WO2011141117A1 - Gleitringdichtung mit rotierendem gegenring mit axialen ausstülpungen - Google Patents

Gleitringdichtung mit rotierendem gegenring mit axialen ausstülpungen Download PDF

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Armin Laxander
Günther Lederer
Thomas Keller
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Carl Freudenberg 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, comprising a rotating mating ring and a stationary seal ring, wherein the mating ring and the sliding ring each having adjacent sealing surfaces, wherein the
  • turbomachinery such as compressors or gas turbines
  • the invention is therefore based on the object, such a mechanical seal of the type mentioned in such a way and further develop that it ensures reliable operation even at varying and different sliding speeds, pressures and temperatures.
  • the aforementioned mechanical seal is characterized in that the counter-ring has a second axial protuberance, which protrudes from the radial plane and is spaced from the first protuberance.
  • Protrusion which forms a valley with the first protuberance, which can compensate for occurring tilting moments due to axial temperature gradients.
  • the first protuberance is at a rotating counter ring in a sensitive
  • the radial plane could be remote from the sealing surface of the counter ring.
  • the abutting sealing surfaces are not affected.
  • the first protuberance could be formed at the radially outer end of the mating ring, the second protuberance facing the radially inner end of the mating ring. As a result, the plane of rotation of the mating ring is stabilized against tilting.
  • the first protuberance could be trapezoidal in cross-section. This specific embodiment has proved to be particularly advantageous because it thereby becomes a positive mass distribution and
  • the second protuberance could be trapezoidal in cross-section.
  • planes oriented parallel to the axis of rotation are avoided, on which fluids, in particular liquid lubricants, can accumulate.
  • the protuberances may have rounded edges. As a result, secondary vortex breaks can be minimized at the protuberances.
  • the first protuberance may have a greater extent than the second protuberance. Surprisingly, this results in an equally flexible and stable deformation behavior of the rotating mating ring under different operating conditions.
  • the sliding ring could have an axial bulge whose radially inner flank has recesses. Surprisingly, this results in a nearly constant gap width.
  • the stationary seal follows in its movement and deformation behavior of the rotating mating ring such that the sealing gap between the sealing surfaces neither expands nor diminished in an inadmissible manner.
  • gap height As far as in this description of gap width is mentioned, the axial distance of the sealing surfaces is meant. The expert also refers to this axial distance as "gap height.” No seals or sealing elements are arranged in the recesses
  • Centering elements which bear axially or radially on the radially inner edge.
  • the radially inner flank could be stepped. Steps can be easily introduced into the body of the sliding ring.
  • the radially inner flank could open into a first radial plane of the sliding ring, wherein a radially outer flank of the sliding ring on a second Radial level of the slide ring opens and wherein the first and the second
  • the mechanical seal described here is particularly suitable for use in turbomachinery, such as compressors or
  • the mechanical seal described here seals a gas or a mixture of a gas and a liquid, wherein the sealing surfaces are gas-lubricated.
  • Fig. 1 is a sectional view of a mechanical seal of the prior art, in which the rotating counter-ring in the axial direction has no protuberance
  • Fig. 2 is a sectional view of a housing-side part of a
  • FIG. 3 is a sectional view of a shaft-side part of a
  • Fig. 4 is a sectional view of a housing-side part of a
  • FIG. 1 shows a mechanical seal of the prior art.
  • the mechanical seal shown in Fig. 1 comprises a rotating mating ring 1 and a stationary seal ring 2, wherein the mating ring 1 and the sliding ring 2 each having adjacent sealing surfaces 1 a, 2 a, wherein the
  • FIG. 2 shows the housing-side part of the mechanical seal according to FIG. 1.
  • Fig. 3 shows a shaft-side part of a mechanical seal according to the invention and Fig. 4 shows a housing-side part of a mechanical seal.
  • the mechanical seal shown in FIG. 3 and FIG. 4 comprises a rotating mating ring 1 and a stationary sliding ring 2, wherein the mating ring 1 and the sliding ring 2 each have abutting sealing surfaces 1 a, 2 a, wherein the sealing surface 1 a of the mating ring 1 of the sealing surface 2 a of Sliding ring 2 is opposite.
  • a sealing gap 7 is formed between the sealing surfaces 1a, 2a.
  • the rotating mating ring 1 is assigned to a rotating shaft 5 fixed and rotates with this.
  • the stationary seal ring 2 is in one
  • the counter-ring 1 has a first axial protuberance 8, which protrudes axially from a radial plane 9 of the counter-ring 1 shown by dashed lines.
  • the counter-ring 1 has a second axial protuberance 10 which protrudes axially from the radial plane 9 and radially from the first protuberance 8
  • first protuberance 8 and the second protuberance 10 define a valley 11, which is slightly lower than the radial plane 9.
  • the valley 11 could also be slightly higher than the radial plane 9.
  • the counter-ring 1 is made of metal and has a diameter ( Internal dimension) of 300 mm.
  • the radial plane 9 is the sealing surface 1 a of the mating ring 1 facing away axially.
  • the first protuberance 8 is formed at the radially outer end of the counter-ring 1, wherein the second protuberance 10 faces the radially inner end of the counter-ring 1.
  • the first protuberance 8 and the second protuberance 10 are trapezoidal in cross-section.
  • the protuberances 8, 10 have rounded edges 12a, 12b.
  • the first protuberance 8 shows a greater extent than the second
  • FIG. 4 shows that the sliding ring 2 has an axial bulge 13 whose radially inner flank 14 has recesses 15a, 15b.
  • the radially inner flank 14 is stepped.
  • the radially inner edge 14 opens into a first radial plane 16 of the sliding ring 2, wherein a radially outer edge 17 of the sliding ring 2 in a second
  • Radial level 18 of the sliding ring 2 opens and wherein the first and the second radial plane 16, 18 are spaced axially different from the sealing surface 2 a of the sliding ring 2.
  • the sliding ring 2 is made of a carbon material.

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Abstract

Eine Gleitringdichtung, umfassend einen rotierenden Gegenring (1) und einen stationären Gleitring (2), wobei der Gegenring (1) und der Gleitring (2) jeweils aneinander liegende Dichtflächen (1a, 2a) aufweisen, wobei die Dichtfläche (1a) des Gegenrings (1) der Dichtfläche (2a) des Gleitrings (2) gegenüberliegt und wobei der Gegenring (1) eine erste axiale Ausstülpung (8) aufweist, welche von einer Radialebene (9) des Gegenrings (1) abragt, ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine Gleitringdichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass diese auch bei variierenden und unterschiedlichen Gleitgeschwindigkeiten, Drücken und Temperaturen eine zuverlässige Funktion gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenring (1) eine zweite axiale Ausstülpung (10) aufweist, welche von der Radialebene (9) abragt und von der ersten Ausstülpung (8) beabstandet ist.

Description

Gleitringdichtung mit rotierendem Gegenring mit axialen Ausstülpungen
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung, umfassend einen rotierenden Gegenring und einen stationären Gleitring, wobei der Gegenring und der Gleitring jeweils aneinander liegende Dichtflächen aufweisen, wobei die
Dichtfläche des Gegenrings der Dichtfläche des Gleitrings gegenüberliegt und wobei der Gegenring eine erste axiale Ausstülpung aufweist, welche von einer Radialebene des Gegenrings abragt. Stand der Technik
Gleitringdichtungen der eingangs genannten Art sind aus der EP 1 209 386 A1 bereits bekannt. Ein Gegenring kann mit Gleitgeschwindigkeiten bezogen auf den mittleren Gleitflächendurchmesser von bis zu 200 m/s relativ zum stationären Gleitring rotieren. Bei hohen Gleitgeschwindigkeiten kommt es infolge von viskoser Reibung im Dichtspalt zu einem erheblichen Wärmeeintrag in Gleit- und Gegenring. Axiale Temperaturgradienten in Gleit- und Gegenring können zu großen Verformungen der Ringe führen. Dabei kann sich die Geometrie des Dichtspalts in unerwünschter Weise bzw. unzulässiger Weise verändern und
BESTÄTIGUNGSKOPIE zwar hinsichtlich der Höhe des Dichtspalts als auch dessen V-förmiger
Aufweitung.
Aus der EP 1 209 386 A1 ist bekannt, einen rotierenden Gegenring mit einer axialen Ausstülpung zu versehen, um thermisch bedingte Verwerfungen des rotierenden Gegenrings zu kompensieren.
Bei den bekannten Gleitringdichtungen ist nachteilig, dass das
Verformungsverhalten des rotierenden Gegenrings trotz der bekannten
Maßnahmen bei hoher Temperaturentwicklung nicht immer in allen
auftretenden Betriebszuständen eine zuverlässige Funktion zulässt.
Insbesondere bei der Verwendung von Gleitringdichtungen in Turbomaschinen, beispielsweise Kompressoren oder Gasturbinen, mit stark variierenden
Betriebsbedingungen hinsichtlich Druck, Drehzahl und Temperatur bestehen jedoch sehr hohe Anforderungen an Funktion und Betriebssicherheit der Gleitringdichtungen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gleitringdichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass diese auch bei variierenden und unterschiedlichen Gleitgeschwindigkeiten, Drücken und Temperaturen eine zuverlässige Funktion gewährleistet.
Die vorliegende Erfindung löst die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Danach ist die eingangs genannte Gleitringdichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenring eine zweite axiale Ausstülpung aufweist, welche von der Radialebene abragt und von der ersten Ausstülpung beabstandet ist. Erfindungsgemäß ist überraschend erkannt worden, dass eine zweite
Ausstülpung, welche mit der ersten Ausstülpung ein Tal ausbildet, die auftretenden Kippmomente infolge axialer Temperaturgradienten kompensieren kann. Obwohl der Fachmann erwartet hätte, dass eine weitere Ausstülpung zu einem relativ komplexen, schwer beherrschbaren Verformungsverhalten des Gegenrings führen würde, wurde dieser Weg erfindungsgemäß beschritten. Die erste Ausstülpung steht bei rotierendem Gegenring in einem sensiblen
Wechselspiel zu der zweiten Ausstülpung. Hierdurch zeigt der Gegenring auch bei stark variierenden Belastungen in Bezug auf Druck, Drehzahl und
Temperatur überraschend in gleichem Maße sowohl Flexibilität als auch
Stabilität im Hinblick auf sein Verformungsverhalten. Dadurch wird auch bei stark variierenden Betriebsbedingungen eine optimale Geometrie des
Dichtspalts aufrecht erhalten.
Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
Die Radialebene könnte der Dichtfläche des Gegenrings abgewandt sein.
Vorteilhaft werden hierbei die aneinander liegenden Dichtflächen nicht beeinflusst.
Die erste Ausstülpung könnte am radial äußeren Ende des Gegenrings ausgebildet sein, wobei die zweite Ausstülpung dem radial inneren Ende des Gegenrings zugewandt ist. Hierdurch wird die Rotationsebene des Gegenrings gegen Verkippungen stabilisiert.
Die erste Ausstülpung könnte im Querschnitt trapezförmig ausgebildet sein. Diese konkrete Ausgestaltung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da es hierdurch zu einer positiven Massenverteilung und
Schwerpunktverschiebung innerhalb des Gegenrings kommt. Vor diesem Hintergrund könnte die zweite Ausstülpung im Querschnitt trapezförmig ausgebildet sein. Hierdurch werden parallel zur Rotationsachse orientierte Ebenen vermieden, auf denen sich Fluide, insbesondere flüssige Schmiermittel, anlagern können.
Die Ausstülpungen könnten abgerundete Kanten aufweisen. Hierdurch können Sekundärwirbelabrisse an den Ausstülpungen minimiert werden. Die erste Ausstülpung könnte eine größere Ausdehnung zeigen als die zweite Ausstülpung. Überraschend ergibt sich hierdurch ein gleichermaßen flexibles als auch stabiles Verformungsverhalten des rotierenden Gegenrings bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen. Der Gleitring könnte eine axiale Ausbuchtung aufweisen, deren radial innere Flanke Ausnehmungen aufweist. Überraschend stellt sich hierdurch eine nahezu konstante Spaltbreite ein. Der stationäre Gleitring folgt in seinem Bewegungs- und Verformungsverhalten dem rotierenden Gegenring derart, dass sich der Dichtspalt zwischen den Dichtflächen weder aufweitet noch in unzulässiger Weise verkleinert.
Soweit in dieser Beschreibung von Spaltbreite die Rede ist, ist der axiale Abstand der Dichtflächen gemeint. Der Fachmann bezeichnet diesen axialen Abstand auch als„Spalthöhe". In den Ausnehmungen sind keine Dichtungen oder Dichtelemente angeordnet. Die Ausnehmungen sind auch frei von
Zentrierelementen, die axial oder radial an der radial inneren Flanke anliegen.
Die radial innere Flanke könnte gestuft ausgebildet sein. Stufen lassen sich problemlos in den Körper des Gleitrings einbringen.
Die radial innere Flanke könnte in eine erste Radialebene des Gleitrings münden, wobei eine radial äußere Flanke des Gleitrings auf einer zweiten Radialebene des Gleitrings mündet und wobei die erste und die zweite
Radialebene unterschiedlich weit von der Dichtfläche des Gleitrings
beabstandet sind. Durch diese konkrete Ausgestaltung stellt sich eine sehr günstige Form des Gleitrings ein, so dass der Dichtspalt zwischen den
Dichtflächen nahezu konstant ist.
Die hier beschriebene Gleitringdichtung eignet sich in besonderer Weise zur Verwendung in Turbomaschinen, beispielsweise Kompressoren oder
Gasturbinen, da diese auch bei variierenden und unterschiedlichen
Gleitgeschwindigkeiten, Drücken und Temperaturen eine zuverlässige Funktion gewährleistet.
Die hier beschriebene Gleitringdichtung dichtet ein Gas oder ein Gemisch aus einem Gas und einer Flüssigkeit ab, wobei die Dichtflächen gasgeschmiert sind.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende
Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gleitringdichtung an Hand der Zeichnung zu verweisen.
In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung werden im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 eine Schnittansicht einer Gleitringdichtung des Stands der Technik, bei welcher der rotierende Gegenring in axialer Richtung keine Ausstülpung aufweist, Fig. 2 eine Schnittansicht eines gehäuseseitigen Teils einer
Gleitringdichtung des Stands der Technik, bei welcher der stationäre Gleitring eine axiale Ausbuchtung aufweist, Fig. 3 eine Schnittansicht eines wellenseitigen Teils einer
Gleitringdichtung, bei welcher der rotierende Gegenring in axialer Richtung zwei Ausstülpungen aufweist, und
Fig. 4 eine Schnittansicht eines gehäuseseitigen Teils einer
Gleitringdichtung, bei welcher der stationäre Gleitring eine axiale Ausbuchtung aufweist, in welcher eine gestufte Flanke ausgebildet ist.
Ausführung der Erfindung Fig. 1 zeigt eine Gleitringdichtung des Stands der Technik.
Die in Fig. 1 gezeigte Gleitringdichtung umfasst einen rotierenden Gegenring 1 und einen stationären Gleitring 2, wobei der Gegenring 1 und der Gleitring 2 jeweils aneinander liegende Dichtflächen 1a, 2a aufweisen, wobei die
Dichtfläche 1a des Gegenrings 1 der Dichtfläche 2a des Gleitrings 2
gegenüberliegt.
Der rotierende Gegenring 1 ist einer drehenden Welle 5 fest zugeordnet und rotiert mit dieser. Der stationäre Gleitring 2 ist in einem Gehäuse 6 lose zentriert angeordnet. Fig. 2 zeigt den gehäuseseitigen Teil der Gleitringdichtung gemäß Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen wellenseitigen Teil einer Gleitringdichtung gemäß der Erfindung und Fig. 4 zeigt einen gehäuseseitigen Teil einer Gleitringdichtung.
Die in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigte Gleitringdichtung umfasst einen rotierenden Gegenring 1 und einen stationären Gleitring 2, wobei der Gegenring 1 und der Gleitring 2 jeweils aneinander liegende Dichtflächen 1a, 2a aufweisen, wobei die Dichtfläche 1a des Gegenrings 1 der Dichtfläche 2a des Gleitrings 2 gegenüberliegt. Hierbei wird ein Dichtspalt 7 zwischen den Dichtflächen 1a, 2a ausgebildet. Der rotierende Gegenring 1 ist einer drehenden Welle 5 fest zugeordnet und rotiert mit dieser. Der stationäre Gleitring 2 ist in einem
Gehäuse 6 lose zentriert angeordnet. Der Gegenring 1 weist eine erste axiale Ausstülpung 8 auf, welche von einer gestrichelt dargestellten Radialebene 9 des Gegenrings 1 axial abragt. Der Gegenring 1 weist eine zweite axiale Ausstülpung 10 auf, welche von der Radialebene 9 axial abragt und von der ersten Ausstülpung 8 radial
beabstandet ist.
Konkret begrenzen die erste Ausstülpung 8 und die zweite Ausstülpung 10 ein Tal 11 , welches etwas tiefer liegt als die Radialebene 9. Das Tal 11 könnte jedoch auch etwas höher liegen als die Radialebene 9. Der Gegenring 1 ist aus Metall gefertigt und weist einen Durchmesser (Innenmass) von 300 mm auf.
Die Radialebene 9 ist der Dichtfläche 1a des Gegenrings 1 axial abgewandt. Die erste Ausstülpung 8 ist am radial äußeren Ende des Gegenrings 1 ausgebildet, wobei die zweite Ausstülpung 10 dem radial inneren Ende des Gegenrings 1 zugewandt ist. Die erste Ausstülpung 8 und die zweite Ausstülpung 10 sind im Querschnitt trapezförmig ausgebildet. Die Ausstülpungen 8, 10 weisen abgerundete Kanten 12a, 12b auf. Die erste Ausstülpung 8 zeigt eine größere Ausdehnung als die zweite
Ausstülpung 10.
Fig. 4 zeigt, dass der Gleitring 2 eine axiale Ausbuchtung 13 aufweist, deren radial innere Flanke 14 Ausnehmungen 15a, 15b aufweist. Die radial innere Flanke 14 ist gestuft ausgebildet.
Die radial innere Flanke 14 mündet in eine erste Radialebene 16 des Gleitrings 2, wobei eine radial äußere Flanke 17 des Gleitrings 2 in eine zweite
Radialebene 18 des Gleitrings 2 mündet und wobei die erste und die zweite Radialebene 16, 18 unterschiedlich weit von der Dichtfläche 2a des Gleitrings 2 axial beabstandet sind.
Der Gleitring 2 ist aus einem Kohlewerkstoff gefertigt. Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird einerseits auf den allgemeinen Teil der
Beschreibung und andererseits auf die beigefügten Patentansprüche
verwiesen.

Claims

Patentansprüche
Gleitringdichtung, umfassend einen rotierenden Gegenring (1) und einen stationären Gleitring (2), wobei der Gegenring (1) und der Gleitring (2) jeweils aneinander liegende Dichtflächen (1a, 2a) aufweisen, wobei die Dichtfläche (1a) des Gegenrings (1) der Dichtfläche (2a) des Gleitrings (2) gegenüberliegt und wobei der Gegenring (1) eine erste axiale
Ausstülpung (8) aufweist, welche von einer Radialebene (9) des
Gegenrings (1) abragt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenring (1) eine zweite axiale Ausstülpung (10) aufweist, welche von der Radialebene (9) abragt und von der ersten Ausstülpung (8) beabstandet ist.
Gleitringdichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Radialebene (9) der Dichtfläche (1a) des Gegenrings (1) abgewandt ist.
Gleitringdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausstülpung (8) am radial äußeren Ende des Gegenrings (1) ausgebildet ist und dass die zweite Ausstülpung (10) dem radial inneren Ende des Gegenrings (1) zugewandt ist.
Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Ausstülpung (8) im Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist.
Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Ausstülpung (10) im Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist.
6. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ausstülpungen (8, 10) abgerundete Kanten (12a, 12b) aufweisen.
7. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Ausstülpung (8) eine größere
Ausdehnung zeigt als die zweite Ausstülpung (10).
8. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Gleitring (2) eine axiale Ausbuchtung (13) aufweist, deren radial innere Flanke (14) Ausnehmungen (15a, 15b) aufweist.
9. Gleitringdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Flanke (14) gestuft ausgebildet ist.
10. Gleitringdichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Flanke (14) in eine erste Radialebene (16) des Gleitrings (2) mündet, wobei eine radial äußere Flanke (17) des
Gleitrings (2) in eine zweite Radialebene (18) des Gleitrings (2) mündet und wobei die erste und die zweite Radialebene (16, 18) unterschiedlich weit von der Dichtfläche (2a) des Gleitrings (2) beabstandet sind.
PCT/EP2011/001952 2010-04-23 2011-04-18 Gleitringdichtung mit rotierendem gegenring mit axialen ausstülpungen WO2011141117A1 (de)

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