DE29518119U1

DE29518119U1 - Mechanical seal

Info

Publication number: DE29518119U1
Application number: DE29518119U
Authority: DE
Original assignee: Feodor Burgmann Dichtungswerke GmbH and Co
Current assignee: EagleBurgmann Germany GmbH and Co KG
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2005-11-16
Also published as: DE29505251U1

Description

Mechanische DichtungMechanical seal

Die Erfindung betrifft eine mechanische Dichtung gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a mechanical seal according to the preamble of claim 1.

Die Erfindung betrifft insbesondere den Aufbau einer Nebendichtung für die Abdichtung eines Gleitringes einer Gleitringdichtungsanordnung. Die Einsatzgrenzen hinsichtlich der abdichtbaren Drücke und Betriebstemperaturen solcher Dichtungsanordnungen werden u.a. durch das Verhalten der Nebendichtung bestimmt, was insbesondere die Verwendung von Gleitringdichtungsanordnungen als Gasdichtung einschränkt. An die Nebendichtung wird dabei ausser einer zuverlässigen Dichtfunktion die Anforderung gestellt, dass durch dieses Bauteil die erforderliche axiale Beweglichkeit des Gleitringes nicht übermässig beeinträchtigt wird. Die bislang für die Nebendichtung verwendeten O-Ringe aus Elastomermaterial haben den Nachteil, dass sie bei hohen Drücken und Temperaturen zu sog. "kaltem Fluss" neigen, was Verklemmungen des Gleitringes bewirken kann, indem das Material leicht in Spalte zwischen dem Gleitring und den umgebenden Bauteilen eindringen kann. Ein weiterer wesentlicher Nachteil von Elastomerdichtungen ist durch eine mögliche Diffusion des abzudichtenden Gases unter hohen Drücken in die Dichtung bedingt. Bei einer Dekompression kannThe invention relates in particular to the construction of a secondary seal for sealing a sliding ring of a mechanical seal arrangement. The application limits with regard to the sealable pressures and operating temperatures of such sealing arrangements are determined, among other things, by the behavior of the secondary seal, which in particular limits the use of mechanical seal arrangements as gas seals. In addition to a reliable sealing function, the secondary seal must also ensure that this component does not excessively impair the required axial mobility of the sliding ring. The O-rings made of elastomer material used to date for the secondary seal have the disadvantage that they tend to so-called "cold flow" at high pressures and temperatures, which can cause the sliding ring to jam because the material can easily penetrate into the gaps between the sliding ring and the surrounding components. Another significant disadvantage of elastomer seals is the possible diffusion of the gas to be sealed into the seal under high pressures. In the event of decompression,

das eindiffundierte Gas nicht schnell genug entweichen. Es kann daher zu einer explosionsartigen Entspannung des Gases unter Zerstörung der Nebendichtung kommen. In Anbetracht dieser Umstände hat man schon vorgeschlagen, die Nebendichtung statt aus elastomerem Material aus elastischem Kohlenstoffmaterial auszubilden. Es zeigte sich jedoch, dass damit ggf. höhere Leckverluste in Kauf genommen werden müssen, und ausserdem ist der erforderliche Platzbedarf für diese Bauart einer Nebendichtung grosser als bei einer Elastomerdichtung.the diffused gas cannot escape quickly enough. This can lead to an explosive expansion of the gas, destroying the secondary seal. In view of these circumstances, it has already been suggested that the secondary seal should be made of elastic carbon material instead of elastomer material. However, it has been shown that this may result in higher leakage losses, and the space required for this type of secondary seal is also greater than for an elastomer seal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtung der gattungsgemässen Art zu schaffen, die unter weitestgehender Ausschaltung der mit Elastomerdichtungen verbundenen Schwierigkeiten bei zuverlässiger Dichtfunktion für den Einsatz bei hohen abzudichtenden Drücken und/oder hohen Temperaturen geeignet ist.The invention is based on the object of creating a seal of the generic type which, while largely eliminating the difficulties associated with elastomer seals and providing a reliable sealing function, is suitable for use at high pressures to be sealed and/or high temperatures.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die Dichtung nach der Erfindung kann sowohl mit axialer als auch radialer Dichtfunktion oder, wie bevorzugt wird, mit beiden Dichtfunktionen ausgestattet sein. Einem Fliessen des Materials des Profilelementes in die abzudichtenden Spalte wird wirksam dadurch entgegengetreten, dass in das Profilelement ein Stützelement aus einem Material eingefügt ist, das hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Steifigkeit, Härte, und/oder Formgebung so ausgewählt ist, dass es eine höhere Formbeständigkeit als die des Basisprofilelementes besitzt und damit dieses verstärkt. Da das Stützelement in Übereinstimmung mit den benachbarten Dichtflächen des Basisprofilelementes ausgerichtet ist, ergänzt es dessen Dichtflächen um solche aus formbeständigerem Material. Andererseits werden die vorteilhaften Eigenschaften desThis object is achieved according to the invention by the features of claim 1. The seal according to the invention can be equipped with both an axial and a radial sealing function or, as is preferred, with both sealing functions. Flow of the material of the profile element into the gaps to be sealed is effectively prevented by inserting a support element made of a material into the profile element which is selected in terms of its mechanical properties, such as strength, rigidity, hardness and/or shape, so that it has a higher dimensional stability than that of the base profile element and thus strengthens it. Since the support element is aligned in accordance with the adjacent sealing surfaces of the base profile element, it supplements its sealing surfaces with those made of a more dimensionally stable material. On the other hand, the advantageous properties of the

Profilelementes durch das Stützelement nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt, so dass insbesondere die axiale Beweglichkeit der abzudichtenden Bauteile wie bei einer vergleichbaren Dichtung ohne Stützelement erhalten bleibt. Dies kann dadurch noch gefördert werden, dass gemäss einer Weiterbildung der Erfindung eine Einrichtung zur dergestalten übertragung der Vorspannkraft einer Federvorspanneinrichtung über die Dichtung auf den betreffenden Gleitring vorgesehen ist, dass nur die radialen, nicht jedoch axialen Dichtflächen der Nebendichtung mit der Vorspannkraft beaufschlagt werden. Das Basisprofilelementes und das Stützelement können beide aus geeigneten Kunst stoff materialien wie PTFE und PEK oder PEEK bestehen oder unter Verwendung solcher Kunststoffmaterialxen gebildet sein. Das Basisprofilelement kann jedoch auch aus einem geeigneten Graphitmaterial, z.B. Reingraphit bestehen, während das Stützlelement ein metallisches Material oder ein anderes geeignetes hochfestes Material umfassen kann. Bezüglich anderer Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Ansprüche verwiesen.Profile element is not or only insignificantly impaired by the support element, so that in particular the axial mobility of the components to be sealed is maintained as with a comparable seal without a support element. This can be further promoted by the fact that, according to a further development of the invention, a device is provided for transferring the preload force of a spring preload device via the seal to the relevant sliding ring in such a way that only the radial, but not the axial sealing surfaces of the secondary seal are subjected to the preload force. The base profile element and the support element can both consist of suitable plastic materials such as PTFE and PEK or PEEK or be formed using such plastic materials. The base profile element can also consist of a suitable graphite material, e.g. pure graphite, while the support element can comprise a metallic material or another suitable high-strength material. With regard to other developments of the invention, reference is made to the claims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below using embodiments and the drawing. They show:

Fig. 1 in längsgeschnittener Ansicht eine Dichtung gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung, verwendet als Nebendichtung einer Gleitringdichtungsanordnung,Fig. 1 shows a longitudinal section of a seal according to a first embodiment of the invention, used as a secondary seal of a mechanical seal arrangement,

Fig. 2 die Dichtung nach Fig. 1 in vergrösserter geschnittener Ansicht,Fig. 2 the seal according to Fig. 1 in an enlarged sectional view,

Fig. 3 in einer Ansicht ähnlich Fig. 1 eine Dichtung gemäss einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.Fig. 3 in a view similar to Fig. 1 a seal according to a second embodiment of the invention.

Obschon die Erfindung nachfolgend in Verbindung mit ihrem bevorzugten Einsatz als Nebendichtung bei einer Gleitringdichtungsanordnung beschrieben wird, versteht es sich, dass sie auf diese Anwendung nicht beschränkt ist. Vielmehr kann sie vorteilhaft immer dann eingesetzt werden, wenn die Gefahr besteht, dass die zur Abdichtung relativ zueinander beweglicher Bauteile üblicherweise verwendeten Elastomerdichtungen unter höheren Drücken und/oder Temperaturen zerstört werden können.Although the invention is described below in connection with its preferred use as a secondary seal in a mechanical seal arrangement, it is to be understood that it is not limited to this application. Rather, it can be used advantageously whenever there is a risk that the elastomer seals usually used to seal components that are movable relative to one another can be destroyed under higher pressures and/or temperatures.

Eine Gleitringdichtungsanordnung umfasst, wie in Fig. 1 dargestellt ist, ein Paar Gleitringe 3, 4, von denen einer, nämlich der Gleitring 3, stationär gegenüber einem Gehäuse 1 gehalten ist, während der andere Gleitring 4 zur gemeinsamen Drehung mit einer Welle 2 verbunden ist. Im Gehäuse 1 ist eine Federvorspanneinrichtung 6 vorgesehen, die auf einen axial beweglich im Gehäuse 1 gehaltenen Druckring 5 wirkt, an dem sich der Gleitring 3 axial abstützt, so dass der Gleitring 3 durch die Vorspannkraft der Federeinrichtung 6 gegen den rotierenden Gleitring 4 gedrückt wird. Der Gleitring 4 ist in geeigneter Weise, z.B. durch in Nuten eines Mitnehmergehäuses (nicht näher bezeichnet) aufgenommene O-Ringe 8, 9 abgedichtet. Der vorbeschriebene Aufbau einer Gleitringdichtungsanordnung ist dem Fachmann bekannt, so dass sich ein Eingehen auf weitere Details erübrigt.A mechanical seal arrangement comprises, as shown in Fig. 1, a pair of sliding rings 3, 4, one of which, namely the sliding ring 3, is held stationary relative to a housing 1, while the other sliding ring 4 is connected to a shaft 2 for joint rotation. A spring preloading device 6 is provided in the housing 1, which acts on a pressure ring 5 held axially movable in the housing 1, on which the sliding ring 3 is axially supported, so that the sliding ring 3 is pressed against the rotating sliding ring 4 by the preloading force of the spring device 6. The sliding ring 4 is sealed in a suitable manner, e.g. by O-rings 8, 9 accommodated in grooves of a driver housing (not designated in more detail). The above-described structure of a mechanical seal arrangement is known to the person skilled in the art, so that further details are not necessary.

Zur Abdichtung des stationären Gleitringes 3 bzw. des Druckringes 5 gegenüber dem Gehäuse 1 ist eine Nebendichtung vorgesehen, die in Fig. 1 das allgemeine Bezugszeichen 7 trägt und in einer Ausnehmung im Druckring 5 so aufgenommen ist, dass sie mit ihrer radialen Dichtfläche 14, vgl. Fig. 2, am stationären Gleitring 3 und mit einem Paar radial voneinander beabstandeter im wesentlicher axialerTo seal the stationary sliding ring 3 or the pressure ring 5 against the housing 1, a secondary seal is provided, which bears the general reference number 7 in Fig. 1 and is accommodated in a recess in the pressure ring 5 in such a way that it rests with its radial sealing surface 14, see Fig. 2, on the stationary sliding ring 3 and with a pair of radially spaced-apart, essentially axial

&iacgr;&psgr;&idiagr; 11 C K &iacgr;&psgr;&idiag; 11 CK

&idiagr;-&idiag;-

&iacgr;&psgr;&idiagr;- 11. C: δελε- 11. C:

Dichtflächen 13, 13' bzw. 16, 16' am Druckring 5 bzw. einem rohrförmigen Gehäusebereich 10 anliegt.Sealing surfaces 13, 13' or 16, 16' rest on the pressure ring 5 or a tubular housing area 10.

Fig. 2 zeigt die Nebendichtung 7 in vergrössertem Masstab. Wie dargestellt, umfasst die Nebendichtung 7 ein ringförmiges Profilelement 12 aus einem geeigneten Kunststoffmaterial, wie Polytetrafluorathylen (PTFE), mit einem annähernd U-förmigen Querschnitt. Das Profilelement 12 besteht aus einen Basisbereich 11, der durch die stirnseitige radiale Dichtfläche 14 und ein Paar dazu senkrecht stehende radial beabstandete axiale Dichtflächen 13, 13' begrenzt ist. Am Basisbereich 11 ist ein Paar parallel in Abstand axial sich erstreckende Stegelemente 15, 15' angeformt, die zusammen mit dem Basisbereich 11 einen im wesentlichen U-förmigen Ringraum 17 umschliessen. Aussenumfanglich der Stegelemente 15, 15' sind Dichtflächen 16, 16' an kugelkalottenförmigen Auswölbungen der Stegelemente 15, 15' vorgesehen.Fig. 2 shows the secondary seal 7 on an enlarged scale. As shown, the secondary seal 7 comprises an annular profile element 12 made of a suitable plastic material, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), with an approximately U-shaped cross-section. The profile element 12 consists of a base region 11, which is delimited by the front-side radial sealing surface 14 and a pair of radially spaced axial sealing surfaces 13, 13' that are perpendicular to it. A pair of web elements 15, 15' that extend parallel and axially at a distance are formed on the base region 11 and, together with the base region 11, enclose a substantially U-shaped annular space 17. Sealing surfaces 16, 16' are provided on spherical cap-shaped bulges of the web elements 15, 15' on the outside circumference of the web elements 15, 15'.

In einer Ausnehmung im ■ Eckbereich zwischen benachbarten axialen und radialen Dichtfläche 13 und 14 des Basisbereiches 11 ist ein Stützring 20 mit rechteckförmigem Querschnitt so aufgenommen, dass seine äusseren rechtwinklig zueinander stehenden freiliegenden Flächen 21, 22 bündig mit den benachbarten Dichtflächen 13 bzw. 14 des Basisbereiches 11 abschliessen. Der Stützring 20 besteht aus einem Kunststoffmaterial mit höherer Festigkeit bzw. Steifigkeit als die des Kunststoffmaterials, aus dem das Profilelement 12 gebildet ist. Obschon andere geeignete Materialien verwendet werden können, ist bevorzugtes Material für den Stützring 20 ein Kunststoffmaterial, wie Polyätherketon (PEK) oder Polyätherätherketon (PEEK). Diese Materialien zeichnen sich durch die Eigenschaft aus, dass sie unter den beim Betrieb der Dichtung auftretenden Drücken und Temperaturen eineA support ring 20 with a rectangular cross-section is accommodated in a recess in the corner area between adjacent axial and radial sealing surfaces 13 and 14 of the base area 11 in such a way that its outer, exposed surfaces 21, 22, which are at right angles to one another, are flush with the adjacent sealing surfaces 13 and 14 of the base area 11. The support ring 20 consists of a plastic material with higher strength or rigidity than that of the plastic material from which the profile element 12 is formed. Although other suitable materials can be used, the preferred material for the support ring 20 is a plastic material such as polyether ketone (PEK) or polyether ether ketone (PEEK). These materials are characterized by the property that they have a

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wesentlich geringere Neigung zu sog. Kaltfluss haben als PTFE.have a significantly lower tendency to so-called cold flow than PTFE.

Wie weiter aus Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, kann in dem U-förmigen, von den Stegelementen 15, 15' und dem Basisbereich 11 des Profilelementes 12 begrenzten Ringraum 17 ein Federelement 18 in Gestalt einer U-förmigen Spreizfeder angeordnet sein, die bewirkt, dass die Stegelemente 15, 15' voneinander weg gespreizt werden, so dass die kugelkalottenförmigen Dichtflächen 16, 16· in eine vorbestimmbare feste Anlage mit den benachbarten Flächen der abzudichtenden Bauteile vorgespannt werden.As can be further seen from Fig. 1 and 2, a spring element 18 in the form of a U-shaped spreading spring can be arranged in the U-shaped annular space 17 delimited by the web elements 15, 15' and the base region 11 of the profile element 12, which causes the web elements 15, 15' to be spread away from one another, so that the spherical cap-shaped sealing surfaces 16, 16· are prestressed into a predeterminable fixed contact with the adjacent surfaces of the components to be sealed.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Kraftübertragungsring 19 vorgesehen sein, der mit seinem einen axialen Ende in Eingriff mit dem Boden der Spreizfeder 18 und mit seinem anderen aus dem Rinraum 17 herausragenden Ende an einer Absatzfläche des Druckringes 5 anliegt, so dass die Kraft der Federvorspanneinrichtung 6 über den Kraftübertragungsring 19 auf den Basisbereich 11 des Profilelementes 12 übertragen wird, ohne dass die Stegelemente 15, 15' durch die Vorspannkraft beaufschlagt werden.In a further embodiment of the invention, a force transmission ring 19 can be provided, which with its one axial end engages with the base of the spreading spring 18 and with its other end protruding from the ring space 17 rests against a shoulder surface of the pressure ring 5, so that the force of the spring pre-tensioning device 6 is transmitted via the force transmission ring 19 to the base region 11 of the profile element 12, without the web elements 15, 15' being subjected to the pre-tensioning force.

Bei dem bevorzugten Einsatz der vorbeschriebenen Dichtung als Nebendichtung einer Gleitringdichtungsanordnung verhindert das im Profilelement 12 aufgenommene Stützelement 20 ein Fliessen des Materials in einen zwischen dem Gehäusebereich 10 und dem Gleitring 3 vorgesehenen Spalt S, vgl. Fig. 1, so dass die Nebendichtung 7 im wesentlichen ihre Form beibehält. Gleichzeitig kann die radiale Abdichtungskraft seitens der kugelkalottenförmigen Dichtflächen 16, 16' der Nebendichtung 7 so eingestellt werden, dass die axiale Beweglichkeit des Druckringes 5 und Gleitringes 3 durch die Dichtung nichtIn the preferred use of the seal described above as a secondary seal of a mechanical seal arrangement, the support element 20 accommodated in the profile element 12 prevents the material from flowing into a gap S provided between the housing area 10 and the mechanical seal 3, see Fig. 1, so that the secondary seal 7 essentially retains its shape. At the same time, the radial sealing force on the part of the spherical cap-shaped sealing surfaces 16, 16' of the secondary seal 7 can be adjusted so that the axial mobility of the pressure ring 5 and mechanical seal 3 is not restricted by the seal.

wesentlich beeinträchtigt wird, d.h. definierte radiale Dichtkräfte vorliegen, die keinen unerwünschten "Stick-Slip-Effekt" bewirken.is significantly impaired, i.e. defined radial sealing forces are present that do not cause an undesirable "stick-slip effect".

Die in Fig. 3 gezeigte zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der vorhergehend beschriebenen im wesentlichen durch eine vereinfachte Ausbildung des Profilelementes und eine anderen Kombination von Materialien für das Profilelement und das Stützelement.The second embodiment of the invention shown in Fig. 3 differs from the previously described one essentially by a simplified design of the profile element and a different combination of materials for the profile element and the support element.

Insbesondere hat das Profilelement 23 der zweiten Ausführungsform einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt. Ein bevorzugtes Material für das Profilelement 23 umfasst ein Graphitmaterial, z.B. ein zu Formringen mit rechteckförmigem Querschnitt verpresstes Graphit hoher Reinheit und Dichte Dieses Material zeichnet sich gleichzeitig durch gute Gleiteigenschaften, hohe Temperarturbeständigkeit und ausreichende Elastizität aus.In particular, the profile element 23 of the second embodiment has a substantially rectangular cross-section. A preferred material for the profile element 23 comprises a graphite material, e.g. graphite of high purity and density pressed into shaped rings with a rectangular cross-section. This material is characterized by good sliding properties, high temperature resistance and sufficient elasticity.

Der Stützring 20' kann einen Aufbau ähnlich dem der Ausführungsform nach Fig. 1 haben. Anstelle eines Kunststoffmaterials wie PEK oder PEEK können auch andere Materialien für den Stützring 20', wie metallische oder sonstige Materialien mit ausreichender Festigkeit verwendet werden.The support ring 20' can have a structure similar to that of the embodiment according to Fig. 1. Instead of a plastic material such as PEK or PEEK, other materials can also be used for the support ring 20', such as metallic or other materials with sufficient strength.

Im übrigen entspricht die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 derjenigen nach Fig. 1, so dass bezüglich weiterer Details hierauf verwiesen werden kann.Otherwise, the embodiment of the invention according to Fig. 3 corresponds to that according to Fig. 1, so that reference can be made to this for further details.

Die Erfindung ist auf die vorbeschriebene spezielle Ausführungsform nicht beschränkt. Es versteht sich vielmehr, dass die Kombination eines Basisprofilelementes aus einem Material mit guter dichtender Eigenschaft und gutemThe invention is not limited to the specific embodiment described above. Rather, it is understood that the combination of a base profile element made of a material with good sealing properties and good

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Gleitbeiwert und einem Stützring aus formbeständigerem Material auch bei anderen als den geschilderten Querschnittskonfigurationen des Profilelementes vorgesehen werden kann. Auch kann der Stützring eine andere geeignete Querschnittskonfiguration als die gezeigte rechteckförmige Konfiguration haben. Die erhöhte Formbeständigkeit des Stützringes kann auch durch eine entsprechende Gestaltung seines Querschnittes gefördert werden.sliding coefficient and a support ring made of more dimensionally stable material can also be provided for cross-sectional configurations of the profile element other than those described. The support ring can also have a suitable cross-sectional configuration other than the rectangular configuration shown. The increased dimension stability of the support ring can also be promoted by a corresponding design of its cross-section.

Claims

Expectations

1. Mechanical seal, comprising a profile element with sealing surfaces for sealing engagement with components to be sealed against one another, characterized by a support element (20, 20') accommodated in the profile element (12, 23) in the area between adjacent sealing surfaces (13, 14, 24, 25) with a higher dimensional stability under the forces acting during operation than that of the profile element.

2. Seal according to claim 1, characterized in that the profile element (12) and the support element (20) each consist of plastic materials with different strengths.

3. Seal according to claim 2, characterized in that the plastic material of the profile element (12) comprises PTFE and the plastic material of the support element (20) comprises PEK or PEEK.

4. Seal according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the profile element (12) comprises a base region (11) containing the support element (20) with adjacent first sealing surfaces (13, 14) and a pair of spaced web elements (15) with second sealing surfaces (16), wherein at least the adjacent first sealing surfaces are at an angle to one another.

5. Seal according to claim 4, characterized by a device (18) for resiliently spreading the web elements (15).

6. Seal according to claim 4 or 5 as a secondary seal of a mechanical seal arrangement with a pair of interacting sliding rings, characterized by a pressure ring (19) for transmitting a prestressing force to one of the sliding rings (3, 4) via the base region (11) of the profile element (12) having the support element (20) without significantly loading the web elements (IS).

7. Seal according to claim 1, characterized in that the profile element (23) comprises a graphite material.

8. Seal according to claim 7, characterized in that the support element (20') comprises a plastic material, such as PEEK.

9. Seal according to claim 7 or 8, characterized in that the support element (20') comprises a non-polymeric material, such as metal.

10. Seal according to one of claims 7, 8 or 9, characterized in that the profile element (23) has a basically rectangular cross-section.

11. Seal according to one of the preceding claims, characterized in that the support element (20, 20') has a substantially rectangular cross-section.