DE3901362A1

DE3901362A1 - Gleitringdichtung zur abdichtung eines gasfoermigen mediums

Info

Publication number: DE3901362A1
Application number: DE19893901362
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Dr Nosowicz
Original assignee: Feodor Burgmann Dichtungswerke GmbH and Co
Current assignee: Burgmann Grundstuecksverwaltungs GmbH and Co KG
Priority date: 1989-01-18
Filing date: 1989-01-18
Publication date: 1990-07-19

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung zur Abdichtung einer durch eine Wandung herausgeführten umlaufenden Welle gegen den Durchtritt eines gasförmigen Mediums, mit einem drehfest an der Wandung gehaltenen und gegen diese durch eine Sekundärdichtung mit einem hydraulisch wirksamen Durchmesser abgedichteten ersten Ringkörper, der eine in einer zur Drehachse der Welle lotrechten Ebene gelegene kreisringförmige erste Stirnfläche aufweist und mit einem drehfest an der rotierenden Welle gehaltenen und gegen diese mit einer Sekundärdichtung abgedichteten zweiten Ringkörper, der eine der ersten Stirnfläche zugekehrte, ebene, kreisförmige zweite Stirnfläche aufweist, die an der ersten Stirnfläche unter Bildung gemeinsamer ringförmiger Dichtflächen (Berührungsflächen) zur Anlage bringbar ist, durch welche, jeweils in zur Drehachse konzentrischer Anordnung, ein in einem mit dem abzudichtenden gasförmigen Medium beaufschlagten, einen höheren Druck aufweisenden Raum enthaltener erster Begrenzungskreis, ein in einem Raum mit niedrigerem Druck enthaltener zweiter Begrenzungskreis, sowie ein zwischen diesen verlaufender zentraler Begrenzungskreis definiert ist, wobei der erste Ringkörper in Richtung der Drehachse verschieblich und durch wenigstens eine Feder gegen den zweiten Ringkörper vorgespannt ist und wobei aus der Stirnfläche des zweiten Ringkörpers mehrere gleichgeformte und um gleiche Winkel versetzt angeordnete Gasfördernuten mit von Kreisteilen gebildeten seitlichen Grenzen herausgearbeitet sind, deren Tangenten an die hintere seitliche Grenze und an den ersten Begrenzungskreis im gemeinsamen Punkt einen Winkel β von 10° bis 30° bilden, und welche mit ihren Spitzen entgegengesetzt zur Drehrichtung weisen, und die von ihren an dem ersten Begrenzungskreis gelegenen Einlaßenden ausgehen, sich zwischen die Dichtflächen erstrecken und mit ihren geschlossenen Nutenden auf dem zentralen Begrenzungskreis liegen, wobei durch eine relative Drehbewegung der beiden Ringkörper gasförmiges Medium zwischen die Dichtflächen eingeschleppt und ein Druckpolster aufgebaut wird, das die Dichtflächen trennt.

Gleitringdichtungen in dieser Ausbildung werden insbesondere zum Abdichten von Verdichtungswellen verwendet. Sie bieten den Vorteil, daß sie beim Stillstand geschlossen sind und im Betrieb (bei hohen Drehzahlen und Drücken) berührungsfrei arbeiten, benötigen aber zur Abführung der im Betrieb erzeugten Wärme eine beachtliche Kühlgasmenge.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleitringdichtung mit verbessertem Betriebsverhalten zu schaffen, die insbesondere eine Reduzierung der Wärmeerzeugung im Dichtspaltbereich und damit eine Verminderung der notwendigen Kühlgasmenge erlaubt.

Ausgehend von einer Gleitringdichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch eine spezielle Auswahl der Tiefe der Gasfördernuten sowie der Stegbreiten- und Belastungsverhältnisse und die gegenseitige Zuordnung dieser Parameter gelöst und zwar dadurch, daß die Gasfördernuten bei Ausbildung mit unter einen Winkel zur Dichtfläche verlaufenden Nutböden an einer durch den Schnitt einer mittig zwischen den seitlichen Grenzen der Gasfördernut verlaufenden Linie mit einem mittig zwischen dem ersten Begrenzungskreis und dem zentralen Begrenzungskreis gezogenen Kreis definierten Meßstelle eine Tiefe von 2,5-3,75 µm aufweisen, daß das Stegbreitenverhältnis, berechnet nach der Formel

bei der Außendruckbeaufschlagung (Fig. 2, 3, 4) und

bei der Innendruckbeaufschlagung (Fig. 5 u. 6), wobei
d₁ = Durchmesser des ersten Begrenzungskreises
d₂ = Durchmesser des zweiten Begrenzungskreises und
d₃ = Durchmesser des zentralen Begrenzungskreises
innerhalb der Grenzen 0<s<0,5 liegt, und daß der Belastungsfaktor k, berechnet nach der Formel

bei der Aussendruckbeaufschlagung und

d _E = wirksamer Durchmesser der Sekundärdichtung des in Richtung der Drehachse verschieblichen ersten Ringkörpers und
d₁, d₂ = die vorhergehend definierten Durchmesser,
größer als 0,9 ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung wird erfindungsgemäß erreicht, wenn das Belastungsverhältnis k innerhalb der Grenzen 0,9<k1 liegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet der Nutboden wenigstens näherungsweise eine ebene Fläche, welche an der bezogen auf relative Bewegung des die Gasfördernuten enthaltenen Ringkörpers hinten liegenden Grenze in die Stirnfläche übergeht, und welche an der vorne liegenden Grenze, gemessen an zur Drehachse koaxialen Zylinderflächen, die größte Tiefe aufweist, wobei diese größte Tiefe ausgehend von einem Maximalwert am Einlaßende zum geschlossenen Nutende stetig ist auf einen Wert von nahezu Null abnimmt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. In den Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die obere Hälfte einer eingebauten, für äußere Druckbeaufschlagung ausgebildete Dichtungsanordnung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die in der Dichtungsanordnung der Fig. 1 enthaltenen Gleitringdichtung;

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4 eine teilweise perspektivische Ansicht des Gasfördernuten enthaltenden, mit der Welle umlaufenden Ringkörpers, ausgebildet für eine der Fig. 3 entgegengesetzte Drehrichtung

Fig. 5 einen Längsschnitt durch den oberen Teil einer Gleitringdichtung für innere Druckbeaufschlagung und

Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 5.

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, erstreckt sich eine um ihre Achse 1 umlaufende Welle 2 durch eine Bohrung 3 in einer stirnseitigen Wandung 4 eines Dichtungsgehäuses 5. Die Wandung 4 trennt einen ersten Raum 6, welcher ein Gas unter einem Druck p₁ enthält, von einem zweiten Raum 7, dessen Druck p₂ niedriger als der Druck p₁ ist. Im Bereich der Bohrung 3 steht von der Wandung 4 ein rohrförmiger Kragen 8 zum ersten Raum 6 vor, auf dessen zylindrischer äußerer Umfangsfläche 8 a ein Stützring 9 axial verschieblich angeordnet und eine durch eine als O-Ring ausgebildete Sekundärdichtung 10 abgedichtet ist. Ein nicht dargestellter, an der Wandung 4 fester achsparalleler Stift steht in eine Sacklochbohrung des Stützringes 9 ein und hindert diesen an einer Verdrehung. Eine Mehrzahl von Schraubendruckfedern 11 spannt den Stützring 9 axial in Richtung zum ersten Raum 6 vor. Ein drehfest mit dem Stützring 9 verbundener und gegen diesen mit einer Hilfsdichtung 12 abgedichteter Ringkörper 13 bildet den axial verschieblichen Gleitring, welcher eine dem ersten Raum 6 zugekehrte, zur Achse 1 konzentrisch angeordnete kreisförmige erste Stirnfläche 13 a aufweist, die in einer zur Achse 1 lotrechten Ebene liegt und völlig eben ist, d. h. weder Nuten noch eine anderweitig strukturierte Oberfläche besitzt.

Diese erste Stirnfläche 13 a ist mittels der Federn 11 gegen eine zweite, ebenfalls in einer zur Achse 1 lotrechten Ebene gelegene Stirnfläche 15 a gepreßt, welche an einem zweiten Ringkörper 15, dem Gegenring, ausgebildet ist. Die gemeinsamen Berührungsflächen der beiden Stirnflächen 19 a, 15 a ergeben die Gleitflächen 16, 17, welche zwischen einem ersten Begrenzungskreis 18, an welchem der höhere Druck p₁ des ersten Raumes 6 ansteht und einem zweiten Begrenzungskreis 19 gelegen sind, an welchem der niedrigere Druck p₂ des zweiten Raumes 7 ansteht. Die zweite Stirnfläche 15 a ist, abgesehen von an späterer Stelle noch näher erläuterten Gasfördernuten, eben.

Der zweiten Ringkörper 15 (Gegenring) stützt sich mit dem radial inneren Teil seiner von der zweiten Stirnfläche 15 a abgekehrten anderen axialen Stirnflächen an einem von der Welle 2 radial nach außen vorstehenden Wellenbund 14 ab und wird gegen diesen mittels einer Druckhülse 20 drehfest vorgespannt, wobei zur Verbesserung der Drehmomentübertragung ein (nicht dargestellter) achsparalleler Stift, der in Sacklochbohrungen des Wellenbundes 14 und des Ringkörpers 15 einsteht, vorgesehen werden kann. Die Welle 2 ist gegen den zweiten Ringkörper 15 durch eine von einem O-Ring gebildete Hilfsdichtung 21 abgedichtet, welche in einer Ringnut der Welle angeordnet ist.

Das Dichtungsgehäuse 5 bildet eine den Stützring 9 und die beiden Ringkörper (Gleit- und Gegenring) umschließende Kammer 5′, welcher mit dem den höheren Druck p₁ aufweisenden Raum 6 durch eine Drosselstrecke verbunden ist, welche von einem Labyrinth 5 b im Gehäusedeckel 5 a gebildet ist. In die Kammer 5′ mündet wenigstens eine Bohrung 5 c zur Zuführung eines Sperrgases und/oder zur Zirkulation eines Kühlgases.

Die in der Fig. 3 und 4 veranschaulichten, für die vorstehend beschriebene außenbeaufschlagte Gleitringdichtung bestimmten Gasfördernuten 22 weisen jeweils seitliche Grenzen 23, 24 auf, mit denen die Nut-Seitenwände in die Stirnfläche 15 a und die darin enthaltene Gleitfläche 17 übergehen. Dabei wird bei der Erläuterung der Erfindung als hintere seitliche Grenze 23 diejenige angesehen, welche beim Umlauf der Welle 2 in der durch einen Pfeil angegebenen, betriebsmäßig vorgesehenen Drehrichtung R und der sich dadurch ergebenden Relativbewegung zur nicht rotierenden Gleitfläche 16 zuletzt einen gedachten festen Punkt an dieser Gleitfläche 16 passiert.

Alle Gasfördernuten 22 sind gleich geformt und sind in gleichen Winkelabständen zueinander an der Stirnfläche 15 a des zweiten Ringkörpers 15 angeordnet. Jede Nut weist ein (unter Mitwirkung der Gleitfläche 16 des ersten Ringkörpers 13) geschlossenes Nutende 22 b auf, das einen Abstand zum ersten Begrenzungskreis 18 einhält und die Lage eines zentralen Begrenzungskreises 25 bestimmt. Das geschlossene Nutende 22 b ist daher benachbart zu dem den niedrigeren Druck p₂ aufweisenden Raum 6 angeordnet, steht mit diesem Raum aber nicht in Verbindung, abgesehen von einem Leckageweg in dem zwischen den beiden Gleitflächen 16, 17 gebildeten Dichtspalt. Ausgehend von diesem geschlossenen Nutende 22 b erstreckt sich die Gasfördernut 22 über die Gleitfläche 17 zu ihrem am ersten Begrenzungskreis 18 gelegenen offenen Nutende 22 a, d. h. das Innere der Nut erhält eine Verbindung mit dem den höheren Druck p₁ aufweisenden Raum 6.

Jede der beiden seitlichen Grenzen 23, 24 einer Gasfördernut 22 ist durch eine kreisförmig gekrümmte Linie gebildet, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß sich die beiden Grenzen an einem innerhalb der Gleitfläche 17 gelegenen Punkt, dem geschlossenen Nutende 22 b, treffen. Jede Gasfördernut hat daher in der Draufsicht auf die Gleitfläche 17 die Gestalt einer Sichel, deren in dem geschlossen Nutende 22 b auslaufende Spitze entgegengesetzt zur Drehrichtung R des zweiten Ringkörpers 15 weist (vergl. Fig. 3). Die, bezogen auf diese Drehrichtung R hintere Grenze 23, schneidet den ersten Begrenzungskreis 18 in einem Punkt B. Eine an die hintere seitliche Grenze 23 angelegte, durch den Punkt B gehende erste Tangente T₁ bildet mit einer durch den gleichen Punkt B gehenden, an den ersten Begrenzungskreis 18 angelegten zweiten Tangente T₂ einen Winkel β von 10° bis 30°.

Der Nutboden 22′ jeder Gasfördernut 22 verläuft so unter einem kleinen Winkel (vergl. Fig. 2) zur Gleitfläche 17, daß die Tiefe der Gasfördernut vom geschlossenen Nutende 22 b zu dem am ersten Begrenzungskreis 18 gelegenen offenen Nutende 22 a zunimmt, wobei an einer Meßstelle S die Tiefe einen Wert zwischen und 2,5 µm-3,75 µm besitzt. Diese Meßstelle S ist durch den Schnittpunkt eines mittig zwischen dem ersten Begrenzungkreis 18 (mit dem Durchmesser d₁) und dem zentralen Begrenzungskreis 25 (mit dem Durchmesser d₃) verlaufenden Kreises 26 (mit dem Durchmesser d₄) mit einer Linie A definiert, welche mittig zwischen der hinteren seitlichen Grenze 23 und der vorderen seitlichen Grenze 24 verläuft.

Bezeichnet d₂ den Durchmesser des dem niedrigeren Druck p₂ ausgesetzten zweiten Begrenzungskreises 19, und d _E den wirksamen Durchmesser der Sekundärdichtung 10 des in Richtung der Achse 1 verschieblichen ersten Ringkörpers 13 und unter Beachtung der für die Durchmesser d₁ und d₃ vorstehend angegebenen Bedeutung, ist die Dimensionierung der Gasfördernuten so vorzusehen, daß das Stegbreitenverhältnis s bei Berechnung nach der Formel

innerhalb der Grenzen 0<s<0,5 liegt, und der Belastungsfaktor k bei Berechnugn nach der Formel

größer als 0,9 ist und vorzugsweise innerhalb der Grenzen 0,9<k≦1 liegt.

Der Nutboden 22′ bildet bei allen beschriebenen Ausführungsformen eine näherungsweise ebene Fläche, welche an der hinten liegenden Grenze 23 in die Gleitfläche 17 übergeht und an der vorne liegenden Grenze 24 die größte Tiefe aufweist, wobei diese Tiefe am geschlossenen Nutende 22 b Null bzw. nahezu Null beträgt (vergl. die in Fig. 4 veranschaulichte Variante mit einem im wesentlichen dreieckförmigen Nutquerschnitt). Die Gasfördernut kann aber auch einen Nutboden 22′ aufweisen, der mit zwei Seitenwänden an der seitlichen hinteren bzw. seitlichen vorderen Grenze 23 bzw. 24 in die Gleitfläche 17 übergeht.

Eine Gleitringdichtung mit innerer Druckbeaufschlagung, bei welcher der höhere Druck an dem dann radial innen von der Gleitfläche 17 liegendem ersten Begrenzungskreis 18 (mit dem Druchmesser d₁) ansteht, ist in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht. Die Gasfördernut 22 weist dabei unter analoger Heranziehung der für die Meßstelle S gegebenen Definition ebenfalls einen Wert zwischen 2,5 µm-3,75 µm auf. Ebenfalls unter Heranziehung der früher gegebenen Definition für die Durchmesser d₁ bis d₃ sowie für den Durchmesser d _E ist für den Fall innerer Druckbeaufschlagung die Dimensionierung der Gasfördernuten so vorzusehen, daß das Stegbreitenverhältnis s bei der Berechnung nach der Formel

innerhalb der Grenzen 0<s<0,5 liegt, und der Belastungsfaktor k bei Berechnung nach der Formel

größer als 0,9 ist und vorzugsweise innerhalb der Grenzen 0,9<k≦1 liegt.

Bei allen Ausführungsformen kann die zweite Stirnfläche 15 a des mit der Welle 2 umlaufenden zweiten Ringkörpers 15 einen größeren Durchmesser als die Stirnfläche 13 a des ersten Ringkörpers 13 aufweisen, und es können sich die Gasfördernuten 22 über die Gleitfläche 17 hinaus in den vorstehenden ringförmigen Teil der zweiten Stirnfläche 15 a erstrecken, wie er in der Fig. 5 veranschaulicht ist.

Claims

1. Gleitringdichtung zur Abdichtung einer durch eine Wandung herausgeführten umlaufenden Welle gegen den Durchtritt eines gasförmigen Mediums, mit einem drehfest an der Wandung gehaltenen und gegen diese durch eine Sekundärdichtung mit einem hydraulisch wirksamen Durchmesser abgedichteten ersten Ringkörper, der eine in einer zur Drehachse der Welle lotrechten Ebene gelegene kreisförmige erste Stirnfläche aufweist und mit einem drehfest an der rotierenden Welle gehaltenen und gegen diese mit einer Sekundärdichtung abgedichteten zweiten Ringkörper, der eine der ersten Stirnfläche zugekehrte, ebene, kreisringförmige zweite Stirnfläche aufweist, die an der ersten Stirnfläche unter Bildung gemeinsamer ringförmiger Dichtflächen (Berührungsflächen) zur Anlage bringbar ist, durch welche, jeweils in zur Drehachse konzentrischer Anordnung, ein in einem mit dem abzudichtenden gasförmigen Medium beaufschlagten, einen höheren Druck aufweisenden Raum enthaltener erster Begrenzungskreis, ein in einem Raum mit niedrigerem Druck enthaltener zweiter Begrenzungskreis, sowie ein zwischen diesen verlaufender zentraler Begrenzungskreis definiert ist, wobei der erste Ringkörper in Richtung der Drehachse verschieblich und durch wenigstens eine Feder gegen den zweiten Ringkörper vorgespannt ist und wobei aus der Stirnfläche des zweiten Ringkörpers mehrere gleichgeformte und um gleiche Winkel versetzt angeordnete Gasfördernuten mit von Kreisteilen gebildeten seitlichen Grenzen herausgearbeitet sind, deren Tangenten an die hintere seitliche Grenze und an den ersten Begrenzungskreis im gemeinsamen Punkt einen Winkel β von 10° bis 30° bilden, und welche mit ihren Spitzen entgegengesetzt zur Drehrichtung weisen, und die von ihren an dem ersten Begrenzungskreis gelegenen Einlaßenden ausgehen, sich zwischen die Dichtflächen erstrecken und mit ihren geschlossenen Nutenden auf dem zentralen Begrenzungskreis liegen, wobei durch eine relative Drehbewegung der beiden Ringkörper gasförmiges Medium zwischen die Dichtflächen eingeschleppt und ein Druckpolster aufgebaut wird, das die Dichtflächen trennt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfördernuten (22) bei Ausbildung mit unter einem Winkel zur Gleitfläche (17) verlaufenden Nutböden (22′) an einer durch den Schnitt einer mittig zwischen den seitlichen Grenzen (23, 24) der Gasfördernut verlaufenden Linie (A) mit einem mittig zwischen dem ersten Begrenzungskreis (18) und dem zentralen Begrenzungskreis (27) gezogenen Kreis (26) definierten Meßstelle (S) eine Tiefe von 2,5-3,75 µm aufweisen, daß das Stegbreitenverhältnis (s), berechnet nach der Formel bei der Außendruckbeaufschlagung (Fig. 2, 3, 4) und bei der Innendruckbeaufschlagung (Fig. 5 u. 6), wobei
d₁ = Durchmesser des ersten Begrenzungskreises (18)
d₂ = Durchmesser des zweiten Begrenzungskreises (19) und
d₃ = Durchmesser des zentralen Begrenzungskreises (27)
innerhalb der Grenzen 0<s<0,5 liegen, und daß der Belastungsfaktor (k), berechnet nach der Formel bei der Außendruckbeaufschlagung und bei der Innendruckbeaufschlagung wobei
d _E = wirksamer Durchmesser der Sekundärdichtung (10) des in Richtung der Achse (1) verschieblichen ersten Ringkörpers und
d₁, d₂ = die vorhergehend definierten Durchmesser,
größer als 0,9 ist.

2. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsfaktor (k) innerhalb der Grenzen 0,9<k1 liegt.

3. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutboden (22′) wenigstens näherungsweise eine ebene Fläche bildet, welche an der bezogen auf relative Bewegung des die Gasfördernuten (22) enthaltenden Ringkörpers (15) hinten liegenden Grenze (23) in die Gleitfläche (17) übergeht, und welche an der vorne liegenden Grenze (24), gemessen an zur Achse (1) koaxialen Zylinderflächen, die größte Tiefe aufweist, wobei diese größte Tiefe ausgehend von einem Maximalwert am Einlaßende (22 a) zum geschlossenen Nutende (22 b) stetig bis auf einen Wert von nahezu Null abnimmt.