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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer verbesserten Gasabscheidung, um ein Trockenlaufen einer Gleitringdichtung zu vermeiden.
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Gleitringdichtungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei einer sogenannten Tandem-Bauweise, bei der zwei Gleitringdichtungen in Reihe nacheinander geschaltet sind, wird die atmosphärenseitige Gleitringdichtung üblicherweise durch ein in einem Fluidraum zwischen den beiden Gleitringdichtungen angeordnetes Quenchmedium geschmiert. Die produktseitige Gleitringdichtung wird üblicherweise durch das Produkt selbst geschmiert. Hierbei ist ein Druck an der Produktseite größer als im Fluidraum zwischen den beiden Gleitringdichtungen, so dass eine Leckage, ausgehend vom Produkt, über den produktseitigen Dichtspalt in den Fluidraum auftritt. Wenn das abzudichtende Produkt ein Gas ist, kann somit Gas in den Fluidraum eintreten. Wenn das abzudichtende Produkt eine Flüssigkeit ist, kann diese Flüssigkeit aufgrund des Druckabfalls über den produktseitigen Dichtspalt verdampfen und ebenfalls zur Gasanreicherung im Fluidraum führen. Diese Leckage wird noch verstärkt, wenn an den Gleitflächen der produktseitigen Gleitringdichtung Nuten oder dgl. vorgesehen sind oder diese eine Diamantbeschichtung aufweist, bei denen die Gleitringdichtung mit einem etwas größeren Dichtspalt betrieben werden muss. Durch die Anreicherung von Gas im Quenchmedium im Fluidraum kann es vorkommen, dass ab einer gewissen Volumenkonzentration des Gases die Ausbildung von geschlossenen Gasringen auftritt. Hierbei kann es zu einer mangelhaften Schmierung der atmosphärenseitigen Gleitringdichtung kommen, wobei insbesondere die Gefahr einer Überhitzung und eines Trockenlaufs auftreten kann. Die hohe Gaskonzentration kann ferner auch die Funktion einer Pumpeinrichtung innerhalb des Fluidraums, z. B. eines Pumprings oder dgl., beeinträchtigen, so dass keine Umwälzung des Quenchmediums mehr im Fluidraum erfolgt. Hierdurch steigt insbesondere die Temperatur des Quenchmediums, was ebenfalls zu einem Dichtungsversagen, insbesondere der atmosphärenseitigen Gleitringdichtung führen kann.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung mit zwei Gleitringdichtungen bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine sichere Abführung von Gas aus einem Fluidraum zwischen den beiden Gleitringdichtungen ermöglicht.
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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 mit den Merkmalen des Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein in einen Fluidraum zwischen einer ersten und einer zweiten Gleitringdichtung befindliches Gas sicher abgeführt werden kann, so dass insbesondere die Bildung von Gasringen im Fluidraum vermieden werden kann. Dadurch kann bei allen Betriebspunkten die Gleitringdichtungsanordnung ausreichend gekühlt werden und ferner eine ausreichende Abdichtung gewährleisten. Weiterhin kann eine Lebensdauer der Gleitringdichtungsanordnung signifikant vergrößert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass neben einem Quenchaustritt, über welchen ein Quenchmedium aus dem Fluidraum abführbar ist, zusätzlich noch ein Gasaustritt vorgesehen ist, über welchen ein im Fluidraum befindliches Gas abführbar ist. Weiterhin ist eine Drosseleinrichtung vorgesehen, welche im Fluidraum zwischen den beiden Gleitringdichtungen angeordnet ist. Die Drosseleinrichtung unterteilt den Fluidraum in einen produktseitigen Fluidraumbereich und einen atmosphärenseitigen Fluidraumbereich. Der Gasaustritt ist dabei am produktseitigen Fluidraumbereich angeordnet. Der Quenchaustritt ist am atmosphärenseitigen Fluidraumbereich angeordnet. Durch diese Anordnung kann Gas, welches über die erste Gleitringdichtung in den Fluidraum eintritt, unmittelbar über dem zusätzlichen Gasaustritt abgeführt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass dieses Gas bis zur zweiten Gleitringdichtung gelangt. Somit kann die zweite Gleitringdichtung immer ausreichend mit Quenchmedium versorgt werden und die notwendigen Schmierbedingungen der zweiten Gleitringdichtungen stets erfüllt werden.
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Bevorzugt umfasst die Drosseleinrichtung eine rotierende Ringscheibe, welche mit dem rotierenden Bauteil, insbesondere einer Welle oder dgl., rotiert. Die mit der rotierenden Ringscheibe versehene Drosseleinrichtung stellt eine zusätzliche Barriere für das Gas dar, so dass ein sicheres Abführen des eingedrungenen Gases über den Gasaustritt ermöglicht wird.
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Weiter bevorzugt umfasst die Ringscheibe Fördereinrichtungen. Die Fördereinrichtungen an der Ringscheibe sind dabei eingerichtet, das Quenchmedium in Richtung zur ersten Gleitringdichtung zu fördern, so dass eine Gegenströmung durch Gas deutlich erschwert wird. Die Fördereinrichtungen sind beispielsweise Schaufeln oder Flügel. Weiter bevorzugt sind die Fördereinrichtungen an einer zur zweiten Gleitringdichtung gerichteten Seite der Ringscheibe angeordnet, um eine verstärkte Förderung von Quenchmedium in Richtung zur ersten Gleitringdichtung in den produktseitigen Fluidraumbereich zu ermöglichen.
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Weiter bevorzugt ist eine Mündungsöffnung des Gasaustritts am Fluidraum auf einem ersten Durchmesser angeordnet, welcher kleiner ist, als ein maximaler Außendurchmesser der Ringscheibe der Drosseleinrichtung. Dadurch wird ein noch sichereres Abführen des Gases erreicht, da aufgrund der Fliehkräfte das Gas tendenziell an inneren Umfangsbereichen des Fluidraums vorhanden ist und das flüssige Quenchmedium aufgrund der Fliehkräfte an äußeren Umfangsbereichen des Fluidraums angeordnet ist.
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Um eine möglichst gute Abdichtung und Drosselwirkung der Drosseleinrichtung zu erreichen, umfasst die Drosseleinrichtung bevorzugt ein Labyrinth mit mehreren Fluid umleitungsbereichen.
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Weiter bevorzugt ist ein minimaler Querschnitt des Fluidraums am Gasaustritt vorgesehen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das Gas unmittelbar in den Gasaustritt abgeführt wird. Der minimale Querschnitt ist weiter bevorzugt am kleinsten Innendurchmesser des Fluidraums vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Quenchversorgungseinheit einen Ausgasungsbehälter. Dabei ist der Gasaustritt bevorzugt mit dem Ausgasungsbehälter verbunden. Somit kann Gas, welches aus dem Fluidraum abgeführt wird, am Ausgasungsbehälter abgeschieden werden, um beispielsweise über ein Ventil, Ausgasungsbehälter oder dgl. an die Atmosphäre oder eine Fackel abgegeben werden.
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Um eine möglichst strömungsgünstige Überleitung des Gases aus dem Fluidraum in den Gasaustritt zu erreichen, ist der Gasaustritt in Rotationsrichtung des rotierten Bauteils zu einer Radialrichtung der Gleitringdichtungsanordnung geneigt. Hierbei kann am Innenumfang des Gehäusebauteils, in welchem der Gasaustritt vorgesehen ist, ferner zusätzlich noch eine in Umfangsrichtung verlaufende, sich langsam vertiefende Nut, welche zum Gasaustritt führt, vorgesehen sein, um eine noch bessere Strömung des Gases in dem Gasaustritt zu erreichen.
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Weiter bevorzugt ist die Quenchversorgungseinheit als Kreislauf ausgebildet und umfasst einen Zulauf zum Fluidraum, welcher am atmosphärenseitigen Fluidraumbereich mündet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Pumpeinrichtung vorgesehen, welche zur Förderung des Quenchmediums im Fluidraum eingerichtet ist, wobei die Pumpeinrichtung zwischen der Drosseleinrichtung und der zweiten Gleitringdichtung im atmosphärenseitigen Fluidraumbereich angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird unter einer Pumpeinrichtung jede Fördereinrichtung verstanden, welche durch Rotation eine Förderung des Quenchmediums im Fluidraum ermöglicht, beispielsweise in Form von Fördergewinden oder Pumpringen oder dgl.
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Weiter bevorzugt umfasst wenigstens einer der Gleitringe, insbesondere einer der Gleitringe der produktseitigen Gleitringdichtung eine Diamantbeschichtung. Da bei Gleitringdichtungen mit Diamantbeschichtungen ein Dichtspalt im Vergleich zu anderen Gleitringdichtungen tendenziell etwas größer ist, tritt bei diamantbeschichteten Gleitringen eine erhöhte Leckage von der Produktseite in den Fluidraum auf, so dass die vorliegende Erfindung hier besonders geeignet ist, um zusätzlich im Fluidraum befindliches Gas abzuführen.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 eine erste Gleitringdichtung 2 und eine zweite Gleitringdichtung 3. In Axialrichtung X-X ist dabei zwischen den beiden Gleitringdichtungen 2, 3 ein Fluidraum 4 ausgebildet.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 1 umfasst somit eine erste Gleitringdichtung 2 mit einem ersten rotierenden Gleitring 21 und einem ersten stationären Gleitring 22, welche zwischen sich einen ersten Dichtspalt 23 definieren. Ferner umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 eine zweite Gleitringdichtung 3 mit einem zweiten rotierenden Gleitring 31, einem zweiten stationären Gleitring 32 und einem zwischen den beiden Gleitringen ausgebildeten Dichtspalt 33.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 1 ist somit in sogenannter Tandem-Bauweise vorgesehen, wobei zwei Gleitringdichtungen 2, 3 in Reihe geschaltet sind, um eine Produktseite 5 von einer Atmosphärenseite 6 abzudichten.
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Im Fluidraum 4 ist ein flüssiges Quenchmedium befindlich, welches durch eine Quenchversorgungseinheit 7 bereitgestellt wird.
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Die Quenchversorgungseinheit 7 umfasst einen Quenchaustritt 8, welcher über eine Abfuhrleitung 40 mit einem Ausgasungsbehälter 16 verbunden ist. Am Ausgasungsbehälter 16 ist ein Gasauslass 43 vorgesehen, um abgeführtes Gas aus dem Ausgasungsbehälter abzuscheiden. Der Ausgasungsbehälter 16 ist ferner über eine Zuleitung 41 und einem Zulauf 18 für das Quenchmedium mit dem Fluidraum 4 verbunden.
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Zur Förderung des Quenchmediums ist dabei im Fluidraum 4 ein Pumpring 19 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann auch in einem Leitungsabschnitt der Quenchversorgungseinheit eine Pumpe angeordnet sein.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, können die rotierenden Gleitringe durch Vorspannelemente in Axialrichtung X-X vorgespannt werden.
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Erfindungsgemäß ist nun ein zusätzlicher Gasaustritt 9 und eine Drosseleinrichtung 10 vorgesehen. Die Drosseleinrichtung unterteilt den Fluidraum in einen produktseitigen Fluidraumbereich und einen atmosphärenseitigen Fluidraumbereich. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Gasaustritt 9 in Axialrichtung X-X am produktseitigen Fluidraumbereich 4a zwischen der Drosseleinrichtung 10 und der ersten Gleitringdichtung 2 angeordnet. Der Quenchaustritt 8 ist am atmosphärenseitigen Fluidraumbereich 4b dabei zwischen der Drosseleinrichtung 10 und der zweiten Gleitringdichtung 3 angeordnet.
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Der Gasaustritt 9 ist in einem Gehäuse 20 oder dgl. vorgesehen.
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Somit kann Gas, welches im Betrieb über den ersten Dichtspalt 23 der ersten Gleitringdichtung 2, welche mit dem Produkt aus der Produktseite 5 geschmiert wird, durch den relativ nahe an der ersten Gleitringdichtung 2 angeordneten Gasaustritt 9 abgeführt werden. Hierbei verhindert die Drosseleinrichtung 10, dass Gas, welches über den ersten Dichtspalt 23 in den Fluidraum 4 eingetreten ist, weiter in Richtung zur zweiten Gleitringdichtung 3 geführt wird.
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Der Gasaustritt 9 ist über eine Verbindungsleitung 42 mit der Abfuhrleitung 40 des Quenchaustritts 8 verbunden. Dadurch kann das über den Gasaustritt 9 abgeführte Gas in den Abfuhrleitung 40 und von dort in den Ausgasungsbehälter 16 geführt werden. Es sei angemerkt, dass es auch möglich ist, dass der Gasaustritt 9 direkt zur Atmosphäre führt oder ein zusätzlicher zweiter Ausgasungsbehälter vorgesehen ist, in welchen die Verbindungsleitung 42 des Gasaustritts 9 führt, um das Gas abzuscheiden.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Drosseleinrichtung 10 in Form eines Labyrinths 15 mit mehreren Fluidumleitungen ausgebildet. Die Drosseleinrichtung 10 umfasst ferner eine Ringscheibe 11, welche gemeinsam mit dem rotierenden Bauteil, welches im Ausführungsbeispiel eine Welle 50 mit einer Wellenhülse 51 ist, rotiert.
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Die Ringscheibe 11 umfasst ferner eine Vielzahl von Fördereinrichtungen 12, welche an einer zur zweiten Gleitringdichtung 3 gerichteten Seite 13 der Ringscheibe angeordnet sind. Die Fördereinrichtungen 12 können beispielsweise Schaufeln oder Flügel oder dgl. sein. Die Fördereinrichtungen 12 fördern dabei flüssiges Quenchmedium vom atmosphärenseitigen Fluidraum 4b des Fluidraums 4 in Richtung zum produktseitigen Fluidraum 4a im Fluidraum 4. Somit stellen die Fördereinrichtungen der rotierenden Ringscheibe 11 eine zusätzliche Gegenströmung gegen das Gas bereit, welches dann sicher über den Gasaustritt 9 aus dem Fluidraum 4 sicher entfernt werden kann.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist eine Mündungsöffnung 14 des Gasaustritts 9 an einem ersten Durchmesser D1 vorgesehen, welcher kleiner als ein zweiter Durchmesser D2 ist. Der zweite Durchmesser D2 ist dabei ein maximaler Außendurchmesser der Ringscheibe 11.
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Weiterhin ist die Mündungsöffnung 14 des Gasaustritts 9 an einem minimalen Querschnitt 17 des Fluidraums angeordnet. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der minimale Querschnitt 17 unmittelbar innerhalb des Gasaustritts 9 vorgesehen, so dass Gas, welches sich aufgrund der Rotation und der Fliehkräfte tendenziell am inneren Umfangsbereich des Fluidraums sammelt und die verstärkte Strömung am minimalen Querschnitt 17 mitgerissen wird und sicher in den Gasaustritt 9 abgeführt werden kann.
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Um eine besonders einfache Einführung des Gases in den Gasaustritt 9 zu erreichen, ist der Gasaustritt 9 vorzugsweise in Rotationsrichtung R vorzugsweise geneigt zur Radialrichtung der Gleitringdichtungsanordnung, was im Schnitt von 1 nicht gezeigt ist. Der Gasaustritt 9 verläuft ausgehend von der Mündungsöffnung 14 dann nicht in radialer Richtung der Welle 50, sondern in einem Winkel hierzu geneigt in Rotationsrichtung, wodurch die Einströmung des Gases in den Gasaustritt deutlich verbessert wird. Ferner kann im Gehäuse 20 noch eine in Umfangsrichtung am inneren Umfang des Gehäuses 20 verlaufende Nut vorgesehen werden, welche sich bevorzugt kontinuierlich in Richtung zur Mündungsöffnung 14 vertieft, um eine zusätzliche Führung für das Gas in Richtung zum Gasaustritt 9 bereitzustellen.
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In 1 zeigen die Pfeile dabei jeweils die Strömungsrichtungen des Quenchmediums durch die Quenchversorgungseinheit 7 sowie des über den Gasaustritt 9 abgeführten Gases.
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Es sei angemerkt, dass das Produkt an der Produktseite 5 sowohl ein flüssiges, als auch ein gasförmiges Produkt sein kann. Bei gasförmigen Produkten ist die erste Gleitringdichtung 2 als gasgeschmierte Gleitringdichtung, geschmiert durch das gasförmige Produkt, ausgebildet. Hierdurch kann zusätzliches Gas in den Fluidraum 4 gelangen, welches durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen sicher in den Gasaustritt 9 abgeführt werden kann. Wenn das produktseitige Medium eine Flüssigkeit ist, kann dieses aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Produktseite und dem Fluidraum 4 im ersten Dichtspalt 23 verdampfen, wodurch unerwünschtes Gas im Fluidraum 4 entstehen kann, welches ebenfalls durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen über den Gasaustritt 9 abgeführt werden kann.
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Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung die Verwendung von diamantbeschichteten Gleitringen an der produktseitigen ersten Gleitringdichtung 2. Hierdurch kann die Gleitringdichtung 2 durch die diamantbeschichteten Gleitringe eine hohe Lebensdauer aufweisen und die zweite Gleitringdichtung 3 kann mit beliebigen Gleitflächen ausgebildet sein und ebenfalls eine signifikant höhere Lebensdauer aufweisen, als im Stand der Technik, da keine gasbedingten Schäden an der zweiten Gleitringdichtung 3 auftreten können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleitringdichtungsanordnung
- 2
- erste Gleitringdichtung
- 3
- zweite Gleitringdichtung
- 4
- Fluidraum
- 4a
- produktseitiger Fluidraumbereich
- 4b
- atmosphärenseitiger Fluidraumbereich
- 5
- Produktseite
- 6
- Atmosphärenseite
- 7
- Quenchversorgungseinheit
- 8
- Quenchaustritt
- 9
- Gasaustritt
- 10
- Drosseleinrichtung
- 11
- Ringscheibe
- 12
- Fördereinrichtung
- 13
- atmosphärenseitige Seite der Ringscheibe
- 14
- Mündungsöffnung des Gasaustritts
- 15
- Labyrinth
- 16
- Ausgasungsbehälter
- 17
- minimaler Querschnitt des Fluidraums
- 18
- Zulauf des Quenchmediums
- 19
- Pumpring
- 20
- Gehäuse
- 21
- erster rotierender Gleitring
- 22
- erster stationärer Gleitring
- 23
- erster Dichtspalt
- 31
- zweiter rotierender Gleitring
- 32
- zweiter stationärer Gleitring
- 33
- zweiter Dichtspalt
- 40
- Abfuhrleitung
- 41
- Zuleitung
- 42
- Verbindungsleitung
- 43
- Auslass
- 50
- Welle
- 51
- Wellenhülse
