DE69822875T2

DE69822875T2 - Berührungsfrei laufende gleitringdichtung, mit konzentrischer dichtfläche

Info

Publication number: DE69822875T2
Application number: DE69822875T
Authority: DE
Inventors: Shi-Feng Wu; A. Christopher KOWALSKI; V. Henri AZIBERT
Original assignee: Chesterton AW Co
Current assignee: Chesterton AW Co
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: EP1042626B1; WO1999031414A1; DE69818097D1; DE69822875D1; EP1038130B1; EP1038131B1; WO1999031413A1; JP4216469B2; JP2002508489A; JP4128330B2; AU1924299A; AU1925999A; EP1042626A1; EP1038131A1; WO1999031412A1; JP2003524735A; DE69818097T2; EP1038130A1; AU1931299A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Dichtungen zur Fluidabdichtung zwischen einem Gehäuse und einer rotierenden Welle. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf mechanische Gleitringdichtungen, bei denen ein Fluid zwischen Teilen der Dichtflächen und der Dichtung eingeführt wird.
Die US 4,447,063 beschreibt eine herkömmliche Dichtung mit einem definitiv magnetisch gesteuerten Dichtungsspalt. Die Dichtung besitzt einen Dichtungringspalt in einer Radialebene und weist einen Dichtungsring auf, der mit der Welle umläuft und einen nicht-umlaufenden Dichtungsring, der an einem Gehäuse der Dichtung durch ein Element montiert ist, das elastisch in jeder Richtung nachgiebig ist und als Packung wirkt. Ein Dichtungsfluid strömt in den Dichtungsringspalt über Zuführungsbohrungen und über zugeordnete Verteilertaschen ein, die in dem nicht-umlaufenden Dichtungsring und/oder am äußeren oder inneren Umfang des umlaufenden Dichtungsrings vorgesehen sind. Es sind Sensoren zur Messung des Dichtungsringspaltes in dem nicht-umlaufenden Dichtungsring auf der Spaltseite vorgesehen. Über die gemessenen Werte werden Elektromagnete, die im Dichtungsgehäuse aufeinanderzu gerichtet sind, und mit gegenüberliegenden magnetisierbaren Körpern im nicht-umlaufenden Dichtungsring zusammenwirken, elektronisch gesteuert, um einen vorbestimmten konstanten Dichtungsspalt geringer Breite aufrechtzuerhalten.
Herkömmliche mechanische Dichtungen werden in einer Vielzahl mechanischer Apparaturen verwendet, um eine druckdichte und fluiddichte Abdichtung zwischen einer sich drehenden Welle und einem stationären Gehäuse zu bewirken. Die Dichtung wird gewöhnlich um die rotierende Welle positioniert, die im stationären Gehäuse gelagert ist und aus diesem Gehäuse vorsteht. Die Dichtung ist im typischen Fall mit dem Gehäuse am Wellenaustritt verbolzt, so dass ein Verlust des unter Druck stehenden Prozessfluids aus dem Gehäuse verhindert wird. Herkömmliche mechanische Dichtungen umfassen Gleitringdichtungen, mit zwei ringförmigen Dichtungsringen, die konzentrisch um die Welle angeordnet und axial im Abstand zueinander stehen. Die Dichtungsringe haben jeweils Dichtflächen, die in physikalischer Berührung miteinander vorgespannt sind. Gewöhnlich bleibt ein Dichtungsring stationär, während der andere Dichtungsring die Welle berührt und mit dieser umläuft. Die mechanische Dichtung verhindert einen Leckstrom von unter Druck stehendem Prozessfluid nach der äußeren Umgebung, indem die Dichtringflächen in physikalische Berührung miteinander gebracht werden. Infolge der wiederholten physikalischen Berührung zwischen den Dichtflächen erfolgt ein Abschleifen der Dichtungsflächen und die Dichtungen zeigen unerwünschte Abnutzungseigenschaften und zeigen Leckströme.
Es sind Versuche unternommen worden, um die erwähnten Schwierigkeiten zu vermeiden, indem berührungsfreie mechanische Dichtungen geschaffen wurden, die ein Fluid benutzen, das zwischen den Dichtringflächen eingefügt wird, um die mechanische Abnutzung zu vermindern. Konventionelle mechanische berührungsfreie Gleitringdichtungen benutzen im typischen Fall Pumpnuten, beispielsweise Spiralnuten oder Raleigh-Schrittnuten, die in einer der Dichtflächen der Dichtringe ausgebildet sind, um eine hydrodynamische Hubkraft zu erzeugen, die die Dichtungsstirnflächen voneinander trennt. Der resultierende Spalt ermöglicht eine Zufuhr eines Fluids zwischen die Dichtungsflächen, um ein Reiben und ein Schleifen der Dichtungsflächen zu vermeiden.
Eine derartige mechanische Dichtungsanordnung ist in der US-A-3,486,760 beschrieben. Hier wird ein Aufbau zur Abdichtung einer drehenden Welle gegenüber einem Gehäuse beschrieben, und der Aufbau besitzt einen stationären Dichtungsring, mit einem inneren Fluidkanal, durch den Schmiermittel in eine ringförmige Dichtungszone zwischen dem stationären Dichtungsring und einem komplementären, relativ dazu drehbaren Dichtungsring eingespritzt wird.
Herkömmliche berührungsfreie Gleitringdichtungen weisen jedoch Nachteile in gewisser Hinsicht auf, die ihr Verhalten weniger als optimal erscheinen lassen. Beispielsweise kann bei berührungsfreien Dichtungsausbildungen, die in erster Linie auf der Drehung beruhen, um eine hydrodynamische Trennung der Dichtringflächen zu erzielen, ein beträchtlicher Abrieb beim Anlauf oder in Perioden erfolgen, bei denen die Welle mit geringen Drehzahlen umläuft. Aus diesem Grund sind diese herkömmlichen berührungsfreien mechanischen Gleitringdichtungen ungeeignet für einen Betrieb mit geringen Drehzahlen oder unter Bedingungen, die ein häufiges Anlaufen und Anhalten der Welle erfordern.
Um die Probleme zu überwinden, die den reinen hydrodynamischen berührungsfreien Dichtungen zugeordnet sind, hat man Kombinationen von hydrostatischen und hydrodynamischen Dichtungen entwickelt. Diese Kombinationsdichtungen beruhen im typischen Fall darauf, dass der Fluiddruck eine hydrostatische Trennung bewirkt, und die Drehung eine hydrodynamische Trennung der Dichtflächen zur Folge hat. Die Durchführung einer solchen Kombinationsdichtung hat sich aber auch nicht als optimal erwiesen, weil die Dicke des Fluidspaltes, der zwischen den Dichtungsflächen ausgebildet wird, einer beträchtlichen Veränderung je nach Drehzahl ausgesetzt ist. Derartige konventionelle mechanische Kombinationsdichtungen liefern beträchtliche Unterschiede in der Fluidfilmdicke zwischen hydrostatischem Betrieb (beim Stillstand) und hydrodynamischen Betrieb (während der Drehung), infolge beträchtlichen Pumpkraft, die durch die Spiralnuten erzeugt wird. Der größere Spalt, der zwischen den Dichtungsflächen bei hoher Drehzahl ausgebildet wird, ergibt größere Leckströme über den Dichtungsflächen als dies sonst erwünscht wäre.
Eine beträchtliche Zahl konventioneller berührungsfreier Dichtungen benutzen eine Doppeldichtungsanordnung, bei der drei oder mehr Dichtungsringe axial längs der Welle angeordnet sind. Derartige Doppeldichtungen können Rücken an Rücken, Fläche gegen Fläche oder in Tandem-Anordnung vorgesehen werden, und sie benutzen im typischen Fall ein Hochdrucksperrfluid am äußeren Durchmesser der Dichtungsringe, während das Prozessfluid auf dem inneren Durchmesser der Dichtungsringe gehalten wird. Das Barrierefluid wird den Dichtflächen über die Pumpnuten zugeführt, die in einer der Dichtungsflächen enthalten sind.
Berührungslose Doppeldichtungen bekannter Art haben sich in gewissen Anwendungsbereichen auch alles andere als optimal erwiesen. Die Abdichtung des Prozessfluid am inneren Durchmesser der Dichtung kann dazu führen, dass Schmutz oder andere Partikel innerhalb des Prozessfluid zwischen den Dichtungsflächen eine Verstopfung bewirken, wodurch die Arbeitsweise der Dichtung beeinträchtigt wird. Außerdem bewirken bei einem Verlust des Barrierefluiddruckes einige der bekannten Doppeldichtungsausbildungen keine fluiddichte Absperrung, was zu einem Leckstrom des Prozessfluids führt. Die zusätzlichen Dichtungsringe bei Doppeldichtungen führen auch zu einer übermäßig umfangreichen Dichtung, die oft für Anwendungen ungeeignet ist, bei denen der axiale Raum längs der Welle beschränkt ist. Außerdem erfordern die Doppeldichtungen im typischen Fall eine Modifikation des Gehäuses, um den erhöhten Platzbedarf für die Dichtung zu erzeugen, und dies führt zu einer komplexen und kostspieligen Installation und Wartung der Dichtung.
Wie oben erwähnt kann es im Betrieb bekannter berührungsfreier mechanischer Dichtungen vorkommen, dass die Dichtflächen getrennt werden und einen Spalt bilden, durch den Dichtungsfluid strömt. Da der Durchtritt des Dichtungsfluids unvermeidbar ist, so ist es gewöhnlich bei bekannten Systemen erwünscht, den Leckstrom über die Dichtflächen zu begrenzen. Um den Leckstrom zu begrenzen folgt der stationäre Dichtungsring der Bewegung des umlaufenden Dichtringes bis zu einem hohen Grad. Die Manipulation der Dichtungsflächen und demgemäß der Spaltbreite unterstützen die Minimierung des Fluidleckstromes.
Bekannte mechanische Dichtungen benutzen im typischen Fall einen sekundären Dichtungsaufbau, der an der Rückseite der stationären Dichtung montiert ist, um den stationären Dichtungsring mit seiner Dichtungsfläche nach dem rotierenden Dichtungsring und seiner Dichtfläche vorzuspannen. Der sekundäre Dichtungsaufbau umfasst eine Feder, einen Abstandshalter und einen O-Ring. Der O-Ring wird im allgemeinen zwischen der Abstandshalterplatte, dem stationären Dichtungsring und dem Fluidgehäuse angebracht. Der Bereich, in dem der Dichtungs-O-Ring im typischen Fall montiert ist, drückt leider den O-Ring in Axialrichtung und Radialrichtung zusammen, so dass der Reibungseingriff zwischen Dichtungsring und Fluidgehäuse oder einer anderen Komponente erhöht wird. Die Feder und die Platte erzeugen eine axiale Vorspannkraft, die den stationären Dichtungsring nach dem rotierenden Dichtungsring vorspannt, um die Ringe gegeneinander zu bewegen.
Ein Nachteil dieser Sekundärdichtungen ist die Unmöglichkeit des stationären Dichtungsrings dicht dem rotierenden Dichtungsring zu folgen, weil hierbei ein Phänomen auftritt, was als Dichtungsflächen-"Anhängen" bezeichnet wird. Dies tritt im typischen Fall dann ein, wenn entweder durch Expansion, Kontraktion oder eine andere typische Dichtungsringbewegung, die im Betrieb erzeugt wird, der Rotor beträchtlich von dem stationären Dichtungsring abgehoben wird. Der Reibungseingriff des sekundären Dichtungs-O-Rings verhindert, dass der Dichtungsring von dem rotierenden Dichtungsring mitgenommen wird, und demgemäß wird ein Schließen dieses Spaltes verhindert. Dieses Problem wird verstärkt, wenn die mechanische Dichtung ausfällt und der Rotor axial von dem Stator wegläuft. Wenn die Dichtung danach angelassen wird, dann führt die Dichtflächentrennung zu einem übermäßigen Dichtungsleckstrom. In gewissen Fällen kann die mechanische Dichtung Versuchen der Dichtungsringe widerstehen, eine ordnungsgemäße Dichtung herbeizuführen. Es ist dann ein Ersatz der Dichtungskomponenten erforderlich.
Da sich die oben beschriebenen und weitere bekannte Abdichtungen als unzulänglich erwiesen haben, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte berührungsfreie mechanische Dichtung zu schaffen, die unter einem weiteren Bereich von Betriebsbedingungen zuverlässig arbeitet.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine berührungslose mechanische Gleitringdichtung zu schaffen, die eine fluiddichte Verbindung aufrechterhält, die weniger von der Drehzahl der Welle abhängt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine berührungsfreie mechanische Dichtung zu schaffen, bei der die Dichtflächenberührung bei geringeren Drehzahlen vermindert wird, und die Dichtung für Anwendungen geeignet wird, die ein häufiges Anlaufen und Anhalten der Welle erfordern.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine berührungslose mechanische Gleitringdichtung zu schaffen, die kompakt in der Ausbildung ist und ohne Modifizierung des Gehäuses installiert werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine berührungslose mechanische Dichtung zu schaffen, die die Vorteile einer hydrostatischen und einer hydrodynamischen Arbeitsweise gleichzeitig vereinigt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine berührungslose mechanische Dichtung zu schaffen, die eine Dichtungsstruktur hat, bei der die O-Ring-Hysterese wegfällt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen sekundären Dichtungsaufbau zu schaffen, der einen relativ geringen Reibungseingriff mit Dichtungskomponenten aufweist, um zu gewährleisten, dass die Dichtungsringe einen angemessenen Spalt im Betrieb aufrechterhalten.
Andere allgemeine und spezielle Ziele der Erfindung ergeben sich von selbst und aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch eine mechanische Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht, die eine Fluiddichtung zwischen einem Gehäuse und einer drehbaren Welle herstellt, und geeignet ist zur Arbeitsweise in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen, einschließlich geringer Wellendrehzahlen.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein mechanisches Gleitringdichtungssystem und ein Verfahren zur Verhinderung einer Berührung zwischen den Dichtungsflächen, wie diese Erfindung in den beiliegenden Ansprüchen gekennzeichnet ist.
Die Dichtung ist vorzugsweise eine berührungsfreie Dichtung, die die Einführung eines Fluid vorsieht, und zwar vorzugsweise eines Sperrfluid, zwischen den Dichtungsflächen. Die Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen ersten Dichtungsring mit einer ersten Dichtungsfläche und einen zweiten Dichtungsring mit einer zweiten Dichtungsfläche. Eine erste Oberfläche des ersten Dichtungsrings und eine erste Oberfläche des zweiten Dichtungsrings werden einem ersten Fluid, beispielsweise dem Prozessfluid ausgesetzt. Eine Betriebskraft wird zwischen erster und zweiter Dichtungsfläche aufgebaut, die eine Berührung zwischen den Dichtungsflächen verhindert. Die Dichtung umfasst weiter ein System zur Regelung der Öffnungskraft der Dichtungsfläche als Funktion der Differenz zwischen dem Druck des zwischen die Dichtungsflächen eingeführten Fluid und dem Druck des ersten Fluid.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die erste Oberfläche des ersten Dichtungsrings und die erste Oberfläche des zweiten Dichtungsrings die radial äußeren Oberflächen der Dichtung. Auf diese Weise wird das erste Fluid an den radial äußeren Oberflächen der Dichtung gehalten. Gemäß einer Alternative kann das erste Fluid an den radial inneren Oberflächen der Dichtung gehalten werden.
Die Dichtung nach der vorliegenden Erfindung kann auch ein System zur Entwicklung einer Schließkraft auf einen der Dichtungsringe aufweisen. Vorzugsweise umfasst die Dichtung weiter ein System zur Regelung des Verhältnisses der Öffnungskraft zur Schließkraft als Funktion der Druckdifferenz zwischen dem Fluid, das den Dichtflächen zugeführt wird und dem ersten Fluid.
Die erfindungsgemäße mechanische Dichtung benutzt vorzugsweise mehrere Pumpnuten in dem zweiten Teil der ersten Dichtfläche, um eine hydrodynamische Fluidkraft zwischen wenigstens einem Teil der ersten Dichtungsfläche und wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsfläche zu erzielen. Ein Sperrfluid kann in die Pumpnuten eingeführt werden, die in der ersten Dichtungsfläche vorgesehen sind, so dass die Pumpnuten und das Fluid eine hydrodynamische und eine hydrostatische Fluidkraft zwischen der ersten und zweiten Dichtungsfläche erzeugen, um selektiv wenigstens einen Teil der ersten Dichtungsfläche von wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsfläche zu trennen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können mehrere Kanäle innerhalb des zweiten Dichtungsrings ausgebildet werden, um eine Sperrflüssigkeit in die Pumpnuten in der ersten Dichtungsfläche einzuführen. Jeder Kanal kann offen nach der zweiten Dichtungsfläche an einem Ende offen sein und kann in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle an einem anderen Ende stehen. Eine Umfangsnut kann außerdem in der zweiten Dichtungsfläche ausgebildet und an der zweiten Dichtungsfläche derart angeordnet sein, dass die Kanäle sich nach der Umfangsnut öffnen. Die Umfangsnut und die Kanäle stehen vorzugsweise auf wenigstens einen Teil der Pumpnuten ausgerichtet, die in der ersten Dichtungsfläche ausgebildet sind, derart dass die Kanäle und die Umfangsnut das Fluid nach den Pumpnuten fördern, um die hydrodynamische Fluidkraft zu erzeugen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Dichtung auch ein Fluidsteuersystem zur Steuerung der Trennung der Dichtflächen aufweisen, in dem der Druck der Sperrflüssigkeit eingestellt wird, die den Nuten zugeführt wird. Vorzugsweise stellt das Fluidsteuersystem die Dicke des Spaltes zwischen den Dichtflächen dadurch ein, dass der Druck der Sperrflüssigkeit über dem Druck des Prozessfluid während der Arbeitsweise der Dichtung eingestellt wird.
Die erfindungsgemäße mechanische Dichtung kann eine Hülse aufweisen, um den ersten Dichtungsring an der rotierenden Welle festzulegen. Diese Hülse besitzt ein Flanschende und ist so bemessen, dass sie allgemein konzentrisch um die sich drehende Welle herum montiert wird. Die Dichtung kann außerdem einen ringförmigen Blockierungsring aufweisen, der konzentrisch um die Hülse herum angeordnet ist, um die Hülse festzulegen und um damit auch den ersten Dichtungsring an der rotierenden Welle festzulegen. Der Verriegelungsring kann mehrere Öffnungen aufweisen, um Befestigungsglieder aufzunehmen, die reibungsschlüssig an der rotierenden Welle angreifen, um den Verriegelungsring und die Hülse auf der Welle zu haltern.
Die mechanische Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann außerdem einen Stopfbuchsenaufbau aufweisen, der so bemessen ist, dass er am Gehäuse und um die Welle herum gelagert ist. Der Stopfbuchsenaufbau kann mit dem zweiten Dichtungsring gekoppelt sein, um den zweiten Dichtungsring mit dem Gehäuse zu verbinden und um demgemäß dem zweiten Dichtungsring an einer Drehung zu hindern. Der Stopfbuchsenaufbau kann eine innere axiale Stopfbuchsenplatte und eine axial äußere Stopfbuchsenplatte aufweisen. Ein elastischer Körper, beispielsweise ein O-Ring, kann zwischen die innere Stopfbuchsenplatte und die äußere Stopfbuchsenplatte eingefügt werden, um dazwischen eine Dichtung herzustellen.
Ein elastischer Körper, beispielsweise ein O-Ring, kann zwischen dem zweiten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau eingefügt werden, um zwischen dem zweiten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau eine Dichtung herzustellen. Ein Kompressionsglied kann weiter vorgesehen werden, um axial und radial den elastischen Körper in Berührung mit dem zweiten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau zu bringen. Das Kompressionsglied ist vorzugsweise als ringförmige Kompressionsplatte ausgebildet, deren kreisförmiger innerer Flanschabschnitt an dem elastischen Körper angreift. Der innere Flanschabschnitt kann eine axial und radial verlaufende, im Winkel angestellte Oberfläche aufweisen, um axial und radial den elastischen Körper in Berührung mit dem zweiten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau vorzuspannen.
Die mechanische Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann fakultativ ein System zum Einführen eines Sperrfluids nach der hinteren Oberfläche des zweiten Dichtungsrings aufweisen, um eine Schließkraft auf den zweiten Dichtungsring auszuüben. Die Schließkraft wirkt vorzugsweise auf einen Teil der zweiten Dichtungsoberfläche, die den zweiten Teil der ersten Dichtungsoberfläche überlappt. Das Schließfluidsystem kann eine Fluidleitung aufweisen, die in der äußeren Stopfbuchsenplatte ausgebildet ist, die sich proximal zur hinteren Oberfläche des zweiten Dichtungsrings an einem Ende öffnet und in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle am anderen Ende steht. Vorzugsweise liefert eine gemeinsame Fluidzuführung sowohl das Schließfluid dem Schließfluidsystem und das Sperrfluid zur Einführung nach den Dichtungsflächen.
Die vorliegende Erfindung ist auch durch den sekundären Dichtungsaufbau der vorliegende Erfindung gekennzeichnet, zur Benutzung in Verbindung mit einer mechanischen Gleitringdichtung, die einen ersten Dichtungsring, einen zweiten Dichtungsring und einen Stopfbuchsenaufbau aufweist. Der sekundäre Dichtungsaufbau weist ein Kompressionsglied mit einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche, ein elastisches Glied, welches zwischen die hintere Oberfläche des Kompressionsglieds und die innere Oberfläche des Stopfbuchsenaufbaus eingefügt ist, um axial die Kompressionsplatte vorzuspannen, und es ist ein Dichtungskörper zwischen der vorderen Oberfläche des Kompressionsglieds und der hinteren Oberfläche des ersten Dichtungsrings angeordnet. Die vordere Oberfläche des Kompressionsglieds ist so ausgebildet, dass eine axiale und radiale Dichtungskraft auf den Dichtungskörper ausgeübt wird. Die axiale und radiale Dichtungskraft setzt den Dichtungskörper in Dichtungseingriff mit dem ersten Dichtungsring und der inneren Oberfläche des Stopfbuchsenaufbaus, um einen Fluidleckstrom zwischen dem ersten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau zu verhindern.
Die vordere Oberfläche des Kompressionsglieds kann fakultativ eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweisen, wobei die erste Oberfläche in einem Winkel gegenüber der zweiten Oberfläche angestellt ist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Winkel zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche ein stumpfer Winkel und demgemäß übt die zweite Oberfläche eine radiale und eine axiale Kraft auf den Dichtungskörper aus. Es ist außerdem zweckmäßig, dass der Winkel, der von der ersten und der zweiten Oberfläche definiert wird, so gewählt ist, dass die Radialkraft, die auf den Dichtungskörper ausgeübt wird, minimiert wird, während gleichzeitig der Dichtungskörper in Dichtungsberührung mit der inneren Oberfläche des Stopfbuchsenaufbaus verbleibt. Auf diese Weise werden die Reibungskräfte zwischen dem Dichtungskörper und den Dichtungskomponenten, das heißt dem ersten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau vermindert, während eine Fluidabdichtung zwischen dem ersten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau aufrechterhalten wird. Durch Verminderung der Friktionskräfte wird ein „Hängenbleiben" des ersten Dichtungsrings durch den Dichtungskörper verhindert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bilden die hintere Oberfläche des ersten Dichtungsrings und die vordere Oberfläche des Kompressionsglieds eine Kammer zur Aufnahme des Dichtungskörpers. Die Kammer und der zweite Dichtungsaufbau sind so bemessen, dass eine thermische Expansion des Dichtungskörpers in radialer Richtung im Betrieb der Dichtung möglich ist. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Kompression des Dichtungskörper innerhalb der Kammer verhindert, was zu erhöhten Reibungskräften zwischen dem Dichtungskörper und dem ersten Dichtungsring führen könnte.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine mechanische Dichtung, die geeignet ist, zum Betrieb über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen, einschließlich geringer Wellendrehzahlen. Die Dichtung ist vorzugsweise eine berührungslose Dichtung, die hydrostatisch über einen Bereich einer Dichtungsfläche arbeitet und hydrostatisch und hydrodynamisch über einen weiteren Bereich der Dichtungsflächen. Demgemäß ermöglicht die erfindungsgemäße mechanische Dichtung eine partielle oder vollständige Trennung der Dichtungsflächen, unabhängig von der Wellendrehzahl, indem ein Teil der Dichtungsflächen allein dem hydrostatischen Fluiddruck ausgesetzt ist. So kann die Berührung zwischen den Dichtungsflächen beim Anlauf oder bei geringen Wellendrehzahlen vermindert oder verhindert werden, wodurch die Abnutzung der Dichtungsflächen gering gehalten wird. Außerdem liefert die mechanische Dichtung gemäß vorliegende Erfindung die Vorteile einer hydrodynamischen Arbeitsweise bei hohen Wellendrehzahlen, wodurch der Gesamtbereich eines wirksamen Betriebs für die Dichtung erhöht wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die mechanische Dichtung gemäß der Erfindung einen ersten Dichtungsring mit einer ersten Dichtungsfläche und einen zweiten Dichtungsring mit einer zweiten Dichtungsfläche auf. Die erste Dichtungsfläche besitzt weiter einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. Die Dichtungsflächen von den ersten und zweiten Dichtungsringen sind aufeinanderhin gerichtet, wenn die Dichtung zusammengebaut ist. Einer der Dichtungsringe dreht sich mit der umlaufenden Welle, und der andere Dichtungsring ist an einer Drehung gehindert. Die Dichtungsflächen sind so ausgebildet, dass eine primär hydrostatische Fluidkraft zwischen wenigstens einem Teil des ersten Abschnitts der ersten Dichtungsoberfläche und wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsoberfläche erzeugt wird. Außerdem sind die Dichtungsflächen so ausgebildet, dass ein hydrodynamischer Fluiddruck und ein hydrostatischer Fluiddruck zwischen wenigstens einem Abschnitt des zweiten Teils der ersten Dichtungsfläche und wenigstens einem Abschnitt der zweiten Dichtungsfläche zustandekommt.
Vorzugsweise besitzt der erste Dichtungsring eine erste äußere radial verlaufende Dichtungsoberfläche am ersten Abschnitt der ersten Dichtungsfläche und eine zweite innere radial verlaufende Dichtungsfläche am zweiten Abschnitt der ersten Dichtungsfläche. Die erste äußere Dichtungsfläche und die zweite innere Dichtungsfläche sind allgemein koplanar. Vorzugsweise ist die zweite Dichtungsfläche so bemessen, dass sie wenigstens einen Teil der inneren und äußeren Dichtungsflächen des ersten Dichtungsrings überlappt, so dass die Dichtungsringe in der Lage sind, hydrostatische und hydrodynamische Kräfte zu erzeugen, weil die Dammabschnitte, die von der Dichtungsfläche gebildet werden, überlappen. Die erste äußere Dichtungsfläche kann längs eines äußeren ringsumlaufenden Abschnitts der ersten Dichtungsfläche angeordnet sein, und die zweite innere Dichtungsfläche kann längs eines inneren umlaufenden Abschnitts der ersten Dichtungsfläche angeordnet sein, um eine konzentrische Doppeldichtung an einem einzigen Dichtungsring zu bilden.
Die erfindungsgemäße mechanische Dichtung benutzt vorzugsweise mehrere Pumpnuten in dem zweiten Abschnitt der ersten Dichtungsfläche, um den hydrodynamischen Fluiddruck zwischen wenigstens einem Teil des zweiten Abschnitts der ersten Dichtungsfläche und wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsfläche zu erzeugen. Es kann ein Sperrfluid den Pumpnuten in der ersten Dichtungsoberfläche zugeführt werden, so dass die Pumpnuten und das Fluid die hydrodynamischen und die hydrostatischen Fluidkräfte zwischen der ersten und zweiten Dichtungsfläche bilden können, um selektiv wenigstens einen Teil der ersten Dichtungsoberfläche von wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsoberfläche abzuheben.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können mehrere Kanäle in dem zweiten Dichtungsring angeordnet sein, um eine Sperrfluid den Pumpnuten zuzuführen, die in der ersten Dichtungsfläche ausgebildet sind. Jeder Kanal kann nach der zweiten Dichtungsfläche an einem Ende offen sein und in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle am anderen Ende stehen. Eine Umfangsnut kann auch in der zweiten Dichtungsfläche angeordnet und auf der zweiten Dichtungsfläche derart angeordnet sein, dass die Kanäle sich nach der Umfangsnut öffnen. Die Umfangsnut und die Kanäle sind vorzugsweise auf wenigstens einen Abschnitt der Pumpnuten ausgerichtet, die in der ersten Dichtungsfläche ausgebildet sind, so dass die Kanäle und die Umfangsnut Fluid nach den Pumpnuten fördern, um die hydrodynamische Fluidkraft zu erzeugen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Dichtung auch ein Fluidsteuersystem aufweisen, um die Spreizung der Dichtungsflächen einzustellen, indem der Druck des Sperrfluids, das den Nuten zugeführt wird, eingestellt wird. Vorzugsweise stellt das Fluidsteuersystem die Dicke des Spaltes zwischen den Dichtungsflächen dadurch ein, dass der Sperrfluiddruck über den Prozessfluiddruck eingestellt wird, während die Dichtung arbeitet.
Die mechanische, gemäß der Erfindung ausgebildete Dichtung kann eine Hülse aufweisen, um den ersten Dichtungsring auf der rotierenden Welle festzulegen. Die Hülse besitzt ein Flanschende und ist so bemessen, dass sie allgemein konzentrisch auf der sich drehenden Welle sitzt. Die Dichtung kann einen ringförmigen Blockierungsring aufweisen, der konzentrisch auf der Hülse gelagert ist, um die Hülse festzulegen, und so wird der erste Dichtungsring auf der sich drehenden Welle festgelegt. Der Verriegelungsring kann mehrere Öffnungen aufweisen, die darin ausgebildet sind, um Befestigungsglieder aufzunehmen, die reibungsschlüssig an der sich drehenden Welle angreifen, um den Blockierungsring und die Hülse auf der Welle festzuhalten.
Die mechanische Dichtung gemäß der vorliegende Erfindung kann außerdem einen Stopfbuchsenaufbau aufweisen, der so bemessen ist, dass er am Gehäuse und um die Welle herum angeordnet werden kann. Der Stopfbuchsenaufbau kann mit dem zweiten Dichtungsring gekoppelt sein, um den zweiten Dichtungsring mit dem Gehäuse zu verbinden, und demgemäß den zweiten Dichtungsring an einer Drehung zu hindern. Der Stopfbuchsenaufbau kann eine axial innere Stopfbuchsenplatte und eine axial äußere Stopfbuchsenplatte aufweisen. Ein elastisches Glied, beispielsweise ein O-Ring, kann zwischen die innere Stopfbuchsenplatte und die äußere Stopfbuchsenplatte gefügt werden, um dazwischen eine Dichtung herzustellen.
Ein elastisches Glied, beispielsweise ein O-Ring, kann zwischen dem zweiten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau gefügt werden, um eine Dichtung zwischen dem zweiten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau herbeizuführen. Ein Kompressionsglied kann außerdem vorgesehen werden, um axial und radial das elastische Glied in Berührung mit dem zweiten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau vorzuspannen. Das Kompressionsglied ist vorzugsweise eine ringförmige Kompressionsplatte mit einem ringförmigen inneren Flanschabschnitt, der an dem elastischen Körper angreift. Der innere Flanschabschnitt kann eine axial und radial verlaufende, im Winkel angestellte Oberfläche aufweisen, um axial und radial den elastischen Körper in Berührung mit dem zweiten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau vorzuspannen.
Die mechanische Dichtung gemäß der vorliegende Erfindung kann wahlweise ein System aufweisen, um ein Schließfluid der hinteren Oberfläche des zweiten Dichtungsrings zuzuführen, um eine Schließkraft auf den zweiten Dichtungsring auszuüben. Die Schließkraft wirkt vorzugsweise auf einen Abschnitt der zweiten Dichtungsfläche, der den zweiten Abschnitt der ersten Dichtungsfläche überlappt. Das Schließfluidsystem kann eine Fluidleitung umfassen, die in der äußeren Stopfbuchsenplatte ausgebildet ist, die sich proximal nach der hinteren Oberfläche des zweiten Dichtungsrings an einem Ende öffnet, und in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle an einem anderen Ende steht. Vorzugsweise liefert eine gemeinsame Fluidquelle sowohl das Schließfluid nach dem Schließfluidsystem als auch das Barrierefluid zur Einführung nach den Dichtungsflächen.
Diese und weitere Ziele der vorliegende Erfindung werden außerdem durch einen zweiten Dichtungsaufbau der vorliegende Erfindung zur Benutzung in Verbindung mit einer mechanischen Gleitringdichtung gelöst, die einen ersten Dichtungsring, einen zweiten Dichtungsring und einen Stopfbuchsenaufbau umfasst. Der zweite Dichtungsaufbau umfasst ein Kompressionsglied, mit einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche, wobei ein elastischer Körper zwischen der hinteren Oberfläche des Kompressionsglieds und der inneren Oberfläche des Stopfbuchsenaufbaus gefügt ist, um axial die Kompressionsplatte vorzuspannen, und es ist ein Dichtungskörper zwischen die vordere Oberfläche des Kompressionsglieds und die hintere Oberfläche des ersten Dichtungsrings eingefügt. Die vordere Oberfläche des Kompressionsglieds kann so ausgebildet sein, dass eine axiale und eine radiale Dichtungskraft auf den Dichtungskörper ausgeübt wird. Die axiale und radiale Dichtungskraft drückt den Dichtungskörper in Dichtungseingriff mit dem ersten Dichtungsring und der inneren Oberfläche des Stopfbuchsenaufbaus, um einen Fluidleckstrom zwischen dem ersten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau zu verhindern.
Die vordere Oberfläche des Kompressionsglieds kann fakultativ eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweisen, wobei die erste Oberfläche unter einem Winkel gegenüber der zweiten Oberfläche angestellt ist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Winkel zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche ein stumpfer Winkel, und demgemäß wirkt die zweite Oberfläche eine radiale und eine axiale Kraft auf den Dichtungskörper aus. Es ist auch zweckmäßig, dass der zwischen erster und zweiter Oberfläche definierte Winkel so gewählt ist, dass die Radialkraft vermindert wird, die auf den Dichtungskörper ausgeübt wird, wobei gleichzeitig der Dichtungskörper in Dichtungsberührung mit der inneren Oberfläche des Stopfbuchsenaufbaus verbleibt. Bei dieser Anordnung werden die Reibungskräfte zwischen dem Dichtungskörper und den Dichtungskomponenten, das heißt dem ersten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau, verringert, und es wird dabei die Fluiddichtung zwischen dem ersten Dichtungsring und dem Stopfbuchsenaufbau beibehalten. Durch Verminderung der Reibungskräfte wird ein „Hängenbleiben" des ersten Dichtungsrings durch den Dichtungskörper verhindert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bilden die hintere Oberfläche des ersten Dichtungsrings und die vordere Oberfläche des Kompressionsglieds eine Kammer zur Aufnahme des Dichtungskörpers. Die Kammer und der zweite Dichtungsaufbau sind so bemessen, dass eine thermische Expansion des Dichtungskörpers in Radialrichtung im Betrieb der Dichtung möglich wird. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Kompression des Dichtungskörpers innerhalb der Kammer verhindert, was zu einer erhöhten Reibungskraft zwischen dem Dichtungskörper und dem ersten Dichtungsring führen könnte.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegende Erfindung ergeben sich aus der folgenden Einzelbeschreibung, in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente in den unterschiedlichen Ansichten beziehen. Die Zeichnungen veranschaulichen Prinzipien der Erfindung, und obgleich allgemein und gelegentlich nicht maßstabsgetreu, so sind doch die relativen Dimensionen angegeben.
1 ist eine Teilquerschnittsansicht einer berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung, gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Dichtungsbauteile der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung nach 1, nach den Lehren der vorliegenden Erfindung, im nicht zusammengebauten Zustand;
3 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Dichtungsbauteile einer berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung nach 1, in einer anderen Perspektive als bei 2 betrachtet, und zwar ebenfalls im nicht zusammengebauten Zustand, nach den Lehren der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine perspektivische Ansicht der inneren Stopfbuchsenplatte der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung nach 1, gemäß den Lehren der vorliegende Erfindung;
5 ist eine perspektivische Ansicht der äußeren Stopfbuchsenplatte der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung gemäß 1, entsprechend den Lehren der vorliegende Erfindung;
5A ist eine Schnittansicht der äußeren Stopfbuchsenplatte gemäß 5, nach den Lehren der vorliegende Erfindung;
5B ist eine Teilschnittansicht der äußeren Stopfbuchsenplatte gemäß 5, wobei der stationäre Dichtungsring und die Kompressionsplatte abgedichtet im äußeren Stopfbuchsenaufbau dargestellt sind;
5C ist eine Teilschnittansicht der äußeren Stopfbuchsenplatte gemäß 5, wobei der stationäre Dichtungsring und eine zweite Ausführungsform einer Druckplatte dargestellt sind, die innerhalb der äußeren Stopfbuchsenplatte sitzt;
6 ist eine perspektivische Ansicht der Hülse zur Abstützung des drehbaren Dichtungsrings der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung gemäß 1, nach den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgebildet;
7 ist eine perspektivische Ansicht des rotierenden Dichtungsrings der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung nach 1, gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung;
7A ist eine Seitenschnittansicht des rotierenden Dichtungsrings gemäß 7;
8 ist eine perspektivische Ansicht des stationären Dichtungsrings der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung gemäß 1, nach den Lehren der vorliegenden Erfindung;
8A ist eine Schnittansicht des stationären Dichtungsrings gemäß 8;
9 ist eine perspektivische geschnittene Darstellung des stationären Dichtungsrings gemäß 8, nach den Lehren der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine perspektivische Ansicht der Kompressionsplatte der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung nach 1, gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung;
10A ist eine Seitenansicht der Kompressionsplatte nach 10;
11 ist eine perspektivische Ansicht des Verriegelungsringes der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung nach 1, gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine Teilschnittansicht der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung nach 1, gemäß der Erfindung, mit einem innerhalb der Stopfbuchse angeordneten Druckrückführungssystem;
13 ist eine Teilschnittansicht der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung nach 12, bei der ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Druckrückführungssystems benutzt ist;
14A und 14B sind Teilseitenschnittansichten des rotierenden und stationären Dichtungsringes der berührungslosen mechanische Gleitringdichtung gemäß 1, wobei die verschiedenen Kräfte dargestellt sind, die auf die Dichtungsringe gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ausgeübt werden; und
15 ist eine schematische Schnittansicht des rotierenden und stationären Dichtungsrings der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung nach 1, wobei die verschiedenen Kräfte dargestellt sind, die bei einem Verlust von Sperrfluiddruck auf die Dichtungsringe wirken, und zwar ausgebildet gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele
In den 1, 2 und 3 ist eine mechanische Gleitringdichtung 10 gemäß der Erfindung dargestellt. Die dargestellte mechanische Gleitringdichtung 10 ist konzentrisch um eine Welle 12 herum angeordnet und an einer Außenwand eines Fluidgehäuses 11, beispielsweise einer Pumpe oder dergleichen, festgelegt. Die Welle 12 erstreckt sich längs einer Achse 13 und ist wenigstens teilweise im Gehäuse 11 montiert. Die Dichtung 10 ist mit einer Fluiddichtung zwischen dem Gehäuse 11 und der Welle 12 versehen, wodurch verhindert wird, dass ein Prozessmedium oder ein Prozessfluid aus dem Gehäuse 11 entweicht. Die Fluidabdichtung wird durch einen stationären Dichtungsring 14 und einen rotierenden Dichtungsring 16 bewirkt, die jeweils radial verlaufende, bogenförmige Dichtungsflächen 18 bzw. 20 aufweisen, wie diese in den 7 und 8 dargestellt sind. Die Dichtungsfläche 18 des stationären Dichtungsrings 14 ist in Dichtungsbeziehung mit der Dichtungsfläche 20 des Dichtungsrings 16 vorgespannt, wie dies weiter unten im einzelnen beschrieben wird. Demgemäß bilden diese individuellen Dichtungsflächen eine Fluiddichtung, die unter einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen arbeitsfähig ist und für die verschiedensten Zwecke angewandt werden kann, wie dies im einzelnen weiter unten beschrieben wird.
Die Ausdrücke „Prozessmedium" und „Prozessfluid", wie sie in der Beschreibung benutzt werden, beziehen sich allgemein auf das Medium oder das Fluid, das durch das Gehäuse 11 übertragen wird. Bei Pumpenanwendungen ist beispielsweise das Prozessmedium das Fluid, das durch das Pumpengehäuse gepumpt wird.
Die Ausdrücke „axial", wie sie in der Beschreibung benutzt werden, beziehen sich allgemein auf eine Richtung parallel zur Wellenachse 13. Die Ausdrücke „radial", wie sie hierin benutzt werden, beziehen sich auf eine Richtung allgemein senkrecht zur Wellenachse 13.
Die mechanische Dichtung 10 ist vorzugsweise eine mechanische, berührungslos arbeitende Gleitringdichtung, bei der ein Sperrfluid zwischen die Dichtungsflächen 18, 20 vom ersten und zweiten Dichtungsring 14 bzw. 16 eingeführt wird. Vorzugweise ist das bei der vorliegenden Dichtung benutzte Sperrfluid ein Gas. Bei einer berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung wirkt das Sperrfluid zur Verminderung, oder Vermeidung einer Berührung zwischen den im wesentlichen radialen Oberflächen der Dichtungen 18 und der radialen Abschnitte der Dichtungsfläche 20, wodurch der Reibungseingriff und die entsprechende Abnutzung der Dichtungsflächen 18 und 20 vermindert werden. Demgemäß hat eine berührungslose mechanische Gleitringdichtung einen Dichtungsaufbau, bei dem eine vollständige Trennung der Dichtungsflächen ständig stattfindet, eine ständige Trennung der Dichtungsflächen unter gewissen Betriebsbedingungen, beispielsweise während des Laufes der Welle erhalten bleibt und eine gelegentliche oder teilweise Trennung der Dichtungsflächen stattfindet. Im Gegensatz dazu hat eine gleitende Gleitringdichtung einen Dichtungsaufbau, bei dem eine teilweise oder vollständige Berührung der Dichtungsflächen aufrechterhalten bleibt. Bei beiden Typen von Dichtungen wirkt das Sperrfluid als Wärmeübertragungsmedium, um die Wärme von den Dichtungsflächen abzuführen und um die Wirkungen thermischer Beanspruchungen der Dichtungsflächen herabzusetzen.
Gemäß den 1 bis 5 weist die dargestellte mechanische Dichtung 10 zusätzlich zu dem stationären Dichtungsring 14 und dem rotierenden Dichtungsring 16 einen Dichtungsstopfbuchsenaufbau 30 und eine rotierende Dichtungsringhülse 100 auf. Der Dichtungsstopfbuchsenaufbau 30 umfasst zwei Stopfbuchsenplatten, und zwar eine innere Stopfbuchsenplatte 34 und eine äußere Stopfbuchsenplatte 36. Die innere Stopfbuchsenplatte 34 liegt konzentrisch um die Welle 12 herum und liegt benachbart zum Gehäuse 11, um hiermit verbunden zu werden. Die äußere Stopfbuchsenplatte 36 liegt axial längs der Achse 13 benachbart und im wesentlichen parallel zur inneren Stopfbuchsenplatte 34.
Gemäß 4 besitzt die innere Stopfbuchsenplatte 34 eine radial innere Oberfläche 38 und eine radial äußere Oberfläche 40, sowie eine axial innere Oberfläche 42 und eine axial äußere Oberfläche 44. Die innere axiale Oberfläche 42 liegt benachbart zum Gehäuse 11 und besitzt eine darin ausgebildete Gehäusedichtungsringnut 48, benachbart zur inneren radialen Oberfläche 38, wie dies am besten aus 1 erkennbar ist. In der Nut 48 sitzt ein flacher ringförmiger Gehäusedichtungsring 50, der vorzugsweise eine Axialabmessung besitzt, die größer ist als die Tiefe der Nut 48, wodurch eine druckdichte und fluiddichte Abdichtung zwischen der mechanischen Abdichtung 10 und dem Gehäuse 11 geschaffen wird. Der Gehäusedichtungsring 50 ist vorzugsweise in der Nut 48 gelagert und darin durch einen Kleber festgelegt. Diese Anordnung unterstützt die Verhinderung eines Leckstroms des Prozessmediums längs der Paßabschnitte von mechanischer Dichtung 10 und Gehäuse 11, wenn diese Teile montiert sind.
Es wird wiederum auf die 1 bis 4 Bezug genommen. Ein innerer ringförmiger Stopfbuchsenplatten-Dichtungsabschnitt oder Kragen 52 erstreckt sich von der äußeren Oberfläche 44 axial nach außen und weist eine radial verlaufende Oberfläche 54 auf. Die radial verlaufende Oberfläche 54 des inneren Stopfbuchsenplatten-Dichtungsteils 52 ist so dimensioniert, dass ein Stopfbuchsenplatten-O-Ring 56 beaufschlagt wird, um eine Dichtung zwischen der inneren Stopfbuchsenplatte 34 und der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 zu schaffen, wenn die Stopfbuchsenplatten zusammen montiert sind.
Die äußere Stopfbuchsenplatte 36 weist eine axial verlaufende innere Oberfläche 58 und eine axial verlaufende äußere Oberfläche 60, sowie eine radial verlaufende innere Oberfläche 62 und eine radial verlaufende äußere Oberfläche 64 auf, wie in den 1 bis 3, 5 und 5A dargestellt ist. Beginnend von der äußeren Oberfläche 60 weist die radial innere Oberfläche 62 einen ersten radial verlaufenden Oberflächenabschnitt 66 und einen zweiten radial verlaufenden Oberflächenabschnitt 68 auf, der radial einwärts von der ersten radial verlaufenden Oberfläche 66 gestuft ist. Eine Stopfbuchsendichtringnut 70 ist in der zweiten radial verlaufenden Oberfläche 68 benachbart zu der ersten radial verlaufenden Oberfläche 66 angeordnet. Eine axial verlaufende erste Oberfläche 72 verbindet die zweite radial verlaufende Oberfläche 68 mit einer dritten radial nach innen verlaufenden Oberfläche 74. Eine axial verlaufende zweite Oberfläche 76 verbindet die dritte radial verlaufende Oberfläche 74 und eine vierte radial verlaufende Oberfläche 78.
Eine stationäre Dichtungringaufnahmekammer 90 wird durch die erste Oberfläche 72, die dritte radial verlaufende Oberfläche 74 und die zweite Oberfläche 76 des stationären Dichtungsrings 14 gebildet, wie dies aus 5A ersichtlich ist. In der ersten Oberfläche 72 ist eine Nut 92 ausgebildet, um ein elastomeres Glied 94 aufzunehmen, beispielsweise einen O-Ring, um eine Abdichtung gegenüber dem stationären Dichtungsringkörper 14 zu bewirken.
Der O-Ring 56 der Stopfbuchsenplatte sitzt innerhalb der Stopfbuchsendichtungsnut 70 der äußeren Stopfbuchsenplatte 36. Wenn die Stopfbuchsenplatten 34 und 36 zusammengebaut werden, dann stößt die radial verlaufende Oberfläche 54 des inneren Stopfbuchsenplatten-Dichtungsabschnitts an den Stopfbuchsenplatten-O-Ring 56 in der Stopfbuchsen-Dichtungsringnut 70 an und drückt diesen zusammen. Auf diese Weise bildet der O-Ring 56 der Stopfbuchsenplatte eine Fluiddichtung und eine Druckdichtung zwischen den Stopfbuchsenplatten. Weiter ist der Außendurchmesser des ringförmigen Kragens 52 etwas kleiner als der Außendurchmesser der Nut 70, so dass im zusammengebauten Zustand die äußere Oberfläche des Kragens 52 an die radial äußere Wand der Nut 70 dicht anliegt.
Jede der Stopfbuchsenplatten 34 und 36 weist vier Befestigungsausnehmungen 80 auf, um nicht dargestellte Bolzen aufzunehmen und um die erfindungsgemäße mechanische Dichtung 10 am Gehäuse 11 festzulegen. Stattdessen können Bolzenaufnahmefortsätze über den Umfang der Dichtung 10 verteilt sein, um die Dichtung 10 mit dem Gehäuse 11 zu verbinden. Beispiele geeigneter Bolzenaufnahmefortsätze sind in den eigenen Patenten des Anmelders, der US-A-5,209,496 und US-A-5,571,268, beschrieben. Jede der Stopfbuchsenplatten kann außerdem zwei Befestigungsöffnungen 82 aufweisen, um Bolzen 84 aufzunehmen, und um die innere Stopfbuchsenplatte 34 mit der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 zu verbinden.
Wie aus 1 bis 3 und 6 ersichtlich ist eine rotierende Dichtungsringhülse 100 innerhalb der inneren Kammer angeordnet, die von dem Stopfbuchsenaufbau 30 gebildet ist. Die rotierende Dichtungringhülse 100 weist einen axial verlaufenden zylindrischen Hülsenkörper 102 mit einem axial äußeren Ende 104 und einem axial inneren Ende 106 sowie einer äußere Oberfläche 108 und einer inneren Oberfläche 110 auf. Die äußere Oberfläche 108 der Hülse 100 weist eine erste äußere Oberfläche 112 benachbart zum äußeren Ende 104 und eine zweite äußere Oberfläche 114 benachbart zum inneren Ende 106 und radial auswärts gestuft von der ersten äußeren Oberfläche auf. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der äußere Durchmesser der ersten äußeren Oberfläche 112 kleiner als der Durchmesser der inneren radialen Oberfläche 58 der äußeren Stopfbuchsenplatte 36. Dieses Spiel ermöglicht es der Hülse 100 innerhalb des Stopfbuchsenaufbaus 30 ungehindert bezüglich der Drehbewegung zu sitzen.
Der Durchmesser der inneren Oberfläche 110 der Hülse 100 ist vorzugsweise gleich oder etwas größer als der Durchmesser der Welle 12, an der die Hülse 100 befestigt ist, wie dies in 1 dargestellt ist. Die inneren Oberfläche 110 weist darin einen Ringkanal 116 zur Lagerung einer Wellendichtung 118 auf. Wenn der Dichtring 118 im Kanal 116 montiert ist, dann liegt er dichtend der Welle 12 an und bildet einen fluiddichten Sitz längs der Zwischenfläche von Hülse und Welle (1).
Gemäß 1 und 6 erstreckt sich von dem Hülsenkörper 102 ein Flansch 120 radial nach außen, und zwar in der Nähe des axial inneren Endes 106. Der Flansch 120 besitzt eine axial innere Oberfläche 122 und eine axial äußere Oberfläche 124. Eine radial äußere Oberfläche 126 erstreckt sich axial zwischen der inneren Oberfläche 122 und der äußeren Oberfläche 124. Vorzugsweise ist der Durchmesser der äußeren Oberfläche 126 kleiner als der Durchmesser der inneren radialen Oberfläche 38 der inneren Stopfbuchsenplatte 34. Dieser Zwischenraum ermöglicht es dem Flansch 120 innerhalb des Stopfbuchsenaufbaus 30 zu sitzen, und zwar unbehindert drehbar darin.
Die äußere Oberfläche 124 besitzt eine Ringnut 128, um einen elastomeren Dichtungskörper 130, beispielsweise einen O-Ring aufzunehmen, wie dies im einzelnen weiter unten beschrieben wird. Eine erste äußere Oberfläche 132 ist axial nach außen von der äußeren Oberfläche 124 der Hülse 100 gestuft und liegt radial innerhalb der Ringnut 128.
Im Flansch 120 sind mehrere Bohrungen 134 angeordnet, von denen jede ein Ende eines Antriebsstiftes 136 aufnimmt, wie dies in den 1 und 6 dargestellt ist. Das andere Ende des Antriebsstifts 136 wird von einem entsprechenden Schlitz 138 im rotierenden Dichtungsring 16 aufgenommen. Die Antriebsstifte 136 prägen dem rotierenden Dichtungsring 16 eine rotierende Antriebsbewegung auf.
Das axial äußere Ende 104 der Hülse 100 weist mehrere verschieden bemessene Befestigungsaufnahmeöffnungen 140 auf, die Schrauben 142 lagern, wie dies in den 2, 3 und 6 dargestellt ist. Die Schrauben sind an der Hülse 100 über einen Verriegelungsring 144 montiert, wie dies in 11 dargestellt ist. Die Schrauben 142 sichern die Hülse 100 radial und axial und so wird der rotierende Dichtungsring 16 auf der Welle 12 festgelegt, damit er sich mit dieser dreht.
Die rotierende Dichtungsringhülse 100, der Stopfbuchsenaufbau 30 und der Verriegelungsring 144 können aus irgendeinem starren Material bestehen, beispielsweise aus rostfreiem Material oder anderen Metall-Legierungen.
Gemäß 1 bis 3, 7 und 7A weist der rotierende Dichtungsringaufbau 16 eine bogenförmige innere Oberfläche 162 auf. Die innere Oberfläche 162 weist eine erste axial verlaufende Oberfläche 164 auf, die sich axial von der Dichtungsfläche 20 des rotierenden Dichtungsrings 16 erstreckt. Der Innendurchmesser der ersten Oberfläche 164 des rotierenden Dichtungrings ist vorzugsweise größer oder gleich dem Durchmesser der zweiten äußeren Oberfläche 114 der Hülse, um eine Montage des rotierenden Dichtungsrings auf der Hülse zu ermöglichen. Eine radial verlaufende Verbindungswand 168 verbindet die erste Oberfläche 164 mit einer zweiten Oberfläche 166. Die zweite Oberfläche 166 des rotierende Dichtungsrings 16 ist radial nach außen von der ersten Oberfläche 164 gestuft, um einen elastomeren Zentrierkörper 170, beispielsweise einen O-Ring, aufzunehmen. Der elastomere Zentrierkörper 170 ruht gegen die zweite Oberfläche 166 und die Verbindungswand 168 des rotierenden Dichtungsrings, ebenso wie die zweite äußere Oberfläche 114 der Hülse 100, um den rotierenden Dichtungsring 16 um die Hülse 100 zu zentrieren.
Der rotierende Dichtungsring weist eine im wesentlichen glatte, bogenförmig axial erstreckende, äußere Oberfläche 172 auf. Der Durchmesser der äußeren Oberfläche 172 ist vorzugsweise kleiner als der Durchmesser der inneren Oberfläche 38 der inneren Stopfbuchsenplatte 34.
Der rotierende Dichtungsring 16 weist eine hintere Oberfläche 174 auf, die sich radial zwischen der äußeren Oberfläche 172 und der inneren Oberfläche 166 erstreckt. Ein elastomerer Dichtungskörper 130 ruht dichtend an der äußeren Oberfläche 174 des rotierenden Dichtungsrings 16 und sitzt in der Ringnut 128, um eine Fluiddichtung und eine Druckdichtung zwischen dem rotierenden Dichtungsring und der Hülse zu erreichen. Die erste äußere Oberfläche 132 der Hülse 100 stößt auch gegen die hintere Oberfläche 174 des rotierenden Dichtungsrings. Die erste äußere Oberfläche 132 bewirkt eine zusätzliche Abstützung des rotierenden Dichtungsrings an der Hülse und begrenzt das Ausmaß der Kompression des elastomeren Dichtungsrings 130 und begrenzt auch die gesteuerte Verschwenkung oder Konizität des rotierenden Dichtungsrings unter Druck.
Die dargestellte Dichtungsfläche 20 der rotierenden Dichtungsringsegmente besitzt mehrere Pumpnuten 180, wie am besten aus 7 ersichtlich. Der Ausdruck „Pumpnute" wird in dieser Beschreibung benutzt, um irgendeine Art von Oberflächenausnehmung zu definieren, die in einem oder beiden Dichtungsringen angeordnet sind, und die in Kombination mit einem Fluid Hubdruckfelder erzeugen, zum Beispiel hydrodynamische Hubkräfte, die zwischen den Dichtungsflächen wirken. Die Pumpnuten können irgendeine geeignete Form der Ausnehmungen aufweisen, beispielsweise können es Spiralnuten oder stufenförmige Nuten der Raleigh-Bauart sein, die in Kombination mit einem Fluid wirken, um die Dichtungsflächen voneinander während des Betriebs abzuheben. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die dargestellten Nuten Nuten der Spiralbauart, die in Abhängigkeit von der Wellengeschwindigkeit die Dichtungsflächen hydrodynamisch spreizen. Der Einfachheit halber werden die Nuten hierbei als Spiralnuten bezeichnet, obgleich natürlich auch andere Typen von Nuten benutzt werden können. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Spiralnuten 180 radial zwischen der inneren Oberfläche 162 und der äußeren Oberfläche 172 des rotierenden Dichtungsrings 16 angeordnet. Die Spiralnuten 180 spalten demgemäß die Dichtungsfläche 20 des rotierenden Dichtungsrings in zwei konzentrische Dichtungsflächen 20a und 20b. Auf diese Weise wird eine Doppeldichtung mit getrennten konzentrischen Dichtungsflächen 20a und 20b auf einem einzigen Dichtungsring ausgebildet. Gemäß 7A beginnt die erste konzentrische Dichtungsfläche 20a an der äußeren Oberfläche 172 und erstreckt sich nach dem äußeren radialen Rand der Spiralnuten 180. Die zweite konzentrische Dichtungsfläche 20b erstreckt sich entweder von dem inneren radialen Rand der Spiralnuten 180 nach der inneren Oberfläche 162 des rotierenden Dichtungsrings, oder gemäß einer abgewandelten Praxis, von dem äußeren radialen Rand der Spiralnuten 180 nach der inneren Oberfläche 162. Die zweite Dichtungsfläche 20b kann demgemäß die Spiralnuten 180 und den Stegabschnitt der Dichtungsfläche 20 aufnehmen, die radial innerhalb der Spiralnuten angeordnet sind. Demgemäß sind nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die konzentrischen Dichtungen koplanar ausgebildet.
Im zusammengebauten Zustand sind der stationäre Dichtungsring 14 und der rotierende Dichtungsring 16 im wesentlichen aufeinander ausgerichtet, so dass die Dichtungsfläche 18 über wenigstens einen Teil der Dichtungsfläche 20a, der Spiralnuten 180 und der Dichtungsfläche 20b liegt oder hierauf ausgerichtet ist. Diese Anordnung schafft Stegabschnitte auf beiden Seiten der Nuten 180, die eine Steuerung oder Regelung des Leckstroms des Fluid durch die Dichtungsflächen 18, 20 unterstützen. Demgemäß liegt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Dichtungsfläche 18 des stationären Dichtungsrings 14 über einem beträchtlichen Teil der ersten konzentrischen Dichtungsfläche 20a und einem beträchtlichen Teil der zweiten konzentrischen Dichtungsfläche 20b.
Gemäß 1 kommunizieren die Nuten 180 mit der Dichtungsfläche 18 des stationären Dichtungsrings 14. Es wird ein Sperrfluid unter einem bestimmten geregelten Druck P_b, der allgemein größer ist als der Prozessdruck P_p und der Umgebungsdruck P_a, in die Nuten 180 durch die Sperrfluidleitungen 228 eingeführt, die im Statordichtungsring 14 ausgebildet sind, wie dies im einzelnen weiter unten beschrieben wird. Das Sperrfluid übt eine Spreizkraft auf die Dichtungsflächen 18 und 20 aus. Die Spreizkraft minimiert oder verhindert eine Berührung zwischen den radialen Abschnitten der Dichtungsfläche 18 und den radialen Abschnitten der Dichtungsflächen 20a und 20b, wodurch der Reibungseingriff vermindert und die Abnutzung der Dichtungsflächen 18, 20a und 20b verringert wird.
Diese Spreizkraft, die zwischen den Dichtungsflächen erzeugt wird, ändert sich radial über der rotierenden Dichtungsfläche 20. An der ersten Dichtungsfläche 20a ist die Spreizkraft primär oder allgemein vollständig eine hydrostatische Spreizkraft. Die Ausdrücke "hydrostatische Spreizkraft" und "hydrostatische Kraft" beziehen sich auf eine Kraft, deren Größe unabhängig von der Wellendrehzahl ist und wenigstens teilweise und vorzugsweise im wesentlichen abhängt von der Größe einer Druckdifferenz, die über einem Bereich besteht, auf welchen die Kraft wirkt. Demgemäß ist die Größe der primär hydrostatischen Spreizkraft, die auf die Dichtungsfläche 20a wirkt, als auch auf den entsprechenden Teil der Dichtungsfläche 18, wenigstens teilweise abhängig von der Größe der Druckdifferenz zwischen dem Sperrfluiddruck P_b und dem Prozessfluiddruck P_p über der Dichtungsfläche 20a, und unabhängig von der Drehzahl mit der die Welle 12 umläuft und mit der sich demgemäß der rotierende Dichtungsring 16 dreht.
Die Spreizkraft, die zwischen der zweiten Dichtungsfläche 20b des rotierenden Dichtungsrings, die zum Zweck der Beschreibung die Spiralnuten 180 umfasst, und der Dichtungsfläche 18 des stationären Dichtungsrings, entwickelt wird, umfasst sowohl hydrostatische als auch hydrodynamische Kraftkomponenten. Die Ausdrücke „hydrodynamische Spreizkraft" und „hydrodynamische Kraft", wie sie hierbei benutzt werden, beziehen sich auf eine Kraft mit einer Größe, die abhängig ist von der Relativgeschwindigkeit der Dichtungsflächen. Demgemäß ist die Größe der Spreizkraft, die auf die zweite Dichtungsfläche 20b und den entsprechenden Abschnitt der Dichtungsfläche 18 wirkt, abhängig von wenigstens zwei Faktoren: Der Druckdifferenz zwischen dem Sperrfluiddruck P_b und dem Umgebungsfluiddruck P_a über der Dichtungsfläche 20b (die hydrostatische Komponente); und von der Geschwindigkeit mit der die Dichtungsfläche 20b des rotierenden Dichtungsrings sich relativ zu der Dichtungsfläche 18 des stationären Dichtungsrings dreht, das heißt die Wellendrehzahl (die hydrodynamische Komponente). Die hydrodynamische Komponente der Spreizkraft, die auf die zweite Dichtungsfläche 20b des rotierenden Dichtungsrings wirkt, wird durch die Druckdifferenz erzeugt, die durch die Pumpwirkung der Spiralnuten 180 auf an sich bekannte Weise erzeugt wird. Der Fachmann erkennt, dass die Kraftverteilung umgekehrt werden kann, das heißt die primär hydrostatische Kraft kann über den inneren Durchmesser, zum Beispiel längs der Dichtungsfläche 20b, angeordnet werden, und die hydrostatischen und hydrodynamischen Kräfte können längs des äußeren Durchmessers zu liegen kommen, zum Beispiel entlang der Dichtungsfläche 20a. Der Fachmann erkennt, dass diese umgekehrte Anordnung eine Modifizierung der Nutausbildung erfordern kann, und auch eine Änderung der radialen Lage der Sperrfluidleitungen auf der Dichtungsfläche 18 des stationären Dichtungsrings. Diese umgekehrte Anordnung ist insbesondere geeignet für Dichtungsanwendungen, wo das Prozessfluid längs des inneren Durchmessers angeordnet ist, statt längs des äußeren Durchmessers.
Ein beträchtlicher Vorteil der Kraftverteilung der mechanischen Dichtung 10 gemäß der Erfindung besteht darin, dass eine Einstellung der Dichtungsflächenberührung und demgemäß eine Einstellung der Spaltbreite zwischen den Dichtungsflächen 18 und 20 vor dem Anlauf erfolgen kann, das heißt bevor die Welle sich dreht. Durch Erhöhung des Sperrfluiddrucks P_b über den Prozessfluiddruck P_p, und demgemäß über die Druckdifferenz über den Dichtungsflächen, kann eine hydrostatische Spreizkraft sowohl an den ersten als auch den zweiten Dichtungsflächen 20a und 20b des rotierenden Dichtungsrings erzeugt werden. Weil die Schließkraft auf die Dichtungsfläche 20a nur durch den Prozessfluid P_p ausgeübt wird, wie dies weiter unten beschrieben wird, kann das Ausmaß der Dichtungsflächenberührung, das heißt die Größe des Spaltes zwischen den Dichtungsflächen, dadurch eingestellt werden, dass der Sperrfluiddruck P_b zwischen den Dichtungsflächen vor dem Hochlaufen oder bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten eingestellt wird. Auf diese Weise kann eine Berührung zwischen den Dichtungsflächen 18 und 20a und 20b beim Hochlaufen oder bei geringen Drehzahlen minimiert oder eliminiert werden, wodurch die Abnutzung der Dichtungsflächen verringert wird. Demgemäß ergibt die erfindungsgemäße Dichtung Vorteile einer hydrostatischen Arbeitsweise bei geringen Drehzahlen, während gleichzeitig eine hydrodynamische Arbeitsweise bei hohen Drehzahlen gewährleistet ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtung besteht darin, dass die Dichtung nicht auf irgendeine spezielle Spiralnut-Konfiguration beschränkt ist. Beispielsweise können die Spiralnuten 180 in einer Richtung oder in zwei Richtungen verlaufen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ermöglichen in einer Richtung verlaufende Nuten eine Dichtungsflächenspreizung nur in einer Drehrichtung der Welle, während die Doppelrichtungsnuten eine Spreizung in beiden Drehrichtungen gewährleisten. Beispiele geeigneter Nutausbildungen sind in der US-A-3,499,653, 4,889,348, 5,143,384 und 5,529,315 beschrieben. Die dargestellte Spiralnut ist eine Ein-Richtungs-Nut, die das Sperrfluid von dem Hochdruckprozessbereich der Dichtung längs der Nut 234 des stationären Dichtungsrings 14 nach dem Bereich geringeren Drucks überführt, der längs des inneren Durchmessers der Ringe verläuft. Der Fachmann erkennt unschwer, dass die dargestellte Dichtung auch in Verbindung mit Zwei-Richtungs-Nuten benutzbar ist, und beide Arten von Nuten sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Wie aus 1, 8, 8A und 9 ersichtlich besitzt der stationäre Dichtungsring 14 eine axial verlaufende innere Oberfläche 202 und eine axial verlaufende äußere Oberfläche 204. Die äußere Oberfläche 204 weist eine erste äußere Oberfläche 206 auf, die sich axial von der stationären Dichtungsringfläche 18 erstreckt und außerdem eine weitere axial verlaufende zweite äußere Oberfläche 208, die radial nach innen von der ersten äußeren Oberfläche 206 gestuft ist. Die erste äußere Oberfläche 206 und die zweite äußere Oberfläche 208 bilden zusammen eine erste ringförmige Verbindungswand 210, die sich radial zwischen der ersten und zweiten äußeren Oberfläche erstreckt.
Die innere Oberfläche 202 weist eine innere Oberfläche 212 auf, die sich axial von der stationären Dichtungsringfläche 18 erstreckt und eine weitere axial verlaufende zweite innere Oberfläche 214, die radial nach innen von der ersten inneren Oberfläche 206 gestuft ist. Die erste innere Oberfläche 212 und die zweite innere Oberfläche 214 bilden zusammen eine erste ringförmige Verbindungswand 216, die sich radial zwischen der ersten und zweiten inneren Oberfläche erstreckt. Eine dritte innere Oberfläche 218 erstreckt sich axial nach einer hinteren Oberfläche 220 und sie ist radial nach innen von der zweiten inneren Oberfläche 214 gestuft. Eine zweite Verbindungswand 222 verbindet die zweite innere Oberfläche 214 mit der dritten inneren Oberfläche 218 und weist einen radial verlaufenden Abschnitt 224 und einen konischen Abschnitt 226 auf.
Der innere Durchmesser der ersten inneren Oberfläche 212 des stationären Dichtungsrings 14 ist größer als der Durchmesser der ersten äußeren Oberfläche 112 der Hülse 100 und ist außerdem größer als der Durchmesser der ersten inneren Oberfläche 164 des rotierenden Dichtungsrings 16, so dass eine Bewegung sowohl der Welle 12 als auch der Hülse 100 und der rotierenden Dichtung 16 relativ zu dem stationären Dichtungsring 14 möglich ist. Der elastomere Körper 94 sitzt innerhalb der äußeren Stopfbuchsenplattennut 92 und stößt an der zweiten äußeren Oberfläche 208 an. Ein zweiter elastomerer Körper 236 stößt gegen den konischen Abschnitt 226 und den radial verlaufenden Abschnitt 224 der Verbindungswand 222 des stationären Dichtungsrings 14 sowie an die zweite Oberfläche 76 der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 an. Der zweite elastomere Körper 236 ist in Dichtungsberührung mit der inneren Oberfläche 222 des stationären Dichtungsrings 14 und der zweiten Oberfläche 76 der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 vorgespannt, wie dies weiter unten im einzelnen beschrieben wird. Die elastomeren Körper 94 und 236 bilden eine Fluiddichtung und eine Druckdichtung zwischen der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 und dem stationären Dichtungsring 14, wenn der stationäre Dichtungsring innerhalb der Aufnahmekammer 90 für den stationären Dichtungsring befindlich ist. Der stationäre Dichtungsring 14 ist vorzugsweise aus Kohlenstoff oder Keramikmaterial zusammengesetzt.
Gemäß 1, 8, 8A und 9 ist eine Vielzahl von Sperrfluidbohrungen 228 im stationären Dichtungsring 14 angebracht. Diese Bohrungen 228 weisen einen axial verlaufenden Abschnitt 230 auf, der sich axial von der hinteren Oberfläche 220 und einem diagonalen Abschnitt 232 erstreckt, der mit dem axialen Abschnitt 230 in Verbindung steht und sich von diesem nach einer kontinuierlichen umlaufenden Nut 234 erstreckt, die in der Dichtungsfläche 18 ausgebildet ist. Sperrfluid von einer Sperrfluidquelle (nicht dargestellt) wird den Dichtungsflächen 18, 20 der Dichtungsringe und den Nuten 180 zugeführt, die in der Dichtungsfläche 20 angeordnet sind, und die Zuführung erfolgt über die Bohrungen 228 und die Nuten 234.
Der Fachmann erkennt, dass die Sperrfluidbohrungen nicht auf die Zahl oder Gestalt beschränkt sind, wie sie hier beschrieben und in der Zeichnung dargestellt sind. Beispielsweise kann eine einzige Sperrfluidbohrung vorgesehen werden. In gleicher Weise ist die Position und Anordnung der Sperrfluidbohrungen nicht auf die dargestellten Ausfühnmgsformen beschränkt, da andere Positionen und Anordnungen möglich sind, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Beispielsweise können die Sperrfluidbohrungen in dem rotierenden Dichtungsring 16 sowie in dem stationären Dichtungsring 14 angeordnet sein, und sie können sich von den Dichtungsflächen nach irgendeiner äußeren Oberfläche der Dichtungsringe erstrecken. Außerdem kann sich die Sperrfluidbohrung linear von den Dichtungsflächen 18, 20 nach einer äußeren Oberfläche des Dichtungsrings erstrecken.
Wie am besten aus den 1, 5A und 5B ersichtlich, öffnet sich jeder axialen Abschnitt 230 der Sperrfluidbohrungen 228 an der hinteren Oberfläche 220 des stationären Dichtungsrings 14, um eine Fluidverbindung zwischen den Bohrungen 228 und einer ähnlichen radialen Sperrfluidbohrung 240 herzustellen, die in der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 angeordnet ist. Die Bohrung 240, die in der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 ausgebildet ist, öffnet sich an einem Ende an der äußeren Oberfläche 60 des Stopfbuchsenaufbaus und am anderen Ende an der ersten Oberfläche 72 der äußeren Stopfbuchsenplatte 36. Sperrfluid von einer nicht dargestellten Sperrfluidzuführung wird über die Stopfbuchsenbohrung 240 einer jeden stationären Dichtungsringsegment-Bohrung 228 zugeführt.
Mehrere stationäre Dichtungsringbohrungen 252 sind in der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 ausgebildet und jede Bohrung nimmt ein Ende eines Haltestiftes 250 auf, wie aus 1 ersichtlich. Das andere Ende eines jeden Stiftes 250 liegt in einem axialen Abschnitt 230 einer der Sperrfluidbohrungen 228 des stationären Dichtungsrings 16. Der äußere Durchmesser eines jeden Stiftes 250 ist vorzugsweise kleiner als der innere Durchmesser des axialen Abschnitts 230 der Sperrfluidbohrungen 228, so dass Sperrfluid um die Haltestifte 250 herum strömen kann. Die Stifte 250 verhindern eine Drehung des stationären Dichtungsrings 14 innerhalb der äußeren Stopfbuchsenplatte 36.
Aus 1, 2, 5B, 5C, 10 und 10A ist ein sekundärer Dichtungsaufbau 301 dargestellt, der auf der Rückseite des stationären Dichtungsrings 14 innerhalb der Sperrfluidkammer 280 angeordnet ist. Der sekundäre Dichtungsaufbau 301 bildet eine Fluiddichtung zwischen der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 und zwei Fluidumgebungen, nämlich einer Prozessfluidkammer 290 und einer Umgebungsfluidkammer 295, wie dies aus 1 hervorgeht. Der sekundäre Dichtungsaufbau 301 ermöglicht eine Axialbewegung des stationären Dichtungsrings 14, wenn ein Druck vorhanden ist, während gleichzeitig ein Fluidleckstrom zwischen der Prozessfluidkammer 290, der Umgebungsfluidkammer 295 und der Schließfluidkammer 280 verhindert ist. Der sekundäre Dichtungsaufbau 301 weist einen oder mehrere und vorzugsweise eine Vielzahl mechanischer Federn 270, einen Abstandshalter oder eine Druckplatte 300 und den elastomeren Körper 236 auf. Die Federn 270 sind innerhalb der Federbohrungen 272 angeordnet, die in der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 eingeformt sind, wie dies aus den 1, 5B und 5C hervorgeht. Die mechanischen Feder 270 stoßen an der Kompressionsplatte 300 an, die ihrerseits an den elastomeren Körper 236 anstößt.
Die mechanischen Federn 270 liefern eine Axialkraft über die Kompressionsplatte 300 und den elastomeren Körper 236, um elastisch den stationären Dichtungsring 14 abzustützen und den stationären Dichtungsring so vorzuspannen, dass die stationären und rotierenden Dichtungsflächen 18 und 20 gegeneinander vorgespannt werden. Wie in 1 dargestellt, schwimmt der Dichtungsring 14 ohne starre Abstützung im Abstand relativ zu den starren Wänden und Flächen der Stopfbuchsenplatten. Diese schwimmende und unstarre Abstützung und die Abstandsanordnung ermöglichen kleine radiale und axiale Schwimmbewegungen des stationären Dichtungsrings 16 gegenüber der Stopfbuchse, wobei gleichzeitig die rotierende Dichtungsfläche 20 folgen kann und in Dichtungsbeziehung mit der stationären Dichtungsringfläche 18 treten kann.
Die Kompressionsplatte 300 weist eine innere radiale Oberfläche 302 und eine äußere radiale Oberfläche 304 auf, wie dies am besten aus 5B, 10 und 10A erkennbar ist. Der Durchmesser der äußeren Oberfläche 304 der Kompressionsplatte 300 ist vorzugsweise kleiner als der Durchmesser der ersten Oberfläche 72 der äußeren Stopfbuchsenplatte 36. Es ist außerdem zweckmäßig, dass der Durchmesser der inneren Oberfläche 302 der Kompressionsplatte größer ist, als der Durchmesser der zweiten Oberfläche 76 der äußeren Stopfbuchsenplatte 6. Die Kompressionsplatte 300 weist außerdem eine Vorderfläche 306 und eine hintere Fläche 307 auf. Die Frontfläche 306 besitzt eine radial verlaufende erste vordere Oberfläche 308. Eine Verbindungswand 310 erstreckt sich axial zwischen der ersten vorderen Oberfläche 308 und einer mehrfach gewinkelten oder konischen zweiten vorderen Oberfläche 311. Die Verbindungswand 310 und die erste vordere Oberfläche 308 bilden dazwischen einen im allgemeinen rechten Winkel.
Eine Aufnahmekammer 91 für einen elastomeren Körper wird durch den radial verlaufenden Abschnitt 224, den konischen Abschnitt 226 und den inneren Abschnitt 218 des stationären Dichtungsrings, die mehrfach gewinkelte vordere Oberfläche 311 der Kompressionsplatte 300 und die zweite Oberfläche 76 der Stopfbuchsenplatte gebildet, wie am besten aus 5B hervorgeht. Die Kammer 91 ist entsprechend dem elastomeren Körper 236 bemessen, ohne dass eine übermäßig enge oder kompressierte Passung zwischen dem stationären Dichtungsring 14 und der Stopfbuchse 30 notwendig wäre. Insbesondere ist die Aufnahmekammer 91 für den elastomeren Körper so bemessen, dass eine thermische Ausdehnung des elastomeren Körpers 236 möglich wird, ohne dass sich die Kompressivkraft auf den elastomeren Körper wesentlich erhöht, und zwar insbesondere soweit es die radial nach innen gerichtete Komponente der Kompressivkraft anbetrifft. Vorzugsweise ist die Kammer 91 größer dimensioniert als die vor-gespannte oder entspannte Querschnittsfläche des elastomeren Körpers 236.
Da die Kammer 91 relativ zu dem elastomere Körper 236 größer ist, wird eine übermäßige Kompression oder ein Quetschen des elastomeren Körpers in einer Weise vermieden, die große Reibungskräfte zwischen dem elastomeren Körper 236 und der äußeren Stopfbuchsenplatten-Oberfläche 76 bewirken könnte. Insbesondere ermöglicht die Ausbildung der Kammer 91 eine radiale Ausdehnung des elastomeren Körpers 236 nach außen, das heißt in Richtung des inneren Abschnitts 218 des stationären Dichtungsrings, wenn im Betrieb der Dichtung thermische Beanspruchungen auftreten. Die freie Expansion in Radialrichtung behindert wesentlich ein Ansteigen der Kompressivkräfte auf den elastomeren Körper 236, insbesondere in Radialrichtung, während die Dichtung im Betrieb befindlich ist. Auf diese Weise bleibt die radial nach innen gerichtete Kraft auf den elastomeren Körper 236, die den elastomeren Körper gegen die Oberfläche 76 der äußeren Stopfbuchsenplatte drückt, im Betrieb der Dichtung im wesentlichen konstant. Auf diese Weise kann die axiale Reibungskraft zwischen dem elastomeren Körper 236 und der Oberfläche 76 der äußeren Stopfbuchsenplatte ebenfalls auf einem im wesentlichen konstanten Wert im Betrieb gehalten werden, weil die Größe der axialen Reibungskraft von der Größe der radial nach innen gerichteten Kraft auf den elastomeren Körper abhängt. Der elastomere Körper 236 neigt daher nicht zu einer „anhängenden" Axialbewegung des stationären Dichtungsrings 14.
Weiter wird auf 5B Bezug genommen. Die mehrwinklige Vorderfläche 311 der Kompressionsplatte 300 stellt eine Berührungsoberfläche dar, die direkt den elastomeren Körper 236 in Dichtungsberührung mit der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 und dem stationären Dichtungsring 14 vorspannt, und mehrere, vorzugsweise zwei, im Winkel angestellte Oberflächen 312 und 314 aufweist. Die winkligen Oberflächen 312, 314 verlaufen quer zueinander und sind so angeordnet, dass sie einen stumpfen Winkel oder einen rechten Winkel, aber vorzugsweise einen stumpfen Winkel, bilden. Die vordere Oberfläche 314 erstreckt sich radial zwischen der vorderen inneren Oberfläche 302 und der zweiten vorderen Oberfläche 312. Gemäß einer bevorzugten Praxis stoßen die winkligen Vorderflächen 312 und 314 direkt an den elastomeren Körper 236 an, wenn die Kompressionsplatte 300 innerhalb der Sperrfluidkammer 280 sitzt. Es sind Haltestiftbohrungen 316 in der Kompressionsplatte 300 ausgebildet, damit die Haltestifte 250 des stationären Dichtungsrings durchtreten können. Der dargestellte Aufbau und die Konfiguration der Kompressionsplatte 300 macht eine zweite elastische Komponente unnötig, um die Vorspannung des elastomeren Körpers in einer gewählten Richtung zu unterstützen, damit die gewünschte Kompression zustandekommt.
Die mechanischen Federn 270 sind mit der hinteren Oberfläche 307 der Kompressionsplatte 300 gekoppelt, um die Kompressionsplatte axial in Berührung mit dem elastomeren Körper 236 vorzuspannen, wie dies am besten aus 5B hervorgeht. Die Federn 270 bewirken über die Platte 300 eine Schließkraft auf den stationären Dichtungsring, die den stationären Dichtungsring 14 auf den rotierenden Dichtungsring 16 drückt. Die winkligen Frontflächen 312 und 314 üben in Kombination eine gewählte Kompressivkraft F auf den elastomeren Körper 236 aus, um den elastomeren Körper 236 in Dichtungseingriff sowohl mit den stationären Dichtungsring-Oberflächen 224, 226 und 218 als auch mit der äußeren Stopfbuchsenplatten-Oberfläche 76 zu bringen. Die winkligen Frontflächen 312 und 314 der Kompressionsplatte 300 erzeugen die Kompressivkraft F, die eine Axialkomponente besitzt, welche den elastomeren Körper 236 in Dichtungsberührung mit dem stationären Dichtungsring 14 vorspannt und die eine radiale Komponente besitzt, die den elastomeren Körper 236 in Dichtungsberührung mit der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 vorspannt. Eine resultierende Kompressivkraft F' wird außerdem auf den elastomeren Körper 236 durch die Kegeloberfläche 226 und die radial verlaufende Oberfläche 224 des stationären Dichtungsrings 14 ausgeübt. Vorzugsweise ist der Winkel zwischen der vorderen Oberfläche 312 und der vorderen Oberfläche 314 und der Winkel der Oberfläche 226 zur Oberfläche 224 des stationären Dichtungsrings 14 derart, dass die Größe der auf den elastomeren Körper 236 ausgeübten Radialkraft ausreicht, um dichtend den elastomeren Körper gegen die äußere Stopfbuchsenplatten- Oberfläche 236 zu drücken, ohne eine übermäßige axiale Reibungskraft oder Zugkraft zwischen dem elastomeren Körper 236 und der äußeren Stopfbuchsenplatte zu erzeugen. Dadurch dass die Zugkräfte oder Schleppkräfte zwischen dem elastomeren Körper 236 und der äußeren Stopfbuchsenplatten-Oberfläche 236 begrenzt werden, wird eine mechanische Hysterese oder eine O-Ring-Hysterese des elastomeren Körpers verhindert. Auf diese Weise kann eine Fluiddichtung und eine Druckdichtung zwischen dem stationären Dichtungsring 14 und der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 unter einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen aufrechterhalten bleiben, ohne eine unzweckmäßige Begrenzung der Axialbewegung des stationären Dichtungsrings 14.
Ein wesentlicher Vorteil des zweiten Dichtungsaufbaus 301 besteht darin, dass der elastomere Körper 236 gegen den stationären Dichtungsring 14 und die äußere Stopfbuchsenplatte 36 anstoßen kann, ohne dass sich hieraus große Reibungskräfte zwischen dem elastomeren Körper und der Stopfbuchsenplatte ergeben, die die Axialbewegung des stationären Dichtungsrings behindern könnten, wobei gleichzeitig die Dichtung zwischen dem stationären Dichtungsring und der äußeren Stopfbuchsenplatte aufrechterhalten wird. Außerdem vermindert der sekundäre Dichtungsaufbau die Zahl von Dichtungskomponenten, die notwendig sind, um eine axiale Vorspannkraft auf den stationären Dichtungsring 14 auszuüben. Beispielsweise erfordert der zweite Dichtungsaufbau keine zusätzlichen nachgiebigen Teile, die in Verbindung mit einer Kompressionsplatte arbeiten, um den O-Ring zu quetschen und um die erforderliche Fluiddichtung herzustellen.
Ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Kompressionsplatte 300 ist in 5C dargestellt, wobei sich die vordere Oberfläche 313 radial zwischen der inneren Oberfläche 304 und der Verbindungswand 310 erstreckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel übt die vordere Oberfläche 313 der Kompressionsplatte eine primär axial gerichtete Kompressivkraft auf den elastomeren Körper 236 aus. Die Kegeloberfläche 226 und die radial verlaufende Fläche 224 des stationären Dichtungsrings 14 üben ihrerseits eine Kompressivkraft F'' aus, die den elastomere Körper 236 in Dichtungseingriff mit der äußeren Stopfbuchsenplatten-Oberfläche 76 drückt. Die resultierende Kompressivkraft F'' enthält eine axiale Komponente und eine radiale Komponente, die den elastomeren Körper 236 in Dichtungsberührung mit der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 in der Weise vorspannen, wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Kompressionsplatte 300 der Fall war, was oben beschrieben wurde. Stattdessen kann die Kompressionsplatte mit zwei winkligen Vorderflächen versehen sein, und der stationäre Dichtungsring kann nur eine einzige radiale Oberfläche aufweisen, um den elastomeren Körper zu kontaktieren. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel würde die winklige Frontflächen der Kompressionsplatte sowohl eine radiale als auch eine axiale Kompressivkraft auf den elastomeren Körper ausüben.
Zusätzlich zu der mechanischen Vorspannung, die durch die mechanischen Federn 270 erzeugt wird, ist zusätzlich ein Fluidvorspannsystem in der erfindungsgemäßen Dichtung 10 vorgesehen. Gemäß 1, 5A und 5B weist das Fluidvorspannsystem die radial verlaufende Fluidbohrung 240 auf, die Sperrfluid nach der Rückseite 220 des stationären Dichtungsrings 14 zuführt, um eine Schließkraft auf den stationären Dichtungsring 14 auszuüben. Eine fluiddichte und druckdichte, ringförmige Schließfluidkammer 280 ist zwischen den elastomeren Körpern 94 und 236, der rückwärtigen Oberfläche 220 des stationären Dichtungsrings 14 und der dritten axial verlaufenden Oberfläche 74 der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 vorgesehen.
Wie am besten aus den 5B und 14A ersichtlich, wird ein Schließfluid mit einem eingestellten Druck von einer nicht dargestellten Fluidquelle nach einer Schließfluidkammer 280 durch die Eingangsfluidbohrung 240 geleitet. Das Fluid ist vorzugsweise ein Gas. Das Fluid innerhalb der Kammer übt eine Schließkraft F_b auf den stationären Dichtungsring aus. Die Fluidschließkraft F_b wirkt in Kombination mit der Schließkraft F_s der mechanischen Federn und einer Prozessfluidkraft F_p, weil der Prozessfluiddruck auf die. erste ringförmige Verbindungswand 210 des stationären Dichtungsrings 14 wirkt, um eine Gesamtschließkraft F_c zu erzeugen, um die Dichtungsfläche 18 nach den Dichtflächen 20a und 20b in Dichtungsbeziehung vorzuspannen. Vorzugsweise gleicht die Summe von Fluidschließkraft F_b, von mechanischer Federschließkraft F_s und von Prozessfluidkraft F_p die Gesamttrennkraft oder Öffnungskraft F₀ aus, die an den Dichtungsflächen ausgebildet wird, um die Spreizung der Dichtungsflächen 18 und 20 einzustellen. Auf diese Weise kann eine übermäßige Spreizung der Dichtungsflächen verhindert werden, was potentiell zu einem übermäßigen Fluidleckstrom führen könnte. Außerdem kann die Dichtungsflächenberührung bei allen Drehzahlen vermindert werden, wodurch die Reibungsabnutzung der Dichtungsflächen vermindert wird.
Die Größe der Fluidschließkraft F_b kann durch Einstellung des Druckes des Schließfluid innerhalb der Schließfluidkammer 280 eingestellt oder geregelt werden. Die Möglichkeit der Einstellung der Schließkraft F_b, die auf den rotierende Dichtungsring wirkt, ergibt erhebliche Vorteile. Beispielsweise kann die Größe der Schließkraft F_b verändert werden, um eine Dichtungsbeziehung zwischen den Dichtungsflächen 18 und 20 im Fall einer Änderung der Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. Bei dem speziellen beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Schließkraft abhängig von der Öffnungskraft, weil das Sperrfluid als Schließfluid benutzt wird. Infolgedessen kann die mechanischen Dichtung 10 in Kombination mit einem Rückführsystem dynamisch die Fluiddichtung und/oder den Spalt regeln, der sich zwischen den Dichtungsflächen 18, 20 ausbildet, und um so die Größe des Leckstroms im Betrieb einzustellen. Ein geeignetes Rückführsystem wird im einzelnen weiter unten beschrieben.
Das dargestellte Fluidvorspannsystem mit der axialen Bohrung 228 und der Nut 180 schafft ein einfaches integriertes System, das den Betrag der Spreizung der Dichtungsflächen einstellt, um die Fluiddichtung Zu regeln, die zwischen den Dichtungsflächen ausgebildet ist. Demgemäß kann das System in Kombination mit der Spreizkraft oder Öffnungskraft F₀ wirken, die durch das Sperrfluid geliefert wird, das den Dichtungsflächen 18, 20 zugeführt wird, um das Ausmaß der Dichtungsflächen-Berührung einzustellen. Demgemäß kann die mechanischen Dichtung 10 die Dichtungsflächen-Spreizung und die Fluiddichtung dazwischen über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen einstellen. Dies vergrößert die Flexibilität der Dichtung und schafft die Möglichkeit, die Dichtung unter den verschiedensten Umgebungsbedingungen zu benutzen.
Der Fachmann erkennt, dass die Dichtung nicht auf das spezielle Fluidschließsystem beschränkt ist, welches vorstehend beschrieben wurde, und dass abgewandelte Fluidschließsysteme anwendbar sind. Beispielsweise kann eine getrennte Fluidzuführung benutzt werden, um Sperrfluid nach den Dichtungsflächen zu überführen, und es kann das Sperrfluid nach der hinteren Oberfläche des stationären Dichtungsrings überführt werden. Der Fachmann erkennt, dass Sperrfluid oder das Prozessfluid oder irgendein anderes Fluid als Schließfluid benutzt werden kann. Weiter können entweder die mechanischen Federn 270 oder das Schließfluidsystem als einzige Quelle einer axialen Vorspannkraft benutzt werden, wodurch die Notwendigkeit für eine weitere axiale Schließkraft wegfällt.
Gemäß 14A und 14B umfasst die Gesamtöffnungskraft F₀, die der Schließkraft F_c entgegenwirkt, die Summe der beiden folgenden Kräfte: F₁ die der hydrostatischen Kraft entspricht, die zwischen der konzentrischen Dichtungsflächen 20a und der stationären Dichtungsringfläche 18 erzeugt wird, und die Kraft F₂, die der kombinierten hydrostatischen und hydrodynamischen Kraft entspricht, die zwischen den Dichtungsflächen 20b erzeugt wird, wenn die Nuten 20b und die Dichtungsfläche 18 definiert sind. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel übt das Sperrfluid, das den Dichtungsflächen 18, 20 über das Fluidvorspannsystem zugeführt wird, eine primär hydrostatische Hubkraft F₁ auf die erste Dichtungsfläche 20a sowie auf einen entsprechenden Teil der Dichtungsfläche 18 aus, der eine Spreizung wenigstens eines Teils der stationären Dichtungsringfläche 18 von wenigstens einem Teil der ersten Fläche 20a des rotierenden Dichtungsrings hervorruft, um einen Spalt h₀ dazwischen zu bilden. Die Größe der primären hydrostatischen Spreizkraft F₁, die auf die Dichtfläche 20a und die Dichtfläche 18 wirkt, ist wenigstens teilweise von der Größe der Druckdifferenz zwischen dem Sperrfluiddruck P_b und dem Prozessfluiddruck P_p über der Dichtungsfläche 20a abhängig. Die hydrostatischen Spreizkraft F₁ sinkt von einem maximalen Wert am äußeren radialen Rand der Spiralnuten 180, wo der Fluiddruck zwischen den Dichtflächen gleich dem Barrierefluiddruck P_b ist, auf einen Minimumwert am äußeren radialen Rand der rotierenden Dichtung ab, das heißt am Schnitt der ersten Dichtungsfläche 20a mit der äußeren Oberfläche 172. An dieser Stelle ist der Fluiddruck zwischen den Dichtungsflächen gleich dem Prozessfluiddruck P_p. Die Kraft F₁ wirkt auf die Bereiche der Dichtungsflächen, die die erste Verbindungswand 210 des stationären Dichtungsrings 14 überlappen, das heißt den ringförmigen Dichtungsflächenabschnitt, der sich radial nach außen von der Linie D erstreckt. Die hydrostatische Spreizkraft F₁ ist unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich die Welle 12 und damit der rotierende Dichtungsring 16 drehen und die Spreizkraft ändert sich demgemäß nicht in Abhängigkeit von der Wellendrehzahl.
Das Sperrfluid, das über die Axialbohrung 228 den Nuten 180 und demgemäß den Dichtungsflächen 18, 20 zugeführt wird, übt eine hydrodynamische Druckkraft F₂ aus. Diese Kraft F₂ wirkt auf einen Teil der konzentrischen Dichtungsfläche 20b, die definitionsgemäß die Nuten 180 und den entsprechenden Teil der Dichtungsfläche 18 einschließt, um wenigstens einen Teil der stationären Dichtungsringfläche 18 von wenigstens einem Teil der zweiten Fläche 20b des rotierenden Dichtungsrings abzuheben und um einen Spalt dazwischen zu erzeugen. Die Hubkraft F₂ umfasst sowohl hydrostatische als auch hydrodynamische Komponenten. Die Größe der Trennkraft F₂, die auf die zweite Dichtungsfläche 20b und auf die Dichtungsfläche 18 einwirkt, ist von wenigstens den beiden folgenden Faktoren abhängig: Der Druckdifferenz zwischen dem Sperrfluiddruck P_b und dem Umgebungsfluiddruck P_a an der Dichtfläche 20b (hydrostatische Komponente); und der Drehzahl, mit der sich die rotierende Dichtungsring-Dichtfläche 20b relativ zur stationären Dichtungsringfläche 18 dreht, das heißt die Wellendrehzahl (hydrodynamische Komponente). Die primär hydrostatische Hubkraft F₁ und die Kombination von hydrostatischer und hydrodynamischer Hubkraft F₂ erzeugen die Spreizkraft F₀ auf den Dichtungsflächen 18 und 20.
Der durch die Spreizkraft F₀ gebildete Spalt wird mit einer vorbestimmten Breite h₀ aufrechterhalten, oder er ist einstellbar, um den Leckstrom über den Dichtungsflächen zu minimieren und um die Dichtungsflächen soweit zu trennen, dass eine Abnutzung vermindert wird, wie dies in 14A dargestellt ist. Die vorbestimmte Spaltdicke h₀ wird durch das einzigartige Ausgleichssystem aufrechterhalten, dass durch die erfindungsgemäße Dichtung 10 erzeugt wird, wobei die Spreizkraft F₀ auf den Dichtungsflächen 18 und 20 durch die Schließkraft F_c ausgeglichen wird. Die Schließkraft F_c umfasst die Prozessfluidkraft F_p, die auf die erste Verbindungswand 210 des stationären Dichtungsrings 14 einwirkt, und außerdem die Sperrfluidschließkraft F_b, die auf die hintere Oberfläche 220 und die zweite Verbindungswand 222 des stationären Dichtungsrings 14 einwirkt; und schließlich die mechanische Federschließkraft F_s, die auf die zweite Verbindungswand 222 des stationären Dichtungsrings 14 einwirkt.
Im Betrieb wird die Öffnungskraft F₀ durch die Schließkraft F_c ausgeglichen, um den Spalt in einer vorbestimmten Normbreite h_o aufrechtzuerhalten. Die Größe der Hubkraft F₂ auf die zweite Dichtungsfläche 20b bei einer Spaltbreite der bevorzugten Dicke h_o ist durch die ausgezogene Linie in 14A veranschaulicht. Der Kurvenabschnitt der Linie A repräsentiert die hydrodynamische Komponente der Hubkraft F₂ und hat einen maximalen Wert, der der Stelle der höchsten Druckfelder innerhalb der Nut 180 entspricht. Wenn eine Änderung der Betriebsbedingungen dazu führt, dass die Dicke h des Spaltes unter den vorbestimmten Wert h₀ (h < h_o) abfällt, was durch die alternative strichlierte Linie B dargestellt ist, dann kompensiert die Ausgleichsanordnung der Dichtung 10 nach der Erfindung diese Spaltbreite und führt den Spalt auf die vorbestimmte Breite h_o zurück. Dies geschieht, da ein Abfall der Spaltbreite zu einem Ansteigen in der hydrodynamischen Komponente der Hubkraft F₂ führt, wie dies durch die Linie B dargestellt ist. Das resultierende Ansteigen der Hubkraft F₂ verursacht eine Spreizung der Dichtungsflächen bis die bevorzugte Spaltbreite h_o wieder erreicht ist.
Wenn eine Änderung der Betriebsbedingungen dazu führt, dass die Breite des Spaltes h über den vorbestimmten Wert h_o ansteigt (h > h_o), dann erfolgt eine Kompensation durch die erfindungsgemäße Ausgleichsanordnung der Dichtung 10 und es wird der Spalt auf den bevorzugten Wert h_o zurückgeführt. Im einzelnen führt das Ansteigen der Spaltdicke zu einem Abfall der hydrodynamischen Komponente der Hubkraft F₂, wie dies durch die strichlierte Linie C in 14A dargestellt ist. Der sich hieraus ergebende Abfall der Hubkraft F₂ bewirkt, dass die Dichtungsflächen einander genähert werden, bis die bevorzugte Spaltdicke h_o wieder erreicht ist.
Außerdem ermöglicht die mechanischen Dichtung 10 nach der Erfindung eine Einstellung des Ausmaßes oder einer Eliminierung einer direkten Reibungsberührung zwischen den Dichtungsflächen, unabhängig von der Drehzahl der Welle, indem der Sperrfluiddruck eingestellt wird, wodurch sich die Größe des hydrostatischen Hubdrucks F₁ ändert, um die gewünschte Spaltbreite zu erzielen.
14B veranschaulicht die Möglichkeit der mechanischen Dichtung 10 zur Einstellung, zur Regelung oder zur Änderung der Öffnungskraft F₀ als Funktion der Differenz zwischen den Drücken der beiden Systemfluide, beispielsweise als Funktion der Differenz zwischen dem Sperrfluiddruck P_b und dem Prozessfluiddruck P_c. Zusätzlich sind die Wirkungen des Anstiegs des Schließfluiddrucks auf den stationären Dichtungsring der mechanischen Dichtung 10 während niedriger Wellendrehzahl dargestellt. Ein Ansteigen des Sperrfluiddruckes von P_b1 auf P_b2 führt zu einem entsprechenden Ansteigen der Schließkraft F_c längs jener Abschnitte des stationären Dichtungsrings, die dem Schließfluid ausgesetzt sind, was mit E bezeichnet ist. Der Schließkraftteil F_p erhöht sich nicht über den äußeren radialen Abschnitt des stationären Dichtungsrings 14, was der ersten Verbindungswand 210 entspricht, da der O-Ring 94 jenen äußeren Teil des stationären Dichtungsrings von dem Schließfluid absperrt und er so nur dem Druck des Prozessfluid ausgesetzt ist.
Die Erhöhung des Sperrfluiddruckes von P_b1 auf P_b2 innerhalb der Nuten 180 und so zwischen den Dichtungsflächen 18, 20 führt zu einem Ansteigen der Öffnungskraft F₀ entlang der gesamten radialen Oberfläche der Dichtungsflächen, die in 14B durch die Kraftlinien F₁₁ und F₂₁ dargestellt ist, die dem ursprünglichen Sperrfluiddruck P_b1 entsprechen und durch Kraftlinien F₁₂ und F₂₂ die dem erhöhten Sperrfluiddruck P_b2 entsprechen. Die Erhöhung der Öffnungskraft von F₂₁ auf F₂₂ im hydrodynamischen und hydrostatischen Bereich der Dichtung (zum Beispiel anders als von der Linie D nach dem äußeren Durchmesser der Dichtungsringe) entspricht allgemein einem Ansteigen des Schließdruckes von F_b1 auf F_b2. Jedoch wird das Ansteigen der Öffnungskraft von F₁₁ nach F₁₂ nicht durch ein entsprechendes Ansteigen in der Schließkraft von F_p ausgeglichen. Insbesondere wird der Anteil der erhöhten primären hydrostatischen Hubkraft F₁₂, der der Dichtungsfläche 20a zugeführt wird und jenem Teil der Dichtungsfläche 18, der radial auf die erste Verbindungswand 210 des stationären Dichtungsrings 14 ausgerichtet ist, nicht durch das entsprechende Ansteigen der Schließkraft ausgeglichen. Dies ist der Fall, weil die erste Verbindungswand 210 des stationären Dichtungsrings 14 einen Teil der Prozessfluidkammer 295 bildet und demgemäß allein dem Prozessfluid ausgesetzt ist, und nicht dem Sperrfluid. Diese einzigartige Anordnung ermöglicht es, die Schließkraft F₀ nur längs des äußeren radialen Abschnitts der Dichtungsflächen zu erhöhen, das heißt von der Linie D nach dem äußeren Durchmesser der Dichtungsringe, allein durch Erhöhung des Sperrfluiddruckes. Da dieser Abschnitt dem hydrostatischen Bereich längs der konzentrischen Dichtungsfläche 20a entspricht, wird die erhöhte Öffnungskraft unabhängig von der Drehzahl der Welle.
Ein weiterer Vorteil der dargestellten Dichtung 10 besteht darin, dass die Arbeitsweise fortdauert, selbst wenn ein Verlust des Sperrfluiddruckes eintritt, der den Dichtungsflächen 18, 20 zugeführt wird, wie dies in 15 dargestellt ist. Es wird eine hydrostatische Öffnungskraft F₀ zwischen den Dichtungsflächen 18 und 20a infolge der Druckdifferenz zwischen dem Prozessdruck P_b und dem Umgebungsdruck P_a erzeugt. Der hydrostatischen Öffnungskraft F₀ wirkt die Schließkraft F_c entgegen, die zusammensgesetzt ist, aus einer Prozessfluidkraftkomponente F_p und einer Federkraftkomponente F_s. Die Spiralnuten erzeugen keine hydrodynamische Hubkraft mehr, weil das Barrierefluid innerhalb der Nuten fehlt. Die relativ große Druckdifferenz, die sich zwischen dem äußeren Durchmesserbereich, der dem Prozessfluid ausgesetzt ist und dem inneren Durchmesserbereich, der der Umgebung ausgesetzt ist, formt, transportiert oder pumpt keine unerwünschten Prozessfluiddrücke über die Dichtungsflächen nach der Umgebungsseite der Dichtung, aufgrund der Fluidsperre, die zwischen den Dichtungsflächen durch die hydrostatischen Klemmkraft erzeugt wird. Bei Verlust des Sperrfluid arbeitet demgemäß die Dichtung als partielle Flüssigkeitsberührungsdichtung.
Die mechanische Dichtung 10 der vorliegenden Erfindung kann ein Druckrückführungssystem aufweisen, das entweder den Schließdruck oder den Druck des Sperrfluid, das der Dichtung zugeführt wird, oder beide Drücke regelt, um die gewünschten Bedingungen an den Dichtungsflächen 18, 20 der Dichtungsringe 14, 16 aufrechtzuerhalten. Das Drucksteuersystem kann Drucksensoren aufweisen, die innerhalb oder an der Dichtung angeordnet sind, um Änderungen des Sperrfluiddruckes und des Schließfluiddruckes im Betrieb anzuzeigen. Die Drucksensoren können mit einem Steuergerät oder dergleichen in einer Steuerschaltung oder einer Regelschaltung angeordnet sein, um den Sperrfluiddruck und/oder den Schließfluiddruck gemäß Druckänderungen infolge Änderungen der Betriebsbedingungen einzustellen. Beispiele von Druckrückführungssystemen finden sich in der US-A-2,834,619 und US-A-3,034,797.
Stattdessen kann ein Druckrückführungssystem eines der Systemfluide, beispielsweise Sperrfluid, Prozessfluid oder Schließfluid als Fluidregeleingang benutzen, und entweder den Sperrfluiddruck oder die Schließkraft basierend auf diesen geregelten Eingang einstellen. Dabei kann das Druckrückführungssystem eine Änderung im Druck zwischen gewählten Fluiddrücken feststellen und jedes Ungleichgewicht korrigieren. Das Druckrückführungssystem bewirkt diese Korrektur, indem das System an eine Hochdruckfluidquelle angeschlossen wird, um dem System Fluid zuzuführen, und den Druck darin anzuheben oder um Druck aus dem System abzulassen, wenn der Innendruck über einem gewählten Wert liegt. Derartige Druckrückführungssysteme 400 sind in 12 und 13 dargestellt.
12 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Fluidic-Rückführungsdruckregelsystem 400, welches zur Benutzung mit der mechanischen Dichtung 10 geeignet ist. Das Rückführungssystem 400 wird vorzugsweise benutzt, um ein Systemfluid, basierend auf dem Druck eines anderen Systemfluid, einzustellen. Gemäß einer Praxis stellt das System ursprünglich den Sperrfluiddruck auf einen gewählten Wert relativ zu dem Prozessdruck ein, indem ein gewählter Betrag entsprechend einem Federdruck eingestellt wird. Der Sperrfluiddruck wird dann als Systemausgangsregelfluid benutzt, der als Systemfluidsensor selektiv ein Schließfluid dem System 400 zuführt. Das geregelte Schließfluid entspricht dem Schließfluid, das in dem oben erwähnten Schließfluidvorspannsystem enthalten ist.
Das dargestellte Rückführungssystem 400 ist vorzugsweise so bemessen und dimensioniert, dass es innerhalb der inneren und äußeren Stopfbuchsenplatte 34 und 36 angeordnet werden kann. Das System ist mit der Dichtung 10 gekoppelt, deren Komponenten vorstehend beschrieben wurden. Deshalb bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Der stationäre Dichtungsring 14 weist eine Axialbohrung 228 auf, die an einem Ende mit der stationären Dichtungsfläche 18 und am anderen Ende mit einer Sperrfluidquelle in Verbindung steht. Der rotierende Dichtungsring 16 besitzt eine Pumpnut 180, die darin ausgebildet ist, und die so positioniert ist, dass eine direkte Fluidverbindung mit der Axialbohrung 228 besteht. Die Nut und die Axialbohrung leiten ein Sperrfluid direkt nach den Dichtungsflächen zwischen denen eine hydrodynamische Hubkraft erzeugt wird, die die Flächen trennt, um einen Spalt dazwischen zu bilden.
Das dargestellte Rückführungssystem 400 benutzt ein bewegliches Differenzdruckventil 408, das innerhalb einer geeignet bemessenen Kammer innerhalb der Stopfbuchsen 34 und 36 angeordnet ist. Das bewegliche Ventil 408 kann unterschiedlich ausgebildet sein, und ohne hierauf beschränkt zu sein, beispielsweise ausgebildet sein als: Spulen- oder Wechselventil, Tellerventil, Nadelventil, Membranventil, Balgventil oder es können ähnliche bewegliche Ventile benutzt werden, die in der Lage sind, durch ein Druckfluid betätigt zu werden. Die Kammer lagert eine ringförmige Fluidleitung 414, die in vorbestimmter Weise eingebohrt ist, um eine Verbindung zwischen den verschiedenen Druckkanälen und Bohrungen des Fluidic-Rückführungsdruckregelsystems zu schaffen. Die dargestellte Fluidleitung 414 besitzt eine zentrale Bohrung, die das bewegliche Ventil 408 lagert. Die Bohrung ist etwas größer als der äußerste Durchmesser des beweglichen Ventils bemessen, damit eine relativ freie axiale Bewegung des Ventils innerhalb der Bohrung zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung erfolgen kann. Die Fluidleitung 414 weist eine Zahl von radial verlaufenden Fluidbohrungen 410 und 412 auf, um die Möglichkeit zu schaffen, dass die Leitung selektiv ein bestimmtes Druckfluid der Stopfbuchsenkammer zuführt. Dichtungsstrukturen, beispielsweise O-Ringe 422 und 424 sind in entsprechenden Nuten montiert, die in der äußeren Oberfläche der Leitung ausgeformt sind, um eine Druckdichtung und Fluiddichtung zwischen den Innenwänden der Kammer und gewählten Abschnitten der Fluidleitung 414 herzustellen.
Das bewegliche Ventil 408 teilt die Kammer in eine Eingangsfluidkammer 402 und eine Ausgangsfluidkammer 404 mit einer Zwischenkammer 413 zwischen den Flanschendabschnitten des Ventils. Das Ventil 408 ist mit einer einstellbaren Feder 404 gekoppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 406 angreift. Die dargestellte einstellbare Schraube 406 ist an einer begrenzt zugänglichen Stelle angeordnet, um einen unbefugten Eingriff des Personals zu verhindern und um zu verhindern, dass die Federspannung gegenüber der fabrikatorischen Voreinstellung geändert wird. Falls erforderlich kann der Systemoperator die Federspannung einstellen, indem die Schraube zugänglich gemacht und dann in bestimmter Weise gedreht wird. Die Schraube 406 und die Feder 404 wirken demgemäß zusammen, um einen Anfangsdruck oder einen festgesetzten Druck für das dargestellte Druckregeluntersystem 400 zu schaffen.
Die Schrauben 406 und 404 erstrecken sich in die Eingangsfluidkammer 402 von der inneren Oberfläche der Stopfbuchse. Die Eingangsfluidkammer 402 kann mit einem Prozessfluid-Verteilernetz in Verbindung stehen, damit Prozessfluid der Dichtung mit der Eingangsregelkammer 402 wie dargestellt kommunizieren kann. Das Prozessfluid-Verteilernetz des Fluidic-Rückführungsdruckregelsystems 400 kann unter anderem geeignete Prozessfluidkammem innerhalb oder außerhalb der mechanischen Dichtung aufweisen, beispielsweise eine Prozessfluidkammer 290 und eine Prozessfluidbohrung 421 (strichliert dargestellt), die das Prozessfluid aus der Kammer 290 an die Eingangsfluidkammer 402 überträgt. Der Fachmann erkennt, dass das Prozessfluidverteilernetz die Ansammlung innerer Bohrungen und Kanäle aufweisen kann, die innerhalb der Stopfbuchse befindlich sind, damit das Prozessfluid erforderlichenfalls mit dem beweglichen Ventil 408 in bestimmter Weise kommunizieren kann. Das Regelsystem kann auch Kupplungen benutzen, die außerhalb der Stopfbuchse liegen, um Systemfluide mit speziellen Teilen oder Komponenten des Systems zu versorgen. Beispielsweise könnten äußere Fluidleitungen mit der Stopfbuchse verbunden werden, um das Prozessfluid von dem Fluidgehäuse nach der Eingangsprozessfluidbohrung 421 zu übertragen.
Es wird weiter auf 12 Bezug genommen. Das Fluidic-Rückführungsdruckregelsystem 400 kann auch ein Sperrfluidverteilernetzwerk umfassen, dass das Sperrfluid von einer Hochdrucksperrfluidzuführung (nicht dargestellt) nach der Fluidleitung 414 überträgt. Das Sperrfluidverteilernetzwerk kann geeignete Sperrfluidkanäle aufweisen, die das Sperrfluid von der Stopfbuchsenkammer nach einem getrennten Abschnitt der Dichtung, über ein Sperrfluidvorspannsystem, zum Beispiel eine axiale Bohrung 228 und eine Nut 180, nach anderen Rückführungssystemen übertragen, die innerhalb der Stopfbuchse montiert werden können, und nach anderen Fluidkanälen oder Fluidbohrungen, beispielsweise der Fluidzuführung 420 und den Sperrfluidkanal 430. Das bewegliche Ventil 408 definiert eine Zwischenkammer oder einen Kanal 413, der mit einer Barrierefluidquelle über eine Eingangszuführungsbohrung 420 und eine Eingangskammerbohrung 410 in Verbindung stehen kann. Die Zwischenkammer 413 ist ebenfalls selektiv in Fluidverbindung mit dem Sperrfluidverteilernetz über Ausgangsbarrierebohrungen 412 und 240 verbunden.
Im Betrieb steht das Prozessfluid vom Gehäuse 11 mit der Eingangskammer 402 über das Prozessfluidverteilernetz in Verbindung. Gemäß einer Praxis wird das Prozessfluid von der Prozesskammer 290 nach der Eingangskammer 402 über die Eingangsprozessdruckbohrung 421 geleitet. Das Prozessfluid steht unter einem gegebenen Betriebsdruck. Das Prozessfluid in der Eingangsfluidkammer 402 übt einen Druck auf die Eingangsseite, zum Beispiel die linke Seite, des beweglichen Ventils 408 aus. Außerdem übt die einstellbare Feder 404 einen Druck auf das bewegliche Ventil 408 aus. Die Kombination dieser beiden Kräfte oder Drücke bildet den Eingangsdruck, der eine anfängliche Eingangsaxialkraft liefert, die das bewegliche Ventil 408 nach rechts vorspannt.
Die Sperrfluidquelle überführt das Sperrfluid nach dem Fluidic-Rückführungsdruckregelsystem und der mechanischen Dichtung über das Barrierefluidverteilernetz. Das Sperrfluid aus der Barrierefluidquelle wird selektiv über den Eingangszuführungskanal 420 nach der Eingangsbarrierebohrung 410 und in die Zwischenkammer 413 überführt. Dann wird das Barrierefluid selektiv in die Ausgangskammer 404 eingeführt, indem selektiv das bewegliche Ventil 408 zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung bewegt wird. Das Ventil 408 ist in Schließstellung dargestellt.
Das Barrierefluid, das in der Ausgangsfluidkammer 404 befindlich ist, übt einen entgegengesetzten oder axial nach innen gerichteten Druck gegen die rechte Seite des beweglich Ventils 408 aus, um einen Ausgangsdruck zu erzeugen. Wenn der Ausgangsdruck der von dem Sperrfluid erzeugt wird, kleiner ist als die Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck, dann bewegt sich das Differenzdruckventil 408 nach rechts in die Öffnungsstellung. Dadurch wird die Zwischenkammer 413 mit der Ausgangssperrfluidbohrung 412 in Verbindung gebracht, um einen Fluidweg von der Sperrfluidzufuhr durch den Fluidzuführungskanal nach der Ausgangsfluidleitung 412 zu schaffen. Das Sperrfluid durchläuft dann den Kanal 240 und gelangt in die Axialbohrung 228 und demgemäß in das übrige Sperrfluidverteilernetz. Der Kanal 240 setzt außerdem die Schließkammer 280 unter Druck.
Das Sperrfluidverteilernetzwerk füllt sich mit Sperrfluid aus der Zuführungsquelle und der Sperrfluiddruck in der Ausgangsfluidkammer 404 steigt an, bis der Druck gleich ist der Summe der Drücke, die durch das Prozessfluid und die einstellbare Feder 404 erzeugt werden, oder diese Summe überschreitet. Wenn dies geschieht, wird das Ventil 408 in die dargestellte Schließstellung überführt, um die Sperrfluidzufuhr von dem äußeren Sperrfluidkanal 240 abzusperren. Das Sperrfluid innerhalb des Fluidic-Rückführungsdruckregelsystems wird auf diese Weise auf einen Wert unter Druck gesetzt, der gleich ist etwa der Summe der Drücke, die durch den Prozeßdruck und den variablen Druck der Feder 406 ausgeübt werden.
Das dargestellte System 400 kann außerdem ein Untersystem aufweisen, um das Schließfluid aus dem Schließfluidnetz zu entlüften. Dieses Untersystem kann die meisten der gleichen Komponenten enthalten, wie das dargestellte Untersystem 400, außer der Prozessfluidbohrung 421 und der Barrierefluidbohrung 240. Die Untersysteme können so zusammen oder in jeder Kombination benutzt werden, um den jeweiligen Fluiddruck einzustellen, der entweder direkt oder indirekt auf die Dichtungsflächen 18 und 20 einwirkt. Das dargestellte Untersystem 400 kann auch benutzt werden, um selektiv eine nicht dargestellte Schließfluidzuführung mit dem Schließkraftvorspannsystem der Dichtung unabhängig von dem Sperrfluidsystem zu verbinden. Das Schließfluidsystem übt eine Schließkraft auf die Rückseite der stationären Dichtung als Funktion des Druckes innerhalb des Sperrfluidverteilernetzes und/oder des Sperrfluidvorspannsystems aus, zum Beispiel innerhalb der Axialbohrung 228 und der Nut 180.
Das Sperrfluidverteilernetz des Untersystems verbindet die Sperrfluidquelle mit dem stationären Dichtungsring 14. Das Sperrfluidnetz übt eine axiale Schließvorspannkraft auf den Dichtungsring 14 aus, um eine Spreizung zwischen dem stationären und dem rotierenden Dichtungsring 14, 16 einzustellen oder zu regeln. Das Sperrfluidverteilernetz kann irgendeine geeignete Anordnung und Zahl von Fluidleitungen und Bohrungen aufweisen, über die das Fluid wenigstens einem der Dichtungsringe zugeführt wird, um die Spreizung dazwischen einzustellen. Insbesondere kann das dargestellte Netz den Eingangsschließkraftzuführungskanal 420, und/oder die Eingangschließfluidbohrung 410, und/oder die Zwischenkammer 413, und/oder die Ausgangsschließfluidbohrung 412, und/oder den Schließfluidkanal 240 und/oder die Schließfluidkammer 280 aufweisen. Bei dem dargestellten System 400 benutzen das Sperrfluidsystem und das Schließfluidverteilernetz zahlreiche der Kanäle und Bohrungen gemeinsam. Infolgedessen kann eine diskrete und dedizierte Reihe von Fluidverbindungskanälen benutzt werden, um gleichzeitig das Sperrfluidsystem und das Schließfluidnetz unter Druck zu setzen. Demgemäß kann nach einer bevorzugten Praxis das Schließfluid irgendein geeignetes Sperrfluid sein.
13 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Fluidic-Rückführungsdruckregelsystems 401 der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte System 401 benutzt eine Membran D als bewegliches Ventil. Gemäß einer Praxis liefert das System 401 vorzugsweise den Eingangssperrfluiddruck unter einem vorbestimmten Pegel relativ zum Prozessfluiddruck und dem Druck, der durch die Feder 454 ausgeübt wird, während gleichzeitig das Schließfluid dem System hinzugefügt wird. Die Arbeitsweise und Funktion des dargestellten Systems 401 ist ähnlich der Arbeitsweise des Rückführungsregelsystems 400 gemäß 12. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile in den Figuren.
Die Stopfbuchsenplatten 34 und 36 sind angebohrt, um zwei Kammern 470 und 471 zu bilden, die axial im Abstand zueinander liegen. Die Kammern stehen selektiv in Fluidverbindung miteinander. Die Membran D ist so bemessen und dimensioniert, dass sie in der Kammer 470 montiert ist und die Kammer in eine Eingangsfluidkammer 402 und eine Ausgangsfluidkammer 404 unterteilt. Die Membran D weist einen Balgabschnitt 480 und einen axial verlaufenden Spindelabschnitt 481 auf, der eine zentrale Bohrung besitzt, die an beiden Enden offen ist. Die dargestellte Membran D ist mit einer Feder 454 gekoppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 456 angreift. Die Schraube 456 weist einen Kopfteil 456A auf, der längs der inneren Oberfläche der Stopfbuchse begrenzt zugänglich angeordnet ist. Ein ringförmiger O-Ring 457 ist um den Kopf 456A in einer Nut gelegt, um eine Fluiddichtung zwischen der äußeren Umgebung und der Kammer 470 zu schaffen. Die Schraube stellt variabel die Spannung der Feder ein, um entweder die Spannung zu erhöhen oder zu verringern und um dadurch den Druck der Feder zu ändern, während gleichzeitig der Druck innerhalb der Eingangskammer 402 ansteigt. Die Schraube 456 und die Feder 454 wirken so in Kombination, um den anfänglichen oder eingestellten Druck in dem dargestellten Druckregeluntersystem 401 zu definieren. Die Stelle begrenzter Zugänglichkeit der Schraube verhindert, dass eine unbefugte Bedienungsperson die Federspannung einstellt, die fabrikatorisch auf einen vorbestimmten Wert eingestellt ist. Der Fachmann erkennt, dass die manuell einstellbare Schraube 456 längs der äußeren Oberfläche der Stopfbuchse angeordnet sein kann.
Die Schraube 456 und die Feder 454 erstrecken sich in die Eingangsfluidkammer 402 von der axial inneren Oberfläche der inneren Stopfbuchsenplatte 34. Die Eingangsfluidkammer 402 steht mit dem Prozessfluidverteilernetz in Verbindung, damit das Prozessfluid der Dichtung mit der Eingangskammer 402 kommunizieren kann. Das Prozessfluidverteilernetz des Fluidic-Rückführungsdruckregelsystems kann geeignete Prozessfluidkammem aufweisen, die innerhalb der mechanischen Dichtung oder um diese herum angeordnet sind, beispielsweise eine Fluidkammer 290, und einen Eingangsprozessfluidkanal 462 (strichliert dargestellt), der das Prozessfluid aus der Kammer 290 mit der Eingangsfluidkammer 402 verbindet. Der Fachmann erkennt, dass das Prozessfluidverteilernetz irgendeine geeignete Ansammlung von inneren Bohrungen und Kanälen aufweisen kann, die innerhalb der Stopfbuchse angeordnet sind, und das Prozessfluid mit der Membran auf bestimmte Weise verbinden. Das Regelsystem kann auch Kupplungen außerhalb der Stopfbuchse benutzen, um Systemfluide mit bestimmten Teilen oder Komponenten des Systems zu verbinden. Beispielsweise können äußere Fluidleitungen mit der Stopfbuchse verbunden werden, um das Prozessfluid vom Fluidgehäuse nach der Eingangsprozessfluidbohrung 462 zu übertragen. Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann die Stopfbuchse innen ausgebohrt sein, damit das Prozessfluid mit der Prozessfluidbohrung vollständig innerhalb der Stopfbuchse in Verbindung steht, ohne dass äußere Fluidkoppler erforderlich wären.
Die Kammer 471 ist axial außerhalb der Kammer 470 vorgesehen. Die Kammer 471 steht ferner auf einer Seite mit dem Eingangsfluidzuführungskanal 420 in Verbindung. Die Kammer 471 lagert einen Federvorspannungsaufbau 469 mit einer Feder 472, einer Zwischenplatte 473 mit U-förmigem Querschnitt und einem festen, ringförmigen Dichtungsstopfen 474. Ein Ende der Feder 472 sitzt in einem axial äußeren Teil der Kammer 471. Das andere Ende hiervon sitzt innerhalb einer Ausnehmung, die in der Platte 473 ausgebildet ist. Die Zwischenplatte 473 besitzt eine Dichtungsoberfläche 473A, die an eine Sitzfläche 475 anstößt, die auf einem Ende des Dichtungsstopfens 474 ausgebildet ist. Der Dichtungsstopfen 474 weist eine Ringnut auf, in der ein O-Ring 476 sitzt, der eine Fluiddichtung zwischen den Kammern 470 und 471 herstellt. Der Stopfen hat vorzugsweise einen Schulterteil 477, der in einer Paßnut sitzt, welche in der Kammerwand ausgebildet ist, um starr und fest den Stopfen 474 zu halten. Der Stopfen besitzt eine zentrale Bohrung 477, die so bemessen ist, dass gleitbar der Spindelabschnitt 481 der Membran D aufgenommen wird. Der Stopfen verhindert, dass Fluid, das der Kammer 471 über den Fluidkanal 420 zugeführt wird, mit der Ausgangskammer 404 in Verbindung steht, wenn die Platte in inniger Berührung mit dem Sitz 475 steht.
Die dargestellte Zwischenplatte 473 ist alternativ zwischen der offenen und geschlossenen Stellung durch gewählte Fluidkräfte und mechanischen Kräfte einsetzbar. Wenn der Federvorspannaufbau 469 in der dargestellten Schließstellung befindlich ist, dann berührt die Dichtungsfläche 473A dichtend die Sitzfläche 475 am Stopfen 474. Diese Lage verhindert, dass ein Fluid, das in der Kammer 471 enthalten ist, mit der Ausgangskammer 404 in Verbindung kommt. Wenn der Aufbau 469 in der Öffnungsstellung befindlich ist, dann liegt die Platte 473 axial im Abstand von dem Stopfen 474, so dass das Fluid innerhalb der Kammer 471 über die zentrale Bohrung 477 in die Ausgangskammer 404 strömen kann.
Es wird weiter auf 13 Bezug genommen. Die axiale Spindel 481 besitzt ein äußeres Ende, das in Schließstellung gegen die Dichtungsoberfläche 473A der Zwischenplatte 473 wirkt. Wenn sich die Spindel in der Öffnungsstellung befindet, dann kommt sie von der Dichtungsoberfläche 473A frei, so dass Fluid in der Ausgangskammer 404 in die Kammer 402 über die Zentralbohrung der Spindel strömen kann.
Bei dem dargestellten System 401 ist die Eingangsfluidkammer 402 strömungsmäßig mit der Prozessfluidkammer 290 über die Prozessfluidbohrung 462 verbunden. Die Ausgangsfluidkammer 404 ist strömungsmäßig mit dem Sperrfluidverteilernetz und dem Sperrfluidnetz über die Fluidbohrung 240 verbunden. Das Fluidic-Rückführungsdruckregelsystem der Erfindung umfasst ein Sperrfluidverteilernetz, das mit dem Sperrfluid aus einer Hochdrucksperrfluidquelle nach der Membran und/oder nach dem Sperrfluidvorspannnetz überträgt. Weiter umfasst das System ein Schließfluidnetz, das ein Schließfluid, beispielsweise das Sperrfluid, nach der Schließfluidkammer 280 überträgt.
Im Betrieb steht das Prozessfluid vom Fluidgehäuse mit der Eingangskammer 402 über den Eingangsprozessdruckkanal 462 und irgendwelche anderen geeigneten Kanäle innerhalb der Dichtung und/oder der Stockbuchse in Verbindung, wodurch das Prozessfluid nach der Eingangskammer 402 gelangen kann. Das Prozessfluid steht unter einem gegebenen Betriebsdruck. Das Prozessfluid in der Eingangsfluidkammer 402 übt einen Druck auf die Eingangsseite, d. h. die linke Seite, der Membran D aus. Zusätzlich übt die einstellbare Feder 454 einen Druck auf die Membran D aus. Die Kombination dieser beiden Kräfte oder Drücke bildet den Eingangsdruck, der eine anfängliche axiale Eingangskraft erzeugt, die die Membran nach rechts vorspannt.
Das Sperrfluid von der Sperrfluid/Schließfluidzufuhr (nicht dargestellt), wird in das Regelsystem 401 und nach der mechanischen Dichtung 16 über das Sperrfluidverteilernetz zugeführt. Gemäß einer Praxis wird das Sperrfluid von der Sperrfluidquelle selektiv dem Rückführungssystem zugeführt, und insbesondere der Ausgangskammer 404 über die Zuführungsbohrung 420. Infolgedessen bestimmt die Lage der Zwischenplatte 473, ob das Sperrfluid der Ausgangskammer 404 zugeführt wird. Das Sperrfluid, das in der Ausgangsfluidkammer 404 enthalten ist, übt einen entgegengesetzten oder axial nach innen gerichteten Druck gegen die rechte Seite der Membran D aus, um den Ausgangsdruck zu erzeugen.
Wenn der durch das Prozessfluid und die Feder 406 ausgeübte Eingangsdruck größer ist, als der Ausgangsdruck innerhalb der Ausgangskammer 404 bewegt sich die Membran D nach rechts und die Spindel 481 trennt die Plattenoberfläche 473A von der Sitzfläche 475. Die Fluidquelle führt Sperrfluid der Kammer 471 zu, und das Fluid tritt dann durch die zentrale Bohrung 477 des Stopfens 474 in die Ausgangskammer 404 über. Das Sperrfluid gelangt dann von dort nach dem Ausgangskanal 240 und in die Axialbohrung 228 und die Kammer 280.
Wenn sich das Sperrfluidverteilernetz mit Sperrfluid aus der Quelle füllt, dann übt der Barrierefluiddruck in der Ausgangsfluidkammer 404 zunehmend einen Druck auf die Membran D aus, um diese in die Gegenrichtung, zum Beispiel nach links, zu verschieben. Wenn der Sperrfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 404 allgemein gleich der Summe der Drücke wird, die durch das Prozessfluid und die einstellbare Feder 454 ausgeübt werden, dann wird die Membran D nach links gedrängt. Die Feder 472 und die Zwischenplatte 473 drücken in Kombination mit dem Sperrfluiddruck innerhalb der Kammer 471 die Plattendichtungsfläche 473A zurück in Berührung mit dem Sitz 475, wodurch die Fluidzufuhr von der Ausgangskammer 404 unterbrochen wird. Das Sperrfluid innerhalb des Fluidic-Rückführungsdruckregelsystems 401 wird auf diese Weise auf einen Wert unter Druck gesetzt, der gleich ist etwa der Summe der Drücke, die von dem Prozessdruck und dem einstellbaren Druck der Feder 454 ausgeübt werden. Demgemäß wird das Sperrfluid innerhalb der Ausgangskammer 404 auf einen Wert unter Druck gesetzt, der über dem Druckwert des Prozessfluid liegt, und zwar um einen Betrag, der der Spannung oder dem Druck der Feder 454 entspricht. Der Fachmann erkennt, dass das Ansteigen des Sperrfluiddruckes innerhalb der Ausgangskammer 404 einen niedrigen Sperrdruck an den Dichtungsflächen anzeigt und so wird eine Dichtflächenberührung verfindert. Die Hinzufügung von Sperrfluid nach den Dichtungsflächen über die axiale Bohrung 228 und die Nut 180 setzt den Spalt an den Dichtungsflächen unter Druck, um die Dichtungsflächen zu spreizen.
Bei der Montage wird der rotierende Dichtungsring 16 auf der Hülse 100 montiert, indem die Antriebsschlitze 138 des rotierenden Dichtungsrings auf die axial verlaufenden Antriebsstifte 136 ausgerichtet werden, die von der Antriebsbohrung 134 des Halteaufbaus vorstehen. Der Zentrierkörper 170 liegt konzentrisch um die Hülse und wird weiter in Berührung mit der inneren Oberfläche 166 des rotierenden Dichtungsrings gebracht. In gleicher Weise wird der O-Ring 130 innerhalb der Ringnut 128 eingesetzt, die in der Hülse 100 ausgebildet ist, und er wird weiter in Dichtungsberührung mit der hinteren Oberfläche 174 des rotierenden Dichtungsrings 16 gebracht.
Der stationäre Dichtungsring 14 und die Kompressionsplatte 300 werden innerhalb der Aufnahmekammer 90 des stationären Dichtungsrings der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 montiert, indem die mechanischen Federn 270 innerhalb der Bohrungen 272 der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 eingefügt werden, die in die rückwärtige Oberfläche 307 der Kompressionsplatte 300 anstoßen. Der axiale Abschnitt 230 der Fluidbohrungen 228 und der Bohrungen 316 der Kompressionsplatte 300 werden auf die Haltestifte 250 ausgerichtet, die von den Bohrungen 252 in der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 vorstehen. Der O-Ring 236 wird konzentrisch um die zweite Oberfläche 76 der äußeren Stopfbuchsenplatte und dann in Dichtungsberührung mit dem radial verlaufenden Abschnitt 224 und dem kegelförmigen Abschnitt 226 des stationären Dichtungsrings 14 gebracht. Die Oberflächen 312 und 314 der Kompressionsplatte spannen den O-Ring 236 in Dichtungsberührung sowohl mit dem stationären Dichtungsring 14 als auch mit der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 vor. Der O-Ring 94 wird innerhalb der Nut 92 der äußeren Stopfbuchsenplatte 36 eingeführt und außerdem in Berührung mit der zweiten äußeren Oberfläche 208 des stationären Dichtungsrings 14 gebracht. Die O-Ringe 94 und 236 bewirken daher eine Fluidabdichtung und eine Druckabdichtung zwischen der äußeren Stopfbuchsenplatte und dem stationären Dichtungsring 14.
Der Fachmann erkennt, dass alternative mechanische Federanordnungen möglich sind, einschließlich einer Anordnung ohne Kompressionsplatte 300, wobei die mechanischen Federn direkt die hintere Oberfläche des stationären Dichtungsrings 14 berühren.
Der Stopfbuchsen-O-Ring 56 wird dann innerhalb der Dichtringnut 70 der Stopfbuchse montiert und die äußeren Stopfbuchsenplatten 36, die Hülse 100 und stationärer und rotierender Dichtring 14 und 16 werden konzentrisch um die Welle 12 herum angelegt. Der Verriegelungsring 144 wird dann konzentrisch um das äußere Ende 104 der Hülse 100 gefügt. Es werden Schrauben 142 durch den Verriegelungsring in Aufnahmelöcher 140 der Hülse 100 eingeschraubt. Die Schrauben 142 werden in Reibungsberührung mit der Welle 12 angezogen, wodurch die Hülse 100 und der rotierende Dichtungsring 14 auf der Welle 12 festgelegt werden.
Dann wird die innere Stopfbuchsenplatte 34 konzentrisch um die Welle gefügt. Der Flansch 120 der rotierenden Dichtringhülse 100 und der rotierende Dichtring 16 werden innerhalb der inneren Stopfbuchsenplatte 34 montiert. Wie in 1 dargestellt, werden rotierender Dichtring 16 und Flansch 120 der Hülse 100 von der inneren Oberfläche 38 der inneren Stopfbuchsenplatte im Abstand angeordnet, so dass sich die Hülse 100 und der rotierende Dichtungsring 16 relativ zu der inneren Stopfbuchsenplatte 34 drehen können. Die Stopfbuchsenplatten 34 und 36 werden danach miteinander durch Schrauben 84 verbunden, die in Eingriffsöffnungen 82 in den Stopfbuchsenplatten eingreifen. Die Dichtringnut 70 der Stopfbuchse stößt an der radial verlaufenden Oberfläche 54 der inneren Stopfbuchsenplatte 34 an, um eine druckdichte und fluiddichte Verbindung zwischen den Stopfbuchsenplatten 34 und 36 zu schaffen.
Bevor der Stopfbuchsenaufbau 30 vollständig am Gehäuse 11 festgelegt wird, werden Welle 12, Hülse 100 und stationärer sowie rotierender Dichtungsring 14, 16 innerhalb des Stopfbuchsenaufbaus zentriert. Ein Beispiel einer Bauart eines Zentriermechanismus ist als Zentrier-Clip 15 in 1 dargestellt. Beispiele anderer Zentriermechanismen sind in der US-A-5,571,268 beschrieben, die als Referenz eingeführt wird.
Nachdem die Dichtung 10 zusammengebaut und am Pumpengehäuse 11 montiert ist, wird das Prozessmedium innerhalb der Prozessfluidkammer 290 abgedichtet, wie dies in 1 dargestellt ist. Die Prozessfluidkammer wird durch die innere Oberfläche 38 der inneren Stopfbuchsenplatte, durch die zweite Oberfläche 68 der äußeren Stopfbuchsenplatte, durch die O-Ringe 56 und 94, durch die äußere Oberfläche der Hülse 100, durch die äußere Oberfläche 172 des rotierenden Dichtungsrings 16 und die ersten und zweiten äußeren Oberflächen 206, 208 und die erste Verbindungswand 210 des stationären Dichtungsrings 14 definiert. Das Umgebungsmedium, im typischen Fall Luft, füllt eine Umgebungsfluidkammer 295, die typischerweise von der Prozesskammer 290 abgedichtet ist, die durch die stationären und rotierenden inneren Dichtringoberflächen 162, 202, durch die O-Ringe 130 und 236 und die äußeren Oberflächen 112 und 114 der Hülse 100 definiert ist. Die Ausdrücke "Umgebung" und "Umgebungsmedium" sollen eine äußere Umgebung oder ein Medium bezeichnen, das unterschieden ist von der Prozessumgebung oder dem Prozessmedium.
Es wird weiter auf 1 Bezug genommen. Der O-Ring 118 verhindert ein Durchsickern von Prozessfluid längs der Welle 12. Der flache Dichtungsring 50 verhindert das Durchsickern von Prozessfluid längs des Gehäuses 11 und der Zwischenfläche der Dichtung 10. Der O-Ring 56 der Stopfbuchsenplatte verhindert ein Durchsickern des Prozessfluid zwischen der Stopfbuchsen-Zwischenfläche. Die O-Ringe 94 und 130 verhindern, dass Prozessfluid in die Umgebungsfluidkammer 295 über die Hülse 100 und den Stopfbuchsenaufbau 30 eintritt.
Im Betrieb wird Sperrfluid den Spiralnuten 180 und den Dichtungsflächen 18, 20a, 20b über die Sperrfluidbohrungen 228 im stationären Dichtungsring 14 zugeführt. Das Sperrfluid füllt den Spalt zwischen den Dichtungsflächen aus und spreizt dadurch die Dichtungsflächen 18 und 20 und bildet eine Fluiddichtung zwischen dem Prozessmedium in der Prozesskammer 290 und dem Umgebungsfluid in der Umgebungsfluidkammer 295. Der Spalt wird auf einer vorbestimmten Spaltbreite aufrechterhalten oder er ist einstellbar, um den Leckstrom über den Dichtungsflächen zu verringern, wobei gleichzeitig die Dichtungsflächen gespreizt bleiben, um eine Abnutzung zu verringern.
Die Wirkung der Sperrfluid auf die Dichtung 10 ist von zweifacher Art. Erstens kann das Barrierefluid die Abnutzung auf den Dichtungsflächen vermindern, indem das Ausmaß einer direkten Reibungsverbindung zwischen der Dichtungsfläche 18 und den Dichtungsflächen 20a und 20b vermindert wird, so dass sich eine längere Lebensdauer der Dichtungskomponenten ergibt. Zweitens bewirkt das Sperrfluid eine Verminderung der Wärme, die durch direkte Reibungsberührung zwischen den Dichtungsflächen von den Dichtungsflächen übertragen wird, was zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung über die Dichtung 10 führt und so die nützliche Lebensdauer der Dichtungskomponenten erhöht, indem die thermische Beanspruchung der Komponenten vermindert wird, die der Wärme ausgesetzt sind.
Das Sperrfluid übt eine primär hydrostatische Hubkraft auf den ersten konzentrischen Dichtflächenbereich 20a und einen entsprechenden Teil der Dichtfläche 18 aus. Die Dichtung entwickelt auch eine aus hydrodynamischer und hydrostatischer Kraft zusammengesetzte Hybridkraft an den Nuten 180 und längs der inneren konzentrischen Dichtungsfläche 20b. Das Barrierefluid übt eine Hubkraft auf die zweite Dichtungsfläche 20b sowie auf den entsprechenden Abschnitt der Dichtungsfläche 18 aus, wodurch wenigstens ein Abschnitt der stationären Dichtringfläche 18 von wenigstens einem Teil der rotierenden Dichtungsringfläche 20b abgehoben wird, um einen Spalt dazwischen zu erzeugen.
Ein beträchtlicher Vorteil der Dichtung 10 gemäß vorliegender Erfindung besteht darin, dass zwei konzentrische Dichtflächen an einem einzigen Dichtungsring ausgebildet werden, und zwar vorzugsweise auf den Dichtungsringen einer berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung. Die Erzeugung konzentrischer Dichtungen bildet eine Doppeldichtungsanordnung, die nur zwei Dichtringe benutzt, obgleich zusätzliche Dichtringe benutzt werden könnten, wenn sich dies als notwendig erweist. Hierdurch wird eine im wesentlichen kompakte mechanische Dichtung und vorzugsweise eine kompakte berührungslose mechanische Gleitringdichtung geschaffen, die in Dichtungsräumen bestehender Maschinen eingebaut werden können, ohne dass eine wesentliche Modifikation des Gehäuses oder der Umgebungsstruktur erforderlich wäre, um die erfindungsgemäße mechanische Dichtung aufzunehmen.
Ein weiterer wichtigter Vorteil der Erzeugung einer primären hydrostatischen Kraft längs eines Abschnitts der rotierenden Dichtungsringfläche 20 und einer Kombination von hydrostatischer und hydrodynamischer Kraft an einem anderen Abschnitt der Dichtungsoberfläche besteht darin, dass die mechanische Dichtung in der Lage ist, auch bei relativ geringen Drehzahlen der Welle zu arbeiten, ohne dass eine Abnutzung der Dichtungsfläche stattfindet. Weiter trägt der Zusatz des rein hydrostatischen Teils der Dichtungsfläche, vorzugsweise längs einer der konzentrischen Dichtungsflächen, dazu bei, dass die Dichtung ihre Dichtwirkung auch aufrechterhält, wenn ein Verlust des Sperrfluid auftritt. Dieser Vorteil wird realisiert, weil die mechanische Dichtung eine Ausgleichsanordnung aufweist, die es dem primär hydrostatischen Dichtungsbereich ermöglicht, eine wesentliche Fluiddichtung zwischen Prozessumgebung und äußerer Umgebung herzustellen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der mechanischen Dichtung besteht darin, dass bei einer Erhöhung oder Veringerung des Sperrfluiddruckes relativ zum Prozessfluid in der Dichtung, eine entsprechende Ausgleichsänderung der Spreizkraft erzeugt wird, durch die die Dichtflächen nur über dem hydrostatischen Teil der Dichtung abgehoben werden. Diese Druckanordnung ermöglicht es der Bedienungsperson, die Öffnungskraft einzustellen, indem die Druckdifferenz zwischen Sperrfluid und Prozessfluid eingestellt wird. Dieses Drucksteuerungsmerkmal ermöglicht eine sehr präzise Einstellung der Spaltbreite im Betrieb.
Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße mechanische Dichtung 10 eine Einstellung der Berührung oder der Spaltdicke zwischen den Dichtungsflächen, unabhängig von der Drehzahl der Welle, indem der Druck des Sperrfluid eingestellt wird, und demgemäß die Größe der hydrostatischen Hubkraft F1, um dadurch den gewünschten Trennspalt einzustellen. Demgemäß ist es möglich, eine vollständige oder teilweise Trennung der Dichtflächen beim Start, das heißt wenn sich die Welle nicht dreht, herbeizuführen, indem der Sperrfluiddruck erhöht wird. In gleicher Weise kann eine vollständige oder teilweise Trennung der Dichtflächen bei niedrigen Drehzahlen erfolgen, indem der Sperrfluiddruck erhöht wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der sekundäre Dichtungsaufbau ein Hängenbleiben oder eine O-Ring-Hysterese der Dichtfläche verhindert, vermindert oder vermeidet. Infolgedessen ergibt die Dichtung verbesserte Dichtungseigenschaften, da die Trennung der Dichtungsflächen innerhalb der Grenzen des Systems aufrechterhalten wird.
Der Fachmann erkennt, dass die Dichtung 10 gemäß der Erfindung als vollständige mechanische Spaltdichtung ausgebildet werden kann, bei der jede der Dichtungskomponenten, zum Beispiel der Stopfbuchsenaufbau, die Hülse, die stationären und rotierenden Dichtungsringe und die O-Ringe aufgespaltet sein können. Eine solche Spaltdichtungsausbildung erleichtert den Ersatz oder die Reparatur von beschädigten Dichtungselementen, indem die Installation und Entnahme der Spaltdichtungskomponenten erfolgen kann, ohne dass es notwendig wäre, die gesamte Anlage, zum Beispiel eine Pumpe oder dergleichen, abzubauen, und ohne dass die Dichtung über das Ende der Welle geschoben werden müßte.
Der Fachmann erkennt, dass obgleich hier nur eine einzige Dichtungskonfiguration beschrieben und dargestellt wurde, die Dichtung 10 der vorliegenden Erfindung in einer Doppelanordnung, Tandemanordnung oder in einer Mehrfachdichtungsanordnung benutzbar ist, bei der mehrere Dichtungen 10 oder Dichtungsringe axial längs der Welle angeordnet sind.
Es ist ersichtlich, dass die Erfindung in wirksamer Weise die oben genannten Aufgaben und Ziele erfüllt, die sich auch zum Teil aus der vorhergehenden Beschreibung ergeben. Da gewisse Änderungen in der obigen Konstruktion vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweisen, ist beabsichtigt, dass alle Merkmale der obigen Beschreibung und der Darstellungen gemäß Zeichnung als illustrativ und nicht in beschränkendem Sinn ausgelegt werden sollen.
Es ist auch klar, dass die folgenden Ansprüche alle allgemeine und spezielle Merkmale der oben beschriebenen Erfindung enthalten und alle Erläuterungen, die die Erfindung betreffen, sollen vom Rahmen der Erfindung erfaßt werden.
Nachdem vorstehend die Erfindung ausführlich erläutert wurde, soll in den folgenden Ansprüchen angegeben werden, was als neu für die Erfindung beansprucht wird.

Claims

Mechanisches Gleitring-Dichtungssystem zur Fluidabdichtung zwischen einem Gehäuse (11) und einer drehbaren Welle (12), wobei das Gehäuse einem unter einem Fluiddruck ausgesetzten Prozessfluid ausgesetzt ist und das System (10) die folgenden Teile umfasst: einen ersten Dichtungsring (16) mit einer Dichtungsstirnringfläche (20), die sich zwischen einer ersten Oberfläche (172) und einer zweiten Oberfläche (164) erstreckt und einen ersten Abschnitt (20a) und einen zweiten Abschnitt (20b) aufweist; einen zweiten Dichtungsring (14) mit einer zweiten Dichtungsstirnringfläche (18), die sich zwischen einer ersten Oberfläche (206) und einer zweiten Oberfläche (212) erstreckt, wobei die erste und die zweite Dichtungsstirnringfläche im zusammengebauten Zustand einander gegenüberliegen und die erste Oberfläche des ersten Dichtungsrings und die erste Oberfläche des zweiten Dichtungsrings einem ersten Fluid mit einem ersten Druck ausgesetzt sind; wobei der erste Dichtungsring oder der zweite Dichtungsring sich mit der Welle dreht und der andere zweite Dichtungsring oder erste Dichtungsring an einer Drehung gehindert ist; Mittel (228) zur Einleitung eines unter einem zweiten Druck stehenden zweiten Fluid zwischen die erste und die zweite Dichtungsstirnringfläche, wobei die Differenz zwischen dem ersten und zweiten Druck eine Öffnungskraft zwischen der ersten und zweiten Dichtungsstirnringfläche entwickelt und wobei das System außerdem ein Druckregelsystem (400) umfasst, das mit der Dichtung verbunden ist und die Öffnungskraft als Funktion der Differenz zwischen den Drücken des ersten und zweiten Fluid einstellt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 1, bei welcher das erste Fluid das Prozessfluid ist und das zweite Fluid ein Barrierefluid.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher die erste Oberfläche (172) des ersten Dichtungsrings (16) eine radial äußere Oberfläche ist und die erste Oberfläche (206) des zweiten Dichtungsrings (14) eine radial äußere Oberfläche ist.
Mechanische Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche außerdem Mittel (240) aufweist, um eine Schließkraft auf dem ersten Dichtungsring oder dem zweiten Dichtungsring zu erzeugen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 4, bei welcher das Druckregelsystem (400) das Verhältnis zwischen Öffnungskraft und Schließkraft als Funktion der Druckdifferenz zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid einstellt, um eine Berührung der Dichtungsstirnringflächen zu verhindern und eine Fluidabdichtung zwischen Gehäuse und drehbarer Welle aufrecht zu erhalten.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 1, welcher außerdem Mittel (180) enthält, um eine hydrodynamische Fluidkraft zwischen wenigstens einem Teil des zweiten Abschnitts (206) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) zu schaffen, wobei die hydrodynamische Fluidkraft eine Trennung eines Teils der ersten Dichtungsstirnringfläche von einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche während Perioden der Wellendrehung bewirkt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck einen hydraulischen Fluiddruck zwischen wenigstens einem Teil der ersten Dichtungsstirnringfläche und der zweiten Dichtungsstirnringfläche erzeugt und das Druckregelsystem die hydraulische Fluidkraft auf der ersten und zweiten Dichtungsstirnringfläche durch Einstellung des Druckes des zweiten Fluid einstellt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 7, welche weiter Mittel (240) aufweist, um ein Schließfluid unter einem Schließfluiddruck der hinteren Stirnringfläche (220) des zweiten Dichtungsrings (14) zuzuführen, um eine Schließfluidkraft auf den zweiten Dichtungsring auszuüben.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Mittel (240) zum Einführen eines Schließfluid und der zweite Dichtungsring (14) so ausgebildet sind, dass die Schließkraft auf einen Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) wirkt, die den zweiten Abschnitt (206) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) überlappt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Mittel zum Einführen eines Schließfluid und der zweite Dichtungsring so ausgebildet sind, dass die Schließkraft nicht auf einen Teil der zweiten Stirnringfläche (18) einwirkt, die den ersten Abschnitt (20a) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) überlappt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 9, bei welcher das Druckregelsystem (400) den Schließdruck durch Einstellung des Schließfluiddruckes einstellt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 11, bei welcher das Druckregelsystem (400) die Schließkraft gegenüber der Summe von hydraulischer Fluidkraft und der hydrodynamischen Fluidkraft ausgleicht, um eine Berührung der Dichtungsstirnringflächen im Betrieb zu verhindern und eine Fluidabdichtung zwischen dem Gehäuse und der drehbaren Welle aufrecht zu erhalten.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 9, bei welcher das Druckregelsystem die hydraulische Fluidkraft auf der ersten und zweiten Dichtungsstirnringfläche durch Einstellung des Druckes des zweiten Fluid einstellt oder das Druckregelsystem die Schließkraft durch Einstellung des Schließfluiddruckes einstellt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 8, welche außerdem eine Stopfbuchsenanordnung (30) aufweist, die mit dem zweiten Dichtungsring (14) gekuppelt ist, um den zweiten Dichtungsring mit dem Gehäuse (11) zu verbinden, wobei die Stopfbuchsenanordnung eine axial innere Stopfbuchsenplatte (34) und eine axial äußere Stopfbuchsenplatte (36) aufweist und die Mittel zum Einführen eines Schließfluid eine Fluidleitung (240) aufweisen, die in der äußeren Stopfbuchsenplatte (36) ausgebildet ist, wobei die Fluidleitungsöffnung sich der hinteren Oberfläche (220) des zweiten Dichtungsrings (14) an einem Ende annähert und in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle am anderen Ende steht.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Mittel zur Erzeugung einer hydrodynamischen Fluidkraft zwischen wenigstens einem Teil des zweiten Abschnitts (20b) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) mehrere Pumpnuten (180) aufweist, die in dem zweiten Abschnitt (20b) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) ausgebildet sind.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 15, bei welcher die Mittel (228) zum Einführen eines zweiten Fluid zwischen die erste und zweite Dichtungsstirnringfläche das zweite Fluid nach den Nuten (180) fördert und wobei die Nuten und das zweite Fluid die hydrodynamische Fluidkraft erzeugen, um eine Trennung eines Teils der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) von einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) während Perioden der Wellendrehung zu bewirken.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 16, bei welcher die Mittel zum Einführen eines zweiten Fluid mehrere axiale Kanäle (228) aufweisen, die in dem zweiten Dichtungsring (14) ausgebildet sind, wobei jeder Kanal sich nach der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) an einem Ende öffnet und in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle am anderen Ende steht.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 17, bei welcher die Mittel zum Einführen eines zweiten Fluid außerdem eine Umfangsnut (234) aufweisen, die in der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) ausgebildet ist, wobei die Nut auf der zweiten Dichtungsstirnringfläche derart ausgebildet ist, dass die axialen Kanäle (228) sich auf diese Umfangsnut hin öffnen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 18, bei welcher die Umfangsnut (234) und die axialen Kanäle (228) auf wenigstens einen Teil der Pumpnuten (180) ausgerichtet sind, die auf dem zweiten Abschnitt (20b) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) angeordnet sind, derart, dass die axialen Kanäle und die Umfangsnut das zweite Fluid nach den Pumpnuten liefern, um die hydraulische Fluidkraft zu erzeugen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 1, welche außerdem eine Hülse (100) aufweist, um den ersten Dichtungsring (16) oder den zweiten Dichtungsring (14) an der drehbaren Welle (17) festzulegen, wobei die Hülse ein Flanschende (20) aufweist und so bemessen ist, dass sie allgemein konzentrisch auf die drehbare Welle aufsetzbar ist und wobei Mittel (144) vorgesehen sind, um die Hülse auf der Welle festzulegen, damit sich die Hülse mit der Welle dreht.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 20, bei welcher die Mittel zur Festlegung der Hülse (100) aus einem Verriegelungsring (144) bestehen, der konzentrisch auf der Hülse sitzt und mehrere darin ausgebildete Öffnungen (140) hat, um Befestigungsglieder (142) aufzunehmen, die reibungsschlüssig an der drehbaren Welle angreifen, um den Verriegelungsring und die Hülse daran festzulegen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 21, welche außerdem eine Stopfbuchsenanordnung (30) aufweist, die so bemessen ist, dass sie am Gehäuse (11) und um die Welle (12) herum montiert werden kann und die mit dem ersten Dichtungsring (16) oder dem zweiten Dichtungsring (14) gekuppelt ist, um diesen einen der Dichtungsringe mit dem Gehäuse zu verbinden.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 22, bei welcher der erste Dichtungsring (16) an der Hülse (100) zwecks Drehung mit dieser befestigt ist und der zweite Dichtungsring (14) an der Stopfbuchsenanordnung (30) festgelegt ist.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 23, welche außerdem einen elastischen Körper (236) aufweist, der zwischen den zweiten Dichtungsring (14) und die Stopfbuchsenanordnung (30) eingefügt ist, um eine Dichtung zwischen dem zweiten Dichtungsring und der Stopfbuchsenanordnung zu schaffen, wobei Kompressionsmittel (300) vorgesehen sind, um axial und radial den elastischen Körper in Berührung mit dem zweiten Dichtungsring und der Stopfbuchsenanordnung vorzuspannen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 24, bei welcher die Kompressionsmittel aus einer ringförmigen Kompressionsplatte (300) bestehen, die einen inneren Ringflanschabschnitt besitzt, um an dem elastischen Körper (236) anzugreifen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 25, bei welcher der innere Flanschabschnitt eine axial und radial verlaufende im Winkel angestellte Oberfläche (311) besitzt, um axial und radial den elastischen Körper in Berührung mit dem zweiten Dichtungsring und der Stopfbuchsenanordnung vorzuspannen.
Mechanische Gleitringdichtung nach Anspruch 1, bei welcher der erste Dichtungsring (16) eine erste äußere radial verlaufende Dichtungsfläche (20a) an dem ersten Abschnitt der ersten Stirnringfläche aufweist und eine zweite innere radial verlaufende Dichtungsstirnringfläche (20b) am zweiten Abschnitt der ersten Dichtungsstirnringfläche, wobei die erste äußere Dichtungsstirnringfläche und die zweite innere Dichtungsstirnringfläche allgemein koplanar angeordnet sind.
Mechanische Gleitringdichtung nach Anspruch 27, bei welcher die zweite Dichtungsstirnringfläche (18) so bemessen ist, dass sie über wenigstens einen Teil der inneren und äußeren Dichtungsstirnringflächen (20a, 20b) des ersten Dichtungsrings (16) zu liegen kommt.
Mechanische Dichtung gemäß Anspruch 27, bei welcher die erste äußere Dichtungsstirnringfläche (20a) längs eines äußeren Umfangsabschnitts der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) angeordnet ist und die zweite innere Dichtungsstirnringfläche (20b) längs eines inneren Umfangsabschnitts der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) liegt, um eine konzentrische Doppeldichtung auf einem einzigen Dichtungsring zu schaffen.
Verfahren zur Verhinderung einer Berührung zwischen den Dichtungsstirnringflächen (14, 16) einer mechanischen Dichtung (10), um zwischen einem Gehäuse (11) und einer drehbaren Welle (12) eine Fluidabdichtung herzustellen, wobei die Dichtung einen ersten Dichtungsring (16) mit einer ersten Dichtungsstirnringfläche (20) aufweist und die erste Dichtungsstirnringfläche einen ersten Abschnitt (20a) und einen zweiten Abschnitt (20b) besitzt, wobei die Dichtung außerdem einen zweiten Dichtungsring (14) mit einer zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) aufweist und die Dichtungsstirnringflächen von erstem und zweitem Dichtungsring im zusammengebauten Zustand einander gegenüberliegen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: es wird ein Fluid zwischen die erste Dichtungsstirnringfläche (20) und die zweite Dichtungsstirnringfläche (18) eingeführt, um eine hydrostatische Fluidkraft zwischen wenigstens einem Teil der ersten Dichtungsstirnringfläche und wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche zu erzeugen; es wird eine hydrodynamische Fluidkraft zwischen wenigstens einem Teil des zweiten Abschnitts (20b) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) erzeugt, wobei die hydrodynamische Fluidkraft eine Trennung der Dichtungsstirnringflächen während jener Perioden erzeugt, in denen die Welle mit einer hohen Geschwindigkeit umläuft, und es wird die hydrostatische Fluidkraft zwischen dem ersten Abschnitt (20a) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) in Perioden erzeugt, in denen die Welle mit geringer Drehzahl umläuft, um eine Berührung zwischen wenigstens einem Teil des ersten Abschnitts von wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 39, bei welchem der Schritt der Erhöhung der hydraulischen Fluidkraft zwischen dem ersten Abschnitt (20a) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) einen weiteren Schritt umfasst, in dem der Druck des zwischen den ersten Abschnitt der ersten Dichtungsstirnringfläche und der zweiten Dichtungsstirnringfläche eingeführten Fluids erhöht wird, um die hydrostatische Fluidkraft auf den ersten Abschnitt und auf die zweite Dichtungsstirnringfläche zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 30, bei welchem eine Fluidschließkraft auf eine rückwärtige Oberfläche (220) des zweiten Dichtungsringes (14) ausgeübt wird, um auf einen Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) zu wirken, die den zweiten Abschnitt (20b) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) überlappt.
Verfahren nach Anspruch 32, bei welchem weiter eine der primärhydrostatischen Fluidkraft und die Fluidschließkraft eingestellt werden, um eine Berührung zwischen der ersten und der zweiten Dichtungsstirnringfläche im Betrieb zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 32, bei welchem die hydrostatische Fluidkraft zwischen dem ersten Abschnitt (20a) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) erhöht wird, während die Welle mit geringer Drehzahl umläuft, um eine Trennung wenigstens eines Teils des ersten Abschnitts von wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche zu bewirken.
Mechanische Gleitringdichtung (10) nach Anspruch 1, welche weiter folgende Merkmale aufweist: eine Vielzahl von Nuten (180) ist in der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) vorgesehen, um ein Barrierefluid aufzunehmen, das der ersten und der zweiten Dichtungsstirnringfläche zugeführt wird, wobei das Barrierefluid deutlich von dem Prozessfluid unterschieden ist und die Vielzahl von Nuten zwischen einem äußeren Bereich und einem inneren Bereich der ersten Dichtungsstirnringfläche vorgesehen ist, um zwei konzentrische Dichtungsstirnringflächen (20a, 20b) auf der ersten Dichtungsstirnringfläche zu schaffen, wobei die zweite Dichtungsstirnringfläche so dimensioniert ist, dass sie über den Nuten und über wenigstens einem Teil des inneren Bereiches und über wenigstens einem Teil des äußeren Bereiches liegt, wenn die Dichtung zusammengebaut ist, und eine Umfangsnut (234) ist in der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) ausgebildet, um das Barrierefluid in die Vielzahl von Nuten (180) einzuleiten, die in der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) ausgebildet sind.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 35, welche außerdem mehrere axiale Kanäle (228) aufweist, die innerhalb des zweiten Dichtungsrings (14) angeordnet sind, wobei jeder Kanal sich nach der zweiten Dichtungsstirnringfläche an einem Ende öffnet und mit dem anderen Ende in Strömungsverbindung mit einer Fluidquelle steht.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 36, bei welcher die Umfangsnut (234) und die axialen Kanäle (228) auf wenigstens einen Teil der Nuten (180) ausgerichtet sind, die auf der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) ausgebildet sind, so dass die axialen Kanäle und die Umfangsnut den Nuten ein Fluid liefern.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 35, welche außerdem eine Hülse (100) aufweist, um den ersten Dichtungsring (16) oder den zweiten Dichtungsring (14) auf der drehbaren Welle (12) festzulegen, wobei die Hülse ein Flanschende (20) besitzt und so bemessen ist, dass sie konzentrisch auf der drehbaren Welle (12) zu liegen kommt, wobei Mittel (144) vorgesehen sind, um die Hülse auf der Welle derart festzulegen, dass sich die Hülse mit der Welle dreht.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 38, bei welcher die Mittel zur Festlegung der Hülse (100) an der drehbaren Welle (12) einen Verriegelungsring (144) aufweisen, der konzentrisch um die Hülse herum gelagert ist und mehrere Öffnungen (140) aufweist, um Befestigungsglieder (142) aufzunehmen, die reibungsschlüssig an der drehbaren Welle angreifen, um den Verriegelungsring und die Hülse auf der Welle festzulegen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 35, welche außerdem eine Stopfbuchsenanordnung (30) besitzt, die so bemessen ist, dass sie auf dem Gehäuse (11) um die Welle (12) herum gelagert und an dem ersten Dichtungsring (16) oder dem zweiten Dichtungsring (14) gekuppelt werden kann, um einen der Dichtungsringe am Gehäuse festzulegen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 40, bei welcher die Stopfbuchsenanordnung (30) eine axial innere Stopfbuchsenplatte (34) und eine axial äußere Stopfbuchsenplatte (36) umfasst.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 41, welche außerdem einen elastischen Körper (56) aufweist, der zwischen der inneren Stopfbuchsenplatte (34) und der äußeren Stopfbuchsenplatte (36) angeordnet ist, um dazwischen eine Dichtung zu bilden.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 35, welche weiter die folgenden Merkmale aufweist: eine Stopfbuchsenanordnung (30), die mit dem zweiten Dichtungsring (14) gekuppelt ist, um den Dichtungsring mit dem Gehäuse (11) zu verbinden; eine Hülse (100), um den ersten Dichtungsring (16) auf der drehbaren Welle (12) festzulegen, wobei die Hülse ein Flanschende (20) besitzt und so bemessen ist, dass sie allgemein konzentrisch um die drehbare Welle herum montiert werden kann, und ein Verriegelungsring (144), der die Hülse mit der Welle verbindet, damit sich diese mit der Welle dreht.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 43, welche weiter einen elastischen Körper (226) aufweist, der zwischen dem zweiten Dichtungsring (14) und der Stopfbuchsenanordnung (30) angeordnet ist, um eine Dichtung zwischen dem zweiten Ring und der Stopfbuchsenanordnung herzustellen, und bei welcher eine Kompressionsplatte (300) vorgesehen ist, um axial und radial den elastischen Körper in Berührung mit dem zweiten Dichtungsring und der Stopfbuchsenanordnung vorzuspannen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 44, bei welcher die Kompressionsplatte (300) einen ringförmigen inneren Flanschabschnitt aufweist, um an dem elastischen Körper (226) anzugreifen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 45, bei welcher der Flanschabschnitt eine axial und radial im Winkel verlaufende Oberfläche (311) aufweist, um den elastischen Körper (226) axial und radial in Berührung mit dem zweiten Dichtungsring (14) und der Stopfbuchsenanordnung (30) vorzuspannen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 35, welche weiter eine Fluidleitung (228) aufweist, die durch den zweiten Dichtungsring (14) hindurchgeht und eine Öffnung an der zweiten Dichtungsstirnringfläche aufweist, um mit den Nuten (180) in Verbindung zu gelangen und um das Barrierefluid nach den Nuten zu fördern.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 35 oder 47, bei welcher das Barrierefluid, welches über die Nuten (180) empfangen wird, eine hydrodynamische und hydrostatische Hubkraft zwischen wenigstens einem Teil der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) zu erzeugen, um wenigstens den Teil der ersten Dichtungsstirnringfläche von wenigstens dem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche zu trennen.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 35 oder 48, bei welcher die Druckdifferenz zwischen dem Barrierefluid und dem Prozessfluid eine primäre hydrostatische Fluidkraft zwischen dem äußeren Bereichsabschnitt (20a) der ersten Dichtungsstirnringfläche und wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) erzeugt.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 35 oder 49, welche außerdem ein Druckregelsystem (400) aufweist, um die Trennung der Dichtungsstirnringflächen durch Einstellung des Druckes des Barrierefluid einzustellen, das diesen Dichtungsstirnringflächen zugeführt wird.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 35, welche weiter Mittel (240) aufweist, um ein Schließfluid der hinteren Oberfläche (220) des zweiten Dichtungsringes (14) zuzuführen und um eine Schließkraft auf den zweiten Dichtungsring auszuüben.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 51, bei welcher die Schließkraft auf einen Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) wirkt, der die Nuten (180) überlappt, welche in der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) angeordnet sind.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 52, bei welcher die Schließkraft auf einen Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) wirkt, der den äußeren Bereich (20a) der ersten Dichtungsstirnringfläche überlappt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 35, bei welcher die Nuten (180), die in der ersten Dichtungsstirnringfläche ausgebildet sind, eine hydrodynamische Fluidkraft und eine hydrostatische Fluidkraft zwischen der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) erzeugen, um wenigstens einen Teil der ersten Dichtungsstirnringfläche von wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche abzuheben.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 54, welche außerdem eine Fluidleitung (228) aufweist, die durch den zweiten Dichtungsring geführt ist und eine Öffnung an der zweiten Dichtungsstirnringfläche aufweist, um mit den Nuten (180) in Verbindung zu gelangen und das Barrierefluid nach den Nuten zu überführen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 55, die außerdem eine Stopfbuchsenanordnung (30) aufweist, die mit dem zweiten Dichtungsring (14) gekuppelt ist, um den zweiten Dichtungsring mit dem Gehäuse (11) zu verbinden, wobei die Stopfbuchsenanordnung eine axial innere Stopfbuchsenplatte (34) und eine axial äußere Stopfbuchsenplatte (36) aufweist.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 56, welche außerdem eine zweite Fluidleitung (240) in der äußeren Stopfbuchsenplatte (36) aufweist, um ein Schließfluid nach einer rückwärtigen Oberfläche (220) des zweiten Dichtungsrings (14) zu überführen, wobei die zweite Fluidleitungsöffnung sich der hinteren Oberfläche des zweiten Dichtungsrings an einem Ende annähert und in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle am anderen Ende steht.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 57, bei welcher die zweite Fluidleitung (240) in der äußeren Stopfbuchsenplatte (36) in Verbindung mit der Fluidleitung (228) in dem zweiten Dichtungsring (14) steht, so dass die zweite Fluidleitung das Fluid von der Fluidquelle nach der Fluidleitung überführt.
Verfahren zur Verhinderung einer Berührung zwischen den Dichtungsstirnringflächen (18, 20) einer mechanischen Dichtung (10) während des Betriebes des Verfahrens gemäß Anspruch 30, wobei der Schritt der Erzeugung einer hydrodynamischen Fluidkraft zwischen wenigstens einem Teil des zweiten Abschnitts (20b) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) weiter die folgenden Merkmale aufweist: es wird eine hydrostatische Fluidkraft zwischen wenigstens einem Teil des zweiten Abschnitts (20b) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) erzeugt und außerdem eine hydrostatische Fluidkraft zwischen wenigstens einem Teil des zweiten Abschnitts (20b) der ersten Dichtungsstirnringfläche (20) und wenigstens einem Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche (18) erzeugt, um eine Trennung des wenigstens einen Teils des zweiten Abschnitts von dem wenigstens einen Teil der zweiten Dichtungsstirnringfläche zu bewirken.
Mechanische Gleitringdichtung (10) nach Anspruch 1, welche weiter die folgenden Merkmale aufweist: eine Stopfbuchsenanordnung (30) zur Kupplung der ersten Dichtung mit dem Gehäuse (11), wobei die Stopfbuchsenanordnung eine innere Oberfläche (74, 76) aufweist; ein sekundärer Dichtungsaufbau bewirkt eine Fluidabdichtung zwischen dem zweiten Dichtungsring und der Stopfbuchsenanordnung, wobei der sekundäre Dichtungsaufbau die folgenden Merkmale aufweist: ein Kompressionsglied (300), das eine Frontoberfläche (306) und eine hintere Oberfläche (307) aufweist; eine Feder (270) zwischen der hinteren Oberfläche (307) des Kompressionsgliedes und der inneren Oberfläche (74, 76) der Stopfbuchsenanordnung, um axial das Kompressionsglied (300) vorzuspannen, und ein Dichtungskörper (236) ist zwischen der Frontoberfläche (306) des Kompressionsgliedes und der rückwärtigen Oberfläche (220) des ersten Dichtungsrings (14) vorgesehen; entweder die hintere Oberfläche des ersten Dichtungsringes oder die vordere Oberfläche des Kompressionsgliedes besitzen zwei oder mehrere im Winkel angestellte Oberflächen, und wenigstens zwei der im Winkel angestellten Oberflächen berühren den Dichtungskörper, um eine Dichtungskraft auf den Dichtungskörper auszuüben und eine der wenigstens zwei im Winkel angestellten Oberflächen erstreckt sich allgemein axial und erzeugt eine Axialkraft auf den Dichtungskörper, wobei diese Dichtungskraft den Dichtungskörper in Dichtungseingriff mit dem ersten Dichtungsring (14) und der inneren Oberfläche (71) der Stopfbuchsenanordnung (30) bringt, um einen Fluidleckstrom zwischen dem ersten Dichtungsring und der Stopfbuchsenanordnung zu verhindern.
Mechanische Gleitringdichtung nach Anspruch 60, bei welcher die Frontoberfläche (306) des Kompressionsgliedes (300) eine erste Oberfläche (314) und eine zweite Oberfläche (312) aufweist und die erste Oberfläche in einem Winkel gegenüber der zweiten Oberfläche angestellt ist.
Mechanische Gleitringdichtung nach Anspruch 61, bei welcher der Winkel zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche ein stumpfer Winkel ist.
Mechanische Gleitringdichtung nach Anspruch 62, bei welcher die erste Oberfläche (314) sich radial erstreckt und eine allgemein in Achsrichtung verlaufende Kraft auf den Dichtungskörper (236) ausübt.
Mechanische Gleitringdichtung nach Anspruch 63, bei welcher die zweite Oberfläche (312) eine radial gerichtete und eine axial gerichtete Kraft auf den Dichtungskörper (236) ausübt.
Mechanische Gleitringdichtung nach Anspruch 61, bei welcher die Radialkraft, die auf den Dichtungskörper (236) ausgeübt wird, minimiert wird und der Dichtungskörper (236) in Dichtungsberührung mit der inneren Oberfläche (76) der Stopfbuchsenanordnung (30) durch Wahl des Winkels, der die ersten und zweiten Oberflächen definiert, gehalten wird.
Mechanische Gleitringdichtung nach Anspruch 61, bei welcher die rückwärtige Oberfläche des ersten Dichtungsrings und die Frontoberfläche des Kompressionsgliedes eine Kammer (91) zur Aufnahme des Dichtungskörpers bilden, wobei die Kammer so bemessen ist, dass eine thermische Expansion des Dichtungskörpers in Radialrichtung während des Betriebs der Dichtung möglich ist.
Mechanische Gleitringdichtung nach Anspruch 61, bei welcher die im Winkel angestellten Oberflächen so orientiert sind, dass sie zusammen mit dem Dichtungskörper eine im Wesentlichen konstante radial nach innen gerichtete Kraft auf den Dichtungskörper (236) unabhängig von der anderen Struktur ausüben.