DE4303050B4

DE4303050B4 - Gleitringdichtung

Info

Publication number: DE4303050B4
Application number: DE4303050A
Authority: DE
Inventors: Josef Sedy
Original assignee: Sedy Josef Mt Prospect
Current assignee: Sedy Josef Mt Prospect
Priority date: 1992-02-26
Filing date: 1993-02-03
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: DE4303050A1; WO1995006211A1; JPH0611046A; JP2838012B2

Abstract

Mechanische Gleitringdichtung zum Abdichten eines Fluids in einem zwischen einem Gehäuse und einer drehbaren Welle befindlichen Raum, umfassend
einen ersten Dichtring (20), der auf der Welle (12) zusammen mit dieser drehbar angebracht ist und eine erste, ebene Dichtfläche (21) aufweist,
einen zweiten Dichtring (18), der relativ zum Gehäuse (10) nicht drehbar abgestützt ist und im wesentlichen koaxial zu dem ersten Dichtring (20) liegt und eine zweite ebene Dichtfläche (19) aufweist, die axial neben und gegenüber der ersten Dichtfläche (21) angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten ebenen Dichtflächen,wo sie einander gegenüberliegen, zwischen sich einen ringförmigen Dichtungsbereich begrenzen, der sich radial zwischen erstem und zweitem Umfang erstreckt,
einen dieser Dichtringe (18, 20), welcher axial beweglich ist, und
eine elastische Einrichtung (30), um den axial beweglichen Dichtring (18) gegen den anderen Dichtring (20) zu drücken,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine erste Nuteneinrichtung (22) in einer der ebenen Dichtflächen (19, 21) zum Erzeugen eines hydrodynamischen Fluidlagers zwischen den ersten und zweiten Dichtflächen ausgebildet ist, und eine zweite Nuteneinrichtung (24, 25) in der einen Dichtfläche (21) zum Erzeugen eines hydrostatischen Fluidlagers zwischen den ersten und zweiten Dichtflächen (19, 21) ausgebildet ist,
die erste Nuteneinrichtung mehrere erste, verhältnismäßig tiefe und im wesentlichen schräge Nutenabschnitte (22) aufweist, die zueinander in Umfangsrichtung beabstandet angeordnet sind und sich von dem ersten Umfang weg nach innen erstrecken, und
die zweite Nuteneinrichtung mehrere zweite, verhältnismäßig flache Nutenabschnitte (24, 25) aufweist, die sich mit geschlossenen Enden der ersten Nutenabschnitte (22) verbinden und deren Verlängerungen bilden, wobei die geschlossenen Enden der ersten Nutenabschnitte (22) eine abrupte, stufenartige Änderung (26) der Nutentiefe zwischen den ersten und zweiten Nutenabschnitten (22, 24, 25) festlegen,
die geschlossenen Enden (26) auf einem Durchmesser angeordnet sind, der radial zwischen dem ersten und dem zweiten Umfang liegt, wobei die zweiten Nutenabschnitte (24, 25) von diesem Durchmesser zu dem zweiten Umfang hin verlaufen, jedoch kurz vor diesen enden, und wobei die zweiten Nutenabschnitte (24, 25) von dem zweiten Umfang durch einen ringförmigen, ungenuteten Flächenabschnitt auf der einen Dichtfläche (21) getrennt sind, und daß der erste Umfang mit dem Fluid in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung für rotierende Wellen, bei der ein abgedichtetes Fluid dazu dient, zwischen den zusammenwirkenden, einander gegenüberliegenden Dichtungselementen, von denen das eine stationär ist und das andere sich dreht, hydrostatische/hydrodynamische oder aerostatische/aerodynamische Kräfte zu erzeugen. Diese Kräfte bewirken eine geringfügige Trennung der genannten Dichtungselemente, so daß keine Betriebsberührung stattfindet, wodurch der Flächenabrieb und die Reibungsenergieverluste auf ein Mindestmaß beschränkt werden, während eine geringe Fluidleckage beibehalten wird.
Rotierende Fluidfilmflächendichtungen, auch Gleitringdichtungen genannt, werden gewöhnlich für mit hoher Drehzahl bei hohem Druck rotierende Einrichtungen verwendet, bei denen die Benutzung der üblichen mechanischen Gleitringdichtungen mit Flächenberührung zu einer zu starken Erwärmung und einem zu hohen Verschleiß führen würde. Bei Betrieb ohne Berührung wird der unerwünschte Flächenkontakt dann vermieden, wenn die Welle über einer bestimmten Mindestdrehzahl rotiert, die sogenannte Abhubdrehzahl.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten für die oben erwähnte keine Berührung mit sich bringende Betriebsweise, unter denen eine der erfolgreichsten darin besteht, die eine Dichtfläche mit einer flachen Spiralnut zu versehen. Die gegenüberliegende Dichtfläche ist relativ flach und glatt. Der Flächenbereich, in dem diese beiden Dichtflächen einen Dichtspalt bilden, wird Dichtgrenzfläche genannt.
Die oben erwähnte Spiralnut auf einer der beiden Dichtflächen erstreckt sich normalerweise vom Außenumfang nach innen und endet an einem bestimmten Flächendurchmesser, genannt Nutdurchmesser.
Es ist wesentlich, daB die Spirale an dem Nutdurchmesser endet, der größer ist als der Innendurchmesser der Dichtgrenzfläche. Der verbleibende nicht genutete Bereich zwischen dem Nutdurchmesser und dem inneren Grenzflächendurchmesser dient zur Einschnürung des Fluidausstroms. Das durch die Spirale gelieferte Fluid muß diese Verengung passieren, und dies kann nur dann geschehen, wenn sich die Dichtflächen trennen. Dies geschieht durch den Druckaufbau. Für den Fall, daß die Flächen in Berührung bleiben, wird das Fluid unmittelbar vor der Verengung zusammengepreßt, so daß sich ein Druckaufbau ergibt. Der Druck verursacht eine Trennkraft, die schließlich größer wird als die Kräfte, die die Flächen zusammenhalten. In diesem Moment trennen sich die Dichtflächen und ermöglichen das Entweichen des Fluids. Während des Abdichtungsvorgangs entsteht von selbst ein Gleichgewicht zwischen dem durch die pumpende Spirale einströmenden Fluid und dem durch die Flächentrennung ausströmenden Fluid. Die Flächentrennung hält daher so lange an, wie die Dichtung arbeitet, d.h. also, solange wie die eine Fläche in bezug auf die gegenüberliegende Fläche rotiert. Der Pumpvorgang der Spirale ist jedoch nicht der einzige Faktor, der das Ausmaß der Trennung zwischen den Dichtflächen bestimmt. Ebenso wie die Spiralen in der Lage sind, das Fluid in den nicht genuteten Teil der Dichtgrenzfläche hinter den Nutdurchmesser zu treiben, kann dies auch die Druckdifferenz. Wenn die Druckdifferenz zwischen dem genuteten Ende der Grenzfläche und dem nicht genuteten Ende groß genug ist, wird das Fluid ebenfalls in den nicht genuteten Teil der Grenzfläche gedrückt, wodurch sich die Flächen trennen und den Spalt bilden.
Beide Möglichkeiten, die zur Spaltbildung zwischen den Dichtflächen führen, nämlich die eine mit Hilfe der Drehzahl und die andere mit Hilfe der Druckdifferenz, sind verschieden und getrennt, obgleich bei der Abdichtung im Betriebszustand beide Möglichkeiten gemeinsam effizient sind. Falls keine Druckdifferenz vorhanden wäre und die Trennung der Dichtflächen allein aufgrund der Flächenrotation erfolgt, sind die aufgrund des Fluidstroms vorhandenen Kräfte als hydrodynamische Kräfte bekannt, wenn das Dichtungsfluid eine Flüssigkeit ist, jedoch als aerodynamische Kräfte, wenn das Dichtungsfluid ein Gas ist.
Wenn andererseits keine gegenseitige Rotation zwischen den beiden Dichtflächen stattfindet und die Flächentrennung alleinig die Folge der Druckdifferenz zwischen den beiden Enden der Dichtgrenzfläche ist, werden die aufgrund der Fluidströmung entstehenden Kräfte hydrostatische Kräfte genannt, falls das Dichtungsfluid eine Flüssigkeit ist, hingegen aerostatische Kräfte, falls das Dichtungsfluid Gas ist. Im folgenden werden die Begriffe hydrostatisch und hydrodynamisch sowohl für Flüssigkeits- als auch für Gaseffekte benutzt, da diese Begriffe häufiger Verwendung finden als aerostatisch und aerodynamisch und letztere also keine andere Bedeutung besitzen.
Eine typische Spiralnutdichtung benötigt im Hinblick auf Leckage eine akzeptable Gebrauchstüchtigkeit sowie keine Flächenberührung während aller Dichtungsbetriebszustände.
Sie muß diesen Erfordernissen nicht nur bei hoher Drehzahl und Druck, sondern auch bei Stillstand und Anlauf sowie Beschleunigung in Zeiträumen gerecht werden, in denen eine Anlage aufgewärmt oder abgeschaltet wird. Unter normalen Betriebsbedingungen verändern sich Druck und Drehzahl ständig, was zu einer kontinuierlichen Verstellung des Laufspaltes führt. Diese Verstellung ist automatisch. Eine der Haupteigenschaften von Spiralnutdichtungen ist ihr Selbsteinstellvermögen. Bei Veränderung der Drehzahl oder des Druckes stellt sich der Flächenspalt automatisch auf eine neue Reihe Betriebszustände ein. Diese Einstellung bewirkt hydrostatische und hydrodynamische Kräfte.
Das Betriebsprofil bezüglich Drehzahlen und Drücken ist gewöhnlich sehr breit und eine Dichtungskonstruktion muß notwendigerweise einen Kompromiß darstellen. Wenn sie bei nahezu Null-Drehzahl oder nahezu Null-Druck brauchbar sein soll, arbeitet sie nicht gerade optimal bei höheren Betriebsdrehzahlen und -drücken. Dies ist einfach auf die Tatsache zurückzuführen, daß sowohl hinsichtlich des Druckes als auch der Drehzahl die Dichtung von Drehzahl null und Druckdifferenz null bis auf Betriebsbedingugnen gebracht werden muß.
Besonders kritisch für die Dichtungswirkung ist die Anlaufphase. Wenn die Dichtung für einen Zentrifugalgaskompressor Verwendung findet, wirkt oftmals die volle Unterdruckdifferenz auf die Dichtung ein, bevor die Welle sich zu drehen beginnt. Dadurch ergibt sich die Gefahr, daß die Dichtflächen durch gegenseitige Reibung blockieren. Die Flächenblockierung läßt, wenn die hydrostatische Kraft nicht ausreicht, Gegendruckkräfte entstehen, die die Dichtungsflächen in Berührung halten. Flächenblockierung kann zur Zerstörung der Dichtung führen, indem zu starke Abrißreibung zwischen den berührenden Dichtflächen zu einem starken Verschleiß oder Bruch der inneren Dichtkomponenten führen kann.
Zunächst müssen daher Spiralnuten in der Lage sein, Dichtflächen hydrodynamisch zu trennen, damit ein Betrieb ohne Berührung bei höchster Drehzahl stattfinden kann. Dies erfordert normalerweise ziemlich kurze und relativ tiefe Spiralnuten. Ferner müssen die Spiralnuten in der Lage sein, die Dichtflächen für Starts/Stops hydrostatisch zu entlasten und dadurch Flächenblockierung zu verhindern. Aus diesem Grunde müssen die Nuten lang sein. Diese langen Nuten bewirken wiederum eine raschere Trennung und stärkere Leckage während des Betriebs bei höchster, d.h. voller Drehzahl. Die Volldrehzahlleckage einer typischen 3,75''-Wellendichtung mit kurzen und verhältnismäßig tiefen Spiralen würde etwa 0,0255 m³/min betragen bei einem Druck von 70 kp/cm² und einer Drehzahl von 10.000 Upm. Die Höchstdrehzahlleckage für eine solche Dichtung mit langen Nuten erreicht jedoch unter denselben Bedingungen 0,0682 m³/min, also fast das Dreifache des vorherigen Wertes. Die ständige Belastung einer Leckage, die größer als notwendig ist, führt zu erheblichen Betriebskosten.

Der Stand der Technik, der zu der heutigen Spiralnutpraxis führt, geht auf das US-Patent 3 109 658 zurück. Zwei gegenüberliegende Spiralnuten pumpen Öl gegeneinander, wodurch eine Flüssigkeitsbarriere erzeugt wird, die Gas abdichten kann. Eine solche Anordnung ist jedoch hinsichtlich ihrer Möglichkeiten im Hinblick auf Druck und Drehzahl begrenzt, die bei der Verwendung von Flüssigkeitskräften zur Abdichtung von Gas eine Rolle spielen.

Die nächste wichtige bekannte Konstruktion auf diesem Gebiet ist dem US-Patent 3 499 653 zu entnehmen. Obgleich sich diese bekannte Einrichtung einer gegenwärtig gebräuchlichen Grenzflächenkonstruktion mit speziellen Spiralnuten bedient, stützt sie sich in hohem Maße auf hydrostatische Wirkungen, wobei ein Grenzflächenspalt in sich verjüngender Form Verwendung findet, der an dem nicht genuteten Ende enger und an den Spiralnuten breiter ist. Die Wirkung der Spiralnuten und damit der hydrodynamischen Kräfte wird auf diese Weise unterdrückt, da das Pumpen der Spiralnut über breitere Spalten hinweg weniger effektiv wird. Dies beeinträchtigt ebenfalls die Stabilität der Dichtung und begrenzt ihren Spitzendruck sowie ihre Geschwindigkeits- oder Drehzahltauglichkeit.

Danach wurde der maßgebliche Stand der Technik durch das US-Patent 4 212 475 festgelegt. Hierbei wurde die Tatsache, daß die Spiralnut selbst sowohl wie eine hydrostatische als auch eine hydrodynamische Anlage wirkt, dazu benutzt, auf die erforderlich gewesene, sich verjüngende Form des Spalts zu verzichten, um auf diese Weise die hydrodynamische Kraft der Spiralnut in erheblichem Maße auf die Dichtgrenzfläche zur Einwirkung zu bringen, um dadurch in dieser Grenzfläche einen Selbstausrichteffekt zu bewirken. Dieser Selbstausrichteffekt drückt die Dichtgrenzfläche zurück in eine parallele Lage, und zwar unabhängig davon, ob während des Abdichtungsvorgangs in radialer oder tangentialer Richtung Abweichungen aus der parallelen Lage aufgetreten sind. Dies ergab nicht nur eine allgemeine Verbesserung der Stabilität des Dichtungsbetriebs, sondern führte auch zu höheren Leistungsgrenzen bezüglich Druck und Drehzahl.

Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gemacht, die Leistungsfähigkeit der Spiralnutdichtung zu verbessern sowie ihre Druck- und Drehzahlbegrenzungen noch über den Bereich der bekannten Konstruktion hinaus zu erweitern.

Zu diesem Zweck kombiniert die Erfindung zwei Spiralnutmuster zu einem mit dem Ziel, eine Dichtung zu schaffen, die eine hydrostatische Öffnungskraft für sichere Start/Stops erzielt, ohne jedoch die Nachteile zu starker hydrodynamischer Wirkungen, eines zu großen Spaltes und einer zu hohen Leckage zu provozieren.

Das eine Spiralnutmuster ist so gestaltet und optimiert, daß im geschlossenen Zustand bei nahezu Null-Leckage eine Dichtflächenblockierung nicht erfolgt. Das andere Spiralnutmuster ist so gestaltet, daß es eine optimale Leistung der Dichtung bei Betriebsdrehzahlen und -drücken gewährleistet. Somit besteht nun nicht mehr die Notwendigkeit, bei nur einem bekannten Spiralnutmuster einen Kompromiß einzugehen, um gleichzeitig die Betriebsbedingungen bei Start und Stop zu befriedigen. Die sich ergebende Dichtung arbeitet mit geringeren Leckageraten und ist daher in der Lage, bei höheren Drehzahlen und Drücken zu laufen, bevor zu starke Leckageraten zu instabilen Zuständen führen können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine axiale Viertelschnittseitenansicht einer Dichtung gemäß der Erfindung, die die Relativstellung der verschiedenen Teile bei rotierender Welle zeigt,
2 eine längs der Linie 2-2 in 1 geschnittene Stirnansicht, die einen der Dichtungsringe einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
3 eine Teilschnittansicht der Spiralnuten in der Dichtungsringoberfläche, und zwar längs der Linie 3-3 in 2,
4 eine geschnittene schematische Seitenansicht der Dichtungsgrenzfläche und eines axial beweglichen Dichtungsrings mit Angabe der auf sie einwirkenden Axialkräfte,
5 ein Druck-Spalt-Diagramm, das die hydrostatischen und hydrodynamischen Spalte für vier unterschiedli che Spiralnutkonfigurationen kennzeichnet,
6 eine vergrößerte Schnittdarstellung zweier miteinander in Berührung befindlicher, flacher Oberflächen,
7 eine der 2 ähnliche schematische Stirnansicht einer anderen Ausführungsform,
8 eine Teilschnittansicht ähnlich der von 3, die eine andere Ausführungsform zeigt, und
9 eine Teilschnittansicht ähnlich der von 8, die eine weitere andere Ausführungsform zeigt.
In 1 ist zunächst der Erfindungsgegenstand und seine Umgebung dargestellt. Diese Umgebung weist ein Gehäuse 10 und eine drehbare Welle 12 auf, die sich durch das Gehäuse hindurch erstrecken. Der Erfindungsgegenstand dient dazu, ein innerhalb des Ringraumes 14 befindliches Fluid abzudichten, um sein Entweichen in die mit 16 bezeichnete Umgebung des Fluids zu beschränken. Die grundlegenden Komponenten der erfindungsgemäßen Einrichtung weisen einen ringförmigen, axial beweglichen Dichtring 18 auf, der eine sich radial erstreckende Fläche 19 besitzt, welche mit einer sich ebenfalls radial erstreckenden Fläche 21 eines ringförmigen, drehbaren Dichtrings 20 in Dichtungswirkung steht. Der Dichtring 18 ist in dem Hohlraum 15 des Gehäuses 10 angeordnet und wird dort im wesentlichen konzentrisch zum drehbaren Dichtring 20 gehalten. Zwischen dem Gehäuse 10 und dem Dichtring 18 befinden sich mehrere Federn 30, die rund um den Hohlraum 15 des Gehäuses 10 in gleichen Abständen angeordnet sind. Die Federn 30 drücken den Dichtring 18 mit dem Dichtring 20 in Eingriff. Ein O-Ring 38 dichtet den Raum zwischen dem Dichtring 18 und dem Gehäuse 10 ab. Der Dichtring 20 wird durch eine Hülse 32 in axialer Position gehalten. Die Hülse 32 ist konzentrisch auf der Welle 12 angeordnet und wird dort durch eine Verriegelungsmutter 34 arretiert, die, wie aus der Zeichnung ersichtlich, auf die Welle 12 aufgeschraubt ist. Die O-Ringdichtung 36 verhindert Leckage zwischen dem Dichtring 20 und der Welle 12. Im Betriebszustand befinden sich die sich radial erstreckende Fläche 21 des Dichtrings 20 und die sich radial erstreckende Fläche 19 des Dichtrings 18 in Dichtungsfunktion, wobei sie einen sehr engen Spalt aufrechterhalten, der durch die Kombination der beiden Spiralnutmuster 22 und 24 erzeugt wird, welche auf chemischem Wege in die Dichtfläche 21 des Dichtrings 20 eingeätzt worden sind. Anordnungen, bei denen diese Spiralmuster in die Dichtfläche 19 des Dichtrings 18 eingeätzt sind, arbeiten ebenfalls effektiv. Der genannte enge Spalt verhindert das Entstehen von Reibungswärme sowie Abrieb und begrenzt dabei den Ausstrom von abgedichtetem Fluid, das im Raum 14 vorhanden ist.
2 zeigt eine Aufrißansicht der Dichtfläche 21 des Dichtrings 20 mit zwei übereinander angeordneten Mustern von Spiralnuten 22 und 24, und zwar in Richtung 2-2 von 1. Die gezeigten Spiralnuten 22 und 24 sind im Gegenuhrzeigersinn ausgerichtet und erstrecken sich einwärts bei einer bestimmten Drehrichtung der Welle und sind im Uhrzeigersinn sowie nach innen gerichtet bei entgegengesetzter Wellendrehrichtung. Das innere Spiralnutmuster 24 ist eine Verlängerung des äußeren Spiralnutmusters 22, und beide Muster sind durch konzentrische, sich um den Umfang erstrekkende Stufensegmente 26 getrennt. Das innere Ende des Spiralnutmusters 24 ist durch die konzentrischen, sich um den Umfang erstreckenden Stufensegmente 28 begrenzt.
Die 3, 8 und 9 zeigen die Spiralnuten 22 und 24 im Schnitt längs der Linie 3-3 in 2. Die Spiralnut 22 ist in die Dichtfläche 21 zwischen das Stufensegment 26 und den Außenumfang des Dichtrings 20 eingeschnitten, wobei verhält nismäßig tiefe Vertiefungen gebildet werden. Die Spiralnuten 24 befinden sich neben den Spiralnuten 22 an den Stufensegmenten 26 und werden durch die Stufensegmente 26 und 28 begrenzt, wobei sie verhältnismäßig flache Vertiefungen bilden.
4 zeigt den axial beweglichen Dichtring, der gegenüber einem anderen Dichtring bekannter Art mit einfachem Spiralnutmuster angeordnet ist, wobei beide durch den Spalt C getrennt sind. Das gezeigte Spiralnutmuster wird von den Abmessungen A und B begrenzt. Auf beiden Seiten des axial beweglichen Dichtrings sind Axialkräfte dargestellt, die sich im Gleichgewicht befinden. Die Axialkräfte sind in Form mehrerer Pfeile gezeigt, welche in einem Feld liegen, das begrenzt wird von der Druckverteilung über der Vorder- und Rückseite des gezeigten Dichtrings. Wenn sich diese Druckverteilungen ändern, so ändert sich das Kraftgleichgewicht und es entsteht eine Kraftdifferenz, die den Dichtring verschiebt, um dadurch die Flächentrennung neu einzustellen, woraufhin das Kraftgleichgewicht wieder hergestellt ist.
In einem weiten Feld von Dichtungsbetriebspunkten betrifft der allererste den Augenblick, in dem sich die Welle zu drehen beginnt. Normalerweise hält an dieser Stelle die Dichtung bereits der Druckdifferenz stand. Was erforderlich ist, um die Welle anlaufen zu lassen, ist ein geringes Spiel oder Spalt C oder Null-Spiel, wobei dann, wenn der Spalt im Begriff ist, sich zu öffnen, der Fall eintritt, daß die Schließ- und Öffnungskräfte nahezu gleich sind. Was vermieden werden muß, ist ein großer Spalt, verbunden mit starker Leckage und Null-Spalt verbunden mit einer Schließkraft, die viel größer ist als die Öffnungskraft. Dann würden nämlich die Dichtflächen sich aufgrund von Reibung gegenseitig blockieren und sollte dann die Welle anfangen, sich zu drehen, würde dies zu einer Beschädigung der Dichtung führen.
Der Null-Spalt-Zustand unmittelbar beim öffnen ist höchst erwünscht und erfindungsgemäß auch für einen weiten Bereich von Dichtungsdrücken erreichbar. In diesem Zustand kann die Einrichtung unter vollem Druck monatelang in Betriebsbereitschaftsstellung gehalten werden, und zwar bei nahezu Null-Leckage und minimalem Produktverlust.
Der Anfahrzustand wird durch hydrostatische Einflüsse gesteuert, da die Welle sich dann noch nicht dreht. Die Spiralnut wirkt wie eine Stufe im Durchschnittsspalt zwischen den Flächen. Gemäß 4 ist dieser Durchschnittsspalt dann im genuteten Bereich größer und im inneren, nicht genuteten Bereich schmaler, so daß sich dann ein Verhältnis von äußerem zu innerem Spalt definieren läßt. Das hier anwendbare hydrostatische Prinzip lehrt, daß dann, wenn dieses Verhältnis geändert wird, indem die Spiralnuten tiefer oder flacher gemacht werden, also bei Änderung der Abmessung B in 4, als Folge dessen sich der Spalt C ändert. Diese Änderung ist derart, daß der Spalt C sich mit größer werdendem B vergrößert und umgekehrt. Eine ähnliche Wirkung tritt auch bei Spiralnuten auf, deren Tiefe sich vom äußeren Flächenumfang nach innen verkleinert. Je größer die Nuttiefe am äußeren Umfang und je stärker sich die Nuttiefe verringert, desto größer ist der Gleichgewichtsspalt C und umgekehrt.
Erfindungsgemäß verleihen einem Spiralnutmuster relativ große Abmessungen A und relativ kleine Abmessungen B, wie in 4 gezeigt, einzigartige hydrostatische Eigenschaften, wobei sein hydrostatischer Spalt C so klein ist, daß er sich dem Durchschnittsspalt annähert, der aufgrund der Rauhigkeitsspitzen und -täler auf den einander berührenden beiden Dichtoberflächen existiert.
Diese Situation ist vergrößert in 6 durch die Abmessung S dargestellt. Keine Oberfläche, keine Sache, wie glatt sie auch immer sein mag, ist absolut flach. Es ist immer eine gewisse Rauhigkeit vorhanden, die, gekennzeichnet durch Miniaturspitzen und -täler und zwei solcher Oberflächen, die miteinander in Berührung stehen, zwischen sich immer Kanäle offen läßt, durch die ein geringer Fluidstrom zwischen den sich berührenden Rauhigkeitsspitzen stattfindet. Die Abmessung S zeigt den aufgrund dieses Rauhigkeitseffektes vorhandenen Durchschnittsspalt.
Ziel der Erfindung ist es, den hydrostatischen Spalt C so auszubilden, daß er in einem möglichst breiten Druckbereich der Abmessung S angenähert wird, ohne die Dichtflächen zu öffnen. Dann werden die Dichtflächen geschlossen sein, wobei jedoch die Öffnungs- und Schließkräfte nahezu gleich sind, und Arretierung oder Blockierung durch Flächenreibung verhindert wird.
Durch das in 5 dargestellte Schaubild wird der obige Fall demonstriert, wobei Unterschiede im Grenzflächenspalt aufgrund von Druckwechsel für individuelle Spiralnutmuster sowie für neue Musterkombinationen gemäß der Erfindung zu sehen sind.
Das Schaubild zeigt acht Kurven, je zwei für drei Einzelmuster, und zusätzlich zwei für Musterkombination. Eine dieser Kurven fällt mit der senkrechten Achse zusammen, und zwei weitere Kurven fallen übereinander; so daß nur sechs Kurven in 5 eingezeichnet sind. Die Spiralnutmuster, die diesen Kurven entsprechen, sind im Querschnitt zusammen mit Dimensionsangaben an der oberen rechten Seite von 5 dargestellt.
Zunächst ist ein Spiralnutmuster A mit einem Nutdurchmesser von 76,2 mm und einer Nuttiefe von 0,000254 mm für einen hydrostatischen Auftrieb vorgesehen. Seine Spaltdruck-Charakteristik bei Null-Drehzahl wird durch die Kurve A1 darge stellt. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß bereits bei einem Druck von 2,81 kp/cm² zwischen den Dichtflächen ein geringer Spalt auftritt. Der Spalt ist berechnet, und die tatsächlichen Dichtflächen zeigen eine gewisse Oberflächenrauhigkeit, so daß der betreffende Spalt nicht notwendigerweise groß genug sein wird, um Flächenberührung zu beseitigen. Er wird jedoch ausreichen, um zwischen Schließ- und Öffnungskräften ein annäherndes Gleichgewicht zu schaffen und dadurch Dichtflächenblockierung und die Gefahr einer Dichtungsbeschädigung zu verhindern. Tatsächlich schafft der hydrostatische Auftrieb durch das Spiralnutmuster A ideale Bedingungen für eine leichte Flächenberührung und deshalb nur Spuren von Leckagefluid zwischen den Flächenrauhigkeitsspitzen, einer Leckage also, die nicht viel ändert, ob nun die Flächenberührung gering oder stark ist. Die Dichtflächen befinden sich in einem weiten Druckbereich an der Grenze des Öffnens, und die Wellendrehung kann anlaufen bei jedem dieser Drücke ohne Gefahr der Dichtungsbeschädigung. Eine Vergrößerung der Tiefe des Musters A würde zu einem Abheben der Flächen führen und dadurch eine erhebliche Leckage verursachen, also eine Situation heraufbeschwören, die für eine Einrichtung unerwünscht ist, welche lange Zeiträume unter Druck in Betriebsbereitschaft zu halten ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß das Muster A nicht als Spirale ausgeführt werden muß, um effektiv zu sein. Wie aus 7 ersichtlich, die eine der 2 ähnliche Ansicht zeigt, würde dieses Muster ebenfalls hydrostatisch effektiv sein, wenn es als Muster mit flachen, radialen Nuten 25 an den tieferen äußeren Spiralnuten 22 ausgebildet wäre. Die Radialnuten 25 ergeben sich, wenn der Spiralwinkel der Nut 24 entsprechend 2 sich vergrößert. Nutformen zwischen diesen beiden Extremen sind ebenfalls effektiv.
Die entsprechende Volldrehzahlcharakteristik für das betreffende Muster A ist bei A2 gezeigt. Dynamische Kräfte der Hochgeschwindigkeitswellendrehung bestimmen gewisse Minimalspalte für den Dichtungsbetrieb ohne Berührung, so daB Spalte gemäß A2 nicht ausreichen. Das Muster A allein ist daher nicht brauchbar.
Das Muster B mit 87 mm Nutdurchmesser und 0,00508 mm Nuttiefe andererseits eignet sich für optimalen Volldrehzahlbetrieb. Als solches ist es vergleichsweise tief, um genug Fluid in die Dichtungsgrenzfläche zu pumpen, um dadurch die Flächen ausreichend zu trennen, und es ist vergleichsweise kurz, um eine minimal mögliche hydrostatische Wirkung zu erzielen und dadurch zu verhindern, daß es irgendein anderes Muster stört, mit dem es möglicherweise kombinierbar ist. Das Muster B hebt die Flächen nicht hydrostatisch ab, weshalb seine B1-Kurve mit der senkrechten Schaubildachse für Null-Spalt bei allen Drücken zusammenfällt. Ein solches Muster würde bei den meisten Drücken Flächenblockierung bewirken, weshalb das Muster B allein demnach nicht brauchbar ist. Die Kurve B2 zeigt einen ausreichenden Dichtflächenspalt für hydrodynamischen Betrieb, bei dem sich die Flächen nicht berühren.
Das dritte erfindungsgemäße Muster, das mit AB bezeichnet ist, setzt sich aus dem Muster A und dem Muster B zusammen. Die statische Auftriebskurve AB1 liegt aufgrund der geringfügigen bleibenden Wirkung des B-Teils des Musters rechts von A1. Die hydrodynamische Auftriebskurve AB2 fällt fast mit der Kurve B2 zusammen, da die AB2-Spalte die B2-Spalte um ein nur geringes Ausmaß von weniger als 5% übersteigen. Dieses Muster erfüllt somit beide Kriterien des hydrostatischen Auftriebs bei nicht auftretender Flächenblockierung und des zufriedenstellenden hydrodynamischen Spaltes bei niedriger Leckage und stellt somit eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar.
Zu Vergleichszwecken ist das bekannte Muster C mit 82,7 mm Nutdurchmesser und 0,00508 mm Nuttiefe für sowohl hydrostatischen Auftrieb als auch hydrodynamischen Betrieb durch die gestrichelten Linien C1 und C2 dargestellt. Das Muster C war dazu bestimmt, Dichtflächen hydrostatisch gerade weit genug abzuheben, um ein Anfahren unter vollem Druck zu ermöglichen. Ein Versuch, dieses Muster zur Erzielung geringerer Leckage weiter zu kürzen, würde zu hydrostatischer Flächenblockierung führen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, wie vergleichsweise ungeeignet eine tiefe hydrodynamische Nut für hydrostatischen Auftrieb ist. Wie aus der C1-Kurve ersichtlich, tendieren Dichtungsflächen nur unter hohen Drücken zum Öffnen, lassen jedoch beim Öffnen schnell einen Spalt entstehen. Die Notwendigkeit, die Musterlänge zu vergrößern, um Flächenblockierungen zu beseitigen, verschlechtert erheblich den hydrodynamischen Betrieb und verschiebt die C2-Kurve in erheblichem Maße auf die rechte Seite der Kurven B2 und AB2.
Da sich die Leckage grob gesehen mit der dritten Potenz des Spaltes ändert, führt ein Anstieg der Leckage von B2/AB2 zu C2 bei 70 kp/cm² zu einem Anstieg von 0,0255 m3 auf etwa 0,0679 m³, also um fast 170%.
Wie ersichtlich, wird durch das erfindungsgemäße AB-Doppelmuster im Vergleich zu dem bekannten Muster C eine erhebliche Verringerung der Leckage erreicht. Das Einzelmuster B mit ähnlichen hydrodynamischen Eigenschaften wie AB läßt sich nicht verwenden, da es nicht genug hydrostatischen Auftrieb erzeugt und zu einer Arretierung oder Festfressen der Flächen führen würde. Auch das Einzelmuster A kann nicht benutzt werden, da es zwar die Flächenarretierung verhindert, jedoch nicht sicherstellt, daß sich die Flächen unter hohem Druck und hoher Drehzahl während des Betriebs nicht berühren.

Claims

Mechanische Gleitringdichtung zum Abdichten eines Fluids in einem zwischen einem Gehäuse und einer drehbaren Welle befindlichen Raum, umfassend einen ersten Dichtring (20), der auf der Welle (12) zusammen mit dieser drehbar angebracht ist und eine erste, ebene Dichtfläche (21) aufweist, einen zweiten Dichtring (18), der relativ zum Gehäuse (10) nicht drehbar abgestützt ist und im wesentlichen koaxial zu dem ersten Dichtring (20) liegt und eine zweite ebene Dichtfläche (19) aufweist, die axial neben und gegenüber der ersten Dichtfläche (21) angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten ebenen Dichtflächen, wo sie einander gegenüberliegen, zwischen sich einen ringförmigen Dichtungsbereich begrenzen, der sich radial zwischen erstem und zweitem Umfang erstreckt, einen dieser Dichtringe (18, 20), welcher axial beweglich ist, und eine elastische Einrichtung (30), um den axial beweglichen Dichtring (18) gegen den anderen Dichtring (20) zu drücken, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Nuteneinrichtung (22) in einer der ebenen Dichtflächen (19, 21) zum Erzeugen eines hydrodynamischen Fluidlagers zwischen den ersten und zweiten Dichtflächen ausgebildet ist, und eine zweite Nuteneinrichtung (24, 25) in der einen Dichtfläche (21) zum Erzeugen eines hydrostatischen Fluidlagers zwischen den ersten und zweiten Dichtflächen (19, 21) ausgebildet ist, die erste Nuteneinrichtung mehrere erste, verhältnismäßig tiefe und im wesentlichen schräge Nutenabschnitte (22) aufweist, die zueinander in Umfangsrichtung beabstandet angeordnet sind und sich von dem ersten Umfang weg nach innen erstrecken, und die zweite Nuteneinrichtung mehrere zweite, verhältnismäßig flache Nutenabschnitte (24, 25) aufweist, die sich mit geschlossenen Enden der ersten Nutenabschnitte (22) verbinden und deren Verlängerungen bilden, wobei die geschlossenen Enden der ersten Nutenabschnitte (22) eine abrupte, stufenartige Änderung (26) der Nutentiefe zwischen den ersten und zweiten Nutenabschnitten (22, 24, 25) festlegen, die geschlossenen Enden (26) auf einem Durchmesser angeordnet sind, der radial zwischen dem ersten und dem zweiten Umfang liegt, wobei die zweiten Nutenabschnitte (24, 25) von diesem Durchmesser zu dem zweiten Umfang hin verlaufen, jedoch kurz vor diesen enden, und wobei die zweiten Nutenabschnitte (24, 25) von dem zweiten Umfang durch einen ringförmigen, ungenuteten Flächenabschnitt auf der einen Dichtfläche (21) getrennt sind, und daß der erste Umfang mit dem Fluid in Verbindung steht.
Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der tiefe Nutenabschnitt (22) eine Tiefe von nicht mehr als 0,0254 mm (0,001 Inch) hat.
Gleitringdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der tiefe Nutenabschnitt eine Tiefe im Bereich von 0,00254 – 0,00762 mm aufweist.
Gleitringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Nutenabschnitte (24, 25) eine Tiefe im Bereich von 0,000254 – 0,001778 mm aufweisen.
Gleitringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Nutenabschnitte (24) angrenzend an die jeweiligen tiefen Nutenabschnitte (22) schräg nach innen verlaufen.
Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Nutenabschnitte (25) ausschließlich in radialer Richtung zum zweiten Umfang hin vorstehen.
Gleitringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die tiefen als auch die flachen Nutenabschnitte (22, 24, 25) im wesentlichen gleichförmige Tiefen haben.
Gleitringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Nutenabschnitte (22, 24, 25) in einer Richtung weg von dem ersten Umfang eine abnehmende Tiefe hat.
Gleitringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Tiefe der flachen Nutenabschnitte (24, 25) zu derjenigen der tiefen Nutenabschnitte (22) im Bereich zwischen 0,05 und 0,25 liegt.