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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
trockenlaufende Garnitur mit aerodynamischem Luftkissen für
die Abdichtung eines gasförmigen Milieus gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Garnitur ist bekannt aus
der Druckschrift Heinz Konrad Müller: "Abdichtung bewegter
Maschinenteile" 1990, Ursula Müller, Waiblingen, Seiten 236
bis 241.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine Garnitur mit
einem ortsfesten primären Dichtungsring und einem
komplementären Dichtungsring, wobei die einander gegenüberliegenden
und aufeinander reibenden Seiten sich radial erstrecken und
einer der Ringe dicht an einem Rahmen befestigt ist, während
der andere an einer Welle befestigt sein soll, und wobei
"Speiserinnen" sich ausgehend von einem der Ränder der
reibenden Seite eines dieser Ringe nach innen erstreckt.
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Eine solche mechanische Garnitur ist in der Lage,
eine drehende Welle beim Durchtritt durch eine Wand eines
Behälters gegen den Durchgang eines gasförmigen Fluids mit
Hilfe eines Gasfilms in Höhe des Übergangs zur Garnitur und
mit Hilfe eines kontrollierten Leckdurchsatzes abzudichten.
Ein Ring ist fest mit der drehenden Welle verbunden und
bietet eine Reibfläche, die einer zweiten, ortsfesten
Reibfläche eines zweiten mit dem Rahmen fest verbundenen Rings
gegenüberliegt. Die beiden Ringe werden durch eine
mechanische Kraft aufeinandergedrückt, die von einer oder mehreren
Federn oder einem elastischen Balg erzeugt wird. Die durch
die beiden Ringe und den ortsfesten Rahmen begrenzte Kammer
wird mit dem abzudichtenden Gas gespeist. Der Druck in
dieser Kammer ist höher als der, der in der durch die beiden
Ringe und die Welle begrenzten Kammer herrscht.
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Die trockenlaufenden Garnituren mit aerodynamischem
Luftkissen stellten auf dem Gebiet der Dichtungsgarnituren
einen erheblichen Fortschritt dar, da sie im Vergleich zu im
allgemeinen geschmierten mechanischen Reibgarnituren
zahlreiche Vorzüge aufweisen. Aufgrund der Reibung erzeugten
nämlich letztere Temperaturerhöhungen und einen
unvermeidlichen Abrieb. Sie erforderten außerdem Hilfssysteme zum
Schmieren und/oder Kühlen.
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Das Arbeitsprinzip der Garnitur mit aerodynamischem
Luftkissen beruht auf dem Gleichgewicht zwischen den
kontinuierlich vorliegenden aerostatischen Kräften, die auf die
den mechanischen Kräften und dem Druck unterworfenen
Bauteile einwirken, und den aerodynamischen Kräften, die am
Übergang zwischen den beiden reibenden Seiten in der Garnitur
bei der Drehung eines Rings auf dem anderen erzeugt werden.
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Diskontinuierliche Vorsprünge sind auf mindestens
einer der ringförmigen Dichtungsseiten vorgesehen, die den
Übergang bilden, so daß bei einer Relativbewegung der beiden
Ringe das Fluid zwischen die Seiten des reibenden Übergangs
eindringt und einen tragenden Gasfilm bildet, der den
Kontakt zwischen dem festen und dem drehenden Ring somit völlig
beseitigt.
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Seit dem Beginn der Entwicklung solcher mechanischer
Garnituren mit aerodynamischem Luftkissen haben die
Entwicklungsingenieure verschiedene Typen von Diskontinuitäten
entwickelt, um diesen tragenden Film zu erzeugen.
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Ein erster Typ von Nuten enthält Rinnen mit dem
Profil einer logarithmischen Spirale. Spiralförmige Rinnen
erstrecken sich nach innen ausgehend von einem Rand der
reibenden Seite des Rings und enden bei einem Durchmesser,
der eine Zone mit Rinnen gegen eine Zone ohne Rinnen,
kontinuierliche Spur genannt, abgrenzt.
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Das Gas wird in die Rinnen gepumpt und dann aufgrund
seiner Viskosität, der Drehung und des Profils der Spirale
bis in eine ringförmige Zone geführt, in der die Rinnen
enden. Dann wird es am Ende der Rinnen durch Einengung des
Gasflusses komprimiert, was zu einem Überdruck führt. Das
Gas wird dann in Form des tragenden Films entlang der
kontinuierlichen Spur in die Kammer abgeleitet, die durch die
beiden Ringe und die Welle begrenzt wird.
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Der in der Zone hohen Drucks herrschende Druck ist
größer als der Außendruck. Diese Zone ist in Umfangsrichtung
kontinuierlich, aber besitzt eine begrenzte Breite in
radialer Richtung.
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Eine zweite Art von Nuten enthält Rinnen, die Profile
nach Art von Rayleigh-Gleitschuhen bilden.
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Die Profile enthalten radiale Rinnen, die sich
ausgehend von einem der Ränder der reibenden Seite des Rings
nach innen erstrecken und an einem Durchmesser enden, der
eine Zone mit Rinnen gegenüber einer Zone ohne Rinnen,
kontinuierliche Spur genannt, begrenzt. Das Ende jeder
radialen Rinne ist mit einer Umfangsrinne geringerer Tiefe
verbunden.
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Das Gas wird zuerst in die radialen Rinnen gepumpt,
die die Umfangsrinnen speisen. Aufgrund der Viskosität des
Gases und der Drehung wird das Gas dann in Zonen am Ende
jeder Umfangsrinne gedrückt, wo es aufgrund der
Diskontinuität der Rinnentiefe komprimiert wird, so daß sich ein
Überdruck durch Sprungeffekt ergibt. Dann wird das Gas in Form
des tragenden Films entlang der kontinuierlichen Spur in die
durch die beiden Ringe und die Welle begrenzte Kammer
abgeführt.
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Diese Hochdruckzonen sind in radialer Richtung sehr
breit, aber in Umfangsrichtung diskontinuierlich.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Anordnung von
Rinnen zur Erzeugung von aerodynamischen Kräften in Höhe des
Übergangs von mechanischen Garnituren mit aerodynamischem
Luftkissen vor, wobei diese Kräfte eine sehr homogene Zone
hohen Drucks erzeugen, die in radialer Richtung breit und in
Umfangsrichtung kontinuierlich ist, im Gegensatz zu den
Profilen der bisher bekannten Garnituren.
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Hierzu sind erfindungsgemäß mindestens zwei
benachbarte Hauptrinnen unterschiedlicher Tiefe, die vom Rand
einen Abstand und ein konvergentes Profil besitzen, an jede
der Speiserinnen angeschlossen, wobei die Gesamtheit dieser
Rinnen sich bis zu einem Durchmesser des Rings erstreckt,
der eine Zone mit Rinnen gegen eine Zone ohne Rinnen
abgrenzt.
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Die Folge mehrerer Rinnen erzeugt mehr Überdrücke,
die durch den Übergang zwischen aufeinanderfolgenden
Diskontinuitäten progressiv gestaffelt sind.
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Außerdem ergibt das Ausschneiden von einer
Speiserinne und von mehreren Hauptrinnen unterschiedlicher Tiefe eine
genaue Positionierung der Zone höchsten Drucks in Höhe des
Übergangs der Garnitur abhängig von Betriebsparametern und
eine Verteilung dieser Zone hohen Drucks über einen in
radialer Richtung breiteren Spurbereich.
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Dies bewirkt, daß die aerodynamische Kraft, die im
Übergang erzeugt wird, zunimmt und eine größere axiale Last
tragen kann und daß ein Gasfilm mit in radialer Richtung
gleichmäßigerem Druck entsteht und damit größere
Fluchtungsfehler der beiden Ringe abgefangen werden können.
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Indem die Tiefe der Hauptrinnen optimal gestaltet
wird, kann man die Zone größten Drucks so legen, daß das
Gleichgewicht zwischen den aerostastischen und den
aerodynamischen Kräften zu einem Profil paralleler Seiten unter
allen gegebenen Betriebsbedingungen führt.
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Diese Diskontinuitäten in der Höhe aufgrund der
aufeinanderfolgenden Sprünge ergeben eine in radialer
Richtung sehr breite Druckzone. Da die Profile jeder Hauptrinne
konvergieren, wird das Gas durch Einengung des in jeder
Rinne entstehenden Flusses komprimiert.
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Gemäß einer ersten Ausführungsvariante der
Speiserinnen sind diese radial.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante der
Speiserinnen verlaufen diese in Umfangsrichtung.
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Gemäß einer ersten Variante für die Herstellung der
Hauptrinnen sind diese radial.
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Gemäß einer ersten Variante für die Herstellung der
Hauptrinnen verlaufen diese in Umfangsrichtung.
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Diese verschiedenen Konfigurationen erlauben es, den
Gasdurchfluß von einer Kammer zur anderen abhängig von den
abzudichtenden Drücken und der Relativgeschwindigkeit
zwischen dem festen und dem drehenden Ring zu minimieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gibt es drei
Hauptrinnen für jede Speiserinne.
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Um einen Sprungeffekt zu erhalten, besitzen die
Hauptrinnen eine geringere Tiefe als die entsprechende
Speiserinne.
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Gemäß einer Variante der Ausführung der Hauptrinnen
besitzen diese eine voneinander abweichende Tiefe, die mit
dem Abstand vom Umfang des Rings abnimmt.
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Gemäß einer zweiten Variante der Herstellung der
Hauptrinnen besitzen diese eine voneinander abweichende
Tiefe, die mit der Entfernung von der entsprechenden
Speiserinne abnimmt.
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Da der Gasüberdruck, mit dem ein tragender Film in
der Zone ohne Rinnen erzeugt werden kann, durch eine
Diskontinuität der Höhe in der Gasströmung erhalten wird, können
mehrere Diskontinuitäten realisiert werden, die jeweils beim
Durchgang das Druckfeld und die dadurch erzeugte
aerodynamische Kraft erhöhen.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Figur 1 zeigt im Längsschnitt eine erfindungsgemäße
aerodynamische Garnitur.
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Die Figuren 2 bis 5 zeigen Ausschnitte aus der
Reibseite des Rings gemäß erfindungsgemäßen
Ausführungsvarianten.
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Figur 1 zeigt eine Gasgarnitur mit einem nicht
drehenden primären Dichtungsring 1 und einem komplementären
Dichtungsring 2, die einander gegenüberliegende "Reibseiten"
3, 4 besitzen, die sich radial erstrecken. Einer dieser
Ringe 1 ist dicht auf einem Rahmen 5 über das Bauteil 11
befestigt, während der andere auf einer Welle 6 befestigt
ist. Der Ring 1 wird durch eine Federanordnung 12 gegen den
Ring 2 gedrückt.
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Wie in den Figuren 2 bis 5 zu sehen ist, erstrecken
sich Speiserinnen ausgehend von einem der Ränder der
Reibseite 4 eines der Ringe 2 nach innen und mindestens zwei
Hauptrinnen 8, 9, 10 besitzen unterschiedliche Tiefen,
liegen nebeneinander und haben einen Abstand von dem Rand
sowie ein konvergierendes Profil, d.h. ihre Ränder nähern
sich einander an. Diese Hauptrinnen sind je an eine der
Speiserinnen 7 angeschlossen und die Gesamtheit der Rinnen 7
bis 10 erstreckt sich bis zu einem Durchmesser des Rings 2,
der eine Zone mit Ringen gegenüber einer Zone ohne Rinnen,
also die kontinuierliche Spur abgrenzt. Ein Pfeil zeigt die
Drehrichtung des Rings an.
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Vorzugsweise gibt es drei Hauptrinnen 8, 9, 10 für
jede Speiserinne 7.
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Ganz allgemein hat die Gesamtheit der Rinnen 7 bis 10
eine Form eines Flügels, der entgegen der Drehrichtung
ausgerichtet ist.
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Gemäß Figur 2 verlaufen die Speiserinnen 7 radial und
die Hauptrinnen 8, 9, 10 in Umfangsrichtung.
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Die Speiserinne 7 ist gegen die Drehrichtung des
Rings geneigt. Die Hauptrinnen 8, 9, 10 liegen auf einer
Seite der Speiserinne 7 eine unter der anderen, wobei jede
in die Speiserinne mündet und neben einer anderen Hauptrinne
liegt. Ihre Länge ist so gewählt, daß unter Berücksichtigung
der Neigung der Speiserinne die der Mündung in die
Speiserinne 7 entgegengesetzten Enden in gleicher Richtung wie die
Neigung der Speiserinnen 7 versetzt sind.
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Gemäß Figur 3 verlaufen die Speiserinnen 7 in
Umfangsrichtung ebenso wie die Hauptrinnen 8, 9, 10.
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Die Speiserinne 7 ist ein Abschnitt entlang des Rands
des Rings. Die Hauptrinnen 8, 9, 10 sind länger und liegen
unter dieser Speiserinne 7 versetzt zueinander
untereinander, so daß ihre Enden im wesentlichen entlang von
radialen Linien angeordnet sind, um eine allgemeine Form der
Gesamtheit der Rinnen 7 bis 10 gleich der in Figur 2
gezeigten zu ergeben.
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Gemäß Figur 4 verlaufen die Speiserinnen 7 in
radialer Richtung ebenso wie die Hauptrinnen 8, 9, 10.
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Die Speiserinnen 7 ist entgegen der Drehrichtung des
Rings geneigt. Die Hauptrinnen 8, 9, 10 sind nebeneinander
auf einer Seite der Hauptrinne angeordnet, um eine
allgemeine Form eines Flügels ähnlich den vorhergehenden Formen zu
ergeben.
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Gemäß Figur 5 verlaufen die Speiserinnen 7 in
Umfangsrichtung und die Hauptrinnen 8,9, 10 in radialer
Richtung.
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Die Speiserinne 7 ist ein Abschnitt, der sich entlang
des Randes des Rings erstreckt. Die Hauptrinnen 8, 9, 10
sind unter dieser Speiserinne 7 eine neben der anderen
angeordnet und in zur Drehrichtung des Rings
entgegengesetztem Sinn geneigt.
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Die Hauptrinnen 8, 9, 10 haben eine geringere Tiefe
als die entsprechende Speiserinne 7.
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Im Fall der Figuren 2 und 3 besitzen die Hauptrinnen
8, 9, 10 im Vergleich zueinander eine abnehmende Tiefe mit
zunehmender Entfernung vom Rand des Rings.
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Gemäß den Figuren 4 und 5 besitzen die Hauptrinnen im
Vergleich zueinander abnehmende Tiefen entgegen der
Drehrichtung des Rings.
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Zwischen den gestrichelten Linien 13 und 14 ergibt
sich die Zone hohen Drucks. Wie bereits oben erwähnt, ist
diese Zone hohen Drucks in radialer Richtung breit und in
Umfangsrichtung kontinuierlich.