DE3877762T2

DE3877762T2 - Gleitring-dichtung mit zentriermitteln.

Info

Publication number: DE3877762T2
Application number: DE8888905129T
Authority: DE
Inventors: James Netzel; Mark Pospisil
Original assignee: John Crane Inc
Current assignee: John Crane Inc
Priority date: 1987-05-22
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2008-05-21
Also published as: ATE84859T1; AU621544B2; JPH02503707A; DE375686T1; WO1988009456A1; DE8816714U1; BR8807517A; AU1941088A; EP0375686A1; EP0375686B1; US4768790A; EP0375686A4; KR890701936A; DE3877762D1; CA1285299C

Description

Die Erfindung betrifft mechanische sich drehende Dichtungen mit relativ sich drehenden ringförmigen Dichtungsflächen zur Aufnahme eines Fluids unter Druck, zwischen einem Gehäuse und einer Welle, die relativ zum Gehäuse gedreht werden soll. Insbesondere befaßt sie sich mit solchen Dichtungen mit Vorkehrungen, welche die axiale Anordnung der Dichtungsringe sicherstellen.

Hintergrund der Erfindung

Mechanische Dichtungen zwischen einer sich drehenden Welle und ihrem stationären Trägergehäuse können ringförmige Dichtungsringe umfassen, die jeweils relativ zur Welle und zum Gehäuse abgedichtet und verbunden oder aufgekeilt sind und über ringförmige einander gegenüber angeordnete Dichtungsflächen verfügen. Die Relativdrehung von Welle und Gehäuse findet zwischen diesen Dichtungsflächen statt; und sie sind so ausgebildet, daß sie eng miteinander zusammenwirken, um einen Fluidaustritt zwischen den Flächen von einem hohen Druck an einer Radialkante der Dichtungsflächen zu einem niedrigeren oder athmosphärischen Druck an der gegenüberliegenden Radialkante minimal zu halten.
Wenigstens einer der Dichtungsringe ist im allgemeinen axial zur Welle beweglich und durch Federn oder dgl. vorgespannt, um die ringförmigen Dichtungsflächen eng aneinander oder sogar im wesentlichen gegeneinander zu drücken, insbesondere, wenn die Welle nicht gedreht wird. Um jedoch den Verschleiß zwischen den Dichtungsflächen zu vermindern, während diese relativ zueinander bewegt werden, wenn die Welle sich in Drehung befindet, ist beabsichtigt, daß ein kleiner Fluidfilmspalt zwischen den Dichtungsflächen hergestellt wird. Die Spaltdichtdicke wird bestimmt, wenn die auf das bewegliche Ringelement wirkenden Kräfte sich im Ausgleich befinden; diese Kräfte umfassen den hydrostatischen und hydrodynamischen auf sich gegenüberstehende Flächen des Elementes wirkenden Druck, sowie die Kraft der Schließfeder. Die Fluidkräfte können aus dem enthaltenen Fluid stammen, obwohl ein sekundäres Schmierfluid verwendet werden könnte.
Wenn richtig ausgelegt, kann der Fluidfilmspalt zwischen den Dichtungsflächen in etlichen Zehntausendstel eines englischen Zoll (0,00025 cm) gemessen werden und die Leckage durch den Spalt wird minimal. Dieser Dichtungsspalt eliminiert jedoch oder minimiert den direkten Kontakt zwischen den Dichtungsflächen, um in signifikanter Weise den Verschleiß dieser Flächen zu vermindern; und weiterhin, um in signifikanter Weise die Reibungskräfte, Wärmeaufbau und Leistungsverbrauch der mechanischen Dichtung zu vermindern. Mit einer benachbarten Dichtung können die Flächen auf sehr enge Toleranzen gebracht werden, wobei diese Dichtungsfläche während des Betriebs genau und parallel zueinander verbleiben.
Ein genaues Positionieren der Dichtungsringe bezüglich einander ist besonders kritisch bei trocken laufenden Gasdichtungen. Nur das enthaltene Fluid selbst, insbesondere Gas, wird verwendet. Gas ist im allgemeinen kein wirksames Schmiermittel und die Steuerung von hydrostatischen und hydrodynamischen Kräften wird ausgenutzt, um einen Fluidfilmspalt zwischen den Dichtungsflächen zu schaffen, um direkten Flächenkontakt zu vermeiden. Trotzdem muß der Spalt zwischen den Dichtungsflächen sehr klein sein, um ein Gas aufzunehmen, ohne daß eine übermäßige Leckage in Kauf zu nehmen wäre.
Eine erfolgreiche Auslegung einer Trockenlaufdichtung verfügt über eine Vielzahl von über den Umfang im Abstand angeordneten flachen radialen Nuten, die in einer der Dichtungsflächen vorgesehen sind. Diese Nuten erstrecken sich spiralförmig von dem Rand hohen Drucks teilweise guer über die Fläche gegen den Rand niedrigen Drucks. Der Druck des an der Hochdruckkante anstehenden enthaltenen Fluids ist über die Nuten an einem Innenbereich der Dichtungsflächen vorhanden, um einen hydrostatischen Druck zu schaffen, der gegen eine Trennung der Dichtungsflächen neigt. Während die Flächen sich drehen, erzeugt die Pumpwirkung der Nuten eine hydrodynamische Kraft, welche die Flächen bis zu einem gewissen Spalt trennen, bis ein Gegendruck durch die Kräfte der Federn aufgebaut ist und die entgegengesetzten Fluidkräfte versuchen, den Spalt zu schliefen. Hierdurch wird ein direkter Kontakt zwischen den Dichtungsflächen vermieden. Die US-Patente 3 499 653 und 4 212 475 offenbaren spezifische Ausführungsformen mechanischer Trockenlauf-Gasdichtungen und die Lehren dieser Patente werden unter Bezugnahme hier mit eingebracht.
Bei einer mechanischen Dichtung des in den obengenannten Patenten offenbarten Typs ist der Abdichtungs- und/oder Filmleckagespait dynamisch und veränderlich. Wenn die Welle sich nicht dreht, stehen die Dichtungsflächen in Kontakt. Wenn die Welle sich dreht, sorgt die Pumpwirkung der Dichtungsflächennuten dafür, dar sich die Flächen voneinander entfernen. Andere Faktoren wie eine axiale Wellenbewegung, thermische Verformung der Teile, Druckveränderung etc. erfordern, dar eine Dichtungsfläche eine Axialbewegung erfährt bzw. aufnimmt Ein Dichtungsring ist daher längs der Welle axial beweglich. Wie bemerkt kann der Spalt für eine Trockenlaufdichtung in zehn tausendstel englischen Zoll (0,00025 cm) gemessen werden und die Bewegung des einen Dichtungsrings ist vergleichbar, d.h. die Bewegung des einen Dichtungsrings. Jeder Widerstand, der den beweglichen Dichtungsring in diesen sehr kleinen Bereich behindert, reckt der Empfindlichkeit der mechanischen Dichtung entgegen. Ein übermäßiger Widerstand, der die kompensierende Bewegung des beweglichen Ringes verhindert, kann den Spalt zwischen den Dichtungsflächen zu klein halten, was Verschleiß, Überhitzung und/oder sogar Zerstörung der benachbarten Dichtungsflächen nach sich ziehen kann; oder es kann ein offener Spalt am Schliefen gehalten werden, was eine übermäßige Leckage ermöglicht.
Wichtig ist auch die Tatsache, daß Kräfte auf die Dichtungsflächen ziemlich gleichförmig und symmetrisch zu den Dichtungsflächen sowie der Drehachse der Dichtungsflächen sein müssen. Dies bedeutet, dar die Dichtungsflächen richtig relativ zueinander zentriert sein müssen. Wenn die Dichtungsflächen aus einer koaxialen Position versetzt sind oder veranlaßt werden, aus der Parallelität relativ zueinander sich zu bewegen, können die Dichtungsflächen an einem lokalen Bereich veranlaßt werden, zu eng gegeneinander gedrückt zu werden oder einander sogar zu kontaktieren, während sie an einem anderen unter Abstand befindlichen lokalen Bereich übermäßig unter Abstand stehen, um jeweils Verschleiß und Leckageprobleme mit sich zu bringen. Diese Faktoren werden durch eine nicht koaxiale Position der Dichtungsringe noch erhöht.
Ein Zentrieren der relativ zueinander rotierenden Dichtungsringe ist wichtig für das Dichtungsverhalten und die Lebensdauer des Dichtungsbauteils. Ist ein Ring in einer Position angeordnet, die von der axialen Mittellinie des anderen versetzt ist, kann eine ungleiche Belastung aufgrund des zwischen den Dichtungsflächen durch die spiralen Pumpnuten gepumpten Fluids auftreten.
Bei bekannten Ausführungen mit dem hohen Druck ausgesetzten Dichtungen, die an dem Außendurchmesser der Dichtungsringe abgedichtet werden sollen, war es zweckmäßig, die Dichtungsringe am Innendurchmesser zu zentrieren. Für Arbeitsdrücke und -temperaturen, wie sie schon aufgetreten sind, war eine solche Lösung adäquat. Da jedoch Druck und Temperaturen in Dichtungsumgebungen immer höher werden, wird ein Zentrieren der Dichtungsringe immer signifikanter und kritischer.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung sorgt für eine koaxiale Ausrichtung der relativ sich drehenden Dichtungsringe einer mechanischen Dichtung, selbst bei Arbeitsbedingungen, wie sie in heutigen Dichtungsfällen auftreten. Erreicht wird dies dadurch, dar Zentriermittel für in axial beweglichen Dichtungsring der Dichtung vorgesehen werden, wobei diese Mittel das Zentrieren benachbart dem Umfang des Dichtungsrings beeinflussen, der dem abzudichtenden hohen Druck ausgesetzt ist. Die Dichtung wird so bei dem Einbau zentriert und der gesteigerte Druck bei Arbeitsbedingungen versucht, den axial beweglichen Ring von den Zentriermitteln zu lösen.
Die Erfindung schafft eine mechanische Dichtung zur Verwendung zwischen einem Gehäuse und einer drehbaren Welle und verfügt über benachbarte primäre und dazu passende Dichtungsringe, die je mit einer im wesentlichen radialen Dichtungsfläche versehen sind. Der erste Dichtungsring ist abgedichtet und nicht drehbar relativ zum Gehäuse befestigt; der zweite Dichtungsring ist zur Drehung mit der Welle abgedichtet und aufgekeilt. Ein Dichtungsring ist frei in der axialen Bewegung und Vorspannungsmittel beaufschlagen diesen einen Ring gegen den anderen Dichtungsring, um diese Dichtungsflächen eng aneinanderzu bringen. Eine Scheibe ist zwischen die Vorspannmittel und den axial beweglichen Ring zwischengeschaltet und so ausgebildet, daß die Kraft der Dichtungsmittel auf den Ring ausgeübt wird. Mittel zentrieren die Scheibe koaxial zur Welle; und zwischen der Dichtung und dem axial beweglichen Ring wirkende Mittel zentrieren diesen Ring koaxial zur Scheibe und damit die Welle.
Das Zentriermittel für den axial beweglichen Ring ist am Rand des Dichtungsrings angeordnet, der frei gegen den abzudichtenden hohen Druck ist, derart, daß bei Erreichen von Arbeitsdrücken das Dichtungsmittel von dem axial beweglichen Ring freigegeben wird. Die Erfindung ist besonders geeignet für Gasdichtungen, die trockenlaufen, d.h. die keine Schmierung von einer äußeren Quelle erfahren und/oder für Dichtungen, wo die Wellendurchmesser drei Zoll (7,5 cm) überschreiten können, wo Fluiddrücke bis zu 13790 N/m2 (2000 psi) und Temperaturen bis zu 260ºC (500ºF) beispielsweise reichen können.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine mechanische Dichtung nach dem Stand der Technik, die zur Abdichtung einer Welle verwendet wird, die sich relativ zu einem Gehäuse drehen kann;
Fig. 2 ist ein Längsschnitt ähnlich Fig. 1, nur einer zweiten mechanischen Dichtung nach dem Stand der Technik;
Fig. 3 ist ein vergrößerter Teillängsschnitt ähnlich den Fig. 1 und 2, längs 3-3 der Fig. 7 und zeigt nur die untere Hälfte einer verbesserten mechanischen Dichtung nach der Erfindung;
Fig. 4 ist ein Teilschnitt ähnlich Fig. 3 allein der bei der mechnischen Dichtung verwendeten Scheibe;
Fig. 5 ist ein Teilschnitt, im wesentlichen längs der Linie 5-5 in Fig. 3 und zeigt die Verkeilungsanordnung des primären Dichtungsrings;
Fig. 6 ist ein schematischer Schnitt durch die Ansicht der in den Fig. 1 und 2 gezeigten mechanischen Dichtungen und erläutert eine wahrscheinliche exzentrische Betriebsstellung wenigstens eines der Bauteile, und
Fig. 7 ist eine Ansicht der verbesserten Dichtung gemäß Fig. 3 und zeigt eine wahrscheinliche konzentrische Arbeitsstellung der entsprechenden ähnlichen Bauteile.

Figurenbeschreibung einer Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine bekannte mechanische Dichtung 10 der Bauart, die erfindungsgemäß verbessert werden soll. Eine Welle 12 ist gebildet aus einer mittigen Welle 12a und Hülsen 12b und 12c und ist durch nicht dargestellte Lager gelagert, um sich relativ zu einem Gehäuse 14 zu drehen. Aus Gründen dieser Offenbarung wird das Gehäuse 14 typischerweise einen Bereich 16 auf der einen Seite der Dichtung 10 (der innengelegenen Seite) haben, der ein Fluid, wie beispielsweise ein Gas, unter hohem Druck enthalten kann; dagegen kann sich ein Bereich 18 auf der anderen Seite der Dichtung 10 (der Außenseite) bei wesentlich niedrigerem Druck oder auf atmosphärischem Druck befinden.
Die mechanische Dichtung 10 verfügt über einen primären Dichtungsring 20 und einen benachbarten hierzu passenden Dichtungsring 22. Der Dichtungsring 22 ist koaxial gegen die Welle 12 abgedichtet und dreht sich mit dieser; dagegen ist der primäre Dichtungsring 20 gemäß der Darstellung abgedichtet und auf das Gehäuse l4 gekeilt, um stationär relativ zum Gehäuse zu sein. Ringdichtungsflächen 20f und 22f werden gebildet auf den jeweiligen primären und zueinander passenden Ringen 20 und 22, symmetrisch zur Welle 12, und sind so ausgebildet, dar sie eng benachbart zusammenpassen und sogar im wesentlichen bündig gegeneinander sind. Die Dichtungsflächen 20f und 22f sind im allgemeinen radial und normal zur Welle 12 angeordnet.
Während der primäre Dichtungsring 20 auf das stationäre Gehäuse 14 gekeilt ist und der hierzu passende Dichtungsring 22 aufgekeilt ist, um sich mit der Welle 12 zu drehen, veranlaßt eine Drehung der Welle und des hierzu passenden Dichtungsrings 22 die Dichtungsflächen 20f und 22f relativ zueinander in einer Richtung in Ausrichtung mit diesen Flächen sich zu bewegen. Bei einer richtig arbeitenden mechanischen Dichtung tritt diese Bewegung quer über einen sehr kleinen axialen freien Spalt 24 auf (obwohl die Dicke des dargestellten Spaltes aus Gründen der Klarheit der Offenbarung übertrieben dargestellt ist) und sorgt für einen verengten radialen Leckweg zwischen dem Hochdruckbereich 16 und dem Niederdruckbereich 18.
Die spezifische Art, wie der Paßring 22 gesichert und gegen die Welle 12 abgedichtet wird, ist ohne Bedeutung und ist sogar nicht dargestellt. Die spezifische Art und Weise, wie der Primärring 20 gegen das Gehäuse verkeilt und abgedichtet wird, ist von geringer Bedeutung in der offenbarten mechanischen Dichtung, obwohl dies dargestellt ist.
Ein Halteelement 26 ist axial gesichert und nicht drehbar im Gehäuse 14 durch nicht dargestellte übliche Mittel befestigt. Das Halteglied 26 verfügt über eine äußere Zylinderfläche 28, die eng benachbart einer inneren Zylinderfläche des Gehäuses ist; ein O-Ring 30 ist in einer Nut in der Haltegliedaußenfläche zusammengedrückt und bildet eine fluiddichte Abdichtung zwischen diesen Bauteilen. Das Halteglied 26 ist so nominal koaxial zur Welle 12 positioniert. Eine innere Zylinderfläche 32 des Halteglieds 26 ist unter Abstand zur Welle 12 angeordnet und ermöglicht einen ungehinderten Spalt zwischen diesen Bauteilen in diesem Bereich. Das Halteglied 26 verfügt auch über axial sich erstreckende über den Umfang unter Abstand angeordnete Keilstiftschlitze; Keilstifte 34 sind so ausgebildet, dar sie in diese Schlitze sowie entsprechend positionierte Nuten 36 passen, die auf dem primären Dichtungsring ausgebildet sind. Der primäre Dichtungsring 20 wird so Drehung relativ zum Gehäuse 14 verkeilt, während er axial relativ zum Gehäuse 14 und zur Welle 12 verschoben werden kann.
Das Halteglied 26 verfügt auch über eine glatte zylindrische Dichtungsfläche 38, die konzentrisch zur Welle 12 und unter Abstand nach innen gegen den primären Dichtungsring 20 angeordnet ist.
Ein ringförmiges Scheibenelement 40 ist angeordnet, um auf der Haltegliedfläche 38 zwischen einer Radialwandung 42 des Halteglieds 26 und im Primärdichtungsring 20 zu gleiten. Der Innendurchmesser 40d ist größer als der äußere Durchmesser der Fläche 38. Dieser Abstand ist groß genug, um es der Scheibe zu erlauben, sich frei axial zur Zylinderfläche 38 zu bewegen. Eine Vielzahl von unter Umfangsabstand axial ausgerichteten Kompressionsfedern 44 sind zwischen der außenliegenden Radialwand 40b der Scheibe 40 und Federsitzen 46 angeordnet, die in der radialen Haltegliedwand 42 ausgebildet sind. Die Druckfedern 44 drücken die innengelegene Radialwand 40i der Scheibe 40 axial zur Welle 12 und gegen die außen gelegene Radialwand 20b des primären Dichtungsrings 20, der seinerseits die Dichtungsflächen 20f und 22f zusammendrückt.
Eine Ringnut 48 ist im Primärdichtungsring 20 benachbart der außenseitigen Wandung 20 und dem Innendurchmesser 20d gebildet. Der Durchmesser 20d ist größer als die glatte axial zylindrische Dichtungsfläche 38 des Halteglieds 26, und zwar um einen Betrag, der ausreicht, um den notwendigen Freiraum zu schaffen. In einer Dichtung von drei Zoll (7,5 cm)(oder größer) sollte dieser Abstand bei 0,060 Zoll (0,1524 cm) liegen. Ein O-Ring 50 ist in der Nut 48 eingepaßt. Die innenseitige Wandung 40i der Scheibe 40 schließt die offenen Seite der Nut 48 und hält den O-Ring 50 hierin. Der O-Ring 50 stellt eine gasdichte Abdichtung zwischen dem Primärring 20 und dem Halteglied 26 her; und wie oben erwähnt, wird das Halteglied 26 relativ zum Gehäuse 14 abgedichtet. So erfolgt die gesamte und/oder jede Strömung des enthaltenen Gases von der Hochdruckseite 16 zur Niederdruckseite 18 der mechanischen Dichtung über den Spalt 24 zwischen den Dichtungsflächen 20f und 22f. Es ist zu beachten, dar die dargestellte Dichtung 10 eine vom Außendurchmesser druckbeaufschlagte Dichtung ist, wobei der Hochdruck auf den äußeren Durchmesser des Primärrings 20 wirkt. Die Prinzipien der Erfindung sind auch anwendbar auf innenseitig druckbeaufschlagte Dichtungen, wo der hohe Druck am innenseitigen Durchmesser der Ringe 20 und 22 anliegt.
Wird die Welle 12 nicht gedreht, so können die Dichtungsflächen 20f und 22f typischerweise durch Federn 44 in bündigen Kontakt gegeneinander vorgespannt werden und verhindern eine Gasströmung quer über die mechanische Dichtung 10. Wird die Welle 12 in Drehung versetzt, so kommen hydrostatische und/oder hydrodynamische Fluidfilmkräfte ins Spiel und erzeugen den Spalt 24 zwischen den Dichtungsflächen auf eine Dicke, bis die Fluidfilmdrücke einen Ausgleich gegen die Kräfte der Federn 44 schaffen und Fluiddruck auf die Federseite der Primärdichtung 20 wirkt. Wie beobachtet,kann der richtig ausgelegte Dichtungsspalt 24 in zehn tausendstel eines englischen Zolls (0,00025 cm) gemessen werden, um die Leckströmung im Fluidfilm auf ein Minimum zu bringen, während trotzdem ein direkter Kontakt zwischen den Dichtungsflächen eleminiert wird, um einen verminderten Verschleiß und/oder Wärmeaufbau an solchen Flächen zu vermindern und um Reibungs££äfte und Leistungsverbrauch zwischen den Flächen herabzusetzen.
Bei der mechanischen in Fig. 1 gezeigten Dichtung kann, um beständig gegen die auftretenden Temperaturen und Drücke zu sein, der Paßring 22 aus platiertem Stahl oder Wolframkarbit gebildet werden; der primäre oder Schwimmring 20 kann aus Kohlenstoff gebildet sein; und die Scheibe 40 und andere Bauteile wie die Welle 12, das Gehäuse 14 und/oder das Halteglied 26 können aus einem rostfreien Stahl geformt sein. Die zusammenwirkenden Dichtungsflächen 20f und 22f sind also etwas haltbarer, obwohl die Dichtungsfläche 20f des Primärdichtungsrings 20, der aus Kohlenstoff besteht, ganz klar weicher und verformbarer als die Dichtungsfläche 22f des Paßdichtungsrings 22, der aus Wolframkarbit gebildet ist, sein kann. Die Steifigkeit des Kohlenstoffs ist zehnmal geringer als die von Stahl. Der Kohlenstoffring ist also in dramatischer Weise eher einer Verformung aus Grund von Drücken und Temperaturen im Betrieb als Stahl und Wolframkarbit ausgesetzt.
Die mechanische Dichtung 10 kann besonders brauchbar bei einer Welle 12 mit einem Durchmesser von mehr als drei oder mehr Zoll (7,5 oder mehr cm) sein; der Primärdichtungsring 20 und die Scheibe 40 sind sogar noch größer als dieses Arbeiten bei Drücken von 13790 N/m² (2000 psi) oder mehr und Temperaturen von 260ºC (500ºF) oder mehr. Der Primärdichtungsring 20 kann kleiner als einen halben Zoll axialer Dicke haben (=1,27 cm) und die Scheibe 40 kann axial kleiner als ein viertel Zoll (0,64 cm) sein; um sie leicht zu machen, damit sie schnell auf die dynamischen Betriebskräfte ansprechen. Solche Kräfte sorgen auch für eine Verformung und ungleiche Belastung; der Federring kann sich verdrehen und/oder verformen und/oder sich unter Arbeitsbedingungen verkanten und damit nicht-parallel zur Dichtungsfläche 22f auf den schwereren Paßdichtungsring 22 kommen. Ein Zentrieren der Achse der beiden relativ zueinander drehbaren Ringe ist wichtig für das Dichtungsgesamtverhalten und die Lebensdauer.
Bei der Dichtung 10 der Fig. 1 zentriert der O-Ring 50 den Primärring 20 relativ zur Welle 12 über das Zusammenwirken mit dem Halteglied, der axial die Ringfläche 38 verschiebt. Da jedoch der Primärring 20 aus relativ weichem Material... Kohlenstoff, hergestellt ist, ist es schwierig, eine Kerbe 48 mit genauen Toleranzen zu bilden; außerdem kann solch eine Kerbe leichter versagen, wenn sie Betriebsbeanspruchungen oder Spannungen ausgesetzt ist. Auch die Scheibe 40 hat keinerlei vertikale Abstützung, außer die, wenn ihr Innendurchmesser 40d auf der Haltegliedfläche 38 läuft. Dies kann eintreten, wenn die Scheibe 40 von der Mitte relativ zur Welle durch Schwerkraft oder eine andere Kraft, wie Fig. 6 zeigt, fortgedrückt wird. Im versetzten Zustand kontaktiert die Scheibe 40 die Haltegliedfläche 38 im Bereich 47 an oder nahe der 12-Uhr-Stellung; es ergibt sich ein radialer Spalt im Bereich 49 an oder nahe der 6-Uhr-Stellung. Diese Situation erzeugt eine Reibkraft gegen die Axialbewegung der Scheibe 40 und damit des Primärrings 20 und begünstigt die Entwicklung nicht-symmetrischer Kräfte zwischen den Dichtungsflächen 20f und 22f.
Die in Fig. 2 dargestellte Dichtung 110 ist eine verbesserte Version der in Fig. 1 gezeigten Dichtung 10. Die Welle 12, das Gehäuse 14, das Halteglied 26 und viele andere Bauteile sind ähnlich den bezüglich der Dichtung 10 beschriebenen und werden daher mit den gleichen Bezugszeichen behaftet, wie sie bei der Beschreibung der Dichtung 10 verwendet wurden. Der ringförmige Primärring 120 hat allerdings keine hierin ausgebildete Nut oder Kerbe, vielmehr verfügt er über eine scharf abgewinkelte Ecke. Die Scheibe 140 ist von einer axialen Dicke, die etwa gleich der doppelten derjenigen der Scheibe 40 ist. Der Primärring 120 ist entsprechend dünner in Axialrichtung. Die Ringnut 148 ist benachbart der Innenfläche 140i in der Scheibe 140 und dem Innendurchmesser 140d benachbart der Haltegliedfläche 38 ausgebildet. Ein O-Ring ist in diese Kerbe oder Nut eingepaßt. Der O-Ring 50 wirkt zwischen dem Primärring 120 und dem Gehäuse 12 über die Fläche 38 des Halteglieds 26 und stellt eine gasdichte Abdichtung zwischen diesen Bauteilen in diesem Bereich her. Auch hat die Scheibe 140 eine genutete Sitzfläche 143 und nimmt so jede Feder 44 auf.
Während die O-ringförmige Nut 148 in der Scheibe 140 ausgebildet ist und aus relativ zähem Material... rostfreiem Stahl, hergestellt ist, kann die Fabrikation mit genauen Toleranzen erfolgen und die fertige Scheibe 140 wird haltbar und widersteht den Betriebsbeanspruchungen verglichen mit der Dichtung 10 der Fig. 1.
Der O-Ring 50 zentriert die Scheibe 140 relativ zur Haltefläche 38. Der Primärdichtungsring 120 ist nicht länger zentriert, liegt am Boden vielmehr aufgrund von Schwerkraft, wie Fig. 6 zeigt, gegen die Haltegliedfläche 38 im Bereich 47 oder nahe der 12-Uhr-Stellung oder weniger häufig gegen die Keilstifte 34 an oder nahe der 6-Uhr-Stellung an (eine solche Situation ist nicht dargestellt)... abhängig von der relativen Toleranz dieser Bauteile.
Da der Primärdichtungsring 120 aus relativ weichem und verformbarem Kohlenstoff hergestellt ist, wird bei der dargestellten am Außendurchmesser unter Druck gesetzten Dichtung bei Erhöhung von Temperatur und Druck durch Betrieb der Kompressorpumpe oder eines anderen Gerätes, in welchem die Dichtung installiert ist, diese nach innen zusammengedrückt. Da dies bekannt ist, müssen radiale Auslegungsspalte größer als eine solche Verforinung zwischen dem Innendurchmesser 120d und dem primären Dichtungsring sowie der Außenabmessung der Welle oder Fläche 38 des Halteglieds 26 vorgesehen sein. Für eine Dichtung mit 3 Zoll (7,5 cm) sollte dieser Spalt bei 0,060 englischen Zoll (0,1524 cm) oder mehr liegen. Die exzentrische Positionierung des Primärrings 120 könnte so bei 0,030 englischen Zoll (0,0762 cm) liegen. Während des Anfangsbetriebs der Dichtung ohne Druck ist der Primärdichtungsring 120 exzentrisch auf seinem Innendurchmesser relativ zur Welle abgestützt; dies erzeugt eine nicht-gleichförmige Belastung der Dichtungsflächen 20f und 22f, wenn Druckaufbau eintritt.
Die exzentrische Position des Primärrings 120 ist in Fig. 6 dargestellt. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 war die Scheibe 40 frei und konnte durch Schwerkraft in die dargestellte exzentrische Position gedrückt werden. Bei der Ausführungsform der Fig. 2 ist der Dichtungsring 120 nun frei und kann durch Schwerkraft veranlaßt werden, eine exzentrische Position einzunehmen. Der Innendurchmesser 120d kontaktiert den Außendurchmesser 38 der Haltegliedhülse 26 und jeder Spalt sammelt sich in der 6-Uhr-Stellung (Bezugszeichen 49). Der Ring kontaktiert die Fläche 38 an der Stelle 47. Die vorstehenden Faktoren vermindern in ungünstiger Weise die Empfindlichkeit der Innendurchmesser zentrierten, Außendurchmesser druckbeaufschlagten Dichtung 110. 0bwohl also die hydrostatischen und/oder hydrodynamischen Gaskräfte zwischen den Dichtungsflächen 20f und 22f versuchen, die Kräfte der Federn 44 und des auf die Federseite des Dichtungsrings wirkenden Fluiddrucks auszugleichen, kann sich der Dichtungsring 120 nicht gleichförmig radial und/oder axial zur Welle bewegen und führt zu einem unzweckmäßigen oder nicht-gleichförmigen Spalt 24, der einen lokalisierten Dichtungsflächenkontakt und/oder einen übermäßigen Leckweg aufweist.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der verbesserten Dichtung 210 nach der Erfindung. Fig. 3 ist natürlich ein Querschnitt durch den Boden der Dichtung in der 6-Uhr-Stellung, wie Fig. 7 angibt. Wieder sind die Welle 12, das Gehäuse 14, das Halteglied 26 und viele andere Bauteile ähnlich den bezüglich der Dichtungen 10 und 110 erwähnten und werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die bei der Erwähnung dieser Dichtungen benutzt wurden.
In der Dichtung 210 ist die Scheibe 240 zwischen dem Primärdichtungsring 220 und der Haltegliedwandung 42 ähnlich wie bei der Dichtung der Fig. 2 angeordnet. Eine Kerbe oder Nut 248 ist in der Scheibe 240 benachbart der radial innenseitigen Fläche 240i und dem Innendurchmesser 240d ausgebildet. Der Innendurchmesser 240d ist größer als die Zylinderfläche 38 des Halteglieds 26, und zwar um eine Größe, daß der Spalt unter allen Arbeitsbedingungen möglich ist. Der O-Ring 50 wird in die Nut oder Kerbe248 eingepaßt und gegen die Nut oder Kerbe 48 und die außenseitige Radialfläche 220b des Primärdichtungsrings 220 zusammengedrückt. Diese Merkmale sind ähnlich der Dichtung 110 der Fig. 2 und stellen eine gasdichte Abdichtung zwischen dem Primärring 220 und dem Gehäusehalteglied 26 her und zentrieren die Scheibe 240 relativ zur Haltegliedfläche 38 und der Welle 12.
Die Dichtung 210 unterscheidet sich von der Dichtung 110 dadurch, dar eine Ringlippe 250 am Außenrand der Scheibe 240 angeordnet ist und sich axial erstreckt und über eine zylindrische Innenfläche 251 innenseitig zur radialen innenseitigen Fläche 240i verfügt und so ausgebildet ist, daß sie mit relativ engem Radialspiel eine Zylinderfläche 252 überlagert, die durch die Erhebung 253 (Entlastung) am Außenumfangsring 220 benachbart der außenseitigen Fläche 220b gebildet ist. Beispielsweise kann ein solches Radialspiel nur einige wenige Tausendstel Zoll (0,002 -0,008 englische Zoll) (0,00508 - 0,203 cm) relativ zu einem Gesamtdurchmesser des Rings 220 und der Scheibenbauteile 240 von gegebenenfalls drei oder mehr englischem Zoll (7,5 oder mehr cm) umfassen.
Das Radialspiel zwischen der Innenfläche 251 der Scheiben lippe 250 und der Ringentlastungsfläche 252 ist viel geringer als das Radialspiel zwischen dem Innendurchmesser zwischen der Innenfläche 220d des primären Dichtungsrings 220 und der Zylinderflächen 38 könnten(0,60 englische Zoll) 0,15 cm oder mehr betragen.
Der O-Ring 50 zentriert die Scheibe 240 relativ zur Haltegliedfläche 38 und der Welle 12; während die enge Toleranz zwischen der Innenfläche 251 der Scheibenlippe 250 und dem Außendurchmesser der Entlastung oder Erhöhung 252, die auf dem primären Dichtungsring 220 ausgebildet ist, dafür sorgt, daß die Scheibe 240 auch dann im primären Dichtungsring 220 relativ zur gleichen Haltegliedfläche 38 und der Welle 12 zentriert. Dieses Zentrieren wird wirksam, um den Primäring relativ zum Paßring 20 auf der Welle 12 zu zentrieren. Während die O-Ringnut 148 und die Zentrierlippe 250 auf der Scheibe 240 ausgebildet sind und aus einem zähem Stahl bestehen, kann die Fabrikation bei genauen Toleranzen erfolgen und zu einer Scheibe führen, die ausreichend haltbar ist, um die Betriebsbeanspruchungen auszuhalten.
Bei einem Aufbau des enthaltenen Drucks hinter der außenseitig druckbeaufschlagten Dichtung 210 und auch als Ergebnis erhöhter Temperaturen während des Betriebs wird der Primärdichtungsring 220 veranlaßt, nach innen zusammengedrückt zu werden und sich von der Lippe 250 fortzubewegen. Der Ring 220 ist dann frei von jedem Kontakt mit der Lippe 250 an der Entlastungsfläche 252 und auch frei von dem Kontakt des Innendurchmessers 220d mit der zylindrischen Fläche 38. Der Primärring wird so zwischen dem Paßring 22 und der radial innenseitigen Fläche 240i der Scheibe 240 in zentrierter Beziehung zum Ring 220 gefangen. Er ist also frei für jeden unerwünschten Kontakt mit der Fläche 38, die den Dichtungsbetrieb ungünstig beeinflussen würde. Diese zentrierte Position - Fig. 7 - ist somit im Ruhezustand oder während des Betriebs gegeben. Das Spiel an den Stellen 47 und 49 der Fig. 7 ist im wesentlichen gleich und soll ein konzentrisches Ansprechen der Dichtung auf Niveaus sichern, die durch Arbeitsdruck und beitstemperaturen hervorgerufen sind.
Die Dichtungsflächen 20f und 22f, die in einer zentrierten Orientierung ohne die Drücke des enthaltenen Fluid beginnen, verbleiben verläßlicher zentriert und symmetrisch zur Welle 12. Da die zentrierten Dichtungsflächen im wesentlichen parallel sind, wird möglicher Dichtflächenkontakt und hieraus resultierender Gasaustritt durch einen nicht-symmetrischen Spalt 24 zwischen den Bereichen niedrigen und hohen Drucks 16 und 18 auf sich gegenüberliegenden Seiten auf ein Minimum herabgesetzt.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird eine Dichtung mit einem axial beweglichen Dichtring, der an dem abzudichtenden den Hochdruck ausgesetztern Umfangsrand zentriert ist, geschaffen. Bei Druckanstieg wird der Dichtungsring veranlaßt, aus dem Eingriff mit den Zentriermitteln sich zu bewegen und doch axial mit seinem Paßring zu verbleiben. Das Prinzip ist anwendbar sowohl beim Außendurchmesser druckbeaufschlagte Dichtungen wie sie vorgestellt sind, sowie am Innendurchmesser druckbeaufschlagte Dichtungen. Nach der bevorzugten Ausführungsform wird ein Zentrieren des axial beweglichen Rings durch eine Scheibe gewährleistet, die bezüglich der Welle, die den Dichtungspaßring trägt, zentriert ist. Die Scheibe umfaßt eine Ringlippe, die einen Teil des Umfangs des Dichtungsrings umgibt, der gegen den abzudichtenden Druck freiliegt. Bei Steigerung des Drucks aufgrung einer Drucksteigerung durch den Betrieb des Geräts, in welchem die Dichtung eingebaut ist, wird der primäre oder axial bewegliche Ring aus seinem Kontakt mit der Lippe gedrückt jedoch in einer radial zentrierten Position durch die auftretenden Betriebskräfte gehalten.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist nach der Darstellung der mechanischen Dichtung weder die Welle 12 noch das Gehäuse 14 ein einzelnes Bauelement; vielmehr hat jedes mehrere Bauteile in Form von Hülsen oder Flanschen. Auf alle Fälle jedoch sind die Bauteile so ausgelegt, daß sie sich fest an der Welle 12 oder dem Gehäuse anbringen lassen und wirken als ein einziges Bauteil zusammen. Somit ist in diesem Zusammenhang die Bezugnahme auf Welle oder Gehäuse mit breiter Bedeutung anzusehen.

Claims

1. Mechanische Dichtung (210) zur Schaffung einer fluiddichten Abdichtung zwischen einem Gehäuse (14) und einer relativ hierzu drehbaren Welle (12), wobei diese mechanische Dichtung (210) ringförmige primäre und zusammenpassende Ringe (220,22) umfaßt, die im allgemeinen radiale zusammenpassende Dichtungsflächen (220f,22f) bilden, wobei einer dieser Ringe abgedichtet und nicht drehbar relativ zum Gehäuse (14) koaxial zur Welle verbunden ist; der andere dieser Ringe abgedichtet und nicht drehbar und koaxial zur Welle (12) verbunden ist, um sich hiermit zu drehen; wobei dieser primäre Ring (220) axial relativ zu diesem zusammenpassenden Ring (22) beweglich ist; Vorspannungsmittel (44) derartiger Auslegung, daß sie den axial beweglichen Ring (220) gegen den anderen (22) beauf schlagen, um diese Dichtungsflächen (220f,22f) in relativ drehenden fluiddichten Dichtungseingriff zu bringen; ein Mittel, daß diesen axial beweglichen Ring im allgemeinen koaxial zu dieser Welle positioniert, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Mittel eine Scheibe (240) zwischen diesem Vorspannungsmittel (44) und diesem axial beweglichen Ring (220) umfaßt, wobei Mittel (50,38) diese Scheibe koaxial zu dieser Welle zentrieren und Mittel (250) auf dieser Scheibe (240) diesen axial beweglichen Ring (220) kontaktieren, um diesen koaxial zu dieser Scheibe zu zentrieren.

2. Mechanische Dichtung ( 210) nach Anspruch 1, wobei dieses Mittel auf dieser Scheibe eine Lippe (250) umfasst, die eine zylindrische Fläche definiert und diese Fläche diesen axial beweglichen Ring (220) erfasst.

3. Mechanische Dichtung nach Anspruch 2, wobei dieser axialbewegliche Ring eine eine zylindrische Fläche (252) definierende Entlastung umfasst und wobei die zylindrische Fläche (250) dieser Scheibe diese Zylinderfläche (252) dieses axialbeweglichen Rings überlagert und trägt.

4. Mechanische Dichtung (210) nach Anspruch 3, wobei dieser axialbewegliche Ring (220) und diese Scheibe (240) gegen Drehung an diesem Gehäuse befestigt sind.

5. Mechanische Dichtung (210) nach Anspruch 4, wobei dieses zentriermittel eine Ringhülse (26) umfasst, die an diesem Gehäuse (14) koaxial zu dieser Welle (12) befestigt und von derartiger Abmessung ist, daß diese Welle (12) hindurchgehen kann und sich bezüglich dieser drehen kann und wobei diese Hülse eine glatte Zylinderfläche (38) mit axialbeweglichem Ring definiert und diese Scheibe diese glatte Zylinderfläche überlagert und axialbeweglich relativ hierzu ist, wobei dieses die Scheibe zentrierende Mittel einen Ohrring (50) umfasst, der zwischen dieser Scheibe (240) und dieser glatten Zylinderfläche (38) dieser Hülse (26) gedrückt ist, um koaxial diese Scheibe (240) relativ zu dieser Hülse (26) auszurichten.

6. Mechanische Dichtung (210) nach Anspruch 5 wobei diese Lippe (250) auf dieser Scheibe (240) diesen axialbeweglichen Ring (220) benachbart, dessen Umfangsrand kontaktiert, der dem Druck des abzudichtenden Fluids ausgesetzt ist.

7. Mechanische Dichtung (210) nach Anspruch 6, wobei die Aussenumfangsränder dieser ringförmigen Dichtungsringe dem Druck des abzudichtenden Fluids ausgesetzt sind und diese auf diesem axialbeweglichen Ring ausgebildete Entlastung sich benachbarn deren Aussenumfangsfläche befindet und diese Zylinderfläche dieser Lippe (250), diese zylinderfläche dieser Entlastung (253) trägt.

8. Mechanische Dichtung (210) nach Anspruch 7, wobei diese Zylinderfläche (252) dieser Entlastung von einem Durchmesser geringer als der Durchmesser des Aussenumfangs dieses axialbeweglichen Rings ist.

9. Mechanische Dichtung nach Anspruch 8, wobei dieser axialbewegliche Dichtungsring eine aussenliegende Radialfläche (220b) umfasst, diese Scheibe eine innenliegende Radialfläche umfasst, wobei diese zylindrische Fläche (251) dieser Lippe (250) dieser Scheibe sich innerhalb dieser aussenliegenden Radialfläche (220b) dieses axialbeweglichen Dichtungsrings erstreckt und diese axiale Trägerfläche dieser Entlastung erfasst.

10. Mechanische Dichtung nach Anspruch 9, wobei diese Scheibe einen Innendurchmesser hat, der diese glatte Zylinderfläche (38) dieser Hülse (26) aufnimmt, wobei eine Kerbe (48) an dieser innenliegenden Radialfläche dieses Innendurchmessers ausgebildet ist, dieser O- Ring gegen diese Nut, diese glatte zylindrische Fläche (38) und diese aussenliegende Radialfläche (220b) dieses axialbeweglichen Rings zusainmengedrückt wird.

11. Mechanische Dichtung nach Anspruch 10, wobei dieser Innendurchmesser dieser Scheibe und der Innendurchmesser dieses axialbeweglichen Dichtungsrings so relativ zum Durchmesser dieser glatten Zylinderfläche dieser Hülse bemessen sind, daß der Freiraum zwischen der Axialfläche (251) dieser Lippe (250) dieser Scheibe (240) und der zylindrischen Fläche (252) dieser Entlastung geringer als der Freiraum zwischen dieser glatten zylindrischen Fläche dieses Rückhalteelements und dem Innendurchmesser dieser Scheibe sowie diesem axialbeweglichen Ring ist.

12. Mechanische Dichtung nach Anspruch 11, bei der dieser Freiraum zwischen dieser zylindrischen Fläche (251) dieser Lippe (250) dieser Scheibe (240) und dieser zylindrischen Fläche (252) dieser Entlastung etwa 0,15 cm (0,060 inch) beträgt.

13. Mechanische Dichtung nach Anspruch 12, bei der diese aussenliegende Radialfläche (220b) dieses axialbeweglichen Rings und der Abstand zur innenliegenden Radialfläche dieser Scheibe vorgesehen ist.

14. Mechanische Dichtung nach Anspruch 13, bei der eine dieser radial zusainmenpassenden Dichtungsflächen (22f,220f) mit einer Vielzahl von Spiralpumpnuten versehen ist, die vom Umfangsrand dieses dem Hochdruck ausgesetzten Rings teilweise quer zur Fläche gegen den anderen Umfangsrand reichen.