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Die
Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer Leiteinrichtung
zum Leiten eines zugeführten
Sperrfluids.
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Gleitringdichtungsanordnungen
sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen
bekannt. Hierbei ist es beispielsweise bekannt, einen stationären Gleitring
einer Gleitringdichtungsanordnung mittels eines O-Ringes gegenüber einem
Gehäuse
abzudichten. Dieser O-Ring kann dabei mit dem Produkt, welches durch
die Gleitringdichtungsanordnung abgedichtet werden soll, in Kontakt
kommen. Ferner ist es bekannt, dass die Gleitringdichtungsanordnung
axiale Bewegungen eines rotierenden Bauteils, z. B. einer Welle,
mitmachen muss, um eine sichere Abdichtung zu gewährleisten. Hierbei
muss der den stationären
Gleitring abdichtende O-Ring ebenfalls eine gewisse axiale Beweglichkeit
bzw. Verformbarkeit aufweisen, um eine axiale Ausgleichsfunktion
zu übernehmen.
Daher werden diese O-Ringe üblicherweise
aus einem Elastomermaterial hergestellt. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, in
denen das abzudichtende Produkt sehr tiefe oder sehr hohe Temperaturen
aufweist. Ein derartiges Beispiel ist beispielsweise ein Kompressor
für Kohlenmonoxid,
welches Temperaturen bis zu –65°C aufweist.
Da der O-Ring mit dem kalten Produktgas in Kontakt kommt, tritt
eine Verhärtung
des O-Rings auf, so dass dieser seine Dichtfunktion und insbesondere auch
seine axiale Beweglichkeit weitgehend verliert. Wenn nun bei einem
verhärteten
O-Ring eine axiale Relativbewegung des rotierenden Bauteils auftritt, kann
es vorkommen, dass der verhärtete
O-Ring sich in das stationäre
Bauteil einarbeitet und es beim stationären Bauteil zu einer Riefenbildung
kommen kann. Dann ist jedoch die gesamte Funktion der Gleitringdichtungsanordnung
gefährdet,
da insbesondere die axiale Ausgleichsfunktion der O-Ring-Dichtung
fehlt.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einfachem Aufbau
und kostengünstiger Herstellbarkeit
eine Gleitringdichtungsanordnung zu schaffen, welche auch bei Abdichtungsaufgaben
von Produkten mit extremen Temperaturen hervorragende Dichtungseigenschaften
aufweist.
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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
weist den Vorteil auf, dass sie immer eine Dichtfunktion einer Sekundärdichtung,
welche am stationären
Gleitring an einer ersten Seite eines Dichtbereichs des stationären Bauteils
abdichtet, aufrechterhalten kann. Diese Aufrechterhaltung der Dichtfunktion
kann insbesondere unabhängig
von einer extremen Temperatur, beispielsweise einer tiefen Temperatur
im zweistelligen negativen Bereich, oder einer sehr hohen Temperatur,
beispielsweise über 100°C, sichergestellt
werden. Hierzu ist erfindungsgemäßen eine
Leiteinrichtung vorgesehen, welche eine Strömung eines Sperrfluids derart
leitet, dass eine Strömungspassage
für das
Sperrfluid an einer zweiten Seite des Dichtbereichs des stationären Bauteils
vorhanden ist. Durch Wahl einer Temperatur des Sperrfluids ist es
möglich,
eine Temperatur des Dichtbereichs gezielt zu ändern, so dass auch die am Dichtbereich
anliegende Sekundärdichtung
in einem Temperaturfenster liegt, welches eine ausreichende Funktion
der Sekundärdichtung
sicherstellt. Insbesondere muss die Sekundärdichtung die notwendigen elastischen
Eigenschaften aufweisen, um eine axiale Bewegung bzw. Verformung
gemeinsam mit den Gleitringen der Gleitringdichtungsanordnung ausführen zu
können
und die für
die Funktion der Gleitringdichtungsanordnung notwendige Walkarbeit auszuführen. Die
Temperaturanpassung der Sekundärdichtung
kann dabei sowohl während
eines Betriebs einer Maschine, z. B. eines Kompressors, oder auch
nach einem Stillstand der Maschine vor einem Anlaufen der Maschine
ausgeführt
werden.
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Vorzugsweise
ist die Strömungspassage zwischen
dem Dichtbereich und der Leiteinrichtung vorgesehen. Die Strömungspassage
verläuft
dabei an der zweiten rückwärtigen Seite
des Dichtbereichs, welche der ersten Seite, an der die Sekundärdichtung
abdichtet, entgegengesetzt liegt. Der Dichtbereich ist dabei besonders
bevorzugt ein in Axialrichtung vorstehender Ringflansch und die
Leiteinrichtung umfasst einen zylindrischen Bereich, z. B. in Form
einer Leitbuchse. Der Ringflansch und der zylindrische Bereich sind
in Axialrichtung vorzugsweise parallel angeordnet, so dass sich
eine ringförmige Strömungspassage
ergibt. Dies fördert
einen gleichmäßigen Temperaturverlauf
des Dichtbereichs in Umfangsrichtung.
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Um
einen Druck des Sperrfluids zu reduzieren, ist vorzugsweise eine
Drosseleinrichtung zwischen einer Fluidzufuhrleitung und der Strömungspassage
vorgesehen.
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Weiter
bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung
eine Temperaturmesseinrichtung, welche am Dichtbereich des stationären Bauteils
angeordnet ist. Die Temperaturmesseinrichtung ist beispielsweise
ein Temperatursensor, um eine Temperatur des Dichtbereichs zu erfassen. Da
die Sekundärdichtung
unmittelbar am Dichtbereich anliegt, kann von der Temperatur des
Dichtbereichs auf eine Temperatur der Sekundärdichtung geschlossen werden.
Alternativ kann ein Temperatursensor auch derart an dem Dichtbereich angeordnet sein,
dass er mit der Sekundärdichtung
in Kontakt ist, um direkt eine Temperatur der Sekundärdichtung
zu erfassen. Weiter bevorzugt umfasst die Gleitringdichtungsanordnung
eine Regelungseinheit, welche die von der Temperaturmesseinrichtung
aufgenommenen Temperatursignale empfängt und basierend auf diesen
Temperatursignalen eine Temperatur des Sperrfluids regelt. Hierzu
kann beispielsweise eine Kühleinrichtung
und/oder eine Heizeinrichtung vorgesehen sein, welche durch die
Regelungseinheit entsprechend geregelt wird.
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Die
Gleitringdichtungsanordnung ist vorzugsweise als gasgeschmierte
Gleitringdichtungsanordnung ausgebildet und das Sperrfluid ist ein
Sperrgas, insbesondere Stickstoff.
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Um
eine möglichst
kurze Baulänge
in Axialrichtung aufzuweisen, ist die Sekundärdichtung vorzugsweise an einer
Vorspannvorrichtung zur Vorspannung des stationären Gleitrings angeordnet.
Besonders bevorzugt ist die Sekundärdichtung dabei in einen Kraftübertragungsring
der Vorspannvorrichtung integriert.
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Die
erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung
wird vorzugsweise bei einem Verdichter zur Verdichtung von Kohlenmonoxid
verwendet, welches Temperaturen bis zu –65°C annehmen kann. Als Sperrgas
wird hierbei vorzugsweise Stickstoff mit einer Temperatur von ca.
20° verwendet,
um eine entsprechende Erwärmung
des Dichtbereichs sowie der am Dichtbereich anliegenden Sekundärdichtung, insbesondere
einem O-Ring, zu ermöglichen.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die anliegende 1 eine Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt
eine längsgeschnittene
Teileansicht eines Verdichters zur Verdichtung von Kohlenmonoxid.
Das Bezugszeichen 6 kennzeichnet dabei eine Welle des Verdichters
und das Bezugszeichen 7 ein stationäres Bauteil, insbesondere ein
mehrteiliges Gehäuse.
Die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung
ist in 1 mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist neben der ersten Gleitringdichtungsanordnung 1 noch
eine zweite Gleitringdichtungsanordnung 16 angeordnet, welche
eine Sicherheitsfunktion beim Ausfall der ersten Gleitringdichtungsanordnung übernimmt.
Die beiden Gleitringdichtungsanordnungen 1, 16 bilden
somit eine Tandemanordnung, wobei die zweite Gleitringdichtungsanordnung 16 gegenüber einem
Lagerraum 21 abdichtet. Um eine möglichst große Gleichteileanzahl aufzuweisen,
sind die Gleitringe der beiden Gleitringanordnungen sowie Teile
der Vorspannvorrichtung 14 gleich ausgebildet.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst die erste Gleitringdichtungsanordnung 1 einen
rotierenden Gleitring 2 und einen stationären Gleitring 3.
Der stationäre
Gleitring 3 ist dabei mittels einer Vorspanneinrichtung 14 vorgespannt
und axial in Axialrichtung X-X beweglich, jedoch durch nicht gezeigte
Mittel drehfest angeordnet. Der rotierende Gleitring 2 ist mit
einer rotierenden Buchse 13, welche auf der Welle 6 befestigt
ist, verbunden. Bei einer Drehung der Welle 6 wird somit
der rotierende Gleitring 2 über die Buchse 13 mitgedreht.
Die Gleitringe 2, 3 haben einander gegenüberliegende
Gleit- bzw. Dichtflächen 4, 5,
zwischen denen im Betrieb ein Dichtspalt gebildet wird, um eine
Umgebung an einem Umfang gegenüber
einer Umgebung am anderen Umfang der Gleitringpaarung abzudichten.
Bei einem Stillstand der Gleitringdichtungsanordnung werden die
Gleitflächen 4, 5 unter
einer Vorspannkraft der Vorspannvorrichtung 14 in dichtendem
Eingriff miteinander gehalten. Dazu umfasst die Vorspanneinrichtung 14 mehrere
entlang des Umfangs verteilt angeordnete Vorspannfedern 14a.
Die Vorspannkraft wird dabei nicht direkt auf den Gleitring 3,
sondern über
einen Kraftübertragungsring 14b übertragen.
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An
der radialen Innenseite des Kraftübertragungsrings 14b ist
eine Sekundärdichtung 8 angeordnet.
Hierzu ist in dem Kraftübertragungsring 14b eine
Ringnut ausgebildet. Die Sekundärdichtung 8 ist ein
O-Ring, welcher an einer ersten Seite eines Dichtbereichs 7a des
stationären
Bauteils 7 abdichtet. Wie aus 1 ersichtlich
ist, ist der Dichtbereich 7a des stationären Bauteils 7 ein
in Axialrichtung X-X vorstehender Zylinderringbereich, welcher auch
zur teilweisen Auflage des stationären Gleitrings 3 vorgesehen
ist. Der Dichtbereich weist somit neben der ersten Seite, an welcher
die Sekundärdichtung
anliegt, eine zweite, radial nach innen gerichtete Seite auf. Die
Vorspannvorrichtung 14 sowie Teile des stationären Gleitrings 3 sind
somit in einer ringförmig
gebildeten Ausnehmung 7b im stationären Bauteil 7 angeordnet,
wobei eine Verbindung mit einem Produktraum 20 vorhanden
ist.
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Die
Gleitringdichtungsanordnung 1 umfasst ferner eine Leiteinrichtung 9,
welche am stationären Bauteil 7 befestigt
ist. Die Leiteinrichtung 9 umfasst einen zylindrischen
Bereich 9a und einen radialen Flanschbereich 9b,
welcher zur Befestigung am stationären Bauteil 7 dient.
Der zylindrische Bereich 9a der Leiteinrichtung 9 ist
in Axialrichtung parallel zum Dichtbereich 7a angeordnet,
so dass zwischen dem Dichtbereich 7a und dem zylindrischen
Bereich 9a eine Strömungspassage 10 für eine Durchströmung mit
einem Sperrfluid gebildet ist. Das Sperrfluid wird über eine
Sperrfluid-Zufuhrleitung 11, wie in 1 durch
den Pfeil A angedeutet, zugeführt
und über eine
Labyrinthdichtung 15, welche eine Drosselwirkung bereitstellt,
zur Leiteinrichtung 9 geführt. Die Leiteinrichtung 9 leitet
das Sperrfluid dann, wie durch die kleinen Pfeile in 1 angedeutet,
zuerst an seiner radialen Innenseite und dann durch die Strömungspassage 10 zu
einer Abführleitung 12.
Die Leiteinrichtung 9 wird dabei somit an ihrer Innenseite als
auch ihrer Außenseite
umströmt.
Von der Abführleitung 12 kann
beispielsweise eine Verbindung zu einer Fackel hergestellt werden,
was in 1 durch den Pfeil B angedeutet ist. Eine durch
den Dichtspalt zwischen den Gleitringen 2, 3 auftretende
Leckage des Produkts wird gemeinsam dem Sperrfluid über die
Strömungspassage 10 und
die Abführleitung 12 der
Fackel zugeführt.
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Das
Sperrfluid strömt
somit am Dichtbereich 7a gezielt vorbei, so dass eine Wärmeübertragung zwischen
dem Sperrfluid und dem Dichtbereich 7a möglich ist.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist das zu verdichtende Produkt Kohlenmonoxidgas, welches Temperaturen
bis zu –65°C annehmen
kann. Als Sperrfluid wird in diesem Ausführungsbeispiel gasförmiger Stickstoff
verwendet, welcher mit einer Temperatur von 20°C in Sperfluid-Zufuhrleitung 11 zugeführt wird.
Aufgrund der mittels der Leiteinrichtung 9 erzwungenen
Vorbeiströmung
des warmen Stickstoffgases an der Innenseite des Dichtbereichs 7a, wird
der Dichtbereich 7a und dadurch auch die daran unmittelbar
anliegende Sekundärdichtung 8 erwärmt. Hierdurch
kann eine ausreichende Arbeitstemperatur der Sekundärdichtung 8,
insbesondere hinsichtlich ihrer Elastizität, sichergestellt werden, auch
wenn das Produkt im Produktraum 20 eine Temperatur von –65°C aufweist,
welche insbesondere auch an der Rückseite der Vorspannvorrichtung 14 anliegt.
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Wenn
beispielsweise nach einem Anhalten des Verdichters eine Temperatur
der Sekundärdichtung 8 gleich
oder nahe der Temperatur des Produkts im Produktraum 20 ist,
kann vor einem Anfahren des Verdichtungsraumes warmes Sperrgas über die
Zufuhrleitung 11 und die Strömungspassage 10 am Dichtbereich 7a vorbeigeführt werden,
um eine Erwärmung
des Dichtbereichs 7a sowie der Sekundärdichtung 8 zu erreichen.
Erst wenn die Sekundärdichtung 8 dann
eine vorbestimmte Anfahrtemperatur erreicht hat, bei der die Sekundärdichtung 8 eine
ausreichende Elastizität
aufweist, wird der Verdichter angefahren. Hierdurch ist sichergestellt,
dass sofort nach dem Anfahren des Verdichters die Sekundärdichtung 8 gegebenenfalls
auftretende Axialbewegungen der Welle 6, welche auch von
den Gleitringen 2, 3 ausgeführt werden, auch selbst nachvollziehen kann.
Hierdurch wird immer eine ausreichende Abdichtung an der Sekundärdichtung 8 gewährleistet.
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Im
Dichtbereich 7a des stationären Bauteils 7 ist
ferner eine Temperaturmesseinrichtung 17 angeordnet. Die
Temperaturmesseinrichtung 17 ist dabei vorzugsweise möglichst
nahe an der Sekundärdichtung 8 angeordnet,
um eine Temperatur des Dichtbereichs 7a nahe der Sekundärdichtung 8 zu
erfassen. Die Temperaturmesseinrichtung 17 ist über Verbindungsleitung 18 mit
einer Regelungseinheit 19 verbunden. Die Regelungseinheit 19 regelt
eine Heiz- bzw. Kühleinrichtung,
um eine Vorlauftemperatur des über
die Zufuhrleitung 11 zugeführten Sperrfluids vorzugeben.
Die Regelungseinheit 19 kann dabei derart ausgelegt sein,
dass ein Start des Verdichters solange verhindert wird, bis eine
vorbestimmte Temperatur am Dichtbereich 7a erreicht ist.
Wenn diese vorbestimmte Temperatur am Dichtbereich 7a erreicht
ist, kann sichergestellt werden, dass auch die Sekundärdichtung 8 eine
vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht hat, so dass auch bei Produkten
mit sehr tiefen Temperaturen ein Verhärten der Sekundärdichtung 8 mit
den daraus resultierenden Problemen vermieden werden kann.
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Es
sei angemerkt, dass die Erfindung nicht nur bei Produkten mit tiefen
Temperaturen verwendet werden kann, sondern auch bei Produkten,
welche hohe Temperaturen aufweisen, um eine thermische Überlastung
der Sekundärdichtung 8 zu
vermeiden. Hierbei wird dann das Sperrfluid zur Kühlung des Dichtbereichs 7a und
damit zur Kühlung
der Sekundärdichtung 8 verwendet.
Die Leiteinrichtung 9 stellt somit erfindungsgemäß sicher,
dass das Sperrfluid zwangsweise an einer Rückseite eines Dichtbereichs 7a,
an welchem auch die Sekundärdichtung 8 anliegt, vorbeigeführt wird,
um eine Temperaturänderung
der Sekundärdichtung 8 derart
sicherzustellen, dass die Sekundärdichtung 8 eine
vorgegebene Arbeitstemperatur erreicht. Dadurch kann die Sekundärdichtung 8 ein
ausreichendes Nachsetzverhalten aufweisen, was bei Axialbewegungen
der Gleitringe 2, 3 notwendig ist.
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Es
sei ferner angemerkt, dass eine radiale Dicke des Dichtbereichs 7a möglichst
gering ist, um eine gute Wärmeleitung
zwischen dem Sperrfluid in der Strömungspassage 10 und
der Sekundärdichtung 8 sicherzustellen.
Hierdurch kann eine schnelle Erwärmung
bzw. Kühlung
der Sekundärdichtung 8 erreicht
werden.