DE3727023A1 - Gleitringabdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleitringab­ dichtung zum Abdichten eines hinsichtlich einer Wand ro­ tierenden Maschinenteils, welche Abdichtung mit Gleitrin­ gen versehene Einsatzringe aufweist, die hinsichtlich einander so angeordnet sind, dass die abdichtenden Gleit­ flächen der Gleitringe aneinander liegen und hinsichtlich einander rotieren, wobei jeder Gleitring mittels einer Schrumpfverbindung an seinem Einsatzring so befestigt ist, dass der Gleitring einer in der Radialrichtung wirkenden Presskraft ausgesetzt wird.

Solche Abdichtungen sind auf verschiedenen Gebie­ ten der Technik sehr bekannt. Gleitringabdichtungen eignen sich besonders gut beispielsweise zu Pumpen der Prozess­ industrie, mittels deren Feststoffe und Verunreinigungen enthaltende Flüssigkeiten gepumpt werden.

Als Herstellungsmaterial für Gleitringabdichtungen, und zwar für eigentliche Gleitringe, werden zur Zeit oft keramische Materialien benutzt. Man hat gefunden, dass Siliziumkarbid mit seinen guten Gleiteigenschaften und seiner Wärmeableitungsfähigkeit ein sehr gutes und ausser­ dem ein sehr hartes Material ist. Einsatzringe werden normalerweise z.B. aus säurebeständigem Stahl hergestellt. Es ist klar, dass die Materialien jedoch immer nach der jeweiligen Gebrauchssituation gewählt werden.

Bei früher benutzten Lösungen wurden Gleitringe durch Schrumpfverbindung an ihrem Einsatzring so befes­ tigt, dass der Einsatzring zuerst erwärmt wurde, wobei er sich so viel ausdehnte, dass der Gleitring in eine in den Einsatzring bearbeitete Vertiefung passte. Bei Ab­ kühlung des Einsatzringes bleibt der Gleitring zusammen­ gepresst und wird in dieser Weise an seinem Platz befes­ tigt. Der Nachteil dieser Befestigungsweise besteht in am Gleitring entstehenden Spannungen und Deformationen, die für die Funktion der Abdichtung nachteilig sein können. Dieser Nachteil ist besonders bei aus Silizium­ karbid hergestellten Gleitringen zu bemerken, weil der Wärmedehnungskoeffizient von Siliziumkarbid im Vergleich zu dem von Stahl klein ist.

Die obenerwähnten Nachteile sind eine Folge davon, dass bei früher benutzten Schrumpfverbindungen der Gleit­ ring über seinen ganzen Umfang einer radialen pressenden Kraft ausgesetzt wird, die die Gleitfläche entweder ein­ oder auswärts konisch deformiert. Eine konische Gleit­ fläche fungiert jedoch nicht optimal, denn der Kontakt zwischen den Gleitflächen bleibt dann nur ein Linienkon­ takt, der seinerseits wieder den Gleitring kräftigen Tem­ peraturbeanspruchungen und Spannungszuständen aussetzt.

Die konische Gleitfläche wurde dadurch verbessert, dass die Oberfläche flächenförmig plangeschliffen wurde. Durch Schleifen kann eine Deformation jedoch nicht völlig korrigiert werden, denn die Betriebstemperatur der Ab­ dichtung ist in der Praxis oft höher als ihre Schleif­ temperatur, wobei der Einsatzring sich wieder mehr als der Gleitring ausdehnt. Dabei wird die Gleitfläche tassen­ förmig deformiert und berührt die Anschlagfläche nur mit ihrer Peripherie.

Eine Deformation der Gleitfläche hat man auch durch korrekte Materialwahl und durch Gebrauch verschie­ dener Anschlusskonstruktionen verhindern wollen. Als Bei­ spiel für solche Anschlusskonstruktionen können die FI- Patentanmeldung 8 50 190 und die in der US-Patentschrift 42 61 581 angeführten Lösungen erwähnt werden.

Andererseits hat man bemerkt, dass völlig planare Gleitflächen nicht immer optimal sind, und besonders nicht bei grossen Geschwindigkeiten oder hohen Drucken, wobei die reibenden Gleitflächen ein starkes Entstehen von Rei­ bungswärme veranlassen. Zur Verminderung der Reibung sind Lösungen entwickelt worden, wodurch Schmiermittel zwischen Gleitflächen geleitet werden kann. Als Beispiel für solche Lösungen kann eine Konstruktion nach der DE-Patentschrift 12 21 865 erwähnt werden, wobei die Gleitfläche mit Schmiernuten versehen ist. Diese Schmiernuten verursachen periodisches Eindringen von Schmiermittel zwischen die Gleitflächen, was zugleich die Reibungsfläche vermindert und Reibungswärme ableitet. Eine entsprechende Funktion wurde auch so erstrebt, dass die Gleitfläche des Gleit­ rings wellenförmig bearbeitet wurde, wobei Schmiermittel auch mehr als gewöhnlich zwischen die Gleitflächen ge­ langt.

Der Nachteil der obenerwähnten bekannten Lösungen ist die schwierige Ausführung und dadurch entstehende hohe Herstellungskosten. Ein Problem mit den Schmiernuten ist ferner, dass Verunreinigungen im Schmiermittel Gleit­ flächen leicht abnutzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleitringabdichtung zu schaffen, wobei eine für die Schmierung vorteilhafte Wellenform in einer einfachen Weise zustandegebracht wird. Dies wurde mittels der er­ findungsgemässen Gleitringabdichtung erreicht, die da­ durch gekennzeichnet ist, dass die axiale Anschlagfläche eines bei Schrumpfverbindung an der axialen Umfangsfläche eines Gleitrings anliegenden Einsatzrings zu einer in der Umfangsrichtung diskontinuierlichen Oberfläche gemacht ist.

Ein Vorteil der Erfindung ist ihre Einfachheit, denn von hydrodynamischer Schmierung vorausgesetzte Hö­ hendifferenzen in der Umfangsrichtung der Gleitfläche werden ohne besondere Bearbeitungsmassnahmen der Ober­ fläche automatisch zustandegebracht. Somit werden die Herstellungskosten vorteilhaft. Infolge der einfachen Ausführung bleiben die Betriebskosten auch vorteilhaft niedrig.

In der folgenden wird die Erfindung mittels der in der beigefügten Zeichnung dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiele genauer beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 ein Beispiel für eine bekannte Gleitring­ abdichtungskonstruktion als Prinzipbild,

Fig. 2 ein Beispiel für eine zweite bekannte Gleitringabdichtungskonstruktion als Prinzipbild,

Fig. 3 eine bei den bekannten Konstruktionen nach Fig. 1 und 2 benutzte Lösung zur Befestigung eines Gleit­ rings in vergrössertem Massstab,

Fig. 4 eine Vorderansicht der erfindungsgemässen Lösung zur Befestigung eines Gleitrings,

Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform der Lösung nach den Fig. 4 und 5,

Fig. 7 eine Vorderansicht der zweiten Ausführungs­ form der erfindungsgemässen Konstruktion, und

Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie VIII- VIII der Fig. 7.

In den Fig. 1 und 2 werden zwei im Fach bekannte Gleitringabdichtungskonstruktionen prinzipiell gezeigt. In den Fig. 1 und 2 werden die einander entsprechenden Teile mit denselben Referenznummern versehen. Der Rahmen­ teil der Abdichtungskonstruktion wird somit allgemein mit der Referenz 1 bezeichnet. Ein rotierender Maschinenteil, zum Beispiel eine Pumpenachse, wird mit der Referenz 2 bezeichnet. Ein zu pumpendes Produkt wird wiederum mit der Referenz 3 bezeichnet. Einsatzringe der Gleitring­ abdichtung werden mit der Referenz 4 und an den Einsatz­ ringen befestigte Gleitringe entsprechend mit der Refe­ renz 5 bezeichnet.

In der Ausführungsform der Fig. 1 wird ausser­ dem mit der Referenznummer 6 eine Abdichtungsflüssigkeit bezeichnet, die zwischen den Gleitflächen der Gleitringe 5 einen Schmierfilm bildet. In Fig. 1 sind auch Ein- respektive Ausgangspunkte der Abdichtungsflüssigkeit mit­ tels Pfeile M und N prinzipiell bezeichnet.

Die im Zusammenhang mit den obenerwähnten Fig. 1 und 2 angeführten Fakta sind völlig bekannte Technik für einen Fachmann, weshalb die Konstruktion gemäss die­ sen Figuren in diesem Zusammenhang nicht genauer beschrie­ ben wird.

In den Fig. 1 und 2 ist mit Hilfe eines Zirkels eine Stelle bezeichnet, die in vergrössertem Massstab in Fig. 3 prinzipiell gezeigt wird. Es ist jedoch klar, dass Fig. 3 jeden beliebigen, in Fig. 1 und 2 bezeichneten Gleitring zeigen kann. In Fig. 3 werden dieselben Refe­ renznummern wie in den Fig. 1 und 2 an entsprechenden Stellen verwendet.

Bei der bekannten Konstruktion der Fig. 3 ist ein Gleitring 5 mittels einer radial wirkenden Schrumpfver­ bindung an einem Einsatzring 4 befestigt. Diese Schrumpf­ verbindung ist in einer bekannten Weise durch Erwärmen des Einsatzrings 4 ausgeformt, wobei er sich ausdehnt. Anschliessend wird der Gleitring 5 an dem ausgedehnten Einsatzring angebracht, der bei Abkühlung schrumpft, wo­ bei der Gleitring 5 an dem Einsatzring 4 befestigt wird. In Fig. 3 wird mit einheitlichen Linien die Situation gezeigt, wenn der Gleitring 5 an dem Einsatzring 4 ange­ bracht ist, und mit gebrochenen Linien die Situation, die nach der Abkühlung des Einsatzrings entsteht.

Es ist klar, dass die mit gebrochenen Linien in Fig. 3 bezeichnete Situation kräftig übertrieben ist. In Wirklichkeit entstehen Deformationen dieser Grössen­ ordnung nicht. Es ist jedoch eine Tatsache, dass die Gleitfläche des Gleitrings 5, die in Fig. 3 von der rechtsliegenden freien Fläche dargestellt wird, prinzi­ piell in der in Fig. 3 gezeigten Weise deformiert wird. Die nach der Abkühlung am Gleitring 5 entstandene Koni­ zität kann dadurch beseitigt werden, dass die Gleitfläche glatt geschliffen wird. Das Problem wird jedoch nicht durch dieses Schleifen eliminiert, denn in der Praxis wird der Gleitring 5 bei höheren Betriebstemperaturen als die Schleiftemperatur deformiert, weil der Einsatz­ ring 4 sich ausdehnt und die sich auf den Gleitring 5 richtende Presskraft sich vermindert. Diese Erscheinungen sind völlig bekannte Tatsachen auf diesem Gebiet.

Ferner soll bemerkt werden, dass es nicht möglich ist, die Gleitfläche mit einer Wellenform in der Umfangs­ richtung durch Schleifen zu versehen, welche Form in ge­ wissen Situationen vorteilhaft ist, wie früher schon festgestellt wurde.

Nach der Grundidee der Erfindung wird die früher als nachteilig betrachtete Deformation der Gleitfläche ausgenutzt, und zwar zum Schaffen einer vorteilhaften Wellenform der Gleitfläche, denn bei der Erfindung werden die Deformationen über den Umfang des Gleitrings so ge­ teilt, dass die Gleitfläche nicht konisch, sondern in der Gleitflächenrichtung betrachtet wellenförmig wird.

Das obengenannte Resultat wird beispielsweise mit­ tels der in den Fig. 4-8 dargestellten vorteilhaften Ausführungsformen erreicht. In den Fig. 4-8 sind die einander entsprechenden Teile mit denselben Referenznum­ mern wie in den Fig. 1-3 bezeichnet. Erfindungsgemäss ist die axiale Anschlagfläche des bei Schrumpfverbindung an der axialen Umfangsgläche des Gleitrings 5 anliegenden Einsatzrings 4 zu einer in der Umfangsrichtung diskonti­ nuierlichen Oberfläche ausgeformt. In der Ausführungs­ form der Fig. 4 wird diese Diskontinuität dadurch ge­ schaffen, dass die Anschlagfläche mit vier in gleich­ mässigen Abständen angeordneten Öffnungen 7 versehen wird, die sich durch die Wand des Einsatzrings 4 erstrecken. In Fig. 8 ist noch mit der Referenznummer 9 eine zwischen der Anschlagfläche des Einsatzrings 4 und der Peripherie des Gleitrings angeordnete elastische Abdichtung bezeich­ net. Die Ausführungsform der Fig. 6 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 5 nur darin, dass fünf Stück Öffnungen 7 vorgesehen sind.

Durch die obenerwähnte Lösung kann die radiale Presswirkung der Schrumpfverhindung mittels der diskonti­ nuierlichen Anschlagfläche des Einsatzrings so auf den Gleitring 5 gerichtet werden, dass an der Gleitfläche Höhendifferenzen in der Umfangsrichtung entstehen. Diese Höhendifferenzen werden durch Linierung 8 in den Fig. 4 und 5 veranschaulicht. Am Gleitring entstehen Ver­ schleissnuten gemäss Linierung 8, wenn der Ring gegen die planare Anschlagfläche eines anderen Gleitrings ro­ tiert. Gemäss der Erfindung kann also der früher als Nachteil betrachtete Zug, d.h. die Deformation der Gleit­ fläche, dann ausgenutzt werden, wenn es zum Schaffen ei­ ner hydrodynamischen Schmierung nötig ist, dass die Gleit­ fläche in der Umfangsrichtung eine Wellenform aufweist. Mittels der obenerwähnten hydrodynamischen Schmierung kann die Gleitreibung zwischen den Gleitflächen um 10-30% vermindert werden. Das bedeutet, dass der die Funktion eines Gleitringpaars darstellende pv-Wert (p = Druck, v = Geschwindigkeit) um 10-30% zunimmt. Die Vorteile werden bemerkenswert besonders bei schnellrotierenden Maschinen, hohen Drucken und grossen Achsendurchmessern, wobei mit der Grösse auch die Gleitgeschwindigkeit wächst.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Ausführungsform, wobei die Diskontinuität der axialen Anschlagfläche des Einsatzrings 4 mittels in gleichen Abständen in der Um­ fangsrichtung an der Anschlagfläche angeordneter Vertie­ fungen 7′ zustandegebracht ist.

Die Länge der diskontinuierlichen Stellen 7, 7′ in der Umfangsrichtung kann in vielen verschiedenen Weisen variiert werden, aber vorzugsweise wurde bemerkt, dass die Länge einer Öffnung 7 oder Vertiefung 7′ in der Um­ fangsrichtung höchstens gleich gross ist wie der zwischen zwei nebeneinanderliegenden Öffnungen oder Vertiefungen bleibende Teil der Anschlagfläche des Einsatzrings.

Die obengenannten Ausführungsbeispiele sind keines­ wegs beabsichtigt, die Erfindung zu begrenzen, sondern die Erfindung kann in vielen verschiedenen Weisen im Rahmen der Patentansprüche variiert werden. Somit ist es klar, dass die Anzahl, Grösse und Form der Öffnungen oder Vertiefungen auf die Beispiele der Figuren nicht be­ schränkt sind, sondern auch Lösungen anderer Art sind möglich.

Claims (6)

1. Gleitringabdichtung zum Abdichten eines hin­ sichtlich einer Wand rotierenden Maschinenteils, welche Abdichtung mit Gleitringen versehene Einsatzringe auf­ weist, die hinsichtlich einander so angeordnet sind, dass die abdichtenden Gleitflächen der Gleitringe aneinander liegen und hinsichtlich einander rotieren, wobei jeder Gleitring mittels einer Schrumpfverbindung an seinem Ein­ satzring so befestigt ist, dass der Gleitring einer in der Radialrichtung wirkenden Presskraft ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Anschlagfläche eines bei Schrumpfverbindung an der axialen Umfangsfläche eines Gleitrings (5) anliegenden Einsatzrings (4) zu einer in der Umfangsrichtung diskon­ tinuierlichen Oberfläche gemacht ist.

2. Gleitringabdichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der axialen Anschlagfläche des Einsatzrings (4) wenigstens drei in gleichmässigen Abständen in der Umfangsrichtung angeordnete diskontinuierliche Stellen (7,7) vorgesehen sind.

3. Gleitringabdichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die diskontinuierlichen Stellen sich durch die Wand des Ein­ satzrings (4) erstreckende Öffnungen (7) sind.

4. Gleitringabdichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die diskontinuierlichen Stellen in die axiale Anschlagfläche des Einsatzrings (4) gemachte Vertiefungen (7′) sind.

5. Gleitringabdichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der diskontinuierlichen Stelle (7,7′) in der Um­ fangsrichtung höchstens gleich gross ist wie der zwischen zwei nebeneinanderliegenden diskontinuierlichen Stellen (7 oder 7′) bleibende Teil der Anschlagfläche des Einsatz­ rings (4).

6. Gleitringabdichtung nach einem der vorhergehen­ den Patentansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zwischen der axialen Anschlagfläche des Einsatzrings (4) und der axialen Umfangsfläche des Gleitrings (5) eine elastische Abdichtung (9) angeordnet ist.