DE69921522T2

DE69921522T2 - Gasgeschmierte langsamlaufende Gleitringdichtung

Info

Publication number: DE69921522T2
Application number: DE69921522T
Authority: DE
Inventors: Glenn G. Vernon Hills Pecht; John P. Genoa City Czubek; Ralph P. Gurnee Gabriel; Anca Skokie Vasilache; Robert Peter Lombard Rieger; James R. Gurnee Wasser
Original assignee: John Crane Inc
Current assignee: John Crane Inc
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2019-01-30
Also published as: US6142478A; EP0935086A2; EP0935086B1; DE69921522D1; CA2259027C; CA2259027A1; EP0935086A3

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen berührungsfreie Gleitringdichtungen und genauer Dichtungen für Anwendungen, bei denen die Wellendrehgeschwindigkeiten langsam sind, wie bei Mischern, Rührapparaten und Reaktoren und bestimmten langsam laufenden Sonderpumpen.
Gleitringdichtungen der berührungsfreien Art sind Hightech-Produkte geworden, die in einer Vielfalt von Industrien verwendbar sind. Diese Dichtungstypen werden mit großer Sorgfalt und Aufmerksamkeit in Bezug auf die Materialien, Formen, Maße und Toleranzen der Bauteile ausgeführt. Diese Aufmerksamkeit für Details der Ausführung ist notwendig, um eine große Anzahl von Parametern und charakteristischen Eigenschaften zu berücksichtigen, von denen jeder bzw. jede die Wirksamkeit oder die Funktion dieser Dichtungen beeinflußt.
Kleinste Änderungen oder Abwandlungen von irgendeinem der ungefähr 100 physikalischen Merkmale der Dichtung, ihrer Komponenten oder ihrer Dichtungsumgebung können, und werden in den meisten Fällen, zu einer Änderung der charakteristischen Eigenschaften einer Dichtung, wie Dichtungsvermögen, Abnutzung, Ausdauer und/oder Dichtungsunversehrtheit führen. In den meisten Fällen ist es wünschenswert, daß Dichtungen dieses Typs ohne Wartung und Probleme über sehr lange Zeiträume, vorzugsweise in der Größenordnung von Jahren, funktionieren. Ein Versagen solcher Dichtungen führt oft zu einer Werksstörung oder gar Werksschließung. Die Dichtungen werden in Maschinenanlagen verwendet, die nicht lange abgeschaltet werden können, ohne den Betrieb und den Wirkungsgrad, zum Beispiel von einem großen Mischer, der in einer Verfahrensanlage verwendet wird, ernstlich zu beeinträchtigen.
Dichtungen dieses Typs können in Einzel-, Zweifach-, oder Doppeldichtungsanordnungen verwendet werden. Die Zweifach- oder Doppelanordnungen der beiden Dichtungen sind normalerweise axial entlang einer durch eine Öffnung in einem Gehäuse gehenden Welle beabstandet. Zweifach-Dichtungen enthalten ein Sperrfluid in der Zwischenkammer, die von dem Gehäuse und den beiden Dichtungen begrenzt wird, wobei das Pufferfluid neutral ist gegenüber der Umgebung, dem abzudichtenden Produkt und den Materialien, aus denen die Dichtungselemente sind.
Eine Anordnung von Doppeldichtungen ist in dem ebenfalls uns gehörenden US-Patent Nr. 5 375 853 beschrieben, das hier durch Verweis inkorporiert ist. Das US-Patent Nr. 5 375 853 zeigt und beschreibt eine berührungsfreie Doppeldichtungsanordnung, die ein relativ inertes Gas wie Stickstoff als Pufferfluid hat. Das Puffergas steht unter einem hohen Druck, der über dem Druck der abgedichteten Flüssigkeit in dem Gehäuse ist.
Für spezielle Anwendungen, wie in Mischern, treten harte oder extreme Bedingungen auf; zum Beispiel kann das dicht eingeschlossene Fluid eine hohe Viskosität haben. In einem Mischer mit einer sehr langen Welle ist die Unrundheit der Welle gewöhnlich viel größer als bei einer Anwendung, bei der die Welle in Lagern gehalten und von kürzerer Länge ist. Für Dichtungen, die in Mischern dieses Typs verwendet werden, muß die extreme Wellenunrundheit berücksichtigt werden, denn sonst verliert die Dichtung ihre Wirkung und eventuell ihre Unversehrtheit nach einer kurzen Verwendungszeit.
Es wurde festgestellt, daß Dichtungen des im US-Patent Nr. 5 375 853 beschriebenen und gezeigten Typs in den meisten Anwendungen gut funktionieren. Da aber die gemäß jenem Patent hergestellten Dichtungsanordnungen für eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit und vorbestimmte Druckbedingungen entwickelt wurden, treten in dem Fall, daß die Wellendrehgeschwindigkeit unter eine gegenwärtig vorbestimmte Grenze von ungefähr 400 Fuß/Minute abgesenkt wird, Beschränkungen auf.
Eine weitere Forderung besteht darin, daß jede Dichtung ein Abhebvermögen haben muß, was problematisch werden kann, wenn sich die Welle mit geringen Drehgeschwindigkeiten dreht. In normalen Anwendungen ist eine gasgeschmierte Dichtung auf einer Welle montiert, die sich weit über 1200 U/min dreht. Bei solchen Geschwindigkeiten funktioniert die Pumpwirkung von herkömmlichen Spiralnuten gut, um ein Abheben zwischen den Dichtungsflächen während des Normalbetriebs zu bewirken, und die Dichtung funktioniert, um Leckströme wirksam zu begrenzen.
Maßnahmen müssen in der Dichtungsflächengeometrie und der Spiralnutgeometrie für Anwendungen getroffen werden, bei denen die Welle mit geringen Drehgeschwindigkeiten in Betrieb ist. Das gegenseitige Abheben der Dichtungsflächen findet vorzugsweise in der Anfangsphase der Wellendrehung statt. Eine Dichtung, die ein verringertes Abhebvermögen oder ein Abheben hat, das auftritt lange nachdem die Welle damit begonnen hat, sich mit einer Minimalgeschwindigkeit zu drehen, führt manchmal zu einem Dichtungsflächenkontakt unter Betriebsbedingungen. Der Zeitabschnitt während des Herunterfahrens oder Anfahrens der Vorrichtung, bei der die Dichtung verwendet wird, ist besonders dafür anfällig, Bedingungen aufzuweisen, in denen sich die Dichtungsflächen berühren. Ein solcher Flächenkontakt ist unerwünscht, weil er zu übermäßiger Abnutzung und zu Unwirksamkeit der Dichtung bald nach einer kurzen Normalbetriebsdauer führt.
Was somit notwendig ist, ist eine Dichtung, die ein Dichtungsabhebvermögen bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten bereitstellen und Wellenunrundheiten, die größer als normal sind, berücksichtigen kann, um die Verwendung der Dichtung in sehr vielen, bis jetzt schwierigen Anwendungen, wie in Mischern, Rührapparaten und Reaktoren, zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß ist eine Spalt-Gleitringdichtung des in der US-A-4290611 geoffenbarten Typs, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 der vorliegenden Anmeldung definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten der Dichtfläche des axial beweglichen Ringes an einem in Umfangsrichtung verlaufenden Endsegment enden, um den kreisringförmigen Nutenbereich für eine Dichtfläche zu bilden, wobei das Endsegment der Nut ferner das Dammbreitenverhältnis gemäß den folgenden Gleichungen bildet:
wobei rOD der Radius von der Mittellinie zu der Außendurchmesser-Umfangskante (81, 94, 134, 134', rOD) der Dichtfläche ist,
rID der Radius von der Mittellinie zu der Innendurchmesser-Umfangskante (rID) der Dichtfläche ist,
rg der Radius von der Mittellinie zu dem in Umfangsrichtung verlaufenden Endsegment der Dichtungsringnuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146) ist; und
wobei das Dammbreitenverhältnis im Bereich zwischen 0,2 und ungefähr 0,5 ist.
Die 1A und 1B sind jeweils schematische Darstellungen einer herkömmlichen, berührungsfreien Dichtung, die eine mit der Welle konzentrische Dichtungs schnittstelle und das sich ergebende gleiche Lastdruckprofil hat;
2A und 2B sind schematische Zeichnungen einer herkömmlichen berührungsfreien Dichtung, die eine große Unrundheit erfährt, wobei die Dichtungsschnittstelle nicht konzentrisch mit der Welle und das sich ergebende Lastdruckprofil ungleich ist;
3 zeigt die Stirnfläche eines herkömmlichen, berührungsfreien Gegenringes, wobei die Dichtungsschnittfläche andeutungsweise gezeigt ist;
4A und 4B sind schematische Zeichnungen einer gemäß der Erfindung hergestellten Dichtung, wobei sie die Berücksichtigung einer großen Unrundheit bzw. das sich ergebende gleiche Lastdruckprofil zeigen;
4C zeigt in einem gebrochenen Abschnitt ein herkömmliches Spiralnutenmuster und in gestrichelten Linien mögliche Abwandlungen davon;
5 bis 7 zeigen ein erfindungsgemäßes Dichtungsflächenmuster für einen primären Ring gemäß der Erfindung;
8 zeigt noch eine andere Ausführungsform eines Dichtungsflächenmusters für einen primären Ring gemäß der Erfindung;
9 und 10 sind Querschnittsansichten, die ungefähr entlang der Querschnittslinie IX, X-IX, X der 8 gelegt sind, wobei jede eine separate Ausführungsform eines Nutmusterprofiles gemäß der Erfindung zeigt;
11 zeigt noch eine andere Ausführungsform eines Dichtungsflächenmusters für einen primären Ring gemäß der Erfindung;
12 ist eine Querschnittsansicht, die ungefähr entlang einer Linie XII-XII von 11 gelegt ist, wobei das Nutmusterprofil gezeigt ist;
13 zeigt im Querschnitt eine Zweifach-Dichtungsanordnung, die gemäß der Erfindung hergestellte Dichtungen verwendet; und
14 zeigt im Detail eine der Dichtungen gemäß der Erfindung, wie sie in 13 gezeigt sind, wobei die relevanten Radien, aus denen die erfindungsgemäßen Dichtungsparameter entwickelt wurden, gezeigt sind.
Herkömmliche gasgeschmierte Dichtungen zum Abdichten gegen Leckagen entlang einer sich drehenden Welle, die sich durch ein Gehäuse erstreckt, wurden in vielfältigen Anwendungen verwendet. Beispielsweise offenbaren die ebenfalls auf uns übertragenen US-Patente Nr. 4 212 475 und 5 217 233 gasgeschmierte Gleitringdichtungen zum Abdichten von Gas mit hohen Drücken bzw. extrem hohen Drücken. Diese Dichtungen werden normalerweise in Kompressoren und ähnlichen Gerätschaften verwendet, die alle hohe Wellendrehgeschwindigkeiten und eine sehr geringe Unrundheit haben. Zusätzlich können Wellenlager neben den Dichtungen angeordnet sein, um die Unrundheit zu verringern und eine wirkliche Drehung der Wellenanordnung um ihre Mittellinie beizubehalten. Das Abheben der Dichtungsflächen zu Beginn der Wellendrehung tritt bald auf, weil genügend Druckgas zwischen die Dichtungsflächen von den Pumpnuten einer der Dichtungsringflächen gepumpt wird. Eine kluge Auswahl der anderen Dichtungsparameter führt zu einem fortwährenden starken Pumpen des Gases in den Dichtungsspalt, um eine hohe Gasfilmsteifigkeit und einen stabilen Dichtspalt zu schaffen.
Für niedrige Drehgeschwindigkeiten ist es notwendig, die geringere Menge an Schmiergas zu berücksichtigen, das in den Spalt gepumpt wird, um ein Abheben zu erzielen. Das Aufrechterhalten eines ausreichenden Druckes des Schmiergases in dem Dichtungsspalt ist eine Notwendigkeit. Darüber hinaus muß ein stabiler Dichtungsspalt beibehalten werden, und das Taumeln der einen Dichtungsfläche relativ zu der anderen muß während der Wellendrehung minimiert werden. Für langsamere Geschwindigkeiten und/oder bei Gerätschaften, die ein größeres Maß an Unrundheit haben, ist das viel häufigere Auftreten von einem großen Lastungleichgewicht wahrscheinlich, was zu einer Dichtungsflächenberührung führt und schließlich in einem Versagen der Dichtung resultiert. Demzufolge ist es bei Dichtungen, die in Anwendungen mit langsamen Wellengeschwindigkeiten verwendet werden, bei denen ein berührungsfreier Betrieb erwünscht ist, erforderlich, eine ausreichende Menge Gas in den Dichtungsspalt zu pumpen, um die Gasfilmsteifigkeit und die Dichtungsspalttrennung aufrechtzuerhalten, während gleichzeitig die Leckage durch den Dichtungsspalt auf einem Minimum gehalten wird. Darüber hinaus muß die konstruktive Ausbildung einer Dichtung für Anwendungen mit langsamer Drehgeschwindigkeit, wie bei Mischern, Rührapparaten oder Reaktoren ein erwartungsgemäß großes Maß an Unrundheit berücksichtigen.
Spiralförmige Nuten auf der Dichtungsfläche des Dichtungsringes, der mit der Welle verbunden ist, können eine Instabilität des Dichtungsspaltes aufgrund der ungleichen Ausgleichseigenschaften erzeugen und tun dies auch oft. Beispielsweise enthält eine standardmäßige Gleitringdichtung, wie sie zum Beispiel in dem vorgenannten US-Patent Nr. 4 212 475 dargestellt und beschrieben ist, einen Dichtungsring, der spiralförmige Nuten hat, die auf dem Gegenring angeordnet sind. Ein Dichtunggleichgewicht ergibt sich aus der vorbestimmten Anordnung der Sekundärdichtung auf der hinteren Fläche des axial beweglichen primären Ringes mit Bezug auf die Fluiddrücke, die auf die vorbestimmten Bereiche der hinteren Fläche des primären Ringes wirken. Durch eine kluge Auswahl des Dichtungsdurchmessers oder der Durchmesser der Sekundärdichtung können die auf den primären Ring wirkenden Schließkräfte und die Öffnungskraft der Gasdrücke, die durch die Pumpwirkung der Spiralnuten erzeugt werden, ins Gleichgewicht gebracht werden.
Gerätschaften, die eine übermäßige Wellenunrundheit haben, können auch einen Anlaß für unerwünschte Dichtungsschwierigkeiten geben. In den schematischen Diagrammen, die in den 1A, 1B, 2A und 2B dargestellt sind, sind eine herkömmliche Dichtungskonfiguration und die sich ergebenden Druckprofile gezeigt. Die 1A und 1B zeigen den Fall einer wirklich fluchtenden Ausrichtung der Dichtungsringe zu der Wellenmittellinie CL für eine Konfiguration, bei der die Dichtungsringflächen im Wesentlichen konzentrisch sind. Die 2A und 2B zeigen den Fall einer schrägen Ausrichtung von einem Ring relativ zu der Wellenmittellinie und dem anderen Ring, wodurch sich ein hohes Maß an Wellenunrundheit ergibt, wie durch den Pfeil 23 angezeigt ist.
Das in 1A gezeigte schematische Diagramm der Dichtung 10 weist zwei Ringe auf, von denen einer an einer Welle 12 befestigt ist, die sich relativ zu dem anderen Ring dreht. Der andere Ring ist an einem Vorrichtungsgehäuse (nicht gezeigt) über ein Rückhaltemittel (nicht gezeigt) befestigt. In vieler lei Hinsicht enthält die herkömmliche Dichtung 10 eine Anordnung, die ähnlich derjenigen ist, die in dem oben genannten US-Patent Nr. 4 212 475 dargestellt und beschrieben ist, dessen Beschreibung hier durch Verweis inkorporiert ist. Die Welle 12 erstreckt sich normalerweise durch eine Bohrung in dem Gehäuse (nicht gezeigt), und die Dichtung 10 schafft eine Abdichtung zum Verhindern einer Leckage von Fluids durch die Bohrung entlang der Welle 12.
Der Drehdichtungsring 14 ist an der Welle 12 befestigt und dagegen abgedichtet, um sich mit der Welle 12 zu drehen. Eine Sekundärdichtung (nicht gezeigt) ist in den meisten Fällen ausreichend, um jeden beliebigen Leckagepfad abzudichten, der zwischen dem Ring 14 und der Welle 12 auftreten kann. Wie in den 1A und 2A gezeigt, hat die herkömmliche Dichtung einen Drehdichtungsring 14, der eine Dichtungsfläche 16 enthält, die herkömmliche Spiralnuten 18 hat, wie in den 1A, 1B andeutungsweise gezeigt ist.
Der andere Ring 20, der als primärer Ring 20 bezeichnet wird, ist relativ zu dem Gehäuse (nicht gezeigt) normalerweise stationär und axial beweglich dazu. Der primäre Ring 20 enthält eine Dichtungsfläche 22 in entgegengesetzter Paarungsbeziehung zu der Dichtfläche 16 des sich drehenden Gegenringes 14. Ein Teil der Dichtungsfläche 22 des primären Ringes 20 überlappt einen Teil der Dichtungsfläche 16 des Gegenringes 14; um eine Dichtungsschnittstelle oder ein Dichtungsschnittstellengebiet zu begrenzen. In Zeiten, in denen Dichtungsringkonzentrizität vorliegt, hat das Dichtungsschnittstellengebiet die Form eines gleichmäßigen kreisringförmigen Ringes, der glatte Kreise sowohl für den Innen- als auch für den Außendurchmesser hat, um zu einem stabilen Spalt und einer gleichmäßigen Gasdruckbelastung in dem Dichtungsspalt zu führen.
Die Dichtungsschnittstelle überlappt teilweise einen Teil der Gegendichtungsfläche 16, der die Nuten 18 enthält, und überlappt teilweise einen Bereich ohne Nuten, der auch als Damm 19 bezeichnet wird. In der schematischen Wiedergabe der Dichtung in den 1A, 2A ist der Damm 19 auf dem Innendurchmesser des Schnittstellengebietes angeordnet. Es ist jedoch in der Dichtungstechnik allgemein bekannt, daß der Damm angrenzend an den Außendurchmesser angeordnet sein kann und die Nuten angrenzend an den Innendurchmesser angeordnet sein können, ohne die Wirksamkeit der Dichtung zu verringern; zum Beispiel siehe das an uns übertragene US-Patent Nr. 5 529 315. Es ist auch bekannt, daß der primäre Ring so gestaltet sein kann, daß er sich mit der Welle dreht, und der Gegenring stationär sein kann; siehe zum Beispiel das an uns übertragene US-Patent Nr. 5 375 853.
Die Dichtung 10 enthält ferner eine Sekundärdichtung 24, wie zum Beispiel einen O-Ring, wie gezeigt, um den axial beweglichen primären Ring 20 an seinem Innendurchmesser gegen das Gehäuse (nicht gezeigt) auf einer Rückhalteanordnung (nicht gezeigt) abzudichten. Eine Vorspanneinrichtung 26, wie zum Beispiel eine Vielzahl von in gleichen Abständen angeordneten Federn, spannen den primären Ring 20 axial vor, und wobei die Vorspannkraft dazu neigt, die Dichtungsflächen 16, 22 in eine entgegengesetzte Dichtungspaarungsbeziehung zu bringen. Vorzugsweise werden der primäre Ring 20, der Sekundärring 24 und die Federn 26 zusammengebaut und in einem Halter (nicht gezeigt in den 1 bis 5) angeordnet. Eine detaillierte Beschreibung der Halteranordnung (nicht gezeigt) und deren Beziehung und Funktionsweise zu dem primären Ring 20, ist in dem oben genannten US-Patent Nr. 4 212 475 oder in dem auch auf uns übertragenen US-Patent Nr. 4 768 790 enthalten.
Einige Dichtungsanwendungen erfahren ein großes Maß an Wellenunrundheit. Industriemischer, zum Beispiel, haben lange Wellen, die eine Länge von mehr als 30 Fuß haben können. Bei großen Vertikalmischern ist die Mischerwelle vertikal angeordnet und sie erstreckt sich durch eine Bohrung an dem oberen Ende des Mischers. Ein PS-starker Motor geringer Geschwindigkeit ist an der Welle befestigt. Die Welle erfährt ein großes Maß an radialer Abweichung an dem Mischerende, die zu einem viel kleineren Ausmaß auf das Ende neben der Dichtung und dem Motor übertragen wird. Die Montage der Dichtungsringe an dem Gehäuse und um die Welle herum ist auch nicht immer genau. Die Lager, auf denen die Welle angeordnet ist, haben eine Achse, die zwangsläufig in die Drehachse der Welle übergeht. Die Mischergehäuse sind aber nicht immer unter Einhaltung exakter Toleranzen hergestellt. Jede Abweichung in den Abmessungen des Mischergehäuses oder der Befestigungseinrichtung, wie z. B. eines Halters, kann sich in einer exzentrischen Anordnung des Gegenringes ausdrücken. Die Gegenringanordnung, wenn er exzentrisch angeordnet ist, kann eine fehlende Konzentrizität zwischen den beiden Dichtungsringflächen hervorrufen, was zu einer fehlenden Überlappung des Nutenbereichs und der Schnittstelle führt.
Sowohl die Erscheinung der Wellenunrundheit als auch eine nicht-konzentrische Dichtungsflächenanordnung führt dazu, daß die Dichtungsfläche der einen Dichtung eine exzentrische Lage relativ zu der anderen hat. Beide Bedingungen können zu einer Schieflage der Dichtungsflächen relativ zueinander wegen des Unterschieds in dem Fluiddruck führen, der von den Nuten erzeugt wird, die mehr Gas in der einen winkeligen Stellung einer Dichtungsschnittfläche als in einer anderen pumpen. Eine übermäßige Leckage wird durch die größere Spaltöffnung bei einem winkeligen Dichtungsflächenteil relativ zu dem anderen hervorgerufen.
Obwohl beide Erscheinungen einer Dichtungsflächenexzentrizität bewirken, daß die Dichtungsflächen ihre parallele Orientierung relativ zueinander verlieren, sind die sich ergebenden Auswirkungen unterschiedlich. Der Unterschied zwischen den beiden Erscheinungen besteht darin, daß im Fall des schiefen Gegenringes bei nicht-konzentrischen Dichtungsringen die Winkelstellung des Dichtungsflächenkantenabschnittes, der der Umfangskante der anderen Fläche am Nächsten ist, ihre Winkelstellung relativ zu dem Gehäuse beibehält. Die schiefe Winkel stellung ändert sich im Falle einer Dichtungsunrundheit, indem sie sich um die Dichtungsschnittstelle synchron mit der Wellendrehung dreht.
Eine Lösung, auf die normalerweise zurückgegriffen wird, ist die Stabilisierung der Welle während der Drehung. Die Welle kann durch ein Wellenlager an dem vertikalen Ende zusätzlich gehalten werden, aber das Lager muß außerhalb der Dichtung angeordnet werden. Die Anordnung eines Lagers innerhalb des Mischers an dem Mischende der Welle wird nicht bevorzugt, weil das Material in dem Mischer die Lagerfunktion behindern und sie schnell unwirksam machen wird. Lager können aber auch nicht innerhalb des Gehäuses einer vertikalen Welle verwendet werden, weil das Schmiermittel in den Lagern, das gewöhnlich Öl oder Fett ist, ausfließen und in das Produkt, das gerade gemischt wird, eintreten und es dadurch verunreinigen würde. Die Welle erstreckt sich in das Mischergehäuse und kann normalerweise nicht durch Lager innerhalb des Gehäuses abgestützt werden. Obwohl eingeschlossene Lager innerhalb einer Mischkammer verwendet wurden, werden diese nicht wegen der Notwendigkeit, diese Lager einzuschließen und gegen das gemischte Produkt hermetisch abzudichten, bevorzugt. Produkte wie Lebensmittel- oder Arzneimittelmischungen, die frei von Verunreinigungen gehalten werden müssen, können keiner Ölleckage ausgesetzt werden. Somit ist die Anordnung von Wellenlager außerhalb der Mischkammer eine Notwendigkeit, der die vorliegende Erfindung Rechnung tragen kann.
Eine weitere Anwendung von erfindungsgemäß hergestellten Dichtungen ergibt sich bei horizontal angeordneten Mischern, bei denen die Wellen horizontal relativ zu dem Mischergehäuse angeordnet sind. Diese Anwendung stellt eine Herausforderung für die Fähigkeit, eine wirksame Dichtung zu schaffen, dar, weil eine horizontale Welle ferner seitwärts gerichteten Kräften der Schwerkraft ausgesetzt ist, die auf die Welle und auf die Produktmischung wirken, was zu einer weiteren Instabilität und einer exzentrischen Wellendrehung und der daraus folgenden Instabilität des Dichtungsflächenspaltes führt. Erfindungsgemäß hergestellte Dichtungen tragen diesen Instabilitäten sowie der erwartungsgemäß langsamen Wellendrehung Rechnung und schaffen weiterhin eine wirksame Dichtung über lange Perioden ununterbrochener Nutzung.
Es wird nun auf die 2A und 3 Bezug genommen, in denen eine identische Dichtung 10 mit bestimmten relativen Lagerunterschieden in den Dichtungsringen dargestellt ist. Der Hauptunterschied zwischen der Dichtung 10 in 1A gegenüber den 2A und 3 ist die Ausrichtung der Welle 12 und des Gegenringes 14 relativ zu dem primären Ring 20. In Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren kann die radiale Verschiebung am Mischerende verschieden sein. Eine nicht-konzentrische Ausrichtung der Dichtungsringe aufgrund einer Vorrichtungsfehlausrichtung oder anderer Abweichungen in der stationären Dichtringbefestigung kann eine radiale Verschiebung hervorrufen. Eine Wellenunrundheit oder ein Wellentaumeln kann auch eine Verschiebung der sich bewegenden radialen Dichtfläche hervorrufen.
Die potentiell hohe Viskosität des Produktes, das gemischt wird, bewirkt, daß der Mischer sich langsam und mit einer großen radialen Verschiebung am Produktende dreht, was sich als eine geringere radiale Verschiebung an dem Wellenende neben der Dichtung auswirkt. Wie schematisch in 2A gezeigt, kann die radiale Wellenverschiebung groß genug sein, um die Dichtung wegen den Kräften, die sich aus den Druckunterschieden an verschiedenen Abschnitten der Dichtungsfläche 16 ergeben, aus dem Gleichgewicht zu bringen. Das Ausmaß der radialen Verschiebung ist in den 2A und 3 übertrieben dargestellt, um das Prinzip der Erfindung darzustellen, wobei ihr Betrag durch die Bezugslinien 21 dargestellt ist. Die Dichtungsfläche 16 des Dichtungsringes 14 wird radial bezüglich der Dichtungsfläche des primären Ringes verschoben. Die Dichtungsschnittstelle, die einen herkömmlichen Gegenring umfaßt, ist in 3 andeutungsweise durch eine Innendurchmesserlinie 32 und eine Außendurchmesserlinie 34 gezeigt.
Die radiale Verschiebung von einer Dichtungsfläche relativ zu der anderen verändert die Öffnungskräfte, die von den Spiralnuten, die auf unterschiedliche Abschnitte der Dichtungsschnittstelle einwirken, erzeugt werden. Das heißt, daß für einen Winkelabschnitt, in dem die Dichtungsschnittstelle einen größeren Bereich des Nutengebiets abdeckt, der in 3 am oberen Ende der Dichtungsfläche 16 gezeigt ist, mehr Schmiergas in den Dichtungsspalt von den Nuten 18' als von den Nuten 18'' an der entgegengesetzten Winkelseite am unteren Ende der Dichtungsfläche 16 gepumpt wird.
2B zeigt das Ungleichgewicht der Öffnungskräfte, die sich aus der ungleichen Pumpwirkung der Nuten ergeben, was direkt zu einer Instabilität in dem Dichtungsspalt führt. Eine solche Instabilität in dem Dichtungsspalt verursacht ein beinahe sofortiges Kippen der einen Dichtungsfläche 22 relativ zu der anderen 16. Die Drehung der Welle 12 und der Dichtungsflächen relativ zueinander erzeugt eine Instabilität in dem Dichtungsspalt, was bewirken kann, daß die Dichtungsflächen 16, 22 in Kontakt miteinander kommen. Ein Reibkontakt während der Drehung der Welle wird im Allgemeinen als schädlich für eine berührungsfreie Dichtungsanordnung betrachtet, weil ein solcher Kontakt Abnutzung hervorruft und zu einer weiteren Instabilität in der Dichtung aufgrund der durch den Reibungskontakt erzeugten Reibungshitze führt.
Es wird nochmals auf die 1B, 2B und 3 Bezug genommen, in denen die Auswirkungen einer großen Unrundheit oder fehlenden Konzentrizität der Dichtungsflächen graphisch dargestellt sind. 1B zeigt den Gegendichtungsring 14 mit einer Dichtungsfläche 16 und durch Stege 17 (3) voneinander getrennten Spiralnuten 18, die mit einer übertriebenen Tiefe in einer entgegengesetzten Paarungsbeziehung zu der Dichtfläche 22 des primären Ringes 20 in den 1B und 2B gezeigt sind. Die Öffnungskraft, die von der radial einwärts gerichteten Pumpwirkung der Nuten 18 erzeugt wird, ist graphisch durch die Pfeile 40 gezeigt, die sich auf die Dichtungsfläche 22 des primären Ringes erstrecken. Die Länge eines jeden Pfeiles 40 zeigt die Kraft an, die von dem Druck des Gases an dieser radialen Stelle erzeugt wird, wenn es von der Nut 18 gepumpt wird.
Die Größe der von dem Fluidgasfilmdruck erzeugten Kraft ist graphisch durch das Gebiet zwischen der linken Grenze der Druckprofilgrenze 42 und der Dichtungsfläche 22 dargestellt. Für den Fall einer zentrierten Dichtungsflächenkonfiguration, die einen Zustand, der im Wesentlichen ohne Unrundheit ist, darstellt, ist die Größe der erzeugten Kraft, d. h. das Gebiet zwischen der Grenze 42 und der Linie 22 im Wesentlichen identisch um den gesamten Dichtungsschnittstellenbereich herum ohne Rücksicht auf die Winkelrichtung.
Wenn jedoch die Unrundheit oder die fehlende Konzentrizität der Dichtungsflächen übermäßig sind, kommt der primäre Dichtungsring aufgrund eines Unterschiedes in der Kraft aus dem Gleichgewicht, was auf den Unterschied in der Gasmenge, die von den Spiralnuten gepumpt wird, zurückführbar ist. Dieser Unterschied entwickelt sich, wenn eine größere Gasmenge an einem Winkelabschnitt als an einem anderen gepumpt wird.
Bezugnehmend auf 3 ist es offensichtlich, daß, wenn der durch die gestrichelten Linien 32, 34 dargestellte Dichtungsschnittstellenbereich ungleichmäßig in der Flächenanordnung gegenüber der entgegengesetzten Gegenringdichtungsfläche 16 verteilt ist, ein Winkelabschnitt der Dichtungsfläche im Wesentlichen den gesamten Bereich hat, über den sich die Nuten 18' mit der entgegengesetzten Dichtungsfläche zwischen den Linien 32, 34, die andeutungsweise gezeigt sind, überlappen. Dieser Abschnitt ist an dem oberen Ende der Dichtungsfläche 16 gezeigt, wie in 3 dargestellt ist. Umgekehrt hat der untere Abschnitt der Dichtungsfläche 16 Nuten 18'', die kaum von dem Dichtungsschnittstellenbereich zwischen den Linien 32, 34 über lappt sind. Somit kann nur wenig oder kein Gas von den Nuten 18'' in den Dichtungsspalt an dem Abschnitt des Dichtungsschnittstellenbereichs gepumpt werden.
Die geringere Gasmenge, die in den Dichtungsspalt gepumpt wird, ist graphisch in den beiden Darstellungen der in den 2B gezeigten Dichtungsflächengebiete gezeigt. Der obere Abschnitt der Dichtungsschnittstelle von 3 entspricht der oberen Darstellung von 2B. Der größte Teil des Bereichs mit den Nuten 18' überlappt die Gegendichtungsfläche 22 des Gegenringes. Somit werden die Nuten 18 mehr Gas in den Dichtungsspalt an diesem Abschnitt pumpen und den Gasdruck in dem Dichtungsspalt an diesem Abschnitt des Dichtungsspaltes erhöhen, wie durch die Druckprofilgrenze 44 auf der linken Seite der Pfeile 40 gezeigt ist, wobei die Pfeile 40 die Kraft des Gasdruckes in dem Dichtungsspalt darstellen.
Wie es auf dem Gebiet der nicht-berührenden Gleitringdichtungen bekannt ist, besteht die Tendenz, daß die Spiralnuten das Fluid von dem dem Fluid ausgesetzten Durchmesser in Richtung auf den Damm neben dem anderen Durchmesser pumpen. In diesem Fall pumpt die Spiralnut 18 Gas von dem Außendurchmesser nach innen, bis das gepumpte Gas auf den ringförmigen Damm 19 an dem Innendurchmesser der Schnittstelle trifft. Während die Nuten das Gas nach innen pumpen, steigt der Gasdruck an diesem Radius auf ein Maximum, das am Punkt 45 der Grenze 44 angezeigt ist, wegen des "Staus" des Fluids, der sich an dem Damm 19 entwickelt, an. Je weiter sich die Nut 18 der Länge nach in die Schnittstelle erstreckt, desto mehr Gas steht zum Pumpen zur Verfügung und desto höher ist der Gasdruck, der an dieser Winkelstellung der Dichtungsschnittstelle erzeugt werden kann.
Umgekehrt, gestattet die von der Unrundheit der Welle 12 verursachte Exzentrizität der Überlappung an dem entgegengesetzten Winkelende der Dichtungsschnittstelle, das an dem unteren Ende der 3 und an der unteren Hälfte der 2A, 2B dargestellt ist, einem viel kleineren Teil der Nuten 18'' innerhalb des Dichtungsschnittstellenbereichs zu pumpen. Somit ist der Druck, der vor dem Erreichen des Dammes 19 erzeugt wird, viel kleiner, wie durch die Darstellung der Grenze 46 gezeigt ist. Infolgedessen ist der maximale Gasdruck, der an diesem Abschnitt erzeugt wird, wie durch den Punkt 47 gezeigt ist, viel kleiner als derjenige, der am Punkt 45 erzeugt wird. Viel wichtiger ist es jedoch, daß die Kräfte aufgrund der unterschiedlichen Drücke, die in 2B durch die Bereiche zwischen der Dichtungsfläche 22 und der Druckprofilgrenzen 44 bzw. 46 dargestellt sind, erheblich verschieden sind.
Als Folge dieses Druckunterschieds entsteht ein Kraftungleichgewicht und ist die axiale Öffnungskraft, die auf eine Winkelseite der Dichtungsschnittstelle und somit auf die Dichtungsfläche 16 wirkt, kleiner als diejenige, die auf die andere Seite wirkt. Somit sind die Druckkräfte, die den Dichtungsspalt aufrechterhalten, nicht gleichmäßig über die Dichtungsschnittstelle, was zu einer schiefen Ausrichtung der Dichtungsfläche 22 des primären Ringes relativ zu der Dichtungsfläche 16 des Gegenringes führt.
Eine Schieflage der Dichtungsfläche des primären Ringes ist nicht wünschenswert und sollte aus einer Vielfalt von Gründen vermieden werden. Ein ungleichmäßiger Dichtungsspalt wäre auf einer Seite der Dichtungsschnittstelle viel weiter offen, wodurch ein viel größerer Leckagepfad für das Dichtungsfluid geschaffen wird. Ein anderer Grund, aus dem die Parallelität der Dichtungsflächen wünschenswert ist, besteht darin, daß eine schiefe Dichtungsfläche 22 des primären Ringes zwangsläufig viel näher an die gegenüberliegende Fläche 16 des Gegenringes an einem Abschnitt kommen würde und an dem winkelmäßig entgegengesetzten Abschnitt weiter weg wäre, was mit der relativen Drehung der Dichtungsringe verbunden ist. Für den Fall der Wellenunrundheit ändert sich die dynamische Orientierung aller Elemente fortlaufend, wodurch die Neigung zu einem Kontakt zwischen den Dichtungsflächen erhöht wird.
Dichtungen, die gemäß der Erfindung hergestellt sind, wie sie schematisch in den 4A und 4B gezeigt sind, tragen einem großen Maß an Wellenunrundheit oder fehlender Konzentrizität der Dichtungsflächen Rechnung, während sie gleichzeitig die Parallelität der Dichtungsflächen aufrechterhalten. Die Größe einer möglichen Wellenunrundheit ist durch die radialen Pfeile 48 dargestellt. Das in den 4A und 4B gezeigte schematische Diagramm stellt eine erfindungsgemäß hergestellte Dichtung 50 dar, die auch eine Welle 12 und einen sich drehenden Gegenring 52 mit einer Dichtungsfläche 54 umfaßt. Die Dichtungsfläche 54 der Dichtung 50 stellt jedoch eine breitere ringförmige Fläche bereit als es normalerweise der Fall bei einer herkömmlichen Dichtung ist, wie unten beschrieben wird.
Der primäre Ring 60 hat einen im Wesentlichen identischen Querschnitt wie der des primären Ringes 20, mit einigen wesentlichen Unterschieden. Die Dichtungsfläche 62 enthält Spiralnuten 64, die sich bei der dargestellten Dichtung von dem Außendurchmesser des primären Ringes nach innen in Richtung auf einen ringförmigen Damm 66 erstrecken, der an dem Innendurchmesser der Dichtungsfläche 62 des primären Ringes angeordnet ist.
Wieder auf 4A Bezug nehmend, wird deutlich, daß der stationäre primäre Ring 60 abgedichtet und an einem Gehäuse (nicht gezeigt), mittels eines Halters (nicht gezeigt) befestigt ist. Die Dichtung zwischen dem Gehäuse (nicht gezeigt) und dem primären Ring 60 wird durch eine sekundäre Dichtungseinrichtung, wie zum Beispiel einem O-Ring 68, bereitgestellt. Die O-Ringe 68 gestatten eine axiale Translationsbewegung des primären Ringes 60 relativ zu dem Gehäuse. Eine Vorspanneinrichtung, wie zum Beispiel mehrere Federn 70, spannen den primären Ring 60 vor, um die Dichtungsflächen 54, 62 in eine Dichtungspaarungsbeziehung ähnlich wie bei standardmäßigen berührungsfreien Gleitringdichtungen zu bringen.
Die in 4A schematisch dargestellte Konfiguration hat eine Orientierung des primären Ringes 60 relativ zu der Welle 12 und der Mittellinie CL, die ein hohes Maß an fehlender Konzentrizität der Dichtungsflächen anzeigt, wie durch die Länge der Bezugslinie 48 gezeigt ist. Der große Außendurchmesser der Gegenringdichtungsfläche 54, die dem ringförmigen Nutenbereich der Dichtungsfläche 52 des primären Ringes gegenüberliegt, wie er durch den Außendurchmesser der Dichtungsfläche des primären Ringes und der Grenzlinie zwischen dem Damm 66 und den am Innendurchmesser liegenden Abschlußkanten der Nuten 64 begrenzt ist, überlappt sich mit dem Dichtungsschnittstellenbereich über eine volle Drehung der Welle und des sich drehenden Ringes. Das heißt, daß solange das größte Maß an Dichtungsunrundheit den Außendurchmesser der Dichtungsfläche 52 des primären Ringes nicht radial nach außen über den Außendurchmesserparameter der Dichtungsfläche 54 des Gegenringes verschiebt. Somit werden die Druckprofile und die axiale Belastung an allen Winkelabschnitten der Dichtungsschnittstelle gleichmäßig um den gesamten Umfang der Dichtungsschnittstelle sein, und wird die Gleichmäßigkeit der Druckflächen, die innerhalb der Dichtungsschnittstelle wirken, beibehalten.
Der gleichmäßige Lastzustand ist graphisch in 4B dargestellt. Ein Gasdruckprofil, das nicht von der Winkellage oder der Flächenkonzentrizität abhängig ist, und auch nicht von der Größe der Wellenunrundheit beeinträchtigt wird, wie zum Beispiel die Druckprofilgrenze 76, wird eher eine gleichmäßige Axiallast erbringen. Die Druckprofilgrenze 76 enthält einen "Spitzen"-Druck am Punkt 77. Demzufolge ist die Spaltöffnungskraft, die auf jeden Abschnitt des primären Ringes 60 wirkt und durch den Bereich zwischen der Druckprofilgrenze 76 und der Dichtungsfläche 54 dargestellt ist, um die gesamte Dichtungsschnittstelle herum identisch und gleichmäßig. Solange wie der auf den gleichen Bereich der hinteren Fläche 78 des primären Ringes 60 wirkende Druck auf einem gleichmäßigen Niveau gehalten wird und die von den Federn 70 erzeugte Vorspannkraft gleichmäßig angeordnet ist, um eine gleichmäßige axiale Vor spannkraft um die gesamte hintere Fläche 78 des primären Ringes herum zu erzeugen, werden die Dichtungsringe eine Kraftkonfiguration haben, die die Parallelität der Dichtungsflächen aufrechterhält. Dieser Zustand hält den Dichtungsspalt auf einem gleichmäßigen Maß, wobei eine ausreichende Fluidsteifigkeit aufrechterhalten wird und dadurch die Neigung besteht, einen Kontakt zwischen den Dichtungsflächen 95, 62 zu vermeiden.
Die in 4B dargestellte Dichtungskonfiguration, bei der sich der Gegenring dreht und der primäre Ring stationär ist, wird gegenüber der Alternative bevorzugt, solange wie die Dichtungsfläche 54 des Gegenringes im Wesentlichen senkrecht zu der Mittellinie CL ist.
Die alternative Konfiguration wird nicht bevorzugt. Ein Spitzeneffekt des primären Ringes tritt in Fällen von Dichtungsflächenexzentrizität oder einer übermäßigen Wellenunrundheit auf, wobei jeder von ihnen die Dichtungsringflächen relativ zu der Dichtungsschnittfläche schrägstellen kann. Eine exakte lotrechte Stellung zwischen der Gegenringfläche relativ zu der Wellenmittellinie ist erforderlich, um diesen Effekt auszuschalten. Eine solche lotrechte Stellung kann nicht ohne Weiteres in einer Dichtungsanwendung sichergestellt werden, die eine große Wellenunrundheit hat, wenn die Dichtungsringfläche stationär relativ zu der sich drehenden welle ist.
Der Effekt resultiert aus der Änderung der axialen Orientierung der Dichtungsfläche des sich drehenden Ringes. Wenn sich der primäre Ring dreht und der Gegenring sogar nur leicht schief gegenüber der lotrechten Stellung in irgendeinem Zeitpunkt ist, wird ein Winkelabschnitt des primären Ringes axial vorwärts relativ zu einem Abschnitt an dem gegenüberliegenden Ende verschoben sein. Wegen der Wellendrehung jedoch ändert sich der axial vorwärts verschobene Winkelabschnitt mit der Drehung der Welle und des primären Ringes. Während sich die Welle dreht, ist die Kraft der Federn möglicherweise nicht ausreichend, um denjenigen Abschnitt, der nicht auf der "Spitze" ist, ununter brochen in eine parallele Lage zu drücken. Somit ergibt sich ein größerer Gesamtdichtungsspalt aus dem größeren Spalt an den Abschnitten, die nicht auf der Spitze sind.
Weitere Faktoren müssen berücksichtigt werden, um eine ausreichende Schmiergassteifigkeit für eine Dichtungsanwendung zu schaffen, die eine sehr langsame Wellendrehung hat. Die Gasmenge, die zwischen zwei Dichtungsflächen gepumpt wird, hängt zu einem großen Teil von der Wellendrehgeschwindigkeit und der Drehgeschwindigkeit des daran befestigten Ringes, der entweder der primäre Ring oder der Gegenring sein kann, ab. Andere Parameter der Dichtungsringe können verändert werden, um die Gasmenge, die zwischen den Dichtungsflächen gepumpt wird, sowohl bei den Anlaufgeschwindigkeiten als auch bei sehr geringen Drehgeschwindigkeiten zu maximieren.
Die erhöhte Fähigkeit, einen Dichtungsspalt bei langsameren Geschwindigkeiten beizubehalten, hängt zu einem gewissen Grad von der Größe des hydrostatischen Auftriebs ab, der von der Dichtungsfläche und insbesondere dem mit Nuten versehenen Bereich der Dichtungsfläche bereitgestellt wird. Das heißt, daß, wenn die relative Drehung der Dichtungsflächen auf eine minimale Drehgeschwindigkeit absinkt, die immer noch das Abheben der Dichtungsflächen bewirken kann, sich notwendigerweise eine größere Abhängigkeit von dem hydrostatischen Auftrieb ergibt, um die Axiallast für das Abheben zu erzeugen. Der hydrostatische Auftrieb wirkt, um eine Last für das Abheben sowohl in statischen Lagen als auch in relativen Drehlagen bereitzustellen. Der hydrostatische Auftrieb wirkt bei berührungsfreien Dichtungen bei Langsambetrieb während des Anlaufens und des Herunterfahrens des Dichtungsvorganges, wenn die Wellendrehung minimal ist. Wenn die Drehgeschwindigkeit sich erhöht, verringert sich die Größe der hydrostatisch bereitgestellten Last gegenüber der hydrodynamischen Last bis zu einem Punkt, bei dem die hydrostatische Last vernachlässigbar gegenüber der hydrodynamischen Last ist.
Für den Betrieb von Dichtungen bei sehr langsamen Geschwindigkeiten, wie sie von der vorliegenden Erfindung erwogen werden, kann die hydrodynamische Last nicht vorherrschend werden, weil die Nuten nur eine begrenzte Menge an Schmierfluid, das gewöhnlich ein Gas ist, zwischen die Dichtungsflächen pumpen können. Für solche langsam laufende Dichtungen muß der hydrostatische Auftrieb maximiert werden. Jedoch ist die Funktion der Nuten, wenigstens etwas hydrodynamischen Auftrieb durch Pumpen von Schmierfluid zwischen die Dichtungsflächen zu erzeugen, selbst während einer langsamen Wellendrehung notwendig.
Aus diesem Grund wurde es als notwendig angesehen, Dichtungsflächennutmuster zu schaffen, die die Größe des Bereichs der dem Druck des Schmierfluids unter hydrostatischen Bedingungen ausgesetzt ist, zu maximieren. Die Größe des Dichtungsflächenbereiches, der ein Nutenbereich ist, hängt von zwei Parametern ab, wie unten beschrieben ist. Diese Parameter sind das Verhältnis zwischen Steg und Nut und das Verhältnis zwischen der radialen "Breite" der Nut und der Dammbreite, das auch als Dammbreitenverhältnis bezeichnet wird. Der Bereich der Dichtungsschnittstelle, der mit Nuten versehen ist, kann durch Verringern des Verhältnisses zwischen Steg und Nut und Erhöhen des Dammbreitenverhältnisses maximiert werden.
Es wird nun auf die 4C Bezug genommen, in der ein Ausschnitt eines herkömmlichen Dichtungsringes 14 und einer Dichtringfläche 19 dargestellt sind, wobei sie Spiralnuten 18 hat, die sich teilweise über die Fläche 19 bis zu einem Endpunkt zwischen dem inneren und äußeren Durchmesser an einem umfänglichen Bogen 15 erstrecken. Die gestrichelten Linien 27 zeigen an, daß der seitliche Versatz von einer der Spiralnutwände das Verhältnis zwischen Steg und Nut von Eins bis ungefähr 3 erhöht. Ebenso erhöht die Verlagerung der umfänglichen Endwand 15 zu einer näher an dem Innendurchmesser liegenden Stelle, wie durch die gestrichelte Linie 15' gezeigt ist, ferner den Bereich, der von der Dichtungsschnittstelle, die mit Nuten versehen ist, bedeckt ist. Eine erhebliche Vergrößerung des mit Nuten versehenen Bereichs, wie dargestellt ist, wird zu einem kleineren Maß den hydrodynamischen Auftrieb, der von den sich drehenden Dichtungsringen erzeugt wird, beeinträchtigen. Die hydrodynamischen Auftriebswirkungen werden jedoch nicht so angesehen, also ob sie eine so große Auswirkung auf den Auftrieb hätten, wie die hydrostatischen Wirkungen, wenn die relative Drehgeschwindigkeit gering ist. Dies bedeutet, daß bei einer geringen Drehgeschwindigkeit mehr Auftrieb von den hydrostatischen Wirkungen abgeleitet wird, die direkt dem mit Nuten versehenen Bereich innerhalb der Dichtungsschnittfläche zuschreibbar sind, als von dem hydrodynamischen Auftrieb. Diese Abhängigkeit des hydrostatischen Auftriebes bei langsamer Drehung ist sogar noch ausgeprägter, wenn der Druckunterschied über die Dichtung hinweg größer ist, da mehr von der Dichtungsschnittstelle einem höheren Druck des abgedichteten Fluids ausgesetzt wird, da das Fluid zwischen die Dichtungsflächen mittels der Nut einsickern wird.
Es ist aus der Darstellung in 4C offensichtlich, daß eine Verringerung des Verhältnisses zwischen Steg und Nut und/oder des Dammbreitenverhältnisses, wie dargestellt, den mit Nuten versehenen Bereich der Dichtungsschnittstelle dramatisch erhöht und somit die hydrostatischen Auftriebswirkungen der Nuten erhöht. Die Fähigkeit, den mit Nuten versehenen Bereich einer Dichtungsringsfläche einzustellen, schafft die Flexibilität, um andere Parameter zu ändern, wie die von den Federn bereitgestellte Federlast, was sonst nicht der Fall wäre. Die hinzugekommene Flexibilität, die Parameter einzustellen, um sie an die Dichtungsbedingungen anzupassen, ist wünschenswert, weil das Abdichten von langsam laufenden Dichtungen bei einer Anzahl von Anwendungen notwendig ist. Jede dieser Anwendungen kann einige Beschränkungen den Dichtungsringparametern auferlegen; jedoch können mit der hinzugekommenen Flexibilität, geeignete Veränderungen zu machen, die Parameter, die nicht durch die Anwendung beschränkt sind, geändert werden, um der Beschränkung von anderen Parametern Rechnung zu tragen. Es folgt eine Anzahl von Ausführungsbeispielen, die auf die verschiedenen Parameter hinweisen, die diese Flexibilität bereitstellen.
Es wird auf 5 Bezug genommen, die ein Nutmuster auf einem primären Ring 80 zeigt, der eine Umfangskante 81 am Außendurchmesser hat. Das Nutmuster des primären Ringes enthält eine Anzahl von Wesenszügen, von denen angenommen wird, daß sie ein ausreichendes und ununterbrochenes Abhebvermögen sogar für sehr langsame Drehgeschwindigkeiten, die bei speziellen Anwendungen, wie bei Mischern verwendet werden, bereitstellen. Langsame Drehgeschwindigkeiten, die nur 10 Fuß pro Minute betragen, sind bei bestimmten Anwendungen möglich. Herkömmliche Dichtungen haben eine minimale Wellengeschwindigkeit von ungefähr 400 Fuß pro Minute, oder es kann kein Abheben auftreten.
Wie oben beschrieben, muß der Dichtungsschnittstellenbereich, der den Damm enthält, die Dichtungsfläche des gegenüberliegenden Gegenringes, der durch gestrichelte Linien 82, 84 in 5 gezeigt ist, vollständig überlappen. Die Dichtungsschnittstelle ist bei einem übertriebenen Maß an Wellenunrundheit gezeigt, um das Konzept der Überlappung des gesamten primären Dichtungsflächenbereiches leichter darzustellen.
Der primäre Ring enthält eine Dichtungsfläche 86, der eine Vielzahl von Nuten 88 hat. Jeweils zwei benachbarte Nuten 88 sind durch einen Steg 90 voneinander getrennt. Die Nuten 88 und die dazwischenliegenden Stege 90 begrenzen zusammen einen ringförmigen Bereich, der als Nutenbereich 89 bezeichnet wird, der sich radial zwischen der Umfangskante 81 und den Nutenden an Umfangssegmenten 92 erstreckt. Die Nuten 88 enden an diesen Innendurchmessersegmenten 92, die einen Radius r_g ungefähr auf der Hälfte der quer über die Dichtungsfläche 86 haben. Der Radius r_g bildet eine Grenze des Nutenbereichs 89. Die Umfangskante 81 des primären Ringes 80, die einen Radius r_OD hat, bildet die andere Grenze des Nutenbereichs 89. Die Dichtungsfläche 86 wird ferner durch eine Umfangskante 94 am Innendurch messer, die einen Radius r_ID hat, begrenzt, die an dem Innendurchmesser der Dichtungsfläche 86 angeordnet ist.
Ein ringförmiger Bereich ohne Nuten, der als Damm 96 bezeichnet wird, ist zwischen der inneren Umfangskante 94, die einen Radius r_ID hat, und der Nutenabschlußgrenze 92 des Nutenbereichs 89 am Radius r_g angeordnet. Der Damm 96 wirkt als ein radialer Anschlag oder Block für das von den Nuten 88 gepumpte Gas und erzeugt mehrere Druckbereiche 99. Die Druckbereiche 99 stellen die "Spitzen"-Punkte des Druckprofils dar, wie der Punkt 77 der Druckprofillinie 76 (4B).
Der Innendurchmesser der Dichtungsschnittstelle, der durch die gestrichelte Linie 82 angezeigt ist, muß während einer vollständigen Wellendrehung den Nutenbereich 89 und den Dammbereich überlappen und zwischen dem Radius r_OD und r_ID bleiben. Das heißt, daß die Nuten sich nicht in den Raum innerhalb des gegenüberliegenden Dichtungsflächeninnendurchmessers 82 bei der maximal zu erwartenden Unrundheit öffnen sollten.
Für einen wirksamen Betrieb der erfindungsgemäßen Dichtungen ist es wichtig, daß der gesamte Nutenbereich 89 und der Damm 96 innerhalb des Schnittstellenbereichs ist, der durch die gestrichelten Linien 82, 84 dargestellt ist. Die Darstellung der 5 wird als Grenze des Ausmaßes der Unrundheit einer Welle angesehen. Ein großes Maß an Unrundheit würde bewirken, daß Luft durch den Spalt gepumpt und injiziert wird, ohne eine Druckzone zu bilden, wobei dieser Zustand unerwünscht ist, da er zu einem Ungleichgewicht der Dichtung führen würde.
Es wurden Normen für die Dichtungsflächenmusterparameter entwickelt, wenn die Dichtung bei schnelllaufenden Anwendungen verwendet wird; siehe zum Beispiel die vorgenannten US-Patente Nr. 4 212 475 oder 4 768 790. Die Unterschiede zwischen den von den herkömmlichen Dichtungen bekannten Dichtungsflächenmuster und jenen der erfindungsgemäßen Dichtung sind ein viel kleineres Verhältnis zwischen Steg und Nut, und ein stumpferer Ein gangswinkel α der nachlaufenden Nutenwand an der äußeren Umfangskante 81. Zusätzliche Ausführungsbeispiele können alle oder einige der Merkmale dieser Konfiguration benutzen, oder ein Ausführungsbeispiel kann zusätzliche Merkmale oder Kombinationen oder Permutationen von irgendeinen der unten diskutierten Merkmalen haben.
Die Dichtungsfläche 86 zeigt den Gebrauch von zwei Dichtungsparametermerkmalen, die hervorzuheben sind, weil sie für das Abheben bei langsamen Drehgeschwindigkeiten sorgen. Ein Parameter ist der einfallende Eingangswinkel α, der von zwei Tangentiallinien begrenzt wird. Die beiden Tangentiallinien sind Tangenten an einem Schnittpunkt 91 der nachlaufenden Nutenseitenwand 87 einer Nut 88 und der Umfangskante 81 der Dichtungsfläche 86. Die Tangenten der Linien an dem Schnittpunkt 91 bilden den Winkel α und zeigen die Größe der Schaufelwirkung an, die von der nachlaufenden Seitenwand 87 der Nut 88 erzeugt wird. Das heißt, daß der Wert des Winkels α die Fluidmenge bestimmt, die von jeder Nut 88 in den Dichtungsspalt gepumpt wird, wobei größere Winkel einen größeren Pumpeffekt erzielen, wenn alle anderen Parameter beibehalten werden. Für standardmäßige Dichtungsflächenkonfigurationen liegt der Winkel α normalerweise in dem Bereich, der herkömmlich auf ungefähr 15° eingestellt ist. Für geringere Drehgeschwindigkeiten, die im Großen und Ganzen zwischen ungefähr 10 Fuß pro Minute und ungefähr 400 Fuß pro Minute liegen, liegt der Winkel α vorzugsweise in einem Bereich zwischen ungefähr 16° und ungefähr 22° und ist am bevorzugtesten ungefähr 19°.
Ein anderer Parameter, der zum Pumpen von Fluid bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten beiträgt, ist das Verhältnis zwischen Steg und Nut. Das Verhältnis zwischen Steg und Nut wird als Umfangs-"Breite" eines Bogens definiert, der sich über einen Steg relativ zu dem eines Bogens erstreckt, der sich über eine Nut an dem gleichen Radius erstreckt. Zwecks einer detaillierteren Beschreibung der Definition eines Verhältnisses zwischen Steg und Nut wird auf das ebenfalls auf uns übertragene US- Patent Nr. 5 071 141 Bezug genommen, dessen relevanten Teile durch Verweis hier inkorporiert sind.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung können eine Umfangs-"Breite" des Steges w_l und eine Umfangs-"Breite" der Nut w_g, die beide an der Umfangskante 81 gemessen werden, benutzt werden, um das Verhältnis zu erhalten. Bei herkömmlichen Gasdichtungen beträgt das Verhältnis w_l/w_g ungefähr 1 : 1. Die Notwendigkeit, genügend Luft zwischen die Dichtungsflächen zu pumpen, um ein Abheben zu erzeugen, wird durch eine Verringerung des Verhältnisses zwischen Steg und Nut, während eine optimale Nutenbreite beibehalten wird, erfüllt. Dies gestattet mehr als die standardmäßige Anzahl von Nuten 88 in dem gleichen Nutenbereich 89 auf einer Dichtungsfläche des gleichen Durchmessers anzuordnen. Beispielsweise wäre die standardmäßige Anzahl von Nuten in der Dichtungsreihe 86, die in 5 gezeigt ist, 12. Es kann aber auch ein niedrigeres Verhältnis zwischen Steg und Nut, vorzugsweise im Bereich zwischen ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,8, d. h. 1 : 1,2 bis 1 : 5,0 bereitgestellt werden, wobei der optimale Wert für das Verhältnis des Ausführungsbeispiels in 5 vorzugsweise ungefähr 0,5 (1 : 2) beträgt. Ein niedrigeres Verhältnis zwischen Steg und Nut macht es möglich, zusätzliche Nuten in den gleichen Dichtungsflächenbereich 89 einzupassen, während die Nutenbreite, w_g konstant gehalten wird. Die erhöhte Anzahl von Nuten pumpt mehr Fluid zwischen die Dichtungsflächen und erleichtert dadurch das berührungsfreie Abdichten während einer langsamen Drehung der Welle 12. Als Alternative dazu führt eine optimale Breite des Steges w_l zusammen mit einem optimierten Verhältnis zwischen Steg und Nut zu einer optimierten Anzahl von Nuten.
Langsamere Drehgeschwindigkeiten einer Welle erzeugen Bedingungen in einer Gleitringdichtung, die sich hydrostatischen Dichtungsbedingungen annähern. Bei niedrigeren Drehgeschwindigkeiten sind die Dichtungsbedingungen in einem Übergangszustand zwischen hydrostatischen und hydrodynamischen Bedingungen derart, daß beide Parameter zu den Dichtungseigenschaften bei tragen sollten. Demzufolge ist es wichtig, sowohl den hydrostatischen Auftrieb als auch den hydrodynamischen Auftrieb unter Bedingungen zu maximieren, wenn beide benötigt werden, um den Dichtungsspalt aufrechtzuerhalten. In vielerlei Hinsicht sind jedoch Änderungen der Parameter zum Bewirken eines hydrodynamischen Auftriebs sehr wahrscheinlich so, daß sie den hydrostatischen Auftrieb und umgekehrt nachteilig beeinflussen. Die von dem Optimierungsvorgang der drei Parameter, Stegbreite, Verhältnis zwischen Steg und Nut und Anzahl der Nuten, bereitgestellte Flexibilität ermöglicht eine Anpassung der Dichtung an Kundenwünsche für spezielle industrielle Anwendungen.
Ein anderer Parameter, der zum Erhöhen des hydrostatischen Auftriebs verwendet werden kann, ist die Gesamtgröße des Nutenbereichs im Vergleich zu dem Stegbereich. Nuten, die sich zu einem höheren Druckgas öffnen, das einen auf die hinteren Flächen der Dichtungsringe wirkenden niedrigeren Druck hat, gestatten einen hydrostatischen Auftrieb, wenn die Nuten tief genug sind, um dem Schmierfluid zu gestatten, zwischen die Nutenwand und die entgegengesetzten Dichtungsflächen einzusickern, um den geeigneten Auftriebsdruck aufrecht zu erhalten. Außerdem, da die Axiallast oder die Auftriebskraft ein Produkt der Größe des über einen bestimmten Bereich ausgeübten Druckes ist, ist das Maximieren des Nutenbereichs im Vergleich zu dem Steg/Damm-Bereich ein denkbares Mittel, um den hydrostatischen Auftrieb zu maximieren, wie oben in Bezug auf 4C diskutiert wurde. Zusammen mit einer Maximierung der Anzahl der Nuten und des Verhältnisses zwischen Steg und Nut, um eine Maximierung des hydrodynamischen Auftriebes zu unterstützen, kann eine Optimierung der anderen relevanten Parameter eine bevorzugte Konfiguration ergeben, die wirksam ist, um einen stabilen Dichtungsspalt, sogar für langsame Drehgeschwindigkeiten, aufrecht zu erhalten.
Andere Änderungen der Dichtungsflächenparameter können verwendet werden, entweder allein oder in Kombination mit geeigneten Nutenflächeneigenschaften, die in Bezug auf die Dich tungsfläche 86 (5) beschrieben wurden. Diese Parameter sind ferner gezeigt und beschrieben mit Bezug auf die Dichtungsflächen, die in den 6 bis 12 dargestellt sind und sind in Einklang mit den Lehren dieser Erfindung für Nutenmuster, die ein Abheben bei langsamen Geschwindigkeiten liefern.
In 6 ist ein modifiziertes Verhältnis zwischen Steg und Nut von 1 : 4 dargestellt, wobei die Größe der umfänglichen Nutenbreite w_g winkelmäßig viel größer ist als für herkömmliche Nuten. Als Alternative zu der Erhöhung der Anzahl der Nuten gestatten vergrößerte Bereiche, die von den Nuten 88' begrenzt werden, daß eine größere Fluidmenge in jede Nut gepumpt wird, wobei dieses Fluid durch die konvergierenden Kanten 87', 92' einer jeden Nut eingeengt wird. Die Vorteile in der Fähigkeit, einen gleichmäßigen Spalt zwischen den sich gegenüberliegenden Dichtungsflächen aufrechtzuerhalten, leiten sich von dem größeren Fluiddruck ab, der von jeder Nut erzeugt wird. Es wird angenommen, daß das Druckprofil einen Spitzendruck in einer Druckzone 99, 99' hat, die durch die gestrichelten Linien in den 5 bzw. 6 angegeben ist, und die angrenzend an die sich schneidenden Endpunkte der konvergierenden Kante 87, 92 und 87', 92' von jeder Nut 88, 88' jeweils angeordnet ist.
Während das Ausführungsbeispiel der Dichtungsfläche 86, das in 5 gezeigt ist, auf eine große Anzahl von Druckzonen 99 angewiesen ist, hat das Dichtungsausführungsbeispiel 80' (6) eine Dichtungsfläche 86' mit weniger Druckzonen 99', wobei aber jede einen größeren Spitzendruck in der Zone 99' hat. Unterschiedliche Dichtungsanwendungen können auf das eine oder das andere dieser Ausführungsbeispiele angewiesen sein. Wegen Unterschieden in der Dichtungsumgebung, zum Beispiel in der Viskosität oder Kompressibilität des Fluids, das gepumpt wird, kann es vorteilhafter sein, ein bestimmtes Steg/Nut-Verhältnis und einen Nutenbereich zu verwenden, der eine bestimmte Anzahl von Nuten hat, um die gewünschte Gleichmäßigkeit in dem Dichtungsspalt zu erzielen. Beispielsweise kann eine Erhöhung des gesamten Nutenbereichs, wie oben beschrieben, den hydrostatischen Auftrieb maximieren und somit einen wirksamen und stabilen Spalt erhaltenden Mechanismus bereitstellen.
Andere Kandidaten für eine Änderung der Dichtungsflächenparameter enthalten Änderungen in der Nutenlänge oder -tiefe von einzelnen Nuten oder zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Nuten. Es wird nun auf 7 Bezug genommen. Die Länge der Nuten, d. h. die radiale Breite des Nutenbereichs relativ zu der gesamten radialen Breite der Dichtungsschnittstelle kann verändert werden. 7 zeigt einen Dichtungsring 100, der eine Dichtungsfläche 102 hat. Für Zwecke dieser Erfindung wird in Erwägung gezogen, daß die gesamte ringförmige Dichtungsfläche 102 gegenüber der Gegendichtungsfläche des Gegenringes (nicht gezeigt in 7) ist. Ein Nutenbereich 104, der in Umfangsrichtung alternierende Spiralnuten 106 und Stege 108 umfaßt, wird durch die umfängliche Innendurchmessernutenwand 110 am Radius r_g begrenzt. Die andere Grenze des Nutenbereichs 104 ist der Außendurchmesserumfang r_OD der Dichtungsfläche 102, so daß der Nutenbereich 104 von den Unterschieden r_OD – r_g bestimmt wird.
Ebenso ist ein keine Nuten aufweisender Damm 112 an dem Innendurchmesser der Dichtungsfläche 102 angeordnet. Er wird durch die Grenze zwischen dem Damm 112 und dem Nutenbereich 104 am Radius r_g und durch die Innendurchmesserumfangskante r_ID der Dichtungsfläche 104 begrenzt. Die radiale Dammbreite ist somit die Differenz zwischen den beiden, nämlich r_g – r_ID. Für langsame Anwendungen wurde festgestellt, daß längere Spiralnuten eine größere Fluidpumpwirkung und einen gleichmäßigeren Dichtungsspalt liefern. Die Fähigkeit, die Länge der Spiralnuten zu ändern, wird auch bei einem anderen Merkmal der Erfindung wichtig, wie unten erläutert wird.
Es wird nun auf die 8, 9 und 10 Bezug genommen. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung, die Nuten mit variabler Tiefe haben, sind gezeigt, wobei 9 eine Querschnittsdar stellung von einem Teil eines Dichtungsringes ist, wobei der Querschnitt ungefähr entlang der Linie IX, X-IX, X, wie in 8 gezeigt ist, gelegt ist. 10 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Dichtungsflächenmusters, das ungefähr an der gleichen Querschnittslinie wie der von 9 aufgenommen ist. Die Draufsicht der Dichtungsfläche 122 ist für beide Ausführungsbeispiele, die im Querschnitt in den 9 und 10 gezeigt sind, identisch.
Spiralnuten 124, die relativ zu der Dichtungsfläche 86 zwei Abschnitte von jeweils unterschiedlicher Tiefe haben, sind in den 8 und 9 dargestellt. Die Dichtungsfläche 122 enthält einen Damm 123 und eine Vielzahl von Nuten 124, von denen die benachbarten durch Stege 126 voneinander getrennt sind. Jede Nut 124 weist zwei Nutabschnitte 128 und 130 auf, die durch einen umfänglichen Grenzübergangsabschnitt 132 zwischen ihnen begrenzt sind. Der Nutenabschnitt 128, der an die Umfangsgrenze 134 grenzt, hat eine herkömmliche Tiefe für Spiralnuten des nicht-berührenden Typs; d. h. eine Tiefe relativ zu den benachbarten Stegen 126 von ungefähr 7,5 mm (300 Mikrozoll) plus oder minus 1,25 mm (50 Mikrozoll). Der flache Abschnitt 130 der Nut 124, der radial zwischen dem tieferen Abschnitt 128 und dem Damm 123 angeordnet ist, hat eine viel geringere Tiefe, in der Größenordnung von ungefähr 20 bis 40 Prozent des tieferen Nutenabschnittes 128. Eine geeignete Tiefe für den flacheren Nutenabschnitt 130 liegt im Bereich zwischen 1,25 bis 7,5 mm (50 bis ungefähr 300 Mikozoll), je nach spezieller Anwendung, und vorzugsweise ist die Tiefe ungefähr 5 mm (200 Mikrozoll) je nach Leckage.
1,25 mm (50 Mikrozoll) kann zum Erzeugen einer geringeren Leckage bevorzugt werden.
Der Übergangsabschnitt 132 kann irgendeine Form, einer Anzahl von Formen haben, einschließlich einer abrupten Stufe, wie in der ebenfalls auf uns übertragenen US-Patentanmeldung Nr. 08/791 413 beschrieben ist, oder in Form einer winkeligen verjüngten Stufe 132 sein, wie in 9 gezeigt. Die winkelige verjüngte Stufe 132, die in dem Dichtungsflächenmuster 122 gezeigt ist, zeigt einen allmählichen Übergang zwischen dem tiefen und flachen Abschnitt 128 bzw. 130 der Nut 124. Der Übergangsabschnitt braucht aber nicht eine allmähliche Neigung haben, sondern kann andere Formen annehmen, wie zum Beispiel einen abrupten Stufenwechsel, wie in der vorgenannten US-Patentanmeldung Nr. 08/791 413 beschrieben ist. Eine abrupte Stufe ist für die Bereitstellung eines Teildammes an dem Übergang hilfreich, so daß sich eine Druckzone in Zeiten, wenn die Welle 12 mit voller Geschwindigkeit gedreht wird, dynamisch ausbilden kann. Der flache Nutenabschnitt 120 ist dafür bestimmt, während langsameren Drehgeschwindigkeiten wirksam zu sein, wie zum Beispiel während des Anlauf- oder Abschaltvorganges des Mischers, oder während Übergangszeiten mit einer hohen Unrundheit, zum Beispiel, wenn zusätzliches Material dem Mischer hinzugefügt wird, wodurch die lokale Viskosität der Produkte, die gerade gemischt werden, vorübergehend zunimmt.
Es wird nun auf 10 Bezug genommen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Nut 124' mit variabler Tiefe ist im Querschnitt gezeigt, der ungefähr entlang der Linie IX, X-IX, X von 8 gelegt ist, wobei ein flacher Nutenabschnitt 130' mit einem schräg ansteigenden Nutenabschnitt 128' durch einen Übergangsabschnitt 132' verbunden ist. Der Übergangsabschnitt 132' kann eine einfache Winkeländerung in der Neigung der Nutenabschnitte relativ zu der Oberfläche 122' des Dichtungsringes 120' sein, wie gezeigt ist. Als Alternative dazu, kann der Übergangsabschnitt eine verjüngte Winkelstufe oder sogar eine abrupte Stufe, wie oben mit Bezug auf einen Dichtungsring 120 in 9 beschrieben, sein.
Die Neigung des Nutenabschnittes 128' kann allmählich oder ausgeprägter sein, je nachdem, welche Bedingungen herrschen, für die die Verwendung der Dichtung beabsichtigt ist. Der Winkel zwischen der Oberfläche des Nutenabschnittes 128' und der Oberfläche 124' der Dichtungsringfläche 122', der die Neigung des sich neigenden Nutenabschnittes 128' anzeigt, ist im Bereich von 2° bis 10° und ist vorzugsweise ungefähr 5°. Das heißt, daß die Tiefe des flachen Abschnittes 130' ungefähr 2,5 mm (100 Mikrozoll) plus oder minus 1,25 mm (50 Mikrozoll) sein kann, während der sich neigende Nutenabschnitt 128' ungefähr 10 mm (400 Mikrozoll) an der Außendurchmesserkante 134' des Gegenringes sein kann, wobei er sich zu dem Schnittpunkt mit dem flachen Nutenabschnitt 130' an dem Übergangsabschnitt 132 bei ungefähr 2,5 mm (100 Mikrozoll) neigt. Als Alternative dazu, kann der sich neigende Nutenabschnitt einer Tiefe von ungefähr 5 bis 7,5 mm (200 bis 300 Mikrozoll) annähern, wobei ein Übergangsabschnitt (nicht gezeigt in 10) die Form entweder einer abrupten Stufe oder einer verjüngten Winkelstufe annimmt, um die Tiefe des flachen Nutenabschnittes 130' zu verringern.
Ein alternatives Dichtungsflächennutmuster (nicht gezeigt) kann eine doppelt verjüngte Nut enthalten. Die Nutentiefe neben der Umfangskante beginnt tiefer, zum Beispiel ungefähr 7,5 mm (300 Mikrozoll) und verjüngt sich zu einer etwas geringeren Tiefe hin, ungefähr 6,25 bis 6,88 mm (250 bis 275 Mikrozoll) und verjüngt sich dann viel schärfer zu einer Tiefe von ungefähr 1,25 mm (50 Mikrozoll) neben dem Damm hin. Andere Kombinationen von Tiefen und Verjüngungen sind möglich und können durch Testen herausgefunden werden, um wirkungsvolle Dichtungs- und Abhebeigenschaften bei langsamen Drehgeschwindigkeiten bereitzustellen.
Es wird nun auf die 11 und 12 Bezug genommen. Es ist noch ein weiteres Merkmal gezeigt, das bei einer langsam laufenden Dichtung entweder allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Merkmale verwendet werden kann. Der Gegendichtungsring 140, der in den 11 und 12 dargestellt ist, hat zwei Arten von verschiedenen Nuten, die sich in Umfangsrichtung um den Umfang der Dichtungsfläche 14 2 herum abwechseln. Eine erste Art einer tiefen Nut 144 ist mit einer herkömmlichen Nutenform, Tiefe und Radius des Nutenendes (r_g) gezeigt. Jedoch ist jede zweite alternierende Nut eine flache Nut 146, die eine viel geringere Tiefe relativ zu der Dichtungsfläche 142 hat. Der Nutenendradius (r_g) der flachen Nuten 146 kann der gleiche wie der der tiefen Nuten 144 sein, oder er kann länger sein, wie gezeigt.
Benachbarte, sich abwechselnde Nuten 144, 146 können durch einen Steg 148 voneinander getrennt sein, und in Einklang mit der Verwendung von einem oder mehreren verschiedenen Merkmalen in Kombination kann das Verhältnis zwischen Steg und Nut ungefähr 1 : 2, wie gezeigt, sein. Ein anderes Merkmal, das oben mit Bezug auf den Dichtungsring 100 in 7 diskutiert wurde, ist die erhöhte Länge der flachen Nuten 146, die einen anderen r_g als die tieferen Nuten 144 haben. Verschiedene Nutentiefen in Kombination mit verschiedenen Nutenlängen (r_g, r'_g) für sich abwechselnde Nuten erscheinen besonders geeignet, um eine übermäßige Leckage des gepumpten Fluides zu verringern, während gleichzeitig angemessene Abhebeigenschaften bei geringeren Geschwindigkeiten erzielt werden.
Die in 12 gezeigte Querschnittsansicht ist ein Querschnitt, der ungefähr entlang einer Linie XII-XII durch den Dichtungsring 140 von 11 gelegt ist. Die Tiefen der flachen Nut 146 relativ zu der tieferen Nut 144 sind zum Zwecke der Darstellung übertrieben. Die wirklichen Tiefen der flachen Nut 146 sind vorzugsweise 3,75 mm (150 Mikrozoll) und der tieferen Nut 144 ungefähr 7,5 mm (300 Mikrozoll) innerhalb des oben beschriebenen Toleranzbereiches. Diese Tiefen müssen in den Zeichnungsfiguren übertrieben dargestellt werden, da sonst der Maßstab der Zeichnung in den 9, 10 und 12 die Nutentiefen nicht sichtbar machen würde.
Die einzelnen Dichtungsparameter, die in den 5 bis 12 gezeigt und oben beschrieben wurden, stellen Merkmale dar, die für eine Verwendung an einem Gegenring von Gleitringdichtungen festgestellt wurden. Zusätzliche Dichtungsflächennutmusterkonfigurationen, um ein Abheben bei langsamen Geschwindigkeiten zu erzeugen, sind in dem ebenfalls auf uns übertragenen US- Patent-Nr. 5 496 047 beschrieben, dessen Lehre durch Verweis hier inkorporiert ist. Diese Erfindung benutzt jedoch einige oder alle dieser Merkmale an dem primären Ring einer Dichtung, egal, ob sie einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden. Die Nuten sind an dem axial beweglichen primären Ring und an einer Dichtung angeordnet, die einen Gegenring mit einer breiten gegenüberliegenden Dichtungsfläche, wie oben beschrieben, hat, um eine effektivere Dichtung bei langsam laufenden Anwendungen zu schaffen, wo außerdem eine übermäßige Wellenunrundheit problematisch ist.
Eine andere Anwendung der Dichtungstypen, die oben beschrieben sind, ist eine Zweifachdichtungsanordnung 150 für eine langsam laufende Anwendung, wie zum Beispiel in einem Mischer, wie in den 13, 14 dargestellt ist. Die Dichtungsanordnung 150 kann im tatsächlichen Gebrauch vertikal angeordnet sein, ist aber willkürlich in einer horizontalen Lage in den Zeichnungs13, 14 gezeigt.
Eine Welle 12, die viel länger als der weggebrochene Abschnitt, der in 13 gezeigt ist, ist erstreckt sich durch eine Öffnung 154 in einem Mischergehäuse 152. Die Welle 12 ist mit einer oder mehreren großen Mischschaufeln (nicht gezeigt) entlang einem axialen Ende der Welle, das sich nach links in 13 erstreckt, und einer Antriebseinrichtung, wie zum Beispiel einem großen Mischermotor (nicht gezeigt) an dem entgegengesetzten Ende der Welle verbunden, das sich in der 13 nach rechts erstreckt.
Ein oder mehrere Lager (nicht gezeigt) können zwischen der Dichtungsanordnung 150 und dem Motor angeordnet sein. Da sowohl ein Motor und die Lager normalerweise mit Öl geschmiert sind, erfordert der vertikale Einbau eine Dichtung, wie zum Beispiel eine Lippendichtung (nicht gezeigt) zwischen der Öffnung 154 und dem Motor, um zu verhindern, daß Öl oder irgendwelche anderen Verunreinigungen in die Dichtungsanordnung 150 und somit in die Mischkammer innerhalb des Gehäuses 154 eintritt bzw. eintreten. Eine Verunreinigung muß besonders für Mischprodukte vermieden werden, die bezüglich einer solchen Verunreinigung empfindlich sind, wie zum Beispiel Arzneimittel oder Lebensmittel. Es wird als ratsam angesehen, eine Doppeldichtungsanordnung, wie in 13 gezeigt, in solchen Anwendungen zu verwenden, um Produktreinheit sicherzustellen.
Die Dichtungsanordnung 150 ist notwendig, um den Druck innerhalb des Tanks oder einer Kammer, die abgedichtet ist, aufrechtzuerhalten. Eine Doppeldichtungsanordnung wird bevorzugt, um den Eintritt von Verunreinigungen von der Atmosphärenseite her in den Tank zu verhindern.
Die Dichtungsanordnung 150 erzeugt eine Abdichtung für die Welle 12 während sie sich in ein Mischergehäuse 152 durch eine dort befindliche Bohrung 154 erstreckt. Die Dichtungsanordnung 150 umfaßt eine Dichtungsplatte 156, die zwei Gleitringdichtungen 160, 260 enthält. Das Mischergehäuse 152 enthält eine Mehrzahl von Gewindebohrungen 158 zum Befestigen einer Dichtungsplatte 156 an der Mischerwand 152. Jede Dichtung 160, 260 umfaßt eine Anzahl von Elementen, zu denen es entsprechende Elemente in der anderen Dichtung gibt, wenn sie auch in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet sind. Zum Beispiel hat jeder der Gegenringe 162, 262 eine Gegenringdichtungsfläche 164, 264. Jedoch weist die Dichtungsfläche 164 in Richtung auf das Gehäuse 152, während die Dichtungsfläche 264 in die entgegengesetzte Richtung, weg von dem Gehäuse 152, weist. Auf ähnliche Weise sind die hinteren Flächen 166, 266 entgegengesetzt in einer Rücken-an-Rücken-Orientierung relativ zueinander ausgerichtet. Die radial verlaufenden hinteren Flächen 166, 266 enthalten eine zylindrische Innenwand 168, 268, um die Gegenringe 162, 262 dichtend zu befestigen, und eine passende Vertiefung zum Einführen einer herkömmlichen Antriebsinrichtung.
Die sich gegenüberliegenden primären Ringe 170, 270 enthalten radial verlaufende Dichtungsflächen 172, 272, die für eine ent gegengesetzte Paarungsbeziehung mit den gegenüberliegenden Flächen 164, 264 der Gegenringe 162, 262 sorgen. Wie oben mit Bezug auf 5 beschrieben, sind die Gegenringdichtungsflächen 164, 264 viel breiter als die entsprechenden Dichtungsflächen 172, 272 der primären Ringe 170, 270. Wie oben mit Bezug auf die 1 bis 12 beschrieben, enthalten die primären Ringe 170, 270 auch radial verlaufende hintere Flächenabschnitte, die abgestuft sind, einschließlich Außendurchmesserabschnitte 176, 276, die mit Radialwänden 178, 278 der sekundären Dichtung durch eine zylindrische Oberfläche 177 bzw. 277 verbunden sind. Die Radialwände 178, 278 der sekundären Dichtung sind selbst wieder mit den Innendurchmesserabschnitten 180, 280 durch zylindrische Oberflächen 179, 279 verbunden. Jeder dieser Abschnitte hat eine radial verlaufende Oberfläche, die dem Druck des Fluids, mit dem sie in Kontakt ist, ausgesetzt ist, wobei der Fluiddruck eine axiale Schubkraft auf die radial verlaufenden hinteren Flächen eines jeden Ringes ausübt.
Der Außendurchmesserabschnitt enthält ferner eine oder mehrere Antriebsdellen 182, 282, in denen entsprechende Stifte 184, 284 die Drehlage der primären Ringe 170, 270 relativ zu dem entsprechenden Abschnitt der Dichtungsplatte 156 aufrechterhalten. Die hinteren Flächen 176, 276 stellen lastaufnehmende Oberflächen für ein Vorspannmittel, wie zum Beispiel Federn 186, 286 dar, von denen jede in einer entsprechenden Bohrung in der Dichtungsplatte 156 angeordnet ist. Die Federn erzeugen eine gleiche axiale Vorspannung gegen die primären Ringe 170, 270, um die entsprechenden Paare von Dichtungsflächen 164, 172 und 264, 272 in einer entgegengesetzten Paarungsbeziehung relativ zueinander zu halten. Die Axiallast auf dem primären Ring, die von dem Vorspannmittel ausgeübt wird, ist ein wichtiger Faktor dieser Erfindung, wie unten beschrieben wird.
Die Gegenringe 162, 262 sind axial entlang der Welle 12 angeordnet und sind jeweils auf einer Wellenhülse 190 montiert, die sich mit der Welle dreht. Die Wellenhülse hat eine Struktur und Abmessungen, die geeignet sind, um eine Anordnung der Gegen dichtungsringe 162, 262 Rücken-an-Rücken zu gestatten. Zwei zylindrische äußere Wände 192, deren Durchmesser etwas kleiner als die Durchmesser der inneren Wände 168, 268 des Gegenringes sind, enthalten ringförmige Nuten 194, um die herum O-Ringe 196 angeordnet sind. Die O-Ringe 196 verbinden die inneren zylindrischen Wände 168, 268 der Gegenringe 162, 262 dichtend mit der Hülse 190 ohne den Dichtungsring 160, 260 zu klemmen. Die O-Ringe 196 bilden einen Dichtungsdurchmesser r'_SD für die sekundäre Dichtung der Gegenringe 162, 262, wie in 14 gezeigt.
Ein geeignetes Antriebsmittel, wie Stifte, werden in die entsprechenden Bohrungen in die Wellenhülse 190 eingeführt, wie auf herkömmliche Art und Weise gezeigt ist. Die anderen Enden der Stifte werden in die Vertiefungen eingeführt, die in den Gegenringen 162, 262 angeordnet sind. Die Einrichtung schafft einen Drehantrieb für die Gegenringe, wenn sich die Welle 12 und die Hülse 190 drehen, und bewirkt somit eine entsprechende Drehung der Gegenringe 160, 260.
Die Wellenhülse 190 ist auch dichtend mittels der O-Ringe 202 mit der Welle 12 verbunden, und dadurch, daß die innere zylindrische Wand der Wellenhülse einen etwas größeren Durchmesser als die Welle hat, wird eine Dichtung zwischen der Welle und der Wellenhhülse 190 bereitgestellt. Eine Antriebseinrichtung, die an dem Außenende der Dichtungsanordnung 150 angeordnet ist, außerhalb der Dichtungsplatte 156, schafft eine Einrichtung zum Verbinden der Wellenhülse 190 mit der Welle 12 für eine gemeinsame Drehung. Die Wellenhülse 190 enthält Antriebsbohrungen 198 für eine Verbindung mit einem Wellenhülsenantrieb. Die Antriebseinrichtung kann einen Wellenbund 204 haben, der Öffnungen 206, 208 hat, um Stellschrauben (nicht gezeigt) aufzunehmen, um sowohl den Wellenbund 204 als auch die Wellenhülse 190 an der Welle 12 zu befestigen. Die Gewindebohrungen 206 sind so angeordnet und ausgerichtet, daß sie mit den entsprechenden Bohrungen 198 in der Wellenhülse 190 außerhalb der Dichtungsplatte 156 zusammenpassen. Mit einer Diskussion eines geeigneten Befestigungsmittels der Welleneinrichtung durch einen Wellenbund wird auf das ebenfalls auf uns übertragene US-Patent Nr. 5 468 002 verwiesen, das hier durch Verweis inkorporiert ist.
Die Dichtungsanordnung 150 ist zum Einbau als Einsatz gedacht, der eine Dichtungsplatte 156 umfaßt, auf der alle anderen Dichtungselemente montiert sind. Während des Einbaus wird durch eine geeignete Reinigung der äußeren Wand des Mischergehäuses 152 eine Oberfläche für eine statische Dichtung zwischen der Dichtungsplatte 156 und dem Gehäuse 152 geschaffen. Geeignete Einstellungen und/oder Beilagscheiben können bereitgestellt werden, um mit den entsprechenden Wandoberflächen zusammenzupassen, wie zum Beispiel eine Dichtungsscheibe 159.
Ein korrekter Zusammenbau in dem Einsatz innerhalb der Dichtungsplatte 156 gestattet die Montage auf einem Ende der Welle 12. Der Zusammenbau kann dann entlang der Welle gleiten, bis die Dichtung zwischen den Wänden der Dichtungsplatte 156 und dem Mischergehäuse 152 durch die Dichtungsscheibe 159 bewegt wird.
Die Dichtungsplatte 156 kann eine Vielzahl von zusammengefügten Teilen umfassen, sie ist aber in 13 mit nur zwei Teilen gezeigt, einem Gehäuseteil 210 und einem Dichtungseinschlußteil 212. Nach dem Zusammenbau der Dichtungsanordnung 150, werden die Teile 210, 212 durch mehrere Schrauben 214 miteinander verbunden, die sich in die Gewindebohrungen 216 erstrecken und darin eingreifen, die in dem Gehäuseteil 212 angeordnet sind. Das Verbinden von zwei Dichtungsplattenteilen 210, 212 verriegelt alle Dichtungselemente in dem Gehäuse, die von der Welle 12 und der Dichtungsplatte 156 gebildet ist und gestattet, daß die Dichtungsanordnung 150 als Einsatz für einen wirksamen Einbau um eine Welle 12 herum transportiert werden kann.
Der Gehäuseteil 210 enthält ferner mehrere Bohrungen 220, durch welche Schrauben 222 eingeführt werden, wie andeutungsweise ge zeigt ist. Die Schrauben 222 greifen in entsprechende Gewindebohrungen 158 in dem Gehäuse 152 ein, wobei die Dichtungsplatte 156 an der Mischergehäusewand 152 befestigt wird. Eine Dichtungsscheibe oder ein anderes elastomeres Teil, wie zum Beispiel ein Dichtungsring 159, wird zwischen dem Gehäuse 252 und dem Gehäuseteil 210 der Dichtungsplatte eingeführt, um eine Dichtungsverbindung dazwischen zu schaffen. Eine Sperrfluidverbindung, wie zum Beispiel eine verjüngte Gewindebohrung 224, schafft ein Mittel zum Einführen eines unter Druck stehenden Pufferfluids in die eingeschlossene Zwischensperrkammer 226, die von der Dichtungsplatte 156 und dem Außendurchmesser der beiden axial angeordneten Dichtungen 160, 260 in Einklang mit der Lehre des vorgenannten US-Patents Nr. 5 375 853 begrenzt ist.
Beide Teile 210 und 212 der Dichtungsplatte 156 stellen ein Mittel zum Befestigen der jeweiligen primären Ringe 170, 270 und zum Abdichten der hinteren Fläche dagegen bereit. Jeder Teil 210, 212 hat eine ähnliche Konstruktion aber ist spiegelbildlich mit der geeigneten Konstruktion gezeigt und enthält eine geeignete Form und Abmessungen, um an die hintere Wandstruktur des Dichtungsringes zu passen. Die Konstruktion zum Anbringen der primären Dichtungsringe umfaßt eine Reihe von Bohrungen, wie zum Beispiel mehrere axiale zylindrische Bohrungen 230, 330 zum Einführen der Federn 186, 286. Ringförmige Öffnungen, die von den zylindrischen Oberflächen 232, 332 gebildet werden, haben einen etwas größeren Durchmesser als die entsprechenden Außendurchmesserflächen 177, 277 des Zwischenteiles, der zu den zylindrischen Oberflächen 178, 278 der primären Ringe 170, 270 benachbart ist. Die Oberflächen 232, 332 sind radial innerhalb der axialen Bohrungen 230 bzw. 330 angeordnet. Die zylindrischen Oberflächen 232, 332 der Bohrungsöffnung enden an einer radialen Wand 234, 334, die sich radial nach innen in Richtung auf die Mittellinie CL erstreckt.
Die zylindrischen Bohrungsflächen 232, 332 und radialen Wände 234 bzw. 334 der Abschnitte 210 bzw. 212 bilden zusammen mit den zylindrischen Oberflächen 179, 279 des Innendurchmesserabschnittes und der radialen Wände 178, 278 der primären Ringe 170, 270 ringförmige Hohlräume, die O-Ringe 240 enthalten. Jeder Hohlraum ist axial etwas länger als die axiale Ausdehnung der O-Ringe 240, um etwas axiale Bewegung in den O-Ringen zu gestatten. Die O-Ringe 240 haben eine Dicke, die etwas größer als die radiale Abmessung des ringförmigen Hohlraumes zwischen den jeweiligen Oberflächen 230, 330 und 179, 279 ist, und sie schaffen dadurch eine Sekundärdichtung dazwischen. Die axiale Länge des Hohlraumes kann ein Doppelgleichgewicht der Dichtungen schaffen, je nachdem, auf welcher Seite des O-Ringes 240 der Druck höher ist. Dies ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, wie unten näher beschrieben ist.
Der Durchmesser oder genauer der Dichtungsdurchmesser der O-Ringe 196, 296 und 240 bestimmt die Axiallast auf den entsprechenden Ringen. Eine kluge Platzierung der O-Ringdichtungsdurchmesser sorgt für eine größere Wirksamkeit in der Abdichtung und sorgt für eine länger anhaltende Dichtung, die nicht so oft ersetzt werden muß. Der Austauschvorgang einer Dichtung in einem Mischer kann langwierig und kostspielig sein und kann in einer Ausfallzeit des Mischers von ein bis zwei Tagen resultieren. Somit ist das Vermeiden von unnötigen Dichtungsaustauschvorgängen sehr nützlich, weil ein Mischer, der außer Betrieb ist, das Abschalten einer ganzen Produktionsstraße erzwingen kann. Die längeren mittleren Zeiten zwischen einem Dichtungsaustausch führen zu erheblichen Kosteneinsparungen, da eine stillstehende Produktionsstraße vermieden wird, und schwächt Zeitdrücke ab, die zu verpaßten Terminen für Produktlieferungen führen können.
Eine fluidgeschmierte Dichtung, wie zum Beispiel die Dichtungsanordnung 150, die in 13 gezeigt ist, sorgt für eine berührungsfreie, verunreinigungsfreie Abdichtung eines Mischers. Die bei Mischeranwendungen auftretenden Probleme, wie zum Beispiel eine übermäßige Wellenunrundheit und eine langsame Drehgeschwindigkeit der Welle 12 neigen dazu, eine schnellere Abnützung der Dichtungsringe als normal aus zwei Gründen zu bewirken. Eine Wellenunrundheit verursacht ungleiche Filmdrücke in dem Dichtungsspalt, wodurch der eine Dichtungsring relativ zu dem anderen kippt und es zu einem unerwünschten Kontakt der Dichtungsflächen kommt. Ebenso führen unzureichende Fluidfilmdrücke in dem Dichtungsspalt, die aus einem unzureichenden Pumpen von Schmierfluid durch die Nuten resultieren, auch zu einem unerwünschten Kontakt. Diese Probleme werden durch die Konstruktion der erfindungsgemäßen Dichtung sowohl angegangen als auch überwunden.
Die gesamte auf dem primären Ring wirkende Axiallast resultiert aus den Federkräften der Federn 186, 286 und den Fluiddrücken und zwar sowohl aus dem von den Pumpnuten erzeugten Druck als auch von dem Sperrfluid und dem Prozeßfluid. Die gesamte Axiallast auf dem primären Ring hat eine ausreichende Kraft, um die Dichtung zu schließen, wenn sich die Welle nicht dreht und die Fluiddrücke die Neigung haben, den Spalt zu schließen. Jedoch ist die Gesamtlast verringert, um bei einer minimalen Sperrfluidmenge, die von den Nuten in den Dichtungsspalt gepumpt werden, zu öffnen, wobei die Nuten Strukturen in Einklang mit den oben beschriebenen Dichtungsnutmuster haben.
Es wird nun auf 14 Bezug genommen. Es ist eine detaillierte Ansicht einer einzelnen Dichtung, entweder 160 oder 260, gemäß der Erfindung mit nur den nötigen Teilen gezeigt, um das unten beschriebene erfinderische Merkmal zu erläutern. Alle in 14 gezeigten Teile sind im Querschnitt bezüglich einer Dichtung 160 gezeigt, sind aber gleichermaßen, wenn nicht noch mehr, auf die andere Dichtung 260 anwendbar, die in 13 gezeigt ist. Wegen des Druckunterschieds an der zweiten Dichtung 260 aufgrund der unter Drucksetzung des Sperrgases in der Zwischenkammer 226 kann ein axialer Schubkraftausgleich noch geeigneter sein. Eine Zunahme des auf die hinteren Flächen der Dichtungsringe 262, 282 wirkenden Fluiddrucks bewirkt kleine Unterschiede in den Radien der verschiedenen Dichtungsparameter, um die resultierende Wirkung auf der axialen Schubkraft zu vergrößern. Obwohl die gleichen Faktoren auf die Dichtung 160 anwendbar sind, neigt wegen des viel kleineren Druckunterschieds eine Unaufmerksamkeit für die Dichtungsdruckgrenzen, die in den axialen Schubkräften resultieren, nicht dazu, eine Dichtungsspaltstörung so ohne Weiteres, wie bei der äußeren Dichtung 260, hervorzurufen.
Einzelheiten der in 14 gezeigten Dichtung 160 enthalten eine Dichtungsplatte 156, gegen die der primäre Ring 162 durch einen elastomeren O-Ring 240 abgedichtet ist. Zum Zwecke einer Diskussion der Dichtungsringfläche 172 kann das Nutenmuster, das in dem primären Dichtungsring 80 von 5 dargestellt ist, verwendet werden, um auf die Abmessungen und Radien zu verweisen, die unten beschrieben sind. Beispielsweise ist die Grenze 92 an dem Nutenendradius r_g in 14 als Radius r_g gezeigt, der sich bis zu dem Innendurchmesserende der Spiralnut (andeutungsweise gezeigt) erstreckt. Ebenso ist die Dichtungsschnittstelle durch den Innendurchmesser r_ID und Außendurchmesser r_OD der Dichtungsfläche 172 des primären Rings begrenzt. Ein anderer wichtiger Abmessungsparameter, der in Betracht zu ziehen ist, um den Nutzen und die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erhalten, ist der Dichtungsdurchmesser des O-Ringes 240, r_SD. Wenn die Zwischenkammer 226 unter Druck gesetzt ist, würde sie normalerweise ein Sperrgas, wie zum Beispiel Stickstoff, mit einem Druck enthalten, der größer als der Druck des Fluids innerhalb des Mischergehäuses 152 (13) ist. Stickstoffgas ist verhältnismäßig inert und würde normalerweise nicht mit den Mischerbestandteilen reagieren, so daß das Pumpen von Stickstoff in den Mischer den Inhalt nicht schädigt. Der größere Druck des Stickstoffsperrgases übt normalerweise eine axiale Schubkraft auf den O-Ring 240 aus, wobei sie ihn gegen die Radialwand 234 des Dichtungsplattenabschnittes 210 (13) drückt, wie dargestellt. Somit ist der Dichtungsdurchmesser an der zylindrischen Oberfläche 179 des O-Ringes 160, wie durch den Radius r_SD dargestellt, der sich von der Mittellinie CL bis zu der Oberfläche 179 erstreckt.
Die Abmessungen der Dichtungsflächenparameter sind für die Definition von zwei Beziehungen wichtig, die die Fluiddruckkräfte, die auf die primären Ringe 160, 260 wirken, bestimmen. Eine geeignete Auswahl der Abmessungen, der Nutenformen und der Druckprofile sorgt für optimale Konfigurationen, um sowohl einer langsamen Drehung als auch einer Wellenunrundheit Rechnung zu tragen, die die Verwendung der erfinderischen Dichtung in Mischern und anderen langsam laufenden Anwendungen gestattet.
Die drei relevanten Beziehungen werden hier als Nutenausgleich, Dammbreitenverhältnis und gesamtes Dichtungsgleichgewicht bezeichnet und beziehen grob die Bereiche der hinteren Flächen des primären Ringes 160, d. h. Bereiche der Radialwände 176, 178 auf den Bereich des ringförmigen Nutenabschntittes der Dichtungsfläche des primären Ringes. Spezielle Beziehungen werden durch die folgenden Gleichungen angegeben, bei denen die Variablen oben definiert sind.
Herkömmlich wird der Wert für Dammbreitenverhältnis als in der Größenordnung von ungefähr 0,5 bis 0,8, für den Nutenausgleich von ungefähr 0,86 und für das Dichtungsgleichgewicht typischerweise zwischen 0,8 und 0,9 angegeben. Die herkömmlichen Parameter für diese kritischen Parameter sind unzureichend, um einen Dichtungsspalt während einer langsamen Drehung der Welle aufrechtzuerhalten.
Einige Flexibilität ist bei der Auswahl dieser Werte für diese Parameter für langsam laufende Anwendungen enthalten. Es ist wichtig, daß alle drei Parameter innerhalb der vorgeschriebenen Bereiche für langsam laufende Anwendungen sind und es notwendig sein kann, daß alle drei Parameter auf den gleichen optimalen Werten für spezielle langsam laufende Anwendungen sind. Die bevorzugten Werte, die als optimal für langsam laufende Anwendungen angesehen werden, wie zum Beispiel für Mischer, sind zwischen ungefähr 0,2 und ungefähr 0,5 für das Dammbreitenverhältnis, zwischen ungefähr 0,75 und ungefähr 0,85 für den Nutenausgleich und ungefähr 0,8 bis 0,82 für das Dichtungsgleichgewicht. Als optimale Wertegruppe für diese Parameter wurde für eine spezielle Anwendung 0,3 für das Dammbreitenverhältnis, ungefähr 0,3 für den Nutenausgleich und ungefähr 0,8 für das Dichtungsgleichgewicht herausgefunden. Bei Doppeldichtungsanwendungen, die ein Prozeßfluid auf höheren Drücken abdichten, können die Parameter für die innere Dichtung und die äußere Dichtung verschieden sein, d. h. die Innendichtung kann einen Nutenausgleich von 0,3 und ein Dichtungsgleichgewicht von 0,78 haben, wogegen es für die äußere Dichtung notwendig sein kann, daß diese Parameter Werte von 0,45 bzw. 0,81 haben, während alle anderen Elemente der Dichtungen ansonsten die gleichen sein können. Natürlich können die optimalen Werte für diese und andere Parameter für verschiedene spezielle Anwendungen verschieden sein, wenn auch innerhalb der angegebenen Bereiche, je nachdem, welche speziellen Dichtungsbedingungen herrschen.
Es ist ein wichtiger Faktor und ein erfinderisches Merkmal sowohl von dem Einzeldichtungsausführungsbeispiel als auch von dem Doppeldichtungsausführungsbeispiel, das in den 13, 14 gezeigt ist, daß die Dichtungsdurchmesser der Sekundärdichtungen der O-Ringe 196, 240, 340 im Wesentlichen ähnlich sind, so daß die von dem Fluiddruck erzeugten axialen Schubkräfte, die auf die hinteren Flächen der jeweiligen Dichtungsringe 162, 170 und 262, 270 wirken, sich im Wesentlichen neutralisieren. Dies ist bei der Verringerung der Axiallast auf die Dichtungsringe und auf die Dichtungsflächen 164, 172, 264, 272 wichtig, ungeachtet, ob das Fluid auf einem höheren Druck in der Kammer 226 oder innerhalb des Gehäuses 152 ist. Das Konzept der axialen Schublastminimierung ist ausführlicher in dem vorgenannten US-Patent Nr. 5 375 853 dargestellt, und ein Verweis auf dieses Patent wird für eine vollständigere Erläuterung empfohlen.
Die Erfindung kann ferner zusammen mit anderen Erfindungen und Anpassungen verwendet werden, wodurch eine Verwendung in Anwendungen ermöglicht wird, die zuvor nicht möglich waren. Zum Beispiel können die Lehren der vorliegenden Erfindung bei speziellen Anwendungen, die eine niedrige Drehgeschwindigkeit, ein hohes Maß an Wellenunrundheit und sehr hohe Drücke haben, in Verbindung mit der Lehre des US-Patents Nr. 5 681 047 verwendet werden, deren Lehre hier durch Verweis inkorporiert sind. Ein primärer Dichtungsring mit Spiralnuten, die gegenüber einer Gegendichtungsringfläche mit einem großen Durchmesser liegen, wie hier gelehrt, kann ferner einen ringförmigen Ausschnitt in dem Dichtungsringkörper unmittelbar hinter der Dichtungsfläche haben, um Flexibilität für den Dichtungsflächenabschnitt des primären Ringes zu schaffen, wodurch hohe Fluiddrücke, zum Beispiel von dem Außendurchmesserrand, aufgenommen werden. Es ist bekannt, Nuten an standardmäßigen primären Ringen, wie Siliciumcarbid-, Wolframcarbid- oder Carbonringen anzubringen. Nuten, die an einem primären Ring angeordnet sind, wurden zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 2 623 357 oder 5 201 531 geoffenbart. Keine der bekannten Anwendungen oder Beschreibungen enthalten jedoch auch die zusätzlichen Merkmale, die hier beschrieben wurden, die den erfindungsgemäßen Dichtungen die Fähigkeit geben, einer großen Wellenunrundheit und/oder sehr langsamen Drehgeschwindigkeiten Rechnung zu tragen. Außerdem beschreibt oder schätzt keiner der bekannten Fälle, die Nuten beschreiben, die an dem primären Ring angeordnet sind, die Wirksamkeit einer solcher Anordnung bei der Aufnahme von einem hohen Maß an Wellenunrundheit.
Die erfinderischen Konzepte der hier beschriebenen Entwicklung können auf die meisten gegenwärtig verwendeten Dichtungsringmaterialien angewendet werden. Beispielsweise können der primäre Ring und der Gegenring aus Silicium- oder Wolframcarbid sein, wobei in diesem Fall die Spiralnuten in der primären Dichtungsringfläche auf eine herkömmliche Art und Weise gebildet oder geätzt sein können. Zusätzlich zu diesen Materialien wurde aber festgestellt, daß wegen der Abhebeigenschaften, die von den Dichtungsringflächenmuster bereitgestellt werden, und der erhöhten Dichtungslaststabilität, die von der breiteren Gegenringfläche bereitgestellt wird, es möglich wurde, die erfinderischen Konzepte anzuwenden, um die Spiralnuten bei einem herkömmlichen "weichen" Carbonmaterial anzuwenden.
Bis jetzt führte der Reibungskontakt zwischen den Dichtungsringflächen dazu, das weichere Material zu verkratzen und abzunutzen. Spiralnuten auf einer weichen Carbonoberfläche waren unpraktisch, weil sich diese nach einer Nutzung aufgrund des Dichtungsflächenkontaktes abnutzen würden. Ein wirksames Abheben des primären Dichtungsringes führt dazu, einen Kontakt zwischen den Dichtungsflächen zu vermeiden und eine Nutenbildung an herkömmlichen "weichen" primären Dichtungsringen aus Carbon zu ermöglichen.
Weitere Modifikationen und kleinere Änderungen werden einem Fachmann geläufig sein, wenn er einmal das erfinderische Konzept, das hier beschrieben wurde, verstanden hat. Demzufolge ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, die hier gezeigt und beschrieben wurden, beschränkt, sondern sie ist nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

Spalt-Gleitringdichtung (50, 160, 260) zum Schaffen einer Fluiddichtung zwischen einem Gehäuse (152) und einer drehbaren Welle (112), die sich durch eine Bohrung (154) in dem Gehäuse erstreckt, wobei die Dichtung (50, 160, 260) relativ zueinander drehende kreisringförmige primäre (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) und dazu passende (52, 162, 262) Ringe hat, wobei jeder Ring (52, 60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 162, 170, 262, 270) eine Dichtfläche (54, 62, 86, 86', 102, 122, 122', 142, 164, 172, 264, 272) hat, die in einer entgegengesetzten, zusammenpassenden Dichtungsbeziehung zu der Dichtfläche (54, 62, 86, 86', 102, 122, 122', 142, 164, 172, 264, 272) des anderen Ringes (52, 60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 162, 170, 262, 270) steht, wobei jeder Ring (52, 60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 162, 170, 262, 270) eine Innendurchmesser-Umfangskante (rID) und eine Außendurchmesser-Umfangskante (rOD) hat, wobei eine Umfangskante (rID, rOD) der beiden kreisringförmigen Ringe (52, 60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 162, 170, 262, 270) mit abzudichtendem Druckfluid in Kontakt ist und die andere Umfangskante (81, 94, 134, 134', rID, rOD) einer gasförmigen Umgebung außerhalb der Dichtung (50, 160, 260) ausgesetzt und mit ihr in Kontakt ist, wobei einer der Dichtungsringe (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) relativ zu der Welle (12) oder dem Gehäuse (152) axial beweglich ist, wobei der axial bewegliche Ring (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) entweder gegen die Welle (12) oder gegen das Gehäuse (152) durch eine sekundäre Dichtung (240, 340) abgedichtet ist, wobei die Dichtung (50, 160, 260) ferner eine Vorspanneinrichtung (186, 286) zum Vorspannen des axial beweglichen Ringes (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) aufweist, die dazu neigt, die sich gegenüberliegenden zusammenpassenden Dichtflächen (54, 62, 86, 86', 102, 122, 122', 142, 164, 172, 264, 272) in Kontakt miteinander zu bringen, wobei der axial bewegliche Ring (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) ferner eine Dichtfläche (62, 86, 86', 102, 122, 122', 142, 172, 272) enthält, die Nuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146) hat, die sich teilweise quer über die Fläche von der der äußeren Umgebung ausgesetzten Umfangskante (81, 94, 134, 134', rID, rOD) und in Richtung auf die dem Druckfluid ausgesetzte Umfangskante (rID, rOD) erstreckt, wobei die Nuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146) zwischen den Umfangskanten (rID, rOD) enden, um einen kreisringförmigen Nutenbereich (89, 104) angrenzend an die der gasförmigen Umgebung außerhalb der Dichtung (50, 160, 260) ausgesetzten Umfangskante (rID, rOD) und einen nutenfreien Damm (66, 96, 112, 123) angrenzend an die dem Druckfluid ausgesetzten Umfangskante (rID, rOD) zu bilden, wobei die radiale Breite der Dichtfläche (62, 86, 86', 102, 122, 122', 142, 172, 272) des axial beweglichen Ringes (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) erheblich kleiner als die radiale Breite der Dichtfläche (54, 164, 264) des anderen Ringes (52, 162, 262) ist, derart, daß während einer normalen Wellenunrundheit die Dichtfläche (54, 164, 264) des anderen Ringes (52, 162, 262) immer den kreisringförmigen Nutenbereich (89, 104) des axial beweglichen Ringes (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) in einer entgegengesetzten zusammenpassenden Beziehung überlappt, und die Drehung von einem der Ringe relativ zu dem anderen bewirkt, daß die Nuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146) ein Gas von der gasförmigen Umgebung angrenzend an die Umfangskante (81, 94, 134, 134'), in die die Nuten münden, zu dem Damm (66, 96, 112, 123) pumpen, wobei die Nuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146) das Gas zwischen die Dichtungsringflächen (54, 62, 86, 86', 102, 122, 122', 142, 164, 172, 264, 272) pumpen und dadurch bewirken, daß sich ein Fluidfilmspalt zwischen den Flächen bildet, um eine leckdichte Dichtung zu schaffen, die verhindert, daß Fluids entlang der Welle (12) und durch die Bohrung (154) in dem Gehäuse (152) austreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146) an der Dichtfläche des axial beweglichen Ringes an einem in Umfangsrichtung verlaufenden Endsegment enden, um den kreisringförmigen Nutenbereich (89, 104) für eine Dichtfläche (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) zu bilden, wobei das Endsegment der Nut ferner das Dammbreitenverhältnis gemäß den folgenden Gleichungen bildet:
wobei rOD der Radius von der Mittellinie zu der Außendurchmesser-Umfangskante (81, 94, 134, 134', rOD) der Dichtfläche ist, rID der Radius von der Mittellinie zu der Innendurchmesser-Umfangskante (rID) der Dichtfläche ist, rg der Radius von der Mittellinie zu dem in Umfangsrichtung verlaufenden Endsegment der Dichtungsringnuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146) ist; und wobei das Dammbreitenverhältnis im Bereich zwischen 0,2 und ungefähr 0,5 ist.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, bei der der kreisringförmige Nutenbereich (89, 104) für eine Dichtfläche ein Dammbreitenverhältnis von ungefähr 0,3 bildet.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, ferner mit Nuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146), die eine derartige Verjüngung haben, daß die Nutentiefe zu der Oberfläche der Dichtfläche (62, 86, 86', 102, 122, 122', 142, 172, 272) weg von der Umfangskante (81, 94, 134, 134', rID, rOD), in die die Nuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146) münden, schräg ansteigt.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 3, ferner mit einer Nutentiefenverjüngung von einer Tiefe von ungefähr 300 Mikrozoll an der Umfangskante, in die die Nuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146) münden, bis zu einer Tiefe von ungefähr 100 Mikrozoll angrenzend an das in Umfangsrichtung verlaufende Segment, das den Damm bildet.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, ferner mit einem Steg-zu-Nut-Verhältnis, wie es durch die Gleichung w_l/w_g definiert ist, wobei w_l ein in Umfangsrichtung verlaufendes Segment über den Steg an der Außendurchmesser-Umfangskante (81, 94, 134, 134') ist, und w_g ein in Umfangsrichtung verlaufendes Segment über die Nut an der Außendurchmesser-Umfangskante (81, 94, 134, 134') ist; und das Steg (90, 90', 108, 126, 148)-zu-Nut (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146)-Verhältnis im Bereich zwischen ungefähr 0,2 und ungefähr 0,9 ist.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, ferner mit Nuten (124, 124'), die mindestens zwei verschiedene Nutenabschnitte (128, 128', 130, 130') an verschiedenen Tiefen relativ zu den Stegen (126) der Dichtfläche (124) haben und einen Übergangsabschnitt (132, 132') zwischen den Nutenabschnitten (128, 128', 130, 130') haben, die verschiedene Tiefen haben.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 6, bei der der Übergangsabschnitt (132) zwischen den verschiedenen Nutenabschnit ten ferner eine abrupte, stufenähnliche Änderung in der Tiefe (132) von der Tiefe des einen Nutenabschnittes (130) zu der Tiefe des anderen Nutenabschnittes (128) aufweist.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 6, bei der der Übergangsabschnitt (132') zwischen den verschiedenen Nutenabschnitten (128', 130') ferner eine abgewinkelte, sich verjüngende Stufe (132') zwischen Nutenabschnitten (128', 130'), die verschiedene Tiefen haben, aufweist.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 6, bei der mindestens einer (128') der Nutenabschnitte eine derartige Verjüngung hat, daß die Nutentiefe von mindestens einem der Abschnitte schräg zu der Oberfläche der Dichtfläche (124) ansteigt, wenn fortlaufend in einer Richtung weg von der Umfangskante (134), in die die Nuten (122') münden, gemessen wird.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 8, bei der mindestens einer (128') der Nutenabschnitte eine derartige Verjüngung hat, daß die Nutentiefe des mindestens einen Abschnittes (128') schräg zu der Oberfläche der Dichtfläche (122') ansteigt, wenn fortlaufend in einer Richtung weg von der Umfangskante (128'), in die die Nuten (124') münden, gemessen wird.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 8, bei der mindestens einer der Nutenabschnitte (128') eine derartige Verjüngung hat, daß die Nutentiefe des mindestens einen Abschnittes (128') schräg zu der Oberfläche der Dichtfläche (122') ansteigt, wenn fortlaufend in einer Richtung weg von der Umfangskante (134'), in die die Nuten (124') münden, gemessen wird.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 8, bei der mindestens einer (128') der Nutenabschnitte an der Verjüngung zwischen ungefähr 7,5 mm (300 Mikrozoll) tief an der Umfangskante (134'), in die die Nuten (124') münden, und ungefähr 2,5 mm (100 Mikrozoll) tief unmittelbar angrenzend an das in Um fangsrichtung verlaufende Segment, das den Damm (123') bildet, ist.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, bei der beide Ringe eine sekundäre Dichtung (196, 240, 340) enthalten, die der radialen Stirnfläche (178, 278) eines jeden Ringes (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) entfernt von der Dichtfläche (54, 62, 86, 86', 102, 122, 122', 142, 164, 172, 264, 272) zugeordnet ist, wobei jede sekundäre Dichtung (196, 240, 340) einen kleinen Dichtungsdurchmesser (rSD) hat, wobei der Dichtungsdurchmesser der sekundären Dichtung (240, 340) für den axial beweglichen Ring (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) im wesentlichen identisch zu dem Dichtungsdurchmesser (rSD) der sekundären Dichtung (196) des anderen Ringes (52, 162, 262) ist.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, wobei der Dichtungsdurchmesser (rSD) des axial beweglichen Ringes (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) ferner einen Dichtungsdurchmesser umfaßt, der eine Nutenausgleichsbeziehung zwischen dem Dichtungsdurchmesser (rSD) der sekundären Dichtung (240, 340) des axial beweglichen Ringes und der radialen Breite des Nutenbereichs (89, 104) gemäß der folgenden Gleichungen bildet:
wobei rSD der Radius von der Mittellinie CL bis zu dem Dichtungsdurchmesser rSD der sekundären Dichtung (240, 340) des primären Ringes ist, rID der Radius von der Mittellinie CL bis zu der Innendurchmesser-Umfangskante (rID) der Dichtfläche ist, rOD der Radius von der Mittellinie CL bis zu der Außendurchmesser-Umfangskante (81, 94, 134, 134') der Dichtfläche ist; und rg der Radius von der Mittellinie CL bis zu dem in Umfangsrichtung verlaufenden Endsegment der Nuten (64, 88, 88', 106, 124, 124', 144, 146) ist; und der Nutenausgleich im Bereich zwischen ungefähr 0,20 und ungefähr 0,85 ist.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 14, bei der der Nutenausgleich im Bereich von ungefähr 0,23 bis ungefähr 0,50 ist.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 15, bei der der Nutenausgleich ungefähr 0,3 ist.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 14, ferner mit einer Dichtungsausgleichsbeziehung zwischen dem Dichtungsdurchmesser (rSD) des axial beweglichen Ringes der sekundären Dichtung (240, 340) und der radialen Breite des Nutenbereichs (89, 104), gemäß der folgenden Gleichung gebildet:

wobei rSD der Radius von der Mittellinie zu dem Dichtungsdurchmesser des Ringes der primären Dichtung (240, 340) ist, rID der Radius von der Mittellinie zu der Innendurchmesser-Umfangskante der Dichtfläche ist; rOD der Radius von der Mittellinie zu der Außendurchmesser-Umfangskante (81, 94, 134, 134') der Dichtfläche ist; und der Dichtungsausgleich in einem Bereich zwischen ungefähr 0,78 bis ungefähr 0,82 ist.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 17, bei der der Dichtungsausgleich ungefähr 0,81 ist.
Spalt-Gleitringdichtungsanordnung, die eine erste Dichtung (160) nach Anspruch 1 hat, und ferner eine zweite Dichtung (260) aufweist, die außerhalb der ersten Dichtung (160) angeordnet ist, wobei die erste (160) und die zweite (260) Dichtung ferner axial entlang der Welle (12) angeordnet sind und zwischen sich eine Zwischenkammer (226) bilden, die eine Einrichtung für einen Anschluß an eine Quelle eines relativ inerten Druckgases (224) enthält.
Spalt-Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 19, bei der die erste Dichtung (160) einen Dichtungsausgleich von ungefähr 0,78 und die zweite Dichtung (260) identische Elemente zu der ersten Dichtung (160) hat und ferner einen Dichtungsausgleich von ungefähr 0,81 enthält.
Spalt-Gleitringdichtungsanordnung nach den Ansprüchen 19 und 22, bei der die erste innere Dichtung (160) einen Nutenausgleich von ungefähr 0,3 und die zweite äußere Dichtung (260) einen Nutenausgleich zwischen ungefähr 0,4 und ungefähr 0,5 hat.
Spalt-Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Dichtung (160) Nuten enthält, die eine nachlaufende Kante (87) haben, die in einem Winkel α relativ zu der Umfangskante (81, 94, 134, 134') in die Nuten öffnen, in einem Bereich zwischen ungefähr 16° und ungefähr 22° ist.
Spalt-Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 22, bei der der Winkel α ungefähr 19° beträgt.
Spalt-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, wobei ferner der axial bewegliche Ring (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) gegen die Welle (12) abgedichtet ist, und der andere Ring (52, 162, 262) gegen das Gehäuse (152) abgedichtet ist, wobei jegliche Abweichung von einer axialen konzentrischen Ausrichtung der Dichtfläche (54, 164, 264) des anderen Ringes relativ zu der Welle (12) von der axialen Vorspanneinrichtung (186, 286) aufgenommen wird, die die gegenüberliegende zusammenpassende Dichtfläche (62, 86, 86', 102, 122, 122', 142, 172, 272) des axial beweglichen Ringes (60, 80, 80', 100, 120, 120', 140, 170, 270) ausrichtet und positioniert.