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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung mit einer
druckgeschützten Überwachungseinrichtung, um eine Überwachung
eines Betriebszustandes der Gleitringdichtung zu ermöglichen.
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Gleitringdichtungen
sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausgestaltungen
bekannt. Im Betrieb einer Gleitringdichtung treten zwischen den Gleitringen
Reibkräfte auf. Die Höhe der Reibkräfte hängt
dabei davon ab, ob sich die Gleitflächen berühren,
oder ob zwischen den Gleitflächen ein Schmiermittelfilm
vorhanden ist. Unter dem Begriff „Schmiermittelfilm” ist
nicht nur ein Film aus einem flüssigen Medium, sondern
bei gasgeschmierten Gleitringdichtungen auch ein Gasfilm zu verstehen.
Insbesondere bei gasgeschmierten Gleitringdichtungen sind sehr hohe
Drücke eines abzudichtenden, gasförmigen Mediums
möglich. Aus der
DE-20 2007 001 223.3 U ist eine Überwachungseinrichtung
für eine Gleitringdichtung bekannt, welche eine im Drehkraftfluss
zwischen einem stationären Bauteil und dem rotierenden
Gleitring vorgesehene Kraftmesseinrichtung aufweist. Die Kraftmesseinrichtung
ist am stationären Gleitring dabei an einem druckentlastenden
Bereich hinter einer Nebendichtung angeordnet. Diese bekannte Überwachungseinrichtung
eignet sich jedoch nur für flüssige Medien und
nicht für gasförmige Medien, bei denen auch der
stationäre Gleitring an seiner dem Dichtspalt abgewandten
Rückseite ebenfalls mit dem Druckmedium in Kontakt steht.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtung
bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit
eine Überwachungseinrichtung aufweist, die eine Anwendung
bei Gleitringdichtungen erlaubt, welche auch an einer Gleitringrückseite
mit dem unter Druck stehenden, abzudichtenden Medium in Kontakt
sind.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Gleitringdichtung mit den Merkmalen des
Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen
bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
Erfindung entkoppelt dabei einen Druckbereich an der Gleitringdichtung
von einem Messsensor der Überwachungseinrichtung, so dass
der Messsensor nicht durch die hohen Drücke des abzudichtenden
Mediums beschädigt werden kann. Der Sensor nimmt dabei
Reibkräfte im Dichtspalt zwischen dem stationären
und dem rotierenden Gleitring auf, wobei die aufgenommenen Reibkräfte
einen Rückschluss auf die tribologischen Verhältnisse
im Dichtspalt erlauben. Hierdurch kann eine Aussage gemacht werden,
ob eine gewünschte vollständige Ausbildung eines
Schmiermittelfilmes im Dichtspalt (keine bzw. geringe Reibkräfte)
vorliegt, bzw. ob der Schmiermittelfilm nicht oder nur in unzulänglicher Weise
vorhanden ist (mit dem Grad der unzulänglichen Schmiermittelfilmbildung
steigen die Reibkräfte an). Erfindungsgemäss umfasst
die Überwachungseinrichtung einen Sensor, eine Hülse
und einen Stift, wobei der Stift in der Hülse angeordnet
ist. Der Stift ist fest mit der Hülse verbunden und frei
durch ein stationäres Bauteil geführt. Der Sensor
ist dabei in einem Atmosphärenbereich der Gleitringdichtung
angeordnet, so dass keine Beschädigung des Sensors aufgrund
zu hoher Druckkräfte auftritt. Das freie Ende des Stiftes
befindet sich dabei mit dem Sensor in Wirkverbindung, und ein erstes
Ende der Hülse ist mit dem stationären Bauteil
fluiddicht verbunden, und ein freier Endbereich (anderes Hülsenende)
der Hülse ist mit dem stationären Gleitring in
Kontakt. Somit können, wenn am stationären Gleitring
Reibkräfte aufgrund eines unzulänglichen Schmiermittelfilmes auftreten,
diese Reibkräfte über die Hülse und den Stift
auf den Sensor übertragen werden. Der Sensor kann somit
die Reibkräfte im Atmosphärenbereich der Gleitringdichtung
erfassen und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugen. Somit kann
ein Belastungszustand bzw. eine zu erwartende Restlebensdauer der
Gleitringdichtung mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden, wenn
beispielsweise die momentan gemessenen Verhältnisse mit
Ergebnissen aus Vergleichsversuchen oder Erfahrungswerten als Referenzgrössen
verglichen werden. Dies kann beispielsweise in einer Steuereinheit
erfolgen. Erfindungsgemäss kann auch eine unerwünschte
Festkörperreibung zwischen den Gleitringen in einem sehr
frühen Stadium lange vor einem dadurch bedingten übermässigen
Verschleiss der Gleitflächen erfasst werden, so dass frühzeitig
geeignete Gegenmassnahmen eingeleitet werden können. Besonders bevorzugt
werden auch weitere Betriebsparameter der Gleitringdichtung, wie
z. B. Temperatur, Druck, Drehzahl, Dichtspaltweite usw. erfasst
und der Steuereinheit zugeführt. Dadurch kann ein umfassendes Bild über
den momentanen Zustand der Gleitringdichtung und einer zu erwartenden
Restlebensdauer erhalten werden.
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Der
Sensor der Überwachungseinrichtung ist vorzugsweise ein
Kraftsensor oder ein Abstandssensor, insbesondere ein optischer
Abstandssensor. Durch beide Sensorarten kann auf einfache und kostengünstige
Weise eine Positionsänderung des freien Endes des Stiftes,
welche ein Indikator für vorhandene Reibkräfte
an den Gleitflächen der Gleitringe ist, erfasst werden.
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Um
einen möglichst kompakten Aufbau bereitzustellen, ist im
stationären Gleitring vorzugsweise eine Ausnehmung gebildet,
in welcher das freie Ende der Hülse angeordnet ist. Die
Hülse ist vorzugsweise derart in der Ausnehmung des stationären Gleitringes
angeordnet, dass sie ohne Vorspannung in der Ausnehmung, aber mit
Kontakt zu einem Wandbereich der Ausnehmung angeordnet ist. Hierdurch
ist die Hülse spielfrei in der Ausnehmung positioniert,
so dass schon bei Auftreten von geringen Reibkräften zwischen
den Gleitringen, welche zu einer Umfangskraft am stationären
Gleitring führen, die Kräfte sofort auf die Hülse übertragen
werden und von der Hülse dann auf den Stift übertragen
werden.
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Besonders
bevorzugt weist die Hülse an ihrem freien Ende einen verdickten,
d. h. verbreiterten Bereich auf, welcher sich mit dem stationären
Gleitring in Kontakt befindet. Hierdurch wird erreicht, dass lediglich
das äusserste Ende der Hülse mit dem stationären
Gleitring in Kontakt ist, so dass sich eine Hebelwirkung bei Auftreten
von Umfangskräften am stationären Gleitring an
der derart gebildeten Hülse ergibt. Hierdurch wird eine
Verstärkung des Ausschlages der Hülse und des
Stiftes erreicht. Weiter bevorzugt weist ein mittlerer Hülsenbereich
eine reduzierte Wandstärke und/oder einen reduzierten Aussendurchmesser
auf.
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Um
eine besonders gute Übertragung und insbesondere eine Kraftverstärkung
zu ermöglichen, weist der Stift ebenfalls ein verdicktes
Ende auf, welches in der Hülse am freien Ende der Hülse
mittels einer Presspassung mit der Hülse verbunden ist.
Somit kann der Stift sicher in der Hülse an einer Position
fixiert werden, die im wesentlichen dem äusseren Ende der
Hülse entspricht.
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Die
Hülse ist vorzugsweise mit einem geschlossenen Boden ausgebildet,
um sicher zu verhindern, dass unter Druck stehendes Medium in den Atmosphärenbereich
der Gleitringdichtung gelangt.
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Die
erfindungsgemässe Gleitringdichtung wird vorzugsweise als
Gasdichtung verwendet, bei der üblicherweise der stationäre
Gleitring auch an seiner der Dichtfläche entgegenliegenden
Rückseite mit dem gasförmigen Druckmedium umspült
ist.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugte Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme
auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtung gemäss
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine
vergrösserte Schnittansicht der Überwachungseinrichtung
der Gleitringdichtung in einer Schnittebene senkrecht zu der in 1 dargestellten
Schnittebene, ohne Einwirken einer Umfangskraft, und
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3 eine
Schnittansicht der Überwachungseinrichtung gemäss 2,
wobei eine Umfangskraft auf die Überwachungseinrichtung
wirkt.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 3 wird eine
Gleitringrichtung 1 gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtung 1 als
rotierendes Bauteil eine Welle 2, an der eine erste rotierende
Buchse 15 und eine zweite rotierende Buchse 16 angeordnet
sind. Die beiden Buchsen 15, 16 halten einen rotierenden Gleitring 3,
damit dieser gemeinsam mit der Welle 2 rotiert. Ferner
umfasst die Gleitringdichtung 1 einen stationären
Gleitring 4, welcher über eine stationäre Buchse 11 mit
einem stationären Bauteil 10 verbunden ist. Zwischen
dem rotierenden Gleitring 3 und dem stationären
Gleitring 4 ist in bekannter Weise ein Dichtspalt 5 vorgesehen,
um einen Atmosphärenbereich 18 von einem Druckbereich 17 abzudichten. Der
stationäre Gleitring 4 ist auf der stationären Buchse 11 in
axial beweglicher Weise angeordnet, wobei eine Nebendichtung 12,
auf welche eine axiale Vorspannkraft über einen axialen
Vorspannring 13 aufbringbar ist, vorgesehen ist. Die Nebendichtung 12 dichtet
an der stationären Buchse 11 gegenüber dem
Druckbereich 17 ab. Die dargestellte Gleitringdichtung 1 ist
eine sog. Gasdichtung, welche ein im Druckbereich 17 befindliches,
unter hohem Druck stehendes Gas an der Welle 2 abdichtet.
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Die
Gleitringdichtung 1 umfasst ferner eine Überwachungseinrichtung 6,
welche im Detail in den 2 und 3 ersichtlich
ist. Die Überwachungseinrichtung 6 umfasst eine
einseitig geschlossene Hülse 7, einen Stift 8 und
einen Sensor 9. Der Sensor 9 ist, wie aus 1 ersichtlich
ist, im Atmosphärenbereich 18 angeordnet, so dass
er nicht dem im Druckbereich 17 herrschenden hohen Druck
ausgesetzt ist. Die Überwachungseinrichtung 6 befindet sich
mit dem stationären Gleitring 4 in Kontakt. Wie aus 2 ersichtlich
ist, ist im stationären Gleitring 4 eine Ausnehmung 14 vorgesehen,
in welcher die Hülse 7 angeordnet ist. An einer
der Ausnehmung 14 entsprechenden Position ist im axialen
Vorspannring 13 ebenfalls eine Ausnehmung 13a vorgesehen.
Die Hülse 7 weist ein freies Ende mit einem verdickten Bereich 7a auf,
welcher sich mit einer Wand der Ausnehmung 14 in Kontakt
befindet. Alternativ ist es auch möglich, dass zwischen
der Hülse 7 und dem stationären Gleitring 4 eine
formschlüssge Verbindung vorgesehen ist. Die Hülse 7 ist
mittels einer Presspassung 19 im stationären Bauteil 10 befestigt. Mittels
einer Presspassung 20 ist weiter der Stift 8 in der
Hülse 7 befestigt. Wie aus 2 ersichtlich
ist, weist die Hülse 7 ein geschlossenes freies
Ende auf, und am Ende des Stiftes 8 ist ein Befestigungsbereich 8a mit
einem grösseren Durchmesser als der restliche Durchmesser
des Stiftes 8 vorgesehen. Somit ist der Stift 8 ausschliesslich
in der Hülse 7 im Bereich des freien Endes der
Hülse 7 befestigt. Das freiliegende zweite Ende
des Stiftes 8 befindet sich in Wirkverbindung mit einem
Sensor 9. Der Sensor 9 ist beispielsweise ein
optischer Abstandssensor und erfasst einen Abstand A zwischen einem
Ende des Sensors 9 und dem Stift 8.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, ist der restliche Durchmesser
des Stiftes 8 ohne den Befestigungsbereich 8a derart
gewählt, dass der Stift 8 einen ausreichenden
Abstand zu einer Innenwandung der Hülse 7 sowie
zu einem Wandbereich einer Durchgangsbohrung 10a, welche
im stationären Bauteil 10 ausgebildet ist und
durch welche der Stift 8 hindurchgeführt ist,
aufweist.
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Die
Funktion der erfindungsgemässen Gleitringdichtung 1 ist
dabei wie folgt:
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2 zeigt
den unbelasteten Zustand des stationären Gleitringes 4.
D. h. in diesem Zustand wirken keine Reibkräfte zwischen
dem rotierenden Gleitring 3 und dem stationären
Gleitring 4. Somit ist ein ausreichender Schmiermittelfilm
mittels eines gasförmigen Mediums im Dichtspalt 5 vorhanden. Ein
Abstand A zwischen dem Ende des Sensors 9 und dem Stift 8 bleibt
konstant.
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Wenn,
wie in 3 gezeigt, nun eine Kraft F aufgrund einer Reibung
zwischen dem rotierenden Gleitring 3 und dem stationären
Gleitring 4 auf den stationären Gleitring 4 wirkt,
wirkt diese Kraft auch auf die Hülse 7. Dadurch
wird das freie Ende mit dem verdickten Bereich 7a aus einer
Mittellage, welche durch die Achse Y-Y angedeutet ist, leicht versetzt. Da
der Stift 8 fest mit der Hülse 7 verbunden
ist, und der Stift 8 lediglich an einem Ende an der Hülse 7 befestigt
ist wird auch dieser Stift 8 aus der Mittellage Y-Y versetzt.
Hierbei kann ein grosser Biegewinkel auf den Stift 8 übertragen
werden und somit eine Verstärkung der Versetzung der Hülse 7 erreicht
werden. Dadurch können insbesondere auch minimale Kräfte schon
durch die gewissermassen vorhandene Übersetzung aufgrund
der jeweils nur einseitigen Befestigung der Hülse 7 und
des Stiftes 8 erfasst werden. In 3 ist zur
Verdeutlichung noch die Mittellinie Z-Z des Stiftes 8 eingezeichnet,
welche aufgrund der auf die Hülse 7 und den Stift 8 einwirkenden
Umfangskraft F aus der Mittelachse Y-Y verdreht wurde. In 3 ist
dabei die Umfangskaft F am stationären Gleitring 4 so
stark, dass der Abstand A, welcher noch im unbelasteten Zustand
von 2 vorhanden war, vollständig verschwunden
ist und ein Kontakt zwischen dem Sensorende 9 und dem Stift 8 vorhanden
ist.
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Um
eine bessere Verbiegung der Hülse 7 zu ermöglichen,
weist die Hülse 7 zwischen dem verdickten Bereich 7a und
dem Bereich, in welchem die Hülse 7 mittels Presspassung 19 im
stationären Bauteil 10 befestigt ist, einen Bereich 7b mit
reduziertem Durchmesser und einer reduzierten Wandstärke
auf. Hierdurch kann ein elastisches Verbiegen der Hülse 7 sichergestellt
werden. Nach Wegfall der Kraft stellt sich die Hülse 7 und
der Stift 8 wieder in den Ausgangszustand zurück.
Somit weist die Überwachungseinrichtung 6 ein
zweiteiliges Kraftübertragungselement, umfassend die Hülse 7 und
den Stift 8, auf. Da der Stift 8 nur am äussersten
Ende der Hülse 7 befestigt ist, wird ein maximaler
Biegewinkel der Hülse 7 auf den Stift 8 übertragen.
Aufgrund der Länge des Stiftes 8 ergibt sich dann
eine entsprechende Übersetzung des Biegewinkels und gewissermassen eine
Verstärkung der Auslenkung des Stiftes 8 im Bereich
des Sensors 9, so dass eine auf den stationären Gleitring 4 wirkende
Umfangskraft F sicher erfasst werden kann und insbesondere auch
schon kleine Reibkräfte zwischen den Gleitringen erfasst
werden können.
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Die
erfindungsgemässe Gleitringdichtung wird bevorzugt bei
Kompressor-Gasdichtungen oder Kraftwerksdichtungen verwendet. Aufgrund
der dort üblicherweise im Druckbereich 17 herrschenden Druck-,
Temperatur- und Medienverhältnisse war es bislang im Stand
der Technik nicht möglich, dort einen Sensor zur Drehmomenterfassung
zu platzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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U [0002]