DE3940258A1 - Gasgesperrte, kontaktlose dichtungsanordnung fuer eine welle - Google Patents
Gasgesperrte, kontaktlose dichtungsanordnung fuer eine welleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine gasgesperrte, kontaktlose Dichtungsanord
nung für eine Welle, - mit Dichtungsgehäuse, in dem Dichtungsgehäuse
angeordnetem Stator-Dichtungsring und auf der Welle angeordnetem,
wellenfesten Rotor-Dichtungsring, wobei die beiden Dichtungsringe mit
ihren Dichtungsstirnflächen unter Zwischenschaltung der Gassperrung
gegeneinander mit einem Dichtungsspalt arbeiten, wobei der Rotor-Dich
tungsring aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit sowie großen
Elastizitätsmoduls und großer Härte besteht und wobei der Stator-Dich
tungsring gegenüber einem wellenseiten Zylinderteil des Dichtungsge
häuses im Betriebszustand und unter vorgegebenem Betriebsdifferenz
druck einen Funktionsringspalt aufweist, der durch einen in einer Nut
angeordneten abdichtenden O-Ring aus Gummi oder Kunststoff abgedichtet
und mit einer durch zumindest eine Andrückfeder vorgegebenen Andrück
kraft gegen die Gassperrung gedrückt ist. Bei einer solchen Dichtungs
anordnung ist zu unterscheiden zwischen dem beschriebenen Funktions
ringspalt und dem Montageringspalt, der konstruktiv vorgegeben ist.
Der Funktionsringspalt entwickelt sich aus dem Montageringspalt durch
sogenannte Einfederung im montierten Zustand unter dem Einfluß des
abzudichtenden Betriebsdifferenzdruckes. - Es versteht sich, daß die
Auslegung einer solchen gasgesperrten, kontaktlosen Dichtungsanordnung
unter Berücksichtigung der speziellen Dichtungsaufgaben im übrigen
nach der herrschenden Baulehre erfolgt, und zwar unter Anwendung der
entsprechenden Methoden, die die Ingenieurwissenschaft seit 1925 zu
diesem Thema entwickelt hat. Geeignete Hartdichtungswerkstoffe sind
z. B. in der Literaturstelle VDI-Zeitschrift 102 (1960), Nr. 18, Seiten
728 bis 732, beschrieben.
Bei der bekannten gattungsgemäßen Dichtungsanordnung (EP 00 13 678)
sind die Vertiefungen von zumindest einem Umfangsrand des entsprechen
den Dichtungsringes ausgehende Spiralnuten. Es besteht lediglich der
Rotor-Dichtungsring aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit sowie
großen Elastizitätsmoduls und großer Härte. Der Stator-Dichtungsring
besteht zwingend aus einem Werkstoff von vergleichsweise kleinem Elasti
zitätsmodul und geringer Härte, nämlich aus Kohlenstoff, dessen Wärme
leitfähigkeit nicht ausgezeichnet ist. Auf das Porenvolumen und die
Oberflächenrauhigkeit der Dichtungsstirnflächen wird kein besonderer
Wert gelegt. Aus dem verhältnismäßig kleinen Elastizitätsmodul und der
Wärmeleitfähigkeit des Stator-Dichtungsringes dieser bekannten Dichtungs
anordnung resultiert eine durch die Arbeitstemperatur der Dichtungsan
ordnung bedingte Verwindungsverformung, eine sogenannte Stülpung.
Tatsächlich beträgt das Temperaturgefälle in axialer Richtung 25°C
und mehr. Eine solche Verwindungsverformung des Stator-Dichtungsringes
würde die Dichtungsverhältnisse und wegen unvermeidbarer Kontakte
der Dichtungsflächen im Betrieb die Standzeit beider Dichtungsringe und
damit der Dichtungsanordnung insgesamt nachteilig beeinflussen. Im
Rahmen der bekannten gattungsgemäßen Maßnahmen sind daher die An
ordnung und die Auslegung so getroffen, daß der Verwindungsverformung
entgegenwirkende Momente aus der Druckverteilung im Dichtungsspalt,
d. h. in der Gassperrung, entstehen. Zwingend notwendig dazu ist,
daß die Vertiefungen förderwirksame, eine Pumpwirkung erzeugende
Spiralrillen sind und daß die Spiralrillen, die zumindest im Rotor-Dich
tungsring angeordnet sind, lediglich von einem Umfang der Dichtungs
stirnfläche ausgehen sowie an einem Damm oder Steg enden, wobei in
bezug auf die Spiralrillentiefe, in bezug auf das sogenannte Stegbreiten
verhältnis sowie in bezug auf das Gleichgewicht bestimmte zahlenmäßige
Parameter eingehalten werden müssen. Selbst wenn man diese zwingenden
Maßnahmen verwirklicht, ist der erreichte Effekt unbefriedigend. Das
angestrebte Gleichgewicht besteht nicht in allen Betriebszuständen. Die
Planparallelität der Dichtungsstirnflächen läßt sich durch die Rückstel
lung lediglich zu maximal 70% wieder herstellen. Das alles beruht
darauf, daß die bekannten Maßnahmen auf die tribologischen Eigen
schaften der Dichtung (wie Tragfähigkeit, Steifheit, Reibmoment) keine
Rücksicht nehmen, während daraus resultierende Mängel durch den Ver
such einer Rückstellung der Verwindungsverformungen des Stator-Dich
tungsringes nicht ausreichend kompensiert werden können. Im übrigen
resultiert aus den beschriebenen Zusammenhängen bei der bekannten
Ausführungsform eine störend hohe Leckrate, die mit zunehmender Dreh
zahl der Welle und damit des Rotor-Dichtungsringes wegen der Pump
wirkung der Spiralrillen in starkem Maße zunimmt und durch die nur
unvollständige Rückstellung noch vergrößert wird.
Die Tatsache, daß bei der vorstehend beschriebenen bekannten Ausfüh
rungsform eine temperaturbedingte und differenzdruckbedingte Verwindungs
verformung des Stator-Dichtungsringes zugelassen und durch Einrichtung
des Flächenträgheitsmomentes des Stator-Dichtungsringes sogar provoziert
wird, die durch die beschriebene Druckverteilung in der Gassperrung
wieder zurückgestellt werden soll, hat einen weiteren, störenden Nach
teil: Die beschriebene Verwindung bewirkt nach den Gesetzen der Mecha
nik, daß der Montageringspalt beachtlich größer sein muß als derjenige
Funktionsringspalt, der sich einstellt, wenn der Stator-Dichtungsring
seine Verwindung erfahren hat, und zwar ohne Rücksicht auf die
Rückstellung dieser Verwindung durch die Druckverteilung in der
Gassperrung. Auf die Rückstellung kommt es für die Bemessung des
Montageringspaltes und das Verhältnis Montageringspalt/Funktionsring
spalt bei verschiedenen Betriebszuständen der Dichtungsanordnung nicht
an, weil die temperaturbedingte Verformung und die vom Betriebszustand
der Dichtungsanordnung abhängige Rückstellung nicht gleichzeitig er
folgen, andererseits aber stets sichergestellt sein muß, daß ein Kontakt
an den Dichtungsstirnflächen des Rotor-Dichtungsringes sowie des Stator-
Dichtungsringes nicht geschieht. In der Praxis liegt bei allen üblichen
Durchmesserverhältnissen von Dichtungsanordnungen des beschriebenen
Aufbaus die Spaltdicke des Montageringspaltes im Bereich von 0,4 oder
0,5 mm. Diese Ringspaltdicke muß von dem aus Gummi oder Kunststoff
bestehenden O-Ring auch bei anstehendem Betriebsdifferenzdruck be
herrscht werden, und zwar sowohl dann, wenn sich im Anfahrzustand
die endgültige Temperaturverteilung noch nicht eingestellt hat, als
auch dann, wenn nach endgültiger Einstellung der Temperaturverteilung
die angestrebte Rückstellung mehr oder weniger vollständig erfolgt.
Folglich muß bei der bekannten Ausführungsform der O-Ring in bezug
auf seine Werkstoffhärte in Shore so ausgelegt werden, daß er durch
den Betriebsdifferenzdruck nicht in einen Ringspalt entsprechend dem
Montageringspalt von etwa 0,4 oder 0,5 mm hineingedrückt wird und
durch sogenannte Extrusion vorzeitig zerstört wird. Der O-Ring ist bei
der bekannten Ausführungsform entsprechend hart ausgelegt. Seine Werk
stoffhärte beträgt 90 und mehr Shore A nach DIN 53 505. Nichtsdesto
weniger sind mit der bekannten Ausführungsform Betriebsdifferenzdrücke
von über 90 oder maximal 100 bar praktisch nicht beherrschbar, wenn
die Anwendung die üblichen Standzeiten von mehreren tausend Betriebs
stunden für die Dichtungsanordnung insgesamt verlangt. Andererseits
verlangt die Praxis in zunehmendem Maße Dichtungsanordnungen des
eingangs beschriebenen grundsätzlichen Aufbaus auch für extrem hohe
Betriebsdifferenzdrücke, die weit über 100 bar liegen. Hinzu kommt
bei der bekannten Ausführungsform eine Funktionsbeeinträchtigung der
Dichtungsanordnung insgesamt durch den O-Ring großer Härte vor dem
Ringspalt zwischen Stator-Dichtungsring und Zylinderteil des Dichtungs
gehäuses. Tatsächlich rotieren bei einer Dichtungsanordnung des be
schriebenen Aufbaus die Welle mit dem Rotor-Dichtungsring nie voll
kommen rund und nie vollkommen koaxial zu dem Stator-Dichtungsring
mit den angeschlossenen Gehäusebauteilen. Daraus können Vibrationen
resultieren, die dem Stator-Dichtungsring induziert werden. Insoweit
muß in dem beschriebenen Funktionsringspalt (gleichgültig, wie groß
er sich im Betrieb eingestellt hat), ein gewisses Spiel verwirklicht sein,
ohne daß die Dichtwirkung beeinträchtigt wird. Ist ein O-Ring mit
großer Werkstoffhärte verwirklicht, so folgt er der induzierten Bewegung
des Stator-Dichtungsringes nicht und beeinträchtigt er das beschriebene
Spiel mit nachteiligem Einfluß auf die Dichtwirkung sowohl in dem Ring
spalt zwischen dem beschriebenen Zylinderteil und dem Stator-Dichtungs
ring als auch in der Gassperrung. Im übrigen kann es zu nachteiligen
Kontakten zwischen den Dichtungsstirnflächen am Rotor-Dichtungsring
und am Stator-Dichtungsring kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gasgesperrte, kontakt
lose Dichtungsanordnung des eingangs beschriebenen Aufbaus so weiter
auszubilden, daß sie für wesentlich höhere Drücke als die bekannte
Ausführungsform, z. B. für Betriebsdifferenzdrücke bis zu 300 oder sogar
bis zu 500 bar, einsetzbar ist, und zwar bei hoher Dichtwirkung und
großer Standzeit.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß auch der Stator-
Dichtungsring aus einem Hartdichtungswerkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit
sowie großen Elastizitätsmoduls und großer Härte besteht, und zwar
wie der Rotor-Dichtungsring aus einem Hartdichtungswerkstoff mit einer
Wärmeleitfähigkeit von über 70 W/mK (= kJ/mhK), einem Elastizitäts
modul von über 250 000 N/mm2 bei entsprechender Härte und einem
Porenvolumen von unter 1% sowie einer Oberflächenrauhigkeit von unter
0,3 µm (Ra), vorzugsweise von unter 0,03 µm (Ra), daß der Stator-
Dichtungsring ein so großes Flächenträgheitsmoment aufweist, daß die
Spaltdicke des Funktionsringspaltes zwischen dem wellenseitigen Zylinder
teil des Dichtungsgehäuses und dem Stator-Dichtungsring im Betriebszu
stand und unter Betriebsdifferenzdruck mit der konstruktiv vorgegebenen
Spaltdicke des Montageringspaltes zwischen Zylinderteil und Stator-Dich
tungsring in allen Betriebszuständen praktisch übereinstimmt und kleiner
ist als 0,4 mm, vorzugsweise kleiner ist als 0,3 mm, und daß der ab
dichtende O-Ring zusätzlich als Ausgleichszentrierring für den Stator-
Dichtungsring ausgelegt ist und dazu eine Werkstoffhärte aufweist, die
größer als der Extrusionsgrenzwert der Werkstoffhärte bei der angege
benen Spaltweite und dem vorgegebenen Betriebsdifferenzdruck und
kleiner ist als die Werkstoffhärte von 90 Shore A nach DIN 53 505. Vor
zugweise ist die Werkstoffhärte sogar kleiner als 80 Shore A nach der
angegebenen Norm. - Mit anderen Worten sind erfindungsgemäß die An
ordnung und Auslegung so getroffen, daß sich die Orientierung der
Dichtungsstirnflächen vom Rotor-Dichtungsring und Stator-Dichtungsring
im Betrieb nicht ändern, vorzugsweise stets parallel bleibt.
Bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung braucht in bezug auf
die Auslegung der Vertiefungen keine Rücksicht genommen werden auf
die Erzeugung irgendwelcher Rückstellkräfte. Folglich können die Ver
tiefungen und die Dichtungsstirnflächen an dem Rotor-Dichtungsring
und an dem Stator-Dichtungsring so ausgelegt werden, daß eine optimale
Dichtwirkung durch Gassperrung erreicht wird. Dazu können die Ver
tiefungen als förderwirksame Spiralrillen ausgelegt sein. In diesem
Zusammenhang besteht aber auch die Möglichkeit, die Vertiefungen als
druckwirksame Einsenkungen mit Staukante auszuführen.
Spiralrillen sind in gasdynamischer Hinsicht Elemente, die eine definierte
Förderung bewirken. Die Förderung kann ausgenutzt werden, um dem
Leckstrom, der die einleitend angesprochene Leckrate bestimmt, entgegen
zu wirken. Vertiefungen mit einer Staukante sind demgegenüber in gas
dynamischer Hinsicht Elemente, die einer definierten Förderung des
Gases entgegenwirken, nämlich eine Stauung bewirken. In beiden Fäl
len läßt sich die Dichtwirkung optimieren und ist die Optimierung nicht
dadurch beeinträchtigt, daß die Rückstellkräfte im Rahmen besonderer
Gleichgewichtsbedingungen erzeugt werden müssen.
Nach bevorzugter Ausführungsform besitzt der Stator-Dichtungsring ein
Flächenträgheitsmoment, welches temperaturbedingten Verwindungsver
formungen seiner Dichtungsstirnfläche verhindert. Ein solches Flächen
trägheitsmoment kann mit den modernen computergestützen Rechenmethoden
der technischen Mechanik unschwer ermittelt werden. Ra bezeichnet den
Mittenrauhigkeitswert nach DIN 4768. Nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung weisen zusätzlich die Dichtungsstirnflächen bei Zimmer
temperatur und bei einem Temperaturgradienten von Null eine Ebenheit
von 0,4 µm pro 100 mm Durchmesser auf.
Unter Beachtung der angegebenen Forderung über Wärmeleitfähigkeit,
Elastizitätsmodul und Härte können die Dichtungsringe aus verschie
denen Werkstoffen aufgebaut werden. Bewährt hat sich, daß die Dich
tungsringe aus einem der Werkstoffe der Gruppe "Wolframcarbid, Sili
ciumcarbid, Silicium/Siliciumcarbid-Compound, Titancarbid" bestehen.
Sie werden z. B. durch Sintern oder Pressinter hergestellt, wobei das
Porenvolumen einstellbar ist. Im Rahmen der Erfindung können beide
Dichtungsringe aus dem gleichen Werkstoff aufgebaut sein. Man kann
aber auch die Anordnung so treffen, daß die Dichtungsringe in bezug
auf den Stator-Dichtungsring einerseits und den Rotor-Dichtungsring
andererseits Paarungen der vorgenannten Werkstoffe aufweisen. Im Sin
ne einer Optimierung lehrt die Erfindung, daß die Dichtungsringe ein
Porenvolumen von unter 0, 5% besitzen. Der Stator-Dichtungsring be
sitzt vorzugsweise einen Ringquerschnitt, dessen Ringhöhe in axialer
Richtung zumindest dem Zweifachen der radialen Ringbreite entspricht.
In bezug auf die Anordnung der Vertiefungen ist eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Gasdichtungsanordnung dadurch gekennzeichnet,
daß die Vertiefungen an einem Umfang der Dichtungsstirnflächen begin
nen und an einem Damm der Dichtungsstirnflächen enden, der aus dem
vertiefungsfreien Teil der Dichtungsstirnflächen besteht. Die Vertiefungen
können aber auch sowohl vom Innendurchmesser als auch vom Außen
durchmesser der Dichtungsstirnflächen ausgehen und an einem vertie
fungsfreien Damm enden. In diesem Fall kann die Ausführungsform mit
Spiralrillen so eingerichtet sein, daß die Pumpwirkungen einander ent
gegengerichtet sind. Insbesondere bei der Ausführungsform mit Stau
kanten ist es vorteilhaft, die Vertiefungen an einem mäanderförmig
verlaufenden Damm enden zu lassen. Im Rahmen der Erfindung liegt
es, die Dichtungsstirnflächen mit einer Notlaufausrüstung zu versehen.
Diese kann z. B. aus einer Auflage oder Beschichtung von einigen µm
aus Graphit, Polytetrafluoräthylen od. dgl. bestehen. Sie kann aber
auch aus in den Dichtungswerkstoff eingelagertem Kohlenstoff bestehen.
Von besonderer Bedeutung ist im Rahmen der Erfindung die Ausführungs
form mit Staukanten an den Vertiefungen. In diesem Zusammenhang ist
eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die Staukante der Vertiefungen in radialer Richtung verläuft. Die
Staukante kann aber auch als kreisbogenförmiger Abschnitt von in der
Draufsicht kreisförmigen Vertiefungen ausgeführt sein. Ein anderer Vor
schlag der Erfindung geht dahin, die Staukante als Seitenkante von
in der Draufsicht dreieckförmigen Vertiefungen auszuführen, deren Drei
eckspitze am Umfangsrand gleichsam abgeschnitten ist. Stets empfiehlt
es sich, die Anordnung so zu treffen, daß die Vertiefungen in bezug
auf eine in radialer Richtung verlaufende Linie symmetrisch ausgeführt
sind. Ist diese Symmetrie erfüllt, so arbeitet die erfindungsgemäße Gas
dichtungsanordnung drehrichtungsunabhängig. Ist dieses nicht erforder
lich oder nicht erwünscht, so können die Vertiefungen mit Staukante
unsymmetrisch, z. B. L-förmig, gestaltet sein. Die Tiefe der Vertiefungen
liegt im µm-Bereich.
Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß bei der erfindungsge
mäßen Gasdichtungsanordnung die tribologischen Eigenschaften so kom
biniert und die Vertiefungen so eingerichtet sind, daß die Erzeugung
von die Verwindungsverformung rückstellenden Momenten aus der Druck
verteilung im Dichtungsspalt nicht mehr erforderlich ist. Auf Vertie
fungen, die eine ausgeprägte Pumpwirkung erzeugen, kann verzichtet
werden und wird bei der Ausführungform mit Staukanten praktisch voll
ständig verzichtet, was die Leckrate beachtlich reduziert. Vergleicht
man eine zum Stand der Technik gehörende gattungsgemäße Gasdichtungs
anordnung bei sonst gleicher Auslegung für gleiche Betriebsverhältnisse
mit einer erfindungsgemäßen Gasdichtungsanordnung, so läßt sich die
Leckrate um zumindest 50% reduzieren. Dazu trägt auch bei, daß die
Dichtungsringe im Betrieb zwar eine Temperaturerhöhung erfahren, diese
besitzt jedoch nach dem Einlaufen und daraus resultierendem Temperatur
gleichgewicht einen so geringen Temperaturgradienten, daß schon aus
diesem Grunde störende Verwindungsverformungen praktisch nicht auf
treten. Das Temperaturgefälle in axialer Richtung liegt unter 1°C,
während es bei den eingangs behandelten bekannten Ausführungsformen
fast 20°C beträgt. Das gilt für alle üblichen Größen der Gasdichtungs
anordnung, Wellendurchmesser z. B. 50 bis 250 mm, Gleitgeschwindigkeit
bis 150 m/sek. Im übrigen verhindert das Flächenträgheitsmoment des
Stator-Dichtungsringes die Verwindungsverformungen. Hinzu kommt, daß
das geringe Porenvolumen und die geringe Oberflächenrauhigkeit in
dem Bereich, in dem Vertiefungen nicht angeordnet sind, die Leckrate
weiter reduzieren. Überraschenderweise bestehen auch keinerlei Einlauf
probleme und Auslaufprobleme. Letzteres hängt damit zusammen, daß
bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung der Montageringspalt
und der Funktionsringspalt zwischen Stator-Dichtungsring und zuge
ordnetem Zylinderteil des Gehäuses bei allen Betriebsbedingungen prak
tisch die gleiche Spaltdicke aufweisen. Diese ist so minimal, daß mit
einem O-Ring verhältnismäßig geringer Werkstoffhärte gearbeitet werden
kann, ohne daß selbst bei hohen Betriebsdifferenzdrücken Extrusions
gefahr besteht. Die erfindungsgemäßen Dichtungsanordnungen sind daher
insbesondere als Hochdruckdichtungen geeignet und arbeiten stets mit
großer Standzeit.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausfüh
rungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zei
gen in schematischer Darstellung
Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtungsan
ordnung im montierten Zustand,
Fig. 2 eine Ansicht des Rotor-Dichtungsringes aus dem Gegenstand
nach Fig. 1,
Fig. 3 bis 7 andere Ausführungsformen des Gegenstandes der Fig. 2,
Fig. 8 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 im Bereich der Dich
tungsstirnflächen,
Fig. 9 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 im Bereich des Funk
tionsspaltes.
Die in den Fig. 1 bis 7 dargestellte Dichtungsanordnung für eine Welle 1
besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem Dichtungsgehäuse 2,
einem in dem Dichtungsgehäuse 2 angeordneten Stator-Dichtungsring 3
und einem auf der Welle 1 angeordneten, wellenfesten Rotor-Dichtungs
ring 4. Die beiden Dichtungsringe 3, 4 arbeiten mit ihren Dichtungs
stirnflächen 3a bzw. 4a, von denen im Ausführungsbeispiel die des
Rotor-Dichtungsringes 4 zu einem Umfangsrand hin offene Vertiefungen 5
aufweist, gegeneinander mit einem Abstandsspalt bei 6, der aus Maß
stabsgründen in Fig. 1 nicht erkennbar ist. Der Stator-Dichtungsring 3
arbeitet mit einer vorgegebenen Andrückkraft, die im Ausführungsbei
spiel mit über den Umfang des Stator-Dichtungsringes 3 verteilten
Federn 7 resultiert, in Richtung auf den Rotor-Dichtungsring 4. Der
Stator-Dichtungsring 3, der eine Ringhöhe 8 aufweist, die größer ist
als seine Dichtungsstirnflächenbreite 9, ist beweglich gelagert.
Die beiden Dichtungsringe 3, 4 bestehen aus einem Werkstoff hoher
Wärmeleitfähigkeit sowie großen Elastizitätsmoduls mit großer Härte.
Beide Dichtungsringe 3, 4 besitzen das vorstehend angegebene geringe
Porenvolumen und die vorstehend angegebene geringe Oberflächenrauhig
keit. Der Stator-Dichtungsring 3 besitzt im übrigen ein axiales Flächen
trägheitsmoment, welches temperaturbedingte Verwindungsverformungen
seiner Dichtungsstirnfläche 3a verhindert. Das läßt der aus der Fig. 1
entnehmbare Querschnitt nachvollziehen. Die Vertiefungen 5, zu denen
auf die Fig. 2 und 3 verwiesen wird, sind, ohne Rücksicht auf die
Ausbildung von den Verwindungsverformungen entgegenwirkenden Mo
menten aus der Druckverteilung so ausgebildet und eingerichtet, daß
die Leckrate minimiert wird. Das erreicht man wegen der Staukanten 5a,
die einem Pumpeffekt entgegenwirken. In den Fig. 2 und 3 sind die
Vertiefungen T-förmig mit radialen Staukanten 5a ausgeführt. In Fig. 4
sind die Vertiefungen 5 kreisförmig, in Fig. 5 dreieckförmig mit gleich
sam abgeschnittener Spitze. Die Dichtungsringe 3, 4 bestehen aus einem
der angegebenen Werkstoffe oder entsprechenden Paarungen.
Aus den Fig. 2 sowie 4 und 5 entnimmt man, daß die Vertiefungen 5
an einem Außenumfang der Dichtungsstirnfläche 4a beginnen und an
einem Damm 10 der Dichtungsstirnfläche 4a enden, der aus dem vertie
fungsfreien Teil der Dichtungsstirnfläche 4a besteht. Gemäß Fig. 3 be
ginnen die Vertiefungen 5 sowohl am Innendurchmesser als auch am
Außendurchmesser der Dichtungsstirnfläche 4a. Sie enden an einem mitti
gen, vertiefungsfreien Damm 10. Der Damm 10 verläuft in Fig. 3 gleich
sam mäanderförmig. Die Dichtungsstirnflächen 3a, 4a können eine Not
laufausrüstung geringer Dicke aus Graphit, Polytetrafluoräthylen
od. dgl. tragen, was aus Maßstabsgründen nicht gezeichnet wurde.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 sind die Vertiefungen 5
Spiralnuten. Im übrigen besteht Übereinstimmung mit der Ausführungs
form nach den Fig. 2 und 3.
Die Fig. 8, die einen vergrößerten Ausschnitt aus der Fig. 1 darstellt,
soll verdeutlichen, daß die beiden Dichtungsstirnflächen 3a, 4a sehr
genau planparallel zueinander eingerichtet sind. Sie definieren im Be
triebszustand einen Dichtspalt D, und zwar einen Starrspalt. Er wird
im Betrieb durch die Gassperrung aufrechterhalten. In der Fig. 1 er
kennt man den Funktionsringspalt F. Der Funktionsringspalt F, der
sich im Betrieb einstellt, stimmt mit dem konstruktiv vorgegebenen
Montageringspalt überein. Beide haben praktisch die gleiche Spaltdicke.
Sie ist, bezogen auf den Radius, vorzugsweise gleich oder kleiner als
0,3 mm. Der Stator-Dichtungsring 3 ist unter allen Betriebsbedingungen
verwindungsfrei ausgelegt. Der in Fig. 9 dargestellte vergrößerte Aus
schnitt soll erkennbar machen, daß der O-Ring 11 sich in den Funk
tionsringspalt F, der die angegebene geringe Spaltdicke aufweist, auch
bei hohen Betriebsdruckdifferenzen nicht hineindrücken kann, also nicht
in diesen Funktionsringspalt F hineinextrudiert wird. Das beruht darauf,
daß der Funktionsringspalt sehr klein ist. Nichtsdestoweniger kann der
O-Ring 11 eine vergleichsweise kleine Werkstoffhärte aufweisen, so daß
der beschriebene Ausgleich möglich ist. Die Erfindung erlaubt es, mit
O-Ringen 11 zu arbeiten, die eine für die Orientierung der Dichtungs
stirnflächen zueinander vorteilhafte Elastizität aufweisen. Die in der
Fig. 1 erkennbare Andrückfeder 7 kann beispielsweise nach Art einer
geschlossenen Balgfeder ausgeführt und zusätzlich als Zentrierelement
eingesetzt sein.
Während bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7 die Dichtungs
stirnflächen 4a am Rotor-Dichtungsring 4 bzw. 3a am Stator-Dichtungs
ring 3 planparallel zueinander angeordnet sind, zeigt die Fig. 8 als
Ausschnitt aus dem Gegenstand der Fig. 1 und vergrößert strichpunktiert
eine Ausführungsform, bei der die Dichtungsstirnfläche 3a des Stator-
Dichtungsringes 3 im Radialschnitt aus zwei Ringflächen besteht, die
über eine Kante 12 aneinander angeschlossen sind. Im Ausführungsbei
spiel sind diese Ringflächen schräg zueinander gestellt und bilden sie
einen First. Sie könnten an dieser Stelle auch eine Stufe bilden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Stator-Dichtungsring 3
so ausgelegt werden kann, daß er keine störenden temperaturbedingten
Verwindungen oder sonstigen betriebsbedingten Verformungen erfährt.
Das erlaubt es, einen sehr kleinen Montageringspalt und damit praktisch
übereinstimmenden Funktionsringspalt F zu verwirklichen, der klein
genug ist, um mit O-Ringen zu arbeiten, die selbst bei einem Betriebs
differenzdruck von 300 oder sogar 500 bar nicht in den Ringspalt hin
einextrudiert und dadurch vorzeitig zerstört werden. Im übrigen wird
die beschriebene Ausgleichswirkung erreicht. Im Ergebnis zeichnet sich
die erfindungsgemäße gasgesperrte Dichtungsanordnung dadurch aus,
daß sie auch für hohe und sehr hohe Drücke geeignet ist und zwar
mit minimaler Leckrate und sehr großer Standzeit.
Claims (11)
1. Gasgesperrte, kontaktlose Dichtungsanordnung für eine Welle, - mit
Dichtungsgehäuse,
in dem Dichtungsgehäuse angeordnetem Stator-Dichtungsring und
auf der Welle angeordnetem, wellenfesten Rotor-Dichtungsring,
wobei die beiden Dichtungsringe mit ihren Dichtungsstirnflächen unter Zwischenschaltung der Gassperrung gegeneinander mit einem Dichtungs spalt arbeiten, wobei der Rotor-Dichtungsring aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit sowie großen Elastizitätsmoduls und großer Härte besteht und wobei der Stator-Dichtungsring gegenüber einem wel lenseitigen Zylinderteil des Dichtungsgehäuses im Betriebszustand und unter vorgegebenem Betriebsdifferenzdruck einen Funktionsringspalt auf weist, der durch einen in einer Nut angeordneten abdichtenden O-Ring aus Gummi oder Kunststoff abgedichtet und mit einer durch zumindest eine Andrückfeder vorgegebenen Andrückkraft gegen die Gassperrung ge drückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Stator-Dichtungsring aus einem Hartdichtungswerkstoff hoher Wärme leitfähigkeit sowie großen Elastizitätsmoduls und großer Härte besteht, und zwar wie der Rotor-Dichtungsring
aus einem Hartdichtungswerkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 70 W/mK (= kJ/mhK), einem Elastizitätsmodul von über 250 000 N/mm2 bei entsprechender Härte und einem Porenvolumen von unter 1% sowie einer Oberflächenrauhigkeit von unter 0,3 µm (Ra), vorzugsweise von unter 0,03 µm (Ra),
daß der Stator-Dichtungsring ein so großes Flächenträgheitsmoment auf weist, daß die Spaltdicke des Funktionsringspaltes zwischen dem wellen seitigen Zylinderteil des Dichtungsgehäuses und dem Stator-Dichtungs ring im Betriebszustand und unter Betriebsdifferenzdruck mit der kon struktiv vorgegebenen Spaltdicke des Montageringspaltes zwischen Zy linderteil und Stator-Dichtungsring in allen Betriebszuständen praktisch übereinstimmt und kleiner ist als 0,4 mm, vorzugsweise kleiner ist als 0,3 mm, und daß der abdichtende O-Ring zusätzlich als Ausgleichszen trierring für den Stator-Dichtungsring ausgelegt ist und dazu eine Werk stoffhärte aufweist, die größer als der Extrusionsgrenzwert der Werk stoffhärte bei der angegebenen Spaltweite und dem vorgegebenen Be triebsdifferenzdruck und kleiner ist als die Werkstoffhärte von 90 Shore A nach DIN 53 505, vorzugsweise kleiner als 80 Shore A.
Dichtungsgehäuse,
in dem Dichtungsgehäuse angeordnetem Stator-Dichtungsring und
auf der Welle angeordnetem, wellenfesten Rotor-Dichtungsring,
wobei die beiden Dichtungsringe mit ihren Dichtungsstirnflächen unter Zwischenschaltung der Gassperrung gegeneinander mit einem Dichtungs spalt arbeiten, wobei der Rotor-Dichtungsring aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit sowie großen Elastizitätsmoduls und großer Härte besteht und wobei der Stator-Dichtungsring gegenüber einem wel lenseitigen Zylinderteil des Dichtungsgehäuses im Betriebszustand und unter vorgegebenem Betriebsdifferenzdruck einen Funktionsringspalt auf weist, der durch einen in einer Nut angeordneten abdichtenden O-Ring aus Gummi oder Kunststoff abgedichtet und mit einer durch zumindest eine Andrückfeder vorgegebenen Andrückkraft gegen die Gassperrung ge drückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Stator-Dichtungsring aus einem Hartdichtungswerkstoff hoher Wärme leitfähigkeit sowie großen Elastizitätsmoduls und großer Härte besteht, und zwar wie der Rotor-Dichtungsring
aus einem Hartdichtungswerkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 70 W/mK (= kJ/mhK), einem Elastizitätsmodul von über 250 000 N/mm2 bei entsprechender Härte und einem Porenvolumen von unter 1% sowie einer Oberflächenrauhigkeit von unter 0,3 µm (Ra), vorzugsweise von unter 0,03 µm (Ra),
daß der Stator-Dichtungsring ein so großes Flächenträgheitsmoment auf weist, daß die Spaltdicke des Funktionsringspaltes zwischen dem wellen seitigen Zylinderteil des Dichtungsgehäuses und dem Stator-Dichtungs ring im Betriebszustand und unter Betriebsdifferenzdruck mit der kon struktiv vorgegebenen Spaltdicke des Montageringspaltes zwischen Zy linderteil und Stator-Dichtungsring in allen Betriebszuständen praktisch übereinstimmt und kleiner ist als 0,4 mm, vorzugsweise kleiner ist als 0,3 mm, und daß der abdichtende O-Ring zusätzlich als Ausgleichszen trierring für den Stator-Dichtungsring ausgelegt ist und dazu eine Werk stoffhärte aufweist, die größer als der Extrusionsgrenzwert der Werk stoffhärte bei der angegebenen Spaltweite und dem vorgegebenen Be triebsdifferenzdruck und kleiner ist als die Werkstoffhärte von 90 Shore A nach DIN 53 505, vorzugsweise kleiner als 80 Shore A.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vertiefungen förderwirksame Spiralrillen sind.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vertiefungen druckwirksame Einsenkungen mit Staukante sind.
4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rotor-Dichtungsring und der Stator-Dichtungs
ring aus einem der Werkstoffe der Gruppe "Wolframcarbid, Silicium
carbid, Silicium/Siliciumcarbid-Compound, Titancarbid" oder Paarungen
davon bestehen.
5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dichtungsstirnflächen des Stator-Dichtungsringes
sowie des Rotor-Dichtungsringes bei Zimmertemperatur und bei einem
Temperaturgradienten von Null eine Ebenheit von 0,4 µm pro 100 mm
Durchmesser aufweisen.
6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stator-Dichtungsring sowie der Rotor-Dichtungs
ring ein Porenvolumen von unter 0,5% aufweisen.
7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stator-Dichtungsring einen Ringquerschnitt auf
weist, dessen Ringhöhe in axialer Richtung zumindest dem Zweifachen
der Ringbreite entspricht.
8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vertiefungen an einem Umfang der Dichtungs
stirnflächen beginnen und an einem Damm der Dichtungsstirnflächen
enden, der aus einem spiralrillenfreien Teil der Dichtungsstirnflächen
besteht.
9. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dichtungsstirnfläche des Stator-Dichtungsringes
im Radialschnitt aus mindestens zwei Ringflächen besteht, die über eine
Kante aneinander angeschlossen sind.
10. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dichtungsstirnfläche des Stator-Dichtungsringes
im Radialschnitt aus zwei schräggestellten Ringflächen besteht, die un
ter der Bildung eines Firstes oder einer Stufe aneinander angeschlossen
sind.
11. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dichtungsstirnfläche des Stator-Dichtungsringes
und die des Rotor-Dichtungsringes in allen Betriebszuständen zueinan
der die gleiche Orientierung aufweisen, vorzugsweise zueinander parallel
verlaufen.
Priority Applications (9)
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---|---|---|---|
DE19893940258 DE3940258A1 (de) | 1989-10-12 | 1989-12-06 | Gasgesperrte, kontaktlose dichtungsanordnung fuer eine welle |
AT90123043T ATE106999T1 (de) | 1989-12-06 | 1990-12-01 | Gasgesperrte, kontaktlose dichtungsanordnung für eine welle. |
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