-
Vorrichtung zum Abdichten zwischen zwei Drehteilen, die axial, radial,
durch Drehung und Winkelneigung gegeneinander bewegbar sind Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zum Abdichten eines Raumes, der von zwei Drehteilen begrenzt
ist, die axial, radial, durch Drehung und Winkelneigung gegeneinander bewegbar sind,
mit einem planparallele Stirnflächen von geringer Radialerstrekkung aufweisenden
Ring, der mit geringem axialem Spiel zwischen radial verlaufenden, planparallelen
Wandungen innerhalb einer fest an dem einen Drehteil befindlichen Ringkammer angeordnet
ist und eine Umfangsfläche aufweist, die mit einer entsprechenden Gegenumfangsflächedes
anderen Drehteiles zusammenwirkt.
-
Es ist bekannt, eine Abdichtung zwischen zwei sich in Bezug aufeinander
drehenden Teilen dadurch zu erhalten, daß der Leckausfluß in dem sie trennenden
Zwischenraum mittels eines Labyrinthes eingeschränkt wird. Das Labyrinth besteht
aus einer Mehrzahl von wechselseitig an jedem der Drehteile befestigten Umlenkplatten.
Eine solche Vorrichtung gestattet jedoch nur äußerst geringe Verschiebungen der
beiden Achsen in Bezug aufeinander. Um eine axiale Verschiebung zu gestatten, wurde
bereits vorgeschlagen, auf einem Ring, der in einem der beiden Teile gleitend geführt
ist, zwei Umlenkplatten zu befestigen, die durch die Wirkung des zwischen den Platten
durch einen Leckausfluß erzeugten Druckes in einem geringen Abstand zu einer Stirnfläche
des anderen Teiles gehalten werden, wobei dieser in diesem Abstandsraum vorhandene
Druck über den Ring durchgreifende Kanäle zu der hinteren Fläche des Ringes geleitet
wird. Diese Vorrichtung, die für große Drehgeschwindigkeiten geeignet sein mag,
ermöglicht jedoch nur eine relativ geringe Versetzung der Achsen der beiden Teile.
-
Es ist ferner (durch die britische Patentschrift 891419) eine Dichtungsanordnung
bekannt, bei der mit geringem axialem Spiel zwischen radial verlaufenden planparallelen
Wandungen innerhalb einer fest an dem einen Drehteil befindlichen Ringkammer ein
mit planparallelen Stirnflächen von geringer Radialerstreckung versehener Ring angeordnet
ist. Dieser Ring hat eine Umfangsfläche, die mit einer entsprechenden Gegenumfangsfläche
des anderen Drehteiles zusammenwirkt. Bei dieser Dichtungsanordnung ist zwischen
dem Dichtungsring und dem zweiten Drehteil keinerlei Spiel vorhanden, vielmehr berühren
sich die Flächen und wird vermittels dieser Berührung die Dichtung herbeigeführt.
Dementsprechend befinden sich die beiden genannten Umfangsflächen auch über eine
große axiale Länge miteinander in Berührung. Bei einer Winkelverlagerung der beiden
Drehteile gegeneinander wird der Dichtungsring in der ihn aufnehmenden Ringkammer
verkantet. Weil der Dichtungsring nur mit geringem axialem Spiel seiner Stirnflächen
zwischen den planparallelen Wänden der Ringkammer eingesetzt ist, wird hierdurch
die Winkelbeweglichkeit beider Teile gegeneinander stark begrenzt, da sich schon
bei kleinen Winkelausschlägen die Stirnflächen des Dichtungsringes an den Wandungen
der Ringkammer festklemmen. Ein konstanter Strömungsmittelausfluß ist nicht möglich.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Abdichtvorrichtung
der oben bezeichneten Art die Drehteile in weiten Grenzen gegeneinander winkelbeweglich
zu machen, ohne daß eine nennenswerte Veränderung des Ringspaltes zwischen den genannten
Dichtflächen eintritt, wobei eine axiale und radiale Beweglichkeit der Drehteile
zueinander erhalten bleiben soll.
-
Die Erfindung besteht darin, daß die eine Umfangsfläche eine geringe
und die andere Umfangsfläche eine große Axialerstreckung besitzt und daß zwischen
der Umfangsfläche des Ringes und der damit zusammenwirkenden Umfangsfläche des zweiten
Ringes in an sich bekannter Weise ein geringes Radialspiel vorgesehen ist.
-
Dieses geringe Radialspiel ist bei einer Wellendichtung (deutsche
Auslegeschrift 1090 751) bekannt, welche zwar einen schwimmend gelagerten
Dichtring zeigt, der jedoch keine Winkelbewegungen der Welle zum Gehäuse ermöglicht.
Wegen der geringen Axialerstreckung der einen Umfangsfläche und wegen des
Radialspiels
bleibt die Lage des Dichtungsringes bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber
der ihn aufnehmenden Ringkammer des einen Drehteiles von einer Winkelverlagerung
beider Drehteile gegeneinander unberührt, so daß sich unabhängig von einer solchen
Winkelverlagerung die Stirnflächen des Ringes immer in gleicher Lage zu den planparallelen
Wandungen der Ringkammer befinden. Auch die Spaltweite zwischen den zusammenwirkenden
Umfangsflächen des Dichtungsringes und des zweiten Drehteiles wird im Falle einer
Winkelverlagerung der beiden Drehteile gegeneinander praktisch nicht verändert,
so daß die durch den Ringspalt hindurchströmende Strömungsmittelmenge im wesentlichen
konstant bleibt. Die infolge des Druckunterschiedes zwischen den Räumen zu beiden
Seiten der Dichtung durch diese gelangende Leckflußmenge kann auch bei niedrigen
Drehgeschwindigkeiten auf ein geringes Ausmaß vermindert werden, wobei dieses im
voraus bestimmt werden kann.
-
Die Abmessungen der Flächen können mit Vorteil derart gewählt werden,
daß die Radial- bzw. Axialerstreckung der Flächen wenigstens doppelt so groß ist
wie die Radial- bzw. Axialerstreckung der mit den erstgenannten zusammenwirkenden
Flächen.
-
Der Ring kann ferner auf seiner der an dem einen Drehteil befindlichen
Ringkammer zugekehrten Umfangsfläche eine Versteifungsrippe tragen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert und beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Dichtung im Längsschnitt, F i g. 2 einen Teillängsschnitt der Ausführungsform nach
F i g. 1, wobei der Weg der in Leckrichtung ausströmenden Gase schematisch gezeigt
ist, F i g. 3 denselben Schnitt wie F i g. 2 mit besonderer Hervorhebung der vorhandenen
Spielräume, F i g. 4 den Längsschnitt einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform,
bei der der Innendruck geringer ist als der Außendruck, F i g. 5 eine perspektivische
Ansicht des Ringes, F i g. 6 einen Längsschnitt einer Ausführungsform, F i g. 7,
8 und 9 eine erfindungsgemäße Abdichtvorrichtung zwischen zwei Drehteilen in drei
verschiedenen Stellungen dieser Teile in Längsschnitten, F i g. 10 den Längsschnitt
eines Gebläses, in welches eine erfindungsgemäße Dichtvorrichtung eingebaut ist,
und F i g. 11 den Längsschnitt einer Düsenzündvorrichtung, in welche eine erfindungsgemäße
Dichtvorrichtung eingebaut ist.
-
F i g. 1 zeigt schematisch das Prinzip einer Abdichtvorrichtung mit
einem schwimmend angeordneten Ring 1, der zwischen den hohlen, eine gemeinsame
Achse X-X' aufweisenden Drehteilen 2 und 3 angeordnet ist. In diesen Drehteilen
fließt in Richtung der Pfeile 4 ein Strömungsmittel, und es besteht zwischen
dem Inneren und dem Äußeren der Drehteile 2
und 3 eine Druckdifferenz. Auf
dem Drehteil 2 ist ein mittels Schrauben 5a befestigter Festring 5 angeordnet,
der mit einem radial nach außen gerichteten, ringförmigen Vorsprung versehen ist,
welcher zine geringe Breite und eine äußere geschliffene Umfangsfläche
5b besitzt. Das hohle Drehteil 3 weist eine geschliffene Stirnfläche 3a auf.
An einem Flansch dieses Drehteiles 3 ist ein Ringkammergehäuse 7 angeordnet und
durch bekannte, nicht dargestellte Mittel befestigt. Dieses Ringkammergehäuse 7
besitzt eine Stirnfläche 7a, die planparallel zur Stirnfläche 3a liegt und ebenfalls
geschliffen ist. In der Ringkammer 8
ist der Ring 1 angeordnet, dessen
Stirnflächen 1 a und 1 b von geringer Breite und planparallel geschliffen
sind. Die innere Umfangsfläche 1 c ist genau zylindrisch und geschliffen.
-
F i g. 2 veranschaulicht, wie die Vorrichtung im Betrieb arbeitet.
-
Das Strömungsmittel mit dem Druck p 1 strömt gemäß den Pfeilen
4 im Innern der Drehteile 2 und 3.
Wenn der Außendruck p" niedriger
als der Innendruck pi ist, entsteht ein hauptsächlicher Leckausfluß entsprechend
der Richtung des Pfeils 6 zwischen den zusammenwirkenden Umfangsflächen
1 c und 5b sowie ein geringer Leckausfluß, der gleich Null sein kann gemäß
dem Pfeil 9 zwischen den zusammenwirkenden planparallelen Stirnflächen 1b und 3a
und dementsprechend auch zwischen den zusammenwirkenden planparallelen Stirnflächen
la und 7a, wobei sich in der Ringkammer 8 ein den Drücken pi bzw. p" benachbarter
bzw. zwischen diesen liegender Druck p' einstellt. Der sich gemäß Pfeil 9 einstellende
Leckstrom kann durch Schwingungen hervorgerufen sein, die den Ring 1 von der Stirnfläche
abheben, gegen welche er infolge der sehr geringen auf ihn wirkenden Kraft gedrückt
wird. Das Fließen des Strömungsmittels gemäß den Pfeilen 6 und 9 hält den
Ring in einem schwimmenden Gleichgewicht. Hierbei können zwei feste Spielräume zwischen
den zusammenwirkenden Flächen in Abhängigkeit der im Inneren und Äußeren herrschenden
Drücke vorgesehen sein; derart, daß die Leckausflüsse, welche zwischen den genannten
zusammenwirkenden Flächen vorhanden sind, die letzteren in gegenseitigem Abstand
halten.
-
Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß bei dieser Bauart folgende Spielräume
zu berücksichtigen sind: ein Spielraum Ja in Achsrichtung zwischen den ebenen,
planparallel geschliffenen Stirnflächen la und 7 a einesteils und 1 b und
3 a anderenteils; ein radialer Spielraum Jk zwischen den zylindrischen, geschliffenen
Umfangsflächen 1 c und 5b; dieses radiale Spiel Jk verursacht die
Zentrierung des Ringes 1 um das Drehteil 2.
Diese Spielräume können
entweder empirisch oder durch eine Berechnung in Abhängigkeit der Drücke p1 und
Aa festgelegt sein, um die Leckausflußmenge zu erhalten, die wünschenswert ist oder
die noch zugelassen werden kann. Diese Leckausflußmenge ist einesteils durch die
Höhen der Drücke p1 und p" und andernteils durch die Größe der Spielräume
Ja
und Jk bestimmt. Grundsätzlich können die Leckausflußmengen, wenn das Strömungsmittel
ein Gas ist, von der Größenordnung einiger Gramm pro Sekunde für Spielräume in der
Größenordnung von 0,1 mm und für Drücke in der Größenordnung von kg/cmz sein.
-
Die F i g. 4 zeigt gemäß den Pfeilen 6' und 9' den Weg des Leckausflusses,
wenn der äußere Druckpa höher ist als der innere Druck p1.
-
F i g. 5 zeigt perspektivisch einen Ring, der bei den vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen verwendet werden kann. Es sind sehr gut die ebenen, zueinander
parallelen und geschliffenen Stirnflächen 1 a und 1 b ersichtlich, die z.
B. eine Breite von 0,5 bis 2 mm haben können. Die innere zylindrische und. geschliffene
Umfangsfläche 1 c kann z. B. eine Breite
in der Ordnung von
Zentimetern aufweisen. Der äußere Umfangteil 1 d des Ringes ist rippen- oder stegartig
ausgebildet, um die Steifigkeit zu erhöhen.
-
F i g. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der der Ring 10 drei
Flächen geringer Breite besitzt, welche jeweils mit beträchtlich breiten Flächen
der Drehteile 2 und 3 zusammenarbeiten. Der Ring 10 weist zwei Stirnflächen 10a
und 10b auf, die wie die Flächen 1 a und 1 b des Ringes nach F i g. 5 ausgebildet
sind und in derselben Weise, wie vorstehend beschrieben, mit den Stirnflächen 3a
und 7a zusammenarbeiten. Der innere Umfangsteil des Ringes 10 trägt eine Ringrippe.
Sie endet in eine schmale, zylindrische und geschliffene Umfangsfläche
10e, welche mit einer geschliffenen Fläche 2a des Drehteiles 2 zusammenarbeitet.
Der Festring 5 der Ausführungsformen nach den vorhergehenden Figuren ist hierbei
also gespart.
-
Beim Vergleich der Anordnung nach F i g. 6 mit derjenigen der vorhergehenden
Figuren kann festgestellt werden, daß die Möglichkeiten einer axialen und radialen
Verschiebung dieselben sind. Wenn der Drehteil 2 sich in bezug auf das Teil 3 axial
verschiebt, erfährt die Umfangsfläche 5b nach F i g. 1 eine Längsverschiebung längs
der Umfangsfläche 1 c des Ringes 1, aber das Gleichgewicht des letzteren
ist nicht verändert, solange die Umfangsfläche 5b gegenüber der Umfangsfläche
1 c angeordnet bleibt. Nach F i g. 6 ist es die Umfangsfläche 2a, die sich in bezug
auf die Umfangsfläche 10e des Ringes verschiebt, wobei das Gleichgewicht
des letzteren so lange aufrechterhalten bleibt, wie diese beiden Umfangsflächen
einander gegenüberliegend bleiben. Wenn sich die Achse des Drehteils 2 in Querrichtung
verschiebt, jedoch parallel bleibt, bleibt der Ring 10 auf diesem Drehteil 2 zentriert,
und das Gleichgewicht dieses Ringes verändert sich so lange nicht, als seine Stirnflächen
den feststehenden Stirnflächen 3a und 7a gegenüberliegend bleiben.
-
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche ziemlich
große relative Verschiebungen des Drehteiles 2 in bezug auf das Drehteil 3 zuläßt,
wird durch die folgenden Merkmale ermöglicht: die an dem Drehteil 3 festsitzenden
und mit dem Ring 1 bzw. 10 zusammenarbeitenden Stirnflächen 3a und 7a stehen senkrecht
zur Achse des Drehteils 3, die mit dem Drehteil 2 zusammenarbeitende Umfangsfläche
1 c des Ringes (s. F i g. 1) ist zylindrisch und als Umfangsfläche konzentrisch
zur Achse des Ringes ausgebildet, oder die mit dem Ring zusammenarbeitende Umfangsfläche
2a des Teils 2 (s. F i g. 6) ist zylindrisch und als Umfangsfläche konzentrisch
zur Achse des Drehteiles 2 ausgebildet, die zusammenarbeitenden Flächen der Drehteile
2 und 3 und des Ringes 1 oder 10 (z. B. die Flächen7a und la oder 10a; 3a und 1b
oder 10b; 5b und 1c oder 2a und 10e) besitzen einesteils eine geringe
Breite (la oder 10a, 1b oder 10b, 5b oder 10c), so daß sie sich parallel zu der
Fläche, mit der sie zusammenarbeiten, verschieben können und dabei . stets einander
gegenüberliegend bleiben.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet in derselben Weise, wenn
gewisse Abänderungen im Rahmen technischer Äquivalente getroffen werden. Zum Beispiel
ist es notwendig, daß die breiten Stirnflächen 3a, 7a vollkommen eben sind und daß
die breiten Umfangsflächen 2a oder 1c vollkommen zylindrisch sind, aber die schmalen
Umfangsflächen, mit denen sie zusammenarbeiten, können leicht abgerundet sein. Anstatt
mit der inneren Umfangsfläche des Ringes zusammenzuarbeiten, könnte das Drehteil
2 mit einer äußeren Umfangsfläche dieses Ringes zusammenarbeiten, wenn es diesen
übergreift. Der Ring könnte ferner ebene Stirnflächen einer gewissen Breite besitzen,
welche mit schmalen feststehenden Stirnflächen des Drehteiles 3 zusammenarbeiten.
-
Aus F i g. 6 ist ersichtlich, daß die dort dargestellte Vorrichtung
dieselben Vorteile aufweist wie die Vorrichtung nach den vorhergehenden Figuren.
Sie arbeitet in genau derselben Weise; die Spielräume zwischen den zusammenarbeitenden
Flächen sind dieselben, und die Leckausflußmenge ist ebenfalls dieselbe. Jedoch
besteht außerdem der Vorteil, daß es nicht notwendig ist, einen dem Festring 5 entsprechenden
Ring, der eine äußere Ringrippe mit schmaler Umfangsfläche 5b besitzt, vorzusehen:
es genügt, die Umfangsfläche 2a des Drehteiles 2 zu schleifen. In derselben Weise
wie bei der Art nach F i g. 1 gestattet die Vorrichtung nach F i g. 6 außerdem eine
ziemlich starke Winkelverschiebung der Achse des Drehteiles 2
in bezug auf
die Achse des Drehteiles 3. Die F i g. 7, 8 und 9 veranschaulichen die möglichen
Verschiebungen.
-
Gemäß F i g. 7 sind die Achsen der Drehteile 2 und 3 gegeneinander
versetzt, wobei die Achse X,-X,' des Drehteiles 2 eine Verschiebung parallel nach
unten erfahren hat. Die schmalen Stirnflächen 10a und 10b des Ringes 10 sind dieser
Verschiebung gefolgt und im oberen Teil der Vorrichtung in eine dem inneren Randbereich
der Stirnflächen 7a und 3a gegenüberliegende Stellung gekommen. Das Drehteil 2 hat
jedoch keine axiale Verschiebung erfahren, und die schmale Umfangsfläche 10c des
Ringes 10 befindet sich deshalb im mittleren Bereich der zylindrischen Umfangsfläche
2a.
-
Gemäß F i g. 8 hat die Achse X,-X,' eine senkrechte Verschiebung nach
oben erfahren und befindet sich oberhalb der Achse X3rX3 des Drehteiles 3. Außerdem
hat das Drehteil 2 eine axiale Verschiebung nach rechts in einem maximalen Ausmaß
erfahren. Die schmale Umfangsfläche 10 c des Ringes 10 befindet sich
dann in einer dem hinteren Randbereich der zylindrischen Umfangsfläche 2a gegenüberliegenden
Stellung.
-
Gemäß F i g. 9 ist die Achse X,-X2' des Teiles 2 um einen Winkel O
bezüglich der Achse X3-X3 des Teiles 3 verschwenkt. Der Ring 10 bleibt im Kreuzungsbereich
der Achsen X2-X2' , X3-X3' zentriert und beschränkt die Leckausflüsse unter
den Verhiltnissen, welche etwa denjenigen gemiß den vorhergehenden Figuren gleich
sind, wobei der Ring 10 schwimmend, und ohne einen festen Kontakt mit den
Flächen 7a, 3a oder 2a zu haben, gehalten wird.
-
Die F i g. 7, 8 und 9 zeigen sehr gut die Anpassungsfähigkeit der
dargestellten Vorrichtung, die eine große Bewegungsfreiheit des Teiles 2 bezüglich
des Teiles 3 und umgekehrt erlaubt, wobei die relativen Verschiebungen praktisch
nur durch die radiale Breite der geschliffenen ebnen Stirnflächen 7a und 3a und
durch die axiale Erstreckung der zylindrischen geschliffenen Fläche 2a beschränkt
sind. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann insbesondere vermieden werden,
die Drehteile 2 und 3 auf Trägern
oder Sockeln mit großer Genauigkeit
zu befestigen, was notwendig wäre, wenn eine Abdichtung durch eine starre Fixierung
der Drehteile 2 und 3 erreicht werden sollte, wobei dann die Abdichtung nur durch
einen Zusammenbau mit Vorspannung erreicht werden könnte. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
gestattet es außerdem, die relative Verschiebemöglichkeit der Teile 2 und 3 für
verschiedene Zwecke auszunutzen, um Meßgeräte an dem einen oder dem anderen dieser
Teile anzubringen. In den F i g. 10, 11 und 12 ist veranschaulicht, wie eine erfindungsgemäße
Dichtvorrichtung in Meßeinrichtungen angeordnet werden kann.
-
F i g. 10 zeigt ein Gebläse 11 mit einer Düse 12. Die
Wände 3 der Versuchskammer des Gebläses sind fest und die die Düse speisende Zuleitung
2 ist über eine Abdichtvorrichtung, die ähnlich derjenigen nach F i g. 6 und schematisch
bei 13 dargestellt ist, abgedichtet. In die Zuleitung 2 ist eine eine freie Ausdehnung
ermöglichende Vorrichtung 15 eingeschaltet, die der Düse gestattet, sich winkelmäßig
zu verschieben. Stege 15a übertragen die Schubkraft der Düse 12 auf eine Schubmeßvorrichtung
15b. Der Druck p1, der um die Ultraschalldüse 12 herrscht, ist beträchtlich
höher als der Umgebungsdruck po. Die Abdichtvorrichtung 13 gewährt einen begrenzten
Leckausfluß zwischen dem Druck p1 und der Umgebung.
-
Es ist ersichtlich, daß bei der dargestellten Ausführungsart die Leitung
2 einer axialen Verschiebung (herrührend vom Schub der Düse) sowie einer seitlichen
Verschiebung und einer Verdrehung um ihre Achse (herrührend von Schüben, welche
beim Durchgang des Strömungsmittels an der Abbiegung 16 ausgeübt werden) unterworfen
werden kann. Wo derartige Verschiebungen auftreten, kann eine erfindungsgemäße Abdichtvorrichtung
13 eingesetzt werden. Sie ruft keine Reibung hervor, welche die Anzeigen des Meßgerätes
15 verfälschen könnte.
-
F i g. 11 veranschaulicht schematisch eine Zündanordnung der Düse
einer Rakete großen Ausdehnungsgrades. Das unter starkem Druck stehende Triebwerk
17 hat eine Düse 18, die ohne Hilfsansaugung in eine Zündvorrichtung 19 mündet.
Die das Drehteil 3 bildende Wand der Zündvorrichtung 19 ist mit einem Drehteil 2
gekoppelt, das am Körper des Triebwerkes 17 mittels einer der F i g. 6 entsprechenden,
schematisch dargestellten Abdichtvorrichtung abgedichtet ist. Die aus dem Triebwerk
17, der Düse 18 und dem Drehteil 2 bestehende Einrichtung ist wie bei der vorherigen
Darstellung in bezug auf die Zündvorrichtung 19 frei verschiebbar. Mit einem nicht
dargestellten Gerät kann der auf das Triebwerk 17 durch die Wirkung der Düsen aufgebrachte,
axiale Schub gemessen werden.
-
Obwohl nur die Abdichtung hohler Drehteile beispielsweise dargestellt
wurde, kann die Erfindung auch zur Abdichtung eines massiven Teiles, z. B. einer
die Wand eines Gehäuses durchgreifenden Welle, benutzt werden.