[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch
1, eine dichte Wellendurchführung nach demjenigen von Anspruch 2 und eine Zahnradpumpe
nach Anspruch 7.
[0002] Ein Verfahren zum Dichten einer Wellendurchführung in einen mediumsgefüllten Raum,
worin sich der Druck in Funktion der Wellendrehzahl einstellt und wobei das Medium
eine Newton'sche oder nicht Newton'sche Flüssigkeit ist, deren Viskosität temperaturabhängig
ist, ist aus der DE-OS-41 25 128 bekannt. Darin ist eine Zahnradpumpen-Wellendurchführung
beschrieben. Insbesondere für die Förderung von Polymerschmelzen vorgesehen, soll
einerseits verhindert werden, dass Umgebungsluft in den Förderraum der Pumpe eindringt,
und zwar sowohl unter Betriebs- wie auch unter Stillstandsbedingungen.
[0003] Um weiter zu verhindern, dass Fördermedium in eine zu obgenanntem Zwecke vorgesehene
Sperrflüssigkeits- oder Fettvorlagedichtung eindringt, wird, ausgehend vom Entlastungsraum,
in welchen Fördermedium axial eindringt und der mit dem Pumpeneinlass verbunden ist,
zur Rückführung aufgenommenen Fördermediums eine als Ringkammer ausgebildete Leckaufnahmezone
vorgesehen, die durch einen verschliessbaren Auslass in die Umgebung entleert werden
kann. Eine anschliessend vorgesehene Labyrinthdichtung mit gegen den Leckraum wirkender
Gewindeförderrichtung geht aus von einer Zwischen-Ringkammer, an welche eine umgekehrt
fördernde Labyrinthdichtung anschliesst, die schliesslich in einen weiteren Sammelraum,
nach aussen entleerbar, ausmündet. Anschliessend folgt die Fettvorlagedichtung oder
die Sperrflüssigkeitsdichtung.
[0004] Weil die mit den fördernden Labyrinthdichtungen realisierten Dichtungen bei Wellenstillstand
unwirksam werden, wird eine gegenseitige Kontamination von Fördermedium und Fettvorlagenmedium
bzw. der Sperrflüssigkeit` durch das Vorsehen von Leckzonen und Sammelzonen, die nach
aussen entleerbar sind bzw. mit dem Pumpeneinlass verbunden sind, vermieden.
[0005] Die hier vorgeschlagene Lösung ist äusserst kompliziert und baut eigentlich auf der
axialen Serieschaltung von Dichtungen mit Sammelkammern auf, welche eine zunehmende
Dichtsicherheit ergeben, aber mit, wie erwähnt, grossem Aufwand.
[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Wellendichtung
eingangs genannter Art zu schaffen, die konstruktiv wesentlich einfacher ist und bei
der ein periodisches Entleeren von Sammelzonen entfällt.
[0007] Dies wird beim Verfahren eingangs genannter Art durch Vorgehen nach dem kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 erreicht bzw. bei einer dichten Wellendurchführung bei deren Ausbildung
nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 2.
[0008] Bevorzugte Ausführungsvarianten der Wellendurchführung sind in den Ansprüchen 3 bis
6 spezifiziert.
[0009] Eine Zahnradpumpe mit der erwähnten erfindungsgemässen Wellendichtung zeichnet sich
nach dem Wortlaut von Anspruch 7 aus.
[0010] Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
[0011] Es zeigen:
- Fig. 1
- anhand einer schematischen Darstellung einer Wellendurchführung, das erfindungsgemässe
Vorgehen verfahrensmässig bzw. die Grundstruktur einer erfindungsgemässen Wellendurchführung;
- Fig. 2
- in vereinfachter Längsschnittdarstellung eine erfindungsgemässe Wellendurchführung,
beispielsweise und insbesondere für die Durchführung einer Zahnradpumpenwelle.
[0012] Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Abdichtmechanismen
für die Betriebszustände "drehende Welle" und "Stillstand" zu trennen sind und dass,
wie nachfolgend erläutert werden soll, das Viskositätsverhalten des einseitig der
Durchführung vorliegenden Mediums hierzu optimal ausgenützt werden kann.
[0013] In Fig. 1 ist schematisch eine Durchführung einer Welle 1 von einem ersten Raum U
in einen zweiten M dargestellt, in welch letzterem eine Newton'sche oder nicht Newton'sche
Flüssigkeit ist. Bei einer Zahnradpumpe mit Gleitlager entspricht der Raum M dem axial
äusseren Gleitlagerspalt vor Dichtungsbeginn. Wie insbesondere auch bei einer Pumpe,
dabei insbesondere einer Zahnradpumpe, ist der Druck p in dem im Raum M vorliegenden
Medium abhängig von der Drehzahl n der Welle und die Viskosität η dieses Mediums bekanntermassen
abhängig von der Temperatur ϑ.
[0014] Ausgehend vom mediumbeschickten Raum M, wird erfindungsgemäss erst eine Dichtungsstufe
3 vorgesehen, deren Dichtwirkung abhängig ist von der Drehzahl n der Welle 1. Mithin
ist der durch die Dichtwirkung maximal gedichtete axiale Druckunterschied Δp abhängig
sowohl von der Drehzahl n der Welle 1 wie auch von der Viskosität η des Mediums im
Dichtspalt der Stufe 3. Steht die Welle still, d.h. bei n = 0, bleibt die Dichtwirkung
an Stufe 3 nurmehr von der Viskosität η des Mediums im Dichtraum der Stufe 3 abhängig.
[0015] Nach aussen fortschreitend, ist zur Sicherstellung der Gasdichtheit der Dichtung
an einer weiteren Dichtstufe 5 eine Sperrflüssigkeitsdichtung 7 vorgesehen. Ihre Wirkung
ist vom Wellenbetrieb unabhängig. Es muss aber im allgemeinen sichergestellt sein,
dass kein Fördermedium aus der Stufe 3 in den Bereich der Sperrflüssigkeitsdichtung
7 gelangt und diese unwirksam macht. Im Wellenstillstand ist dies vorerst nicht sichergestellt,
weil die Dichtungsstufe 3 nur in wesentlich reduziertem Umfange wirksam ist.
[0016] Erfindungsgemäss wird nun aber die Sperrflüssigkeit S auch als Kühlmedium für den
angrenzenden Bereich der Welle 1 und der Dichtungsstufe 3 eingesetzt, womit dort kühlungsbedingt
die Viskosität η des insbesondere bei Stillstand der Welle in der Stufe 3 befindlichen
Mediums erhöht wird, womit die notwendige Dichtwirkung an Stufe 3 trotz Wellenstillstands
sichergestellt ist.
[0017] Mit Blick auf Pumpen, beispielsweise mit Antriebswelle 1 und dabei insbesondere auf
Zahnradpumpen als bevorzugtes Einsatzgebiet für das erfindungsgemässe Verfahren bzw.
die erfindungsgemässe Wellendurchführung, insbesondere auf Zahnradpumpen zur Förderung
von Polymerschmelzen, ist erkenntlich, dass bei stillstehender Welle 1 der Druck im
Raum vor der Stufe 3 wesentlich geringer wird als im Normalbetrieb der Pumpe. Dies
verringert zusätzlich die nach erreichtem Stillstand notwendigen zusätzlichen Dichtmassnahmen
durch Viskositätsausnützung, da mithin die leckagetreibende Kraft abnimmt. Mit Q̇
ist schematisch die Wärmeabfuhr mittels der Sperrflüssigkeit dargestellt. Die Sperrflüssigkeit
kann durch Thermosiphonwirkung und/oder durch eigens dafür vorgesehene Umwälzorgane,
wie durch ein Förderaggregat 9, oder durch wellenintegrierte Förderorgane an der Dichtung
7 umgewälzt werden.
[0018] In Fig. 2 ist in vereinfachter Schnittdarstellung eine nach dem erfindungsgemässen
Verfahren arbeitende erfindungsgemässe Wellendurchführung, insbesondere an einer Zahnradpumpe
für Polymerschmelzen, dargestellt.
[0019] Die Welle 1 mit Lagerblock 11, zahnradseitig, definiert den Lagerspaltraum, an den,
in bekannter Weise, ein Entlastungsraum 13 anschliesst, mit der Saugseite der Pumpe
verbunden (nicht dargestellt). Dieser bildet hier den Raum M gemäss Fig. 1. Daran
anschliessend ist eine Labyrinthdichtung 17 vorgesehen, vorzugsweise mit gehäuseseitig
vorgesehenem Gewinde 17a, welches bei der vorgegebenen Drehrichtung der Welle 1, die
nicht invertiert werden darf, gegen den Raum M hin fördert, drehzahlabhängig, wie
mit F dargestellt. Die fördernde Labyrinthdichtung 17 wirkt als die anhand von Fig.
1 erläuterte Dichtungsstufe 3. Axial anschliessend ist, wie erläutert wurde, die Sperrflüssigkeits-Dichtstufe
7 vorgesehen.
[0020] In bevorzugter Art und Weise umfasst sie einen gehäuseseitig verdrehfest gesicherten
Ring 19, der einerseits mit einer Ringdichtkammer 21 an der Welle 1 anliegt und über
mindestens zwei sich radial gegenüberliegende Bohrungen 25 mit radial aussenseitigen
Aufweitungen 23 mit der äusseren Ringperipherie verbunden ist. Gehäuseseitig kommunizieren
die Aufweitungen 23 mit mindestens einer Einlassleitung 27 für Sperrflüssigkeit S
und einer Auslassleitung 29.
[0021] Dichtelemente, bevorzugterweise federvorgespannte (nicht dargestellt) Stopfbuchspackungen
oder Lippendichtungsanordnungen 31, sind axial beidseitig des Ringes 19 in entsprechenden
Einformungen gehäuseseitig vorgesehen. Die Axialausdehnung der Aufweitungen 23 sichert
dabei, dass axiale Verschiebungen des Ringes 19, ohne den Durchfluss von Sperrflüssigkeit
S zu behindern, aufgenommen werden, bedingt durch sich Setzen der federkraftbelasteten
Stopfbuchspackungen. Durch Wahl der Sperrflüssigkeit S mit entsprechender Wärmekapazität,
deren Fluss durch die Stufe 7 und der thermischen Leitfähigkeit zwischen axial aussenliegendem
Bereich der Stufe 3 und den Fliesswegen der Sperrflüssigkeit S wird die Kühlung in
besagtem Bereich der Stufe 3, d.h. in Fig. 2, dem axial aussenliegenden Bereich der
Labyrinthdichtung, so sichergestellt, dass bei Stillstand der Welle 1, beispielsweise
bei einer schmelzefördernden Zahnradpumpe, unter Berücksichtigung des Druckabfalles
im Lagerspalt und gegebenenfalls im Entlastungsraum, M, und der Viskositatszunahme
von Fördermedium im axial aussenliegenden Labyrinthdichtungsbereich die notwendige
Dichtheit zwischen genanntem Raum M und Sperrflüssigkeits-Dichtstufe 7 gewährleistet
ist.
[0022] Bevorzugterweise, und wie dargestellt, werden Labyrinthdichtung und Sperrflüssigkeitsstufe
7 in einer auswechselbaren Büchse 33 angeordnet, die auf einfache Art und Weise mit
dem Gehäuse 15, durch welches durchgeführt wird, verbunden werden kann, wie verschraubt
werden kann.
[0023] Die vorgeschlagene Wellendurchführung ist ausserordentlich servicefreundlich, und
es entfallen alle periodischen Entleerungen irgendwelcher vorgesehener Leckzonen und
Sammelräume. Es wird durch die Kühlung auch sichergestellt, dass die Betriebstemperaturen
im Bereiche der Dichtungselemente 31, seien dies Stopfbuchspackungen oder Lippendichtungen,
die hierfür vorgeschriebenen Temperaturen nicht überschreiten.
[0024] Im weiteren muss die Kühlwirkung so sichergestellt sein, dass kurzzeitig, auch bei
stillstehender Welle, gegen den Betriebsdruck im Raum M gedichtet wird, der sich,
nach Stillsetzen der Welle 1, zeitlich verzögert, abbaut. Wie erwähnt, kann aber die
Kühlwirkung durch die Temperatur, den Volumenstrom, die Wärmekapazität und die thermische
Kopplung des Sperrmediums den Erfordernissen des jeweiligen Produktes angepasst werden.
[0025] Durch Anheben des Druckes im Sperrmediums-Kreislauf kann auch bei höherem Umgebungsdruck
als Atmosphärendruck der Zutritt von Gas in den Raum M verhindert werden.
[0026] Eine Umwälzung der Dicht- und, erfindungsgemäss, Kühlflüssigkeit kann vorzugsweise
durch Ausnützung der Thermosiphonwirkung oder durch Einsatz eines eigens dafür vorgesehenen
Umwälzorganes vorgenommen werden. Als Umwälzorgan kann eine externe Pumpe vorgesehen
sein oder die Welle in der Dichtkammer 21 so gestaltet sein, dass sie selbst als Umwälzorgan
wirkt.
1. Verfahren zum Dichten einer Wellendurchführung in einen mediumsgefüllten Raum, worin
sich der Druck in Funktion der Wellendrehzahl (n) verändert und wobei das Medium eine
temperaturabhängige Viskositat (η) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass vom Raum
(M) aus fortschreitend erst eine drehzahlabhängig wirkende Dichtung (3) vorgenommen
wird, dann eine Sperrflüssigkeitsdichtung (7), und dass man mit der Sperrflüssigkeit
(S) als Wärmetransportmedium den angrenzenden Bereich der drehzahlabhängigen Dichtung
(3) derart kühlt, dass dort, weitgehendst drehzahlunabhängig, Dichtung erreicht wird,
aufgrund der aus der Kühlung resultierenden Viskositätsänderung des Mediums.
2. Dichte Wellendurchführung in einen Raum für ein Medium, worin sich der Druck wellendrehzahlabhängig
verändert, wobei die Viskosität (η) des Mediums mit zunehmender Temperatur abnimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass, ausgehend vom Raum (M), erst eine Labyrinthdichtung
(17) mit Gewindeförderrichtung (F) gegen den Raum (M) hin vorgesehen ist und anschliessend
eine Sperrflüssigkeitsdichtung (7), deren Sperrflüssigkeit (S) gleichzeitig als Kühlmedium
für den angrenzenden Bereich der Labyrinthdichtung wirkt.
3. Wellendurchführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrflüssigkeitsdichtung
mindestens einen auf der Welle (1) angeordneten Ring (19) umfasst mit radialen, radial
aussen axial aufgeweiteten Bohrungen, die mit mindestens einer Zuführleitung und mindestens
einer Abführleitung (27, 29) für die Sperrflüssigkeit (S) gehäuseseitig kommunizieren,
wobei die Axialausdehnung der Aufweitungen (23) eine axiale Verschiebung des Ringes
(19) bezüglich der erwähnten Leitungen (27, 29) ermöglicht.
4. Wellendurchfuhrung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass axial beidseits des
Ringes an der Welle anliegende Dichtorgane (31), vorzugsweise Stopfbuchspackungen
oder Lippendichtungen, vorgesehen sind.
5. Wellendurchführung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
Labyrinthdichtung (17) und Sperrflüssigkeitsdichtung (7) an einem lösbar an einem
Gehäuse befestigbaren Einsatz (33) angeordnet sind.
6. Wellendurchführung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Thermosiphon-Umwälzkreis für die Sperrflüssigkeit (S) vorgesehen ist oder ein
Umwälzaggregat hierfür, vorzugsweise gebildet durch eine externe Pumpe und/oder Umwälzorgane
an der Welle (1) im Bereich der Sperrflüssigkeitsdichtung (7).
7. Zahnradpumpe mit mindestens einer Wellendurchführung nach einem der Ansprüche 2 bis
6.
8. Verwendung der Zahnradpumpe nach Anspruch 7 zur Förderung von Polymerschmelzen.