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Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine WHR-Turbine mit einer erfindungsgemäßen Gleitringdichtung.
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Stand der Technik
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Gleitringdichtungen werden eingesetzt, um rotierende Bauteile an Maschinen, wie beispielsweise Pumpen, Verdichter oder Turbinen, gegen flüssige, gasförmige oder sogar feste Medien abzudichten. Die Abdichtung wird hierbei primär über zwei ringförmige Dichtelemente in Form eines Gleitrings und eines Gegenrings bewirkt, die sich an einem axialen Dichtspalt gegenüberliegen. Der Gegenring ist üblicherweise auf dem rotierenden Bauteil angeordnet, so dass er sich im Betrieb der Maschine mit dem rotierenden Bauteil dreht. Der Gleitring ist in der Regel stationär angeordnet und mittels der Federkraft einer Feder gegen den Gegenring axial vorgespannt, so dass der Gleitring und der Gegenring in Dichtkontakt miteinander stehen.
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Eine Gleitringdichtung der vorstehend genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 21 26 911 A hervor. Der Gleitring wird hier mittels eines Federrings gegen den drehenden Gegenring gedrückt.
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Bewegen sich Gleitring und Gegenring im Betrieb einer die Gleitringdichtung aufweisenden Maschine relativ zueinander, unterliegen die jeweiligen Dicht- bzw. Gleitflächen dem Verschleiß. Zwar wird der Verschleiß durch einen hydrodynamischen Fluidfilm gemindert, der sich zwischen dem Gleitring und dem Gegenring ausbildet und dazu führt, dass der Gleitring vom rotierenden Gegenring abhebt. Bei geringer Drehzahl jedoch, insbesondere beim Starten und Stoppen der Maschine, ist der Fluidfilm noch nicht aufgebaut oder nicht mehr ausreichend, um den Verschleiß zu mindern. Gleitringdichtungen werden daher regelmäßig geprüft und bei Beschädigung ausgetauscht.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Robustheit und damit die Zuverlässigkeit einer Gleitringdichtung zu erhöhen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Gleitringdichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird eine WHR-Turbine mit einer erfindungsgemäßen Gleitringdichtung angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Gleitringdichtung umfasst einen Gleitring und einen Gegenring, die sich an einem axialen Dichtspalt gegenüberliegen. Erfindungsgemäß ist bzw. sind der Gleitring und/oder der Gegenring gegenüber einer um eine Längsachse A drehenden Welle, auf welcher der Gegenring angeordnet ist, parallel zur Längsachse A verschiebbar gelagert, so dass ein zwischen dem Gleitring und dem Gegenring bestehender Dichtkontakt durch eine Vergrößerung des axialen Dichtspalts aufhebbar ist. Das heißt, dass Mittel vorhanden sein müssen, die eine axiale Verschiebung des Gleitrings und/oder des Gegenrings entgegen einer den Dichtkontakt herstellenden axialen Vorspannkraft ermöglichen, um den Dichtkontakt aktiv aufheben zu können.
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Über eine aktive axiale Verschiebung des Gleitrings und/oder des Gegenrings ist demnach ein Zustand herstellbar, in dem sich der Gleitring und der Gegenring der Gleitringdichtung nicht berühren. Dieser Zustand wird vorzugsweise bei Stillstand und/oder bei geringen Drehzahlen aktiv herbeigeführt, um den Verschleiß im Dichtkontakt zu mindern. Denn bei Stillstand und/oder bei geringen Drehzahlen ist kein oder zumindest kein ausreichender verschleißmindernder hydrodynamischer Fluidfilm zwischen dem Gleitring und dem Gegenring aufgebaut. Solange sich jedoch der Gleitring und der Gegenring nicht berühren, werden die jeweiligen Dicht- bzw. Gleitflächen auch nicht auf Verschleiß beansprucht. In der Folge steigt die Lebensdauer der Gleitringdichtung.
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Während der Dichtkontakt zwischen dem Gleitring und dem Gegenring der Gleitringdichtung aufgehoben ist, muss eine gewisse Leckage in Kauf genommen werden. Die erfindungsgemäße Gleitringdichtung ist demnach insbesondere für Maschinen geeignet, bei denen im Stillstand und/oder bei geringen Drehzahlen eine gewisse Leckage zulässig ist.
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Eine mit einer erfindungsgemäßen Gleitringdichtung ausgestattete Maschine wird bevorzugt in der Weise betrieben, dass die Maschine angefahren wird, während der Dichtkontakt zwischen dem Gleitring und dem Gegenring durch eine vorhergehende aktive axiale Verschiebung des Gleitrings und/oder des Gegenrings aufgehoben ist. Denn beim Anfahren wird üblicherweise erst ein Trocken- und/oder Mischreibungsgebiet durchfahren, so dass beim Anfahren der Verschleiß am größten ist. Berühren sich jedoch der Gleitring und der Gegenring beim Anfahren der Maschine nicht, werden sie auch nicht auf Verschleiß beansprucht.
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Ist das Trocken- und/oder Mischreibungsgebiet durchfahren, kann durch eine aktive axiale Verschiebung des Gleitrings und/oder des Gegenrings ein Dichtkontakt hergestellt werden, wobei üblicherweise hydrodynamische Kräfte den axialen Dichtspalt offen halten. Dennoch findet keine oder zumindest keine nennenswerte Leckage statt, da der Spalt nur wenige Mikrometer breit ist. Zeitgleich bildet sich im Dichtspalt ein hydrodynamischer Fluidfilm aus, der den Verschleiß an den Dicht- bzw. Gleitflächen der Gleitringdichtung reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Gegenring unmittelbar oder mittelbar mit der Welle drehfest verbunden. Das heißt, dass der Gegenring mit der Welle dreht. Der Gleitring dreht vorzugsweise nicht. Zur aktiven Aufhebung des Dichtkontakts wird in diesem Fall bevorzugt der Gleitring gegenüber dem Gegenring in axialer Richtung bzw. parallel zur Längsachse A der Welle verschoben. Denn die axiale Verschiebung eines nicht drehenden Bauteils lässt sich einfacher umsetzen.
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Bevorzugt ist der Gleitring in Richtung des Gegenrings axial vorgespannt. Die axiale Vorspannung stellt den Dichtkontakt zwischen dem Gleitring und dem Gegenring sicher. Die axiale Vorspannung wird vorzugsweise mittels der Federkraft einer Feder bewirkt, die hierzu weiterhin vorzugsweise am Gleitring axial abgestützt ist. Bei der Feder kann es sich beispielsweise um eine Schraubendruckfeder oder eine Tellerfeder handeln. Soll der Dichtkontakt zeitweise aufgehoben werden, kann der Gleitring entgegen der Federkraft der Feder aktiv verschoben werden.
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Des Weiteren bevorzugt ist der Gleitring in einem Gehäuse aufgenommen. Das Gehäuse schützt den Gleitring vor äußeren Einwirkungen. Ferner kann mittels des Gehäuses eine axiale Verschiebung des Gleitrings bewirkt werden. Das Gehäuse ist hierzu bevorzugt parallel zur Längsachse A der Welle verschiebbar gelagert.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Gleitring axial verschiebbar im Gehäuse aufgenommen ist. Die konstruktiven Voraussetzungen, die eine axiale Verschiebung des Gleitrings ermöglichen, können in diesem Fall über das Gehäuse geschaffen werden, so dass diese Ausführungsform besonders einfach umsetzbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Gleitring in Richtung eines Anschlags axial vorgespannt ist. Der Anschlag definiert eine Endlage des Gleitrings, wenn kein Dichtkontakt mit dem Gegenring hergestellt ist. Der Anschlag kann durch ein separates Bauteil oder durch das Gehäuse gebildet werden, in dem der Gleitring aufgenommen ist. Vorzugsweise wird der Gleitring mittels der Federkraft einer Feder in Richtung des Anschlags axial vorgespannt. Hierbei kann es sich insbesondere um dieselbe Feder handeln, die der axialen Vorspannung des Gleitrings in Richtung des Gegenrings dient. Auf diese Weise kann die Anzahl der erforderlichen Bauteile gering gehalten werden.
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Der Anschlag, gegen den der Gleitring axial vorgespannt ist, kann stationär oder parallel zur Längsachse A der Welle verschiebbar gelagert sein. Bei einem stationären Anschlag wird vorzugsweise die aktive Aufhebung des Dichtkontakts zwischen dem Gleitring und dem Gegenring durch eine axiale Verschiebung des Gegenrings gegenüber der Welle bewirkt. Ist der Anschlag axial verschiebbar, kann dieser zur aktiven Aufhebung des Dichtkontakts eingesetzt werden. Denn bei einer axialen Verschiebung des Anschlags wird der Gleitring mitgeführt, so dass er vom Gegenring abgezogen wird. Der Anschlag kann dabei durch ein axial verschiebbares Gehäuse ausgebildet werden, in dem der Gleitring aufgenommen ist, oder durch ein separates Bauteil.
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Die Mittel, um eine aktive axiale Verschiebung des Gleitrings und/oder des Gegenrings herbeizuführen, können insbesondere einen druckbeaufschlagbaren Kolben, eine Feder, einen Magneten und/oder einen Stellmotor umfassen. Die Mittel können direkt oder indirekt, beispielsweise über ein den Gleitring aufnehmendes Gehäuse und/oder ein anschlagausbildendes Bauteil auf den Gleitring und/oder den Gegenring einwirken. Ferner können die Mittel einzeln oder kumulativ eingesetzt werden.
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Beispielsweise kann ein gegenüber der Welle axial verschiebbarer Gleitring mittels einer Feder gegen einen auf der Welle angeordneten Gegenring axial vorgespannt sein. Um den Gleitring vom Gegenring zu trennen, kann ein Magnet, insbesondere ein Elektromagnet, vorgesehen sein, der in bestromtem Zustand den Gleitring vom Gegenring aktiv wegzieht. In unbestromtem Zustand drückt die Feder den Gleitring gegen den Gegenring.
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Ferner bevorzugt sind Mittel zur Steuerung der axialen Verschiebung des Gleitrings und/oder des Gegenrings vorgesehen. Diese können insbesondere mindestens ein Ventil und/oder eine Steuereinheit umfassen. Über die Mittel zur Steuerung kann eine die erfindungsgemäße Gleitringdichtung aufweisende Maschine derart betrieben werden, dass der Verschleiß im Bereich der Gleitringdichtung minimiert ist. Auf diese Weise steigt auch die Lebensdauer der Maschine.
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Bei der Maschine kann es sich um eine Pumpe, einen Verdichter oder eine Turbine handeln. Eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Gleitringdichtung sieht jedoch den Einsatz in einer Turbine für ein WHR(„Waste Heat Recovery“)-System vor. In dieser konkreten Anwendung ist eine gewisse Leckage bei Stillstand und/oder bei geringen Drehzahlen der Turbine hinnehmbar.
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Demzufolge wird ferner eine WHR-Turbine mit einer erfindungsgemäßen Gleitringdichtung vorgeschlagen, wobei vorzugsweise die Gleitringdichtung einen Druckteiler zur Reduzierung der Axialkräfte und/oder der Leckage über einen Radrücken der Turbine ausbildet.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Gleitringdichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform a) mit Dichtkontakt und b) ohne Dichtkontakt zwischen Gleitring und Gegenring,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Gleitringdichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform a) ohne Dichtkontakt und b) mit Dichtkontakt zwischen Gleitring und Gegenring, sowie
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Gleitringdichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform a) ohne Dichtkontakt und b) mit Dichtkontakt zwischen Gleitring und Gegenring.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die Gleitringdichtung 1 der 1 weist einen Gleitring 2 und einen Gegenring 3 auf, die sich an einem axialen Dichtspalt 4 gegenüber liegen. Der Gegenring 3 ist auf einer rotierenden Welle 5 angeordnet und drehfest mit der Welle 5 verbunden, so dass er sich mit der Welle 5 dreht. Der Gleitring 2 dreht nicht, so dass im Dichtkontakt mit dem Gegenring 3 beide Ringe auf Verschleiß beansprucht werden.
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In der 1a) ist ein Dichtkontakt des Gleitrings 2 mit dem Gegenring 3 hergestellt. Denn der Gleitring 2 wird über die Federkraft einer Feder 6 gegen den Gegenring 3 gedrückt bzw. gegen den Gegenring 3 axial vorgespannt. In der 1a) ist demnach der axiale Dichtspalt 4 minimal. Eine ringförmiges Dichtelement 9, das den Gleitring 2 umgibt, dichtet zudem eine Radialspalt zwischen dem Gleitring 2 und einem Gehäuse ab, wobei es sich beispielsweise um ein Gehäuse 7 der Gleitringdichtung 1 handeln kann (siehe Bezugszeichen in Klammern).
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Beginnt - wie in der 1b) durch einen Pfeil dargestellt - die Welle 5 zu rotieren, wird zur Minderung des Verschleißes im Dichtkontakt der Gleitringdichtung 1 der Dichtkontakt zwischen dem Gleitring 2 und dem Gegenring 3 zeitweise gezielt aufgehoben. Hierzu kann bzw. können der Gleitring 2 und/oder der Gegenring 3 axial, das heißt parallel zu einer Längsachse A der Welle 5 verschoben werden. Dabei vergrößert sich der axiale Dichtspalt 4, so dass sich der Gleitring 2 und der Gegenring 3 nicht berühren. Da kein Kontakt besteht, werden die am Gleitring 2 und am Gegenring 3 ausgebildeten Dicht- bzw. Gleitflächen auch nicht auf Verschleiß beansprucht.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Gleitring 2 axial verschiebbar in einem gegenüber der Welle 5 axial verschiebbaren Gehäuse 7 aufgenommen. Das Gehäuse 7 bildet einen Anschlag 8 aus, gegen den der Gleitring 2 mittels der Federkraft der Feder 6 axial vorgespannt ist. Ein ringförmiges Dichtelement 9 dichtet einen Radialspalt zwischen dem Gleitring 2 und dem Gehäuse 7 ab. Um den Dichtkontakt zwischen dem Gleitring 2 und dem Gegenring 3 aufzuheben, wird das Gehäuse 7 axial verschoben. Über den Anschlag 8 wird der Gleitring 2 mitgeführt (siehe 2a)). Nun kann die Rotation der Welle 5 beginnen. Ist eine vorgegebene Drehzahl erreicht, kann das Gehäuse 7 in Richtung des Gegenrings 3 zurück bewegt werden, so dass der Gleitring 2 wieder in Kontakt mit dem Gegenring 3 gelangt. Wird die Bewegung des Gehäuses 7 über den Kontakt hinaus fortgesetzt, löst sich der Gleitring 2 vom Anschlag 8 des Gehäuses 7 und bewegt sich entgegen der Federkraft der Feder 6 relativ zum Gehäuse 7 (siehe 2b)). Auf diese Weise wird die erforderliche axiale Vorspannung des Gleitrings 2 gegenüber dem Gegenring 3 bewirkt.
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Alternativ zur Darstellung der 2 kann das Gehäuse 7 auch stationär ausgebildet sein. In diesem Fall wird der Gegenring 3 gegenüber der Welle 5 axial verschoben, um den Dichtkontakt zum Gleitring 2 aufzuheben. Die axiale Vorspannung des Gleitrings 2 kann ebenfalls über eine axiale Verschiebung des Gegenrings 3 bewirkt werden. Hierzu wird der Gegenring 3 in Richtung des Gleitrings 2 bewegt, bis dieser vom Anschlag 8 des Gehäuses 7 abhebt.
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Der 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gleitringdichtung 1 zu entnehmen. Hier wird der Anschlag 8, gegen den der Gleitring 2 axial vorgespannt ist, durch ein separates Bauteil gebildet. Das anschlagausbildende Bauteil ist gegenüber der Welle 5 axial verschiebbar, so dass über die Position des Bauteils bzw. des Anschlags 8 die Lage des Gleitring 2 veränderbar ist (siehe 3a)). Das Gehäuse 7, in dem der Gleitring 2 axial verschiebbar aufgenommen ist, ist stationär.
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Damit im Normalbetrieb ein Dichtkontakt zwischen dem Gleitring 2 und dem Gegenring 3 sicher hergestellt ist, wird das anschlagbildende Bauteil über den Dichtkontakt hinaus axial verschoben. Dabei löst sich der Gleitring 2 vom Anschlag 8 (siehe 3b)).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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