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Hintergrund
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Andere
allgemeine und spezielle Ziele der Erfindung ergeben sich von selbst
und aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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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.
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1 ist eine Teilquerschnittsansicht
einer berührungslosen
mechanischen Gleitringdichtung, gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist eine auseinandergezogene
Ansicht der Dichtungsbauteile der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung
nach 1, nach den Lehren
der vorliegenden Erfindung, im nicht zusammengebauten Zustand;
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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;
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4 ist eine perspektivische
Ansicht der inneren Stopfbuchsenplatte der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung
nach 1, gemäß den Lehren
der vorliegende Erfindung;
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5 ist eine perspektivische
Ansicht der äußeren Stopfbuchsenplatte
der berührungslosen mechanischen
Gleitringdichtung gemäß 1, entsprechend den Lehren
der vorliegende Erfindung;
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5A ist eine Schnittansicht
der äußeren Stopfbuchsenplatte
gemäß 5, nach den Lehren der vorliegende
Erfindung;
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5B ist eine Teilschnittansicht
der äußeren Stopfbuchsenplatte
gemäß 5, wobei der stationäre Dichtungsring
und die Kompressionsplatte abgedichtet im äußeren Stopfbuchsenaufbau dargestellt
sind;
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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;
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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;
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7 ist eine perspektivische
Ansicht des rotierenden Dichtungsrings der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung
nach 1, gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung;
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7A ist eine Seitenschnittansicht
des rotierenden Dichtungsrings gemäß 7;
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8 ist eine perspektivische
Ansicht des stationären
Dichtungsrings der berührungslosen
mechanischen Gleitringdichtung gemäß 1, nach den Lehren der vorliegenden Erfindung;
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8A ist eine Schnittansicht
des stationären
Dichtungsrings gemäß 8;
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9 ist eine perspektivische
geschnittene Darstellung des stationären Dichtungsrings gemäß 8, nach den Lehren der vorliegenden
Erfindung;
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10 ist eine perspektivische
Ansicht der Kompressionsplatte der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung
nach 1, gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung;
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10A ist eine Seitenansicht
der Kompressionsplatte nach 10;
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11 ist eine perspektivische
Ansicht des Verriegelungsringes der berührungslosen mechanischen Gleitringdichtung
nach 1, gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung;
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12 ist eine Teilschnittansicht
der berührungslosen
mechanischen Gleitringdichtung nach 1,
gemäß der Erfindung,
mit einem innerhalb der Stopfbuchse angeordneten Druckrückführungssystem;
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13 ist eine Teilschnittansicht
der berührungslosen
mechanischen Gleitringdichtung nach 12,
bei der ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
des Druckrückführungssystems
benutzt ist;
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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
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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.
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Beschreibung
der dargestellten Ausführungsbeispiele
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß 1 kommunizieren die Nuten 180 mit
der Dichtungsfläche 18 des
stationären
Dichtungsrings 14. Es wird ein Sperrfluid unter einem bestimmten
geregelten Druck Pb, der allgemein größer ist
als der Prozessdruck Pp und der Umgebungsdruck Pa, 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.
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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 Pb und dem
Prozessfluiddruck Pp 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.
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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
Pb und dem Umgebungsfluiddruck Pa 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.
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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 Pb über den Prozessfluiddruck Pp, 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 Pp 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 Pb 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Fb auf den stationären Dichtungsring aus. Die
Fluidschließkraft
Fb wirkt in Kombination mit der Schließkraft Fs der mechanischen Federn und einer Prozessfluidkraft
Fp, weil der Prozessfluiddruck auf die.
erste ringförmige
Verbindungswand 210 des stationären Dichtungsrings 14 wirkt,
um eine Gesamtschließkraft
Fc zu erzeugen, um die Dichtungsfläche 18 nach
den Dichtflächen 20a und 20b in
Dichtungsbeziehung vorzuspannen. Vorzugsweise gleicht die Summe
von Fluidschließkraft
Fb, von mechanischer Federschließkraft Fs und von Prozessfluidkraft Fp 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.
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Die
Größe der Fluidschließkraft Fb kann durch Einstellung des Druckes des
Schließfluid
innerhalb der Schließfluidkammer 280 eingestellt
oder geregelt werden. Die Möglichkeit
der Einstellung der Schließkraft
Fb, die auf den rotierende Dichtungsring wirkt,
ergibt erhebliche Vorteile. Beispielsweise kann die Größe der Schließkraft Fb 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.
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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.
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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.
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Gemäß 14A und 14B umfasst die Gesamtöffnungskraft
F0, die der Schließkraft Fc 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 Pb und dem Prozessfluiddruck
Pp 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 Pb 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 Pp. 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.
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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 Pb und dem
Umgebungsfluiddruck Pa 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.
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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
Fc ausgeglichen wird. Die Schließkraft Fc umfasst die Prozessfluidkraft Fp, die auf die erste Verbindungswand 210 des
stationären
Dichtungsrings 14 einwirkt, und außerdem die Sperrfluidschließkraft Fb, die auf die hintere Oberfläche 220 und
die zweite Verbindungswand 222 des stationären Dichtungsrings 14 einwirkt;
und schließlich
die mechanische Federschließkraft
Fs, die auf die zweite Verbindungswand 222 des stationären Dichtungsrings 14 einwirkt.
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Im
Betrieb wird die Öffnungskraft
F0 durch die Schließkraft Fc ausgeglichen,
um den Spalt in einer vorbestimmten Normbreite ho aufrechtzuerhalten. Die
Größe der Hubkraft
F2 auf die zweite Dichtungsfläche 20b bei
einer Spaltbreite der bevorzugten Dicke ho 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 < ho) 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 ho 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 ho wieder
erreicht ist.
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Wenn
eine Änderung
der Betriebsbedingungen dazu führt,
dass die Breite des Spaltes h über den
vorbestimmten Wert ho ansteigt (h > ho),
dann erfolgt eine Kompensation durch die erfindungsgemäße Ausgleichsanordnung
der Dichtung 10 und es wird der Spalt auf den bevorzugten
Wert ho 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 ho wieder
erreicht ist.
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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.
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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 Pb und dem Prozessfluiddruck
Pc. 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 Pb1 auf
Pb2 führt zu
einem entsprechenden Ansteigen der Schließkraft Fc längs jener
Abschnitte des stationären
Dichtungsrings, die dem Schließfluid
ausgesetzt sind, was mit E bezeichnet ist. Der Schließkraftteil
Fp 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.
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Die
Erhöhung
des Sperrfluiddruckes von Pb1 auf Pb2 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 Pb1 entsprechen und durch
Kraftlinien F12 und F22 die
dem erhöhten Sperrfluiddruck
Pb2 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 Fb1 auf Fb2.
Jedoch wird das Ansteigen der Öffnungskraft von
F11 nach F12 nicht
durch ein entsprechendes Ansteigen in der Schließkraft von Fp 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.
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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 Pb und
dem Umgebungsdruck Pa erzeugt. Der hydrostatischen Öffnungskraft
F0 wirkt die Schließkraft Fc entgegen,
die zusammensgesetzt ist, aus einer Prozessfluidkraftkomponente
Fp und einer Federkraftkomponente Fs. 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachdem
vorstehend die Erfindung ausführlich
erläutert
wurde, soll in den folgenden Ansprüchen angegeben werden, was
als neu für
die Erfindung beansprucht wird.