PL198805B1 - Uszczelnienie labiryntowe pomiędzy obrotowymi częściami - Google Patents

Abstract

Wynalazek dotyczy uszczelnienia labirynto- wego pomi edzy obrotowymi wzgl edem siebie wokó l osi (14), osiowo nieruchomymi czesciami (7, 8), z co najmniej dwiema umieszczonymi osiowo jedna za drug a, pier scieniowymi, nie- przerwanymi uszczelniaj acymi szczelinami pier- scieniowymi (12) pomi edzy powierzchni a czo lo- w a (11) pier scieniowego elementu (9) usytu- owanego na jednej cz esci (7), a bezdotykowo sci sle s asiaduj ac a, przeciwlegla uszczelniaj ac a powierzchni a (13) na drugiej cz esci (8). Pier- scieniowa szczelina uszczelniaj aca (12) jest wykonana sto zkowo ze srednic a zwi ekszaj ac a sie w kierunku przeciwleg lym do przep lywu przecieku celem ograniczenia lub unikni ecia osiowego przep lywu przecieku podczas dzia la- nia, poprzez pier scieniow a szczelin e uszczel- niaj ac a (12). PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest uszczelnienie labiryntowe pomiędzy obrotowymi częściami. W szczególności, przedmiotem wynalazku jest uszczelnienie labiryntowe pomiędzy częściami osiowo nieruchomymi i obrotowymi względem siebie wokół osi.

Uszczelnienie labiryntowe tego rodzaju znane z DE 44 03 776 A1 stosowane jest w obszarze łożyska kulkowego na przejściu z silnika napędzającego do dołączonej kołnierzowo przekładni. Nieruchoma część obudowy jest przy tym wyposażona w skierowane promieniowo do wewnątrz, umieszczone równolegle względem siebie i posiadające jednakową średnicę wewnętrzną elementy pierścieniowe. Na wale wirnika silnika napędzającego osadzona jest dalsza pierścieniowa część, która w obszarze powierzchni czołowych poszczególnych elementów pierścieniowych ma sąsiadujące z nimi cylindryczne powierzchnie uszczelniające. Ta dalsza część ma ponadto skierowane promieniowo na zewnątrz mostki wyrzucające, które wchodzą pomiędzy elementy pierścieniowe. Powierzchnie czołowe elementów pierścieniowych mają średnicę nieco większą niż średnica przyporządkowanej cylindrycznej powierzchni uszczelniającej tak, że obwodowa wąska pierścieniowa szczelina uszczelniająca w kształcie wydrążonego cylindra jest utworzona pomiędzy powierzchnią czołową a przyporządkowaną powierzchnią uszczelniającą. Powierzchnię czołową i powierzchnię uszczelniającą tworzą więc wewnętrzna i zewnętrzna powierzchnia płaszczowa odpowiedniej uszczelniającej szczeliny pierścieniowej. W praktyce okazuje się, że nie można osiągnąć absolutnej okrągłości powierzchni uszczelniających. Ze względu na taki technicznie niemożliwy do uniknięcia błąd kształtu i położenia tylko bardzo mała szerokość uszczelniającej szczeliny pierścieniowej zmienia się dynamicznie wraz z częstotliwością obrotu. Jeżeli przykładowo olej, ewentualnie w postaci kropli lub piany, wydostaje się z łożyska kulkowego w uszczelnienie labiryntowe i przez to w uszczelniającą szczelinę pierścieniową, wówczas mimośrodowo obracająca się powierzchnia uszczelniająca działa jak pompa i przetłacza istniejące zanieczyszczenia przez pierścieniową szczelinę uszczelniającą, przez co zanieczyszczenia te mogą dostać się do silnika i spowodować tam usterki. Aby tego uniknąć, w układzie labiryntowym zintegrowany jest obszar odciążający, który jest poprzez kanał dołączony do działającego jak zwężka Venturiego dyfuzora, który jest połączony z zewnętrzną atmosferą.

Celem wynalazku jest opracowanie uszczelnienia labiryntowego, pozwalającego na wyeliminowanie zjawiska pompowania.

Według wynalazku, uszczelnienie labiryntowe pomiędzy obrotowymi częściami, osiowo nieruchomymi i obrotowymi względem siebie wokół osi, z co najmniej dwiema umieszczonymi osiowo jedna za drugą, pierścieniowymi, nieprzerwanymi uszczelniającymi szczelinami pierścieniowymi pomiędzy powierzchnią czołową pierścieniowego elementu usytuowanego na jednej części a bezdotykowo ściśle sąsiadującą, przeciwległą uszczelniającą powierzchnią na drugiej części, przy czym czołowa powierzchnia i uszczelniająca powierzchnia tworzą płaszczowe powierzchnie odpowiedniej szczeliny uszczelniającej, i co najmniej jedna płaszczowa powierzchnia co najmniej jednej uszczelniającej szczeliny jest wykonana stożkowe, charakteryzuje się tym, że powierzchnie czołowe oraz powierzchnie uszczelniające pierścieniowych szczelin uszczelniających na jednym końcu uszczelnienia labiryntowego uformowane są tak, że ich pochylenia są przeciwne względem powierzchni czołowych oraz powierzchni uszczelniających pierścieniowych szczelin uszczelniających na drugim końcu uszczelnienia labiryntowego.

Korzystnie, powierzchnia czołowa jest wykonana stożkowo.

Korzystnie, uszczelniająca powierzchnia jest wykonana stożkowo.

Korzystnie, obie powierzchnie płaszczowe uszczelniającej szczeliny pierścieniowej są wykonane stożkowo i mają takie samo pochylenie.

Korzystnie, gdy przeciętne średnice co najmniej dwóch sąsiednich stożkowych szczelin uszczelniających są przynajmniej w przybliżeniu jednakowe.

Korzystnie, uszczelniające szczeliny pierścieniowe są wykonane z przeciwnym pochyleniem.

Korzystnie, co najmniej dwa pierścieniowe elementy wspólnej przejściowej uszczelniającej powierzchni są usytuowane naprzeciw siebie.

Korzystnie, wiele stożkowych powierzchni uszczelniających jest umieszczone osiowo jedne za drugą na jednej części.

Korzystnie, pomiędzy sąsiednimi powierzchniami uszczelniającymi umieszczone są promieniowo na zewnątrz skierowane odprowadzające pierścienie, które wchodzą pomiędzy przyporządkowane sąsiednie pierścieniowe elementy.

PL 198 805 B1

Dzięki stożkowemu ukształtowaniu pierścieniowej szczeliny uszczelniającej powstaje w stosunku do zjawiska pompowania, występującego na skutek wspomnianych dynamicznych zmian pierścieniowej szczeliny uszczelniającej, spowodowanych przez nieokrągłości, dodatkowo promieniowa składowa w pierścieniowej szczelinie uszczelniającej. Ta promieniowa składowa działania pompującego jest zależna od prędkości obrotowej, średnicy i wymiaru promieniowego oraz od pochylenia stożkowej pierścieniowej szczeliny uszczelniającej w kierunku osiowym. Korzystnie promieniowa szerokość szczeliny na wymiarze osiowym jest jednakowa. Powstaje wtedy pierścieniowa szczelina uszczelniająca w kształcie wydrążonego ściętego stożka. Możliwe jest jednak również, że tylko jedna z powierzchni płaszczowych pierścieniowej szczeliny uszczelniającej, a więc albo czołowa powierzchnia pierścieniowego elementu, albo powierzchnia uszczelniająca na przyporządkowanej dalszej części konstrukcyjnej, jest pochylona stożkowo. Obie powierzchnie płaszczowe mogą być również pochylone przeciwnie względem kierunku osiowego. Może być również korzystne, kiedy pochylenie wymienionych powierzchni płaszczowych istnieje tylko na części ich przebiegu osiowego. Dla wielkości działania pompującego miarodajne jest przy tym zwłaszcza pochylenie zewnętrznej powierzchni płaszczowej pierścieniowej szczeliny uszczelniającej. Działanie pompujące jest przy tym skierowane do końca pierścieniowej szczeliny uszczelniającej, która ma większą średnicę. Większa średnica pierścieniowej szczeliny uszczelniającej jest więc usytuowana po tej stronie, z której mogą dopływać do uszczelnienia labiryntowego zakłócające płyny, zwłaszcza olej, woda itp. Dla działania pompującego może mieć przy tym znaczenie promieniowa siła odśrodkowa, która tłoczy na zewnątrz płyn wnikający w pierścieniową szczelinę uszczelniającą . Na pochyłej zewnętrznej powierzchni płaszczowej występuje wtedy składowa przepływu, która przeciwdziała spowodowanemu przez niekołowy bieg osiowemu działaniu pompującemu w stosunku do dopływającego płynu. Przed wybór pochylenia stożka i prędkości obrotowej możne przy tym regulować wartość przeciwdziałającej składowej siły. Aby średnica części wyposażonej w powierzchnię uszczelniającą mogła być możliwie mała, osiowo kolejno następujące powierzchnie uszczelniające w kształcie ściętego stożka są w przekroju wzdłużnym przyporządkowane sobie na kształt zębów piły tak, że przeciętna średnica może być przynajmniej w przybliż eniu jednakowa. Moż liwe jest również zastosowanie uszczelnienia labiryntowego z pierścieniowymi szczelinami uszczelniaj ącymi, które są przeciwnie pochylone. Można wtedy przykładowo z odcinka uszczelnienia labiryntowego przewietrzanego w środkowym obszarze osiowym przeciwdziałać wnikaniu płynów z obu obszarów końcowych. Ponadto jednej wspólnej powierzchni uszczelniającej można również przeciwstawić wiele pierścieniowych powierzchni. Korzystne jest również zastosowanie przynajmniej pomiędzy niektórymi sąsiednimi powierzchniami uszczelniającymi skierowanych promieniowo na zewnątrz pierścieni odrzucających, które wchodzą pomiędzy sąsiednie przyporządkowane elementy pierścieniowe i odrzucają płyny przedostające się przez pierścieniową szczelinę uszczelniającą promieniowo w wychwytowe rowki przewidziane pomiędzy przyporządkowanymi elementami pierścieniowymi. Odrzucony płyn może być potem odprowadzany przez wspólny kanał zbiorczy.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój wzdłużny przez uszczelnienie labiryntowe zamocowane na tarczy łożyskowej silnika, zaś fig. 2 przedstawia powiększenie uszczelnienia pierścieniowego w obszarze pierścieniowej szczeliny uszczelniającej.

Na fig. 1, we wnętrzu 1 nieruchomej obudowy silnika elektrycznego wirnik 2 jest osadzony na wale 3. Wał 3 jest ułożyskowany obrotowo w tarczy łożyskowej 5 obudowy na łożysku tocznym 4. Koniec wału 3 wystający z wnętrza 1 obudowy na zewnątrz jest połączony napędowo z mechaniczną przekładnią dołączoną bezpośrednio do tarczy łożyskowej 5, przy czym pokazano jedynie układ kół zębatych 6 przekładni. Te koła 6 obracają się w niepokazanej kąpieli olejowej. Ilość oleju transportowana przez koła 6 służy również do smarowania łożyska tocznego 4. Aby olej przekładniowy, który przechodzi osiowo przez łożysko toczne 4, nie mógł dostać się do wnętrza 1 obudowy silnika, przy łożysku tocznym 4 umieszczone jest przebiegające w kierunku osiowym do wirnika 2 wielokomorowe uszczelnienie labiryntowe. To uszczelnienie labiryntowe złożone jest z tulejowej wewnętrznej części 8, która jest osadzona na wale 3 i obraca się wraz z wałem 3 oraz z zewnętrznej części 7 obejmującej łupinowo wewnętrzną część 8 i połączonej sztywno z tarczą łożyskową 5. Na wewnętrznej ściance zewnętrznej części 7 usytuowane są skierowane promieniowo do wewnątrz pierścieniowe elementy 9, które są umieszczone w osiowym odstępie od siebie, a pomiędzy nimi usytuowane są komory 10 o przekroju w kształ cie litery U. Jak pokazano na fig. 2, zwrócone promieniowo do wewnątrz czołowe powierzchnie 11 pierścieniowych elementów 9 są usytuowane ściśle przy sobie z utworzeniem

PL 198 805 B1 pierścieniowej szczeliny 12 uszczelniającej i bezstykowo naprzeciw uszczelniającej powierzchni 13, która jest utworzona na zewnętrznej ściance tulejowej części 8 obracającej się wraz z wałem 3. Ponieważ uszczelniająca powierzchnia 13 w praktycznych warunkach pracy nie obraca się dokładnie kołowo, mierzona w kierunku promieniowym szerokość pierścieniowej szczeliny 12 uszczelniającej zmienia się wraz z częstotliwością obrotu wału 3. Na skutek tego w szczelinie 12 olej smarujący, pochodzący przykładowo z łożyska tocznego 4, pomimo bardzo małej szerokości szczeliny jest przepompowywany przez uszczelniającą szczelinę 12.

Aby zmniejszyć niepożądane przedostawanie się płynu przez szczelinę uszczelniającą 12, jest ona wykonana stożkowo. W tym celu zarówno powierzchnia czołowa 11 na pierścieniowym elemencie 9 jak i przyporządkowana powierzchnia uszczelniająca 13 są wykonane stożkowo. Pochylenie czołowej powierzchni 11 i uszczelniającej powierzchni 13 jest wybrane względem zaznaczonej osi 14 wału3 jednakowe i w tym samym kierunku. Pierścieniowa szczelina 12 uszczelniająca ma przez to kształt wydrążonego ściętego stożka, którego średnica rozszerza się w kierunku przeciwnym do kierunku, z którego dopływa zatrzymywany płyn, w danym przypadku olej smarujący. Przy obracającym się wale 3 z obracającą się wraz z nim uszczelniającą powierzchnią 13 płyn przedostający się aż do pierścieniowej szczeliny 12 uszczelniającej przy wchodzeniu w szczelinę 12 jest przyspieszany promieniowo na zewnątrz i doznaje na przyporządkowanej pochyłej czołowej powierzchni 11 zmiany kierunku, która ma składową siły przeciwną do kierunku dopływu płynu. Przez wybranie pochylenia można uwzględniając prędkość obrotową wału 3 tak wybrać składowe siły, że przeciwstawiają się one działaniu pompującemu wytwarzanemu przez niekołowy ruch pierścieniowej szczeliny 12 uszczelniającej. Przez wielokrotne utworzenie tak ukształtowanego labiryntowego uszczelnienia można zmniejszyć przedostawanie się płynu przez odpowiednio wykonane uszczelnienie labiryntowe przynajmniej na tyle, że nie potrzeba środków dodatkowych, albo przy takim samym działaniu uszczelniającym w stosunku do rozwiązań z czysto cylindryczną pierścieniową szczeliną uszczelniającą potrzebna jest jedynie zmniejszona liczba pierścieniowych szczelin uszczelniających 12 z pierścieniowego elementu 9 i uszczelniającej powierzchni 13.

W odróżnieniu od przedstawionego przyk ładu wykonania, przy którym stożkowe powierzchnie płaszczowe 11 i 13 pierścieniowej szczeliny uszczelniającej 12 mają jednakowe nachylenie, może również wystarczyć stożkowe ukształtowanie tylko powierzchni czołowej 11 lub uszczelniającej powierzchni 13, przy czym jednak trzeba zwrócić uwagę na kierunek uzyskiwanych składowych sił w odniesieniu do żądanych lepszych warunków uszczelnienia.

Aby promieniową grubość ścianek wewnętrznej części 8 utrzymać możliwie małą, przeciętną średnicę co najmniej dwóch umieszczonych obok siebie stożkowych pierścieniowych szczelin uszczelniających 12 wybiera się przynajmniej w przybliżeniu jednakową. Przynależne, umieszczone obok siebie osiowo na obrotowo ułożyskowanej części 8, powierzchnie uszczelniające 13 w kształcie ściętego stożka tworzą przy tym w przekroju osiowym kształt zębów piły.

Aby polepszyć wyrzucanie płynu wytłaczanego przecież przez uszczelniającą szczelinę pierścieniową 12, w obszarze wierzchołków zębów piły przewidziane są pomiędzy sąsiednimi powierzchniami uszczelniającymi 13 skierowane promieniowo na zewnątrz wyrzucające pierścienie 15, które wystają pomiędzy odpowiednie sąsiednie pierścieniowe elementy 9.

Jeżeli istnieje możliwość, że niepożądane płyny mogą wniknąć z obu stron uszczelnienia, celowe jest zastosowanie pierścieniowej szczeliny uszczelniającej 12 z przeciwbieżnym pochyleniem w osiowych obszarach koń cowych uszczelnienia labiryntowego. W przykł adzie wykonania odcinek końcowy wewnętrznej części 8 zwróconej do wirnika 2 jest natomiast wyposażony w uszczelniającą powierzchnię 13, której pochylenie względem osi 14 jest wykonane przeciwnie do pochylenia uszczelniającej powierzchni 13 przy przeciwległym, zwróconym do przekładni końcu uszczelnienia labiryntowego. Inaczej mówiąc, również powierzchnie czołowe 11 przyporządkowanych elementów pierścieniowych 9 są pochylone przeciwnie. Pomiędzy obszarami o przeciwnym pochyleniu uszczelniającej szczeliny pierścieniowej 12 usytuowana jest w przedstawionym przypadku w uszczelnieniu labiryntowym neutralna komora 16, z której płyn jest odprowadzany na zewnątrz. Natomiast z komory 10, która jest zwrócona do przekładni, usytuowany tam płyn, a więc w tym przypadku olej przekładniowy, odprowadzany jest z powrotem do łożyska tocznego 4 lub do przekładni.

Poza tym możliwe jest również przyporządkowanie co najmniej dwóch pierścieniowych elementów 9 wspólnej płaszczyźnie uszczelniającej 13, jak to pokazano w przykładzie wykonania na fig. 1 po obu stronach neutralnej komory 16.

PL 198 805 B1

Przez stożkowe ukształtowanie pierścieniowej szczeliny uszczelniającej 12 uzyskuje się zatem polepszenie działania uszczelniającego bez dodatkowej komory lub innych środków pomocniczych. Z drugiej strony za pomocą wykorzystywanych przez to skł adowych sił y moż na zmniejszyć wymagania dotyczące dławiącego działania pierścieniowej szczeliny uszczelniającej 12, a więc można również zwiększyć promieniową szerokość szczeliny, tak że wykonanie części może odbywać się z mniejszą dokładnością. Przy zwiększonej szerokości szczeliny zmniejsza się również jej względna dynamiczna zmiana przy wirującym wale 3, co znów prowadzi do zmniejszenia niepożądanego zjawiska pompowania ze strony dopływającego z przeciwnej strony oleju. Średnica wewnętrznej części 8 nie musi przy tym być zwiększana pomimo stożkowego kształtu powierzchni uszczelniającej 13, kiedy powierzchnie uszczelniające 13 w przekroju wzdłużnym są osiowo dopasowane do siebie na kształt zębów piły. Zewnętrzna część 7 wraz z pierścieniowymi mostkami 9 jest z powodów montażowych wykonana jako dzielona, natomiast wewnętrzna część 8 z powierzchniami uszczelniającymi 13 i pierścieniami wyrzucającymi 15 jest wykonana jako jedna lita część. Obie te części 7 i 8 są względem siebie obrotowe, ale osiowo nieruchome aż do przemieszczeń uwarunkowanych działaniem. Ponadto przyporządkowana bezpośrednio czołowej powierzchni 11 część odpowiedniej uszczelniającej powierzchni 13 jest w kierunku osiowym wykonana bez przerwania.

Claims (9)

1. Uszczelnienie labiryntowe pomiędzy obrotowymi częściami, osiowo nieruchomymi i obrotowymi względem siebie wokół osi, z co najmniej dwiema umieszczonymi osiowo jedna za drugą, pierścieniowymi, nieprzerwanymi uszczelniającymi szczelinami pierścieniowymi pomiędzy powierzchnią czołową pierścieniowego elementu usytuowanego na jednej części a bezdotykowo ściśle sąsiadującą, przeciwległą uszczelniającą powierzchnią na drugiej części, przy czym czołowa powierzchnia i uszczelniająca powierzchnia tworzą płaszczowe powierzchnie odpowiedniej szczeliny uszczelniającej, i co najmniej jedna płaszczowa powierzchnia co najmniej jednej uszczelniającej szczeliny jest wykonana stożkowe, znamienne tym, że powierzchnie czołowe (11) oraz powierzchnie uszczelniające (13) pierścieniowych szczelin uszczelniających (12) na jednym końcu uszczelnienia labiryntowego uformowane są tak, że ich pochylenia są przeciwne względem powierzchni czołowych (11) oraz powierzchni uszczelniających (13) pierścieniowych szczelin uszczelniających (12) na drugim końcu uszczelnienia labiryntowego.

2. Uszczelnienie według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia czołowa (11) jest wykonana stożkowe.

3. Uszczelnienie według zastrz. 1, znamienne tym, że uszczelniająca powierzchnia (13) jest wykonana stożkowo.

4. Uszczelnienie według zastrz. 1, znamienne tym, że obie powierzchnie płaszczowe (11, 13) uszczelniającej szczeliny pierścieniowej (12) są wykonane stożkowo i mają takie samo pochylenie.

5. Uszczelnienie według zastrz. 1, znamienne tym, że przeciętne średnice co najmniej dwóch sąsiednich stożkowych szczelin uszczelniających (12) są przynajmniej w przybliżeniu jednakowe.

6. Uszczelnienie według zastrz. 1, znamienne tym, że uszczelniające szczeliny pierścieniowe (12) są wykonane z przeciwnym pochyleniem.

7. Uszczelnienie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej dwa pierścieniowe elementy (9) wspólnej przejściowej uszczelniającej powierzchni (13) są usytuowane naprzeciw siebie.

8. Uszczelnienie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, albo 7, znamienne tym, że wiele stożkowych powierzchni uszczelniających (13) umieszczone jest osiowo jedne za drugą na jednej części

9. Uszczelnienie według zastrz. 8, znamienne tym, że pomiędzy sąsiednimi powierzchniami uszczelniającymi (13) umieszczone są promieniowo na zewnątrz skierowane odprowadzające pierścienie (15), które wchodzą pomiędzy przyporządkowane sąsiednie pierścieniowe elementy (9).