DE2950445C2 - Mechanische Dichtung - Google Patents

Description

— daß der Halter (12) axial in dem Gehäuse (1) beweglich ist,

— daß der Außendurchmesser des Halters (12) über dessen Länge abgesetzt ist,

— daß ar. dem größeren Außendurchmesser des Halters (12) eine dem Gleitring (3) zugewandte Endfläche (i2b') angeordnet ist, auf die der innere Flüssigkeitsdruck (Pi) einwirkt,

— daß der Halter (12) an der dem Gleitring (3) abgewandten Seite mit einer Endfläche (12') versehen ist, auf die der äußere Flüssigkeitsdruck (P2) einwirkt,

— daß an der sich axial erstreckenden Außenfläche des Halters (12) auf beiden Seiten des jo Absatzes O-Ringe(13,14) zwischen dem Halter (12) unc dem Gehäuse (1) angeordnet sind, die einen mit einem Fntlüftu-'gskanal (16) versehenen Raum (15) begrenzen,

— daß das Gehäuse (1) einen flansch (\a)aufweist zur Abstützung des Halters (12), und

— daß die wirksamen Flächen der Endflächen {\2b^f, XIc') derart zueinander abgestimmt sind, daß der Halter (12) gegen den Flansch (IaJ des Gehäuses (1) gepreßt wird, wenn der innere Druck (P\) höher wird als der äußere Druck (P₂), und daß der Halter (12) in Richtung zur Dichtfläche gepreßt wird, wenn der innere Druck (P\) niedriger wird als der äußere Druck (i

Die Erfindung betrifft eine mechanische Dichtung zum Abdichten der Welle einer sich drehend' η Maschine mit einem Gleitring, der Flüssigkeitsdicht und fest an der Welle befestigt und in einem Gehäuse sitzt, mit einem axial beweglichen undrehbaren Gegenring, der mit seiner Dichtfläche mit dem Gleitring zusammenwirkt und auf einem Halter unter Abdichtung mit einem O-Ring gehalten ist, wobei eine Vorspannfeder den Ring in Richtung zu dem Sitzring vorspannt und eine Anschlageinrichtung den Gegenring an einer Drehung gegenüber dem Gehäuse hindert.

Eine derartige Dichtung zeigt die DE-OS 15 25 535. Die zusammenwirkenden Gleitringe können dabei von der inneren oder von der äußeren Flüssigkeit entsprechend den jeweiligen Druckverhältnissen aneinander gepreßt werden. Der axial verschiebliche Halter ist 6S wellenseitig angeordnet. Die von den Flüssigkeiten beaufschlagten Flächen sind jedoch nicht auf die Druckdifferenz zwischen innerer und äußerer Flüssigkeit abgestimmt, was zur Folge hat, daß sich die Beaufschlagung des Halters in der einen oder anderen Richtung den Druckverhältnissen nicht präzise anpassen kann.

Bei stationär ausgeglichenen mechanischen Dichtungen kann, wenn der Druck der inneren Flüssigkeit (d. h. der Druck der innerhalb der mechanischen Dichtung befindlichen Flüssigkeit) größer als der Druck der äußeren Flüssigkeit (d. h. der Druck, der außerhalb der mechanischen Dichtung befindlichen Flüssigkeit) ist eine zufriedenstellende Abdichtung aufrechterhalten werden. Wenn aber der Druck der äußeren Flüssigkeit den Druck der inneren Flüssigkeit übersteigt, wird die Kraft, die die Dichtfläche eines undrehbaren Rings auf die hiermit in Berührung stehende Dichtfläche eines an -Jer Welle befestigten sich drehenden Rings drückt, niedriger als die Reaktion auf Grund des hydrodynamischen Drucks in einem Film zwischen den Dichtflächen, so daß die Dichtflächen voneinander getrennt werden und Leckverluste auftreten.

Die Erfindung hat sich deshalb zur Aufgabe gemacht, eine mechanische Dichtung zu schaffen, die cin zuverlässiges Dichtungsverhalten erzielen und aufrechterhalten kann, unabhängig von der positiven oder negativen Druckdifferenz zwischen der inneren und der äußeren Flüssigkeit, wie sie bei Kompressoren und Pumpen auftreten kann.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angeführten Merkmale gelöst Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird durch die vorgenommene Abstimmung der wirksamen Flächen der einzelnen Bauteile der Dichtung erreicht, daß der Halter genau dann gegen den Flansch des Gehäuses gepreßt wird, wenn der innere Druck höher wird als der äußere Druck und andererseits wird der Halter genau dann in Richtung auf die Dichtfläche gepreßt, wenn der innere Druck niedriger wird als der äußere Druck.

Die erfindungsgemäße Dichtung arbeitet besonders effektiv, wenn sie an einem VerdarnFfungsgasturboverdichter für verflüssigtes Erdgas angewendet wird, bei dem der innere Gasdruck unmittelbar ansteigt, wenn die Welle angehalten wird (der innere Gasdruck entspricht dem äußeren Flüssigkeitsdruck), weil dabei die Leckverluste des verflüssigten Erdgases (entsprechend der äußeren Flüssigkeit) tatsächlich verhindert werden können.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen mechanischen Dichtung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine mechanische Dichtung nach dem Stand der Technik;

Fig.2 und 3 Darstellungen zur Erläuterung des Betriebs der Dichtung von Fig. 1;

F i g. 4 einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer mechanischen Dichtung nach der Erfindung;

Fig.5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Druckdifferenz zwischen der inneren und der äußeren Flüssigkeit und der Dichtungskraft oder Dichtungsleistung, die durch die mechanische Dichtung nach der Erfindung erzielbar ist;

F i g. 6 eine der F i g. 4 ähnliche Ansicht zur Erläuterung des Betriebs der mechanischen Dichtung nach der Erfindung.

Vor der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird in Verbindung mit F i g. 1 bis 3 eine bisherige mechanische Dichtung beschrieben, um deren Probleme

speziell und deutlich aufzuzeigen. Die mechanische Dichtung nach Fig. 1 ist eine sogenannte stationär ausgeglichene Dichtung, bei der ein axiai beweglicher Gegenring 4 an einem Gehäuse 1 befestigt ist, wobei folgende Teile vorhanden sind: Das Gehäuse 1, eine Welle 2, ein fest an der Welle 2 befestigter Gleitring 3, der axial bewegliche Gegenring 4, der unter Bildung von Dichtflächen 5 mit dem Gleitring 3 zusammenarbeitet und axial beweglich auf einem Halter 6 angeordnet ist, eine zwischen dem Halter 6 und einer ringförmigen ι ο Außenfläche des Gegenrings 4 eingespannte Vorspannfeder 7. die normalerweise den Gegenring 4 gegen den Gleitring 3 vorspannt, ein Anschlagstift 8, der in hiermit in Eingriff stehende, in den Halter 6 und den Gegenring 4 gebohrte Zapfenlöcher eingesetzt ist, um eine Drehung des Ringes um die Achse der Welle zu verhindern, und eine Nebendichtung oder einen O-Ring 9 zwischen dem Gegenring 4 und dem Halter 6.

Die mechanische Dichtung der beschriebenen Art wirkt nur dann, wenn der Druck P\ der inneren Flüssigkeit 10 größer als der Druck P₂ der äußeren Flüssigkeit 11 ist, was im einzelnen im folgenden in Verbindung mit Fig.2 beschrieben wird. Der Außendurchmesser do und der Innendurchmesser d,- der Dichtfläche 5 und der Innendurchmesser d_s der ringförmigen Außenfläche des beweglichen Gegenrings 4 werden so bestimmt, daß die Gleichung (1) erfüllt ist, da der Druck der inneren Flüssigkeit 10 auf eine große Höhe ansteigt

Ff+F_S>F„ (1)

Fr F₅ F_h

die auf Grund des Drucks der inneren Flüssigkeit auf den beweglichen Gegenring wirkende Kraft;

die auf die ringförmige äußere Endfläche des Gegenrings 4 wirkende Kraft der Vorspannfeder/;

die Reaktion auf Grund des hydrodynamisehen Drucks im Film, der durch die in die Dichtfläche 5 gedrückte innere Flüssigkeit gebildet wird.

Wenn die obige Bedingung (1) erfüllt ist, tritt selbst bei hohen Drücken keine innere Flüsigkeit 10 durch die Dichtflächen 5 in den Kanal der äußeren Flüssigkeit 11.

Wenn aber der Druck P\ der inneren Flüssigkeit 10 unter dem Druck P₂ der äußeren Flüssigkeit 11 abfällt, ändern sich die Kräfte /ynnd F_h in die Kräfte F/ bzw. F_h', vgl. - F i g. 3, wobei die Folgende Beziehung oder Bedingung eingehalten wird:

sehen Dichtung nach der Erfindung zeigt einen axial beweglichen Gegenring 4, der mit einem Gleitring 3 zusammenwirkt und Dichtflächen 5 aufweist Er ist auf einen Halter 12 mit einer dazwischen angeordneten Nebendichtung oder einem O-Ring 9 aufgepaßt Ein Anschlagstift 8 ist in Bohrungen eingesetzt, die in die ringförmige äußere Endfläche des Gegenrings 4 und die ringförmige innere Endfläche des Halters 12 gebohrt sind, so daß die Drehung des Gegenrings um die Achse der Welle verhindert wird, jedoch die axiale Bewegung des Gegenrings 4 zugelassen wird. Eine Vorspannfeder 7 ist zwischen dem Gegenring 4 und dem Halter 12 eingespannt

Der Halter 12 enthält einen einen verringerten Durchmesser aufweisenden inneren Teil 12a, auf dem der Gegenring 4 aufgepaßt ist, einen einen vergrößerten Durchmesser aufweisenden Zwischenteil 126, dessen Umfangsfläche in enge Berührung mit der inneren Wandfläche des Gehäuses 1 mit einem dazwischen angeordneten O-Ring steht und einen einen verringerten Durchmesser aufweisenden äußeiin Teil 12c; dessen Umfangsfläche in enger Berührung mk der inneren Wandfläche des Gehäuses 1 mit einem dazwischen angeordneten O-Ring 14 steht, wobei die ringförmige Endfläche 12C" des Teils 12c an einem ringförmigen Flansch la des Gehäuses 1 anstößt Zur Verhinderung der Drehung des Halters 12 ist ein Anschlagstift 17 in Bohrungen eingesetzt, die in die Endfläche 12c bzw. den Flansch 1 a eingesetzt ist.

Eine ringförmige innere Endfläche \2b' des Zwischenteils 126 wird mit dem Druck P\ der inneren Flüssigkeit 10 beaufschlagt, während die Endfläche 12c" mit dem Druck P₂ der äußeren Flüssigkeit 11 beaufschlagt wird. Wenn der Druck P\ der inneren Flüssigkeit 10 größer als der Druck P₂ der äußeren Flüssigkeit 11 ist wird die Endfläche \2d auf den Flansch la gedrückt Ein Raum 15 zwischen dem Teil 126, dem Teil 12c und dem Gehäuse 1 wird durch die O-Ringe 12 und 14 gegen die innere Flüssigkeit 10 und die äußere Flüssigkeit 11 abgedichtet und steht über einen durch das Gehäuse 1 hindurch ausgebildeten Entluftungskanal 16 mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung. Anderenfalls würde die Luft in diesem Raum 15 eingefangen sein, so daß die axiale Bewegung des Halters nicht stattfinden könnte.

Die Außendurchmesser D₁, D\ und D₂ des Teils 12a, des Teils 126 bzw. des Teils 12c sowie die Drücke P\ und P₂ der inneren Flüssigkeit 10 bzw. der äußeren Flüssigkeit 11 müssen den folgenden Beziehungen genügen:

F! +

(2)

Das heißt, die Dichtkraft (F/+ F₅) wird kleiner als die auf die Dichtfläche 5 des Gegenrings 4 wirkende Reaktion Fh, so daß die Dichtkräfte 5 voneinander getrennt werden. Als Ergebnis tritt die äußere Flüssigkeit durch den vergrößerten Spalt zwischen den Dichtflächen 5 in den Kanal der inneren Flüssigkeit 10. Wenn somit der Druck P\ der inneren Flüssigkeit 10 unter dem Druck P₂ der äußeren Flüssigkeit 11 abfällt fällt die mechanische Dichtung aus. Zur Überwindung dieses Problems wurde vorgeschlagen, die Stärke F, der Vorspannfeder 7 zu erhöhen, jedoch mit dem Ergebnis, daß die Gesamtdicht!;raft Fr+F, zu hoch ansteigt und die Dichtfläche 5 beschädigt.

Die in F i g. 4 dargestellte Ausführung der mechani-

W^.nn P₁ > P₂ (D) - D)) P₁ > (Dj - D)) P₂. (3)

55 Wenn P, < P₂^-(D) - D])

-f(D\ -D))P₂.
(4)

Bei der Ausführungsform von F i g. 4 haben der Teil 126 und der Teil 12c unterschiedliche Außendurchmesser D\ bzw. D₂, können aber auch dieselben Durchmesser aufweisen. Das heißt, der Halter 12 kann aus dem Teil 12a und dem Teil 126 bestehen.

Wenn der negative Druck auf die mechanische Dichtung wirkt, d. h. wenn Pi < Pi, muß die auf die Dichtflächen 5 wirkende Reaktion Fh in Betracht gezogen weiden, so daß die folgende Beziehung oder Bedingung erfüllt sein muß:

(5)

Der Außendurchmesser Di des Teils 12c des Halters muß so bestimmt sein, daß nicht nur die Beziehung Di < Di, sondern auch die Beziehung (5) erfüllt ist. m

Die Dichtleistung der mechanischen Dichtung nach der Erfindung wird in Verbindung mit F i g. 5 beschrieben. Über der Abszisse ist die Druckdifferenz AP ( = Pi - Pi) aufgetragen. AP ist positiv, wenn der Druck P₁ der inneren Flüssigkeit größer als der Druck P₂ der π äußeren Flüssigkeit ist, ist aber negativ, wenn der Druck Pi der äußeren Flüssigkeit größer als der Druck P, der inneren Flüssigkeit ist. Über der Ordinate ist die Dichtkraft oder Dichtleistung S aufgetragen, die positv ist. wenn die Dichtflachen 5 aufeinandergedrückt sind, _>n wodurch eine flüssigkeitsdichte Dichtung erzielt werden kann, die aber negativ ist, wenn die Dichtflächen voneinander getrennt sind, was Leckverluste ergibt.

Gernäß F i g. 5 gibt der Linienabschnitt A die Dichtkraft oder Dichtleistung an, wenn AP positiv ist, :\ während der Linienabschnitt B die Dichtkraft oder Dichtleistung angibt, wenn 4P negativ, jedoch verhältnismäßig klein ist. Längs des Linienabschnitts B wird die Dichtung hauptsächlich durch die Kraft F, der Vorspannleder 7 aufrechterhalten. Längs des Linienab- j<> Schnitts Chält der Halter 12 hauptsächlich die Dichtung zwischen den Dichtflächen 5 des Gleitrings 3 und dem Gegenring 4 aufrecht. Gemäß F i g. 5 schneidet der für die Dichtung kennzeichnende Linienabschnitt C die JP-Achse bei X, kann aber so versetzt sein, daß er den j-, Linienabschnitt B bei X schneidet, was durch die gestrichelte Linie C" dargestellt ist.

Der Betrieb der mechanischen Dichtung bei der obigen Konstruktion wird im einzelnen in Verbindung mit Fig. 5 und 6 beschrieben. Wenn der Druck P\ der inneren Flüssigkeit größer als der Druck Pi der äußeren Flüssigkeit ist, wird der Halter 12 so beaufschlagt, daß er sich nach links bewegt, und wird auf den Flansch la des Gehäuses 1 gedruckt, vgl. F i g. 4. Gemäß F i g. 2 beaufschlagt die kombinierte Kraft aus der Federkraft F, und der Kraft Fr, die die innere Flüssigkeit 10 auf die ringförmige Außenfläche des Halters ausübt, die Dichtfläche 5 des Rings 4 auf die Dichtfläche 5 des Dichtrings 3 gegen die Reaktion Fh auf Grund des hydrodynamischen Drucks iin /wischen den Dichtflächen 5 gebildeten Druck. Wenn die Druckdifferenz AP ansteigt, erhöht sich die Dichtkraft S, was durch den Linienabschnitt A in F i g. 5 angegeben ist.

Wenn die Druckdifferenz Δ Ρ negativ wird, aber nicht so groß ist, fällt die Dichtkraft nicht plötzlich ab. was durch den Linienabschnitt B in F i g. 5 angegeben ist, so daß sich keine Leckverluste ergeben.

Wenn die negative Druckdifferenz AP ansteigt und den Puakt A"erreicht, beaufschlagt der auf die Endfläche \2d des Malters 12 wirkende Druck P₁ den Halter 12 derart, daß er sich gemäß Fig. 6 vom Flansch la des Gehäuses 1 weg nach rechts bewegt, so daß die Endfläche 126' des Halters derart beaufschlagt wird, daß sie an der ringförmigen äußeren Endfläche des Gegenrings 4 anstößt, wodurch die Vorspannfeder 7 zusammengedrückt wird. Der Gegenring 4 wird seinerseits auf den Gleitring 3 gedrückt, so daß die Dichtung aufrechterhalten werden kann. In diesem Fall nimmt mit der Zunahme des Drucks Pi der äußeren Flüssigkeit die Dichtkraft 5 zu, was durch den Linienabschnitt Cin F i g. 5 dargestellt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Mechanische Dichtung zum Abdichten der Welle einer sich drehenden Maschine mit einem Gleitring, der flüssigkeitsdicht und fest an der Welle befestigt ist und in einem Gehäuse sitzt, mit einem Axial beweglichen undrehbaren Gegenring, der mit seiner Dichtfläche mit dem Gleitring zusammenwirkt und auf einem Halter unter Abdichtung mit einem O-Ring gehalten ist, wobei eine Vorspannfeder den Ring in Richtung zu dem Sitzring vorspannt und eine Anschlageinrichtung den Gegenring an einer Drehung gegenüber dem Gehäuse hindert, dadurch gekennzeichnet,