SEAL FOR SEALING HIGH-PRESSURE DEVICES

Abstract: 1. A seal for sealing components displaceable in bores of pressure-loadable devices, a recess (11) in the device in question receiving a metal sleeve (1) which surrounds the displaceable component and a sealing ring (3) of substantially rectangular or square cross-section which can be acted upon with axial force by means of a pressing device, surrounds at least part of the area of the exterior casing of the sleeve and exerts a radial force, characterized in that, in order to seal high-pressure devices, preferably to seal plungers or pistons (2) - moved in an oscillating manner - of high-pressure pumps or of rotating shafts of high-pressure apparatus, a sealing ring (3), which encloses about its entire periphery the slidable sealing sleeve (1) enclosing the plunger or piston (2) or the shaft preferably in a closely fitting manner and which sealing ring is reinforced by means of chamber rings (5) of high-tensile strength metal at least on those edges which are adjacent to the gaps which are under pressure inside the high-pressure device, is disposed in, preferably in a recess (11) of, the bore (6) of the high-pressure device.

Description: Dichtung zum Abdichten von Hochdruck einrichtungen Die Erfindung betrifft eine Dichtung zum Abdichten von Hochdruckeinrichtungen, bzw. zum Abdichten von oszillierend bewegten Plungern bzw. Verdrängerkolben von Hochdruck-Pumpen oder von rotierenden Wellen von Hochdruck-Apparaturen. Es ist eine Hochdruckdichtung für Verdrängerkolben von Kolbenpumpen bekannt, die durch eine metallische Hülse gebildet ist, die den Verdrängerkolben in einer Pumpenkopfbohrung mit Abstand zu der Wand der Pumpenkopfbohrung umgibt und am druckabwärtigen Ende einen Führungsflansch aufweist, der in einer im Vergleich zur Pumpenkopfbohrung erweiterten Einstichbohrung des Pumpenkopf es liegt. Bei hohen Drucken im Bereich von mehreren tausend bar - wie sie insbesondere bei Pumpen für Flüssigkeits-Strahl-Schneideinrichtungen angewandt werden - hat sich die bekannte Hochdruck-Spalt-Dichtung als nicht ausreichend erwiesen; die Spaltbüchse weist unterschiedliche Materialstärken auf, so dass es insbesondere bei stark schwankenden Druckbelastungen zu Material-Brüchen kommen kann. Ausserdem sind die Standzeiten nicht zufriedenstellend. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruck Dichtung - insbesondere für nichtschmierende Flüssigkeiten der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine zuverlässige Abdichtung ermöglicht, möglichst verschleisslos arbeitet, hohe Standzeiten aufweist und die Gefahr des Auftretens von Material-Brüchen ausschliesst und bei welcher der Spalt zwischen Dichtung, abzudichtendem Plunger, Kolben oder Welle einstellbar bzw. regulierbar ist. Es wurde eine Dichtungshülse entwickelt, welche keine wesentlichen und insbesondere keine abrupten Schwankungen in der Materialstärke aufweist und gewünschtenfalls wesentlich geringere Baulängen aufweisen kann, als die oben beschrie- benen bekannten Konus-Spalt-Dichtungen. Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Dichtung zum Abdichten von Hochdruckeinrichtungen, vorzugsweise zum Abdichten von oszillierend bewegten Plungern bzw. Kolben von Hochdruck-Pumpen oder von rotierenden Wellen von Hochdruck Apparaturen, die gekennzeichnet ist durch eine in der Bohrung der Hochdruck-Einrichtung angeordnete, den Plunger bzw. Kolben oder die Welle vorzugsweise satt umschliessende gleitfähige metallische Dichtungs-Hülse und einen mittels Anpress-Einrichtung mit axialer Kraftwirkung beaufschlagba- ren, zumindest einen Teilbereich des Aussen-Mantels der Hülse vollumfänglich umschliessenden, gegebenenfalls in einer Ausnehmung der Bohrung angeordneten, auf die Hülse radiale Kraftwirkung ausübenden Dichtungsring. Der die Dichtungshülse umschliessende Dichtungsring wird mit einer kontrollierbaren axialen Kraft beaufschlagt und übt seinerseits entsprechend dieser Kraft über den gesamten Umfang wirksame, nach innen zur Achse gerichtete radiale Kräfte auf die Dichtungshülse aus, welche dadurch ihr Spiel zum Plunger oder Welle verkleinert, wodurch die Dicke des Spaltes zwischen Hülse und Plunger bzw. Welle äusserst gering und einstellbar gehalten wird. Mit der neuen Dichtung ist es möglich, die Leckage, die in erster Linie von der Spaltdicke abhängt, auf ein tolerierbares Mass zu bringen bzw. auch auf Null, wenn die Werkstoffpaarung Hülse-Plunger den Null-Spalt zulässt, ohne ein Verreiben nach sich zu ziehen. Ein weiterer Vorteil des plastischen Dichtringes um die Hülse ist der, dass sich die Dichtungshülse nach dem Plunger bzw. der Welle zentrieren kann und auch geringfügige Bewegungen der Hülse vom Dichtring aufgenommen werden können, so dass auch dann die äu- sserst gering zu haltende Spaltdicke aufrechterhalten bleibt. Besonders überraschend hat sich gezeigt, dass bei Einbau der neuen Hochdruck-Dichtungen die Standzeiten wesentlich erhöht werden konnten. Die Dichtungs-Hülse kann in einer zu ihrer Aufnahme vorgesehenen erweiterten Einstichbohrung in der Bohrung der Pumpen bzw. Apparatur angeordnet sein. Um zumindest eine Querschnittsänderung in der Bohrung des - infolge der hohen Betriebs-Drucke hohen Belastungen ausgesetzten - Gehäuses, die zur Schaffung eines Platzes für die Dichtungshülse dient, zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn in der gleichmässigen Durchmesser aufweisenden Bohrung der Hochdruck-Einrichtung eine Hülse eingesetzt ist, die im wesentlichen ähnliche Querschnitts-Dimension aufweist, wie die Dichtungs-Hülse und an diese gegen das Innere der Hochdruck-Einrichtung anschliessend angeordnet ist. Soll Jegliche Querschnittsänderung innerhalb der Bohrung der Hochdruck-Einrichtung im Bereich der Dichtungsstelle vermieden werden, wird vorgesehen, dass in der gleichmässigen Durchmesser aufweisenden Bohrung der Hochdruck-Einrichtung eine Hülse eingesetzt ist, und dass im Bereich der Bohrung zwischen dem an die Dichtungs-Hülse angrenzenden Ende der Hülse und dem Dichtungsring eine Büchsenhülse angeordnet ist. Die Dichtungs-Hülse ist bevorzugt aus Stahl oder aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung. Als Werkstoff für die Hülse haben sich Kupfer-Beryllium-Legierungen CuBe2 bewährt. Die Dichtungs-Hülse weist günstigerweise eine Länge auf, die gleich dem oder grösser als ihr Innendurchmesser ist. Weiters kann vorgesehen sein, dass die Dichtungshülse an ihrer Innenfläche quer zur Hülsenachse verlaufend, vor zugsweise etwa halbkreis- oder U-förmige Rillen aufweist. Damit wird ausser der durch die Radialkräfte des Dichtungsringes auf die Dichtungs-Hülse bewirkten Anpassung der Abdichtung der Kolben- bzw. Wellen-Durchführung zusätzlich der Effekt einer Labyrinth-Dichtung erreicht; darüber hinaus können die Rillen zur Verteilung eines Schmiermittels dienen, so dass die Gleitwirkung erhöht wird. Um den Effekt der erfindungsgemässen Hochdruck-Dichtung noch zu erhöhen, kann die Dichtungshülse so gestaltet sein, dass sie einen gegen das Innere der Hochdruck-Einrichtung gerichteten, schwach konisch geformten, als Hochdruckkonus Dichtung ausgebildeten Teil aufweist. Bei dieser Ausführungsform der Hülse lassen sich die Vorteile der Konus-Hochdruck-Dichtung mit jenen der erfindungsgemässen Hochdruck-Dichtung komblnieren, ohne dass die Nachteile der Konus-Dichtung in Kauf genommen werden müssen. Der die auf ihn ausgeübten Axialkräfte in auf die Dichtungshülse ausgeübte Radialkräft umwandelnde Dichtungsring ist bevorzugt aus einem plastischen und/oder viskosen Ma terial, vorzugsweise aus Kunststoff, gefertigt. Als günstig für diesen Zweck haben sich Polymere auf Basis, gegebenenfalls fluorierter, Polyalkylene, besonders solche auf Basis von Polytetrafluoräthylen (PTFE3 bzw. solche aus einem PTFE-Compound-Werkstoff erwiesen. Um ein Auskriechen des Dichtungsringes auch bei höchster Druckbeanspruchung zu verhindern, wie sie auch bei einem besonders geringen Spalt gegeben sind, ist es von Vorteil, wenn der Dichtungsring im wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist und zumindest an jenen Kanten, die an den unter Druck stehenden Spalten innerhalb der Hochdruck-Einrichtung angrenzen, mittels, vorzugsweise drei eckigen Querschnitt aufweisenden, Kammerringen aus hochfestem Metall, vorzugsweise aus Stahl, armiert ist. Damit wird der unter Druck stehende Dichtungsring durch die Stahlkammerringe, welche infolge der Keilwirkung um deren Dreikantprofil selbständig die Spalte abdecken, mit Sicherheit vor einem Auskriechen bewahrt. Derartige Kammerungsringe und deren Konstruktion sind in der AT-PS 296.700 beschrieben. Gemäss einer besonderen Ausführungsform der Hochdruck-Dichtung ist vorgesehen, dass die auf den Dichtungsring axiale Krafteinwirkung ausübende Anpresseinrichtung durch einen, vorzugsweise L-förmigen Querschnitt auSweisenden, Anpressring und eine diesen gegen den Dichtungsring pressende, mit variabler Belastung beaufschlagbare Stopfbüchsen-Brille gebildet ist. Dabei handelt es sich um eine bei Dichtungen seit langem angewandte und bewährte Konstruktion, die eine sehr genaue Einstellung der auf den Dichtungsring auszuübenden Radialkraft und damit auf die Dicke des Dichtungsspaltes ermöglicht. Der Ring kann, insbesondere wenn an der Dicht-Stelle ein Schmiermittel eingebracht werden soll, an seiner Innenfläche eine, gegebenenfalls mehrere Dichtlippen umfassende, Lippendichtung tragen. Zur Zuführung eines Schmiermittels können im Anpressring an dessen Innenfläche mündende Kanäle für die Zufuhr eines Schmiermittels angeordnet sein. Solche Schmiermittel-Kanäle können selbstverständlich allein oder zusätzlich auch an der Dichtungs-Hülse an deren Innenflächen mündend vorgesehen sein. In einer Testanordnung wurde die erfindungsgemässe Dichtung in einer doppeltwirkenden Plungerpumpe für 5000 bar Wasser erprobt. Dabei waren folgende Werkstoffe eingesetzt: Plunger: Hartmetall Dichtungshülse: Kupfer-Beryllium Dichtungsring: PTFE Compound Kammerungsringe: rostfreier Stahl Die axiale Anzugskraft für den Dichtungsring entsprach einer Belastung des PTFE mit 4000 kp/cm2. Es hat sich gezeigt, dass noch wesentlich höhere Wasserdrucke im Bereich von 5000 bis 6000 bar mit dieser Dichtungsausführung zu beherrschen sind. An Hand der Zeichnung sei die erfindungsgemässe Hochdruck Dichtung näher erläutert: Fig. 1 ist ein Längs-Schnitt durch eine verhältnismässig einfache Ausführungsform der erfindungsgemässen Dichtung an einer Hochdruck-Plungerpumpe und Fig. 2 ein ebensolcher Schnitt durch eine andere, mit zusätzlichem, nach Art einer Konus-Spalt-Dichtung ausgebildetem Teil ausgestatteten er findungsgemäss en Hochdruckdichtung. Fig. 1 zeigt die im üblicherweise aus einem für Hochdruck Apparaturen geeigneten, hochfesten, hochlegierten Stahl bestehenden Pumpengehäuse 22 angeordnete Bohrung 6, in welche eine Hülse 12 eingesetzt ist. Innerhalb dieser Hülse ist der oszillierend bewegbare Pumpen-Plunger 2, der z.B. aus Hartmetall gefertigt ist und eine Oberflächenrauheit im Bereich von 0,0) mm aufweisen kann, gleitend gelagert. Gegen den Pumpenkopf, also nach aussen hin, weist die Bohrung 6 eine erweiterte Einstichbohrung auf, welche eine Ausnehmung 11 für die Aufnahme des Dichtungsringes 5 bildet und den Anpressring 14 trägt. An die Hülse 12 schliesst sich pumpenkopfseitig die den Plunger 2 satt umschliessende Dichtungshülse 1 an, die in der gezeigten Anordnung keine Rillen aufweist. Diese Dichtungshülse 1 ist ihrerseits von dem in der Ausnehmung 11 angeordneten, vorzugsweise aus einem Polytetrafluor äthylen-Compound-Werkstoff gefertigten Dichtungsring 5 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt umschlossen. Dieser Ring 9 trägt an den drei Spalten Jeweils Kammerringe 5 aus Stahl mit dreieckigem Profilquerschnitt. Diese Kammerringe dienen zur Armierung des Dichtungsringes und verhindern dessen Auskriechen. In Einzelheiten sind diese Ringe in der AT-PS 296.700 beschrieben. An den Ring 5 schliesst sich nach aussen hin der die Dichtungshülse 1 an der Stirnfläche und im dortigen Mantelbereich umschliessende L-förmige Anpressring 14 an, der in der gezeigten Anordnung Bohrung(en) 19 zur Zufuhr von als Schmiermittel dienendem Öl sowie zur Abdichtung nach aussen hin, einen den Plunger 2 umschliessenden O-Ring 24 üblicher Bauart aufweist. Der Anpressring 14 wird mit der durch auf die im Pumpengehäuse verankerten Bolzen 25 aufgeschraubte Muttern 26 anziehbarren, stopfbüchsenbrillenartige Ausbildung aufweisenden Druckplatte 16, die eine Anpresseinrichtung 9 bilden, axial gegen den Dichtungsring 5 gepresst und dieser wandelt diese axial gerichteten Presskräfte seinerseits in radial gerichtete Kräfte um, die auf die Aussenmantelfläche der ringförmigen Dichtungshülse 1 wirken und deren Innenmantelfläche gegen die Oberfläche des Plungers 2, das Spiel verkleinernd, pressen. Je nach den mit den Muttern 26 einstellbaren axial ge erachteten Kräften lässt sich auf diese Weise die radiale Anpresskraft auf die Dichtungshülse 1 und damit die Breite des Spaltes zwischen Dichtungshülse 1 und Plunger 2 Je nach dem zu beherrschenden Druck auf jeden gewünschten Wert einstellen, wodurch sowohl die Lebensdauer als auch die Dichtheit einstellbar ist. Die Fig. 2 zeigt eine im Prinzip ähnliche Anordnung wie Fig. 1, nur weist dort die Bohrung 6 im Pumpengehäuse 22 auch im Bereich der Dichtung gleichmässigen Querschnitt auf. Es ist dort in der Bohrung 6 auch keine Ausnehmung zur Aufnahme des Dichtungsringes 5 vorgesehen. Vielmehr sitzt in der Bohrung 6 im Bereich der Dichtungshülse 1, die sich wie bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung an die Hülse 12 pumpenkopfseitig anschliesst und an ihrer Innenseite Rillen 17 aufweist, eine diese Hülse 1 umgebende Büchsenhülse 20, welche ihrerseits mit ihrer pumpenkopfseitigen Stirnfläche an den in der gezeigten Anordnung vier Stahl-Kammerringe 5 tragenden Dichtungsring 5 angrenzt. Der Anpressring 14 weist an seiner Innenseite ausmündende Zufuhrkanäle 19 für Schmiermittel und Dichtlippen 18 auf. Er ist in das Pumpengehäuse 22 eingesetzt und hält mit seinem Vorsprung 14a die Dichtungshülse 1 in Position und wird über die Druckplatte 16 mit axialer Kraft mit seiner Stirnfläche 14b auf den Dichtungsring 3 gepresst, der seinerseits die Axialkraft in Radialkräfte umwandelnd auf den pumpenkopfseitigen Bereich des Aussenmantels der Dichtungshülse 1 drückt und damit das Spiel deren Innenfläche zur Oberfläche des hin- und hergleitenden Plungers 2 einstellt. Der dem Pumpeninneren zugekehrte Teil la der Dichtungs-Hülse 1 ist nach Art einer Hochdruck-Konus-Spalt-Dichtung mit gegen das Pumpeninnere gerichtetem, schwachem Konus ausgebildet. Der zwischen Innenfläche der Büchsenhülse 20 und Aussenfläche der Hülse 1 beflndlache, sich gegen den Pumpenkopf verengende Spalt steht unter Druck, wodurch die Innenfläche der Hülse 1 ebenfalls gegen den Plunger 2 gedrückt wird. Dadurch wird eine Art "Vordichtung" und damit Entlastung für die erfindungsgemässe Hochdruck-Dichtung erreicht.

Claims: Patentansprüche: 1. Dichtung zum Abdichten von Hochdruck-Einrtchtungen, vor zugsweise zum Abdichten von oszillierend bewegten Plun gern bzw. Kolben von Hochdruck-Pumpen oder von rotieren den Wellen von Hochdruck-Apparaturen, gekennzeichnet durch eine in der Bohrung (6) der Hochdruck-Einrichtung angeordnete, den Plunger bzw. Kolben (2) oder die Welle vorzugsweise satt umschliessende gleitfähige metallische Dichtungs-Hülse (1) und einen mittels Anpress-Einrich- tung (9) mit axialer Kraftwirkung beaufschlagbaren, zu mindest einen Teilbereich des Aussen-Mantels der Hülse (1) vollumfänglich umschliessenden, gegebenenfalls in einer Ausnehmung (11) der Bohrung (6) angeordneten, auf die Hülse (1) radiale Kraftwirkung ausübenden Dichtungs ring (5). 2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (1) in einer zu deren Aufnahme vorgesehenen Ausnehmung der Bohrung (6) der Hochdruck-Einrichtung angeordnet ist. 5. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der gleichmässigen Durchmesser aufweisenden Boh rung (6) der Hochdruck-Einrichtung eine Hülse (12) ein gesetzt ist, die im wesentlichen ähnliche Querschnitts Dimension aufweist, wie die Dichtungs-Hülse (1) und an diese gegen das Innere der Hochdruckeinrichtung anschlie ssend angeordnet ist. 4. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der gleichmässigen Durchmesser aufweisenden Boh rung (6) der Hochdruck-Einrichtung eine Hülse (12) ein gesetzt ist, und dass im Bereich der Bohrung zwischen dem an die Dichtungs-Hülse (1) angrenzenden Ende der Hülse (12) und dem Dichtungsring (5) eine BüchsenhUl- se (20) angeordnet ist. 5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Dichtungs-Hülse (1) aus Stahl oder einer Kupfer-Beryllium-Legterung gefertigt ist. 6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass die Dichtungs-Hülse (1) eine Länge aufweist, die gleich dem oder grösser als deren Innen durchmesser ist. 7. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass die Dichtungshülse (1) an ihrer Innen fläche quer zur Hülsen-Achse verlaurend, vorzugsweise etwa halbkreis- oder U-förmige, Rillen (13) aufweist. 8. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass die Dichtungshülse (1) einen gegen das Innere der Hochdruck-Einrichtung gerichteten, schwach konisch geformten, als Hochdruckkonus-Dichtung ausgebil deten Teil (la) aufweist. 9. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der Dichtungsring (5) aus einem pla stischen und/oder viskosen Material, vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt ist. 10. Dichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (D) aus einem Polymeren auf Tetra fluoräthylen-Basls gebildet ist. 11. Dichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, dass der Dichtungsring (5) im wesentlichen recht eckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist und zu mindest an jenen Kanten, die an den unter Druck stehen den Spalten innerhalb der Hochdruck-Einrichtung angren zen, mittels vorzugsweise drei eckigen Querschnitt auf weisenden, Kammerringen (5) aus hochfestem Metall, vor zugsweise aus Stahl, armiert ist. 12. Dichtung nach einem der Ansprüche i bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass die auf den Dichtungsring (5) axiale Krafteinwirkung ausübende Anpresseinrichtung (9) durch einen, vorzugswe-ise L-förmigen Querschnitt auSweisenden, Anpressring (14) und eine diesen gegen den Dichtungs ring (5) pressende mit variabler Belastung beauSschlag- bare Stopfbüchsen-Brille (16) gebildet ist. L Dichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpressring (14) an seiner Innenfläche eine, gegebe- nenfalls mehrere Dichtlippen umfassende, Lippendich tung (18) trägt. 14. Dichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Anpressring (14) an dessen Innenfläche mündende Ka näle (19) für die Zufuhr eines Schmiermittels und Ab fuhr der Leckage angeordnet sind.

Inventors: SCHIER, WALTER
Applicants: VEREINIGTE EDELSTAHLWERKE AKTIENGESELLSCHAFT (VEW)
Application year: 1982
Main classification: F16J15
IPC codes: F04B53, F16J15