DE2320681A1 - Umlaufende mechanische dichtung - Google Patents

Description

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Crane Packing Company^ Morton Grove, 111. / USA

Umlaufende mechanische Dichtung;

Die Erfindimg bezieht sich auf eine umlaufende mechanische Dichtung für ein Gehäuse, welches eine Kammer zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Stromurigsmittels bildet, mit einer sich durch eine Öffnung in dem Gehäuse erstreckenden Welle, wobei die Dichtung zwischen der Welle und dem Gehäuse eine Abdichtung für Strömungsmittel bewirkt und aus einer an der Welle befestigten und mit ihr drehbaren Dichtscheibe, und

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einer nicht'drehbaren angrenzend an die drehbare Dichtscheibe angeordneten Dichtscheibe besteht.

Es sind bereits umlaufende mechanische Dichtungen vorgeschlagen worden, bei welchen flache, spiralige Nuten in eine der radialen Dichtflächen der Dichtung geätzt sind, um eine Pumpenwirkung zu schaffen, durch welche die Flächen während des Betriebes getrennt werden, um die Abnutzung auf ein Minimum herabzusetzen (Transaktion des ASME-Papieres Nr. 67-WA/Lub-IT). Bei der, vorgeschlagenen Dichtung pumpen die spiraligen Nuten Strömungsmittel aus dem Raum zwischen den Flächen in Richtung der Hochdruckseite der Flächen. Um eine vollständige Abdichtung im Stillstand zu erreichen, ist ein Druckausgleich (Federkraft + Strömungsmitteldruck) ausgewählt, um eine Kraft herbeizuführen, die dazu neigt die Dichtung zu schließen. Die spiraligen Nuten sind radial durch eine in der Dichtungsfläche ausgebildete, tiefe, umlaufende Nut geteilt. Durch in die tiefe Nut gebohrte Löcher wird von der Druckseite der Dichtung Strömungsmittel zur tiefen kreisförmigen Nut geführt und zur Druckseite der Dichtung gelassen, so daß der Druck in der tiefen Nut annähernd derselbe wie an der Druckseite der Dichtung ist. An der Druckseite ist an den Enden der Nuten eine durchlaufende Erhebung oder ein Bund gelassen. Die Richtung der spir.aligen Nuten ist so ausgewählt, daß eine HälCte der Nuten dazu neigt, die Flächen gegen den Druck der Feder und den Strömungsmitteldruck zu trennen und die andere Hälfte Strömungsmittel von der Niederdruckseite der Dichtung absaugt, um einen vollständig leckfreien Betrieb zu erhalten.

Bei der oben beschriebenen Dichtung wird der Druck des Strömungsmittels soweit angehoben, daß es in der Dichtungstechnik als Hochdruck betrachtet wird. Die ind'eh spiraligen Nuten diArch das fortlaufende Abscheren des Strömungsmittels erzeugte Wärme würde die Dichtscheibe dazu bringen, an der Dichtfläche heiß zu werden und sie einer Verformung durch die Wärme aussetzen. Der von der Fläche\ axial 'wegbewegte Abschnitt der Dichtscheibe

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wird durch das abgedichtete Strömungsmittel gekühlt und so wird ein axialer Temperaturgradient in der Scheibe gebildet, bei welchem der heißeste Teil dazu neigt, sich radial mehr als der kühlere Teil auszudehnen. Dies führt dazu, daß die durch Erwärmung verursachte Verwerfung die Form einer Drehung des radialen Schnittes der Scheibe um seinen Flächenschwerpunkt von der passenden Fläche weg hervorruft, und so die radial innere Kante der Dichtfläche dichter an die passende Fläche heranbringt, und dazu neigt, den Spalt zwischen ihnen zu schließen.. Wenn der Spalt vollständig geschlossen ist, ergibt sich eine Berührung zwischen den Dichtflächen und die Abnutzung steigt sehr schnell«

Wenn die Dichtung in Betrieb ist, kann die Verwerfung in einer der Dichtflächen durch die ungleichmäßigen Ausdehnungokräfte, die aufgrund der Temperatursteigerung der Scheibe an ihren Flächen axial über die Seheibe vorhanden sind, erzeugt .werden. Die Flüssigkeit zwischen .den Flächen wird abgeschert' und die fortgesetzte Betätigung der Dichtung bewirkt, dag sowohl in der Flüssigkeit als auch in den angrenzenden Dichtflächen zu beiden Seiten der Flüssigkeit Wärme erzeugt wird. So wird ein Märraegra-· dient axial über die sich drehende Dichtscheibe und die damit zusammenwirkende nieht-drehende Dichtscheibe erzeugt. Obwohl die zusammenwirkende Diehtseheibe aus Gründen der Auslegung der Dichtung verformt wird, kann diese Verformung zu der der anderen Dichtscheibe addiert werden. Wenn sich die vordere Fläche der Scheibe mehr als die Seite gegenüberliegend der Fläche ausdehnt, wird in der Scheibe ein Drehmoment um den Fläehensehwerpunkt eines radialen Schnitts der Scheibe erzeugt, welcher die radial innere Kante der Dichtscheibe dichter als die äußere Kante an die damit zusammenwirkende Dichtscheibe heranbringt. Das s palt er zeugende Druckgleichgewieht an den Dichtscheiben wird zerstört undjiie Dichtscheibe berührt die damit zusammenwirkende Diciischeibe, so daß sie schnell abgenutzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtung der Art

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mit einem Spalt zu schaffen, bei welcher Einrichtungen vorgesehen sind, die dem verwerfenden Druck und den thermischen Kräften .entgegenwirken, um einen gewünschten"Spalt zwischen den Flächen einer umlaufenden mechanischen Dichtung in einem großen Druckbereich aufrechtzuerhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die drehbare und die nicht-drehbare Dichtscheibe einander gegenüberliegende , sich radial erstreckenden Dichtflächen aufweisen, \eine sich axial erstreckende Auflage für die nicht drehbare Dichtscheibe vorgesehen ist, und zwischen der Auflage und der nicht-drehbaren Dichtscheibe eine -Druckkammer bildende Einrichtungen vorgesehen sind, wobei der Druck der Druckkammer entgegengesetzt zur thermischen Verformung der nicht-drehbaren Diehtscheibe wirkt, welche sich wegen der zwischen den Dichtflächen durch die relative Drehung derselben zueinander erzeugten Wärme ergibt.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung w erden aus der folgenden genauen Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung klar«, Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt der erfindungsgemäßen Dichtung , der einen Spalt aufweisenden Art, und

Fig. 2 einen Teil einer Vorderansicht der D3ß htscheibe der Fig. 1.

Bei der zur Veranschaulichung der Erfindung ausgewählten Spaltdichtung sind..flache spiralige Nuten in der Fläche der* Diehtscheibe ausgebildet, um' Flüssigkeit von der Niederdrückseitc der Diehtscheibe zur Hochdruckseite zu pumpen. Dadurch wird eine Zone hohen Drucks in der Nähe der Druckseite der Diehtscheibe erzeugt» Eine sich axial erstreckende Auflage für die Diehtscheibe bildet eine Wand einer Druckkammer unter der

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Dichtscheibe. Ein Paar im Abstand angeordneter Packungselemente bildet gegenüberligende Seitenwände und die Dichtscheibe selbst bildet die .vierte Wand dieser Druckkammer« Von der Hochdruckzone sindDurchlässe zur Druckkammer gebohrt, um eine Radialkraft der Dichtseheibe zu erzeugen, die nach oben wirkt. Die Druckkammer ist an der Seite des Plächenschwerpunkts des Querschnitts der Dichtscheibe angeordnet, an der.der Druck des Strömungsmittels in der Kammer ein Moment herbeiführt und so die dadurch verursachte Verformung verhindert.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 eine Welle 10 dargestellt, die durch eine öffnung Hin einem Gehäuse 12, einer Pumpe oder dergleichen hindurchgeht, welches eine abgedichtete, unter Druck stehendes Strömungsmittel enthaltende Kammer 13 bildet.

Die Öffnung 11 ist durch eine sich drehende mechanische Wellendichtung der Spaltart abgeschlossen, die aus einem Rotor oder einer drehbaren Dichtscheibe 14, einem Stator oder einer stationären Dichtscheibe 15 und einer Reihe von Federn Ιβ besteht, die auf die Dichtscheibe 15 wirken, um sie gegen die Dichtscheibe 14 zu drücken. Ein sich axial erstreckender Stutzen 17 des Gehäuses 12 in der Nähe der Welle 10 bildet eine Auflage für die Dichtscheibe 15, auf welcher diese zum Ausgleich von Abnutzung und entsprechend den spaltbildenden Kräften axial beweglich ist.

Die einander gegenüberliegenden, radial angeordneten Flächen

18 und 19 der Dichtscheibe 14 bzw. 15, sind vollständig flach und glatt geläppt, so daß die Reihe der Federn 16 die Fläche

19 der Dichtscheibe bei sich nicht drehender Welle 10 gegen die Fläche 18 der Dichtscheibe 14 hält, um ein Lecken von Flüssigkeit zwischen diesen zu verhindern. Eine Abdichtung ist zwischen der Djrhtscheibe I5 und dem Stutzen 17 durch eine Packung gebildet, die die Form eines O-Rings 20 aufweisen kann, der in einer inneren Nut 21 in der Dichtscheibe I5 angeordnet ist und sich aus der Nut 21 in Kontakt mit der zylindrischen äußeren Fläche

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22 des Stutzens I7 erstreckt. - * ·

Es ist beabsichtigt, daß die Flächen 18 und I9 unter Betriebsbedingungen durch den zwischen den oberen Hälften der Flächen als Funktion der Drehung der Welle 10 entwickel ten Strömungsmitteldruck getrennt und voneinander entfernt gehalten werden, so daß Abnutzung und Reibungswiderstand auf einem Minimum gehalten werden. Der Strömungsmitteldruck wird durch mehrere flache; spiralige Nuten 2j5 (Fig. 2) in einer der Flächen 18, 19., vorzugsweise der Fläche 19 entwickelt. Bei der vorliegenden Erfindung enden die Nuten jedoch bei inneren und äußeren 'Erhebungen 24 bzw. 25. Zwei kreisförmige Nuten 26 und 27 sind in der dichtenden Fläche I9 vorgesehen, Die Nut 26 ist mit der Kammer I3 und so mit den in dem Gehäuse vorhandenen Druck über eine Anzahl von Öffnungen 28 verbunden.

Im Betrieb befindet sich die Dichtung zu Anfang bei der Drehzahl Null im Druckgleichgewicht, so daß kein Spalt zwischen den Flächen 18 und I9 vorhanden ist» Wenn die Drehung beginnt, fangen die spiraligon Nuten 23 an, zwischen den Flächen befindliches Strömungsmittel nach außen gegen den Druck in der Kammer IJ> zu pumpen. Dadurch wird der Druckabfall an der unteren Erhebung 24 verringert und somit auch die Leckmenge. Wenn die Drehzahl anwächst, xtfird der Druckabfall an der Erhebung 24 Null und die Dichtung arbeitet ohne Leckverluste.

Die äußere Erhebung 25 dient zum Ausgleich für die Verringerung der öffne-Kraft an der inneren Hälfte der Dichtflächen. Die obere Hälfte der spiraligen Nut erzeugt eine zusätzliche Kraft und ist vorgesehen, den Abfall der öffne-Kraft e.n der inneren Hälfte der Flächen 18 und I9 aus-zugleichen, wenn die Drehzahl anwächst. Eine Steigerung der Drehzahl über diejenige, bei weIcher der Druckabfall Null- an der inneren Erhebung 24 erzeugt wird, führt au einem Steigen der Netto-Öffne-Kraft und daher wird dieselbe Druckverteilung an den Flächen i8> I9 aufrechterhalten, jedoch

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tritt ein größerer Arbeitsspalt zwischen den Flächen 18, 19 auf.

Der Flächenschwerpunkt des Querschnitts des Dichtringes ist mit 29 bezeichnet. Wenn die Dichtung arbeitet, wie es bisher beschrieben wurde, ändert sich das Netto-Moment der auf die Dichtscheibe I5 um den Flächenschwerpunkt 29 wirkenden Kräfte,-wenn die Drehung beginnt. Obwohl die Axialkraft relativ konstant ist, wächst das Netto-Moment im Uhrzeigersinn um den ■Flächenschwerpunkt 29-wie in Fig.l dargestellt ist. Um diesem im Uhrzeigersinn wirkenden, vergrößerten Moment entgegenzuwirken, ist eine Druckkammer 30 zwischen der Dichtscheibe I5 und der zylindrischen Oberfläche 22 des Stutzens I7 augebildet. Diese. Kammer ist an einer Seite durch .den O-Rlng 20 abgedichtet, und an ihrer gegenüberliegenden Seite durch einen ähnlichen O-Ring 51, der in eine Nut 32 gepreßt ist. Die Nut 27 in der Fläche 19 der Dichtscheibe I5 ist mit der Kammer 30 durch Bohrungen 33 verbunden, so daß die Kammer 30 denselben Druck wie die Nut 27 aufweist. Die Entfernung zwischen den 0-Ringen 20 und 31, ihre.Anordnung relativ zum Flächensehwerpunkt 29 und die radiale*Anordnung der Bohrungen 33 Bind so ausgewählt, daß während aller Betriebsbedingungen das Moment so dicht wie möglich bei Null gehalten wird.

V/eil die Druckkammer 30 wit der Nut 27 verbunden ist, baut sich in der Druckkammer in gleicher Weise ein Druck auf, wenn sich in der Nut 27 mit der Geschwindigkeit ein Druck aufbaut. Weil beide Drücke auf der selben Seite des Flächenschwerpunkts 29 liegen, wird der Kammerdruck sowohl dem hydrodynamischen Druck der spiraligen Nuten 2j3 als auch der durch die thermische Verformung der Dichtscheibe I5 erzeugten Kraft entgegenwirken. Die letztere Kraft wird vom Energieverlust aufgrund der Abscherung des Strömungsmittels abgeleitet. Diese Kraft ist gleichfalls eine Funktion der Drehzahl der Dichtseheibe Ik, so daß sie mit steigender Drehzahl anwächst. Der Kammerdruck oder das negative

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Moment kann durch Auswä-hlen der passenden radialen Lage gesteuert werden, an welcher der Hochdruckabschnitt der spiraligen Nut angezapft wird, und auch durch Auswahl der zweckmäßigen Stelle und axialen Abmessung der Druckkammer selbst.

So itfird durch zweckmäßige Auswahl der axialen Abmessung und Anordnung der Druckkammer j50 jeder durch Wärme bedingten Konizität der Dichtscheibe 15 durch den Druck der Flüssigkeit in der Druckkammer JO entgegenwirkt. Wenn die Druckkammer 30 zu groß ausgebildet wird, kann sie dazu gebracht werden, jeder Neigung in Richtung einer Konizität entgegenzuwirken, die sich aus einer Knderung der Lage des Druckmittelpunktes der Flüssigkeit zwischen den Flächen 18 und 19 ergibt^ welche sowohl von Änderungen der Drehzahl der sich drehenden Dfditseheibe als auch von einem axialen Temperaturgradienten in der Diehtscheibe verursacht werden*

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Umlaufende mechanische Dichtung für ein Gehäuse,

   lches eine Kammer zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Strömungsmittels bildet, mit einer sich durch eine Öffnung in dem Gehäuse erstreckenden Welle, wobei dJ3 Dichtung zwischen der Welle und dem Gehäuse eine Abdichtung für Strömungsmittel bewirkt und aus einer an der Welle befestigten und mit ihr .drehbaren Dichtscheibe, und einer nicht-drehbaren angrenzend an die drehbare Dichtscheibe angeordneten Dichtscheibe besteht, dadurch ge kennzeichne t, daß die drehbare und die nicht-drehbare Dichtscheibe (14, 15) einander gegenüberliegende, sich radial erstreckenden Dichtflächen (18, I9) aufweisen, eine sich axial erstreckende Auflage (17) für die nicht drehbare Dichtscheibe (I5) vorgesehen ist, und zwischen der Auflage und der nicht-drehbaren Dicbtscheibe eine Druckkammer (30) bildende Einrichtungen (20, ^l, j3j5) vorgesehen sind, wobei der Druck der Druckkammer entgegengesetzt zur thermischen Verformung der nicht-drehbaren Dichtscheibe wirkt, welche sich wegen der zwischen den Dichtflächen öuroh die relative Drehung derselben zueinander erzeugten Wärme ergibt.

   2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Druckkammer (30) bildenden Einrichtungen aus im Abstand angeordneten Dichtungen (20, 3I) zwischen der sich nicht drehenden Dichtscheibe (I5) und ihrer axial angeordneten Auflage (17) bestehen und ßtrömungseinrichtungen zum Erzeugen eines Spaltes zwischen öen !«'lachen und Leitungen (j5]3) zum Leiten unter Druck stehenden Strömungsiaittels aus dem Raum zwischen den Flächen in die ,Druckkammer vorgesehen sind.

   J5. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Strömungseinrichtungen zum Erzeugen

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   eines Spaltes zwischen den Flächen (-18, 19) aus mehreren, flachen, spiraligen Nuten (2^) besteht,die in einer der Dichtflächen (18, 19) ausgebildet sind, daß die Nuten einen Winkel in bezug auf einen Radius auf der einen Fläche aufweisen, um das Strömungsmittel in Richtung der Druckkammer zum Erzeugen eines Druckes zwischen den Flächen zu pumpen, welcher dazu neigt, die Flächen voneinander zu trennen, und daß die Leitungen aus öffnungen in der einen Fläche bestehen, wol-che an der radialen Stelle des Druckes zwischen den Flächen angeordnet ■ sind, der zum Trennen der Flächen neigt.

   k. ' Dichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichne t, daß die sich axial erstreckende. Auflage (1?) für die nicht-drehbare Dichtscheibe (15) aus einer zylindrischen Verlängerung des Gehäuses besteht, daß die nicht-drehbare Dichtscheibe (I5) diese Verlängerung umgibt, und daß die im Abstand angeordneten Dichtungen aus einem Paar 0~Ringe bestehen, die zwischen der nicht-drehbaren Dichtscheibe und der Verlängerung des Gehäuses zusammengepreßt sind.

   5. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Fläche radial innere und äußere konzentrische Erhebungen (2^JI, 25) aufweist, zwischen denen die

   _x flachen, spiraligen Nuten (25) eingeschlossen sind.

   6. Dichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die flachen, spiraligen Nuten (2j5) einen abfallenden Druckgradienten von der Druckkammer zur atmosphärischen Seite der Fläche (I9) der nicht-drehbaren Dichtscheibe bilden, der sich in Form und Größe entsprechend der relativen Drehgeschwindigkeit der Dichtflächen (18, I9) ändert und daß Einrichtungen zum Einbringen unter Druck stellenden Strömungsmittels von der Druckkammer im wesentlichen zum radialen Mittelpunkt des Druckgradienten vorgesehen sind»

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   7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η-z e i c h η e t, daß die eine Fläche innere und äußere konzentrische Erhebungen (24, 25) aufweist, welche die radialen inneren und äußeren Abmessimgen der flachen Nuten begrenzen.

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   Lee rs e i te