EP4334622A1 - Multimedientaugliche drehdurchführung und verfahren zum betreiben einer solchen - Google Patents

Multimedientaugliche drehdurchführung und verfahren zum betreiben einer solchen

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EP4334622A1
EP4334622A1 EP22725830.8A EP22725830A EP4334622A1 EP 4334622 A1 EP4334622 A1 EP 4334622A1 EP 22725830 A EP22725830 A EP 22725830A EP 4334622 A1 EP4334622 A1 EP 4334622A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
rotary union
media
axial force
force component
Prior art date
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Pending
Application number
EP22725830.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eberhard Grimm
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.)
Deublin GmbH
Original Assignee
Deublin GmbH
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Filing date
Publication date
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Priority claimed from DE102021131995.1A external-priority patent/DE102021131995A1/de
Priority claimed from DE102021131994.3A external-priority patent/DE102021131994A1/de
Application filed by Deublin GmbH filed Critical Deublin GmbH
Publication of EP4334622A1 publication Critical patent/EP4334622A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L27/00—Adjustable joints, Joints allowing movement
    • F16L27/08—Adjustable joints, Joints allowing movement allowing adjustment or movement only about the axis of one pipe
    • F16L27/0804—Adjustable joints, Joints allowing movement allowing adjustment or movement only about the axis of one pipe the fluid passing axially from one joint element to another
    • F16L27/0808—Adjustable joints, Joints allowing movement allowing adjustment or movement only about the axis of one pipe the fluid passing axially from one joint element to another the joint elements extending coaxially for some distance from their point of separation
    • F16L27/0812—Adjustable joints, Joints allowing movement allowing adjustment or movement only about the axis of one pipe the fluid passing axially from one joint element to another the joint elements extending coaxially for some distance from their point of separation with slide bearings
    • F16L27/082—Adjustable joints, Joints allowing movement allowing adjustment or movement only about the axis of one pipe the fluid passing axially from one joint element to another the joint elements extending coaxially for some distance from their point of separation with slide bearings having axial sealing
    • 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
    • F16J15/3436—Pressing means
    • F16J15/3448—Pressing means the pressing force resulting from fluid pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16L27/0808—Adjustable joints, Joints allowing movement allowing adjustment or movement only about the axis of one pipe the fluid passing axially from one joint element to another the joint elements extending coaxially for some distance from their point of separation
    • F16L27/0824—Adjustable joints, Joints allowing movement allowing adjustment or movement only about the axis of one pipe the fluid passing axially from one joint element to another the joint elements extending coaxially for some distance from their point of separation with ball or roller bearings
    • F16L27/0828—Adjustable joints, Joints allowing movement allowing adjustment or movement only about the axis of one pipe the fluid passing axially from one joint element to another the joint elements extending coaxially for some distance from their point of separation with ball or roller bearings having radial bearings
    • 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
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L39/00—Joints or fittings for double-walled or multi-channel pipes or pipe assemblies
    • F16L39/04—Joints or fittings for double-walled or multi-channel pipes or pipe assemblies allowing adjustment or movement

Definitions

  • the invention relates to a rotary feedthrough suitable for multimedia for transferring different fluid media with different viscosities from a stationary machine part to a rotating machine part in general and a rotary feedthrough suitable for multimedia, in which different media, in particular with very different viscosities, e.g. compressible media on the one hand and higher-viscosity incompressible media on the other hand , can optionally be introduced into the rotary union under pressure in particular.
  • different media in particular with very different viscosities, e.g. compressible media on the one hand and higher-viscosity incompressible media on the other hand , can optionally be introduced into the rotary union under pressure in particular.
  • Rotary feedthroughs are typically used to feed fluid media into a rotating machine part, eg a rotating spindle of a machine tool.
  • the rotary feedthrough contains a seal between stationary components and rotating components.
  • This seal can be designed as an axial mechanical seal.
  • two sliding rings or sliding sealing rings slide on one another, with one of the sliding rings rotating relative to the other coaxially to the axis of rotation and the sliding rings seal against each other with their opposite, adjacent annular end faces in order to keep the interior space, which is pressurized with a fluid medium, against the atmospheric pressure in the to seal the outside area.
  • the type of fluid media to be transmitted by means of a rotary feedthrough can vary and can include, in particular, compressible media such as gases, e.g. compressed air, and liquid media, such as cooling lubricants, also known as cooling lubricants (KSS), and oils, such as cutting oil or hydraulic oil.
  • Cooling lubricant (KSS) mostly consists essentially of an oil-water emulsion and typically has a viscosity that is not very much greater than the viscosity of pure water, which means it has a relatively low viscosity.
  • cutting oil and hydraulic oil have a significantly higher viscosity, which can be up to 60 mm 2 /s (cSt) or more.
  • MMS/MQL minimum quantity lubrication
  • This typically uses an aerosol in the form of an oil-gas mixture, i.e. essentially a compressible medium.
  • rotary feedthroughs which are usually more or less optimized for one or a few specific of the aforementioned fluid media and/or for specific ranges of permissible operating parameters.
  • rotary feedthroughs are also known which can be operated with different fluid media with different properties or viscosities, it has been shown that these are sometimes not universal or reliable to the desired extent. For example, under certain conditions and/or with some media, these can overheat under certain circumstances, for example at high speeds, which can lead to the destruction of the rotating union.
  • some supposedly universal rotating unions for example when running dry or with compressed air at high speeds, can have considerable problems in terms of stability.
  • the rotating operation of a rotary union without pressurization with a medium is typically referred to as dry running.
  • conventional rotary unions can sometimes have a relatively high leakage rate in compressed air operation, e.g. of up to 100 standard liters per minute or more, which can also be undesirable.
  • the Deublin Company patents EP 1 744 502 B1 and EP 2 497978 B1 describe a technology in which the load ratio (sometimes also referred to as the balance ratio) of the mechanical seal is in a specially preselected interval, and in a wide pressure and speed range a suitable contact pressure between the two sliding rings is guaranteed.
  • Deublin's technology is also known among experts as AutoSense®.
  • the invention has set itself the task of providing a multi-media suitable rotary feedthrough which is suitable for various media, in particular compressible media, e.g. compressed air on the one hand and incompressible media with high viscosity, e.g. cutting oil or hydraulic oil on the other.
  • compressible media e.g. compressed air on the one hand
  • incompressible media with high viscosity e.g. cutting oil or hydraulic oil on the other.
  • a further aspect of the task is to provide a multi-media-capable rotary feedthrough which has a low leakage rate when operating with different media, viscosities and pressures and which also works at high speeds with a long service life and with little wear.
  • Another aspect of the task is to provide a multimedia-capable rotary union that can be used with both i) cutting or hydraulic oil, ii) with cooling lubricant (KSS), iii) with compressed air, iv) with aerosol media for Small quantity or minimum quantity lubrication as well as v) medium-free and pressureless, ie in dry running at high speeds works durable and low-wear.
  • KSS cooling lubricant
  • aerosol media for Small quantity or minimum quantity lubrication as well as v) medium-free and pressureless, ie in dry running at high speeds works durable and low-wear.
  • a further aspect of the task is to provide a multimedia-capable rotary feedthrough which reconciles great universality (“one-for-all”) and ease of use for the user and which enables backwards compatibility for users of conventional rotary feedthroughs.
  • a further aspect of the task is to provide a rotary feedthrough which does not have the disadvantages described above, or only has them to a lesser extent.
  • a multi-media suitable rotary feedthrough for transferring different fluid media, including both compressible and incompressible media and media with different, in particular high, viscosities in the same rotary feedthrough from a stationary machine part to a rotating machine part.
  • the rotary union comprises a stationary housing part for installation in the stationary machine part and a rotor for connection to the rotating machine part.
  • the stationary housing part encloses an in particular (co)axial main media channel with a central working space in the form of an axial or central inner stator fluid channel.
  • the rotor e.g.
  • the stationary housing part in the form of a hollow shaft, also has an axial or central rotor fluid channel, with the fluid channels of the stationary housing part and the rotor being in fluid communication with one another permanently, i.e. also during rotation, such that the rotor is in fluid contact with one another relative to the stationary Housing part, if necessary, can rotate at a high speed, and the respective pressurized medium flows during rotation from the main media channel of the stationary housing part into the rotor fluid channel of the rotating rotor in order to be guided out of the rotor fluid channel into the connected rotating machine part.
  • the stationary housing part can be designed in one piece or in several pieces.
  • the rotary union includes an axial face seal between the stationary housing part and the rotor which seals fluid communication between the rotor and the stationary housing part during rotation.
  • the mechanical seal comprises a sliding ring or sliding sealing ring rotating with the rotor, the so-called rotor sliding ring, and a non-rotating sliding ring or sliding sealing ring, the so-called stator sliding ring, with the two sliding rings with their opposite and relatively rotating annular sealing surfaces forming the transition between the stationary and the rotating area seal the rotary union. So that the mechanical seal can open in a controlled manner, for example in unpressurized dry running or in compressed air operation, at least one of the two mechanical seals is suspended so that it can move slightly axially.
  • this sliding ring is attached to an axially movably mounted sliding ring carrier, so that the sliding ring carrier and the associated sliding ring have an axial form movable mechanical face assembly, and the face seal can open and close by axial movement of the face assembly, so the face ring carrier with the face ring attached.
  • the axially movable seal ring carrier forms an axially movable stator seal ring arrangement with the stator seal ring attached thereto.
  • the stator slip ring assembly is axially slidably supported in the inner stator fluid passage of the stationary housing portion by the slip ring carrier and is preferably able to accommodate some angular play to ensure a precise seal between the abutting sealing surfaces of the two slip rings.
  • Such an axially displaceable and possibly slightly tiltable (stator) sliding ring is also referred to in the technical world as a floating (stator) sliding ring.
  • the slip ring seal comprises a slip ring arrangement which is axially movable in the stationary housing part but does not rotate, with the stator slip ring and a complementary rotor slip ring which rotates with the rotor.
  • the rotor sliding ring can, for example, be fastened, for example pressed and/or glued or fastened in some other way, to the end face of the rotor facing the stationary housing part.
  • the arrangement of the floating seal ring and the seal ring complementary thereto should be reversed, that is to say to suspend the rotor seal ring in an axially movable manner in order to form the rotor seal ring as a floating seal ring.
  • the mechanical seal can be designed with Pop-Off® functionality.
  • the sliding ring arrangement consisting of the sliding ring carrier and the sliding ring can optionally be designed in one piece.
  • the medium flows through the mechanical seal into the fluid channel of the rotor.
  • the axially movable slide ring arrangement is subjected to the medium pressure, which exerts a first axial force component on the axially movable slide ring arrangement, which acts in a closing manner on the mechanical seal.
  • This closing acting first axial force component depends on the load ratio, i.e. on the geometric surface ratios of the mechanical seal and increases proportionally with the applied medium pressure.
  • the rotary feedthrough now also has an axially movable clamping device within the stationary housing part, which acts on the axially movable mechanical ring arrangement and defines a non-activated and an activated state.
  • the clamping device is activated by the medium pressure present in the main media channel when the medium pressure in the main media channel exceeds a predefined pressure threshold value as a pressure switching value.
  • the tensioning device is thus activated hydraulically, ie switched on hydraulically. If the medium pressure falls below the pressure threshold value again, the tensioning device is deactivated again, ie switched off hydraulically.
  • the tensioning device switches from the non-activated state to the activated state in response to the medium pressure in the rotary union exceeding the predefined pressure threshold value.
  • the tensioning device switches back from the activated state to the non-activated state.
  • the tensioning device In the activated state, the tensioning device generates an additional second axial force component which, in addition to the medium pressure-proportional first axial force component, acts on the axially movable slide ring arrangement and thus contributes to the closing force of the slide ring seal, in particular increasing the closing force of the slide ring seal between the stator seal ring and the rotor seal ring.
  • the second axial force component in the non-activated state of the clamping device, the second axial force component does not act, so that the closing force of the mechanical seal is caused only by the first axial force component, and in the activated state of the clamping device, the first and second axial force components add up to form a total closing force , which in particular is greater than the first axial force component defined by the load ratio.
  • the mechanical seal preferably works as a balanced mechanical seal, in which the load ratio is selected such that the mechanical seal is at least predominantly, if necessary exclusively, hydraulically or pneumatically balanced.
  • Corresponding rotary feedthroughs with a load ratio in a specific range are given the designation Autosense® by the applicant.
  • a special feature of the present rotary union is that the mechanical seal works as a balanced mechanical seal below the pressure threshold value, i.e. as long as the clamping device is not activated, and when the pressure threshold value is exceeded, the clamping device is activated or switched on hydraulically, which causes an increase in the closing force .
  • the tensioning device is mounted in the stationary housing part so that it can move axially relative to the slip ring arrangement in order to apply the additional second axial force component to the slip ring arrangement, e.g. by the tensioning device pressing axially against the slip ring arrangement.
  • the first axial force component on the face assembly is based on the load ratio of the face seal, regardless of whether the tensioner is activated or not, i.e. the same with activated or not activated tensioner, and increases proportionally with the medium pressure in the rotary union.
  • the second axial force component generated by the tensioner on the slip ring assembly is now added to the first axial force component based on the load ratio, resulting in a total closing force acts on the mechanical seal, which is formed as the sum of the first and second axial force components if and only if the medium pressure exceeds the pressure threshold and has activated the clamping device.
  • the additional second axial force component is not effective if and as long as the medium pressure remains below the pressure threshold.
  • the clamping device switches on an additional second axial force component such as a booster, which increases the closing force disproportionately to the first axial force component. Accordingly, the tensioning device forms a closing force boosting device which is switched on when the pressure threshold value is exceeded.
  • the switching on of the closing force boosting device takes place in particular hydraulically by the medium pressure.
  • the mechanical seal can be operated in a balanced manner with the load ratio B, with the load ratio B allowing a controlled (slight) opening of the mechanical seal with controlled desired Allows air leakage and is therefore suitable for compressed air operation under rotation.
  • the clamping device switches on, causing an increase in the closing force, which is suitable for higher-viscosity cutting oil or hydraulic oil and an excessive one avoids leakage.
  • cutting oil can have a viscosity in the range from 6 mm 2 /s to 18 mm 2 /s and hydraulic oil can have a viscosity in the range from 32 mm 2 /s to 46 mm 2 /s (40° C.), possibly even up to 60 mm 2 /s (40°C).
  • the rotary leadthrough can also be operated with a low-viscosity liquid medium, eg cooling lubricant (KSS), eg with a viscosity in the range from 1 mm 2 /s to 3 mm 2 /s.
  • KSS cooling lubricant
  • the rotary leadthrough can be operated both with the compressible media and with the incompressible media, each at high speeds, for example up to greater than or equal to 24,000 rpm, without the slide rings heating up excessively.
  • the rotary leadthrough can, on the one hand, have an acceptably low air leakage rate in compressed air operation and, on the other hand, work with an incompressible or liquid medium, also of higher viscosity, essentially without leakage.
  • a small gap (controlled opening of the mechanical seal) is advantageously created between the two sealing surfaces of the mechanical seal, so that there is no wear and an intentional, controlled, minor air leak occurs.
  • liquid media with high viscosity such as cutting oil or hydraulic oil
  • the two slide rings are pressed against each other with the increased closing force, ie the slide ring seal is closed so that an enlargement of the gap is avoided.
  • the rotary union therefore preferably defines at least two operating states as follows:
  • the rotary union defines a compressed gas operating state for operation with a compressible medium.
  • the mechanical seal In the pressurized gas mode, the mechanical seal is minimally open to allow controlled leakage.
  • the tensioning device In the pressurized gas mode for compressible media, the tensioning device is not activated. So only the first axial force component acts based on the load ratio.
  • the rotary union When pressurized with a medium pressure above the pressure threshold value, the rotary union defines a liquid medium operating state for compressible media under a high medium pressure.
  • the mechanical seal In the liquid medium operating state, the mechanical seal is closed and the tensioning device is activated.
  • the first axial force component acts on the mechanical seal based on the load ratio B and, in addition, the second axial force component, caused by the activated tensioning device, added together as a common closing force.
  • highly viscous media such as cutting oil or hydraulic oil at a high medium pressure.
  • a universal multi-media-capable rotary feedthrough can be created in an advantageous manner, which is suitable when pressure is applied with very different media, namely compressible media on the one hand, e.g. compressed air, and highly viscous liquid media on the other, e.g. cutting oil or hydraulic oil, with high stability at high speeds and low leakage rate for all of the media used, especially for liquid media essentially leak-free.
  • compressible media e.g. compressed air
  • highly viscous liquid media on the other e.g. cutting oil or hydraulic oil
  • a secondary seal can retract the floating slide ring in the depressurized state (so-called PopOff@ function).
  • PopOff@ function the floating slide ring in the depressurized state
  • the rotary leadthrough can therefore define a third operating state, namely the dry-running operating state.
  • the dry-running operating state occurs when there is no pressure in the rotating union, with the mechanical seal being in a fully open state.
  • the two seal rings are separated from one another by a sufficiently large gap, so that the rotary union can rotate dry-running without medium, without wear occurring on the seal rings.
  • the additional second axial force component which the tensioning device exerts on the slide ring arrangement when the medium pressure has exceeded the predefined pressure threshold value, can itself be pressure-independent or - in the pressure range above the pressure threshold value - pressure-dependent on the medium pressure, there, for example, be proportional to the medium pressure.
  • the second axial force component can thus be constantly zero in the pressure range from 0 bar up to the pressure threshold value and, for example, increase discontinuously at the pressure threshold value and/or increase proportionally above the pressure threshold value.
  • the tensioning device can have one or more springs, which are tensioned against the stationary housing part by the medium pressure present in the main media channel.
  • the tensioner may be activated and apply the additional second axial force component to the slip ring assembly if and only if the spring tension threshold is exceeded.
  • the slide ring carrier has an outer (ring) flange on which the tensioning device acts in order to transmit the additional second axial force component of the tensioning device to the slide ring arrangement.
  • the tensioning device can have a force distribution ring, which distributes the additional second axial force component exerted by the tensioning device in a ring shape evenly over the slide ring carrier, e.g. over the flange.
  • the tensioning device preferably has one or more spring-loaded pistons in the stationary housing part, which are actuated by the medium pressure in the rotary feedthrough and, in the actuated state, exert the second axial force component on the slide ring arrangement.
  • the at least one piston is tensioned by the medium pressure against the spring force and exerts the additional second axial force component of the tensioning device on the slide ring arrangement if and only if the medium pressure in the rotary union exceeds the pressure threshold value.
  • one or more axial bores are preferably provided in the stationary housing part, in which the spring-loaded piston or pistons are each mounted so as to be axially displaceable and are tensioned against the respective spring by the applied medium pressure.
  • the spring-loaded piston or pistons are preferably sealed in the respective associated axial bore by means of a sealing ring, so that the pressurized medium essentially cannot escape via the spring-loaded piston or pistons
  • the medium pressure from the main media channel acts on a rear end face (facing away from the rotor) of the piston or pistons in order to move the piston or pistons under pressure in the respective axial bore in the stationary housing part against the spring load in the direction of the mechanical seal.
  • the tensioning device preferably has at least two or three, preferably two to six, preferably two, three or four spring-loaded pistons which are arranged in particular uniformly around the slide ring carrier in the stationary housing part.
  • the tensioning device preferably has at least two or three, preferably two to six, preferably two, three or four spring-loaded pistons which are arranged in particular uniformly around the slide ring carrier in the stationary housing part.
  • two radially opposite spring-loaded pistons a symmetrical application of force to the slide ring arrangement can be made possible and tilting of the slide ring arrangement can be prevented.
  • this has proven to be advantageous with regard to backwards compatibility and, among other things, for reasons of space within the rotary feedthrough.
  • the spring-loaded piston or pistons rest axially against the outer flange of the slide ring carrier or axially against the force distribution ring when the pressure threshold value is exceeded in order to apply the additional second axial force component of the tensioning device directly to the outer flange or directly to the force distribution ring transferred, which can be economical in terms of spatial conditions within the stationary housing part.
  • the stationary housing part has a stop for the spring-loaded piston or pistons, which limits the axial flow of the spring-loaded piston or pistons in that the spring-loaded piston or pistons strike against the respective associated stop when the pressure threshold is exceeded and activates the tensioning device is.
  • the spring-loaded piston(s) can each have a closing force activation spring which, in the activated state of the tensioning device, exerts a constant spring force on the slide ring arrangement that is independent of the medium pressure, so that the additional second axial force component exerted by the tensioning device on the slide ring arrangement is constant, independent of the medium pressure, if and as long as the clamping device is activated.
  • the pressure threshold is preferably greater than the maximum permissible operating pressure of the rotating union for compressed air operation. This ensures that the clamping device is not activated in the entire permissible pressure range for compressed air operation and that the rotating union rotates in compressed air operation with the load ratio and without the additional second force component, so that an air gap can form and controlled air leakage can take place (AutoSense®).
  • the pressure threshold value can be greater than 5 bar, preferably greater than or equal to 10 bar, preferably between 5 bar and 100 bar, preferably between 10 and 50 bar, preferably between 10 bar and 30 bar.
  • the pressure threshold value is preferably selected at least so high that the closing force boosting device is not activated in compressed air operation, ie remains switched off
  • the rotary feedthrough also has a connection port for connecting a media pressure line in order to introduce the desired media into the media main channel with a medium-specific desired medium pressure.
  • the rotary feedthrough is preferably a single-port rotary feedthrough, ie it has only a single connection port for connecting a media pressure line and a single main media channel through which (alternatively) all desired different media are passed.
  • the rotary feedthrough is therefore prepared so that both compressible media, in particular compressed air and incompressible media, in particular cutting oil or hydraulic oil, can be introduced under pressure into the same main media channel via the same connection port.
  • All media are introduced alternatively (not simultaneously) via the same connection port and an increase in pressure of the medium currently present above the pressure threshold value in the single main media channel causes the clamping device to be switched on hydraulically and/or the pressure drop of the medium currently present in the single main media channel below a pressure threshold value switching off the clamping device
  • the rotary feedthrough can thus manage with a single connection port for connecting a media pressure line in order to introduce all desired media into the media main channel, each with an associated medium-specific desired medium pressure, and the rotary feedthrough is nevertheless suitable for both compressible media, in particular compressed air, and Incompressible media, in particular cutting oil or hydraulic oil, can be fed into the same main media channel under pressure via the same connection port, with the closing force of the mechanical seal advantageously being within a suitable range for all medium pressures, i.e. controlled air leakage for compressed air operation or MQL/MQL with relatively low medium pressure and Reliable closing of the mechanical seal when operating with cutting oil, hydraulic oil or KSS with a relatively high medium pressure.
  • connection port is preferably a (co)axial connection port.
  • connection port is preferably a (co)axial connection port.
  • connection port it should not be ruled out in principle to use a radial connection port and/or several connection ports, although these are not required for the multi-media suitability of the rotary feedthrough.
  • the main media channel preferably runs (co)axially, in particular from the connection port to the mechanical seal.
  • the main media channel is preferably permanently open from the connection port to the mechanical seal, ie the coaxial main media channel itself preferably does not contain a valve that would interfere with the flow of media from the connection port through the main media channel into the rotor fluid channel. In this way, among other things, an undesired segregation in the main media channel can be avoided, for example if the rotary union is operated with minimum quantity lubrication (MMS/MQL).
  • MMS/MQL minimum quantity lubrication
  • At least two media sources, two media supply lines, a distributor and external valves in the media supply lines for the different media, in particular with different viscosities, in particular both at least one compressible medium, such as compressed air, and at least one incompressible liquid medium, such as e.g Cutting oil, hydraulic oil or KSS includes.
  • the medium supply lines, in particular for compressed air on the one hand and for cutting oil, hydraulic oil or KSS on the other hand, are interconnected outside the rotary union via the distributor in order to select the desired medium from outside the rotary union by means of external valves and to supply this with the desired medium pressure via the single connection port Initiate the, preferably single, main media channel. This means that all permitted media are switched on and off alternatively outside the rotary feedthrough and preferably fed into the rotary feedthrough alternatively, ie one after the other, via the same connection port.
  • the load ratio of the mechanical seal is in the range of about 0.40 to 0.65, preferably in the range of about 0.45 to 0.60, preferably in the range of about 0.47 to 0.60, preferably in the range of about 0.50 to about 0.57.
  • this enables controlled opening of the mechanical seal and thus controlled air leakage that is not excessively large.
  • the slide ring carrier is preferably mounted and sealed so that it can move axially in the stationary housing part by means of an elastomeric secondary seal.
  • the secondary seal may, for example, comprise an elastomer ring which is arranged on the outer diameter of the face ring carrier and has, for example, a U-shaped cross-section.
  • At least one of the two slide rings, in particular both slide rings of the slide ring seal, is preferably designed as a silicon carbide slide ring (SiC).
  • the rotating union is connected and operated as follows, for example:
  • the user connects an external compressed gas source via an external compressed gas supply line and an external distributor, e.g. a multi-way valve, to the connection port of the rotary union and an external media reservoir with an incompressible liquid medium, such as oil, in particular cutting oil or hydraulic oil with a viscosity of greater than or equal to 6 mm 2 /s, or KSS, via an external liquid medium pressure supply line and via the external manifold to the same connection port of the rotating union.
  • compressed gas e.g.
  • compressed air at a lower pressure than the oil or the cooling lubricant, in particular at a pressure of less than or equal to 10 bar, is then introduced into the main media channel in a first time interval via the compressed gas supply line and the connection port, with the clamping device not is activated and the rotating union rotates with the pressurized gas and with a closing force on the mechanical seal which is defined by the load ratio of the mechanical seal and a controlled gas leakage takes place, and the pressurized gas is later switched off again.
  • the incompressible liquid medium in particular cutting oil or hydraulic oil with a viscosity of greater than or equal to 6 mm 2 /s or cooling lubricant, is fed via the liquid medium pressure supply line, the external distributor and the same connection port, with a higher pressure than the compressed gas, in particular with a pressure greater than 10 bar, into the main media channel, whereby the tensioning device is activated by the higher pressure of the liquid medium, i.e.
  • the rotary union rotates with the liquid medium and with an added closing force on the mechanical seal, whereby the added closing force is composed of the first axial force component and the additional second axial force component, the first axial force component being generated by the load ratio of the liquid pressure and the additional second axial force component being generated by the activi first clamping device is generated.
  • the incompressible liquid medium is later switched off again, as a result of which the tensioning device is deactivated again.
  • the rotary union can be operated sequentially with different media, including both compressible and incompressible media, at the appropriate pressures via the same connection port and the same main media channel, and in response to the increase in the medium pressure above the pressure threshold, the clamping device switches on to increase the closing force strengthen.
  • the rotary union can rotate dry-running without medium, with the tensioning device not being activated and the mechanical seal being kept open, in particular by the secondary seal, e.g. by the U-cup ring.
  • the rear end of the slide ring carrier remote from the slide ring seal preferably opens into the working space or main media channel, which in particular runs coaxially with the rotor, the slide ring seal and/or the slide ring carrier.
  • the rotor preferably has only a single central rotor fluid channel.
  • the rotary feedthrough preferably has only a single axial face seal.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a rotary feedthrough according to an embodiment of the invention with the mechanical seal open
  • Fig. 2 like Fig. 1, but with the mechanical seal in the condition for compressed air operation and not activated clamping device
  • FIG. 4 shows an enlarged detail of the sliding ring arrangement and the clamping device from FIG. 1,
  • FIG. 5 shows an enlarged detail of the sliding ring arrangement and the clamping device from FIG. 2,
  • FIG. 6 shows an enlarged detail of the sliding ring arrangement and the clamping device from FIG. 3,
  • FIG. 7 shows a longitudinal section through a rotary feedthrough according to a further embodiment of the invention with the mechanical seal open
  • Fig. 8 like Fig. 7, but with the mechanical seal in the condition for compressed air operation and not activated clamping device
  • FIG. 10 shows an enlarged detail of the sliding ring arrangement and the clamping device from FIG. 7,
  • FIG. 11 shows an enlarged detail of the sliding ring arrangement and the clamping device from FIG. 8,
  • FIG. 12 shows an enlarged detail of the sliding ring arrangement and the clamping device from FIG. 9,
  • FIG. 13 shows a longitudinal section through a rotary feedthrough according to a further embodiment of the invention with the mechanical seal open
  • Fig. 14 like Fig. 13, but with the mechanical seal in the condition for compressed air operation and not activated clamping device
  • FIG. 16 shows an enlarged detail of the sliding ring arrangement and the clamping device from FIG. 13,
  • FIG. 17 shows an enlarged detail of the sliding ring arrangement and the clamping device from FIG. 14,
  • FIG. 18 shows an enlarged detail of the sliding ring arrangement and the clamping device from FIG. 15,
  • FIG. 20 shows a schematic representation of an external media distribution network.
  • the bushing 10 has a stationary housing part 12 at the rear, which in the present examples is constructed in several parts.
  • a rotor 16 in these examples in the form of a Hollow shaft for connection to a machine spindle 18 is rotatably mounted in the stationary housing part 12 with primary roller bearings, for example ball bearings 14 .
  • the rotary union 10 has in particular a single main media channel 20 in the stationary housing part 12 and a single connection port 22, e.g Introduce pressurization via the same connection port 22 into the same main media channel 20 extending coaxially to the axis of rotation X of the rotary feedthrough 10 .
  • the media main channel 20 is pressurized alternatively and not simultaneously with the currently desired medium from a group of suitable media.
  • the group of suitable media includes both compressible and incompressible media.
  • the group of suitable media can include compressed air, minimum quantity lubrication or minimal quantity lubrication (MMS/MQL) as compressible media on the one hand, and cooling lubricant (KSS), cutting oil and/or hydraulic oil as incompressible media on the other.
  • the rotary leadthrough can be operated in particular at least with compressed air on the one hand and an oil, for example cutting oil or hydraulic oil, on the other hand.
  • the stationary housing part 12 and the rotor 16 are sealed by means of an axial face seal 30 .
  • the mechanical seal 30 comprises a mechanical seal assembly 32 with an axially displaceable mechanical seal carrier 34 and a mechanical seal 36 fastened to the mechanical seal carrier 34.
  • the mechanical seal 36 of the stator, or stator mechanical seal 36 for short seals with its rotor-side axial annular sealing surface 36a against a rear axial annular sealing surface 38a of the complementary mechanical seal 38 of the rotor 16.
  • the sliding ring 38 of the rotor 16 or rotor sliding ring 38 for short is fastened to the stator-side end face 16a of the rotor 16, in these examples pressed and/or glued into an annular groove 42, although other fastening techniques are also possible.
  • the slide ring carrier 34 of the stator slide ring 36 is designed, for example, as a hollow piston 44 and is mounted in the stationary housing part 12 in particular so that it cannot rotate, but can move axially.
  • the slide ring carrier 34 has a flange 46 on the rotor side, which is housed in a corresponding recess 48 on the rotor side in the stationary housing part 12 so that it cannot rotate.
  • the anti-twist device can be realized, for example, by means of two axial pins in the stationary housing part 12, which create a form fit in opposite grooves on the slide ring carrier flange 46 (not shown in the figures for the sake of clarity).
  • stator sliding ring 36 is fastened on the face side to the rotor-side end 34a of the sliding ring carrier 34 or hollow piston 44, e.g. pressed in or glued, although other fastening techniques are also possible.
  • the stator sliding ring 36 is, for example, permanently fastened in a recess 52 in the sliding ring carrier 34 , more precisely in the flange 46 .
  • the closing of the mechanical seal 30 can be improved by an inner screen 45 in the axial bore 47 of the hollow piston 44 .
  • the stationary housing part 12 is preferably designed as a multi-part lead-through housing, so that due to the modular design, it can be easily adapted to existing housing shapes.
  • the stationary housing part 12 is in three parts and comprises a rotor housing 12a, in which the rotor 16 is mounted by means of ball bearings 14, an intermediate housing part 12b, in which the slide ring arrangement 32 is mounted so that it can move axially and in which the clamping device 100 is arranged, and a rear Housing part 12c, in which the main media channel 20 extends axially and into which the connection port 22 leads axially.
  • a rotor housing 12a in which the rotor 16 is mounted by means of ball bearings 14
  • an intermediate housing part 12b in which the slide ring arrangement 32 is mounted so that it can move axially and in which the clamping device 100 is arranged
  • a rear Housing part 12c in which the main media channel 20 extends axially and into which the connection port 22 leads axially.
  • other housing shapes are also possible.
  • the slide rings 36, 38 are preferably both made of silicon carbide (SiC), so that the term SiC-SiC slide ring seal 30 is often used.
  • SiC-SiC mechanical seal 30 is durable and has excellent sealing properties when operating with liquid media that lubricate well.
  • some conventional rotary unions have stability problems when operated with compressed air or when running dry with silicon carbide seals.
  • SiC sliding rings can overheat if they run without lubricant and are not sufficiently separated from each other, which can lead to the total failure of the rotating union. This can be avoided with the present invention.
  • other materials for the sliding rings 36, 38 such as carbon-graphite (CG), e.g., a CG-SiC mechanical seal, or tungsten carbide/tungsten carbide (TC) can also be considered.
  • CG carbon-graphite
  • TC tungsten carbide/tungsten carbide
  • the sliding ring arrangement 32 in this example the stator or, for short, the stator sliding ring arrangement 32 or the hollow piston 44, is mounted in the stationary housing part 12 in an axially displaceable manner by means of a secondary seal 60.
  • the secondary seal 60 comprises a secondary sealing ring 64 in the form of an elastomeric ring seal.
  • the elastomeric ring seal 64 has a U-shaped cross section with a groove 66 which is open on the high-pressure side and is in fluid communication with the main media channel 20 . This ring seal 64 is therefore sometimes referred to as a U-cup ring.
  • the mounting of the sliding ring carrier 34 or hollow piston 44 by means of the elastomer ring seal 64 allows the sliding ring arrangement 32 or the stator sliding ring 36 limited axial mobility in order to be able to close the axial mechanical seal 30 and open it again.
  • the mechanical seal 30 is closed during operation with pressurized fluid media with liquid lubricant components, such as KSS, cutting oil or hydraulic oil, so that at most a minimal, possibly droplet-wise, leakage (so-called sweating) occurs.
  • liquid lubricant components such as KSS, cutting oil or hydraulic oil
  • the mechanical seal 30 opens when there is no pressure or during compressed air operation, in that the sliding ring carrier 34 or hollow piston 44 with the stator sliding ring 36, i.e. the sliding ring arrangement 32, detaches from the rotor sliding ring 38 and moves slightly axially away from it in the present figures to the right.
  • the elastomeric secondary seal 60 thus fulfills a dual function for the sliding ring arrangement 32, namely as an axially displaceable bearing on the one hand and as a seal in the stationary housing part 12 against the pressurization of fluid medium from the stationary side on the other hand.
  • the sliding ring arrangement 32 may also be able to tilt slightly, so that the sealing surfaces 36a, 38a of the two sliding rings 36, 38 of the mechanical seal as the primary seal 30 lie perfectly flat against one another in the pressurized state and produce a correspondingly good sealing effect be able.
  • Such an axially displaceably mounted and possibly slightly tiltable stator sliding ring 36 is also referred to in the art as a floating sliding ring.
  • the load ratio B of a floating slip ring is defined by the area ratio FH/F of hydraulically or pneumatically loaded area FH to the contact area F between the two slip rings 36,38.
  • the load ratio B can thus be calculated geometrically using the diameters D1, D2 and D3 as follows:
  • D1 is the outer diameter or effective diameter of the mechanical seal carrier under pressure
  • D2 is the outer diameter of the mechanical seal contact surface
  • D3 is the inner diameter of the mechanical seal contact surface
  • stator sliding ring assembly 32 is pulled back from the secondary seal 60 (to the right in the figures), whereby the sliding ring assembly 30 is completely opened, so that the mechanical seal 30 rotates dry-running without medium with a sufficient distance between the two sliding rings 36, 38 can.
  • this completely open state FIGGS. 1, 4, 7, 10, 13, 16
  • the clamping device 100 is installed in the stationary housing part 12, specifically in the present examples to the rear of the flange 46 of the slide ring carrier 34.
  • the clamping device 100 comprises two radially opposite pressure pistons 102, which can be displaced axially in associated bores 104 in the stationary housing part 12 are arranged.
  • the pressure pistons 102 are each held in a non-activated state by a compression spring 106 against the medium pressure, in the present example to the right, as long as the medium pressure does not exceed the predefined pressure threshold value.
  • the pressure pistons 102 are thus accommodated in the stationary housing part 12 with opening pressure springs 106 .
  • the main media channel 20 is in fluid communication with a rear pressure chamber 108 in such a way that when pressure is applied to the main media channel 20, the medium pressure acts via the rear pressure chamber 108 on the respective rear end face 112 of the pressure piston 102 facing away from the rotor and the pressure pistons 102 act in the closing direction of the mechanical seal 30 against the springs 106 strains.
  • the pressure pistons 102 are each sealed by means of a seal 114 in the associated bore 104 so that the medium pressure present in the pressure chamber 108 exerts an axial force component proportional to the pressure on the pressure piston 102 against the spring tension of the spring 106 .
  • the spring tension of the spring 106 is now selected in such a way that the pressure pistons 102 are not activated, i.e. do not exert any force on the slide ring arrangement 32 as long as the medium pressure is below the predefined pressure threshold value ps.
  • the area ratios of the pressure piston 102 and the spring force of the spring 106 are therefore selected in such a way that the pressure pistons 102 do not exert any force on the stator sliding ring arrangement 32 below the pressure threshold value ps, as shown in FIGS , and the clamping device 100 is thus in a non-activated state.
  • the closing force of the mechanical seal 30 is caused by the medium pressure exclusively according to the load ratio of the mechanical seal 30, i.e. based on the area ratio FH/F on the mechanical seal 30 as the closing first axial force component K1.
  • the rotary union can be supplied with an incompressible liquid medium via the same connection port 22 and the same main media channel 20 with a significantly higher medium pressure, for example up to 140 bar, 210 bar or possibly higher , for example cutting oil, hydraulic oil or cooling lubricant.
  • a significantly higher medium pressure for example up to 140 bar, 210 bar or possibly higher , for example cutting oil, hydraulic oil or cooling lubricant.
  • the force acting against the spring force of the springs 106 by the medium pressure on the pressure piston 102 exceeds a threshold value of the spring force of the springs 106 in such a way that the pressure piston 102 as a plunger against the flange 46 of the slide ring carrier 34 and subject it to a closing second axial force component K2 in addition to the first axial force component K1.
  • the clamping device 100 is activated and exerts the additional closing second axial force component K2 on the mechanical seal 30 .
  • the pressure threshold value ps is selected to be equal to or slightly greater than the maximum permissible pressure for compressed air, ie ps ⁇ 10 bar.
  • the clamping device 100 thus acts as a closing force amplification device, which is activated in response to the medium pressure in the main medium channel 20 exceeding the pressure threshold value ps and is not activated below the pressure threshold value ps.
  • the clamping device 100 or closing force amplification device is actuated via the spring-loaded pressure piston 102 which is acted upon by a medium pressure above the pressure threshold value ps, for example 10 bar.
  • the sliding rings 36, 38 can be separated again using the Pop-Off® function.
  • rotor-side end faces 116 of the pressure pistons 102 apply force directly to the slide ring carrier 34, or more precisely directly to the flange 46 of the slide ring carrier 34, with the second axial force component K2.
  • the second axial force component K2 which is caused by the clamping device 100, as well as the first axial force component, which is caused by the load ratio B, are each proportional to the applied medium pressure.
  • the tensioning device 100 can also have a force distributor ring 122, on which the pressure pistons 102 exert the second axial force component K2.
  • the end faces 116 of the pressure pistons 102 come into contact with an outer ring region 124 of the force distribution ring 122 in order to apply the second axial force component K2 to the force distribution ring 122 .
  • the force distribution ring 122 has an annular force-distributing ring projection 126 facing the mechanical seal 30 and which is in contact with the flange 46 when the tensioning device 100 is activated.
  • the force distribution ring 122 thus transmits the second axial force component exerted by the pressure piston 102 to the slide ring carrier 34 or its flange 46. This allows the second axial force component to be transmitted evenly around the axis of rotation X to the slide ring carrier 34 or to the floating slide ring 38. without generating unwanted tilting moments.
  • the application of force to the slide ring carrier 34 are shifted radially inwards via the annular projection 126 in relation to the radial position of the pressure piston 102 . As a result, the deformation of the slide ring carrier 34 can be reduced or prevented.
  • the force distributor ring 122 is mounted so that it can move axially in the stationary housing part 12 , in particular so that it can move axially relative to the slide ring carrier 34 and can move axially with respect to the pressure piston 102 .
  • the force distribution ring 122 surrounds the slide ring carrier 34, for example, in a ring-shaped coaxial manner.
  • the pressure pistons 102 can each have a closing force activation spring 132 which is arranged on the end face of the pressure pistons 102 facing the mechanical seal 30 .
  • a closing force activation spring 132 is arranged on the end face of the pressure pistons 102 facing the mechanical seal 30 .
  • smaller closing force activation springs 132 are let into end bores 134 of the pressure piston 102 .
  • the clamping device 100 is not active and the closing force activation springs 132 do not exert any force on the flange 46 of the slide ring carrier 34 .
  • the pressure pistons 102 have moved against the spring force of the springs 106 axially in the direction of the mechanical seal 30 and the closing force activation spring exerts the second axial force component via the sliding ring carrier 34 , in the present example via the flange 46 onto the floating seal ring 36 .
  • the pressure pistons 102 strike against a stop 136 when the pressure threshold value ps is sufficiently exceeded, and the second axial force component K2 is then exerted on the slide ring carrier 34 exclusively by the closing force activation springs 132 .
  • the second axial force component K2 does not continue to increase, even if the medium pressure in the main medium channel 20 continues to increase.
  • the second axial force component remains constant, independent of the pressure, caused by the constant spring tension of the closing force activation springs 132
  • Pressure piston 102 acts, the closing force activation springs 132 thus exert a constant pressure-independent second axial force component K2 on the sliding ring arrangement 32.
  • the pressure pistons 102 are accommodated in the stationary housing part 12 by means of the opening pressure springs 106.
  • the stroke of the pressure pistons 102 in the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 13-18 is limited by the stop 136 and can also be extended to a maximum of the stop when pressure is applied with pressures far above the pressure threshold value ps 136 extend within the stationary housing part 12.
  • the closing force activation springs 132 act simultaneously with a constant force on the slide ring arrangement 32.
  • the spring force of the closing force activation springs 132 is, for example, 5 N per spring.
  • one or more pressure pistons 102 for example two to six, preferably two to four pressure pistons 102, are possible in terms of space.
  • three or four pressure pistons 102 optionally with closing force activation springs 132, can be arranged in a ring around the slide ring carrier 34.
  • the rotary union 10 therefore preferably has at least three operating states as follows:
  • the rotary union 10 defines a fully open state of the mechanical seal 30 (dry-running operating state).
  • dry-running operating state the two sliding rings 36, 38 are spaced apart by a sufficiently large gap 39 so that the rotary leadthrough 10 can rotate dry-running without medium, without wear occurring on the sliding rings 36, 38.
  • the rotary union When pressurized with a medium pressure below the pressure threshold value ps, the rotary union defines an operating state for operation with a compressible medium (compressed gas operating state).
  • compressed gas operating state In this compressed gas operating state, the mechanical seal is only minimally open, just to allow controlled (air) leakage.
  • the sealing gap 40 which allows controlled (air) leakage, is so small that it cannot be seen in the corresponding FIGS. 2, 5, 8, 11, 14, 17.
  • the tensioning device 100 In the compressed gas operating state for compressible media, the tensioning device 100 is not activated. Only the first axial force component K1 acts on the mechanical seal 30.
  • the rotary union defines an operating state for compressible media under a high medium pressure (liquid medium operating state).
  • liquid medium operating state shown in FIGS. 3, 6, 9, 12, 15, 18, the mechanical seal is closed and the clamping device 100 is activated.
  • the first axial force component acts based on the load ratio B and, in addition, the second axial force component, caused by the activated clamping device 100, added together as a common closing force on the mechanical seal 30. This ensures adequate tightness even for operation with highly viscous media such as cutting oil or hydraulic oil can be achieved at high medium pressure.
  • cooling lubricant that would be
  • Activation of the clamping device 100 is probably not absolutely necessary due to the lower viscosity, but it is not harmful either.
  • the clamping device 100 activated exclusively by the applied medium pressure, a targeted increase in closing force can be effected.
  • the closing force amplification is brought about by the medium pressure within the rotary union 10 exceeding the pressure threshold value ps and the clamping device 100 being activated in response to the pressure threshold value ps being exceeded, as a result of which the second axial force component K2 on the mechanical seal 30 is activated.
  • the present rotary leadthrough 10 has excellent dry-running properties, since excessive heating of the slide rings 36, 38 can be avoided in dry running.
  • the rotary feedthrough can therefore be operated at high speeds without any pressure in dry running or, in particular, with compressed air in a permissible pressure range of e.g. up to 10 bar.
  • the clamping device 100 is not activated and the secondary seal 60 can pull back the floating slide ring 36 by means of the so-called Pop-off® effect, so that there is no contact between the slide ring sealing surfaces 36a, 38a, but rather a sufficiently large gap 39 between these exists, and an unlimited dry run can also take place.
  • the U-cup ring 64 may deform somewhat. In the depressurized position, the recovery assists in the opening of the mechanical seal 30.
  • the present invention can also be equipped with a different secondary seal 60
  • the activation of the clamping device or the closing force boosting device 100 is controlled or triggered in response to the level of the medium pressure present in the main medium channel 20 . If the pressure is low, the clamping device or the closing force boosting device is not activated and if the pressure is higher, the clamping device or the closing force boosting device switches on, ie it is automatically activated under hydraulic control. As a result, in particular, a single main media channel is sufficient, into which all desired media can alternatively be introduced one after the other.
  • the activation and/or deactivation of the tensioning device or power booster device is therefore carried out purely mechanically/physically by the level of the medium pressure of the respectively introduced medium, i.e. by increasing the pressure above the pressure threshold value ps or reducing the pressure below the pressure threshold value ps, in particular by depressurizing.
  • a high degree of tightness of the mechanical seal 30 can be achieved when using cooling lubricant or cutting oil or hydraulic oil (liquid medium operating condition) and in compressed gas operation (compressed gas operating condition), e.g. with compressed air, a relatively low air leakage rate and good dry-running properties (dry-running operating condition), in particular with Pop-Off® function and high stability can be brought into harmony with each other.
  • cooling lubricant e.g. in particular greater than 90 bar
  • the exemplary embodiments can, for example, be operated with the liquid media KSS or cutting oil, for example up to 140 bar or even up to 210 bar or more, as well as with compressed air up to 10 bar and with MQL up to 10 bar.
  • the air leakage or a slight remaining (switching) leakage of cooling lubricant or cutting oil or hydraulic oil can be discharged via a leakage port 91 .
  • a leakage connection coupling can be connected to the leakage port 91 in order to discharge leakage liquid or the controlled air leakage from a leakage space 94 outside the mechanical seal 30 .
  • the rotating union 10 is supplied with the desired fluid media by an external media distribution network 400.
  • a compressed air source 402 is connected to an external distributor 410 via a control valve 404 and a compressed air supply line 408 .
  • a tank 412 as a media reservoir for cutting oil, hydraulic oil or KSS as a liquid medium is connected via a pump 414 to a motor 416 and an external liquid medium pressure supply line 418 to the external distributor 410.
  • the pump 414 generates the desired medium pressure P1 for the cutting oil, hydraulic oil or KSS, which can be up to 210 bar, for example.
  • the fluid pressure is limited by a pressure relief valve 422 which feeds back into tank 412.
  • the residual pressure of the liquid medium can be released again into the tank 412 via a return line 424 and a filter 426 with a parallel check valve 428 in order to depressurize the main media channel 20 .
  • the external distributor 410 is designed as a three-way valve (compressed air, liquid, return) and forms a media selection distributor in order to select the respectively desired medium.
  • a pressure line leads from the distributor 410 as a common connection line 430 for all media to the common connection port 22 in order to introduce all media via the same connection port 22 into the same media main channel 20 alternatively in succession under pressure.
  • a reliable rotary feedthrough 10 suitable for all media can be provided, into which both compressible media, e.g. compressed air or MQL/MQL, and incompressible media such as cooling lubricant (KSS), cutting oil or hydraulic oil can be successively introduced under pressure into one and the same main media channel 20.
  • KSS cooling lubricant

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine multimedientaugliche Drehdurchführung (10) zum Überführen von verschiedenen fluiden Medien mit unterschiedlichen Viskositäten von einem stationären Maschinenteil auf einen rotierenden Maschinenteil, umfassend: einen stationären Gehäuseteil (12) zum Einbau in den stationären Maschinenteil und mit einem Medienhauptkanal (20), in welchen fluide Medien druckbeaufschlagt einleitbar sind, einen Rotor (16) zum Verbinden mit dem rotierenden Maschinenteil (18) und mit einem Rotor-Fluidkanal (17), der mit dem Medienhauptkanal (20) des stationären Gehäuseteils (12) in Fluidverbindung steht, eine Gleitringdichtung (30) zwischen dem stationären Gehäuseteil (12) und dem Rotor (16), wobei die Gleitringdichtung (30) einen mit dem Rotor (16) rotierenden Rotorgleitring (38) und einen Statorgleitring (36) umfasst, wobei der Statorgleitring (36) oder der Rotorgleitring (38) an einem axial beweglichen Gleitringträger (34) befestigt ist, wodurch eine axial bewegliche Gleitringanordnung (32) gebildet wird, wobei der Mediumsdruck in der Drehdurchführung (10) eine erste axiale Kraftkomponente (K1) auf die axial bewegliche Gleitringanordnung (32) ausübt, die schließend auf die Gleitringdichtung (30) wirkt, und eine auf die axial bewegliche Gleitringanordnung (32) wirkende Spannvorrichtung (100), die von dem Mediumsdruck in der Drehdurchführung (10) aktiviert wird, wenn der Mediumsdruck in der Drehdurchführung (10) einen vordefinierten Druckschwellenwert (pS) übersteigt, und die im aktivierten Zustand eine zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente (K2) auf die Gleitringanordnung (32) ausübt, welche die Schließkraft der Gleitringdichtung (30) beeinflusst.

Description

MULTIMEDIENTAUGLICHE DREHDURCHFÜHRUNG UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER SOLCHEN
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine multimedientaugliche Drehdurchführung zum Überführen von verschiedenen fluiden Medien mit unterschiedlichen Viskositäten von einem stationären Maschinenteil auf einen rotierenden Maschinenteil im Allgemeinen und eine multimedientaugliche Drehdurchführung, bei welcher verschiedene Medien, insbesondere mit stark unterschiedlichen Viskositäten, z.B. kompressible Medien einerseits und höherviskose inkompressible Medien andererseits, wahlweise in die Drehdurchführung druckbeaufschlagt eingeleitet werden können im Speziellen.
Hintergrund der Erfindung
Drehdurchführungen werden typischerweise verwendet, um fluide Medien in ein rotierendes Maschinenteil, z.B. eine rotierende Spindel einer Werkzeugmaschine, einzuspeisen Hierzu enthält die Drehdurchführung eine Dichtung zwischen stationären Bauteilen und rotierenden Bauteilen Diese Dichtung kann als axiale Gleitringdichtung ausgebildet sein. Typischerweise gleiten bei einer axialen Gleitringdichtung zwei Gleitringe oder Gleitdichtringe aufeinander, wobei sich einer der Gleitringe relativ zu dem anderen koaxial zur Rotationsachse dreht und die Gleitringe mit ihren gegenüberliegenden aneinander angrenzenden ringförmigen Stirnflächen gegeneinander dichten, um den mit einem fluiden Medium druckbeaufschlagten Innenraum gegen den Atmosphärendruck im Außenbereich zu dichten. Die Art der mittels einer Drehdurchführung zu übertragenden fluiden Medien kann variieren und insbesondere kompressible Medien, wie Gase, z.B. Druckluft, und flüssige Medien, wie z.B. Kühlschmiermittel, auch als Kühlschmierstoff (KSS) bezeichnet, und Öle, wie z.B. Schneidöl oder Hydrauliköl, umfassen. Kühlschmierstoff (KSS) besteht zumeist im Wesentlichen aus einer Öl-Wasser-Emulsion und weist typischerweise eine Viskosität auf, die nicht sehr viel größer ist als die Viskosität von reinem Wasser, mithin eine relativ niedrige Viskosität. Hingegen weisen Schneidöl und Hydrauliköl eine erheblich höhere Viskosität auf, welche bis zu 60 mm2/s (cSt) oder mehr betragen kann. Ein ebenfalls bekanntes Verfahren ist die sogenannte Mindermengen- bzw. Minimalmengenschmierung (MMS/MQL). Diese verwendet typischerweise ein Aerosol in Form eines Öl-Gas-Gemisches, also im Wesentlichen auch ein kompressibles Medium.
Es existiert eine Vielzahl von Drehdurchführungen, welche zumeist mehr oder weniger für einen oder einige wenige bestimmte der vorgenannten fluiden Medien und/oder für bestimmte Bereiche von zulässigen Betriebsparametern optimiert sind. Es sind zwar auch Drehdurchführungen bekannt, welche mit verschiedenen fluiden Medien mit unterschiedlichen Eigenschaften bzw. Viskositäten betrieben werden können, allerdings hat sich gezeigt, dass diese mitunter nicht in erwünschtem Maße universell bzw. zuverlässig sind. Z.B. können diese unter bestimmten Bedingungen und/oder bei manchen Medien unter Umständen z.B. bei hohen Drehzahlen überhitzen, was bis zur Zerstörung der Drehdurchführung führen kann. Unter anderem hat sich gezeigt, dass manche vermeintlich universelle Drehdurchführungen z.B. im Trockenlauf oder mit Druckluft bei hohen Drehzahlen erhebliche Probleme in Bezug auf die Standfestigkeit haben können. Als Trockenlauf wird typischerweise der rotierende Betrieb einer Drehdurchführung ohne Druckbeaufschlagung mit einem Medium bezeichnet.
Ferner können herkömmliche Drehdurchführungen teilweise eine relativ hohe Leckagerate im Druckluftbetrieb, z.B. von bis zu 100 Normlitern pro Minute oder mehr aufweisen, was ebenfalls unerwünscht sein kann.
In den Patenten EP 1 744 502 B1 und EP 2 497978 B1 der Deublin Company ist eine Technologie beschrieben, bei welcher das Belastungsverhältnis (manchmal auch als Balance Ratio bezeichnet) der Gleitringdichtung in einem speziell vorgewählten Intervall liegt, und in einem weiten Druck- und Drehzahlbereich einen geeigneten Anpressdruck zwischen den beiden Gleitringen gewährleistet. Die Technologie von Deublin ist in der Fachwelt auch unter der Bezeichnung AutoSense® bekannt.
Insgesamt sind viele der am Markt verfügbaren konventionellen Drehdurchführungen im Hinblick auf die Gesamtheit der teilweise widerstreitenden Anforderungen an Drehdurchführungen, wie z.B. Einsatzbereich der Betriebsparameter, Vielfältigkeit im Hinblick auf die verwendbaren fluiden Medien, Standfestigkeit, Einfachheit für den Verwender, Universalität, etc. in unterschiedlicher Weise mehr oder weniger beschränkt.
Aus den Anmeldungen DE 102021 111 688 und DE 10 2021 111 670 derselben Anmelderin, beide eingereicht am 5. Mai 2021 und nicht vorveröffentlicht, welche hiermit durch Referenz inkorporiert werden, sind multimedientaugliche Drehdurchführungen bekannt, welche zwei unterschiedliche Belastungsverhältnisse für unterschiedlich viskose Medien aufweisen, wobei die Belastungsverhältnisse über unterschiedliche Medieneinlasskanäle angesteuert werden. Für manche Anwendungen können die hierfür erforderlichen mehreren Medienanschlüsse jedoch weniger erwünscht sein.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine multimedientaugliche Drehdurchführung bereit zu stellen, welche für verschiedene Medien, insbesondere kompressible Medien, z.B. Druckluft einerseits und inkompressible Medien mit hoher Viskosität, z.B. Schneidöl oder Hydrauliköl anderseits geeignet ist.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, eine multimedientaugliche Drehdurchführung bereit zu stellen, welche eine geringe Leckagerate im Betrieb mit unterschiedlichen Medien, Viskositäten und Drücken aufweist und auch bei hohen Drehzahlen langlebig und verschleißarm arbeitet.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, eine multimedientaugliche Drehdurchführung bereit zu stellen, welche sowohl mit i) Schneid- oder Hydrauliköl, ii) mit Kühlschmierstoff (KSS), iii) mit Druckluft, iv) mit aerosolen Medien für Mindermengen- oder Minimalmengenschmierung als auch v) medienlos und drucklos, d.h. im Trockenlauf jeweils unter hohen Drehzahlen langlebig und verschleißarm arbeitet.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, eine multimedientaugliche Drehdurchführung bereit zu stellen, welche große Universalität („one-for-all“) und Einfachheit in der Benutzung für den Verwender miteinander in Einklang bringt und die für Benutzer herkömmlicher Drehdurchführungen eine Rückwärtskompatibilität ermöglicht.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, eine Drehdurchführung bereit zu stellen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht oder nur in geringerem Maße aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine multimedientaugliche Drehdurchführung zum Überführen von verschiedenen fluiden Medien, einschließlich sowohl kompressible als auch inkompressible Medien und Medien mit unterschiedlichen, insbesondere hohen Viskositäten in derselben Drehdurchführung von einem stationären Maschinenteil in einen rotierenden Maschinenteil bereitgestellt. Die Drehdurchführung umfasst einen stationären Gehäuseteil zum Einbau in den stationären Maschinenteil und einen Rotor zum Verbinden mit dem rotierenden Maschinenteil. Der stationäre Gehäuseteil umschließt einen insbesondere (ko)axialen Medienhauptkanal mit einem zentralen Arbeitsraum in Form eines axialen bzw. zentralen inneren Stator-Fluidkanals. Der Rotor, z.B. in Form einer Hohlwelle, weist einen ebenfalls insbesondere axialen oder zentralen Rotor-Fluidkanal auf, wobei die Fluidkanäle des stationären Gehäuseteils und des Rotors dauerhaft, also auch während der Rotation miteinander in Fluidverbindung stehen, derart dass der Rotor relativ zu dem stationären Gehäuseteil, ggf. mit einer hohen Drehzahl rotieren kann, und das jeweilige druckbeaufschlagte Medium während der Rotation von dem Medienhauptkanal des stationären Gehäuseteils in den Rotor-Fluidkanal des rotierenden Rotors fließt, um aus dem Rotor-Fluidkanal in das angeschlossene rotierende Maschinenteil geleitet zu werden. Der stationäre Gehäuseteil kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
Die Drehdurchführung umfasst eine axiale Gleitringdichtung zwischen dem stationären Gehäuseteil und dem Rotor, welche die Fluidverbindung zwischen dem Rotor und dem stationären Gehäuseteil während der Rotation abdichtet. Die Gleitringdichtung umfasst hierzu einen mit dem Rotor rotierenden Gleitring oder Gleitdichtring, den sogenannten Rotorgleitring und einen nicht rotierenden Gleitring oder Gleitdichtring, den sogenannten Statorgleitring, wobei die beiden Gleitringe mit ihren gegenüberliegenden und relativ zueinander rotierenden ringförmigen Dichtflächen den Übergang zwischen dem stationären und dem rotierenden Bereich der Drehdurchführung abdichten. Damit die Gleitringdichtung, z.B. im drucklosen Trockenlauf oder im Druckluftbetrieb kontrolliert öffnen kann, ist zumindest einer der beiden Gleitringe geringfügig axial beweglich aufgehängt. Dazu ist dieser Gleitring an einem axial beweglich gelagerten Gleitringträger befestigt, so dass der Gleitringträger und der zugehörige Gleitring eine axial bewegliche Gleitringanordnung bilden, und die Gleitringdichtung kann durch axiale Bewegung der Gleitringanordnung, also des Gleitringträgers mit dem daran befestigten Gleitring öffnen und schließen. Aus konstruktiver Sicht ist es zumeist einfacher, den Statorgleitring axial beweglich aufzuhängen. In diesem Fall bildet der axial bewegliche Gleitringträger mit dem daran befestigten Statorgleitring eine axial bewegliche Statorgleitringanordnung. Die Statorgleitringanordnung ist mittels des Gleitringträgers axial verschieblich in dem inneren Stator-Fluidkanal des stationären Gehäuseteils gelagert und kann vorzugsweise etwas Winkelspiel ausgleichen, um eine präzise Dichtung zwischen den aneinandergrenzenden Dichtflächen der beiden Gleitringe zu gewährleisten. Ein derart axial verschieblicher und ggf. geringfügig kippbarer (Stator-)Gleitring wird in der Fachwelt auch als schwebender (Stator-)Gleitring bezeichnet.
Mit anderen Worten umfasst im Fall eines schwebenden Statorgleitrings die Gleitringdichtung eine in dem stationären Gehäuseteil axial bewegliche, aber nicht rotierende, Gleitringanordnung mit dem Statorgleitring sowie einen mit dem Rotor rotierenden komplementären Rotorgleitring. Der Rotorgleitring kann z.B. an der dem stationären Gehäuseteil zugewandten Stirnseite des Rotors befestigt, z.B. verpresst und/oder verklebt oder anderweitig befestigt sein.
Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, die Anordnung aus schwebendem Gleitring und dem dazu komplementären Gleitring umzukehren, also den Rotorgleitring axial beweglich aufzuhängen, um den Rotorgleitring als schwebenden Gleitring auszubilden. Die Gleitringdichtung kann in beiden Fällen mit Pop-Off®-Funktionalität ausgebildet sein. Die Gleitringanordnung aus Gleitringträger und Gleitring kann ggf. einstückig ausgebildet sein.
Wenn der Medienhauptkanal mit Mediumsdruck beaufschlagt wird, fließt das Medium einerseits durch die Gleitringdichtung in den Fluidkanal des Rotors. Gleichzeitig wird die axial bewegliche Gleitringanordnung mit dem Mediumsdruck beaufschlagt, was eine erste axiale Kraftkomponente auf die axial bewegliche Gleitringanordnung ausübt, die schließend auf die Gleitringdichtung wirkt. Diese schließend wirkend erste axiale Kraftkomponente hängt von dem Belastungsverhältnis, d.h. von den geometrischen Flächenverhältnissen der Gleitringdichtung ab und steigt proportional mit dem anliegenden Mediumsdruck.
Um die axiale Schließkraft auf die Gleitringdichtung darüber hinaus zusätzlich beeinflussen zu können, weist die erfindungsgemäße Drehdurchführung nun noch eine auf die axial bewegliche Gleitringanordnung wirkende axial bewegliche Spannvorrichtung innerhalb des stationären Gehäuseteils auf, die einen nicht aktivierten und einen aktivierten Zustand definiert. Die Spannvorrichtung wird von dem in dem Medienhauptkanal anliegenden Mediumsdruck aktiviert, wenn der Mediumsdruck in dem Medienhauptkanal einen vordefinierten Druckschwellenwert als Druckschaltwert übersteigt. Die Spannvorrichtung wird also hydraulisch aktiviert, also hydraulisch eingeschaltet. Wenn der Mediumsdruck wieder unter den Druckschwellenwert fällt, wird die Spannvorrichtung wieder deaktiviert, also hydraulisch ausgeschaltet. Mit anderen Worten schaltet die Spannvorrichtung in Ansprechen darauf, dass der Mediumsdruck in der Drehdurchführung den vordefinierten Druckschwellenwert überschreitet, von dem nicht aktivierten Zustand in den aktivierten Zustand. In Ansprechen auf ein Unterschreiten des Mediumsdrucks in der Drehdurchführung unter einen vordefinierten Druckschwellenwert schaltet die Spannvorrichtung von dem aktivierten Zustand wieder in den nicht aktivierten Zustand zurück.
In dem aktivierten Zustand erzeugt die Spannvorrichtung eine zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente, die zusätzlich zu der mediumsdruckproportionalen ersten axialen Kraftkomponente auf die axial bewegliche Gleitringanordnung wirkt und somit zur Schließkraft der Gleitringdichtung beiträgt, insbesondere die Schließkraft der Gleitringdichtung zwischen dem Statorgleitring und dem Rotorgleitring verstärkt. Mit anderen Worten wirkt in dem nicht aktivierten Zustand der Spannvorrichtung die zweite axiale Kraftkomponente nicht, so dass die Schließkraft der Gleitringdichtung lediglich durch die erste axiale Kraftkomponente bewirkt wird und in dem aktivierten Zustand der Spannvorrichtung summieren sich die erste und die zweite axiale Kraftkomponente zu einer Gesamtschließkraft, welche insbesondere größer ist als die erste axiale Kraftkomponente, die durch das Belastungsverhältnis definiert wird.
Wenn die Spannvorrichtung nicht aktiviert ist, arbeitet die Gleitringdichtung vorzugsweise als eine balancierte Gleitringdichtung, bei welcher das Belastungsverhältnis derart gewählt ist, dass die Gleitringdichtung zumindest überwiegend, ggf. ausschließlich hydraulisch bzw. pneumatisch ausbalanciert ist. Entsprechende Drehdurchführungen mit einem Belastungsverhältnis in einem bestimmten Bereich werden von der Anmelderin mit der Bezeichnung Autosense® versehen. Eine Besonderheit der vorliegenden Drehdurchführung liegt nun darin, dass die Gleitringdichtung unterhalb des Druckschwellenwerts als balancierte Gleitringdichtung arbeitet, also solange die Spannvorrichtung nicht aktiviert ist, und durch das Überschreiten des Druckschwellenwerts die Spannvorrichtung aktiviert bzw. hydraulisch eingeschaltet wird, wodurch eine Verstärkung der Schließkraft bewirkt wird.
Vorzugsweise ist die Spannvorrichtung relativ zu der Gleitringanordnung axial beweglich in dem stationären Gehäuseteil gelagert, um die Gleitringanordnung mit der zusätzlichen zweiten axialen Kraftkomponente zu beaufschlagen, z.B. indem die Spannvorrichtung axial gegen die Gleitringanordnung drückt.
Die Gleitringdichtung mit dem schwebenden Gleitring definiert ein Belastungsverhältnis B = FH / F, wobei FH die von dem Mediumsdruck hydraulisch oder pneumatisch belastete Fläche der Gleitringanordnung und F die Kontaktfläche zwischen dem Statorgleitring und dem Rotorgleitring sind. Die erste axiale Kraftkomponente auf die Gleitringanordnung basiert auf dem Belastungsverhältnis der Gleitringdichtung, und zwar unabhängig davon, ob die Spannvorrichtung aktiviert oder nicht aktiviert ist, also in gleicher Weise bei aktivierter oder nicht aktivierter Spannvorrichtung, und steigt proportional mit dem Mediumsdruck in der Drehdurchführung an. Die von der Spannvorrichtung erzeugte zweite axiale Kraftkomponente auf die Gleitringanordnung wird nun zusätzlich zu der auf dem Belastungsverhältnis basierenden ersten axialen Kraftkomponente hinzufügt, so dass eine Gesamtschließkraft auf die Gleitringdichtung wirkt, die als Summe der ersten und zweiten axialen Kraftkomponente gebildet wird, wenn und nur dann, wenn der Mediumsdruck den Druckschwellenwert übersteigt und die Spannvorrichtung aktiviert hat. Insbesondere ist die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente also nicht wirksam, wenn und solange der Mediumsdruck unterhalb des Druckschwellenwerts bleibt.
Mit anderen Worten schaltet die Spannvorrichtung, wenn der Druckschwellenwert überschritten wird, eine zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente wie einen Booster zu, der die Schließkraft überproportional zu der ersten axialen Kraftkomponente verstärkt. Die Spannvorrichtung bildet demnach eine Schließkraftverstärkungsvorrichtung, die bei Überschreiten des Druckschwellenwertes eingeschaltet wird. Das Einschalten der Schließkraftverstärkungsvorrichtung erfolgt dabei insbesondere hydraulisch durch den Mediumsdruck.
Dadurch kann z.B. bei Druckluftbetrieb unterhalb des Druckschwellenwerts, also mit einem relativ niedrigen Druck, z B. kleiner oder gleich 10 bar, die Gleitringdichtung balanciert mit dem Belastungsverhältnis B betrieben werden, wobei das Belastungsverhältnis B eine kontrollierte (geringfügige) Öffnung der Gleitringdichtung mit kontrollierter erwünschter Luftleckage erlaubt und somit für den Druckluftbetrieb unter Rotation geeignet ist. Bei Druckbeaufschlagung des Medienhauptkanals mit einem höherviskosen inkompressiblen Medium, z.B Schneidöl oder Hydrauliköl mit einem höheren Druck, insbesondere größer als 10 bar, schaltet sich die Spannvorrichtung ein, wodurch eine Verstärkung der Schließkraft bewirkt wird, die für höherviskoses Schneidöl oder Hydrauliköl geeignet ist und eine exzessive Leckage vermeidet.
Schneidöl kann z.B. eine Viskosität im Bereich von 6 mm2/s bis 18 mm2/s und Hydrauliköl eine Viskosität im Bereich von 32 mm2/s bis 46 mm2/s (40°C), ggf. sogar bis zu 60 mm2/s (40°C) aufweisen. Die Drehdurchführung kann mit der aktivierten Spannvorrichtung aber auch mit einem niedrigerviskosen flüssigen Medium, z.B. Kühlschmierstoff (KSS), z.B. mit einer Viskosität im Bereich von 1 mm2/s bis 3 mm2/s betrieben werden.
Dadurch kann die Drehdurchführung sowohl mit den kompressiblen Medien als auch mit den inkompressiblen Medien jeweils unter hohen Drehzahlen, z.B. bis größer oder gleich 24.000 min·1 betrieben werden, ohne dass die Gleitringe übermäßig erhitzen. Trotzdem kann die Drehdurchführung einerseits im Druckluftbetrieb eine akzeptabel geringe Luftleckagerate aufweisen und andererseits im Wesentlichen leckagefrei mit einem inkompressiblen bzw. flüssigen Medium auch höherer Viskosität arbeiten.
In vorteilhafter Weise entsteht im Druckluftbetrieb zwischen den beiden Dichtflächen der Gleitringe ein kleiner Spalt (kontrolliertes Öffnen der Gleitringdichtung), sodass kein Verschleiß stattfindet und eine gewollte kontrollierte geringfügige Luftleckage austritt. Bei flüssigen Medien mit hoher Viskosität, wie beispielsweise Schneidöl oder Hydrauliköl hingegen werden die beiden Gleitringe mit der verstärkten Schließkraft gegeneinandergepresst, d.h. die Gleitringdichtung wird geschlossen, sodass eine Spaltvergrößerung vermieden wird. Die Drehdurchführung definiert demnach vorzugsweise zumindest zwei Betriebszustände wie folgt:
1. Bei Druckbeaufschlagung mit einem Mediumsdruck unterhalb des Druckschwellenwertes definiert die Drehdurchführung einen Druckgasbetriebszustand für den Betrieb mit einem kompressiblen Medium. In dem Druckgasbetriebszustand ist die Gleitringdichtung minimal geöffnet, um eine kontrollierte Leckage zu ermöglichen. In dem Druckgasbetriebszustand für kompressible Medien ist die Spannvorrichtung nicht aktiviert. Es wirkt also lediglich die erste axiale Kraftkomponente basierend auf dem Belastungsverhältnis.
2. Bei Druckbeaufschlagung mit einem Mediumsdruck oberhalb des Druckschwellenwertes definiert die Drehdurchführung einen Flüssigmediumbetriebszustand für kompressible Medien unter einem hohen Mediumsdruck. In dem Flüssigmediumbetriebszustand ist die Gleitringdichtung geschlossen und die Spannvorrichtung ist aktiviert. Demnach wirken in dem Flüssigmediumbetriebszustand die erste axiale Kraftkomponente basierend auf dem Belastungsverhältnis B und zusätzlich die zweite axiale Kraftkomponente, bewirkt durch die aktivierte Spannvorrichtung, addiert als gemeinsame Schließkraft auf die Gleitringdichtung. Dadurch kann eine hinreichende Dichtigkeit für den Betrieb mit höher viskosen Medien wie Schneidöl oder Hydrauliköl bei einem hohen Mediumsdruck erreicht werden.
Die Umschaltung zwischen dem Druckgasbetriebszustand und dem Flüssigmediumbetriebszustand erfolgt hydraulisch durch den in der Drehdurchführung anliegenden Mediumsdruck.
In vorteilhafter Weise kann somit eine universelle multimedientaugliche Drehdurchführung geschaffen werden, die bei Druckbeaufschlagung mit sehr unterschiedlichen Medien, nämlich kompressiblen Medien einerseits, z.B. Druckluft, und hochviskosen flüssigen Medien andererseits, z.B. Schneidöl oder Hydrauliköl, geeignet ist und zwar mit hoher Standfestigkeit bei hohen Drehzahlen und geringer Leckagerate bei allen der eingesetzten Medien, insbesondere bei flüssigen Medien im Wesentlichen leckagefrei.
Liegt kein Mediumsdruck im Medienhauptkanal an, besteht keine Schließkraft auf die Gleitringdichtung. Optional kann in dem drucklosen Zustand eine Sekundärdichtung den schwebenden Gleitring zurückziehen (sogenannte PopOff@-Funktion). Dadurch besteht im Trockenlauf kein Kontakt der Gleitring-Dichtflächen zueinander und es kann auch ein zeitlich unbegrenzter Trockenlauf unter hohen Drehzahlen stattfinden.
Die Drehdurchführung kann demnach einen dritten Betriebszustand, nämlich den Trockenlaufbetriebszustand definieren. Der Trockenlaufbetriebszustand liegt bei Drucklosigkeit der Drehdurchführung vor, wobei sich die Gleitringdichtung in einem vollständig geöffneten Zustand befindet. In dem vollständig geöffneten Trockenlaufbetriebszustand sind die beiden Gleitringe durch einen hinreichend großen Spalt voneinander entfernt, sodass die Drehdurchführung im Trockenlauf ohne Medium rotieren kann, ohne dass Verschleiß an den Gleitringen entsteht. Die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente, die die Spannvorrichtung auf die Gleitringanordnung ausübt, wenn der Mediumsdruck den vordefinierten Druckschwellenwert überstiegen hat, kann selbst druckunabhängig oder - in dem Druckbereich oberhalb des Druckschwellenwerts - druckabhängig vom Mediumsdruck sein, dort z.B. proportional zu dem Mediumsdruck sein. Die zweite axiale Kraftkomponente kann also im Druckbereich von 0 bar bis zum Druckschwellenwert konstant null betragen und am Druckschwellenwert z.B. unstetig ansteigen und/oder oberhalb des Druckschwellenwerts proportional ansteigen.
Die Spannvorrichtung kann eine oder mehrere Federn aufweisen, welche durch den anliegenden Mediumsdruck in dem Medienhauptkanal gegen das stationäre Gehäuseteil gespannt werden.
Z.B. kann bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellenwertes der Federspannung, die Spannvorrichtung aktiviert werden und dann und nur dann die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente auf die Gleitringanordnung ausüben, d.h. wenn der Schwellenwert der Federspannung überschritten wird.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist der Gleitringträger einen äußeren (Ring-)Flansch auf, an welchem die Spannvorrichtung angreift, um die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente der Spannvorrichtung auf die Gleitringanordnung zu übertragen.
Ferner kann die Spannvorrichtung einen Kraftverteilerring aufweisen, welcher die von der Spannvorrichtung ausgeübte zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente ringförmig gleichmäßig auf den Gleitringträger, z.B. auf den Flansch verteilt.
Vorzugsweise weist die Spannvorrichtung einen oder mehrere federbelastete Kolben in dem stationären Gehäuseteil auf, welche von dem Mediumsdruck in der Drehdurchführung betätigt werden und im betätigten Zustand die zweite axiale Kraftkomponente auf die Gleitringanordnung ausüben. Mit anderen Worten wird der zumindest eine Kolben von dem Mediumsdruck gegen die Federkraft gespannt und übt die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente der Spannvorrichtung auf die Gleitringanordnung aus, wenn und nur dann, wenn der Mediumsdruck in der Drehdurchführung den Druckschwellenwert übersteigt.
Hierzu sind vorzugsweise eine oder mehrere axiale Bohrungen in dem stationären Gehäuseteil vorgesehen, in welchen der bzw. die federbelasteten Kolben jeweils axial verschieblich gelagert sind und von dem anliegenden Mediumsdruck gegen die jeweilige Feder gespannt werden.
Vorzugsweise ist der bzw. sind die federbelasteten Kolben in der jeweils zugehörigen axialen Bohrung mittels eines Dichtungsrings gedichtet, so dass das druckbeaufschlagte Medium im Wesentlichen nicht über den bzw. die federbelasteten Kolben entweichen kann Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform greift der Mediumsdruck aus dem Medienhauptkanal an einer rückwärtigen (rotorabgewandten) Stirnfläche des bzw. der Kolben an, um den bzw. die Kolben druckbeaufschlagt in der jeweiligen axialen Bohrung in dem stationären Gehäuseteil gegen die Federbelastung in Richtung der Gleitringdichtung zu verschieben.
Vorzugsweise weist die Spannvorrichtung zumindest zwei oder drei, vorzugsweise zwei bis sechs, vorzugsweise zwei, drei oder vier federbelastete Kolben auf, welche insbesondere gleichmäßig um den Gleitringträger herum in dem stationären Gehäuseteil angeordnet sind. Z.B. kann bereits mit zwei radial gegenüberliegenden federbelasteten Kolben ein symmetrischer Kraftangriff auf die Gleitringanordnung ermöglicht und ein Verkippen der Gleitringanordnung verhindert werden. Ferner hat sich dies in Bezug auf die Rückwärtskompatibilität sowie unter anderem aus Platzgründen innerhalb der Drehdurchführung als vorteilhaft erwiesen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegen der bzw. die federbelasteten Kolben axial an dem äußeren Flansch des Gleitringträgers oder axial an dem Kraftverteilerring an, wenn der Druckschwellenwert überschritten ist, um die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente der Spannvorrichtung unmittelbar auf den äußeren Flansch bzw. unmittelbar auf den Kraftverteilerring zu übertragen, was ökonomisch in Bezug auf die räumlichen Verhältnisse innerhalb des stationären Gehäuseteils sein kann.
Beispielsweise weist der stationäre Gehäuseteil einen Anschlag für den bzw. die federbelasteten Kolben auf, welcher den axialen Flub des bzw. der federbelasteten Kolben begrenzt, indem der bzw. die federbelasteten Kolben gegen den jeweils zugehörigen Anschlag anschlagen, wenn der Druckschwellenwert überschritten und die Spannvorrichtung aktiviert ist. Ferner können der bzw. die federbelasteten Kolben jeweils eine Schließkraftaktivierungsfeder aufweisen, welche im aktivierten Zustand der Spannvorrichtung eine konstante mediendruckunabhängige Federkraft auf die Gleitringanordnung ausüben, so dass die von der Spannvorrichtung auf die Gleitringanordnung ausgeübte zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente mediumsdruckunabhängig konstant ist, wenn und solange die Spannvorrichtung aktiviert ist.
Der Druckschwellenwert ist vorzugsweise größer als der maximal zulässige Betriebsdruck der Drehdurchführung für Druckluftbetrieb. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Spannvorrichtung im gesamten zulässigen Druckbereich für Druckluftbetrieb nicht aktiviert wird und die Drehdurchführung im Druckluftbetrieb mit dem Belastungsverhältnis und ohne die zusätzliche zweite Kraftkomponente rotiert, so dass sich ein Luftspalt ausbilden und eine kontrollierte Luftleckage stattfinden kann (AutoSense®). FHierzu kann der Druckschwellenwert z.B. größer als 5 bar, vorzugsweise größer oder gleich 10 bar, vorzugsweise zwischen 5 bar und 100 bar, vorzugsweise zwischen 10 und 50 bar, vorzugsweise zwischen 10 bar und 30 bar betragen. Mit anderen Worten ist der Druckschwellenwert vorzugsweise mindestens so hoch gewählt, dass die Schließkraftverstärkungsvorrichtung im Druckluftbetrieb nicht aktiviert wird, d.h. ausgeschaltet bleibt Die Drehdurchführung weist ferner einen Anschlussport zum Anschließen einer Mediendruckleitung auf, um die gewünschten Medien mit einem mediumsspezifischen gewünschten Mediumsdruck in den Medienhauptkanal einzuleiten. Vorzugsweise ist die Drehdurchführung eine Einzelport-Drehdurchführung, weist also lediglich einen einzigen Anschlussport zum Anschließen einer Mediendruckleitung und einen einzigen Medienhauptkanal auf, durch den (alternativ) alle gewünschten verschiedenen Medien durchgeleitet werden. Die Drehdurchführung ist also dazu hergerichtet, dass sowohl kompressible Medien, insbesondere Druckluft als auch inkompressible Medien, insbesondere Schneidöl oder Hydrauliköl, über denselben Anschlussport druckbeaufschlagt in denselben Medienhauptkanal eingeleitet werden können. Dabei werden alle Medien alternativ (nicht gleichzeitig) über denselben Anschlussport eingeleitet und ein Druckanstieg des aktuell anstehenden Mediums über den Druckschwellenwert in dem einzigen Medienhauptkanal bewirkt das hydraulische Einschalten der Spannvorrichtung und/oder der Druckabfall des aktuell anstehenden Mediums in dem einzigen Medienhauptkanal unter einen Druckschwellenwert bewirkt das Ausschalten der Spannvorrichtung
In vorteilhafter Weise kann die Drehdurchführung somit mit einem einzigen Anschlussport zum Anschließen einer Mediendruckleitung auskommen, um alle gewünschten Medien jeweils mit einem zugehörigen mediumsspezifischen gewünschten Mediumsdruck in den Medienhauptkanal einzuleiten und die Drehdurchführung ist trotzdem dazu geeignet, dass sowohl kompressible Medien, insbesondere Druckluft, als auch inkompressible Medien, insbesondere Schneidöl oder Hydrauliköl, über denseiben Anschlussport druckbeaufschlagt in denselben Medienhauptkanal eingeleitet werden können, wobei die Schließkraft der Gleitringdichtung in vorteilhafter Weise bei allen Mediumsdrücken in einem geeigneten Bereich liegt, d.h. kontrollierte Luftleckage bei Druckluftbetrieb oder MMS/MQL mit relativ geringem Mediumsdruck und zuverlässiges Schließen der Gleitringdichtung bei Betrieb mit Schneidöl, Hydrauliköl oder KSS mit relativ hohem Mediumsdruck.
Der Anschlussport ist vorzugsweise ein (ko)axialer Anschlussport. Es soll jedoch in Bezug auf besondere Kundenanforderungen nicht grundsätzlich ausgeschlossen sein, einen radialen Anschlussport und/oder mehrere Anschlussports zu verwenden, obwohl diese für die Multimedientauglichkeit der Drehdurchführung nicht erforderlich sind.
Vorzugsweise verläuft der Medienhauptkanal insbesondere vom Anschlussport bis zur Gleitringdichtung (ko)axial. Vorzugsweise ist der Medienhauptkanal vom Anschlussport bis zur Gleitringdichtung dauerhaft offen, d.h. der koaxiale Medienhauptkanal selbst enthält vorzugsweise kein Ventil, das den Durchfluss der Medien vom Anschlussport durch den Medienhauptkanal in den Rotor-Fluidkanal stören würde. Dadurch kann unter anderem eine unerwünschte Entmischung in dem Medienhauptkanal vermieden werden, z.B., wenn die Drehdurchführung mit Minimalmengenschmierung (MMS/MQL) betrieben wird. Das aktuell gewünschte Medium und den jeweiligen Mediumsdruck stellt der Nutzer an einem Medienverteilnetzwerk außerhalb der Drehdurchführung ein. Hierzu sind außerhalb der Drehdurchführung zumindest zwei Medienquellen, zwei Medienzuleitungen, ein Verteiler und externe Ventile in den Medienzuleitungen für die unterschiedlichen Medien, insbesondere mit unterschiedlicher Viskosität, insbesondere sowohl zumindest ein kompressibles Medium, wie z.B. Druckluft, und zumindest ein inkompressibles flüssiges Medium, wie z.B. Schneidöl, Hydrauliköl oder KSS, umfasst. Die Mediumszuleitungen, insbesondere für Druckluft einerseits und für Schneidöl, Hydrauliköl oder KSS andererseits, sind außerhalb der Drehdurchführung über den Verteiler zusammengeschaltet, um mittels externer Ventile von außerhalb der Drehdurchführung das jeweils gewünschte Medium auszuwählen, und um dieses mit dem gewünschten Mediumsdruck über den einzigen Anschlussport in den, vorzugsweise einzigen, Medienhauptkanal einzuleiten. D.h. alle zugelassenen Medien werden außerhalb der Drehdurchführung alternativ ein- und ausgeschaltet und vorzugsweise über denselben Anschlussport alternativ, also zeitlich nacheinander, in die Drehdurchführung eingeleitet.
Vorzugsweise beträgt das Belastungsverhältnis der der Gleitringdichtung im Bereich von etwa 0,40 bis 0,65, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,45 bis 0,60, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,47 bis 0,60, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,50 bis etwa 0,57. Das ermöglicht im Druckluftbetrieb ein kontrolliertes Öffnen der Gleitringdichtung und damit eine kontrollierte Luftleckage, die nicht übermäßig groß ist.
Der Gleitringträger ist bevorzugt mittels einer elastomeren Sekundärdichtung in dem stationären Gehäuseteil axial verschieblich gelagert und gedichtet. Die Sekundärdichtung kann z.B. einen Elastomerring umfassen, welcher auf dem Außendurchmesser des Gleitringträgers angeordnet ist und z.B. einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Beim druckbeaufschlagten Schließen der Gleitringdichtung kann die Sekundärdichtung axial gespannt werden und kann beim Drucklosstellen den Gleitringträger mit dem Statorgleitring von dem Rotor-Gleitring wegziehen, um die Gleitringdichtung für den Trockenlauf hinreichend weit zu öffnen (sogenannte PopOff®-Funktion). Das Öffnen der Gleitringdichtung im Trockenlauf kann also z.B. durch Rückformung des Elastomerrings unterstützt werden. Dies kann zu einem praktisch unbegrenzten verschleißfreien Trockenlauf bei hohen Drehzahlen beitragen.
Vorzugsweise ist zumindest einer der beiden Gleitringe, insbesondere sind beide Gleitringe der Gleitringdichtung als Siliziumcarbid-Gleitring (SiC) ausgebildet.
Die Drehdurchführung wird beispielsweise wie folgt angeschlossen und betrieben:
Der Benutzer schließt eine externe Druckgasquelle über eine externe Druckgaszuleitung und einen externen Verteiler, z.B. ein Mehrwegeventil, an den Anschlussport der Drehdurchführung sowie ein externes Medienreservoir mit einem inkompressiblen flüssigen Medium, wie z.B. Öl, insbesondere Schneidöl oder Hydrauliköl mit einer Viskosität von größer oder gleich 6 mm2/s, oder KSS, über eine externe Flüssigmediumdruckzuleitung und über den externen Verteiler an denselben Anschlussport der Drehdurchführung an. Im Betrieb wird dann in einem ersten Zeitintervall über die Druckgaszuleitung und den Anschlussport Druckgas, z.B. Druckluft, mit einem niedrigeren Druck als das Öl oder der Kühlschmierstoff, insbesondere mit einem Druck von kleiner oder gleich 10 bar, in den Medienhauptkanal eingeleitet, wobei die Spannvorrichtung nicht aktiviert ist und die Drehdurchführung mit dem Druckgas und mit einer Schließkraft auf die Gleitringdichtung rotiert, die durch das Belastungsverhältnis der Gleitringdichtung definiert wird und eine kontrollierte Gasleckage stattfindet, und wobei später das Druckgas wieder abgeschaltet wird.
In einem zweiten nachfolgenden Zeitintervall wird über die Flüssigmediumdruckzuleitung, den externen Verteiler und denselben Anschlussport das inkompressible flüssige Medium, insbesondere Schneidöl oder Hydrauliköl mit einer Viskosität von größer oder gleich 6 mm2/s oder Kühlschmierstoff, mit einem höheren Druck als das Druckgas, insbesondere mit einem Druck von größer als 10 bar, in den Medienhauptkanal eingeleitet, wobei die Spannvorrichtung durch den anstehenden höheren Druck des flüssigen Mediums aktiviert wird, also hydraulisch eingeschaltet wird, und die Drehdurchführung mit dem flüssigen Medium und mit einer addierten Schließkraft auf die Gleitringdichtung rotiert, wobei sich die addierte Schließkraft aus der ersten axialen Kraftkomponente und der zusätzlichen zweiten axialen Kraftkomponente zusammensetzt, wobei die erste axiale Kraftkomponente durch das Belastungsverhältnis von dem Flüssigkeitsdruck erzeugt wird und die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente von der aktivierten Spannvorrichtung erzeugt wird. Später wird das inkompressible flüssige Medium wieder abgeschaltet, wodurch die Spannvorrichtung wieder deaktiviert wird.
Somit kann die Drehdurchführung über denselben Anschlussport und denselben Medienhauptkanal nacheinander mit unterschiedlichen Medien, einschließlich sowohl kompressiblen als auch inkompressiblen Medien, mit den jeweils geeigneten Drücken betrieben werden und in Ansprechen auf den Anstieg des Mediumsdrucks über den Druckschwellenwert schaltet die Spannvorrichtung ein, um die Schließkraft zu verstärken.
Anschließend kann in einem dritten Zeitintervall die Drehdurchführung ohne Medium im Trockenlauf rotieren, wobei die Spannvorrichtung nicht aktiviert ist und die Gleitringdichtung insbesondere von der Sekundärdichtung, z.B. von dem U-Cup-Ring, geöffnet gehalten wird.
Das rückwärtige, von der Gleitringdichtung entfernte Ende des Gleitringträgers mündet vorzugsweise in den Arbeitsraum bzw. Medienhauptkanal, welcher insbesondere koaxial mit dem Rotor, der Gleitringdichtung und/oder dem Gleitringträger verläuft. Der Rotor weist vorzugsweise nur einen einzigen zentralen Rotor-Fluidkanal auf. Ferner vorzugsweise weist die Drehdurchführung nur eine einzige axiale Gleitringdichtung auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können. Kurzbeschreibunq der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Drehdurchführung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit geöffneter Gleitringdichtung,
Fig. 2 wie Fig. 1 , aber mit der Gleitringdichtung im Zustand für Druckluftbetrieb und nicht aktivierter Spannvorrichtung,
Fig. 3 wie Fig. 1, aber mit geschlossener Gleitringdichtung für den Betrieb mit inkompressiblen Medien und aktivierter Spannvorrichtung,
Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung der Gleitringanordnung und der Spannvorrichtung aus Fig. 1,
Fig. 5 eine Ausschnittsvergrößerung der Gleitringanordnung und der Spannvorrichtung aus Fig. 2,
Fig. 6 eine Ausschnittsvergrößerung der Gleitringanordnung und der Spannvorrichtung aus Fig. 3,
Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Drehdurchführung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit geöffneter Gleitringdichtung,
Fig. 8 wie Fig. 7, aber mit der Gleitringdichtung im Zustand für Druckluftbetrieb und nicht aktivierter Spannvorrichtung,
Fig. 9 wie Fig. 7, aber mit geschlossener Gleitringdichtung für den Betrieb mit inkompressiblen Medien und aktivierter Spannvorrichtung,
Fig. 10 eine Ausschnittsvergrößerung der Gleitringanordnung und der Spannvorrichtung aus Fig. 7,
Fig. 11 eine Ausschnittsvergrößerung der Gleitringanordnung und der Spannvorrichtung aus Fig. 8,
Fig. 12 eine Ausschnittsvergrößerung der Gleitringanordnung und der Spannvorrichtung aus Fig. 9,
Fig. 13 einen Längsschnitt durch eine Drehdurchführung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit geöffneter Gleitringdichtung,
Fig. 14 wie Fig. 13, aber mit der Gleitringdichtung im Zustand für Druckluftbetrieb und nicht aktivierter Spannvorrichtung,
Fig. 15 wie Fig. 13, aber mit geschlossener Gleitringdichtung für den Betrieb mit inkompressiblen Medien und aktivierter Spannvorrichtung,
Fig. 16 eine Ausschnittsvergrößerung der Gleitringanordnung und der Spannvorrichtung aus Fig. 13,
Fig. 17 eine Ausschnittsvergrößerung der Gleitringanordnung und der Spannvorrichtung aus Fig. 14,
Fig. 18 eine Ausschnittsvergrößerung der Gleitringanordnung und der Spannvorrichtung aus Fig. 15,
Fig. 19 eine schematische Darstellung der Durchmesserverhältnisse einer Gleitringanordnung mit schwebendem Gleitring zur Berechnung des Belastungsverhältnisses B,
Fig. 20 eine schematische Darstellung eines externen Medienverteilnetzwerks.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 18 weist die Durchführung 10 rückwärtig einen stationären Gehäuseteil 12 auf, welcher in den vorliegenden Beispielen mehrteilig ausgebildet ist. Ein Rotor 16, in diesen Beispielen in Form einer Hohlwelle, zur Verbindung mit einer Maschinenspindel 18, ist mit primären Wälzlagern, z.B. Kugellagern 14 rotierend in dem stationären Gehäuseteil 12 gelagert. Die Drehdurchführung 10 weist insbesondere einen einzigen Medienhauptkanal 20 in dem stationären Gehäuseteil 12 und einen einzigen Anschlussport 22 auf, z.B. mit einem einzigen Einschraubfitting 24 zum Verbinden mit geeigneten Schlauch- oder Rohrsystemen, um die gewünschten fluiden Medien in den stationären Gehäuseteil 12 der Drehdurchführung 10 unter Druckbeaufschlagung über denselben Anschlussport 22 in denselben sich koaxial zur Rotationsachse X der Drehdurchführung 10 erstreckenden Medienhauptkanal 20 einzuleiten. Dabei wird der Medienhauptkanal 20 alternativ und nicht gleichzeitig mit dem jeweils aktuell gewünschten Medium aus einer Gruppe der geeigneten Medien druckbeaufschlagt. Die Gruppe der geeigneten Medien umfasst dabei sowohl kompressible als auch inkompressible Medien. Die Gruppe der geeigneten Medien kann insbesondere einerseits Druckluft, Mindermengenschmierung bzw. Minimalmengenschmierung (MMS/MQL) als kompressible Medien, sowie andererseits Kühlschmierstoff (KSS), Schneidöl und/oder Hydrauliköl als inkompressible Medien umfassen. Die Drehdurchführung ist dabei insbesondere zumindest mit Druckluft einerseits und einem Öl, z.B. Schneidöl oder Hydrauliköl, andererseits betreibbar.
Der stationäre Gehäuseteil 12 und der Rotor 16 sind mittels einer axialen Gleitringdichtung 30 gedichtet. Die Gleitringdichtung 30 umfasst eine Gleitringanordnung 32 mit einem axial verschieblichen Gleitringträger 34 und einem an dem Gleitringträger 34 befestigten Gleitring 36. Der Gleitring 36 des Stators oder kurz Statorgleitring 36 dichtet mit seiner rotorseitigen axialen ringförmigen Dichtfläche 36a gegen eine rückwärtige axiale ringförmige Dichtfläche 38a des komplementären Gleitrings 38 des Rotors 16. Der Gleitring 38 des Rotors 16 oder kurz Rotorgleitring 38 ist an der statorseitigen Stirnseite 16a des Rotors 16 befestigt, in diesen Beispielen in eine Ringnut 42 eingepresst und/oder eingeklebt, wobei jedoch auch andere Befestigungstechniken möglich sind.
Der Gleitringträger 34 des Statorgleitrings 36 ist beispielsweise als Hohlkolben 44 ausgebildet und ist insbesondere verdrehsicher, aber axial beweglich, in dem stationären Gehäuseteil 12 gelagert. Der Gleitringträger 34 weist einen rotorseitigen Flansch 46 auf, der in einer korrespondierenden rotorseitigen Aussparung 48 in dem stationären Gehäuseteil 12 verdrehsicher beherbergt ist. Die Verdrehsicherung kann z.B. über zwei axiale Stifte im stationären Gehäuseteil 12 realisiert sein, welche in gegenüberliegenden Nuten am Gleitringträgerflansch 46 einen Formschluss erzeugen (in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt). Der Statorgleitring 36 ist stirnseitig am rotorseitigen Ende 34a des Gleitringträgers 34 bzw. Hohlkolbens 44 befestigt, z.B. eingepresst oder geklebt, wobei jedoch auch andere Befestigungstechniken möglich sind. In den vorliegenden Beispielen ist der Statorgleitring 36 beispielhaft in einer Aussparung 52 des Gleitringträgers 34, genauer des Flansches 46, dauerhaft befestigt.
Das Schließen der Gleitringdichtung 30 kann in dem vorliegenden Beispiel durch eine innere Blende 45 in der axialen Bohrung 47 des Hohlkolbens 44 verbessert werden.
Vorzugsweise ist der stationäre Gehäuseteil 12 als ein mehrteiliges Durchführungsgehäuse ausgebildet, sodass aufgrund des modularen Aufbaus eine einfache Adaptierbarkeit an vorhandene Gehäuseformen möglich ist. In den vorliegenden Beispielen ist der stationäre Gehäuseteil 12 dreiteilig und umfasst ein Rotorgehäuse 12a, in welchem der Rotor 16 mittels der Kugellager 14 gelagert ist, ein Zwischengehäuseteil 12b, in welchem die Gleitringanordnung 32 axial verschieblich gelagert ist und in welchem die Spannvorrichtung 100 angeordnet ist und ein rückwärtiges Gehäuseteil 12c, in welchem sich der Medienhauptkanal 20 axial erstreckt und in den der Anschlussport 22 axial hineinführt. Es sind jedoch auch andere Gehäuseformen möglich.
Die Gleitringe 36, 38 bestehen vorzugsweise beide aus Siliziumkarbid (SiC), sodass häufig von einer SiC-SiC- Gleitringdichtung 30 gesprochen wird. Eine SiC-SiC-Gleitringdichtung 30 ist langlebig und weist hervorragende Dichteigenschaften im Betrieb mit flüssigen gut schmierenden Medien auf. Manche herkömmliche Drehdurchführungen haben jedoch bei Betrieb mit Druckluft oder im Trockenlauf mit Siliziumkarbiddichtungen Standfestigkeitsprobleme. SiC-Gleitringe können z.B., wenn sie ohne Schmiermittel laufen und nicht hinreichend voneinander getrennt sind, überhitzen, was bis zum Totalausfall der Drehdurchführung führen kann. Dies kann mit der vorliegenden Erfindung vermieden werden. Es können allerdings auch andere Materialien für die Gleitringe 36, 38, wie z.B. Carbon-Graphite (CG), also z.B. eine CG-SiC-Gleitringdichtung, oder Wolframkarbid/Tungsten Carbide (TC) in Betracht gezogen werden.
Die Gleitringanordnung 32, in diesem Beispiel des Stators oder kurz Statorgleitringanordnung 32 bzw. der Hohlkolben 44, ist mittels einer Sekundärdichtung 60 axial verschieblich in dem stationären Gehäuseteil 12 gelagert. Die Sekundärdichtung 60 umfasst in diesen Beispielen einen Sekundärdichtring 64 in Form einer elastomeren Ringdichtung. Die elastomere Ringdichtung 64 weist in den vorliegenden Beispielen einen U-förmigen Querschnitt mit einer hochdruckseitig offenen Nut 66 auf, die mit dem Medienhauptkanal 20 in Fluidverbindung steht. Diese Ringdichtung 64 wird daher manchmal auch als U-Cup-Ring bezeichnet.
Die Lagerung des Gleitringträgers 34 bzw. Hohlkolbens 44 mittels der elastomeren Ringdichtung 64 ermöglicht der Gleitringanordnung 32 bzw. dem Statorgleitring 36 eine begrenzte axiale Beweglichkeit, um die axiale Gleitringdichtung 30 schließen und wieder öffnen zu können. Typischerweise ist die Gleitringdichtung 30 beim Betrieb mit druckbeaufschlagten fluiden Medien mit flüssigen Schmierstoffanteilen, wie zum Beispiel KSS, Schneidöl oder Hydrauliköl, geschlossen, sodass allenfalls eine minimale ggf. tröpfchenweise Leckage (sog. Schwitzen) anfällt. Solche Medien sorgen bei geschlossener Gleitringdichtung 30 für ausreichend Schmierung zwischen den beiden Siliziumcarbid-Gleitflächen 36a, 38a. Im Trockenlauf oder im Druckluftbetrieb im geschlossenen Zustand könnten die beiden Siliziumcarbid-Gleitringe 36, 38 jedoch aneinander reiben und sich übermäßig erwärmen. Um dies zu vermeiden, öffnet die Gleitringdichtung 30 bei Drucklosstellung oder im Druckluftbetrieb, indem der Gleitringträger 34 bzw. Hohlkolben 44 mit dem Statorgleitring 36, d.h. die Gleitringanordnung 32, sich von dem Rotorgleitring 38 löst und geringfügig axial von diesem axial wegbewegt, in den vorliegenden Figuren also nach rechts. Die elastomere Sekundärdichtung 60 erfüllt somit eine Doppelfunktion für die Gleitringanordnung 32, nämlich als axial verschiebliche Lagerung einerseits und als Dichtung in dem stationären Gehäuseteil 12 gegenüber der Druckbeaufschlagung mit fluidem Medium von der stationären Seite her andererseits.
Die Gleitringanordnung 32 weist aufgrund der Lagerung mittels des elastomeren Dichtrings 64 ggf. auch eine geringfügige Verkippbarkeit auf, sodass die Dichtflächen 36a, 38a der beiden Gleitringe 36, 38 der Gleitringdichtung als Primärdichtung 30 im druckbeaufschlagten Zustand perfekt plan aneinander liegen und eine entsprechend gute Dichtwirkung erzeugen können. Ein solcher axial verschieblich gelagerter und ggf. geringfügig verkippbarer Statorgleitring 36 wird in der Fachwelt auch als schwebender Gleitring bezeichnet.
Bezugnehmend auf die Fig. 19 wird das Belastungsverhältnis B eines schwebenden Gleitrings durch das Flächenverhältnis FH/F von hydraulisch oder pneumatisch belasteter Fläche FH zur Kontaktfläche F zwischen den beiden Gleitringen 36, 38 definiert. Somit lässt sich das Belastungsverhältnis B anhand der Durchmesser D1, D2 und D3 geometrisch wie folgt berechnen:
FH Dl2 — D32 B ~ Ύ ~ D22 — D32 wobei D1 der Außendurchmesser bzw. Wirkdurchmesser des druckbelasteten Gleitringträgers, D2 der Außendurchmesser der Kontaktfläche der Gleitringdichtung und D3 der Innendurchmesser der Kontaktfläche der Gleitringdichtung ist.
Wenn kein Mediumsdruck anliegt, wird die Statorgleitringanordnung 32 von der Sekundärdichtung 60 zurückgezogen (in den Figuren nach rechts), wodurch die Gleitringanordnung 30 vollständig geöffnet wird, so dass die Gleitringdichtung 30 im Trockenlauf ohne Medium mit ausreichendem Abstand der beiden Gleitringe 36, 38 voneinander rotieren kann. In diesem vollständig geöffneten Zustand (Fig. 1, 4, 7, 10, 13, 16) der Gleitringdichtung 30 besteht also ein hinreichend großer Spalt 39 zwischen den Gleitringen 36, 38 für den Trockenlauf ohne Medium.
Wenn der Medienhauptkanal 20 mit Druckluft beaufschlagt wird, geschieht dies mit einem niedrigen Mediumsdruck, z.B. mit einem zulässigen Maximaldruck von 10 bar, sodass der Druckschwellenwert ps nicht überschritten und die Spannvorrichtung bzw. Schließkraftverstärkungsvorrichtung 100 nicht aktiviert wird. Dadurch wirkt an der Gleitringdichtung 30 nur die schließende erste axiale Kraftkomponente K1 auf die Gleitringanordnung 32, die durch das Belastungsverhältnis B erzeugt wird, welches bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 0,5 bis 0,57 beträgt. Durch das relativ kleine Belastungsverhältnis B bildet sich ein kleiner Dichtungsspalt 40, der eine kontrollierte Luftleckage erlaubt, was Verschleiß an den Dichtflächen verhindert. Wenn der Medienhauptkanal 20 mit Minimalmengenschmierung (MMS/MQL) beaufschlagt wird, erfolgt dies vorzugsweise ebenfalls mit einem Mediumsdruck unterhalb des Druckschwellenwerts ps. Dadurch wird auch nur die erste axiale Kraftkomponente wirksam, welche für MMS/MQL hinreichend ist, um die MMS/MQL im Wesentlichen leckagefrei in den Fluidkanal 17 des Rotors 16 fließen zu lassen. Fig. 2, 5, 8, 11, 14, 17 zeigen den Betriebszustand der Gleitringdichtung im Druckluftbetrieb, wobei der Dichtungsspalt 40 im Druckluftbetrieb ist so klein, dass er in den Figuren nicht darstellbar ist.
Die Spannvorrichtung 100 ist in dem stationären Gehäuseteil 12 eingebaut, und zwar in den vorliegenden Beispielen rückwärtig des Flansches 46 des Gleitringträges 34. Die Spannvorrichtung 100 umfasst im vorliegenden Beispiel zwei radial gegenüberliegende Druckkolben 102, welche in zugehörigen Bohrungen 104 in dem stationären Gehäuseteil 12 axial verschieblich angeordnet sind. Die Druckkolben 102 werden jeweils von einer Druckfeder 106 entgegen dem Mediumsdruck, im vorliegenden Beispiel nach rechts, in einem nicht aktivierten Zustand gehalten, solange der Mediumsdruck den vordefinierten Druckschwellenwert nicht übersteigt. Die Druckkolben 102 sind also mit öffnenden Druckfedern 106 in dem stationären Gehäuseteil 12 untergebracht.
Der Medienhauptkanal 20 steht in Fluidkommunikation mit einem rückwärtigen Druckraum 108 derart, dass bei Druckbeaufschlagung des Medienhauptkanals 20 der Mediumsdruck über den rückwärtigen Druckraum 108 auf die jeweilige rückwärtige rotorabgewandte Stirnseite 112 der Druckkolben 102 wirkt und die Druckkolben 102 in Schließrichtung der Gleitringdichtung 30 gegen die Federn 106 spannt. Die Druckkolben 102 sind jeweils mittels einer Dichtung 114 in der zugehörigen Bohrung 104 gedichtet, sodass der in dem Druckraum 108 anliegende Mediumsdruck eine druckproportionale axiale Kraftkomponente auf die Druckkolben 102 gegen die Federspannung der Feder 106 ausübt. Die Federspannung der Feder 106 ist nun derart gewählt, dass die Druckkolben 102 nicht aktiviert sind, d.h. keine Kraft auf die Gleitringanordnung 32 ausüben, solange der Mediumsdruck unterhalb des vordefinierten Druckschwellenwertes ps liegt.
Die Flächenverhältnisse des Druckkolbens 102 und die Federkraft der Feder 106 sind also derart gewählt, dass die Druckkolben 102 unterhalb des Druckschwellenwerts ps, wie in den Fig. 2, 5, 8, 11, 14, 17 dargestellt, keine Kraft auf die Statorgleitringanordnung 32 ausüben, und sich die Spannvorrichtung 100 somit in einem nicht aktivierten Zustand befindet. In diesem nicht aktivierten Zustand der Spannvorrichtung 100 wird die Schließkraft der Gleitringdichtung 30 durch den Mediumsdruck ausschließlich entsprechend dem Belastungsverhältnis der Gleitringdichtung 30 also basierend auf dem Flächenverhältnis FH/F auf die Gleitringdichtung 30 als schließende erste axiale Kraftkomponente K1 bewirkt.
Bezugnehmend auf die Fig. 3, 6, 9, 12, 15, 18 kann die Drehdurchführung über denselben Anschlussport 22 und denselben Medienhauptkanal 20 mit einem erheblich höheren Mediumsdruck, z.B. bis 140 bar, 210 bar oder ggf. höher, mit einem inkompressiblen flüssigen Medium, zum Beispiel Schneidöl, Hydrauliköl oder Kühlschmierstoff beaufschlagt werden. Sobald der Mediumsdruck des inkompressiblen Mediums über den Druckschwellenwert ps, von in diesem Beispiel etwa 10 bar, steigt, übersteigt die gegen die Federkraft der Federn 106 durch den Mediumsdruck auf die Druckkolben 102 wirkende Kraft einen Schwellenwert der Federkraft der Federn 106 dahingehend, dass die Druckkolben 102 als Druckstempel gegen den Flansch 46 des Gleitringträgers 34 drücken und diesen mit einer schließenden zweiten axialen Kraftkomponente K2 zusätzlich zu der ersten axialen Kraftkomponente K1 beaufschlagen. Dadurch wird die Gesamt-Schließkraft auf die Gleitringdichtung 30 über diejenige Schließkraft hinaus verstärkt, die durch das Belastungsverhältnis B bewirkt wird.
Wenn der Mediumsdruck, insbesondere bei KSS oder Schneidöl-/Hydraulikölanwendung, also den vordefinierten Druckschwellenwert ps übersteigt, wird die Spannvorrichtung 100 aktiviert und übt die zusätzliche schließende zweite axiale Kraftkomponente K2 auf die Gleitringdichtung 30 aus. Der Druckschwellenwert ps ist in den vorliegenden Beispielen gleich oder etwas größer gewählt, als der maximal zulässige Druck für Druckluft, also ps ^ 10 bar.
Die Spannvorrichtung 100 wirkt also als Schließkraftverstärkungsvorrichtung, die in Ansprechen auf das Überschreiten des Mediumsdrucks in dem Medienhauptkanal 20 über den Druckschwellenwert ps aktiviert wird und unterhalb des Druckschwellenwertes ps nicht aktiviert ist. Die Ansteuerung der Spannvorrichtung 100 bzw. Schließkraftverstärkungsvorrichtung wird in den vorliegenden Ausführungsbeispielen über die mit einem Mediumsdruck oberhalb des Druckschwellenwerts ps„ z.B. 10 bar, beaufschlagten federbelasteten Druckkolben 102 bewerkstelligt.
Nach dem Abschalten des Mediums können die Gleitringe 36, 38 durch die Pop-Off®-Funktion wieder getrennt werden.
In dem in Fig. 1-6 dargestellten Ausführungsbeispiel kraftbeaufschlagen rotorseitige Stirnseiten 116 der Druckkolben 102 unmittelbar den Gleitringträger 34, bzw. genauer unmittelbar den Flansch 46 des Gleitringträgers 34 mit der zweiten axialen Kraftkomponente K2. Dabei ist die zweite axiale Kraftkomponente K2, die durch die Spannvorrichtung 100 bewirkt wird, ebenso wie die erste axiale Kraftkomponente, die durch das Belastungsverhältnis B bewirkt wird, jeweils proportional zum anliegenden Mediumsdruck.
Bezugnehmend auf das in Fig. 7-12 dargestellte Ausführungsbeispiel kann die Spannvorrichtung 100 ferner einen Kraftverteilerring 122 aufweisen, auf welchen die Druckkolben 102 die zweite axiale Kraftkomponente K2 ausüben. Dabei kommen die Stirnseiten 116 der Druckkolben 102 bei Überschreiten des Druckschwellenwertes ps mit einem äußeren Ringbereich 124 des Kraftverteilerrings 122 in Kontakt, um den Kraftverteilerring 122 mit der zweiten axialen Kraftkomponente K2 zu beaufschlagen.
Der Kraftverteilerring 122 weist einen der Gleitringdichtung 30 zugewandten ringförmig kraftverteilenden Ringvorsprung 126 auf, welcher mit dem Flansch 46 in Kontakt steht, wenn die Spannvorrichtung 100 aktiviert ist. Der Kraftverteilerring 122 vermittelt also die von den Druckkolben 102 ausgeübte zweite axiale Kraftkomponente auf den Gleitringträger 34, bzw. dessen Flansch 46. Hierdurch kann die zweite axiale Kraftkomponente gleichmäßig umlaufend um die Rotationsachse X auf den Gleitringträger 34 bzw auf den schwebenden Gleitring 38 übertragen werden, ohne unerwünschte Kippmomente zu erzeugen. Außerdem kann die Krafteinleitung auf den Gleitringträger 34 über den Ringvorsprung 126 gegenüber der radialen Position der Druckkolben 102 radial nach innen verlegt werden. Hierdurch kann die Verformung des Gleitringträgers 34 reduziert bzw. verhindert werden.
Der Kraftverteilerring 122 ist dabei axial beweglich in dem stationären Gehäuseteil 12, insbesondere axial beweglich relativ zu dem Gleitringträger 34 und axial beweglich zu den Druckkolben 102 gelagert. Der Kraftverteilerring 122 umgibt den Gleitringträger 34 beispielsweise ringförmig koaxial.
In dem Betriebszustand für Druckluftbetrieb (Fig. 8 und 11) findet insbesondere keine Berührung des Kraftverteilerrings 122 mit der Gleitringanordnung 32 statt. In dem in Fig. 9 und 12 dargestellten Betriebszustand bei Druckbeaufschlagung mit einem kompressiblen Medium oberhalb des Druckschwellenwertes ps drücken die Druckkolben 102 mit einer resultierenden Kraft, bewirkt durch den Mediumsdruck auf die Druckkolben 102 über den Kraftverteilerring 122 auf die Gleitringanordnung 32. Die hierdurch erzeugte zweite axiale Kraftkomponente K2 verhält sich dabei ebenfalls proportional zum Mediumsdruck
Bezugnehmend auf das in Fig 13-18 dargestellte Ausführungsbeispiel können die Druckkolben 102 jeweils eine Schließkraftaktivierungsfeder 132 aufweisen, welche an der der Gleitringdichtung 30 zugewandten Stirnseite der Druckkolben 102 angeordnet sind. Beispielsweise sind kleinere Schließkraftaktivierungsfedern 132 in stirnseitigen Bohrungen 134 der Druckkolben 102 eingelassen.
Solange der Mediumsdruck unterhalb des Druckschwellenwertes ps bleibt, ist die Spannvorrichtung 100 nicht aktiv und die Schließkraftaktivierungsfedern 132 üben keine Kraft auf den Flansch 46 des Gleitringträgers 34 aus. Wenn der Mediumsdruck in dem Medienhauptkanal 20 und dem Druckraum 108 den Druckschwellenwert ps in hinreichendem Maße überschritten hat, haben sich die Druckkolben 102 entgegen der Federkraft der Federn 106 axial in Richtung der Gleitringdichtung 30 bewegt und die Schließkraftaktivierungsfeder übt die zweite axiale Kraftkomponente über den Gleitringträger 34, im vorliegenden Beispiel über den Flansch 46 auf den schwebenden Gleitring 36 aus. Die Druckkolben 102 schlagen in diesem Ausführungsbeispiel bei hinreichendem Überschreiten des Druckschwellenwertes ps gegen einen Anschlag 136 an, und die zweite axiale Kraftkomponente K2 wird dann ausschließlich durch die Schließkraftaktivierungsfedern 132 auf den Gleitringträger 34 ausgeübt. Dadurch steigt die zweite axiale Kraftkomponente K2 nicht weiter an, auch wenn der Mediumsdruck in dem Medienhauptkanal 20 weiter ansteigt. Sobald der Druckschwellenwert ps also in hinreichendem Maß überschritten ist, bleibt die zweite axiale Kraftkomponente druckunabhängig konstant, bewirkt durch die konstante Federspannung der Schließkraftaktivierungsfedern 132. Wenn der Mediumsdruck in dem Medienhauptkanal 20 und dem Druckraum 108 mit einem Druck erheblich größer als der Druckschwellenwert ps auf die Druckkolben 102 wirkt, üben die Schließkraftaktivierungsfedern 132 also eine konstante druckunabhängige zweite axiale Kraftkomponente K2 auf die Gleitringanordnung 32 aus. Wie bei den Ausführungsbeispielen in Fig. 1-12 sind die Druckkolben 102 mittels der öffnenden Druckfedern 106 in dem stationären Gehäuseteil 12 untergebracht. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen in Fig. 1-12 ist der Hub der Druckkolben 102 bei dem in Fig. 13-18 dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch durch den Anschlag 136 begrenzt und kann auch bei Druckbeaufschlagung mit Drücken weit oberhalb des Druckschwellenwertes ps bis maximal an den Anschlag 136 innerhalb des stationären Gehäuseteils 12 ausfahren. Wenn der Anschlag 136 erreicht ist, wirken zeitgleich die Schließkraftaktivierungsfedern 132 mit einer konstanten Kraft auf die Gleitringanordnung 32. Die Federkraft der Schließkraftaktivierungsfedern 132 beträgt zum Beispiel 5 N pro Feder. Es sind wie bei den anderen Ausführungsbeispielen ein oder mehrere Druckkolben 102, z.B. zwei bis sechs, vorzugsweise zwei bis vier Druckkolben 102 platztechnisch möglich. Beispielsweise können drei oder vier Druckkolben 102 ggf. mit Schließkraftaktivierungsfedern 132 ringförmig um den Gleitringträger 34 angeordnet werden.
In dem in Fig. 14 und 17 dargestellten nicht aktivierten Zustand unterhalb des Druckschwellenwertes ps, zum Beispiel im Druckluftbetrieb, findet keine Berührung zwischen den Schließkraftaktivierungsfedern 132 und dem Flansch 46 statt.
Zusammenfassend weist die Drehdurchführung 10 demnach vorzugsweise zumindest drei Betriebszustände wie folgt auf:
1. Bei Drucklosigkeit definiert die Drehdurchführung 10 einen vollständig geöffneten Zustand der Gleitringdichtung 30 (Trockenlaufbetriebszustand). In dem vollständig geöffneten Trockenlaufbetriebszustand sind die beiden Gleitringe 36, 38 mit einem hinreichend großen Spalt 39 voneinander entfernt, sodass die Drehdurchführung 10 im Trockenlauf ohne Medium rotieren kann, ohne dass Verschleiß an den Gleitringen 36, 38 entsteht.
2. Bei Druckbeaufschlagung mit einem Mediumsdruck unterhalb des Druckschwellenwertes ps definiert die Drehdurchführung einen Betriebszustand für den Betrieb mit einem kompressiblen Medium (Druckgasbetriebszustand). In diesem Druckgasbetriebszustand ist die Gleitringdichtung nur noch minimal geöffnet, lediglich um eine kontrollierte (Luft-)Leckage zu ermöglichen. Der Dichtungsspalt 40, der die kontrollierte (Luft-)Leckage erlaubt, ist so klein, dass er in den entsprechenden Fig. 2, 5, 8, 11, 14, 17 nicht zu erkennen ist. In dem Druckgasbetriebszustand für kompressible Medien ist die Spannvorrichtung 100 nicht aktiviert. Es wirkt lediglich die erste axiale Kraftkomponente K1 auf die Gleitringdichtung 30.
3. Bei Druckbeaufschlagung mit einem Mediumsdruck oberhalb des Druckschwellenwertes ps definiert die Drehdurchführung einen Betriebszustand für kompressible Medien unter einem hohen Mediumsdruck (Flüssigmediumbetriebszustand). In dem in den Fig. 3, 6, 9, 12, 15, 18 dargestellten Flüssigmediumbetriebszustand ist die Gleitringdichtung geschlossen und die Spannvorrichtung 100 ist aktiviert. Demnach wirken in dem Flüssigmediumbetriebszustand die erste axiale Kraftkomponente basierend auf dem Belastungsverhältnis B und zusätzlich die zweite axiale Kraftkomponente, bewirkt durch die aktivierte Spannvorrichtung 100, addiert als gemeinsame Schließkraft auf die Gleitringdichtung 30. Dadurch kann eine hinreichende Dichtigkeit auch für den Betrieb mit höher viskosen Medien wie Schneidöl oder Hydrauliköl bei einem hohen Mediumsdruck erreicht werden. Bei Betrieb mit Kühlschmierstoff wäre die
Aktivierung der Spannvorrichtung 100 aufgrund der niedrigeren Viskosität vermutlich nicht zwingend notwendig, sie ist aber auch nicht schädlich.
Daher kann mit der ausschließlich vom anliegenden Mediumsdruck aktivierten Spannvorrichtung 100 eine gezielte Schließkraftverstärkung bewirkt werden. Die Schließkraftverstärkung wird dadurch bewirkt, dass der Mediumsdruck innerhalb der Drehdurchführung 10 den Druckschwellenwert ps übersteigt und die Spannvorrichtung 100 in Ansprechen auf das Überschreiten des Druckschwellenwerts ps aktiviert wird, wodurch die zweite axiale Kraftkomponente K2 auf die Gleitringdichtung 30 aktiviert wird. In dem Druckgasbetriebszustand entsteht somit z.B im Druckluftbetrieb eine gewisse Luft-Leckagerate an der Gleitringdichtung 30, die bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen etwa 15-20 Normliter pro Minute betragen kann, mithin also erheblich geringer ist, als bei manchen herkömmlichen Drehdurchführungen. Darüber hinaus weist die vorliegende Drehdurchführung 10 ausgezeichnete Trockenlaufeigenschaften auf, da im Trockenlauf eine übermäßige Erwärmung der Gleitringe 36, 38 vermieden werden kann. Die Drehdurchführung kann daher weitgehend unbegrenzt mit hohen Drehzahlen sowohl drucklos im Trockenlauf, als auch insbesondere mit Druckluft in einem zulässigen Druckintervall von z.B. bis zu 10 bar betrieben werden.
Wenn überhaupt kein Druck im Medienhauptkanal 20 anliegt, ist die Spannvorrichtung 100 nicht aktiviert und die Sekundärdichtung 60 kann mittels des sogenannten Pop-off®- Effektes den schwebenden Gleitring 36 zurückziehen, sodass kein Kontakt der Gleitringdichtflächen 36a, 38a, sondern ein hinreichender großer Spalt 39 zwischen diesen besteht, und auch ein unbegrenzter Trockenlauf stattfinden kann. Wenn die Gleitringdichtung 30 schließt, kann sich nämlich der U-Cup-Ring 64 etwas verformen. Bei Drucklosstellung unterstützt die Rückverformung das Öffnen der Gleitringdichtung 30. Die vorliegende Erfindung kann allerdings auch mit einer anderen Sekundärdichtung 60 ausgestattet sein
Zusammenfassend wird also das Aktivieren der Spannvorrichtung bzw. der Schließkraftverstärkungsvorrichtung 100 in Ansprechen auf die Höhe des anliegenden Mediumsdrucks in dem Medienhauptkanal 20 gesteuert bzw. getriggert. Bei niedrigem Druck ist die Spannvorrichtung bzw. die Schließkraftverstärkungsvorrichtung nicht aktiviert und bei höherem Druck schaltet sich die Spannvorrichtung bzw. die Schließkraftverstärkungsvorrichtung ein, d.h. wird hydraulisch gesteuert automatisch aktiviert. Dadurch reicht insbesondere ein einziger Medienhauptkanal aus, in den alle gewünschten Medien alternativ nacheinander eingeleitet werden können. Die Aktivierung und/oder Deaktivierung der Spannvorrichtung bzw. Kraftverstärkervorrichtung erfolgt also rein mechanisch/physikalisch durch die Höhe des Mediumsdrucks des jeweils eingeleiteten Mediums, also durch Druckerhöhung über den Druckschwellenwert ps bzw. Druckabsenkung unter den Druckschwellenwert ps, insbesondere durch Drucklosstellung.
Durch die Verstärkung der Schließkraft bei aktivierter Spannvorrichtung 100 können bei Beschaltung mit Kühlschmierstoff oder Schneidöl bzw. Hydrauliköl (Flüssigmediumbetriebszustand) eine hohe Dichtigkeit der Gleitringdichtung 30 und bei Druckgasbetrieb (Druckgasbetriebszustand), z.B. mit Druckluft eine relativ geringe Luftleckagerate sowie gute Trockenlaufeigenschaften (Trockenlaufbetriebszustand), insbesondere mit Pop-Off®- Funktion und hohe Standfestigkeit miteinander in Einklang gebracht werden. Ferner kann bei Betrieb mit Kühlschmierstoff ein hoher Druck, z.B. insbesondere größer als 90 bar, gefahren werden und die Leckagerate bleibt trotzdem in einem akzeptablen Bereich, bzw. die Gleitrichtringdichtung 30 ist im Wesentlichen leckagefrei. Die Ausführungsbeispiele können z.B. mit den flüssigen Medien KSS oder Schneidöl ggf. z.B bis 140 bar oder sogar bis 210 bar oder mehr, sowie mit Druckluft bis 10 bar und mit MQL bis 10 bar betrieben werden.
Die Luftleckage oder eine geringfügige verbleibende (Schalt-)Leckage von Kühlschmierstoff oder Schneidöl bzw. Hydrauliköl kann über einen Leckageport 91 abgeführt werden. An den Leckageport 91 kann eine Leckageanschlusskupplung angeschlossen werden, um Leckageflüssigkeit oder die kontrollierte Luftleckage aus einem Leckageraum 94 außerhalb der Gleitringdichtung 30 abzuführen.
Bezugnehmend auf Fig. 20 wird die Drehdurchführung 10 gemäß den Ausführungsformen in Fig. 1-18 von einem externen Medienverteilnetzwerk 400 mit den gewünschten fluiden Medien versorgt. Für Druckluftbetrieb ist eine Druckluftquelle 402 über ein Regelventil 404 und eine Druckluftzuleitung 408 mit einem externen Verteiler 410 verbunden. Für den Betrieb mit Schneidöl, Hydrauliköl oder KSS ist ein Tank 412 als Medienreservoir für Schneidöl, Hydrauliköl oder KSS als flüssiges Medium übereine Pumpe 414 mit einem Motor 416 und eine externe Flüssigmediumdruckzuleitung 418 mit dem externen Verteiler 410 verbunden. Die Pumpe 414 erzeugt den gewünschten Mediendruck P1 für das Schneidöl, Hydrauliköl oder KSS, welcher z.B. bis 210 bar betragen kann. Um Überdruck zu verhindern, wird der Flüssigkeitsdruck durch ein Druckbegrenzungsventil 422, das in den Tank 412 zurückführt begrenzt. Bei Abschaltung des flüssigen Mediums kann der Restdruck des flüssigen Mediums über eine Rücklaufleitung 424 und einen Filter 426 mit einem parallelen Rückschlagventil 428 wieder in den Tank 412 abgebaut werden, um den Medienhauptkanal 20 drucklos zu stellen.
Der externe Verteiler 410 ist in den vorliegenden Beispielen als Dreiwegeventil (Druckluft, Flüssigkeit, Rücklauf) ausgebildet und bildet einen Medienauswahlverteiler um das jeweils gewünschte Medium auszuwählen. Von dem Verteiler 410 führt eine Druckleitung als gemeinsame Anschlussleitung 430 für alle Medien zu dem gemeinsamen Anschlussport 22, um alle Medien über denselben Anschlussport 22 in denselben Medienhauptkanal 20 alternativ nacheinander druckbeaufschlagt einzuleiten. Zusammenfassend kann eine zuverlässige allmedientaugliche Drehdurchführung 10 bereitgestellt werden, in die sowohl kompressible Medien, z.B. Druckluft oder MMS/MQL als auch inkompressible Medien wie Kühlschmierstoff (KSS), Schneidöl oder Hydrauliköl nacheinander in ein- und denselben Medienhauptkanal 20 druckbeaufschlagt eingeleitet werden können. Dabei ist eine hohe Zuverlässigkeit und Variabilität für den Betrieb mit allen unterschiedlichen Medien gewährleistet.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Räumlich orientierende Begriffe wie vorne oder hinten sind nicht absolut im Raum zu verstehen, sondern dienen der Bezeichnung der relativen Beziehung der Bauteile, wobei mit „vorne“ die Rotorseite und mit „hinten“ oder „rückwärtig“ die dem Rotor gegenüberliegende axiale Statorseite bezeichnet sind. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren und hiermit als einzeln offenbart gelten sollen, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, gelten alle Merkmale die in Zusammenhang mit einem der Ausführungsbeispiele beschrieben sind auch in Zusammenhang mit jedem anderen Ausführungsbeispiel als offenbart, sofern nichts Anderslautendes explizit beschrieben ist.

Claims

Patentansprüche:
1. Multimedientaugliche Drehdurchführung (10) zum Überführen von fluiden Medien von einem stationären Maschinenteil in einen rotierenden Maschinenteil (18), insbesondere geeignet sowohl für kompressible Medien als auch für inkompressible Medien mit unterschiedlichen Viskositäten, umfassend: einen stationären Gehäuseteil (12) zum Einbau in den stationären Maschinenteil und mit einem Medienhauptkanal (20), in welchen fluide Medien druckbeaufschlagt einleitbar sind, einen Rotor (16) zum Verbinden mit dem rotierenden Maschinenteil (18) und mit einem Rotor-Fluidkanal (17), der mit dem Medienhauptkanal (20) des stationären Gehäuseteils (12) in Fluidverbindung steht, eine Gleitringdichtung (30) zwischen dem stationären Gehäuseteil (12) und dem Rotor (16), wobei die Gleitringdichtung (30) einen mit dem Rotor (16) rotierenden Rotorgleitring (38) und einen Statorgleitring (36) umfasst, wobei der Statorgleitring (36) oder der Rotorgleitring (38) an einem axial beweglichen Gleitringträger (34) befestigt ist, wodurch eine axial bewegliche Gleitringanordnung (32) gebildet wird, wobei der Mediumsdruck in der Drehdurchführung (10) eine erste axiale Kraftkomponente (K1) auf die axial bewegliche Gleitringanordnung (32) ausübt, die schließend auf die Gleitringdichtung (30) wirkt, und eine auf die axial bewegliche Gleitringanordnung (32) wirkende Spannvorrichtung (100), die von dem Mediumsdruck in der Drehdurchführung (10) aktiviert wird, wenn der Mediumsdruck in der Drehdurchführung (10) einen vordefinierten Druckschwellenwert (ps) übersteigt, und die im aktivierten Zustand eine zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente (K2) auf die Gleitringanordnung (32) ausübt, welche die Schließkraft der Gleitringdichtung (30) beeinflusst.
2. Drehdurchführung (10) nach Anspruch 1, wobei die Gleitringdichtung (30) ein Belastungsverhältnis B = FH / F definiert, wobei FH die von dem Mediumsdruck hydraulisch oder pneumatisch belastete Fläche der Gleitringanordnung (32) und F die Kontaktfläche zwischen dem Statorgleitring und dem Rotorgleitring (36, 38) sind, wobei die erste axiale Kraftkomponente (K1) auf die Gleitringanordnung (32) basierend auf dem Belastungsverhältnis (B) proportional mit dem Mediumsdruck in der Drehdurchführung (10) ansteigt, und wobei die Spannvorrichtung (100) die zweite axiale Kraftkomponente (K2) zusätzlich zu der auf dem Belastungsverhältnis (B) basierenden ersten axialen Kraftkomponente (K1) auf die Gleitringanordnung (32) hinzufügt, wenn der Mediumsdruck den Druckschwellenwert (ps) übersteigt und die Spannvorrichtung (100) aktiviert ist.
3. Drehdurchführung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei, wenn der Mediumsdruck den vordefinierten Druckschwellenwert (ps) überstiegen hat, die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente (K2) der Spannvorrichtung (100) auf die Gleitringanordnung (32) druckunabhängig oder druckabhängig vom Mediumsdruck ist.
4. Drehdurchführung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannvorrichtung (100) eine oder mehrere Federn (106) aufweist, welche durch den anliegenden Mediumsdruck in dem stationären Gehäuseteil (12) gespannt werden.
5. Drehdurchführung (10) nach Anspruch 4, wobei bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellenwertes der Federspannung, die Spannvorrichtung (100) aktiviert wird und die zweite axiale Kraftkomponente (K2) auf die Gleitringanordnung (32) ausübt.
6. Drehdurchführung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gleitringträger (34) einen äußeren Flansch (46) aufweist, an welchem die Spannvorrichtung (100) angreift, um die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente (K2) der Spannvorrichtung (100) auf die Gleitringanordnung (32) zu übertragen.
7 Drehdurchführung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannvorrichtung (100) einen Kraftverteilerring (122) aufweist, welcher die von der Spannvorrichtung (100) ausgeübte zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente (K2) ringförmig auf den Gleitringträger (34) verteilt.
8. Drehdurchführung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannvorrichtung (100) einen oder mehrere federbelastete Kolben (102) aufweist, welche von dem Mediumsdruck gegen die Federkraft gespannt werden und welche die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente (K2) der Spannvorrichtung (100) auf die Gleitringanordnung (32) ausüben, wenn und nur wenn der Mediumsdruck in der Drehdurchführung (10) den Druckschwellenwert (ps) übersteigt
9. Drehdurchführung (10) nach Anspruch 8, wobei der stationäre Gehäuseteil (12) eine oder mehrere axiale Bohrungen (104) aufweist, in welchen der bzw. die federbelasteten Kolben (102) axial verschieblich gelagert sind.
10. Drehdurchführung (10) nach Anspruch 9, wobei der bzw. die federbelasteten Kolben (102) in der jeweils zugehörigen axialen Bohrung (104) mittels eines Dichtungsrings (114) gedichtet sind.
11. Drehdurchführung (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Mediumsdruck aus dem Medienhauptkanal (20) an rückwärtigen Stirnflächen (112) des bzw. der Kolben (102) angreift, um den bzw. die Kolben (102) druckbeaufschlagt in der jeweiligen axialen Bohrung (104) gegen die Federbelastung in Richtung der Gleitringdichtung (30) zu verschieben.
12. Drehdurchführung (10) nach einem der Ansprüche 8-11 , wobei die Spannvorrichtung (100) zumindest zwei oder drei, vorzugsweise zwei bis sechs, vorzugsweise zwei, drei oder vier federbelastete Kolben (102) aufweist, welche insbesondere gleichmäßig um den Gleitringträger (34) herum in dem stationären Gehäuseteil (12) angeordnet sind.
13. Drehdurchführung (10) nach einem der Ansprüche 8-12, wobei der bzw. die federbelasteten Kolben (102) axial an dem äußeren Flansch (46) des Gleitringträgers (34) oder axial an dem Kraftverteilerring (122) anliegen, um die zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente (K2) der Spannvorrichtung (100) unmittelbar auf den äußeren Flansch (46) bzw. unmittelbar auf den Kraftverteilerring (122) zu übertragen.
14. Drehdurchführung (10) nach einem der Ansprüche 8-13, wobei der stationäre Gehäuseteil (12) einen Anschlag (136) für den bzw. die federbelasteten Kolben (102) aufweist, welcher den Hub des bzw. der federbelasteten Kolben (102) begrenzt, wenn die Spannvorrichtung (100) aktiviert ist, und wobei der bzw. die federbelasteten Kolben (102) jeweils eine Schließkraftaktivierungsfeder (132) aufweisen, welche im aktivierten Zustand der Spannvorrichtung (100) eine konstante mediendruckunabhängige Federkraft auf die Gleitringanordnung (32) ausüben, so dass die von der Spannvorrichtung (100) erzeugte zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente (K2) mediendruckunabhängig ist, wenn und solange die Spannvorrichtung (100) aktiviert ist.
15. Drehdurchführung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Druckschwellenwert (ps) größer oder gleich dem maximal zulässigen Betriebsdruck der Drehdurchführung (10) für Druckluftbetrieb ist und/oder wobei der Druckschwellenwert (ps) größer als 5 bar, vorzugsweise größer oder gleich 10 bar beträgt.
16. Drehdurchführung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Drehdurchführung (10) einen Anschlussport (22) zum Anschließen einer Mediendruckleitung umfasst, um alle gewünschten Medien jeweils mit einem zugehörigen mediumsspezifischen gewünschten Mediumsdruck in den Medienhauptkanal (20) einzuleiten und wobei die Drehdurchführung (10) dazu hergerichtet ist, dass sowohl kompressible Medien, insbesondere Druckluft, als auch inkompressible Medien, insbesondere Schneidöl oder Hydrauliköl, über denselben Anschlussport (22) druckbeaufschlagt in denselben Medienhauptkanal (20) eingeleitet werden können.
17. Drehdurchführung (10) nach Anspruch 16, wobei der Anschlussport (22) ein axialer oder ein radialer Anschlussport ist.
18. Drehdurchführung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Belastungsverhältnis (B) der Gleitringdichtung (30) einen Wert im Bereich von etwa 0,40 bis 0,65, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,45 bis 0,60, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,47 bis 0,60, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,50 bis etwa 0,57 aufweist.
19. Drehdurchführung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gleitringträger (34) mittels einer Sekundärdichtung (60) in dem stationären Gehäuseteil (12) gedichtet und axial verschieblich gelagert ist, insbesondere wobei die Sekundärdichtung (60) einen Elastomerring (64) mit einem U-förmigen Querschnitt umfasst.
20. Verfahren zum Betreiben einer multimedientauglichen Drehdurchführung (10), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine externe Druckgasquelle (402) über eine externe Druckgaszuleitung (408) und einen externen Verteiler (410) an einen Anschlussport (22) der Drehdurchführung (10) angeschlossen wird, wobei ein externes Medienreservoir (412) mit einem flüssigen Medium, insbesondere Schneidöl oder Hydrauliköl mit einer Viskosität von größer oder gleich 6 mm2/s oder Kühlschmierstoff, über eine externe Flüssigmediumdruckzuleitung (418) und den externen Verteiler (410) an denselben Anschlussport (22) der Drehdurchführung (10) angeschlossen wird, wobei in einem Druckgasbetriebszustand in einem ersten Zeitintervall über die Druckgaszuleitung (408) und den Anschlussport (22) Druckgas mit einem niedrigeren Druck als das flüssige Medium, insbesondere mit einem Druck von kleiner oder gleich 10 bar, in den Medienhauptkanal (20) eingeleitet wird, wobei die Spannvorrichtung (100) nicht aktiviert ist und die Drehdurchführung (100) mit dem Druckgas und mit einer Schließkraft auf die Gleitringdichtung (30) rotiert, die durch eine druckabhängige erste axiale Kraftkomponente definiert wird, und wobei später das Druckgas wieder abgeschaltet wird, wobei in einem Flüssigmediumbetriebszustand in einem zweiten Zeitintervall über die Flüssigmediumdruckzuleitung (418) und denselben Anschlussport (22) das flüssige Medium, insbesondere das Schneidöl oder Hydrauliköl mit einer Viskosität von größer oder gleich 6 mm2/s oder der Kühlschmierstoff, mit einem höheren Druck als das Druckgas, insbesondere mit einem Druck von größer als 10 bar, in den Medienhauptkanal (20) eingeleitet wird, wobei die Spannvorrichtung (100) durch den Flüssigkeitsdruck aktiviert wird und die Drehdurchführung (10) mit dem flüssigen Medium und mit einer addierten Schließkraft auf die Gleitringdichtung (30) rotiert, wobei sich die addierte Schließkraft aus der ersten axialen Kraftkomponente (K1) und einer druckabhängigen oder druckunabhängigen zusätzlichen zweiten axialen Kraftkomponente (K2) zusammensetzt, wobei die druckabhängige erste axiale Kraftkomponente (K1) durch das Belastungsverhältnis (B) und die druckabhängige oder druckunabhängige zusätzliche zweite axiale Kraftkomponente (K2) durch eine von dem Mediumsdruck des flüssigen Mediums hydraulisch aktivierte Spannvorrichtung (100) bewirkt wird, und wobei das flüssige Medium später wieder abgeschaltet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei in einem Trockenlaufbetriebszustand in einem dritten Zeitintervall die Drehdurchführung (10) ohne
Medium im Trockenlauf rotiert, wobei die Spannvorrichtung (100) nicht aktiviert ist und die Gleitringdichtung (30) von der Sekundärdichtung (60) geöffnet gehalten wird.
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