DE3940258A1 - Gasgesperrte, kontaktlose dichtungsanordnung fuer eine welle - Google Patents

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.

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.