DE3531652A1 - Gleitringdichtung - Google Patents

Description

Die Dichlorwirkung einer Gleitringdichtung beruht darauf, daß jeder der Gleitringe eine besonders bearbeitete Stirnfläche besitzt. Während des Betriebes gleiten die Stirnflächen eines stehenden und eines rotierenden Gleitringes aufeinander und bilden einen flüssigkeitsgefüllten radialen Dichtspalt. Um eine ausreichende Lebensdauer zu erreichen, muß jede Gleitringdichtung einen bestimmten Leckstrom durch den Dichtspalt hindurchlassen. Ein verschleißarmes Gleiten zwischen den Stirnflächen oder Dichtflächen ist nämlich nur dann möglich, wenn diese durch einen dünnen Flüssigkeitsfilm voneinander getrennt gehalten werden.

Bei Gleitringdichtungen, die Flüssigkeitsdrücken über 20 bar standzuhalten haben, müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, die ein Zudrücken des Dichtspaltes durch den aufgegebenen Druck verhindern. Dies geschieht durch die bekannte Konstruktion der entlasteten Gleitringdichtung, bei der der Gleitdruck zwischen den Dichtflächen auf einen Bruchteil des aufgegebenen Druckes reduziert ist. Wird der Gleitdruck gegen Null gesenkt, so entsteht im Gegensatz zu der berührenden, d. h. hydrodynamischen Gleitringdichtung eine berührungslose, also hydrostatische Gleitringdichtung.

Hydrostatische Gleitringdichtungen werden bevorzugt als Hochdruckabdichtungen eingesetzt. Die abzudichtenden Drücke können dabei bis zu 150 bar reichen. Drücke dieser Größenordnung konnten mit einstufigen berührenden Dichtungen bisher nur kurzzeitig abgedichtet werden. Um dennoch eine geforderte Lebensdauer von mindestens 10 000 Betriebsstunden zu erreichen, war man bei der Verwendung hydrodynamischer Gleitringdichtungen im Hochdruckbereich bisher gezwungen, das Dichtsystem 3stufig auszuführen. Der aufgegebene Druck wurde also auf drei einzelne Dichtungsstufen aufgeteilt, wodurch jede dieser Dichtungsstufen nur noch mit etwa einem Drittel des Gesamtdruckes belastet wurde.

Wurde aber die Dichtung als berührungslos, d. h. voll hydrostatisch laufendes System entworfen, war es möglich, den Dichtspalt wesentlich länger zu gestalten. Ein Druck von 150 bar konnte dann in einer einzigen Dichtungsstufe abgebaut werden. Das hydrostatische Dichtsystem hatte aber einen entscheidenden Nachteil:

Während die hydrodynamische Gleitringdichtung mit einem annähernd parallelen Spalt zwischen den Dichtflächen arbeitet, muß der Spalt der hydrostatischen Gleitringdichtung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite hin enger werden. Die Form der Dichtflächen und damit des Spaltes darf sich während der gesamten Betriebsdauer nicht ändern. Der bei einer berührenden Gleitringdichtung vorhandene Verschleiß sorgt selbsttätig für die Einhaltung parallelverlaufender Dichtflächen. Bei einer hydrostatischen Abdichtung mußte dagegen selbst der geringste Verschleiß vermieden werden, weil schon eine minimale Veränderung des Dichtspaltes erhebliche Auswirkungen auf das Verhalten einer hydrostatischen Gleitringdichtung hat. Wenn aber der aufgegebene Druck bei drehender Welle einmal auf Null abfällt, kommen die Dichtflächen in Berührung. Der dann auftretende geringfügige Verschleiß führt zu einer bleibenden Schädigung der Dichtung. Der die hydrostatische Gleitringdichtung gefährdende Betriebszustand, der beim An- und Abstellen eines Aggregates vorkommen kann, mußte daher bisher durch besondere operative Vorsichtsmaßnahmen ausgeschlossen werden.

Auch während des Normalbetriebes bei vollem Druck bleibt die hydrostatische Gleitringdichtung anfällig gegenüber Störeinflüssen, wie der Ablagerung von Schmutz auf einer Dichtfläche, der Erosion einer Dichtfläche oder dem Verstülpen einer Dichtfläche durch Setzvorgänge im Bereich der - beispielsweise durch einen Rundschnurring gebildeten - Sekundärdichtung der Gleitringdichtung.

Da der bei einem hohen abzudichtenden Druck für hydrodynamische Gleitringdichtungen zu treibende Aufwand und der große Platzbedarf der dreistufigen Dichtung eigentlich für die hydrostatische Gleitringdichtung sprachen, war es notwendig, die thermischen oder druckbedingten Verstülpungen der Dichtkörper dieses bevorzugten Dichtungssystems zu beseitigen oder wenigstens auf ein Minimum zu senken. Man versuchte zunächst, dies durch eine besondere Formgebung des Ringquerschnittes oder durch eine besondere Abstimmung der Lage der Sekundärdichtung zu erreichen, war damit aber noch nicht erfolgreich.

Aus der Erkenntnis, daß nur ein sich mit den Betriebsverhältnissen änderndes Einwirken auf die Gleitringe deren durch Wärmedehnung bedingten Verwerfungen begegnen könnte, entstanden mehrere, auf der Ausnutzung des Bimetalleffektes basierende Lösungen. Die DE-PS 19 07 723, die FR-OS 23 43 941 und die DE-OS 29 49 868 mögen hierfür als Beispiele dienen:

Ein oder mehrere, in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten zum Material des Gleitringes unterschiedliche Einsatzringe oder Verformungselemente, die mit einem oder beiden Gleitringen verbunden sind, sollen aufgrund ihrer vom Gleitring verschiedenen Wärmedehnung eine die Form des Gleitringes stabilisierende oder geringfügig ändernde Kraft ausüben. Da die gegenseitige Beeinflussung zweier, mit unterschiedlicher Wärmedehnung reagierender Ringe nur innerhalb einer unvermeidlichen Toleranzbreite zu einer Stabilisierung bzw. gewünschten Veränderung der Form des einen der beiden Ringe führen kann, vermochte auch diese Lösung nicht voll zu befriedigen. Dieser Umstand läßt sich unter anderem daran ermessen, daß eine Spalterweiterung oder -verengung von weniger als 1/1000 der Länge des Dichtspaltes deutliche Auswirkungen auf das Reibmoment, die Reibwärme und den Leckstrom der Gleitringdichtung hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleitringdichtung zu schaffen, bei welcher eine genaue und stetige Korrektur der im Sinne einer Verwerfung auf den Gleitring einwirkenden Störgrößen ermöglicht wird, welche durch eine die Stellung der Dichtflächen anzeigende Meßgröße, wie das Reibmoment, die Reibwärme und den Leckstrom erkennbar werden.

Die gestellte Aufgabe wird, ausgehend von einer Gleitringdichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art, dadurch gelöst, daß die Sekundärdichtung des axial verschieblichen Gleitringes in zwei hintereinander angeordnete Dichtungen aufgeteilt ist, zwischen denen eine oder mehrere Leitungen münden, die ein von außen eingespeistes, den Gleitring verformendes Medium führen.

Die Unteransprüche nennen bevorzugte Ausgestaltungen dieser Erfindung.

Die Erfindung läßt sich sowohl bei hydrostatischen als auch bei hydrodynamischen Gleitringdichtungen anwenden. Da sie für die ständige Einhaltung der optimalen Winkelstellung der Dichtflächen zueinander sorgt, wird der Dichtflächenverschleiß minimiert, die Lebensdauer der Dichtung entsprechend verlängert. Kritische Betriebszustände werden vermieden, selbst das An- und Abfahren der Gleitringdichtung bei Systemdruck 0 ist ungefährlich. Die vom Leckstrom abhängige genaue Einstellung des Dichtspaltes bringt für die hydrodynamischen Gleitringdichtungen eine wesentliche Erhöhung der Druckbelastbarkeit mit sich. Dies erlaubt beispielsweise den Einsatz einer einstufigen hydrodynamischen Gleitringdichtung anstelle der bisher erforderlichen dreistufigen.

Die erfindungsgemäße Gleitringdichtung ist unempfindlich gegen Verschmutzung. Ihre Leckagecharakteristik ist programmierbar. Die bei der erfindungsgemäßen Gleitringdichtung erfolgende weitgehende Entlastung der Sekundärdichtung bringt im übrigen eine Vermeidung des bisher bei Rutschdichtungen nicht auszuschließenden Fretting-Verschleißes mit sich. Außerdem wird durch die verringerte Druckbelastung eine Extrusion der Rundschnurdichtungen (O-Ringe) verhindert.

Insgesamt läßt sich feststellen, daß durch die erfindungsgemäße Gleitringdichtung die Funktionssicherheit des Dichtsystems erhöht wird.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine hydrostatische Gleitringdichtung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung.

Ein auf einer Welle 1 angeordneter und mit dieser rotierender Gleitring 2 bildet zusammen mit einem auf einem Dichtringträger 3 axial verschieblich angeordneten Gleitring 4 einen zwischen einer Hochdruckseite 5 und einer Niederdruckseite 6 verlaufenden Dichtspalt 7. Der Dichtspalt 7 verengt sich von der Hochdruckseite 5 zur Niederdruckseite 6 hin.

Der Sekundärdichtung des Gleitringes 4 dienen zwei hintereinander angeordnete O-Ringe 8 und 9. Zwischen den O-Ringen 8 und 9 mündet eine über den Dichtringträger 3 geführte Leitung 10, über die eine Druckflüssigkeit in den Spalt zwischen dem Dichtringträger 3 und dem Gleitring 4 eingespeist werden kann. Anstelle der einen Leitung 10 können auch mehrere über den Umfang verteilte, ein Druckmedium führende Zuleitungen vorgesehen werden.

Der in der Leitung 10 herrschende Druck wird während des Normalbetriebes der Gleitringdichtung konstant gehalten. Die Höhe des Druckes ist auf die Geometrie des Gleitringes 4 abgestimmt. Für die Funktion der O-Ringe 8 und 9, die axiale Bewegungen des Gleitringes 4 erlauben müssen, ist es vorteilhaft, wenn der Druck in der Leitung 10 etwa auf der Hälfte zwischen den Drücken auf der Hochdruckseite 5 und auf der Niederdruckseite 6 liegt. Die Sekundärdichtung arbeitet dann gewissermaßen zweistufig, d. h. jeder der beiden O-Ringe 8 und 9 wird mit der Hälfte des Gesamtdruckes beaufschlagt. Dies verhindert eine Verquetschung der O-Ringe 8 und 9 und entschärft die Gefahr des Fretting-Verschleißes.

Um die Winkelstellung der Dichtflächen der Gleitringe 2 und 4, d. h. die Form des Dichtspaltes 7 in Anpassung an vorhandene Störgrößen zu korrigieren, bedarf es je nach der am Leckstrom oder einer anderen von der Winkelstellung der Dichtflächen abhängigen Größe, wie der Temperatur in der Nähe der Dichtflächen oder dem Reibmoment, erkennbaren Stellung der Gleitringe 2 und 4 einer Druckerhöhung oder einer Drucksenkung in der Leitung 10. Bei einer Druckabsenkung öffnet sich der Dichtspalt 7 an seinem Eintritt, die Spaltleckage nimmt zu. Bei einer Druckerhöhung wird das Gegenteil erreicht.

Wenn der in der Leitung 10 und in dem Spalt zwischen dem Dichtringträger 3 und dem Gleitring 4 anstehende Druck gleich ist dem Druck auf der Hochdruckseite 5, ist der dem Dichtspalt 7 näher gelegene O-Ring 8 wirksam. Ist dagegen der in die Leitung 10 eingespeiste Druck gleich dem Druck auf der Niederdruckseite 6, so wird die durch den O-Ring 9 gebildete Abdichtstelle wirksam. Mit der zwischen diesen beiden Extremstellungen möglichen Verschiebung der Abdichtstelle wird eine druckbedingte Formänderung des Gleitringes 4 erreicht:

Bei einer Verschiebung der Abdichtstelle vom O-Ring 8 zum O-Ring 9 verdreht sich der Querschnitt des Gleitringes 4 in der Weise, daß der Dichtspalt 7 außen enger wird. Dies hat eine Verringerung der Dichtungsleckage zur Folge.

Wird nun der Druck in der Leitung 10 vom Niederdruck zum Hochdruck hin verändert, verschiebt sich die Abdichtstelle wieder vom O-Ring 9 zum O-Ring 8. Der vorstehend geschilderte Effekt läuft in umgekehrter Richtung ab.

In der Praxis wird der zwischen die O-Ringe 8 und 9 aufgegebene Druck zwischen dem Hoch- und dem Niederdruck liegen, so daß die druckkraftresultierende Abdichtstelle jeweils zwischen den O-Ringen 8 und 9 liegt.

Die Erzeugung des Zwischendruckes kann in beliebiger Weise erfolgen. Vorteilhafterweise geschieht dies in ähnlicher Weise wie bei einer mehrstufigen Dichtung, wo der Stufendruck einer Drosselstrecke entnommen wird.

Auch durch eine Temperaturänderung des Druckmediums läßt sich eine Änderung der Winkelstellung der Dichtflächen erreichen. Hierzu bedürfte es aber noch eines - im geschilderten Ausführungsbeispiel nicht vorhandenen - Abflusses aus dem zwischen den beiden O-Ringen 8 und 9 gelegenen Spaltbereiches. Bei einer Temperaturerhöhung im Druckmedium würde der Dichtspalt 7 an seinem Eintritt öffnen; die Spaltleckage nähme zu.

Claims (6)

1. Gleitringdichtung, bestehend aus einem in einem Gehäuse axial verschieblich angeordneten Gleitring und einem mit einer Welle umlaufenden Gleitring, zwischen denen sich ein radial gerichteter Dichtspalt befindet, wobei der axial verschiebliche Gleitring mit einer Innenfläche unter Belassung eines durch eine Sekundärdichtung abgedichteten Spaltes auf einem Dichtringträger angeordnet ist, und wobei Mittel zu einer geänderten Betriebsverhältnissen folgenden Verformung des axial verschieblichen Gleitringes vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärdichtung des axial verschieblichen Gleitringes (4) in zwei hintereinander angeordnete Dichtungen (8, 9) aufgeteilt ist, zwischen denen eine oder mehrere Leitungen (10) münden, die ein von außen eingespeistes, den Gleitring (4) verformendes Medium führen.

2. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Gleitring (4) verformende Medium durch eine Druckflüssigkeit gebildet wird, deren Druck in Anpassung an eine die Stellung der Dichtflächen der Gleitringdichtung indizierende Meßgröße veränderbar ist.

3. Gleitringdichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Druckflüssigkeit zwischen den Werten einstellbar ist, die auf der Hochdruckseite (5) und der Niederdruckseite (6) der Gleitringdichtung herrschen.

4. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Gleitring (4) verformende Medium durch eine in ihrer Temperatur und/oder ihrem Druck in Anpassung an eine die Stellung der Dichtflächen der Gleitringdichtung indizierende Meßgröße veränderbare Flüssigkeit gebildet wird, die jeweils an einer oder mehreren Stellen zwischen die beiden Dichtungen (8, 9) der Sekundärdichtung des axial verschieblichen Gleitringes (4) eingespeist und von dort abgeführt wird.

5. Gleitringdichtung nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Energieinhaltes des den axial verschieblichen Gleitring (4) verformenden Mediums innerhalb eines automatisch ablaufenden Regelkreises erfolgt.

6. Gleitringdichtung nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung und Abführung des den axial verschieblichen Gleitring (4) verformenden Mediums über im Dichtringträger (3) verlaufende Bohrungen (10) erfolgt.