DE2646475B2 - Dichtungsring - Google Patents
DichtungsringInfo
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- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
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- F16J15/3412—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with cavities
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Description
Die Erfindung betrifft einen zwischen einem rotierenden Element und einem Fluid gefüllten Gehäuse im
wesentlichen drehfest angeordneten und für einen Kontakt mit seiner Dichtungsfläche und dem rotierenden
Element elastisch vorgespannten Dichtungsring, der in seiner Dichtungsfläche mit sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Nuten versehen ist, die eine Verbindung zu dem Gehäuse für die Fluidzuführung
aufweisen.
Es sind bereits Dichtungsringe bekannt, die drehfest an einem Gehäuse gehalten sind und mit ihrer
Innenumfangsfläche durch eine um die äußere Umfangsfläche
herumgelegte Zugfeder in abdichtenden Eingriff mit einer rotierenden Welle gehalten werden.
An der die Dichtungsfläche bildenden inneren Umfangsfläche sind dabei Nuten vorgesehen, die mit dem
Fluidraum des Gehäuses verbunden sind und dadurch mit diesem Fiuid gefüllt sind. Der Dichtungsring kann
aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt sein (US-PS 29 08 516).
Wenn als Fluid eine Flüssigkeit verwendet wird, können die Segmente aus ihrer Kontaktstellung an der
Oberfläche der Welle durch einen Welleneffekt abgehoben werden, wodurch sehr viel Leckflüssigkeit
entweichen kann. Wenn das Fluid in dem Gehäuse Gas ist, versucht man die Fluidfilmstärke in den Nuten in
Drehrichtung der Welle zu verringern, um ein leichtes hydrodynamisches Anheben der Segmentringdichtung
zu erreichen, um den Abrieb zu reduzieren.
Bekannt ist außerdem eine axial wirkende Wellendichtung, bei welcher der Dichtungsring drehfest am
Gehäuse gehalten ist und durch Druckfedern mit einer Stirnfläche gegen die umlaufende Schulterfläche einer
rotierenden Welle gedrückt wird. Die Schulterfläche ist dabei in radialer Richtung abgestuft ausgebildet, so daß
sich ein Druckgradient in radialer Richtung und somit ein Fluidfilm mit sich ändernder Stärke bildet, der eine
hydrostatische Dichtung bildet (US-PS 35 16 678). Mit diesem bekannten Dichtungsring läßt sich zwar das
Entweichen von Leckfluid begrenzen, jedoch bleibt der Abrieb an den Kontaktflächen hoch. Außerdem kann
der Effekt einer Fluidwellenbildung, was zu einer Verkantung der Dichtung führen kann, nicht ausgeschlossen
werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
hf>ct<*ht Harin Λι*η PÜr-htiiniTcrincT Ηργ pinoanoc apnannten
Art so auszubilden, daß eine Kompensationsmöglichkeit bei eventuell auftretenden Fluidwellen vorgesehen
ist und gleichzeitig eine Ansaugwirkung des Dichtungsrings an das rotierende Element erreicht wird.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem Dichtungsring der eingangs genannten Art, dadurch gelöst, daß die
Tiefe der Nuten in Drehrichtung des rotierenden Elements zunehmend ausgebildet ist
Zweckmäßigerweise ist die Tiefe der Nuten jeweils in ίο voneinander getrennten Absätzen zunehmend ausgebildet
Der erfindungsgemäße Dichtungsring hat den Vorteil, daß er sich in entsprechender Ausgestaltung sowohl als
Radialwellendichtung als auch als Axialwellendichtung i:>
einsetzen läßt, wobei dadurch, daß die Fluidfilmstärke in Drehrichtung des rotierenden Elements zunehmen
kann, eine Fluidwellenbildung, die zum Abheben der Dichtung von dem rotierenden Element führen würden,
ausscheidet und durch die Vergrößerung des Fluidraums ein Druckabfall geschaffen wird, der einen negativen
Hub bzw. ein Ansaugen der Dichtung gegen das rotierende Element bewirkt, so daß dem Fluidfilm
zwischen Dichtung und rotierendem Element einerseits die Wirkung der vorspannenden Feder oder Federn
2ü entweder radial oder axial und der Effekt des negativen
Hubs entgegenwirken. Auf diese Weise läßt sich eine einwandfreie Abdichtung am rotierenden Element ohne
großen Abrieb erreichen, da unter Einbeziehung des Saugeffekts eine genaue Einstellung des Anpreßdrucks
in einfacher Weise erfolgen kann. Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher
erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Dichtungsring für eine radiale Abdichtung zwischen Gehäuse und Welle im Längsschnitt:
F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1;
F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1;
F i g. 3 eine Einzelheit der Schnittansicht von F i g. 2;
F i g. 3A schematisch die Wirkungsweise des Dichtungsrings;
F i g. 4 perspektivisch ein Segment des Dichtungs-4(i
rings der Ausführungsform von F i g. 1;
F i g. 5 im Längsschnitt einen axial zwischen Gehäuse und Weüe abdichtenden Dichtungsring;
F i g. 6 eine Draufsicht auf den Dichtungsring von Fig. 5;
F i g. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 von F i g. 6;
F i g. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 von F i g. 6;
F i g. 8 eine zweite Ausführungsform eines axial wirkenden Dichtungsrings;
F i g. 9 einen Schnitt längs der Linie 9-9 von F i g. 8;
Fig. 10 perspektivisch ein Segment eines gegenüber
F i g. 4 modifizierten Dichtungsrings;
Fig. 11 eine Draufsicht auf die Dichtungsfläche des Segments von Fig. 10;
Fig. 12,14 und 16 schematisch Nuten von Dichtungsringen
mit drei verschiedenen Tiefenverläufen; und
5;, F i g. 13,15 und 17 die entsprechenden Druckverläufe in Längsrichtung der Nuten.
5;, F i g. 13,15 und 17 die entsprechenden Druckverläufe in Längsrichtung der Nuten.
Bei den in F i g. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen hat das Gehäuse 2 eine mit Fluid gefüllte Kammer 4 und
eine sich in der Kammer 4 erstreckende Welle 6. Zwischen dem Gehäuse 2 und der Welle 6 ist ein
Dichtungsring 8 angeordnet, der aus vier Segmenten 10 zusammengesetzt ist. Wie F i g. 4 zeigt, hat jedes
Segment 10 einen abgesetzten Abschnitt 12 und eine diagonale Fläche 14, die mit einem entsprechend
diagonal ausgebildeten Nutabschnitt 16 des benachbarten Segments 10 in Eingriff gebracht wird, um die
Dichtung unabhängig von einer Ausdehnung oder Kontaktrion des Dichtunesrinss 8 als Ganzes beizube-
halten. Die Segmente 10 werden durch einen an ihrem Außenumfang angeordneten Schraubenfederring 20 in
Kontakt mit der Welle 6 gehalten. Die stromabliegenden Elemente 22 der Segmente 10 werden gegen einen
Flansch 24 des Gehäuses durch Schraubendruckfedern 26 gedruckt, die in Taschen 28 eines geschlossenen
Rings 30 sitzen, der zwischen einer Gehäuseschulter 32 und einem Haltering 34 gehalten ist. Die siromabHegende
Fläche 22 eines jeden Segments 10 ist mit Nuten 40 versehen, die mit einer Umfangsnut 42 verbunden sind,
so daß Fluid von der Kammer 4 in die Mut 42 gelangen kann und dadurch dem Fluiddruck auf der Hochdruckseite
29 entgegenwirkt wodurch die Druckbelastung am Flansch 24 reduziert wird. Arretierstifte 44 im Flansch
24 passen lose in eine öffnung 46 im Dichtungsring 8 und verhindern ein Drehen der Segmente 10, ermöglichen
jedoch eine Bewegung der Segmente zur Welle 6 hin und von dieser weg. Die Nuten 40 und 42 können
entfallen, wenn sich das Fluid in der Kammer 4 auf Normaldruck befindet.
Die Dichtungsfläche 50 hat ein Paar von flachen Nuten 52, deren Tiefe in Drehrichtung der Welle 6 zu
einem ausgesparten Abschnitt 54 hin zunimmt, welcher in der Fläche 29 auf der Hochdruckseite eine öffnung
bildet, so daß eine direkte Verbindung der Nut 52 mit Fluid in der Kammer 4 besteht. Die axial ausgesparten
Abschnitte 54 haben einen Winkelabschnii 56 zum Abstreifen von Fluid.
Bei der Drehung der Welle 6 wird auf das Fluid in der
Kammer 4 eine Scherkraft, insbesondere in der Nut 52 ausgeübt, durch die sich das Fluid in Richtung des axial
ausgesparten Teils 54 bewegen würde, es sei denn, daß durch die an der Eintrittsfläche 52/4 stark reduzierte
Fluidfilmstärke das weitere Einströmen in die Nut unterbunden würde. Über der Nuterstreckung stellt sich
aufgrund der zunehmenden Tiefe eine Druckabsenkung ein, die sich als negativer hydrodynamischer Hub
auswirkt, d. h. durch diese negativen Hub wird die Dichtung gegen die rotierende Welle gesaugt, wodurch
ein Wellenreiteffekt und eine übermäßige Leckage verhindert wird.
Die Saugwirkung ist abhängig von der Viskosität des Fluids, der Relativgeschwindigkeit der zusammenwirkenden
Flächen sowie der Länge und Breite der Nut, der Länge der Eintrittsfläche und der Differenz der
Fluidfilmtiefe. In Fig. 3A ist schematisch die Umfangsfläche
62 der Welle als Gerade gezeichnet, die sich gegenüber der Dichtungsfläche 60 mit der Geschwindigkeit
U bewegt. Die Dichtungsfläche 60 hat im Eintrittsbereich b\ eine Höhe Λι, die sich im daran
anschließenden Bereich bi auf die Höhe Λ2 an einer
Schulter erweitert. Aus Gründen der Kontinuität des Fluidstroms ergeben sich die in Fig.3a gezeigten
Mengenströme, forderen Aufrechterhaltung ein Druckgradient
erforderlich ist, aus dem sich der negative Hub berechnen läßt. Abhängig von der Viskosität des
vorhandenen Fluids und der gewünschten Saugwirkung werden die Abmessungen der Nuten und die entsprechenden
Tiefenänderungen gewählt.
Bei der in den Fig.5 bis 7 gezeigten Ausführungsform
hat das Gehäuse 102 mit einer Kammer 104 eine öffnung 108, durch das sich eine Welle 106 mit einem
aufgepaßten Ring 110 erstreckt, der an einer Schulter 112 der Welle 106 mittels einer Büchse 114 gehalten ist.
Der Dichtungsring 120 ist mittels eines in einer Ausnehmung 142 ragenden Stiftes 140 drehfest in einer
Halterung 122 gehalten, deren Ende 124 mit einem Dichtun^sbi!17 126 verbunden ist, dessen e.nd^rcs Endp
128 an einen Flansch 130 angeschlossen ist, der seinerseits mit dem Gehäuse 102 über eine Dichtung 134
und Schraubenbolzen 132 verbunden ist
Die Dichtungsfläche 150 des Dichtungsrings 120 hat einen vorstehenden Abschnitt 152, der abdichtend an
der gegenüberliegenden Stirnfläche des Rings 110 anliegt. Die Dichtungsfläche 150 hat außerdem vier im
Abstand über dem Umfang verteilte Nuten 154, die jeweils von einem radial äußeren Steg 158 und einem
radial inneren Steg 160 sowie von einem eintrittsseitigen Steg 156 begrenzt wird, die in der Ebene des Abschnitts
152 enden. Bei dieser Anordnung wird jeweils eine spontane Tiefenänderung hinter dem eintrittsseitigen
Steg 156 erreicht.
In der Ruhestellung der Welle 106 liegt der Abschnitt
152 des Dichtungsrings 120 an dem Ring 110 an, wobei sich ein sehr dünner Film der in der Kammer 104
befindlichen unter Druck stehenden Flüssigkeit dazwischen bildet. Bei rotierender Welle 106 stellt sich infolge
der Tiefenänderung zwischen dem Eintrittssteg 156 und der dahinter vertieften Nut 154 ein negativer Hub ein,
durch den der Dichtungsring 120 gegen den Ring 110 gesaugt wird.
Der in F i g. 8 gezeigte modifizierte Dichtungsring 202 soll wie bei der vorhergehenden Ausführungsform
zwischen der Stirnfläche eines auf einer Welle 106 sitzenden Ringes 110 und einem Gehäuse 102 abdichten,
das mittels Schraubenbolzen 212 über eine Dichtung 214 mit einem Flansch 210 verbunden ist, auf dem der
Dichtungsring 202 übet1 einen Ring 216 aufliegt und gegen den Ring 110 durch Federn 206 gedrückt wird, die
in Taschen 208 im Flansch 210 sitzen, wobei der Dichtungsring 202 durch Zapfen 222 drehfest bezüglich
des Gehäuses gehalten ist, die in Ausnehmungen 220 in den Dichtungsring 202 eingreifen. Wenn der Dichtungsring
202 zur Abdichtung gegen ein Gas als Fluid eingesetzt wird, werden die Federn 206 so ausgewählt,
daß nur eine geringe Schleifbelastung des Dichtungsrings 202 vom Ring 110 vorhanden ist. Die Nuten 162' in
der Dichtungsfläche 104 des Dichtungsrings 202 sind so ausgebildet, daß ihre Tiefe in Drehrichtung der Welle
106 zunimmt, so daß, wenn das Fluid im Gehäuse 102 eine Flüssigkeit wie Öl ist, die Dichtungswirkung
aufgrund des negativen Hubs in den sich in der Tiefe erweiternden Nuten 162' gewährleistet bleibt und ein
»Wellenreiten« und eine dadurch bedingte ölleckage vermieden wird.
Die Dichtungsfläche 304 des in Fig. 10 gezeigten Dichtungsringsegments 302 hat gegenüber dem Dichtungsringsegment
10 von F i g. 4 schmalere und kürzere Nuten 306 mit sich dazwischen erstreckenden breiteren
Lagerflächen 308. Dies bewirkt eine bessere Verteilung der Last am Dichtungsring und somit eine längere
Lebensdauer. Jede Nut 306, deren Tiefe in Drehrichtung der Welle zunimmt, steht mit dem Innenraum der nicht
gezeigten Kammer über eine Ausnehmung 307 in Verbindung. Die Lagerfläche 308 hat eine Aussparung
310, die zu einer Aussparung 312 führt. Dadurch wird bei Gas als Fluid die Schleifbelastung reduziert.
Jede Nut 306 ist über einen Kanal 318 mit einer Aussparung 316 verbunden, die sich stromab von den
Nuten 306 befindet. Das in die Aussparung 316 fließende Fidid strömt durch den Kanal 318 in die Nut 306, da der
Druck darin beträchtlich unter dem Systemfluiddruck liegt.
Der in Fig. 12 schematisch gezeigte Dichtungsring 400 kann eine gegenüber dem rotierenden Element 404
angeordnete Nut 402 aufweisen, deren Tiefe vom
Anfang 406 zum Ende 408 geradlinig zunimmt, wodurch die in Fig. 13 gezeigte Druckverteilung 409 über der
Nuterstreckung erreicht wird, aus der der negative Hubeffekt bzw. die Saugwirkung ersichtlich wird, mit
der der Dichtungsring 400 gegen das rotierende Element 404 gezogen wird.
Der in Fig. 14 gezeigte Dichtungsring 410, der gegenüber dem rotierenden Element 414 abdichten soll,
hat eine Nut mit einer vom Eintrittsende 416 ausgehenden zunächst konstanten Tiefe 412, die dann
zum Austrittsende 418 geradlinig zunimmt, so daß sich die in F i g. 15 gezeigte Druckverteilung 419 einstellt.
Bei dem Dichtungsring 420 von Fig. 16, der gegenüber dem rotierenden Element 424 abdichten soll,
schließt an das Eintrittsende 426 eine erste Tiefe 422 an, die etwa in der Mitte der Längserstreckung der Nut
abrupt auf eine zweite größere Tiefe übergeht, die sich bis zum Austrittsende 428 erstreckt, wodurch sich die in
F i g. 17 erteilte Druckverteilung 429 ergibt, aus der der
ίο negative Hub resultiert.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Zwischen einem rotierenden Element und einem fluidgefüllten Gehäuse im wesentlichen
drehfest angeordneter und für einen Kontakt mit seiner Dichtungsfläche und dem rotierenden Element
elastisch vorgespannter Dichtungsring, der in seiner Dichtungsfläche mit sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Nuten versehen ist, die eine Verbindung zu dem Gehäuse für die Fluidzuführung
aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nuten (52, 154, 162, 306) in
Drehrichtung des rotierenden Elements (6, 106) zunehmend ausgebildet ist.
2. Dichtungsring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nuten (52,154,162,
306) jeweils in voneinander getrennten Absätzen zunehmend ausgebildet ist.
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