DE8816714U1

DE8816714U1 - Mechanische Stirndichtungsausbildung mit Zentriermittel

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Publication number: DE8816714U1
Application number: DE8816714U
Authority: DE
Original assignee: John Crane Inc
Current assignee: John Crane Inc
Priority date: 1987-05-22
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1990-05-17
Anticipated expiration: 1998-05-21
Also published as: WO1988009456A1; CA1285299C; AU1941088A; US4768790A; KR890701936A; EP0375686B1; DE375686T1; EP0375686A1; ATE84859T1; DE3877762D1; EP0375686A4; DE3877762T2; BR8807517A; AU621544B2; JPH02503707A

Description

MECHANISCHE STIRNDICHTUNGSAUSBILDUNG MIT ZENTRIERMITTEL

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft mechanische sich drehende Dichtungen mit relativ sich drehenden ringförmigen Dichtungsflächen zur Aufnahme eines Fluids unter Druck, zwischen einem Gehäuse und einer Welle, die relativ zum Gehäuse gedreht werden

·» soll. Insbesondere befaßt sie sich mit solchen Dichtungen S/

mit Vorkehrungen, welche die axiale Anordnung der

Dichtungsringe sicherstellen.
15

Hintergrund der Erfindung

Mechanische Dichtungen zwischen einer sich drehenden Welle und ihrem stationären Trägergehäuse können ringförmige

Dichtungsringe umfassen, die jeweils relativ zur Welle und zum Gehäuse abgedichtet und verbunden oder aufgekeilt sind und über ringförmige einander gegenüber angeordnete Dichtungsflächen verfügen. Die Relativdrehung von Welle und &igr;, 25 Gehäuse findet zwischen diesen Dichtungsflächen statt; und sie sind so ausgebildet, daß sie eng miteinander zusammenwirken, um einen Fluidaustritt zwischen den Flächen von einem hohen Druck an einer Radialkante der Dichtungsflächen zu einem niedrigeren oder athmosphärischen Druck an der gegenüberliegenden Radialkante minimal zu halten.

Wenigstens einer der Dichtungsringe ist im allgemeinen axial zur We]Ie beweglich und durch Federn oder dgl. vorgespannt, um die ringförmigen Dichtungsflächen eng aneinander oder sogar im wesentlichen gegeneinander zu drücken, insbesondere, wenn die Welle nicht gedreht wird. Um jedoch

den Verschleiß zwischen den Dichtungsflächen zu vermindern, während diese relativ zueinander bewegt werden, wenn die Welle sich in Drehung befindet, ist beabsichtigt, daß ein

kleiner Fluidfilmspalt zwischen den Dichtungsflächen 5

hergestellt wird. Die Spaltdichtdicke wird bestimmt, wenn die auf das bewegliche Ringelement wirkenden Kräfte sich im Ausgleich befinden; diese Kräfte umfassen den hydrostatischen und hydrodynamischen auf sich gegenüberstehende Flächen des Elementes wirkenden Druck, sowie die Kraft der Schließfeder. Die Fluidkräfte können aus dem enthaltenen Fluid stammen, obwohl ein sekundäres Schmierfluid verwendet werden könnte.

Wenn richtig ausgelegt, kann der Fluidfilmspalt zwischen den ¹^ Dichtungsflächen in etlichen Zehntausendstel eines englischen Zoll (0,0001" bzw. 0,00025 cm) gemessen werden und die Leckage durch den Spalt wird minimal. Dieser Dichtungsspalt eliminiert jedoch oder minimiert den direkten Kontakt zwischen den Dichtungsflächen, um in signifikanter Weise den Verschleiß dieser Flächen zu vermindern; unc2 weiterhin, um in signifikanter Weise die Reibungskräfte, Wärmeaufbau und Leistungsverorauch der mechanischen Dichtung zu vermindern. Mit einer benachbarten Dichtung können die Flächen auf sehr enge Toleranzen gebracht werden, wobei diese Dichtungsfläche während des Betriebs genau und parallel zueinander veroleiben.

Ein genaues Positionieren der Dichtungsringe bezüglich einander ist besonders kritisch bei trocken laufenden Gasdichtungen. Nur das enthaltene Fluid selbst, insbesondere Gas, wird verwendet. Gas ist im allgemeinen kein wirksames Schmiermittel und die Steuerung von hydrostatischen und hydrodynamischen Kräften wird ausgenutzt, um einen Fluidfilmspalt zwischen den Dichtungsflächen zu schaffen, um '5 direkten Flächenkontakt zu vermeiden. Trotzdem muß dor Spalt zwischen den Dichtungsflächen sehr klein sein, um ein Gas auf zur ehmen, ohne daß eine übermäßige Teokage in Kauf zu

nehmen wäre.

Eine erfolgreiche Auslegung einer Trockenlaufdichtuny verfügt über eine Vielzahl von über den Umfang im Abstnud angeordneten flachen radialen Nuten, die in einei flor Dichtungsflächen vorgesehen sind. Diese Nuten erstrecken sich spiralförmig von dem Rand hohen Drucks teilweise quer über die Fläche gegen den Rand niedrigen Drucks. Dp^v Druck des an der Hochdruckkante anstehenden enthaltenen Fluids ist über die Nuten an einem Innenbereich der Dichtungsflächen vorhanden, um einen hydrostatischen Druck zu schaffen, der gegen eine Trennung der Dichtungsflächen neigt. Während die Flächen sich drehen, erzeugt die Pumpwirkung der Nuten eine hydrodynamische Kraft, welche di6. Flächen ^ is zu einem gewissen Spalt trennen, bis ein Gegendruck durch die Kräfte der Federn aufgebaut ist und die entgegengesetzten Fluidkräfte versuchen, den Spalt zu schließen. Hierdurch wird ein direkter Kontakt zwischen den Dichtungsflächen vermieden. Die US-Patente 3 499 653 und 4 212 475 offenbaren spezifische Ausführungsformen mechanischer Trockenlauf-Gasdichtungen und die Lehren dieser Patente werden unter Bezugnahme hier mit eingebracht.

Bei einer mechanischen Dichtung des in den obengenannten Patenten offenbarten Typs ist der Abdichtungs- und/oder Filmleckagespalt dynamisch und veränderlich. Wenn die Welle sich nicht dreht, stehen die Dichtungsflächen in Kontakt. Wenn die Welle sich dreht, sorgt die Pumpwirkung der Dichtungsflächennuten dafür, daß sich die Flächen voneinander entfernen. Andere Faktoren wie eine axiale Wellenbewegung, thermische Verformung der Teile, Druckveränderung etc. erfordern, daß eine Dichtungsfläche eine Axialbewegung erfährt bzw. aufnimmt. Ein Dichtungsring ist daher längs der Welle axial beweglich. Wie bemerkt, kann der Spalt für eine Trockenlaufdichtung in zehn von tausendstel englischen Zoll {0,0001" = 0,00025 cm) gemessen werden und die Bewegung des einen Dichtungsrings ist

vergleichbar, d.h. die Bewegung des einen Dichtungsrings. '&phgr; Jeder Widerstand, der den beweglichen Dichtungsring in diesen sehr kleinen Bereich behindert, reckt der

Empfindlichkeit der mechanischen Dichtung entgegen. Fin Pj

übermäßiger Widerstand, der die kompensierende Bewegung des beweglichen Ringes verhindert, kann den Spalt zwischen den Dichtungsflächen zu klein halten, was Verschleiß,

überhitzung und/oder sogar Zerstörung der benachbarten \

Dichtungsflächen nach sich ziehen kann; oder es kann ein &igr; offener Spalt am Schließen gehalten werden, was eine übermäßige Leckage ermöglicht.

Wichtig isc auch die Tatsache, daß Kräfte auf die &iacgr;

Dichtungsflächen ziemlich gleichförmig und symmetrisch zu

den Dichtungsflächen sowie der Drehachse der Dichtungsflächen sein müssen. Dies bedeutet, daß die Dichtungsflächen richtig relativ zueinander zentriert sein müssen. Wenn die Dichtungsflächen aus einer koaxialen Position versetzt sind oder veranlaßt werden, aus der

on

Parallelität relativ zueinander sich zu bewegen, können die Dichtungsflächen an einem lokalen Bereich veranlaßt werden, zu eng gegeneinander gedrückt zu werden oder einander sogar zu kontaktieren, während sie an einem anderen unter Abstand befindlichen lokalen Bereich übermäßig unter Abstand stehen, \ um jeweils Verschleiß und Leckageprobleme mit sich zu bringen. Diese Faktoren werden durch eine nicht koaxiale ?»' Position der Dichtungsringe noch erhöht. i

Ein Zentrieren der relativ zueinander rotierenden

3® Dichtungsringe ist wichtig für das Dichtungsverhalten und . die Lebensdauer des Dichtungsbauteils. Ist ein Ring in einer Position angeordnet, die von der axialen Mittellinie des anderen versetzt ist, kann eine ungleiche Belastung aufgrund des zwischen den Dichtungsflächen durch die spiralen ^5 Pumpnuten gepumpten Fluids auftreten.

Bei bekannten Ausführungen mit dem hohen Druck ausgesetzten

Dicntungen, die an dem Außendurchmesser der Dichtungsrings abgedichtet werden sollen, war es zweckmäßig, die Dichtungsringe am Innendurchmesser zu zentrieren. Für

Arbeitsdrücke und -temperaturen, wie sie schon aufgetreten 5

sind, war eine solche Lösung adäquat. Da jedoch Druck und Temperaturen in Dichtungsumgebungen immer höher werden, wird ein Zentrieren der Dichtungsringe immer signifikanter und kritischer.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung sorgt für eine koaxiale Ausrichtung der relativ sich drehenden Dichtungsringe einer mechanischen

Dichtung, selbst bei Arbeitsbedingungen, wie sie in heutigen Dichtungsfällen auftreten. Erreicht wird dies dadurch, daß Zentriermittel für in axial beweglichen Dichtungsring der Dichtung vorgesehen werden, wobei diese Mittel das Zentrieren benachbart dem Umfang des Dichtungsrings

beeinflussen, der dem abzudichtenden hohen Druck ausgesetzt ist. Die Dichtung wird so bei dem Einbau zentriert und der gesteigerte Druck bei Arbeitsbedingungen versucht, den axial beweglichen Ring von den Zentriermitteln zu lösen.

Die Erfindung schafft eine mechanische Dichtung zur Verwendung zwischen einem Gehäuse und einer drehbaren Welle und verfügt über benachbarte primäre und dazu passende Dichtungsringe, die je mit einer im wesentlichen radialen Dichtungsfläche versehen sind. Der erste Dichtungsring ist

abgedichtet und nicht drehbar relativ zum Gehäuse befestigt; der zweite Dichtungsring ist zur Drehung mit der Kelle abgedichtet und aufgekeilt. Ein Dichtungsring ist frei in der axialen Bewegung und Vorspannungsmittel beaufschlagen diesen einen Ring gegen den anderen Dichtungsring, um diese °⁵ Dichtungsflächen eng aneinanderzu bringen. Eine Scheibe ist zwischen die Vorspannraittel and den axial beweglichen Ring zwischengeschaltet und so ausgebildet, daß die Kraft der

Dichtungsmittel auf.' den Ring ausaeubt wird. Mittel zentrieren die Scheibe koaxial zur Welle; und zwischen der Dic'itung und dem axial beweglichen Ring wirkende Mittel zentrieren diesen Ring koaxial zur Scheibe und damit die Welle.

Das ZentriermitLei für den axial beweglichen Ring ist am Rand des Dichtungsrings angeordnet, der frei gegen den abzudichtenden hohen Druck ist, derart, daß bei Erreichen von Arbeitsdrücken das Dichtungsmittel von dem axial beweglichen Ring freigegeben wird. Die Erfindung ist besonders geeignet für Gasdichtungen, die trockenlaufen, d.h. die keine Schmierung von einer äußeren Quelle erfahren und/oder luv Dichtungen, wo die Kellendurchmesser drei Zoll ¹^ (7,5 cm) überschreiten können, wo Fluiddrücke bis zu 13790 N/m² (2000 psi) und Temperaturen bis zu 26O⁰C (500⁰F) beispielsweise reichen können.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine mechanische Dichtung nach dem Stand der Technik, die zur Abdichtung einer

Welle verwendet wird, die sich relativ zu einem

Gehäuse drehen kann;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt ähnlich Fig. 1, nur einer

zweiten mechanischen Dichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 ist ein vergrößerter Teillärigsschnitt ähnlich den

Fig. 1 und 2, längs 3-3 der Fig. 7 und zeigt nur die

untere Hälfte einer verbesserten mechanischen

Dichtung nach der Erfindung;
Fig. 4 ist ein Teilschnitt ähnlich Fig. 3 allein der bei

der mechnischen Dichtung verwendeten Scheibe; Fig. 5 ist ein Teilschnitt, im wesentlichen längs der Linie

5-5 in Fig. 3 und zeigt die Verkeilungsanordnung des

primären Dichtungsrings;

Fig, 6 ist ein schematischer Schnitt durch die Ansicht der in den Fig. 1 und 2 gezeigten mechanischen Dichtungen und erläutert eine wahrscheinliche exzentrische Betriebsstellung wenigstens eines der Bauteile, und

Fig. 7 ist eine Ansicht der verbesserten Dichtung gemäß Fig. 3 und zeigt eine wahrscheinliche konzentrische Arbeitsstellung der entsprechenden ähnlichen Bauteile.

Fiqurenbeschreibunq einer Ausführunqsform

Fig. 1 zeigt eine bekannte mechanische Dichtung 10 der

Bauart, die erfindungsgemäß verbessert werden soll. Eine Welle 12 ist gebildet aus einer mittigen Welle 12a und Hülsen 12b und 12c und ist durch nicht dargestellte Lager gelagert, um sich relativ zu einem Gehäuse 14 zu drehen. Aus Gründen dieser Offenbarung wird das Gehäuse 14

r.ypischerweise einen Bereich 16 auf der einen Seite der Dichtung 10 (der innengelegenen Seite) haben, der ein Fluid, wie beispielsweise ein Gas, unter hohem Druck enthalten kann; dagegen kann sich ein Bereich 18 auf der anderen Seite der Dichtung 10 (der Außenseite) bei wesentlich niedrigerem Dru"k oder auf atmosphärischem Druck befinden.

Die mechanische Dichtung 10 verfügt über einen primären Dichtungsring 20 und einen benachbarten hierzu passenden Dichtungsring 22. Por Dichtungsring 22 ist koaxial gegen die

WRlIe 12 abgedichtet und dreht sich mit dieser; dagegen ist der primäre Dichtungsring 20 gemäß der Darstellung abgedichtet und auf das Gehäuse 14 gekeilt, um stationär relativ zum Gehäuse zu sein. Rinqdiehtunqsflachen 20£ und 22f werd"n gebildet auf den jeweiligen primären und zueinander passenden Ringen 20 und 22, symmetrisch zur Welle 12, und sind so ausgebildet, daß sie eng benachbart ^!!"uSmcripüöSsri und sorfar i m wesentlichen nnndiq

-&dgr;&igr;

gegeneinander sind. Die Dichtungsflächen 2Of und 22f sind im allgemeinen radial und normal zur Welle 12 angeordnet.

Während der primäre Dichtungsring 20 auf das stationäre 5

Gehäuse 14 gekeilt ist und der hierzu passende Dichtungsring

22 aufgekeilt ist, um sich mit der Welle 12 zu drehen, veranlaßt eine Drehung der Welle und des hierzu passenden Dichtungsrings 22 die Dichtungsflächen 2Of und 22f relativ

zueinander in einer Richtung in Ausrichtung mit diesen 10

Flächen sich zu bewegen. Bei einer richtig arbeitenden

mechanischen Dichtung tritt diese Bewegung quer über einen sehr kleinen axialen freien Spalt 24 auf (obwohl die Dicke des dargestellten Spaltes aus Gründen der Klarheit der

Offenbarung übertrieben dargestellt ist) und sorgt für einen

verengten radialen Leckweg zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich 18.

Die spezifische Art, wie der Paßring 22 gesichert und gegen

die Welle 12 abgedichtet wird, ist ohne Bedeutung und ist

sogar nicht dargestellt. Die spezifische Art und Weise, wie der Primärring 20 gegen das Gehäuse verkeilt und abgedichtet wird, ist von geringer Bedeutung in der offenbarten mechanischen Dichtung, obwohl dies dargestellt ist.

Ein Halteelement 26 ist axial gesichert und nicht drehbar im Gehäuse 14 durch nicht dargestellte übliche Mitte] befestigt. Das Halteglied 26 verfügt über eine äußere Zylinderfläche 28, die eng benachbart einer inneren Zylinderfläche des Gehäuses ist; ein O-Ring 30 ist in einer

Nut in der Haltegliedaußenflache zusammengedrückt und bildet eine fluiddichte Abdichtung zwischen diesen Bauteilen. Das Halteglied 26 ist so nominal koaxial zur Kelle 12 positioniert. Eine innere Zylinderfläche 32 des Halteglieds 26 ist unter Abstand zur Welle 12 angeordnet und ermöglicht einen ungehinderten Spalt zwischen diesen Bauteilen in diesem tiereich. Dan Halteglied 26 verfügt auch über axial «i Jh erstreckende über den Umfang unter Abstand eingeordnete

Keilstiftschlicze; Keilstifte 34 sind so ausgebildet, daß

sie in diese Schlitze sowie entsprechend positionierte Nuten 36 passen, die auf dem primären Dichtungsring ausgebildet sind. Der primäre Dichtungsring 20 wird so Drehung relativ zum Gehäuse 14 verkeilt, während er axial relativ zum Gehäuse 14 und zur Welle 12 verschoben werden kann.

Das Halteglied 26 verfügt auch über eine glatte zylindrische Dichtungsfläche 38, die konzentrisch zur Welle 12 und unter jg Abstand nach innen gegen den primären Dichtungsring 20 angeordnet ist.

1) Ein ringförmiges Scheibenelement 40 ist angeordnet, um auf

der Haltegliedflache 38 zwischen einer Radialwandung 42 des .g Halteglieds 26 und im Primärdichtungsring 20 zu gleiten. Der Innendurchmesser 40d ist gröBer als der äußere Durchmesser der Fläche 38. Dieser Abstand ist groß genug, um es der Scheibe s.u erlauben, sich frei axial zur Zylinderfläche 38 zu bewegen. Eine Vielzahl von unter Umfangsabstand axial 2Q ausgerichteten Kompressionsfedern 44 sind zwischen der außenliegenden Radialwand 40b der Scheibe 40 unü redersitzen 46 angeordnet, die in der radialen Haltegliedwand 42 ausgebildet sind. Die Druckfedern 44 drücken die

! innengelegene Radialwand 40i der Scheibe 40 axial zur Welle

S 25 12 und gegen die außen gelegene Radialwand 20b des primären j Dichtungsrings 20, der seinerseits die Dichtungsflächen 2Of

! und 22f zusammendrückt.

j Eine Ringnut 48 ist im Primärdichtungsring 20 benachbart der

_o&ldquor; außenseitigen Wandung 20 und dem Innendurchmesser 2Od

; gebildet. Der Durchmesser 20d ist größer als die glatte

&igr; axial zylindrische Dichtungsfläche 38 des Haltegiieds 26,

: und zwar um einen Betrag, der ausreicht, um den notwendigen

&igr; Froiraum zu schaffen. In einer Dichtung von drei Zoll

' _oc (7,5 cm) oder größer sollte dieser Abstand bei 0,06 Zoll (0,15 cm) liegen. Ein O-Ring 50 ist in der Nut 48 eingepaßt .

Die innenseitige Wandung 40i der Scheibe 40 schließt die

offenen Seite der Nut 48 und hält den Q-Ring 50 hierin. Der O-Ring 50 stellt eine gasdichte Abdichtung zwischen dem Primärring 20 und dem Halteglied 26 her; und wie oben erwähnt, wird das Halteglied 26 relativ zum Gehäuse 14 ^ abgedichtet. So erfolgt die gesamte und/oder jede Strömung des enthaltenen Gases von der Hochdruckseite 16 zur Niederdruckseite 13 der mechanischen Dichtung über den Spalt 24 zwischen den Dichtungsflächen 2Of und 22f. Es ist zu beachten, daß die dargestellte Dichtung 10 eine vom ¹^ Außendurchmesser druckbeaufschlagte Dichtung isc wobei der

Hochdruck auf den äußeren Durchmesser des Primärrings 20 "V wirkt. Die Prinzipien der Erfindung sind auch anwendbar auf innenseitig druckbeaufschlagte Dichtungen, wo der hohe Druck

am innenseitigen Durchmesser der Ringe 20 und 22 anliegt. 15

Wird die Welle 12 nicht gedreht, so können die Dichtungsflächen 2Of und 22f typischerweise durch Federn 44 in bündigen Kontakt gegeneinander vorgespannt werden und verhindern eine Gasströmung quer über die mechanische Dichtung 10. Wird die Welle 12 in Drehung versetzt, s.n kommen hydrostatische und/oder hydrodynamische Fluidfilmkrdfte ins Spiel und erzeugen den Spalt 24 zwischen den Dichtungsflächen auf eine Dicke, bis die Fluidfilmdrücke einen Ausgleich gegen die Kräfte der Federn &EEacgr; schaffen und ) 25 Fluiddruck auf die Federseite der Primärdichtung 20 wirkt.

Wie beobachtet kann der richtig ausgelegte Dichtungsspalt 24 in zehn von tausendstel eines englischen Zolls (0,000.1 " = 0, 00025 cm) gemessen werden, um die Leckströmuny im Fluidfilm auf ein Minimum ?u bringen, während trotzdem ein direkter Kontakt zwischen den Dichturgsflachen elei.iiniert wird, um einen verminderten Verschleiß und/oder Kärmeaufbau an solchen Flächen zu vermindern und um Reibungs££äfte und Lciütungsverbrauch zwischen den flächen herabzusetzf'¹ ,

Bei der mechanischen in Fiq. 1 gezeigten Dichtung knnn, um beständig gegen die auftretenden Temperaturen und Drücke zu sein, der Paßring 22 aus platiertem j;t,ihl oder &kgr; &ogr; If ramkarbi t

~ 1 1 —

gebildet werden; der primäre oder Schwimmring 20 kann aus Kohlenstoff gebildet sein; und die Scheibe 40 und andere Bauteile wie die Welle 12, das Gehiuse 14 und/oder das

Halteglied 26 können aus einem rostfreien Stahl geformt 5

sein. Die zusammenwirkenden Dichtungsflächen 2OL und 22&Ggr; sind also etwas haltbarer, obwohl die Dichtungsfläche 20f des Primärdichtungsr i iiys 20, der aus Kohlenstoff besteht, ganz klar weicher und verformbarer als die Dichtun<i^r;flach«³

22f des Paßdichtungsrings 22, der aus Wolframkarbit gebilde 10

ist, sein kann. Die Steifigkeit des Kohlenstoffs ist zehnma geringer als die von Stahl. Der Kohlenstoff ring ist also in dramatischer Weise eher einer Verformung aus Grund von Drücken und Temperaturen im Betrieb als S^ahl und

Wolframkarbit ausgesetzt.
15

Die mechanische Dichtung 10 kann besonders brauchbar bei einer Welle 12 mit einem Durchmesser von mehr als drei oder mehr Zoll (7,5 oder mehr cm) sein; der Primärdichtungsring

20 und die Scheibe 40 sind sogar noch größer als dieses ₉

Arbeiten bei Drücken von 13790 N'/m^ (2000 psi) oder mehr unc Temperaturen von 260⁰C (500⁰F) oder mehr. Der Primärdichtungsring 20 kann .leiner als einen halben Zoll axialer Dicke haben (=1,27 cm) und die Scheibe 40 kann

axial kleiner als ein viertel Zoll (0,64 ern) sein; um sie 25

leicht zu machen, damit sie schnell auf die dynamischen Betriebskräfte ansprechen. Solche Kräfte sorgen auch für eine Verformung und ungleiche Belastung; der Federring ka.in sich verdrehen und/oder verformen und/oder sich unter

Arbeitsbedinaunaen verkanten und damit nicht-parallel zur 30

Dichtungsfläche 22f auf den schwereren Pa3dichtungsrmg 22 kommen. Ein Zentrieren der Achse der beiden relativ zueinander drehbaren Ringe ist wichtig für das Dichtungsgesamtverhalten und die Lebensdauer.

Bei der Dichtung 10 der Fig. 1 zentriert der O-Ring 50 den Primärring 20 relativ zur Welle 12 über das Zusammenwirken mit dem Halteglied, der axial die Ringfläche 38 verschiebt.

Da jedoch der Primärring 20 aus relativ weichem Material... Kohlenstoff, hergestellt ist, ist es schwierig, eine Kerbe 48 mit genauen Toleranzen zu bilden; außerdem kann solch

eine Kerbe leichter versagen, wenn sie 5

Betriebsbeanspruchungen oder Spannungen ausgesetzt ist. Auch die Scheibe 40 hat keinerlei vertikale Abstützung, außer die, wenn ihr Innendurchmesser 40d auf der Haltegliedflache 38 läuft. Dies kann eintreten, wenn die Scheibe 40 von der

Mitte relativ zur Welle durch Schwerkraft oder eine andere 10

Kraft, wie Fig. 6 zeigt, fortgedrückt wird. Im versetzten Zustand kontaktiert die Scheibe 40 die Haltegliedflache 38 im Bereich 47 an oder nahe der 12-Uhr-Stellung; es ergibt sich ein radialer Spalt im Bereich 49 an oder nahe der 6-Uhr-Stellung. Diese Situation erzeugt eine Reibkraft gegen

die Axialbewegung der Scheibe 40 und damit des Primärrings 20 und begünstigt die Entwicklung nicht-symmetrischer Kräfte zwischen den Dichtungsflächen 2Of und 22f.

Die in Fig. 2 dargestellte Dichtung 110 ist eine verbesserte

Version der in Fig. 1 gezeigten Dichtung 10. Die Welle 12, das Gehäuse 14, das Halteglied 26 und viele andere Bauteiltsind ähnlich den bezüglich der Dichtung 10 beschriebenen und werden daher mit den gleichen Bezugszeichen behaftet, wie sie bei der Beschreibung der Dichtung 10 verwendet wurden.

Der ringförmige Primärring 120 hat allerdings keine hierin ausgebildete Nut oder Kerbe, vielmehr verfügt er über eine scharf abgewinkelte Ecke. Die Scheibe 140 ist von einer axialen Dicke, die etwa gleich der doppelten derjenigen der Scheibe 40 ist. Der Primärring 120 ist entsprechend dünner

in Axialrichtung. Die Ringnut 148 ist benachbart der Innenfläche 140i in der Scheibe 140 und dem Innendurchmesser 140d benachbart der Haltegliedflache 38 ausgebildet. Ein O-Ring ist in diese Kerbe oder Nut eingepaßt. Der O-Ring 50 wirkt zwischen dem Primärring 120 und dem Gehäuse 12 über

die Fläche 38 des Halteglieds 26 und stellt eine gasdichte Abdichtung zwischen diesen Bauteilen in diesem Bereich her. Auch hat die Scheibe 140 eine genutete Sitzfläche 143 und

-13-nimmt so jede Feder 44 auf.

Während die O-ringförmige Nut 148 in der Scheibe 140 ausgebildet ist und aus relativ zähem Material... rostfreiem Stahl, hergestellt ist, kann die Fabrikation mit genauen Toleranzen erfolgen und die fertige Scheibe 140 wird haltbar und widersteht den Betriebsbeanspruchungen verglichen mit

^; der Dichtung 10 der Fig. 1.

: ¹⁰ Der O-Ring 50 zentriert die Scheibe 140 relativ zur

j Haltefläche 38. Der Primärdichtungsring 120 ist nicht langer

zentriert, liegt am Boden vielmehr aufgrund von Schwerkraft,

j wie Fig. 6 zeigt, gegen die Haltegliedflache 38 im Bereich

j 47 oder nahe der 12-Uhr-Stellung oder weniger häufig gogen

! ¹^ die Keilstifte 34 an oder nahe der 6-Uhr-Stellunq an (eine

solche Situation ist nicht dargestellt)... abhängig von der

\ relativen Toleranz dieser Bauteile.

j Da der Primärdichtungsring 120 aus relativ weichem und

j 20 verformbarem Kohlenstoff hergestellt ist, wird bei der

j dargestellten am Außendurchmesser unter Druck gesetzten

&igr; Dichtung bei trhöhung von Temperatur und Druck durch Betrieb

der Kompressorpumpe oder eines anderen Gerätes, in welchem

j die Dichtung installiert ist, diese nach innen

zusammengedrückt. Da dies bekannt ist, müssen radiale Auslegungsspalte größer als eine solche Verformung zwischen dem Innendurchmesser 12Od und dem primären Dichtungsring sowie der Außenabmessung der Welle oder Fläche 38 des Halteglieds 26 vorgesehen sein. Für eine Dichtung mit 3 Zoll (7,5 cm) sollte dieser SDaIt bei 0,60 englischen Zoll (0,15 cm) oder mehr liegen. Die exzentrische Positionierung des Primärrings 120 könnte so bei 0,030 englischen Zoll (0,075 cm) liegen. Während des Anfangsbetriebs der Dichtung ohne Druck ist der Primärdichtungsring 120 exzentrisch auf seinem Innendurchmesser relativ zur Welle abgestützt; dies erzeugt eine nicht-gleichfcrmiqe Belastung der Dichtungsflächen 2Of und 22f, wenn Druckaufbau eintritt.

-u-

Die exzentrische Position des Primarrings 120 ist in Fig. 6 dargestellt. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 war die Scheibe 40 frei und konnte durch Schwerkraft in die

dargestellte exzentrische Position gedrückt werden. Bei der 5

Ausführungsform der Fig. 2 ist der Dichtungsring 120 nun frei und kann 'lurch Schwerkraft veranlaßt werden, eine exzentrische Position einzunehmen. Der Innendurchmesser 12Od kontaktiert den Außendurchmesser 38 der Haitegliedhülse 26 und jeder Spalt sammelt sich in der 6-L'hr-Ste 1 lung (Bezugszeichen 49). Der Ring kontaktiert die Fläche 38 an der Stelle 47. Die vorstehenden Faktoren vermindern in ungünstiger Weise die Empfindlichkeit dor Innendurchmesser zentrierten, Außendurchmesser druckbeau. schlagten Dichtung

110. Obi.uhl also die hvdros tat ischen uric/oder

hydrodynamischen Gaskräfte zwischen den Dichtung^flächen 2Of und 22f versuchen, die Kräfte der Federn 44 und de; auf die Federseite des Dichtungsrings wirkenden Fluiddrucks auszugleichen, kann sich 1er Dichtungsrina 120 nicht gleichförmig radial und/oder axial zur Welle bewegen und

führt zu einem unzweckmäßigen oder nicht-gleichförmigen Spalt 24, der einen lokalisierten Dichtungsflächenkontakt und/oder einen übermäßigen Leckweg aufweist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der verbesserten Dichtung 25

210 nach der Erfindung. Fig. 3 ist natürlich ein Querschnitt durch den Boden der Dichtung in der 6-ühr-Stellung, wie Fig. 7 angibt. Wieder sind die Welle 12, das Gehäuse 14, das Halteglied 26 und viele andere Bauteile ähnlich den bezüglich der Dichtungen 10 und 110 erwähnten und werden mit

den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die bei der Erwähnung dieser Dichtungen benutzt wurden.

In der Dichtung 210 ist die Scheibe 240 zwischen dem

Primärdichtungsring 220 und der Haltegliedwandung 42 ähnlich 35

wie bei der Dichtung der Fig. 2 angeordnet. Eine Kerbe oder Nut 148 ist m der Scheibe 240 benachbart der radial innenseitigen Fläche 24Oi und dem Innendurchmesser 24Od

ausgebildet. Der Innendurchmesser 24Od ist größer als die Zylinderfläche 38 des Kalteglieds 26, und zwar um eine Größe, daß der Spalt unter allen Arbeitsbedingungen möglich ist. Der O-Ring 50 wird in die Nut oder Kerbe 48 eingepaßt und gegen die Nut oder Kerbe 48 und die außenseitige Radialfläche 220b des Primärdichtungsrings 220 zusammengedrückt. Diese Merkmale sind ähnlich der Dichtung 110 der Fig. 2 und stellen eine gasdichte Abdichtung zwischen dem Primärring 220 und dem Gehäusehalteglied 26 her und zentrieren die Scheibe 240 relativ zur Haltegliedflache 38 und der Welle 12.

Die Dichtung 210 unterscheidet sich von der Dichtung 110 dadurch, daß eine Ringlippe 250 am Außenrand der Scheibe angeordnet ist und sich axial erstreckt und über eine zylindrische Innenfläche 251 innenseitig zur radialen innenseitigen Fläche 24Oi verfügt und so ausgebildet ist, daß sie mit relativ engem Radialspiel eine Zylinderfläche 252 überlagert, die durch die Erhebung 253 (Entlastung) am Außenumfangsring 220 benachbart der außenseitigen Fläche 220b gebildet ist. Beispielsweise kann ein solches Radialspiel nur einige wenige Tausendstel Zoll (0,002 0,008 englische Zoll = 0,005 - 0,20 cm) relativ zu einem Genamtdurchmesser des Rings 220 und der Scheibenbauteile von gegebenenfalls drei oder mehr englischem Zoll (7,5 oder mehr cm) umfassen.

Da« Radialspiel zwischen der Innenfläche 251 der Scheiben lippe 250 und der Rinqentlastungsflache 252 ist viel geringer als das Radialspiel zwischen dem Innendurchmesser zwischen der Innenfläche 22Od de« primären Dichtungsrings 220 und der Zvlinderflachen '!8 (könnten 0,60 englische Zoll - 0,15 cm oder mehr betrnnen).

DiT O-Rinn 50 zentriert, die Scheibe 2 10 relat iv zur H.i 1 Lerjl i edf I .'iclie 38 und rl er Welle 12; während die encn· T"lf>r.-inz 7.WiMcIiCTi der f ninüif 1. ji.Mi'J 2!>l der "ehe ibeii 1 i ppe 2b

-16-

und dem Außendurchmesser der Entlastung oder Erhöhung 252, die auf dem primären Dichtungsring 220 ausgebildet ist, dafür sorgt, daß die Scheibe 240 auch dann im primären Dichtungsring 220 relativ zur gleichen Haltegliedflache 38 und der Welle 12 zentriert. Dieses Zentrieren wird wirksam, um den Primäring relativ zum Paßring 20 auf der Welle 12 zu zentrieren. Während die O-Ringnut 148 und die Zentrierlippe 250 auf der Scheibe 240 ausgebildet sind und aus einem zähem Stahl bestehen, kann die Fabrikation bei genauen Toleranzen erfolgen und zu einer Scheibe führen, die ausreichend haltbar ist, um die Betriebsbeanspruchungen ausschalten.

Bei einem Aufbau des enthaltenen Drucks hinter der

außenseitig druckbeaufschlagten Dichtung 210 und auch als 15

Ergebnis erhöhter Temperaturen während des Betriebs wird der

Primärdichtungsring 220 veranlaßt, nach innen zusammengedrückt zu werden und sich von der Lippe 250 fortzubewegen. Der Ring 220 ist dann frei von jedem Kontakt

mit der Lippe 250 an der Entlastungsfläche 252 und auch frei 20

von dem Kontakt des Innendurchmessers 22Od mit der zylindrischen Fläche 38. Der Primärring wird so zwischen dem Paßring 22 and der radial innenseitigen Fläche 24Oi der Scheibe 240 in zentrierter Beziehung zum Ring 220 gefangen.

Er ist also frei für jeden unerwünschten Kontakt mit der 25

Fläche 38, die den Dichtungsbetrieb ungünstig beeinflussen würde. Diese zentrierte Position - Fig. 7 - ist romit im Ruhezustand oder während des Betriebs gegeben. Das Spiel an den Stellen 47 und 49 der Fig. 7 ist im wesentlichen gleich

und soll ein konzentrisches Ansprechen der Dichtung auf 30

Niveaus sichern, die durch Arbeitsdruck und Arbeitstemperaturen hervorgerufen sind.

Die Dichtungsflächen 2Of und 22f, die in einer zentrierten

Orientierung ohne die Drücke des enthaltenen Fluid 35

beginnen, verbleiben verläßlicher zentriert und symmetrisch zur Wolle 12. [M die zentrierten Dichtungsflächen im Wisent!ionen parallel sind, wird möglicher

Dichtflächenkontakt und hieraus resultierender Gasaustritt durch einen nicht-symmetrischen Spalt 24 zwischen den Bereichen niedrigen und hohen Drucks 16 und 18 auf sich

gegenüberliegenden Seiten auf ein Minimum herabgesetzt. 5

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird eine Dichtung mit einem axial beweglichen Dichtring, der an dem abzudichtenden den Hochdruck ausgesetztem Umfangsrand zentriert ist, geschaffen. Bei Druckanstieg wird der Dichtungsring

¹^ veranlaßt, aus dem Eingriff mit den Zentriermitteln sich zu bewegen und doch axial mit seinem Paßring zu verbleiben. Das Prinzip ist anwendbar sowohl beim Außendurchmesser druckbeaufschlagte Dichtungen wie sie vorgestellt sind, sowie am Innendurchmesser druckbeaufschlagte Dichtungen.

!5 Nach der bevorzugten Ausführungsform wird ein Zentrieren des axial beweglichen Rings durch eine Scheibe gewährleistet, die bezüglich der Welle, die den Dichtungspaßring trägt, zentriert ist. Die Scheibe umfaßt eine Ringlippe, die einen Teil des Umfangs des Dichtungsrings umgibt, der gegen den abzudichtenden Druck freiliegt. Bei Steigerung des Drucks

aufgrung einer Drucksteigerung durch den Betrieb des Geräts, in welchem die Dichtung eingebaut ist, wird der primäre oder axial bewegliche Ring aus seinem Kontakt mit der Lippe gedrückt, jedoch in einer radial zentrierten Position durch ; 25 die auftretenden Betriebskräfte gehalten.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist nach der Darstellung der mechanischen Dichtung weder die Kelle 12 noch das Gehäuse 14 ein einzelnes Bauelement; vielmehr hat jedes mehrere Bauteile in Form von Hülsen oder Flanschen. Auf alle Fälle jedoch sind die Bauteile so ausgelegt, daß sie sich fest an der Kelle 12 oder dem Gehäuse anbringen lassen und wirken als ein einziges Bauteil zusammen. Somit ist in diesem Zusammenhang die Bezugnahme auf Wolle oder Gehäuse mit breiter Bedeutung anzusehen.

Im Hinblick auf eine knappe Darstellung wurde nur eine einzige Ausführungsform der Erfindung gezeigt; Abänderungen hiervon, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, können jedoch vorgenommen werden. Nur der Schutzbereich der folgenden Ansprüche gibt daher den Rahmen für die Erfindung.

Claims

-1-

ansprUche

1. Mechanische Dichtung zur Schaffung einer fluiddichten Abdichtung zwischen einem Gehäuse und ^fiiner relativ

*5 hierzu drehbaren Welle, wobei diese mechanische Dichtung benachbarte ringförmige primäre und zusammenpassende Ringe umfaßt, die allgemein radial zusammenpassende Dichtungsstirnflächen bilden; wobei einer dieser Ringe abgedichtet und nicht drehbar relativ zum Gehäuse koaxial zu dieser Welle verounden ist und der andere der Ringe abgedichtet und koaxial zur Welle, um sich hiermit zu drehen, verbunden ist; "obei einer der Ringe axial z'ir Welle beweglich ist; Vorspanneinrichtungen, die so ausgebildet sind, daß sie den axial beweglichen Ring gegen den anderen beaufschlagen, um diese D:chtungsflachen nahe aneinander zu bringen, um einen Drehdichtungseingriff relativ zueinander zu gewährleisten; Einrichtungen, die diesen axial beweglichen Ring im wesentlichen koaxial zum anderen Rinc positionieren, wobei diese Einrichtungen Zentrier einrichtungen umfassen, die im wesentlichen koaxial zur Welle angeordnet sind; Einrichtungen auf diesen zentrier einrichtungen, die gegen diesen axial beweglichen Ring greifen und diesen axial beweglichen Ring allgemein koaxial zu dieser Welle positionieren.

■I ·· III· '· I·

— 2—

2. Mechanische Dichtung nach Anspruch 1, wobei diese Zentriereinrichtung dieses axial bewegliche Element benachbart dessen Umfangrand kontaktiert, der dem Druck des abzudichtenden Fluids ausgesetzt ist.

3. Mechanische Dichtung nach Anspruch 2, wobei diese Zentriereinrichtung eine Scheibe aufweist, die koaxial zur Welle zwischen diesem axial beweglichen Ring und

dieser Vorspanneinrichtung angeordnet ist. 10

4. Mechanische Dichtung nach Anspruch 3, bei der dieser axial bewegliche Ring eine außen liegende Radialfläche und diese Scheibe eine innen liegende Radialfläche in Kontakt mit dieser außen liegenden Radialfläche dieses

!5 axial beweglichen Rings aufweist, diese Scheibe eine Lippe umfaßt, die axial nach innen gerichtet bezüglich dieser nach innen gerichteten Radialfläche dieser Scheibe ist und einen Teil eines der inneren oder äußeren Umfange dieses axial beweglichen Rings umgibt, um diesen Ring in im allgemeinen koaxialer Ausrichtung zum anderen Ring abzustützen.

&ogr;. Mechanische Dichtung nach Anspruch 4, bei der diese axial bewegliche Scheibe gegen Drehung gegenüber diesem Gehäuse ²^ fixiert ist.

6. Mechanische Dichtung nach Anspruch 5, bei der diese Lippe eine zylindrische Schulter trägt, die benachbart dem Außenumfangsrand dieses axial beweglichen Rings gebildet ist.

7. Mechanische Dichtung nach Anspruch 5, bei der diese

Zentriermittel eine Hülse umfassen, die bezüglich des Gehäuses fixiert/ koaxial relativ zur Welle angeordnet und so bemessen ist, daß die Welle sich diesbezüglich drehen kann, wobei ein O-Ring zwischen dieser Scheibe und dieser Hülse zusammengedrückt ist, um die Scheibe relativ zur Hülse koaxial auszurichten.

8. Mechanische Dichtung nach Anspruch 6, bei der diese Li^pe benachbart dem Außenumfang dieser Scheibe geformt ist und

sich von dieser innen liegenden Radialfläche nach innen erstreckt.

9. Mechanische Dichtung nach Anspruch 7, bei der diese Schulter des axial beweglichen Rings von einem

Durchmesser ist, der geringer als der Durchmesser des Außenumfangs dieses axial beweglichen Rings ist, und diese Lippe dieser Scheibe eine zylindrische Fläche bildet, die diese Schulter umgibt und stützt bzw. lagert. 20

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