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Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer verbesserten Vorspanneinrichtung zur Vorspannung der Gleitringdichtung für eine Abdichtung von Medien, welche unter hohem Druck, insbesondere größer als 200 × 105 Pa stehen und hohe Temperaturen, insbesondere mehr als 550°C aufweisen.
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Gleitringdichtungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Hierbei werden an einer Rückseite von Gleitringen sog. Nebendichtelemente verwendet, welche eine Leckage über die Rückseite der Gleitringe verhindern. Derartige Nebendichtelemente sind beispielsweise O-Ringe oder auch Faltenbalge. Die Verwendung von Faltenbalgen ist jedoch aufgrund von äußeren Parametern der Gleitringdichtungsanordnung, wie beispielsweise Druck, Materialfestigkeit, chemische Beständigkeit und Temperaturen hinsichtlich ihres Einsatzzweckes beschränkt. Faltenbalge werden dabei als dynamische Nebendichtungen verwendet, um insbesondere eine axiale Verschiebbarkeit der Gleitringdichtung zu ermöglichen. Um hohe Drücke und hohe Temperaturen abzudichten, sind eigentlich metallische Faltenbalge verwendbar. Allerdings weisen metallische Faltenbalge eine sehr hohe Steifigkeit auf, so dass insbesondere die geforderte axiale Bewegbarkeit der Nebendichtung nur unter hoher Kraftvariation realisiert werden kann.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit ein verbessertes Nebendichtelement bereitstellen kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung gemäß dem Anspruch 1 hat dabei den Vorteil, dass als Nebendichtelement ein Faltenbalg verwendet werden kann und dieser hinsichtlich seiner Eigenschaften, insbesondere betreffend Materialwahl und hinsichtlich seiner Abdichtungseigenschaften, einen großen Freiraum aufweist. Eine Vorspannung eines der Gleitringe wird dabei zusätzlich mittels einer Federvorrichtung realisiert. Hierzu weist die Gleitringdichtungsanordnung der Erfindung eine Gleitringdichtung mit einem rotierenden Gleitring und einem stationären Gleitring auf, welche zwischen ihren Dichtflächen einen Dichtspalt definieren. Ferner ist eine kombinierte Vorspann- und Abdichteinrichtung vorgesehen zur Abdichtung und Vorspannung eines der Gleitringe in Axialrichtung. Die Vorspann- und Abdichteinrichtung umfasst als Federsystem einen umfänglich geschlossenen Faltenbalg und eine Federvorrichtung. Der Faltenbalg ist als Nebendichtelement ausgebildet und weist eine Abdichtfunktion z.B. an einer Rückseite eines der Gleitringe auf. Der Faltenbalg weist ferner eine erste Vorspannkraft F1 in einer ersten Axialrichtung X1 auf und die Federvorrichtung weist eine zweite Vorspannkraft in einer zweiten Axialrichtung X2 auf. Hierbei sind die erste und zweite Axialrichtung zueinander entgegengesetzt, so dass die Vorspannkräfte des Faltenbalgs und der Federvorrichtung in unterschiedliche Richtungen weisen. Dabei ist ein Absolutbetrag der ersten und zweiten Vorspannkraft unterschiedlich, so dass stets eine resultierende Kraft F0 der kombinierten Vorspann- und Abdichteinrichtung zur Vorspannung in Richtung des Dichtspalts der Gleitringdichtung wirkt. Somit werden durch die unterschiedlich großen Vorspannkräfte, welche in unterschiedliche Richtungen weisen, die axiale Vorspannung der beiden Gleitringe der Gleitringdichtung zueinander realisiert.
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Somit kann insbesondere der Faltenbalg hinsichtlich seiner axialen Bewegbarkeit optimiert werden, ohne dass bei der Auslegung des Faltenbalgs Randbedingungen hinsichtlich einer Vorspannkraft die Auslegung zu stark beeinflussen, da für die Vorspannkraft noch die zusätzliche Federvorrichtung vorhanden ist. Somit ergäben sich hinsichtlich der Auslegung des Faltenbalgs größere Freiheitsgrade, mit denen auch eine Abdichtung von Medien unter hohem Druck, insbesondere größer als 200 × 105 Pa und hohen Temperaturen, insbesondere > 550°C, möglich ist. Dadurch wird ein Einsatzgebiet von Gleitringdichtungsanordnungen mit Faltenbalg deutlich vergrößert. Insbesondere können derartige Gleitringdichtungsanordnungen mit kombinierter Vorspann- und Abdichteinrichtung auch bei Gasdichtungen, beispielsweise bei Gasturbinen oder Verdichtern von Gaspipelines oder dgl. verwendet werden.
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Vorzugsweise ist der Betrag der ersten Vorspannkraft F1 des Faltenbalgs immer kleiner als der Betrag der zweiten Vorspannkraft F2. Dadurch kann einerseits der Faltenbalg hinsichtlich seiner Abdichtung optimiert werden und andererseits die gewünschte Vorspannkraft der Gleitringdichtung durch relativ einfache Auslegung der Federvorrichtung bereitgestellt werden.
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Die Federvorrichtung ist besonders bevorzugt ein Federelement mit negativer Steigung im Arbeitsunkt A (negative Feder) und umfasst vorzugsweise wenigstens eine Tellerfeder oder wenigstens eine Zylinderfeder oder ein anderes Federelement, welches im Arbeitspunkt A eine negative Steigung aufweist. Die Federvorrichtung kann jedoch auch mehrere Tellerfedern aufweisen, welche vorzugsweise jeweils mit einer Falte des Faltenbalgs verbunden sind.
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Weiter bevorzugt weist die Federkennlinie FK0 der kombinierten Vorspann- und Abdichteinrichtung einen maximalen Verschiebebereich B der Gleitringdichtung auf, welche einen maximalen axialen Verschiebeweg der Gleitringdichtung definiert. In diesem Verschiebebereich B liegt eine maximale Kraftvariation der resultierenden Kraft in einem Bereich von ± 10% einer Kraft Fx im Arbeitspunkt A der Federkennlinie FK0. Dadurch wird sichergestellt, dass die Federkennlinie FK0 im Bereich um den Arbeitspunkt A möglichst flach ist und besonders bevorzugt um den Wendepunkt A möglichst flach verläuft.
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Besonders bevorzugt ist die kombinierte Vorspann- und Abdichteinrichtung eine vormontierte Einheit umfassend den Faltenbalg und die Federvorrichtung.
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Besonders bevorzugt ist dabei die Federvorrichtung direkt am Faltenbalg fixiert. Bei einem metallischen Faltenbalg kann beispielsweise die Federvorrichtung durch einen Schweißvorgang oder Lötvorgang am metallischen Faltenbalg befestigt werden. Die Federvorrichtung ist dabei besonders bevorzugt an Faltenendbereichen von Falten des Faltenbalgs fixiert.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Federvorrichtung und der Faltenbalg mittels eines Verbindungsbauteils miteinander verbunden. Das Verbindungsbauteil ist vorzugsweise eine Ringscheibe, an welcher die Federvorrichtung und der Faltenbalg gemeinsam befestigt sind.
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Das Verbindungsbauteil zwischen der Federvorrichtung und dem Faltenbalg ist weiter bevorzugt eine Hülse mit einem radial nach innen gerichteten Flansch und einem radial nach außen gerichteten Flansch. Hierbei ist an einem der Flansche der Faltenbalg angeordnet und an dem anderen der Flansche die Federvorrichtung. Dies ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau, welcher ebenfalls als vormontierte Einheit bereitgestellt werden kann.
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Weiter bevorzugt ist die Federvorrichtung außerhalb des Faltenbalgs angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Federvorrichtung dabei vollständig radial außerhalb des Faltenbalgs angeordnet.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Federvorrichtung innerhalb des Faltenbalgs angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Federvorrichtung dabei vollständig radial innerhalb des Faltenbalgs angeordnet. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau der Gleitringdichtungsanordnung realisiert werden.
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Vorzugsweise ist die Federvorrichtung derart angeordnet, dass die Federvorrichtung außerhalb des abzudichtenden Mediums angeordnet ist.
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Die Gleitringdichtungsanordnung ist vorzugsweise eine Gasdichtung zur Abdichtung eines gasförmigen Mediums. Das gasförmige Medium ist dabei vorzugsweise CO2 oder Erdgas.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische, perspektivische Ansicht einer kombinierten Vorspann- und Abdichteinrichtung der Gleitringdichtungsanordnung von 1,
- 3 eine schematische Darstellung eines Diagramms der Federkraft F über den Weg X für die Federkennlinien der kombinierten Vorspann- und Abdichteinrichtung von 1,
- 4 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 6 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Gleitringdichtungsanordnung 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 eine Gleitringdichtung 2 mit einem rotierenden Gleitring 3 und einem stationären Gleitring 4. Zwischen einer Gleitfläche 3a des rotierenden Gleichrings 3 und einer Gleitfläche 4a des stationären Gleitrings 4 ist ein Dichtspalt 5 definiert.
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Die Gleitringdichtung 2 dichtet dabei an einer Welle 8 einen Produktbereich 10 von einem Atmosphärenbereich 11 ab.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 1 umfasst ferner eine kombinierte Vorspann- und Abdichteinrichtung 6. Die Vorspann- und Abdichteinrichtung 6 ist im Detail aus 2 ersichtlich.
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Die kombinierte Vorspann- und Abdichteinrichtung 6 umfasst einen Faltenbalg 60 und eine Federvorrichtung 61. Die Federvorrichtung 61 umfasst eine Vielzahl von Tellerfedern 62.
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X-X kennzeichnet eine Axialrichtung der Gleitringdichtungsanordnung 1.
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Der Faltenbalg 60 weist eine erste Vorspannkraft F1 in einer ersten Axialrichtung X1 auf. Die Federvorrichtung 61 weist eine zweite Vorspannkraft F2 in einer zweiten Axialrichtung X2 auf. Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, sind die erste und zweite Axialrichtung X1, X2 dabei entgegengesetzt. Somit bringt der Faltenbalg 60, welcher in einer Rückseite des stationären Gleitrings 4 fixiert ist, die erste Vorspannkraft F1 in Richtung der Gleitringdichtung auf und die zweite Vorspannkraft F2 der Federvorrichtung 61 wirkt dem entgegen. Hierbei ist die erste Vorspannkraft F1 größer als die zweite Vorspannkraft F2, um die Gleitflächen 3a, 4a am Dichtspalt 5 in Richtung zueinander vorzuspannen.
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Die Federvorrichtung 61 umfasst mehrere gleichartige Federelemente, welche miteinander verbunden sind. Es sei angemerkt, dass die einzelnen Federelemente 62 jedoch auch einzeln am Gehäuse 9 und am Faltenbalg 60 fixiert sein können. Die Federelemente 62 sind als doppelte parallel verlaufende Tellerfedern ausgebildet und ringförmig um die Falten des Faltenbalgs 60 herumgeführt. Die Federelemente 62 sind jeweils an Enden 60a von Falten des Faltenbalgs 60 fixiert.
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Da somit ein Absolutbetrag der ersten und zweiten Vorspannkräfte F1, F2 unterschiedlich ist, ergibt sich eine resultierende Vorspannkraft F0 der kombinierten Vorspann- und Abdichteinrichtung 6, welche in Richtung auf die Gleitringdichtung 2 wirkt. Der Faltenbalg 60 übernimmt dabei insbesondere die Abdichtung des Produktbereichs 10 am stationären Gleitring 4, wobei der Faltenbalg 60 eine Rückseite 4b des stationären Gleitrings 4 mit dem Gehäuse 9 verbindet.
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Die Federvorrichtung 61 kompensiert dann aufgrund ihrer kleineren Vorspannkraft F2 die erste Vorspannkraft F1 teilweise.
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In dem Diagramm von 3 ist die Zusammensetzung der Vorspannkraft F0 der Gleitringdichtung 2 nochmals schematisch gezeigt. 3 zeigt hierbei die Federkraft F über dem Weg X. Die Linie FK1 ist die Federkennlinie des Faltenbalgs 60 und die Linie FK2 ist die Federkennlinie der Federvorrichtung 61. Die Federkennlinie FK1 des Faltenbalgs ist dabei eine Gerade und die Federkennlinie FK2 der Federvorrichtung ist sinusartig. Die Summe der beiden Federkennlinien FK1 und FK2 ergibt die Federkennlinie FK0, welche die Vorspannung in Axialrichtung der Gleitringdichtung 2 definiert. In einem Arbeitspunkt A ist die Vorspannkraft auf die Gleitringdichtung 2 dabei positiv und weist den Wert Fx auf, so dass der stationäre Gleitring 4 gegen den rotierenden Gleitring 3 gedrückt wird. Die Federvorrichtung 61 ist dabei ein Federelement mit negativer Steigung im Arbeitspunkt A (negative Feder).
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Wie weiter aus 3 ersichtlich ist, ist die kombinierte Federkennlinie FK0 der Vorspann- und Abdichteinrichtung 6 um den Arbeitspunkt A sehr flach. In 3 ist ein maximaler Verschiebebereich B der Gleitringdichtung 2 um den Arbeitspunkt A gezeigt. Der maximale Verschiebebereich B definiert einen maximalen axialen Verschiebeweg der Gleitringdichtung 2. Eine axiale Verschiebung von Bauteilen der Gleitringdichtung kann im Betrieb dabei aufgrund von Druckstößen oder dgl. vorkommen, wobei die Abdichtungsfähigkeit der Gleitringdichtungsanordnung trotzdem sichergestellt werden muss. Im maximalen Verschiebebereich B der Gleitringdichtung ist nun eine maximale Kraftvariation der resultierenden Kraft der beiden Federsysteme Faltenbalg 60 und Federvorrichtung 61 in einem Bereich von ± 10% der Kraft Fx im Arbeitspunkt A der Federkennlinie FK0 (vgl. 3). Hierdurch wird eine exzellente axiale Beweglichkeit des stationären Gleitrings 4 sichergestellt, so dass insbesondere Stöße oder dgl., welche im Betrieb eine axiale Verschiebung von Bauteilen der Gleitringdichtungsanordnung verursachen können, sicher aufgefangen und abgefedert werden können. Durch die flache Federkennlinie FK0 im Bereich des Arbeitspunktes A kann dann nach einer erfolgten Auslenkung wieder eine schnelle Rückkehr in die 1 gezeigte Ausgangsposition erfolgen. Somit kann durch die Kombination der beiden Federsysteme am Arbeitspunkt A eine praktisch waagerechte Federkennlinie FK0 der kombinierten Vorspann- und Abdichteinrichtung 6 erreicht werden.
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Der Faltenbalg 60 ist vorzugsweise aus Metall. Dadurch ist es möglich, dass die Gleitringdichtungsanordnung 1 als Gasdichtung verwendbar ist, welche bei sehr hohen Temperaturen > 550°C und sehr hohen Drücken > 200 × 105 Pa eingesetzt werden kann.
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Damit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Gleitringdichtungsanordnung, welche Faltenbalganwendungen ermöglicht, die aufgrund von Druck, Materialfestigkeit, chemischer Verträglichkeit und/oder Temperaturen bisher so nicht möglich waren. Insbesondere bei Verwendung von metallischen Faltenbälgen kann die Erfindung eine Kompensation der Bewegbarkeit von steifen Faltenbälgen durch die zusätzliche integrierte Federvorrichtung 61 ermöglichen. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung 1 im Wesentlichen verschleißfrei arbeiten und stellt selbstverständlich die notwendige Leckagefreiheit bereit.
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Die Federvorrichtung 61 ist vollständig radial außerhalb des Faltenbalgs 60 angeordnet. Dadurch ist ein besonders kompakter Aufbau möglich. Weiterhin kann die kombinierte Vorspann- und Abdichteinrichtung 6 als vormontierte Einheit bereitgestellt werden und einfach und ohne großen Aufwand an der Gleitringdichtungsanordnung 1 montiert werden.
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In den nachfolgenden 4 bis 6 werden weitere Gleitringdichtungsanordnungen 1 beschrieben, bei denen gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
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4 zeigt eine Gleitringdichtungsanordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die kombinierte Vorspann- und Abdichteinrichtung 6 des zweiten Ausführungsbeispiels weist neben dem Faltenbalg 60 und der Federvorrichtung 61 zusätzlich ein Verbindungsbauteil 7 auf. Das Verbindungsbauteil 7 verbindet den Faltenbalg 60 mit der Federvorrichtung 61. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Verbindungsbauteil 7 eine Ringscheibe 70. Wie aus 4 ersichtlich ist, sind sowohl ein axiales Ende des Faltenbalgs 60 als auch ein axiales Ende der Federvorrichtung 61 an der Ringscheibe 70 angeordnet. Vorzugsweise sind der Faltenbalg 60 und die Federvorrichtung 61 an der Ringscheibe 70 mittels Schweißverbindungen fixiert. Die Federvorrichtung 61 und der Faltenbalg 60 stützen sich mit ihrem anderen Ende dabei am Gehäuse 9 ab.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist ferner die zweite Vorspannkraft F2 in Richtung zur Gleitringdichtung 2 gerichtet und die erste Vorspannkraft F1 in Richtung abgewandt von der Gleitringdichtung gerichtet. Die zweite Vorspannkraft F2 ist dabei größer als die erste Vorspannkraft F1, so dass die resultierende kombinierte Vorspannkraft F0 in Richtung der Gleitringdichtung 2 vorhanden ist. Die Federvorrichtung umfasst im zweiten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von kleineren Zylinderfedern, welche entlang des Außenumfangs des Faltenbalgs 60 angeordnet sind. Dabei ist die Federvorrichtung 61 vollständig radial außerhalb des Faltenbalgs 60 angeordnet.
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5 zeigt eine Gleitringdichtungsanordnung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei ein Verbindungsbauteil 7, welches den Faltenbalg 60 mit der Federvorrichtung 61 verbindet, beim dritten Ausführungsbeispiel unterschiedlich ausgestaltet ist. Wie in 5 gezeigt, ist das Verbindungsbauteil 7 des dritten Ausführungsbeispiels eine Hülse 71 mit einem radial nach innen gerichteten Flansch 71a und einem radial nach außen gerichteten Flansch 71b. Der Faltenbalg 60 ist dabei am radial nach innen gerichteten Flansch 71a fixiert. Die Federvorrichtung 61 ist am radial nach außen gerichteten Flansch 71b fixiert. Dadurch wird ebenfalls ein sehr kompakter Aufbau erreicht, wobei die Federvorrichtung 61 vollständig radial außerhalb des Faltenbalgs 60 angeordnet ist. Zur Abstützung der Federvorrichtung 61 ist am Gehäuse 9 noch zusätzlich ein Anschlag 90 vorgesehen.
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6 zeigt eine Gleitringdichtungsanordnung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen ist beim vierten Ausführungsbeispiel die Federvorrichtung 61 vollständig innerhalb des Faltenbalgs 60 angeordnet. Die kombinierte Vorspann- und Abdichteinrichtung 6 umfasst wie in den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen neben dem Faltenbalg 60 und der Federvorrichtung 61 auch ein Verbindungsbauteil 7, welches wieder als Ringscheibe 70 vorgesehen ist. Die Federvorrichtung 61 und der Faltenbalg 60 sind dabei jeweils mit einem Ende an der Ringscheibe 70 fixiert. Das andere Ende des Faltenbalgs 60 und der Federvorrichtung 61 stützt sich am Gehäuse 9 ab.
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Zu allen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass die Kraftverhältnisse der Vorspannkräfte F1, F2 der kombinierten Vorspann- und Abdichteinrichtung 6 jeweils auch umgekehrt werden können. D.h., die erste Vorspannkraft F1 des Faltenbalgs 60 und die zweite Vorspannkraft F2 der Federvorrichtung 61 können hinsichtlich Größe und Richtung beliebig gewählt werden, solange eine resultierende Vorspannkraft F0 in Richtung der Gleitringdichtung 2 vorhanden ist. Weiterhin ist es auch möglich, dass der Faltenbalg 60 aus einem flexiblen Material, beispielsweise Gummi oder Kautschuk oder dgl., hergestellt wird. Als Federvorrichtung 61 können neben Tellerfedern auch Zylinderfedern, welche entlang eines Umfangs um oder im Faltenbalg 60 angeordnet sind, verwendet werden oder weiter alternativ eine einzige Zylinderfeder, welche um oder im Faltenbalg 60 angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleitringdichtungsanordnung
- 2
- Gleitringdichtung
- 3
- rotierender Gleitring
- 3a
- Gleitfläche
- 4
- stationärer Gleitring
- 4a
- Gleitfläche
- 4b
- Rückseite
- 5
- Dichtspalt
- 6
- kombinierte Vorspann- und Abdichteinrichtung
- 7
- Verbindungsbauteil
- 8
- Welle
- 9
- Gehäuse
- 10
- Produktbereich
- 11
- Atmosphärenbereich
- 60
- Faltenbalg
- 60a
- Ende einer Falte des Faltenbalgs
- 61
- Federvorrichtung
- 62
- Federelemente
- 70
- Ringscheibe
- 71
- Hülse
- 71 a
- radial nach innen gerichteter Flansch
- 71 b
- radial nach außen gerichteter Flansch
- 90
- Anschlag
- A
- Arbeitspunkt der Vorspann- und Abdichteinrichtung 6
- B
- axialer Verschiebebereich
- F0
- kombinierte Vorspannkraft
- F1
- erste Vorspannkraft des Faltenbalgs
- F2
- zweite Vorspannkraft der Federvorrichtung
- Fx
- Kraft im Arbeitspunkt
- FK0
- kombinierte Federkennlinie
- FK1
- Federkennlinie des Faltenbalgs
- FK2
- Federkennlinie der Federvorrichtung
- X-X
- Axialrichtung
- X1
- erste Axialrichtung
- X2
- zweite Axialrichtung
