DE19549189C2 - Gasgesperrte, kontaktlose Dichtungsanordnung für eine Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gasgesperrte, kontaktlose Dich­ tungsanordnung für eine Welle, - mit
Dichtungsgehäuse,
in dem Dichtungsgehäuse angeordnetem, gehäusefesten Sta­ tordichtungsring und
auf der Welle angeordnetem, wellenfesten Rotordichtungs­ ring,
wobei die beiden Dichtungsringe mit ihren Dichtungsstirnflächen unter Zwischenschaltung der Gassperrung gegeneinander mit einem Dichtungsspalt arbeiten und der Statordichtungsring gegenüber einem wellenseitigen Zylinderteil des Dichtungsgehäuses im Be­ triebszustand sowie unter vorgegebenem Betriebsdifferenzdruck einen Funktionsringspalt aufweist, der durch einen in einer Nut angeordneten, abdichtenden Ring aus Gummi oder Kunststoff abge­ dichtet ist, wobei der Statordichtungsring mit der Andrückkraft von zumindest einer Andrückfeder gegen die Gassperrung gedrückt ist und wobei zumindest der Rotordichtungsring auf seiner Dich­ tungsstirnfläche auf das Gas der Gassperrung wirkende Mitnahme­ ausbildungen aufweist. - Gasgesperrte, kontaktlose Dichtungsan­ ordnungen des beschriebenen Aufbaus sind so einzurichten, daß die Dichtungsstirnflächen der Dichtungsringe stets planparallel zueinander verlaufen. Sie besitzen dazu ein geeignetes Flächen­ trägheitsmoment bei ausgewählter Querschnittsgeometrie und be­ stehen aus geeigneten Werkstoffen. Der Ring, der den Funktions­ ringspalt abdichtet, ist zumeist als O-Ring ausgeführt und be­ wirkt zugleich die erforderliche Zentrierung des Statordich­ tungsringes. Er trägt auf diese Weise zur Planparallelität der Dichtungsstirnflächen bei. Im allgemeinen, aber nicht zwingend, arbeitet man mit Dichtungsringen aus einem Werkstoff, hoher Wärmeleitfähigkeit und hohen Elastizitätsmoduls, d. h. mit Dich­ tungsringen aus einem sogenannten Hartdichtungswerkstoff. Es ist aber auch möglich und üblich, einen aus einem Hartdich­ tungswerkstoff bestehenden Rotordichtungsring mit einem demge­ genüber verhältnismäßig weichem Statordichtungsring zu paaren - oder umgekehrt.

Bei den gasgesperrten, kontaktlosen Dichtungsringen des ein­ gangs beschriebenen Aufbaus geht die herrschende Lehre dahin, die Mitnehmerausbildungen als förderwirksame Vertiefungen einer Tiefe von z. B. 2,5 µm bis 7,5 µm in Form von Spiralrillen aus­ zuführen, die gleichsam wie Pumpenflügel auf das Gas der Gas­ sperrung arbeiten (vgl. EP 0 013 678 A1, US 34 99 653). Dabei muß eine bestimmte Leckrate in bezug auf das abzudichtende Fluid in Kauf genommen werden. Es ist aber auch bekannt (DE 37 34 704 C2) auf förderwirksame Spiralrillen auf der oder den Dichtungsstirnflächen zu verzichten und Vertiefungen einzuset­ zen, die Staukanten, z. B. in radialer Richtung verlaufende Staukanten aufweisen. Die Vertiefungen sind dazu in bezug auf einen Radius der Dichtungsstirnfläche bzw. der Dichtungsstirn­ flächen symmetrisch ausgebildet. Sie sind z. B. T-förmig, drei­ eckförmig oder kreisförmig gestaltet und zum Außenumfang und/oder Innenumfang der Dichtungsstirnfläche offen. Diese Aus­ führungsformen mit Staukante haben sich bewährt. Die Leckrate ist gegenüber der Ausführungsform mit förderwirksamen Spiral­ rinnen bei dieser Ausführungsform mit Staukanten reduziert. Bei allen bekannten Ausführungsformen muß die Fertigung der Dich­ tungsringe, insbesondere wegen der Vertiefungen in den Dich­ tungsstirnflächen mit hoher Präzision und entsprechend auf­ wendig erfolgen, zumal die Vertiefungen eine sehr geringe Tiefe aufweisen.

Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zu­ grunde, bei einer gasgesperrten, kontaktlosen Dichtungsan­ ordnung des eingangs beschriebenen Aufbaus die Fertigung der Dichtungsringe und der Dichtungsstirnflächen zu verein­ fachen.

Zur Lösung diese technischen Problems ist die erfindungsge­ mäße gasgesperrte, kontaktlose Dichtungsanordnung dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnahmeausbildungen durch ein mikroskopisches Rauhheitsgebirge, welches über den gesamten Umfang der Dichtungsstirnfläche so wie über deren radiale Breite eine isotrope, gleichförmige Struktur mit einer Rau­ higkeit Ra nach DIN 4768 von 0,5 µm bis 5 µm aufweist, ge­ bildet sind, wobei lediglich der Rotordichtungsring die Mitnahmeausbildungen aufweist und wobei der Statordich­ tungsring auf seiner Dichtungsstirnfläche eine Rauhigkeit aufweist, die um zumindest einen Faktor 0,1 kleiner ist als die der Dichtungsstirnfläche des Rotordichtungsringes. Vor­ zugsweise ist die Rauhigkeit der Dichtungsstirnfläche des Rotordichtungsringes um so kleiner, je höher die Geschwin­ digkeit des Rotordichtungsringes bei normaler Betriebsweise ist. - Im Zusammenhang mit Schmiermittel-Gleitringdichtun­ gen ist es an sich bekannt, unterschiedliche Rauhigkeiten von zwei gegenüberliegenden Dichtungsringen vorzusehen (Lebeck, A.B.: Hydrodynamic Lubrication in Wary Contacting Face Seals . . . In: Transactions in the ASME 1981, Vo. 103, N. 10, Seite 579). Hierbei handelt es sich um Gleitring­ dichtungen, bei denen sich im Spalt zwischen einander gegenüberliegenden Gleitflächen eine Flüssigkeit befindet. Die im Zusammenhang mit Schmiermittel-Gleitringdichtungen bekannten Maßnahme haben auf dem technischen Gebiet der gasgesperrten, kontaktlosen Dichtungsanordnungen keinen Eingang gefunden. Im übrigen unterscheiden sich die dynami­ schen Verhältnisse bei den gasgesperrten, kontaktlosen Dichtungsanordnung beachtlich von denen der Schmiermittel-Gleit­ ringdichtungen.

Die Dichtungsstirnflächen weisen zweckmäßigerweise bei Zimmertemperatur und bei einem Temperaturgradienten von 0 eine Ebenheit von 0,4 µm pro 100 mm Durchmesser auf. Zimmertemperatur meint im Rahmen der Erfindung eine Tempe­ ratur von etwa 20°C. Temperaturgradient von 0 meint im Rah­ men der Erfindung, daß die Bereiche der Dichtungsstirnflä­ chen keine Temperaturunterschiede aufweisen, sondern viel­ mehr alle Bereiche der Dichtungsstirnflächen die gleiche konstante Temperatur aufweisen.

Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung ist insbesondere als drehrichtungsunabhängige Dichtungsanordnung geeignet.

Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß bei einer erfindungsgemäßen gasgesperrten, kontaktlosen Dichtungsan­ ordnung für eine Welle Vertiefungen in der Dichtungsstirn­ fläche, sei es in Form von förderwirksamen Spiralrillen oder in Form von Vertiefungen mit Staukanten, nicht mehr erforderlich sind. Gasgesperrte, kontaktlose Dichtungsan­ ordnungen sind zwar Präzisionsprodukte der modernen techni­ schen Mechanik, als solche aber Gegenstand einer industri­ ellen Serienfertigung. Insoweit bringt die Tatsache, daß bei einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung Vertiefungen nicht mehr erforderlich sind große technische Vorteile. Das Rauhigkeitsgebirge, insbesondere mit den angegebenen zahlenmäßigen Parametern, kann auf einfache Weise mecha­ nisch oder auch galvanotechnisch erzeugt werden. Während die herrschende Lehre, wie eingangs dargelegt, Erwägungen und Erfahrungen der klassischen Gasdynamik verwirklicht, geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß im Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen einer gasgesperrten, kontaktlosen Dichtungsanordnung die Gleichungssysteme der klassischen Gasdynamik nicht oder nur noch bedingt gelten und allein die Rauhigkeit der Dichtungsstirnflächen den Effekt bewirken können, der in der Praxis als "Pumpeffekt" bezeichnet wird und die Gassperrung bewirkt, die Leckrate ist erstaunlich klein. Es versteht sich, daß das Rauhigkeitsgebirge über den gesamten Umfang der Dichtungsstirnfläche und über deren radiale Breite eine möglichst isotrope, gleichförmige Struktur aufweisen soll. Wie groß in einem speziellen Anwendungsfall zur optimalen Auslegung die Rauhigkeit einzurichten ist, läßt sich leicht durch Versuche ermitteln. Die im Rahmen der Erfindung erreichten Effekte sind verständlich, wenn man davon ausgeht, daß die Atome oder Mole­ küle des Gases der Gassperrung von dem Rauhigkeitsgebirge des rotierenden Rotordichtungsringes, mit dem sie kollidieren, mitgenommen werden, und zwar in Umfangsrichtung. Insoweit wer­ den zentrifugale Kräfte erzeugt, die an den Atomen oder Molekü­ len des Gases der Gassperrung angreifen und folglich die Gas­ sperrung aufbauen. Deshalb ist im Rahmen der Erfindung zumin­ dest der Rotordichtungsring in der beschriebenen Weise mit Mitnahmeausbildungen versehen, die durch das mikroskopische Rauhigkeitsgebirge seiner Dichtungsstirnfläche definiert sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Aus­ führungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläu­ tert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße gas­ gesperrte, kontaktlose Dichtungsanordnung für eine Welle,

Fig. 2 in gegenüber der Fig. 1 wesentlich vergrößertem Maßstab den Ausschnitt A aus dem Gegenstand der Fig. 1 bei arbeitender Dichtungsanordnung.

Die in den Figuren dargestellte gasgesperrte, kontaktlose Dich­ tungsanordnung 1 ist für eine Welle 2 bestimmt. Zum grundsätz­ lichen Aufbau gehören ein Dichtungsgehäuse 3, ein in dem Dichtungsgehäuse 3 angeordneter, gehäusefester Statordichtungs­ ring 4 und ein auf der Welle 2 angeordneter, wellenfester Ro­ tordichtungsring 5. Die beiden Dichtungsringe 4, 5 arbeiten mit ihren Dichtungsstirnflächen 4.1 und 5.1 unter Zwischenschaltung der Gassperrung gegeneinander, und zwar mit einem Dichtungs­ spalt 6, in den sich die Gassperrung aufbaut. Der Statordich­ tungsring 4 weist gegenüber einem wellenseitigen Zylinderteil 7 des Dichtungsgehäuses 3 im Betriebszustand sowie unter vorgege­ benem Betriebsdifferenzdruck einen Funktionsringspalt 8 auf, der durch einen in einer Nut 9 angeordneten, abgedichteten Ring 10 aus Gummi oder Kunststoff, im Ausführungsbeispiel durch einen entsprechenden O-Ring, abgedichtet ist. Der Statordich­ tungsring 4 ist mit der Andrückkraft von zumindest einer An­ drückfeder 11 gegen die Gassperrung gedrückt. Zumindest einer der Dichtungsringe 4, 5, nämlich der Rotordichtungsring 5, weist auf seiner Dichtungsstirnfläche auf das Gas der Gassper­ rung wirkende Mitnahmeausbildungen aus. In der Fig. 2 erkennt man, daß die Mitnahmeausbildungen durch das mikroskopische Rauhigkeitsgebirge 12 der Dichtungsstirnfläche 5.1 des Stator­ dichtungsringes 5 definiert sind. Die Rauhigkeit dieser Dich­ tungsstirnfläche 5.1 ist um so kleiner, je höher die Winkelge­ schwindigkeit des Rotordichtungsringes 5 ist. Bevorzugte Rau­ higkeitswerte wurden in der Beschreibung angegeben.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Dichtungsanordnung dargestellt, bei der ledig­ lich der Rotordichtungsring die Mitnahmeausbildungen in Form des Rauhigkeitsgebirges 12 aufweist und der Statordichtungsring auf seiner Dichtungsstirnfläche eine Rauhigkeit aufweist, die um zumindest einen Faktor 0,1 kleiner ist als die der Dich­ tungsstirnfläche 5.1 des Rotordichtungsringes 5. Die in den Figuren dargestellte Dichtungsanordnung 1 arbeitet drehrich­ tungsunabhängig, kann also so eingerichtet werden, daß der Rotordichtungsring 5 linksdrehend oder rechtsdrehend läuft.

Claims (2)

1. Gasgesperrte, kontaktlose Dichtungsanordnung für eine Welle, - mit
Dichtungsgehäuse,
in dem Dichtungsgehäuse angeordnetem, gehäusefesten Statordichtungsring und
auf der Welle angeordnetem, wellenfesten Rotordichtungsring,
wobei die beiden Dichtungsringe mit ihren Dichtungsstirn­ flächen unter Zwischenschaltung der Gassperrung gegeneinan­ der mit einem Dichtungsspalt arbeiten und der Statordich­ tungsring gegenüber einem wellenseitigen Zylinderteil des Dichtungsgehäuses im Betriebszustand sowie unter vorgegebe­ nem Betriebsdifferenzdruck einen Funktionsringspalt auf­ weist, der durch einen in einer Nut angeordneten, abdich­ tenden Ring aus Gummi oder Kunststoff abgedichtet ist, wo­ bei der Statordichtungsring mit der Andrückkraft von zumin­ dest einer Andrückfeder gegen die Gassperrung gedrückt ist und wobei zumindest der Rotordichtungsring auf seiner Dich­ tungsstirnfläche auf das Gas der Gassperrung wirkende Mit­ nahmeausbildungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnahmeausbildungen durch ein mikroskopisches Rau­ higkeitsgebirge, welches über den gesamten Umfang der Dich­ tungsstirnfläche sowie über deren radiale Breite eine isotrope, gleichförmige Struktur mit einer Rauhigkeit Ra nach DIN 4768 von 0,5 µm bis 5 µm aufweist, gebildet sind, wobei lediglich der Rotordichtungsring die Mitnahmeaus­ bildungen aufweist und wobei der Statordichtungsring auf seiner Dichtungsstirnfläche eine Rauhigkeit aufweist, die um zumindest einen Faktor 0,1 kleiner ist als die der Dichtungsstirnfläche des Rotordichtungsringes.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichtungsstirnflächen bei Zimmertempera­ tur und bei einem Temperaturgradienten von 0 eine Ebenheit von 0,4 µm pro 100 mm Durchmesser aufweisen.