DE2900543A1 - MECHANICAL SEAL - Google Patents
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Description
Borg-Warner CorporationBorg-Warner Corporation
200 South Michigan Ave. 4„ Januar 1979200 South Michigan Ave. 4 "January 1979
Chicago, 111.60604, USA Anwaltsakte M-4824Chicago, 111.60604, U.S. Attorney File M-4824
GleitringdichtungMechanical seal
Es v/ird eine Gleitringdichtung zum Trennen von Strömungsmitteln angegeben, welche zusammen mit einem feststehenden Gehäuse und einer umlaufenden Welle verwendbar ist. Die Gleitringdichtung weist einen stationären Dichtring und einen umlaufenden Dichtring auf„ Der stationäre Dichtring ist durch ein Steuerdruckmittel in Richtung auf den umlaufenden Dichtring vorgespannt« Der Druck des Steuerdruckmittels läßt sich verändern, um das Kräftegleichgewicht der Dichtung abzuändern.A mechanical seal for separating fluids is specified, which can be used together with a fixed housing and a rotating shaft. The mechanical seal has a stationary sealing ring and a circumferential sealing ring on “The stationary sealing ring is pretensioned by a control pressure medium in the direction of the rotating sealing ring «The pressure of the control pressure medium can be modified to alter the balance of forces in the seal.
Um Standzeiten von mehr als 2 Jahren bei Gleitringdichtungen zu erhalten, weiche bei Drücken von mehr als 100 psi (entspricht 7 at) betrieben werden, müssen Gleitringdichtungen mit Kraftausgleich verwendet werden. Derartige Gleitringdichtungen sind dem Fachmanne bekannt und sind so ausgelegt, daß die Einheitsbelastung ausgedrückt in psi an den Berührflächen der Dichtflächen kleiner ist als der Druck, von welchem die Dichtung in der Dichtkammer oder Stopf-In order to maintain a service life of more than 2 years for mechanical seals, soft are operated at pressures of more than 100 psi (corresponds to 7 at), mechanical seals with force compensation must be used be used. Such mechanical seals are known to those skilled in the art and are designed so that the unit load is expressed in psi at the contact surfaces of the sealing surfaces is smaller than the pressure from which the seal in the sealing chamber or
buchse umgeben ist. Die kleinere Einheitsbelastung erhält man dadurch, daß man ein entsprechendes Verhältnis zwischen zwei Flächen wählt, nämlich zwischen der Größe des Kontaktbereiches und der effektiven Größe des druckbeaufschlagten Bereiches. Der Kontaktbereich ist der Bereich, über den hinweg die beiden Dichtflächen der Dichtringe in Berührung zueinander stehen. Die effektive druckbeaufschlagte Fläche ist diejenige, welche mit dem in der Stopfbuchse herrschenden Druck beaufschlagt ist, durch welchen die Dichtflächen in Anlage aneinander gehalten werden.socket is surrounded. The smaller unit load is obtained by that one chooses an appropriate ratio between two areas, namely between the size of the contact area and the effective size of the pressurized area. The contact area is the area over which the two sealing surfaces of the Sealing rings are in contact with each other. The effective pressurized area is that which corresponds to that in the stuffing box prevailing pressure is applied, by which the sealing surfaces are held in contact with one another.
Um bei den bekannten kräftemäßig ausgeglichenen Gleitringdichtungen die Einheitsbelastung an den Kontaktflächen der Dichtflächen zu vermindern, muß die effktiv druckbeaufschlagte Fläche immer kleiner sein als der Kontaktbereich. Das Verhältnis zwischen der effektiv druckbeaufschlagten Fläche und dem Kontaktbereich gibt in Prozent ausgedrückt den Kräfteausgleich der Gleitringdichtung.To with the known force-wise balanced mechanical seals To reduce the unit load on the contact surfaces of the sealing surfaces, the effectively pressurized surface must always be smaller than the contact area. The ratio between the area effectively pressurized and the contact area is given Expressed in percent, the balance of forces in the mechanical seal.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kräftemäßig ausgeglichene Gleitringdichtung mit einem umlaufenden Dichtring und einem stationären Dichtring. Diese Dichtringe haben aneinander anliegende Dichtflächen. Der stationäre Dichtring ist in Richtung auf den umlaufenden Dichtring zu durch ein Steuerdruckmittel vorgespannt. Auf diese Weise erhält man ein Kräftegleichgewicht der Dichtung, welches durch einen Bruch vorgegeben ist, welcher von dem Druck des Steuerdruckmittels und dem Druck des in der Stopfbuchse befindlichen Strömungsmittels vorgegeben ist. Da der Druck des Steuerdruckmittels einstellbar ist, kann man den Kräfteausgleich der Dichtung variieren und abändern, solange die mit der Dichtung versehene Vorrichtung, z.B. eine Pumpe, arbeitet.The present invention relates to a force-balanced mechanical seal with a circumferential sealing ring and a stationary one Sealing ring. These sealing rings have sealing surfaces that lie against one another. The stationary sealing ring is towards the circumferential sealing ring to be biased by a control pressure medium. In this way one obtains an equilibrium of forces in the seal, which is predetermined by a fraction, which of the pressure of the control pressure medium and the pressure of the pressure in the stuffing box Fluid is given. Since the pressure of the control pressure medium is adjustable, you can balance the forces Varying and modifying the seal as long as the device provided with the seal, e.g. a pump, is working.
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- 7 - 2300543- 7 - 2300543
Man kann auch den Leckstrom über die Dichtflächen erfassen und den Druck des Steuerdruckmittels derart einstellen, daß man eine gewünschte Leckrate über die Dichtflächen erhält und so das Arbeiten der Dichtung vorgeben kann. Ein anderer mit der Erfindung erhaltener Vorteil ist der, daß der Druck des Steuerdruckmittels beim Ingangsetzen der zugeordneten Vorrichtung vermindert werden kann. Auf diese Weise erhält man beim Ingangsetzen ein geringeres Drehmoment, was zu einer Verminderung des Verschleißes der in Berührung miteinander stehenden Dichtflächen führt.You can also detect the leakage current through the sealing surfaces and the Adjust the pressure of the control pressure medium in such a way that a desired leak rate is obtained over the sealing surfaces and so the work the seal can pretend. Another advantage obtained with the invention is that the pressure of the control pressure medium when starting up the associated device can be reduced. In this way you get a lower torque when starting, which leads to a reduction in the wear of the sealing surfaces in contact with one another.
Die erfindungsgemäße Gleitringdichtung hat sehr einfachen Aufbau; trotzdem läßt sie sich an die verschiedensten Einsatzbedingungen anpassen, und ihr Arbeiten läßt sich entweder von Hand oder automatisch vorgeben, je nachdem was für Instrumente zur Steuerung verwendet werden.The mechanical seal according to the invention has a very simple structure; nevertheless it can be adapted to the most varied of conditions of use, and its work can either be done manually or automatically depending on what instruments are used for control.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. In this show:
Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen Teil einer herkömmlichen, kräftemäßig ausgeglichenen Gleitringdichtung;Fig. 1 is an axial section through part of a conventional, force-balanced mechanical seal;
Fig. 2 einen axialen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Gleitringdichtung; undFig. 2 is an axial section through an inventive Mechanical seal; and
Fig. 3,4 Fortbildungen der Gleitringdichtung nach Fig. 2 bezüglich der Lagerung des feststehenden Dichtringes.3, 4 further developments of the mechanical seal according to FIG. 2 with respect to the storage of the stationary sealing ring.
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche, kräftemäßig ausgeglichene Gleitringdichtung. Die Figure ist selbst mit Bezeichnungen versehen. Der Kontaktbereich ist die Ringfläche,, welche zwischen den Radien R.,Fig. 1 shows a conventional, force-balanced mechanical seal. The figure itself is labeled. The contact area is the ring surface, which between the radii R.,
und R„ liegt. Der effektiv-druckbeaufschlagte Bereich ist die Ringfläche, welche zwischen den Radien R„ und R_ liegt. Der Kräfteausgleich der Gleitringdichtung hängt ab von dem Quotienten effektivdruckbeaufschlagte Fläche geteilt durch Größe des Kontaktbereiches. Verwendet man die in der Zeichnung verwendeten Größen, so erhält man denand R "lies. The effective pressurized area is the ring area, which lies between the radii R "and R_. The balance of forces the mechanical seal depends on the quotient effectively pressurized Area divided by the size of the contact area. If you use the sizes used in the drawing, you get one the
R2-R3 R 2 -R 3
Kräfte aus gleich der Dichtung (%) = χ 100.Forces equal to the seal (%) = χ 100.
R2-R1 R 2 -R 1
Um die Einheitsbelastung bei den Berührflächen der Dichtflächen zu verkleinern, muß der effektiv-druckbeaufschlagte Bereich immer kleiner sein als der Kontaktbereich, über den hinweg der umlaufende Dichtring am stationären Dichtring abgestützt ist.In order to increase the unit load at the contact surfaces of the sealing surfaces reduce, the effective-pressurized area must always be smaller than the contact area over which the circumferential Sealing ring is supported on the stationary sealing ring.
Fig. 2 zeigt eine kräftemäßig ausgeglichene Gleitringdichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Gleitringdichtung ist insgesamt mit 10 bezeichnet und ist zusammen mit einem Gehäuse 12 wiedergegeben, welches aus einer Mehrzahl von Gehäuseteilen bestehen kann. Die Gleitringdichtung 10 dient zum Abdichten einer umlaufenden Welle 14, über welche ein an ihrem einen Ende angeordneter Antrieb M und eine an ihrem anderen Ende vorgesehene Last, z.B. eine Pumpe P, miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 12 bildet zusammen mit der Gleitringdichtung 10 eine Stopfbuchse und begrenzt zusammen mit der Welle 14 einen Innenraum 16. Durch die Gleitringdichtung 10 sind die beim einen Ende der Welle 14 vorliegenden Strömungsmittel von den beim anderen Ende der Welle 14 vorliegenden Strömungsmitteln getrennt. In der weiteren Beschreibung wird der im Innenraum 16 herrschende Druck mit P1 bezeichnet.Fig. 2 shows a force-balanced mechanical seal according to the present invention. The mechanical seal is designated as a whole by 10 and is shown together with a housing 12, which can consist of a plurality of housing parts. The mechanical seal 10 serves to seal a rotating shaft 14 via which a drive M arranged at one end and a load provided at its other end, for example a pump P, are connected to one another. The housing 12, together with the mechanical seal 10, forms a stuffing box and, together with the shaft 14, delimits an interior 16. In the further description, the pressure prevailing in the interior 16 is referred to as P 1.
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Die Gleitringdichtung 1O weist einen umlaufenden Dichtring 18 auf, welcher an einer auf der Welle 14 ausgebildeten Schulter 2O anschlägt. Der umlaufende Dichtring 18 ist durch eine Hülse 21 und eine O-Ringdichtung 22 gegen die Welle 14 abgedichtet. Die O-Ringdichtung 22 findet in einer Nut 24 der Welle 14 Aufnahme. Der umlaufende Dichtring 18 besteht aus üblichen Materialien und hat eine Dichtfläche 26. Der umlaufende Dichtring 18 ist im wesentlichen mit dem im Innenraum 16 befindlichen Strömungsmittel beaufschlagt.The mechanical seal 1O has a circumferential sealing ring 18, which strikes against a shoulder 2O formed on the shaft 14. The circumferential sealing ring 18 is through a sleeve 21 and an O-ring seal 22 is sealed against the shaft 14. The O-ring seal 22 is received in a groove 24 of the shaft 14. The circulating one Sealing ring 18 consists of conventional materials and has a sealing surface 26. The circumferential sealing ring 18 is essentially with applied to the fluid located in the interior 16.
Die Gleitringdichtung IO weist ferner einen stationären Dichtring 28 auf, welcher in einer Ausnehmung 30 des Gehäuses 12 Aufnahme findet. Der Dichtring 28 hat eine Dichtfläche 32r welche an der Dichtfläche 26 des umlaufenden Dichtringes 18 anliegt. O-Ringdichtungen 34 und 36 sind in Nuten 38 und 4O des stationären Dichtringes 28 angeordnet und dichten den Dichtring 28 innerhalb der Ausnehmung 3O ab, lassen jedoch eine gewisse axiale Bewegung des Dichtringes 28 zu, wie weiter unten noch genauer beschrieben wird.The mechanical seal IO also has a stationary sealing ring 28, which is received in a recess 30 of the housing 12. The sealing ring 28 has a sealing surface 32 r which rests against the sealing surface 26 of the circumferential sealing ring 18. O-ring seals 34 and 36 are arranged in grooves 38 and 4O of the stationary sealing ring 28 and seal the sealing ring 28 within the recess 3O, but allow a certain axial movement of the sealing ring 28, as will be described in more detail below.
Durch den Dichtring 28 ist im Inneren der Ausnehmung 30 ein mit Steuerdruck beaufschlagter Arbeitsraum 42 begrenzt, v/elcher über einen Kanal 44 und eine externe Leitung mit einer Steuerdruckquelle verbunden ist, z.B. mit der in den Fig. 2 und 3 schematisch wiedergegebenen Pumpe 46. Durch den im Arbeitsraum 42 herrschenden Steuerdruck ist der stationäre Dichtring 28 in Richtung auf den umlaufenden Dichtring 18 vorgespannt» Ein Druckregelventil 48 ist zwischen die Pumpe 46 und den Arbeitsraum 42 geschaltet. Das Druckregelventii 48 kann programmierbar sein, so daß man den in der Zeichnung mit P„ bezeichneten Druck des Steuerdruckmittels vermindern oder erhöhen kann und so den jeweiligen BetriebsbedingungenThrough the sealing ring 28 is inside the recess 30 with Control pressure acted upon working space 42 limited, v / elcher via a channel 44 and an external line with a control pressure source is connected, for example to that shown schematically in Figs Pump 46. Due to the control pressure prevailing in the working chamber 42, the stationary sealing ring 28 is in the direction of the circumferential sealing ring 18 preloaded »A pressure control valve 48 is connected between the pump 46 and the working space 42. The pressure regulating valve 48 can be programmable, so that the pressure of the control pressure medium, designated in the drawing by P ", is reduced or can increase and so the respective operating conditions
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Rechnung tragen kann.Can take into account.
Bei der hier beschriebenen Gleitringdichtung ist die effektiv druckbeaufschlagte Fläche die Fläche des stationären Dichtringes 28 , welche mit dem Steuerdruckmittel beaufschlagt ist. Der Kontaktbereich der Dichtung ist gleich der Stirnfläche des Dichtringes 28, hat also die gleiche Größe wie die Dichtfläche 32. Diese beiden Flächen haben also bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel die gleiche Größe. Man kann sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber auch unterschiedlich große wählen. Damit ist der Kraftausgleich der Dichtung gegeben durch die nachstehende Gleichung: This is effective for the mechanical seal described here pressurized surface the surface of the stationary sealing ring 28, which is acted upon by the control pressure medium. The contact area the seal is the same as the end face of the sealing ring 28, so it has the same size as the sealing surface 32. These two In the exemplary embodiment shown in the drawing, areas therefore have the same size. You can see them under the present Invention but also choose different sizes. The force balance of the seal is thus given by the following equation:
P2 χ effektive druckbeaufschlagte FlächeP 2 χ effective pressurized area
Kraftausgleich (%) = χ 100.Force compensation (%) = χ 100.
P1 χ Größe des KontaktbereichesP 1 χ size of the contact area
Sind die effektiv druckbeaufschlagte Fläche und der Kontaktbereich gleich groß, so hängt der Kräfteausgleich der Dichtung vom Verhältnis der Drücke P„ und P- ab.Is the area effectively pressurized and the contact area equal, the balance of forces in the seal depends on the ratio of the pressures P "and P-.
Der Kraftausgleich der oben beschriebenen Gleitringdichtung läßt sich auf verschiedene Arbeitsweisen einstellen. Z.B. kann man den Kraftausgleich dadurch abändern, daß man noch im Betrieb den Druck des Steuerdruckmittels modifiziert. Der Druck des Steuerdruckmittels kann dabei so programmiert werden, daß er beim Anlaufen der durch die Welle 14 angetriebenen Pumpe vermindert wird. Damit wird erreicht, daß der Antrieb M beim Anwerfen der Pumpe nur ein geringeres Anlaufdrehmoment erbringen muß. Auf diese Weise wird auch der Verschleiß der Dichtflächen vermindert. Man kann auch den Leck-The force compensation of the mechanical seal described above can be adjusted to different modes of operation. E.g. you can use the Modify the force balance by applying the pressure while it is still in operation of the control pressure medium modified. The pressure of the control pressure medium can be programmed so that it starts when the is reduced by the shaft 14 driven pump. So that will achieves that the drive M only has to provide a lower starting torque when the pump is started. That way will too the wear of the sealing surfaces is reduced. You can also use the leak
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strom über die Dichtflächen dadurch in gewünschter Weise steuern, daß man den Druck des Steuerdruckmittels entsprechend ändert.Control current over the sealing surfaces in the desired manner by changing the pressure of the control pressure medium accordingly.
In der Zeichnung ist zwar nur eine einzige Gleitringdichtung wiedergegeben; es versteht sich aber, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch mehrstufige Gleitringdichtungen vorgesehen sein können, von denen eine jede durch ein getrenntes Steuerdruckmittel steuerbar ist. Die Gleitringdichtungen können parallel oder in Reihe geschaltet sein, und die Steuerdruckmittel können entweder dieselben sein, also unter dem gleichen Druck stehen und/oder das gleiche Strömungsmittel aufweisen, oder die Steuerdruckmittel können voneinander verschieden sein, wie dies jeweils gewünscht wird.In the drawing, only a single mechanical seal is shown; it goes without saying, however, that multi-stage mechanical seals can also be provided within the scope of the present invention, each of which is controllable by a separate control pressure medium. The mechanical seals can be connected in parallel or in series be, and the control pressure means can either be the same, so be under the same pressure and / or the same Have fluid, or the control pressure means may be different from each other, as desired in each case.
Falls gewünscht, kann ein Stift 50 (vgl. Fig.3) verwendet werden, um den stationären Dichtring 28 drehfest am Gehäuse 12 festzulegen. Der Stift 50 ist seinerseits am Gehäuse 12 befestigt und findet in einem gestreckten axialen Schlitz 52 des Dichtringes 28 Aufnahme, so daß letzterer in axialer Richtung beweglich ist.If desired, a pin 50 (see Fig. 3) can be used, in order to fix the stationary sealing ring 28 on the housing 12 in a rotationally fixed manner. The pin 50 is in turn attached to the housing 12 and is located in FIG an elongated axial slot 52 of the sealing ring 28 receptacle, so that the latter is movable in the axial direction.
In weiterer Abwandlung der oben beschriebenen Gleitringdichtung kann eine Feder 54 vorgesehen sein, um eine Mindestvorspannung des Dichtringes 28 in Richtung auf den Dichtring 18 zu zu erhalten. Die Feder 54 ist bei der in Fig. 4 gezeigten Gleitringdichtung in der Ausnehmung 30 angeordnet.In a further modification of the mechanical seal described above can a spring 54 can be provided in order to obtain a minimum prestress of the sealing ring 28 in the direction of the sealing ring 18. The feather 54 is arranged in the recess 30 in the mechanical seal shown in FIG. 4.
Kur einwandfreien Abdichtung der verschiedenen Teile der Gleitringdichtung gegeneinander sind weitere Dichtungen oder 0-Ringe vorgesehen, so z.B. der 0-Ring 56, welcher zwischen dem Gehäuse 12 und einem Dichtflansch 31 liegt.Cure perfect sealing of the various parts of the mechanical seal Further seals or O-rings are provided against each other, for example the O-ring 56, which is located between the housing 12 and a sealing flange 31 is located.
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