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Beide Dichtungsringe sind mit den zugeordneten Laufringen fest und
dicht verbunden, so daß sie nicht in eine Nut aufgenommen zu werden brauchen. Die
beiden aus je einem Metallring und einem gummielastischen Dichtungsring bestehenden
Dichtungsanordnungen sind an den ihnen zugewandten Seiten durch ein Gummielement
miteinander verbunden, das an beiden Stahlringen dicht und fest angebracht ist,
so daß die beiden Stahlringe Radialbewegungen gegeneinander ausführen können. Zum
Zweck dieser Verbindung wird einer der beiden Dichtungsringe verwendet, der einen
dafür ausgebildeten Ansatz aufweist. Prinzipiell handelt es sich bei der bekannten
Dichtungsanordnung um die Verwendung gummielastischer Dichtungsringe, wie sie in
einfachster Weise von in Nuten eingelegten
U-Ringen verkörpert werden,
und es weist diese bekannte Dichtungsanordnung lediglich die Besonderheit auf, daß
zur Abdichtung zwischen Welle und Gehäuse zwei solcher gummielastischer Dichtungsringe
in Verbindung mit dem jeweils abzudichtenden Maschinenteil gegenüberstehenden und
am abzudichtenden Maschinenteil geführten Metallringen verwendet werden, welche
Metallringe ihrerseits durch eine Art elastischer Membran miteinander verbunden
sind, so daß sie Radialbewegungen gegeneinander ausführen können. Eine Anregung
dafür, wie die vorstehend behandelten Probleme bei Einzeldichtungen der eingangs
genannten Art behoben werden können, vermag diese bekannte Dichtungsanordnung nicht
zu vermitteln, zumal ihr Aufbau ihre Anwendung zur Abdichtung gegen unter hohem
Druck stehende Medien nicht gestattet, bei der die oben behandelten Probleme besonders
gravierend sind.
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Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch sehr lange Betriebszeiten
auszeichnet und bei der insbesondere frühzeitige Zerstörungen durch eine übermäßige
Wärmebelastung nicht mehr eintreten können.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Dichtungsanordnung
nach der Erfindung neben dem Steg mindestens ein Stützring angeordnet ist, der einen
höheren Elastizitätsmodul besitzt als der Dichtring, und an dem der Dichtring unter
Spannung anliegt.
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Bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ist demnach ein zusätzlicher
Stützring vorhanden, der infolge seines höheren Elastizitätsmoduls in der Lage ist,
die vom Mediumdruck ausgeübten Kräfte im wesentlichen aufzunehmen, so daß sie keine
unerwünschte Verformung des Dichtringes zur Folge haben. Daher ist bei der erfindungsgemäßen
Dichtungsanordnung gewährleistet, daß der Anpreßdruck des Dichtringes, der mit dem
Ende seines Steges an der Gegenlauffläche anliegt, im wesentlichen konstant ist.
Dabei ist von besonderem Vorteil, daß das Material für den Stützring nicht im Hinblick
auf optimale Dichtungs- und Gleiteigenschaften gewählt werden muß, sondern ein Material
gewählt werden kann, das für die Funktion des Stützringes besonders gut geeignet
ist. Hierzu gehören neben der guten Formbeständigkeit auch ein geringer Ausdehnungskoeffizient,
so daß Temperaturänderungen keine nennenswerte Formänderungen zur Folge haben. Da
die Form des Dichtringes im wesentlichen durch die Form des Spannringes bestimmt
ist, an dem der Dichtring unter Spannung anliegt, wird auf diese Weise auch die
Form des Dichtringes praktisch konstant gehalten, auch wenn hierfür ein zähelastischer
Kunststoff verwendet wird, der einen sehr hohen Ausdehnungskoeffizienten hat. Hinzu
kommt, daß der Stützring aus einem Material bestehen kann, bei dessen Bearbeitung
sich sehr viel engere Toleranzen einhalten lassen, als bei dem zähelastischen Dichtring.
Da auch hier wiederum die Dimensionen des Dichtringes von dem Stützring bestimmt
werden, wird die höhere Fertigungsgenauigkeit des Stützringes auf den Dichtring
übertragen, so daß eine genauere Anpassung des Dichtringes an die Gegenlauffläche
stattfindet. Infolgedessen läßt sich der gewünschte Anpreßdruck des Dichtringes
an der Gegenfläche mit größerer Genauigkeit einhalten als bisher.
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Da der Stützring die Dimensionen des Dichtringes im Betrieb bestimmt,
die bei den bisher bekannten Dichtungen stark vom Mediumdruck abhängig waren,
ist
es zweckmäßig, den Steg am niederdruckseitigen Ende des zylindrischen Abschnittes
des Dichtringes anzuordnen, so daß der Dichtring an der dem Medium ausgesetzten
Hochdruckseite im wesentlichen durch den Stützring abgestützt ist. Die erfindungsgemäße
Dichtung kann jedoch auch bei Anordnungen Anwendung finden, bei denen sich zu beiden
Seiten der Dichtung unter hohem Druck stehende Medien befinden. In diesem Fall kann
sich der Steg im Bereich der Mitte des zylindrischen Abschnittes des Dichtringes
befinden und es können Stützringe zu beiden Seiten des Steges angeordnet sein. Je
nach den herrschenden Druckverhältnissen kann dabei der Steg mehr oder weniger gegenüber
der zur Achse des Dichtringes senkrechten Mittelebene verschoben sein.
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Wie bereits erwähnt, besteht bei in Dichtungen der hier behandelten
Art das Problem, eine Überhitzung der Dichtung zu vermeiden. Dieses Ziel wird durch
die Anwendung des Stützringes schon in hohem Maße erreicht, weil der Stützring das
Einhalten eines unter unterschiedlichsten Betriebsbedingungen im wesentlichen konstanten,
geringen Anpreßdruckes gewährleistet, bei dem die Wärmeentwicklung gegenüber herkömmlichen
Dichtungen stark reduziert ist. Darüberhinaus kann der Stützring die Wärmeabfuhr
von der Dichtung noch unterstützen, wenn er in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Gewöhnlich haben Materialien
mit hohem Elastizitätsmodul auch ein gutes Wärmeleitvermögen, so daß die Forderungen
nach hohem Elastizitätsmodul und guter Wärmeleitfähigkeit leicht befriedigt werden
kann. Vorzugsweise besteht ein solcher Stützring aus Metall, das beide Forderungen
in hohem Maße erfüllt. Es ist aber auch der Einsatz anderer Werkstoffe denkbar,
wie beispielsweise von Kohlenstoffasern enthaltenden Werkstoffen.
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Die Wärmeabfuhr kann weiter dadurch verbessert werden, daß der Stützring
mit Kühlkanälen versehen wird, die von dem Medium durchströmt werden, das sich an
der den Stützring aufweisenden Seite der Dichtung befindet Demgemäß kann der Stützring
an seinen dem Dichtring zugewandten Flächen Radial- bzw. Axialnuten aufweisen, die
jeweils in einer Querschnittsebene des Stützringes angeordnete Kühlkanäle bilden.
Infolge der an Wellendichtungen in dem abgedichteten Medium auftretenden Zentrifugalkräften
entsteht in den Radialnuten eine Strömung, die sich über die daran anschließenden
Axialnuten nach außen fortsetzt. Eine solche Strömung des Mediums kann noch dadurch
verstärkt werden, daß der Stützring an seiner dem Dichtring abgewandten Umfangsfläche
zu seiner Achsrichtung schräggestellte Nuten aufweist, die in die dem Steg benachbarten
Radialnuten des Stützringes münden und eine Förderung des abgedichteten Mediums
innerhalb des Spaltes zwischen dem Stützring und der Gegenlauffläche bewirken, so
daß die im Stützring angeordnete Nuten zwangsweise von dem Medium durchströmt werden,
das dann eine einwandfreie Wärmeabfuhr vom Stützring gewährleistet, der seinerseits
großflächig mit dem Dichtring in Verbindung steht und infolge seiner guten Wärmeleitfähigkeit
die am Dichtring erzeugte Wärme aufnimmt und an das abzudichtende Medium abgibt.
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Da bei der erfindungsgemäßen Dichtung die am Ende des Steges des
Dichtringes angebrachte Dichtfläche nicht diejenige ist, mit der sich der elastische
Dichtring an einer festen Gegenfläche abstützt, weil diese Abstützung großflächig
am Stützring stattfindet, besteht
auch die Möglichkeit, in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung den Steg am Ende ein oder beidseitig abzuschrägen, so
daß er eine schneidenartige Dichtkante aufweist. Eine solche Dichtung ist insbesondere
für sehr schnell laufende Anordnungen geeignet.
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Bei der erfindungsgemäßen Dichtung ist der die Dichtfläche tragende
Steg, wenn er sich am niederdruckseitigen Ende des zylindrischen Abschnittes des
Dichtringes befindet, an seiner der Dichtfläche abgewandten Seite von dem Mediumdruck
im wesentlichen entlastet, da der Mediumdruck sich im wesentlichen nur dahingehend
auswirkt, daß der zylindrische Abschnitt des Dichtringes fest an den Stützring angepreßt
wird.
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Die Kraft, mit welcher die Dichtfläche an der Gegenlauffläche anliegt,
hängt dann im wesentlichen von der elastischen Spannung im Dichtring und dem Abstand
des Steges von der Stelle ab, an der das Maximum der vom Spannring übertragenen
Anpreßkraft liegt. Demgemäß hängt die Anpreßkraft an der Dichtfläche des Steges
von der Form und Lage des Spannringes ab. Daher sieht eine weitere Ausgestaltung
der Erfindung vor, daß an der Hoch- und/oder Niederdruckseite neben dem Spann ring
mindestens ein Distanzring angeordnet ist, der die Lage des Spannringes in bezug
auf den Dichtring und den Stützring bestimmt, so daß durch die Wahl solcher Distanzringe
das Dichtungsverhalten an unterschiedliche Mediendrücke angepaßt werden kann.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der
Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung
einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es
zeigen F i g. 1 bis 6 jeweils einen Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung nach
der Erfindung und Fig.7 eine Ansicht der Dichtungsanordnung nach F i g. 2 in Richtung
des Pfeiles VII.
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Die in F i g. 1 dargestellte Dichtung umfaßt drei konzentrisch zueinander
angeordnete Ringe, nämlich einen gummielastischen Spannring 1, einen zähelastischen
Dichtring 2 und einen Stützring 3, der aus einem Werkstoff besteht, dessen Elastizitätsmodul
höher ist als derjenige des Dichtringes 2. Der Dichtring 2-weist an einem Ende einen
radial abstehenden Steg 4 auf, der sich nach der gleichen Seite hin erstreckt, an
der sich der Stützring 3 befindet, und dessen Ende bis über den Stützring 3 hinausragt.
Das Ende dieses Steges 4 bildet die Dichtfläche, die bei der Ausführungsform nach
F i g. 1 auf eine Dichtkante 5 reduziert ist, weil der Steg 4 - an seinem Ende in
Richtung auf den Stützring 3 abgeschrägt ist. Die aus den drei Ringen 1, 2, 3 bestehende
Dichtungsanordnung ist dazu bestimmt, in üblicher Weise in die Nut 6 eines von zwei
gegeneinander abzudichtenden Bauteilen eingesetzt zu werden, während der Dichtring
2 mit seiner Dichtfläche 5 an der Gegenlauffläche 7 des zweiten Bauteiles anliegt.
Dieses zweite Bauteil führt gegenüber dem ersten Bauteil eine Drehbewegung aus.
Dabei kann die Anordnung entweder so getroffen sein, daß sich die Gegenlauffläche
7 am Umfang einer Welle und die Nut 6 in der Bohrung eines die Welle aufnehmenden
Gehäuseteiles befindet oder umgekehrt. In jedem Fall ist jedoch die Dichtung so
eingebaut, daß sich der Steg 4 am Dichtring 2 mit der Dichtfläche 5 an der Niederdruckseite
der Dichtung befindet Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht
der Stützring
3 aus Metall, während der Dichtring 2 aus einem glasfaserverstärktem Polytetrafluorethylen
und der Dichtring 1 aus einem Elastomer besteht. Der Dichtring 2 ist unter Spannung
auf den Stützring 3 aufgezogen, so daß der Stützring 3 den Durchmesser des Dichtringes
und damit auch den Durchmesser der Dichtfläche 5 am Ende des Steges 4 des Dichtringes
bestimmt. Der aus Metall bestehende Stützring 3 erfährt unter dem Einfluß des Mediumdruckes
praktisch keinerlei Änderungen seines Durchmessers. Auch die Änderungen bei Temperaturschwankungen
sind vernachlässigbar klein. Daher erfährt auch der ständig an den Stützring 3 angepreßte
Dichtring 2 weder unter dem Einfluß des Mediumdruckes noch bei Temperaturschwankungen
nennenswerte Änderungen seines Durchmessers, so daß die Dichtfläche 5 stets mit
dem gleichen Anpreßdruck an der Gegenlauffläche 7 anliegt.
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Da weiterhin der aus Meall bestehende Stützring 3 mit sehr engen Toleranzen
gefertigt werden kann, läßt sich der Anpreßdruck der Dichtfläche 5 an der Gegenlauffläche
7 in sehr engen Grenzen so einstellen, daß eine einwandfreie Abdichtung erreicht
ist, ohne daß übermäßige Reibungskräfte und damit eine übermäßige Wärmeentwicklung
auftreten. Der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Quadring ausgebildete
Spannring 1 dichtet den Dichtring 2 an seiner Rückseite in der Nut 6 einwandfrei
ab und belastet noch den über den Stützring 3 hinausstehenden Abschnitt des Dichtringes
2, so daß der Ring auch im Bereich seines Steges 4 von außen belastet und sicher
in Anlage an der Gegenlauffläche 7 gehalten wird. Diese Dichtung ist besonders zum
Abdichten sehr schnell laufender Wellen bei hohen Mediendrückengeeignet.
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F i g. 2 zeigt eine Variante, bei welcher der Steg 14 am Dichtring
12 eine größere Radialerstreckung hat als der Steg 4 am Dichtring 2 der Ausführungsform
nach F i g. 1.
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Weiterhin weist dieser Dichtring 12 am Ende des Steges 14 eine zylindrische
Dichtfläche 15 auf. Der Spannring 11 ist in diesem Fall als O-Ring ausgebildet.
Weiterhin ist zusätzlich ein Distanzring 18 vorgesehen, der sich niederdruckseitig
neben dem Spannring 11 befindet und damit die Wirkung des Spannringes auf einen
Bereich beschränkt, der dem Stützring 13 gegenüberliegt. Damit wird der Anpreßdruck
der Dichtfläche 15 an der Gegenlauffläche 17 durch die Elastizität des Abschnittes
d des Dichtringes 12 von der Stelle, an welcher der Spannring 11 die stärkste Kraft
auf den Dichtring auübt, bis zum niederdruckseitigen Ende des Dichtringes beeinflußt.
Durch Wahl der richtigen Breite des Distanzringes 18 kann diese Kraft beeinflußt
und dem jeweiligen Mediumdruck optimal angepaßt werden.
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F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Dichtung zwei
Räume trennen soll, in denen sich unter unterschiedlichen Drücken stehende Medien
befinden.
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Daher ist der Steg 24 des Dichtringes 22 nicht mehr am niederdruckseitigen
Ende des Dichtringes, sondern im Bereich von dessen Mitte angeordet, auch wenn er
gegenüber der Mitte nach der niederdruckseitigen versetzt ist. Demgemäß befinden
sich auch zu beiden Seiten des Steges 24 Stützringe 23 und 23a, an denen der Dichtring
22 mit seinen über den Steg 24 hinausragenden Abschnitten anliegt. Die Lage des
Spannringes 21 ist in diesem Falle durch Distanzringe 28 und 28a bestimmt, die wiederum
zu beiden Seiten des Spannringes 21 so angeordnet sind, daß optimale Dichtungsverhältnisse
gewährleistet sind.
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Die Ausführungsform nach F i g. 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach F i g. 3 nur dadurch, daß
der Steg 34 des Dichtringes 32 in
der Symmetrieebene des Dichtringes angeordnet ist und an seinem Ende nach beiden
Seiten abgeschrägt ist, so daß er in seiner Mitte eine Dichtkante 35 bildet. Zu
beiden Seiten des Steges 34 befinden sich wieder Stützringe 33a. Als Spannring 31
findet wiederum ein O-Ring Verwendung, der durch im Querschnitt dem O-Ring angepaßte
Distanzringe 38 und 38a ebenfalls symmetrisch zum Dichtring 32 gehalten ist.
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Die Dichtung nach Fig.S ist der Dichtung nach F i g. 1 ähnlich, jedoch
ist der Steg 44 des Dichtringes 42 zur Hochdruckseite hin abgeschrägt. Auerßdem
reicht die Abschrägung nicht bis zur gegenüberliegenden Seite des Steges, so daß
keine schneidenförmige Dichtkante entsteht, sondern es hat die Dichtfläche 45 am
Ende des Steges 44 etwa die halbe Breite des Steges.
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Die bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung vorhandenen Stützringe
gewährleisten nicht nur eine gute Formstabilität des Dichtringes und damit bei wechselnden
Drücken und wechselnden Temperaturen über sehr lange Zeiten hinweg gleichbleibende
Verhältnisse, sondern sie gewährleisten auch aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit
eine verbesserte Abfuhr der an der Dichtung durch die unvermeidliche Reibung entstehenden
Wärme. Auch für die Wärmeabfuhr ist es besonders vorteilhaft, wenn der Stützring
aus Meall besteht. Sollte die Wärmeabgabe über die relativ große Oberfläche des
Stützringes an das hochdruckseitig vorbeiströmende Medium nicht ausreichen, kann
die Wärmeübertragung an das Medium durch die Anbringung von Nuten im Stützring verbessert
werden, die von dem Medium durchströmt werden, um dadurch den Wärmeübergang zu verbessern.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 5 weisen die Stützringe 3 bzw.
43 in ihren an den Dichtungsring 2 bzw. 42 angrenzenden Flächen Quernuten 61 und
62 auf, also axial gerichtete Nuten 61 an der am Dichtring 2 bzw. 42 anliegenden
Zylinderfläche und Radialnuten 62 an der am Steg 4 bzw. 44 anliegenden Stirnfläche,
die im Bereich der Ecke zwischen der Zylinderfläche und der
Stirnfläche miteinander
in Verbindung stehen, so daß jeweils zwei solcher Nuten 61, 62 einen Kühlkanal bilden,
der die Stirnfläche der Dichtung mit dem Ringraum zwischen Stützring und Gegenlauffläche
verbindet. Die bei einer Wellendichtung infolge der Rotation im Bereich der Dichtung
auftretenden Zentrifugalkräfte bewirken, daß diese Kühlkanäle 61, 62 von dem abzudichtenden
Medium durchströmt werden, so daß eine intensive Kühlung der Dichtung erzielt wird.
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Kühlkanäle 61, 62 weisen auch die Dichtungen nach den Fig. 2 und
6 auf. Bei diesen Dichtungen ist jedoch der Stützring 13 bzw. 53 an seiner dem Dichtring
12 bzw.
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52 abgewandten Umfangsfläche mit zu seiner Achsrichtung schräg gestellten
Nuten 63 versehen, die in die dem Steg 14 bzw. 54 benachbarten Radialnuten 62 münden.
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Diese schräg gestellten Nuten haben eine zusätzliche Pumpwirkung,
durch welche die Durchströmung der Kühlkanäle 61, 62 verstärkt wird. Damit kann
die Wärmeabfuhr noch weiter intensiviert werden.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 ist der Stützring 53 im Bereich
der Ecke zwischen dem zylindrischen Abschnitt und dem Steg 54 des Dichtringes 52
mit einer Fase 64 versehen, so daß an dieser Stelle ein Ringkanal geschaffen wird,
der den Übergang von den axialen Nuten 61 zu den radialen Nuten 62 verbessert und
demgemäß ebenfalls zu einer verbesserten Kühlung beiträgt.
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Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt ist, sondern sich durch die Kombination von Spannringen unterschiedlicher
Querschnittsform mit symmetrischen oder asymmetrischen Dichtringen, die an den Enden
ihrer Schenkel Abschrägungen aufweisen können oder nicht, sowie entsprechend ausgebildeten
Stütz- und Distanzringen eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen ergibt,
die in einzelnen Anwendungszwekken optimal angepaßt sind. Dabei können auch in niederdruckseitig
angeordneten Stützringen Kühlkanäle angebracht sein.
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