DE69735197T2

DE69735197T2 - Mit statischem druck arbeitende kontaktlose gasdichtung

Info

Publication number: DE69735197T2
Application number: DE69735197T
Authority: DE
Inventors: Ltd. Toshihiko łNippon Pillar Packing Co. Sanda-shi FUSE
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2017-11-22
Also published as: WO1999027281A1; EP0961059B1; JP3192152B2; US6135458A; EP0961059A1; BR9714210A; DE69735197D1; EP0961059A4; TW364042B

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung, die zur Verwendung bei unterschiedlichen Typen von Rotationsmaschinen wie Turbinen, Gebläsen, Kompressoren, Rührvorrichtungen und Drehventilen für unterschiedliche Arten von Gasen, einschließlich toxischem Gas, entflammbarem Gas, Explosivgas und mit Staub gemischtem Gas, geeignet ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung 101, wie sie in 8 hergestellt und gezeigt ist, ist bekannt.
Wie in 8 gezeigt, umfasst die Dichtung 101 des Stands der Technik einen drehbaren Dichtungsring 102, der an einer Drehwelle 110 befestigt ist, einen feststehenden Dichtungsring 104, der über ein Paar O-Ringe 106 an dem kreisförmigen inneren Umfangsteil eines Dichtungsgehäuses 103 in axialer Richtung verschiebbar gehalten ist, und Federn 105, die zwischen der Rükseite des feststehenden Dichtungsrings 104 und dem Dichtungsgehäuse 103 angebracht sind, um den feststehenden Dichtungsring 104 gegen den drehbaren Dichtungsring 102 zu drücken. Und diese Dichtung des Stands der Technik ist derart gestaltet, dass die an den gegenüberliegenden Enden der zwei Dichtungsringe 102 und 104 gebildeten Dichtungsstirnflächen 120 und 140 durch einen statischer Druck in einem kontaktlosen Zustand gehalten werden, der dazwischen derart wirkt, dass ein kreisförmiger Bereich zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 den abgedichteten Fluidbereich an der äußeren Umfangsseite, d.h. den inneren Bereich F der Maschine von dem äußeren (atmosphäri schen) Bereich A an der inneren Umfangsseite, abdichtet.
Der feststehende Dichtungsring 104 ist mit flachen Nuten oder mit einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 an der Dichtungsstirnfläche 140 versehen. In diese Nuten wird ein Dichtungsgas 108 wie Stickstoffgas eingeführt, das auf einen höheren Wert als dem Druck des inneren Bereichs F der Maschine komprimiert ist, um an dem kreisförmigen Bereich zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 einen statischen Druck zu erzeugen, wodurch die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 in einem kontaktlosen Zustand gehalten werden. Mit anderen Worten bildet das Dichtungsgas 108, das in die einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 eingeführt ist, einen unter statischem Druck stehenden Fluidfilm zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140. Aufgrund des Vorhandenseins des Fluidfilms werden die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 in einem kontaktlosen Zustand gehalten, wobei der innere Bereich F der Maschine von dem äußeren Bereich A abgedichtet ist. Das Dichtungsgas 108, dessen Druck höher ist als derjenige des inneren Bereichs F, kann zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 hindurch in den inneren Bereich F der Maschinen und den äußeren Bereich A austreten, jedoch kann das innere Gas oder das abgedichtete Fluid in dem inneren Bereich F nicht in den Bereich zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 eindringen und folglich kann es nicht in den äußeren Bereich A austreten.
Das Dichtungsgas 108 wird den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 über einen kontinuierlichen Gaszuführungskanal 180 zugeführt, der in dem Dichtungsgehäuse 103 und dem feststehenden Dichtungsring 104 ausgebildet ist, wie dies in 8 gezeigt ist. Der Gaszuführungskanal 180 umfasst einen kreisförmigen geschlossenen Raum 171 und zwei Durchlässe 181 und 182. Der kreisförmige Bereich 171 ist zwischen dem inneren Umfangsteil des Dichtungsgehäuses 103 und dem äußeren Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 104 gebildet und durch ein Paar O-Ringe geschlossen, die in axialer Richtung in einer Nebeneinanderanordnung angeordnet sind. In dem Dichtungsgehäuse 103 ist der erste Durchlass 181 gebildet, durch den das Dichtungsgas 108 in den geschlossenen Raum 171 geführt wird. Der zweite Durchlass 182 ist in dem feststehenden Dichtungsring 104 vorgesehen. Durch diesen Durchlass 182 wird das Dichtungsgas 108, das dem geschlossenen Raum 171 zugeführt wird, den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 über eine Öffnung 183 zugeführt. Das Dichtungsgas 108, das in die einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 eingeleitet wird, strömt zu dem inneren Bereich F und dem äußeren Bereich A zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 hindurch, wobei es die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 in einem kontaktlosen Zustand durch einen durch den statischen Druck gebildeten Fluidfilm hält. Zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 stehen eine Öffnungskraft und eine Schließkraft im Gleichgewicht und sind ausgeglichen, wodurch die beiden Dichtungsstirnflächen in einem kontaktlosen Zustand gehalten werden. Die Öffnungskraft ist eine Kraft, die sich aus dem statischen Druck, der durch das Dichtungsgas 108 erzeugt wird, das den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 zugeführt wird, und aus dem Druck innerhalb der Maschine ergibt, der auf den äußeren Umfangsrand 148 des feststehenden Dichtungsrings 104 (der kreisförmigen Fläche außerhalb der Dichtungsstirnfläche 140 des feststehenden Dichtungsrings 104) wirkt. Die Schließkraft wird durch die Feder 105 erzeugt, die den feststehenden Dichtungsring 104 gegen den drehbaren Dichtungsring 102 drückt. Der Druck des Dichtungsgases 108, das den einen statischer Druck erzeugenden Nuten 109 zugeführt wird, wird in Abhängigkeit von dem Druck innerhalb der Maschine geregelt und wird auf einen höheren Wert als den letzteren eingestellt. Die durch die Feder 105 zur Einwirkung gebrachte Federkraft (Federlast), die die Schließkraft bestimmt, wird gemäß dem Druck des Dichtungsgases 108 so eingestellt, dass der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 ordnungsgemäß (im allgemeinen 5 bis 15 μm) ist. Das Dichtungsgas wird durch die Öffnung 183 zusammenge drückt, bevor es den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 derart zugeführt wird, dass, wenn sich der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 ändert, der Spalt automatisch eingestellt und ordnungsgemäß aufrechterhalten wird. Mit anderen Worten kommen, falls der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 beispielsweise durch die Vibration der sich drehenden Komponenten erweitert wird, die Menge des Dichtungsgases, die zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 aus den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 einströmt, und die Menge des den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 durch die Öffnung 183 zugeführten Dichtungsgases außer Gleichgewicht. Wenn der Druck in den einen statischen Druck erzeugenden Nuten abnimmt, wird die Öffnungskraft geringer als die Schließkraft, was zur Folge hat, dass der Spalt zwischen der Dichtungsstirnflächen 120 und 140 auf eine ordnungsgemäße Größe eingeengt wird. Umgekehrt steigt, falls der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 schmal wird, der Druck in den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 durch den vorstehend angegebenen Mechanismus der Öffnung an, was zur Folge hat, dass die Öffnungskraft die Schließkraft zum Vergrößern des Spalts zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 auf einen ordnungsgemäßen Wert übersteigt.
Die Dichtung 101 des Stands der Technik kann wie die mit dynamischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung das Gas innerhalb der Maschine während einer langen Zeit wirksam abdichten, wobei die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 in einem kontaktlosen Zustand gehalten werden und auf die Flächen 120 und 140 keinem Festfressen unterliegt. Des weiteren ist die Dichtung 101 des Stands der Technik beim Abdichten der Art von Gas wirksam, die durch die mit einem dynamischen Druck arbeitende Gasdichtung nicht abgedichtet werden kann und bietet eine größere Anwendungsmöglichkeit als letztere. D.h. die mit einem dynamischen Druck arbeitende Gasdichtung besitzt, wie bekannt ist, einen dynami schen Druck erzeugende Nuten, die in einer Dichtungsstirnfläche erzeugt werden, die sich relativ dreht. Durch die Wirkungsweise dieser einen dynamischen Druck erzeugenden Nuten wird ein dynamischer Druck zwischen den Dichtungsstirnflächen durch das Gas innerhalb der Maschine derart erzeugt, dass die Dichtungsstirnflächen in einem kontaktlosen Zustand gehalten werden. Prinzipiell toleriert diese Dichtung das Austreten von Gas innerhalb der Maschine nach außen durch die Dichtungsstirnflächen hindurch. Deshalb kann die mit einem dynamischen Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung nicht für die Art von Gas verwendet werden, das nicht nach außen treten darf, einschließlich toxischem Gas, entflammbarem Gas und Explosivgas.
Andererseits ist die mit einem statischen Druck arbeitende, kontaktlose Dichtung 101 derart gestaltet, dass das Dichtungsgas 108 mit einem höheren Druck als dem Druck innerhalb der Maschine dem Bereich zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 zugeführt wird, sodass ein Austreten des Gases innerhalb der Maschine nach außen vollständig verhindert wird und sie wirksam mit sich drehenden Vorrichtungen arbeiten kann, die mit solchen Gasen, wie toxischem Gas, entflammbarem Gas und Explosivgas arbeitet.
Obgleich die Dichtung 101 des Stands der Technik einen Vorteil mit Bezug auf die mit dynamischem Druck arbeitende, kontaktlose Dichtung hat, weist die erstere die nachstehend beschriebenen Probleme auf, da sie bei einem hohen Niveau an Druck innerhalb der Maschine betrieben wird und nicht sehr gut bei sich drehenden Vorrichtungen arbeiten kann, die mit einem hohen Druck betrieben werden.
Bei der Dichtung 101 des Stands der Technik wird der Druck des Dichtungsgases 108 höher eingestellt als der Druck innerhalb der Maschine, um das Gas innerhalb der Maschine daran zu hindern, auszutreten. Unter Betriebsbedingungen mit hohem Druck wäre die Öffnungskraft extrem hoch. Um der hohen Öffnungskraft entgegenzuwirken, muss die Federkraft der Feder 105 höher eingestellt werden als dann, wenn unter Bedingungen niedrigen Drucks gearbeitet wird, um den Spalt ordnungsgemäß zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 aufrechtzuerhalten, wobei die beiden Kräfte im Gleichgewicht gehalten werden. Andererseits werden, wenn der Betrieb ausgesetzt wird, wobei die Zuführung von Dichtungsgas 108 abgeschaltet wird, die Öffnungskraft und die Schließkraft außer Gleichgewicht gebracht. Wenn der feststehende Dichtungsring 104 gegen den drehbaren Dichtungsring durch die Feder 105 gedrückt wird, wird der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 geschlossen. Folglich kann, falls die Federkraft der Feder 105 groß ist, der feststehende Dichtungsring 105 heftig gegen den drehbaren Dichtungsring 102 aufprallen, wenn die Zuführung von Dichtungsgas 108 abgeschaltet wird, was die Dichtungsringe 102 und 104 oder die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 beschädigen kann.
Ein weiteres Problem bei der Dichtung 101 des Stands der Technik ist, dass sich die Schließkraft, die durch die Federlast allein erzeugt wird und zwangsläufig konstant bleibt, sich nicht aus sich heraus die Änderung des Innendrucks anpassen kann. Folglich kann unter den Bedingungen, dass der Druck innerhalb der Maschine veränderbar ist, die Dichtung 101 des Stands der Technik nicht als wirksame Dichtung arbeiten und ist zur Verwendung bei sich drehender Vorrichtungen, die unter solchen Bedingungen betrieben werden, nicht geeignet.
D.h. die Dichtung 101 des Stands der Technik ist so konstruiert, dass die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 in einem kontaktlosen Zustand gehalten werden, wobei die Schließkraft und die Öffnungskraft im Gleichgewicht gehalten werden, wobei die Schließkraft durch die Federlast erzeugt wird und sich die Öffnungskraft aus dem Druck des Dichtungsgases 108, das den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 zugeführt wird, und dem Druck innerhalb der Maschine ergibt, der auf den äußeren Umfangsrand 148 des feststehenden Dichtungsrings 104 wirkt. In dieser Hinsicht sind die Federlast und der Druck des Dichtungsgases 108 festgelegt. Falls sich der Druck innerhalb der Maschine ändert und sich folglich die Öffnungskraft in Übereinstimmung mit den Änderungen des Drucks innerhalb der Maschine ändert, kommen die Öffnungskraft und die Schließkraft außer Gleichgewicht. Folglich kann der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 nicht ordnungsgemäß beibehalten werden, wodurch sie das Gas innerhalb der Maschine nicht zufriedenstellend abdichten. Falls beispielsweise der Innendruck den ausgelegten Wert, auf dessen Grundlage der Dichtungsgasdruck und die Federlast eingestellt wurden, übersteigt, ist die Schließkraft unzureichend, wodurch sich die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 mehr als notwendig öffnen können, was bewirken kann, dass das innere Gas in den Bereich A außerhalb der Maschine austritt. Falls andererseits der Innendruck unter den ausgelegten Druckwert absinkt, ist die Öffnungskraft unzureichend, was dazu führen kann, dass die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 miteinander in Kontakt kommen.
In Fällen, in denen der Druck innerhalb der Maschine schwankt, kann es möglich sein, dass der Druck des Dichtungsgases 108 in Übereinstimmung mit den Druckschwankungen innerhalb der Maschine geregelt und gesteuert wird. Bei der Dichtung 101 des Stands der Technik kann jedoch, da die Schließkraft von der Federlast allein abhängt und festgelegt ist, ein solches Verfahren nicht verwendet werden. Mit anderen Worten wird, falls die Öffnungskraft durch die Drucksteuerung des Dichtungsgases 108 geändert wird, die Schließkraft mit Bezug auf die Öffnungskraft zu groß oder zu klein. Schließlich würde dies das gleiche Problem verursachen, das bei einem festgelegten Druck des Dichtungsgases 108 angetroffen wird.
Wie vorstehend erwähnt, kann die Dichtung 101 des Stands der Technik unter einem hohen Druck oder Bedingungen der Druckänderung nicht wirksam arbeiten und ihre Anwendungsmöglichkeit ist ziemlich begrenzt.
JP 4224373A offenbart eine mit statischem Druck arbeitende Gasdichtung, die feststehende und drehbare Dichtungsstirnflächen, die einander gegenüberliegen, und eine Vorspannkraft aufweist, die durch die Federn geschaffen wird, die wirken, um den Spalt zwischen der feststehenden und der drehbaren Dichtungsstirnfläche zu schließen.
JP 2146374A offenbart eine mit statischem Druck arbeitende Gasdichtung, die eine feststehende und eine drehbare Dichtungsstirnfläche und zwei Sätze von Federn umfasst, die dazu dienen, um einander entgegengesetzte Vorspannkräfte zum Öffnen und Schließen des Spalts zwischen den Dichtungsstirnflächen zu schaffen. Es ist auch eine Fläche vorgesehen, auf die der Gasdruck wirken kann, der eine Vorspannkraft zum Schließen des Spalts zwischen den Dichtungsstirnflächen schafft.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung zu schaffen, die das abgedichtete Fluid ungeachtet der Druckbedingungen in dem Bereich des abgedichteten Fluids wirksam abdichten kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung zu schaffen, die die erforderliche Federlast so weit wie möglich verringert, um die Möglichkeit der Beschädigung der Dichtungsteile aufgrund des Auftreffens der einen Dichtungsstirnfläche gegen die andere auszuschließen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung zu Schaffen, die über einen breiten Druckbereich anwendbar ist.
Erfindungsgemäß wird eine mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung, wie in Anspruch 1 angegeben, geschaffen.
Ein kontinuierlicher Dichtungsgaszuführungskanal, der mit den Nuten in Verbindung steht, wird gebildet, der durch das Dichtungsgehäuse und den feststehenden Dichtungsring hindurchgeführt ist.
Der feststehende Dichtungsring ist so ausgebildet, dass ein zweiter äußerer Umfangsteil, der mit dem Inneren des zweiten O-Rings in Kontakt steht, einen kleineren Durchmesser als der erste äußere Umfangsteil aufweist, der mit dem ersten O-Ring in Kontakt steht.
Aufgrund des Unterschieds des Durchmessers zwischen dem ersten und dem zweiten äußeren Umfangsteil erzeugt das Dichtungsgas, das dem ersten geschlossenen Raum zugeführt wird, eine Kraft, die den feststehenden Dichtungsring gegen den drehbaren Dichtungsring drückt. Diese Schubkraft arbeitet, um die Dichtungsstirnflächen zu schließen. So verringert diese Anordnung die Federlast im Vergleich zu einem Fall, bei dem eine Schließkraft, die nötig ist, um der Öffnungskraft entgegenzuwirken, nur von der Federlast allein erhalten wird.
Des weiteren ist sie so konstruiert, das der abgedichtete Fluidbereich und der zweite geschlossene Raum miteinander über einen Gegendruck-Einführungspfad in Verbindung stehen, sodass der Druck in dem abgedichteten Fluidbereich als Gegendruck auf den feststehenden Dichtungsring wirken kann. Dieser Gegendruck arbeitet, um den feststehenden Dichtungsring gegen den drehbaren Dichtungsring zu drücken. Die Schubkraft dient als Schließkraft und vermindert die Federlast weiter. Selbst unter Betriebsbedingungen, bei denen der Druck in dem abgedichteten Fluidbereich hoch ist, kann die Federkraft deshalb relativ niedrig eingestellt werden. Und wenn der Betrieb ausgesetzt wird, wobei die Zuführung von Dichtungsgas abgeschaltet wird, gibt es keine Besorgnis, dass die Federlast es gestattet, dass die Dichtungsstirnflächen aufeinander auftreffen und so die Dichtungsstirnflächen beschädigt werden. Des weiteren ändert sich die Schließkraft im Verhältnis zu Änderungen des Drucks des abgedichteten Fluidbereichs. Selbst wenn sich der Druck in dem abgedichteten Fluidbereich ändert, sind deshalb die Schließkraft und die Öffnungskraft gut ausgeglichen, wodurch sie eine gute Abdichtungsfunktion aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass 0,05 ≤ b/B ≤ 0,3 erfüllt ist, wenn b die radiale Breite der Nut oder die Breite ist, die in der radialen Richtung der einen statischen Druck erzeugenden Nuten, die an der feststehenden Dichtungsstirnfläche gebildet sind, gemessen wird, und B die Dichtungsflächenbreite der feststehenden Dichtungsstirnfläche ist. Mit B – b = Bo + Bi muss 0,3B ≤ Bo ≤ 0,7B – b oder 0,3B ≤ Bi ≤ 0,7B – b erfüllt sein, wobei Bo der radiale Abstand zwischen der einen statischen Druck erzeugenden Nut und dem äußeren Umfangsende der feststehenden Dichtungsstirnfläche ist und Bi der radiale Abstand zwischen der einen statischen Druck erzeugenden Nut und dem inneren Umfangsende der feststehenden Dichtungsstirnfläche ist.
Es ist bevorzugt, dass die Nuttiefe L der einen statischen Druck erzeugenden Nut 0,3 bis 1,0 mm beträgt. Der Abstand in der Umfangsrichtung der feststehenden Dichtungsstirnfläche zwischen benachbarten, einen statischen Druck erzeugenden Nuten ist so eingestellt, dass er gleich der Nutbreite ist.
Mit den folgenden Merkmalen wird der anwendbare Druckbereich auch beträchtlich erweitert.
Vorzugsweise ist der Druck des Dichtungsgases, das in die einen statischen Druck erzeugende Nut eingeleitet wird (d.h. der Druck des Dichtungsgases in der einen statischen Druck erzeugenden Nut) auf 0,5 bis 1,5 bar höher eingestellt als der Druck in dem abgedichteten Fluidbereich. Des weiteren muss 0,8 ≤ K ≤ 0,9 erfüllt sein, wobei K das Gleichgewichtsverhältnis ((D2)² – (Dm)²)/((D2)² – (D1)²) ist, wobei Dm ein Durchmesser ist, falls der dritte O-Ringanschlag in dem feststehenden Dichtungsring aus einem Teil des Dichtungsgehäuses ausgebildet ist, der den inneren Umfangsteil des dritten O-Rings kontaktiert, und, falls der dritte O-Ringanschlag in dem inneren Zylinderteil des Dichtungsgehäuses ausgebildet ist, an einem Teil des feststehenden Dichtungsrings, der den äußeren Umfangsteil des dritten O-Rings kontaktiert. D1 ist der Innendurchmesser der feststehenden Dichtungsstirnfläche und D2 ist der Außendurchmesser derselben. Der dritte O-Ringanschlag dient dazu, zu verhindern, dass der dritte O-Ring in Richtung auf den drehbaren Dichtungsring durch den Druck des in den zweiten geschlossenen Raum eingeleiteten, abgedichteten Fluids bewegt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein halber Längsschnitt, der eine kontaktlose Gasdichtung zeigt, bei der die vorliegende Erfindung verkörpert ist.
2 ist ein halber Längsschnitt entlang einer Linie, die sich von derjenigen in 1 unterscheidet, der die gleiche kontaktlose Gasdichtung zeigt, bei der die vorliegende Erfindung verkörpert ist.
3 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Hauptteil von 1 zeigt.
4 ist eine Vorderansicht der Dichtungsstirnfläche des feststehenden Dichtungsrings der gleichen kontaktlosen Gasdichtung.
5 ist ein halber Längsschnitt, äquivalent zu 3, der eine weitere kontaktlose Gasdichtung zeigt, bei der die vorliegende Erfindung verkörpert ist.
6 ist ein halber Längsschnitt, äquivalent zu 3, der eine weitere kontaktlose Gasdichtung zeigt, bei der die vorliegende Erfindung verkörpert ist.
7 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Gleichgewichtsverhältnis, dem Taschendruck (Dichtungsgasdruck in den einen statischen Druck erzeugenden Nuten) und dem Druck innerhalb der Maschine (Druck in dem abgedichteten Fluidbereich).
8 ist ein halber Längsschnitt, der eine Gasdichtung des Stands der Technik zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 bis 4 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der mit einem statischen Druck arbeitenden, kontaktlosen Gasdichtung der vorliegenden Erfindung. Es ist ersichtlich, dass die Begriffe, vorne, vor, nach vorne, die bei der nachfolgenden Beschreibung verwendet werden, in 1 oder 2 aus Gründen der Bequemlichkeit rechts, nach rechts oder sich auf rechts beziehend bedeuten und die Begriffe hinten, nach hinten links, nach links oder sich auf links beziehend bedeuten.
Die mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung 1, die in 1 bis 4 gezeigt ist, ist mit der Gasdichtung 101 des Stands der Technik was das grundlegende Dichtungsprinzip betrifft identisch und so ausgebildet, dass ein drehbarer Dichtungsring, der 2 an einer Drehwelle 10 befestigt ist, und ein feststehender Dichtungsring 4, der durch ein Dichtungsgehäuse 3 gehalten ist, durch einen statischen Druck in kontaktlosem Zustand mit einem Fluidfilm gehalten werden, der dazwischen geschaffen ist, wodurch der abgedichtete Fluidbereich F an der äußeren Umfangsseite eines ringförmigen Bereichs zwischen den beiden Dichtungsringen 2 und von dem nichtabgedichteten Fluidbereich A an dessen innerer Umfangsseite abgedichtet ist. Bei diesem Beispiel ist der abgedichtete Fluidbereich F ein Hochdruckgasbereich, der mit dem Inneren der Drehmaschine in Verbindung steht, in der die kontaktlose Gasdichtung 1 angebracht ist. Dieser Bereich F wird "innerer Bereich" oder einfach "das Innere" genannt und das abgedichtete Fluid in dem Bereich wird "inneres Gas" und der Druck dort wird "Innendruck" genannt. Andererseits ist der nichtabgedichtete Gasbereich A ein Bereich außerhalb der Drehmaschine, der mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Und dieser Bereich A wird "äußerer Bereich" oder einfach "das Äußere" genannt. Es ist ersichtlich, dass die Druckwerte alle in Manometerdruck (bar) mit Bezug auf den Atmosphärendruck angegeben sind.
Das Dichtungsgehäuse 3 umfasst einen inneren Zylinderteil 31, einen kreisförmigen inneren Umfangsteil 32, der den vorstehend angegebenen Teil 31 konzentrisch umgibt, und einen ringförmigen Gehäusewandteil 33, der diese beiden verbindet.
Die Drehwelle 10 erstreckt sich konzentrisch durch den inneren Zylinderteil 32 des Gehäuses, wobei der drehbare Dichtungsring 2 vor dem inneren Zylinderteil 31 angebracht und an der Drehwelle 10 mittels hülsenförmiger Befestigungselemente 11 und 12 befestigt ist.
Der feststehende Dichtungsring 4 ist in einem ringförmigen Raum angeordnet, der zwischen dem inneren Zylinderteil 31 des Gehäuses und dem inneren Umfangsteil 32 desselben gebildet ist, in axialer Richtung verschiebbar durch den ersten und den zweiten O-Ring 61 und 62 und einen dritten O-Ring 63 gehalten und hinter dem drehbaren Dichtungsring 2 angeordnet, wie es in 1 und 2 gezeigt ist. Mit anderen Worten wird ein äußerer Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 durch den inneren Umfangsteil 32 des Dichtungsgehäuses über den vorderen ersten O-Ring 61 und den hinteren zweiten O-Ring 62 gehalten, wobei die beiden O-Ringe in axialer Richtung mit einem zwischen ihnen vorgesehenen spezifischen Abstand voneinander beabstandet angeordnet sind. Ein innerer Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 ist durch einen äußeren Umfangsteil des inneren Zylinderteils 31 des Dichtungsgehäuses über den dritten O-Ring 63 gehalten. Obgleich dies nicht in den Zeichnungen gezeigt ist, weist der feststehende Dichtungsring 4 Eingriffslöcher an dem hinteren Ende auf, in die drehungverhindernde Stifte, die in dem Gehäusewandteil 33 eingebaut sind, eingesetzt sind. Dies verhindert, das sich der feststehende Dichtungsring mit Bezug auf das Dichtungsgehäuse 3 dreht, während es gestattet, dass sich der feststehende Dichtungsring innerhalb eines spezifischen Bereichs in axialer Richtung bewegt.
An den gegenüberliegenden Enden der beiden Dichtungsringe 2 und 4 sind die jeweiligen Dichtungsstirnflächen mit dem gleichen Innendurchmesser D1 und dem gleichen Außendurchmesser D2, eine drehbare Dichtungsstirnfläche 20 an dem drehbaren Dichtungsring 2 und eine feststehende Dichtungsstirnfläche 40 an dem feststehenden Dichtungsring 4 ausgebildet. Der Innendurchmesser D1 und der Außendurchmesser D2 der jeweiligen Dichtungsstirnflächen 20 und 40 sind auf der Grundlage der Dichtungsbedingungen eingestellt, beispielsweise dem Durchmesser der Drehwelle 10. Die drehbare Dichtungsstirnfläche 20, die eine Dichtungsstirnfläche des drehbaren Dichtungsrings 2 ist, und die feststehende Dichtungsstirnfläche 40, die eine Dichtungsstirnfläche des feststehenden Dichtungsrings 4 ist, sind ringförmige, glatte Oberflächen, die rechtwinklig zur Wellenachse sind. Die Materialien der jeweiligen Dichtungsringe 2 und 4 sind, wie bekannt ist, auf der Grundlage der Dichtungsbedingungen und anderer Bedingungen ausgewählt. Bei dem vorliegenden Beispiel ist der feststehende Dichtungsring 4 aus Kohlenstoff hergestellt. Der drehbare Dichtungsring 2 ist aus rostfreiem Stahl JIS Classification SUS 316 hergestellt. Insbesondere ist die drehbare Dichtungsstirnfläche 20 des drehbaren Dichtungsrings 2 insbesondere mit einer mit Keramik beschichteten Schicht 21 wie CrO₂, wie in 3 gezeigt, versehen.
Der erste und der zweite O-Ring 61 und 62 sind zwischen dem äußeren Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 und dem inneren Umfangsteil 32 des Dichtungsgehäuses, wie in 1 bis 3 gezeigt, angeordnet und durch diese ordnungsgemäß zusammengedrückt. So sorgen die O-Ringe für eine sekundäre Dichtung in dem Raum zwischen dem äußeren Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 und dem inneren Umfangsteil 32 des Gehäuses, während sie es gestattet, das sich der feststehende Dichtungsring 4 (in axialer Richtung) hin und her bewegt. D.h. ein ringförmiger erster geschlossener Raum 71, der durch den ersten und den zweiten O-Ring abgedichtet ist, ist zwischen dem äußeren Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 und dem inneren Umfangsteil 32 des Dichtungsgehäuses ausgebildet.
An dem äußeren Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 ist ein ringförmiger O-Ringanschlag 43 vorgesehen, der zwischen den beiden O-Ringen 61 und 62 zum Begrenzen der nach hinten gerichteten Bewegung des ersten O-Rings 61 und der nach vorne gerichteten Bewegung des zweiten O-Rings 62 angeordnet. An dem inneren Umfangsteil 32 des Dichtungsgehäuses ist ein ringförmiger erster O-Ringanschlag 34 ausgebildet, der die nach vorne gerichtete Bewegung des ersten O-Rings 61 einschränkt. Des weiteren ist ein ringförmiger zweiter O-Ringanschlag 35 an dem gleichen inneren Umfangsteil 32 vorgesehen, der die nach hinten gerichtete Bewegung des zweiten O-Rings 62 begrenzt. Diese Anschläge 34 und 35 und 43 halten die beiden O-Ringe 61 und 62 voneinander um einen Abstand innerhalb eines spezifischen Bereichs beabstandet. D.h. wenn der erste und der zweite O-Ring 61 und 62 durch den Druckunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren des geschlossenen Raums nach hinten oder vorne bewegt werden, nähern sich die beiden O-Ringe 61 und 62 nicht über eine bestimmte Grenze hinaus und bewegen sich auch nicht über diese auseinander. Mit anderen Worten ist, selbst wenn die beiden O-Ringe 61 und 62 in axialer Richtung aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Inneren und Äußeren des Raums 71 bewegt werden, der Bewegungsspielraum der beiden O-Ringe 61 und 62 so begrenzt, dass sich die beiden O-Ringe 61 und 62 in axialer Richtung innerhalb eines Bereichs bewegen und nicht die Öffnungen des ersten und des zweiten Durchlasses 81 und 82 (die später beschrieben werden) zu dem geschlossenen Raum 71 schließen, wobei die O-Ringe 61 und 62 immer vor oder hinter den Öffnungen angeordnet sind.
Der Durchmesser des äußeren Umfangsteils des feststehenden Dichtungsrings 4 ist nicht gleichmäßig. Der Durchmesser d2 des zweiten äußeren Umfangsteils 42 hinter dem O-Ringanschlag 43 (d.h. benachbart dem Gehäusewandteil 33), den der innere Umfangsteil des zweiten O-Rings kontaktiert, ist kleiner als der Durchmesser d1 eines endgültigen äußeren Umfangsteils 41 vor dem O-Ringanschlag 43 ist (d.h. benachbart dem drehbaren Dichtungsring), den der innere Umfangsteil des ersten O-Rings 61 kontaktiert. Wenn ein Dichtungsgas 8 (das später beschrieben wird) dem ersten geschlossenen Raum 71 zugeführt wird, wird aufgrund von d1 d2 eine Schubkraft durch den Druck Ps des Dichtungsgases (nachstehend als "Dichtungsgasdruck" bezeichnet) erzeugt, die den feststehenden Dichtungsring 4 in die Richtung der drehbaren Dichtung (d.h. in der nach vorne gerichteten Richtung) drückt. Diese Schubkraft dient als Schließkraft T2 (nachstehend als "Dichtungsgasschließkraft" bezeichnet) und arbeitet, um die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 zu schließen. Die Schließkraft T2 ist durch die Gleichung: T2 = (π/4)((d1)² – (d2)²)Ps spezifiziert.
Nebenbei bemerkt ist die Radiusdifferenz Δr = (d1/2) – (d2/2) zwischen den äußeren Umfangsteilen 41 und 42 angesichts der strukturellen Bedingungen wie dem Durchmesser der Drehwelle 10, den Durchmessern D1 und D2 der Dichtungsstirn flächen 20 und 40 und auch unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen der Dichtungsgasschließkraft T2, den Schließkräften T1 und T3 (die nachstehend beschrieben werden) und den Öffnungskräften U1 und U2 (die nachstehend beschrieben werden) sowie der Dichtungswirkung ordnungsgemäß eingestellt. Es ist im allgemeinen wünschenswert, dass der Unterschied innerhalb dieses Bereichs eingestellt werden sollte: 0 mm < Δr ≤ 5 mm.
Der dritte O-Ring 63 ist zwischen dem inneren Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 und dem äußeren Umfangsteil des inneren Zylinderteils 31 des Dichtungsgehäuses, wie in 1 bis 3 gezeigt ist, angeordnet und ordrungsgemäß zusammengedrückt. Der O-Ring sorgt für eine sekundäre Dichtung zwischen dem inneren Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 und dem inneren Zylinderteil 31, während er gestattet, dass sich der feststehende Dichtungsring 4 (in axialer Richtung) hin und her bewegt. So ist zwischen der hinteren Oberfläche des feststehenden Dichtungsrings 4 und dem Gehäusewandteil 33 ein ringförmiger zweiter geschlossener Raum 72 gebildet, der zwischen dem dritten O-Ring 63 und dem vorstehend erwähnten zweiten O-Ring 62 abgedichtet ist. Am inneren Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 ist ein ringförmiger dritter O-Ringanschlag 44 vorgesehen, der die vorwärts gerichtete Bewegung des dritten O-Rings 63 mit Bezug auf den feststehenden Dichtungsring 4 begrenzt. Am inneren Zylinderteil 31 ist ein weiterer ringförmiger Anschlag 36 vorgesehen, der die nach hinten gerichtete Bewegung des dritten O-Rings 61 einschränkt.
Durch den feststehenden Dichtungsring 4 ist ein Gegendruck-Einführungspfad 45 gebildet, der, den inneren Bereich F und den zweiten geschlossenen Raum 72 (2) verbindet. Der Gegendruck-Einführungspfad 45 weist eine Öffnung in dem äußeren Umfangsteil 48 außerhalb der Dichtungsstirnfläche des feststehenden Dichtungsrings 4 (d.h. an dem ringförmigen Teil außerhalb der Dichtungsstirnfläche 40, die an dem vorderen Ende des Rings 4 vorgesehen ist) und eine weitere Öffnung an der hinteren Fläche des feststehenden Dichtungsrings 4 auf. Durch diesen Gegendruck-Einführungspfad 45 wird das innere Gas aus dem inneren Bereich F zu dem zweiten geschlossenen Raum 72 geleitet, sodass der Druck gleich dem Innendruck Pf als Gegendruck pf (= Pf) verwendet wird, der auf den feststehenden Dichtungsring 4 wirkt. Dieser Gegendruck pf erzeugt eine Schubkraft, die den feststehenden Dichtungsring 4 in Richtung auf den drehbaren Dichtungsring drückt. Diese Schubkraft wirkt als Schließkraft (nachfolgend als "Gegendruck-Schließkraft bezeichnet) T1, die in der Richtung zum Schließen der Dichtungsstirnflächen 20 und 40 wirkt.
Es wird festgestellt, dass, da der feststehende Dichtungsring 4 den dritten O-Ringanschlag 44 aufweist, der die nach vorne gerichtete Bewegung des dritten O-Rings 63 mit Bezug auf den feststehenden Dichtungsring 4 begrenzt, der Innendurchmesser des ringförmigen, druckaufnehmenden Bereichs, auf den der Gegendruck pf wirkt, um die Gegendruckschließkraft T1 zu erzeugen, der Durchmesser Dm des äußeren Umfangsteils des inneren Zylinderteils 31 des Dichtungsgehäuses ist, mit dem der innere Umfangsteil des dritten O-Rings in Kontakt kommt. Folglich wird, da der Außendurchmesser des ringförmigen, druckaufnehmenden Bereichs der Durchmesser d2 des zweiten äußeren Umfangsteils 42 ist, die Gegendruckschließkraft T1, die durch den Gegendruck pf erzeugt wird, durch die Gleichung: T1 = (π/4)1((d2)² – (Dm)²)pf angegeben und ändert sich im Verhältnis zu dem Druck in dem inneren Bereich F. Es wird auch festgestellt, dass der Gegendruck-Einführungspfad 45 derart angeordnet ist, das er den zweiten Durchlass 82 nicht kreuzt.
In dem zweiten geschlossenen Raum 72 ist eine Vielzahl von Federn 5 (eine Feder ist in den Zeichnungen gezeigt) vorgesehen, die den feststehenden Dichtungsring 4 in Richtung auf den drehbaren Dichtungsring drücken. Diese Federn sind in Umfangsrichtung in einem ringförmigen Bereich mit der Drehachse als Mittelpunkt mit einem spezifischen Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Federn angeordnet und zwischen der hinteren Fläche des feststehenden Dichtungsrings 4 und dem Gehäusewandteil 33 angeordnet. Die Drückkraft der jeweiligen Federn ist auf den Mindestwert eingestellt, der notwendig ist, um die folgenden zwei Erfordernisse zu erfüllen.
Das erste Erfordernis ist folgendes: Die Schließkraft (Federschließkraft) T3, die durch die Drückkraft (Federlast) aller Federn 5 erzeugt wird, ist von der Größenordnung, die notwendig und ausreichend ist, um die unzureichende Größe der Schließkraft zu ergänzen, die die vorstehend angegebenen Schließkräfte T1 und T2 schaffen, um eine Gegenkraft zu erzeugen, um die Öffnungskräfte U1 und U2 (die nachstehend beschrieben werden) ins Gleichgewicht zu bringen. Das zweite Erfordernis ist, dass, wenn die Vorrichtung angehalten wird, wobei die Zuführung von Dichtungsgas 8 abgeschaltet wird, die Federöffnungskraft T3 den Gleitreibungswiderstand der O-Ringe 61 und 62 und 63 glatt überwindet, wobei sie den feststehenden Dichtungsring 4 mit dem drehbaren Dichtungsring 2 in Kontakt bringt und hält (sodass kein inneres Gas zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 austreten kann). Das erste Erfordernis ist im allgemeinen in dem zweiten Erfordernis mit Bezug auf die Schließkräfte T1 und T2 enthalten. Die Federkraft kann auf den Mindestwert innerhalb eines Bereichs eingestellt werden, der notwendig ist, um das zweite Erfordernis zu erfüllen.
An der feststehenden Dichtungsringstirnfläche 40 ist eine Vielzahl von einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 in der Form eines Rings gebildet, der mit der Dichtungsstirnfläche 40 konzentrisch ist, wie dies in 3 und 4 gezeigt ist. Das Dichtungsgehäuse 3 und der feststehende Dichtungsring 4 sind mit einem kontinuierlichen Dichtungsgaszufüh rungskanal 80 versehen, durch den das Dichtungsgas 8, das auf einen höheren Grad als der Innendruck Pf komprimiert ist, der einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 zugeführt werden kann. Wie bei der Dichtung 101 des Stands der Technik hält das Dichtungsgas 8, das in die einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 eingeleitet wird, die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in einem kontaktlosen Zustand, während es den Innenbereich F gegenüber dem atmosphärischen Bereich A abdichtet.
Der Dichtungsgaszuführungskanal 80 ist ein kontinuierlicher Kanal, der einen ersten Durchlass 81, der in dem Dichtungsgehäuse 3 ausgebildet ist, und einen zweiten Durchlass 82 aufweist, der in dem feststehenden Dichtungsring 4 ausgebildet ist, wobei diese Durchlässe miteinander über den ersten geschlossenen Raum 71, wie in 1 und 3 gezeigt, verbunden sind. Der erste Durchlass ist mit einer Dichtungsgaszuführungsquelle (nicht gezeigt) verbunden und weist eine Öffnung an dem inneren Umfangsteil 32 des Gehäuses auf, um mit dem ersten geschlossenen Raum 71 in Verbindung zu stehen. Diese Öffnung befindet sich direkt gegenüber dem O-Ringanschlag 43, der den ersten und den zweiten O-Ring 61 und 62 voneinander beabstandet hält. Ein Ende des zweiten Durchlasses 82 geht durch den O-Ringanschlag 43 und weist eine Öffnung auf, die mit dem ersten geschlossenen Raum 71 in Verbindung steht und das andere Ende verzweigt sich und mündet in der Mitte der Längsrichtung der jeweiligen einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9.
In dem zweiten Durchlass 82 ist ein geeigneter Quetschmechanismus 83 (in diesem Beispiel eine Öffnung) vorgesehen, die die gleiche Funktion wie die bereits beschriebene Öffnung 183 hat. Das Dichtungsgas 8 wird gemäß den Dichtungsbedingungen (wie den Eigenschaften des inneren Gases) unter denjenigen ausgewählt, die ungefährlich sind, selbst wenn es gestattet wird, das es in die Bereiche F und A strömt, d.h. dass es die Eigenschaften, die Zusammensetzung, die Qualität und andere Aspekte des inneren Gases nicht beeinträchtigt und für Menschen ungefährlich ist. Die Wahl ist im allgemeinen Stickstoffgas, das gegenüber jedem Gas inert ist und für den menschlichen Körper ungefährlich ist. Es wird festgestellt, dass das Dichtungsgas 8 nur zugeführt wird, wenn die Drehvorrichtung, die mit der Dichtung 1 ausgestattet ist, in Betrieb ist, und dass die Zuführung abgeschaltet wird, wenn der Betrieb unterbrochen wird. Normalerweise wird, nachdem das Dichtungsgas 8 zugeführt worden ist, die Vorrichtung oder die Drehwelle 10 in Betrieb gesetzt. D.h. der Betrieb wird gestartet, nachdem die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in einem kontaktlosen Zustand gehalten worden ist. Und die Zuführung des Dichtungsgases 8 wird abgeschaltet, nachdem die Vorrichtung oder die Drehwelle vollständig angehalten worden sind.
Das Dichtungsgas 8 wird dem ersten Durchlass 81 von einer Dichtungsgaszuführungsquelle (nicht gezeigt) zugeführt und zu den jeweiligen einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 von dem zweiten Durchlass 82 über die Öffnungen geleitet. Der Druck Ps des Dichtungsgases 8, das von der Quelle zugeführt wird, wird derart gesteuert, dass der Druck ps (Taschendruck) des Dichtungsgases 8 in den jeweiligen einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 0,5 bis 1,5 bar höher ist als der Innendruck Pf, und zwar aus dem folgenden Grund.
Der Abstand R in der Umfangsrichtung des Dichtungsstirnflächenteils 49 zwischen jeweils zwei benachbarten, einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 (nachstehend als "Stegbereich zwischen Nuten" bezeichnet) ist so festgelegt, dass er genau oder grob der Nutenbreite b der den statischen Druck erzeugenden Nut 9 ist. Falls ps < Pf + 0,5 bar ist, dann variiert die Druckverteilung des Fluidfilms, der durch das Dichtungsgas 8 zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 gebildet ist, an den Stegbereichen 49 zwischen Nuten stark, wobei der Druck des Fluidfilms an den Stegbereichen 49 zwischen den Nuten unter den Innendruck Pf absinkt.
Folglich kann Gas innen Gas in den äußeren Bereich A zwischen den Stegbereichen 49 zwischen den Nuten und der drehbaren Dichtungsstirnfläche 20 austreten. Falls ps > Pf + 1,5 bar ist, erhöht sich andererseits das Austreten des Dichtungsgases zu dem inneren Bereich F zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 hindurch mehr als notwendig.
Bei dem vorliegenden Beispiel wird der Dichtungsgasdruck Ps so geregelt, dass Pf + 1,5 bar ≤ Ps ≤ Pf + 2,5 bar aufrechterhalten wird, um der Taschendruck Ps innerhalb des vorstehend angegebenen Bereichs zu halten: Pf + 0,5 bar ≤ ps ≤ Pf + 1,5 bar. Es wird festgestellt, dass in dem Fall, in dem es keine oder nur eine geringe Schwankung des Innendrucks Pf (beispielsweise einen Schwankungsbereich von 0 bis 0,3 bar) gibt, obgleich die Vorrichtung oder die Drehwelle 10 in Betrieb ist, dann der Dichtungsgasdruck Ps innerhalb eines Bereichs festgelegt gehalten wird, der die vorstehend angegebenen Bedingungen erfüllt: Pf + 0,5 bar ≤ ps ≤ Pf + 1,5 bar oder Pf + 1, 5 bar ≤ Ps < Pf + 2,5 bar. Falls der Innendruck Pf während des Betriebs stark schwankt, wobei der Schwankungsbereich des Innendrucks Pf beispielsweise 0,3 bar übersteigt, dann besteht die Möglichkeit, dass der Dichtungsgasdruck, falls er auf einem festgelegten Niveau gehalten wird, die vorstehend angegebenen Bedingungen nicht erfüllt. Um damit fertig zu werden, ist es wünschenswert, den Dichtungsgasdruck Ps so gemäß der Änderung des Innendrucks Pf zu regeln, dass die vorstehend angegebenen Bedingungen erfüllt werden. Diese Regelung kann ohne Schwierigkeiten mittels eines der bekannten Steuersysteme wie eines Differentialdruckregelventils durchgeführt werden. Selbstverständlich ist es in Ordnung, dass der Dichtungsgasdruck Ps in Übereinstimmung mit den Änderungen des Innendrucks Pf geregelt wird, selbst wenn der Schwankungsbereich des Innendrucks Pf gering ist, z.B. nicht höher als 0,3 bar.
Nun wird das Dichtungsgas 8 zu den jeweiligen einen stati schen Druck erzeugenden Nuten 9 durch den Dichtungsgaszuführungskanal 80 geleitet. Der statische Druck oder der Taschendruck ps steigt an und erzeugt eine Öffnungskraft (Dichtungsgasöffnungskraft) U1 zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40, die die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in einem kontaktlosen Zustand hält. Diese Dichtungsgasöffnungskraft U1 wird mit einer Schubkraft (Innengasöffnungskraft) U2 kombiniert, um den feststehenden Dichtungsring 4 zurückzuschieben. Die Innengasöffnungskraft U2 wird durch den Innendruck Pf erzeugt, der auf den äußeren Umfangsteil 48 außerhalb der Dichtungsstirnfläche des feststehenden Dichtungsrings wirkt. Wenn die Kombination aus Dichtungsgasöffnungskraft U1 und Innengasöffnungskraft U2 mit den Schließkräften T1, T2 und T3 im Gleichgewicht steht, werden die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in kontaktlosem Zustand gehalten. Es wird festgestellt, dass die Innengasöffnungskraft U2 durch die folgende Gleichung gegeben ist: U2 = (π/4)((d1)² – (d2)²)Pf.
Wie dargelegt, kommt zu der Federöffnungskraft T3 die Gegendruckschließkraft T1 und die Dichtungsgasschließkraft T2 hinzu, um die Schließkraft zu bilden. Anders als die Dichtung 101 des Stands der Technik, bei der die Schließkraft allein aus der Federlast stammt, kann die vorliegende Erfindung die Federlast wesentlich verringern, um den Öffnungskräften U1 und U2 entgegenzuwirken und kann die Federkraft jeder Feder 5 auf ein Minimum halten, wie dies beschrieben worden ist.
Es ist bemerkenswert, dass die mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung der vorliegenden Erfindung als Dichtung mit ausgeglichenem Druck gestaltet ist, die zur Verwendung unter Hochdruckbedingungen geeignet ist, da der zweite geschlossene Raum 72 hinter der hinteren Fläche des feststehenden Dichtungsrings 4 mit dem inneren Bereich F über den Gegendruck-Einführungspfad 45 verbunden ist, sodass der Innendruck Pf verwendet wird, um als Gegendruck Pf zu dienen, um den feststehenden Dichtungsring 4, wie erklärt wurde, zu drücken. D.h. das Gleichgewichtsverhältnis K bei dieser Dichtung kann auf nicht mehr als 1 eingestellt werden. Dieses Gleichgewichtsverhältnis K kann wie bei den bekannten Dichtungen des Gleichgewichts durch den Innendurchmesser D1 und den Außendurchmesser D2 der Dichtungsstirnflächen 20 und 40 und dem Innendurchmesser des ringförmigen, druckaufnehmenden Bereichs des feststehenden Dichtungsrings 4, auf den der Gegendruck Pf wirkt, d.h. den Durchmesser Dm der inneren Umfangsteilkontaktfläche des dritten O-Rings, definiert werden. Bei der Konstruktion kann K durch die folgende Gleichung angegeben werden: K = ((D2)² – (Dm)²)/((D2)² – (D1)²). Bei der mit statischem Druck arbeitenden, kontaktlosen Gasdichtung 1 der vorliegenden Erfindung ist mittlerweile, falls der Taschendruck ps, wobei K < 0,8 oder 0,9 < K ≤ 1, innerhalb dieses Bereichs: Pf + 0,5 bar ≤ ps ≤ Pf + 1,5 bar, aufrechterhalten werden soll, der anwendbare Umfang des Innendrucks Pf wie in 7 gezeigt eng.
Aus diesem Grund ist, um einen breiten anwendbaren Druckbereich zu erhalten, wobei die Bedingungen Pf + 0,5 bar ≤ ps ≤ Pf + 1,5 erfüllt sind, das Gleichgewichtsverhältnis K = ((D2)² – (Dm)²/((D2)² – (D1)²)) auf 0,8 ≤ K ≤ 0,9 eingestellt.
Die einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 sind bogenförmig mit einer Krümmung, in der die Achse des feststehenden Dichtungsrings 4 als Mittelpunkt dient, und alle sind von identischer Gestalt. Die Anzahl der vorgesehenen Nuten beträgt im allgemeinen 3 bis 12 und wird ordnungsgemäß in Abhängigkeit von den Dichtungsspezifikationen wie dem Innendurchmesser D1 und dem Außendurchmesser D2 der Dichtungsstirnfläche 40 des feststehenden Dichtungsrings 4 gewählt. Bei dem vorliegenden Beispiel sind vier einen statischen Druck erzeugende Nuten 9 in der Umfangsrichtung an der Dichtungsstirnfläche 40 des feststehenden Dichtungsrings 4 mit dem gleichen Abstand R zwischen jeweils zwei benachbarten Nuten ausgebildet.
Die Tiefe L der einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 ist gleichmäßig und in dem Bereich von 0,3 mm ≤ L ≤ 1,0 mm festgelegt. Der Grund dafür besteht darin, dass die Tiefe auf diesen Bereich begrenzt ist: Falls L > 1,0 mm ist, ist das Volumen des Innenraums der Nuten so groß, das Instabilitätsphänomene auftreten, die durch die Komprimierbarkeit des Dichtungsgases 8 verursacht werden. Beispielsweise schwankt der Taschendruck pf und verursacht, dass der feststehende Dichtungsring 2 vibriert. Der Grund hierfür ist, dass, während die Öffnung 83 das Dichtungsgas 8 gleichmäßig (gleichmäßig was die Druckverringerung anbetrifft) zusammendrückt, die Wirkung des Zusammendrückens des Dichtungsgases 8 durch die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 durch die Änderung des Spalts zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 beeinträchtigt wird. Obgleich keine Änderung des Drucks des Dichtungsgases 8 an der stromaufwärtigen Seite der Öffnung 83 aufgrund der Änderung des Spalts zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 auftritt, kann die Änderung des Spalts den Druck des Dichtungsgases 8 an der stromabwärtigen Seite oder in den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 ändern, was eine Art von selbsterregter Vibration verursacht. Andererseits würde L < 0,3 mm dazu neigen, eine ungleichmäßige Druckverteilung des Taschendrucks ps in der Längsrichtung der Nut herbeizuführen. Wenn beispielsweise das Dichtungsgas 8 zu der Mitte der einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 von dem zweiten Durchlass 82 geführt wird, kann das Dichtungsgas 8 die zwei Längsenden nicht ausreichend erreichen, sondern tritt unterwegs aus den einen statischen Druck erzeugenden Nuten aus.
Die einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 weisen die gleiche Nutenbreite b auf, die aus den nachstehend beschriebenen Gründen derart gewählt ist, dass die folgenden Bedingungen erfüllt werden: 0,05 ≤ b/B ≤ 0,3, wobei B: die radiale Breite der Dichtungsstirnflächen (= (D2 – D1)/2) der Dichtungsstirnflächen 20 und 40 ist. Die Nutenbreite b < 0,05B oder b/B < 0,05 könnte keine ausreichende Dichtungsgasöffnungskraft U1 erzeugen, um dem Taschendruck ps angeglichen zu sein. Die Dichtungsgasöffnungskraft U1 wäre zu gering. Folglich müsste, um die Öffnungskraft und die Schließkraft auszugleichen, der Taschendruck ps oder der Dichtungsgasdruck PS mehr als notwendig angehoben werden. Falls andererseits die Nutenbreite b größer als 0,3B oder b/B > 0,3 ist, dann ist die Dichtungsgasöffnungskraft U1 zu groß. Folglich müsste, um die Öffnungskraft und die Schließkraft auszugleichen, die Schließkraft mehr als notwendig erhöht werden, beispielsweise durch Vergrößern der Federkraft.
Es ist erwünscht, dass der Umfangsabstand R zwischen jeweils zwei benachbarten Nuten 9 oder die Breite des Stegbereichs 49 zwischen den Nuten 9 gleich der vorstehend angegebenen Nutenbreite b für den Zweck ist, dass in dem größtmöglichen Umfang der Druck des Dichtungsgases 8 daran gehindert wird, sich an dem Stegbereich 49 zu ändern (abzusinken) und dass die Druckverteilung des Fluidfilms zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in der Umfangsrichtung gleichmäßig gehalten wird. Spezifischer gesagt, wird der Abstand R im allgemeinen in dem Bereich von 1 bis 4 mm eingestellt, obgleich er von dem Innen- und Außendurchmesser der Dichtungsstirnflächen 20 und 40 abhängt.
Die Position der einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 in der radialen Richtung ist durch den radialen Abstand von dem äußeren Rand der feststehenden Dichtungsringstirnfläche 40 zu den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 (nachstehend als "äußere Stegbreite" Bo bezeichnet) oder dem radialen Abstand von dem inneren Rand der feststehenden Dichtungsringstirnfläche 40 zu den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 (nachstehend als "innere Stegbreite" Bi bezeichnet) spezifiziert. Diese äußere Stegbreite Bo oder die innere Stegbreite Bi ist wie folgt bestimmt: 0,3B ≤ Bo ≤ 0,7B – b oder 0,3B ≤ Bi ≤ 0,7B – b unter der Voraussetzung, dass die Nutenbreite b und die Dichtungsflächenbreite B die Gleichung = B – b = Bo + Bi erfüllt.
Falls Bo < 0,3B oder Bi > 0,7B – b ist, wird das Austreten des Dichtungsgases in den inneren Bereich F ungeachtet der anderen Bedingungen mit einer ungleichmäßigen Druckverteilung in der radialen Richtung des Fluidfilms zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 vergrößert. Folglich geht die Parallelität zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 verloren und es ist schwierig, die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in einem ordnungsgemäßen kontaktlosen Zustand zu halten. Des weiteren würde Bi < 0,3B oder Bo > 0,7B – b das Austreten des Dichtungsgases in den äußeren Bereich A ungeachtet der anderen Bedingungen vergrößern. Auch wäre die Druckverteilung in der radialen Richtung des Fluidfilms zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 nicht gleichmäßig. Wenn die Parallelität gestört ist, es ist schwierig, die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in einem ordnungsgemäßen kontaktlosen Zustand zu halten. Durch Ändern der äußeren Stegbreite Bo oder der inneren Stegbreite Bi innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche kann das Austreten in die Bereiche F und A nach Belieben eingestellt werden. Beispielsweise sollte, falls das Austreten des Dichtungsgases in den inneren Bereich F verringert werden soll, die äußere Stegbreite Bo vergrößert werden. Um das Austreten des Dichtungsgases in den äußeren Bereich A zu verringern, sollte die innere Stegbreite Bi vergrößert werden.
Durch Einstellen der Breite b der einen statischen Druck erzeugenden Nut, der Nuttiefe L, der Breite R des Stegbereichs zwischen den Nuten, der äußeren Stegbreite Bo und der inneren Stegbreite Bi, wie vorstehend beschrieben, ist es im größtmöglichen Ausmaß möglich, das Austreten des Dichtungsgases in die jeweiligen Bereiche F und A gering zu halten und die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in einem ordnungsgemäßen kontaktlosen Zustand zu halten, wobei ein wirksames Dichtungsergebnis erzielt wird.
Es ist ersichtlich, das die mit statischem Druck arbeitende kontaktlose Gasdichtung 1 der vorliegenden Erfindung nicht auf die gerade beschriebenen Beispiele beschränkt ist, sondern ohne den Geist und das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung zu verlassen leicht variiert oder modifiziert werden kann.
Beispielsweise kann der dritte O-Ringanschlag 44 in dem inneren Zylinderteil 31 des Dichtungsgehäuses, wie in 5 gezeigt, gebildet werden. D.h. der dritte O-Ring wird in eine ringförmige Nut 37 eingesetzt und dort gehalten, die in dem äußeren Umfangsteil des inneren Zylinderbereichs 31 gebildet ist, wobei die vordere Stirnwand dieser ringförmigen Nut 37 als dritter O-Ringanschlag 44 dient. Bei dieser Anordnung ist Dm, das die Gegendruckschließkraft T1 und das Gleichgewichtsverhältnis K bestimmt, der Durchmesser der inneren Umfangsfläche des feststehenden Dichtungsrings, mit dem der äußere Umfangsteil des dritten O-Rings 63 in Kontakt kommt.
Auch kann der O-Ringanschlag 43, der die Bewegung in der axialen Richtung des ersten und des zweiten O-Rings 61 und 62 einschränkt, an dem inneren Umfangsteil 32 des Dichtungsgehäuses, wie in 6 gezeigt, vorgesehen werden. Bei dieser Anordnung führt der erste Dichtungsgasdurchlass 81 zu dem ersten geschlossenen Raum 71 durch den O-Ringanschlag 43.
Bei einer weiteren Modifikation ist der Gegendruck-Einführungspfad 45 aus einem Durchgangsloch 45a, das an einer Stelle des Dichtungsgehäuses gegenüber dem inneren Bereich F vorgesehen ist, und einem weiteren Durchgangsloch 45b gebildet, das an einer Stelle des Dichtungsgehäuses gegenüber dem zweiten geschlossenen Raum 72 (d.h. dem Gehäusewandteil 33) vorgesehen ist, die mittels eines geeigneten Rohrs 45c verbunden sind, das an der Außenseite des Dichtungsgehäuses 3 angebracht ist.

Claims

Mit statischem Druck arbeitende kontaktlose Gasdichtung (1) mit einem Dichtungsgehäuse (3), das einen inneren Zylinderteil (31), einen kreisförmigen inneren Umfangsteil (32), der den inneren Zylinderteil (31) konzentrisch umgibt, und einen ringförmigen Wandteil (33) hat, der die besagten beiden Teile miteinander verbindet, einem drehbaren Dichtungsring (2), der an einer drehbaren Welle (10) befestigt ist, die durch den inneren Zylinderteil (31) des Dichtungsgehäuses (3) konzentrisch verläuft, einem feststehenden Dichtungsring (4), dessen äußerer Umfangsteil (41, 42) an dem inneren Umfangsteil (32) des Dichtungsgehäuses (3) über einen ersten O-Ring (61) und einen zweiten O-Ring (62) gehalten ist, wobei die beiden O-Ringe Seite an Seite mit einem bestimmten Abstand dazwischen angeordnet sind, dessen innerer Umfangsteil an dem inneren Zylinderteil (31) des Dichtungsgehäuses (3) über einen dritten O-Ring (63) gehalten ist, und der in der axialen Richtung in eine Lage verschiebbar ist, in der der feststehende Dichtungsring (4) gegenüber dem drehbaren Dichtungsring (2) ist, Federn (5), die zwischen dem feststehenden Dichtungsring (4) und dem Gehäusewandteil (33) angeordnet sind, um den feststehenden Dichtungsring (4) auf den drehbaren Dichtungsring (2) zu drücken, einer drehbaren Dichtungsstirnfläche (20) und einer feststehenden Dichtungsstirnfläche (40), die beide den gleichen Innendurchmesser und Außendurchmesser haben und jeweils an den jeweiligen sich gegenüberliegenden Enden der beiden Dichtungsringe (2, 4) gebildet sind, einer Vielzahl von einen statischen Druck erzeugenden Nuten (9), die an der Dichtungsstirnfläche (40) des feststehenden Dichtungsringes (4) gebildet und die angeordnet sind, um zusammenwirken, um einen zu der stirnfläche (40) des feststehenden Dichtungsringes (4) konzentrischen Ring zu bilden, einem ersten geschlossenen Raum (71), der in Form eines Ringes zwischen dem inneren Umfangsteil (32) des Dichtungsgehäuses (3) und dem äußeren Umfangsteil (41, 42) des feststehenden Dichtungsringes (4) gebildet und durch den ersten O-Ring (61) und den zweiten O-Ring (63) abgedichtet ist, einem zweiten geschlossenen Raum (72), der in Form eines Ringes zwischen dem Gehäusewandteil (33) und dem hinteren Stirnflächenteil des feststehenden Dichtungsringes (4) gebildet und durch den zweiten O-Ring (62) und dem dritten O-Ring (63) abgedichtet ist, einem ununterbrochenen Dichtungsführungskanal (80), der in dem Dichtungsgehäuse (3) und dem feststehenden Dichtungsringes (4) gebildet und der das Dichtungsgas (8) an die einen statischen Druck erzeugenden Nuten (9) durch ersten geschlossenen Raum (71) hindurch liefert, wobei das Dichtungsgas (8) in Betrieb auf einen höheren Druck als der Druck in einem abgedichteten Fluidbereich (F) an der äußeren Umfangsseite der beiden Dichtungsstirnfläche (20, 40) verdichtet ist, und einem Gegendruck-Einführungspfad (45), der den abgedichteten Fluidbereich (F) und den zweiten geschlossenen Raum (72) miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Umfangsteil (41, 42) des feststehenden Dichtungsringes (4) einen ersten und einen zweiten Teil hat und der Durchmesser des zweiten äußeren Umfangsteil (42), der mit dem inneren Umfangsteil des zweiten O-Ringes (62) in Kontakt ist, kleiner als der Durchmesser des ersten äußeren Umfangsteiles (41) ist, der mit dem inneren Umfangsteil des ersten O-Ringes (61) in Kontakt ist, wobei der erste O-Ring (61) näher an dem drehbaren Dichtungsring (2) als der zweite O-Ring (62) ist.
Mit statischem Druck arbeitende kontaktlose Gasdichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die Nutenbreite b der einen statischen Druck erzeugenden Nuten (9), die an der Dichtungsstirnfläche (40) des feststehenden Dichtungsringes (4) gebildet sind, so gewählt ist, daß das Verhältnis der Nutenbreite b zu der radialen Breite oder der Dichtungsstirnflächenbreite B der Dichtungsstirnfläche des feststehenden Dichtungsringes, d.h. b/B, 0,05 ≤ b/B ≤ 0,3 ist.
Mit statischem Druck arbeitende kontaktlose Gasdichtung (1) nach Anspruch 1, bei der der radiale Abstand Bo von der Außenkante der Dichtungsstirnfläche (40) des feststehenden Dichtringes (4) zu der einen statischen Druck erzeugenden Nut (9), oder der radiale Abstand Bi von der Innenkante der Dichtungsstirnfläche (40) des feststehenden Dichtungdsringes (4) zu der einen statischen Druck erzeugenden Nut (9) so festgelegt ist, daß 0,3B ≤ BO ≤ 0,7B – b oder 0,3B ≤ Bi ≤ 0,7B – b erreicht wird, vorausgesetzt, daß die durch B – b = Bo + Bi dargestellte Beziehung existiert.
Mit statischem Druck arbeitende kontaktlose Gasdichtung (1) nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei der die Tiefe L der einen statischen Druck erzeugende Nuten (9) 0,3 bis 1,0 mm beträgt.
Mit statischem Druck arbeitende kontaktlose Gasdichtung (1) nach Anspruch 2, Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei der der Umfangsabstand (R) zwischen zwei benachbarten einen statischen Druck erzeugenden Nuten (9) zu der Nutenbreite (b) der einen statischen Druck erzeugenden Nuten (9) identisch sind.
Mit statischem Druck arbeitende kontaktlose Gasdichtung (1) nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3, Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei der ein dritter O-Ringanschlag (44) zum Hindern des dritten O-Ringes (63) an einer Bewegung in Richtung auf den drehbaren Dichtungsring (2) aufgrund des Druckes des dem zweiten geschlossenen Raum (72) zugeführten Dichtungsfluids an dem feststehenden Dichtungsring (4) oder dem inneren zylindrischen Teil (31) des Dichtungsgehäuses (3) vorgesehen ist, und bei der das Gleichgewichtsverhältnis K, das durch die Gleichung K = ((D2)² – (Dm)²)/((D2)² – (D1)²) gegeben ist, so eingestellt ist, daß 0,8 ≤ K ≤ 0,9 erzielt wird, wobei das Gleichgewichtsverhältnis durch den Durchmesser Dm, der wenn der dritte O-Ringanschlag (44) an dem feststehenden Dichtungsring (4) gebildet ist, von einem in Kontakt mit dem inneren Umfangsteil des dritten O-Ringes (63) befindlichen Teil des Dichtungsgehäuses (3) ist, oder wenn der dritte O-Ringanschlag (44) an dem inneren Zylinderteil (31) des Dichtungsgehäuses (3) gebildet ist, von einem in Kontakt mit dem äußeren Umfangsteil des dritten O-Ringes (63) befindlichen Teil des feststehenden Dichtungsringes (4) ist, und den Innendurchmesser D1 und den Außendurchmesser D2 der Dichtungsstirnflächen (20, 40) bestimmt wird.