DE1475886A1

DE1475886A1 - Gleitringdichtung gegenueber Fluessigkeiten hohen Druckes

Info

Publication number: DE1475886A1
Application number: DE1965W0039180
Authority: DE
Inventors: Erling Frisch
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1964-06-04
Filing date: 1965-05-19
Publication date: 1970-01-02
Also published as: GB1077612A; FR1435568A; DE1475886B2; US3347552A; CH428351A; BE664975A; DE1475886C3; ES313374A1; AT272020B

Description

Gleitringdichtung gegenüber Flüssigkeiten hohen Druckes

{Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden US-Anmelduri^ Serial So. 372 Ή8 vom 4.6.64 beansprucht)

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gleitringdichtung gegenüber Flüssigkeiten hohen Druckes an Wellen rotierender Maschinen, insbesondere Pumpen mit zugelassener Leckrate, bestehend aus einem mit der Welle fest verbundenen* umlaufenden Dichtungsgegenring und einem von diesem durch einen Plüseigkeitsfilm getrennt schwimmenden, verdrehungssicher im Gehäuse verankerten un<l abgedichteten Dichtungsring, der zur Binregulierung'des Dichtun?sspaltes mit einer, radial gesehen, leicht schrägen Dichtungsfläche versehen ist und damit einen sich zur Hochdruckseite kontinuierlich leicht erweiternden Dichtungsspalt bildet.

Dichtungen dieser Gattung sind verschiedentlich bekannt geworden. Sie haben den Vorteil einer sehr langen Lebensdauer, da praktisch kein Abrieb zwischen den dichtenden Flächen infolge des dazwischenliegenden Flüssigkeitsfilmes stattfindet.

Durch diesen Spalt strömt eine gewisse Menge der abzudichtenden Flüssigkeit, die sogenannte Leckrate, hindurch. Ihre Menge hängt bei gegebenen Betriebsbedingungen von den geometrischen Abmessungen des schwimmenden Dichtungsringes ab. Für das reibungslose Funktionieren ist es dabei wichtig, daü innerhalb des Dichtungsapultes, über seine ganze Fläche gesehen, ein Gleichgewicht Ln der Druck verteilung der durchströmenden Leck rate Desteht. Dieses Gleichgewicht kann während des Betriebes durch Schwingungen der Maschine, der felle oder sonstige Ungleichmäüigkeiten im Lauf gestört werden. Dies bedingt wiederum einen ungleichmäßigen Dichtungsspalt zwischen dem festen Gegenring und dem schwimmenden Dichtungsring, also auch eine erhöht· Leckrate.

Es ist daher notwendig, Kittel vorzusehen, die einer solchen Störung des Gleichgewicht·« »wischen den Bt ehtuagse lernen ten entgegcr.-

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wirken. Diesem Zweck dienen z.B. bei bekannten Ausführungen Bohrungen innerhalb des schwimmenden Dichtungsringes, die während des Betriebes die Druckflüssigkeit einer ringförmigen Hegion etwa in der Mitte des DichtungsapaLtes zuführen. Diese Lösung hat sich jedoch nicht vollkommen bewährt. Es stellte sich daher die Aufgabe, eine andere, vor allem auch mechanisch einfache Lösung zu finden, nach der beim Auftreten von Ungleichmäüigkeiten in aer Spaltbreite Druckkräfte entstehen, die beetrebt sind, die Gleiongewichtsverteilung wieder herzustellen.

Die Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß die Dichtungsfläche zur Niederdruckseite hin mit einer zentralen, zum Gegenring parallen Zone versehen ist. Eine ähnliche Ausbildung der Gleitflächen ist zwar schon aus der britischen Patentschrift. 66*> 696 bekannt, Jedoch soll die Abdichtung dort nicht gegenüber dem Schmiennitte; erfolgen. Außerdem soll die teilweise parallele Ausbildung der Gleitflächen zu einem besseren Einlauf derselben durch Abrieb oder Läppen führen.

Im vorliegenden Pail handelt es sich dagegen um eine Dichtung gegenüber Flüssigkeiten hohen Druckes, die von Anfang an diese Gestalt haben -ein sich zunächst über die ganze Spaltbreite erweiternder Dichtungespalt ist nicht vorgesehen.

Da es manchmal nicht ausgeschlossen werden kann, daß si^h in der abzusperrenden Druckflüssigkeit feste KÖrperohen befinden, die in diesen nach innen sich verengenden Ringßpalt zwischen den bei'ien Dichtungaringen eindringen und dort zu KorroaionserrsnheLnunxen führen können, werden in einem Beispiel dieser Erfindung an sich bekannte konzentrisch zum Gegenring und ebenfalls mit der #»»Je verbundene, im Querschnitt gesehen napfförmige Schleudereinrichtungen mit seitlichen Durchbrechungen vorgesehen, die ati t dem Gegenring sowie dem schwimmenden Dichtungsring einen Hingspdlt unterschiedlicher Breite einschließt. Durch diese Einrichtung wird die in diesen konzentrisch die Dichtungsringe umgebenden Rinespalt eindringende Flüssigkeit in Rotation versetzt und

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(lurch die Durchbrechungen der napfförmigen Schleudereinrichtung wieder nach auSen befördert. Die auf diese Weise erzeugte Flüssigkeitsströmung reißt die in ihrer Masse schweren Teilchen mit und verhindert damit deren Eindringen in den eigentlichen Dichtungβ-spalt zwischen dem schwimmenden Dichtungsring und dem mit der Welle fest verbundenen Gegenring.

Zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung sei auf die Figuren ι bis 3 verwiesen, von denen die

Fig. 1 einen Länggschnitt durch eine erfindungsgemäüe Dichtongseinrichlung ohne die vorstehend genannte Schleudereinrirhtung darstellt in Verbindung mit einem Diagramm zur besseren Veranschaulichung der hydraulischen Kräfte« die auf den schwimmenden Dichtungsring einwirken.

Fig. J einen Querschnitt durch die Einrichtung gemäö Fig. * entlang der Linie I1I-IIT zeigt und

1 wiederum einen Längsschnitt einer derartigen Gleitringdichtung darstellt, die im Unterschied zu jener in Fig. 1 mit einer Einrichtung zur Verhinderung des Eindringens fester Teilchen in den Dichtungsspalt versehen ist.

Nach Fig. 1 ist eine Welle 14 innerhalb eines Gehäuses 10 gelagert und gegenüber diesem durch eine erfindungsgemäQe Gleitringdichtung abgeschlossen. Diese besteht aus des mit der Welle verbundenen festen Gegenring If», dessen eine nach oben gerichtete Fläche die eine Begrenzung des Diehtungsepalleo 50 darstellt. Der Kaum zwischen der Welle 14 und dem Gehäuse 10 bildet einen Teil des dit Druckflüssigkeit enthaltenden Raumes (Druckkammer) 1?. Der Fläche 18 des Gegenringe s* 16 liegt der schwimmende Dichtungsring 20 gegenüber, der mit seiner unteren Fläche ?.? die andere Begrenzung des Dichtungespaltes 50 darstellt. Er ist in einem Aufnahmeteil :-.'4 von ringförmiger Gestalt gelagert. Dieses ist mit dem Gehäuse 10 fest verbunden und über eine Dichtung 3*i>, die in eine Nut 33 des Aufnahmeteiles 24 eingelegt ist, diesen, g

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abgedichtet. Der innere Teil 28 des die Welle !anschließenden Aufnahme teilee 24 ist gegenüber dem schwimmenden Dichtungering 20 * wiederum z.B. mit einer O-Ringdichtung 30 abgedichtet, die in einer ringförmigen Nut 32 im schwimmenden Dichtungsring 20 angeordnet ist. Um bei gleichzeitiger Zulassung einer axialen Bewegung zwischen dem Dichtungsring 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 dtrartig begrenzte axiale Bewegung zwischen dem schwimmenden Dichtungsring 20 und der Welle 14 ist notwendig, damit das Druckgleichgewicht innerhalb des Dichtungespaltes 50 in jeder Situation wieder hergestellt werden kann. Es 1st dabei gleichfalls wichtig, daß der schwimmende Dichtungsring 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 schwimmenden Dichtungsringes <Ό eingreifen. Im Ruhezustand der ganzen Anordnung wird dabei dieser schwimmende Dichtungsring ?0 durch die Federn 40 innerhalb der Sackbohrungen 46 mit ihrer Grundfläche 44 des Aufnahmeteilps 24 nach unten gedrückt und liegt dabei auf dem ""genring 1b auf. Der 3palt 50 bildet sich erst, dann aus, wenn ein entsprechender Gegendruck von der Druckflüssigkeit her gegeben ist. Anstelle der auf die obere Fläche 42 des Dichtungsringes 20 drükkenden Schraubenfedern 40 können selbstverständlich auch andere federnde Elemente, wie z.B. Tellerfedern, Verwendung finden.

Wie bereits eingangs erwähnt, findet entlang des Dichtungsspaltea 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 4ö entlang der Welle 14 zugelassen ist. Die Hochdruckseite des Dichtungnspaitee 1st dabei mit «j? und die Niederdruckseite mit si bezeichnet.

Dip "Selbstheilung" des DiehtungsspaJtee bO im Fülle von Vibrationen oder Schwingungen wird ermöglicht durch einen Spalt abnehmender Dicte von der Hochdruckeeite h'J bis etwa zu der durch den Kreis S4, aiehe uuch Fig. ?, gekennzeichneten Stelle zwischen den

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Enden der Oiehtungeflachen. Diese Erweiterung bzw. Verengung dee Spaltes wird erreicht durch eine leichte Abschrägung der Oberfläche 22 des schwimmenden Dichtungsringes 20 zwischen diesem genannten Kreis 54 und dem Außenrand. Demnach ergibt sich für eine vorbestimmte Leckrate ein Anwachsen der Plußgeschwindigkeit zwischen des äußeren Bezirk 52 des Spaltes und diesem Kreis 54.

Die Funktion dieser "Selbstheilung** durch die auftretenden hydraulischen Kräfte ist in dem Diagramm der Figur 1 näher veranschaulicht. In diesem Diagramm stellt die durch die Linien 56, 58ι 60, 60a und 60b eingeschlossene Fläche die GrUSe der totalen Kraft dar, die auf den Dichtungsring 20 nach abwärts gedrückt und den Dichtungsspalt 50 zu schließen versucht. Die durch die Linien 56, 58 und 62 eingeschlossene Fläche bezeichnet die Abhebekraftι der der Dichtungsring ausgesetzt ist, wenn die Dicke des Spaltes zwischen den gegenüberstehenden Flächen des Dichtungsringes 20 und des Gegenringeβ 15 geringer ist als die ÖleIchgewichtsdicke. Aus dem Vergleich dieser Flächen wird ersichtlich, daß die Abhebekraft größer ist und somit der Dichtungsspalt bis zum Gleichgewichtespalt ebenfalls vergrößert wird.

Die durch die Linien 56, 58 und 64 begrenzte Fläche stellt die nach oben gerichteten Druckkräfte dar, die auf den Dichtungsring 20 einwirken, wenn die Dicke des Dichtungsspalteβ 50 die Gleichgewichtsdioke übersteigt. Die Größe dieser Kräfte ist also kleiner und in der Richtung entgegengesetzt Zu₁ den konstant abwärts gerichteten Kräften, wie sie durch die von den Linien 56, 58, 60, 60a und 60b eingeschlossenen Fläche dargestellt 1st. Damit wirkt auf den Dichtungsring eine Abwärtskraft ein, die diesen solange bewegt« bis der Dichtungsspalt 50 bis zu seiner durch die Linie 66 dargestellten Gleichgewichtedicke reduziert ist.

Es ist dabei darauf hinzuweisen, daß für jeden gegebenen Betriebszustand nur eine Breite des Dichtungsspaltee 50 existiert, bei der die verschiedenen Drücke im Gleichgewicht sind und daß bei jeder Abweichung aus dieser Lage in jedem Falle Rückstell-

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-6-kräfte der genannten Art auftreten.

Dieee Verhältniese eeien an Zahlenbeispielen näher erläutert. Eine Welle 14 mit einem Durchmesser τοη etwa 20 cm besitze einen Dichtungsring 20 mit einer radialen Ausdehnung τοη 1,25 bis 2,5 cm, die aleo der Entfernung zwischen den Rändern 51 und 52 entspricht. Bei einer gegebenen Abmessung des Dichtungsringes möge die Ab» weichung τοη den Gleichgewichtszuständen in der Iahe des Randes 51 etwa 0,0007 cm betragen. Der konzentrische Kreis 54 möge genau in der Mitte zwisohen den beiden Rändern 51 und 52 liegen und die Breite des Dichtungsspaltes in der Iahe des Rand·· 52 zwischen 0,0015 und 0,0018 cm betragen. Zwischen dem Kreis 54 und dem Rand 52 ist der Dichtungsring um etwa einen Betrag τοη 0,00076 bia 0,001 cm abgeschrägt und entfernt sich damit rom Gegenring. Die Leckrate durch den Dichtung·βpalt 50 wird etwa in der Größenordnung τοη 3,7 1 pro Minute bei einer Druckdifferenz τοη 140 at liegen. Bei einer Verschiebung des Dichtungeringes um etwa 0,00025 cm aus der Gleichgewichtesteilung würden dann RUckstellkräfte in der Größenordnung τοη 900 kg auftreten. De. aber das Gewicht des Dichtungsringes 14 kg nicht überschreiten dürfte, ist daraus zu ersehen, daß sehr hohe RUckstellkräfte auf den Ring 20 wirken und dieser damit jeder LageTeränderung des Gegenringe· 16 durch Vibrationen der Welle usw. praktisch ohne ZeitTerzug und ohne wesentliche Änderung des Diohtungsspaltes 50 folgt.

Derartige Abschrägungen, die durchaue etetig und geradlinig sein können, ermöglichen aleo dae entstehen einer GleichgewichtedruckTerteilung im Diohtungsspalt, vertonten alt dem Auftreten τοη Ittcketellkräften in der genennten arötenordnung bei Ab· weiohungen aus dieeer Lage. Die Herstellung dleeer Abschrägung kenn alt verhältnieattiig einfach konventionellen Einrichtungen durchgeführt werden, eo deJ die Fertigung dee eohwimaendea Dichtungsringe· 20 auf keine Heretellungeeohwierigkelten etöBt..

Die Federn 40 haben den Zweck, den Dlchtungeepe.lt 50 zu «chlieöen, wenn dort nur ein eehr geringer Druckabfall herrecht. Ihre Kraft

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iet klein, verglichen mit den Kräften des Flüssigkeitssystems, sie addieren sich daher nicht wesentlich zu $encn Flüssigkeitekraften, die auf den Ring während dee normalen Hochdruckbetriebes einwirken und können daher vernachlässigt werden.

Das in Fig. 3 dargestellte Beispiel zeigt zusätzlich Mittel zur Verhinderung des Eindringens fester Teilchen in den Dichtungsspalt 50. Die Teile der eigentlichen Dichtung sind die gleichen wie in dem vorbeschriebenen Beispiel und daher auch mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Wenn man sich vorstellt, daß in dem Beispiel nach Fig. 1 ein Minimalspalt 50 in der Größenordnung von 0,0007 cm Breite auftritt, dann können in der Flüssigkeit evtl. suspendierte feste Teilchen in drei Größenordnungen eingestellt werden: Teilchen mit einen: Durchmesser kleiner als 0,0007 cm können den Dichtungsspalt 50 ohne Beeinträchtigung der Dichtwirkung oder irgendwelcher Beschädigung passieren.

Teilchen mit einem Durchmesser von 0,0007 bis 0,0017 cm treten in den Dichtungsspalt ein und gelangen tiefer in den sich verengenden Spalt zwischen den harten Oberflächen der Dichtungsringe, gelangen von dort zwischen den Inneren parallel Oberflächen derselben und in den Niederdruckbezirk 48. Solche Teilchen werden die Dichtungeflächen nicht beschädigen, da zu erwarten ist, daß sie wesentlich weicher als die Dichtungsoberflächen sein werden, da letztere aus harten Materialien, wie z.B. Stellit, Wolfram oder Wolframkarbid ausgebildet sind.

Teilchen, die größer als 0,0017 cm sind, werden durch die schnell fließende Flüssigkeit am Rand 52 in den Spalt hineingezogen und dort zwischen den Dichtungsringen in eine rollende Bewegung versetzt. Sie können auf diese Weise dann natürlich zwischen den nußeren Dichtungsflächen Korrosionserscheinungen verursachen.

Nach Fig. 3 sind Einrichtungen vorgesehen, um solche Erscheinungen mit Sicherheit zu verhüten, also um die Teilchen aus der

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Region des Dichtungsspaltes wegzuführen. Zu diesem Zweck ist eine napfförnrige Schleudereinrichtung 70 vorgesehen, die seitliche Öffnungen 80 enthält. Sie ist mit der Welle 14' fest verbunden und liegt an einer Schulter 76 unterhalb des Gegenringes 16' an. Die Schleudereinrichtung 70 rotiert demnach mit der Welle 14'. Die Befestigung der Schleudereinrichtung 70 sowie des Gegenringes 16' auf der Welle 14* kann über eine Hülse 74 durch nicht dargestellte Mittel, die an und für sich konventioneller Natur sind, bewerkstelligt werden.

Wie bereits erwähnt, ist der aufrechtstehende Rand ⁷8 der " Schleudereinrichtung 70 mit einer Anzahl von radialen öffnungen 80 versehen, von denen in der Fig. 3 nur eine gezeigt ist. Diese Öffnungen bewirken das Austreten der Flüssigkeit zwischen der Schleudereinrichtung 70 und dem Gegenring 16 mit Hilfe der Zentrifugalkraft. Dabei wird der Abstand zwischen diesem Teil' 78 der Schleudereinrichtung 70 und dem Dichtungsring 20 so klein als möglich gemacht, in der Größenordnung von 0,05 bis. 0,07 cm. Eine mechanische Berühung zwischen diesen Teilen muß jedoch vermieden werden. Zusätzlich wird der Außendurchmesser des schwimmenden Dichtungsringes 20* etwas größe gemacht als derjenige des Gegenringes 16'. Durch die Zentrifugalwirkung auf die Flüssigkeit aufgrund der Rotation der Welle 14* wird eine große Strömungsgeschwindigkeit im Spalt 82 in der Nähe des Randes 52* des Dichtungsringes 20* hervorgerufen. Dadurch werden etwa in der Flüssigkeit suspendierte Teilchen, die ein wesentlich höheres spezifisches Gewicht als die Flüssigkeit haben, an den Rändern 52* vorbei nach abwärts strömen und durch die öffnungen 80 wieder austreten. Auf diese Weise werden sie daran gehindert, den Dichtungeepalt 50 zu erreichen. Unterhalb des Randes 52*am Dichtungsring ist der Abstand 84 zwischen dem Schleuderteil 70 und dem Gegenring 16* sogar noch etwas enger gemacht worden, so daß die Flußgeschwindigkeit hier noch größer wird.

Auf diese Art und Weise werden Teilchen unter Umständen so be-

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schleunigt, daß sie nicht durch die öffnungen 80 in den Druckraum hinaustreten, sondern sich im Bodenbesirk 12 der Schleudereinrichtung 70 sammeln. Teilchen, die dabei zufällig auf den Rand des GegenrInges 16* getroffen sind, werden die Geschwindigkeit derselben annehmen, was durch mehrere seichte Axialnuten 86 im Gegenring 16* unterstützt wird. Durch die Fliehkraft werden sie damit wieder in den Abwärtsstrom hinausgedruckt, der durch die Schleuderwirkung des Teiles 70 hervorgerufen wird. Es ist demnach in jedem Falle dafür gesorgt, daß in der Flüssigkeit etwa suspendierte feste Teilchen nicht in den Dichtungsspalt 50 gelangen können und entweder am Boden des napfförmlgen Schleu- " derteiles 70 gesammelt oder wieder in den Druckraum des Gehäuses hinausbefördert werden. Selbstverständlich sind noch andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich; die genannten Daten dienen daher nur zur besseren Veranschaulichung der dargestellten Zusammenhänge und beschränken daher weder Anwendungsbereich noch Dimensionierungsverhältnisse.

3 Patentansprüche

3 Figuren

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Claims

-10- Patentansprüche

1. Gleitringdichtung, gegenüber Flüssigkeiten hohen Druckes an Wellen rotierender Maschinen, insbesondere Pumpen mit zugelassener Leckrate, bestehend aus einem mit der Welle fest verbundenen umlaufenden Dichtungsgegenring und einem von diesem durch einen Flüssigkeitsfilm getrennt schwimmenden, verdrehungssicher im Gehäuse verankerten und abgedichteten Dichtungsring, der zur Einregulierung des Dichtungsspaltes mit einer, radial gesehen, leicht schrägen Dichtungsfläche versehen ist und damit einen sich zur Hochdruckseite kontinuierlich leicht erweiternden Dichtungsspalt bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsfläche zur Niederdruckseite hin mit einer zentralen, zum Gegenring parallelen Zone versehen ist.

2. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch zum Gegenring und ebenfalls fest mit der Welle verbunden eine im Querschnitt gesehen napfförmige Schleudereinrichtung mit seitlichen Durchbrechungen vorgesehen ist, die mit dem Gegenring sowie mit dem schwimmenden Dichtungsring einen Ringspalt unterschiedlicher Breite einschließt.

3. Gleitringdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenring an seiner äußeren zylindrischen Fläche mit seichten achsparallelen Nuten versehen ist.

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