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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Drehring und eine mechanische Dichtung
sowie deren Verwendung, und insbesondere auf einen Drehring, der
für eine
kontaktfreie Stirnflächengasdichtung
bei hohen Geschwindigkeiten verwendet wird und eine kontaktfreie,
mechanische Hochgeschwindigkeitsstirnflächendichtung für Gas sowie
deren Verwendung. Solch eine Dichtung ist zum Beispiel aus der US-A-4407512
bekannt.
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Drehringe,
die für
kontaktfreie Stirnflächengasdichtungen
bei hohen Geschwindigkeiten verwendet werden, umfassen hauptsächlich ein
hartes Keramikmaterial, wie zum Beispiel Wolframcarbid, Siliziumcarbid,
Siliziumnitrid und dergleichen, und sind zu einer rechteckigen oder
im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsform ausgebildet, die symmetrisch
bezüglich
links und rechts (gemäß 8) ist,
um die Bearbeitung und die Analyse zu vereinfachen.
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Dann
wird ein Drehring 31, der wie oben beschrieben angeordnet
ist, als ein Drehring 31 einer zum Beispiel kontaktfreien
mechanischen Hochgeschwindigkeitsstirnflächendichtung für Gas verwendet.
Wenn ein Drehkörper
(nicht gezeigt) durch das Befestigen der mechanischen Dichtung auf
einem abzudichtenden Teil gedreht wird, wird der Drehring 31 zusammen
mit dem Drehkörper
so gedreht, dass die Dichtungsstirnfläche 32 des Drehrings 31 und
die Dichtungsstirnfläche
eines feststehenden Rings (nicht gezeigt) aneinander durch ein abzudichtendes Mittel
gleiten (inertes Gas, gefährliches
Gas, Luft, Dampf, usw., in folgenden kann das abzudichtende Mittel
aus jedem dieser Materialien zusammengesetzt sein), wodurch der
abzudichtende Teil abgedichtet wird.
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In
diesem Fall werden eine Öffnungskraft und
eine Schließkraft,
die beide auf die Dichtungsstirnflächen wirken, durch das Zusammenwirken
des Drucks des abzudichtenden Mittels und der Beaufschlagungskraft
eines Beaufschlagungsmittels (nicht gezeigt) gegeneinander ausgeglichen,
um den Drehring 31 oder den feststehenden Ring in die Richtung des
anderen der beiden zu drücken,
wodurch der Abstand zwischen den beiden Dichtungsstirnflächen auf einen
Abstand von wenigen Mikrometern gehalten wird.
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Da
der oben beschriebene Drehring 31 zu einer rechteckigen
oder im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsform ausgebildet ist,
die bezüglich rechts
und links symmetrisch ist, wird der Drehring 31 hauptsächlich in
eine radiale Richtung durch eine Zentrifugalkraft verformt während er
in eine Axialrichtung fast nicht verformt wird. Deshalb ist es ausreichend,
Verformungskomponenten aufgrund Druck und aufgrund Wärme als
die Verformungskomponenten der beiden Ringe, welche die Druckverteilung
dazwischen beeinflussen, in Betracht zu ziehen.
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In
diesem Fall kann die Verformung aufgrund Druck optional durch ein
auftrieberzeugendes Mittel 34 gesteuert werden, welches
aus dynamischen Druckschlitzen, statischen Druckschlitzen, sich
verjüngenden
Abschnitten, gestuften Abschnitten, und dergleichen zusammengesetzt
ist, das an der Dichtungsstirnfläche 32 ausgebildet
ist. Es kann jedoch nicht nur die Verformung aufgrund Wärme nicht
vollständig
beseitigt werden, sondern es ist auch schwierig sie auf einen vernachlässigbaren
Wert zu verringern, solange eine Hochgeschwindigkeitsdichtung beteiligt
ist.
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Während Wärme von
den jeweiligen Oberflächen
der Drehkomponenten erzeugt wird, wird sie in einer höchsten Dichte
an der Dichtungsstirnfläche 32 erzeugt.
Folglich wird in dem Inneren des Drehrings 31 ein Temperaturgradient
erzeugt, welcher an der Dichtungsstirnfläche 32 hoch und an
der Gegendichtungsstirnfläche 33 niedrig
ist, wobei der Temperaturgradient die Dichtungsstirnfläche 32 veranlasst
eine konvexe Verformung anzunehmen, durch welche deren innere Umfangsseite
gewölbt
wird.
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In
vielen Fällen
erhöht
die konvexe Verformung die Öffnungskraft,
die zwischen den beiden Dichtungsstirnflächen erzeugt wird, wodurch
ein Leckagewert des zwischen den beiden Dichtungsstirnflächen abzudichtenden
Mittels erhöht
wird. Im Gegensatz gibt es jedoch auch einen Fall, dass der Abstand
nahe an dem äußeren Umfangsabschnitt
des Drehrings 31, an dem sich die dynamischen Druckschlitze
befinden, und somit eine Gefahr, dass der innere Umfangsabschnitt
des Drehrings 31 in Kontakt mit dem Gegenmittel kommt,
erhöht
und eine hydraulische Druckwirkung geschwächt wird.
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In
einer kontaktfreien, dynamischen Druckdichtung gibt es solch eine
grundlegende Charakteristik, dass eine höhere Drehzahl in einer höheren dynamischen
Druckwirkung resultiert, so dass der Abstand zwischen den Dichtungsstirnflächen erhöht wird.
Wenn jedoch die Auswirkung der Verformung aufgrund Wärme relativ
zu der dynamischen Druckwirkung erhöht wird, entsteht ein Problem,
dass das abzudichtende Mittel mit einem übermäßigen Wert leckt und dass der
innere Umfangsabschnitt von einer der Dichtungsstirnflächen in
Kontakt mit deren anderen kommt.
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Der
Einfluss der Verformung aufgrund Wärme ist in solch einem Fall
relativ erhöht,
bei dem ein geringer Neigungswert des Drehrings 31 dessen
inneren Umfangsabschnitt zwingt in Kontakt mit dem Gegenmittel zu
kommen, weil die Dichtungsstirnfläche 32 eine große Breite
aufweist, das heißt,
weil die Größe, die
sich durch das Subtrahieren des Innendurchmessers des Drehrings 31 von
dessen Außendurchmesser
ergibt, ebenso groß ist
wie in einem Fall, bei dem die Verformung aufgrund Wärme einen großen Wert
aufgrund der Materialeigenschaft annimmt.
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Eine
Aufgabe der Erfindung, die die Probleme der herkömmlichen mechanischen Dichtung
löst, ist
es, einen Drehring und eine mechanische Dichtung bereit zu stellen,
die den Drehring verwendet und verlässlich verhindert, dass ein
abzudichtendes Mittel übermäßig leckt
und dass die innere Umfangsfläche
des Drehrings in Kontakt mit dem Gegenmittel kommt, selbst wenn
der Einfluss der Verformung aufgrund Wärme bei einer dynamischen Druckwirkung relativ
erhöht
ist.
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Um
die oben genannten Probleme zu lösen, schlägt die Erfindung
ein Mittel vor, bei dem ein Drehring, welcher ringförmig ist
und einen Schwerpunkt aufweist, der an einem Zentrum der Plattendicke
angeordnet ist, eine Dichtungsstirnfläche, die an einem Ende des
Drehrings in die Richtung seiner Mittelachse senkrecht zu der Mittelachse
angeordnet ist, wobei die Dichtungsstirnfläche an einer Dichtungsstirnfläche eines
feststehenden Rings durch ein abzudichtendes Mittel gleitet; und
eine Gegen-Dichtungsstirnfläche
umfasst, die an dem anderen Ende des Drehrings senkrecht zu der
Mittelachse angeordnet ist, wobei die Querschnittsform des Drehrings
so ausgebildet ist, dass der Schwerpunkt an einen Ort näher an die
Gegen-Dichtungsstirnfläche
verlagert ist als das Zentrum der Plattendicke. Die Erfindung schlägt ein Mittel
vor, bei dem die Querschnittsform des Drehrings asymmetrisch bezüglich rechts
und links erzeugt wird, durch ein Verlagern des Schwerpunkts an
einen Ort näher
an die Gegen-Dichtungsstirnfläche
als das Zentrum der Plattendicke, durch das Ausbilden eines abgestuften
Abschnitts, eines ausgesparten Abschnitts, eines geneigten Abschnitts und
dergleichen um den äußeren Umfangsabschnitt des
Drehrings. Die Erfindung schlägt
ein Mittel vor, bei dem der Drehring ein Material umfasst, das durch Härten wenigstens
eines Abschnitts eines einfachen Metalls, eines einfachen Kunststoffs,
eines metallischen Materials, oder eines Kunststoffmaterials durch
Mittel wie zum Beispiel Beschichten, Galvanisieren, Sprühen, Aufdampfen,
Nitrieren, usw. erlangt wird. Die Erfindung schlägt ein Mittel vor, bei dem eine
mechanische Dichtung einen ringförmigen Drehring,
der an einem Drehkörper
angeordnet ist, um sich zusammen mit dem Drehkörper zu drehen, der eine Dichtungsstirnfläche, die
an einem Ende des Drehrings in die Richtung seiner Mittelachse senkrecht
zu der Mittelachse angeordnet ist, eine Gegen-Dichtungsstirnfläche, die
an dem anderen Ende des Drehrings senkrecht zu der Mittelachse angeordnet
ist und einen Schwerpunkt aufweist, der an dem Zentrum der Plattendicke
angeordnet ist; einen ringförmigen,
feststehenden Ring, der an dem feststehendem Körper angeordnet ist, der eine
Dichtungsstirnfläche
aufweist, die an einem Ende des feststehenden Rings in Richtung
seiner Mittelachse senkrecht zu der Mittelachse angeordnet ist,
wobei die Dichtungsstirnfläche
an der Dichtungsstirnfläche
des Drehrings durch ein abzudichtendes Mittel gleitet; und ein Beaufschlagungsmittel
zum Drücken
des Drehrings oder des feststehenden Rings in die Richtung des anderen
davon umfasst, wobei ein vorbestimmter Abstand zwischen der Dichtungsstirnfläche des
Drehrings und der Dichtungsstirnfläche des feststehenden Rings,
durch das Ausgleichen der Schließkraft mit der Öffnungskraft
durch das Zusammenwirken des Drucks des abzudichtenden Mittels und
der Beaufschlagungskraft des Beaufschlagungsmittels gehalten wird
und die Querschnittsform des Drehrings so ausgebildet ist, dass
dessen Schwerpunkt an einen Ort näher zu der Gegen-Dichtungsstirnfläche als
das Zentrum der Plattendicke angeordnet ist. Die Erfindung schlägt ein Mittel
vor, bei dem die Querschnittsform des Drehrings asymmetrisch bezüglich rechts
und links erzeugt wird durch das Verlagern des Schwerpunkts an einen
Ort näher an
die Gegen-Dichtungsstirnfläche
als das Zentrum der Plattendicke durch das Ausbilden eines abgestuften
Abschnitts, eines aufgesparten Abschnitts, eines geneigten Abschnitts
und dergleichen um den äußeren Umfangsabschnitt
des Drehrings. Ferner schlägt die
Erfindung ein Mittel vor, bei dem der Drehring ein Material umfasst,
das durch Härten
wenigstens eines Abschnitts eines einfachen Metalls, eines einfachen Kunststoffes,
eines metallischen Materials, oder eines Kunststoffmaterials durch
Mittel wie zum Beispiel Beschichten, Galvanisieren, Sprühen, Aufdampfen, Nitrieren,
usw. erlangt wird.
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Da
die Erfindung die obigen Mittel vorschlägt, kann ein großer Betrag
der Zentrifugalkraft auf die Gegen-Dichtungsstirnfläche wirken,
und somit eine konkave Verformung der Dichtungsstirnfläche durch
die Zentrifugalkraft erzeugt werden. Dem gemäß kann die konvexe Verformung,
die aufgrund Wärme
an der Dichtungsstirnfläche
erzeugt wird, durch die konkave Verformung ausgeglichen werden.
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1 ist
eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehrings zeigt.
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2 ist
eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mechanischen
Dichtung zeigt.
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3 ist
eine Schnittansicht, die eine andere Ausführungsform des Drehrings zeigt.
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4 ist
eine Schnittansicht, die noch eine andere Ausführungsform des Drehrings zeigt.
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5 ist
eine Schnittansicht, die eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
des Drehrings zeigt.
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6 ist
eine Schnittansicht, die zeigt, wie ein Drehring und ein feststehender
Ring in einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen mechanischen
Dichtung verformt würden.
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7 ist
eine Schnittansicht, die zeigt, wie ein Drehring und ein feststehender
Ring in einer Ausführungsform
einer herkömmlichen
mechanischen Dichtung verformt würden.
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8 ist
eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform eines herkömmlichen
Drehrings zeigt.
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Die
in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen der Erfindung
werden unten beschrieben.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Drehrings.
Das heißt,
der Drehring 1 ist zu einer ringförmigen Form aus einem harten
keramischen Material wie Wolframcarbid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid,
ausgebildet, und weist eine Dichtungsstirnfläche 2, die an dessen
Ende in eine Richtung der Mittelachse senkrecht zu der Mittelachse ausgebildet
ist und eine Gegen-Dichtungsstirnfläche 3 auf, die an
dem anderen der beiden senkrecht zu der Mittelachse ausgebildet
ist.
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Ein
Auftrieb erzeugendes Mittel 4, welches aus dynamischen
Druckschlitzen, statischen Druckschlitzen, sich verjüngenden
Abschnitten, abgestuften Abschnitten und dergleichen zusammen gesetzt ist,
ist an der Dichtungsstirnfläche 2 des
Drehrings 1 angeordnet, um einen vorherbestimmten Abstand zwischen
der Dichtungsstirnfläche 2 und
der Dichtungsstirnfläche
eines feststehenden Rings (nicht gezeigt) zu halten.
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Die
rechte Hälfte
der äußeren Umfangsoberfläche des
Drehrings 1 ist in einer vorherbestimmten Tiefe über dessen
gesamten Umfang aufgeschnitten und eine ringförmige Treppe 5 ist
daran ausgebildet. Die Querschnittsform des Drehrings 1 wird
asymmetrisch bezüglich
rechts und links durch die Ausbildung einer Treppe 5 um
die äußere Umfangsoberfläche erzeugt,
wodurch der Ort des Schwerpunkts des Drehrings 1 in die
Richtung der Gegen-Dichtungsstirnfläche 3 durch ein vorherbestimmtes
Maß des
Zentrums der Plattendicke des Drehrings 1 verlagert wird.
Es ist zu beachten, dass das Bezugszeichen 7 einen eine Drehung
verhindernden Ausschnitt bezeichnet, der an der äußeren Umfangsoberfläche an wenigstens einem
Ort angeordnet ist.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
einer kontaktfreien, mechanischen Hochdruckstirnflächendichtung 10 für Gas. Die
mechanische Dichtung 10 umfasst eine Metallaufnahme 11,
die an einer Drehwelle 25 als ein Drehkörper angeordnet ist, den obigen
Drehring 1, der an dem äußeren Umfang
der Metallaufnahme 11 angeordnet ist, eine Metallabdeckung 16,
die an einem feststehenden Körper 26 angeordnet
ist, ein feststehenden Kohlenstoffring 20, der an dem inneren
Umfang der Abdeckung 16 angeordnet ist, und Druckfedern 23 als
ein Beaufschlagungsmittel, das zwischen dem feststehenden Ring 20 und
der Abdeckung 16 zum Beaufschlagen des feststehenden Rings 20 in
die Richtung des Drehrings 1 angeordnet ist.
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Die
Aufnahme 11 umfasst einen zylindrischen Hauptkörperabschnitt 12,
der in die Drehwelle 25 eingreift und einen Flanschabschnitt 13,
der an einem Ende des Hauptkörperabschnitts 12 in
Richtung der Mittelachse integral damit gebildet und nach außen in eine
radiale Richtung gewölbt
ist. Ein ringförmiger
Schlitz 14 ist an einer Stirnfläche des Flanschabschnitts 13 in
Richtung der Mittelachse in einer vorherbestimmten Tiefe gebildet,
und der Drehring 1 ist in dem ringförmigen Schlitz 14 durch
eine zentrierende Flachfeder 15 angeordnet.
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Ein
Drehsperrstift (nicht gezeigt) ist zwischen dem eine Drehung verhindernden
Ausschnitt 7 des Drehrings 1 und der Aufnahme 11 angeordnet,
wobei die relative Drehung des Drehrings 1 bezüglich der Aufnahme 11 dadurch
verhindert werden kann.
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Die
Abdeckung 16 ist zu einer Scheibenform ausgebildet und
eine Bohrung 17 ist in deren Zentrum so ausgebildet, dass
die Drehwelle 25 sich durch die Abdeckung 16 in
die Richtung der Mittelachse erstreckt. Zusätzlich ist ein ringförmiger Schlitz 18,
der eine vorherbestimmte Tiefe aufweist, an einer Stirnfläche der
Abdeckung 16 in die Richtung der Mittelachse ausgebildet.
Der feststehende Ring 20, welcher später beschrieben wird, ist in
dem ringförmigen Schlitz 18 so
angeordnet, um in die Richtung der Mittelachse bewegbar zu sein.
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Der
feststehende Ring 20 ist zu einer ringförmigen Form aus Kohlenstoff
ausgebildet und weist eine Dichtungsstirnfläche 21 auf, welche
an einem seiner Enden in die Richtung der Mittelachse senkrecht
zu der Mittelachse ausgebildet ist. Ferner weist der feststehende
Ring 20 eine Gegen-Dichtungsstirnfläche 22 auf, die an
seinem anderen Ende ebenfalls senkrecht zu der Mittelachse ausgebildet
ist.
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Die
Druckfedern 23 sind zwischen der Gegen-Dichtungsstirnfläche 22 des
feststehenden Rings 20 und dem Grund des Schlitzes 18 in
die Umfangsrichtung des feststehenden Rings 20 in vorherbestimmten
Intervallen angeordnet, so dass der feststehende Ring 20 in
die Richtung des Drehrings 1 durch die Beaufschlagungskräfte der
Druckfedern 23 beaufschlagt wird.
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Wenn
die mechanische Dichtung 10, die, wie oben beschrieben,
angeordnet ist, zwischen dem feststehenden Körper 26 und dem Drehkörper 25 (Drehwelle 25)
angeordnet ist und die Drehwelle 25 gedreht wird, werden
die Aufnahme 11 und der Drehring 1 gegeneinander
mit der Drehwelle 25 gedreht, wodurch die Dichtungsstirnfläche 2 des
Drehrings 1 und die Dichtungsstirnfläche 21 des feststehenden Rings 20 gegeneinander
durch ein abzudichtendes Mittel (inertes Gas, gefährliches
Gas, Luft, Dampf, usw.) gleiten, das dazwischen angeordnet ist.
Folglich wird der Abstand zwischen dem feststehenden Körper 26 und
der Drehwelle 25 abgedichtet, so dass ein abzudichtender
Abschnitt abgedichtet wird.
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In
diesem Fall kann, da der Drehring 1 zu einer Querschnittsform
ausgebildet ist, welche asymmetrisch bezüglich rechts und links ist
und der Ort des Schwerpunkts an den Ort angeordnet ist, der zu der
Seite der Gegen-Dichtungsstirnfläche 3 des
Zentrums der Plattendicke verlagert ist, ein großer Betrag der Zentrifugalkraft
auf die Seite der Gegen-Dichtungsstirnfläche 3 wirken. Eine
konkave Verformung, durch welche die äußere Umfangsseite der Dichtungsstirnfläche 2 gewölbt wird,
kann an der Dichtungsstirnfläche 2 durch
die Zentrifugalkraft erzeugt werden, und somit kann die konvexe
Verformung, welche an der Dichtungsstirnfläche 2 durch Wärme erzeugt
wird, durch die konkave Verformung aufgehoben werden.
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Deshalb
kann sogar, wenn der Drehring 1 durch Wärme verformt wird, die Schicht
des abzudichtenden Mittels stabil zwischen den beiden Dichtungsstirnflächen 2 und 21 ausgebildet
werden, weil dazwischen die Öffnungskraft
mit der Schließkraft ausgeglichen
werden kann. Folglich kann es vermieden werden, dass ein Leckagewert
des abzudichtenden Mittels durch die Zunahme der Öffnungskraft erhöht wird.
Ferner kann solch eine Gefahr, dass der innere Umfangsabschnitt
der Dichtungsstirnfläche 2 des
Drehrings 1 in Kontakt mit einem Gegenmittel kommt, vermieden
werden, weil eine dynamische Druckwirkung durch die Zunahme des
Abstands zwischen den Dichtungsstirnflächen 2 und 21 geschwächt wird,
welche näher
an dessen äußeren Umfangsabschnitten
ist und wo das Auftrieb erzeugende Mittel 4, wie die dynamischen
Druckschlitze, und dergleichen vorhanden sind.
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Während in
dieser Ausführungsform
die konvexe Verformung aufgrund Wärme durch die konkave Verformung
aufgrund Zentrifugalkraft aufgehoben wird, ist es prinzipiell auch
möglich,
die konvexe Verformung aufgrund Wärme durch konkave Verformung
aufgrund Druck aufzuheben. Jedoch kann in einer Dichtung, in welcher
die konkave Verformung aufgrund Druck gefördert wird, bei niedrigen Geschwindigkeiten
oder im Stillstand die Öffnungskraft nicht
ausreichend erlangt werden, wodurch die Dichtung nicht als eine
kontaktfreie Dichtung wirken kann.
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Wärme wird
in den Dichtungsstirnflächen hauptsächlich erzeugt,
wenn die Viskosität
des abzudichtenden Mittels in kurzen Intervallen geschert wird.
Gemäß einer
Formel ist das Drehmoment proportional zu der Umdrehungszahl und
die Wärmeerzeugung
proportional zu dem Quadrat der Drehzahl. Im Gegensatz werden eine
Drehscheibe und ein Drehzylinder durch Zentrifugalkraft proportional
zu dem Quadrat der Umdrehungszahl verformt. Da, wie oben beschrieben,
die Verformung aufgrund Wärme und
die Verformung aufgrund Zentrifugalkraft sich im Wesentlichen im
gleichen Verhältnis
erhöhen,
kann die Verformung so gesteuert werden, um eine gegenteilige Wirkung
zu verhindern, die durch die Verformung aufgrund Wärme in einem
großen
Drehzahlbereich durch das vorteilhafte Zunutze machen der Verformung
aufgrund Zentrifugalkraft verursacht wird.
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Während die
Verformung aufgrund Druck, Wärme
und Zentrifugalkraft durch die Methode der finiten Elemente oder
dergleichen berechnet werden kann, kann ein Leckagewert anders als
der erwartete Wert sein, der von den tatsächlichen Produkten abhängt. Wenn
zu dem Zeitpunkt, an dem die Dichtung im Stillstand ist, ein Leckagewert
gleich einem erwarteten Wert ist, wobei wenn zum Zeitpunkt an dem
die Dichtung gedreht wird ein Leckagewert anders als ein erwarteter
Wert ist, ist es möglich,
den Verformungswert aufgrund Zentrifugalkraft durch zusätzliches Bearbeiten
des Drehrings 1 einzustellen. Das heißt, die konkave Verformung
aufgrund Zentrifugalkraft kann durch z.B. das Verringern der Tiefe
einer Treppe, gemäß 3,
durch zusätzliches
Bearbeiten der äußeren Umfangsoberfläche des
Drehrings 1 aus dem Zustand, gemäß 1, oder
durch das Bereitstellen einer Facette um den äußeren Umfangsabschnitt der
Gegen-Dichtungsstirnfläche 3,
gemäß 4,
verringert werden. Ferner kann, wie in 5 gezeigt
wird, die konkave Verformung aufgrund Zentrifugalkraft im Gegensatz
durch zusätzliches
Bearbeiten eines Abschnitts nahe an der Dichtungsstirnfläche 2 erhöht werden.
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Wie
oben beschrieben, können
eine übermäßige Leckage
des abzudichtenden Gegenstands und das Auftreten einer Beschädigung,
die aus dem Kontakt der Dichtungsstirnfläche mit dem Gegenmittel entsteht,
in weiten Grenzen der Bedingungen, unter denen der Drehring verwendet
wird, durch Ausnutzung der Verformung des Drehrings aufgrund Zentrifugalkraft
verhindert werden, von welcher ein starker Effekt erwartet werden
kann, um eine Störung
zu beseitigen, welche entsteht, wenn die kontaktfreie, mechanische
Stirnflächendichtung
vergrößert und
bei höheren
Geschwindigkeiten bei einem größeren Druck
verwendet wird. Während
Keramik und Kohlenstoff als Dichtungsringe in verschiedenen Arten mechanischer
Dichtungen, einschließlich
der kontaktfreien Dichtung, verwendet worden sind, besteht die Möglichkeit,
wenn solch ein brüchiges
Material für den
Drehring einer Hochgeschwindigkeitsdichtung verwendet wird, dass
der Drehring durch ein unerwartetes Ereignis beschädigt und
zweitens dadurch eine Drehmaschine zerstört wird. Während eine Probe verwirklicht
wird, bei der der Drehring aus einem duktilen Material, wie zum
Beispiel Metall, als eine Gegenmaßnahme gegen Beschädigung hergestellt wird,
ist eines der zu überwindenden
Probleme, um das Metall zu verwenden, ein großer Verformungswert des Metalls
aufgrund Wärme.
Da die Wärmeleitfähigkeit
von Metall geringer ist als die von Keramik und dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
in vielen Fällen
höher ist
als der von Keramik, wird die konvexe Verformung von Metall aufgrund
Wärme erhöht. Da jedoch
die Verformung aufgrund Wärme
erfindungsgemäß durch
die Verformung aufgrund Zentrifugalkraft aufgehoben werden kann,
trägt die
Erfindung zu der effektiven Verwendung eines metallischen Drehrings
bei. Wenn es dabei keine Tribologiecharakteristik, welche für eine Dichtungsstirnfläche auf
einer Metalloberfläche
benötig
wird, auf einer metallischen Oberfläche gibt, wird die Metalloberfläche einer
Oberflächenbehandlung,
wie z. B. einer Beschichtung und dergleichen unterworfen. Die Wirkung
der Erfindung wird jedoch bei oberflächenbehandelten Metalloberflächen als
solche angewandt.
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6 zeigt,
wie ein Drehring und ein feststehender Ring in einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen mechanischen
Dichtung verformt werden, und 7 zeigt,
wie ein Drehring und ein feststehender Ring in einer Ausführungsform
einer herkömmlichen
mechanischen Dichtung verformt werden. Die Zustände, die in diesen Figuren
gezeigt werden, wurden durch Berechnung der verformten Zustände des
Drehrings 1 und des feststehenden Rings 20 einer
kontaktfreien, mechanischen Dichtung für Gas erlangt, welche in einer
Welle verwendet wird, die einen Durchmesser von 76 mm aufweist.
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Ein
Drehring 1 wurde aus einem martensitischen, rostfreien
Stahl hergestellt und eine Keramikschicht wurde nur auf der Dichtungsstirnfläche 2 ausgebildet.
Ein Drehring 20 wurde aus Kohlenstoffgraphit hergestellt.
Der Drehring 1 wies eine Dicke von 9 mm auf. Der Schwerpunkt
einer Querschnittsfläche wurde
an einen Ort 4,50 mm beabstandet von der Dichtungsstirnfläche 2 in 7 angeordnet.
Als die Dichtung, die in 7 gezeigt wird, mit einem Stickstoffgas
mit einem gemessenen Druck von 3,43 MPa bedruckt und mit 19500 U/min
(rpm) gedreht wurde, war der tatsächlich gemessene Leckagewert
des Stickstoffgases 89 NI/min. Als nächstes wurde, als der äußere Umfangsabschnitt
des Drehrings 1 zusätzlich
bearbeitet wurde (6), der Schwerpunkt 6 einer
Querschnittsfläche
an einen Ort 4,59 mm beabstandet von der Dichtungsstirnfläche 2 verlagert,
wobei er sich an die Gegen-Dichtungsstirnfläche 3 von dem
Zentrum der Plattendicke des Drehrings 1 aus annäherte. Ein
feststehender Ring 20 wurde in 7 verwendet.
Als die Dichtung, die in 6 gezeigt wird, mit einem Stickstoffgas
mit einem gemessenen Druck von 3,43 MPa bedruckt und mit 19500 U/min (rpm)
gedreht wurde, wurde ein tatsächlich
gemessener Leckagewert des Stickstoffgases von 45 NI/min gemessen.
Während
ein abweichender Zustand, wie zum Beispiel der Kontakt der Dichtungsstirnfläche 2 und
dergleichen, sowohl vor und nach dem zusätzlichen Bearbeiten nicht hervorgerufen
wurde, wurde der Leckagewert auf in etwa die Hälfte des Leckagewerts vor dem
zusätzlichen
Bearbeiten verringert, das heißt,
er wurde von 89 NI/min auf 45 NI/min verringert. Es kann, wie oben
beschrieben, vorkommen, dass die Eigenschaften der Dichtung durch
ein absichtliches Verlagern des Ortes des Schwerpunkts der Querschnittsfläche verbessert
werden kann.
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Da
die Erfindung, wie oben beschrieben, angeordnet ist, kann ein hoher
Wert der Zentrifugalkraft auf die Gegen-Dichtungsstirnfläche wirken,
wenn die mechanische Dichtung gedreht wird, so dass eine konkave
Verformung zum Wölben
des äußeren Umfangsabschnitts
der Dichtungsstirnfläche
durch die Zentrifugalkraft auf die Dichtungsstirnfläche ausgeübt werden
kann. Dementsprechend kann sie, sogar wenn die konvexe Verformung
zum Wölben
des inneren Umfangs der Dichtungsstirnfläche durch Verformung aufgrund
Wärme auf
die Dichtungsstirnfläche ausgeübt wird,
durch die konkave Verformung aufgrund Zentrifugalkraft aufgehoben
werden. Folglich kann die Zunahme der Menge des abzudichtenden Mittels,
das zwischen den Dichtungsstirnflächen austritt, ebenso wie die
Zunahme der Gefahr verhindert werden, dass der innere Umfangsabschnitt
der Dichtungsstirnfläche
in Kontakt mit dem Gegenmittel kommt, weil der Abstand zwischen
den Dichtungsstirnflächen
erhöht
ist, welcher näher
an deren äußere Umfänge versetzt
ist. Durch diese Anordnung kann eine Schicht, die aus dem abzudichtenden
Mittel besteht, beständig
zwischen der Dichtungsstirnfläche
ausgebildet und ein abzudichtender Teil beständig abgedichtet werden.