-
Abdichtung von Kolbenstangen1 Wellen od.dgl. mit einer zur Axialspaltdichtung
dienenden Dichtbüchse" Die Erfindung betrifft eine Abdichtung hin- und hergehender
Kolbenstangen, sich drehender Wellen od.dgl. mit einer als Axialspaltdichtung dienenden
Dichtbüchse, insbesondere von Plungerkolben für hohe Drücke und insbesondere zur
Förderung nicht-schmierender, niederviskoser Flüssigkeiten. Die hierbei verwendeten
Dichtbüchsen müßten eine gewisse Länge haben, um die erforderliche Dichtwirkung
zu erzielen. Die erforderliche Dichtwirkung ist umso schwieriger zu erreichen, je
höher die Drücke sind, da die Leckverluste mit der Höhe des Druckes zunehmen. Andererseits
tritt innerhalb des ringförmigen Axialspaltes ein Druckabfall ein, der etwa proportional
mit zunehmender axialer Entfernung von der Hochdruckseite zunimmt, so daß die Dichtbüchse
durch die radialen Spaltdruckkräfte im Bereich der Hochdruckseite stärker als im
Bereich der axial gegenüberliegenden Niederdruckseite belastet wird. Diese ungleichmäßig,
in
axialer Richtung etwa proportional abnehmende radiale Belastung der Dichtbüchse
hat zur Folge, daß sich bei den bisherigen Konstruktionen die auf ihrer radialen
Außenseite gegen den Druck des Förder- oder Arbeitsmittels abgedichtete Dichtbüchse
im Bereich der Hochdruckseite entsprechend der Elastizität der Dichtbüchse aufweitet
und dadurch unter Zugrundelegung eines bestimmten Mindestspaltes auf der Niederdruckseite
erhöhte Leckverluste hervorruft, die umso höher sind, je höher der Druck des Förder-
oder Arbeitsmittels ist.
-
Dieses Verhalten der Dichtbüchse ist umso kritischer, je niederviskoser
die Flüssigkeit ist, insbesondere bei Förderung von Wasser oder anderen nicht-schmierenden
Flüssigkeiten.
-
Kolbenpumpenspaltdichtungen für solche Flüssigkeiten bereiteten daher
außerordentliche Schwierigkeiten, da sie entweder bei ausreichendem Dichtspalt große
Leckverluste haben oder bei zu kleinem Dichtspalt bald schon nach kurzer Zeit durch
Reibverschleiß der aufeinandergleitenden Flächen und Teile zerstört werden, weil
die Kolben oder die Wellen nicht durch Druckkräfte zur Dichtungsbohrung zentriert
wurden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bisherigen
Axial-Spaltdichtungen zu vermeiden und eine Abdichtung zu ermöglichen, die vor allem
auch bei nicht schmierenden, niederviskosen Flüssigkeiten sowie auch bei hohen Drücken
und hohen Gleitgeschwindigkeiten einwandfrei
arbeitet. Die Erfindung
besteht im wesentlichen darin, daß die Dichtbüchse einen im wesentlichen innerhalb
ihrer radialen elastischen Verformbarkeit liegenden axialen Dichtspalt gegenüber
dem abzudichtenden Teil aufweist und auf der diesem axialen Dichtspalt radial gegenüberliegenden,
vorzugsweise radial äußeren Seite von einem Spaltraum begrenzt ist, der axial zur
Hochdruckseite geöffnet ist und sich im wesentlichen über die Dichtlänge des Axialdichtspaltes
bis zu einem der Hochdruckseite axial gegenüberliegenden, den Spaltraum, z.B.
-
mittels besonderer Dichtung, abgedichteten Bereich erstreckt.
-
Hierdurch wird erreicht, daß der in der Regel auf die Außenoberfläche
der Dichtbüchse wirkende, abzudichtende Druck dem im Axialspalt der Dichtbüchse
herrschenden Spaltdruck, der zur Niederdruckseite hin abnimmt, entgegenwirkt. Es
wird daher im Bereiche der Niederdruckseite die Dichtbüchse radial gestaucht und
der Axialdichtspalt verengt, während der Spalt auf der Hochdruckseite unabhängig
von der Höhe des Druckes nahezu konstant ist. Die Abdichtung mit einem solchen Axialdichtspalt
ist daher umso wirksamer, je höher der Druck auf der Hochdruckseite ist, so daß
auch bei sehr hohen Drücken der Leckstrom gering bleibt. Gleichzeitig wird eine
Zentrierwirkung dadurch erzielt, daß sich ein über den ganzen Umfang des abzudichtenden
Teiles gleich großer, von der Hochdruck- zur Niederdruckseite hin konisch sich verengender
Dichtspalt einstellt und dadurch das abzudichtende Teil, z.B. der Plungerkolben
oder die Welle, in der den Dichtspalt ausfüllenden Flüssigkeit schwimmend getragen
wird.
Die Praxis hat gezeigt, daß auch nicht-schmierende, niederviskose Flüssigkeiten
mit derartigen Dichtungen selbst bei sehr hohen Abdichtdrücken einwandfrei abgedichtet
werden können. Die Leckverluste können auf ein Minimum verringert werden. Ein Reibverschleiß
wird vollständig vermieden. Im Gegenteil, die Dichtung wirkt umso besser, je höher
die Relativgeschwindigkeiten der zueinander sich bewegenden, abzudichtenden Teile,
sind.
-
Um diese Wirkung noch vollkommener zu erreichen und um vor allem beim
Anfahren mit niedrigen Drücken den Reibverschleiß zu verhindern, sind vorzugsweise
die den Axialdichtspalt begrenzenden Außen- oder Innenflächen mit etwa ringförmigen
Rillen zu versehen, die einen Flüssigkeitsfilm im Axialdichtspalt sicherstellen.
-
In einfachster Ausführungsform ist die Dichtbüchse in einer zylindrischen
Bohrung gelagert und zur Bildung des äußeren Spaltraumes über die Länge desselben
auf kleineren Durchmesser abgesetzt. Gewünschtenfalls kann die Dichtbüchse über
die Länge des Axial-Dichtspaltes auch unterschiedliche radiale Wandstärke aufweisen.
So kann beispielsweise die WandstKrke nach der Niederdruckseite zu kleiner als in
der Nähe der Hochdruckseite sein. Um einen freien Zutritt des Druckmediums zum äußeren
Spaltraum auch dann sicherzustellen, wenn die Dichtbüchse auf der Hochdruckseite
an einer ringförmigen Schulter axial anliegt, können Dichtbüchse oder Schulter an
ihren
aneinander anliegenden Stirnflächen mit Ausnehmungen, z.B. mit radialen Nuten, die
z.B. in axiale Nuten übergehen, versehen sein.
-
Um, z.B. ein selbsttätiges Zentrieren eines durch die Dichtbüchse
abzudichtenden Kolbens od.dgl. zu ermöglichen, ist nach einem weiteren Merkmal der
Erfindung der Kolben od.dgl.
-
mit einem zugeordneten, axial geführten Antriebsglied, z.B.
-
einem Kreuzkopf, mit allseitiger Beweglichkeit gekuppelt.
-
Vorzugsweise ist er hierbei mittels balliger Fläche am Antriebsglied
axial abgestützt. Außer einem radialen Spiel kann gegebenenfalls auch ein geringes
axiales Spiel in der Kupplung vorgesehen sein. Vorzugsweise wirken ferner die kraPtübertragenden
Kupplungsflächen zwischen Antriebsglied und Kolben cd.dgl. unter Zwischenschaltung
eines Dämpfungsmittels zusammen. Als solches kann eine Dämpfungsflüssigkeit vorgesehen
sein.
-
Zur weiteren Verbesserung kann im Bereiche der Niederdruckseite des
Axialdichtspaltes eine Leckleitung vorgesehen sein, welche die durch den Dichtspalt
hindurchtretende Flüssigkeit wieder in das Saugleitungssystem der Pumpe od.dgl.
zurückführen kann.
-
Die Erfindung sei anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
-
Im einzelnen zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Kolbenpumpe
mit einer erfindungsgemäßen Spaitdichtung, die im wesentlichen
aus
einer erfindungsgemäßen, sich unter einem äußeren Druck radial nach innen verformenden
Dichtbüchse besteht, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1, Fig. 3 ein
Diagramm, das die an der Dichtbüchse wirkenden Drücke und die durch dieselben bewirkte
Spaltverformung darstellt, Fig. 4 ein Leckverlust-Diagramm und Fig. 5 einen der
Fig. 1 entsprechenden Axialschnitt, jedoch mit einer sich unter einem inneren Druck
radial auswärts verformenden Dichtbüchse.
-
Die Kolbenpumpe der Fig. 1 weist ein Kurbelkastengehäuse 10 und einen
mit diesem verflansehten Zylindergehäuseblock 11 auf. Über ein Saugventil 12 wird
Flüssigkeit in den Pumpenraum 13 eingesaugt und über ein Druckventil 14 weitergefördert.
-
Zum Ansaugen und Ausschieben der Förderflüssigkeit dient ein Kolben
15, der mit einem in üblicher Weise durch eine Kurbelwelle od.dgl. angetriebenen
Kreuzkopf 1 mittels einer Kupplung 17 gekuppelt ist.
-
Zur Abdichtung des Kolbens 15 dient eine in eine Bohrung lla des Zylindergehäuseblocks
11 eingesetzte Dichtbüchse 18, in die ihrerseits eine z.B. aus gehärtetem, rostbeständigem
Stahl bestehende Laufbüchse 19 fest eingesetzt ist, z.B. fest eingeklebt ist. Dichtbüchse
18 und Laufbüchse 19 können auch aus einem Stück bestehen. Ein Abstützring dient
zur axialen
Abstützung der Dichtbüchse 18. Zwischen der Dichtbüchse
18 bzw. der eingesetzten Laufbüchse 19 und dem Kolben 15 ist ein durch ein geringes
Spiel erzeugter Axialdichtspalt 21 vorgesehen,. der bei Drucklosigkeit z.B. in der
Größenordnung von etwa 1/100 mm liegt und der in der Zeichnung übertrieben dargestellt
ist. Auf ihrer Außenoberfläche ist die Dichtbüchse 18 zur Bildung eines Spaltraumes
22 auf kleineren Durchmesser abgesetzt, derart, daß die Dichtbüchse 18 z.B. in der
Nähe der dem Pumpenraum 15, also der Hochdruckseite, gegenüberliegenden Niederdruckseite
an der Stelle 25 eine geringste Wandstärke hat, die sich nach der Hochdruckseite
zu allmählich vergrößert. Der Spaltraum 22 ist mit dem Pumpenraum 15 bzw. mit dem
Ringspalt 24 zwischen Zylinderblock 11 und Kolben 15 durch Radialnuten 25 in der
Dichtbüchse 18 bzw. in der Einsatzlaufbüchse 19 oder im Abstützring 20 sowie durch
Axialnuten 26 ständig verbunden. Beispielsweise sind je drei Radialnuten 25 und
Axialnuten 26 über den Umfang der Dichtbüchse 18 verteilt.
-
Jenseits des Spaltraumes 22 (von der Hochdruckseite aus gesehen) ist
die Dichtbüchse 18 durch eine Dichtung 27 gegen den Zylindergehäuseblock 11 abgedichtet.
Hinter dieser Dichtung angeordnete Bohrungen 28 in der Dichtbüchse bzw. 29 im Zylindergehäuseblock
11 dienen zur Ableitung der Leckflüssigkeit, die durch den Axialdichtspalt 21 von
der Hochdruckseite zur Niederdruckseite durchgedrückt wird. Eine Dichtung 30, die
als Abstreifdichtung wirkt, verhindert, daß der Leckstrom unkontrolliert in die
freie Umgebung austritt und sorgt dafür daß
der Leckstrom durch
die Bohrungen 28 und 29 abfließt.'Eine Überwurfmutter 31 hält die Dichtbüchse 18
mit der eingesetzten Büchse 19 in der Bohrung lla des Zylindergehäuseblockes 11
fest.
-
Insbesondere zur Sicherstellung eines berührungsfreien Laufes des
Kolbens 15 auch im unteren Bereich des Pumpendruckes bzw.
-
beim Anlaufen der Pumpe, ist die Innenbohrung der Laufbüchse 19 mit
Umfangsrillen l9a versehen, in denen sich Förderflüssigkeit der Pumpe sammeln kann.
-
Die Kupplung 17 zur Verbindung des Kolbens 15 mit dem als Antriebsteil
für den Kolben wirkenden Kreuzkopf 16 ist eine Schraubbüchse 32, die mit abgedichtetem
Gewinde 3) in den Kreuzkopf 16 eingeschraubt ist. Durch die Schraubbüchse 32 wird
unter Zwischenschaltung der Ringe 54 und 35 das zur axialen Abstützung des Kolbens
15 am Antriebsteil dienende Axialstück 56 derart gehalten, daß dieses mittels einer
balligen Fläche 37 unter Einhaltung eines geringen axialen Abstandes a, z.B. von
0,1 mm, und eines radialen Spieles r mit einer in den Kreuzkopf 16 eingesetzten
Scheibe 58, einem Querstift od.dgl. zusammenwirkt. Eine Gegenmutter 59 sichert die
Gewindebüchse 52 in ihrer eingestellten Lage. Der Innenraum 40, der dem Axialstützteil
36 bzw. dem Kolben 15 außer dem radialen und axialen Spiel zugleich ein geringes
allseitiges Spiel erlaubt, ist mit einer Dämpfungsflüssigkeit,
z.
B. Öl, gefüllt, das durch eine verschließbare Bohrung 41 in den Hohlraum 40 eingefüllt
werden kann. Ein Dichtbalg 42 dichtet das Innere der Gewindebüchse 32 der Kupplung
17 nach außen ab.
-
Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Im Saughub
der Pumpe, bei Bewegung des Kolbens 15 in Pfeilrichtung xl wird die zu fördernde
Flüssigkeit über das Ventil 12 in den Pumpenraum 13 eingesaugt und im Druckhub bei
Bewegung des Kolbens in Pfeilrichtung x2 über das Druckventil 14 ausgeschoben. Die
Förderflüssigkeit wird hierbei, insbesondere im Druckhub, in den Dichtspalt 21 eindringen
und diesen, einschließlich der Rillen liga, allmählich füllen.
-
Gleichzeitig wird die Förderflüssigkeit über die Durchtrittsnuten
25 und 26 den Ringspaltraum 22 auf der radialen Außenseite der Dichtbüchse 18 anfüllen,
so daß die Dichtbüchse 18 sowohl radial von innen als auch radial von außen unter
Druck gesetzt wird.
-
In Fig. 5 sind in Verbindung mit einer (in diesem Fall einstückig
dargestellten) Dichtbüchse 18, die radial von innen, also vom Dichtspalt 21 her,
wirkenden Druckkräfte P einerseits und die radial von außen vom Spaltraum 22 her
wirkenden Druckkräfte Q über die Länge der Dichtbüchse 18 dargestellt, wobei - entsprechend
Fig. 1 - die Hochdruckseite H rechts und die Niederdruckseite N links angenommen
ist. Wie ersichtlich, halten
sich unmittelbar auf der Hochdruckseite
H die Druckkräfte P und Q das Gleichgewicht. Nach der Niederdruckseite N hin nehmen
jedoch die Druckkräfte P im Spalt 21 allmählich ab, während auf der radial äußeren
Seite im Spaltraum 22 die Druckkräfte Q konstant und gleich oder im wesen.-lichen
gleich dem Druck im Pumpenarbeitsraum 15 sind. Infolgedessen nimmt die aus der Überlagerung
der Druckkräfte P und Q sich ergebende radiale Belastung der Dichtbüchse von H nach
N hin zu. Im unteren Teil der Fig. 3 ist die Spaltweite s über der Länge der Dichtbüchse
18 in stark vergrößertem Maßstabe aufgetragen. Die Herstellungsspaltweite ist Unter
der Wirkung der Druckkräfte P und Q verformt sich die Dichtbüchse 18 so, daß sich
der Spalt 21 zwischenüchse und Kolben oder Welle zur Niederdruckseite hin verengt.
Es werden hierbei je nach Höhe des Druckes Verformungskurven wie sl,s2,s) usw. entstehen,
wobei in der Nähe des niederdruckseitigen Endes der Dichtbüchse 18 eine Mindestspaltweite
smin auftritt. Diese Mindestspaltweite smin ist also umso kleiner, je größer der
Druck des abzudichtenden Mediums ist, wobei sich die Spaltweite jeweils dem herrschenden
Druck während des Arbeitsspieles der Maschine anpaßt, so daß auch bei starken Druckschwankungen
und sehr hohen Drücken der Leckstrom gleichmäßig klein gehalten werden kann.
-
Durch den sich zur Niederdruckseite hin verengenden Dichtspalt 21
wird der Kolben 15 hydraulisch zentriert. Durch die Anbringung der Umfangsrillen
l9a wird diese Zentrierung, insbesondere
auch im Bereich niedriger
Pumpendrücke, etwa beim Anfahren der Pumpe, noch weiter verbessert.
-
Im Gegensatz hierzu war eine solche Wirkungsweise bei den bisher bekannten
Spaltdichtungen, die ohne Gegendruck auf der radialen Außenseite arbeiteten, nicht
möglich. Infolge der Belastung durch die Druckkräfte P gemäß Fig. 5 nahm der Druck
im Spalt 21 von der Hochdruckseite nach der Niederdruckseite ab. Hierbei konnte
der Reibungsverschleiß der auSeinandergleitenden Teile, insbesondere bei Verwendung
von nicht-schmierenden, niederviskosen Flüssigkeiten, nicht vermieden werden.
-
Wurde der Druck erhöht, erweiterte sich der Spalt auf der Hochdruckseite,
und zwar umso mehr, je höher der Druck auf dieser Seite war. Das führte zu untragbaren
Leckströmen.
-
Im Diagramm nach Fig. 4 ist der Leckstrom q über dem abzudichtenden
Druck PH der Hochdruckseite aufgetragen. Hierbei zeigt die Kurve ql in prinzijeller
Darstellung den Leckstrom bei einer bisherigen Ausführung und q2 im Vergleich hierzu
die Leckverluste bei einer erfindungsgemäßen Ausführung. Wie das Diagramm zeigt,
nimmt ql proportional oder überproportional mit dem Druck PH zu und erreicht bei
höheren Drücken praktisch untragbare Werte. Im Falle der Erfindung nimmt dagegen
nach Überschreiten eines bestimmten Druckes Pa der Leckstrom q2 wieder ab, wobei
er innerhalb eines Bereiches a praktisch konstant bleibt. Eine erfindungsgemäße
Dichtung eignet sich
daher ganz besonders zur Abdichtung hoher
Arbeitsdrücke, die diesem Bereich a entsprechen oder oberhalb dieses Bereiches liegen.
-
Durch den Dichtspalt 21 hindurchdringendes Fördermedium kann über
die Bohrungen 28, 29 nach außen bzw. in das Saugleitungssystem der Maschine zurückfließen.
Gegebenenfalls kann auch die Leckableitung entsprechend den Bohrungen 28 bereits
in einem Bereich erfolgen, bei der die nach der Kurve abnehmenden Kräfte P den Nullwert
auf der Niederdruckseite N noch nicht erreicht haben, also beispielsweise an einer
Stelle Px der Fig. 3.
-
Durch das axiale Spiel a und das radiale Spiel r an der Kupplung 17
sowie durch die ballige Stützfläche 77 des Abstützstückes 76 ist gewährleistet,
daß sich der Kolben 15 zur Dichtbüchse 18 allseitig einstellen kann.
-
Durch die Dämpfungsflüssigkeit, z. B. 51, im Raum 4o wird ferner ein
Ausschlagen der Teile 56, 58 und damit das metallische Schlaggeräusch verhindert.
Statt oder zusätzlich zu einer Dämpfungsflüssigkeit kann auch ein Dämpfmaterial,
z.B; Gummi od.dgl., vorgesehen sein, um die Stoßkräfte beim Antrieb des Pumpenkolbens
aufzunehmen.
-
Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführung mit einem im Zylindergehäuse
111 laufenden, mit eingeschraubtem Einsatz 115a versehenen Pumpenkolben 115 und
einer auf diesen gleitend
aufgesetzten Dichtbüchse 113, die gegenüber
em Kolben 115 durch eine Dichtung 127 abgedichtet und durch einen Abstützring 120
axial abgestützt ist. Der Axialdichtspalt 121 liegt in diesem Falle radial außerhalb
des Spaltraumes 122, der mittels eines Durchlaßquerschnittes 125 od.dgl. mit dem
Pumpenraum 115 verbunden ist. Entsprechend Fig. 3 bilden sich die Druckkräfte P
im AKaldichtspalt 121 und Q im Spaltraum 122 aus, wodurch die Dichtbüchse 118 nach
der Niederdruckseite zunehmend aufgeweitet und damit der Dichtspalt 121 zunehmend
bis zu einer Mindestspaltweite 5min verengt wird. Im übrigen ist die Wirkungsweise
die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispieles, und es können die gleichen
Maßnahmen, wie über die Länge des Dichtspaltes 121 variierende Wandstärke der Dichtbüchse
11d, Umfangsrillen, Leckableitung, axiale Abstützung des Plungerkolbens mit Dämpfungseinrichtung
od.dgl., wie beim ersten Ausfuhrungsbeispiel vorgesehen sein.