DE2315747A1

DE2315747A1 - Mechanische dichtung mit verbesserter leckverluststeuerung

Info

Publication number: DE2315747A1
Application number: DE2315747A
Authority: DE
Inventors: Winfred J Wiese
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: BW IP International Inc
Priority date: 1972-04-12
Filing date: 1973-03-29
Publication date: 1973-10-25
Also published as: AR198825A1; AU5345473A; CA996149A; US3813103A; FR2180046A1; NL7304663A; DE2315747C3; JPS498652A; DE2315747B2; BR7302613D0; IT983794B; NL172693B; GB1393511A; NL172693C; FR2180046B1; JPS5613229B2

Description

Dr. Ing. H. Negendank

DIpI. Ing. H. Hauck - Dipl. Phys. W. Schmitt

DIpI. Ing. E. Graalfs · Dipl. Ing. W. Wehnelt

t München 2, Mourtstrefte U ,

Telefon 5 58 05 W

Borg-Warner Corporation

200 South Michigan Ave. 29. März 1973

Chicago, 111. 60604, USA Anwaltsakte M-2570 Mechanische Dichtung mit verbesserter Leckverluststeuerung

Öle Erfindung betrifft mechanische Dichtungen mit zwei gegeneinander drehbaren Dichtringen mit gegenüberliegenden, im allgemeinen radialen Dichtflächen, die durch Druckmittel im Dichtungsgehäuse gegeneinander vorgespannt werden. Derartige Dichtungen sind allgemein bekannt zum Abdichten sich drehender und aus einem stationären Gehäuse sich erstreckender Wellen, etwa von in einem Pumpengehäuse drehbaren Pumpenhüllen.

Es wurden verschiedene Anstrengungen zum Steuern der Leckverluste zwischen den Dichtflächen gemacht, so daß die Leckverluste gleichbleibend sind. Wenn sich jedoch der Geha'usedruck ändert, so ändert sich die Beaufschlagungskraft, die dazu neigt, die beiden Dichtflächen in richtiger Beziehung axial zueinander zu

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halten, ebenfalls in zwei Richtungen. In diesem Zusammenhang ist die axiale Beaufschlagungskraft zum Gegeneinanderdrücken der Dichtringe üblicherweise eine Funktion eines Feder- und Gehäusedrucks, der unmittelbar auf die ausgesetzte Querschnittsfläche eines Rings wirkt. Es ist auch eine Gegenkraft in Uffnungsrichtung der Dichtflächen vorhanden, die durch den Druckanstieg des Druckmittelfi Ims zwischen der Dichtflächen bestimmt wird. In einer gut ausgelegten und richtig funktionierenden Dichtung sind die beiden Kräfte im wesentlichen ausgeglichen. Aufgrund der Differenzen in der Reaktionszeit kann jedoch eine plötzliche Druckänderung ein augenblickliches Zunehmen oder Abnehmen der Kraft in ihrer Arbeitsrichtung bewirken aufgrund der zum Ändern der für einen wirksamen Druckanstieg erforderlichen Zeit. Demnach kann eine plötzliche Änderung des Gehäusedrucks ein übermäßiges Zusammenquetschen oder ein Auseinanderspreizen der Dichtflächen bewirken. Folglich können sich ein Dichtungsverschleiß oder übermäßige Leckverluste ergeben.

Gesteuerte Leckverluste mechanische* Dichtungen waren ein Problem bei Tandemdichtungsanordnungen, bei denen ein verhältnismäßig hoher Gehäusedruck besteht, der durch aufeinanderfolgende Dichtungsstufen abgebaut wird. Ein bei der Verwendung von Tandemdichtungen angetroffenes Problem ist das zyklische Ändern der Leckverluste durch die aufeinanderfolgenden Dichtungsstufen, das die Dichtungsbestandteile zyklischen Druckänderungen unterwerfen kann.

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Zusätzlich kann bei hohen Druckänderungen, etwa für den Fall von ungefähr 140 at oder mehr, die Durchbiegung der nicht rotierenden, von Gehäuse getragenen Dichtung, die sich aus einer Durchbiegung des die nicht rotierende Dichtung stützenden Gehäuseteils ergibt, ein Vertiefen der radialen Fläche und eine unzweckmäßige Fläche-zu-Fläche-Beziehung mit dem rotierenden Dichtring bewirken. Unter solchen Umständen werden die Dichtungswirkung und -Stabilität nachteilig beeinflußt.

Im allgemeinen neigt die Deformation in mechanischen Dichtungen, in denen der Gehäusedruck die Abstützung für den nicht drehbaren Dichtring durchbiegen kann mit resultierender Deformation des nicht drehbaren Dichtrings dazu, die wirksame, ringförmige Dichtungsfläche zu vermindern, wodurch die Flächeneinheitsbelastung vergrößert und ein schließliches Abfallen der Dichtung aufgrund der verminderten Leckverluste und Übermäßiger Hitze bewirkt wird. Bei einer Tandemdichtungsanordnung bewirken die verminderten Leckverluste durch die erste Stufe einen verminderten Gehäusedruck,der auf die nächste Dichtungsstufe ausgeübt werden kann bei sich ergebenden, vergrößerten Leckverlusten. Die vergrößerten Leckverluste der zweiten Dichtungsstufe bewirken die Ausübung eines höheren Gehäusedrucks auf die nächste Dichtungsstufe und vermindert die Leckverluste. Auf diese Weise existieren in stufenartigen oder sogenannten Tandemdichtungsanordnungen in den meisten Fällen oszillierende oder sich verändernde Leckverluste und ein Druckzyklus. Solche Zyklen treten bekanntlich in Perioden von einigen wenigen Sekunden bis zu zehn oder mehr Minuten

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in Vielfachstufenanordnungen auf, in denen der Gehäusedruck in der Größenordnung von 147 at liegt. Die Größe der Druckänderungen in den verschiedenen Stufen bewegt sich bekanntlich im Bereich von 3,5 at bis zu 10,5 at.

Ein anderer Aspekt der mechanischen Dichtungsfunktion, der die Lebensdauer und die Wirksamkeit von Dichtungen wie auch den zyklischen Ablauf der Leckverluste von stufenförmigen oder Tandemdichtungen beeinflußt, ist die Stabilität des Schmierfilms zwischen den gegenüberliegenden Flächen. Dieser Film wird durch Hitze und Druck beeinflußt. Unter ungünstigen Bedingungen sind gestufte Dichtungen in der Lage, wirksam konstante Leckverluste an den verschiedenen Stufen aufrecht zu erhalten, unbeachtet der Anwendung von die Schmiereigenschaften verbessernden Nuten und Rillen in einem oder dem anderen der gegenüberliegenden Ringe.

Die grundlegenden Überlegungen hinsichtlich der Konstruktion und des Betriebs von mechanischen Dichtungen bei Hochdruckeinsätzen ergeben ein weitgehendes Untersuchen und Testen der verschiedenen Anordnungen mit dem Bestreben, die Probleme des Dichtungsausfalls und der zyklischen Leckverluste in Stufendichtungen zu verstehen und zu beheben.

Die US-PS 3 628 799 zeigt eine mechanische Dichtung ., in der der Tragflansch für den nicht rotierenden Dichtring mit einer Druckkammer versehen ist, die einen Stützring für den nicht rotierenden Dicht ring enthält, und in der ein vorstehendes Teil des Stützrings dem Druck in der Druckkammer ausgesetzt ist. Dieser

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Druck wird hierzu durch den Kanal im nicht rotierenden Dichtring und dessen Stützring geliefert. Der Druck wird zwischen den gegenüberliegenden Dichtflächen an einer gewählten, radialen Stelle abgeleitet und ist eine Funktion des Druckanstiegs. Dies ergibt einen Aufbau, bei dem die Wirkung des Gehäusedrucks, der den Träger für den Stützring durchbiegen will, durch eine entgegengesetzte, auf den Stützring ausgeübte Durchbiegungskraft ausgeglichen wird, wodurch der nicht rotierende Dichtring gleich bleibt und nicht verbogen wird. Eine derartige Dichtungsanordnung hat gleichmäßigere Leckverluste als übliche Dichtungsanordnungen einschließlich solcher, bei denen einer der Dichtringe zur Verbesserung der Schmierfilmstabilität genutet oder gerillt ist. Die Verwendung von Nuten in Dichtringen ist z.B. in der US-PS 3 479 039 gezeigt.

Die vorliegende Erfindung schließt die Verwendung einer Konstruktion mit ein, die im allgemeinen derjenigen der US-PS 3 628 entspricht, bei der jedoch der auf die Druckkammer ausgeübte Druck vom Gehäuse zu dem getragenen Stützring durch zusammenwirkende Kanäle sowohl im drehbaren als auch im nicht drehbaren Ring geliefert wird.

Die vorliegende Erfindung besteht insbesondere in der Ausbildung der drehbaren und nicht drehbaren Dichtringe in der Weise, daß der zur Druckkammer des Stützringes gelieferte Druck sich während der Drehung des drehbaren Ringes sich zwischen einem durch den Anstieg zwischen den Dichtflächen und einem hohen Druck ändert.

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Es ist das Ziel der Erfindung, eine mechanische Dichtung zu schaffen, die stabiler arbeitet und die, in eine Stufendichtungsanordnung eingebaut, die Veränderungen der Leckverluste an den Dichtungsstufen auf ein Minimum bringt und daher einen konstanten Druckabfall zwischen den Stufen aufrecht erhält.

Bei der Verwirklichung des obigen wie auch anderer Ziele verwendet die vorliegende Erfindung eine Druckkammer für den Stützring eines von zwei gegeneinander drehbaren, mechanischen Dichtringen, in die Druck durch den Stützring und den hiervon gestützten Ring periodisch von einer Stelle zwischen den Dichtflächen geliefert wird, an denen ein ansteigender Druck und ein unterschiedlicher Druck besteht aufgrund von radial um den anderen Ring verteilten Nuten, die den Umfang des letzteren mit dem Druck im Gehäuse verbinden. Bei der bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Nuten radial zu einer Stelle, an der die zur Druckkammer führende Öffnung wenigstens teilweise unbedeckt und dem Gehäusedruck ausgesetzt ist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer mechanischen, mehrstufigen Dichtungsanordnung nach der Erfindung, wobei gewisse Teile als Ansicht dargestellt sind;

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Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt einer der neuartigen Dichtungsstufen;

Fig. 3 eine teilweise Ansicht entlang der Linie 3-3 der Fig. 2 eines Teils des Stützrings;

Fig. 4 eine teilweise Ansicht entlang der Linie 4-4 der F1g. 2 eines Teils des nicht drehbaren Ringes;

Fig. 5 eine teilweise Ansicht entlang der Linie 5-5 der Fig. 2 eines Teils des drehbaren Ringes;

Fig. 6 einen teilweisen Längsschnitt einer geänderten Konstruktion.

Eine mechanische Dichtungsanordnung weist eine drehbare Hülse 5 auf, die an einer drehbaren Welle befestigt werden kann, die sich vom nicht gezeigten Pumpengehäuse aus erstreckt. Konzentrisch um die drehbare HUlse 5 1st eine nicht drehbare Anordnung

10 angeordnet, die aus einem Dichtungsflansch 11 besteht, der in bekannter Meise am Pumpengehäuse angeordnet werden kann. Mit dem Flansch 11 ist durch geeignete Befestigungselemente 12 ein Gehäuseabschnitt 13 verbunden, der eine geeignete, den Flansch

11 berührende Dichtung 14 trägt. Mit dem Gehäuseabschnitt 13 1st durch geeignete Befestigungselemente 15 ein langgestreckter Gehäuseabschnitt 16 verbunden, der einen geeigneten, den Gehäuseabschnitt 13 berührenden Dichtring 17 aufweist. Schließlich weist das Dichtungsgehäuse einen Endabschnitt 18 auf, der durch geeignete Befestigungselemente 19 mit dem Gehäuseabschnitt 16 verbun-

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den ist. Dort befindet sich zwischen den Gehäuseabschnitten 16 und 18 ein geeigneter Dichtring. Wie sich aus dem folgenden ergibt, ermöglicht das abschnittsweise aufgebaute Gehäuse einen aufeinanderfolgenden Aufbau der Dichtungsbestandteile auf der Hülse 5.

Zwischen der drehbaren Hülse 5 und der nicht drehbaren Anordnung 10 ist wenigstens eine und vorzugsweise eine Vielzahl von axial verteilten Dichtungsstufen oder -anordnungen 21, 22, 23 und 24 angeordnet. Hierdurch wird das Strömungsmittel innerhalb des Pumpengehäuses zurückgehalten und der Druck eines derartigen Strömungsmittels wird durch die Dichtungsstufen 24, 23 und 22 bis zu einem verhältnismäßig geringen Druck an der Dichtungsstufe 21 vermindert. Das Abstufen von mechanischen Dichtungen ist allgemein bekannt und ergibt eine Anordnung, in der der Differenzdruck über irgendeiner Dichtungsstufe nur einen Bruchteil des gesamten Differenzdrucks zwischen der Innenseite des Gehäuses und dessen Außenseite beträgt, und in der jede gegebene Dichtungsstufe daher besser in der Lage ist, wirksam über lange Zeitperioden zu arbeiten. In der Dichtungsanordnung von Fig. 1 ist die Dichtungsstufe 21 von üblicher Bauart, während jede der Dichtungsstufen 22, 23 und 24 aus einer neuartigen Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung besteht. Hierdurch wird die Druckdifferenz über den aufeinanderfolgenden Dichtungsstufen in einem bleibenden oder stabilen Zustand gehalten, verglichen mit üblichen, gestuften, mechanischen Dichtungen, bei denen die Druckdifferenz über den aufeinanderfolgenden Dichtungsstufen sich bekanntlich zyklisch ändert aufgrund von Änderungen der

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Leckverluste aufeinanderfolgender Dichtungsstufen. In diesem Zusammenhang ist zu verstehen, daß, wenn sich die Leckverluste durch die rechte Dichtungsstufe 24 vergrößern, die Druckdifferenz über dieser Stufe abnimmt. Es wird jedoch die dazwischen liegende Dichtungsstufe 23 einen höheren Druck erfahren, der dazu neigt, die Leckverluste dieser Stufe zu vermindern. Dies wiederum würde eine Verminderung des auf die Dichtungsstufe 22 ausgeübten Drucks ergeben.

Bisher wurden Einrichtungen vorgesehen, die beim Aufrechterhalten eines gleichmäßig abgestuften Druckabfalls über den verschiedenen Dichtungsstufen mithalfen, durch Vorsehen von gesteuerten Verlusten durch einen gedrosselten Nebenstromkanal zwischen den aufeinanderfolgenden Dichtungsstufen. Die vorliegende Erfindung kann auch einen derartigen Kanal verwenden. Demnach befindet sich an der Dichtungsstufe 22 ein nicht drehbarer Flansch 25, der innerhalb einer Bohrung 26 im Gehäuseabschnitt 13 angeordnet ist. Der Flansch 25 stößt an seiner linken Seite an eine im Gehäuseabschnitt 13 vorgesehene Anschlagschulter 27 an. Um den äußeren Umfang des Flansches 25 verläuft eine schraubenförmige Nut 28, die an ihren entgegengesetzten Enden mit Öffnungen 29 und 30 in Verbindung steht. Entsprechend weist die Dichtungsstufe 23 einen Flansch 31 auf, der an einen Anschlag 32 innerhalb des Gehäuseabschnitts 16 anstößt und eine äußere, schraubenförmige Nut 33 aufweist, die mit öffnungen 34 und 35 in Verbindung steht. Zusätzlich hat die Dichtungsstufe 24 einen Flansch 36, der an einen Anschlag 37 im Gehäuse 18 anstößt und der eine äußere, schraubenförmige Nut 38 hat, die mit

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öffnungen 39 und 40 in Verbindung steht. Der Dichtungsflansch 11 hat eine Auslaßöffnung 41, die zu einem einstellbaren Ablaßventil 42 führt. Hierdurch kann durch Einstellung des Ventils 42 der innere Gehäusedruck fortschreitend zwischen den Dichtungsstufen zu einem Sollauslaßdruck vermindert werden. Es ist jedoch auch ersichtlich, daß der tatsächliche Druck zwischen den Dichtungsstufen von den Leckverlusten der Dichtung an den entsprechenden Dichtungsstufen abhängt.

Die Dichtungsstufe 21 ist, wie oben angegeben, als Übliche, mechanische Dichtung dargestellt und enthält zum Zweck der Darstellung einen nicht drehbaren Dichtring 43, der in einer Dichtungskammer 44 innerhalb des Flansches II angeordnet ist und gegen Drehung durch geeignete Keile 45 gehalten wird, die in äußere Keilnuten 46 im Ring 43 eingreifen* Der Ring 43 kann in typischer Weise aus einem Material, wie Kohlenstoff, zusammengesetzt sein und wird durch eine geeignete Einrichtung unterstützt. Bei der dargestellten Dichtung hat der Ring 43 an seiner linken Seite eine radiale Dichtfläche 47_S die eine gegenüberliegende, radiale Dichtfläche 48 eines ebenfalls nicht drehbaren Stützrings 49 berührt. Die gegenüberliegenden Flächen 47 und 48 passen zusammen und sind für eine dichtende Berührung geläppt, Der Stützrinc 49 ist innerhalb einer inneren Nut SO im Flansch 11 angeordnet. Die Nut 50 hat eine axiale, eine Kamae'·" --Ποεηαε Verlängerung δ.» in die der Strömungsmittel o^i^:, von &3- Kci-ms" £-^:' cs\ su&^er umfang des Stützrings 49 vorri·'' e-^J ^'."sz·:". ~'_.'".- - ': :--λ ?-"iusx^ r;,.v der Kammer werden durch --; . . ■; ·""■.;_/:;:;::; i'L ι :.τ'"Ί ::i5* ΐ ■ ~" -· andere oder innere Seite l>-.z λ\'^Ύ..,ί 43 :\·\: ^ν:,& ^r-c.iiziz D⁴:;:v;

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fla> >e 53, die einer radialen Dichtfläche 54 eines drehbaren Oichtrings 55 gegenüberliegt. Diese gegenüberliegenden Flächen sind für eine zusammenpassende Dichtung geläppt. Dementsprechend sind die Leckverluste an Strömungsmittel aus dem Gehäuse und Insbesondere aus der Kammer 44 zwischen den Dichtflächen 53 und 54 ein Minimum. Um die Schmierung der Dichtflächen durch Aufrechterhalten eines Strömungsmittelfilms dazwischen zu verbessern» ist der nicht drehbare Dichtring 43 mit einer geeigneten Anzahl von radialen Nuten 56 in den Dichtflächen 53 versehen. Hierdurch hat die Dichtfläche 53 am Umfang eine verminderte radiale Breite und es wird das Vorhandensein von Gehäuseströmungsmittel für die Schmierung sichergestellt.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann der drehbare Dichtring 55 aus einem sehr harten Material bestehen, etwa aus Titankarbid, und von einem gesonderten Ring 57 getragen werden« der von der Hülse 5 angetrieben und vom Strömungsmitteldruck In der Dichtungskammer 44 axial nach links vorgespannt wird, um die Dichtung zwischen den radialen Dichtflächen 47, 48 und 53, 54 aufrecht zu erhalten. Falls gewünscht, können jedoch der drehbare Ring 55 und der Trägerring 57 als eine Einheit aus einem Material gebaut werden, das haltbar, jedoch leichter bearbeitbar ist, etwa aus Steliit, das in der Dichtungstechnik allgemein bekannt ist. Im Fall der dargestellten Konstruktion hat der Trägerring 57 eine radiale Fläche 58, die mit der gegenüberliegenden Wand des Dichtrings 55 in Berührung steht, und eine geeignete Anzahl von am Umfang verteilten Kanälen 59, die durch ein äußeres

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Band in ihrer Lage gehalten werden, Die Keile 5S stehen in Eingriff mit Keilnuten 61 am Außenumfang des Dichtrings 55, so daß die Drehung vom Träger 57 auf den Dichtring 55 übertragen wird.

Innerhalb des Trägers 57 befindet sich eine Packung 62, die durch einen Spreizring 63 in dichtende Berührung zwischen dem Trägerring 57 und dem Außenumfang 5a eines vergrößerten Endstücks 5b der Hülse 5 gespreizt werden kann. Das Hülsenendstück 5b hat bei. 5c einen verminderten Durchmesser zur Erzeugung eines Ausgleichsdurchmessers in bekannter Weise, um den gewünschten Prozentsatz der dem Strömungsmitteldruck ausgesetzten Dichtungsfläche auszugleichen. Der Spreizring 63 hat ein Hemd 64, das sich axial hiervon um einen Antriebsring 65 erstreckt, der bei 66 mit der Wellenhülse 55 verkeilt ist. Dieser Antriebsring 65 hat an am Umfang verteilten Stellen eine geeignete Anzahl von radialen Antriebsstiften 67, die in langgestreckte Schlitze 68 im Hemd 64 eingreifen, um auf das letztere eine Drehung zu übertragen. Dem Träger 57 wird durch geeignete, in die Nuten 68 des Hemdes 64 vorstehende Ansätze 69 am Träger eine Drehung erteilt. Die Schlitze 68 ermöglichen auch eine Längsbewegung des Spreizelementes 63 unter dem Einfluß des Strömungsmitteldrucks und unter dem Einfluß einer geeigneten Anzahl von Schraubenfedern 70, die wirksam zwischen dem Spreizelement 63 und dem Antriebsring 65 in Federkammern 71 angeordnet sind.

Die bisher beschriebene Federanordnung einschließlich der Verwendung der Dichtungsstufen 22, 23 und 24 ist im wesentlichen von üblicher Art. Jedoch sind gemäß der vorliegenden Erfindung

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jede Stufe 22, 23 und 24 wie auch irgendwelche zusätzlich verwendeten Dichtungsstufen in ähnlicher Weise wie die Dichtungsstufe 23 gebaut, die nun im einzelnen beschrieben werden, vgl. Fig. 2.

Die Dichtungsstufe 23 ist in einer Dichtungskammer 72 angeordnet, deren Druck eine Funktion der Druckverminderung durch den schraubenförmigen Kanal 28 ist, der in die Dichtungskammer 73 mündet, und durch den schraubenförmigen Kanal 33, der von der Dichtungskammer 72 in die Kammer 73 der Dichtungsstufe 72 führt. Die Leckverluste durch die mechanische Dichtungsanordnung zwischen dem Gehäuseabschnitt 16 und der Hülse 5 sind ebenfalls eine Funktion dieser Druckverminderung. Die Dichtungsstufe 23 enthält einen nicht drehbaren Dichtring 74 in der Dichtungskammer 72 innerhalb des Gehäuseabschnitts 10. Der Dichtungsring 74 wird gegen Drehung durch geeignete Keile 76 gehalten, die in äußere Umfangskeilnuten 77 im Ring 74 eingreifen. Der Ring 74 kann wie der Ring 43 in typischer Weise aus einem Material wie Kohlenstoff bestehen. Der Ring 74 hat an seiner linken Seite eine radiale Dichtfläche 78, die eine gegenüberliegende, radiale Dichtfläche 79 eines ebenfalls nicht drehbaren Stützrings 80 berührt. Die gegenüberliegenden Flächen 78 und 79 passen zusammen und sind für ein dichtes Zusammenarbeiten geläppt. Der Stützring 80 ist innerhalb einer inneren Nut 81 im Flansch 31 angeordnet. Die Nut 81 hat eine axiale Ausnehmung 82, die eine Kammer bildet, in die Strömungsmitteldruck von der Kammer 72 über eine Kanalanordnung im Stützring und im nicht drehbaren Ring 74 eintreten kann, was noch beschrieben wird. Die Kanalanordnung im Stützring 80 weist eine

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Ringnut 80a und wenigstens eine öffnung SOb auf, die von der Nut 80a in die Kammer 82 führt, Leckverluste aus der Kammer 82 werden durch eine O-Ringdichtung 83 an einer Seite und durch einen äußeren O-Ring 83a am Außenumfang des StUUrinqs 80 verhindert. Die andere oder innere Seite des Rings 74 hat- eine radiale Dichtfläche 84, die einer radialen Dichtfläche 85 eines drehbaren Dichtrings 86 gegenüberliegt. Diese gegenüberliegenden Flächen sind für eine zusammenpassende, dichtende Berührung geläppt.

Demnach treten die Leckverluste an Strömungsmittel aus dem Gehäuse und insbesondere aus der Kammer 72 in die Kammer 3 zwischen den Dichtflächen 84 und 85 auf. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann der drehbare Dichtring 86 aus einem sehr harten Material bestehen, etwa aus Titankarbid, und kann von einem gesonderten Ring 88 getragen werden, der von der Hülse 5 angetrieben wird und vom Strömungsmitteldruck in der Dichtkammer 72 axial nach links vorgespannt wird, um eine dichte Beziehung zwischen den radialen Dichtflächen 78_S 79 und 34, 85 aufrecht zu erhalten. Falls bevorzugt, können jedoch der drehbare Dichtring 86 und der Trägerring 88 als Einheit aus einem Material hergestellt werden, das dauerhaft, aber auch leichter bearbeitbar ist, etwa aus Stellit, das in der Dichtur.gstechnik allgemein bekannt ist. Für den Fall der dargestellten Konstruktion hat der Trägerring 88 eine radiale Fläche 89, die mit der gegenüberliegenden Wand des Dichtrings 86 in Berührung steht. Eine geeignete Anzahl von am Umfang verteilten Keilen 90 wird durch ein äußeres Band 91 in ihrer Lage gehalten und steht mit Keilnuten 92 im

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Außenumfang des Dichtrings 89 so in Verbindung, daß eine Drehung vom Träger 88 auf den Dichtring 86 übertragen wird.

Eine Packung 93 innerhalb des Trägers 88 kann am Umfang durch Spreizringe 94 in dichtende Berührung mit dem Trägerring 88 und dem Außenumfang 5d der Hülse 5 gespreizt werden, die einen vergrößerten Durchmesser hat, um den gewünschten Ausgleich vorzusehen. Der Spreizring 94 hat ein Hemd 95, das sich hiervon axial um einen Antriebsring 96 herum erstreckt, der bei 97 mit der Wellenhülse 5 verkeilt ist. Dieser Antriebsring 96 hat an am Umfang verteilten Stellen eine geeignete Anzahl von radialen Antriebsstiften 98, die in langgestreckte Schlitze 99 im Hemd 95 eingreifen, um auf das letztere eine Drehung zu übertragen. Dem Träger 88 wird eine Drehung erteilt durch geeignete Vorsprünge 100 auf dem Träger, die in die Schlitze 99 des Hemdes 95 ragen. Die Schlitze ermöglichen auch eine Längsbewegung des Spreizrings 94 unter dem Einfluß von Strömungsmitteldruck und einer geeigneten Anzahl von Schraubendruckfedern 101, die wirksam zwischen dem Spreizring 94 und dem Antriebsring 96 in Federkammern 102 angeordnet sind.

Wie oben beschrieben, ist die aus der Ringnut 80a und der Öffnung 80b im Stützring 80 bestehende Kanalanordnung vorgesehen, um Strömungsmitteldruck in die Druckkammer 82 des Stützrings einzulassen. Eine derartige Kanalanordnung enthält eine oder mehrere axiale Offnungen 103 im nicht drehbaren Dichtring 74. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei derartige Offnungen 103 an diametral gegenüberliegenden Stellen vorgesehen. Die

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Öffnungen 103 fluchten an einem Ende mit der Ringnut 80a des Stützrings 80 und münden am anderen Ende am Umfang des drehbaren Dichtrings 86. Beim gerade beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Kanalanordnung zum Zuführen von Druck in die Stützringkammer 82 auch eine Anzahl von am Umfang verteilten, radial nach außen offenen Nuten 104 auf, die geeignet im drehbaren Dichtring 86 ausgebildet sind und die eine Verbindung zwischen der Dichtungskammer 72 am Außenumfang des Dichtrings 86 und einer radial nach innen versetzten Stelle herstellen, die durch die radiale Tiefe der Nut 104 bis zum inneren Ende 104a der Nut bestimmt wird. Beim gerade beschriebenen Ausführungsbeispiel wird darüber hinaus die Nut 104 durch die winkelförmige Grundwand gebildet, die sich zwischen der Dichtfläche 85 und dem Außenumfang des Dichtrings 86 erstreckt. Die Nut kann jedoch, wie noch zu beschreiben, einen anderen Aufbau haben. Wie am besten in Fig. 2 zu sehen, ist das innere Ende 104a der entsprechenden Nuten 104 so angeordnet, daß es während der Drehung die öffnungen 103 im nicht drehbaren Ring 74 schneidet.

Als Ergebnis dieser Konstruktion ist es offensichtlich, daß die Nuten 104 eine intermittierende Druckbeaufschlagung der Stützringkammer 82 ergeben, die zwischen einem Druck schwankt, der vom Druckanstieg zwischen den Dichtflächen 84 und 85 und vom Gehäusedruck an den Nuten 104 bestimmt wird. Der Druck, dem die Offnungen 103 ausgesetzt sind, schwankt zwischen einem niedrigeren Druck, wenn die ungeschlitzten Abschnitte des Dichtrings 86 den Offnungen 103 gegenüberstehen, und einem höheren Druck, wenn die Schlitze die Offnungen 103 schneiden und die Kammer

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freilegen. Es ist daher offensichtlich, daß der Druck in der Stützringkammer 82 ein pulsierender, abwechselnd hoher und niedriger Druck ist, der auf den Abschnitt des Stützrings 80 ausgeübt wird, der hauptsächlich in die Kammer 82 hineinragt, um eine gegen den Dichtring 74 gerichtete, veränderliche Kraft auszuüben. Diese gegen den Dichtring 74 gerichtete Kraft hilft mit bei der Verhinderung des Vertiefens oder Verformens des Dichtrings 74, das sonst als Ergebnis der auf den Dichtring 86 zum Stützring 80 hin ausgeübten Kraft auftritt, wenn der Flansch aufgrund des hohen Drucks in der Kammer 72 tellerförmig durchgebogen wird.

Die Neigung von üichtungstragflanschen, etwa des Flansches 31, sich unter darüber herrschenden, hohen Druckdifferenzen durchzubiegen oder zu verformen sowie die Verwendung eines Stützrings, etwa des Rings 80, und eines Drucks in der Stützringkammer, der zwischen den gegeneinander rotierenden Dichtflächen über Offnungen im drehbaren Dichtring abgeleitet wurde, bilden den Gegenstand der US-PS 3 628 799 der Anmelderin. Versuche haben gezeigt, daß, wenn die Eingangsstufendichtung oder -dichtungen in einer mehrstufigen Anordnung entsprechend dem Gegenstand dieser Patentschrift gebaut werden, jedoch ohne die Nuten entsprechend den oben beschriebenen Nuten 104, sich eine bedeutende Verminderung der Leckverluständerungen zwischen aufeinanderfolgenden Stufen ergibt, verglichen mit herkömmlichen Dichtungsanordnungen, etwa der oben beschriebenen Dichtungsstufe Jedoch treten in einer solchen Stufendichtung bei Abwesenheit der Nuten 104 Leckverluständerungen trotzdem auf. Die Ursache

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hierfür hat sich jedoch dem Fachmann für mechanische Dichtungen entzogen.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Entdeckung, daß die Hin· zufügung von Nuten, etwa der Nuten 104, im Dichtring 86 die zyklischen Leckverluständerungen weiter vermindert, so daß der fortschreitende, abgestufte Druckabfall durch die gestufte Dichtungsanordnung im wesentlichen konstant bleibt, und zwar offensichtlich aufgrund der übertragung des pulsierenden Drucks auf die Stützringkammer 82, wenn eine gegenseitige Drehung auftritt. Während gute Ergebnisse erzielt werden, wenn das innere Ende 104a der Nut unterschiedlich innerhalb des radialen Bereichs angeordnet ist, in dem die öffnungen 103 ganz unbedeckt oder ganz bedeckt sind, zeigen Versuche, daß die besten Ergebnisse erzielt werden (in Begriffen der Leckverluststabilisierung), wenn die öffnungen 103 nur teilweise geöffnet sind. Somit schneidet beim dargestellten Ausführungsbeispiel das innere Ende 104a der Nut 104 die öffnungen 103 so, daß ungefähr zwei Drittel des Öffnungsdurchmessers freigegeben werden.

Während die Nuten 104 in herkömmlicher Weise durch Fräsen eines angewinkelten Schlitzes gebildet werden können, wie am besten in Fig. 2 zu sehen, würde eine derartige Nutenform von Natur aus eine Veränderung der radialen Tiefe der Nuten ergeben, wenn die Dichtfläche 85 zur Wartung oder Reparatur geläppt oder oberflächenbearbeitet wird. Dementsprechend ist in Fig. 6 eine abgeänderte Nutenanordnung gezeigt, bei der die Hüten an einer inneren Endwand 204a enden, die gegenüber den öffnungen 103 axial

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verläuft. Hierdurch wird eine wesentliche Materialentfernung für Reparatur- und Wartungszwecke ermöglicht, ohne die Lage des Endes 204a der Nut 204 zu verändern.

Während die Nuten 104 und in diesem Fall die Nuten 204,wie in Fig. 5 gezeigt, geformt sein können, wo das innere Ende 104a flach ist und somit auf einer Linie liegt, die gegenüber den Öffnungen 103 im nicht drehbaren Ring eine Sehne darstellt, können zusätzlich die Nuten andere Formen annehmen, ohne daß dies besonders dargestellt werden müßte.

Mit anderen Worten, der Kern der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Vorsehen von Nuten, etwa der Nuten 104 und 204, von gewählter Form und von gewählter, radialer Tiefe, verglichen mit dem Durchmesser der Dichtungsanordnung und der Größe der Öffnung 103, so daß ein pulsierender Druck auf die Stützringkammer 82 ausgeübt wird, damit eine Kraft auf den Dichtring 74 ausgeübt wird, um ihn in seiner richtigen Form zu halten und um die Leckverluste zwischen den Ringen 74 und 86 zu stabilisieren.

Da an den Stufen 22 und 24 Dichtungen dargestellt sind, die die gleichen wie in Stufe 23 sind, erübrigt sich eine weitere Beschreibung. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß bei Bedarf mehr oder weniger Dichtungsstufen verwendet werden können. Während die Dichtungsstufen 22, 23 und 24 auf aufeinanderfolgend größeren Hülsendurchmessern zum Erleichtern des Zusammenbaues angeordnet sind, können die Dichtungen durch Änderung der Hülsenkonstruktion gleiche Durchmesser haben.

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Claims

Patentansprüche

Mechanische Dichtungsanordnung zur Verwendung zwischen einem Gehäuse mit einer Wellenöffnung und einer in der öffnung drehbaren Welle, gekennzeichnet durch einen drehbaren Dichtring, durch eine Einrichtung zum Anordnen des drehbaren Dichtrings auf der Welle zur Drehung hiermit, durch einen nicht drehbaren Dichtring, durch eine Einrichtung zum nicht drehbaren Anordnen des nicht drehbaren Dichtrings neben dem drehbaren Dichtring, wobei die entsprechenden Dichtringe gegenüberliegende, im allgemeinen radiale Flächen haben, die dichtend Fläche an Fläche angeordnet sind, durch eine Einrichtung, die auf den Strömungsmitteldruck im Gehäuse anspricht, um den einen Dichtring zum anderen Dichtring hin zu drücken, durch eine Stütze für den anderen Dichtring einschließlich einer eine ringförmige Kammer bildenden Einrichtung» durch einen Stützring in der Kammer, der den anderen Dichtring berührt, wobei der drehbare und der nicht drehbare Dichtring und der Stützring eine Kanal anordnung aufweisen, die der Kammer unter Druck stehendes Strömungsmittel zuführt, das dem Druck im Gehäuse entgegenwirkt, um den anderen Dichtring zum einen Dichtring hin zu drückenj v/cbei die Kanalanordnung so angeordnet ist, daß sie der Kammer hohe und niedrige, pulsierend Drücke zuführt, die durch den Druck zwischen den drehbaren und nicht drehbaren Dichtringen bestimmt werden.

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2. Mechanische Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung radiale Öffnungen enthält, die am Umfang an einer Außenseite eines der Dichtringe verteilt sind und mit dem Strömungsmittelgehäuse In Verbindung stehen.
3. Mechanische Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung radiale Offnungen enthält, die am Umfang an einer Außenseite eines der Dichtringe verteilt sind und mit dem Strömungsmittelgehäuse 1n Verbindung stehen, und daß der andere Dichtring wenigstens eine Öffnung aufweist, die sich axial hindurch erstreckt und mit den radialen Offnungen aufgrund einer gegenseitigen Drehung der Dichtringe In Verbindung steht.
4. Mechanische Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung radiale Offnungen enthält, die am Umfang an einer Außenseite eines der Dichtringe verteilt sind und mit dem Strömungsmittelgehäuse 1n Verbindung stehen, und daß der andere Dichtring wenigstens eine Öffnung aufweist, die sich axial hindurch erstreckt und teilweise von den radialen Offnungen geschnitten wird.
5. Rotierende, mechanische Dichtungsanordnung, gekennzeichnet durch ein eine Öffnung bildendes Gehäuse, durch ein 1n einer Öffnung drehbares Glied, durch einen nicht drehbaren Dichtring Im Gehäuse mit einer radialen Dichtfläche, durch eine

Einrichtung, die den nicht drehbaren Dichtring Im Gehäuse

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nicht drehbar trägt, durch eine Stutze für den nicht drehbaren Dichtring, wobei das Gehäuse eine ringförmige Kammer hat, in der die Stütze angeordnet ist, wobei die Stütze und der nicht drehbare Ring eine Kanalanordnung haben, die von der radialen Fläche des nicht drehbaren Ringes in die Kammer führt, durch einen drehbaren Dichtring mit einer radialen Dichtfläche, die der radialen Fläche des nicht drehbaren Ringes gegenüberliegt, durch eine Einrichtung zum Tragen des drehbaren Dichtringes auf dem drehbaren Glied, durch eine Einrichtung, die eine Dichtung zwischen dem drehbaren Glied und dem drehbaren Ring bildet, wodurch der Druck des Strömungsmittels im Gehäuse den drehbaren Ring gegen den nicht drehbaren Ring drückt, um eine dichtende Berührung zwischen den radialen Flächen des nicht drehbaren Rings und des drehbaren Ringes zu bewirken, und durch eine Kanalanordnung in der radialen Fläche des drehbaren Rings, die an dessen Umfang verteilt angeordnet ist und eine Verbindung zwischen dem Gehäuse und einer Stelle unmittelbar neben den Außenseiten des drehbaren Ringes herstellt.
6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung im drehbaren Ring die Kanalanordnung 1m nicht drehbaren Ring schneidet.
7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung im drehbaren Ring die Kanalanordnung 1m nicht drehbaren Ring teilweise schneidet.

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8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung Im drehbaren Ring aus radialen Schlitzen besteht.
9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung Im drehbaren Ring aus radialen Schlitzen besteht, wobei das innere Ende des Schlitzes durch eine Wand gebildet wird, die axial zum drehbaren Ring verläuft.
10. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung im drehbaren Ring aus radialen Schützen besteht, wobei das innere Ende des Schützes die Kanalanordnung im nicht drehbaren Ring kreuzt.
11. Stufenförmige, rotierende, mechanische Strömungsmitteldruckdichtungsanordnung zum Bilden einer Dichtung um eine Welle in einer öffnung und zum fortschreitenden Vermindern des Drucks durch Dichtungsstufen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtungsanordnung als Niederdruckendstufe und wenigstens eine, höherem Druck ausgesetzte Dichtungsanordnung als Eingangsstufe vorgesehen ist, wobei die Dichtungsanordnung der Eingangsstufe gebildet wird durch einen drehbaren Dichtring, durch eine Einrichtung zum Anordnen des drehbaren Dichtringes auf der Welle zur Drehung hiermit, durch einen nicht drehbaren Dichtring, durch eine Einrichtung zum nicht drehbaren Anordnen des nicht drehbaren Dichtringes neben dem drehbaren Dichtring, wobei die entsprechenden Dichtringe gegenüberliegende, im allgemeinen radiale Flächen haben, die

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dichtend Fläche an Fläche angeordnet sind, durch eine Einrichtung, die auf den Strömungsmitteldruck 1m Gehäuse anspricht, um den einen Dichtring zum anderen Dichtring hin zu drücken, durch eine Stütze für den anderen Dichtring einschließlich einer eine ringförmige Kammer bildenden Einrichtung, durch einen Stützring in der Kammer, der den anderen Dichtring berührt, wobei der drehbare und der nicht drehbare Dichtring und der Stützring eine Kanalanordnung aufweisen, die der Kammer unter Druck stehendes Strömungsmittel zuführt, das dem Druck 1m Gehäuse entgegenwirkt, um den anderen Dichtring zum einen Dichtring hin zu drücken, wobei die Kanalanordnung so angeordnet 1st, daß sie der Kammer hohe und niedrige, pulsierend Drücke zuführt, die durch den Druck zwischen den drehbaren und nicht drehbaren Dichtringen bestimmt werden.
12. Mechanische Dichtungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung radiale öffnungen enthält, die am Umfang an einer Außenseite eines der Dichtringe verteilt sind und mit dem Strömungsmittelgehäuse in Verbindung stehen.
13. Mechanische Dichtungsanordnung nach Arepruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung radiale Offnungen enthält, die am Umfang an einer Außenseite eines der Dichtringe verteilt sind und mit dem Strömungsmittelgehäuse in Verbindung stehen, und daß der andere Dichtring wenigstens eine Öffnung aufweist, die sich axial hindurch erstreckt und mit den radialen öffnungen aufgrund einer gegenseitigen Drehung der Dichtringe in Verbindung steht.
14. Mechanische Dichtungsanordnung nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung radiale Öffnungen enthält, die am Umfang an einer Außenseite eines der Dichtringe verteilt sind und mit dem Strömungsmittelgehäuse in Verbindung stehen, und daß der andere Dichtring wenigstens eine Öffnung aufweist, die sich axial hindurch erstreckt und teilweise von den radialen Offnungen geschnitten wird.
15. Mechanische Dichtungsanordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Eingangsstufendichtungsanordnungen und eine Einrichtung, die einen gedrosselten, druckmindernden Strömungskanal bildet, der eine Strömung von Strömungsmittel zwischen den Stufen ermöglicht.
16. Stufenförmige, rotierende, mechanische Strömungsmitteldich-

tungsanordnung zum Bilden einer Dichtung um eine Welle in

Ver einer Öffnung und zum fortschreitenden mindern des Drucks durch Dichtungsstufen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtungsanordnung als Niederdruckendstufe und wenigstens eine, hohem Druck ausgesetzte Dichtungsanordnung als Eingangsstufe vorgesehen 1st, wobei die Dichtungsanordnung der Eingangsstufe gebildet wird durch ein in einer Öffnung drehbares Glied, durch einen nicht drehbaren Dichtring im Gehäuse mit einer radialen Dichtfläche, durch eine Einrichtung, die den nicht drehbaren Dichtring im Gehäuse nicht drehbar trägt, durch eine Stütze für den nicht drehbaren Dichtring, wobei das Gehäuse eine ringförmige Kammer hat, In der die Stütze angeordnet ist, wobei die Stütze und der nicht drehbare Ring eine Kanal-

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anordnung haben, die von der radialen Fläche des nicht drehbaren Ringes in die Kammer führt, durch einen drehbaren Dichtring mit einer radialen Dichtfläche, die der radialen Fläche des nicht drehbaren Ringes gegenüberliegt, durch eine Einrichtung zum Tragen des drehbaren Dichtringes auf dem drehbaren Glied, durch eine Einrichtung, die eine Dichtung zwischen dem drehbaren Glied und dem drehbaren Ring bildet, wodurch der Druck des Strömungsmittels im Gehäuse den drehbaren Ring gegen den nicht drehbaren Ring drückt, um eine dichtende Berührung zwischen den rsdialen Flächen des nicht drehbaren Ringes und des drehbaren Ringes zu bewirken, und durch eine Kanalanordnung in der radialen Fläche des drehbaren Ringes, die an dessen Umfang verteilt angeordnet ist und eine Verbindung zwischen dem Gehäuse und einer Stelle unmittelbar neben den Außenseiten des drehbaren Ringes herstellt.
17. Dichtungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanal anordnung radiale öffnungen enthält, die am Umfang an einer Außenseite eines der Dichtringe verteilt sind und mit dem Strömungsmittelgehäuse in Verbindung stehen.
18. Dichtungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalanordnung radiale öffnungen enthält, die am Umfang an einer Außenseite eines der Dichtringe verteilt sind und mit dem Strömungsmittelgehäuse in Verbindung stehen, und daß der andere Dichtring wenigstens eine öffnung aufweist, die sich axial hindurch erstreckt und teilweise von den radialen öffnungen geschnitten wird.
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20. Dichtungsanordnung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von tfngangsstufendichtungsanordnungen und durch eine Einrichtung, die einen gedrosselten, druckmindernden Strömungskanal bildet, der eine Strömung von Strömungsmittel zwischen den Stufen ermöglicht.

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