DE2618682A1

DE2618682A1 - Gleitringdichtungsanordnung

Info

Publication number: DE2618682A1
Application number: DE19762618682
Authority: DE
Inventors: Winfred John Wiese
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: BW IP International Inc
Priority date: 1975-04-28
Filing date: 1976-04-28
Publication date: 1976-11-11
Also published as: SE7604838L; NL7604199A; FR2309769A1; GB1515595A; CA1041133A; JPS51127954A; DE2618682C2; JPS6022227B2; US3970320A; NL177341B; FR2309769B1; SE423569B; NL177341C; AU499742B2; AU1264376A

Description

Gleitringdichtungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung, bei der die Fläche des nicht umlaufenden Dichtrings als Funktion der Wärmeentwicklung an der Fläche gekühlt wird.

In der QS-Patentschrift No. 3 6 28 799 wird eine Gleitringdichtungsanordnung beschrieben, die relativ zueinander umlaufende Dichtringe besitzt. Dabei erlaubt ein Durchgang durch den nicht umlaufenden Ring die Leckage von Strömungsmittel zu den Dichtflächen. Die« schmiert die Flächen und hält sie beim Laufen kühl. Aufgrund der Bauweise der Dichtung ist die Strömungsmittelmenge, welche zu den Dichtflächen fließt, verhältnismäßig gering. Sie kann nur verhältnismäßig wenig Kühlung bieten.

Das US -Patent 3 147 ol3 betrifft eine Trockengasdichtungsanordnung, bei welcher Sorge dafür getragen ist, daß sich mindestens eine Dichtfläche der Dichtelemente verformt oder verwirft. Auf diese

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Weise werden kleine Gasraengen, welche zwischen die Flächen gepumpt werden, eingefangen, welche ein Kissen bzw. einen Spalt zwischen den beiden Flächen bilden. Auf diese Weise wird die Abnutzung reduziert und das Festfressen der Flächen verhindert.

Die vorliegende Erfindung besteht in einer Gleitringdichtungsanordnung zum Abdichten einer umlaufenden Welle gegenüber einem Gehäuse, welches eine Wellenöffnung besitzt, durch welche die Welle verläuft, wobei diese Gleitringdichtung enthält: einen umlaufenden Dichtring, welche auf der Welle angeordnet ist und sich mit dieser dreht und axial zur Welle eine begrenzte Beweglichkeit besitzt; einen nicht umlaufenden Dichtring, wobei der umlaufende und der nicht umlaufende Dichtring einander gegenüberliegende, im wesentlichen radiale Dichtflächen besitzen, die relativ zueinander verdrehbar dichtend angeordnet sind; eine Einrichtung zur Flüssigkeitskühlung der Fläche des umlaufenden Dichtrings und eine selbstkompensierende Dichtfläche, welche die Strömungsmittelleckrate durch die Dichtung als Funktion der an den Dichtflächen entwickelten Wärme erhöht. Dies wird erzielt, indem die Geschwindigkeitsspitze des Strömungsmittels ausgenutzt wird, welche am Umfang der Dichtungsteile erzeugt wird und die hinter der Dichtfläche in eine statische Spitze umgewandelt wird.

Bei der Bauweise der Gleitringdichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird zwischen der Gehäuseöffnung und einem Hohlraum hinter dem nicht umlaufenden Dichtring mittels Öffnungen oder Schlitzen, welche am Umfang des nicht umlaufenden Dichtrings angeordnet

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sind, eine Verbindung hergestellt. Eine Vielzahl gebohrter Kanäle durch den nicht umlaufenden Dichtring ist vorgesehen, die nahe benachbart den Dichtflächen zwischen den relativ zueinander umlaufenden Dichtringen angeordnet sind.

Einige oder alle Öffnungen oder Schlitze am Umfang des nicht umlaufenden Dichtrings sind Keilnuten, die zur Verkeilung des Rings am Gehäuse Keile aufnehmen. Da die Geschwindigkeitsspitze des Strömungsmittels am Umfang des Dichtrings größer als innerhalb von diesem ist, fließt das Strömungsmittel zum Hohlraum hinter dem nicht umlaufenden Dichtring und dann durch die Kanäle, wo die Geschwindigkeitsspitze einen geringeren Wert hat, an eine Stelle, die nahe benachbart den Dichtflächen ist. Auf diese Weise werden die Flächen gekühlt.

Wenn die Dichtung in Betrieb ist, und Strömungsmittel durch die Kanäle fließt, können Verwerfungen der flachen Dichtfläche in unmittelbarer Nachbarschaft der Kanäle auftreten. Die Verwerfung der Dichtflächen äußert sich in der Ausbildung winziger Vertiefungen in der Fläche des nicht umlaufenden DichirLngs. Diese Vertiefungen erstrecken sich unter die Oberfläche der eigentlichen Dichtfläche und stehen mit den Kanälen durch den Dichtring in Verbindung. In diesen winzigen Vertiefungen wird kühlendes Strömungsmittel eingefangen; dies trägt zur Kühlung der Dichtflächen bei.

Neben dem Vorteil der Kühlung werden zusätzliche Vorteile durch diese Bauweise erzielt. Die Kanäle durch den nicht umlaufenden

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Dichtring reduzieren den Druckaufbau hinter dem Ring, welcher den Ring von seinem Stützring abheben könnte, wenn er zugelassen würde. Dies könnte zum Lecken der Verbindung führen.

Die Strömung durch die Kanäle und in die Vertiefungen kühlt die unmittelbare Umgebung um die Kanäle. Die Verwerfung der Berührungsfläche in der Umgebung der Kanäle ist proportional zu der Wärme, welche an den Dichtflächen erzeugt wird. Die Wärmemenge, welche an den Dichtflächen erzeugt wird, ist proportional zur Leckrate durch die Dichtung. Wenn die Leckrate gering ist, ist die Wärmemenge, welche an den Flächen erzeugt wird, groß; wenn die Leckrate groß ist, ist die erzeugte Wärmemenge gering.

Deshalb erhöht die Verwerfung der Berührungsfläche die Leckrate durch die Dichtung, wodurch die Wärmemenge, welche an den Dichtflächen erzeugt wird, verringert wird. Auf diese Weise ist die Kühlung der Dichtflächen eine Funktion der Wärmemenge, welche an den Dichtflächen erzeugt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Gleitringdichtungsanordnung gemäß der Erfindung gemäß Linie 1-1 von Fig. 2, in Richtung der Pfeile gesehen;

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie 2-2 von Fig. 1, in Richtung

der Pfeile gesehen;

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Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt durch den nicht umlaufenden Dichtring;

Fig. 4,5+6 Schnitte gemäß den Linien 4-4, 5-5 bzw. 6-6 von Fig. 3, in Richtung der Pfeile gesehen·

In der Zeichnung sind entsprechende Teile in verschiedenen Ansichten mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die dargestellte Gleitringdichtungsanordnung dichtet eine Welle 11 gegenüber einem Gehäuse 12 ab. Die Welle ist in Lagern (nicht gezeigt) drehbar angeordnet und verläuft durch eine Wellenöffnung 13 im Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 besitzt zwei Gehäuseteile 14,15, welche in geeigneter Weise, z.B. mittels Bolzen (nicht gezeigt) aneinander befestigt sind. Die Gehäuseteile 14,15 sind mittels eines O-Rings 16, welcher in einem Schlitz 17 im Gehäuseteil 14 aufgenommen ist, gegen Lecken durch die Verbindungsstelle abgedichtet.

Eine stationäre Dichtring-Unteranordnung, welche durch die allgemeine Bezugszahl 18 gekennzeichnet ist, ist am Gehäuseteil 15 angebracht; eine damit zusammenwirkende umlaufende Dichtring-Unteranordnung, welche durch die allgemeine Bezugszahl 19 gekennzeichnet ist, ist auf der Welle 11 angebracht und liegt dichtend der stationären Dichtring-Unteranordnung gegenüber.

tfie in Fig. 1 gezeigt, besitzt die Welle 11 einen Wellenabschnitt 21, welcher einen etwas größeren Durchmesser besitzt, als der Wellenabschnitt 22. Die Welle besitzt eine Schulter bzw. eine

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Stufe 23 zwischen den erwähnten Wellenabschnitten. Auf dem größeren Wellenabschnitt 21 ist ein Federhalter 24 angebracht. Der Federhalter 24 besitzt die Form eines ringförmigen Teils, welches die Welle umgibt. Ein gespaltener Haltering 25 befindet sich in einer Nut 26 in der Welle 11 und in einer gegenüberliegenden Nut 27, welche im Federhalter 24 ausgebildet ist. Der Haltering 25 hält den Federhalter gegen eine Linksbewegung entlang der Welle 11 (vgl. Fig. 1) fest. Der Federhalter 24 wird durch die Welle 11 über einen Keil 28 angetrieben bzw. gedreht, welcher in eine Keilnut 29 in der Welle 11 und in einen entsprechenden Schlitz 31 im Federhalter 24 eingepaßt ist. Der Federhalter 24 ist mit längs verlaufenden Federtaschen 32 versehen, von denen nur eine in der Zeichnung dargestellt ist. Die Federtaschen 32 sind auf dem Umfang des Federhalters 24 angeordnet. Spiralfedern 33 befinden sich unter Druck in den Federtaschen 32 und liegen gegen eine U-tassenförmige Manschette 34 an und drücken diese in der Sicht von Fig. 1 nach rechts. Die U-tassenförmige Manschette 34 ist ein ringförmiges Teil mit einer Schürze 35, welche längs über den Außenumfang des Federhalters 24 gleitet. Ein Antriebsstift 36 verläuft radial durch den Federhalter und ragt mit seinem äußeren Ende 37 in einen Längsschlitz (38) in der U-tassenförmigen Manschette 34. Auf diese Weise dreht sich die U-tassenförmige Manschette 34 mit dem Federhalter 24 mit, kann dabei aber längs zum Federhalter 24 frei gleiten. Die U-tassenförmige Manschette 34 besitzt eine ringförmige Nase 39, deren Innenumfang entlang der Welle 11 gleitet.

Auf dem Wellenabschnitt 21 ist verschiebbar ein umlaufender Dicht-

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ring 41 angeordnet. Zwischen der Nase 39 der U-tassenförmigen Manschette und einer nach hinten zeigenden Fläche 43 des umlaufenden Dichtrings 41 ist ein Ring 42 angeordnet- Dieser verhindert, daß Strömungsmittel, durch den Freiraum zwischen dem Wellenabschnitt und dem umlaufenden Dichtring 41 durchleckt.

An der Rückseite und einstückig mit dem umlaufenden Dichtring 41 befindet sich ein Mitnehmer 44, welcher in den Längsschlitz 38 in der U-tassenförmigen Manschette 34 hineinragt. Auf diese Weise wird der umlaufende Dichtring 41 von der U-tassenförmigen Manschette 34 angetrieben; der umlaufende Dichtring 41 kann jedoch, innerhalb von Grenzen, in Längsrichtung auf der Welle 11 gleiten.

Der umlaufende Dichtring 41 besitzt eine radial verlaufende ringförmige Fläche 45, welche dichtend zur entsprechenden Fläche 46 am verdrehbaren Dichtring 47 angeordnet ist.

Die Dichtringe 41 und 47 sind mittels einer geeigneten Zahl von

über den Umfang verteilten Keilen/verbunden- Diese werden von einem äußeren Band 49 an ihrem Ort gehalten und berühren die Keilnuten 51,52 im Außenumfang der Dichtringe 41 bzw. 47. Der Dichtring 47 besitzt eine radial verlaufende Dichtfläche 53, welche dichtend zur entsprechenden Dichtfläche 54 an der stationären Dichtring-Unteranordnung 18 angeordnet ist. Die Dichtflächen 53 und 54 sind auf optische Ebenheit über ihre ganzen Dichtflächen hinweg geläppt ,

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Die stationäre Dichtring-Unteranordnung 18 ist auf einem Trageflansch 55 angeordnet und wird von diesem getragen . Der Trageflansch 55 ist mit dem Gehäuseteil 15 einstückig und ragt im wesentlichen radial nach innen auf den Wellenabschnitt 22 zu. Der Flansch 55 ist ringförmig; sein Innenumfang 56 besitzt einen geringen Abstand vom Wellenabschnitt 22.

Die stationäre Dichtring-Unteranordnung 18 ist bei der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform eine zusammengesetzte Struktur, welche einen Stützring 57 und einen stationären Dichtring 58 welcher die zuvor erwähnte Dichtfläche 54 besitzt, umfaßt· Der Stützring 57 ist in einem Rücksprung 59 im Flansch 55 angeordnet. Dieser Rücksprung 59 ist außerdem so ausgedehnt, daß er mit dem Stützring 57 eine ringförmige Kammer oder einen Hohlraum 6 2 bildet. Ein O-Ring 6 3 innerhalb des Hohlraums 62 dichtet gegen ein Lecken von Strömungsmittel aus dem Hohlraum 6 2 radial nach innen durch die Verbindung zwischen dem Stützring 57 und dem Flansch 55 ab.

Der stationäre Dichtring 58 ist zwischen dem Stützring 57 und dem umlaufenden Ring 47 angeordnet. Er besitzt einen ringförmigen Vorsprung 64, welcher gegen den Stützring 57 anliegt. Zwischen diesen besteht eine geläppte flüssigkeitsdichte Verbindung, welche durch eine Dichtfläche 65 am Vorsprung 64 und eine komplementäre Dichtfläche 66 am Stützring 57 gebildet wird.

Am Gehäuse 15 ist eine Keilnut 67 vorgesehen, welche zum Außen-

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umfang des stationären Dichtrings zeigt. Ein Keil 68 ist in der Keilnut 67, z.B. durch Schweißen, befestigt. Der Keil 68 ragt in einen von mehreren Längsschlitzen 69 im Außenumfang des stationären Dichtrings 58. Auf diese Weise wird die Drehung des stationären Dichtrings 58 im Gehäuseteil 15 verhindert. Wie aus der Zeichnung zu ersehen, befindet sich hinter dem stationären Dichtring 58 ein Hohlraum 7o, der zum Teil vom Gehäuseteil 15 gebildet wird. Der Hohlraum 7o befindet sich in Strömungsmittelverbindung mit dem Hohlraum 62.

Ein spiralförmiger Sprengring 71 wird von einer Nut 72 im Gehäuseteil 15 aufgenommen. Der radiale innere Teil des Sprengrings 71 hält den stationären Dichtring 58 im Gehäuseteil 15 fest, wenn die Gleitringdichtungsanordnung auseinandergenommen wird. Wenn der Sprengring 71 aus seiner Nut 72 entfernt wird, kann der stationäre Dichtring 58 aus dem Gehäuseteil 15 entfernt werden.

Außer den Schlitzen 69, von denen einer den Keil 68 aufnimmt,besitzt der stationäre Dichtring 58 eine Vielzahl radial in Abstand zueinander befindlicher, axialer Strömungsmittelkanäle 73, die sich in radialem Abstand von den Dichtflächen 54 und 65 des stationären Dichtrings 58 öffnen. Wegen lokaler Verwerfungen der Dichtfläche treten benachbart und radial innerhalb der Kanäle 73 in der Dichtfläche 54 Vertiefungen auf. Diese Vertiefungen sind winzig und betragen zwischen einem Bruchteil eines Millionstel Zoll und ungefähr einem Millionstel Zoll. Die Zeichnung ist zu Illustrationszwecken stark übertrieben, was diese Vertiefungen angeht.

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Die Schlitze 6 9 und die Kanäle 73 bilden eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Öffnung 13 im Gehäuseteil 14 und den Hohlräumen 7o und 6 2 im Gehäuseteil 15.

Die Ringe 41,47,58,57 können aus herkömmlichem Material sein; z.B. sind die umlaufenden Dichtringe 41,47 und der Stützring 57 aus Edelstahl, der stationäre Dichtring aus Kohlenstoff und der umlaufende Dichtring 47 aus Stellit oder aus einer anderen harten Legierung.

Die Arbeitsweise der Gleitringdichtungsanordnung, welche in der Zeichnung gezeigt ist und bisher beschrieben wurde, wird im folgenden erläutert. Eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, befindet sich in dem Gehäuseteil 14 und ebenso in den Hohlräumen 7o und 62 des Gehäuseteils 15. Wenn sich die Welle 11 dreht, dreht sich die umlaufende Dichtring-Unteranordnung 9o relativ zum stationären Dichtring 58. Weil die Geschwindigkeitsspitze des Strömungsmittels am Umfang der Dichtringe größer ist, stellt sich eine Strömung des Strömungsmittels durch die Schlitze 69 in die Hohlräume 7o,6 2 hinter dem stationären Dichtring 58 und von dort durch die Kanäle 73, wo geringere Geschwindigkeitsspitzen sind, auf den umlaufenden Dichtring 47 zu ein. Etwas Strömungsmittel wird über die Vertiefungen 74 in der Dichtfläche 54 auf die Dichtflächen 5 3 und 54 hingelenkt. Eine kleine Menge Strömungsmittel strömt durch die dichtenden Berührungsflächen 53 und 54 und von dort entlang der Welle 11 in den Hohlraum rechts in der Anordnung. Eine solche Leckage ist normal und erwünscht, da sie die Dicht-

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flächen 53,54 schmiert und bei deren Kühlung hilfreich ist. Der
Großteil der Kühlung der Flächen 53,54 beruht jedoch auf der Strömung des Strömungsmittels durch die Kanäle 73. Für zusätzliche Kühlung sorgt Strömungsmittel, welches in die Vertiefungen 74, die beim Auftreten von Verwerfungen in der Dichtfläche 54 ausgebildet sind, fließt.

Die Strömung durch die Kanäle 7 3 kühlt die unmittelbare Umgebung
in der Nähe der Kanäle 73. Da die Kanäle 73 der Berührungsfläche
54 benachbart sind, bewirkt der Kühleffekt eine Verwerfung der Fläche 54 in der Umgebung der Kanäle 73. Diese Verwerfung äußert sich in der Bildung der Vertiefungen 74, welche die Kühlung in der unmittelbaren Umgebung der Dichtflächen 53, 54, die benachbart sind, verstärken. Da die Kanäle 73 den Dichtflächen 53,54 benachbart sind, ist die Verwerfung der Dichtfläche 54 proportional zu der Wärmemenge, welche an den Dichtflächen 53,54 erzeugt wird. Wenn die
Leckrate gering ist, ist die Wärmemenge, welche an den Flächen erzeugt wird, groß. Wenn die Leckrate groß ist, ist die erzeugte
Wärmemenge gering.

Auf diese Weise erhöht die Verwerfung der Dichtfläche die Leckrate durch die Dichtung,wodurch die Wärmemenge, welche an den Dichtflächen erzeugt wird, verringert wird. Dies führt im Ergebnis zu
einer selbstkompensierenden Dichtungsanordnung.

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Claims

Patentansprüche

Gleitringdichtungsanordnung zur Abdichtung einer umlaufenden Welle gegenüber einem Gehäuse, welche umfaßt: einen umlaufenden Dichtring, welcher an der Welle angeordnet ist, und sich mit dieser dreht;

einen stationären Dichtring, welcher mit dem Gehäuse zusammen einen ringförmigen Hohlraum bildet, wobei die Dichtringe einander gegenüberliegende, im wesentlichen radiale Dichtflächen besitzen, die relativ zueinander verdrehbar dichtend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ströraungsmittelkanal (6 9) durch den stationären Dichtring (58) verläuft und eine Verbin-

zwischen dem Hohlraum
dung /(7o,62) auf einer Seite des Gehäuses (15) herstellt, und daß ein zweiter Strömungsmittelkanal (73) durch den stationären Dichtring (58) verläuft und ebenfalls eine StrömungsmitiELverbindung zwischen dem Hohlraum (7o,6 2) und dem Gehäuse (15) herstellt, wobei der zweite Strömungsmittelkanal (73) sich zum umlaufenden Dichtring (47) hin öffnet an einer Stelle, welche den Dichtflächen (53,54) benachbart ist, wobei bei Drehung der Welle (11) Strömungsmittel durch die Durchgänge (69,73) strömt und den stationären Dichtring (58) und die Dichtflächen (53,54) kühlt.
2. Gleitringdichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der zweite Strömungsmittelkanal (73) nahe benachbart den Dichtflächen (53,54) und radial außerhalb dieser ist.

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3. Gleitringdxchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel, welches durch den Strömungsmittelkanal (73) strömt, eine Verwerfung der Dichtfläche (54) und allgemein Vertiefungen (74) bewirkt, welche Vertiefungen Strömungsmittel einfangen und die Kühlung der Dichtflächen (5 3, 54) verstärken.
4. Selbstkompensierende Dichtung, welche auf eine StrÖmungsmittelströmung über die Berührungsfläche zwischen berührenden Dichtflächen anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein umlaufender Dichtring (41) eine radial verlaufende Dichtfläche (54) besitzt, welche in Berührung mit einer radial verlaufenden Dichtfläche (46) an einem benachbarten, stationären Dichtring

(58) ist, wobei die Dichtringe (41,58) in einem Strömungsmittel angeordnet sind, welches zum Lecken über die Dichtflächen (45, 46) neigt, wobei ein Kanal (73) durch einen der Dichtringe (41, 48) eine Strömung des Strömungsiaittels an einen Ort zuläßt, v/elcher den Dichtflächen (45,46) eng benachbart ist, wobei die Strömung des Strömungsmittels Vertiefungen (74) in einer der Dichtflächen (45,46) zur Ausbildung kommen läßt, welche die Kühlung der Dichtflächen (45,46) verstärkt, wobei der Grad der Verwerfung und der Grad der Kühlung von der Leckrate über die Dichtflächen (45,46) abhängt.

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