus, hvori sentralakselen og derved hele tetningsinnretningen 100 er i ro, et dynamisk driftsmodus, hvori akselen roterer i en driftshastighet, samt overganger mellom de to foregående driftsmodi når akselen akselererer fra å være i ro eller omvendt. I det statiske driftsmoduset blir én side av innretningen 100 effektivt tetnet fra den andre siden av tetningskomponenten 8. I det dynamiske driftsmodus fremkalles tetningen av en trykkforskjell forårsaket av en turbineffekt av ekspellerkomponentene. Den statiske tetningskomponenten blir sentrifugalt flyttet aksielt og radielt vekk fra sin statiske tetningsposisjon til en annen posisjon, ute av kontakt med statoren. Derved fjernes friksjon mellom tetningskomponenten og statoren mens akselen roterer.

I det dynamiske driftsmodus, mens akselen og ekspellerrotorkomponentene 3 og 6 roterer, blir eventuelt materiale som kommer inn i passasjen åpnet av den statiske tetningskomponenten 8 presset ut umiddelbart av ekspellerens sentrifugale pumpeeffekt, som beskrevet ovenfor. Derved vil også materiale, forurensende stoffer og så videre som har kommet inn i spalten i løpet av en statisk tetningsperiode, og som har samlet seg i spaltepassasjen, for eksempel i ekspellerutsparingene, presses ut under overgangen fra statisk til dynamisk tetningsdrift. Eventuelt materiale som kommer inn i spalten under dynamisk tetningsdrift vil bli presset ut umiddelbart. Jo lengre materialet kommer inn i spalten, jo større vil sentrifugalkraften være for å presse materialet tilbake og ut av den samme spalten og ut av innretningen 100 på den respektive siden av innretningen.

I den frontale plantegningen i figur 2 vises en innretning 200 av den aksielle tetningsinnretningen 100 fra figur 1, plassert i et hus 30. Delene av den aksielle tetningsinnretningen 200 som er synlige i figur 2, er huset 30 som delvis overlapper ekspellerkomponenten 6 og en sentral aksel 10.

Figur 3 viser et tverrsnitt langs linjen A-A som vist i figur 2, som illustrerer den aksielle tetningsinnretningen 100 fra figur 1, bygget inn i et hus 30 og med en aksel 10. Videre vises en fordypning 31 i den første ekspellerrotorkomponenten 3 som omgir en videre ringformet tetningskomponent 32.

Figur 4 er et forstørret tverrsnitt av utførelsen i figur 1, som illustrerer statisk og dynamisk tetning av den aksielle tetningsinnretningen. En pil 41 anviser det dynamiske tetningsdriftsmodus, hvori den ringformede tetningskomponenten 32 trekkes inn i den radielt ytre stillingen i fordypning 31, ute av kontakt med statoren 1, av sentrifugalkraft fra innretningen som roterer med akselens 10 driftshastighet. En pil 40 anviser det statiske tetningsdriftsmodus, hvori den ringformede tetningskomponenten 8 er vist i den radielt indre stillingen i fordypning 7. Tetningskomponenten 8 trekkes inn i denne stillingen av den elastiske kraften av tetningskomponent 8. Fordypningen 7 omfatter en første radielt hellende fordypningsflate 42, som spenner fra en andre aksielt orientert, radielt indre posisjonert fordypningsflate 43 og til en tredje, aksielt hellende orientert, radielt ytre posisjonert fordypningsflate 44. Flate 42 heller radielt vekk fra den radielt orienterte flaten 45 til stator 1 fra dets aksielt indre ende til den aksielt ytre ende, som vist i for eksempel figur 4.

Tetningskomponent 8 tetner ikke bare ved sin elastiske kraft, men i tillegg påvirker en trykkforskjell mellom utsiden (til venstre i figur 4) og innsiden (til høyre i figur 4), tetningseffektiviteten til tetningskomponent 8. Jo høyerer trykk som påføres på utsiden, jo bedre tetningseffekt oppnås i det statiske driftsmodus, siden trykket presser tetningskomponenten 8 aksielt nedover og derved mot både den indre aksielle flaten 43 og den nedre delen av den hellende radielle flaten 42 i den ringformede fordypningen 7 i rotorkomponent 6, samt mot den radielle flaten 45 på stator 1 som tilstøtende vender mot fordypning 7. Det samme gjelder henholdsvis tetningskomponent 32 i tilfelle et høyere trykk påføres på innsiden.

Fordypningen 7 i rotoren 6 er utformet på en slik måte at en trykkforskjell over tetningsinnretningen i det statiske driftsmodus forbedrer tetningen til tetningskomponent 8. Dette er fordi tetningskomponenten 8 støttes av trykket, det vil si at trykket aktivt presser tetningskomponenten inn i tetningskontaktflatene. Det fysiske tetningsinngrep oppstår også mellom tetningskomponent 8 og statoren 1 langs flaten som har radiell utstrekning på stator 1.

Under overgangen fra statisk til dynamisk tetning, flyttes tetningskomponent 8 fra den radielt indre, statiske stillingen som vist av pil 40, til den radielt ytre stillingen som vist av pil 41. Bevegelsen forårsakes både av sentrifugalkraft og av en trykkforskjell forårsaket av den roterende ekspeller som oppnår en pumpeeffekt, hvilket suger tetningskomponenten 8 radielt utover.

Derved sikres at tetningskomponent 8 effektivt tetner statisk når akselen 10 er i ro. Tetningsinnretningen tetner dessuten effektivt dynamisk når akselen roterer i driftshastighet, på grunn av trykkforskjellen som forårsakes av ekspellerskivene 3 og 6. Friksjon elimineres i det dynamiske driftsmodus fordi tetningskomponenten beveger seg uten kontakt med statoren, som beskrevet ovenfor. Dessuten er den statiske og dynamiske tetningen effektiv ved trykkforskjeller over tetningsinnretningen.

I den diskuterte utførelsen, har den hellende radielle flaten 42 av den ringformede fordypningen 7 i rotorkomponent 6 en hellingsvinkel på omtrent mellom 10 og 20 grader, og fortrinnsvis omtrent 12 grader. Hellingsvinkler på mer enn 20 grader kan imidlertid også brukes uten å fravike den foreliggende oppfinnelsen, som definert av de vedlagte patentkravene.

Formen på den ringformede tetningskomponenten 8 kan være sirkulær i tverrsnitt, det vil si at den ringformede tetningskomponenten 8 fortrinnsvis er en toroidal O-ring med sirkulært tverrsnitt. Den ringformede tetningskomponenten kan imidlertid ha forskjellige former og fasonger for eksempel som vist i figurene, det vil si hovedsakelig rektangulær med avrundede hjørner eller en oval fasong.

Materialet i tetningskomponent 8 er valgt slik at tetningskomponent 8 har tilstrekkelig tetningseffekt mot tetningsflatene, at den er tilstrekkelig elastisk deformerbar til å kunne bevege seg fra den statiske stillingen til den dynamiske stillingen og tilbake, og at friksjonen er lav under overgangen fra den statiske til den dynamiske stillingen, det vil si under oppstart av aksel 10 når tetningskomponent 8 ennå er i kontakt med statorens statiske tetningsflate. Egnede materialer for tetningskomponenten 8 er for eksempel gummi, Viton<*>, FKM, FFKM, EPDM og så videre. Egnede materialer for de gjenværende komponentene i tetningsinnretningen 100 er for eksempel metalliske materialer som bronse eller rustfritt stål, også elastomeriske materialer særlig for store akseldiametre, samt syntetiske materialer som akrylplast, PU eller PA.

For store akseldiametre og derved for tilsvarende store akseltetningsinnretninger, kan komponentene til tetningsinnretning 100 produseres som uavbrutte langstrakte komponenter som kan forhåndsmonteres og tilpasses rundt en aksel til en enhet som vist i figur 1. Alternativt kan komponentene til tetningsinnretning 100 produseres som delvis montert, eller som separate deler som skal monteres på akselen på stedet. Rotoren, statoren og tetningskomponenten kan produseres ved ekstrudering og monteres på stedet ved å klebe sammen de ekstruderte delene til ringformede komponenter på stedet. Dette har den fordelen at tetningsinnretninger for aksler med stor diameter er lette å produsere og montere på akselen, både til lav kostnad og ved å frembringe en effektiv tetning av tetningsinnretningen.

Utførelsen som er vist i figurene 1 til 4 har fordypninger 7 og 31 som omgir tetningskomponenter 8 og 32 i hver av rotorene 3 og 6. På denne måten virker tetningen med trykkforskjeller i begge retninger, det vil si overtrykk enten utenfor eller innenfor lagerhuset. For visse anvendelser kan det imidlertid være tilstrekkelig å sikre tetning i én trykkforskjellsretning. I dette tilfellet kan en fordypning og tetningskomponent utelates.

Utførelsen i henhold til figurene 1 til 4 er fortrinnsvis satt sammen til en komplett innsats, klar til å monteres inn i plassen for akseltetningsinnretningen.

Nå henledes oppmerksomheten til figurene 5 og 6 i kombinasjon med de tidligere diskuterte figurene. Tetningsinnretningen 100 er satt sammen med akselen 10 ved å gli tetningsinnretningen over akselen 10. En tetningskomponent 11 tetner de to sidene av tetningsinnretningen, det vil si gapet mellom akselen 10 og ekspellertetningsinnretningen 100. Et problem forbundet med det foregående er at tetningsinnretningen beveger seg relativt til akselen på grunn av de to delenes innbyrdes treghet. Dette betyr at tetningskomponenten 11 utsettes for friksjonsbevegelse og slites ut etter et antall start-stopp-sykluser. Dette problemet løses ved å bruke en friksjonskoplingskomponent 9 satt inn i en fordypning parallelt med tetningskomponenten 11, som vist i figurene. Et annet problem som friksjonskoplingskomponenten løser er at et mye større dreiemoment kan overføres mellom akselen 10 og rotorkomponentene 3 og 6. Derved er det mulig å overføre et mye større dreiemoment fra akselen 10 til rotorkomponentene 3 og 6, enn med bare en O-ringtetning 11.

Friksjonskoplingskomponenten 9 i utførelsen er vist mer detaljert i figurene 5 og 6. I henhold til utførelsen, er friksjonskoplingskomponenten en ringformet, belteliknende, flattrykt ring som har utspring 50, 52 samt hakk 51, 53 på begge sider. Friksjonskoplingsring 9 virker som et bremse-element i begge rotasjonsretningene for aksel 10, som bremser og stopper bevegelsen til innretning 100 relativ til akselen. Friksjonskoplingen fungerer etter prinsippet at hakkene 51, 52 vil vippe på grunn av den lille relative bevegelsen mellom rotorene 3 og 6, og akselen 10. I de tilfeller friksjonskoplingskomponenten 9 er produsert i et elastisk materiale, for eksempel hardgummi, vil denne vippende bevegelsen komprimere det elastiske materialet i friksjonskoplingen ved tilliggende utspring 50 og 52 på friksjonskoplingen 9, og på grunn av økt friksjon og økt lokalt kontakttrykk på kontaktflatene til friksjonskoplingskomponenten mot akselen og rotorkomponenten, vil den relative bevegelsen saktne og stoppe. Alternativt er friksjonskoplingskomponenten 9 laget av et lite komprimerbart materiale, for eksempel metall, fortrinnsvis rustfritt stål. I dette tilfellet oppnås en enda hardere og mer momentan bremseeffekt på grunn av materialvalget og fordi koplingseffekten oppnås raskere. Uavhengig av materialet i friksjonskoplingskomponenten, oppnås derved en mer intens kopling av aksel 10 og rotoren i tetningsinnretningen 100 i "bremseposisjonen" som her diskuteres. Den eneste fremgangsmåten for å løsne denne koplingsforbindeisen, er å rotere akselen i den motsatte retningen slik at vippingen reverseres. Selv i denne retningen vil det likevel forekomme en vipping i den andre retningen, og friksjonskoplingen 9 vil hindre og stanse relativ bevegelse. I tilfelle friksjonskomponenten 9 er laget av metall, kan en elastiskfjæringseffekt støtte koplingsprosessen beskrevet ovenfor. Fjæringseffekten kan bygges inn i friksjonskoplingskomponenten ved å gjøre et hensiktsmessig valg av materiale og fasong for komponenten 9, slik at fjæringseffekten er orientert mot den relative bevegelsen mellom akselen og rotorkomponenten.

Dreiemomentet som aktueres fra akselen på rotoren og omvendt kan økes ved for eksempel en økt pumpeeffekt fra ekspellervingene for å kunne motstå differensialtrykk som beskrevet ovenfor, eller ved en ekstra pumpeeffekt for eksempel for en oljeforstøver, beskrevet nedenfor, integrert i tetningsinnretningen 100. Jo høyere dreiemoment som aktuerer på rotorkomponenten, jo hardere vil komponentene til friksjonkoplingen bli trykket sammen, og dess høyere blir kile-effekten på friksjonskoplingen. Derved overføres dreiemoment mer effektivt fra akselen til rotoren uten degradering av tetningskomponenten 11 i aksiell retning og med forbedret produkt-levetid for tetningskomponent 11 og derved for hele tetningsinnretningen 100. Imidlertid tillater friksjonskoplingen en viss bevegelse, hvilket kan være ønskelig for eksempel for at rotoren skal kunne justere seg dynamisk etter statorens posisjon.

I figurene 7 og 8 er det gitt en illustrasjon av friksjonskoplingsfunksjonen beskrevet ovenfor. En friksjonkoplingskomponent 9 er vist anbragt mellom en aksel komponent 10 og en rotorkomponent 6, hvori friksjonkoplingskomponenten er i ro, det vil si at det ikke er noe differensielt dreiemoment mellom akselkomponenten 10 og rotorkomponenten 6. I figur 8 er friksjonskoplingskomponenten 9 oppspent på grunn av det differensielle dreiemomentet mellom akselkomponenten 10 og rotorkomponenten 6, som beskrevet ovenfor.

En fagperson vil forstå at formen på friksjonskoplingskomponent 9, vist i figurene, bare er én a v flere for å oppnå effekten beskrevet ovenfor. For eksempel er friksjonskoplingskomponenten som er vist i figurene 7 og 8 forskjellig fra friksjonskoplingskomponenten vist i figurene 5 og 6, men oppfyller den samme funksjonen, som beskrevet ovenfor.

I henhold til en annen utførelse 200 av akseltetningsinnretningen, som er vist og illustrert i figurene 9 og 10, er et radielt innover forløpende borhull 91 plassert ved bunnen av stator 1. Borhullet gir forbindelse med tetningsinnretningens innside 100 and husets innside 30. I det statiske driftsmoduset virker tetningskomponent 8 som en tilbakeslagsventil som åpner seg i det dynamiske driftsmoduset. Figurene 9 og 10 viser det dynamiske driftsmoduset, hvori væskekanalen 91 er åpen for væskeforbindelse. I den viste utførelsen er kanal 91 koplet til en væske-kopling 90, som for eksempel fører til et væskereservoar (ikke vist). Alternativt er væskekanalen 91 i direkte forbindelse med husets innside, hvor et lager er plassert. Dette kan være tilfellet når akseltetningsinnretningen 200 er innebygget på innsiden av et hus, med for eksempel to kulelagre på de to sidene, tetnet av akseltetningsinnretninger 100, som illustrert i figur 11. I dette tilfellet resirkuleres, for eksempel den rekondenserte oljedampen gjennom væskekanalen 91, noe som reduserer væskeforbruket. Her kan det til og med anbringes et filter i kanalen for å rense den resirkulerende væsken. Under dynamisk drift suges en væske gjennom borhullet 91 til innsiden av tetningsinnretning 200 og presses ut av og bort fra tetningsinnretningen 200. Dette er illustrert i detalj i forbindelse med figur 10 og figur 11, hvori pilene 92 til 96 anviser væskebanen i eksempel-utførelsen. Pilene i figur 11 anviser delvis et ytre trykk utenfor lagerboksen 115, delvis den oljen som er presset ut av ekspellerkomponenter i innretning 200, og delvis oljeflyten gjennom kanal 91 og inn til innsiden av innretning 200, hvorfra den presses ut gjennom spalten i innretning 200, som likner spalten forklart ovenfor i forbindelse med figurene 1 til 4. Derved blir lagre 110 og 111, som har lagerkuler 112 og 113, effektivt smurt ved rotasjon av akselen 10 av den oljetåken som

genereres. Dessuten er innretningen effektivt tetnet mot trykk utenfor lagerboksen 115 både med

akselen i rotasjon, som vist i figur 11, og med akselen i ro, av statiske tetningskomponenter i innretninger 100.

På denne måten sikres en effektiv generering av oljetåke uten behov for dyre kompressor-systemer for å generere trykket som behøves for å presse væsken gjennom en kanal og en ejektor-dyse. Det nødvendige trykket leveres av de integrerte ekspellerrotorkomponentene 3 og 6 ved rotasjon.

Væsken kan være en rensevæske som vasker bort eventuelt materiale som måtte ha samlet seg i utsparingene 5 på skovlhjulene 3 og 6. Alternativt kan væsken være en smørevæske, for eksempel olje, som brukes for å smøre ett eller flere lagre. I dette tilfellet omdannes oljen til en oljetåke av sentrifugalkraften som kaster ut små oljedråper fra skovlhjul 3 og 6 til utsiden av tetningsinnretning 100. Når tetningsinnretningen brukes inne i et lagerhus som har lagre på begge sider av tetningsinnretningen, brukes innretningen for å spre smørevæske til lagrene, noe som derved forlenger levetiden til lagrene. Væsken kan komme fra en separat beholder (for eksempel for rensevæske), eller den kan komme fra et væskebad på bunnen av innretning 100. Ved å bruke borhullet er spredningen mye mer effektiv enn ved bare sentrifugalt å kaste ut en væske slik tilfellet er med bunnen av skovlhjulene nedsenket i et væskebad.

Alternativt til den fremviste utførelsen av væskekanalen som fordeler væske til begge sider av akseltetningsinnretningen 100, kan væskekanalen 91 arrangeres slik at væske bare fordeles til rotorkomponenten på én side avakseltetningen. Derved blir væske fordelt kun til denne ene siden.

Produksjon av tetningsinnretningen 100 og dets komponenter oppnås ved kjente metoder. Komponentene er raske og lettvinte å montere.

Alternativt til utførelsen som er vist i figurene, kan akseltetningen integreres direkte i et lager på akselen. I dette tilfellet koples rotoren til den indre lagerringen, for eksempel et kulelager, som er koplet til den roterbare akselen. En ekspellerrotorkomponent festes direkte til den indre lagerringen, og en statorkomponent festes direkte til det ytre lagerhuset. På denne måten oppnås en meget kompakt løsning.

I enda en annen alternativ utførelse omfatter akseltetningsinnretningen kun én rotorkomponent med en tetningskomponent i en fordypning som tidligere beskrevet. I dette tilfellet tetter innretningen effektivt for et differensialtrykk i én retning, noe som er tilstrekkelig for visse anvendelser.

Rotorkomponentene 6 og 3, vist som forskjellig konstruerte komponenter, kan også være identiske og festet til hverandre ved for eksempel liming, ved de aksielle kontaktflatene.

Anvendelser og bruk av akseltetningen beskrevet ovenfor i henhold til den foreliggende oppfinnelsen, er varierte og omfatter eksempelområder, som for eksempel pumper i offshore olje-og gassindustrien, gruveindustrien, tremasse- og papirindustrien, undervannspumper, vanndrevne turbiner i hydroelektriske kraftstasjoner, propellakseltetninger på skip og så videre. Den foreliggende oppfinnelsen er beskrevet ovenfor med referanse til spesifikke utførelser. Andre utførelser enn de ovenstående er imidlertid like mulige innenfor definisjonsområdet til de vedlagte patentkravene, for eksempel ved forskjellige fasonger på rotoren eller statoren, andre elastiske materialer for tetningskomponenten enn de som er beskrevet ovenfor, og så videre.

Dessuten ekskluderer ikke termen "omfatter/omfattende" andre komponenter eller trinn når den brukes i denne beskrivelse, termene "en" og "et" ekskluderer ikke et flertall, og en enkel prosessor eller andre enheter kan oppfylle funksjonene til flere av enhetene eller kretsene som er anført i patentkravene.

Claims (23)

1. Akseltetningsinnretning (100) for statisk og dynamisk aksialtetning av en sentralt plassert rotasjonsbevegelig aksel (10) og omfattende minst én første tetningskomponent (8, 32) som tetner nevnte aksel (10), minst én rotorkomponent (3, 6) festet på nevnte aksel (10) og en statorkomponent (1) festet til et hus (30), karakterisert ved at nevnte første tetningskomponent (8, 32) er anbragt i en fordypning (7, 31) i nevnte rotorkomponent (3, 6) og tilpasset for å opprettholde tetningsytelsen til nevnte tetning under statisk tetning, uten forringelse derav, forårsaket av et differensialtrykk tilstede i aksialretningen mellom media på to sider av akseltetningsinnretningen (100), hvilken første tetningskomponent (8) er arrangert for statisk å tetne mot en hovedsakelig radielt orientert flate på statorkomponenten (1), en hovedsakelig radielt orientert flate (42) på nevnte fordypning (7, 31), og en hovedsakelig aksielt orientert flate (43) på nevnte fordypning (7), hvorved dynamisk tetning oppnås ved rotasjon av nevnte aksel (10) av nevnte rotorkomponent, og den statiske tetningskomponenten (8) er konfigurert for å bevege seg aksielt og radielt vekk fra sin statiske tetningsposisjon ved rotasjon av akselen (10).

2. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 1, hvori nevnte rotorkomponent (3, 6) omfatter minst én ekspellerrotorkomponent (3, 6) som er innrettet for å generere trykk for dynamisk tetning som kompenserer nevnte differensialtrykk, og som er arrangert tilstøtende til nevnte statorkomponent (1) for å fremkalle dynamisk tetning ved rotasjon av nevnte aksel (10).

3. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 2, hvori nevnte ekspellerrotorkomponent (3, 6) har tilstøtende ekspellerfremspring (4) og ekspellerutsparinger (5) orientert mot nevnte stator for å fremkalle nevnte dynamiske tetningseffekt.

4. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til hvilke som helst av de foregående patentkrav, hvor nevnte fordypning (7) er en ringformet fordypning (7, 31) i nevnte rotorkomponent (3, 6) og nevnte første tetningskomponent (8) er innesluttet i nevnte ringformede fordypning (7, 31) i nevnte rotorkomponent (6, 7), hvilken fordypning (7, 31) er arrangert for å vende mot nevnte radielle flate (45) på nevnte statorkomponent (1).

5. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 4, hvor nevnte ringformede fordypning (7, 31) har en først hovedsakelig radielt hellende ringformet fordypningsflate (42) som spenner fra en annen hovedsakelig aksielt orientert, radielt innover posisjonert ringformet fordypningsflate (43) til en tredje hovedsakelig aksielt hellende orientert, radielt utover posisjonert ringformet fordypningsflate (44).

6. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 5, hvor nevnte tetningskomponent (8) for statisk tetning statisk tetner mot nevnte første hovedsakelig radielt hellende ringformede fordypningsflate (42), nevnte andre hovedsakelig aksielt orientert, radielt innover posisjonert ringformet fordypningsflate (43) og nevnte hovedsakelig radielle statorflate (45), slik at nevnte differensialtrykk fremkaller et støttende tetningstrykk for nevnte tetningskomponent (8) på nevnte tetningsflater.

7. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til hvilke som helst av de foregående patentkrav, hvor nevnte tetningskomponent (8) er laget av et ettergivende, elastisk deformerbart materiale.

8. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til hvilke som helst av de foregående patentkrav, hvor nevnte akseltetningsinnretning (100) er arrangert for tetne et lager.

9. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 8, hvor nevnte akseltetningsinnretning (100) er integrert med nevnte lager.

10. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til hvilke som helst av de foregående patentkrav, hvor nevnte rotorkomponent (6) er utstyrt med en friksjonskoplingskomponent (9) som er arrangert innbyrdes låsende mellom nevnte aksel (10) og nevnte rotorkomponent (6).

11. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 10, hvor nevnte rotorkomponent omfatter en ringformet radiell fordypning som hovedsakelig huser nevnte friksjonskoplingskomponent (9).

12. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 10 eller 11, hvor nevnte friksjonskoplingskomponent (9) er arrangert slik at et dreiemoment som forårsaker relativ rotasjonsbevegelse mellom nevnte aksel (10) og nevnte rotorkomponent (6) forårsaker kompresjon av nevnte friksjonskoplingskomponent (9) og økt friksjon mellom akselen (10) og rotoren (6), slik at bremsing av nevnte relative rotasjonsbevegelse oppnås.

13. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 10 til 12, hvor nevnte friksjonskoplingskomponent (9) har ringformet fasong, med tilliggende fremspring (50, 52) og utsparinger (51, 53).

14. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til hvilke som helst av de foregående patentkrav, hvor en kanal (91) har utstrekning radielt innover for væskeforbindelse fra bunnen av nevnte stator (1), hvilken kanal (91) er i forbindelse med innsiden av tetningsinnretningen (100) og innsiden av huset (30).

15. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 14, hvor nevnte kanal (91) er tilpasset for å transportere en fluid, slik at utpressing av nevnte fluid ut og bort fra nevnte ekspellerrotorkomponent (3, 6) oppnås ved rotasjon av nevnte aksel (10).

16. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 15, hvor nevnte fluid er en rensefluid som presser ut materiale som er samlet under statisk tetning i nevnte skovlhjulutsparinger (5), fra tetningsinnretning (100) ved rotasjon av nevnte aksel (1).

17. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 15, hvor nevnte fluid er en smørefluid.

18. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til patentkrav 17, hvor nevnte smørefluid er olje, som omgjøres til oljetåke når den presses ut av tetningsinnretningen.

19. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til hvilke som helst av de foregående patentkrav, hvor akselen har en diameter på opptil 3 m.

20. Akseltetningsinnretning (100) i henhold til hvilke som helst av de foregående patentkrav, hvor nevnte rotorkomponenter (3, 6), statorkomponent (1) og tetningskomponent (8) er produsert av et elastomerisk materiale ved ekstrudering.

21. Fremgangsmåte for å tetne en aksel statisk og dynamisk ved hjelp av en akseltetningsinnretning i henhold til patentkrav 1, karakterisert ved understøttelse av nevnte statiske tetning med et differensialtrykk som er tilstede i aksiell retning mellom media på to sider av nevnte aksel, ved å skyve en første tetningskomponent (8), arrangert i rotorkomponenten (3), mot en hovedsakelig radielt orientert flate på statorkomponenten (1), en hovedsakelig radielt orientert flate (42) i en fordypning (7) som huser nevnte tetningskomponent (8) og en hovedsakelig aksielt orientert flate (43) i nevnte fordypning (7), og ved sentrifugalt å flytte den statiske tetningskomponenten (8) ved rotasjon av akselen (10) aksielt og radielt bort fra dens statiske tetningsstilling.

22. Fremgangsmåte i henhold til patentkrav 21, karakterisert ved at nevnte sentrifugale forflytting av den statiske tetningskomponenten (8) ved rotasjon av akselen (10) aksielt og radielt bort fra dens statiske tetningsstilling, eliminerer friksjon mellom tetningskomponenten (8) og statoren (1) under dynamisk tetning.

23. Fremgangsmåte i henhold til patentkrav 22, karakterisert ved fremkalling av nevnte dynamiske tetning ved en dynamisk rotortrykkforskjell forårsaket av en turbineffekt i rotorkomponenten (3, 6), og ved kompensering av nevnte differensialtrykk som er tilstede i aksiell retning mellom media på to sider av nevnte aksel med nevnte dynamiske rotortrykkforskjell, noe som derved opprettholder tetning under dynamisk drift.