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Die
Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer integrierten
Wärmeübertragungseinrichtung, welche hervorragende
Wärmeübertragungseigenschaften aufweist.
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Gleitringdichtungsanordnungen
sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen
bekannt. Hierbei können während einer Anwendung
relativ hohe Temperaturen an der Gleitringdichtung auftreten. Die
hohen Temperaturen werden beispielsweise aufgrund von hohen Temperaturen
des abzudichtenden Mediums, beispielsweise bei Heißwasseranwendungen
oder bei Anwendungen in der Raffinerie-Industrie und der petrochemischen
Industrie, verursacht. Hohe Temperaturen an den Gleitringen sind
jedoch zu vermeiden, da es dann zu Verwerfungen an den Gleitflächen
der Gleitringe kommen kann. In der
DE 20 2008 008 158.0 U1 wurde
vorgeschlagen, eine Wärmeübertragungseinrichtung
in den stationären Gleitring zu integrieren, wobei ein
hohler Innenbereich im Gleitring vorgesehen ist, welcher von einem
Kühlmedium durchströmt wird. Hierbei kann der
hohle Innenbereich mit einer porösen Innenstruktur aus
Siliziumkarbid aufgefüllt werden. Diese Gleitringdichtungsanordnung
hat sich grundsätzlich bewährt, ist jedoch relativ
aufwendig in ihrer Herstellung.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung
mit integrierter Wärmeübertragungseinrichtung
bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger
Herstellbarkeit eine sichere Kühlung des Gleitrings ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen
bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung weist
den Vorteil auf, dass sie eine hervorragende Kühlung des
Gleitrings durch die integrierte Wärmeübertragungseinrichtung
ermöglicht und dabei sehr einfach und kostengünstig
bereitgestellt werden kann. Hierdurch ist ein Einsatz der Gleitringdichtungsanordnung
bei Massenbauteilen möglich. Ferner kann die an der Gleitringdichtungsanordnung auftretende
Wärme unmittelbar in der Nähe des Entstehungsortes
abgeführt werden. Hierzu weist die integrierte Wärmeübertragungseinrichtung
eine im Gleitring ausgebildete, ringförmige Ausnehmung
auf, welche, zumindest teilweise, mit einer Drahtstruktur gefüllt
ist. Die Drahtstruktur ist dabei derart vorgesehen, dass das Kühlmedium
durch die freien Zwischenräume zwischen den Drähten
der Drahtstruktur hindurchströmen kann und somit eine exzellente Wärmeabfuhr
ermöglicht. Insbesondere erzeugt die Drahtstruktur eine
hohe Turbulenz des Kühlmediums bei Durchströmen
des Gleitrings, wobei bei der Drahtstruktur aufgrund es drahtbasierten
Aufbaues immer eine ausreichende Durchströmung des Gleitrings
sichergestellt ist. Auch ist eine Drahtstruktur sehr einfach aufgebaut
und besonders kostengünstig. Hierdurch ergeben sich auch
Anwendungsmöglichkeiten bei kostengünstigeren
Gleitringdichtungsanordnungen. Ferner ist die Herstellung des Gleitrings mit
Drahtstruktur einfach und kostengünstig ausführbar.
Die integrierte Wärmeübertragungseinrichtung kann
somit insgesamt eine Lebensdauer der Gleitringdichtungsanordnung
vergrößern und stellt auch bei einem gegebenenfalls
vorkommenden Trockenlauf der Gleitringdichtungsanordnung eine effektive Wärmeabfuhr
bereit. Hierdurch können insbesondere verbesserte Notlaufeigenschaften
der Gleitringdichtungsanordnung erreicht werden.
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Eine
besonders effektive Kühlung des Gleitrings wird erreicht,
wenn die Drahtstruktur in der gesamten Ausnehmung im Gleitring angeordnet
ist.
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Eine
weitere Verbesserung der Wärmeeigenschaften des Gleitrings
wird dadurch erreicht, dass der Gleitring ferner ein Isolationselement
umfasst, welches am Gleitring angeordnet ist. Das Isolationselement
ist vorzugsweise benachbart zu einer Gleitfläche des Gleitrings
angeordnet. Besonders bevorzugt weist das Isolationselement dabei
einen radialen Bereich nahe der Gleitfläche und einen axialen Bereich
im Anschluss an den radialen Bereich auf. Hierdurch ist das Isolationselement
im Schnitt winkelförmig mit einem 90°-Winkel gebildet.
Als Material für das Isolationselement wird vorzugsweise
Gummi verwendet oder alternativ ein anderes Material mit einer geringen
Wärmeleitfähigkeit. Das Isolationselement ist
vorzugsweise mittels einer Klebverbindung mit dem Gleitring verbunden.
Besonders bevorzugt deckt das Isolationselement die gesamte, zur
Produktseite gerichtete Oberfläche des Gleitrings ab. Dadurch
kann ein Wärmeeintrag von einem heißen Produkt
in den Gleitring signifikant reduziert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Volumen
der Drahtstruktur in einem Gesamtvolumen der Ausnehmung im Gleitring
größer als 10% des Gesamtvolumens. Besonders bevorzugt
nimmt die Drahtstruktur ein Volumen von 30% bis 70% des Gesamtvolumens ein,
vorzugsweise ungefähr 40% bis 60% des Gesamtvolumens ein.
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Um
eine einfache und kostengünstige Fixierung der Drahtstruktur
in der Ausnehmung im Gleitring zu ermöglichen, ist zwischen
der Drahtstruktur und dem Gleitring ein Presssitz ausgebildet. Hierdurch
kann die Drahtstruktur ein kleines Übermaß über
das Maß der Ausnehmung im Gleitring aufweisen und dann
durch ein entsprechend gestaltetes Werkzeug in die Ausnehmung hineingedrückt
werden, so dass die Drahtstruktur in der Ausnehmung durch den Presssitz
fest verankert ist.
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Besonders
bevorzugt weist die Drahtstruktur in der Ausnehmung eine undefinierte
geometrische Gestalt auf. Hierdurch wird eine hervorragende turbulente
Strömung in der Ausnehmung durch die Drahtstruktur erreicht,
was zu einer effektiven Kühlung führt. Als Draht
für die Drahtstruktur wird vorzugsweise ein metallischer
Draht mit kreisförmigem Querschnitt verwendet. Es können
jedoch auch Drähte mit anderen Querschnitten, z. B. oval
oder quadratisch, verwendet werden und der Draht kann auch aus einem
nicht-metallischen Material hergestellt sein. Bevorzugt ist jedoch
ein metallischer Draht, da dieser eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist und somit Wärme effektiv von den Rändern
der Ausnehmung am Gleitring abgeführt werden kann.
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Für
eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung
ist die Ausnehmung im Gleitring vorzugsweise zu einer axialen Stirnseite
des Gleitrings offen. Dies ermöglicht weiterhin auch eine
einfache Montage der Drahtstruktur in der Ausnehmung aus Richtung
der axialen Stirnseite des Gleitrings. Besonders bevorzugt ist dabei
die ringförmige Ausnehmung an der offenen axialen Stirnseite
mit einem Abdeckelement abgedeckt, wobei im Abdeckelement eine Zuströmbohrung
und eine Abströmbohrung zur Zufuhr bzw. Abfuhr des Kühlmediums
ausgebildet sind.
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Weiter
bevorzugt weist die ringförmige Ausnehmung einen Absatz
auf und die Zuströmung und/oder die Abströmung
ist derart angeordnet, dass zumindest ein Teil des Kühlmediums
direkt auf den Absatz der Ausnehmung gerichtet ist, so dass insbesondere
eine umgehende Turbulenzerzeugung der Kühlströmung
beim Eintreten des Kühlungsstroms in die Ausnehmung erzeugt
wird.
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Für
eine besonders gute Befestigung der Drahtstruktur in der Ausnehmung
weist die Ausnehmung eine sich in Richtung der Gleitfläche
verjüngende Form, insbesondere eine sich konisch verjüngende
Form, auf.
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Die
Drahtstruktur ist vorzugsweise aus einer Vielzahl von einzelnen
Drähten hergestellt, welche in beliebiger Weise ineinander
verschlungen sind, um eine undefinierte geometrische Drahtstruktur
bereitzustellen. Die Länge der einzelnen Drähte
zur Bildung der Drahtstruktur kann dabei gleich oder unterschiedlich
sein. Die Drahtstruktur ist vorzugsweise ein Drahtgeflecht oder
Drahtgewinde mit beliebiger Gestalt.
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Die
erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung wird
insbesondere bei Heißwasseranwendungen oder bei Anwendungen
in Raffinerien oder der Petrochemie verwendet.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 einen
stationären Gleitring 2, welcher an einem stationären
Bauteil 20 angeordnet ist, und einen rotierenden Gleitring 3, welcher
mittels einer Wellenbuchse 6 an einer Welle 4 angeordnet
ist. Wie sich aus 1 erschließt, ist zwischen
dem Gleitring 3 und der Wellenbuchse 6 eine sich
parallel zur Rotationsachse X-X erstreckende Schraubenfeder 23 angeordnet.
Ferner ist zwischen dem Gleitring 3 und der Wellenbuchse 6 eine Dichtung 21 und
zwischen der Wellenbuchse 6 und der Welle 4 eine
Dichtung 22 angeordnet. Der rotierende Gleitring 3 dreht
sich dadurch gemeinsam mit der Welle 4 um die Rotationsachse
X-X. Die einander gegenüberliegenden Gleitfläche
der Gleitringe 2, 3 definieren zwischen sich in
bekannter Weise einen Dichtspalt 5.
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Wie
aus 1 weiter ersichtlich ist, ist im stationären
Gleitring 2 eine ringförmige Ausnehmung 7 gebildet.
Die ringförmige Ausnehmung 7 verjüngt sich
konisch in Richtung der Gleitfläche des stationären
Gleitrings 2 und ist an einer axialen Stirnseite 2a des
stationären Gleitrings 2 offen. Die offene Stirnseite
der Ausnehmung 7 wird mittels eines Abdeckelements 10 abgedeckt.
Im Abdeckelement 10 sind dabei eine Zuströmleitung 11 und
eine Abströmleitung 12 angeordnet. Ferner weist
die Ausnehmung 7 einen Absatz 9 auf, welcher unmittelbar
zur axialen Stirnseite 2a offen ist. Der Absatz 9 ist
in diesem Ausführungsbeispiel umlaufend gebildet, es ist
jedoch auch möglich, dass der Absatz 9 nur im
Bereich der Zuströmleitung 11 und der Abströmleitung 12 vorgesehen
ist.
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In
der ringförmigen Ausnehmung 7 ist eine Drahtstruktur 8 aus
einem metallischen Draht angeordnet. Die Drahtstruktur 8 weist
dabei eine undefinierte geometrische Gestalt auf und ist mittels
einer Presspassung in der Ausnehmung 7 fixiert. Dadurch befinden
sich Teile der Drahtstruktur 8 in Kontakt mit den Wänden
der Ausnehmung 7, so dass eine exzellente Wärmeübertragung
möglich ist. Die Drahtstruktur nimmt dabei ungefähr
40% eines Gesamtvolumens der ringförmigen Ausnehmung ein.
Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist die Drahtstruktur 8 bis
zu einem Boden der Ausnehmung 7 vorgesehen, so dass die
Drahtstruktur in der gesamten Ausnehmung 7 angeordnet ist.
Die Ausnehmung 7 ist dabei mehr als die Hälfte
einer axialen Länge des stationären Gleitrings 2 in
den stationären Gleitring 2 eingebracht.
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Ferner
ist am stationären Gleitring 2 zusätzlich
noch ein Isolationselement 15 angeordnet. Das Isolationselement 15 umfasst
einen radialen Bereich 16 und einen axialen Bereich 17.
Somit weist das Isolationselement 15 im Schnitt eine Form
eines Kantenelements mit einem 90°-Winkel auf. Das Isolationselement 15 ist
vollständig ringförmig umlaufend ausgebildet und
der radiale Bereich 16 ist benachbart zum Dichtspalt 5 angeordnet
(vgl. 1).
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Somit
umfasst der stationäre Gleitring 2 des erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels eine integrierte Wärmeübertragungseinrichtung
mit einer ringförmigen Ausnehmung 7 und einer
in der Ausnehmung 7 fixierten Drahtstruktur 8.
Eine Zuströmung eines Kühlmediums, wie z. B. Druckluft,
ist in 1 mit dem Pfeil 13 gekennzeichnet. Dabei
ist die Zuströmleitung 11 derart angeordnet, dass
ein Teil des Zuströmmediums direkt auf den Absatz 9 in
der Ausnehmung 7 gerichtet ist. Hierdurch erfolgt eine
starke Umlenkung und Verwirbelung des Kühlmediums, welches
dann in die Ausnehmung 7 eintritt. Durch das Vorhandensein
der Drahtstruktur 8 wird das Kühlmedium weiter
verwirbelt, so dass eine starke turbulente Strömung in
der Ausnehmung 7 vorhanden ist. Hierdurch wird eine effektive
Kühlung des stationären Gleitrings 2 erreicht.
An einer um 180° entgegengesetzt zur Zuströmleitung 11 angeordneten
Abströmleitung 12 wird dann das Kühlmedium wieder
aus der Ausnehmung 7 herausgeführt, was in 1 durch
den Pfeil 14 angedeutet ist. Durch diese Anordnung um 180° von
Zuströmleitung 11 und Abströmleitung 12 ergeben
sich zwei separate Kühlungspfade durch die ringförmige
Ausnehmung 7, welche jeweils eine Ringhälfte der
Ausnehmung 7 umfassen.
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Da
die Ausnehmung 7 um mehr als die Hälfte der gesamten
axialen Länge des stationären Gleitrings 2 in
den stationären Gleitring 2 eingebracht ist, ist
insbesondere eine effektive Kühlung im Bereich des Dichtspalts 5 möglich.
Zusätzlich wird der stationäre Gleitring 2 noch
von dem Isolationselement 15 von einem heißen
Medium geschützt, welches im Bereich 18 der Gleitringdichtungsanordnung 1 vorhanden
ist. Somit kann erfindungsgemäß im Betrieb eine Temperatur
des stationären Gleitrings 2 signifikant reduziert
werden, so dass eine Lebensdauer der Gleitringdichtungsanordnung 1 verbessert
werden kann und insbesondere auch verbesserte Notlaufeigenschaften
vorhanden sind.
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Die
integrierte Wärmeübertragungseinrichtung mit der
ringförmigen Ausnehmung 7 und der Drahtstruktur 8 kann
dabei sehr einfach und kostengünstig bereitgestellt werden.
Dadurch, dass die Ausnehmung 7 zur axialen Stirnseite 2a des
stationären Gleitrings 2 offen ist, kann die Drahtstruktur 8 einfach
aus axialer Richtung in die Ausnehmung 7 hineingedrückt
werden und dort mittels der Presspassung verankert werden. Anschließend
erfolgt die Montage des Abdeckelements 10, so dass die
Ausnehmung 7 an der axialen Stirnseite 2a abgedeckt ist.
Die Drahtstruktur 8 kann dabei besonders einfach und aus
kostengünstigem Draht hergestellt werden, da keine erhöhten
Anforderungen hinsichtlich einer Materialbeständigkeit
des Drahtes gegeben sind. Der verwendete Draht ist vorzugsweise
aus einem Metall, um gute Wärmeleiteigenschaften aufzuweisen,
so dass effektiv Wärme von den Wänden der Ausnehmung 7 des
stationären Gleitrings 2 in die Drahtstruktur 8 geleitet
werden kann und dort über das hindurchströmende
Kühlmedium aus der Gleitringdichtungsanordnung 1 abtransportiert
werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Idee macht somit auch effektive
Kühlungen bei kostengünstigeren Gleitringdichtungen
möglich, so dass ein Einsatzspektrum der erfindungsgemäßen
Gleitringdichtungsanordnung erweitert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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