DE2320681B2

DE2320681B2 - Gleitringdichtung

Info

Publication number: DE2320681B2
Application number: DE19732320681
Authority: DE
Priority date: 1972-04-24
Filing date: 1973-04-24
Publication date: 1977-04-28
Also published as: IT980339B; US3804424A; GB1378259A; DE2320681A1

Description

45

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung zur Abdichtung einer Welle gegenüber einem unter Innendruck stehenden Gehäuse, mit einem an der Welle befestigten Gleitring und einem im Gehäuse abgestützten stationären Gegenring, der im Betrieb thermischen Verwerfungen ausgesetzt ist, die den radial inneren Abschnitt seiner Dichtfläche näher an die Dichtfläche des Gleitrings zu bringen suchen, mit einem im Gehäuse angeordneten, den Gegenring an dessen Innenumfang abstützenden Lagerring sowie mit einer zwischen dem Lagerring und dem Gegenring ausgebildeten, durch Dichtringe abgegrenzten Druckkammer, und mit einer Druckquelle zur Druckbeaul'schlagung der Druckkammer.

Bei einer solchen, aus dem DT-Gbm 19 37 954 bekannten Gleitringdichtung ist der Gegenring in einer /\iifnahnieaussparuiL£ des Gehäuses über Dichtringe elastisch abgestützt. Zur Entlastung der den Gegenring stützenden Dichtringi·. damit diese die Dämpfung von Erschütterungen übernehmen können und eine Anpassuiij' de! Lage des Gegenrings an Änderungen der Spaltgeoineiric des Diehtspattes erlauben, und zur von mechanischen und thermischen Verwerfungen, die zu einer beträchtlichen Änderung der Spaltgeometrie und dadurch zu unzulässiger Wärmeerzeugung und Verschleiß führen können, sind bei der bekannten Gleitringdichtung durch die Dichtringe Gegendruckkammern am Gegenring ausgebildet, die am Außenumfang, der dem Gleitring abgewendeten Stirnseite des Gegenrings und am Innenumfang des Gegenrings angeordnet sein können. Dabei soll insbesondere die Druckkammer zwischen dem inneren Lagerring des Gegenrings und dessen Innenumfang durch Fremddruckzufuhr zur mechanischen und thermischen Stabilisierung derart verwendet werden, daß der Gegenring durch Druckerhöhung in dieser Druckkammer mechanisch gestützt und bei einem Zirkulieren des Druckmediums auch gekühlt werden kann. Derartige Maßnahmen zur mechanischen und thermischen Stabilisierung des Gegenringes reichen jedoch dann nicht mehr aus, wenn es im Spalt zwischen den Dichtflächen zu einer beträchtlichen Wärmeentwicklung kommt, durch welche der Gegenring starken thermischen Verwerfungen ausgesetzt ist, die den radial inneren Abschnitt seiner Dichtfläche näher an die Dichtfläche des Gleitrings zu bringen suchen und damit die Spaltgeometrie unzulässig ändern.

Demgegenüber wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, auf den Gegenring den durch thermische Verwerfung drehzahlabhängig erzeugten Krüften entsprechend große Gegenkräfte aufzubringen, durch welche die thermische Verwerfung kompensiert wird.

Dies wird erfindungsgemäß bei einer Gleitringdichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Druckquelle aus mehreren, in einer der Dichtflächen gebildeten flachen Spiralnuten besteht, deren radial außen liegenden Hochdruckbereiche mit der Druckkammer verbunden sind, und daß die Druckkammer, gesehen im Axialschnitt, relativ zum Flächenschwerpunkt des Gegenringes so angeordnet ist, daß der Druck in der Druckkammer auf den Gegenring ein Moment um den Flächenschwerpui.kt im Sinne einer Annäherung des radial äußeren Abschnitts seiner Dichtfläche an die Dichtfläche des Gleitrings ausübt

Durch die Spiralnuten wird im Dichtspalt zwischen den Dichtflächen drehzahlabhängig ein beträchtlicher Druck erzeugt, der erfindungsgemäß zur Erzeugung eines auf den Gegenring einwirkenden Momentes ausgenutzt wird, das dem thermischen Verwerfungsmoment entgegenwirkt und es kompensiert, so daß die gewünschte Spaltgeometrie mit parallelen Dichtflächen gewährleistet bleibt. Der Druck des in die Druckkammer geführten Strömungsmittels entspricht den wärmeerzeugenden Druckverhältnissen zwischen den Dichtflächen, so daß mit größer werdenden drehzahlabhängigen Verwerfungskräften auch der diese Kräfte ausgleichende Druck in der Druckkammer zunimmt.

Die Ausbildung von Spiralnuten in einer der Dichtflächen des Gleitrings oder Gegenrings zur Erzeugung von Hochdruck im Dichtungsspalt ist zwar an sich bekannt (Transactions of the ASME, Paper No. 67-WA/Lub-17). Hierbei wird jedoch die Hochdruckerzeugung dazu ausgenutzt, eine Abdichtung im Dichtspalt zwischen Gleitring und Gegenring weitgehend ohne Gleitberührung der beiden Ringe zu erreichen, damit die Erzeugung von Reibungswärme und dadurch erzeugte thermische Verwerfungen vermieden sind. Durch die Ausbildung der Spiralnuten kommt es jedoch zur erhöhten Abscherung der Flüssigkeit im Dichtungsspalt, was seinerseits wieder zur Wärmeerzeugung führt, durch welche die thermische Verwerfung

begüngstigt wird. Demgegenüber wird bei der erfindungsgemäßen Lösung der durch die Spiralnuten erzeugte hohe Druck dazu ausgenutzt, drehzahlabhän gig ein wirksames Gegenmoment zu dem auf den Gegenring einwirkenden thermischen Verwerfungsmoment zu erzeugen.

Aus dem eingangs erwähnten DT-Gbm 19 37 954 ist es auch an sich bekannt, die Druckkammer an der dem Gleitring abgewendeten Seite des Gegenrings über eine Bohrung mit dem Dichtungsspalt zu verbinden, um in dieser Druckkammer selbsttätig einen Druck aufzubauen. Da aber bei dieser bekannten Lösung die Dichtungsflächen am Gleitring und am Gegenring beide eben sind, läßt sich hier keine starke Drehzahlabhängigkeit des der Druckkammer zugeführten Druckes erreichen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich quer über die radial außen liegenden Hochdruckbereiche der Spiralnuten eine 'reisringförmige Nut, in der an den Schniffpunkten mit jeder Spiralnut eine öffnung vorgesehen ist, die durch einen Kanal mit der Druckkammer verbunden ist, wobei an der die Spiralnuten aufweisenden Dichtfläche radial innere und äußere konzentrische erhabene Ringflächen vorgesehen sind, und der Innenraum des Gehäuses über Kanäle mit einer weiteren Ringnut im radial mittleren Bereich der Spiralnuten verbunden ist. Bei der erwähnten bekannten Gleitringdichtung mit Spiralnuten ist die letztere Ringnut, die der Zufuhr von Dichtungsflüssigkeit aus dem Innenraum des Gehäuses in die Spiralnuten dient, ebenfalls vorgesehen, die jedoch nicht an den Hochdruckbereichen der Spiralnuten verläuft. Aus der bekannten Gleitringdichtung sind auch die radial inneren und äußeren konzentrischen Ringflächen, zwischen denen die Spiralnuten eingeschlossen sind, an sich bekannt, um bei Stillstand der Gleitringdichtung einen Flächenkontakt zwischen den Ringflächen und der Dichtfläche des die Spiralnuten nicht aufweisenden Gleitrings oder Gegenrings zu erhalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Gleitringdichtung und

Fig. 2 einen Ausschnitt der Stirnansicht der am Gegenring der Gleitringdichtung aus F i g. 1 vorgesehenen Dichtfläche.

Gernäß F i g. 1 erstreckt sich eine Welle 10 durch eine Öffnung ti in einem Gehäuse 12, z. B. in einer Pumpe. Das Gehäuse 12 umschließt einen unter Druck stehenden Raum 13.

Die öffnung 11 ist durch eine Gleitringdichtung abgeschlossen, die aus einem mit der Welle umlaufenden Gleitring 14, einem stationären Gegenring 15 und aus einer Reihe von Federn 16 bestellt, die den Gegenring 15 gegen den Gleitring 14 drücken. Auf einem sich axial vom Gehäuse 12 wegerstreckenden Lagerring 17 ist der Gegenring 15 axial beweglich gelagert.

Zwischen dem Gegenring 15 und dem Lagerring 17 ist als Dichtung ein Dichtring 20 angeordnet, der in einer inneren Nut 21 im Gegenring 15 liegt und an der zylindrischen äußeren Lagerflächi' 22 des Lagcrrings 17 anliegt. f>5

In einer Dichtfläche 18 und 19 von Gleitring 14 oder Gegenring 15, vorzugsweise in der Dichtfläche 19 de*. Geeenrines 15. sind mehrere flache Sniralnuten ?) (Fig.2) ausgebildet, die an inneren und äußeren erhabenen Ringflächen 24 bzw. 25 enden. In der Dichtfläche 19 ist eine Ringnut 26 ausgebildet, die mit dem Innenraum 13 des Gehäuses 12 über eine Anzahl von Kanälen 28 verbunden ist, r.o daß den Spiralnuten Strömungsmittel aus dem Innenraum 13 mit dem dort herrschenden Druck zugeführt wird.

Zwischen dem Gegenring 15 und der Lagerfläche 22 des Lagerrings 17 ist eine Druckkammer 30 ausgebildet, die an der einen Seite durch den Dichtring 20 und an der anderen Seite durch einen ähnlichen Dichtring 31 abgedichtet ist, der in einer Nut 32 sitzt. Die Druckkammer 30 ist über Kanäle 33 mit einer zweiten kreisringförmigen Nut 27 in der Dichtfläche 19 verbunden, so daß in der Druckkammer 30 derselbe Druck wie in der Nut 27 anliegt.

Im Stillstand berühren die Dichtflächen 18 und 19 des Gleitrings 14 und des Gegenrings 15 einander, so daß kein Spalt zwischen den Dichtflächen 18 und 19 vorliegt. Beim Anlaufen der WeIJe 10 beginnen die Spiralnuten 23, in ihnen befindliches Strömungsmittel radial nach außen zum Innenraum 13 des Gehäuses 12 hin zu pumpen, so daß sich an der Hochdruckseite des Gegenrings eine Zone hohen Druckes aufbaut, durch welchen der Gegenring 15 vom Gleitring 14 abgehoben wird. Dabei wird die Druckdifferenz über die untere Ringfläche 24 hin verringert, so daß auch die auftretende Leckmenge an der Ringfläche 24 verringert wird. Wenn die Drehzahl ansteigt, wird der Druckabfall an der Ringfläche 24 Null, so daß die Dichtung praktisch ohne Leckverluste arbeitet. Eine weitere Steigerung der Drehzahl führt durch die Pumpwirkung der Spiralnuten 23 zu einer Drucksteigerung an der radial äußeren Seite der Gleitringdichtung, wodurch der Arbeitsspalt zwischen den Dichtflächen 18, 19 vergrößert wird. Entsprechend wächst das aus dem Druck zwischen den Dichtungsflächen resultierende Moment im Uhrzeigersinn um den in Fig. 1 eingetragenen Flächenschwerpunkt 29 des Gegenrings 15.

Mit zunehmendem Druck in der Dichtungsflüssigkeit im Dichtspalt nimmt auch die s».uf die Dichtflüssigkeit einwirkende Scherkraft unter dem Antrieb der Spiralnuten zu, so daß die Temperatur gesteigert wird und durch die dadurch erzeugte Wärmeverteilung auf den Gegenring 15 ein thermisches Verwerfungsmoment erzeugt wird, das ebenfalls im Uhrzeigersinn um den Flächenschwerpunkt 29 des Gegenrings auf diesen einwirkt. Dieses Verwerfungsmoment ist ebenfalls eine Funktion der Drehzahl des Gleitrings 14, so daß es mit steigender Drehzahl zunimmt.

Dem mit zunehmender Drehzahl größer werdenden Moment im Uhrzeigersinn um den Flächenschwerpunkt 29 wirkt jedoch das von dem Druck in der Druckkammer 30 auf den Gegenring 15 einwirkende Moment entgegen. Dieser Druck entspricht dem Druck in der mit der Druckkammer 30 verbundenen Nut 27 in der Hochdruckzone der Spiralnuten. Der Abstand zwischen den Dichtungsringen 20 und 31, ihre Anordnung relativ zum Flächenschwerpunkt 29 und die radiale Anordnung der Nut 27 sind so ausgewählt, daß wählend sämtlicher Betriebsbedingungen das auf den Gegenring 15 wirkende resultierende Moment so nahe wie möglich bei Null gehalten wird.

Da die Druckkammer .M) mit der Nut 27 verbunden ist, baut sich in der Druckkammer ein Druck auf, der dem in der Nut 27 geschwindigkeitsabhängig aufgebauten Druck entspricht.

So wird durch zweckmäßige Auswahl der axialen

abmessung und Anordnung der Druckkammer 30 elativ zum Flächenschwerpunkt 29 und der Auswahl ler passenden radialen Lage der Nut 27, an welcher der iochdruckbereich der Spiralnuten angezapft wird, eder durch Wärme bedingten Konizität des Gegenings 15 durch den Druck der Flüssigkeit in der druckkammer 30 entgegengewirkt. Wenn die Druckkammer 30 überdimensioniert wird, kann dadurch jeder Neigung des Gegenrings 15 zur Konizität entgegengewirkt weiden, die sich aus einer Änderung der Lage des Druckmittelpunktes zwischen den Dichtflächen 18 und 19 aufgrund von Drehzahländerungen des Gleitrings 14 wie auch durch das Vorhandensein eines axialen Temperaturgradienten im Gegenring 15 ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleitringdichtung zur Abdichtung einer Welle gegenüber einem unter Innendruck stehenden Gehäuse, mit einem an der Welle befestigten Gleitring und einem im Gehäuse abgestützten stationären Gegenring, der im Betrieb thermischen Verwerfungen ausgesetzt ist, die den radial inneren Abschnitt seiner Dichtfläche näher an die Dichtfläehe des Gleitrings zu bringen suchen, mit einem im Gehäuse angeordneten, den Gegenring an dessen Innenumfang abstützenden Lagerring sowie mit einer zwischen dem Lagerring und dem Gegenring ausgebildeten, durch Dichtringe abgegrenzten Druckkammer, und mit einer Druckquelle zur Druckbeaufschlagung der Druckkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckquelle aus mehreren, in einer der Dichtflächen (18 bzw. 19) gebildeten flachen Spiralnuten (23) besteht, deren radial außen liegenden Hochdruckbereiche mit der Druckkammer (30) verbunden sind, und daß die Druckkammer, gesehen im Axialschnitt, relativ zum Flächenschwerpunkt (29) des Gegenrings (15) so angeordnet ist, daß der Druck in der Druckkammer auf den Gegenring ein Moment um den Flächenschwerpunkt im Sinne einer Annäherung des radial äußeren Abschnitts seiner Dichtfläche (19) an die Dichtfläche (18) des Gleitrings (14) ausübt.

2. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich quer über die radial außen liegenden Hochdruckbereiche der Spiralnuten (23) eine kreisringförmige Nut (27) ers:reckt, in der an den Schnittpunkten mit jeder Spiralnut eine Öffnung vorgesehen ist, die durch einen Kanal (33) mit der Druckkammer (30) verbunden ist, daß an der die Spiralnuten (23) aufweisenden Dichtfläche (19) radial innere und äußere konzentiische erhabene Ringflächen (24, 25) vorgesehen sind, und daß der Innenraum (13) des Gehäuses (12) über Kanäle (28) mit einer weiteren Ringnut (26) im radial mittleren Bereich der Spiralnuten verbunden ist.