EP2350504A1 - Gleitring für eine gleitringdichtung - Google Patents

Gleitring für eine gleitringdichtung

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Publication number
EP2350504A1
EP2350504A1 EP09777936A EP09777936A EP2350504A1 EP 2350504 A1 EP2350504 A1 EP 2350504A1 EP 09777936 A EP09777936 A EP 09777936A EP 09777936 A EP09777936 A EP 09777936A EP 2350504 A1 EP2350504 A1 EP 2350504A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sliding ring
groove
ring according
sliding
peripheral side
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09777936A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Nöll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SURCOATEC AG
Original Assignee
SURCOATEC INTERNAT AG
Surcoatec International AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SURCOATEC INTERNAT AG, Surcoatec International AG filed Critical SURCOATEC INTERNAT AG
Publication of EP2350504A1 publication Critical patent/EP2350504A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3404—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal
    • F16J15/3408—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface
    • F16J15/3412—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with cavities

Definitions

  • the invention relates to a sliding ring for a mechanical seal, with at least one groove arranged on an upper side of the sliding ring.
  • Slip rings and counter rings are the two main components of a mechanical seal.
  • a sliding ring the axially movable sealing ring of a mechanical seal is called. He is usually pressed by a spring to the mating ring.
  • the counter ring usually sits rigidly in the stationary part or in the housing, the sliding ring, however, is usually mounted on the rotating shaft. Sliding ring and counter ring are constantly in contact in many cases. One calls them also as Gegenlaufpare. They can be made of the same material, but often also form different materials, the mating pairs.
  • the group of carbon materials includes carbon graphite, electrographite and resin-bonded carbon.
  • the second group includes silicon carbide, aluminum oxide and tungsten carbide.
  • the third group the group of metallic materials, includes steel, cast iron and chrome casting.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • silicon carbide Due to their good tribological properties, they have replaced the metallic materials such as chrome casting, chrome molybdenum nut and chromium-nickel molybdenum steel as hard partners in mechanical seals.
  • silicon carbide has acquired the greatest importance here because of its excellent properties. Silicon carbide is light (density: 3 g / cm 3 ) and extremely hard (Vickers hardness: 1500 to 3000 HV). This silicon carbide is very wear-resistant, very good thermal conductivity and has about twice as large elastic modulus as chrome steel. Furthermore, silicon carbide has a very good chemical resistance and corrosion resistance. Due to the importance of silicon carbide, a number of other specialty ceramics based on silicon carbide have been developed.
  • Mechanical seals are also called dynamic seals and take over the sealing of rotating waves against a wall, for example, to a
  • Machine housing belongs. Main components are the already mentioned successive sliding components, the mostly feathered sliding ring and a counter ring. One of the two rings sits rigidly in the stationary part, i. in the case, the other is with the help of
  • Anti-rotation pins mounted on the rotating shaft.
  • the surfaces between these two parts are usually flat depending on the type of mechanical seal and are usually made of carbon-graphite materials, metal, ceramic, plastic or resin-bonded carbon.
  • Two groups of mechanical seals can be distinguished: the axial and the radial mechanical seal.
  • the feed head gaskets which are also called steam head gaskets, and ball valve seals.
  • the radial seals can be subdivided into gap seals and contact seals.
  • the opposing axial or radial sealing surfaces rotate relative to each other and form a primary sealing gap.
  • the surrounding medium creates a liquid or gaseous lubricating film between the sealing surfaces.
  • the sealing of the mechanical seal parts with respect to the shaft or housing is generally carried out with secondary seals in the form of additional O-rings or sleeves.
  • mechanical seals basically consist of five components: the sliding ring, the mating ring, the feathering and one secondary seal each. Depending on the design of the seals, the number of components can be reduced or significantly increased.
  • Hard-soft pairing refers to a combination of sliding parts in which one of the sliding partners is significantly softer than the other, thus more easily worn, but also has better emergency running properties under unfavorable lubrication conditions.
  • Hart-Hart pairings both sliding rings are made of hard and wear-resistant material. This pairing is mainly used in abrasive products, but has poor emergency running properties.
  • the absolutely flat design of the sliding surfaces and the roughness depth are of crucial importance for the tightness and wear. They are therefore usually u.a. lapped and polished.
  • Main applications for mechanical seals include pumps for service water, feed water, car radiators or air conditioners, agitators, centrifuges or water turbines. These are mechanical seals for shaft diameters of approx. 5 to 630 mm, pressures of approx. 0.01 to 300 bar, temperatures of about -200 to +450 ° C and sliding speeds of up to about 150 m / s known.
  • the gaskets are roughly divided into contact gaskets and non-contact gaskets, as well as the type of relative movement of the parts to be sealed against each other: static (no movement), translational (back and forth) and rotary (rotating).
  • the seals have the task of preventing or limiting unwanted mass transfer from one room to another. For example, the unwanted leakage or the mixing of substances should be prevented, for example, to reduce pressure or temperature changes.
  • seals can also take on other functions, such as the function of an electrical insulator, or serve for heat conduction or heat dissipation or power transmission.
  • a mechanical seal belongs to the group of rotary seals, since the relative movement of the sealing elements is of a rotary nature.
  • mechanical seals can have grooves, also called throats.
  • the groove or throat is an elongated depression or groove.
  • the groove may, for example, have a rectangular cross-section or be designed in a trapezoidal shape with an outwardly slanted wall or as a dovetail.
  • grooves serve to fix, guide or sink components.
  • grooves serve as "counterparts" to seals.
  • a Venturi nozzle also called Venturi tube, consists of a smooth-walled pipe section with a narrowing of the cross-section, for example, by two oppositely directed Konen, which are united at the point of their smallest diameter. At this point a pick-up tube is placed next to it. If a gaseous or liquid medium flows through the Venturi nozzle, the dynamic pressure or the dynamic pressure at the narrowest point of the tube is maximal and the static pressure or the static pressure is minimal. The velocity of the flowing fluid, ie the flowing gas or the liquid, increases in proportion to the cross sections as it flows through the constricted part, because the same amount flows through everywhere. At the same time, the pressure in the pick-up tube, which sits exactly in the narrow part, decreases. This creates a differential pressure that is then used in a variety of measuring instruments or for the suction of liquids or gases. The pressure difference is given in ideal gases and liquids, ie in incompressible media and without friction, by the Bernoulli equation.
  • Venturi nozzles are today in the art in a variety of applications, because they work low maintenance and cost.
  • the pressure is the least where the cross-section of the tube is closest or the flow velocity is highest.
  • WO 2006/005359 A1 discloses a mechanical seal assembly comprising at least one pair of sealingly cooperating seal rings, one of which is mountable on a rotating member for conjoint rotation therewith.
  • the other slide ring is held non-rotating relative to a stationary component.
  • the arrangement comprises a device for centering the rotating component relative to the stationary component.
  • the engaging in the grooves centering element is in at least the taken in the rotating component groove with clearance in radial planes, so that a throttle gap is formed in the annular space and further the grooves are rotatable relative to each other.
  • the throttle gap causes a seal of a quench fluoride space with respect to the outside atmosphere, also an emergency seal is thereby created.
  • a sliding ring for a mechanical seal with at least one groove arranged on an upper side of the sliding ring, wherein the groove comprises a feed region leading to the peripheral side of the sliding ring, and wherein the feed region of the groove comprises a cross-sectional constriction.
  • the feeding area of the groove is arranged to allow access of a certain depth to the groove not only from the top and bottom of the sliding ring but also from the bottom Peripheral side of the sliding ring is possible.
  • cross-sectional constriction of the Zu Operationsbe 'realm of the groove is meant that the cross section of the feed area of the groove, more specifically the Querterrorismsfikiee is parallel to an upper side of the sliding ring, first close and then wider again. This means that the cross-sectional area until a constriction area, and then For this purpose, inserted special structures can be used, as described below, for example bevels or steps.
  • the cross-sectional constriction of the feed region comprises a slope, such as a linear straight line, also called leveling or ramp, a double slope, a plurality of steps and / or a butterfly-shaped structure.
  • a slope such as a linear straight line, also called leveling or ramp
  • the double slope corresponds to two consecutive slopes with the same slope and opposite signs.
  • stair steps are preferably designed on the slopes and / or double slopes, which are preferably designed in miniature.
  • the butterfly-shaped structure is lasered into the feed area of the groove.
  • This butterfly-shaped structure is also referred to as "butterfly lasering.”
  • the butterfly-shaped structure corresponds to at least two double bevels opposite the groove of the groove All the structures mentioned above support the Venturi nozzle effect, thereby reducing friction in a mechanical seal it is also possible to arrange the structures at one end of the groove or to combine different structures at different regions of the groove.
  • the cross-sectional constriction has a depth of ⁇ 6 microns the peripheral side of the sliding ring, preferably a depth of ⁇ 2 microns in the peripheral side of the sliding ring.
  • at least one delimiting wall of the groove has a continuous gradient in the peripheral side of the sliding ring.
  • the continuous slope corresponds to a linear slope.
  • the bottom of the groove has stored waves for increasing the back pressure. These waves produce more and / or stronger eddies because they contain a constriction, or a subsequent elevation, causing a so-called "pressure / suction pattern.” This further enhances the Venturi nozzle effect.
  • the slip ring comprises a material of silicon nitride (SiN), silicon carbide (SiC), hardened steel and / or a hard metal.
  • the hard metal preferably comprises tungsten nitrite (WoN) and / or tungsten carbide (WoC).
  • the material comprises a multilayer layer.
  • the multilayer layer preferably comprises a high-velocity oxygen fuel layer (HVOF layer) and / or a diamond-like carbon layer (DLC layer). The layers are preferably applied as multilayers.
  • the sliding ring is designed as a counter ring.
  • the mechanical seal is suitable for a fluid to flow through it.
  • the flowing fluid preferably comprises a gaseous medium or a liquid medium.
  • Fig. 1 shows a slide ring with a T-groove on a top according to a first preferred embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a plan view of the T-slot with butterfly laser according to a second preferred embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows the T-groove with a double slope at one end according to a third preferred embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows stored waves on the bottom of the T-groove according to a fourth preferred embodiment of the invention.
  • lift-off grooves are "lasered out” or engraved into the slip ring by means of a laser.
  • edge throw-up is meant an uneven sloping surface on the slide ring in the vicinity of the groove.
  • Fig. 1 shows a T-slot 1 arranged in a sliding ring 2, wherein the T-slot 1 was lasered on the top of the sliding ring 2.
  • the sliding ring 2 comprises a groove 1 arranged on an upper side.
  • the grooves are arranged concentrically, radially and / or axially in the sliding ring.
  • the T-slot 1 comprises a feed area 3 leading to the peripheral side of the sliding ring 2, so that the T-slot 1 is accessible not only from the upper side of the sliding ring 2 but also from the peripheral side of the sliding ring 2 is.
  • Fig. 2 shows a plan view of the T-slot 1 according to a second preferred embodiment of the invention.
  • the feed region 3 of the T-groove 1 has a butterfly-shaped structure or a butterfly laser. These are according to this second embodiment, two at the feed region 3 of the T-slot 1 opposite double slopes 4, wherein a double bevel 4 two consecutive
  • the feed region 3 of the T-groove 1 in Fig. 2 has a cross-sectional constriction.
  • Cross-sectional area parallel to an upper surface of the sliding ring 2 of Fig. 1 becomes first narrower and then wider again, i. the cross-sectional area has a constriction area and a broadening area.
  • the cross-sectional area can be lasered in addition to the double oblique 4 and / or on a slope miniature stairs, which further support the Venturi nozzle effect.
  • Fig. 3 shows a third preferred embodiment of the invention.
  • the T-slot 1 comprises at one end two successive bevels, ie a double bevel 4.
  • the double bevel 4 in Fig. 3 must therefore not necessarily be arranged on the feed section 3, but according to this third preferred embodiment also at one end to the wall the T-slot 1 can be arranged.
  • the cross-sectional constriction has a depth of ⁇ 6 ⁇ m in the peripheral side of the sliding ring 2. According to other preferred exemplary embodiments, the depth may have an even lower value, for example ⁇ 2 ⁇ m.
  • at least one bounding wall of the T-groove 1 has a continuous slope (not shown in FIG.
  • the continuous slope corresponds to a linear slope. According to other preferred embodiments, any continuous slopes are used. It is emphasized that ramped slopes are not suitable because they cause the lift-off effect to begin very late.
  • Fig. 4 shows a fourth preferred embodiment of the invention.
  • a T-groove 1 is shown.
  • the bottom of the T-slot 1 has embedded waves 6.
  • Such embedded waves additionally increase the dynamic pressure and thus further promote the Venturi nozzle effect.
  • "slip edges" at the end of the T-groove 1 are not incorporated in a 90 ° edge, but in a ramp with 45 ° slope, which also has miniature steps (not shown in Fig. 4).
  • the grooves can have any shape, such as T-shaped (T-grooves), spiral (spiral), rectangular, curved and / or curved.
  • the inserted structures in the groove lead to Liftwirbeln, which strongly support the lift-off effect of the counter-rotating sliding and counter rings.
  • a plurality of grooves are arranged on a sliding ring, wherein forms a vortex behind each groove.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mechanical Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleitring (2) für eine Gleitringdichtung, mit wenigstens einer auf einer Oberseite des Gleitrings (2) angeordneten Nut (1), wobei die Nut (1) einen auf die Umfangsseite des Gleitrings (2) führenden Zuführungsbereich (3) umfasst, wobei der Zuführungsbereich (3) der Nut (1) eine Querschnittsverengung umfasst. Damit wird der durch eine Nut hervorgerufene Lift-off-Effekt weiter verbessert und die Reibung einer Gleitringdichtung wesentlich verkleinert. Zudem erhöht sich die Lebensdauer solcher Dichtungen beträchtlich.

Description

GLEITRING FÜR EINE GLEITRINGDICHTUNG -
Die Erfindung betrifft einen Gleitring für eine Gleitringdichtung, mit wenigstens einer auf einer Oberseite des Gleitrings angeordneten Nut.
Gleitringe und Gegenringe sind die beiden Hauptkomponenten einer Gleitringdichtung. Als Gleitring wird der axial bewegliche Dichtring einer Gleitringdichtung bezeichnet. Er wird in der Regel von einer Feder an den Gegenring gepresst. Der Gegenring sitzt meist starr im stationären Teil bzw. im Gehäuse, der Gleitring hingegen ist meist auf der rotierenden Welle befestigt. Gleitring und Gegenring stehen in vielen Fällen ständig im Kontakt. Man bezeichnet sie auch als Gegenlaufpaare. Sie können aus dem gleichen Material bestehen, oft bilden aber auch unterschiedliche Werkstoffe die Gegenlaufpaare.
Als Gleitring oder Gegenring kommen eine Reihe unterschiedlicher Werkstoffe in Frage, die sich in vier Hauptgruppen unterteilen lassen: Kohlenstoffwerkstoffe, keramische Materialien, metallische Werkstoffe und Kunststoff. Zur Gruppe der Kohlenstoffwerkstoffe gehören u.a. Kohlenstoff-Graphit, Elektrographit und kunstharzgebundener Kohlenstoff. Zur zweiten Gruppe, der Gruppe der keramischen Materialien, gehören u.a. Siliziumcarbid, Aluminiumoxid und Wolframcarbid. Zur dritten Gruppe, der Gruppe der metallischen Werkstoffe gehören u.a. Stahl, Grauguss und Chromguss. Zur letzten Gruppe, der vierten Gruppe, gehört beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE). Im Folgenden wird hauptsächlich auf die keramischen Materialien eingegangen. Diese haben aufgrund ihrer guten tribologischen Eigenschaften als harter Partner in Gleitringdichtungen die metallischen Werkstoffe, wie Chromguss, Chrom-Molybdänguß und Chrom-Nickel- Molybdänstahl, abgelöst. Neben Aluminiumoxid^und Wolframcarbid hat hier vor allem das Siliciumcarbid aufgrund seiner ausgezeichneten Eigenschaften größte Bedeutung erlangt. Siliciumcarbid ist leicht (Dichte: 3 g/cm3) und extrem hart (Vickershärte: 1500 bis 3000 HV). Damit ist Siliziumcarbid sehr verschleißfest, sehr gut wärmeleitfähig und verfugt über eine etwa doppelt so großes Elastizitätsmodul wie Chromstahl. Des Weiteren weist Siliziumcarbid eine sehr gute chemische Beständigkeit und Korrosionsfestigkeit auf. Aufgrund der Bedeutung von Siliziumcarbid wurden inzwischen eine Reihe weiterer Spezialkeramiken auf Basis des Siliziumcarbids entwickelt.
Wichtig bei der Auslegung von Gleitringdichtungen ist die Materialauswahl. Die Art der Paarung hängt stark von den Einsatzbedingungen ab. Zur Abdichtung gasförmiger Medien etwa empfehlen sich Hart-Weich-Paarungen. In abrasiven Medien sind wiederum eher verschleißfeste Hart-Hart-Paarungen gefordert. Die Auswahl der geeigneten Werkstoffpaarung für die Gleitringdichtung muss sehr sorgfältig erfolgen.
Gleitringdichtungen werden auch dynamische Dichtungen genannt und übernehmen die Abdichtung rotierender Wellen gegenüber einer Wand, die beispielsweise zu einem
Maschinengehäuse gehört. Hauptkomponenten sind die bereits erwähnten aufeinander gleitenden Bauteile, der meist befederte Gleitring und ein Gegenring. Einer der beiden Ringe sitzt starr im stationären Teil, d.h. im Gehäuse, der andere ist mit Hilfe von
Verdrehsicherungsstiften auf der rotierenden Welle befestigt. Die Flächen zwischen diesen beiden Teilen sind abhängig von der Art der Gleitringdichtung zumeist plan und bestehen in der Regel aus Kohlenstoff-Graphit-Werkstoffen, Metall, Keramik, Kunststoff oder kunstharzgebundenem Kohlenstoff. Es lassen sich zwei Gruppen von Gleitringdichtungen unterscheiden: die axiale und die radiale Gleitringdichtung. Als Sonderformen der axialen Gleitringdichtung gelten die Speisekopfdichtungen, die auch Dampfkopfdichtungen genannt werden, und Kugelhahndichtungen. Die radialen Dichtungen lassen sich in Spaltdichtungen und Berührungsdichtungen unterteilen.
Die einander gegenüberliegenden axialen oder radialen Dichtungsflächen rotieren relativ zueinander und bilden einen primären Dichtspalt. Zwischen den Dichtflächen erzeugt das umgebende Medium je nach Aggregatzustand einen flüssigen oder gasförmigen Schmierfilm. Die Abdichtung der Gleitringdichtungsteile gegenüber Welle bzw. Gehäuse erfolgt in der Regel mit Nebendichtungen in Form von zusätzlichen O-Ringen oder Manschetten. Insofern bestehen Gleitringdichtungen im Prinzip aus fünf Bauteilen: dem Gleitring, dem Gegenring, der Befederung sowie je einer Nebendichtung. Je nach Bauart der Dichtungen kann sich die Anzahl der Bauteile reduzieren oder auch deutlich erhöhen.
Mit Hart-Weich-Paarung wird eine Kombination von Gleitteilen bezeichnet, in der einer der Gleitpartner deutlich weicher ist als der andere, dadurch leichter verschleißt, aber auch bessere Notlaufeigenschaften bei ungünstigen Schmierungsverhältnissen aufweist. Bei Hart- Hart-Paarungen sind beide Gleitringe aus hartem und verschleißfestem Material. Diese Paarung wird vor allem bei abrasiven Produkten eingesetzt, hat aber schlechter Notlaufeigenschaften. Für die Dichtheit und den Verschleiß sind neben der Materialpaarung vor allem auch die absolut plane Ausführung der Gleitflächen sowie die Rautiefe von entscheidender Bedeutung. Sie werden daher in der Regel u.a. geläppt und poliert.
Hauptanwendungsgebiete für Gleitringdichtungen sind u.a. Pumpen für Brauchwasser, Speisewasser, Autokühler oder Klimaanlagen, Rührwerke, Zentrifugen oder Wasserturbinen. Es sind Gleitringdichtungen für Wellendurchmesser von ca. 5 bis 630 mm, Drücke von ca. 0,01 bis 300 bar, Temperaturen von ca. -200 bis +450 °C und Gleitgeschwindigkeiten von bis zu ca. 150 m/s bekannt.
Bei den Dichtungen unterscheidet man grob in Berührungsdichtungen und berührungslose Dichtungen, sowie nach der Art der Relativbewegung der gegeneinander abzudichtenden Teile: statisch (keine Bewegung), translatorisch (hin und her) und rotatorisch (drehend). Dabei haben die Dichtungen die Aufgabe, ungewollte Stoffübergänge von einem Raum in einen anderen zu verhindern bzw. zu begrenzen. So soll beispielsweise das ungewollte Austreten oder die Vermischung von Stoffen verhindert werden, etwa um Druck- oder Temperaturänderungen zu verringern. Dichtungen können aber auch weitere Funktionen übernehmen, wie die Funktion eines elektrischen Isolators, oder zur Wärmeleitung bzw. Wärmeableitung oder Kraftübertragung dienen. Eine Gleitringdichtung gehört zur Gruppe der rotatorischen Dichtungen, da die Relativbewegung der Dichtelemente rotatorischer Art ist.
Es ist bekannt, dass Gleitringdichtungen Nute, auch Kehlen genannt, aufweisen können. Als Nut bzw. Kehle wird eine längliche Vertiefung oder Rille bezeichnet. Die Nut kann beispielsweise rechteckigen Querschnitt aufweisen oder in Trapezform mit nach außen geschrägter Wand oder als Schwalbenschwanz ausgeführt werden. Nuten dienen beispielsweise dazu, Bauelemente zu fixieren, zu führen oder zu versenken. Im Maschinenbau dienen Nuten als „Gegenstück" zu Dichtungen.
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Um in den Gleitringen mit Hilfe eines Lasers, wie beispielsweise eines YAG Lasers, solche Nuten einzugravieren, nutzt man den sogenannten „Venturi-Düsen-Effekt" aus. Ohne solche Nuten würde aufgrund der großen Reibung die Gleitringdichtungen nach einer kurzen Zeit kaputt gehen.
Eine Venturi-Düse, auch Venturi-Rohr genannt, besteht aus einem glattwandigen Rohrstück mit einer Verengung des Querschnitts beispielsweise durch zwei gegeneinander gerichtete Konen, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind. An dieser Stelle ist daneben ein Abnahmerohr platziert. Fließt durch die Venturi-Düse ein gasförmiges oder flüssiges Medium, so ist an der engsten Stelle des Rohres der dynamische Druck bzw. der Staudruck maximal und der statische Druck bzw. der Ruhedruck minimal. Die Geschwindigkeit des strömenden Fluids, d.h. des fließenden Gases bzw. der Flüssigkeit, steigt im Verhältnis der Querschnitte beim Durchströmen des eingeschnürten Teils an, weil überall dieselbe Menge durchfließt. Gleichzeitig sinkt der Druck im Abnahmerohr, das genau im engen Teil sitzt. Damit entsteht ein Differenzdruck, dass dann in verschiedensten Messgeräten oder zum Ansaugen von Flüssigkeiten oder Gasen benutzt wird. Die Druckdifferenz ist bei idealen Gasen und Flüssigkeiten, d.h. bei inkompressiblen Medien und ohne Reibung, durch die Bernoulli-Gleichung gegeben.
Venturi-Düsen finden sich heutzutage in der Technik in einer Vielzahl von Anwendungen, da sie wartungsarm und kostengünstig arbeiten. Der Druck ist dort am Geringsten, wo der Querschnitt des Rohres am engsten bzw. die Strömungsgeschwindigkeit am Höchsten ist.
Die US 6,446,976 Bl beschreibt Gleitringdichtungen mit genuteten Abdichtungssperren. In dieser Schrift werden T-förmige Nuten (T-Nuten) und spiralförmige Nuten (Spiralnuten) beschrieben, die mit Hilfe eines Lasers in den Gleitring „eingelasert" werden. Wie in der US 7,194,803 B2 ferner beschrieben wird, wird hierzu ein Excimer- Laser verwendet. Dieser ist beispielsweise ein Krypton-Fluorid-Laser.
Die WO 2006/005359 Al offenbart eine Gleitringdichtungsanordnung, die wenigstens ein Paar dichtend zusammenwirkender Gleitringe umfasst, von denen einer an einem rotierenden Bauteil zur gemeinsamen Drehung mit diesem montierbar ist. Der andere Gleitring ist gegenüber einem stationären Bauteil nicht-rotierend gehalten. Des Weiteren umfasst die Anordnung eine Einrichtung zur Zentrierung des rotierenden Bauteils gegenüber dem stationären Bauteil. Das in den Nuten eingreifende Zentrierungselement ist in wenigstens der im rotierenden Bauteil vorgesehenen Nut mit Spiel in radialen Ebenen aufgenommen, so dass im Ringraum ein Drosselspalt gebildet ist und ferner die Nuten relativ zueinander drehbar sind. Der Drosselspalt bewirkt eine Abdichtung eines Quensch-Fluoridraums gegenüber der Außenatmosphäre, zudem wird hierdurch eine Notdichtung geschaffen.
Problematisch sind im Stand der Technik die hohen Reibungskräfte, auch unter Einsatz der beschriebenen Nuten, die den sogenannten „Lift-off-Effekt" negativ beeinflussen. Solche Nuten, die den Lift-off-Effekt grundsätzlich unterstützen, werden „Lift-off-Nuten" genannt. Im schlimmsten Fall, d.h. bei sehr großer Reibung und/oder bei nicht vorhandenen Lift-off- Nuten, klappen Gleitring und Gegenring aufeinander, und die Motorwelle bleibt stehen. Die beschriebenen T-Nuten und Spiralnuten verkleinern die Reibung lediglich etwas, denn der Lift-off-Effekt setzt relativ spät ein.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Reibung in Gleitringdichtungen weiter zu verkleinern bzw. die Reibung nahezu auszulöschen und damit den Lift-off-Effekt zu vergrößern. Somit sollen auch die Lebensdauern von solchen Gleitringdichtungen verlängert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Gleitring für eine Gleitringdichtung, mit wenigstens einer auf einer Oberseite des Gleitrings angeordneten Nut, wobei die Nut einen auf die Umfangsseite des Gleitrings führenden Zuführungsbereich umfasst, und wobei der Zuführungsbereich der Nut eine Querschnittsverengung umfasst.
Mit „Führung des Zuführungsbereiches der Nut auf die Umfangsseite des Gleitrings" ist gemeint, dass der Zuführungsbereich der Nut so angeordnet ist, dass ein Zugang einer gewissen Tiefe auf die Nut nicht nur von der Oberseite bzw. von der Unterseite des Gleitrings sondern auch von der Umfangseite des Gleitrings möglich ist. Mit „Querschnittsverengung des Zuführungsbe'reichs der Nut" ist gemeint, dass der Querschnitt des Zuführungsbereiches der Nut, genauer die Querschnittsfiäche parallel zu einer Oberseite des Gleitrings, erst enger und dann wieder breiter wird. Das bedeutet, dass diese Querschnittsfläche erst einen Verengungsbereich und dann einen Verbreiterungsbereich aufweist. Dazu können eingefügte besondere Strukturen verwendet werden, wie im Folgenden beschrieben, beispielsweise Schrägen oder Treppenstufen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Querschnittsverengung des Zuführungsbereiches eine Schräge, wie beispielsweise eine linear verlaufende Gerade, auch Einebnung oder Rampe genannt, eine Doppelschräge, eine Vielzahl von Treppenstufen und/oder eine schmetterlingsförmige Struktur. Vorzugsweise entspricht die Doppelschräge zwei aufeinanderfolgenden Schrägen mit derselben Steigung und umgekehrten Vorzeichen. Zudem sind auf den Schrägen und/oder Doppelschrägen vorzugsweise Treppenstufen ausgestaltet, die vorzugsweise miniaturförmig ausgestaltet sind.
Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die schmetterlingsförmige Struktur in den Zuführungsbereich der Nut eingelasert. Diese schmetterlingsförmige Struktur wird auch als „Schmetterlings-Laserung" bezeichnet. Vorzugsweise entspricht die schmetterlingsförmige Struktur wenigstens zwei am Zuführungsbereich der Nut gegenüberliegenden Doppelschrägen. Mit allen oben genannte Strukturen wird der Venturi-Düsen-Effekt unterstützt und damit die Reibung in einer Gleitringdichtung verringert. Zudem ist es möglich, die Strukturen auch an einem Ende der Nut anzuordnen oder verschiedene Strukturen an unterschiedlichen Bereichen der Nut zu kombinieren.
Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Querschnittsverengung eine Tiefe von < 6 μiriHn die Umfangsseite des Gleitrings auf, vorzugsweise eine Tiefe von < 2 μm in die Umfangsseite des Gleitrings. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist wenigstens eine begrenzende Wand der Nut eine stetig verlaufende Steigung in die Umfangsseite des Gleitrings auf. Vorzugsweise entspricht die stetig verlaufende Steigung einer linearen Steigung.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Boden der Nut eingelagerte Wellen zum Erhöhen des Staudrucks auf. Diese Wellen erzeugen mehr und/oder stärkere Wirbel, da sie eine Verengung bzw. eine darauffolgende Erhebung beinhalten, die ein sogenanntes „Druck/Sog-Muster" verursachen. Dadurch wird der Venturi- Düsen-Effekt noch stärker unterstützt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Nut T-förmig (T-Nut), spiralförmig (Spiralnut), rechteckförmig, gekrümmt und/oder gewölbt ausgestaltet. Vorzugsweise umfasst der Gleitring ein Material aus Siliziumnitrit (SiN), Siliziumcarbid (SiC), gehärtetem Stahl und/oder ein Hartmetall. Vorzugsweise umfasst das Hartmetall Wolframnitrit (WoN) und/oder Wolframcarbid (WoC). Gemäß einem anderem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Material eine Multilayerschicht. Die Multilayerschicht umfasst vorzugsweise eine High Velocity Oxygen Fuel-Schicht (HVOF-Schicht) und/oder eine Diamond-Like-Carbon-Schicht (DLC-Schicht). Die Schichten werden vorzugsweise als Multilagen aufgetragen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Gleitring als Gegenring ausgestaltet. Vorzugsweise ist die Gleitringdichtung dazu geeignet, dass ein Fluid durch sie strömt. Das strömende Fluid umfasst vorzugsweise ein gasförmiges Medium oder ein flüssiges Medium. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Lift-off-Effekt grundlegend gefördert und damit die Reibung in Gleitringdichtungen so gering wie möglich gehalten. Somit wird auch die Lebensdauer von solchen Gleitringdichtungen erhöht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand "bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Gleitring mit einer T-Nut auf einer Oberseite gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die T-Nut mit Schmetterlingslaserung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 zeigt die T-Nut mit einer Doppelschräge an einem Ende gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 4 zeigt eingelagerte Wellen auf dem Boden der T-Nut gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sollen bei einer Gleitringdichtung, bestehend aus einem Gleitring 2 und einem Gegenring, aus Siliziumnitrit (SiN), mittels eines Lasers Lift-off-Nuten „herausgelasert" bzw. in den Gleitring graviert werden. Dies geschieht so, dass kein „Kantenaufwurf' entsteht. Mit „Kantenaufwurf' ist eine unebene schräge Oberfläche am Gleitring in der Umgebung der Nut gemeint.
Fig. 1 zeigt eine T-Nut 1 angeordnet in einem Gleitring 2, wobei die T-Nut 1 auf der Oberseite des Gleitrings 2 eingelasert wurde. Gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der Gleitring 2 eine auf einer Oberseite angeordnete Nut 1. Gemäß anderen bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen wird eine Vielzahl von Nuten auf einer Oberseite des Gleitrings und/oder auf der Umfangsseite des Gleitrings angeordnet. Gemäß wieder anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Nuten konzentrisch, radial und/oder axial im Gleitring angeordnet. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, umfasst die T-Nut 1 einen auf die Umfangsseite des Gleitrings 2 führenden Zuführungsbereich 3, so dass die T-Nut 1 nicht nur von der Oberseite des Gleitrings 2 sondern auch von der Umfangsseite des Gleitrings 2 zugänglich ist.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die T-Nut 1 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Zuführungsbereich 3 der T-Nut 1 weist eine schmetterlingsförmige Struktur bzw. eine Schmetterlings-Laserung auf. Das sind gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel zwei am Zuführungsbereich 3 der T-Nut 1 gegenüberliegende Doppelschrägen 4, wobei eine Doppelschräge 4 zwei aufeinanderfolgende
Schrägen mit derselben Steigung und umgekehrten Vorzeichen entspricht. Damit weist der Zuführungsbereich 3 der T-Nut 1 in Fig. 2 eine Querschnittsverengung auf. Die
Querschnittsfläche parallel zu einer Oberseite des Gleitrings 2 aus Fig. 1 wird zuerst enger und danach wieder breiter, d.h. die Querschnittsfläche weist einen Verengungsbereich und einen Verbreiterungsbereich auf. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen können zusätzlich auf den Doppel schrägen 4 und/oder auf einer Schräge miniaturförmige Treppenstufen eingelasert werden, die den Venturi-Düsen-Effekt weiter unterstützen.
Fig. 3 zeigt ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die T-Nut 1 umfasst an einem Ende zwei aufeinanderfolgende Schrägen, d.h. eine Doppelschräge 4. Die Doppelschräge 4 in Fig. 3 muss also nicht zwingender Weise am Zuführungsbereich 3 angeordnet sein, sondern kann gemäß diesem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel auch an einem Ende an der Wand der T-Nut 1 angeordnet sein. Gemäß diesem dritten bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist die Querschnittsverengung eine Tiefe von < 6 μm in die Umfangsseite des Gleitrings 2 auf. Gemäß anderen bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen kann die Tiefe einen noch geringeren Wert aufweisen, beispielsweise < 2 μm. Gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt zudem wenigstens eine begrenzende Wand der T-Nut 1 eine stetig verlaufende Steigung (nicht in Fig. 3 gezeigt) in die Umfangsseite des Gleitrings 2 auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel entspricht die stetig verlaufende Steigung einer linearen Steigung. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen werden beliebige stetige Steigungen verwendet. Es wird betont, dass rampenförmige Steigungen nicht geeignet sind, da diese dazu führen, dass der Lift-off-Effekt sehr spät einsetzt.
Fig. 4 zeigt ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum ist eine T- Nut 1 gezeigt. Der Boden der T-Nut 1 weist eingelagerte Wellen 6 auf. Solche eingelagerten Wellen erhöhen zusätzlich den Staudruck und fördern somit weiter den Venturi-Düsen-Effekt. Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden „Schlupfkanten" am Ende der T-Nut 1 nicht in eine 90°-Kante eingearbeitet, sondern in eine Rampe mit 45° Steigung, die zudem Miniatur-Treppenstufen (nicht in Fig. 4 gezeigt) aufweist.
Die Nuten können jegliche Gestalt aufweisen, wie T-förmig (T-Nuten), spiralförmig (Spiralnuten), rechteckförmig, gekrümmt und/oder gewölbt. Die eingefügten Strukturen in der Nut führen zu Liftwirbeln, die den Lift-off-Effekt der gegeneinanderlaufenden Gleit- und Gegenringe stark unterstützen. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden mehrere Nuten auf einem Gleitring angeordnet, wobei sich hinter jeder Nut ein Wirbel bildet. Dadurch wird durch den Unterdruck noch mehr Luft bzw. Gas angesaugt und somit setzt der Lift-off-Effekt durch den entstehenden Druck sehr früh ein. Damit wird die Reibung nahezu ausgelöscht oder zumindest verringert.

Claims

Patentansprüche
1. Gleitring (2) für eine Gleitringdichtung, mit wenigstens einer auf einer Oberseite des Gleitrings (2) angeordneten Nut (1), wobei die Nut (1) einen auf die Umfangsseite des Gleitrings (2) führenden
Zuführungsbereich (3) umfasst, und wobei der Zuführungsbereich (3) der Nut (1) eine Querschnittsverengung umfasst.
2. Gleitring nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsverengung des Zuführungsbereiches (3) eine Schräge, eine Doppelschräge (4), eine Vielzahl von
Treppenstufen und/oder eine schmetterlingsförmige Struktur umfasst.
3. Gleitring nach Anspruch 2, wobei die Doppelschräge (4) zwei aufeinanderfolgende Schrägen mit derselben Steigung und umgekehrten Vorzeichen entspricht.
4. Gleitring nach Anspruch 2, wobei die Treppenstufen miniaturförmig ausgestaltet sind.
5. Gleitring nach Anspruch 2, wobei die schmetterlingsförmige Struktur wenigstens zwei am Zuführungsbereich (3) der Nut (1) gegenüberliegenden Doppelschrägen (4) entspricht.
6. Gleitring nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Querschnittsverengung eine Tiefe von < 6 μm in die Umfangsseite des Gleitrings (2) aufweist, vorzugsweise eine Tiefe von < 2 μm in die Umfangsseite des Gleitrings (2) aufweist.
7. Gleitring nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine begrenzende Wand der Nut (1) eine stetig verlaufende Steigung in die Umfangsseite des Gleitrings (2) aufweist.
8. Gleitring nach Anspruch 7, wobei die stetig verlaufende Steigung einer linearen Steigung entspricht.
9. Gleitring nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Boden der Nut (1) eingelagerte Wellen (6) zum Erhöhen des Staudrucks aufweist.
10. Gleitring nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Nut (1) T-formig, spiralförmig, rechteckförmig, gekrümmt und/oder gewölbt ausgestaltet ist.
11. Gleitring nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gleitring (2) ein Material aus Siliziumnitrit, Siliziumcarbid, gehärtetem Stahl und ein Hartmetall umfasst.
12. Gleitring nach Anspruch 1 1, wobei das Hartmetall Wolframnitrit und/oder Wolframcarbid umfasst.
13. Gleitring nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gleitring (2) als Gegenring ausgestaltet ist.
14. Gleitring nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gleitringdichtung dafür geeignet ist, dass ein Fluid durch sie strömt.
15. Gleitring nach Anspruch 14, wobei das strömende Fluid ein gasförmiges Medium oder ein flüssiges Medium umfasst.
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