DE1475886C3 - Gleitringdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine leckstromentlastete Gleitringdichtung zur Abdichtung eines Wellendurchgangsspaltes gegenüber feiner Flüssigkeit hohen Druckes, insbesondere für Pumpen, bestehend aus einem mit der Welle fest verbundenen Gegenlaufring und einem axial verschieblich gegenüber der Durchführungsöffnung drehgesicherten und abgedichteten sowie in axialer Richtung auf den Gegenlaufring zu gedrückten Gleitring, der mit einer gegenüber der radialen Gegendichtfläche des Gegenlaufringes leicht konischen Gleitfläche versehen ist und damit einen sich zur Hochdruckseite leicht erweiternden Dichtungsspalt bildet, dessen Weite durch den Druck des durch ihn hindurchtretenden Leckmediums einreguliert wird.

Gleitringdichtungen dieser Gattung, die z. B. aus der deutschen Patentschrift 974 262 bekanntgeworden sind, haben den Vorteil einer sehr langen Lebensdauer, da zwischen den dichtenden Flächen infolge des dazwischenliegenden Flüssigkeitsfilmes praktisch kein Abrieb stattfindet. Die durch diesen Dichtungsspalt strömende Menge der abzudichtenden Flüssigkeit, die sogenannte Leckrate, hängt bei gegebenen Betriebsbedingungen von den geometrischen Abmessungen des auf dem Flüssigkeitsfilm schwimmenden Gleitringes ab. Für das reibungslose Funktionieren ist es dabei wichtig, daß für die gewünschte kleine Leckrate innerhalb des Dichtungsspaltes, über seine ganze Fläche gesehen, ein Gleichgewicht zwischen dem Flüssigkeitsdruck und der auf den Gleitring wirkenden Kraft besteht. Dieses Gleichgewicht kann während des Betriebes durch Schwingungen der Maschine, der Welle oder sonstige Ungleichmäßigkeiten im Lauf gestört werden. Dies führt zu unerwünschten Änderungen des Dichtungsspaltes und hat eine erhöhte Leckrate zur Folge.

Es ist daher notwendig, Mittel vorzusehen, die einer solchen Störung des Gleichgewichtes an den Dichtungselementen entgegenwirken. Diesem Zweck dienen bei der bekannten Gleitringdichtung Bohrungen innerhalb des Gleitringes, die während des Betriebes die Druckflüssigkeit einer mit zwei Balgen abgetrennten ringförmigen Region etwa in der Mitte der dem Dichtungsspalt gegenüberliegenden Fläche zuführen, damit eine veränderliche Anpreßkraft entsteht. Die benötigten Balgen sind jedoch aufwendig und empfindlich. Es stellte sich daher die Aufgabe, eine andere, vor allem auch mechanisch einfache, Lösung zu finden, nach der beim Auftreten von Ungleichmäßigkeiten in der Spaltbreite Druckkräfte entstehen, die bestrebt sind, das Gleichgewicht wieder herzustellen.

Die Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß die Gleitfläche zur Niederdruckseite hin mit einer zentralen, zur Gegendichtfläche parallelen Zone versehen ist. In dieser parallelen Zone, entstehen bei Änderungen des Spaltes große Kräfte, die den Änderungen entgegenwirken. Daraus entwickelt sich eine selbsttätige Regulierung der gewünschten Spaltweite mit der minimalen Leckrate.

Eine der Erfindung ähnliche Ausbildung von Gleitflächen ist zwar schon aus der britischen Patentschrift 665 696 (Fig. 3) bekannt, jedoch hat die Abdichtung dort den Zweck, das Schmiermittel eines Wälzlagers gegen das Eindringen von Staub zu schützen. Die dem Schmiermittel zugekehrte konische Erweiterung soll das Schmiermittel durch Kapillarwirkung in den Spalt ziehen. Außerdem soll die teilweise parallele Ausbildung der Gleitflächen zu einem besseren Einlauf derselben durch Abrieb oder Läppen führen.

Im Fall der Erfindung handelt es sich dagegen um eine Dichtung gegenüber Flüssigkeiten hohen Druckes, deren Teile von Anfang an die erfindungsgemäße Gestalt haben, um eine der axialen Anpressung entgegenwirkende Kraft zur Regulierung der Spaltweite zu erhalten. Deshalb gehören auch Dichtungen mit einer im Neuzustand über die ganze radiale Breite konischen Gleitfläche nicht zum Schutzbegehren, wenn sich bei ihnen durch Abnutzung eine teils ebene, teils konische Gleitfläche einstellt.

Zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung sei auf die F i g. 1 und 2 verwiesen, von denen die

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtungseinrichtung darstellt in Verbindung mit einem Diagramm zur besseren Veranschaulichung der hydraulischen Kräfte, die auf den schwimmenden Dichtungsring einwirken,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Einrichtung gemäß F i g. 1 entlang der Linie III-III zeigt.

Nach F i g. 1 ist eine Welle 14 innerhalb eines Gehäuses 10 gelagert und gegenüber diesem durch eine erfindungsgemäße Gleitringdichtung abgeschlossen.

Diese besteht aus dem mit der Welle verbundenen festen Gegenlaufring 16, dessen eine nach oben gerichtete Gegendichtfläche 18 die eine Begrenzung des Dichtungsspaltes 50 darstellt. Der Raum zwischen der Welle 14 und dem Gehäuse 10 bildet einen Teil des die Druckflüssigkeit enthaltenden Raumes (Druckkammer) 12. Der Gegendichtfläche 18 des Gegenlaufringes 16 liegt der schwimmende Gleitring 20 gegenüber, der mit seiner unteren Gleitfläche 22 die andere Begrenzung des Dichtungsspaltes 50 darstellt. Er ist in einem Aufnahmeteil 24 von ringförmiger Gestalt gelagert. Dieses ist mit dem Gehäuse 10 fest verbunden und über eine Dichtung 35, die in eine Nut 33 des Aufnahmeteiles 24 eingelegt ist, diesem gegenüber abgedichtet. Der innere Teil 28 des die Welle umschließenden Aufnahmeteiles 24 ist gegenüber dem Gleitring 20 wiederum z. B. mit einer O-Ringdichtung 30 abgedichtet, die in einer ringförmigen Nut 32 im Gleitring 20 angeordnet ist. Um bei gleichzeitiger Zulassung einer axialen Bewegung zwischen dem Gleitring 20 und dem Aufnahmeteil 24 mit Sicherheit ein Durchdringen der Druckflüssigkeit durch die Dichtung zu verhindern, besteht der O-Ring 30 aus einem federnden Material. Eine derartig begrenzte axiale Bewegung zwischen dem Gleitring 20 und ,der

Welle 14 ist notwendig, damit der Druck innerhalb des Dichtungsspaltes 50 das Gleichgewicht der Kräfte in jeder Situation wieder herstellen kann. Es ist dabei gleichfalls wichtig, daß der Gleitring 20 nicht in Rotation gerät. Dies wird verhindert durch die Bolzen 36, die in dem inneren Kragen 28 des Aufnahmeteiles 24 eingesetzt sind und in die entsprechenden Bohrungen 38 des Gleitringes 20 eingreifen. Im Ruhezustand der ganzen Anordnung wird dabei dieser Gleitring 20 durch die Federn 40 innerhalb der Sackbohrungen 46 mit ihrer Grundfläche 44 des Aufnahmeteiles 24 nach unten gedruckt und liegt dabei auf dem Gegenlaufring 16 auf. Der Spalt 50 bildet sich dann erst aus, wenn ein entsprechender Gegendruck von der Druckflüssigkeit her gegeben ist. An Stelle der auf die obere Fläche 42 des Gleitringes 20 drückenden Schraubenfedern 40 können selbstverständlich auch andere federnde Elemente, wie z. B. Tellerfedern, Verwendung finden.

Wie bereits eingangs erwähnt, findet entlang des Dichtungsspaltes 50 ein Druckabfall statt. Die Dichtung wirkt daher als sogenannte Druckbarriere, wobei jedoch eine gesteuerte und begrenzte Leckrate zwischen der Druckkammer 12 und dem Ringspalt 48 entlang der Welle 14 zugelassen ist. Die Hochdruckseite des Dichtungsspaltes ist dabei mit 52 und die Niederdruckseite mit 51 bezeichnet.

Die »Selbstheilung« des Dichtungsspaltes 50 im Fall von Vibrationen oder Schwingungen wird ermöglicht durch einen Spalt abnehmender Dicke von der Hochdruckseite 52 bis etwa zu der durch den Kreis 54 (s. auch F i g. 2), gekennzeichneten Stelle zwischen den Enden der Dichtungsflächen. Diese Erweiterung bzw. Verengung des Spaltes wird erreicht durch eine leichte Abschrägung der Gleitfläche 22 des Gleitringes 20 zwischen diesem genannten Kreis 54 und dem Außenrand. Dadurch ergibt sich für eine vorbestimmte Leckrate ein Anwachsen der Flußgeschwindigkeit zwischen dem äußeren Bezirk 52 des Spaltes und diesem Kreis 54.

Die Funktion dieser »Selbstheilung« durch die auftretenden hydraulischen Kräfte ist in dem Diagramm der F i g. 1 näher veranschaulicht. In diesem Diagramm stellt die durch die Linien 56,58, 60,60a und 60b eingeschlossene Fläche die Größe der totalen Kraft dar, die auf den Gleitring 20 nach abwärts drückt und den Dich- · tungsspalt 50 zu schließen versucht Die durch die Linien 56, 58 und 62 eingeschlossene Fläche bezeichnet die Abhebekraft, der der Gleitring ausgesetzt ist, wenn die Dicke des Spaltes zwischen den gegenüberstehenden Flächen des Gleitringes 20 und des Gegenlaufringes 16 geringer ist als die Gleichgewichtsdicke. Aus dem Vergleich dieser Flächen wird ersichtlich, daß die Abhebekraft größer ist und somit der Dichtungsspalt bis zum Gleichgewichtsspalt ebenfalls vergrößert wird.

Die durch die Linien 56, 58 und 64 begrenzte Fläche stellt die nach oben gerichteten Druckkräfte dar, die auf den Gleitring 20 einwirken, wenn die Dicke des Dichtungsspaltes 50 die Gleichgewichtsdicke übersteigt. Die Größe dieser Kräfte ist also kleiner und in der -Richtung entgegengesetzt zu den konstant abwärts gerichteten Kräften, wie sie durch die von den Linien 56, 58, 60, 60a und 60ό eingeschlossenen Fläche dargestellt ist. Damit wirkt auf den Gleitring eine Abwärtskraft ein, die diesen so lange bewegt, bis der Dichtungsspalt 50 bis zu seiner durch die Linie 66 dargestellten Gleichgewichtsdicke reduziert ist.

Es ist dabei darauf hinzuweisen, daß für jeden gegebenen Betriebszustand nur eine Breite des Dichtungsspaltes 50 existiert, bei der die verschiedenen Drücke im Gleichgewicht sind und daß bei jeder Abweichung aus dieser Lage in jedem Fall Rückstellkräfte der genannten Art auftreten.

Diese Verhältnisse seien an Zahlenbeispielen näher erläutert. Eine Welle 14 mit einem Durchmesser von etwa 20 cm besitze einen Gleitring 20 mit einer radialen Ausdehnung von 1,25 bis 2,5 cm, die also der Entfernung zwischen den Rändern 51 und 52 entspricht. Bei einer gegebenen Abmessung des Gleitringes möge die Abweichung von den Gleichgewichtszuständen in der Nähe des Randes 51 etwa 0,0007 cm betragen. Der konzentrische Kreis 54, der die parallele Zone der Gleitfläche von der konischen trennt, möge genau in der Mitte zwischen den beiden Rändern 51 und 52 liegen und die Breite des Dichtungsspaltes in der Nähe des Randes 52 zwischen 0,0015 und 0,0018 cm betragen. Zwischen dem Kreis 54 und dem Rand 52 ist der Gleitring um etwa einen Betrag von 0,00076 bis 0,001 cm abgeschrägt und entfernt sich damit vom Gegenlaufring. Die Leckrate durch den Dichtungsspalt 50 wird etwa in der Größenordnung von 3,7 1 pro Minute bei einer Druckdifferenz von 140 at liegen. Bei einer Verschiebung des Gleitringes 20 um etwa 0,00025 cm aus der Gleichgewichtsstellung würden dann Rückstellkräfte in der Größenordnung von 900 kg auftreten. Da aber das Gewicht des Gleitringes 14 kg nicht überschreiten dürfte, ist daraus zu ersehen, daß sehr hohe Rückstellkräfte auf den Ring 20 wirken und dieser damit jeder Lageveränderung des Gegenlauf ringes 16 durch Vibrationen der Welle usw. praktisch ohne Zeitverzug und ohne wesentliche Änderung des Dichtungsspaltes 50 folgt.

Derartige Abschrägungen, die durchaus stetig und geradlinig sein können, ermöglichen also das Entstehen einer Gleichgewichtsdruckverteilung im Dichtungsspalt, verbunden mit dem Auftreten von Rückstellkräften in der genannten Größenordnung bei Abweichungen aus dieser Lage. Die Herstellung dieser Abschrägung kann mit verhältnismäßig einfachen konventionellen Einrichtungen durchgeführt werden, so daß die Fertigung des schwimmenden Gleitringes 20 auf keine Herstellungsschwierigkeiten stößt.

Die Federn 40 haben den Zweck, den Dichtungsspalt 50 zu schließen, wenn dort nur ein sehr geringer Druckabfall herrscht. Ihre Kraft ist klein, verglichen mit den Kräften des Flüssigkeitssystems, sie addieren sich daher nicht wesentlich zu jenen Flüssigkeitskräften, die auf den Ring während des normalen Hochdruckbetriebes einwirken und können daher vernachlässigt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Leckstromentlastete Gleitringdichtung zur Abdichtung eines Wellendurchgangsspaltes gegenüber einer Flüssigkeit hohen Druckes, insbesondere für Pumpen, bestehend aus einem mit der Welle fest verbundenen Gegenlaufring und einem axial verschieblich gegenüber der Durchführungsöffnung drehgesicherten und abgedichteten sowie in axialer Richtung auf den Gegenlaufring zu gedrückten Gleitring, der mit einer gegenüber der radialen Gegendichtfläche des Gegenlaufringes leicht konischen Gleitfläche versehen ist und damit einen sich zur Hochdruckseite leicht erweiternden Dichtungsspalt bildet, dessen Weite durch den Druck des durch ihn hindurchtretenden Leckmediums einreguliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche zur Niederdruckseite hin mit einer zentralen, zur Gegendichtfläche parallelen Zone versehen ist.