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Die Erfindung betrifft eine Rotationsdichtungsanordnung für Hochdruckanwendungen. Rotationsdichtungsanordnungen finden sich bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen und weisen ein erstes und ein zweites Maschinenteil auf, die unter Ausbildung eines Dichtspalts voneinander beabstandet um eine Rotationsachse relativ zueinander rotierbar sind. Eines der beiden Maschinenteile kann beispielsweise eine (Antriebs-)Welle und das andere ein Gehäuse sein, an dem die Welle gelagert ist. Zwischen den beiden Maschinenteilen ist zumindest eine Rotationsdichtung angeordnet, durch die ein Hochdruckbereich gegenüber einem Niederdruckbereich des Dichtspalts, beispielsweise der Umgebungsatmosphäre, abgedichtet ist. Die Rotationsdichtung ist an einer Dichtungshaltestruktur des einen Maschinenteils gehalten angeordnet und weist nach einer Bauart einen Vorspannring, einen Dichtring sowie einen Stützring für den Dichtring auf. Der Dichtring liegt an der Dichtfläche des jeweilig anderen Maschinenteils dynamisch dichtend an.
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Die Rotationsdichtung solcher Rotationsdichtungsanordnungen unterliegt bei Hochdruckanwendungen, wie etwa bei Pumpen, Verdichtern oder Drehdurchführungen, einer enormen mechanischen und thermischen Beanspruchung. Deshalb muss eine ausreichende Schmierung und Kühlung der Rotationdichtung während des Betriebseinsatzes gewährleistet und eine übermäßige Dichtpressung des Dichtrings gegen die Dichtfläche vermieden werden. Darüber hinaus müssen konstruktive Vorkehrungen getroffen werden, um eine unerwünschte Extrusion des Dichtungselements in den Dichtspalt zu vermeiden. Andernfalls droht ein frühzeitiges Versagen der Rotationsdichtung.
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Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine Rotationsdichtungsanordnung sowie eine Rotationsdichtung für Hochdruckanwendungen anzugeben, die eine verbesserte Lebensdauer aufweisen und die zugleich einfach und kostengünstig bereitgestellt werden können.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Rotationsdichtungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Rotationsdichtung ist in Anspruch 15 angegeben. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie auch in der Beschreibung angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Rotationsdichtungsanordnung umfasst die Rotationsdichtung einen Stützring aus einem zähelastisch verformbaren Material, der einen hochdruckseitig angeordneten ersten Stützschenkel und einen davon beabstandet niederdruckseitig angeordneten zweiten Stützschenkel aufweist. Die beiden Stützschenkel sind über einen Rückenabschnitt miteinander verbunden. Durch die beiden Stützschenkel ist eine zur Dichtfläche hin offene Ringnut des Stützrings seitlich begrenzt. In der Ringnut des Stützrings ist ein Dichtring gehalten angeordnet. Der Stützring weist im Vergleich zum Dichtring eine größere Steifigkeit auf. Das Material des Stützrings kann dabei insbesondere ein größeres Modul bzw. Elastizitätsmodul aufweisen, als das Material des Dichtrings.
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Der Stützring übergreift den Dichtring somit an drei Seiten. Dadurch ist der Dichtring in Vorspannrichtung sowie auch in Richtung des Dichtspalts relativ zum Stützring lagefixiert oder im Wesentlichen am Stützring lagefixiert gehalten angeordnet. Ist die Rotationsdichtung als eine Radialwellendichtung ausgeführt, so übergreift der Stützring den Dichtring mithin in einer zur Rotationsachse radialen Richtung und zusätzlich beidseits in axialer Richtung. Im Falle einer als Axialwellendichtung ausgeführten Rotationsdichtung ist der Dichtring auf nur einer Seite in einer zur Rotationsachse axialen Richtung und beidseits in radialer Richtung vom Stützring übergriffen.
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Der Dichtring liegt an der Dichtfläche des jeweils anderen Maschinenteils (mit einem dynamischen Dichtabschnitt) dynamisch dichtend an. Zwischen dem die Dichtungshaltestruktur aufweisenden Maschinenteil und dem Rückenabschnitt des Stützrings ist ein gummielastisch verformbares Vorspannelement angeordnet, durch das der Dichtring über den Stützring in Richtung der Dichtfläche vorgespannt ist.
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Im nicht-druckbeaufschlagten Betriebszustand der Rotationsdichtung sind die beiden Stützschenkel des Stützrings von der Dichtfläche erfindungsgemäß beabstandet angeordnet. Die Stützschenkel haben mithin im nicht-druckbeaufschlagten Zustand der Rotationsdichtung keinen Kontakt mit der Dichtfläche, sodass eine unerwünschte Reibung zwischen dem Stützring und der Dichtfläche des einen Maschinenbauteils vermieden wird. Auch kann dadurch eine ausreichende Schmierung des Kontaktflächenbereichs zwischen dem Dichtring und der Dichtfläche mit einem hochdruckseitig angeordneten Fluid gewährleistet werden.
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Die Rotationsdichtung ist mittels eines auf der Hochdruckseite H herrschenden Betriebsdrucks über das Vorspannelement druckaktivierbar. Eine Druckaktivierung des Vorspannelements bewirkt eine zum Betriebsdruck druckproportionale Verformung des sich an einer Stützfläche eines der beiden Maschinenteile abstützenden Vorspannelements in Vorspannrichtung des Vorspannelements, derart, dass der Stützring durch das Vorspannelement mit seinem niederdruckseitigen Stützschenkel zur Dichtfläche hinbewegt und sich aufgrund einer hochdruckseitigen Entlastung des Stützrings durch das Vorspannelement mit seinem hochdruckseitigen Stützschenkel entgegen der Vorspannrichtung von der Dichtfläche wegbewegt. Bei der erfindungsgemäßen Rotationsdichtungsanordnung führt die Druckaktivierung des Vorspannelements somit insgesamt zu einer gegensinnigen Verformung des hochdruckseitigen Randabschnitts des Stützrings und des niederdruckseitigen Randabschnitts des Stützrings. Der Dichtring wird mit anderen Worten durch die Verformung des Vorspannelements einem Moment unterworfen und in sich verformt. Dadurch wird der Dichtspalt mit steigendem Betriebsdruck durch den niederdruckseitigen Stützschenkel des Stützrings zunehmend eingeengt. Einer unerwünschten Extrusion des Dichtrings in den Dichtspalt hinein kann dadurch zuverlässig und bedarfsgerecht entgegengewirkt werden. Unter „druckproportional“ wird vorliegend ein unterproportionales, proportionales sowie auch ein überproportionales Verhältnis der Bewegung des Stützrings und des Druckzuwachses des Betriebsdrucks verstanden. Insgesamt wird also die für das Dichtvermögen der Rotationsdichtung wesentliche Dichtpressung des Dichtrings gegen die Dichtfläche als auch der für Hochdruckanwendungen erforderliche Extrusionsschutz für den Dichtring in Abhängigkeit vom herrschenden Betriebsdruck bzw. einer zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Rotationsdichtungsanordnung anliegenden Druckdifferenz geregelt. Eine Leckage der Rotationsdichtung kann so selbst bei (höherfrequenten) Druckschwingungen zuverlässig vermieden werden. Fällt der auf der Hochdruckseite herrschende Betriebsdruck ab, so kann sich die Rotationsdichtung aufgrund der dem Material der einzelnen Dichtungskomponenten innewohnenden elastischen Rückstellvermögens selbsttätig in Richtung auf ihren nicht-druckbeaufschlagten Ausgangszustand zurückverformen.
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Nach der Erfindung kann die Rotationsdichtung in einer zur Rotationsachse radialen oder auch axialen Richtung (dynamisch) dichtend ausgeführt sein. Im erstgenannten Fall kann der Dichtring in radialer Richtung außenseitig oder innendichtend ausgeführt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kontaktiert der niederdruckseitig angeordnete Stützschenkel des Stützrings die Dichtfläche bei Erreichen oder bei Überschreiten eines vorgegebenen maximalen Werts des Betriebsdrucks. Der maximale Betriebsdruck kann beispielsweise 450 bar sein. Dadurch kann einer Extrusion des Dichtrings in den Dichtspalt selbst bei einer maximalen Druckbeaufschlagung der Hochdruckseite zuverlässig entgegengewirkt werden. Zugleich kann dadurch eine maximale Kontakt- oder Dichtpressung des Dichtrings gegen die Dichtfläche vorgegeben werden.
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Der Vorspannring erstreckt sich nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im nicht-druckbeaufschlagten Zustand der Rotationsdichtung über die gesamte Breite des Dichtrings. Dadurch wird eine gleichmäßige Krafteinleitung in den Stützring und mithin einer gleichmäßigen Kontaktflächenpressung der Dichtkante des Dichtrings gegen die Dichtfläche ermöglicht.
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Ganz besonders bevorzugt erstreckt sich der der Vorspannring im nicht-druckbeaufschlagten Zustand der Rotationsdichtung über die gesamte Breite oder nahezu über die gesamte Breite, d.h. zumindest 80% der Breite, des Stützrings und/oder des Dichtrings.
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Der Dichtring ist in der Ringnut des Stützrings vorzugsweise spielfrei gehalten angeordnet. Dies ist für das Ansprechverhalten der Rotationsdichtung auf hochdruckseitige Druckänderungen von Vorteil.
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Um ein Verkanten des Stützrings an der Dichtungshaltestruktur des einen Maschinenteils zu vermeiden, ist zumindest der niederdruckseitig angeordnete Stützschenkel des Stützrings außenseitig angefast. Sind beide Stützschenkel des Stützrings außenseitig jeweils angefast, so ist dies für einen bidirektional druckaktivierbaren Einsatz der Rotationsdichtung von Vorteil.
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Nach der Erfindung kann der Stützring und/oder der Dichtring und/oder das Vorspannelement jeweils ein Kunststoffmaterial umfassen oder aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Die genannten Bauteile können dadurch beispielsweise als Spritzgussteile ausgebildet sein.
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Für eine besonders einfache Montage und Demontage der Rotationsdichtung ist es vorteilhaft, wenn der Stützring und der Dichtring gemeinsam als ein Mehrkomponenten-Spritzgussteil ausgeführt sind. Dadurch kann zudem Montagefehlern entgegengewirkt werden. Auch bietet diese Bauart Kostenvorteile.
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Die Ringnut des Stützrings kann insbesondere trapezförmig ausgeführt sein. Dadurch wird eine einfache Montage und ein zuverlässiges Haltern des Dichtrings innerhalb der Ringnut des Stützrings ermöglicht.
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Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Dichtring zumindest abschnittsweise eine ballig ausgeführte dynamische Dichtkante bzw. einen ballig ausgeführten dynamischen Dichtabschnitt auf. Mit anderen Worten ist die Dichtkante/der Dichtabschnitt des Dichtrings in einer zum Dichtspalt parallelen Richtung zumindest abschnittsweise konvex nach außen in Richtung auf die Dichtfläche gekrümmt. Dadurch wird einerseits einem verfrühten Verschleiß des Dichtrings entgegengewirkt. Darüber hinaus kann dadurch die durch das druckaktivierte Vorspannelement erzwungene Verformung des Stützrings unterstützt werden. Auch ist ein zuverlässiges Dichtvermögen bei dem mit der Druckaktivierung des Vorspannelements einhergehenden translatorischen Verlagerung des Maximums der Dicht- oder Kontaktflächenpressung des Dichtrings gegen die Dichtfläche gewährleistet.
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Der Dichtring kann Tribostrukturen zur Unterstützung einer Schmierung des Kontaktflächenbereichs des Dichtrings und der (dynamischen) Dichtfläche aufweisen. Auch kann der Stützring an den freien Enden seiner Stützschenkel derlei Tribostrukturen aufweisen, die insbesondere bei Erreichen oder Überschreiten des vorgenannten maximalen Druckwerts des hochdruckseitigen Betriebsdrucks eine ausreichende Schmierung des Kontaktflächenbereichs zwischen Stützring und Dichtfläche unterstützen können.
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Die Stützfläche, an dem sich das Vorspannelement bei Druckaktivierung abstützt, ist vorzugsweise an dem die Dichtungshaltestruktur aufweisenden Maschinenteil angeordnet, insbesondere von diesem ausgebildet. Dadurch kann bei druckaktiviertem Vorspannelement ein unerwünschtes Mitrotieren des als statisches Nebendichtungselement wirkenden Vorspannelements vermieden werden.
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Die Stützfläche kann insbesondere eine Schulter oder eine Nutflanke der Dichtungshaltestruktur sein. Besonders bevorzugt ist die Dichtungshaltestruktur in Form einer Haltenut des ersten Maschinenteils ausgeführt. Dadurch wird eine einfache Montage der Rotationsdichtung erreicht.
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Die Rotationsdichtung kann in an sich bekannter Weise in einer Kartusche aus Metall, Kunststoff oder einem Verbundwerkstoff vormontiert sein.
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Besonders bevorzugt weist der Stützring eine Bauhöhe auf, die weniger als die Hälfte der Breite der Ringnut beträgt. Besonders bevorzugt weist der Dichtring eine Bauhöhe auf, die weniger als die Hälfte der Breite der Ringnut beträgt. Dadurch wird jeweils eine besonders kompakte und unter thermischen Aspekten günstige Bauform der Rotationsdichtung ermöglicht.
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Das Vorspannelement kann nach der Erfindung bidirektional druckaktivierbar sein. In diesem Fall ist die Dichtungshaltestruktur des einen Maschinenteils bevorzugt als eine Haltenut ausgeführt, in der das Vorspannelement quer zur Spannrichtung mit Spiel angeordnet ist. Die Rotationsdichtung kann dadurch auch bei Druckumkehr, d.h. invertierter Drucklage eine zuverlässige Dicht- und Selbstschutzfunktionalität bieten.
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Der Rückenabschnitt des Stützrings ist im nicht- druckbeaufschlagten Betriebszustand im Falle einer radial dichtenden Rotationsdichtung bevorzugt als eine (zur Rotationsachse rotationssymmetrische) Zylindermantelfläche und bei einer axial dichtenden Rotationsdichtung eine, bevorzugt plan ausgeführte, Ringfläche.
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Die erfindungsgemäße Rotationsdichtung ist insbesondere für Hochdruckanwendung geeignet und kann einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Darüber bietet die Rotationsdichtung einen verbesserten Extrusionsschutz für den Dichtring und kann insgesamt eine verbesserte Lebensdauer bieten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die gezeigten Ausführungsformen haben für die Schilderung der Erfindung lediglich beispielhaften Charakter.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Rotationsdichtungsanordnung mit zwei Maschinenteilen, die relativ zueinander um eine Rotationsachse rotierbar angeordnet sind und mit einer bezüglich der Rotationsachse in radialer Richtung dynamisch innendichtenden Rotationsdichtung mit einem Dichtring, der innerhalb der Ringnut eines Stützelements angeordnet ist, wobei der Dichtring mittels eines Vorspannelements unter Zwischenschaltung des Stützrings gegen die Dichtfläche des jeweilig anderen Maschinenteils vorgespannt ist und wobei der Vorspannring derart druckaktivierbar ist, dass der Stützring bei Druckbeaufschlagung derart verformt wird, dass die Dichtpressung des Dichtrings niederdruckseitig verstärkt und hochdruckseitig verringert wird, im nicht-druckbelasteten Betriebszustand und in einer Schnittdarstellung;
- 2 die Rotationsdichtungsanordnung gemäß 1 im druckbelasteten Zustand, in einer Schnittdarstellung;
- 3 eine Rotationsdichtungsanordnung mit zwei Maschinenteilen, die relativ zueinander um eine Rotationsachse rotierbar angeordnet sind und mit einer bezüglich der Rotationsachse in axialer Richtung dynamisch dichtend ausgeführten Rotationsdichtung, in nichtdruckbelasteter Ausgangslage und in einer Schnittdarstellung; und
- 4 die Rotationsdichtungsanordnung gemäß 3 im druckbelasteten Zustand, in einer Schnittdarstellung.
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1 zeigt eine Rotationsdichtungsanordnung 10 mit einem ersten Maschinenteil 12 und einem zweiten Maschinenteil 14, die unter Ausbildung eines Dichtspalts 16 voneinander beabstandet und um eine Rotationsachse 18 relativ zueinander rotierbar angeordnet sind. Das erste Maschinenteil 12 kann eine Welle, beispielsweise eine Antriebswelle, sein. Das zweite Maschinenteil 14 umgreift das erste Maschinenteil 12 in radialer Richtung und kann beispielsweise ein Gehäuse sein, an dem die Welle drehbar gelagert ist. Das erste Maschinenteil 12 weist umfangsseitig eine Dichtfläche 20 auf. Das zweite Maschinenteil 14 ist mit einer Dichtungshaltestruktur 22 versehen, die hier als eine ringförmige Haltenut des zweiten Maschinenteils ausgeführt ist. Die Dichtungshaltestruktur ist durch eine erste hochdruckseitige Flanke 22a, eine niederdruckseitig angeordnete zweite Flanke 22b und einen Nutboden 22c begrenzt. Zur Abdichtung des Dichtspalts 16 dient eine Rotationsdichtung 24. Durch die Rotationsdichtung 24 ist eine mit einem Fluid druckbeaufschlagbare Hochdruckseite H des Dichtspalts 16 in Richtung der Längserstreckung 26 des Dichtspalts gegenüber einer Niederdruckseite N abgedichtet. In 1 ist die Rotationsdichtung 24 im nicht-druckbeaufschlagten Betriebszustand gezeigt. Die Rotationsdichtung 24 ist in der Haltenut des zweiten Maschinenteils 14 angeordnet. Die Rotationsdichtung 24 weist im Wesentlichen drei Bauteile auf: Einen speziell ausgeformten Stützring 28, einen Dichtring 30 und ein Vorspannelement 32.
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Der Stützring 28 besteht aus einem zähelastisch verformbaren Material. Dies kann beispielsweise ein Kunststoff, ein Kunststoffverbundmaterial oder ein Metall sein. Der Stützring 28 ist im Hinblick auf seine Stützfunktion biegesteif ausgeführt. Der Stützring 28 weist gemäß 1 einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit einem hochdruckseitig angeordneten ersten Stützschenkel 34 und einen davon - hier axial - beabstandet angeordneten niederdruckseitigen zweiten Stützschenkel 36 auf.
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Die beiden Stützschenkel 34, 36 sind über einen Rückenabschnitt 38 miteinander verbunden und erstrecken sich jeweils vom Rückenabschnitt 38 in Richtung auf die Dichtfläche 20 des ersten Maschinenteils 12 weg. Der Rückenabschnitt 38 weist im nicht-druckbeaufschlagten Betriebszustand eine von der Dichtfläche wegweisende zylindermantelförmige Außenseite oder Rückenfläche 40 auf. Der Rückenabschnitt 38 ist in dem in 1 gezeigten nicht-druckbeaufschlagten Betriebszustand der Rotationsdichtung 24 zur Rotationsachse 18 parallel oder im Wesentlichen parallel verlaufend angeordnet. Der Stützring 28 weist ferner eine der Hochdruckseite H zuweisende und eine der Niederdruckseite N zuweisende Seitenflanke 42 auf. Die beiden Seitenflanken 42 des Stützrings 28 können jeweils plan, d. h. ohne eine Oberflächenprofilierung, ausgeführt sein. Zumindest die hochdruckseitige Seitenflanke 42 kann mit einer oder mehreren Nuten versehen sein, die der fluidischen Verbindung des Vorspannelements mit der Hochdruckseite dient/dienen. Die Seitenflanken 42 sind hier jeweils über eine Fase 44 mit der freien Endfläche 45 des jeweiligen Stützschenkels 34, 36 verbunden.
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Der Stützring 28 ist mit einer Ringnut 46 versehen, die zur Dichtfläche 20 hin offen ausgeführt ist. Die Ringnut 46 ist in seitlicher (hier axialer) Richtung durch zwei einander zuweisende Nutflanken 48 der beiden Stützschenkel 34, 36 begrenzt. Die Nutflanken 48 sind über einen mit 50 bezeichneten Nutgrund der Ringnut 46 miteinander verbunden. Gemäß 1 können die Nutflanken 48 jeweils unter einem spitzen Winkel α mit α < 90° zur Dichtfläche 20 schräg verlaufend angeordnet sein. Die Ringnut 46 weist (axiale) Breite b auf, die größer ist als deren (hier radiale) Tiefe h. Der Stützring 28 weist eine der Hochdruckseite H zuweisende hochdruckseitige Ringhälfte 28a und eine der Niederdruckseite N zuweisende niederdruckseitige Ringhälfte 28b auf.
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In der Ringnut 46 des Stützrings 28 ist der Dichtring 30 gehalten angeordnet. Der Dichtring 30 ist hier beispielhaft als ein innendichtender Radialdichtring ausgeführt. Der Dichtring 30 besteht aus einem gummielastisch oder aus einem zähelastisch verformbaren Material, wie beispielsweise PTFE (Polytetrafluoräthylen) oder einem PTFE-Compound. Der Dichtring weist eine kleinere Steifigkeit auf, als der Stützring. Das Material des Dichtrings 30 kann ein Modul bzw. Elastizitätsmodul aufweisen, das kleiner ist, als das Modul/Elastizitätsmodul des Materials des Stützrings. Der Dichtring 30 ist in einer zur Rotationsachse radialen Richtung, d.h. in Richtung einer mit 52 bezeichneten Vorspannrichtung des Vorspannelements 32, außenseitig umlaufend und über seine gesamte (axiale) Breite B vom Stützring 28 überdeckt. Zusätzlich ist der Dichtring 30 beiderseitig in Richtung der Längserstreckung 26 des Dichtspalts 16 vom Stützring 28 seitlich übergriffen. Der Dichtring 30 greift in axialer sowie auch in radialer Richtung formschlüssig in die Ringnut 46 des Stützrings 28 ein. Der Dichtring 30 liegt somit an den Nutflanken 48 und dem Nutgrund 50 der Ringnut 46 des Stützrings 28 vollflächig oder im Wesentlichen vollflächig an. Nach einer alternativen Ausführungsform kann der Dichtring 28 auch mit einem - vorzugsweise nur geringem - axialen Spiel in der Ringnut 46 des Stützrings 28 gehalten angeordnet sein. Unter thermischen Gesichtspunkten weist der Dichtring 30 im Einbauzustand vorzugsweise eine Bauhöhe 53 auf, die weniger als die Hälfte der Breite b der Ringnut 46 beträgt.
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Der Dichtring 30 weist hier einen ballig ausgeformten dynamischen Dichtabschnitt 54 auf, der an der Dichtfläche 20 des ersten Maschinenteils 12 dynamisch dichtend anliegt. Mit anderen Worten ist der Dichtabschnitt 54 in Richtung der Längserstreckung 26 des Dichtspalts 16 zur Dichtfläche 20 hin konvex gekrümmt. Der Verlauf der Kontaktpressung 56 zwischen dem Dichtabschnitt 54 und der Dichtfläche 20 ist mit Pfeilen grafisch dargestellt. Der Dichtabschnitt 54 erstreckt sich über die gesamte (hier axiale) Breite B des Dichtrings 30.
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Das Vorspannelement 32 besteht aus einem gummielastisch verformbaren Material. Dies kann ein Gummi oder ein geeignetes Elastomer sein. Zu beachten ist, dass das Material des Vorspannelements 32 Formänderungen ohne eine oder mit einer nur unwesentlichen Änderung seines Volumens erlaubt. Das Material des Vorspannelements 32 ist somit isovolumetrisch oder im Wesentlichen isovolumetrisch verformbar.
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Das Vorspannelement 32 ist zwischen dem Stützring 28 und dem die Dichtungshaltestruktur 22 aufweisenden zweiten Maschinenteil 14 angeordnet. Durch das Vorspannelement 32 ist eine für das Dichtvermögen der Rotationsdichtung 24 wesentliche Kontaktpressung 56 des Dichtrings 30 in Vorspannrichtung 52 gegen die Dichtfläche 20 bewirkt. Das Vorspannelement 32 dient dabei als statische Nebenabdichtung und liegt hier bezogen auf die Rotationsachse 18 in radialer Richtung, d.h. längs der Vorspannrichtung 52, außenseitig am Nutboden 22c und innenseitig an der Rückenfläche 40 des Rückenabschnitts 38 des Stützrings 28 statisch dichtend an. Dazu weist das Vorspannelement 32 ein - hier radiales - Übermaß bezüglich des Abstands zwischen dem Nutgrund 50 und dem Rückenabschnitt 38 des Stützrings 28 auf. Das Vorspannelement 32 weist hier rein beispielhaft eine im eingebauten Zustand im Wesentlichen quadratische Querschnittsform auf, kann aber auch eine andere, insbesondere rechteckige, elliptische/ovale oder eine Freiform-Querschnittsform aufweisen.
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Das Vorspannelement 32 ist hochdruckseitig über einen Freiraum 58 zwischen der hochdruckseitig angeordneten Flanke 22a und der Rotationsdichtung 24 mit der Hochdruckseite H fluidisch verbunden und durch einen Betriebsdruck P eines auf der Hochdruckseite H angeordneten druckbeaufschlagbaren Fluids druckaktivierbar.
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Mit einem steigenden Betriebsdruck P wird die Rotationsdichtung 24 aus ihrer in 1 gezeigten Ausgangslage in Richtung der Längserstreckung 26 des Dichtspalts, hier also in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 18, zur Niederdruckseite N hin verschoben, bis das Vorspannelement 32 und auch der Stützring 28 mit seiner Seitenflanke 42 an der niederdruckseitigen Flanke 22b der Dichtungshaltestruktur 22 des zweiten Maschinenteils 14 anliegen. Die niederdruckseitige Flanke 22b der Haltenut dient dem Vorspannelement 32 und zugleich dem Stützring 28 als eine Anschlags- bzw. Stützfläche 60. Das Vorspannelement 32 wird durch den auf der Hochdruckseite herrschenden Betriebsdruck P gemäß 2 gegen die niederdruckseitige Flanke 22b der Dichtungshaltestruktur 22 gepresst und dabei in axialer Richtung gestaucht. Dadurch ist zusätzlich eine axial dichtende Anlage des Vorspannelements 32 an der niederdruckseitigen Nutflanke 22b bewirkt. Das Vorspannelement 32 kann wegen der isovolumetrischen oder im Wesentlichen isovolumetrischen Verformbarkeit seines Materials nur in Vorspannrichtung 52 zur Dichtfläche 20 hin ausweichen.
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Auf den Stützring 28 wird dadurch ein Biegemoment ausgeübt. Durch das Biegemoment wird der Stützring 28 im Bereich seiner niederdruckseitigen Ringhälfte 28b mit seinem Stützschenkel 36 zunehmend in Richtung auf die Dichtfläche 20 (elastisch) verformt. Im Bereich seines hochdruckseitigen Randabschnitts verformt sich der Stützring 28 aufgrund seiner mit der Druckaktivierung des Vorspannelements einhergehenden teilweisen Entlastung in diesem Bereich sowie auch seiner Biegesteifigkeit mit dem hochdruckseitig angeordneten Stützschenkel 34 gegensinnig der Vorspannrichtung 52 von der Dichtfläche 20 weg.
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Der Stützring 28 bewegt sich dadurch druckproportional zu dem Fluiddruck/Betriebsdruck P auf der Hochdruckseite H mit seinem niederdruckseitigen Stützschenkel 36 in radialer Richtung weiter in den Dichtspalt 16 hinein und bewirkt dadurch einen zunehmenden Extrusionsschutz für den Dichtring 30. Durch die Druckaktivierung des Vorspannrings 32 steigt zugleich die Dicht- oder Kontaktpressung 56 des Dichtrings 30 gegen die Dichtfläche 20 mit steigendem Betriebsdruck P an. Einhergehend mit dem steigenden Betriebsdruck P wird zugleich die Kontaktpressung 56 des Dichtrings 32 gegen die Dichtfläche 20 räumlich zur Niederdruckseite N hin verschoben. Die Kontaktpressung 56 des Dichtrings 30 nimmt durch die mit der Verformung des Stützrings 28 einhergehende hochdruckseitige teilweise Entlastung des Dichtrings 30 entgegen der Vorspannrichtung 52 hochdruckseitig ab. Dadurch kann eine Schmierung des Dichtrings 30 von der Hochdruckseite H her während des druckbeaufschlagten Betriebseinsatzes - druckabhängig - verbessert werden. Dies ist für die Langlebigkeit des Dichtrings 30 von entscheidendem Vorteil.
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Erreicht oder überschreitet der Betriebsdruck P einen vorgegebenen maximalen Druckwert Pmax von beispielsweise 450bar, so kontaktiert der Stützring 28 die Dichtfläche 20 umlaufend mit seinem niederdruckseitigen Stützschenkel 36, wie dies in 2 gezeigt ist. Der Dichtspalt 16 ist dann zur Niederdruckseite N vollständig geschlossen. Dadurch kann eine zur Niederdruckseite N hin gerichtete unerwünschte Extrusion des Dichtrings 30 in den Dichtspalt 16 hinein zuverlässig vermieden werden. Zugleich kann durch den an der Dichtfläche aufsitzenden Stützring 28 eine unerwünschte mechanische sowie reibungsvermittelte thermische Überbelastung des Dichtrings 30 zuverlässig vermieden werden. Der Stützring fungiert somit bezüglich der Anpressung des Dichtrings an der Dichtfläche als Überdruckbegrenzer.
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Sinkt der hochdruckseitig herrschende Betriebsdruck P unter den vorgegebenen maximalen Druckwert Pmax, so verformt sich die Rotationsdichtung 24 aufgrund ihres elastischen Rückstellvermögens ihrer Komponenten in Richtung auf ihre in 1 gezeigte Ausgangslage zurück.
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Zu beachten ist, dass die niederdruckseitige Fase 44 des Stützrings 28 einer übermäßigen mechanischen Belastung des Stützrings 28 im Kontaktflächenbereich mit der durch die niederdruckseitige Flanke 22b der Dichtungshaltestruktur 22 gebildeten Stützfläche 60 sowie einem Verkanten des Stützrings 28 mit derselben entgegenwirkt.
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Die Rotationsdichtung der in den 1 und 2 gezeigten Rotationsdichtungsanordnung 10 ist auch bei invertierter Drucklage, d.h. bei einem von der Niederdruckseite N zur Hochdruckseite H gerichteten Druckgefälle, in einer zu den vorstehenden Erläuterungen entsprechenden Weise voll funktionsfähig. Bei Druckbeaufschlagung der Niederdruckseite N dient in diesem Fall die hochdruckseitige Flanke 22a der Dichtungshaltestruktur 22 dem Vorspannelement und dem Stützring als Stützfläche 60. Die Rotationsdichtung 24 weist mit anderen Worten eine bidirektionale Funktionalität auf.
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In den 3 und 4 ist eine Rotationsdichtungsanordnung 10 gezeigt, die sich von dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen darin unterscheidet, dass die Rotationsdichtung 24 hier in einer zur Rotationsachse 18 der beiden Maschinenteile 12, 14 axialen Richtung dichtend ausgeführt ist. Die Rotationsdichtungsanordnung kann gemäß den 2 und 3 als eine Drehdurchführung für ein druckbeaufschlagtes Fluid ausgebildet sein. Das erste und das zweite Maschinenteil weisen dazu jeweils einen Fluidkanal 62 auf, die über die Hochdruckseite H des Dichtspalts 16 miteinander fluidisch verbunden sind. Eine Druckbeaufschlagung der Hochdruckseite H des Dichtspalts 16 mit einem Fluid führt hier zu einer radialen Aufweitung der Rotationsdichtung 24, sofern diese nicht schon im nicht-druckbeaufschlagten Ausgangszustand an der durch die niederdruckseitige Nutflanke 22b der Haltenut des zweiten Maschinenteils 14, gebildeten Stützfläche 60 anliegt. Das Vorspannelement 32 wird bei seiner Druckaktivierung gemeinsam mit dem Stützring 28 gegen die Stützfläche 60 gepresst. Durch die radial gerichtete Stauchung des Vorspannelements 32 wird dies in axialer Richtung zur Dichtfläche 20 hin verformt, derart, dass der Stützring analog zu dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel in Vorspannrichtung 52 zur Dichtfläche 20 hin verformt und hochdruckseitig entgegen der Vorspannrichtung 52 von der Dichtfläche 20 weg verformt wird.
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Die erfindungsgemäße Rotationsdichtungsanordnung 10 ist aufgrund der Druckaktivierbarkeit des Vorspannelements 32 des Dichtrings 30 sowie auch des den Dichtring 30 stabilisierenden und als Extrusionsschutz dienenden Stützrings 28 für Hochdruckanwendungen in unterschiedlichen technischen Bereichen prädestiniert.
