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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsvorrichtung
vom berührungsfreien Typ zum Einsatz bei
Luftgebläsemaschinen, wie z.B. Turbinen, Bläser und Kompressoren, um die
durch die senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Flächen
ausleckende Flüssigkeitsmenge zu begrenzen, und im speziellen
eine Dichtungsvorrichtung gemäß der Präambel von Anspruch 1.
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Eine derartige Dichtungsvorrichtung ist beispielsweise aus
EP-A-0499 370 (EP) bekannt. Ferner zeigt Figur 8 eine
typische herkömmliche Dichtungsvorrichtung vom berührungsfreien
Typ. Im Falle dieser herkömmlichen Dichtungsvorrichtung sind
in einer Dichtfläche 81a eines rotierenden Dichtrings 81 im
gewissen Abstand entlang der umlaufenden Richtung der
Dichtfläche 81a Spiralrillen 82 ausgebildet, die einen dynamischer
Druck erzeugen. Wenn sich der rotierende Dichtring 81 dreht,
tritt durch die Pumpwirkung der Spiralrillen 82 in der
Dichtfläche 81a des rotierenden Dichtrings 81 zwangsläufig
Dichtflüssigkeit zwischen die Dichtflächen ein, so daß sich eine
Lücke zwischen den einander gegenüberliegenden Dichtflächen
ausbildet und sich diese nicht mehr berühren.
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Im Falle dieser herkömmlichen Dichtungsvorrichtung ist es
jedoch schwierig, die Dichtflächen stabil parallel zueinander
zu halten, so daß sie ausgezeichnete Dichteigenschaften
erzeugen, wenn die Dichtungsvorrichtung bei hoher
Geschwindigkeit und unter Hochdruck in einer Gastrubine, einem
Kompressor oder einer anderen Vorrichtung betrieben wird. Anders
ausgedrückt kommen die Dichtflächen teilweise miteinander in
Berührung wenn sie durch Druck und Wärme verformt werden, da
die Lücke zwischen ihnen nur klein ist. Die Verteilung des
auf sie ausgeübten Drucks erfolgt somit nicht mehr
ausgeglichen, daher erwärmen sie sich stark und verformen sich
zusehends. So werden sie verformt und weisen keine
Dichtwirkung mehr auf.
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Zur Lösung dieser Aufgabe offenbart die japanische
Patentveröffentlichung Hei 1-22509 (und EP-A-0013 678) eine weitere
Dichtungsvorrichtung, in der ein rotierender Dichtring und
ein stationärer Ring so konstruiert sind, daß sie
selbstausrichtende Dichtflächen aufweisen. Im Falle dieser anderen
Dichtungsvorrichtung werden drei Parameter, d.h. Tiefe jeder
Spiralrille in der Dichtfläche, Betrag der Breite der
Dichtfläche relativ zur Breite der Spiralrille in radialer
Richtung der Dichtfläche und Differenzbetrag so eingestellt,
daß bei Verformung der Dichtflächen automatisch ein Moment
erzeugt wird, das verhindert, daß die Dichtflächen verformt
werden und das sie parallel zueinander hält.
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Im Falle der in der japanischen Patentveröffentlichung Hei 1-
22509 (und EP-A-0013 678) offenbarten Dichtungsvorrichtung
mit selbstausrichtenden Dichtflächen sind die Werte der drei
gesetzten Parameter jedoch jeweils begrenzt. Wenn die
Maschine nicht in Betrieb ist, berühren sich die
Dichtflächen, doch wenn sie in Betrieb ist, wird dynamischer Druck
erzeugt, der das Auslecken von Dichtflüssigkeit fördert. Das
erhöht die ausleckende Flüssigkeitsmenge.
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Die Präambel von Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung
gründet sich auf EP-0 499 370, die als der am nächsten liegende
Stand der Technik angesehen wird und die eine mechanische
Dichtungsvorrichtung für Vorwärts- und Rückwärtsdrehung
offenbart, die einen ersten und einen zweiten Dichtring
beinhaltet, die relativ zueinander verdrehbar sind. Diese
bekannte Dichtungsvorrichtung beinhaltet Rillen zu Erzeugung
eines dynamischen Drucks, die sich zu einem Rand einer
Dichtfläche hin öffnen, und eine fortlaufende ringförmige
Dämmformation ist zwischen den Rillenbereichen und dem anderen
Rand der Dichtfläche vorgesehen. Bei dieser bekannten
Dichtungsvorrichtung hat jeder Rillenbereich mindestens zwei
Hinterkanten relativ zur Drehung in einer Richtung, wobei
diese Hinterkanten durch Wände definiert werden, die in der
Ebene der Dichtfläche stumpfwinklig zu der einen Drehrichtung
stehen, und wenigstens eine Hinterkante, die relativ zur
Drehrichtung in der entgegengesetzten Richtung geneigt
angeordnet ist; wobei die Hinterkanten relativ zu jeder
Drehrichtung jeweils von einer Querwand begrenzt werden, die sich
umfangsmäßig um die Dichtfläche erstreckt.
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Jedoch sagt EP-0 499 370 nichts aus über einen
selbstausrichtenden Vorgang, der bei Verformung des Dichtungsrings
verhindert, daß der Dichtungsring mit einem anderen
Dichtungsring in Berührung kommt und die Dichtungsringe stets
parallel zueinander hält.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegende Erfindung, die obigen
Nachteile des bisherigen Stands der Technik zu beseitigen.
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Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Dichtungsvorrichtung vom berührungsfreien Typ
bereitzustellen,
die bei hoher Geschwindigkeit und unter Hochdruck
eingesetzt werden kann und verhindert, daß der Druckausgleich
verloren geht, wenn Dichtflächen durch den Druck der zu
dichtenden Flüssigkeit und durch erzeugte Wärme verformt
werden und die Flüssigkeitsmenge reduzieren, die zwischen die
Dichtflächen tritt, und Befürchtungen beseitigt, daß die
Dichtflächen verformt werden.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Dichtungsvorrichtung vom berührungsfreien Typ
bereitzustellen, die über die gesamte Dichtfläche einen dynamischen
Druck erzeugen kann.
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Diese Aufgaben der vorliegenden Erfindung können nur durch
eine Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst werden.
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Gemäß der Dichtungsvorrichtung vom berührungsfreien Typ der
vorliegenden Erfindung kann durch dynamischen Druck
erzeugende Spiralrillen Hochdruckflüssigkeit zwischen die
Dichtflächen eingeführt werden, um die Dichtflächen stabil
parallel zueinander zu halten. Selbst wenn die Maschine bei
hoher Geschwindigkeit und unter Hochdruck betrieben wird,
bleiben die Dichtflächen daher stabil. Wenn ferner die
Dichtflächen durch Druck und Wärme verformt werden sollten, kann
durch die Pumpwirkung der Spiralrillen ein Moment zur
Korrektur ihrer Neigung erzeugt werden, um so zuverlässig zu
verhindern, daß sie miteinander in Berührung kommen. Des
weiteren kann die aufgrund des auf sie ausgeübten
unterschiedlichen Drucks austretende Flüssigkeitsmenge durch die
Pumpwirkung der umgekehrten Rillen reduziert werden. Ferner
können Staub in der Luft, Ölnebel in den Lagern und andere
Stoffe nicht in die spiralförmigen und in die umgekehrten
Rillen eindringen, da die vom vorderen Ende jeder Spiralrille
fortlaufende umgekehrte Rille am vorderen Ende geschlossen
ist. Die Dichtflächen werden daher durch diese
Verschmutzungen,
Ölnebel und sonstige eindringende Stoffe nicht
beschädigt. Dadurch kann die Dichtungsvorrichtung auch bei
Gebrauch über längere Zeit eine gewisse Dichtungskapazität
erzeugen. Die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen
Dichtungsvorrichtung kann somit verbessert werden. Auch wenn eine
oder beide Dichtflächen nach innen oder außen durch Wärme
verzogen werden, kann die Verteilung des auf sie ausgeübten
Drucks im Gleichgewicht gehalten werden und so zuverlässig
verhindert werden, daß sie miteinander in Berührung kommen.
Ferner können sie auf diese Weise ausreichend dynamischen
Druck erzeugen, und dieser kann gleichmäßig auf die gesamte
Dichtfläche verteilt werden. Dies verhindert zuverlässig, daß
die Dichtflächen miteinander in Berührung kommen.
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Diese und weitere Aufgaben sowie Vorzüge der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung
ersichtlich.
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Figur 1 ist ein vergrößerter senkrechter Schnitt zur
Darstellung des Hauptteils der Dichtungsvorrichtung vom
berührungsfreien Typ gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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Figur 2 ist eine Draufsicht, die die Dichtfläche des
rotierenden Dichtrings zeigt;
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Figur 3 ist eine Ansicht zur Darstellung des
Größenverhältnisses zwischen der spiralförmigen und der umgekehrten
Rille, gemessen in radialer Richtung der Dichtfläche;
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Figur 4 ist eine Ansicht zur Darstellung der Verteilung der
auf die Dichtflächen ausgeübten Drücke, wenn die Dichtflächen
nicht verformt sind;
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Figur 5 ist eine Ansicht zur Darstellung der Druckverteilung,
wenn eine Dichtfläche nach innen verzogen ist;
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Figur 6 ist eine Ansicht zur Darstellung der Druckverteilung,
wenn eine der Dichtflächen nach außen verzogen ist;
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Figur 7 ist eine Ansicht zur Darstellung der Druckverteilung,
wenn die Breite der spiralförmigen und der umgekehrten Rillen
in radialer Richtung der Dichtfläche auf einen bestimmten
Bereich eingestellt ist; und
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Figur 8 zeigt eine Dichtfläche einer herkömmlichen
Dichtungsvorrichtung vom berührungsfreien Typ.
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Figur 1 ist ein vergrößerter Senkrechtschnitt und zeigt einen
Hauptteil der Dichtungsvorrichtung vom berührungfreien Typ
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In
Figur 1 stellt Bezugsziffer 1 ein Gehäuse dar, 2 eine
Drehwelle, die durch das Gehäuse 1 läuft, und 3 einen Ring, der
an der Innenwand des Gehäuses 1 befestigt ist. Bezugsziffer 4
bezeichnet einen stationären Ring, der vom befestigten Ring 3
gehaltert wird und mit einer Endfläche 4a versehen ist, die
senkrecht auf der Achse der Drehwelle 2 steht. Bezugsziffer 5
bezeichnet einen Dichtring, der um die Drehwelle 2 angeordnet
ist und sich mit ihr zusammen dreht. Dieser rotierende
Dichtring 5 weist eine Endfläche 5a gegenüber der Endfläche 4a des
stationären Rings 4 und senkrecht zur Achse der Drehwelle 2
auf. Beide Endflächen 4a und 5a der Ringe 4 und 5, die
einander gegenüberliegen, dienen als Dichtflächen.
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Der stationäre Ring 3 wird relativ zum Gehäuse 1 z.B. durch
ein Anschlagglied 6 in axialer Richtung dazu positioniert,
und ein O-Ring 7, der am äußeren Umfang des stationären Rings
3 sitzt, dichtet das Gehäuse 1 ab. Mehrere Sacklöcher 8 sind
in der Innenfläche dieses Teils 3a des stationären Rings 3
ausgebildet, der senkrecht zur Achse des stationären Rings 3
steht, und sie sind durch einen bestimmten Abstand in
umlaufender Richtung des stationären Rings 3 voneinander
getrennt. Jedes Sackloch 8 hält in seinem Inneren ein
Federglied 9, durch welches der stationäre Ring 4 durch eine
Scheibe 10 mit L-förmigem Querschnitt, die mit dem
stationären Ring 4 in Berührung steht und an ihm befestigt ist, in
axialer Richtung des Gehäuses 1 gedrückt wird. Ein O-Ring 11
sitzt zwischen dem stationären Ring 3 und der Scheibe 10 und
bildet ein Dichtung zwischen ihnen.
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Bezugsziffer 12 bezeichnet eine erste Buchse, die über die
Drehwelle 2 geschoben wird, und Bezugsziffer 13 bezeichnet
eine zweite Buchse, die über die erste Buchse 12 geschoben
wird. Der rotierende Dichtring 5 wird von einen Flansch 12a
der ersten Buchse 12 und der zweiten Buchse 13 in axialer
Richtung der Drehwelle 2 positioniert. Bezugsziffer 14 stellt
einen O-Ring dar, der verhindert, daß Flüssigkeit z.B. im
Gehäuse 1 zwischen der ersten Buchse 12 und der Drehwelle
ausleckt. Die Bezugsziffern 15 und 16 stellen O-Ringe dar,
die verhindern, daß Flüssigkeit im Gehäuse 1 zwischen dem
rotierenden Dichtring 5 und der ersten Buchse 12 ausleckt.
Bezugsziffer 17 bezeichnet einen Stift, der die erste Buchse
12 am Drehen relativ zur Drehwelle 2 hindert. Bezugsziffer 18
bezeichnet eine Hilfs-Labyrinthdichtung.
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Wie in Figur 2 dargestellt wird, sind in der Dichtfläche 5a
des rotierenden Dichtrings 5 eine Vielzahl von Rillen 19
ausgebildet, die einen dynamischen Druck erzeugen, wobei sich
jede spiralförmig vom äußeren umlaufenden Rand des Rings 5 zu
dessen inneren Rand erstreckt. Vorzugsweise sollte jede einen
dynamischen Druck erzeugende Spirale 19 eine Tiefe zwischen
2µm und 20µm in der Dichtfläche 5a des Dichtrings 5
aufweisen. Eine weitere Rille 20 erstreckt sich fortlaufend vom
vorderen Ende jeder Rille 19 in einer Richtung entlang des
Umfangs des Rings 5, aber quer zur Richtung, in der sich jede
Rille 19 erstreckt. Diese umgekehrte Rille 20 wird zum
vorderen Ende hin immer enger, und am vorderen Ende ist sie
schließlich geschlossen, wie in Figur 2 dargestellt wird.
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Wenn sich die Drehwelle 2 im Falle der oben beschriebenen
Dichtungsvorrichtung vom berührungsfreien Typ dreht, dreht
sich der Dichtring mit ihr. Da in der Dichtfläche 5a des
rotierenden Dichtrings 5 die den dynamischen Druck
erzeugenden Spiralrillen 19 ausgebildet sind, wird die Flüssigkeit
aufgrund der Pumpwirkung der Rillen 19 unter Kraft zwischen
die Dichtflächen 4a und 5a der Ringe 4 und 5 eingeführt. Als
Ergebnis wird ein Flüssigkeitsfilm mit einem gewissen
Dichtdruck zwischen den Dichtflächen 4a und 5a gehalten, der eine
gewünschte Menge Flüssigkeit durch eine schmale Lücke
zwischen ihnen austreten läßt.
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Auch wenn sich der Druck der abgedichteten Flüssigkeit
verändert, können auf den stationären Ring 4 und die Scheibe 10
ausgeübte Lasten ausgeglichen werden, was einen stabilen
Betrieb der Maschine ermöglicht.
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Selbst wenn die Dichtflächen 4a und 5a durch den Druck der
abgedichteten Flüssigkeit und durch unter
Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Maschine erzeugte Wärme, wobei der Druck auf
die Flächen 4a und 5a ungleichmäßig verteilt wird, verformt
werden, kann ein Moment erzeugt werden, das um das
Rotationszentrum durch Druck erhalten wird, der in der Nähe der
geschlossenen Frontenden 20a der umgekehrten Rillen 20, die
sich von den Frontenden der den dynamischen Druck erzeugenden
umgekehrten Rillen 20 aus kontinuierlich erstrecken, erzeugt
wird und am größten ist. Die Dichtflächen 4a und 5a können
auf diese Weise parallel zueinander gehalten werden.
Zusätzlich kann die austretende Flüssigkeitsmenge durch die
Pumpwirkung der umgekehrten Rillen 20 so klein wie möglich
gehalten werden, da die Pumpwirkung in die Richtung geht, in
der die zwischen den Dichtflächen 4a und 5a austretende
Flüssigkeit zurückgedrängt wird.
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Wenn die Dichtflächen 4a und 5a nicht durch Druck und Wärme
verformt sind, erfolgt die Druckverteilung wie in Figur 4,
doch hängt sie von einer Breite b&sub1; der spiralförmigen und
umgekehrten Rillen 19 und 20 sowie von einer Breite b&sub2; der
Spiralrille 19 in radialer Richtung der Dichtfläche 5a (siehe
Figur 3) ab.
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Wenn wir annehmen, die Breite der Dichtfläche 5a in radialer
Richtung sei b, die Breite der spiralförmigen und der
umgekehrten Rillen 19 und 20 sei b&sub1;, und die der Spiralrille 19
sei b&sub2;, sollte vorzugsweise b&sub1;/b im Bereich von 0,5 - 0,7
eingestellt werden. Der Grund hierfür ist folgender: Wenn
b&sub1;/b < 0,5, ist der von den spiralförmigen und den
umgekehrten Rillen 19 und 20 in der Dichtfläche 5a des
rotierenden Dichtrings 5 erzeugte Druck klein und wirkt nur in engen
Bereichen der Dichtflächen 4a und 5a entlang deren äußerem
Umfang. Er reicht daher nicht aus, die Dichtflächen 4a und 5a
in Berührung zu bringen.
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Wenn der stationäre Dichtring 4 nach innen verformt ist, wie
in Figur 5 im Falle von b&sub1;/b > 0,7 dargestellt wird, wird die
Druckverteilung P&sub1; < Q, wodurch die Lücke zwischen den
Dichtflächen 4a und 5a so klein wird, daß sie in Berührung kommen.
Wenn der stationäre Ring 4 nach außen verformt wird, wie in
Figur 6 dargestellt ist, wird die Druckverteilung P&sub2; > Q,
wodurch sich die Lücke vergrößert. P&sub2; wird auf diese Weise zu
P&sub3; gleich Q.
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Wenn b&sub1;/b, wie oben beschrieben, im Bereich von 0,5 - 0,7
liegt, wird die Druckverteilung daher P&sub4; > Q, wie in Figur 7
im Falle einer Verformung des stationären Rings 4 nach innen
dargestellt ist, wodurch die Lücke zwischen den Dichtflächen
4a und 5a größer wird, und die Druckverteilung wird P&sub5; = Q,
wenn der stationäre Ring 4 nach außen verformt ist. Anders
ausgedrückt kann die Verteilung des auf die Dichtflächen 4a
und 5a ausgeübten Drucks sogar dann ausgeglichen bleiben,
wenn der stationäre Dichtungsring 4 entweder nach innen oder
nach außen verformt ist, und somit kann zuverlässiger
verhindert werden, daß die Dichtflächen 4a und 5a miteinander in
Berührung kommen.
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Vorzugsweise soll b&sub2;/b&sub1; in einem Bereich von 0,6 - 0,7 liegen.
Der Grund ist folgender: Wenn b&sub2;/b&sub1; < 0,6 ist, reicht die
Wirkung der Spiralrillen 19 zur Erzeugung eines dynamischen
Drucks nicht aus, einen hinreichend großen Druck zu erzeugen,
so daß die Dichtflächen 4a und 5a nicht miteinander in
Berührung kommen. Wenn der stationäre Dichtring 4 im Falle
b&sub2;/b&sub1; > 0,7 nach innen verformt ist, ist die Druckverteilung
unausgeglichen, wodurch die Lücke zwischen den Dichtflächen
4a und 5a so klein wird, daß sie miteinander in Berührung
kommen.
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Das vordere Ende jeder umgekehrten Rille 20 ist geschlossen.
Das verhindert, daß Staub aus der Luft und Ölnebel aus den
Lagern zwischen den stationären Ring und den rotierenden
Dichtring 4 bzw. 5 eindringen können, d.h. es muß nicht
befürchtet werden, daß ihre Dichtflächen 4a und 5a durch Staub
und Ölnebel beschädigt werden.
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Zwar sind die spiralförmigen und die umgekehrten Rillen 19
und 20 im oben beschriebenen Fall in der Dichtfläche 5a des
rotierender Dichtrings 5 ausgebildet, sie können jedoch auch
im stationären Dichtring 4 ausgebildet sein.
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Ferner ist es nicht notwendig, daß jede umgekehrte Rille 20
wie oben beschrieben konisch zuläuft Sie kann nötigenfalls
auch jede andere, beliebige Form haben.