DE19722870A1

DE19722870A1 - Gas lubricated face seal

Info

Publication number: DE19722870A1
Application number: DE1997122870
Authority: DE
Inventors: Karl Dr Uth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1997-05-31
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2017-06-01
Also published as: DE19722870C2

Abstract

The face seal uses a gas-fluid film to seal a fluid in a cavity between a stationary element and a rotating one. It has annular bodies with sealing surfaces, one of which has micro-grooves in it. The front edge of each micro-groove (30) has an intersection point with the inner edge, of which the two tangents form an angle of less than 90 deg . The inner edge runs concentrically to the rotating shaft. The micro-grooves have a gas supply system for the gas-fluid from flow channels.

Description

Die Erfindung betrifft eine gasgeschmierte Gleitringdichtung mit einem Gasfluidfilm zur Abdichtung eines Fluids in einem Raum zwischen einem stationären und einem sich drehenden Element, insbesondere zwischen einem Maschinengehäuse und einer in diesem sich drehenden Welle, bestehend aus einem stationärem Ringkörper, der die rotierende Welle koaxial umschließt und der gegen die rotierende Welle axial beweglich gehaltert ist, sowie einem mitbewegten Ringkörper, der die rotierende Welle koaxial umschließt und der starr mit dieser verbunden ist, wobei beide Ringkörper jeweils eine Dichtfläche aufweisen und diese Dichtflächen eine Dichtung bilden, und wobei eine der Dichtflächen mit Mikronuten versehen ist, die jeweils von einer Vorderkante, einer Hinterkante und einer Innenkante begrenzt werden. The invention relates to a gas-lubricated Mechanical seal with a gas fluid film for sealing of a fluid in a space between a stationary and a rotating element, especially between one Machine housing and one rotating in it Shaft consisting of a stationary ring body, the encloses the rotating shaft coaxially and the against the rotating shaft is axially movable, and a moving ring body, the rotating shaft coaxially encloses and rigidly connected to this is, both ring bodies each have a sealing surface have and these sealing surfaces form a seal, and wherein one of the sealing surfaces is provided with micro grooves is, each of a leading edge, a trailing edge and an inner edge.

Rotierende Gasdichtungen dieser Art, allgemein als gasgeschmierte Gleitringdichtung bezeichnet, werden häufig für die Abdichtung von Antriebswellen verwendet. Bei diesen Dichtungen bewirkt die Verdichtung eines gasförmigen zu dichtenden Prozeßfluids den Aufbau eines hydrostatischen bzw. hydrodynamischen Gasfluidfilms zwischen zwei Dichtflächen und erzeugt so einen stabilen Mikrodichtspalt, der einen berührungsfreien und verschleißfreien Lauf der Dichtflächen ermöglicht und zugleich eine zuverlässige Abdichtung des Prozeßfluids bewirkt. Infolge des Druckes einer oder mehrerer Federn sowie des Drucks des Prozeßfluids werden die Dichtfläche eines Gleitringes und die Dichtfläche eines mit diesem zusammenwirkenden Gegenringes so weit gegeneinander gepreßt, bis sich diese nahezu berühren. Eine kritische Berührung, die zum Entstehen von Reibungshitze und zu Verschleiß führen würde, wird dabei jedoch durch das Vorhandensein spiralförmiger Mikronuten in der Dichtfläche eines der beiden Ringkörper vermieden. Diese Mikronuten verlaufen vom äußeren Durchmesser der Dichtfläche dieses Ringkörpers zu einem inneren Durchmesser, der größer ist als der innere Durchmesser des Ringkörpers selbst.Rotating gas seals of this type, commonly called called gas-lubricated mechanical seal often used for sealing drive shafts. With these seals, compression causes one gaseous process fluid to be sealed the structure of a hydrostatic or hydrodynamic gas fluid film between two sealing surfaces and thus creates a stable Micro sealing gap, which is a non-contact and allows wear-free running of the sealing surfaces and at the same time a reliable sealing of the process fluid causes. Due to the pressure of one or more springs and the pressure of the process fluid become the sealing surface of a slide ring and the sealing surface of one with this cooperating counter ring so far against each other pressed until they almost touch. A critical one Touch that causes frictional heat and too Wear would result, however, by Presence of spiral micro grooves in the Avoided sealing surface of one of the two ring bodies. This Micro grooves run from the outer diameter of the Sealing surface of this ring body to an inner one Diameter that is larger than the inner diameter of the ring body itself.

Die spiralförmigen Mikronuten bewirken mit Hilfe des zu dichtenden Prozeßfluids den Aufbau eines Gasfluidfilms sobald sich die Dichtflächen nahezu berühren. Wird dieser Punkt erreicht, so entsteht durch den Gasfluidfilm eine hydrodynamische Kraft, die dem Druck der Feder und des Druckfluids entgegengerichtet ist und die die Dichtflächen auseinanderdrückt und dadurch voneinander separiert. Die Dichtflächen befinden sich in einem Gleichgewichtszustand, wenn der Feder- und Fluiddruck gleich der vom Fluidfilm erzeugten hydrodynamschischen Kraft sind, was einer Breite des Dichtspaltes von etwa 5 bis 10 µm entspricht. Dabei entweicht zwar eine geringe Menge des Gasfluids, andererseits wird aber auf diese Weise eine Berührung vermieden, die ansonsten zu Verschleiß und Reibungshitze führen würde. The spiral micro grooves use the to sealing process fluid the construction of a gas fluid film as soon as the sealing surfaces almost touch. Will this When the point is reached, the gas fluid film creates one hydrodynamic force, the pressure of the spring and the Pressure fluid is opposite and the Sealing surfaces pressed apart and thereby apart separated. The sealing surfaces are in one Equilibrium state when the spring and fluid pressure equal to the hydrodynamic generated by the fluid film Force are what a width of the sealing gap of about 5 corresponds to 10 µm. A small one escapes Amount of gas fluid, on the other hand, is based on this Way avoided a touch that would otherwise Wear and friction heat would result.

Ein derartiges berührungs- und verschleißfrei arbeitendes Dichtungssystem kann bei sehr hohen Wellendrehzahlen und sehr hohen Kompressionsdrücken eingesetzt werden, die weit über dem Anwendungsbereich herkömmlicher Gleitringdichtungen liegen können. Berührungsfreie und verschleißfreie Spiralnutendichtungen dieser Art sind aus den US-PSen 3.499.653, 3.704.019 und 4.212.475 bekannt geworden.Such a non-contact and wear-free working Sealing system can operate at very high shaft speeds and very high compression pressures are used far beyond the scope of conventional Mechanical seals can lie. Non-contact and wear-free spiral groove seals of this type are made U.S. Patents 3,499,653, 3,704,019 and 4,212,475 are known become.

Voraussetzung für das zuverlässige Funktionieren eines solchen berührungs- und verschleißfrei arbeitenden Dichtungssystems ist der hydrodynamische Aufbau eines stabilen Mikrodichtspalts. Allerdings verursacht, wie erwähnt, der kontaktfreie, ohne Berührung und Verschleiß der Dichtflächen erfolgende Lauf aber stets eine geringfügige Emission des zu dichtenden Gasfluids. Eine Minimierung dieser Emission kann zwar durch Reduzierung der Spaltbreite erreicht werden, andererseits erhöht sich dabei aber das Risiko einer Berührung der beiden Dichtflächen.Prerequisite for the reliable functioning of a such non-contact and wear-free working Sealing system is the hydrodynamic structure of a stable micro sealing gap. However, how mentions the non-contact, without touch and wear but the sealing surfaces always run one slight emission of the gas fluid to be sealed. A This emission can be minimized by reducing it the gap width can be reached, on the other hand increases but the risk of touching the two Sealing surfaces.

Die Definition der Weite dieses Dichtspaltes, bei der eine Berührung zuverlässig vermieden wird, erfordert die Berücksichtigung mehrere Faktoren, wie Fertigungspräzision, Stabilität des Gasfluidfilms, Steifigkeit der Ringkörper, Geometrie der Mikronuten, Druck des Gasfluids, Rotationsgeschwindigkeit und Dimensionierung der einzelnen Dichtungskomponenten. Nur wenn die Summe all dieser Faktoren unter Berücksichtigung identischer Bedingungen hinsichtlich Druck, Umfangsgeschwindigkeit und Dimensionierung zu einem möglichst geringen aber stabilen Dichtspalt führt, der einen berührungsfreien Lauf gewährleistet, wird eine zuverlässige Gasdichtung bei zugleich minimaler Emission erreicht.The definition of the width of this sealing gap at which a contact is reliably avoided, requires Taking into account several factors such as Manufacturing precision, stability of the gas fluid film, Rigidity of the ring body, geometry of the micro grooves, Pressure of the gas fluid, rotational speed and Dimensioning of the individual sealing components. Just when considering the sum of all these factors identical conditions regarding pressure, Circumferential speed and dimensioning in one leads to the smallest possible but stable sealing gap that ensures a contact-free run reliable gas seal with minimal emission reached.

Eine besondere Schwierigkeit in dem Bemühen, eine minimale Emission bei gleichzeitiger Vermeidung der Berührung der Dichtflächen zu erreichen, resultiert aus der Tatsache, daß jede spiralförmige Mikronute selbst eine spezifische Druckdifferenz erzeugt, die zu einer Verformung der Dichtflächen führt. Dieser Effekt hat unterschiedliche Dichtspaltbreiten zur Folge, die, wenn eine Berührung vermieden werden soll, zwangsläufig höhere Emissionswerte des Prozeßfluids verursachen. Diese asymmetrischen Druckverläufe entstehen dadurch, daß sich unter gewissen Umständen in jeder einzelnen Mikronute das Druckprofil während der Rotation verändert. Zum einen ist die Anzahl möglicher Mikronuten auf einer Dichtfläche begrenzt, zum anderen ist der Druck an den Hinterkanten der Mikronuten höher als an deren Vorderkanten. Dadurch entstehen gleich viele Bereiche hohen wie niedrigen Gasfluiddrucks, wobei die Bereiche mit höherem Druck zu einem breiteren Dichtspalt und die Bereiche niedrigen Drucks zu einem schmaleren Dichtspalt führen. Das Ergebnis dieser Druckdifferenzen ist eine Deformation der Dichtflächen und der Ringkörper.A particular difficulty in trying to get one minimal emission while avoiding the Reaching touching the sealing surfaces results from the fact that every spiral micro-groove itself generates a specific pressure difference that leads to a Deformation of the sealing surfaces leads. This has an effect different sealing gap widths, which if a touch should be avoided, necessarily higher Cause emission values of the process fluid. This asymmetrical pressure profiles arise from the fact that under certain circumstances in every single micro groove Pressure profile changed during rotation. For one thing the number of possible micro grooves on a sealing surface the pressure on the rear edges is limited of the micro grooves are higher than at the front edges. Thereby there are as many areas as high as low Gas fluid pressure, the areas with higher pressure too a wider sealing gap and the areas low Pressure lead to a narrower sealing gap. The The result of these pressure differences is a deformation of the Sealing surfaces and the ring body.

Andererseits erhöht eine Minimierung der Dichtspaltbreite das Risiko einer Berührung der Dichtflächen. Während der außerhalb der Dichtflächen, d. h. am Außendurchmesser sowie am Innendurchmesser der Ringkörper, herrschende Gasfluiddruck nahezu identisch ist und kaum Druckunterschiede aufweist, steigt der Druck zur Mitte der Dichtflächen hin an und erreicht den höchsten Wert im Mittelteil der Dichtfläche.On the other hand, minimizing the sealing gap width increases the risk of touching the sealing surfaces. During the outside the sealing surfaces, d. H. on the outside diameter as well as on the inner diameter of the ring body Gas fluid pressure is almost identical and hardly If there are pressure differences, the pressure rises to the center of the sealing surfaces and reaches the highest value in Middle part of the sealing surface.

Eine Lösung dieses Problems könnte theoretisch durch eine Erhöhung der Anzahl der Mikronuten erreicht werden, wobei diese wesentlich dichter aneinandergereiht werden müßten, um damit die Druckdifferenz zwischen der Vorder- und Hinterkante der Mikronuten zu verringern. Eine solche Lösung hätte aber zur Folge, daß das Vorhandensein zu vieler Mikronuten auf einer Dichtfläche deren wirksamen Bereich stark reduzieren würde, so daß eine Stabilisierung zwischen den Dichtflächen während der Rotation nicht mehr möglich wäre und damit ein unerwünschter Kompressionseffekt entstünde. Dieser Effekt entsteht bei hohen Drehzahlen eines rotierenden Ringkörpers, der auf einer sich drehenden Welle angebracht ist und der aus Gründen der Fertigungstoleranz nicht exakt rechtwinklig zur Rotationsachse dieser Welle verläuft. Derartige Abweichungen bewirken eine axiale Oszillation des Ringkörpers.Theoretically, a solution to this problem could be provided by a Increase in the number of micro-grooves can be achieved, whereby these should be lined up much closer together, so that the pressure difference between the front and Reduce the trailing edge of the micro grooves. Such The solution would have the consequence that the existence many micro grooves on a sealing surface their effective Would greatly reduce the area so that a Stabilization between the sealing surfaces during the Rotation would no longer be possible and thus one undesirable compression effect would arise. This effect arises at high speeds of a rotating Annular body on a rotating shaft is attached and for reasons of manufacturing tolerance not exactly at right angles to the axis of rotation of this shaft runs. Such deviations cause an axial Oscillation of the ring body.

Wegen der hohen Frequenz dieser Oszillationsbewegungen kann kein vollständiger Ausgleich des Druckfluids innerhalb des Dichtspalts mehr erfolgen, da das Gasfluid in diesen Bereich kontinuierlich ein- bzw. ausgepumpt werden muß, um einen stabilen Gasfluidfilm aufrecht zu erhalten. Statt dessen wird aufgrund des Kompressionseffektes bei hohen Oszillationsfrequenzen dieselbe Gasfluidmenge ständig komprimiert und wieder entspannt, da wegen der kurzen Intervalle der Veränderungen des Dichtspalts nicht genügend Zeit für ein Entweichen des Gasfluids verbleibt. Dieser Kompressionseffekt entsteht auf den mikronutfreien Dammbereichen einer Dichtfläche sowie in den Verbindungsbereichen zwischen den einzelnen Mikronuten. Wenn sich die Breite des Dichtspalts halbiert, muß sich der Gegendruck verdoppeln, um eine Berührung der Dichtflächen zu verhindern, was voraussetzt, daß die Dichtfläche breit genug dimensioniert sein muß, um ein Entweichen des Gasfluids und damit eine Emission weitgehend zu minimieren.Because of the high frequency of these oscillations cannot fully balance the pressure fluid within the sealing gap more because the gas fluid pumped in and out of this area continuously must be maintained to maintain a stable gas fluid film receive. Instead, due to the Compression effect at high oscillation frequencies the same amount of gas fluid constantly compressed and again relaxed because of the short intervals of the Changes in the sealing gap are not enough time for one Escape of the gas fluid remains. This Compression effect occurs on the micro groove free Dam areas of a sealing surface and in the Connection areas between the individual micro grooves. If the width of the sealing gap halves, must double the back pressure to touch the To prevent sealing surfaces, which presupposes that the Sealing surface must be dimensioned wide enough to accommodate a Escape of the gas fluid and thus an emission to minimize as much as possible.

Eine zu große Anzahl von Mikronuten bewirkt jedoch zugleich eine Reduzierung der Verbindungsflächen zwischen den Nutabständen, was ein Entweichen des Gasfluides in die Spiralnuten zur Folge hat und auf diese Weise zu einer Berührung der Dichtflächen führt. Infolgedessen dürfen sowohl eine gewisse Weitendimensionierung sowie die Abstände und Anzahl der Mikronuten nicht unterschritten bzw. nicht überschritten werden. Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Dichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie ein extrem geringes Maß an Reibung und Verschleiß mit minimalen Emissionswerten vereint.Too large a number of micro-grooves, however, causes at the same time a reduction in the connecting areas between the groove spacing, resulting in gas gas leakage which results in spiral grooves and in this way touching the sealing surfaces. Consequently may both have a certain size and the distances and number of micro grooves are not fall below or not be exceeded. thats why it is the object of the invention, a seal of the beginning mentioned type so that they are extremely low Level of friction and wear with minimal Combined emission values.

Die Erfindung löst diese Aufgabe indem sie vorsieht, daß bei einer gasgeschmierten Gleitringdichtung gemäß dem Oberbegriff die Vorderkante jeder Mikronute jeweils einen Schnittpunkt mit der Innenkante aufweist, dessen zwei Tangenten zusammen einen Winkel von mehr als 90 Grad bilden, daß die Hinterkante jeweils einen Schnittpunkt mit der Innenkante aufweist, dessen zwei Tangenten zusammen einen Winkel von weniger als 90 Grad bilden, daß die Innenkante konzentrisch zur rotierenden Welle verläuft und daß den Mikronuten ein aus Strömungskanälen für das Gasfluid bestehendes Gasführungssystem zugeordnet ist.The invention solves this problem by providing that with a gas lubricated mechanical seal according to The generic term for the leading edge of each micro groove is one Has intersection with the inner edge, the two Tangents together form an angle of more than 90 degrees form that the trailing edge each has an intersection with the inner edge, whose two tangents together form an angle of less than 90 degrees that the inner edge concentric to the rotating shaft runs and that the micro grooves a flow channels assigned to the gas fluid existing gas routing system is.

Das bei der erfindungsgemäßen Dichtung vorgesehen Gasführungssystem bewirkt dabei, daß Bereiche niedrigen Drucks, die sich bei der Rotation infolge aerodynamisch bedingter Aktivitäten der spiralförmigen Mikronuten bilden, kontinuierlich mit hinreichenden Mengen des Gasfluids versorgt werden. Die das Gasführungssystem bildenden Strömungspassagen stellen dabei während des Betriebs zwischen den Zonen niedrigen Drucks und solchen hohen Drucks einen symmetrischen Ausgleich her, der eine Teilberührung der Dichtflächen ausschließt und damit das Entstehen von Reibungswärme und Verschleiß verhindert. Das hierfür benötigte Gasfluid mit höherem Druck stammt dabei aus dem Prozeßbereich und kann sowohl der Peripherie der Dichtung entnommen werden als auch von den Mikronuten im Dichtspalt selbst erzeugt werden.This is provided in the seal according to the invention Gas routing system causes areas to be low Pressure that changes during rotation due to aerodynamic conditional activities of the spiral micro-grooves form continuously with sufficient amounts of Gas fluids are supplied. The the gas routing system forming flow passages represent during the Operation between the zones of low pressure and those high pressure a symmetrical compensation, the one Excludes partial contact of the sealing surfaces and thus that Prevents the generation of frictional heat and wear. The gas fluid required for this comes at a higher pressure thereby from the process area and can both Periphery of the seal can be taken as well from the Micro grooves can be created in the sealing gap itself.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on the in Drawing illustrated embodiments closer are explained. Show it:

Fig. 1a in einer Axial- Seitenansicht eine gasgeschmierte Gleitringdichtung mit Gasfluidfilm in einem Tandemaufbau, Fig. 1a in an axial side view of a gas-lubricated mechanical seal with gas fluid film in a tandem configuration,

Fig. 1b eine Teilansicht der Anordnung-gemäß Fig. 1a, FIG. 1b is a partial view of the assembly-according to Fig. 1a,

Fig. 2 eine Draufsicht entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1a auf die Dichtfläche eines Ringkörpers im Antriebsbuchsensitz mit spiralförmigen Mikronuten und isobarem Druckverlauf, Fig. 2 is a plan view taken along section line 2-2 in Fig. 1a onto the sealing surface of an annular body in the drive bushing seat with helical microgrooves and isobaric pressure curve,

Fig. 3 eine Dichtfläche mit spiralförmigen Mikronuten und Strömungspassagen in Draufsicht, Fig. 3 is a sealing face with spiral micro-grooves and flow passages in plan view,

Fig. 4 eine Teilansicht entlang der Schnittlinie 4-4 in Fig. 3, Fig. 4 is a partial view taken along section line 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 eine Dichtfläche mit spiralförmigen Mikronuten und verlängerten Strömungspassagen in Draufsicht, Fig. 5 shows a sealing surface having helical microgrooves and elongated flow passages in plan view,

Fig. 6 eine Dichtfläche mit spiralförmigen Mikronuten und umlaufendem Strömungskanal in Draufsicht, Fig. 6 shows a sealing surface having helical microgrooves and circulating flow channel in plan view,

Fig. 7 eine Dichtfläche mit spiralförmigen Mikronuten mit radialen Strömungspassagen in Draufsicht, Fig. 7 shows a sealing surface having helical microgrooves with radial flow passages in plan view,

Fig. 8 eine Teilansicht entlang der Schnittlinie 8-8 in Fig. 7, Fig. 8 is a partial view taken along section line 8-8 in Fig. 7,

Fig. 9 eine Dichtfläche mit spiralförmigen Mikronuten und Strömungskanal in Draufsicht, Fig. 9 is a sealing surface with helical microgrooves and flow channel in a plan view,

Fig. 10 eine Dichtfläche mit verlängerten spiralförmigen Mikronuten in Draufsicht und Fig. 10 is a sealing surface with elongated spiral micro-grooves in plan view and

Fig. 11 eine Dichtfläche mit einer umlaufenden Kombination spiralförmiger Mikronuten in Draufsicht. Fig. 11 is a sealing surface with a circumferential combination of helical microgrooves in plan view.

Die Fig. 1a und 1b zeigen den Aufbau und die Konstruktion einer gasgeschmierten Gleitringdichtung gemäß der Erfindung in einem Tandemaufbau, bei dem zwei identisch aufgebaute Dichtungen hintereinander liegend angeordnet sind und alle Dichtelemente zweifach vorhanden sind. Die Dichtung ist an einer rotierenden Welle 12 angebracht, die durch ein Maschinengehäuse 10 verläuft. Sie dichtet den Hochdruckbereich 14 hermetisch ab und verhindert dadurch eine Emission eines zu dichtenden Prozeßfluids in den atmosphärischen Druckbereich 16. Die Hauptkomponenten der Anordnung umfassen einen stationären Ringkörper 20 mit radial verlaufender Dichtfläche 22, die zusammen mit einer radial verlaufenden Dichtfläche 24 eines zweiten rotierenden Ringkörpers 26 eine Dichtung bilden. Der stationäre Ringkörper 20 stützt sich in einem Dichtungsgehäuse 31 verdrehsicher gegen eine Schulter 32 des Maschinengehäuses 10 und ist mit einem Verschlußdeckel 18 gegen axiale Bewegung gesichert. Eine O-Ringdichtung 28 am äußeren Umfang des Dichtungsgehäuses 31 dichtet die Trennfläche zwischen dem Dichtungsgehäuse 31 und dem Hauptgehäuse 10 ab. Zwischen dem Dichtungsgehäuse 31 und dem stationärem Ringkörper 20 ist eine Anzahl umfangsseitig gleichmäßig verteilter Spiralfedern 34 angebracht, die eine zylindrische Scheibe 36 gegen den stationären Ringkörper 20 drücken und diesen in Richtung auf den rotierenden Ringkörper 26 beaufschlagen. Die O-Ringdichtung 38 dichtet den Bereich zwischen dem stationären Ringkörper 20 und dem Dichtungsgehäuse 31 ab. Der rotierende Ringkörper 26 sitzt in einer Antriebsbuchse 40 und wird axial durch eine Klemmbuchse 42 positioniert. Beide Komponenten sind konzentrisch zur rotierenden Welle 12 ausgerichtet und sind durch ein Gewinde an der Welle 12 mit einer Überwurfmutter 46 fest gegen eine Wellenstufe 44 verschraubt. Zwei O-Ringdichtungen 48 und 50 verhindern die Emission von Gasfluid zwischen dem rotierenden Ringkörper 26 und der Antriebsbuchse 40 sowie der rotierenden Welle 12. FIGS. 1a and 1b show the construction and the construction of a gas-lubricated mechanical seal according to the invention in a tandem structure in which two identical seals are arranged one behind the other and all the sealing elements are present in duplicate. The seal is attached to a rotating shaft 12 that passes through a machine housing 10 . It hermetically seals the high-pressure region 14 and thereby prevents an emission of a process fluid to be sealed into the atmospheric pressure region 16 . The main components of the arrangement comprise a stationary ring body 20 with a radially running sealing surface 22 , which together with a radially running sealing surface 24 of a second rotating ring body 26 form a seal. The stationary ring body 20 is supported in a seal housing 31 against rotation against a shoulder 32 of the machine housing 10 and is secured with a closing cover 18 against axial movement. An O-ring seal 28 on the outer circumference of the seal housing 31 seals the separating surface between the seal housing 31 and the main housing 10 . Between the seal housing 31 and the stationary ring body 20 , a number of spiral springs 34 are uniformly distributed on the circumferential side, which press a cylindrical disk 36 against the stationary ring body 20 and press it in the direction of the rotating ring body 26 . The O-ring seal 38 seals the area between the stationary ring body 20 and the seal housing 31 . The rotating ring body 26 is seated in a drive bush 40 and is positioned axially by a clamping bush 42 . Both components are aligned concentrically to the rotating shaft 12 and are firmly screwed against a shaft step 44 by a thread on the shaft 12 with a union nut 46 . Two O-ring seals 48 and 50 prevent the emission of gas fluid between the rotating ring body 26 and the drive bush 40 and the rotating shaft 12 .

Während der Rotation der Welle 12 bilden die beiden radial verlaufenden Dichtflächen 22 und 24 zusammen mit den spiralförmigen Mikronuten 30 des Ringkörpers 26 einen hydrodynamischen Mikrodichtspalt 60. Die spiralförmigen Mikronuten können dabei selbstverständlich auch im stationären Ringkörper 20 angebracht sein. Mit Hilfe dieses Mikrodichtspalts 60 wird eine Reibung und somit das Entstehen von Wärme und Abriebverschleiß bei hohen Drehzahlen und Drücken verhindert, wie dies ausführlich in den US-PSen 3.499.653, 3.704.019 und 4.212.475 beschrieben ist.During the rotation of the shaft 12 , the two radially running sealing surfaces 22 and 24 together with the spiral micro-grooves 30 of the ring body 26 form a hydrodynamic micro-sealing gap 60 . The spiral micro-grooves can of course also be arranged in the stationary ring body 20 . With the aid of this micro sealing gap 60 , friction and thus the generation of heat and abrasion wear at high speeds and pressures is prevented, as is described in detail in US Pat. Nos. 3,499,653, 3,704,019 and 4,212,475.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Dichtfläche 24 des rotierenden Ringkörpers 26, der in der Antriebsbuchse 40 mit einem Antriebsmechanismus 41 und 42 angeordnet ist und der mit spiralförmigen Mikronuten 30 versehen ist. Zugleich zeigt diese Figur in Form von Linien gleichen Drucks oder Isobaren den Druckverlauf zwischen den Dichtflächen im Dichtspalt 60. Vergleichbare Druckverläufe wie der in Fig. 2 dargestellte entstehen, wenn die unbemusterte Dichtfläche 22 entgegen den Uhrzeigersinn über die mit spiralförmigen Mikronuten 30 versehene Dichtfläche 24 hinweggleitet. Bei dieser Bewegung überquert ein Punkt auf der rotierenden Oberfläche bei seiner Bewegung über die Mikronuten 30 zunächst die Vorderkante 35; danach erreicht dieser Punkt, sich entgegen dem Uhrzeigersinn drehend und entsprechend der in Fig. 2 gezeigten Situation, die Hinterkante 33 der Mikronute 30. Die Mikronute 30 ist dabei durch die Vorderkante 35, die Hinterkante 33 sowie durch eine ringförmig verlaufende Innenkante 37 begrenzt. FIG. 2 shows a top view of the sealing surface 24 of the rotating ring body 26 , which is arranged in the drive bush 40 with a drive mechanism 41 and 42 and which is provided with spiral micro-grooves 30 . At the same time, this figure shows the pressure curve between the sealing surfaces in the sealing gap 60 in the form of lines of the same pressure or isobars. Comparable pressure profiles such as that shown in FIG. 2 arise when the unpatterned sealing surface 22 slides counterclockwise over the sealing surface 24 provided with spiral micro-grooves 30 . During this movement, a point on the rotating surface first crosses the front edge 35 as it moves over the micro-grooves 30 ; thereafter this point, rotating counterclockwise and corresponding to the situation shown in FIG. 2, reaches the rear edge 33 of the micro groove 30 . The micro groove 30 is delimited by the front edge 35 , the rear edge 33 and an annular inner edge 37 .

Die Isobarenlinien auf der Dichtfläche veranschaulichen die Charakteristik des Druckverlaufs, der durch den Kompressionseffekt des Gasfluids entsteht. Die Trennlinie zwischen Bereichen niedrigeren und höheren Dichtdrucks ist durch die Isobare 58 gekennzeichnet. Diese umgibt die Isobare 54 und verläuft zu beiden Seiten der Hinterkante 33 der Mikronute 30 ,wobei die Drücke beider Isobaren über dem umgebenden Dichtdruck liegen. Die Isobare 56 hingegen, deren Druck unterhalb des umgebenden Dichtdrucks liegt, verläuft von der Vorderkante 35 der Mikronute 30 kommend über den Dammbereich zwischen zwei der Mikronuten 30. Die in dieser Figur dargestellte Druckverteilung entsteht aufgrund der vektorellen Fließdynamik des Gasfluids.The isobaric lines on the sealing surface illustrate the characteristic of the pressure curve, which is created by the compression effect of the gas fluid. The dividing line between areas of lower and higher sealing pressure is marked by the Isobare 58 . This surrounds the isobar 54 and runs on both sides of the rear edge 33 of the micro groove 30 , the pressures of both isobars being above the surrounding sealing pressure. The isobar 56, on the other hand, the pressure of which lies below the surrounding sealing pressure, runs from the front edge 35 of the micro groove 30 over the perineal area between two of the micro grooves 30 . The pressure distribution shown in this figure arises due to the vectorial flow dynamics of the gas fluid.

Im Gegensatz zur Hinterkante 33 der Mikronute 30 entweicht das Gasfluid an der Vorderkante 35 der Mikronute 30 über zwei Routen: Zum einen über die Innenkante 37 der Mikronute 30, wo der Druck geringer ist, zum anderen, nach außen gerichtet, über die Hinterkante 33 der Mikronute 30, während neues Gasfluid nur aus dem einen Zufluß von außen her peripheral einströmen kann.In contrast to the rear edge 33 of the micro groove 30, the gas fluid escapes at the front edge 35 of the micro groove 30 via two routes: firstly via the inner edge 37 of the micro groove 30 , where the pressure is lower, and secondly, directed outwards, via the rear edge 33 of the Micro groove 30 , while new gas fluid can only flow in from the outside in a peripheral manner.

An der Hinterkante 33 der Mikronute 30 fließt das Gasfluid dagegen nur in Richtung auf die Innenkante 37 in den Bereich mit höherem Fluiddruck, während der Zufluß des Gasfluids einmal von der Vorderkante 35 und einmal von der Peripherie des Außendurchmessers der Mikronute 30 erfolgt. Dadurch weist die Führungskante 35 der Mikronute 30, die jeweils einem Zuflußstrom und zwei Abflußströme hat, einen wesentlich niedrigeren Druck auf als die Hinterkante 33, bei der zwei Zuflußströme nur einem Abflußstrom gegenüberstehen, was zu einem erheblich höheren Druckaufbau führt.At the rear edge 33 of the micro-groove 30 , on the other hand, the gas fluid flows only in the direction of the inner edge 37 into the region with higher fluid pressure, while the inflow of the gas fluid takes place once from the front edge 35 and once from the periphery of the outer diameter of the micro-groove 30 . As a result, the leading edge 35 of the micro groove 30 , which each has one inflow stream and two outflow streams, has a substantially lower pressure than the trailing edge 33 , in which two inflow streams face only one outflow stream, which leads to a considerably higher pressure build-up.

Gemäß der Erfindung sind im Bereich der Mikronuten als Gasführungssystem dienende Kanalsysteme vorgesehen, durch die die beschriebenen Druckdifferenzen so gering wie möglich gehalten werden. Diese sollen nachfolgend näher erläutert werden.According to the invention are in the field of micro grooves as Duct systems serving gas guidance system provided by the pressure differences described are as low as be kept possible. These are described in more detail below are explained.

Fig. 3 zeigt die Dichtfläche 24 eines rotierenden Ringkörpers 26 mit spiralförmigen Mikronuten 30, die durch eine Vorderkante 35, eine Hinterkante 33 sowie eine Innenkante 37 definiert sind. Der Innenkante 37 jeder Mikronute 30 gegenüberliegend verläuft ein Druckausgleichskanal 39, der eine größere Tiefe als die Mikronute 30 aufweist und der die Funktion hat, einen Druckausgleich zwischen den beiden Innenwinkeln herzustellen. FIG. 3 shows the sealing surface 24 of a rotating ring body 26 with spiral micro-grooves 30 , which are defined by a front edge 35 , a rear edge 33 and an inner edge 37 . Opposite the inner edge 37 of each micro groove 30 there is a pressure equalization channel 39 which has a greater depth than the micro groove 30 and which has the function of equalizing the pressure between the two inner angles.

Fig. 4 stellt die Schnittlinie 4-4 durch den Ringkörper 26 in den Fig. 3, 5 und Fig. 6 dar und veranschaulicht die Tiefenerstreckung der Mikronuten 30, die Begrenzung der Innenkante 37 der Mikronuten 30 sowie die Kontur des Druckausgleichskanals 39 in Relation zur Dichtfläche 24 des rotierenden Ringkörpers 26. Fig. 4 represents the section line 4-4 through the annular body 26 in FIGS. 3, 5 and Fig. 6 shows and illustrates the depth extension of the microgrooves 30, the limitation of the inner edge 37 of the microgrooves 30 and the contour of the pressure equalizing channel 39 in relation to the Sealing surface 24 of the rotating ring body 26 .

Fig. 5 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen verlängerten Druckausgleichskanal 39', der in Richtung der Hinterkante 35 auf die Mikronute 30 verläuft, wo ein höherer Druck herrscht. Der Druckausgleichskanal 39' erstreckt sich entlang der Innenkante 37 der Mikronute 30 über deren Hinterkante 33 hinaus und hilft, die Druckdifferenzen abzubauen. Fig. 5 shows in a second embodiment of an elongated pressure equalizing passage 39 'that extends in the direction of the trailing edge 35 to the Mikronute 30 where a higher pressure prevails. The pressure equalization channel 39 ′ extends along the inner edge 37 of the micro groove 30 beyond its rear edge 33 and helps to reduce the pressure differences.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem ringförmigen Druckausgleichskanal 39'', der konzentrisch zur Innenkante 37 der Mikronute 30 verläuft. FIG. 6 shows an exemplary embodiment with an annular pressure compensation channel 39 ″, which runs concentrically to the inner edge 37 of the micro groove 30 .

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Versorgungskanal 64, durch den die Entstehung von Zonen niedrigen Drucks entlang der Vorderkante 35 und der Innenkante 37 der Mikronute 30 verhindert wird. Das zuströmende Gasfluid wird dabei von der Peripherie der Dichtfläche her kommend über den Versorgungskanal 64 zum Innenwinkel der Vorderkante 35 in die Niedrigdruckbereiche der Mikronuten 30 geleitet. FIG. 7 shows a further exemplary embodiment with a supply channel 64 , by means of which the formation of zones of low pressure along the front edge 35 and the inner edge 37 of the micro groove 30 is prevented. The inflowing gas fluid is directed from the periphery of the sealing surface via the supply channel 64 to the inside angle of the front edge 35 into the low-pressure areas of the micro-grooves 30 .

Fig. 8 zeigt eine Teilansicht entlang der Schnittlinie 8-8 gemäß Fig. 7 mit spiralförmig angeordneten Mikronuten 30, der Kontour des Versorgungskanals 64, der Vorderkante 35 und der Hinterkante 33 der Mikronuten 30. FIG. 8 shows a partial view along the section line 8-8 according to FIG. 7 with helically arranged micro grooves 30 , the contour of the supply channel 64 , the front edge 35 and the rear edge 33 of the micro grooves 30 .

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Bereiche niedrigeren Drucks am Innenwinkel der Vorderkante 35 der Mikronuten 30 durch einen Versorgungskanal 62 angeströmt werden. Dieser verläuft im Innern des Ringkörpers 26 in axialer Richtung, wie dies insbesondere in den Fig. 1a und 1b dargestellt ist. FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of the invention, in which the areas of lower pressure at the inner angle of the front edge 35 of the micro grooves 30 are flowed through by a supply channel 62 . This extends in the interior of the ring body 26 in the axial direction, as is shown in particular in FIGS. 1a and 1b.

Fig. 10 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel Verlängerungen 66 jeweils am Innenwinkel der Hinterkanten 33 der Mikronuten 30. Die Anordnung ist dabei ähnlich wie in Fig. 5 gezeigt, allerdings mit dem Unterschied, daß die Tiefe dieser Verlängerungen 66 der Tiefe der Mikronuten 30 entspricht. Fig. 10 shows in a further embodiment, extensions 66, respectively on the inner angles of the rear edges 33 of the microgrooves 30th The arrangement is similar to that shown in FIG. 5, but with the difference that the depth of these extensions 66 corresponds to the depth of the micro-grooves 30 .

Fig. 11 schließlich zeigt ein letztes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Verlängerungen zu einem kreisförmig umlaufenden Ringkanal 66' vereint sind, dessen Tiefe derjenigen der Mikronuten 30 entspricht. Figure 11 finally. Shows a last embodiment of the invention, in which the extensions are united into a circular circumferential annular channel 66 ', the depth of that of the microgrooves 30 corresponds.

Claims

1. Gas-lubricated mechanical seal with a gas fluid film for sealing a fluid in a space between a stationary and a rotating element, in particular between a machine housing and a shaft rotating therein, consisting of a stationary ring body, which coaxially surrounds the rotating shaft and against the rotating shaft is axially movably supported, and a co-moving ring body which coaxially surrounds the rotating shaft and which is rigidly connected to the latter, both ring bodies each having a sealing surface and these sealing surfaces forming a seal, and one of the sealing surfaces being provided with micro-grooves , which are each delimited by a leading edge, a trailing edge and an inner edge, characterized in that the leading edge ( 35 ) of each micro groove ( 30 ) each has an intersection with the inside edge ( 37 ), the two tangents of which together form an angle of more than 90 Form degrees, that the rear edge ( 33 ) each has an intersection with the inner edge ( 37 ), the two tangents of which form an angle of less than 90 degrees, that the inner edge ( 37 ) is concentric with the rotating shaft ( 12 ) and that the micro grooves ( 30 ) a gas guide system consisting of flow channels ( 39 , 39 ', 39 '', 62 , 64 , 66 , 66 ') for the gas fluid is assigned.

2. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 1, characterized in that the gas guide system consists of circular channel segments ( 39 ) which extend over the width of the micro-grooves ( 30 ) and which are concentric to the rotating shaft ( 12 ) along the inner edge ( 37 ) of the micro-grooves ( 30 ) run from the front edge ( 35 ) to the rear edge ( 33 ).

3. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 1, characterized in that the gas guide system consists of circular channel segments ( 39 ') which extend over the width of the micro-grooves ( 30 ) and which are concentric with the rotating shaft ( 12 ) along the inner edge ( 37 ) of the Micro grooves ( 30 ) extend from their front edge ( 35 ) over their rear edge ( 33 ).

4. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 1, characterized in that the gas guide system consists of a circumferential annular channel ( 39 '') which is arranged along the inner edge ( 37 ) and which is concentric with the rotating shaft ( 12 ).

5. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 1, characterized in that the gas routing system consists of individual passages ( 64 ) which are arranged along the front edges ( 35 ) of the micro-grooves ( 30 ).

6. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 1, characterized in that the gas guide system consists of supply channels ( 62 ) which emerge in the inner angle of the front edges ( 35 ) of the micro-grooves ( 30 ) and which are connected to the gas fluid.

7. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 1, characterized in that the gas routing system consists of annular finger-like extensions ( 66 ) of the micro-grooves ( 30 ), each beginning at the inside angle of the rear edge ( 33 ) and extending in the extension of the inside edge ( 37 ).

8. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 1, characterized in that the gas guide system consists of a circumferential ring channel ( 66 ') which has the same depth as the micro-grooves ( 30 ) and which is concentric with the rotating shaft ( 12 ).

9. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 5, characterized in that the gas guide system consists of circular channel segments ( 39 ) which extend over the width of the micro-grooves ( 30 ) and which are concentric to the rotating shaft ( 12 ) along the inner edge ( 37 ) of the micro-grooves ( 30 ) run from the front edge ( 35 ) to the rear edge ( 33 ).

10. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 5, characterized in that the gas guide system consists of circular channel segments ( 39 ') which extend over the width of the micro-grooves ( 30 ) and which are concentric with the rotating shaft ( 12 ) along the inner edge ( 37 ) of the Micro grooves ( 30 ) extend from their front edge ( 35 ) over their rear edge ( 33 ).

11. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 5, characterized in that the gas guide system consists of a circumferential annular channel ( 39 '') which is arranged along the inner edge ( 37 ) and which is concentric with the rotating shaft ( 12 ).

12. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 5, characterized in that the gas routing system consists of annular finger-like extensions ( 66 ) of the micro-grooves ( 30 ), each beginning at the inner angle of the rear edge ( 33 ) and extending in the extension of the inner edge ( 37 ).

13. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 5, characterized in that the gas guide system consists of a circumferential annular channel ( 66 ') which has the same depth as the micro-grooves ( 30 ) and which is concentric with the rotating shaft ( 12 ).

14. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 6, characterized in that the gas guide system consists of circular channel segments ( 39 ) which extend over the width of the micro-grooves ( 30 ) and which are concentric to the rotating shaft ( 12 ) along the inner edge ( 37 ) of the micro-grooves ( 30 ) run from the front edge ( 35 ) to the rear edge ( 33 ).

15. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 6, characterized in that the gas guide system consists of circular channel segments ( 39 ') which extend over the width of the micro-grooves ( 30 ) and which are concentric with the rotating shaft ( 12 ) along the inner edge ( 37 ) of the Micro grooves ( 30 ) extend from their front edge ( 35 ) over their rear edge ( 33 ).

16. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 6, characterized in that the gas guide system consists of a circumferential ring channel ( 39 '') which is arranged along the inner edge ( 37 ) and which is concentric with the rotating shaft ( 12 ).

17. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 6, characterized in that the gas routing system consists of annular finger-like extensions ( 66 ) of the micro-grooves ( 30 ), each beginning at the inner angle of the rear edge ( 33 ) and extending in the extension of the inner edge ( 37 ).

18. Gas-lubricated mechanical seal according to claim 6, characterized in that the gas guide system consists of a circumferential ring channel ( 66 ') which has the same depth as the micro-grooves ( 30 ) and which is concentric with the rotating shaft ( 12 ).