DE2646475C3 - Dichtungsring - Google Patents

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 Clement elastisch vorgespannten Dichtungsring, der in seiner Dichtungsfläche mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nuten versehen ist, die eine Verbindung zu dem Gehäuse für die Fluidzuführung «ufweisen.

Es sind bereits Dichlunesringe hekannt, die drehfest •n einem Gehäuse gehalten sind und mit ihrer Innenumfangsfläche durch eine um die äußere Umlangsfläche herumgelegte Zugfedtr 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 Fluid gefüllt sind. Der Dichtungsring kann lus 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 tntweichen kann. Wenn das Fluid in dem Gehäuse Gas ist. versucht man die Fluidfilmstärke in den Nuten in Drehrichlung der Welle /u verringern, um ein leichtes hydrodynamisches Anheben der Segmentringdichlung zu erreichen, um den Abrieb /u 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 Schullerfläche einer rollerenden Welle gedrückt wird. Die Schulterfläche ist dabei in radialer Richtung abgestuft ausgebildet, so daß »ich ein Druckgradient in radialer Richtung und somit tin Fluidfiim 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 Leckflüid begrenzen, jedoch bleibt der Abrieb an den Kontaktflächen hoch. Außerdem kann der Effekt einer Fluidwellcnbildung, was zu einer Verkantung der Dichtung führen kann, nicht ausgeschlossen werden,

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den Dichtungsring der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine Kompensationsmöglichkeit bei eventuell auftretenden Fluidwellen vorgesehen ist und gleichzeitig eine Ansaugwirkung des Dichtungsrings an das rotierende Element erreicht wird, ä 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 voneinander getrennten Absätzen zunehmend ausgebildet

Der erfindungsgemäße Dichtungsring hat den Vorteil, daß er sich in entsprechender Ausgestaltung sowohl als Radialwellendichtung als auch als Axialwellendichtung 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 Fluidfiim zwischen Dichtung und rotierendem Element einerseits die Wirkung der vorspannenden Feder oder Federn 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

Fig. 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 F i g. 1;
F i g. 3 eine Einzelheit der Schniitansicht von F i g. 2; Fig. 3A schematisch die Wirkungsweise des Dichtungsrings;

Fig.4 perspektivisch ein Segnu,"" des Dichtungsrings der Ausführungsform von Fig. 1;

F i g. 5 im Längsschnitt einen axial zwischen Gehäuse und Welle abdichtenden Dichtungsring;

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Dichtungsring von Fig. 5;
Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 von Fig. 6;

Fig. 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 mil drei verschiedenen Tiefenverläufen; und
F i g. 13, 15 und 17 die enisprechenden 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. 6Q Zwischen dem Gehäuse 2 und der Welle 6 ist ein Dichtungsring 8 angeordnet, der aus vier Segmenten K) zusammengesetzt ist. Wie Fig.4 zeigt, hat jedes Segment 10 einen abgesetzten Abschnitt 12 und eine diagonale Fläche 14, die mit einem entsprechend diagonal ausgebildeten Nutabschnit.t 16 des benachbarten Segments 10 in Eingriff gebracht wird, um die Dichtung Unabhängig von einer Ausdehnung öder Koniaktrion des Dichtungsrings 8 als Ganzes beizubc

halten. Die Segmente 10 werden durch einen an ihrem AuBenumfang 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 gedrückt, die in Taschen 28 eines geschlossenen Rings 30 sitzen, der zwischtn einer Gehäuseschuller 32 und einem Haltering 34 gehalten ist. Die stromabliegende Fläche 22 e.nes jeden Segments 10 ist mit Nuten 40 versehen, die mit einer Umfangsnut 42 verbunden sind, so daß Fluid von der Kammer 4 in die Nut 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 Dichtungsfiäche 50 hat ein Paar von flachen Nuten 52, deren Tiefe in Drehrichtung der Vveile 6 zu einem ausgesparten Abschnitt 54 hin zunimrru, 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 Winkelabschnitt 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 524 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 dir 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 h\. die sich im daran anschließenden Bereich ih auf die Höhe Λ2 an einer Schulter erweitert. Aus Gründen der Kontinuität des Fluidstroms ergeben sich die in Fig. 3A gezeigten Mengenströme, für deren 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 Ausführungs= form 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 Dichtungsbalg 126 verbunden ist, dessen anderes Ende 128 an einen Flansch 130 angeschlossen ist, der seinerseits mit dem Gehäuse 102 über eine Dichtung 13ί und Schraubenbolzen 132 verbunden ist.

Die Dichtungsfläche 15ftdes Dichtungsrings 120 hat einen vorstehenden Abschnitt 152, der abdichtend an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Rings 110 anliegt. Die Dichtungsfiäche 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 bilde:. Bei rotierender Welle 106 stellt sich infolge der Tiefenänderung zwischen dem Έ.· .>.rittssteg 156 und der dahinter vertieften Nut Ϊ54 ein nsgr'.iver Hub ein. durch den der Dichtungsring 120 gegen den Ring 110 gesaugt wird.

Der in F i g. 8 gezeigte modifizierte Dichtungsring 202 soll wi 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 über 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 eir.greifen. 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 Dich.ungsrings 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 ölletkage 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 '.as! am Dichtungsring und somit eine längere Lebensdauer. Jede Nut 306. deren Tiefe in Drehrichtung der Welle zunimrru. steht mit dem Innenraurr der nicht gezeigten Kammer über eine Ausnenmung 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 Fluid Strömt durch den Kanal 318 in die Nut 306, da der Druck darin beträchtlich unter dem Systemfluiddruck liegt.

Der in Fig. 12 schematise!! 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 Hubeffekl Jbzw. die Saugwirkung ersichtlich wird, mit der der Dichtungsring 4ÖÖ gegen das rotierende Element 4O4 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 Austriltsende 418 geradlinig zunimmt, so daß sich die in Fig. 15 gezeigte Druckverteilung 419 einstellt.

Bei dem Dichtungsring 420 von Fig, 16, der gegenüber dem rotierenden Element 424 abdichten soll, schließt äri das Einlrittsehde 426 eine erste Tiefe 422 an, die etwa in der Mitte der Längserstreekung der Nut abrupt auf eine zweite größere Tiefe übergeht, die sich bis zum Austrittsende 428 erstreckt, wodurch sich die in Fig. 17 erteilte Druckverteilung 429 ergibt, aus der der

lö negative Hub resultiert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Zwischen einem rotierenden Element und einem t'luidgefüllten 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.