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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine mit statischem Druck arbeitende,
kontaktlose Gasdichtung, die zur Verwendung bei unterschiedlichen
Typen von Rotationsmaschinen wie Turbinen, Gebläsen, Kompressoren, Rührvorrichtungen
und Drehventilen für
unterschiedliche Arten von Gasen, einschließlich toxischem Gas, entflammbarem
Gas, Explosivgas und mit Staub gemischtem Gas, geeignet ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung 101,
wie sie in 8 hergestellt und gezeigt ist,
ist bekannt.
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Wie
in 8 gezeigt, umfasst die Dichtung 101 des
Stands der Technik einen drehbaren Dichtungsring 102, der
an einer Drehwelle 110 befestigt ist, einen feststehenden
Dichtungsring 104, der über ein
Paar O-Ringe 106 an dem kreisförmigen inneren Umfangsteil
eines Dichtungsgehäuses 103 in
axialer Richtung verschiebbar gehalten ist, und Federn 105, die
zwischen der Rükseite
des feststehenden Dichtungsrings 104 und dem Dichtungsgehäuse 103 angebracht
sind, um den feststehenden Dichtungsring 104 gegen den
drehbaren Dichtungsring 102 zu drücken. Und diese Dichtung des
Stands der Technik ist derart gestaltet, dass die an den gegenüberliegenden
Enden der zwei Dichtungsringe 102 und 104 gebildeten
Dichtungsstirnflächen 120 und 140 durch
einen statischer Druck in einem kontaktlosen Zustand gehalten werden,
der dazwischen derart wirkt, dass ein kreisförmiger Bereich zwischen den
Dichtungsstirnflächen 120 und 140 den
abgedichteten Fluidbereich an der äußeren Umfangsseite, d.h. den
inneren Bereich F der Maschine von dem äußeren (atmosphäri schen)
Bereich A an der inneren Umfangsseite, abdichtet.
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Der
feststehende Dichtungsring 104 ist mit flachen Nuten oder
mit einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 an der
Dichtungsstirnfläche 140 versehen.
In diese Nuten wird ein Dichtungsgas 108 wie Stickstoffgas
eingeführt,
das auf einen höheren Wert
als dem Druck des inneren Bereichs F der Maschine komprimiert ist,
um an dem kreisförmigen
Bereich zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 einen
statischen Druck zu erzeugen, wodurch die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 in
einem kontaktlosen Zustand gehalten werden. Mit anderen Worten bildet
das Dichtungsgas 108, das in die einen statischen Druck
erzeugenden Nuten 109 eingeführt ist, einen unter statischem
Druck stehenden Fluidfilm zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140. Aufgrund
des Vorhandenseins des Fluidfilms werden die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 in
einem kontaktlosen Zustand gehalten, wobei der innere Bereich F
der Maschine von dem äußeren Bereich
A abgedichtet ist. Das Dichtungsgas 108, dessen Druck höher ist
als derjenige des inneren Bereichs F, kann zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 hindurch
in den inneren Bereich F der Maschinen und den äußeren Bereich A austreten,
jedoch kann das innere Gas oder das abgedichtete Fluid in dem inneren
Bereich F nicht in den Bereich zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 eindringen
und folglich kann es nicht in den äußeren Bereich A austreten.
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Das
Dichtungsgas 108 wird den einen statischen Druck erzeugenden
Nuten 109 über
einen kontinuierlichen Gaszuführungskanal 180 zugeführt, der
in dem Dichtungsgehäuse 103 und
dem feststehenden Dichtungsring 104 ausgebildet ist, wie
dies in 8 gezeigt ist. Der Gaszuführungskanal 180 umfasst
einen kreisförmigen
geschlossenen Raum 171 und zwei Durchlässe 181 und 182.
Der kreisförmige Bereich 171 ist
zwischen dem inneren Umfangsteil des Dichtungsgehäuses 103 und
dem äußeren Umfangsteil
des feststehenden Dichtungsrings 104 gebildet und durch
ein Paar O-Ringe geschlossen, die in axialer Richtung in einer Nebeneinanderanordnung
angeordnet sind. In dem Dichtungsgehäuse 103 ist der erste
Durchlass 181 gebildet, durch den das Dichtungsgas 108 in
den geschlossenen Raum 171 geführt wird. Der zweite Durchlass 182 ist
in dem feststehenden Dichtungsring 104 vorgesehen. Durch diesen
Durchlass 182 wird das Dichtungsgas 108, das dem
geschlossenen Raum 171 zugeführt wird, den einen statischen
Druck erzeugenden Nuten 109 über eine Öffnung 183 zugeführt. Das
Dichtungsgas 108, das in die einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 eingeleitet
wird, strömt
zu dem inneren Bereich F und dem äußeren Bereich A zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 hindurch,
wobei es die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 in
einem kontaktlosen Zustand durch einen durch den statischen Druck
gebildeten Fluidfilm hält.
Zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 stehen
eine Öffnungskraft
und eine Schließkraft
im Gleichgewicht und sind ausgeglichen, wodurch die beiden Dichtungsstirnflächen in
einem kontaktlosen Zustand gehalten werden. Die Öffnungskraft ist eine Kraft,
die sich aus dem statischen Druck, der durch das Dichtungsgas 108 erzeugt
wird, das den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 zugeführt wird,
und aus dem Druck innerhalb der Maschine ergibt, der auf den äußeren Umfangsrand 148 des
feststehenden Dichtungsrings 104 (der kreisförmigen Fläche außerhalb
der Dichtungsstirnfläche 140 des
feststehenden Dichtungsrings 104) wirkt. Die Schließkraft wird
durch die Feder 105 erzeugt, die den feststehenden Dichtungsring 104 gegen
den drehbaren Dichtungsring 102 drückt. Der Druck des Dichtungsgases 108,
das den einen statischer Druck erzeugenden Nuten 109 zugeführt wird,
wird in Abhängigkeit
von dem Druck innerhalb der Maschine geregelt und wird auf einen
höheren
Wert als den letzteren eingestellt. Die durch die Feder 105 zur
Einwirkung gebrachte Federkraft (Federlast), die die Schließkraft bestimmt, wird
gemäß dem Druck
des Dichtungsgases 108 so eingestellt, dass der Spalt zwischen
den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 ordnungsgemäß (im allgemeinen
5 bis 15 μm)
ist. Das Dichtungsgas wird durch die Öffnung 183 zusammenge drückt, bevor
es den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 derart
zugeführt
wird, dass, wenn sich der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 ändert, der
Spalt automatisch eingestellt und ordnungsgemäß aufrechterhalten wird. Mit
anderen Worten kommen, falls der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 beispielsweise
durch die Vibration der sich drehenden Komponenten erweitert wird,
die Menge des Dichtungsgases, die zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 aus
den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 einströmt, und
die Menge des den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 durch
die Öffnung 183 zugeführten Dichtungsgases
außer
Gleichgewicht. Wenn der Druck in den einen statischen Druck erzeugenden
Nuten abnimmt, wird die Öffnungskraft geringer
als die Schließkraft,
was zur Folge hat, dass der Spalt zwischen der Dichtungsstirnflächen 120 und 140 auf
eine ordnungsgemäße Größe eingeengt wird.
Umgekehrt steigt, falls der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 schmal
wird, der Druck in den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 109 durch
den vorstehend angegebenen Mechanismus der Öffnung an, was zur Folge hat,
dass die Öffnungskraft
die Schließkraft
zum Vergrößern des
Spalts zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 auf
einen ordnungsgemäßen Wert übersteigt.
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Die
Dichtung 101 des Stands der Technik kann wie die mit dynamischem
Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung das Gas innerhalb der
Maschine während
einer langen Zeit wirksam abdichten, wobei die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 in
einem kontaktlosen Zustand gehalten werden und auf die Flächen 120 und 140 keinem
Festfressen unterliegt. Des weiteren ist die Dichtung 101 des
Stands der Technik beim Abdichten der Art von Gas wirksam, die durch
die mit einem dynamischen Druck arbeitende Gasdichtung nicht abgedichtet
werden kann und bietet eine größere Anwendungsmöglichkeit
als letztere. D.h. die mit einem dynamischen Druck arbeitende Gasdichtung
besitzt, wie bekannt ist, einen dynami schen Druck erzeugende Nuten,
die in einer Dichtungsstirnfläche
erzeugt werden, die sich relativ dreht. Durch die Wirkungsweise
dieser einen dynamischen Druck erzeugenden Nuten wird ein dynamischer
Druck zwischen den Dichtungsstirnflächen durch das Gas innerhalb
der Maschine derart erzeugt, dass die Dichtungsstirnflächen in
einem kontaktlosen Zustand gehalten werden. Prinzipiell toleriert
diese Dichtung das Austreten von Gas innerhalb der Maschine nach
außen
durch die Dichtungsstirnflächen
hindurch. Deshalb kann die mit einem dynamischen Druck arbeitende,
kontaktlose Gasdichtung nicht für
die Art von Gas verwendet werden, das nicht nach außen treten
darf, einschließlich
toxischem Gas, entflammbarem Gas und Explosivgas.
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Andererseits
ist die mit einem statischen Druck arbeitende, kontaktlose Dichtung 101 derart gestaltet,
dass das Dichtungsgas 108 mit einem höheren Druck als dem Druck innerhalb
der Maschine dem Bereich zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 zugeführt wird,
sodass ein Austreten des Gases innerhalb der Maschine nach außen vollständig verhindert
wird und sie wirksam mit sich drehenden Vorrichtungen arbeiten kann,
die mit solchen Gasen, wie toxischem Gas, entflammbarem Gas und Explosivgas
arbeitet.
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Obgleich
die Dichtung 101 des Stands der Technik einen Vorteil mit
Bezug auf die mit dynamischem Druck arbeitende, kontaktlose Dichtung
hat, weist die erstere die nachstehend beschriebenen Probleme auf,
da sie bei einem hohen Niveau an Druck innerhalb der Maschine betrieben
wird und nicht sehr gut bei sich drehenden Vorrichtungen arbeiten
kann, die mit einem hohen Druck betrieben werden.
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Bei
der Dichtung 101 des Stands der Technik wird der Druck
des Dichtungsgases 108 höher eingestellt als der Druck
innerhalb der Maschine, um das Gas innerhalb der Maschine daran
zu hindern, auszutreten. Unter Betriebsbedingungen mit hohem Druck
wäre die Öffnungskraft
extrem hoch. Um der hohen Öffnungskraft
entgegenzuwirken, muss die Federkraft der Feder 105 höher eingestellt
werden als dann, wenn unter Bedingungen niedrigen Drucks gearbeitet
wird, um den Spalt ordnungsgemäß zwischen
den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 aufrechtzuerhalten,
wobei die beiden Kräfte
im Gleichgewicht gehalten werden. Andererseits werden, wenn der
Betrieb ausgesetzt wird, wobei die Zuführung von Dichtungsgas 108 abgeschaltet
wird, die Öffnungskraft
und die Schließkraft
außer
Gleichgewicht gebracht. Wenn der feststehende Dichtungsring 104 gegen
den drehbaren Dichtungsring durch die Feder 105 gedrückt wird,
wird der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 geschlossen. Folglich
kann, falls die Federkraft der Feder 105 groß ist, der
feststehende Dichtungsring 105 heftig gegen den drehbaren
Dichtungsring 102 aufprallen, wenn die Zuführung von
Dichtungsgas 108 abgeschaltet wird, was die Dichtungsringe 102 und 104 oder
die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 beschädigen kann.
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Ein
weiteres Problem bei der Dichtung 101 des Stands der Technik
ist, dass sich die Schließkraft,
die durch die Federlast allein erzeugt wird und zwangsläufig konstant
bleibt, sich nicht aus sich heraus die Änderung des Innendrucks anpassen
kann. Folglich kann unter den Bedingungen, dass der Druck innerhalb
der Maschine veränderbar
ist, die Dichtung 101 des Stands der Technik nicht als
wirksame Dichtung arbeiten und ist zur Verwendung bei sich drehender
Vorrichtungen, die unter solchen Bedingungen betrieben werden, nicht
geeignet.
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D.h.
die Dichtung 101 des Stands der Technik ist so konstruiert,
dass die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 in
einem kontaktlosen Zustand gehalten werden, wobei die Schließkraft und
die Öffnungskraft im
Gleichgewicht gehalten werden, wobei die Schließkraft durch die Federlast
erzeugt wird und sich die Öffnungskraft
aus dem Druck des Dichtungsgases 108, das den einen statischen
Druck erzeugenden Nuten 109 zugeführt wird, und dem Druck innerhalb
der Maschine ergibt, der auf den äußeren Umfangsrand 148 des
feststehenden Dichtungsrings 104 wirkt. In dieser Hinsicht
sind die Federlast und der Druck des Dichtungsgases 108 festgelegt.
Falls sich der Druck innerhalb der Maschine ändert und sich folglich die Öffnungskraft
in Übereinstimmung mit
den Änderungen
des Drucks innerhalb der Maschine ändert, kommen die Öffnungskraft
und die Schließkraft
außer
Gleichgewicht. Folglich kann der Spalt zwischen den Dichtungsstirnflächen 120 und 140 nicht
ordnungsgemäß beibehalten
werden, wodurch sie das Gas innerhalb der Maschine nicht zufriedenstellend
abdichten. Falls beispielsweise der Innendruck den ausgelegten Wert,
auf dessen Grundlage der Dichtungsgasdruck und die Federlast eingestellt
wurden, übersteigt,
ist die Schließkraft
unzureichend, wodurch sich die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 mehr
als notwendig öffnen
können,
was bewirken kann, dass das innere Gas in den Bereich A außerhalb
der Maschine austritt. Falls andererseits der Innendruck unter den
ausgelegten Druckwert absinkt, ist die Öffnungskraft unzureichend,
was dazu führen
kann, dass die Dichtungsstirnflächen 120 und 140 miteinander
in Kontakt kommen.
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In
Fällen,
in denen der Druck innerhalb der Maschine schwankt, kann es möglich sein,
dass der Druck des Dichtungsgases 108 in Übereinstimmung mit
den Druckschwankungen innerhalb der Maschine geregelt und gesteuert
wird. Bei der Dichtung 101 des Stands der Technik kann
jedoch, da die Schließkraft
von der Federlast allein abhängt
und festgelegt ist, ein solches Verfahren nicht verwendet werden. Mit
anderen Worten wird, falls die Öffnungskraft durch
die Drucksteuerung des Dichtungsgases 108 geändert wird,
die Schließkraft
mit Bezug auf die Öffnungskraft
zu groß oder
zu klein. Schließlich
würde dies
das gleiche Problem verursachen, das bei einem festgelegten Druck
des Dichtungsgases 108 angetroffen wird.
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Wie
vorstehend erwähnt,
kann die Dichtung 101 des Stands der Technik unter einem
hohen Druck oder Bedingungen der Druckänderung nicht wirksam arbeiten
und ihre Anwendungsmöglichkeit ist
ziemlich begrenzt.
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JP 4224373A offenbart
eine mit statischem Druck arbeitende Gasdichtung, die feststehende
und drehbare Dichtungsstirnflächen,
die einander gegenüberliegen,
und eine Vorspannkraft aufweist, die durch die Federn geschaffen
wird, die wirken, um den Spalt zwischen der feststehenden und der
drehbaren Dichtungsstirnfläche
zu schließen.
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JP 2146374A offenbart
eine mit statischem Druck arbeitende Gasdichtung, die eine feststehende und
eine drehbare Dichtungsstirnfläche
und zwei Sätze
von Federn umfasst, die dazu dienen, um einander entgegengesetzte
Vorspannkräfte
zum Öffnen und
Schließen
des Spalts zwischen den Dichtungsstirnflächen zu schaffen. Es ist auch
eine Fläche
vorgesehen, auf die der Gasdruck wirken kann, der eine Vorspannkraft
zum Schließen
des Spalts zwischen den Dichtungsstirnflächen schafft.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit statischem
Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung zu schaffen, die das abgedichtete Fluid
ungeachtet der Druckbedingungen in dem Bereich des abgedichteten
Fluids wirksam abdichten kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung zu
schaffen, die die erforderliche Federlast so weit wie möglich verringert,
um die Möglichkeit
der Beschädigung
der Dichtungsteile aufgrund des Auftreffens der einen Dichtungsstirnfläche gegen
die andere auszuschließen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit statischem
Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung zu Schaffen, die über einen breiten
Druckbereich anwendbar ist.
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Erfindungsgemäß wird eine
mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung, wie in Anspruch
1 angegeben, geschaffen.
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Ein
kontinuierlicher Dichtungsgaszuführungskanal,
der mit den Nuten in Verbindung steht, wird gebildet, der durch
das Dichtungsgehäuse
und den feststehenden Dichtungsring hindurchgeführt ist.
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Der
feststehende Dichtungsring ist so ausgebildet, dass ein zweiter äußerer Umfangsteil,
der mit dem Inneren des zweiten O-Rings in Kontakt steht, einen
kleineren Durchmesser als der erste äußere Umfangsteil aufweist,
der mit dem ersten O-Ring
in Kontakt steht.
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Aufgrund
des Unterschieds des Durchmessers zwischen dem ersten und dem zweiten äußeren Umfangsteil
erzeugt das Dichtungsgas, das dem ersten geschlossenen Raum zugeführt wird,
eine Kraft, die den feststehenden Dichtungsring gegen den drehbaren
Dichtungsring drückt.
Diese Schubkraft arbeitet, um die Dichtungsstirnflächen zu
schließen. So
verringert diese Anordnung die Federlast im Vergleich zu einem Fall,
bei dem eine Schließkraft,
die nötig
ist, um der Öffnungskraft
entgegenzuwirken, nur von der Federlast allein erhalten wird.
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Des
weiteren ist sie so konstruiert, das der abgedichtete Fluidbereich
und der zweite geschlossene Raum miteinander über einen Gegendruck-Einführungspfad
in Verbindung stehen, sodass der Druck in dem abgedichteten Fluidbereich
als Gegendruck auf den feststehenden Dichtungsring wirken kann.
Dieser Gegendruck arbeitet, um den feststehenden Dichtungsring gegen
den drehbaren Dichtungsring zu drücken. Die Schubkraft dient
als Schließkraft
und vermindert die Federlast weiter. Selbst unter Betriebsbedingungen,
bei denen der Druck in dem abgedichteten Fluidbereich hoch ist, kann
die Federkraft deshalb relativ niedrig eingestellt werden. Und wenn
der Betrieb ausgesetzt wird, wobei die Zuführung von Dichtungsgas abgeschaltet wird,
gibt es keine Besorgnis, dass die Federlast es gestattet, dass die
Dichtungsstirnflächen
aufeinander auftreffen und so die Dichtungsstirnflächen beschädigt werden.
Des weiteren ändert
sich die Schließkraft
im Verhältnis
zu Änderungen
des Drucks des abgedichteten Fluidbereichs. Selbst wenn sich der Druck
in dem abgedichteten Fluidbereich ändert, sind deshalb die Schließkraft und
die Öffnungskraft gut
ausgeglichen, wodurch sie eine gute Abdichtungsfunktion aufweisen.
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Es
ist bevorzugt, dass 0,05 ≤ b/B ≤ 0,3 erfüllt ist,
wenn b die radiale Breite der Nut oder die Breite ist, die in der
radialen Richtung der einen statischen Druck erzeugenden Nuten,
die an der feststehenden Dichtungsstirnfläche gebildet sind, gemessen
wird, und B die Dichtungsflächenbreite
der feststehenden Dichtungsstirnfläche ist. Mit B – b = Bo
+ Bi muss 0,3B ≤ Bo ≤ 0,7B – b oder
0,3B ≤ Bi ≤ 0,7B – b erfüllt sein,
wobei Bo der radiale Abstand zwischen der einen statischen Druck
erzeugenden Nut und dem äußeren Umfangsende
der feststehenden Dichtungsstirnfläche ist und Bi der radiale
Abstand zwischen der einen statischen Druck erzeugenden Nut und dem
inneren Umfangsende der feststehenden Dichtungsstirnfläche ist.
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Es
ist bevorzugt, dass die Nuttiefe L der einen statischen Druck erzeugenden
Nut 0,3 bis 1,0 mm beträgt.
Der Abstand in der Umfangsrichtung der feststehenden Dichtungsstirnfläche zwischen
benachbarten, einen statischen Druck erzeugenden Nuten ist so eingestellt,
dass er gleich der Nutbreite ist.
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Mit
den folgenden Merkmalen wird der anwendbare Druckbereich auch beträchtlich
erweitert.
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Vorzugsweise
ist der Druck des Dichtungsgases, das in die einen statischen Druck
erzeugende Nut eingeleitet wird (d.h. der Druck des Dichtungsgases
in der einen statischen Druck erzeugenden Nut) auf 0,5 bis 1,5 bar
höher eingestellt
als der Druck in dem abgedichteten Fluidbereich. Des weiteren muss 0,8 ≤ K ≤ 0,9 erfüllt sein,
wobei K das Gleichgewichtsverhältnis
((D2)2 – (Dm)2)/((D2)2 – (D1)2) ist, wobei Dm ein Durchmesser ist, falls
der dritte O-Ringanschlag in dem feststehenden Dichtungsring aus
einem Teil des Dichtungsgehäuses
ausgebildet ist, der den inneren Umfangsteil des dritten O-Rings
kontaktiert, und, falls der dritte O-Ringanschlag in dem inneren
Zylinderteil des Dichtungsgehäuses
ausgebildet ist, an einem Teil des feststehenden Dichtungsrings, der
den äußeren Umfangsteil
des dritten O-Rings kontaktiert. D1 ist der Innendurchmesser der
feststehenden Dichtungsstirnfläche
und D2 ist der Außendurchmesser
derselben. Der dritte O-Ringanschlag dient dazu, zu verhindern,
dass der dritte O-Ring in Richtung auf den drehbaren Dichtungsring
durch den Druck des in den zweiten geschlossenen Raum eingeleiteten,
abgedichteten Fluids bewegt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein halber Längsschnitt,
der eine kontaktlose Gasdichtung zeigt, bei der die vorliegende
Erfindung verkörpert
ist.
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2 ist
ein halber Längsschnitt
entlang einer Linie, die sich von derjenigen in 1 unterscheidet,
der die gleiche kontaktlose Gasdichtung zeigt, bei der die vorliegende
Erfindung verkörpert
ist.
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht,
die den Hauptteil von 1 zeigt.
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4 ist
eine Vorderansicht der Dichtungsstirnfläche des feststehenden Dichtungsrings
der gleichen kontaktlosen Gasdichtung.
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5 ist
ein halber Längsschnitt, äquivalent zu 3,
der eine weitere kontaktlose Gasdichtung zeigt, bei der die vorliegende
Erfindung verkörpert
ist.
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6 ist
ein halber Längsschnitt, äquivalent zu 3,
der eine weitere kontaktlose Gasdichtung zeigt, bei der die vorliegende
Erfindung verkörpert
ist.
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7 ist
eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Gleichgewichtsverhältnis, dem
Taschendruck (Dichtungsgasdruck in den einen statischen Druck erzeugenden
Nuten) und dem Druck innerhalb der Maschine (Druck in dem abgedichteten
Fluidbereich).
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8 ist
ein halber Längsschnitt,
der eine Gasdichtung des Stands der Technik zeigt.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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1 bis 4 zeigen
eine bevorzugte Ausführungsform
der mit einem statischen Druck arbeitenden, kontaktlosen Gasdichtung
der vorliegenden Erfindung. Es ist ersichtlich, dass die Begriffe,
vorne, vor, nach vorne, die bei der nachfolgenden Beschreibung verwendet
werden, in 1 oder 2 aus Gründen der
Bequemlichkeit rechts, nach rechts oder sich auf rechts beziehend
bedeuten und die Begriffe hinten, nach hinten links, nach links
oder sich auf links beziehend bedeuten.
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Die
mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose Gasdichtung 1,
die in 1 bis 4 gezeigt ist, ist mit der Gasdichtung 101 des
Stands der Technik was das grundlegende Dichtungsprinzip betrifft
identisch und so ausgebildet, dass ein drehbarer Dichtungsring,
der 2 an einer Drehwelle 10 befestigt ist, und
ein feststehender Dichtungsring 4, der durch ein Dichtungsgehäuse 3 gehalten
ist, durch einen statischen Druck in kontaktlosem Zustand mit einem Fluidfilm
gehalten werden, der dazwischen geschaffen ist, wodurch der abgedichtete
Fluidbereich F an der äußeren Umfangsseite
eines ringförmigen
Bereichs zwischen den beiden Dichtungsringen 2 und von
dem nichtabgedichteten Fluidbereich A an dessen innerer Umfangsseite
abgedichtet ist. Bei diesem Beispiel ist der abgedichtete Fluidbereich
F ein Hochdruckgasbereich, der mit dem Inneren der Drehmaschine
in Verbindung steht, in der die kontaktlose Gasdichtung 1 angebracht
ist. Dieser Bereich F wird "innerer
Bereich" oder einfach "das Innere" genannt und das
abgedichtete Fluid in dem Bereich wird "inneres Gas" und der Druck dort wird "Innendruck" genannt. Andererseits
ist der nichtabgedichtete Gasbereich A ein Bereich außerhalb
der Drehmaschine, der mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Und
dieser Bereich A wird "äußerer Bereich" oder einfach "das Äußere" genannt. Es ist
ersichtlich, dass die Druckwerte alle in Manometerdruck (bar) mit
Bezug auf den Atmosphärendruck
angegeben sind.
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Das
Dichtungsgehäuse 3 umfasst
einen inneren Zylinderteil 31, einen kreisförmigen inneren Umfangsteil 32,
der den vorstehend angegebenen Teil 31 konzentrisch umgibt,
und einen ringförmigen Gehäusewandteil 33,
der diese beiden verbindet.
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Die
Drehwelle 10 erstreckt sich konzentrisch durch den inneren
Zylinderteil 32 des Gehäuses,
wobei der drehbare Dichtungsring 2 vor dem inneren Zylinderteil 31 angebracht
und an der Drehwelle 10 mittels hülsenförmiger Befestigungselemente 11 und 12 befestigt
ist.
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Der
feststehende Dichtungsring 4 ist in einem ringförmigen Raum
angeordnet, der zwischen dem inneren Zylinderteil 31 des
Gehäuses
und dem inneren Umfangsteil 32 desselben gebildet ist,
in axialer Richtung verschiebbar durch den ersten und den zweiten
O-Ring 61 und 62 und einen dritten O-Ring 63 gehalten
und hinter dem drehbaren Dichtungsring 2 angeordnet, wie
es in 1 und 2 gezeigt ist. Mit anderen Worten
wird ein äußerer Umfangsteil
des feststehenden Dichtungsrings 4 durch den inneren Umfangsteil 32 des
Dichtungsgehäuses über den vorderen
ersten O-Ring 61 und den hinteren zweiten O-Ring 62 gehalten,
wobei die beiden O-Ringe in axialer Richtung mit einem zwischen
ihnen vorgesehenen spezifischen Abstand voneinander beabstandet angeordnet
sind. Ein innerer Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 ist
durch einen äußeren Umfangsteil
des inneren Zylinderteils 31 des Dichtungsgehäuses über den
dritten O-Ring 63 gehalten. Obgleich dies nicht in den
Zeichnungen gezeigt ist, weist der feststehende Dichtungsring 4 Eingriffslöcher an
dem hinteren Ende auf, in die drehungverhindernde Stifte, die in
dem Gehäusewandteil 33 eingebaut
sind, eingesetzt sind. Dies verhindert, das sich der feststehende
Dichtungsring mit Bezug auf das Dichtungsgehäuse 3 dreht, während es
gestattet, dass sich der feststehende Dichtungsring innerhalb eines
spezifischen Bereichs in axialer Richtung bewegt.
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An
den gegenüberliegenden
Enden der beiden Dichtungsringe 2 und 4 sind die
jeweiligen Dichtungsstirnflächen
mit dem gleichen Innendurchmesser D1 und dem gleichen Außendurchmesser
D2, eine drehbare Dichtungsstirnfläche 20 an dem drehbaren
Dichtungsring 2 und eine feststehende Dichtungsstirnfläche 40 an
dem feststehenden Dichtungsring 4 ausgebildet. Der Innendurchmesser
D1 und der Außendurchmesser
D2 der jeweiligen Dichtungsstirnflächen 20 und 40 sind
auf der Grundlage der Dichtungsbedingungen eingestellt, beispielsweise
dem Durchmesser der Drehwelle 10. Die drehbare Dichtungsstirnfläche 20,
die eine Dichtungsstirnfläche
des drehbaren Dichtungsrings 2 ist, und die feststehende
Dichtungsstirnfläche 40,
die eine Dichtungsstirnfläche
des feststehenden Dichtungsrings 4 ist, sind ringförmige, glatte
Oberflächen,
die rechtwinklig zur Wellenachse sind. Die Materialien der jeweiligen
Dichtungsringe 2 und 4 sind, wie bekannt ist, auf
der Grundlage der Dichtungsbedingungen und anderer Bedingungen ausgewählt. Bei
dem vorliegenden Beispiel ist der feststehende Dichtungsring 4 aus
Kohlenstoff hergestellt. Der drehbare Dichtungsring 2 ist
aus rostfreiem Stahl JIS Classification SUS 316 hergestellt. Insbesondere
ist die drehbare Dichtungsstirnfläche 20 des drehbaren
Dichtungsrings 2 insbesondere mit einer mit Keramik beschichteten Schicht 21 wie
CrO2, wie in 3 gezeigt,
versehen.
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Der
erste und der zweite O-Ring 61 und 62 sind zwischen
dem äußeren Umfangsteil
des feststehenden Dichtungsrings 4 und dem inneren Umfangsteil 32 des
Dichtungsgehäuses,
wie in 1 bis 3 gezeigt, angeordnet und durch
diese ordnungsgemäß zusammengedrückt. So
sorgen die O-Ringe für
eine sekundäre
Dichtung in dem Raum zwischen dem äußeren Umfangsteil des feststehenden
Dichtungsrings 4 und dem inneren Umfangsteil 32 des
Gehäuses,
während
sie es gestattet, das sich der feststehende Dichtungsring 4 (in
axialer Richtung) hin und her bewegt. D.h. ein ringförmiger erster geschlossener
Raum 71, der durch den ersten und den zweiten O-Ring abgedichtet
ist, ist zwischen dem äußeren Umfangsteil
des feststehenden Dichtungsrings 4 und dem inneren Umfangsteil 32 des
Dichtungsgehäuses
ausgebildet.
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An
dem äußeren Umfangsteil
des feststehenden Dichtungsrings 4 ist ein ringförmiger O-Ringanschlag 43 vorgesehen,
der zwischen den beiden O-Ringen 61 und 62 zum
Begrenzen der nach hinten gerichteten Bewegung des ersten O-Rings 61 und der
nach vorne gerichteten Bewegung des zweiten O-Rings 62 angeordnet.
An dem inneren Umfangsteil 32 des Dichtungsgehäuses ist
ein ringförmiger
erster O-Ringanschlag 34 ausgebildet, der die nach vorne gerichtete
Bewegung des ersten O-Rings 61 einschränkt. Des
weiteren ist ein ringförmiger
zweiter O-Ringanschlag 35 an dem gleichen inneren Umfangsteil 32 vorgesehen,
der die nach hinten gerichtete Bewegung des zweiten O-Rings 62 begrenzt. Diese
Anschläge 34 und 35 und 43 halten
die beiden O-Ringe 61 und 62 voneinander um einen
Abstand innerhalb eines spezifischen Bereichs beabstandet. D.h.
wenn der erste und der zweite O-Ring 61 und 62 durch
den Druckunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren des
geschlossenen Raums nach hinten oder vorne bewegt werden, nähern sich
die beiden O-Ringe 61 und 62 nicht über eine
bestimmte Grenze hinaus und bewegen sich auch nicht über diese
auseinander. Mit anderen Worten ist, selbst wenn die beiden O-Ringe 61 und 62 in
axialer Richtung aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Inneren
und Äußeren des
Raums 71 bewegt werden, der Bewegungsspielraum der beiden
O-Ringe 61 und 62 so begrenzt, dass sich die beiden
O-Ringe 61 und 62 in axialer Richtung innerhalb
eines Bereichs bewegen und nicht die Öffnungen des ersten und des zweiten
Durchlasses 81 und 82 (die später beschrieben werden) zu
dem geschlossenen Raum 71 schließen, wobei die O-Ringe 61 und 62 immer
vor oder hinter den Öffnungen
angeordnet sind.
-
Der
Durchmesser des äußeren Umfangsteils des
feststehenden Dichtungsrings 4 ist nicht gleichmäßig. Der
Durchmesser d2 des zweiten äußeren Umfangsteils 42 hinter
dem O-Ringanschlag 43 (d.h. benachbart dem Gehäusewandteil 33),
den der innere Umfangsteil des zweiten O-Rings kontaktiert, ist kleiner
als der Durchmesser d1 eines endgültigen äußeren Umfangsteils 41 vor
dem O-Ringanschlag 43 ist (d.h. benachbart dem drehbaren
Dichtungsring), den der innere Umfangsteil des ersten O-Rings 61 kontaktiert.
Wenn ein Dichtungsgas 8 (das später beschrieben wird) dem ersten
geschlossenen Raum 71 zugeführt wird, wird aufgrund von
d1 d2 eine Schubkraft durch den Druck Ps des Dichtungsgases (nachstehend
als "Dichtungsgasdruck" bezeichnet) erzeugt,
die den feststehenden Dichtungsring 4 in die Richtung der
drehbaren Dichtung (d.h. in der nach vorne gerichteten Richtung)
drückt.
Diese Schubkraft dient als Schließkraft T2 (nachstehend als "Dichtungsgasschließkraft" bezeichnet) und
arbeitet, um die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 zu
schließen. Die
Schließkraft
T2 ist durch die Gleichung: T2 = (π/4)((d1)2 – (d2)2)Ps spezifiziert.
-
Nebenbei
bemerkt ist die Radiusdifferenz Δr =
(d1/2) – (d2/2)
zwischen den äußeren Umfangsteilen 41 und 42 angesichts
der strukturellen Bedingungen wie dem Durchmesser der Drehwelle 10,
den Durchmessern D1 und D2 der Dichtungsstirn flächen 20 und 40 und
auch unter Berücksichtigung
des Gleichgewichts zwischen der Dichtungsgasschließkraft T2,
den Schließkräften T1
und T3 (die nachstehend beschrieben werden) und den Öffnungskräften U1
und U2 (die nachstehend beschrieben werden) sowie der Dichtungswirkung
ordnungsgemäß eingestellt.
Es ist im allgemeinen wünschenswert,
dass der Unterschied innerhalb dieses Bereichs eingestellt werden
sollte: 0 mm < Δr ≤ 5 mm.
-
Der
dritte O-Ring 63 ist zwischen dem inneren Umfangsteil des
feststehenden Dichtungsrings 4 und dem äußeren Umfangsteil des inneren
Zylinderteils 31 des Dichtungsgehäuses, wie in 1 bis 3 gezeigt
ist, angeordnet und ordrungsgemäß zusammengedrückt. Der
O-Ring sorgt für
eine sekundäre
Dichtung zwischen dem inneren Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 und
dem inneren Zylinderteil 31, während er gestattet, dass sich der
feststehende Dichtungsring 4 (in axialer Richtung) hin
und her bewegt. So ist zwischen der hinteren Oberfläche des
feststehenden Dichtungsrings 4 und dem Gehäusewandteil 33 ein
ringförmiger
zweiter geschlossener Raum 72 gebildet, der zwischen dem
dritten O-Ring 63 und dem vorstehend erwähnten zweiten
O-Ring 62 abgedichtet
ist. Am inneren Umfangsteil des feststehenden Dichtungsrings 4 ist ein
ringförmiger
dritter O-Ringanschlag 44 vorgesehen,
der die vorwärts
gerichtete Bewegung des dritten O-Rings 63 mit Bezug auf
den feststehenden Dichtungsring 4 begrenzt. Am inneren
Zylinderteil 31 ist ein weiterer ringförmiger Anschlag 36 vorgesehen, der
die nach hinten gerichtete Bewegung des dritten O-Rings 61 einschränkt.
-
Durch
den feststehenden Dichtungsring 4 ist ein Gegendruck-Einführungspfad 45 gebildet,
der, den inneren Bereich F und den zweiten geschlossenen Raum 72 (2)
verbindet. Der Gegendruck-Einführungspfad 45 weist
eine Öffnung
in dem äußeren Umfangsteil 48 außerhalb
der Dichtungsstirnfläche
des feststehenden Dichtungsrings 4 (d.h. an dem ringförmigen Teil
außerhalb
der Dichtungsstirnfläche 40,
die an dem vorderen Ende des Rings 4 vorgesehen ist) und
eine weitere Öffnung
an der hinteren Fläche
des feststehenden Dichtungsrings 4 auf. Durch diesen Gegendruck-Einführungspfad 45 wird
das innere Gas aus dem inneren Bereich F zu dem zweiten geschlossenen
Raum 72 geleitet, sodass der Druck gleich dem Innendruck
Pf als Gegendruck pf (= Pf) verwendet wird, der auf den feststehenden
Dichtungsring 4 wirkt. Dieser Gegendruck pf erzeugt eine
Schubkraft, die den feststehenden Dichtungsring 4 in Richtung
auf den drehbaren Dichtungsring drückt. Diese Schubkraft wirkt
als Schließkraft (nachfolgend
als "Gegendruck-Schließkraft bezeichnet)
T1, die in der Richtung zum Schließen der Dichtungsstirnflächen 20 und 40 wirkt.
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Es
wird festgestellt, dass, da der feststehende Dichtungsring 4 den
dritten O-Ringanschlag 44 aufweist, der die nach vorne
gerichtete Bewegung des dritten O-Rings 63 mit Bezug auf
den feststehenden Dichtungsring 4 begrenzt, der Innendurchmesser
des ringförmigen,
druckaufnehmenden Bereichs, auf den der Gegendruck pf wirkt, um
die Gegendruckschließkraft
T1 zu erzeugen, der Durchmesser Dm des äußeren Umfangsteils des inneren
Zylinderteils 31 des Dichtungsgehäuses ist, mit dem der innere
Umfangsteil des dritten O-Rings in Kontakt kommt. Folglich wird,
da der Außendurchmesser
des ringförmigen,
druckaufnehmenden Bereichs der Durchmesser d2 des zweiten äußeren Umfangsteils 42 ist,
die Gegendruckschließkraft
T1, die durch den Gegendruck pf erzeugt wird, durch die Gleichung:
T1 = (π/4)1((d2)2 – (Dm)2)pf angegeben und ändert sich im Verhältnis zu
dem Druck in dem inneren Bereich F. Es wird auch festgestellt, dass
der Gegendruck-Einführungspfad 45 derart
angeordnet ist, das er den zweiten Durchlass 82 nicht kreuzt.
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In
dem zweiten geschlossenen Raum 72 ist eine Vielzahl von
Federn 5 (eine Feder ist in den Zeichnungen gezeigt) vorgesehen,
die den feststehenden Dichtungsring 4 in Richtung auf den
drehbaren Dichtungsring drücken.
Diese Federn sind in Umfangsrichtung in einem ringförmigen Bereich
mit der Drehachse als Mittelpunkt mit einem spezifischen Abstand
zwischen jeweils zwei benachbarten Federn angeordnet und zwischen
der hinteren Fläche
des feststehenden Dichtungsrings 4 und dem Gehäusewandteil 33 angeordnet.
Die Drückkraft
der jeweiligen Federn ist auf den Mindestwert eingestellt, der notwendig
ist, um die folgenden zwei Erfordernisse zu erfüllen.
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Das
erste Erfordernis ist folgendes: Die Schließkraft (Federschließkraft)
T3, die durch die Drückkraft
(Federlast) aller Federn 5 erzeugt wird, ist von der Größenordnung,
die notwendig und ausreichend ist, um die unzureichende Größe der Schließkraft zu
ergänzen,
die die vorstehend angegebenen Schließkräfte T1 und T2 schaffen, um
eine Gegenkraft zu erzeugen, um die Öffnungskräfte U1 und U2 (die nachstehend
beschrieben werden) ins Gleichgewicht zu bringen. Das zweite Erfordernis
ist, dass, wenn die Vorrichtung angehalten wird, wobei die Zuführung von
Dichtungsgas 8 abgeschaltet wird, die Federöffnungskraft
T3 den Gleitreibungswiderstand der O-Ringe 61 und 62 und 63 glatt überwindet,
wobei sie den feststehenden Dichtungsring 4 mit dem drehbaren
Dichtungsring 2 in Kontakt bringt und hält (sodass kein inneres Gas
zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 austreten
kann). Das erste Erfordernis ist im allgemeinen in dem zweiten Erfordernis
mit Bezug auf die Schließkräfte T1 und
T2 enthalten. Die Federkraft kann auf den Mindestwert innerhalb
eines Bereichs eingestellt werden, der notwendig ist, um das zweite
Erfordernis zu erfüllen.
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An
der feststehenden Dichtungsringstirnfläche 40 ist eine Vielzahl
von einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 in der Form
eines Rings gebildet, der mit der Dichtungsstirnfläche 40 konzentrisch ist,
wie dies in 3 und 4 gezeigt
ist. Das Dichtungsgehäuse 3 und
der feststehende Dichtungsring 4 sind mit einem kontinuierlichen
Dichtungsgaszufüh rungskanal 80 versehen,
durch den das Dichtungsgas 8, das auf einen höheren Grad
als der Innendruck Pf komprimiert ist, der einen statischen Druck
erzeugenden Nuten 9 zugeführt werden kann. Wie bei der
Dichtung 101 des Stands der Technik hält das Dichtungsgas 8,
das in die einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 eingeleitet
wird, die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in
einem kontaktlosen Zustand, während
es den Innenbereich F gegenüber
dem atmosphärischen
Bereich A abdichtet.
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Der
Dichtungsgaszuführungskanal 80 ist
ein kontinuierlicher Kanal, der einen ersten Durchlass 81,
der in dem Dichtungsgehäuse 3 ausgebildet
ist, und einen zweiten Durchlass 82 aufweist, der in dem feststehenden
Dichtungsring 4 ausgebildet ist, wobei diese Durchlässe miteinander über den
ersten geschlossenen Raum 71, wie in 1 und 3 gezeigt,
verbunden sind. Der erste Durchlass ist mit einer Dichtungsgaszuführungsquelle
(nicht gezeigt) verbunden und weist eine Öffnung an dem inneren Umfangsteil 32 des
Gehäuses
auf, um mit dem ersten geschlossenen Raum 71 in Verbindung
zu stehen. Diese Öffnung
befindet sich direkt gegenüber dem
O-Ringanschlag 43,
der den ersten und den zweiten O-Ring 61 und 62 voneinander
beabstandet hält.
Ein Ende des zweiten Durchlasses 82 geht durch den O-Ringanschlag 43 und
weist eine Öffnung
auf, die mit dem ersten geschlossenen Raum 71 in Verbindung
steht und das andere Ende verzweigt sich und mündet in der Mitte der Längsrichtung
der jeweiligen einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9.
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In
dem zweiten Durchlass 82 ist ein geeigneter Quetschmechanismus 83 (in
diesem Beispiel eine Öffnung)
vorgesehen, die die gleiche Funktion wie die bereits beschriebene Öffnung 183 hat.
Das Dichtungsgas 8 wird gemäß den Dichtungsbedingungen (wie
den Eigenschaften des inneren Gases) unter denjenigen ausgewählt, die
ungefährlich
sind, selbst wenn es gestattet wird, das es in die Bereiche F und A
strömt,
d.h. dass es die Eigenschaften, die Zusammensetzung, die Qualität und andere
Aspekte des inneren Gases nicht beeinträchtigt und für Menschen ungefährlich ist.
Die Wahl ist im allgemeinen Stickstoffgas, das gegenüber jedem
Gas inert ist und für den
menschlichen Körper
ungefährlich
ist. Es wird festgestellt, dass das Dichtungsgas 8 nur
zugeführt wird,
wenn die Drehvorrichtung, die mit der Dichtung 1 ausgestattet
ist, in Betrieb ist, und dass die Zuführung abgeschaltet wird, wenn
der Betrieb unterbrochen wird. Normalerweise wird, nachdem das Dichtungsgas 8 zugeführt worden
ist, die Vorrichtung oder die Drehwelle 10 in Betrieb gesetzt.
D.h. der Betrieb wird gestartet, nachdem die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in
einem kontaktlosen Zustand gehalten worden ist. Und die Zuführung des
Dichtungsgases 8 wird abgeschaltet, nachdem die Vorrichtung
oder die Drehwelle vollständig
angehalten worden sind.
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Das
Dichtungsgas 8 wird dem ersten Durchlass 81 von
einer Dichtungsgaszuführungsquelle (nicht
gezeigt) zugeführt
und zu den jeweiligen einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 von
dem zweiten Durchlass 82 über die Öffnungen geleitet. Der Druck
Ps des Dichtungsgases 8, das von der Quelle zugeführt wird,
wird derart gesteuert, dass der Druck ps (Taschendruck) des Dichtungsgases 8 in den
jeweiligen einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 0,5
bis 1,5 bar höher
ist als der Innendruck Pf, und zwar aus dem folgenden Grund.
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Der
Abstand R in der Umfangsrichtung des Dichtungsstirnflächenteils 49 zwischen
jeweils zwei benachbarten, einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 (nachstehend
als "Stegbereich
zwischen Nuten" bezeichnet)
ist so festgelegt, dass er genau oder grob der Nutenbreite b der
den statischen Druck erzeugenden Nut 9 ist. Falls ps < Pf + 0,5 bar ist,
dann variiert die Druckverteilung des Fluidfilms, der durch das
Dichtungsgas 8 zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 gebildet
ist, an den Stegbereichen 49 zwischen Nuten stark, wobei
der Druck des Fluidfilms an den Stegbereichen 49 zwischen
den Nuten unter den Innendruck Pf absinkt.
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Folglich
kann Gas innen Gas in den äußeren Bereich
A zwischen den Stegbereichen 49 zwischen den Nuten und
der drehbaren Dichtungsstirnfläche 20 austreten.
Falls ps > Pf + 1,5
bar ist, erhöht
sich andererseits das Austreten des Dichtungsgases zu dem inneren
Bereich F zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 hindurch
mehr als notwendig.
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Bei
dem vorliegenden Beispiel wird der Dichtungsgasdruck Ps so geregelt,
dass Pf + 1,5 bar ≤ Ps ≤ Pf + 2,5
bar aufrechterhalten wird, um der Taschendruck Ps innerhalb des
vorstehend angegebenen Bereichs zu halten: Pf + 0,5 bar ≤ ps ≤ Pf + 1,5
bar. Es wird festgestellt, dass in dem Fall, in dem es keine oder
nur eine geringe Schwankung des Innendrucks Pf (beispielsweise einen
Schwankungsbereich von 0 bis 0,3 bar) gibt, obgleich die Vorrichtung
oder die Drehwelle 10 in Betrieb ist, dann der Dichtungsgasdruck
Ps innerhalb eines Bereichs festgelegt gehalten wird, der die vorstehend
angegebenen Bedingungen erfüllt:
Pf + 0,5 bar ≤ ps ≤ Pf + 1,5
bar oder Pf + 1, 5 bar ≤ Ps < Pf + 2,5 bar. Falls
der Innendruck Pf während
des Betriebs stark schwankt, wobei der Schwankungsbereich des Innendrucks
Pf beispielsweise 0,3 bar übersteigt,
dann besteht die Möglichkeit,
dass der Dichtungsgasdruck, falls er auf einem festgelegten Niveau
gehalten wird, die vorstehend angegebenen Bedingungen nicht erfüllt. Um
damit fertig zu werden, ist es wünschenswert,
den Dichtungsgasdruck Ps so gemäß der Änderung
des Innendrucks Pf zu regeln, dass die vorstehend angegebenen Bedingungen
erfüllt
werden. Diese Regelung kann ohne Schwierigkeiten mittels eines der
bekannten Steuersysteme wie eines Differentialdruckregelventils
durchgeführt
werden. Selbstverständlich
ist es in Ordnung, dass der Dichtungsgasdruck Ps in Übereinstimmung
mit den Änderungen
des Innendrucks Pf geregelt wird, selbst wenn der Schwankungsbereich
des Innendrucks Pf gering ist, z.B. nicht höher als 0,3 bar.
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Nun
wird das Dichtungsgas 8 zu den jeweiligen einen stati schen
Druck erzeugenden Nuten 9 durch den Dichtungsgaszuführungskanal 80 geleitet. Der
statische Druck oder der Taschendruck ps steigt an und erzeugt eine Öffnungskraft
(Dichtungsgasöffnungskraft)
U1 zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40,
die die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in einem
kontaktlosen Zustand hält.
Diese Dichtungsgasöffnungskraft
U1 wird mit einer Schubkraft (Innengasöffnungskraft) U2 kombiniert,
um den feststehenden Dichtungsring 4 zurückzuschieben.
Die Innengasöffnungskraft
U2 wird durch den Innendruck Pf erzeugt, der auf den äußeren Umfangsteil 48 außerhalb
der Dichtungsstirnfläche
des feststehenden Dichtungsrings wirkt. Wenn die Kombination aus Dichtungsgasöffnungskraft
U1 und Innengasöffnungskraft
U2 mit den Schließkräften T1,
T2 und T3 im Gleichgewicht steht, werden die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in
kontaktlosem Zustand gehalten. Es wird festgestellt, dass die Innengasöffnungskraft U2
durch die folgende Gleichung gegeben ist: U2 = (π/4)((d1)2 – (d2)2)Pf.
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Wie
dargelegt, kommt zu der Federöffnungskraft
T3 die Gegendruckschließkraft
T1 und die Dichtungsgasschließkraft
T2 hinzu, um die Schließkraft zu
bilden. Anders als die Dichtung 101 des Stands der Technik,
bei der die Schließkraft
allein aus der Federlast stammt, kann die vorliegende Erfindung die
Federlast wesentlich verringern, um den Öffnungskräften U1 und U2 entgegenzuwirken
und kann die Federkraft jeder Feder 5 auf ein Minimum halten, wie
dies beschrieben worden ist.
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Es
ist bemerkenswert, dass die mit statischem Druck arbeitende, kontaktlose
Gasdichtung der vorliegenden Erfindung als Dichtung mit ausgeglichenem
Druck gestaltet ist, die zur Verwendung unter Hochdruckbedingungen
geeignet ist, da der zweite geschlossene Raum 72 hinter
der hinteren Fläche
des feststehenden Dichtungsrings 4 mit dem inneren Bereich
F über
den Gegendruck-Einführungspfad 45 verbunden
ist, sodass der Innendruck Pf verwendet wird, um als Gegendruck
Pf zu dienen, um den feststehenden Dichtungsring 4, wie
erklärt wurde,
zu drücken.
D.h. das Gleichgewichtsverhältnis
K bei dieser Dichtung kann auf nicht mehr als 1 eingestellt werden.
Dieses Gleichgewichtsverhältnis K
kann wie bei den bekannten Dichtungen des Gleichgewichts durch den
Innendurchmesser D1 und den Außendurchmesser
D2 der Dichtungsstirnflächen 20 und 40 und
dem Innendurchmesser des ringförmigen,
druckaufnehmenden Bereichs des feststehenden Dichtungsrings 4,
auf den der Gegendruck Pf wirkt, d.h. den Durchmesser Dm der inneren
Umfangsteilkontaktfläche
des dritten O-Rings, definiert werden. Bei der Konstruktion kann
K durch die folgende Gleichung angegeben werden: K = ((D2)2 – (Dm)2)/((D2)2 – (D1)2). Bei der mit statischem Druck arbeitenden,
kontaktlosen Gasdichtung 1 der vorliegenden Erfindung ist
mittlerweile, falls der Taschendruck ps, wobei K < 0,8 oder 0,9 < K ≤ 1, innerhalb dieses
Bereichs: Pf + 0,5 bar ≤ ps ≤ Pf + 1,5
bar, aufrechterhalten werden soll, der anwendbare Umfang des Innendrucks
Pf wie in 7 gezeigt eng.
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Aus
diesem Grund ist, um einen breiten anwendbaren Druckbereich zu erhalten,
wobei die Bedingungen Pf + 0,5 bar ≤ ps ≤ Pf + 1,5 erfüllt sind, das Gleichgewichtsverhältnis K
= ((D2)2 – (Dm)2/((D2)2 – (D1)2)) auf 0,8 ≤ K ≤ 0,9 eingestellt.
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Die
einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 sind bogenförmig mit
einer Krümmung,
in der die Achse des feststehenden Dichtungsrings 4 als Mittelpunkt
dient, und alle sind von identischer Gestalt. Die Anzahl der vorgesehenen
Nuten beträgt
im allgemeinen 3 bis 12 und wird ordnungsgemäß in Abhängigkeit von den Dichtungsspezifikationen
wie dem Innendurchmesser D1 und dem Außendurchmesser D2 der Dichtungsstirnfläche 40 des
feststehenden Dichtungsrings 4 gewählt. Bei dem vorliegenden Beispiel
sind vier einen statischen Druck erzeugende Nuten 9 in
der Umfangsrichtung an der Dichtungsstirnfläche 40 des feststehenden
Dichtungsrings 4 mit dem gleichen Abstand R zwischen jeweils
zwei benachbarten Nuten ausgebildet.
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Die
Tiefe L der einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 ist
gleichmäßig und
in dem Bereich von 0,3 mm ≤ L ≤ 1,0 mm festgelegt.
Der Grund dafür besteht
darin, dass die Tiefe auf diesen Bereich begrenzt ist: Falls L > 1,0 mm ist, ist das
Volumen des Innenraums der Nuten so groß, das Instabilitätsphänomene auftreten,
die durch die Komprimierbarkeit des Dichtungsgases 8 verursacht
werden. Beispielsweise schwankt der Taschendruck pf und verursacht, dass
der feststehende Dichtungsring 2 vibriert. Der Grund hierfür ist, dass,
während
die Öffnung 83 das Dichtungsgas 8 gleichmäßig (gleichmäßig was
die Druckverringerung anbetrifft) zusammendrückt, die Wirkung des Zusammendrückens des
Dichtungsgases 8 durch die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 durch
die Änderung
des Spalts zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 beeinträchtigt wird.
Obgleich keine Änderung
des Drucks des Dichtungsgases 8 an der stromaufwärtigen Seite
der Öffnung 83 aufgrund
der Änderung
des Spalts zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 auftritt,
kann die Änderung
des Spalts den Druck des Dichtungsgases 8 an der stromabwärtigen Seite
oder in den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 ändern, was eine
Art von selbsterregter Vibration verursacht. Andererseits würde L < 0,3 mm dazu neigen,
eine ungleichmäßige Druckverteilung
des Taschendrucks ps in der Längsrichtung
der Nut herbeizuführen.
Wenn beispielsweise das Dichtungsgas 8 zu der Mitte der einen
statischen Druck erzeugenden Nuten 9 von dem zweiten Durchlass 82 geführt wird,
kann das Dichtungsgas 8 die zwei Längsenden nicht ausreichend
erreichen, sondern tritt unterwegs aus den einen statischen Druck
erzeugenden Nuten aus.
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Die
einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 weisen die gleiche
Nutenbreite b auf, die aus den nachstehend beschriebenen Gründen derart
gewählt
ist, dass die folgenden Bedingungen erfüllt werden: 0,05 ≤ b/B ≤ 0,3, wobei
B: die radiale Breite der Dichtungsstirnflächen (= (D2 – D1)/2)
der Dichtungsstirnflächen 20 und 40 ist.
Die Nutenbreite b < 0,05B oder
b/B < 0,05 könnte keine
ausreichende Dichtungsgasöffnungskraft
U1 erzeugen, um dem Taschendruck ps angeglichen zu sein. Die Dichtungsgasöffnungskraft
U1 wäre
zu gering. Folglich müsste, um
die Öffnungskraft
und die Schließkraft
auszugleichen, der Taschendruck ps oder der Dichtungsgasdruck PS
mehr als notwendig angehoben werden. Falls andererseits die Nutenbreite
b größer als
0,3B oder b/B > 0,3
ist, dann ist die Dichtungsgasöffnungskraft
U1 zu groß.
Folglich müsste,
um die Öffnungskraft
und die Schließkraft
auszugleichen, die Schließkraft
mehr als notwendig erhöht
werden, beispielsweise durch Vergrößern der Federkraft.
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Es
ist erwünscht,
dass der Umfangsabstand R zwischen jeweils zwei benachbarten Nuten 9 oder die
Breite des Stegbereichs 49 zwischen den Nuten 9 gleich
der vorstehend angegebenen Nutenbreite b für den Zweck ist, dass in dem
größtmöglichen
Umfang der Druck des Dichtungsgases 8 daran gehindert wird,
sich an dem Stegbereich 49 zu ändern (abzusinken) und dass
die Druckverteilung des Fluidfilms zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in
der Umfangsrichtung gleichmäßig gehalten
wird. Spezifischer gesagt, wird der Abstand R im allgemeinen in
dem Bereich von 1 bis 4 mm eingestellt, obgleich er von dem Innen-
und Außendurchmesser
der Dichtungsstirnflächen 20 und 40 abhängt.
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Die
Position der einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 in
der radialen Richtung ist durch den radialen Abstand von dem äußeren Rand
der feststehenden Dichtungsringstirnfläche 40 zu den einen
statischen Druck erzeugenden Nuten 9 (nachstehend als "äußere Stegbreite" Bo bezeichnet) oder dem
radialen Abstand von dem inneren Rand der feststehenden Dichtungsringstirnfläche 40 zu
den einen statischen Druck erzeugenden Nuten 9 (nachstehend
als "innere Stegbreite" Bi bezeichnet) spezifiziert.
Diese äußere Stegbreite
Bo oder die innere Stegbreite Bi ist wie folgt bestimmt: 0,3B ≤ Bo ≤ 0,7B – b oder
0,3B ≤ Bi ≤ 0,7B – b unter
der Voraussetzung, dass die Nutenbreite b und die Dichtungsflächenbreite
B die Gleichung = B – b
= Bo + Bi erfüllt.
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Falls
Bo < 0,3B oder
Bi > 0,7B – b ist,
wird das Austreten des Dichtungsgases in den inneren Bereich F ungeachtet
der anderen Bedingungen mit einer ungleichmäßigen Druckverteilung in der
radialen Richtung des Fluidfilms zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 vergrößert. Folglich
geht die Parallelität
zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 verloren
und es ist schwierig, die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in
einem ordnungsgemäßen kontaktlosen
Zustand zu halten. Des weiteren würde Bi < 0,3B oder Bo > 0,7B – b das Austreten des Dichtungsgases
in den äußeren Bereich
A ungeachtet der anderen Bedingungen vergrößern. Auch wäre die Druckverteilung
in der radialen Richtung des Fluidfilms zwischen den Dichtungsstirnflächen 20 und 40 nicht
gleichmäßig. Wenn
die Parallelität
gestört
ist, es ist schwierig, die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in einem
ordnungsgemäßen kontaktlosen
Zustand zu halten. Durch Ändern
der äußeren Stegbreite
Bo oder der inneren Stegbreite Bi innerhalb der vorstehend angegebenen
Bereiche kann das Austreten in die Bereiche F und A nach Belieben
eingestellt werden. Beispielsweise sollte, falls das Austreten des Dichtungsgases
in den inneren Bereich F verringert werden soll, die äußere Stegbreite
Bo vergrößert werden.
Um das Austreten des Dichtungsgases in den äußeren Bereich A zu verringern,
sollte die innere Stegbreite Bi vergrößert werden.
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Durch
Einstellen der Breite b der einen statischen Druck erzeugenden Nut,
der Nuttiefe L, der Breite R des Stegbereichs zwischen den Nuten,
der äußeren Stegbreite
Bo und der inneren Stegbreite Bi, wie vorstehend beschrieben, ist
es im größtmöglichen
Ausmaß möglich, das
Austreten des Dichtungsgases in die jeweiligen Bereiche F und A
gering zu halten und die Dichtungsstirnflächen 20 und 40 in
einem ordnungsgemäßen kontaktlosen
Zustand zu halten, wobei ein wirksames Dichtungsergebnis erzielt
wird.
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Es
ist ersichtlich, das die mit statischem Druck arbeitende kontaktlose
Gasdichtung 1 der vorliegenden Erfindung nicht auf die
gerade beschriebenen Beispiele beschränkt ist, sondern ohne den Geist und
das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung zu verlassen leicht
variiert oder modifiziert werden kann.
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Beispielsweise
kann der dritte O-Ringanschlag 44 in dem inneren Zylinderteil 31 des
Dichtungsgehäuses,
wie in 5 gezeigt, gebildet werden. D.h. der dritte O-Ring
wird in eine ringförmige Nut 37 eingesetzt
und dort gehalten, die in dem äußeren Umfangsteil
des inneren Zylinderbereichs 31 gebildet ist, wobei die
vordere Stirnwand dieser ringförmigen
Nut 37 als dritter O-Ringanschlag 44 dient. Bei
dieser Anordnung ist Dm, das die Gegendruckschließkraft T1
und das Gleichgewichtsverhältnis
K bestimmt, der Durchmesser der inneren Umfangsfläche des
feststehenden Dichtungsrings, mit dem der äußere Umfangsteil des dritten
O-Rings 63 in Kontakt kommt.
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Auch
kann der O-Ringanschlag 43, der die Bewegung in der axialen
Richtung des ersten und des zweiten O-Rings 61 und 62 einschränkt, an
dem inneren Umfangsteil 32 des Dichtungsgehäuses, wie in 6 gezeigt,
vorgesehen werden. Bei dieser Anordnung führt der erste Dichtungsgasdurchlass 81 zu dem
ersten geschlossenen Raum 71 durch den O-Ringanschlag 43.
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Bei
einer weiteren Modifikation ist der Gegendruck-Einführungspfad 45 aus
einem Durchgangsloch 45a, das an einer Stelle des Dichtungsgehäuses gegenüber dem
inneren Bereich F vorgesehen ist, und einem weiteren Durchgangsloch 45b gebildet,
das an einer Stelle des Dichtungsgehäuses gegenüber dem zweiten geschlossenen
Raum 72 (d.h. dem Gehäusewandteil 33)
vorgesehen ist, die mittels eines geeigneten Rohrs 45c verbunden
sind, das an der Außenseite
des Dichtungsgehäuses 3 angebracht
ist.