DE8900525U1

DE8900525U1 - Gleitringdichtung zur Abdichtung eines gasförmigen Mediums

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Publication number: DE8900525U1
Application number: DE8900525U
Authority: DE
Original assignee: Feodor Burgmann Dichtungswerke & Co 8190 Wolfratshausen De GmbH
Current assignee: Feodor Burgmann Dichtungswerke & Co 8190 Wolfratshausen De GmbH
Priority date: 1989-01-18
Filing date: 1989-01-18
Publication date: 1990-05-23
Anticipated expiration: 1999-01-19

Description

■ DipL-mg. K. EMPL

Oipl.-lng.Dipl.-Wirtsch.-lna.K.FEHNERS J 8. ·&Igr;&agr;&Pgr; 1989

Schumannstraße 2 ' ^w> ""· ^l30·?

D-8000 München 80

Anwaltsakte: GM 25 757

Feodor Burgmann Dic^htungswerke GmbH & Co. D-8190 Wolfratshausen 1

Gleitrindichtung zur Abdichtung eines gasförmigen Mediums.

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung zur Abdichtung einer durch eine Wandung herausgeführten umlaufenden Welle gegen den Durchtritt eines gasförmigen Mediums, mit einem drehfest an der Wandung gehaltenen und gegen diese durch eine Sekundärdichtung mit einem hydraulisch wirkj§ samen Durchmesser abgedichteten ersten Ringkörper, der eine in einer zur Drehachse der Welle lotrechten Ebene gelegene kreisringförmige erste & Stirnfläche aufweist und mit einem drehfest an der rotierenden Welle ge- $ haltenen und gegen diese mit einer Sekundärdichtung abgedichteten zwei-

^!| ten Ringkörper, der eine der ersten Stirnfläche zugekehrte, ebene,

* kreisringförmige zweite Stirnfläche aufweist, die an der ersten Stirnfläche unter Bildung gemeinsamer ringförmiger Dichtflächen (Berührungs-

flächen) zur Anlage bringbar ist, durch welche, jeweils in zur Drehachse konzentrischer Anordnung, ein in einem mit dem abzudichtenden gasförmigen Mediunr, beaufschlagten, einen höheren Druck aufweisenden Raum enthal-

ter.er erster Begrenzungskreis, ein in einem Raum mit niedrigerem Druck enthaltener zweiter Begrenzungskreis, sowie ein zwischen diesen verlaufender zentraler Begrenzungskreis definiert ist, wobei der erste Ringkörper in Richtung der Drehachse verschieblich und durch wenigstens eine Feder gegen den zweiten Ringkörper vorgespannt ist und wobei aus der Stirnfläche des zweiten Ringkörpers mehrere gleichgeformte und um gleiche Winkel versetzt ar-jeordnete Gasfördernuten mit von Kreisteilen gebildeten seitlichen Grenzen herausgearbeitet sind, deren Tangenten an die hintere seitliche Grenze und an den ersten Begrenzungskreis im gemeinsamen Punkt einen Winkel ['von 10° bis 30° bilden, und welche mit ihren Spitzen entgegengesetzt zur Drehrichtung weisen, und die von ihren an dem ersten Begrenzungskreis gelegenen Einlaßenden ausgehen, sich zwischen die Dichtflächen erstrecken und mit ihren geschlossenen Nutenden auf dem zentralen Begrenzungskreis liegen, wobei durch eine relative Drehbewegung der beiden Ringkörper gasförmiges Medium zwischen die Dichtflächen eingeschleppt und ein Druckpolster aufgebaut wird, das die Dichtflächen trennt.

Gleitringdichtungen in dieser Ausbildung werden insbesondere zum Abdichten von Verdichterwellen verwendet. Sie bieten den Vorteil, daß sie beim Stillstand geschlossen sind jnc im Betrieb (bei hohen Drehzahlen und Drücken) berührungsfrei arbeiten, benötigen aber zur Abführung der im Betrieb erzeugten Wärme eine beachtliche Kühlgasmenge.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleitringdichtung mit verbessertem Betriebsverhalten zu schaffen, die insbesondero eine Reduzierung der

Wärmeerzeugung im Dichtspaltbereich und damit eine Verminderung der notwendigen Kühlgasmenge erlaubt.

Ausgehend von einer Gleitringdichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch eine spezielle Auswahl der Tiefe der Gasfördernuten sowie der Stegbreiten- und Belastungsverhältnisse und die gegenseitige Zuordnung dieser Parameter gelöst und zwar dadurch, daß die Gasfördernuten bei Ausbildung mit unter einen Winkel zur Dichtfläche verlaufenden Nutböden an einer durch den Schnitt einer mittig'zwischen den seitlichen Grenzen der Gasfördernut verlaufenden Linie mit einem mittig zwischen dem ersten Begrenzungskreis und dem zentralen Begrenzungskreis gezogenen Kreis definierten Meßstelle eine Tiefe von 2,5 - 3,75 um aufweisen, daß das Stegbreitenverhältnis, berechnet nach der Formel

s	^d1 -^d2	bei der	Aussendruckbeaufscniagung
	^d2-^d3	(Fig. 2	, 3, 4)
&sfgr;	^d2 - ^d1	bei der	Innendruckbeaufsch lagung
	Durchmesser	(Fig. 5	u. 6), wobei
^d1	des ersten Begrenzungskreises

Durchmesser des zweiten Begrenzungskreises und Durchmesser des zentralen Begrenzungskreises

innerhalb der Grenzen O < s < 0,5 liegt, und daß der Belastungsfaktor k, berechnet nach der Ferne 1

_k _ bei der Aussendruckbeaufschlagung

d², - d

d' - d², _uncj &ggr; _ bei der Innendruckbeaufschlagung,

d²p - d²- wobei

e = wirksamer Durchmesser der Sekundärdichtung des in Richtung der Drehachse verschiebtichen ersten Ringkörpers und

d^dp = die vorhergehend definierten Durchmesser, größer als 0,9 ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung wird erfindungsgemäß erreicht, wenn das Belastungsverhältnis k innerhalb der Grenzen 0,9^, k fc 1 liegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet der Nutboden wenigstens näherungsweise eine ebene Fläche, welche an der bezogen auf relative Bewegung des die Gasfördernuten enthaltenden Ringkörpers hinten liegenden Grenze in die Stirnfläche übergeht, und welche an der vorne liegenden Grenze, gemessen an zur Drehachse koaxialen Zylinder-

^! flachen» die größte Tiefe aufweist, wobei diese grüßte Tiefe ausgehend

von einem Maximalwert am Einlaßende zum geschlossenen Nutende stetig bis auf einen Wert von nahezu Null abnimmt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

; Fig. 1 einen Längsschnitt durch die obere Hälfte einer einge-

i bauten, für äußere Druckbeaufschlagung ausgebildete

Dichtungsanordnung;

^; Fig. Z einen Längsschnitt durch die in der Dichtungsanordnung

der Fig. 1 enthaltenen Gleitringdichtung;

ij Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III - III in Fig. 1;

% Fig. 4 eine teilweise perspektivische Ansicht des Gasförder-

iv nuten enthaltenden, mit der Welle umlaufenden Ring-

c körpers, ausgebildet für eine der Fig. 3 entgegengesetzte

Drehrichtung

Fig. 5 einen Längsschnitt durch den oberen Teil einer Gleitringdichtung für innere Druckbeaufschlagung und

Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie VI - VI in Fig. 5.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, erstreckt sich eine um ihre Achse 1 umlaufende Welle 2 durch eine Bohrung 3 in einer stirnseitigen Wandung 4 eines Dichtungsgehäuses 5. Die Wandung 4 trennt einen erster Raum 6, welcher ein ^s unter einem Druck p, enthält, von einem zweiten Raum 7, dessen Druck p~ niedriger als der Druck p. ist. Im Bezieh der Bohrung 3 steht von der Wandung 4 ein rohrförmiger Kragen 8 zum ersten Raum 6 vor, auf dessen zylindrischer äußerer Umfangsflache 8a ein Stützring 9 axial verschieblich angeordnet und durch eine als O-Ring ausgebildete Sekundärdichtung 10 abgedichtet ist'. Ein nicht dargestellter, an der Wandung 4 fester achsparalleler Stift steht in eine Sacklochbohrung des Stützringes 9 ein und hindert diesen an einer Verdrehung. Eine Mehrzahl von Schraubendruckfedern 11 spannt den Stützring 9 axial in Richtung zum ersten Rauih 6 vor. Ein drehfest mit dem Stützring 9 verbundener und gegen diesen mit einer Hilfsdichtung 12 abgedichteter erster Ringkörper 13 bildet den axial verschieblichen Gleitring, welcher eine dem ersten Raum 6 zugekehrte, zur Achse 1 konzentrisch angeordnete kreisringförmige erste Stirnfläche 13a aufweist, die in einer zur Achse 1 lotrechten Ebene liegt und völlig eben ist, d. h. weder Nuten noch eine anderweitig strukturierte Oberfläche besitzt.

Diese erste Stirnfläche 13a ist mittels der Federn 11 gegen eine zweite, ebenfalls in einer zur Achse 1 lotrechten Ebene gelegene Stirnfläche 15a gepreßt, welche an einem· zweiten Ringkörper 15, dem Gegenring, ausgebil-

det ist. Die gemeinsamen Berührungsflächen der beiden Stirnflächen 19a, 15a ergeben die Gleitflächen 16, 17, welche zwischen einem ersten Begrenzungskreis 18, an welchem der höhere Druck P₁ des ersten Raumes 6 ansteht und einem zweiten Begrenzungskreis 19 gelegen sind, an welchem der¹ niedrigere Druck p&ldquor; des zweiten Raumes 7 ansteht. Die zweite Stirnfläche 15a ist, abgesehen von an späterer Stelle noch näher erläuterten Gasfördernuten, eben.

Der zweite Ringkörper 15 (Gegenring) stützt sich-mit dem radial inneren Teil seiner von der zweiten Stirnfläche 15a abgekehrten anderen axialen Stirnfläche an einem von der Welle 2 radial nach außen vorstehenden Wellenbund 14 ab und wird gegen diesen mittels einer Druckhülse 20 drehfest vorgespannt, wobei zur Verbesserung der Drehmomentübertragung ein (nicht dargestellter) achsparalleler Stift, der in Sacklochbohrungen des Wellenbundes 14 und des Ringkörpers 15 einsteht, vorgesehen werden kann. Die Welle 2 ist gegen den zweiten Ringkörper 15 durch eine von einem O-Ring gebildete Hilfsdichtung 21 abgedichtet, welche in einer Ringnut der Welle angeordnet ist.

Das Dichtungsgehäuse 5 bildet eine den Stützring 9 und die beiden Ringkörper (Gleit- und Gegenring) umschließende Kammer 5¹, welcher mit dem den höheren Druck p. aufweisenden Raum 6 durch eine Drossel strecke verbunden ist, welche von einem Labyrinth 5b im Gehäusedeckel 5a gebildet ist. In die Kammer 5' mündet wenigstens eine Bohrung 5c zur Zuführung eines Sperrgases und/oder zur Zirkulation eines Kühlgases.

Die in der Fig. 3 und 4 veranschaulichten, für die vorstehend beschriebene außenbeaufschlagte Gleitringdichtung bestimmten Gasfördernuten 22 weisen jeweils seitliche Grenzen 23, 24 auf, mit denen die Nut-Seitenwände in die Stirnfläche 15a und die darin enthaltene Gleitfläche 17 übergehen. Dabei wird bei der Erläuterung der Erfindung als hintere seitliche Grenze 23 diejenige angesehen, welche beim Umlauf der Welle 2 in der durch einen Pfeil angegebenen, betriebsmäßig vorgesehenen Drehrichtung R und der sich dadurch ergebenden Relativbewegung zur nicht rotierenden Gleitfläche 16 zuletzt einen gedachten festen Punkt an dieser Gleitfläche 16 passiert.

Alle Gasfördernuten 22 sind gleich geformt und sind in gleichen Winkelabständen zueinander an der Stirnfläche 15a des zweiten Ringkörpers 15 angeordnet. Jede Nut weist ein (unter Mitwirkung der Gleitfläche 16 des ersten Ringkörpers 13) geschlossenes Nutende 22b auf, das einen Abstand zum ersten Begrenzungskreis 18 einhält und die Lage eines zentralen Be- | grenzungskreises 25 bestimmt. Das geschlossene Nutende 22b ist daher benachbart zu dem den niedrigeren Druck p₂ aufweisenden Raum 6 angeordnet, steht mit diesem Raum aber nicht in Verbindung, abgesehen von einem Leckageweg in dem zwischen den beiden Gleitflächen 16, 17 gebildeten Dichtspalt. Ausgehend von diesem geschlossenen Nutende 22b erstreckt sich die Gasfördernut 22 über die Gleitfläche 17 zu ihrem am ersten Begrenzungskreis 18 gelegenen offenen Nutende 22a, d. h. das Innere der ^ Nut erhält eine Verbindung mit dem den höheren Druck p. aufweisenden Raum 6.

Jede der beiden seitlichen Grenzen 23, 24 einer Gasfördernut 22 ist durch eine kreisförmig gekrümmte Linie gebildet, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß sich die beiden Grenzen an einem innerhalb der Gleitfläche 17 gelegenen Punkt, dem geschlossenen Nutende 22b, treffen. Jede r Gasfördernut hat daher in der Draufsicht auf die Gleitfläche 17 die Gej stalt einer Sichel, deren in dem geschlossenen Nutende 22b auslaufende | Spitze entgegengesetzt zur Drehrichtung R des zweiten Ringkörpers 15 weist (vergl. Fig. 3). Die, bezogen auf diese Drehrichtung R hintere Grenze 23, schneidet den ersten Begrenzungskreis-18 in einem Punkt B. Eine an die hintere seitliche Grenze 23 angelegte, durch den Punkt B ge- | hende erste Tangente T₁ bildet mit einer durch den gleichen Punkt B gehenden, an den ersten Begrenzungskreis 18 angelegt«zweiten Tangente T₂ einen Winkel (&Idigr; von 10° bis 30°.

Der Nutboden 22' jeder Gasfördernut 22 verläuft so unter eic.em kleinen Winkel (vergl. Fig. 2) zur Gleitfläche 17, daß die Tiefe der Gasfördernut vom geschlossenen Nutende 22b zu dem am ersten Begrenzungskreis 18 gelegenen offenen Nutende 22a zunimmt, wobei an einer Meßstelle S die Tiefe einen Wert zwischen und 2,5Mm - 3,75&mgr;&tgr;&eegr; besitzt. Diese Meßstelle S ist durch den Schnittpunkt eines mittig zwischen dem ersten Begrenzungskreis 18 (mit dem Durchmesser &oacgr;.) und dem zentralen Begrenzungskreis 2$ (mit dem Durchmesser d₃) verlaufenden Kreises 26 (mit dem Durchmesser d.) mit einer Linie A definiert, welche mittig zwischen der hinteren seitlichen Grenze 23 und der vorderen seitlichen Grenze 24 verläuft.

Bezeichnet d_? den Durchmesser des dem niedrigeren Druck p, ausae-

• · &igr; '

setzten zweiten Begrenzungskreises 19, und dp den wirksamen Durchmesser der Sekundärdichtung 10 des in Richtung der Achse 1 verschieblichen ersten Ringkörpers 13 und unter Beachtung der für die Durchmesser d. und d₃ vorstehend angegebenen Bedeutung, ist die Dimensionierung der Gasfördernuten so vorzusehen, daß das Stegbreitenverhältnis s bei Berechnung nach der Formel

d₃-d₂

^d1"^d2

innerhalb der Grenzen 0 < s l 0,5 liegt, und der Belastungsfaktor k bei Berechnung nach der Formel

größer als 0,9 ist und vorzugsweise innerhalb der Grenzen 0,9 ^ k ^. 1 liegt.

Der Nutboden 22' bildet bei allen beschriebenen Ausführungsformen eine näherungsweise ebene Fläche, welche an der hinten liegenden Grenze 23 in die Gleitfläche 17 übergeht und an der vorne liegenden Grenze 24 die größte Tiefe aufweist, wobei diese Tiefe am peschlossenen Nutende 22b Null bzw. nahezu Null beträgt (vergl. die in Fig. 4 veranschaulichte Variante mit einem im wesentlichen dreieckförmigen Nutquerschnitt). Die Gasfördernut kann aber auch einen Nutboden 22' aufweisen, der mit zwei

Seitenwänden an der seitlichen hinteren bzw. seitlichen vorderen Grenze 23 bzw. 24 in die Gleitfläche 17 übergeht.

Eine Gleitringdichtung mit innerer Druckbeaufschlagung, bei welcher der höhere Druck an dem dann radial innen von der Gleitfläche 1/ liegendem ersten Begrenzungskreis 18 (mit dem Durchmesser &aacgr;.) ansteht, ist in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht. Die Gasfördernut 22 weist dabei unter analoger Heranziehung der für die Meßstelle S gegebenen Definition ebenfalls einen Wert zwischen 2,5gm - 3,75gm auf; Ebenfalls unter Heranziehung der früher gegebenen Definition für die Durchmesser d. bis d-, sowie für den Durchmesser dp ist für den Fall der inneren Druckbeaufschlagung die Dimensionierung der Gasfördernuten so vorzusehen, dad das Stegbreitenverhältnis s bei der Berechnung nach der Formel

^d2"^d3

^d2"^d1

innerhalb der Grenzen 0 &Dgr; s i. 0,5 liegt, und der Belastungsfaktor k bei Berechnung nach der Formel

größer als 0,9 ist und vorzugsweise innerhalb der Grenzen 0,9^ k

Bei allen Ausführungsformen kann die zweite Stirnfläche 15a des mit der Welle 2 umlaufenden zweiten Ringkörpers 15 einen größeren Durchmesser als die Stirnfläche 13a des ersten Ringkörpers 13 aufweisen, und es können sich die Gasfördernuten 22 über die Gleitfläche 17 hinaus in den vorstehenden ringförmigen Teil der zweiten Stirnfläche 15a erstrecken, wie er in u&f Fiy. 5 verWiSChäüliCiit. ist.

Claims

DipNng. K, EMPL Dlpl.-Ing., Dipl.-Wirtech.-Ing. K. FEHNERS Schumannstraße 2 D-8000 München 80 Anwaltsakte: GM 25 SCHUTZANSPRÜCHE

1. Gleitringdichtung zur Abdichtung einer durch eine Wandung herausgeführtsn umlaufenden Welle gegen den Durchtritt. <??"<?? gasfnrmigpn Mediums, mit einem drehfest an der Wandung gehaltenen und gegen diese durch eine Sekundärdichtung mit einem hydraulisch wirksamen Durchmesser abgedichteten ersten Ringkörper, der eine in einer zur Drehachse der Welle lotrechten Ebene gelegene kreisringförmige erste Stirnfläche aufweist und mit einem drehfest an der rotierenden Welle gehaltenen und gegen diese mit einer Sekundärdichtung abgedichteten zweiten Ringkörper, der eine der ersten Stirnfläche zugekehrte, ebene, kreisringförmige zweite Stirnfläche aufweist, die an der ersten Stirnfläche unter Bildung gemeinsamer ringförmiger Dichtflächen (Berührungsflächen) zur Anlage bringbar ist, durch weiche, jeweils in zur Drehachse konzentrischer Anordnung, ein in einem mit dem abzudichtenden gasförmigen Medium beaufschlagten, einen höheren Druck aufweisenden Raum enthaltener erster Begrenzungskreis, ein in einem Raum mit niedrigerem Druck enthaltener zweiter Begrenzungskreis, sowie ein zwischen diesen verlaufender zentraler Begrenzungskreis definiert ist, wobei der erste Ringkörper in Richtung der Drehachse verschieblich und durch wenigstens eine Feder gegen den zweiten Ringkörper vorgespannt ist und wobei aus der Stirnfläche des zweiten Ringkörpers mehrere gleichgefornrte und um gleiche Winkel versetzt angeordnete Gasfördernuten mit von Kreisteilen gebildeten seitlichen Grenzen herausgearbeitet sind, deren Tangenten an die

> · Il

- II -

hintere seitliche Grenze und an den ersten Begrenzungskreis im gemeinsamen Punkt einen Winkel &rgr; von 10° bis 30° bilden, und welche mit ihren Spitzen entgegengesetzt zur Drehrichtung weisen, und die von ihren an dom ersten Begrenzunqskreis gelegenen Einlaßenden ausgehen, sich zwischen die Dichtflächen erstrecken und mit ihren geschlossenen Nutenden auf dem zentralen Begrenzungskreis liegen, wobei durch eine relative Drehbewegung der beiden Ringkörper gasförmiges Medium zwischen die Dichtflächen eingeschleppt und ein Druckpolster aufgebaut wird, das di-i Dichtflächen trennt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasförd<^rnuten (22) bei Ausbildung mit untfer einen Winkel zur Gleitfläche (17) verlaufenden Nutböden (22¹) an einer durch den Schnitt einer mittig zwischen den seitlichen Grenzen (23, 24) der Gasfödernut verlaufenden Linie (A) mit einem mittic zwischen dem ersten Begrenzungskreis (18) und dem zentralen Begrenzungskreis (27) gezogenen Kreis (26) definierten Meßstelle (S) eine Tiefe von 2,5 - 3,75 &mgr;&pgr;&igr; aufweisen, daß das Stegbr^itenverhältnis (s), berechnet nach der Formel

bei der Aussendruckbeaufschlagung (Fig. 2, 3, 4)

_un(j _s _ bei der Innendruckbeauf sch lagung

(Fig. 5 u. 6), wobei

^d3 -^d2 ^d1 "^d2 ^d2 "^d3 ^d? "^d1

- Ill -

. = Durchmesser des ersten Begrenzungskreises (18)

dp = Durchmesser des zweiten Begrenzungskreises (19) und d₃ = Durchmesser des zentralen Begrenzungskreises (27)

innerhalb der Grenzen O <. s 4 0,5 liegt, und daß der Belastungsfaktor (k), berechnet nach der Formel

_k _ ~_ bei der Aussendruckbeaufschlagung

E 1 _{und k} _ bei der Innendruckbeaufsch lagung,

- d*. wobei

d = wirksamer Durchmesser der Sekundärdichtung (10) des

in Richtung der Achse (1) verschieblichen ersten Ringkörpers und

d.,dp = die vorhergehend definierten Durchmesser, größer als 0,9 ist.

sfl

- IV -

2. Gleitringdichtung nach Anspruch 1_S dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsfaktor (k) innerhalb der Grenzen
0,9 4. k£ 1 liegt.

3. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurchgekenn- I

zeichnet, daß der Nutboden (22¹) wenigstens näherungsweise eine j ebene Fläche bildet, welche an der bezogen auf relative Bewegung des die j Gasfördernuten (22) enthaltenden Ringkörpers (15) hinten liegenden Gren- ]

ze (23) in die Gleitfläche (17) übergeht, und welche an der vorne liegenden Grenze (24), gemessen an zur Achse (1) koaxialen Zylinderflächen, j die größte Tiefe aufweist, wobei diese größte Tiefe ausgehend von einem Maximalwert am Einlaßende (22a) zum geschlossenen Nutende (22b) stetig bis auf einen Wert von nahezu Null abnimmt.