DE20312422U1

DE20312422U1 - Sealing device for shaft duct is for e.g. paper industry applications in which rotating shaft runs through housing wall between two spaces

Info

Publication number: DE20312422U1
Application number: DE20312422U
Authority: DE
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2013-08-13

Abstract

The two spaces need to be sealed from each other and both a hydrodynamic and a standstill seal is located between them. The standstill seal features a sealing ring (1), which works in conjunction a sealing plane (6). The plane is moved through the rotation of the shaft (2) in relation to the shaft. The sealing ring of the standstill sealing is a split ring and fastened in such a way that it can be inserted and removed without opening the housing. The hydrodynamic seal consists of a rotor disk (4) driven by the shaft and equipped with conveyor ribs (3).

Description

VOITH PAPER PATENT GmbH Device for sealing a shaft bushing

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Vorrichtungen der oben genannten Art werden in einer großen Anzahl und Vielfältigkeit verwendet. Der typische Fall für eine Anwendung ist eine Maschine mit einem feststehenden Gehäuse, in dem sich ein von außen angetriebener Rotor befindet. Solche Maschinen können z.B. Pumpen oder Bearbeitungsmaschinen sein, um nur diese zu nennen. Da in der Regel innerhalb des Gehäuses ein anderer Druck herrscht als außerhalb, ist es erforderlich, an der Wellendurchführung eine Abdichtung vorzunehmen. Auch hierzu sind bereits eine Vielzahl von Dichtvorrichtungen bekannt, die sich auch in vielen Anwendungen bewährt haben. Eine spezielle Ausführungsform solcher Abdichtvorrichtungen ist die sogenannte hydrodynamische Dichtung. Bei dieser wird infolge der Drehung, z.B. der Welle, ein umlaufender Fluidring erzeugt, der den Spalt zwischen den beiden Räumen so ausfüllt, dass eine Abdichtung erfolgt. Auf Grund der Zentrifugalkräfte ist ein solcher Fluidring in der Lage, eine Gegenkraft gegen die zwischen diesen beiden Räumen anliegende Druckdifferenz zu erzeugen und eine vorgesehene Position beizubehalten. Hydrodynamische Dichtungen haben insbesondere den Vorteil, dass sie keine relativ zueinander bewegte, sich berührenden Teile aufweisen, die bekanntlich einem mehr oder weniger großen Verschleiß unterworfen sein können. Starker Verschleiß führt zum Versagen der Dichtung, zu Betriebsstörungen und zusätzlichen Wartungsarbeiten. Daher werden hydrodynamische Dichtungen in vielen Fällen bevorzugt. Das gilt auch dort, wo eventuell ein etwas höherer apparativer Aufwand zur Herstellung einer solchen Dichtvorrichtung erforderlich ist.Devices of the above-mentioned type are used in a large number and variety. The typical application is a machine with a fixed housing in which there is an externally driven rotor. Such machines can be pumps or processing machines, to name just a few. Since the pressure inside the housing is usually different from that outside, it is necessary to seal the shaft passage. A large number of sealing devices are already known for this, which have also proven themselves in many applications. A special design of such sealing devices is the so-called hydrodynamic seal. In this case, as a result of the rotation of, for example, the shaft, a rotating fluid ring is created, which fills the gap between the two spaces in such a way that a seal is created. Due to the centrifugal forces, such a fluid ring is able to generate a counterforce against the pressure difference between these two spaces and to maintain a predetermined position. Hydrodynamic seals have the particular advantage that they do not have any parts that move relative to one another and touch each other, which are known to be subject to greater or lesser wear. Severe wear leads to seal failure, operational disruptions and additional maintenance work. Hydrodynamic seals are therefore preferred in many cases. This also applies where a somewhat higher level of equipment may be required to produce such a sealing device.

• ··

Seite 2 P 1140/St 314 dePage 2 P 1140/St 314 en

11. August 200311 August 2003

Aus einsichtigen Gründen können hydrodynamische Dichtungen ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen, wenn die rotierbare Welle stili steht oder eine zu geringe Drehzahl hat. Daher besteht die unerwünschte Möglichkeit, dass z.B. bei Abstellen einer Pumpe auf Grund des noch vorhandenen Überdruckes im Pumpengehäuse Flüssigkeit austritt. Um das zu verhindern, ist es auch bekannt, zusätzlich zur hydrodynamischen Dichtung eine weitere Dichtung einzubauen, die mit sich berührenden Dichtflächen versehen ist. Man spricht dabei auch von einer Stillstandsdichtung. Diese Stillstandsdichtung wird in der Regel nur gering beansprucht, da sie mit kleinen Andruckkräften arbeitet. Schließlich muss sie nur im Stillstand und gegen geringen Überdruck im Gehäuse abdichten. Sie kann z.B. sehr einfach als elastische Scheibe ausgebildet sein, die axial gegen eine ringförmige Gegenfläche gedrückt wird. Anders als die hydrodynamische Dichtung ist sie fortdauerndem Verschleiß ausgesetzt und muss gelegentlich erneuert werden.For obvious reasons, hydrodynamic seals can no longer fulfil their function if the rotating shaft is stationary or is rotating too slowly. This creates the undesirable possibility that, for example, when a pump is switched off, liquid will leak out due to the excess pressure still present in the pump housing. To prevent this, it is also known to install an additional seal in addition to the hydrodynamic seal, which has sealing surfaces that touch each other. This is also referred to as a standstill seal. This standstill seal is generally only subjected to minimal stress, as it works with small contact forces. After all, it only has to seal when the machine is stationary and against slight excess pressure in the housing. It can, for example, be designed very simply as an elastic disk that is pressed axially against an annular counter surface. Unlike the hydrodynamic seal, it is subject to constant wear and must be replaced occasionally.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Abdichten einer Wellendurchführung zu schaffen, mit der es möglich ist, die bereits genannten Vorteile der hydrodynamischen Dichtung zu verbinden mit einer einfachen Abdichtung auch bei Stillstand der Welle. Die dazu verwendete Stillstandsdichtung soll leicht auszutauschen sein.The invention is based on the object of creating a device for sealing a shaft feedthrough with which it is possible to combine the aforementioned advantages of the hydrodynamic seal with a simple seal even when the shaft is at a standstill. The standstill seal used for this purpose should be easy to replace.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale vollständig gelöst.This object is completely solved by the features mentioned in the characterising part of claim 1.

Wegen der Teilung in - vorzugsweise zwei - Segmente lässt sich die Stillstandsdichtung austauschen, ohne dass z.B. der Rotor entfernt werden müsste.Because it is divided into - preferably two - segments, the standstill seal can be replaced without, for example, having to remove the rotor.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet für die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung sind Maschinen, die mit papierfaserhaltiger Suspension betrieben werden, z.B. sogenannte Stoffpumpen, Refiner oder Entstipper. Suspensionen, die zur Herstellung von Papier benötigt werden, enthalten neben einer großen Menge von Wasser, z.B. 95 %, die Papierfasern und neben anderen Stoffen eine bestimmte Menge von mineralischen Stoffen, wie z.B. Kaolin oder andere Füllstoffe bzw. Pigmente. Die Fasern neigen dazu,A preferred application for the sealing device according to the invention is in machines that are operated with suspensions containing paper fibers, e.g. so-called stock pumps, refiners or deflakers. Suspensions that are required for the production of paper contain, in addition to a large amount of water, e.g. 95%, the paper fibers and, in addition to other substances, a certain amount of mineral substances, such as kaolin or other fillers or pigments. The fibers tend to

Seite 3 P 1140/St 314 dePage 3 P 1140/St 314 en

11. August 200311 August 2003

sich an den Dichtflächen von berührenden Dichtungen abzusetzen, zu entwässern und dort zu Störungen der Dichtung zu führen. Dem wird zwar gelegentlich durch Sperrwasser gespülte Packungsdichtungen begegnet, aber auch diese haben beträchtliche Nachteile, was Wartungsfreundlichkeit und Energieverluste betrifft. Hinzu kommt, dass das bereits erwähnte Kaolin eine sehr stark schmirgelnde Wirkung hat. Wegen der Vorteile der erfindungsgemäßen Dichtvorrichtungen können diese Probleme leicht gelöst werden, da der Austausch von verschlissenen Dichtungen schnell und einfach ist.to settle on the sealing surfaces of contacting seals, to drain water and cause seal failures. This is occasionally counteracted by packing seals flushed with sealing water, but these also have considerable disadvantages in terms of ease of maintenance and energy losses. In addition, the kaolin mentioned above has a very strong abrasive effect. Due to the advantages of the sealing devices according to the invention, these problems can be easily solved, since the replacement of worn seals is quick and simple.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:The invention and its advantages are explained using drawings. Shown are:

Fig. 1 den Schnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtvorrichtung (oberer Teil);Fig. 1 shows the section through a sealing device according to the invention (upper part);

Fig. 2 Aufsicht auf einen geteilten Dichtring;Fig. 2 Top view of a split sealing ring;

Fig. 3 Schnitt durch den in Fig. 2 gezeigten Dichtring;Fig. 3 Section through the sealing ring shown in Fig. 2;

Fig. 4 + 5 je eine Variante zur Verbindung der Sektoren eines geteilten Dichtringes.Fig. 4 + 5 each show a variant for connecting the sectors of a split sealing ring.

Eine erfindungsgemäß abgedichtete Wellendurchführung ist in Fig. 1 schematisch, also ohne konstruktive Details, dargestellt. Durch eine nur zum Teil gezeigte Gehäusewand verläuft die rotierbare Welle 2, die hier auf der rechten Seite fliegend gelagert ist und ein auf der linken Seite nur schematisch dargestelltes Kreiselpumpenlaufrad 10 antreibt. Bei einer solchen Maschine muss der Innenraum, in dem sich das Pumpenlaufrad befindet, abgedichtet werden gegenüber dem äußeren Raum, also der Umgebung. Auf der dem zu pumpenden Medium zugewandten Seite der Dichtungsstelle befindet sich eine hydrodynamische Dichtung, gebildet im Wesentlichen durch eine von der Welle angetriebene Rotorscheibe 4, auf der sich eine Anzahl von Förderrippen 3 befindet. In der schon beschriebenen Weise erzeugt diese hydrodynamische Dichtung einen umlaufenden Flüssigkeitsring, wobei die Flüssigkeit identisch ist mit der, die durch die Pumpe gefördert wird. Diese Flüssigkeit ist in der Figur durch kleine Wellenlinien angedeutet. Die Stillstandsdichtung mit dem erfindungsgemäß gestalteten Dichtring 1 befindet sich, axial gesehen, zwischen der hydrodynamischen Dichtung und der Umgebung. Dabei ist hier der Dichtring 1 mit Hilfe einer Befestigungsplatte 7 an der Gehäusewand 5 lösbar befestigt. Der Dichtring 1 kann z.B. aus einem elastischenA shaft feedthrough sealed according to the invention is shown schematically in Fig. 1, i.e. without structural details. The rotatable shaft 2 runs through a housing wall, which is only partially shown. The shaft 2 is cantilevered here on the right-hand side and drives a centrifugal pump impeller 10, which is only shown schematically on the left-hand side. In such a machine, the interior in which the pump impeller is located must be sealed from the outside space, i.e. the environment. On the side of the sealing point facing the medium to be pumped, there is a hydrodynamic seal, formed essentially by a rotor disk 4 driven by the shaft, on which a number of conveying ribs 3 are located. In the manner already described, this hydrodynamic seal creates a circumferential liquid ring, the liquid being identical to that which is conveyed by the pump. This liquid is indicated in the figure by small wavy lines. The standstill seal with the sealing ring 1 designed according to the invention is located, viewed axially, between the hydrodynamic seal and the environment. Here, the sealing ring 1 is detachably attached to the housing wall 5 by means of a fastening plate 7. The sealing ring 1 can be made of an elastic

Seite 4 P 1140/St 314 dePage 4 P 1140/St 314 en

11. August 200311 August 2003

Kunststoffmaterial und/oder zumindest an den Kontaktflächen mit der Dichtfläche 6 aus PTFE ("Teflon") bestehen, um dort Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Vorzugsweise wird gefülltes Teflon eingesetzt.Plastic material and/or at least the contact surfaces with the sealing surface 6 are made of PTFE ("Teflon") in order to reduce friction and wear there. Filled Teflon is preferably used.

Wenn durch Anhalten der Welle 2 die Wirkung der hydrodynamischen Dichtung nicht mehr möglich ist, drückt das sich im Pumpengehäuse befindende Fluid auf Grund eines Überdrucks gegenüber der Umgebung den Dichtring 1 gegen die hier ringförmige Dichtfläche 6. Infolge dieser Andruckskraft setzt die erforderliche Dichtwirkung ein. Zusätzlich oder alternativ kann im Dichtring 1 eine elastische Rückstellkraft erzeugt werden, die als Andruckskraft dient. Wenn die Dichtfläche zylindrisch ist, also die Innenbohrung des Dichtringes 1 berührt, wird dieser bei der Montage so verspannt, dass die Andruckskraft hoch genug ist.If the effect of the hydrodynamic seal is no longer possible due to the shaft 2 being stopped, the fluid in the pump housing presses the sealing ring 1 against the ring-shaped sealing surface 6 due to excess pressure compared to the environment. The required sealing effect is created as a result of this pressure force. In addition or alternatively, an elastic restoring force can be generated in the sealing ring 1, which serves as a pressure force. If the sealing surface is cylindrical, i.e. touches the inner bore of the sealing ring 1, it is clamped during assembly so that the pressure force is high enough.

Aus dieser Figur geht auch eine einfache Möglichkeit hervor, wie sich die Andruckskraft der Stillstandsdichtung einstellen lässt. Hierzu dient ein mitrotierender Schiebering 9, der die Dichtfläche 6 aufweist und auf der Welle 2 im Stillstand axial verschiebbar ist. Er ist außen auf einer zur Rotorscheibe 4 gehörenden Hülse aufgeschraubt und wird gegen unbeabsichtigtes Verdrehen gesichert. Eine andere Möglichkeit wäre eine Axialverschiebung des Dichtringes relativ zur Gehäusewand 5, was dann die Verstellung auch bei laufender Maschine gestattet.This figure also shows a simple way of adjusting the pressure force of the standstill seal. This is done using a sliding ring 9 that rotates with the shaft, which has the sealing surface 6 and can be moved axially on the shaft 2 when the machine is at a standstill. It is screwed onto the outside of a sleeve belonging to the rotor disk 4 and is secured against unintentional rotation. Another possibility would be an axial displacement of the sealing ring relative to the housing wall 5, which then allows adjustment even when the machine is running.

In den Figuren 2 und 3 erkennt man einen aus zwei Sektoren 1' und 1" bestehenden Dichtring 1. Es könnten aber auch mehr Sektoren sein. Die Verbindungsstellen der Sektoren bilden jeweils eine Überlappung 8, was die Gefahr von Unstabilitäten durch die Teilung gering macht. Ein solcher Dichtring 1 ist in der Regel elastisch, z.B. aus Gummi oder Teflon. Die beiden Sektoren 1 'und 1" können miteinander verschraubt werden, wozu hier entsprechende Bohrungen 12 eingezeichnet sind. Auch wenn bei der Herstellung des Dichtringes 1 die ursprüngliche Innenbohrung 11 auf Maß abgedreht wird, können die Sektoren dabei in derselben Weise zusammengeschraubt sein.In Figures 2 and 3, one can see a sealing ring 1 consisting of two sectors 1' and 1". However, there could also be more sectors. The connecting points of the sectors each form an overlap 8, which reduces the risk of instability due to the division. Such a sealing ring 1 is usually elastic, e.g. made of rubber or Teflon. The two sectors 1' and 1" can be screwed together, for which purpose corresponding bores 12 are shown here. Even if the original inner bore 11 is turned to size during the manufacture of the sealing ring 1, the sectors can be screwed together in the same way.

Die Schraubverbindung kann auch Verbindungsbleche aufweisen. So zeigt die Fig. 4 zweiThe screw connection can also have connecting plates. Fig. 4 shows two

Seite 5 P 1140/St 314 dePage 5 P 1140/St 314 en

11. August 200311 August 2003

Verbindungsbleche 13, die mit je zwei im Bereich der Überlappung 8 durchgesteckten Schrauben 14 mit entsprechenden (verdeckten) Verbindungsblechen auf der Gegenseite verbunden sind. Gemäß Fig. 5 können die Verbindungsbleche 13' auch außerhalb des Bereiches der Überlappung 8 verschraubt sein. Statt der Überlappung kann dann auch eine andere Fügung, z.B. Nut und Feder verwendet werden.Connecting plates 13, which are connected to corresponding (concealed) connecting plates on the opposite side with two screws 14 each inserted in the area of the overlap 8. According to Fig. 5, the connecting plates 13' can also be screwed outside the area of the overlap 8. Instead of the overlap, another joint, e.g. tongue and groove, can then be used.

Andere Möglichkeiten zur Verbindung der Sektoren wären Nut-Feder-Verbindung oder Stift-Verbindung. Mann kann die Sektoren auch - z.B. vor Ort - zusammenkleben und beim Auswechseln zerstören.Other ways of connecting the sectors would be tongue and groove connections or pin connections. You can also glue the sectors together - e.g. on site - and destroy them when replacing them.

Zu den Verwendungsmöglichkeiten sind bisher nur Beispiele genannt. Alternativen sind z.B. Wellendurchführungen zwischen zwei innerhalb desselben Gehäuses liegenden Kammern, wie sie z.B. bei mehrstufigen Pumpen vorkommen.Only examples of possible uses have been given so far. Alternatives include shaft feedthroughs between two chambers within the same housing, as is the case with multi-stage pumps, for example.

Claims

1. Device for sealing a shaft feedthrough on a housing, in which a rotatable shaft ( 2 ) is guided through at least one housing wall ( 5 ) between two spaces to be sealed against each other, wherein both a hydrodynamic seal and a standstill seal are arranged between these spaces, wherein the standstill seal has a sealing ring ( 1 ) which cooperates with a sealing surface ( 6 ) which is movable relative to the shaft ( 2 ) as a result of its rotation, characterized in that the standstill seal has a split sealing ring ( 1 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the sealing ring ( 1 ) is fastened in such a way that it can be inserted and removed without opening the housing.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the force of the pressure of the sealing ring ( 1 ) against the sealing surface ( 6 ) is generated at least partially by the prevailing pressure difference when the shaft is at a standstill between the two spaces.

4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the pressing force is at least partially an elastic restoring force.

5. Device according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the sealing ring ( 1 ) consists predominantly of an elastic rubber-like material.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing surface ( 6 ) has the shape of a circular ring.

7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sealing surface has the shape of a truncated cone.

8. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sealing surface has the shape of a cylinder.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure force of the sealing ring ( 1 ) on the sealing surface ( 6 ) is adjustable from the outside.

10. Device according to claim 9, characterized in that the pressing force is adjustable by moving the sealing surface ( 6 ).

11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the shaft ( 2 ) drives a centrifugal pump impeller ( 10 ) and that one space is the interior of the pump housing and the other space is the environment.

12. Device according to claim 11, characterized in that the pump is a material pump and is suitable for the paper industry and for conveying aqueous suspensions containing paper fibers and having a solids content between 0.1 and 10%.