DE19722998A1 - Radiale Ringspaltdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine radiale Ringspaltdichtung, mit minde­ stens einem eine abzudichtende Welle direkt oder unter Zwischen­ schaltung eines Laufrings umgebenden, ein definiertes radiales Spiel bildenden Schwimmring. Solche gattungsgemäßen radialen Ring­ spaltdichtungen sind auch mit in der Lauffläche des Schwimmringes angeordneten Nuten bekannt.

Aus der EP 0 243 791 B1 ist eine radiale Ringspaltdichtung be­ kannt, d. h. eine Dichtung zwischen rotierenden Maschinenteilen mit einem Dichtring, der eine Welle derart umgibt, daß zwischen Welle und Ring ein enger Spalt gebildet ist, in dem sich im Betrieb ein tragfähiges Gaskissen bildet, wobei der Dichtring in einem käfig­ artigen Teil frei beweglich angeordnet ist und unter Gasdruck ge­ gen eine radiale Dichtfläche gedrückt wird. Aus dieser Druck­ schrift ist es auch bekannt, in der Lauffläche des Dichtringes oder auf dem komplementären Bereich der Welle, vorzugsweise im verschleißärmeren Teil, ein Muster von Vertiefungen unter einem Winkel zur Drehachse anzuordnen.

Bei den gattungsgemäßen radialen Ringspaltdichtungen ist es jedoch unabhängig davon, ob sie mit oder ohne Vertiefungen bzw. Nuten ausgestattet sind, nicht möglich, sie mit niedrigen Drehzahlen zu betreiben, da in solchen Betriebs fällen das zum Aufschwimmen des Schwimmringes notwendige Gaskissen im Ringspalt zwischen Schwimm­ ring und Welle oder Schwimmring und Laufring nicht erzeugt wird. Letztere Aussage gilt für einfache Ringspaltdichtungen für Gase. Bekannt sind seit längerem auch Schwimmring-Dichtungen (Ringspalt­ dichtungen) für Flüssigkeiten. Für Ringspaltdichtungen für Flüs­ sigkeiten gilt das oben Gesagte analog, jedoch sind unter "niedri­ gen Drehzahlen" entsprechend der höheren Dichte des abzudichtenden Mediums, das zur Erzeugung eines Trageffektes zur Verfügung steht, noch niedrigere Drehzahlen zu verstehen. Für gasgeschmierte Rings­ paltdichtungen läßt sich grob sagen, daß bereits Drehzahlen um die 5000 min^-1 bis 10 000 min^-1 als niedrige Drehzahlen aufzufassen sind. Typische Anwendungsfälle für gasgeschmierte Ringspaltdich­ tungen liegen im Bereich von 20 000 min^-1 bis 100 000 min^-1.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, radiale Ringspalt­ dichtungen der gattungsgemäßen Art, sei es mit Nuten oder ohne Nuten in Lauffläche und/oder Welle/Laufring, so zu verbessern, daß die Mindest-Abhebedrehzahl zur Ausbildung eines engen Spaltes zwi­ schen Welle und Schwimmring herabgesetzt werden und so Ringspalt­ dichtungen zu schaffen, die sich ohne Verschleiß und mit guter Dichtwirkung bei niedrigeren Drehzahlen als bisher betreiben las­ sen.

Die Lösung der Aufgabe ist bei einer gattungsgemäßen radialen Ringspaltdichtung, die in der Lauffläche des Schwimmringes ange­ ordnete Nuten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten bis zu einer kreisförmigen Kante der Lauffläche sich erstreckend an­ geordnet sind. Auf diese Weise werden die Nuten bis zu stirnwand­ seitig angeordneten Öffnungen erstreckt. Auf diese Weise erfolgt schon bei niedrigen Drehzahlen ein ausreichender dynamischer Druckaufbau im Spalt. Dieser Druckaufbau führt zum Abheben bzw. zu dem sogenannten "Schwimmen" des Schwimmringes und somit zum zuver­ lässigen Arbeiten der Abdichtung bereits bei niedrigen Drehzahlen.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß Nuten im Laufbereich der Wel­ le oder alternativ - sofern vorhanden - des Laufringes angeordnet sind, die sich in axialer Richtung bis über die druckseitige, kreisförmige Kante der Lauffläche des Schwimmringes hinaus er­ strecken.

Dabei eignen sich die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nuten in ihrer speziellen Ausgestaltung insbesondere für gasgeschmierte radiale Ringspaltdichtungen. Jedoch sind positive Effekte auch bei flüssigkeitsgeschmierten Ringspaltdichtungen zu verzeichnen.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, daß die Nuten gekrümmt sind und sich unter einem spitzen Winkel zur Axialrichtung erstrecken.

Dabei kann der Winkel für inkompressible Medien vorteilhaft zwi­ schen 15° und 50° entgegen der Drehrichtung liegen, während sich der Winkel für kompressible Medien sich zwischen 2° und 70° belau­ fen kann.

Durch die Anordnung von Nuten mit der beschriebenen Geometrie führt die Rotation in vordefinierter Drehrichtung einerseits zu einer Pumpwirkung von außen nach innen, andererseits zu einem Druckanstieg an den Nuträndern. Der Druckaufbau bewirkt ein Druck­ maximum an den innerhalb des Schwimmringes gelegene Nutenden.

Dieser Druckaufbau wirkt bei Anordnung der Nuten zur Niederdruck­ seite hin dem abzudichtenden Überdruck entgegen und unterstützt somit die Dichtwirkung des Schwimmringes. Ein besonderer Vorteil dieser Lösung ist, daß bei vorhandener radialer Exzentrizität (d. h. im Anfahrzustand) die Nuten eine radiale Tragfähigkeit be­ gründen, welche zum frühzeitigeren Abheben und somit zuverlässigen Arbeiten des Schwimmringes führen, im Vergleich zum normalen Schwimmring bzw. einer normalen Ringspaltdichtung gemäß dem Stande der Technik. Ist die radiale Exzentrizität nicht mehr oder nur noch minimal vorhanden, weil der Schwimmring abgehoben hat und sich selbständig zentriert hat, bewirken die Nuten immer noch ei­ nen Druckaufbau, der größer ist als bei der Ausführung von Nuten, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, und die somit die Dichtwirkung unterstützen.

Bei Anordnung der Nuten auf der Hochdruckseite wird der Trageffekt gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Nuten weiter verbessert, da ein erhöhter Druck anliegt, d. h. der Schwimmring kann noch früher abheben, wodurch die Verschleißneigung weiter minimiert wird.

Die vorgestellten Überlegungen gelten analog für Ausführungsformen von Ringspaltdichtungen, bei denen die Nuten nicht im Schwimmring, sondern entweder im Laufflächenbereich der Welle oder - falls vor­ handen - in einem Laufring angeordnet sind.

Für einen sehr guten dynamischen Trageffekt werden bei einem Län­ gen-Durchmesser-Verhältnis von 0,25 bis 2 Winkel zwischen Haupt­ richtung der Nut und axialer Längsachse von 15° bis 50° für inkom­ pressible Medien und von 2° bis 70° für kompressible Medien emp­ fohlen. Die prinzipielle Funktionsfähigkeit und der dynamische Trageffekt ist jedoch prinzipiell mit beliebigen Nutwinkeln rea­ lisierbar.

Die erfindungsgemäß ausgeführten Nuten verbessern außerdem Stabi­ lität und Dämpfungsverhalten im Vergleich zu den bekannten Ausfüh­ rungsformen gemäß dem Stand der Technik.

Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, daß die Begrenzungskan­ ten der Nuten zumindest eine Sprungstelle aufweisen. So speziell ausgeformte Nuten gewährleisten bereits bei sehr niedrigen Dreh­ zahlen einen maximalen Druckaufbau und wirken bei höchsten Dreh­ zahlen stabilisierend, gleichzeitig wird damit ein ausgezeichnetes Dämpfungsverhalten erzielt. An der Sprungstelle wird ein zusätzli­ cher Druckaufbau durch Stoßwirkung initiiert, der schon bei gerin­ gen Drehzahlen den Aufbau eines tragfähigen Gasschmierfilms ermög­ licht. Die Krümmung der Nut ist drehrichtungsabhängig. Die Tiefe der Nut kann sowohl einen symmetrischen Verlauf zur Nutmitte oder auch einen beliebigen anderen Verlauf haben. Die Nuten können gleichmäßig oder - beispielsweise zur Verhinderung von Vibrationen- auch ungleichmäßig am Umfang des Schwimmringes oder von Welle/-Laufring angeordnet sein.

Als drehrichtungsunabhängige Lösung wird der Einsatz von bei­ spielsweise T-Nuten und Doppel-T-Nuten, vorgeschlagen welche am Umfang der Welle bzw. des Laufringes oder in der Lauffläche des Schwimmringes angeordnet sind und mit einem Ende bündig an einem Rand des Schwimmringes abschließen bzw. - bei Anordnung der Nuten auf der Welle oder im Laufring - über einen Rand des Schwimmringes hinausragen.

Um insbesondere beim Anfahren der Welle eine noch bessere und schnellere Ausbildung des Ringspaltes zu ermöglichen, kann als flankierende Maßnahme vorgesehen sein, daß der Schwimmring am Um­ fang verteilt angeordnete Radialbohrungen zur Zuführung eines sta­ tischen Druckes aufweist. Dabei kann diese Maßnahme in Sonderfäl­ len auch allein, d. h. ohne in der Lauffläche des Schwimmringes oder der Lauffläche von Welle/Laufring angeordnete Nuten, ausge­ bildet sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ring­ spaltdichtung mit im Laufring angeordneten Nuten,

Fig. 2 die Ringspaltdichtung gemäß Fig. 1 mit zusätzli­ chen radialen Bohrungen im Schwimmring,

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Laufring,

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine zweite alternative Ausführungsform eines Lauf­ ringes gemäß Fig. 3,

Fig. 6 eine Detail-Schnittansicht einer T-förmigen Nut gemäß Fig. 7 und 8,

Fig. 7 einen Schnitt durch eine dritte alternative Ausfüh­ rungsform eines erfindungsgemäßen Laufringes, und

Fig. 8 eine Draufsicht auf den Laufring gemäß Fig. 7.

Fig. 1 zeigt eine Welle 10, die eine Wandung 11 zwischen zwei Be­ triebsräumen 12 und 14 unterschiedlichen Drucks durchquert. Die Welle 10 weist einen auf gepreßten Schleuderring 16 auf, der rechts an einem Wellenabsatz anliegt. Gegen diesen Wellenabsatz und den Schleuderring ist ein Laufring 20 mittels einer Schraubhülse 18 verspannt. Auf dem Laufring 20 liegen zwei Schwimmringe 22 und 24 auf. Die Schwimmringe 22 und 24 werden je für sich in einer käfig­ artigen Führung gehalten, so daß sie sowohl in radialer wie in axialer Richtung geringfügige Bewegungen ausführen können. Der Käfig besteht aus einem Käfiggrundbauteil 26, das unter Zwischen­ schaltung eines dichtenden O-Ringes 27 in einer Bohrung 28 in der Wandung 11 eingesetzt ist. An das Käfiggrundbauteil 26 schließt sich in axialer Richtung ein Kammerring 30 an, der seinerseits in axialer Richtung von einer Endplatte 32 gehalten wird. Letztere ist durch versenkte Schrauben 34 mit der Wandung 11 verschraubt.

Die Schwimmringe 22 und 24 weisen jeweils Anlaufkanten auf, mit denen sie je nach Druckrichtung, d. h. Druckgefälle zwischen den Räumen 12 und 14 entweder an dem Käfiggrundbauteil (linker Schwimmring 22) und dem Kammerring 30 (rechter Schwimmring 24) an­ liegen, oder aber umgekehrt an dem Kammerring 30 (linker Schwimm­ ring 22) und der Innenseite der Endplatte 32 (rechter Schwimmring 24).

Der in Fig. 1 dargestellte Laufring 20 ist entsprechend für zwei Schwimmringe ausgelegt und weist erfindungsgemäß zwei kreisförmige Reihen von Nuten 36 auf, die jeweils bis zur kreisförmigen, die Lauffläche des jeweiligen Schwimmringes begrenzenden Kante rei­ chen, bzw. je nach Stellung des Schwimmringes bis über diese hin­ aus. Auf diese Weise wird ein Druckaufbau gefördert, so daß es be­ reits bei niedrigen Drehzahlen zum Abheben der Schwimmringe 22 und 24 und dementsprechend zu einem Verlassen des Mischreibungsgebie­ tes kommt.

Bei Anordnung der Nuten zur Niederdruckseite (Raum 14, Schwimmring 24) hin erfolgt ein Druckaufbau, der dem abzudichtenden Überdruck entgegen wirkt und somit die Dichtwirkung des Schwimmringes unter­ stützt. Ein besonderer Vorteil dieser Lösung ist, daß bei vorhan­ dener radialer Exzentrizität (d. h. im Anfahrzustand) die Nuten eine radiale Tragfähigkeit begründen, welche zum frühzeitigeren Abheben und somit zuverlässigen Arbeiten des Schwimmringes führen. Ist die radiale Exzentrizität nicht mehr oder nur noch minimal vorhanden, weil der Schwimmring abgehoben hat und sich selbständig zentriert hat, bewirken die Nuten immer noch einen Druckaufbau, der somit die Dichtwirkung unterstützt.

Bei Anordnung der Nuten auf der Hochdruckseite (Raum 12, Schwimm­ ring 22) wird der Trageffekt gegenüber den aus dem Stand der Tech­ nik bekannten Nuten weiter verbessert, da ein erhöhter Druck an­ liegt, d. h. der Schwimmring kann noch früher abheben, wodurch die Verschleißneigung weiter minimiert wird.

Zusätzlich kann bei geringen Druckdifferenzen eine Feder 39 zur Lagefixierung eingesetzt werden (vgl. Fig. 1 und 2).

Fig. 2 ist identisch mit Fig. 1, weswegen der Übersichtlichkeit halber die Bezugszeichen, soweit sie in Fig. 1 vorhanden sind, fortgelassen worden sind. Zusätzlich zu den im Laufring 20 vorge­ sehene Nuten 36, die sich bis über die Endflächen der Schwimmringe 22 und 24 weg erstrecken, sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 in den Schwimmringen 22 und 24 radial angeordnete Bohrungen 40 vorgesehen, die zum Zuleiten eines statischen Druckes dienen. Ein über eine Leitung 38, die teilweise in Form einer im Gehäuse 11 angeordneten Bohrung ausgebildet sein kann, zugeführtes Spargas tritt in die in Fig. 2 gezeichneten Bohrungen 40 der Schwimmringe 22 und 24 ein und hebt diese an. Die im unteren Bereich der Schwimmringe 22 und 24 stehenden Bohrungen 40 werden ebenfalls mit Druck beaufschlagt, jedoch ist aufgrund der wegen der vorliegenden Exzentrizität der Schwimmringe im Ruhestand gegebenen größeren Spaltbildung im unteren Bereich der Druckaufbau wesentlich klei­ ner, so daß es nicht zu einem Aufheben der durch die oberen Boh­ rungen 40 erzeugten abhebenden Wirkung kommen kann. Bei der in Fig. 2 gezeichneten Stellung wird davon ausgegangen, daß der Druck im Raum 12 größer ist als im Raum 14. Der linke Schwimmring 22 liegt daher mit seiner Anlagekante am Kammerring 30 an.

Für den beispielhaften Betriebszustand, daß im Raum 12 ein gerin­ ger Unterdruck statt eines Überdruckes (wie im zuvor beschriebenen Fall) vorhanden ist, wird über eine im Gehäuse 11 vorgesehene Boh­ rung 38 und entsprechende Bohrungen in Käfiggrundbauteil 26 und Kammerring 30 ein unter Druck stehendes Sperrmedium zugeführt. Dadurch wechselt der linke Schwimmring 22 die Anlagefläche und kommt zum Anliegen an das Käfiggrundbauteil. Der rechte Schwimm­ ring 24 liegt durch die Feder 39 an der Innenseite der Endplatte 32 an. Somit wird bei diesem Betriebszustand eine zuverlässige Abdichtung erreicht, so daß kein Medium von Raum 14 in Raum 12 gelangen kann. Die hier beschriebene Dichtungsanordnung stellt also eine zuverlässige Abdichtung nach beiden Seiten (Raum 12 und 14) für wechselnde Betriebszustände dar.

Fig. 3 zeigt einen Laufring für einen einzelnen Schwimmring. Die Drehrichtung des Laufrings ist in Fig. 3 durch einen Vektor sym­ bolisiert, d. h. die randseitigen Öffnungen der Nuten 36 eilen dem Nutgrund jeweils vor. Ein Winkel α zwischen der Mittellinie der jeweiligen Nut 36 und der Axialrichtung bewegt sich zwischen 15° und 50° für inkompressible Medien und zwischen 2° und 70° für kom­ pressible Medien.

Die Nuten 36 sind in dem Laufring 20 so angeordnet, daß sie sich in axialer Richtung bis über eine kreisförmige Kante 45 der Lauf­ fläche eines angedeuteten Schwimmringes 22 hinaus erstrecken.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform des in Fig. 3 ge­ zeichneten Laufringes 20, bei der die Begrenzungskanten der Nuten jeweils eine Sprungstelle 46 aufweisen. Die Sprungstellen bewirken eine Unstetigkeit und damit einen Druckstoß, der zu einer Druck­ erhöhung führt und damit zu noch weiter verbesserten Laufeigen­ schaften.

Fig. 5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Nuten mit jeweils einer Sprungstelle 52 in den Begrenzungskanten.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen eine alternative Ausführungsform eines Laufringes, bei dem die eingelassenen Nuten 36 drehrichtungsunab­ hängig in Form von T-förmigen Nuten ausgebildet sind.

Bezugszeichenliste

10

Welle

11

Wandung

12

Druckraum

14

Druckraum

16

Schleuderscheibe

18

Schraubhülse

20

Laufring

22

Schwimmring

24

Schwimmring

26

Käfiggrundbauteil

27

O-Ring

28

Bohrung

30

Kammerring

32

Endplatte

34

Schrauben

36

Nut

38

Sperrgasleitung

39

Feder

40

Radialbohrung (in

22

,

24

)

42

Bohrung

45

kreisförmige Kante (von

22

,

24

)

46

Sprungstelle

52

Sprungstelle

54

Laufring

Claims (15)

1. Radiale Ringspaltdichtung, mit mindestens einem eine abzu­ dichtende Welle (10) direkt oder unter Zwischenschaltung ei­ nes Laufrings (20) umgebenden, ein definiertes radiales Spiel bildenden Schwimmring (22, 24), wobei in der Lauffläche des Schwimmringes (22, 24) Nuten (36) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (36) bis zu einer kreisförmigen Kante (45) der Lauffläche sich erstreckend angeordnet sind.

2. Radiale Ringspaltdichtung, bestehend aus mindestens einem eine abzudichtende Welle (10) direkt oder unter Zwischen­ schaltung eines Laufrings (20) umgebenden, ein definiertes radiales Spiel bildenden Schwimmringes, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Welle (10) oder in dem Laufring (20) Nuten (36) angeordnet sind, die sich in axialer Richtung bis über eine kreisförmige Kante der Lauffläche des Schwimmringes hin­ aus erstrecken.

3. Ringspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung gasgeschmiert ist.

4. Ringspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (36) unter einem spitzen Winkel zur Axialrichtung sich erstreckend angeordnet sind.

5. Ringspaltdichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) für inkompressible Medien zwischen 15° und 50° entgegen der Drehrichtung liegt.

6. Ringspaltdichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) für kompressible Medien zwischen 2° und 70° entgegen der Drehrichtung liegt.

7. Ringspaltdichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (36) gekrümmt sind.

8. Ringspaltdichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungskanten der Nuten (36) zu­ mindest eine Sprungstelle (46, 52) aufweisen.

9. Ringspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (36) T-förmig ausgebildet sind.

10. Ringspaltdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (36) Doppel-T-förmig ausgebil­ det sind.

11. Ringspaltdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmring am Umfang ver­ teilt angeordnete Radialbohrungen (40) zur Zuführung eines statischen Druckes aufweist.

12. Radiale Ringspaltdichtung, bestehend aus mindestens einem eine abzudichtende Welle (10) direkt oder unter Zwischen­ schaltung eines Laufrings (20) umgebenden, ein definiertes radiales Spiel bildenden Schwimmringes, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schwimmring am Umfang verteilt angeordnete Radi­ albohrungen (40) zur Zuführung eines statischen Druckes auf­ weist.

13. Schwimmring (22, 24) für eine radiale Ringspaltdichtung, mit in der Lauffläche des Schwimmringes angeordneten Nuten (36), dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (36) bis zu einer Kante der Lauffläche sich erstreckend angeordnet sind.

14. Schwimmring nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmring am Umfang verteilt angeordnete Radialbohrun­ gen (40) zur Zuführung eines statischen Druckes aufweist.

15. Schwimmring für eine radiale Ringspaltdichtung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schwimmring am Umfang verteilt angeord­ nete Radialbohrungen (40) zur Zuführung eines statischen Druckes aufweist.