WO2009077027A1 - Gleitringdichtungsanordnung - Google Patents

Gleitringdichtungsanordnung Download PDF

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WO2009077027A1
WO2009077027A1 PCT/EP2008/008933 EP2008008933W WO2009077027A1 WO 2009077027 A1 WO2009077027 A1 WO 2009077027A1 EP 2008008933 W EP2008008933 W EP 2008008933W WO 2009077027 A1 WO2009077027 A1 WO 2009077027A1
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ring
mechanical seal
slide ring
ring element
intermediate layer
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PCT/EP2008/008933
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Schrüfer
Joachim Otschik
Günther Lederer
Petia Philippi
Armin Laxander
Manfred Oppler
Andreas Fesl
Original Assignee
Burgmann Industries Gmbh & Co. Kg
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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
    • 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
    • F16J15/3464—Mounting of the seal
    • F16J15/3468—Means for controlling the deformations of the contacting faces

Definitions

  • the invention relates to a mechanical seal assembly according to the preamble of claim 1, as e.g. from DE 295 18 119 U is known.
  • a support ring made of a plastic material is received directly in a recess of a secondary sealing element made of elastic material, which is able to seal an annular gap between a tubular guide projection of a seal housing and a slide ring held axially movably.
  • the support ring arranged immediately in front of the annular gap is intended to prevent penetration of material of the secondary sealing element into the annular gap.
  • the support ring consists of a carbon material.
  • a common feature of the known mechanical seal arrangements is that the support ring can deform under tight external forces into firm engagement with the peripheral surface to be sealed of the respective mounting component, whereby the axial mobility of the support ring, in addition to the obstruction by the secondary Därdichtungselement further impeded.
  • a metallic material for the support ring to increase its rigidity, but practice has shown that thereby the performance of the mechanical seal assembly can be adversely affected, especially if such mechanical seals for use at high Temperatures and high pressures to be sealed are designed.
  • the invention has for its object to provide a mechanical seal assembly of the generic type, which allows the use of support rings or other a biasing force on the respective sliding ring transmitting ring elements of rigid to highly rigid materials of various kinds without affecting the performance in a wide range of temperatures and pressures ,
  • a feature of the invention is that the annular gap shielding support ring is made of a highly rigid material, e.g. WC, which on the one hand effectively counteracts penetration of plastic material into the annular gap, while on the other hand the support element retains free axial mobility even at high temperatures.
  • a foil-like buffer interlayer which may consist of a plastic material, preferably PEEK, between the seal ring and the support ring, which preferably consists of a carbide material such as SiC, the different thermal expansion of the material combination is not directly on the Position alignment of the seal ring and the performance behavior of the mechanical seal assembly can affect.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section of a part of a constructed according to the invention mechanical seal assembly according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a view similar to Fig. 1, a mechanical seal assembly according to another embodiment of the invention.
  • the mechanical seal assembly comprises at least one pair of cooperating slip rings, one of which is for common rotation with a rotating member, e.g. the drive shaft of a device, provided and the other is held against rotation on a stationary housing.
  • a rotating member e.g. the drive shaft of a device
  • One of the slip rings preferably the non-rotating seal ring, is axially movable with respect to the member (housing) holding it and is biased axially with a biasing force such that the axially movable slip ring is biased toward the other slip ring to cooperate sealing surfaces of the slip rings at standstill or when starting or stopping the equipment in sufficient sealing engagement to keep each other.
  • a medium-filled sealing gap whose gap width under the prevailing environmental conditions (pressure, temperature, etc.) is subject to certain changes, which can take into account the relevant seal ring by axial movement.
  • Fig. 1 shows the axially movable seal ring 1, wherein the axial mobility is indicated by the arrow P.
  • a tubular extension of a seal housing (not shown) is indicated, on which the slide ring 1 is mounted axially movable.
  • the tubular projection 2 has an outer peripheral surface 3, which is surrounded by an inner peripheral surface 4 of the slide ring 1 with a radial distance outside.
  • the general reference numeral 5 designates a secondary sealing element, which seals a space A of the mechanical seal assembly with respect to a space B, wherein at the same time the sliding ring 1 can make an axial movement relative to the housing extension 2.
  • the secondary sealing member 5 is an annular member made of an elastic material such as an elastomer having a generally U-shaped cross section with a pair of leg portions 6, 7 and a web portion 8 connecting the leg portions to each other at their inner ends.
  • the leg portions 6, 7 are included Their outer circumference laughingly seals against the adjacent circumferential surfaces of the housing projection 2 or an axially movably mounted force transmission ring 10, on which the secondary sealing element 5 is held in a suitable manner, preferably in a form-fitting manner, via its web region 8.
  • a support ring 12 is arranged, the object is an extrusion of material of the secondary sealing element 5 in an annular gap between the inner peripheral surface 4 of the seal ring 1 and the outer peripheral surface 3 of Housing approach 2 to prevent.
  • a biasing means is provided to apply an axial biasing force via the power transmission ring 10, the secondary sealing member 5 and the backup ring 12 to the seal ring 1 to urge its sealing surface into sealing engagement with a cooperating opposing sealing surface of the rotating seal ring (not shown) ,
  • the support ring 12 is preferably a rigid disc-shaped sintered part made of a carbide material, such as WC (tungsten carbide).
  • a carbide material such as WC (tungsten carbide).
  • preferred material for the slip ring 1 SiC silicon carbide.
  • different radial thermal expansions can occur at high temperatures and especially under high mechanical stresses due to the different thermal conductivity of the material combination, which lead to shear stresses between the parts when the support ring 12 directly to the adjacent end face 11 of Slip ring 1 would.
  • These shearing stresses can lead to distortions of the sliding ring 1 and thus change the configuration of the sealing gap between the cooperating sealing surfaces of the seal rings, which in turn can result in increased leakage and / or increased wear of the sealing surfaces.
  • a plastic material preferably PEEK (polyetheretherketone).
  • the disc member 13 should preferably have a wall thickness in the range of 0.005 to 0.1 mm, but if desired, other suitable wall thickness may be provided.
  • the radial dimensions of the disc element 13 may substantially correspond to those of the support ring 12. However, if desired, the disc member 13 may also have a smaller outer radial dimension than that of the support ring 12.
  • the disc member 13 acts due to its small wall thickness in the power transmission function similar to a directly on the end face 11 of the seal ring 1 fitting rigid support ring 12. However, it effectively prevents a different radial extent of the support ring 12 relative to the slide ring 1 directly to its desired positional alignment unfavorable effect.
  • the disc member 13 thus acts as a buffer between the support ring 12 and the slide ring 1, wherein the rigid support ring 12 ensures that no material of the secondary därdichtungsettis 5 can penetrate into said annular gap and the support ring 12 remains free to move axially under all operating conditions ,
  • FIG. 1 The embodiment shown in Fig. 1 has particular suitability in cases where the thermal expansion behavior of the support ring 12 is significantly different from that of Sliding ring 1 differentiates. If the support ring 12 and the slide ring 1 consist of materials with the same or approximately the same coefficients of thermal expansion, but the power transmission ring 10 relative to the support ring 12 shows a significantly different thermal expansion behavior, the disk element 13 between the support ring 12 and the power transmission ring 10 would be arranged, as shown in FIG 2 is shown. It can be provided that a support ring 12 facing end face of the secondary sealing element 5 abuts the disc element 13. It is further understood that, if desired, a disc element 13 according to the invention could additionally be provided between the support ring 12 and the sliding ring 1, if all adjacent ring elements 1, 10, 12 form pairs with different thermal expansion behavior.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung mit einem beweglich relativ zu einem Montagebauteil (2) gehaltenen Gleitringelement (1) einer zusammenwirkenden Gleitringpaarung, einem Sekundärdichtungselement (5) aus einem flexiblen Material zur Abdichtung eines Ringspaltes zwischen dem Montagebauteil und dem Gleitringelement, einem zwischen dem Sekundärdichtungselement und dem Gleitringringelement angeordneten Stützringelement (12) zur Verhinderung eines Eindringens von Material des Sekundärdichtungselementes in den Ringspalt unter auf das Sekundärdichtungselement einwirkenden äusseren Kräften, und einer Vorspanneinrichtung zur Beaufschlagung des Gleitringelementes mit einer axialen Vorspannkraft. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine folienartige Zwischenlage (13) zwischen wenigstens einem Paar benachbarter, wenigstens das Gleitring- und Stützringelement umfassender Ringelemente (1, 10,12), über die die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung auf das Gleitringelement übertragbar ist.

Description

Gleitringdichtungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , wie sie z.B. aus der DE 295 18 119 U bekannt ist.
Bei der bekannten Gleitringdichtungsanordnung ist ein Stützring aus einem Kunststoffmaterial unmittelbar in einer Aussparung eines Sekundärdichtungselementes aus elastischem Material aufgenommen, die einen Ringspalt zwischen einem rohrförmi- gen Führungsansatz eines Dichtungsgehäuses und einem davon axial beweglich gehaltenen Gleitring abzudichten vermag. Der unmittelbar vor dem Ringspalt angeordnete Stützring soll ein Eindringen von Material des Sekundärdichtungselementes in den Ringspalt verhindern. Bei einer ähnlich ausgebildeten anderen bekannten Anordnung (WO 2004/046591 A) besteht der Stützring aus einem Kohlenstoffmaterial. Gemeinsames Merkmal der bekannten Gleitringdichtungsanordnungen ist, das sich der Stützring unter darauf einwirkenden äusseren Kräften in eine feste Eingriffnahme mit der abzudichtenden Umfangsfläche des betreffenden Montagebauteils verformen kann, wodurch die axiale Beweglichkeit des Stützringes, zusätzlich zur Behinderung durch das Sekun- därdichtungselement, weiter behindert wird. Zwar wird in der DE 295 18 119 U auch vorgeschlagen, für den Stützring zur Erhöhung seiner Steifigkeit ein metallisches Material zu verwenden, doch hat die Praxis gezeigt, dass hierdurch das Betriebsverhalten der Gleitringdichtungsanordnung ungünstig beeinträchtigt werden kann, insbesondere wenn solche Gleitringdichtungsanordnungen zum Einsatz bei hohen Temperaturen und hohen abzudichtenden Drücken ausgelegt sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleitringdichtungsanordnung der gattungsgemässen Art zu schaffen, die die Verwendung von Stützringen oder anderen eine Vorspannkraft auf den betreffenden Gleitring übertragenden Ringelementen aus steifen bis hochsteifen Materialien unterschiedlichster Art ohne Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens in einem weiten Bereich von Temperaturen und Drücken ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Merkmal der Erfindung ist, dass der den Ringspalt abschirmende Stützring aus einem hochsteifen Material , z.B. WC, bestehen kann, wodurch einerseits einem Eindringen von Kunststoffmaterial in den Ringspalt wirksam begegnet wird, während andererseits das Stützelement freie axiale Beweglichkeit auch bei hohen Temperaturen beibehält. Dies ist möglich, da durch das Vorsehen einer folienartigen Pufferzwischenlage, die aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise PEEK, bestehen kann, zwischen dem Gleitring und dem Stützring, der vorzugsweise aus einem karbidischen Material wie SiC besteht, die unterschiedliche Wärmedehnung der Materialpaarung sich nicht unmittelbar auf die Lageausrichtung des Gleitringes und das Betriebsverhaltenverhalten der Gleitringdichtungsanordnung auswirken kann. Thermisch bedingte Scherspannungen zwischen den Bauteilen treten nicht auf, sondern werden in der Zwischenschicht abgefangen, zumal die Zwischenschicht bei Verwendung geeigneter Kunststoffmaterialien ein zu Verwerfungen führendes Anhaften der damit in Eingriff stehenden Bauteile verhindert, so dass diese sich ungehindert radial ausdehnen können. Bezüglich vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung kann auf die Ansprüche verwiesen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in längsgeschnittener Ansicht einen Teil einer erfindungsgemäss aufgebauten Gleitringdichtungsanordnung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 2 in einer Ansicht ähnlich Fig. 1 eine Gleitringdichtungsanordnung gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Der grundsätzliche Aufbau einer Gleitringdichtungsanordnung ist dem Fachmann bekannt, so dass sich eine nähere diesbezügliche Erläuterung erübrigt. An dieser Stelle reicht es aus, darauf hinzuweisen, dass die Gleitringdichtungsanordnung wenigstens ein Paar zusammenwirkender Gleitringe umfasst, von denen einer zur gemeinsamen Drehung mit einem rotierenden Bauteil, z.B. der Antriebswelle einer Gerätschaft, vorgesehen und der andere drehfest an einem stationären Gehäuse gehalten ist. Einer der Gleitringe, vorzugsweise der drehfeste Gleitring, ist in Bezug auf das ihn haltende Bauteil (Gehäuse) axial beweglich und wird mit einer Vorspannkraft axial beaufschlagt, so dass der axial bewegliche Gleitring in Richtung auf den anderen Gleitring vorgespannt ist, um zusammenwirkende Dichtflächen der Gleitringe bei Stillstand oder beim An- oder Abfahren der Gerätschaft in ausreichendem dichtenden Eingriff miteinander zu halten. Beim Betrieb dagegen bildet sich zwischen den Dichtflächen ein mediumgefüllter Dichtspalt, dessen Spaltweite unter den herrschenden Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, etc.) gewissen Änderungen unterworfen ist, denen der betreffende Gleitring durch axiale Bewegung Rechnung tragen kann.
Fig. 1 zeigt den axial beweglichen Gleitring 1 , wobei die axiale Beweglichkeit durch den Pfeil P angedeutet ist. Mit dem Bezugszeichen 2 ist ein rohrförmiger Ansatz eines Dichtungsgehäuses (nicht gezeigt) angedeutet, auf dem der Gleitring 1 axial beweglich aufgesetzt ist. Der rohrförmige Ansatz 2 hat eine äussere Umfangsfläche 3, die von einer inneren Umfangsfläche 4 des Gleitringes 1 mit radialem Abstand aussen umfasst ist.
Mit dem allgemeinen Bezugszeichen 5 ist ein Sekundärdichtungselement bezeichnet, das einen Raum A der Gleitringdichtungsanordnung gegenüber einem Raum B abdichtet, wobei gleichzeitig der Gleitring 1 eine axiale Bewegung relativ zum Gehäuseansatz 2 vornehmen kann. Das Sekundärdichtungselement 5 ist ein ringförmiges Bauteil aus einem elastischen Material wie einem Elastomer mit grundsätzlich U-förmigem Querschnitt mit einem Paar Schenkelbereiche 6, 7 und einem die Schenkelbereiche an deren einen bzw. inneren Enden miteinander verbindenden Stegbereich 8. Die Schenkelbereiche 6 , 7 liegen mit ihren äusseren U mfangsf lachen dichtend an den benachbarten Umfangsflä- chen des Gehäuseansatzes 2 bzw. eines axial beweglich darauf aufgesetzten Kraftübertragungsringes 10 an, an dem das Sekundärdichtungselement 5 über dessen Stegbereich 8 in geeigneter Weise, vorzugsweise formschlüssig gehalten ist.
Ebenfalls axial beweglich ist auf dem Gehäuseansatz 2 nahe der benachbarten Stirnseite 11 des Gleitringes 1 ein Stützring 12 angeordnet, dessen Aufgabe es ist, eine Extrusion von Material des Sekundärdichtungselementes 5 in einen Ringspalt zwischen der inneren Umfangsfläche 4 des Gleitringes 1 und der äusseren Umfangsfläche 3 des Gehäuseansatzes 2 zu verhindern.
Eine nicht gezeigte Vorspanneinrichtung ist vorgesehen, um über den Kraftübertragungsring 10, das Sekundärdichtungselement 5 und den Stützring 12 auf den Gleitring 1 eine axiale Vorspannkraft auszuüben, um dessen Dichtfläche in dichtendem Eingriff mit einer damit zusammenwirkenden gegenüberliegenden Dichtfläche des rotierenden Gleitringes (nicht gezeigt) zu beaufschlagen.
Erfindungsgemäss ist der Stützring 12 vorzugsweise ein steifes scheibenförmiges Sinterteil aus einem karbidischen Material, wie WC (Wolframcarbid). Dagegen ist bevorzugtes Material für den Gleitring 1 SiC (Siliciumcarbid). Bei einer derartigen Materialkombination von Gleitring 1 und Stützring 12 können bei hohen Temperaturen und insbesondere unter hohen mechanischen Beanspruchungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der Materialkombination unterschiedliche radiale Wärmedehnungen auftreten, die zu Scherbeanspruchungen zwischen den Teilen führen, wenn der Stützring 12 unmittelbar an der benachbarten Stirnfläche 11 des Gleitringes 1 anlie- gen würde. Diese Scherbeanspruchungen können zu Verwerfungen des Gleitringes 1 führen und damit die Konfiguration des Dichtspaltes zwischen den zusammenwirkenden Dichtflächen der Gleitringe verändern, was wiederum erhöhte Leckage und/oder erhöhten Verschleiss der Dichtflächen zur Folge haben kann.
Diese Wirkungen werden erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass zwischen dem Stützring 12 und der benachbarten Stirnfläche 11 des Gleitringes 1 eine folienartige Zwischenlage in Gestalt eines, dünnwandigen ringförmigen Scheibenelementes 13 aus einem elastischen Material, vorzugsweise einem Kunststoffmaterial, angeordnet ist. Obschon andere Kunststoffmaterialien für das Scheibenelement 13 verwendet werden könnten, ist bevorzugtes Kunststoffmaterial PEEK (Polyetheretherketon). Das Scheibenelement 13 sollte vorzugsweise eine Wandstärke im Bereich von 0,005 bis 0,1 mm haben, doch können, wenn erwünscht, auch andere geeignete Wandstärke vorgesehen werden. Die radialen Abmessungen des Scheibenelementes 13 können im Wesentlichen denen des Stützringes 12 entsprechen. Wenn erwünscht, kann das Scheibenelement 13 jedoch auch eine geringere radiale Aussenabmessung als die des Stützringes 12 haben.
Das Scheibenelement 13 wirkt aufgrund seiner geringen Wandstärke in der Kraftübertragungsfunktion ähnlich wie ein unmittelbar an der Stirnfläche 11 des Gleitringes 1 anliegender steifer Stützring 12. Es verhindert jedoch wirksam, dass eine unterschiedliche radiale Ausdehnung des Stützrings 12 gegenüber dem Gleitring 1 sich unmittelbar auf dessen gewünschter Lageausrichtung ungünstig auswirken kann. Das Scheibenelement 13 wirkt somit wie ein Puffer zwischen dem Stützring 12 und dem Gleitring 1 , wobei der steife Stützring 12 gewährleistet, dass kein Material des Sekun- därdichtungselementes 5 in den besagten Ringspalt eindringen kann und der Stützring 12 selbst unter allen Betriebsbedingungen frei axial beweglich bleibt.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform hat besondere Eignung in Fällen, bei denen das Wärmeausdehnungsverhalten des Stützringes 12 sich deutlich von dem des Gleitringes 1 unterscheidet. Sofern der Stützring 12 und der Gleitring 1 aus Materialien mit gleichen oder annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, jedoch der Kraftübertragungsring 10 gegenüber dem Stützring 12 ein deutlich unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten zeigt, wäre das Scheibenelement 13 zwischen dem Stützring 12 und dem Kraftübertragungsring 10 anzuordnen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine dem Stützring 12 zugewandte Stirnfläche des Sekundärdichtungselementes 5 am Scheibenelement 13 anliegt. Es versteht sich ferner, dass, wenn erwünscht, ein erfindungsgemässes Scheibenelement 13 zusätzlich zwischen dem Stützring 12 und Gleitring 1 vorgesehen sein könnte, wenn sämtliche benachbarten Ringelemente 1, 10, 12 Paarungen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten bilden.
Obschon die Erfindung vorausgehend anhand einer Gleitringdichtungsanordnung beschrieben wurde, bei der axial bewegliche Gleitring an einem stationären Montagebauteil gehalten ist, könnte die axiale Beweglichkeit auch an rotierenden Gleitring vorgesehen sein. Zwar werden die vorgenannten Materialien und Materialpaarungen bevorzugt, doch ist hierin keine Einschränkung der Erfindung zu sehen.

Claims

Ansprüche
1. Gleitringdichtungsanordnung mit einem beweglich relativ zu einem Montagebauteil (2) gehaltenen Gleitringelement (1) einer zusammenwirkenden Gleitringpaarung, einem Sekundärdichtungselement (5) aus einem flexiblen Material zur Abdichtung eines Ringspaltes zwischen dem Montagebauteil und dem Gleitringelement, einem zwischen dem Sekundärdichtungselement und dem Gleitringringelement angeordneten Stützringelement (12) zur Verhinderung eines Eindringens von Material des Sekundärdichtungs- elementes in den Ringspalt unter auf das Sekundärdichtungselement einwirkenden äusseren Kräften, und einer Vorspanneinrichtung zur Beaufschlagung des Gleitringelementes mit einer axialen Vorspannkraft, gekennzeichnet durch eine folienartige Zwischenlage (13) zwischen wenigstens einem Paar benachbarter, wenigstens das Gleitring- und Stützringelement umfassender Ringelemente (1 , 10,12), über die die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung auf das Gleitringelement übertragbar ist.
2. Gleitringanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage ein ringförmiges Scheibenelement (13) ist.
3. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (13) aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise PEEK, gebildet ist.
4. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (13) eine Wanddicke im Bereich von 5 bis 100 μm hat.
5. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Paar Ringelemente Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten umfasst.
6. Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Materialien SiC und das andere WC umfasst.
7. Gleitringdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Ringelement ein Kraftübertragungsringelement (10) vorgesehen ist.
8. Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsringelement (10) Träger des Sekundärdichtungselementes (5) ist.
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