DE69303749T2

DE69303749T2 - Gleitringdichtung mit doppelten Spiralrillen

Info

Publication number: DE69303749T2
Application number: DE69303749T
Authority: DE
Inventors: Wei-Tang Lai
Original assignee: John Crane Inc
Current assignee: John Crane Inc
Priority date: 1992-04-02
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: EP0564153A1; CA2093151A1; US5201531A; CA2093151C; ATE140773T1; DE69303749D1; EP0564153B1; JPH0666374A

Description

Die Erfindung betrifft Gleitringdichtungen und insbesondere eine verbesserte Gleitringdichtung, die eine Konfiguration doppelter Spiralrillen verwendet, um eine Abnutzung und Leckmöglichkeit auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
Gleitringdichtungen der hierin behandelten Art sind insbesondere nützlich bei Betätigungsvorrichtungen für Hochgeschwindigkeitsfluide und enthalten im großen und ganzen ein Paar von Ringen, einen primären Dichtring und einen Gegenring, die mit gegenüberstehenden, im großen und ganzen radialen Dichtflächen ausgebildet sind, die eine ringförmige Dichtverbindung bestimmen. Einer der Ringe ist fixiert, um mit einer Drehwelle zu drehen, während der andere Ring nicht drehbar an einem Gehäuse befestigt ist, in dem die Welle gehalten wird. Vorrichtungen sind vorgesehen, um einen der Ringe senkrecht in Richtung auf den anderen vorzuspannen, so daß die Dichtringe senkrecht unter stationären Bedingungen im Eingriff sind. Unter dynamischen Bedingungen wird unter Druck stehendes Fluid in dem Gehäuse durch die Geometrie der Ringflächen veranlaßt, sich zwischen die Ringe zu bewegen und die Vorspannkraft zu überwinden und dadurch einen kleinen Spalt zwischen den Ringflächen zu bilden. Idealerweise reicht dieser Spalt aus, um einen Kontakt zwischen den Dichtflächen (um Hitze und Abnutzung auf ein Mindestmaß zu reduzieren) zu verhindern, und ist klein genug, um ein Fluidleck über die Dichtflächen auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Dichtungen von dieser Art sind aus EP-A-0 470 406 bekannt.
Das unter Druck stehende Fluid ist in dem Gehäuse benachbart zu einem umlaufenden Rand der Dichtringzwischenfläche vorhanden, während das dem anderen umlaufenden Rand der Ringzwischenfläche benachbarte Gebiet bei einem niedrigeren oder gleichen Druck ist. Der Rand, der dem unter Druck stehenden Fluid aufgesetzt ist, kann in Abhängigkeit davon, wie die Dichtung aufgebaut ist, an dem inneren oder dem äußeren Durchmesser zwischen der Welle und dem Gehäuse liegen.
Die gegenüberstehende Fläche eines der Ringe ist mit spiralförmigen Pumprillen ausgebildet, die in einer Richtung geneigt sind, so daß , wenn die Welle gedreht wird, Fluid von dem Rand der Ringe, der dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt ist, zwischen die Dichtflächen und in Richtung auf den Rand der Ringe, der den niedrigeren Druck ausgesetzt ist, gepumpt wird. Diese Fluid-Pumpwirkung erzeugt den beabsichtigten Spalt zwischen den Ringen, der wünschenswerterweise über den gesamten Bereich der Wellengeschwindigkeiten und Drücke beibehalten wird. Daher gibt es einen kleinen oder keinen Kontakt zwischen der primären und der Gegenringfläche unter dynamischen Bedingungen.
Es wird als wichtig betrachtet, ein Fluid-"leck", d.h. den Verlust an Fluid infolge des vollständigen Durchtritts oder des Eintritts zwischen die Dichtringflächen, zu kontrollieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Gleitringdichtungkonstruktion ein stationäres Gehäuse, eine in dem Gehäuse drehbar gelagerte Welle, ein Paar von relativ zueinander drehbaren Dichtringen, die die Welle umgeben, wobei einer der Ringe mit der Welle drehbar und der andere relativ zu dem Gehäuse fixiert ist, wobei die Ringe gegenüberstehende im großen und ganzen radiale Flächen aufweisen, eine Einrichtung, die einen der Ringe senkrecht in Richtung auf den anderen vorspannt, wobei die Ringe umlaufende Ränder, die einem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt sind, das in dem Gehäuse abzudichten ist, und einen zweiten Satz von umlaufenden Rändern aufweisen, die einem relativ niedrigeren Druck in einer Umgebung außerhalb des Gehäuses ausgesetzt sind, und eine Spiralrilleneinrichtung in der gegenüberstehenden Fläche von einem der Ringe auf, wobei die Spiralrilleneinrichtung eine Vielzahl von gleichförmig angeordneten stromab pumpenden Rillen aufweist, die ausgebildet sind, um mit dem Fluid in Verbindung zu stehen, das an dem umlaufenden Rand des Ringes abgedichtet werden soll, der dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt ist, und sich in Richtung auf den anderen umlaufenden Rand des einen Ringes erstrecken, wobei die stromab pumpenden Rillen einen spitzen Winkel an dem Schnittpunkt mit einer Tangente des umlaufenden Rands des Rings aufweisen, der dem unter Druck stehendem Fluid ausgesetzt ist, wobei der spitze Winkel der stromab pumpenden Rille in einem Bereich von 5º bis 20º liegt, wobei die stromab pumpenden Rillen während der Drehung der Welle betriebsfähig sind, um Fluid von dem umlaufenden Rand, der dem abzudichtenden Fluid ausgesetzt ist, in Richtung auf den anderen umlaufenden Rand des Ringes zu pumpen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralrilleneinrichtung des weiteren eine Vielzahl von gleichförmig angeordneten stromauf pumpenden Rillen aufweist, wobei jede stromauf pumpende Rille nur eine entsprechende Rille der stromab pumpenden Spiralrillen schneidet und dazu entgegengesetzt geneigt ist, wobei der spitze Winkel der stromauf pumpenden Rille in einem Bereich von ungefähr 5º bis ungefähr 20º liegt, wobei die stromauf pumpenden Rillen betriebsfähig sind, um Fluid, das zwischen den gegenüberüberstehenden Ringflächen ist, zurück in Richtung auf den umlaufenden Rand zu pumpen, der den abzudichtenden Fluid ausgesetzt ist, wobei die stromab pumpenden Rillen bei ihrem Schnittpunkt mit den stromauf pumpenden Rillen aufhören.
Die vorliegende Erfindung ist sowohl bei Konstruktionen nützlich, wo die Pumprillen in dem nicht drehenden Ring, als auch bei Konstruktionen, wo die Pumprillen in dem drehenden Dichtring ausgebildet sind, nützlich. Die Erfindung ist ebenfalls bei Konstruktionen nützlich, wo sowohl der Außendurchmesser der Dichtung dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt ist, als auch bei Konstruktionen, wo der Innendurchmesser der Dichtung dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt ist.
Man glaubt, daß die vorliegende Erfindung sowohl für Flüssigkeits- als auch Gasdruckdichtungen anwendbar ist, und sie wurde erfolgreich bei einer Flüssigkeitsdichtung getestet.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleitringdichtungsaufbau für die Abdichtung zwischen einem stationären Gehäuse, das ein unter Druck stehendes Fluid und eine in dem Gehäuse drehbar gelagerte Welle enthält. Sie umfaßt ein Paar relativ zueinander drehbarer Dichtringe, die die Welle umgeben, wobei einer der Ringe drehbar mit der Welle und der andere relativ zu dem Gehäuse fixiert ist, wobei die Ringe gegenüberstehende, im großen und ganzen radiale Flächen aufweisen, die eine Dichtverbindung bestimmen, und Vorrichtungen, die einen der Ringe senkrecht in Richtung auf den anderen vorspannen. Ein unter Druck stehendes Fluid ist angepaßt, einem umlaufenden Rand -der Ringzwischenfläche ausgesetzt zu sein, wobei der andere umlaufende Rand der Ringzwischenfläche angepaßt ist, um mit dem niedrigeren Druck in Verbindung zu treten, der außerhalb des Gehäuses herrscht.
Eine Spiralrilleneinrichtung ist in der gegenüberstehenden Fläche an einem der Ringe vorgesehen, die eine Vielzahl gleichförmig angeordneter geneigter stromab pumpender Spiralrillen aufweist, die an dem umlaufenden Rand des Rings beginnen, sich dadurch erstrecken, welcher Rand angepaßt ist, dem in dem Gehäuse unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt zu sein, und in Richtung auf den Rand des Rings verlaufen, der angepaßt ist, dem niedrigeren Druck ausgesetzt zu sein, wobei die Spiralrillen betriebsfähig sind, während der Drehung der Welle Fluid von dem höheren Druck in Richtung auf den niedrigeren Druck über die Dichtringzwischenfläche zu pumpen, wobei die Spiralrilleneinrichtung des weiteren eine Vielzahl gleichförmig angeordneter stromauf pumpender Spiralrillen aufweist, die in der Nähe des umlaufenden Rands beginnen, der angepaßt ist, dem niedrigeren Druck ausgesetzt zu sein, und entgegengesetzt zu den stromab pumpenden Rillen geneigt sind, wobei die stromauf pumpenden Rillen betriebsfähig sind, um Fluid zwischen den gegenüberstehenden Ringflächen zurück in Richtung auf den umlaufenden Rand des Rings zu pumpen, der angepaßt ist, dem Hochdruck in dem Gehäuse ausgesetzt zu sein, wobei die stromab pumpenden Rillen an dem Schnittpunkt mit den stromauf pumpenden Rillen aufhören.
Für die Zwecke dieser Erfindung ist die "radiale Projektion" einer Rille die Strecke entlang einer radialen Linie, wobei die radiale Linie durch das Zentrum des ringförmigen Rings verläuft, und die Strecke durch Schnittpunkte dieser Linie mit kreisförmigen Bogen bestimmt ist, die um das Zentrum des Rings gemacht sind, die sowohl durch den Anfangspunkt als auch den Endpunkt der Rille verlaufen. Der Anfangspunkt und der Endpunkt sind des weiteren so bestimmt, daß sie auf den Mittellinien der Rillen liegen.
Eine alternative Auslegung der radialen Projektion ist es, den Ring so zu betrachten, als ob er eine ringförmige Fläche aufweist. Die ringförmige Fläche des Rings ist selber in zwei oder mehr ringförmige Abschnitte der Fläche unterteilt. Die zwei oder mehr ringförmigen Abschnitte weisen die Fläche und jeder Abschnitt weist eine spezifische Art von Rillenmuster mit den stromab- und stromaufpumpenden Spiralrillen, die oben erläutert wurden, auf.
Bei der Verwendung der Erfindung als eine Flüssigkeits druckdichtung, ist die Beziehung zwischen den Spiralrillen durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
3 ≥ d&sub2;/d&sub1; ≥ 1/3
und durch die Gleichung:
1 ≥ d&sub3;/d&sub1; ≥ 0
wobei d&sub1;, d&sub2; und d&sub3; wie folgt definiert sind:
d&sub1; ist die gesamte radiale Projektion jeder stromab pumpenden Spiralrille von ihrem Anfang, der an dem umlaufenden Rand des dem Hochdruck ausgesetzten Rings beginnt, bis zu ihrem Schnittpunkt entlang ihrer Mittellinie mit ihrer zugehörigen stromauf pumpenden Rille entlang deren Mittellinie;
d&sub2; ist die radiale Projektion jeder stromauf pumpenden Spiralrille von ihrem Beginn in der Nähe des Rands des Ringes, der dem niedrigeren Druck ausgesetzt ist bis zu ihrem Schnittpunkt mit ihrer dazugehörigen stromab pumpenden Spiralrille, wobei der Schnittpunkt als der Schnittpunkt der Mittellinien jeder Rille definiert ist;
und d&sub3; ist die radiale Projektion entlang einer Radiallinie jeder stromauf pumpenden Rille entlang ihrer Mittellinie von ihrem Schnittpunkt mit der Mittellinie ihrer zugehörigen stromab pumpenden Spiralrille bis zu ihrem Endpunkt, der dem umlaufenden Rand des dem Hochdruck ausgesetzten Rings am nächsten liegt.
Vorzugsweise enden die stromab pumpenden Spiralrillen an dem Schnittpunkt mit den stromauf pumpenden Spiralrillen. Alle Rillen sind durch Erhebungen getrennt, die alle eine gleichmäßige Erhöhung aufweisen. Die stromauf pumpenden Rillen erstrecken sich nicht bis zu dem Rand der Dichtringzwischenfläche, so daß eine ringförmige Erhebung auf derselben Höhe wie die Erhebungen zwischen den Rillen in dem gerillten Dichtring benachbart zu dem Niedrigdruckrand der Dichtringzwischenfläche, die dem Niedrigdruckfluid ausgesetzt ist, ausgebildet ist. Die "Gegenzwischenfläche" ist der Teil seiner Fläche, der die Fläche des anderen Rings berührt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen hat einer der Ringe einen größeren Außendurchmesser als der andere Ring und wird ein Teil der Dichtfläche außerhalb der Gegenzwischenfläche sein.
Die ringförmige Erhebung bestimmt eine Sperre für den statischen Druck zwischen den Ringen zur Dichtung, wenn der drehende Ring in Ruhe ist. Ein ringförmige Rille an dem gleichen Ring, die zu der ringförmigen Erhebung benachbart und radial in Richtung des Hochdruckrands des Rings angeordnet ist, steht mit dem stromauf pumpenden Spiralrillen in Verbindung, um zusätzlich beim Verhindern eines Lecks zwischen den Ringen zu helfen. Sie sammelt Fluid, das über die Dichtflächen leckt und schafft eine Leitung zur Verteilung des Fluids zu den stromauf pumpenden Rillen.
Bei der Verwendung der Erfindung als eine Druckdichtung für Flüssigkeit weisen die spiralförmigen Pumprillen vorzugsweise Abmessungen der Umfangsweiten auf, die durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden:
3 ≥ w&sub1;/w&sub3; ≥ 1/6 und 3 ≥ w&sub2;/w&sub4; ≥ 1/6,
wobei w&sub1; das Rillenumfangsmaß der stromab pumpenden Spiralrillen, w&sub3; das Umfangsmaß der Erhebung zwischen benachbarten stromab pumpenden Rillen, das bei dem gleichen Radius wie w&sub1; gemessen ist, w&sub2; das Rillenumfangsmaß der stromauf pumpenden Spiralrillen, und w&sub4; das Umfangsmaß der Erhebung zwischen benachbarten stromauf pumpenden Rillen ist, das bei dem gleichen Radius wie w&sub2; gemessen ist. Für die Zwecke dieser Erfindung heißt "Umfangsmaß" eine kreisförmige Abmessung, die entlang einer Umfangslinie entlang eines bestimmten Radius gemessen ist.
Bezogen auf die Rillenmuster für die alternative Charakterisierung der oben erläuterten ringförmigen Fläche gibt es einen Abschnitt der Dichtfläche, der durch ein ringförmiges Band bestimmt ist, das stromab pumpende Rillen aufweist, die durch Erhebungen getrennt sind. Das radiale Maß, die durch das Maß des ringförmigen Bandes bestimmt ist, das entlang einer radialen Linie gemessen ist, die die Mittellinie des Rings kreuzt, ist identisch zu der radialen Projektion d&sub1;. Ein anderer Weg, das ringförmige Band zu definieren, ist der Abschnitt des Raums, der die Dichtfläche enthält, durch die die stromab pumpenden Rillen sich drehen würden, wenn die Dichtfläche gedreht werden würde.
Auf ähnliche Weise bestimmt ein zweiter Abschnitt der Dichtfläche ein weiteres ringförmiges Band, das stromauf pumpende Rillen aufweist, die ebenfalls durch Erhöhungen getrennt sind. Das radiale Maß dieses ringförmigen Bandes ist identisch zu der radialen Projektion d&sub2;. Ein drittes radiales Band umfaßt sowohl stromauf als auch stromab pumpende Rillen und ist identisch zu der radialen Projektion d&sub3;.
Die Tiefe der Spiralrillen liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 2,54 µm (100 Mikroinch) bis ungefähr 12,7 µm (500 Mikroinch), und vorzugsweise im Bereich von ungefähr 5,08 µm bis 10,16 µm (200 bis ungefähr 300 Mikroinch).
Die Erfindung wird nun mittels eines Beispiels mit Bezug auf die beigelegten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Figur 1 einen Querschnitt von Figur 3 entlang der Linie 1-1 zeigt und eine Dichtringfläche darstellt, die mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Konstruktion spiralförmiger Pumprillen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
Figur 2 eine Dichtringfläche zeigt, die mit einer modifizierten Form spiralförmiger Pumprillen ausgestattet ist;
Figur 3 einen Querschnitt von Figur 1 entlang der Linie 3-3 durch die Mittellinie der Welle zeigt;
Figur 4 ein typische Ansicht in einem vergrößerten Maßstab im Querschnitt eines Dichtrings ungefähr entlang der Linie 4-4 von Figur 1 zeigt;
Figur 5 eine Teilansicht von einer Dichtfläche mit einer modifizierten Form spiralförmiger Pumprillen zeigt;
Figur 6 eine Dichtringfläche zeigt, die mit einer modifizierten Form eines Spiralrillenmusters ausgestattet ist; und
Figur 7 eine Dichtringfläche zeigt, die mit einer modifizierten Form eines Spiralrillenmusters ausgestattet ist.
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen wird eine dynamische Gleitringdichtungskonstruktion, die die vorliegende Erfindung verkörpert, im großen und ganzen als 21 in Figuren 1 und 3 gezeigt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine von außen unter Druck gesetzte Dichtung. D.h. die äußeren Umfangsränder der relativ zueinander drehenden Dichtungsringe, die die dynamische Dichtung bilden, sind dem abzudichtenden Fluid ausgesetzt, wobei das Fluid auf einem relativ höheren Druck als die Umgebung ist, die den inneren Umfangsrändern der Dichtung benachbart ist. Die innen liegenden umlaufenden Ränder können Bedingungen der Umgebung ausgesetzt sein.
Die Gleitringdichtung ist zwischen einem stationären Gehäuse angeordnet, und eine Welle ist drehbar in dem Gehäuse gelagert. Als beispielhafte Ausführung ist ein Abschnitt eines stationären Gehäuses 23 dargestellt, und es kann z.B. ein Gehäuse für eine Hochgeschwindigkeitspumpe für Flüssigkeiten sein. Die Dichtung der Erfindung wird jedoch ebenfalls als geeignet zum Dichten von unter Druck stehendem Gas betrachtet und kann in Kompressoren oder ähnlichem verwendet werden.
Eine Welle 25 erstreckt sich durch das Gehäuse 23 und ist darin durch Lager (nicht gezeigt), wie es von dem Fachmann zu verstehen ist, drehbar gelagert. Die Welle 25 ist z.B. an einen Impeller (nicht gezeigt) angeschlossen, der in dem Gehäuse 23 angeordnet und durch Mittel wie z.B. einen Motor (nicht gezeigt) außerhalb des Gehäuses angetrieben wird, wie es üblich ist. Die beispielhafte Vorrichtung ist hier insbesondere für Anwendungen angepaßt, die Hochgeschwindigkeits-Hochdruck-Fluid verwenden.
Es ist wichtig, eine Fluiddruckdichtung zwischen dem Gehäuse 23 und der Welle 25 zur Verfügung zu stellen, die wirksam ist, um einen Verlust an Flüssigkeit aus dem Gehäuse zu verhindern oder zumindest auf ein Minimum zu reduzieren. Solch eine Dichtung ist insbesondere bei Hochdruckumgebungen wichtig. Wegen des Hochgeschwindigkeitsbetriebs von Vorrichtungen, die diese Dichtung verkörpern, ist es ebenfalls wichtig, die Abnutzung der Dichtungsteile auf ein Minimum zu reduzieren, die bei dieser Art von Anwendung Teile enthalten, die sich mit relativ hohen Geschwindigkeiten relativ zueinander drehen.
Gemäß der Erfindung umgeben ein Paar von relativ zueinander drehenden Dichtringen die Welle, wobei einer der Ringe mit der Welle drehbar und der andere relativ zu dem Gehäuse fixiert ist. Wie hier beispielhaft ausgeführt ist, wird ein erster Dichtring 27 gleitend an einem Halter 29 gehalten, der in einer Öffnung 31 in dem Gehäuse 23 angeordnet ist. Der Halter kann durch Schrauben (nicht gezeigt) an der äußeren Hülle der Dichtung gehalten werden, wie es üblich ist. Eine O-Ringdichtung 33, die in dem Gehäuse 23 sitzt, erstreckt sich über den Umfang des Halters 29, um zu verhindern, daß Fluid zwischen das Gehäuse 23 und den Halter 29 leckt.
Der Halter 29 ist im großen und ganzen im Querschnitt Uförmig, wie es in Figur 3 gezeigt ist, und nimmt gleitend den primären Dichtring 27 wie gezeigt auf. Ein Antriebsstutzen 35, der in den Halter 29 gepreßt ist, weist axial Rillen 37 auf, die gleitend Schlüssel oder radiale Vorsprünge 39 aufnehmen, die auf den primären Dichtring 27 ausgebildet sind, wie es in Figur 1 gezeigt ist. Die in die Schlüssellöcher 37 eingreifenden Schlüssel 39 gestatten es, daß der primäre Ring 27 axial relativ zu dem Halter 29 gleitet, aber verhindern eine relative Drehung dazwischen. Ein Haltering, wie z.B. ein Sprengring 41, ist in dem Antriebsstutzen 35 angeordnet und begrenzt die bestimmte axiale Bewegung des primären Rings 27.
Der primäre Ring 27 ist zu der linken Seite, wie in Figur 3 gesehen, mittels einer Vielzahl von relativ leichten Druckfedern 37 vorgespannt, die in Bohrungen 45 in dem Halter 29 sitzen. Die äußeren Enden der Federn 43 liegen an einer Scheibe 47, die das rechte Ende des primären Rings 27 berührt. Ein O-Ring 48 in dem primären Ring 27 ist mit dem Halter 29 im Eingriff&sub1; um ein Fluidleck dazwischen zu verhindern.
Wie des weiteren hier beispielhaft ausgeführt wird, ist ein drehender Gegendichtring 51 an der Welle 25 befestigt, um damit zu drehen. Der Gegenring 51 ist zwischen einer ringförmigen Schulter 53 an der Welle und einem Stutzen 55, der an der Welle befestigt ist, angeordnet. Eine Mutter 57, die auf die Welle 25 geschraubt ist, hält den Stutzen 55 im Eingriff mit dem Gegenring 51. Ein O-Ring 59 in dem Gegenring 51 ist mit dem Umfang der Welle 25 im Eingriff.
Gemäß der Erfindung haben die Dichtringe gegenüberstehende im großen und ganzen radiale Flächen. In dem Gehäuse unter Druck stehendes Fluid befindet sich benachbart zu den äußeren radialen Rändern der Ringe, und das Gebiet, das den inneren radialen Rändern oder Enden der Ringe benachbart ist, ist einem niedrigeren Druck ausgesetzt, der außerhalb des Gehäuses herrscht, wie z.B. der Umgebungs-Atmosphärendruck.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine von außen unter Druck gesetzte Dichtung; der höhere Druck ist bei dem äußeren Durchmesser der Dichtzwischenfläche und der innere Durchmesser ist dem niedrigeren Druck ausgesetzt. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können ebenfalls bei Innendruckdichtungen verwendet werden, wo der höhere Druck bei dem inneren Durchmesser liegt, und der äußere Durchmesser dem niedrigeren Druck ausgesetzt ist.
Wie hierin ausgeführt, weist der erste Dichtungsring 27 eine im großen und ganzen radiale Fläche 61 auf, die einer im großen und ganzen radialen Fläche 63 an dem drehbaren Gegenring 51 gegenübersteht. Die ineinandergreifende Verbindung wird durch den sich gegenüberstehenden Abschnitt der beiden radialen Flächen 61, 63 bestimmt. Ein zwischen dem Halter 29 und dem Stutzen 55 ausgebildeter Durchlaß 67 dient als eine Verbindungsleitung zwischen dem Gebiet, das den Innendurchmessern der Dichtungsringe 27, 51 benachbart ist, und dem niedrigeren Druck oder Umgebungsdruck außerhalb des Gehäuses. Das Gehäuse 23 weist einen Raum oder eine Kammer 65 auf, der den Außendurchmessern der Dichtungsringe benachbart ist. Bei dem offenbarten Ausführungsbeispiel ist dieses Gebiet der unter Druck stehenden Flüssigkeit ausgesetzt. Die Dichtungsringe 27, 51 wirken mit den O-Ringen 33, 48, 59 zusammen, um den Austritt von Hochdruckflüssigkeit aus dem Behälter 65 in die Umgebung über den Durchlaß 67 zu verhindern. Federn 43 spannen den Ring 27 in Richtung des Rings 51 senkrecht vor, um die Flächen 61, 63 im Kontakt zu halten.
Gemäß der Erfindung ist ein Muster doppelter Spiralrillen in der gegenüberstehenden Fläche von einem der Dichtungsring ausgebildet. Die doppelte Spiralrilleneinrichtung enthält eine Vielzahl gleichförmig beabstandender stromab pumpender Spiralrillen, die in Verbindung mit der Hochdruckflüssigkeit in dem Gehäuse stehen. Die doppelten Spiralrillen sind an einem umlaufenden Rand oder dem Umfang der Ringe angeordnet. Die Rillen sind geneigt und erstrecken sich in Richtung auf den anderen umlaufenden Rand des Rings, der dem niedrigem Druck ausgesetzt ist. Die Rillen sind während der Drehung der Welle wirksam, um Flüssigkeit von dem Hochdruck in dem Gehäuse über die relativ zueinander drehenden Flächen in Richtung auf den niedrigen Druck zu pumpen, der dem anderen radialen Rand der Ringe benachbart ist.
Das Muster der doppelten Spiralrillen enthält weiter eine Vielzahl gleichförmig angeordneter stromauf pumpender Spiralrillen, die sich von ungefähr dem umlaufenden Rand der Ringe, der dem niedrigen oder Umgebungsdruck ausgesetzt ist, in Richtung auf die umlaufenden Ränder erstrecken, die dem Hochdruck in dem Gehäuse ausgesetzt sind. Die stromauf pumpenden Spiralrillen sind entgegengesetzt zu den stromab pumpenden Spiralrillen geneigt und pumpen Flüssigkeit zwischen den sich gegenüberstehenden Flächen zurück in Richtung auf den Hochdruckrand der Ringe. Jede stromab pumpende Rille endet an dem Schnittpunkt mit einer stromauf pumpenden Rille. Vorzugsweise wird jede dieser stromauf pumpenden Rillen nur von einer der stromab pumpenden Rillen geschnitten.
Gemäß der Erfindung kann das Muster doppelter Spiralrillen entweder an der radialen Fläche 61 des ersten Dichtrings 27 oder an der radialen Fläche 63 des drehbaren Gegenrings 51 angeordnet sein. Weil die relative Drehung der Dichtringe auf das Fluid zwischen den Flächen 61 und 63 wirkt, ist es der innere und äußere Durchmesser der Abschnitte der Flächen, die in ineinandergreifenden Kontakt sind, die die Arbeitsweise der Dichtung bewirken. In Bezug auf das in den Figuren 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel werden der innere Durchmesser und der äußere Durchmesser der ineinandergreifenden Flächen durch den umlaufenden Rand 28 des Rings 27 bzw. den umlaufenden Rand 30 des gleichen Rings bestimmt.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung treffen sowohl für im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn drehende Wellen und ineinandergreifende Ringe zu. Die Richtung der Neigung der Rillen hängt davon ab, ob die Dichtung für eine im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn drehende Welle verwendet wird, um davon, ob das Muster der doppelten Spiralrillen an dem ersten Ring oder dem Gegenring ausgebildet ist.
Bei den in den Figuren 1 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispielen wird das Muster der doppelten Spirairillen an der radialen Fläche 61 des ersten Rings 27 ausgebildet. Bei diesen Ausführungsbeispielen sind die Welle 25 und der Gegenring 51 dafür eingerichtet, sich im Uhrzeigersinn zu drehen (wenn man von der Seite 100, wie in Figur 3 gezeigt, sieht). Für die Verwendung mit einer entgegen dem Uhrzeigersinn drehenden Welle (gesehen in der Richtung des Pfeils 100) würde die Neigung des Musters der doppelten Spiralrillen an dem ersten Ring 27 umgekehrt sein. Natürlich versteht es sich, daß die Rillenmuster auch an dem Gegenring 51 ausgebildet sein können. Die Richtung und die Neigung der Rillen würde verglichen mit der oben beschriebenen Richtung umgekehrt sein.
Bei dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die stromab pumpenden Spiralrillen eine Vielzahl von Spiralrillen 71 auf, die in der radialen Fläche 61 des ersten Rings 27 ausgebildet sind. Die Rillen 71 sind relativ flach, z.B. durch Ätzen ausgebildet und gleichförmig rund um die Fläche 61 des Rings 27 angeordnet. Die Rillen 71 sind an dem äußeren Umfang oder umlaufenden Rand des Rings 27 zu der Kammer 65 hin offen und werden somit dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt. Die Rillen sind in einer Richtung geneigt, so daß, wenn sich die Welle 25 und der Gegenring 51 im Uhrzeigersinn drehen, in der Kammer 65 vorhandenes Fluid durch die Rillen 71 in Richtung auf den inneren umlaufenden Rand 28 der Ringe 27, 51 gepumpt wird. Anders ausgedrückt, pumpen die Rillen 71 Fluid stromab von dem Hochdruck bei der Kammer 65 in Richtung auf den niedrigen Druck, der bei dem Durchlaß 67 herrscht, wie durch die Pfeile 102 in Figur 1 gezeigt ist.
Wie hierin ausgeführt, sind ebenfalls eine Vielzahl von stromauf pumpenden Spiralrillen 73 in der Radialfläche 61 des ersten Rings 27 ausgebildet. Die Rillen 73 sind gleichförmig angeordnet und die Rillen 71, 73 sind an der Ringfläche 71 bemessen, ausgestaltet und angeordnet, so daß jede Rille 73 nur eine der stromab pumpenden Spiralrillen 71 schneidet. Die Rillen 73 sind in einer zu den Rillen 71 entgegengesetzten Richtung geneigt, wie in Figur 1 gezeigt ist, so daß bei einer Drehung der Welle 25 und des Gegenrings 51 im Uhrzeigersinn die Rillen 73 Fluid in einer zu den Rillen 71 entgegengesetzten Richtung pumpen, oder zurück in Richtung auf den höheren Fluiddruck bei Kammer 65, wie durch die Pfeile 104 in Figur 1 gezeigt wird. Die stromab pumpenden Rillen 71 hören an dem Schnittpunkt mit einer stromauf pumpenden Rille 73 auf. Jede stromauf pumpende Rille schneidet vorzugsweise nur eine stromab pumpende Rille.
Man hat herausgefunden, daß durch die Anordnung der Rillen 71,73, daß jede Rille 71 nur eine Rille 73 schneidet, und daß die stromab pumpenden Rillen an dem Schnittpunkt 75 mit den stromauf pumpenden Rillen 73 aufhören, Fluid aus dem Behälter 65 wirkungsvoll verwendet werden kann, um die Ringflächen 61, 63 zu schmieren, den erwünschten Spalt dazwischen (für keinen Kontakt) zu schaffen, und trotzdem einen Verlust an Fluid von dem Behälter 65 zu verhindern oder zumindestens auf das Mindestmaß zu reduzieren. Somit erreicht das durch die Rillen gepumpte Fluid einen Gleichgewichtszustand der Bewegung aus der Kammer 65, d.h. stromab durch die Rillen 71 und dann zurück stromauf durch die Rillen 73 in Richtung auf die Kammer 65.
Die stromab pumpenden Rillen 71 sind zu dem unter Druck stehenden Fluid in der Kammer 65 offen, um leichten Zugang des Fluids zu den Rillen 71 zu erlauben, so daß das Pumpen fast unmittelbar bei dem Start beginnt. Die stromauf pumpenden Rillen 73 können ebenfalls zu der Kammer 65 offen sein, obwohl dies nicht notwendig ist, wie es im Detail unten beschrieben wird.
Die wie oben definierte radiale Projektion, der stromab pumpenden Rillen 71 relativ zu den stromauf pumpenden Rillen wird in Abhängigkeit von der erwünschten Arbeitsleistung der Dichtung ausgewählt. Die berücksichtigten Hauptfaktoren sind die Dichtungslebensdauer gegenüber der Flüssigkeitsleckrate. Eine längere radiale Projektion der stromab pumpenden Rille 71 vergrößert den Fluiddruck zwischen den Flächen 61, 63 und vergrößert den Spalt dazwischen und dementsprechend wird die Abnützung dieser Flächen vermindert. Dieses Merkmal sorgt für eine längere Dichtungslebensdauer. Man beachte außerdem, daß die stromab pumpenden Rillen 71 an dem Schnittpunkt mit dem stromauf pumpenden Rillen 73 aufhören. Dieser Punkt ist in Figur 1 mit 75 bezeichnet.
Gleichzeitig bewirkt vergrößerter Fluiddruck zwischen den Dichtflächen 61, 63 eine höhere Leckrate. Wenn eine sehr kleine Leckrate bevorzugt wird, wird die radiale Projektion der stromauf pumpenden Rillen 73 verlängert und/oder die radiale Projektion der stromab pumpenden Rillen 71 verkürzt. Dadurch wird der Fluiddruck zwischen den Dichtflächen 61, 63 vermindert und die Leckrate auf ein Mindestmaß reduziert, aber gleichzeitig könnte die Abnutzung des Dichtrings zunehmen.
Außerdem, müssen solche Faktoren wie die Viskosität und der Druck des zu pumpenden Fluids, die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 25 und die besonderen Eigenschaften des Fluids berücksichtigt werden, wenn die relativen Abmessungen der radialen Projektionen der Rillen 71, 73 ausgewählt werden. Die Erfindung jedoch wird sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gasdichtungen als geeignet betrachtet.
Gemäß der Erfindung werden die relativen Abmessungen der radialen Projektionen der Spiralrillen 71, 73 prägnant durch folgende Beziehungen ausgedrückt:
3 ≥ d&sub2;/d&sub1; ≥ 1/3 und
1 ≥ d&sub3;/d&sub1; ≥ 0
wobei, wie in Figur 5 gezeigt ist, d&sub1; die radiale Projektion entlang einer radialen Linie jeder stromab pumpenden Welle 71 entlang ihrer Mittellinie von ihrem Beginn an dem umlaufenden Rand 28 des Ring 27, der dem Hochdruck ausgesetzt ist, bis zu ihrem Endpunkt an dem Schnittpunkt mit ihrer entsprechenden stromauf pumpenden Rille entlang der entsprechenden Mittellinie;
d&sub2; die radiale Projektion entlang einer radialen Linie jeder stromauf pumpenden Rille 73 von ihrem Anfang in der Nähe des umlaufenden Rands 30 des Rings 27, der dem niedrigen Druck ausgesetzt ist, bis zu ihrem Schnittpunkt mit ihrer zugehörigen stromab pumpenden Spiralrille 71; und
d&sub3; die radiale Projektion entlang einer radialen Linie jeder stromauf pumpenden Rille 73 entlang ihrer Mittellinie von ihrem Schnittpunkt mit der Mittellinie ihrer zugehörigen stromab pumpenden Rille 71 bis zu ihrem Endpunkt in nächster Nähe des umlaufenden Randes 30 des Rings 27, der dem Hochdruck ausgesetzt ist, ist.
Basierend auf den vorigen Beziehungen kann die Messung der radialen Projektion d&sub2; nicht größer als dreimal die Messung der radialen Projektion d&sub1; sein. Die Messung der radialen Projektion d&sub3; des Abschnitts der stromauf pumpenden Rille, der sich von dem Schnittpunkt mit der stromab pumpenden Rille in Richtung auf den Rand des Rings, der dem Hochdruck ausgesetzt ist, erstreckt, kann von Null bis zu einer Strecke, die gleich der Messung der radialen Projektion d&sub1; der stromab pumpenden Rille ist, variieren. Bei dem letzteren Beispiel würde sich die stromauf pumpende Rille bis zu dem umlaufenden Rand, der dem Hochdruck ausgesetzt ist, erstrecken, und die stromauf pumpenden, die stromab pumpenden schneidenden Rillen die Gestalt von einem Y bilden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1, 3 und 4 beginnen die stromab pumpenden Rillen 71 an dem äußeren Umfang der radialen Fläche 61 und enden an dem Schnittpunkt mit den stromauf pumpenden Rillen 73 am Punkt 75. Die Messung der radialen Projektion d&sub2; der stromauf pumpenden Rille ist die Projektion entlang einer radialen Linie von ihrem Anfang in der Nähe des Rands des Rings, der dem niedrigem Druck ausgesetzt ist zu dem Schnittpunkt 75. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind d&sub1; und d&sub3; gleich.
Wie weiter in Figur 1 ausgeführt ist, erstreckt sich die radiale Projektion der stromauf pumpenden Rillen 73 über den Schnittpunkt 75 mit den stromab pumpenden Rillen 71 bis zu dem Umfang der Fläche 71, was die radialen Abmessungen d&sub3; und d&sub1; gleich macht und das Verhältnis d&sub3;/d&sub1; = 1 macht.
Wenn die stromauf pumpenden Rillen an dem Schnittpunkt 75A mit den stromab pumpenden Rillen enden, so wie es der Fall für die stromauf und die stromab pumpenden Rillen 73A bzw. 71A in dem Ring 27A des Ausführungsbeispiels der Figur 2 ist, wird die Abmessung d&sub3; Null und das Verhältnis d&sub3;/d&sub1; = 0.
Wenn die stromauf pumpenden Rillen 73B irgendwo zwischen dem Umfang der Fläche 61 und dem Schnittpunkt 75B mit den stromab pumpenden Rillen 73B enden, wie es in Figur 5 gezeigt ist, liegt das Verhältnis d&sub3;/d&sub1; zwischen 0 und 1. Somit bestimmen die relativen radialen Projektionen d&sub1; und d&sub2;, und d&sub1; und d&sub3; der Rillen wahlweise die Eigenschaften der Abnützung gegenüber der Leckleistung der Dichtung.
Die spitzen Winkel a&sub1;, a&sub2; der Spiralen der stromab und stromauf pumpenden Rillen hängen von der Abmessung der Dichtung und der zur Verfügung stehenden Flächenabmessung ab. Typischerweise wird ein spitzer Winkel von ungefähr 5º bis ungefähr 20º zu der Tangente verwendet. Diese Beziehung wird in Figur 5 dargestellt. Der spitze Winkel der stromauf pumpenden Rille ist a&sub1; und der spitze Winkel der stromab pumpenden Rille ist a&sub2;. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Winkel in jedem Fall ungefähr 20º. Somit ist a&sub1; = a&sub2;.
Des weiteren müssen die spitzen Winkel nicht gleich sein. Die Auswahl der Winkel kann von der Anwendung, dem abzudichtenden Fluid, dem abzudichtendem Druck, der Rotationsgeschwindigkeit und der Dichtflächengeometrie abhängen. Der Druck des Fluids, die Rotationsgeschwindigkeit der Welle und derartige Eigenschaften wie die Viskosität der Flüssigkeit sind Faktoren, die bei der Bestimmung der Rillenweite, -tiefe, den räumlichen Abmessungen und der Größe des spitzen Winkels berücksichtigt werden müssen.
Gemäß der Erfindung werden die Umfangsweiten der Rillen 71, 73 und der Abstand zwischen benachbarten Rillen durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt:
3 ≥ w&sub1;/w&sub3; ≥ 1/6 und
3 ≥ w&sub2;/w&sub4; ≥ 1/6
wobei, wie es bei Ring 27B in Figur 5 gezeigt wird, w&sub1; das Rillenumfangsrnaß der stromab pumpenden Rille 71B und w&sub3; das Umfangsmaß zwischen den Rillen, das auf dem gleichen Radius wie w&sub1; gemessen ist; w&sub2; das Rillenumfangsmaß der stromauf pumpenden Rillen 73B und w&sub4; das Umfangsmaß der Erhebungen 106 ist, das zwischen benachbarten Rillen 71B und 73B entlang des gleichen Radius wie w&sub2; gemessen ist.
Wir hier ausgeführt, ist die Abmessung w&sub1; das Umfangsmaß der Weite der stromab pumpenden Spiralrille 71. Die Abmessung w&sub2; ist gleichermaßen das Umfangsmaß der Weite der stromauf pumpenden Spiralrille 73. Die Abmessung w&sub3; ist das Umfangsmaß zwischen benachbarten stromab pumpenden Rillen 71, das an dem gleichen Radius wie w&sub1; gemessen ist, und w&sub4; ist das Umfangsmaß der Erhebungen zwischen stromauf pumpenden Rillen 73, das an dem gleichen Radius wie w&sub2; gemessen ist. Bei den verschiedenen in den Figuren 1, 2 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Umfangsmaße der Rillen 71 (71A, 71B) und 73 (73A, 73B) ungefähr gleich, obwohl es zu verstehen ist, daß diese Maße im großen und ganzen am äußeren Radius größer sind. In anderen Worten werden sowohl die Umfangsmaße der Rillen 71, 73, als auch die Erhebungen 106 zwischen den Rillen 71, 73 bei größeren Radien größer, aber die Verhältnisse w&sub1;/w&sub3; und w&sub2;/w&sub4; bleiben bei jedem konkreten Radius ungefähr gleich.
Gemäß der Erfindung und wie hierin ausgeführt, kann die Tiefe der Rillen 71 und 73 von ungefähr 2,54 um bis 127 um (100 Mikroinches bis ungefähr 5000 Mikroinches) und vorzugsweise von ungefähr 5,08 bis 7,62 µm (200 bis ungefähr 300 Mikroinches) variieren. Dichtungen mit Rillentiefen im Bereich von 2,54 bis 12,7 µm (100 bis 500 Mikroinches) wurden erfolgreich erprobt und man erwartet, daß Rillentiefen bis zu 127 µm (5000 Mikroinches) erfolgreich verwendet werden können. Die Rillen 73,83 von Figur 4 werden unverhältnismäßig größer für die Zwecke der Darstellung gezeigt, und die Anstiege der Erhebungen 106 zwischen den Rillen werden als im wesentlichen die gleichen gezeigt. Die Tiefe der Rille 71 kann die gleiche Tiefe wie die der Rillen 73 sein, und die Rillen 71 oder umgekehrt 73 können, wenn es erwünscht ist, unterschiedliche Tiefen aufweisen. Die relative Tiefenabmessungen der Rillen und die spezielle ausgewählte Tiefenabmessung wird wieder gemäß dem Fluiddruck, der Wellengeschwindigkeit, den Fluideigenschaften usw. variieren, und wird die Abnutzung gegenüber den Leckeigenschaften, wie oben beschrieben beeinflussen.
Gemäß der Erfindung ist eine ringförmige Erhebung 81 an der radialen Fläche 61 des primären Rings 27 angeordnet und bestimmt eine Sperre für statischen Druck. Wie in Figur 4 gezeigt ist, ist die Höhe der ringförmigen Erhebung 81, bezogen auf die Rillen 73, 83 die gleiche wie die der Erhebung 106 zwischen den Rillen. Des weiteren ist eine ringförmige Rille 83 an der Fläche des primären Rings zu der ringförmigen Erhebung 81 benachbart ausgebildet und steht mit den stromauf pumpenden Rillen 73 in Fluid- Verbindung.
Wie hier ausgeführt und in Figur 1 gezeigt ist, ist die ringförmige Erhebung an dem inneren Durchmesser der radialen Fläche 61 des primären Rings 27 ausgebildet. Bei statischen Bedingungen, d.h. während Zeitdauern, wenn sich die Welle 25 nicht dreht, wird die ringförmige Erhebung 81 gegen die gegenüberstehende Fläche 63 des Rings 51 durch die Kraft der Feder 43 und durch den Fluiddruck gedrängt, um ein Fluidleck über die Ringe 27, 51 zu verhindern. Die ringförmige Rille 83 ist in der Fläche 61 des primären Rings 27 außerhalb der Erhebung 81 ausgebildet und steht, wie gezeigt, mit jeder der stromauf pumpenden Rillen 73 in Verbindung. Die ringförmige Rille 83 sammelt etwaiges Leckfluid, das in Richtung auf den inneren Durchmesser und über die stromab pumpenden Rillen 71 treten kann, und dieses Fluid wird während der Drehung der Welle 25 zurück in Richtung auf das unter Druck stehende Fluid in der Kammer 65 über die stromauf pumpenden Rillen 73 gepumpt. Die Erhebungen 81 und Rillen 83 sind ebenfalls in den Figuren 2 und 5 gezeigt.
Das oben beschriebene Muster doppelter Spiralrillen ist in einer flachen Dichtfläche ausgebildet. Die Fläche ist geätzt, um die Rillen auszubilden. Das Ätzen kann durch herkömmliche Verfahren erreicht werden.
Beim Betrieb wird Fluid gepumpt, d.h. das unter Druck stehende Fluid steht in der Kammer 65 zur Verfügung. Es dringt in die stromab pumpenden Rillen 71 ein und wird zwischen die gegenüberstehenden Flächen 61, 63 (Figur 1) der Dichtringe 27, 51 direkt beim Beginn der Rotation der Welle 25 gepumpt. Dieses Fluid drängt die Flächen 61, 63 entgegen der Kraft der Federn 43 und entgegen des hydraulischen Schließdruckes des Fluids auseinander, um den erwünschten Spalt zwischen den Flächen zu schaffen, der eine Trennung der Dichtflächen schafft. Das durch die stromab pumpenden Spiralrillen 71 gepumpte Fluid wird dann zurück in Richtung auf das unter Druck stehende Fluid in der Kammer 65 mittels der stromauf pumpenden Spiralrillen 73 gepumpt. Dadurch wird die "Leckrate" des Fluids geregelt. Die ringförmige Erhebung 81 stellt die letzte Barriere des Lecks zur Verfügung, und die Rille 83 dient dazu, Leckfluid zu sammeln, das dann zurück in Richtung auf den Fluiddruckbehälter 65 durch die stromauf pumpenden Rillen 73 gepumpt wird.
Die Abmessungsverhältnisse und die Ausbildung der Rillen 71, 73, daß jede stromab pumpende Spiralrille 71 nur eine stromauf pumpende Rille 73 schneidet, regeln die Bewegung an Fluid zwischen den gegenüberstehenden Flächen 61, 63. Die Wahl optimaler Parametern schafft, wie oben diskutiert und in den bevorzugten Ausführungsbeispielen gezeigt, die erwünschten Eigenschaften einer minimalen Trennung der Fläche und eines minimalen Lecks über die Flächen. Die wirkungsvolle Verhinderung des Kontakts zwischen den Flächen 61, 63 und die Beseitigung des Lecks zwischen den Flächen wird durch den Dichtaufbau gemäß dieser am meisten bevorzugten Erfindung bewirkt, weil sie die Dichtung äußerst haltbar macht und niedrig im Energieverbrauch ist.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine von außen unter Druck gesetzte Dichtung, d.h., daß das unter Druck stehende Fluid an dem radial äußeren umlaufenden Rand 30 des Dichtungsrings 27, 51 ist. Wie vorher gezeigt, kann das unter Druck stehende Fluid dem inneren umlaufenden Rand 28 dieser Ringe benachbart sein; d.h., daß die Dichtung von innen unter Druck gesetzt werden kann, in welchem Fall der äußere umlaufende Rand der Ringe dem niedrigen oder Umgebungsdruck ausgesetzt sein würde. In diesem Fall würden die stromab pumpenden Rillen sich von dem inneren umlaufenden Rand 28 oder dem Umfang der Dichtfläche 61 (Figur 4) in Richtung auf den äußeren umlaufenden Rand 30 oder dem Umfang der Fläche 61 erstrecken. Die stromauf pumpenden Rillen würden in die entgegengesetzte Richtung spitz sein und sich mit den stromab pumpenden Spiralrillen schneiden. Die statische Dichtungssperre oder Erhebung 81 würde an dem äußeren Umfang der Ringfläche 61 und die Lecksammelrille 83 würde unmittelbar einwärts von der die Sperre bildenden Erhebung liegen.
Figur 6 zeigt einen primären Dichtring 27C, der zufriedenstellend bei einer Flüssigkeitspumpe gegen einen Gegenring (nicht gezeigt) wirkt. Figur 6 zeigt den Fall eines Rillenmusters, wie oben beschrieben, bei dem der Schnittpunkt 75 der stromauf pumpenden Rille 73 und der stromab pumpenden Rillen 71 ebenfalls der Endpunkt der stromauf pumpenden Rillen ist. Die Pumpbetriebsbedingungen waren wie folgt:
Geschwindigkeit: 25 000 Upm
Druckbereich: Ungefähr 0,1 bis 30,0 psi in Kammer 65
Fluid: Leichtes Öl (ungefähr SAE 10W)
Testdauer: 176 h
Federkraft: 6 lbs.
(Feder 43)
Die Parameter des Rillenmusters waren wie folgt:
Durchmesser des äußeren Umfangs des Rings, der dem hohen Druck ausgesetzt ist (30): 2,400 Inch
Durchmesser des Innenumfangs des Rings, der dem niedrigem Druck ausgesetzt ist (28): 2,026 Inch
Rillentiefe: 500 Mikroinch
Rillenwinkel: a&sub1;,a&sub2; = 100
w&sub1;/w&sub3; = 1
w&sub2;/w&sub4; = 1
d&sub2;/d&sub1; = 1,98
d&sub3;/d&sub1; = 0,0
Die gesamte gemessene Leckmenge war 0,02 cm³ Fluid, das bei diesem Test ein leichtes Öl war.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines primären Dichtrings 27D, das in Figur 7 gezeigt ist, wurde zufriedenstellend gegen einen Gegenring (nicht gezeigt) in einer Flüssigkeitspumpe betrieben. Figur 7 zeigt einen anderen Fall, auf den oben Bezug genommen wurde, bei dem sich die stromauf pumpende Rille 73 über den Schnittpunkt 75 der Rillen erstreckt und zu dem äußeren Rand oder Umfang 30 des Rings 27 fortgesetzt ist. Die Betriebsbedingungen, bei denen der Dichtring 27D getestet worden ist, werden unten aufgeführt:
Geschwindigkeit: 25 000 Upm
Druckbereich: Ungefähr 0,1 bis 30 psi in Kammer 65
Fluid: Leichtes Öl (ungefähr SAE 10W)
Testdauer: 2 000 h
Federkraft: 6 lbs.
Die Parameter des Rillenmusters waren wie folgt:
Rillentiefe: 500 Mikroinch
Rillenwinkel: a&sub1;,a&sub2; = 10º
w&sub1;/w&sub3; = 1/3
w&sub2;/w&sub4; = 1/3
d&sub2;/d&sub1; = 1,0
d&sub3;/d&sub1; = 1,0
Die gemessene Leckrate war 0,3 cm³.
Die vorliegende Erfindung wurde hier im Detail als anwendbar für Gleitringdichtungen beschrieben, die in Flüssigkeit verwendenden Vorrichtungen, wie z.B. Pumpen, benutzt werden. Die Prinzipien der Erfindung sind ebenfalls für Dichtungen geeignet, die bei Gas benutzenden Vorrichtungen, wie z.B. Kompressoren, Turbinen usw&sub4;, verwendet werden.
Bei dem Vorhergehenden wurde eine Gleitringdichtungskonstruktion offenbart, die dem Erfindungskonzept, das hier offenbart wurde, genügt. Es ist zu verstehen, daß verschiedene Zusätze, Ersetzungen, Modifikationen und Einschränkungen bei der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist. Dabei versteht man, daß die vorliegende Erfindung diese Zusätze, Ersetzungen, Modifikationen und Einschränkungen unter der Voraussetzung, daß sie innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen, umfaßt.

Claims

1. Gleitringdichtung (21) mit einem stationären Gehäuse (23); einer Welle (25), die drehbar in dem Gehäuse (23) gelagert ist; einem Paar von relativ zueinander drehbaren Dichtringen (27, 51), die die Welle (25) umgeben, wobei einer der Ringe (51) mit der Welle (25) drehbar und der andere relativ zu dem Gehäuse (23) fixiert ist, wobei die Ringe (27, 51) gegenüberstehende im großen und ganzen radiale Flächen (61, 63) aufweisen; einer Einrichtung (43), die einen der Ringe (27) senkrecht in Richtung auf den anderen vorspannt, wobei die Ringe (27, 51) umlaufende Ränder (30), die einem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt sind, das in dem Gehäuse (23) abzudichten ist, und einen zweiten Satz von umlaufenden Rändern (28) aufweisen, die einem relativ niedrigeren Druck in einer Umgebung außerhalb des Gehäuses (23) ausgesetzt sind; einer Spiralrilleneinrichtung (71, 73) in der gegenüberstehenden Fläche (61, 63) von einem der Ringe (27), wobei die Spiralrilleneinrichtung (71, 73) eine Vielzahl von gleichförmig angeordneten stromab pumpenden Rillen (71) aufweist, die ausgebildet sind, um mit dem Fluid in Verbindung zu stehen, das an dem umlaufenden Rand (30) des Rings (27) abgedichtet werden soll, der dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt ist, und sich in Richtung auf den anderen umlaufenden Rand (28) des einen Rings (27) erstrecken, wobei die stromab pumpenden Rillen (71) einen spitzen Winkel (a&sub2;) an dem Schnittpunkt mit einer Tangente des umlaufenden Rands des Rings aufweisen, der dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt ist, wobei der spitze Winkel der stromab pumpenden Rille in einem Bereich von 50 bis 200 liegt, wobei die stromab pumpenden Rillen (71) während der Drehung der Welle (25) betriebsfähig sind, um Fluid von dem umlaufenden Rand (30), der dem abzudichtenden Fluid ausgesetzt ist, in Richtung auf den anderen umlaufenden Rand (28) des Rings (27) zu pumpen, dadurch gekexinzeichnet, daß die Spiralrilleneinrichtung (71, 73) desweiteren eine Vielzahl von gleichmäßig angeordneten stromauf pumpenden Rillen (73) aufweist, wobei jede stromauf pumpende Rille (73) nur eine entsprechende Rille der stromab pumpenden Spiralrillen (71) schneidet und dazu entgegengesetzt geneigt ist, wobei der spitze Winkel (a&sub1;) der stromauf pumpenden Rille in einem Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 200 liegt, wobei die stromauf pumpenden Rillen (73) betriebsfähig sind, um Fluid, das zwischen den gegenüberstehenden Ringflächen (61, 63) ist, zurück in Richtung auf den umlaufenden Rand (30) zu pumpen, der dem abzudichtenden Fluid ausgesetzt ist, wobei die stromab pumpenden Rillen (71) an ihrem Schnittpunkt (75) mit den stromauf pumpenden Rillen (73) aufhören.

2. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung zwischen einer radialen Projektion jeder Spiralrille (71, 73) gemessen entlang einer radialen Linie durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt ist:

3 ≥ d&sub2;/d&sub1; ≥ 1/3,

wobei d&sub1; die radiale Projektion der stromab pumpenden Spiralrille (71) ist, und d&sub2; die radiale Projektion der stromauf pumpenden Spiralrille (73) entlang ihrer Mittellinie von ihrem Beginn bis zu dem Schnittpunkt (75) mit ihrer zugehörigen stromab pumpenden Spiralrille (71) entlang deren entsprechenden Mittellinie ist.

3. Gleitringdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung zwischen einer radialen Projektion der Spiralrille (71, 73) gemessen entlang einer radialen Linie durch die Beziehungen ausgedrückt ist:

1 ≥ d&sub3;/d&sub1; ≥ 0,

wobei d&sub1; die radiale Projektion der stromab pumpenden Spiralnile (71) und d&sub3; die radiale Projektion der stromauf pumpenden Spiralrille (73) von dem Schnittpunkt (75) entlang ihrer Mittellinie mit der stromab pumpenden Spiralrille (71) entlang deren Mittellinie zu ihrem Endpunkt ist.

4. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Erhebung (81) an dem Ring (27) enthalten ist, die die Rillen (71, 73) an dem umlaufenden Rand (28) des Rings (27) aufweist, der angepaßt ist, dem niedrigeren Druck ausgesetzt zu sein, wobei er eine statische Drucksperre zwischen den Ringen (27, 51) bildet

5. Gleitringdichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Rille (83) an dem Ring (27) enthalten ist, die der ringförmigen Erhebung (81) an der Seite der Erhebung (81) benachbart ist, die in Richtung auf den umlaufenden Rand (30) des Rings (27) angeordnet ist, der angepaßt ist, dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt zu sein, wobei die Rille (83) mit einer entsprechenden stromauf pumpenden Spiralrille (73) in Verbindung steht.

6. Gleitringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (71, 73) Abmessungen der Umfangsweiten aufweisen, die durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt sind:

3 ≥ w&sub1;/w&sub3; ≥ 1/6 und

3 ≥ w&sub2;/w&sub4; ≥ 1/6,

wobei w&sub1; das Rillenumfangsmaß der stromab pumpenden Spiralrillen (71), w&sub2; das Rillenumfangsmaß der stromauf pumpenden Spiralrillen (73), w&sub3; das Umfangsmaß zwischen benachbarten stromab pumpenden Rillen (71) und w&sub4; das Umfangsmaß zwischen benachbarten stromauf pumpenden Rillen (73) ist.

7. Gleitringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche&sub1; dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Rillen (71, 73) im Bereich von ungefähr 2,54 µm (100 Mikroinch) bis ungefähr 12,7 µm (500 Mikroinch) liegt.

8. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Rillen (71, 73) in dem Bereich von ungefähr 5,08 µm (200 Mikroinch) bis ungefähr 10,16 µm (400 Mikroinch) liegt.

9. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Rillen (71, 73) in dem Bereich von ungefähr 5,08 µm (200 Mikroinch) bis ungefähr 7,62 µm (300 Mikroinch) liegt.

10. Gleitringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede stromauf pumpende Rille (73) an ihrem Schnittpunkt (75) mit einer stromab pumpenden Rille (71) endet.

11. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die stromauf pumpenden Rillen (73) sich über den Schnittpunkt (75) mit den stromab pumpenden Rillen (71) in einer Richtung in Richtung des umlaufenden Rands (30) des Rings (27) erstrecken, der angepaßt ist, dem unter Druck stehenden Fluid ausgesetzt zu sein.

12. Gleitringdichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die stromauf pumpenden Rillen (73) an einem Punkt zwischen dem Schnittpunkt (75) mit den stromab pumpenden Rillen (71) und dem umlaufenden Rand (30) des Rings (27) liegen, der angepaßt ist, dem abzudichtenden Fluid ausgesetzt zu sein.

13. Gleitringdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der umlaufende Rand (30), der dem abzudichtenden Fluid ausgesetzt ist, an dem Außendurchmesser des Rings (27) angeordnet ist.

14. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der umlaufende Rand (28), der bei dem abzudichtenden Fluid angeordnet ist, an dem Innendurchmesser des Rings (27) angeordnet ist.

15. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (a&sub1;, a&sub2;) sowohl von den stromauf pumpenden Rillen (73), als auch von den stromab pumpenden Rillen (71) ungefähr 20º ist.

16. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (a&sub2;) der stromab pumpenden Rillen (71) ungefähr 20º ist.