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EP3676518A1 - Rotationsdichtungsanordnung und rotationsdichtung für hochdruckanwendungen - Google Patents

Rotationsdichtungsanordnung und rotationsdichtung für hochdruckanwendungen

Info

Publication number
EP3676518A1
EP3676518A1 EP18753361.7A EP18753361A EP3676518A1 EP 3676518 A1 EP3676518 A1 EP 3676518A1 EP 18753361 A EP18753361 A EP 18753361A EP 3676518 A1 EP3676518 A1 EP 3676518A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sealing
ring
support
support ring
rotary seal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18753361.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Kolodziej
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trelleborg Sealing Solutions Germany GmbH
Original Assignee
Trelleborg Sealing Solutions Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trelleborg Sealing Solutions Germany GmbH filed Critical Trelleborg Sealing Solutions Germany GmbH
Publication of EP3676518A1 publication Critical patent/EP3676518A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/166—Sealings between relatively-moving surfaces with means to prevent the extrusion of the packing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3204—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip
    • F16J15/3208—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip provided with tension elements, e.g. elastic rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3248—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings provided with casings or supports
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/164—Sealings between relatively-moving surfaces the sealing action depending on movements; pressure difference, temperature or presence of leaking fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3204—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip
    • F16J15/3216—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip supported in a direction parallel to the surfaces

Definitions

  • the invention relates to a rotary seal assembly for high pressure applications.
  • Rotary sealing arrangements are found in a variety of technical applications and have a first and a second machine part, which are spaced apart about a rotation axis relative to each other while forming a sealing gap spaced apart.
  • One of the two machine parts may for example be a (drive) shaft and the other a housing on which the shaft is mounted.
  • At least one rotary seal is arranged between the two machine parts, by means of which a high-pressure region is sealed off from a low-pressure region of the sealing gap, for example the ambient atmosphere.
  • the rotary seal is arranged held on a seal holding structure of a machine part and has a design according to a biasing ring, a sealing ring and a support ring for the sealing ring.
  • the sealing ring bears against the sealing surface of the respective other machine part in a dynamically sealing manner.
  • the rotary seal of such rotary seal assemblies is subject to tremendous mechanical and thermal stress in high pressure applications, such as pumps, compressors or rotary joints. Therefore, adequate lubrication and cooling of the rotary seal during operation must be ensured and excessive sealing of the sealing ring against the sealing surface must be avoided. In addition, constructive measures must be taken to avoid unwanted extrusion of the sealing element in the sealing gap. Otherwise, premature failure of the rotary seal threatens.
  • the object of the invention is achieved by a rotary seal arrangement according to claim 1.
  • the rotary seal according to the invention is specified in claim 15.
  • Preferred developments of the invention are specified in the subclaims as well as in the description.
  • the rotary seal comprises a support ring made of a viscoelastic deformable material having a high pressure side arranged first support leg and spaced therefrom low pressure side arranged second support leg.
  • the two support legs are connected to each other via a back section. By the two support legs an open towards the sealing surface annular groove of the support ring is laterally limited. In the annular groove of the support ring, a sealing ring is held held.
  • the support ring has a greater rigidity compared to the sealing ring.
  • the material of the support ring may in particular have a larger modulus or modulus of elasticity than the material of the sealing ring.
  • the support ring thus engages over the sealing ring on three sides.
  • the sealing ring in the biasing direction and also in the direction of the sealing gap relative to Supporting ring fixed in position or substantially fixed to the support ring kept fixed in position.
  • the support ring engages over the sealing ring thus in a direction radial to the axis of rotation and additionally on both sides in the axial direction.
  • the sealing ring is overlapped by the support ring on only one side in an axial direction relative to the axis of rotation and on both sides in the radial direction.
  • the sealing ring is on the sealing surface of the other machine part (with a dynamic sealing portion) dynamically sealing.
  • a rubber-elastic deformable biasing member is arranged, through which the sealing ring is biased via the support ring in the direction of the sealing surface.
  • the two support legs of the support ring are arranged according to the invention spaced from the sealing surface.
  • the support legs therefore have no contact with the sealing surface in the non-pressurized state of the rotary seal, so that undesired friction between the support ring and the sealing surface of the one machine component is avoided.
  • This also ensures adequate lubrication of the contact surface area between the sealing ring and the sealing surface with a fluid arranged on the high pressure side.
  • the rotary seal can be pressure-activated via the biasing element by means of an operating pressure prevailing on the high-pressure side H.
  • a pressure activation of the biasing member causes a pressure proportional to the operating pressure deformation of a supporting surface of one of the two machine parts supporting biasing member in the biasing direction of the biasing member, such that the support ring moved by the biasing member with hisherd back support leg to the sealing surface and due to a high pressure side relief of the support around the Biased biasing element with its high-pressure side support leg against the biasing direction of the sealing surface.
  • the pressure activation of the biasing member thus results in an overall opposite deformation of the high-pressure side edge portion of the support ring and theracd back edge portion of the support ring.
  • the sealing ring is subjected to a moment by the deformation of the biasing element and deformed in itself.
  • the sealing gap is increasingly narrowed with increasing operating pressure by the low-pressure side support leg of the support ring. Unwanted extrusion of the sealing ring into the sealing gap can thereby be counteracted reliably and as needed.
  • the term "pressure proportion" refers to a disproportionate, proportional as well as disproportionate ratio of the movement of the support ring and the pressure increase of the operating pressure.
  • the rotary seal in a direction of rotation to the radial or axial direction (dynamically) be performed sealing.
  • the sealing ring can be designed in the radial direction on the outside or inside sealing.
  • the low pressure side arranged support leg of the support ring contacts the sealing surface upon reaching or exceeding a predetermined maximum value of the operating pressure.
  • the maximum operating pressure may be 450 bar, for example.
  • biasing ring extends according to a preferred embodiment of the invention in the non-pressurized state of the rotary seal over the entire width of the sealing ring. This results in a uniform force in the support ring and thus a uniform
  • the biasing ring extends in the unpressurized state of the rotary seal over the entire width or nearly the entire width, i. at least 80% of the width of the support ring and / or the sealing ring.
  • the sealing ring is preferably held without play in the annular groove of the support ring. This is advantageous for the response of the rotary seal to high-pressure side pressure changes.
  • At least the low pressure side arranged support leg of the support ring is chamfered on the outside. If both support legs of the support ring are each chamfered on the outside, then this is advantageous for a bi-directionally pressure-activatable use of the rotary seal.
  • the support ring and / or the sealing ring and / or the biasing member may each comprise a plastic material or from a Plastic material.
  • the said components can be formed for example as injection molded parts.
  • the support ring and the sealing ring are designed together as a multi-component injection molded part. This can also be counteracted assembly errors. Also, this design offers cost advantages.
  • the annular groove of the support ring can be designed in particular trapezoidal. This allows easy mounting and reliable holding of the sealing ring within the annular groove of the support ring.
  • the sealing ring has, at least in sections, a crowned dynamic sealing edge or a spherically designed dynamic sealing section.
  • the sealing edge / the sealing portion of the sealing ring is curved in a direction parallel to the sealing gap at least partially convexly outwardly in the direction of the sealing surface.
  • the sealing ring may have tribo structures to aid lubrication of the contact area of the sealing ring and the (dynamic) sealing surface.
  • the support ring at the free ends of its support legs such Tribostructure have that can support sufficient lubrication of the contact surface area between the support ring and sealing surface in particular when reaching or exceeding the aforementioned maximum pressure value of the high-pressure side operating pressure.
  • the support surface on which the biasing element is supported during pressure activation is preferably arranged on the machine part having the seal holding structure, in particular formed by the latter.
  • the support surface may in particular be a shoulder or a groove flank of the seal holding structure.
  • the seal holding structure is designed in the form of a retaining groove of the first machine part.
  • the rotary seal can be preassembled in a conventional manner in a cartridge made of metal, plastic or a composite material.
  • the support ring has a height which is less than half the width of the annular groove.
  • the sealing ring has a height which is less than half the width of the annular groove.
  • the biasing member may be bidirectionally pressure-activated according to the invention.
  • the seal holding structure of the one machine part is preferably designed as a holding groove, in which the biasing member is arranged transversely to the clamping direction with play.
  • the rotary seal can thereby also with pressure reversal, i. inverted printing layer provide a reliable sealing and self-protection functionality.
  • the back portion of the support ring is in non-pressurized operating condition in the case of a radially sealing rotary seal preferably as a (circumferential axis of rotation rotationally symmetric) cylinder surface and an axially sealing rotary seal, preferably plan running, annular surface.
  • the rotary seal according to the invention is particularly suitable for high pressure application and can be provided easily and inexpensively.
  • the rotary seal provides improved sealing protection for the sealing ring and can provide an overall improved life.
  • FIG. 1 shows a rotary seal arrangement with two machine parts, which are arranged rotatable relative to each other about a rotation axis and with respect to the axis of rotation in the radial direction dynamically inner sealing rotary seal with a sealing ring which is disposed within the annular groove of a support member, wherein the sealing ring by means of a biasing element ⁇ with the interposition of the support ring against the sealing surface of the respective other machine part is biased and wherein the biasing ring (biasing element) is pressure-actuated such that the support ring is deformed upon pressurization such that the sealing pressure of the sealing ring is reinforced low pressure side and high pressure side is reduced, in non-pressure-loaded operating condition and in a sectional view;
  • FIG. 3 shows a rotary seal arrangement with two machine parts, which are arranged so as to be rotatable relative to one another about a rotation axis and with a rotational seal which is designed to be dynamically sealing with respect to the rotation axis in the axial direction, in a non-pressure-loaded starting layer and in a sectional view; and Fig. 4, the rotation sealing arrangement according to FIG. 3 in the pressure-loaded
  • the first machine part 12 may be a shaft, for example a drive shaft.
  • the second machine part 14 surrounds the first machine part 12 in the radial direction and may for example be a housing on which the shaft is rotatably mounted.
  • the first machine part 12 has a sealing surface 20 on the circumference.
  • the second machine part 14 is provided with a seal holding structure 22, which is embodied here as an annular holding groove of the second machine part.
  • the seal holding structure is delimited by a first high-pressure-side flank 22a, a low-pressure-side second flank 22b and a groove bottom 22c.
  • a rotary seal 24 serves to seal the sealing gap 16.
  • the rotary seal 24 seals a high-pressure side H of the sealing gap 16, which can be pressurized with a fluid, in the direction of the longitudinal extent 26 of the sealing gap with respect to a low-pressure side N.
  • the rotary seal 24 is shown in the non-pressurized operating condition.
  • the rotary seal 24 is disposed in the retaining groove of the second machine part 14.
  • the rotary seal 24 has substantially three components: a specially shaped support ring 28, a sealing ring 30 and a biasing member 32nd
  • the support ring 28 is made of a viscoplastic deformable material. This can be, for example, a plastic, a plastic composite material or a metal.
  • the support ring 28 is designed rigid in terms of its support function. According to FIG. 1, the support ring 28 has a substantially U-shaped cross section with a first support leg arranged on the high pressure side. 34 and one of them - axially spaced here - arranged low-pressure side second support leg 36.
  • the two support legs 34, 36 are connected to each other via a back portion 38 and each extend away from the back portion 38 in the direction of the sealing surface 20 of the first machine part 12.
  • the back section 38 In the non-pressurized operating state, has a cylinder jacket-shaped outer side or back surface 40 facing away from the sealing surface.
  • the back section 38 is arranged parallel or substantially parallel to the axis of rotation 18.
  • the support ring 28 also has a side flank 42 facing the high-pressure side H and a side flank 42 facing the low-pressure side N.
  • the two side flanks 42 of the support ring 28 can each be flat, ie without a surface profiling be executed.
  • At least the high pressure side flank 42 may be provided with one or more grooves that serve to fluidly connect the high pressure side biasing member.
  • the side edges 42 are each connected via a chamfer 44 with the free end surface 45 of the respective support leg 34, 36.
  • the support ring 28 is provided with an annular groove 46 which is designed to be open towards the sealing surface 20.
  • the annular groove 46 is limited in the lateral (here axial) direction by two mutually facing groove flanks 48 of the two support legs 34, 36.
  • the groove flanks 48 are connected to each other via a groove bottom, designated by 50, of the annular groove 46. According to FIG. 1, the groove flanks 48 can each be arranged obliquely at an acute angle ⁇ with ⁇ ⁇ 90 ° to the sealing surface 20.
  • the annular groove 46 has (axial) width b, which is greater than its (h / he radial) depth h.
  • the support ring 28 has a high-pressure side H-facing high-pressure side ring half 28a and a low-pressure side N assigning low-pressure side ring half 28b.
  • the sealing ring 30 is held held in the annular groove 46 of the support ring 28, the sealing ring 30 is held held.
  • the sealing ring 30 is exemplified here as an internal sealing radial seal.
  • the sealing ring 30 consists of a rubber-elastic or of a viscoplastic deformable material, such as PTFE (polytetrafluoroethylene) or a PTFE compound.
  • the sealing ring has a smaller rigidity than the support ring.
  • the material of the sealing ring 30 may have a modulus or elastic modulus that is smaller than the modulus / elastic modulus of the material of the support ring.
  • the sealing ring 30 is in a radial direction to the axis of rotation, ie in the direction of a designated biasing direction 52 of the biasing member 32, circumferentially outside and covered over its entire (axial) width B from the support ring 28.
  • the sealing ring 30 is laterally overlapped on both sides in the direction of the longitudinal extension 26 of the sealing gap 16 from the support ring 28.
  • the sealing ring 30 engages positively in the axial direction as well as in the radial direction in the annular groove 46 of the support ring 28 a.
  • the sealing ring 30 thus abuts the groove flanks 48 and the groove bottom 50 of the annular groove 46 of the support ring 28 over the entire surface or essentially over the entire surface.
  • the sealing ring 30 may be arranged with a - preferably only a small - axial play in the annular groove 46 of the support ring 28 held. From a thermal point of view, the sealing ring 30 in the installed state preferably has a height 53 which is less than half the width b of the annular groove 46.
  • the sealing ring 30 has a spherically shaped dynamic sealing section 54, which bears against the sealing surface 20 of the first machine part 12 in a dynamically sealing manner.
  • the sealing portion 54 is convexly curved in the direction of the longitudinal extension 26 of the sealing gap 16 to the sealing surface 20.
  • the course of the contact pressure 56 between the sealing portion 54 and the sealing surface 20 is graphically represented by arrows.
  • the sealing portion 54 extends over the entire (in this case axial) width B of the sealing ring 30.
  • the Vorspanneiement 32 consists of a rubber elastic deformable material. This may be a rubber or a suitable elastomer. It should be noted that the material of the biasing member 32 allows changes in shape without or with only insignificant change in its volume. The material of the biasing member 32 is thus isovolumetric or substantially isovolumetrically deformable.
  • the biasing member 32 is disposed between the support ring 28 and the seal member structure 22 having the second machine part 14. By the biasing member 32 is a significant for the sealing ability of the rotary seal 24 contact pressure 56 of the sealing ring 30 in the biasing direction 52 against the sealing surface 20 causes.
  • the biasing member 32 serves as a static secondary seal and is here relative to the axis of rotation 18 in the radial direction, ie along the biasing direction 52, on the outside of the groove bottom 22c and inside on the back surface 40 of the back portion 38 of the support ring 28 statically sealed.
  • the biasing element 32 here radial - excess with respect to the distance between the groove bottom 50 and the back portion 38 of the support ring 28.
  • the biasing member 32 has here purely by way of example a substantially square cross-sectional shape when installed, but may also have another, in particular rectangular, elliptical / oval or a free-form cross-sectional shape.
  • the biasing element 32 is designed as a biasing ring.
  • the biasing member 32 is the high pressure side via a free space 58 between the high pressure side arranged edge 22a and the rotary seal 24 with the high pressure side H Fiuidisch and pressure-activated by an operating pressure P of a arranged on the high pressure side H pressurizable fluid.
  • the rotary seal 24 With an increasing operating pressure P, the rotary seal 24 is displaced from its starting position shown in FIG. 1 in the direction of the longitudinal extension 26 of the sealing gap, in this case in the axial direction with respect to the axis of rotation 18, to the low-pressure side N, until the biasing element 32 and also the support ring 28 with its side edge 42 abut theracd back flank 22b of Dichtungshaite Modell 22 of the second machine part 14.
  • the low-pressure side edge 22b of the retaining groove serves the biasing element 32 and at the same time the support ring 28 as a stop or support surface 60.
  • the biasing member 32 is characterized by the prevailing on the high pressure side operating pressure P shown in FIG. 2 against the low-pressure side edge 22b Sealing structure 22 pressed and compressed in the axial direction.
  • the pretensioning element 32 can only deflect in the direction of pretensioning 52 toward the sealing surface 20.
  • the support ring 28 On the support ring 28, a bending moment is exerted. Due to the bending moment, the support ring 28 in the region of its low-pressure-side ring half 28b with its support leg 36 is increasingly deformed (elastically) in the direction of the sealing surface 20. In the region of its high-pressure-side edge portion, the support ring 28 deforms in opposite directions to the biasing direction 52 of the sealing surface 20 due to its partial relief in this area associated with the pressure activation of the biasing element as well as its flexural rigidity with the support leg arranged on the high pressure side.
  • the support ring 28 thereby moves in a proportional manner to the fluid pressure / operating pressure P on the high pressure side H with its low pressure side support leg 36 in the radial direction in the sealing gap 16 and thereby causes an increasing extrusion protection for the sealing ring 30.
  • the pressure activation of the biasing ring 32 increases at the same time the sealing or contact pressure 56 of the sealing ring 30 against the sealing surface 20 with increasing operating pressure P.
  • the contact pressure 56 of the sealing ring 30 against the sealing surface 20 is spatially displaced toward the low-pressure side N.
  • the contact pressure 56 of the sealing ring 30 decreases by the associated with the deformation of the support ring 28 high pressure side partial relief of the sealing ring 30 against the biasing direction 52 high pressure side.
  • the support ring thus acts with respect to the contact pressure of the sealing ring on the sealing surface as overpressure limiter.
  • the low-pressure side chamfer 44 of the support ring 28 counteracts excessive mechanical loading of the support ring 28 in the contact surface area with the support surface 60 formed by the low-pressure side edge 22b of the seal retention structure 22 and canting the support ring 28 therewith.
  • FIGS. 3 and 4 show a rotary seal arrangement 10, which differs substantially from the exemplary embodiment shown in FIGS.
  • the rotary seal arrangement can according to FIGS. 2 and 3 may be formed as a rotary feedthrough for a pressurized fluid.
  • the first and the second machine part each have a fluid channel 62, which are fluidically connected to one another via the high-pressure side H of the sealing gap 16.
  • a pressurization of the high-pressure side H of the sealing gap 16 with a fluid leads to a radial widening of the rotary seal 24, provided that it is not in the non-pressurized initial state at the support surface 60 formed by the low-pressure side groove edge 22b of the retaining of the second machine part 14.
  • the biasing member 32 is pressed at its pressure activation together with the support ring 28 against the support surface 60. By the radially directed compression of the biasing member 32, this is deformed in the axial direction to the sealing surface 20 out, such that the support ring deformed analogously to the above-described embodiment in the biasing direction 52 to the sealing surface 20 and high pressure side against the biasing direction 52 deformed away from the sealing surface 20 becomes.
  • the rotary seal assembly 10 according to the invention is predestined in different technical fields due to the pressure activability of the biasing member 32 of the sealing ring 30 as well as the stabilizing the sealing ring 30 and serving as extrusion protection support ring 28.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotationsdichtungsanordnung (10) mit einem Stützring (28) aus einem zähelastisch verformbaren Material mit einem hochdruckseitig angeordneten ersten Stützschenkel (34) und mit einem niederdruckseitig angeordneten zweiten Stützschenkel (36), wobei die beiden Stützschenkel über einen Rückenabschnitt (38) miteinander verbunden sind. Durch die beiden Stützschenkel ist eine zur Dichtfläche hin offene Ringnut (46) des Stützrings (28) seitlich begrenzt, in der ein Dichtring (30), gehalten angeordnet ist. Der Dichtring (30) liegt an der Dichtfläche (20) dynamisch dichtend an; ein gummielastisch verformbares Vorspannelement (32), ist zwischen der Dichtungshaltestruktur (22) des einen Maschinenteils und dem Stützring (28) angeordnet, um den Dichtring (30) über den Stützring (28) in einer zur Dichtfläche (20) orthogonal ausgerichteten Vorspannrichtung (52) gegen die Dichtfläche (20) vorzuspannen. Bei einer Druckaktivierung des Vorspannelements (32) durch einen auf der Hochdruckseite H herrschenden Betriebsdruck P ist eine zum Betriebsdruck P druckproportionale Verformung des sich an einer Stützfläche (60) eines der beiden Maschinenteile (12, 14) abstützenden Vorspannelements (32) in Vorspannrichtung (52) bewirkt, derart, dass der Stützring (28) mit seinem niederdruckseitigen Stützschenkel (36) zur Dichtfläche (20) hinbewegt und mit seinem hochdruckseitigen Stützschenkel (34) von der Dichtfläche (20) wegbewegt wird.

Description

Rotationsdichtungsanordnung und Rotationsdichtung für
Hochdruckanwendungen
Die Erfindung betrifft eine Rotationsdichtungsanordnung für Hochdruckanwendungen. Rotationsdichtungsanordnungen finden sich bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen und weisen ein erstes und ein zweites Maschinenteil auf, die unter Ausbildung eines Dichtspalts voneinander beabstandet um eine Rotationsachse relativ zueinander rotierbar sind. Eines der beiden Maschinenteile kann beispielsweise eine (Antriebs-)Welle und das andere ein Gehäuse sein, an dem die Welle gelagert ist. Zwischen den beiden Maschinenteilen ist zumindest eine Rotationsdichtung angeordnet, durch die ein Hochdruckbereich gegenüber einem Niederdruckbereich des Dichtspalts, beispielsweise der Umgebungsatmosphäre, abgedichtet ist. Die Rotationsdichtung ist an einer Dichtungshaltestruktur des einen Maschinenteils gehalten angeordnet und weist nach einer Bauart einen Vorspannring, einen Dichtring sowie einen Stützring für den Dichtring auf. Der Dichtring liegt an der Dichtfläche des jeweilig anderen Maschinenteils dynamisch dichtend an. Die Rotationsdichtung solcher Rotationsdichtungsanordnungen unterliegt bei Hochdruckanwendungen, wie etwa bei Pumpen, Verdichtern oder Drehdurchführungen, einer enormen mechanischen und thermischen Beanspruchung. Deshalb muss eine ausreichende Schmierung und Kühlung der Rotationdichtung während des Betriebseinsatzes gewährleistet und eine übermäßige Dichtpressung des Dichtrings gegen die Dichtfläche vermieden werden. Darüber hinaus müssen konstruktive Vorkehrungen getroffen werden, um eine unerwünschte Extrusion des Dichtungselements in den Dichtspalt zu vermeiden. Andernfalls droht ein frühzeitiges Versagen der Rotationsdichtung.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine Rotationsdichtungsanordnung sowie eine Rotationsdichtung für Hochdruckanwendungen anzugeben, die eine verbesserte Lebensdauer aufweisen und die zugleich einfach und kostengünstig bereitgestellt werden können.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Rotationsdichtungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Rotationsdichtung ist in Anspruch 15 angegeben. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie auch in der Beschreibung angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Rotationsdichtungsanordnung umfasst die Rotationsdichtung einen Stützring aus einem zähelastisch verformbaren Material, der einen hochdruckseitig angeordneten ersten Stützschenkel und einen davon beabstandet niederdruckseitig angeordneten zweiten Stützschenkel aufweist. Die beiden Stützschenkel sind über einen Rückenabschnitt miteinander verbunden. Durch die beiden Stützschenkel ist eine zur Dichtfläche hin offene Ringnut des Stützrings seitlich begrenzt. In der Ringnut des Stützrings ist ein Dichtring gehalten angeordnet. Der Stützring weist im Vergleich zum Dichtring eine größere Steifigkeit auf. Das Material des Stützrings kann dabei insbesondere ein größeres Modul bzw. Elastizitätsmodul aufweisen, als das Material des Dichtrings.
Der Stützring übergreift den Dichtring somit an drei Seiten. Dadurch ist der Dichtring in Vorspannrichtung sowie auch in Richtung des Dichtspalts relativ zum Stützring lagefixiert oder im Wesentlichen am Stützring lagefixiert gehalten angeordnet. Ist die Rotationsdichtung als eine Radialwellendichtung ausgeführt, so übergreift der Stützring den Dichtring mithin in einer zur Rotationsachse radialen Richtung und zusätzlich beidseits in axialer Richtung. Im Falle einer als Axialwellendichtung ausgeführten Rotationsdichtung ist der Dichtring auf nur einer Seite in einer zur Rotationsachse axialen Richtung und beidseits in radialer Richtung vom Stützring übergriffen.
Der Dichtring liegt an der Dichtfläche des jeweils anderen Maschinenteils (mit einem dynamischen Dichtabschnitt) dynamisch dichtend an. Zwischen dem die Dichtungshaltestruktur aufweisenden Maschinenteil und dem Rückenabschnitt des Stützrings ist ein gummieiastisch verformbares Vorspannelement angeordnet, durch das der Dichtring über den Stützring in Richtung der Dichtfläche vorgespannt ist.
Im nicht-druckbeaufschlagten Betriebszustand der Rotationsdichtung sind die beiden Stützschenkel des Stützrings von der Dichtfläche erfindungsgemäß beabstandet angeordnet. Die Stützschenkel haben mithin im nicht- druckbeaufschlagten Zustand der Rotationsdichtung keinen Kontakt mit der Dichtfläche, sodass eine unerwünschte Reibung zwischen dem Stützring und der Dichtfläche des einen Maschinenbauteils vermieden wird. Auch kann dadurch eine ausreichende Schmierung des Kontaktflächenbereichs zwischen dem Dichtring und der Dichtfläche mit einem hochdruckseitig angeordneten Fluid gewährleistet werden.
Die Rotationsdichtung ist mittels eines auf der Hochdruckseite H herrschenden Betriebsdrucks über das Vorspannelement druckaktivierbar. Eine Druckaktivierung des Vorspannelements bewirkt eine zum Betriebsdruck druckproportionale Verformung des sich an einer Stützfläche eines der beiden Maschinenteile abstützenden Vorspannelements in Vorspannrichtung des Vorspannelements, derart, dass der Stützring durch das Vorspannelement mit seinem niederd rückseitigen Stützschenkel zur Dichtfläche hinbewegt und sich aufgrund einer hochdruckseitigen Entlastung des Stütz rings durch das Vorspannelement mit seinem hochdruckseitigen Stützschenkel entgegen der Vorspannrichtung von der Dichtfläche wegbewegt. Bei der erfindungsgemäßen Rotationsdichtungsanordnung führt die Druckaktivierung des Vorspannelements somit insgesamt zu einer gegensinnigen Verformung des hochdruckseitigen Randabschnitts des Stützrings und des niederd rückseitigen Randabschnitts des Stützrings. Der Dichtring wird mit anderen Worten durch die Verformung des Vorspannelements einem Moment unterworfen und in sich verformt. Dadurch wird der Dichtspalt mit steigendem Betriebsdruck durch den niederdruckseitigen Stützschenkel des Stützrings zunehmend eingeengt. Einer unerwünschten Extrusion des Dichtrings in den Dichtspalt hinein kann dadurch zuverlässig und bedarfsgerecht entgegengewirkt werden. Unter „druckproportionaP wird vorliegend ein unterproportionales, proportionales sowie auch ein überproportionales Verhältnis der Bewegung des Stützrings und des Druckzuwachses des Betriebsdrucks verstanden. Insgesamt wird also die für das Dichtvermögen der Rotationsdichtung wesentliche Dichtpressung des Dichtrings gegen die Dichtfläche als auch der für Hochdruckanwendungen erforderliche Extrusionsschutz für den Dichtring in Abhängigkeit vom herrschenden Betriebsdruck bzw. einer zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Rotationsdichtungsanordnung anliegenden Druckdifferenz geregelt. Eine Leckage der Rotationsdichtung kann so selbst bei (höherfrequenten) Druckschwingungen zuverlässig vermieden werden. Fällt der auf der Hochdruckseite herrschende Betriebsdruck ab, so kann sich die Rotationsdichtung aufgrund der dem Material der einzelnen Dichtungskomponenten innewohnenden elastischen Rückstellvermögens selbsttätig in Richtung auf ihren nicht-druckbeaufschlagten Ausgangszustand zurückverformen.
Nach der Erfindung kann die Rotationsdichtung in einer zur Rotationsachse radialen oder auch axialen Richtung (dynamisch) dichtend ausgeführt sein. Im erstgenannten Fall kann der Dichtring in radialer Richtung außenseitig oder innendichtend ausgeführt sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kontaktiert der niederdruckseitig angeordnete Stützschenkel des Stützrings die Dichtfläche bei Erreichen oder bei Überschreiten eines vorgegebenen maximalen Werts des Betriebsdrucks. Der maximale Betriebsdruck kann beispielsweise 450 bar sein. Dadurch kann einer Extrusion des Dichtrings in den Dichtspalt selbst bei einer maximalen Druckbeaufschlagung der Hochdruckseite zuverlässig entgegengewirkt werden. Zugleich kann dadurch eine maximale Kontakt- oder Dichtpressung des Dichtrings gegen die Dichtfläche vorgegeben werden.
Der Vorspannring (Vorspannelement) erstreckt sich nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im nicht-druckbeaufschlagten Zustand der Rotationsdichtung über die gesamte Breite des Dichtrings. Dadurch wird eine gleichmäßige Krafteinleitung in den Stützring und mithin einer gleichmäßigen
Kontaktflächenpressung der Dichtkante des Dichtrings gegen die Dichtfläche ermöglicht.
Ganz besonders bevorzugt erstreckt sich der Vorspannring (Vorspannelement) im nicht-druckbeaufschlagten Zustand der Rotationsdichtung über die gesamte Breite oder nahezu über die gesamte Breite, d.h. zumindest 80% der Breite, des Stützrings und/oder des Dichtrings.
Der Dichtring ist In der Ringnut des Stützrings vorzugsweise spielfrei gehalten angeordnet. Dies ist für das Ansprechverhalten der Rotationsdichtung auf hochdruckseitige Druckänderungen von Vorteil.
Um ein Verkanten des Stützrings an der Dichtungshaltestruktur des einen Maschinenteils zu vermeiden, ist zumindest der niederdruckseitig angeordnete Stützschenkei des Stützrings außenseitig angefast. Sind beide Stützschenkel des Stützrings außenseitig jeweils angefast, so ist dies für einen bidirektional druckaktivierbaren Einsatz der Rotationsdichtung von Vorteil.
Nach der Erfindung kann der Stützring und/oder der Dichtring und/oder das Vorspannelement jeweils ein Kunststoffmaterial umfassen oder aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Die genannten Bauteile können dadurch beispielsweise als Spritzgussteile ausgebildet sein.
Für eine besonders einfache Montage und Demontage der Rotationsdichtung ist es vorteilhaft, wenn der Stützring und der Dichtring gemeinsam als ein Mehrkomponenten-Spritzgussteil ausgeführt sind. Dadurch kann zudem Montagefehlern entgegengewirkt werden. Auch bietet diese Bauart Kostenvorteile.
Die Ringnut des Stützrings kann insbesondere trapezförmig ausgeführt sein. Dadurch wird eine einfache Montage und ein zuverlässiges Haltern des Dichtrings innerhalb der Ringnut des Stützrings ermöglicht.
Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Dichtring zumindest abschnittsweise eine ballig ausgeführte dynamische Dichtkante bzw. einen ballig ausgeführten dynamischen Dichtabschnitt auf. Mit anderen Worten ist die Dichtkante/der Dichtabschnitt des Dichtrings in einer zum Dichtspalt parallelen Richtung zumindest abschnittsweise konvex nach außen in Richtung auf die Dichtfläche gekrümmt. Dadurch wird einerseits einem verfrühten Verschleiß des Dichtrings entgegengewirkt. Darüber hinaus kann dadurch die durch das druckaktivierte Vorspannelement erzwungene Verformung des Stützrings unterstützt werden. Auch ist ein zuverlässiges Dichtvermögen bei dem mit der Druckaktivierung des Vorspannelements einhergehenden translatorischen Verlagerung des Maximums der Dicht- oder Kontaktflächenpressung des Dichtrings gegen die Dichtfläche gewährleistet.
Der Dichtring kann Tribostrukturen zur Unterstützung einer Schmierung des Kontaktfiächenbereichs des Dichtrings und der (dynamischen) Dichtfläche aufweisen. Auch kann der Stützring an den freien Enden seiner Stützschenkel derlei Tribostrukturen aufweisen, die insbesondere bei Erreichen oder Überschreiten des vorgenannten maximalen Druckwerts des hochdruckseitigen Betriebsdrucks eine ausreichende Schmierung des Kontaktflächenbereichs zwischen Stützring und Dichtfläche unterstützen können. Die Stützfläche, an dem sich das Vorspannelement bei Druckaktivierung abstützt, ist vorzugsweise an dem die Dichtungshaltestruktur aufweisenden Maschinenteil angeordnet, insbesondere von diesem ausgebildet. Dadurch kann bei druckaktiviertem Vorspannelement ein unerwünschtes Mitrotieren des als statisches Nebendichtungselement wirkenden Vorspannelements vermieden werden.
Die Stützfläche kann insbesondere eine Schulter oder eine Nutflanke der Dichtungshaltestruktur sein. Besonders bevorzugt ist die Dichtungshaltestruktur in Form einer Haltenut des ersten Maschinenteils ausgeführt. Dadurch wird eine einfache Montage der Rotationsdichtung erreicht.
Die Rotationsdichtung kann in an sich bekannter Weise in einer Kartusche aus Metall, Kunststoff oder einem Verbundwerkstoff vormontiert sein.
Besonders bevorzugt weist der Stütz ring eine Bauhöhe auf, die weniger als die Hälfte der Breite der Ringnut beträgt. Besonders bevorzugt weist der Dichtring eine Bauhöhe auf, die weniger als die Hälfte der Breite der Ringnut beträgt. Dadurch wird jeweils eine besonders kompakte und unter thermischen Aspekten günstige Bauform der Rotationsdichtung ermöglicht.
Das Vorspannelement kann nach der Erfindung bidirektional druckaktivierbar sein. In diesem Fall ist die Dichtungshaltestruktur des einen Maschinenteils bevorzugt als eine Haltenut ausgeführt, in der das Vorspannelement quer zur Spannrichtung mit Spiel angeordnet ist. Die Rotationsdichtung kann dadurch auch bei Druckumkehr, d.h. invertierter Drucklage eine zuverlässige Dicht- und Selbstschutzfunktionalität bieten.
Der Rückenabschnitt des Stützrings ist im nicht- druckbeaufschlagten Betriebszustand im Falle einer radial dichtenden Rotationsdichtung bevorzugt als eine (zur Rotationsachse rotationssymmetrische) Zylindermantelfläche und bei einer axial dichtenden Rotationsdichtung eine, bevorzugt plan ausgeführte, Ringfläche. Die erfindungsgemäße Rotationsdichtung ist insbesondere für Hochdruckanwendung geeignet und kann einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Darüber bietet die Rotationsdichtung einen verbesserten Extrusionsschutz für den Dichtring und kann insgesamt eine verbesserte Lebensdauer bieten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die gezeigten Ausfuhrungsformen haben für die Schilderung der Erfindung lediglich beispielhaften Charakter.
In der Zeichnung zeigen :
Fig. 1 eine Rotationsdichtungsanordnung mit zwei Maschinenteilen, die relativ zueinander um eine Rotationsachse rotierbar angeordnet sind und mit einer bezüglich der Rotationsachse in radialer Richtung dynamisch innendichtenden Rotationsdichtung mit einem Dichtring, der innerhalb der Ringnut eines Stützelements angeordnet ist, wobei der Dichtring mittels eines Vorspannelements■ unter Zwischenschaltung des Stützrings gegen die Dichtfläche des jeweilig anderen Maschinenteils vorgespannt ist und wobei der Vorspannring (Vorspannelement) derart druckaktivierbar ist, dass der Stützring bei Druckbeaufschlagung derart verformt wird, dass die Dichtpressung des Dichtrings niederdruckseitig verstärkt und hochdruckseitig verringert wird, im nicht-druckbelasteten Betriebszustand und in einer Schnittdarstellung;
Fig. 2 die Rotationsdichtungsanordnung gemäß Fig. 1 im druckbelasteten
Zustand, in einer Schnittdarstellung;
Fig. 3 eine Rotationsdichtungsanordnung mit zwei Maschinenteilen, die relativ zueinander um eine Rotationsachse rotierbar angeordnet sind und mit einer bezüglich der Rotationsachse in axialer Richtung dynamisch dichtend ausgeführten Rotationsdichtung, in nicht- druckbelasteter Ausgangsiage und in einer Schnittdarstellung; und Fig. 4 die Rotationsdichtungsanordnung gemäß Fig. 3 im druckbelasteten
Zustand, in einer Schnittdarstellung.
Fig. 1 zeigt eine Rotationsdichtungsanordnung 10 mit einem ersten Maschinenteil 12 und einem zweiten Maschinenteil 14, die unter Ausbildung eines Dichtspalts 16 voneinander beabstandet und um eine Rotationsachse 18 relativ zueinander rotierbar angeordnet sind. Das erste Maschinenteil 12 kann eine Welle, beispielsweise eine Antriebswelle, sein. Das zweite Maschinenteil 14 umgreift das erste Maschinenteil 12 in radialer Richtung und kann beispielsweise ein Gehäuse sein, an dem die Welle drehbar gelagert ist. Das erste Maschinenteil 12 weist umfangsseitig eine Dichtfläche 20 auf. Das zweite Maschinenteil 14 ist mit einer Dichtungshaltestruktur 22 versehen, die hier als eine ringförmige Haltenut des zweiten Maschinenteils ausgeführt ist. Die Dichtungshaltestruktur ist durch eine erste hochdruckseitige Flanke 22a, eine niederdruckseitig angeordnete zweite Flanke 22b und einen Nutboden 22c begrenzt. Zur Abdichtung des Dichtspalts 16 dient eine Rotationsdichtung 24. Durch die Rotationsdichtung 24 ist eine mit einem Fluid druckbeaufschlagbare Hochdruckseite H des Dichtspalts 16 in Richtung der Längserstreckung 26 des Dichtspalts gegenüber einer Niederdruckseite N abgedichtet. In Fig. 1 ist die Rotationsdichtung 24 im nicht-druckbeaufschlagten Betriebszustand gezeigt. Die Rotationsdichtung 24 ist in der Haltenut des zweiten Maschinenteils 14 angeordnet. Die Rotationsdichtung 24 weist im Wesentlichen drei Bauteile auf: Einen speziell ausgeformten Stützring 28, einen Dichtring 30 und ein Vorspannelement 32.
Der Stützring 28 besteht aus einem zähelastisch verformbaren Material. Dies kann beispielsweise ein Kunststoff, ein Kunststoffverbundmaterial oder ein Metall sein. Der Stützring 28 ist im Hinblick auf seine Stützfunktion biegesteif ausgeführt. Der Stützring 28 weist gemäß Fig. 1 einen im Wesentlichen U- förmigen Querschnitt mit einem hochdruckseitig angeordneten ersten Stützschenke! 34 und einen davon - hier axial - beabstandet angeordneten niederdruckseitigen zweiten Stützschenkel 36 auf. Die beiden Stützschenkel 34, 36 sind über einen Rückenabschnitt 38 miteinander verbunden und erstrecken sich jeweils vom Rückenabschnitt 38 in Richtung auf die Dichtfläche 20 des ersten Maschinenteils 12 weg. Der Rückenabschnitt 38 weist im nicht-druckbeaufschlagten Betriebszustand eine von der Dichtfläche wegweisende zylindermantelförmige Außenseite oder Rückenfläche 40 auf. Der Rückenabschnitt 38 ist in dem in Fig. 1 gezeigten nicht-druckbeaufschlagten Betriebszustand der Rotationsdichtung 24 zur Rotationsachse 18 parallel oder im Wesentlichen parallel verlaufend angeordnet. Der Stützring 28 weist ferner eine der Hochdruckseite H zuweisende und eine der Niederdruckseite N zuweisende Seitenflanke 42 auf. Die beiden Seitenflanken 42 des Stützrings 28 können jeweils plan, d. h. ohne eine Oberflächenprofilierung, ausgeführt sein. Zumindest die hochdruckseitige Seitenflanke 42 kann mit einer oder mehreren Nuten versehen sein, die der fluidischen Verbindung des Vorspannelements mit der Hochdruckseite dient/dienen. Die Seitenflanken 42 sind hier jeweils über eine Fase 44 mit der freien Endfläche 45 des jeweiligen Stützschenkels 34, 36 verbunden.
Der Stützring 28 ist mit einer Ringnut 46 versehen, die zur Dichtfläche 20 hin offen ausgeführt ist. Die Ringnut 46 ist in seitlicher (hier axialer) Richtung durch zwei einander zuweisende Nutflanken 48 der beiden Stützschenkel 34, 36 begrenzt. Die Nutflanken 48 sind über einen mit 50 bezeichneten Nutgrund der Ringnut 46 miteinander verbunden. Gemäß Fig . 1 können die Nutflanken 48 jeweils unter einem spitzen Winkel α mit α < 90° zur Dichtfläche 20 schräg verlaufend angeordnet sein. Die Ringnut 46 weist (axiale) Breite b auf, die größer ist als deren (h/er radiale) Tiefe h. Der Stützring 28 weist eine der Hochdruckseite H zuweisende hochdruckseitige Ringhälfte 28a und eine der Niederdruckseite N zuweisende niederdruckseitige Ringhälfte 28b auf.
In der Ringnut 46 des Stützrings 28 ist der Dichtring 30 gehalten angeordnet. Der Dichtring 30 ist hier beispielhaft als ein innendichtender Radialdichtring ausgeführt. Der Dichtring 30 besteht aus einem gummielastisch oder aus einem zähelastisch verformbaren Material, wie beispielsweise PTFE (Polytetrafluoräthylen) oder einem PTFE-Compound. Der Dichtring weist eine kleinere Steifigkeit auf, als der Stützring. Das Material des Dichtrings 30 kann ein Modul bzw. Elastizitätsmodul aufweisen, das kleiner ist, als das Modul/Elastizitätsmodul des Materials des Stützrings. Der Dichtring 30 ist in einer zur Rotationsachse radialen Richtung, d.h. in Richtung einer mit 52 bezeichneten Vorspannrichtung des Vorspannelements 32, außenseitig umlaufend und über seine gesamte (axiale) Breite B vom Stützring 28 überdeckt. Zusätzlich ist der Dichtring 30 beiderseitig in Richtung der Längserstreckung 26 des Dichtspalts 16 vom Stützring 28 seitlich übergriffen. Der Dichtring 30 greift in axialer sowie auch in radialer Richtung formschlüssig in die Ringnut 46 des Stützrings 28 ein. Der Dichtring 30 iiegt somit an den Nutflanken 48 und dem Nutgrund 50 der Ringnut 46 des Stützrings 28 vollflächig oder im Wesentlichen vollflächig an. Nach einer alternativen Ausführungsform kann der Dichtring 30 auch mit einem - vorzugsweise nur geringem - axialen Spiel in der Ringnut 46 des Stützrings 28 gehalten angeordnet sein. Unter thermischen Gesichtspunkten weist der Dichtring 30 im Einbauzustand vorzugsweise eine Bauhöhe 53 auf, die weniger als die Hälfte der Breite b der Ringnut 46 beträgt.
Der Dichtring 30 weist hier einen ballig ausgeformten dynamischen Dichtabschnitt 54 auf, der an der Dichtfläche 20 des ersten Maschinenteils 12 dynamisch dichtend anliegt. Mit anderen Worten ist der Dichtabschnitt 54 in Richtung der Längserstreckung 26 des Dichtspalts 16 zur Dichtfläche 20 hin konvex gekrümmt. Der Verlauf der Kontaktpressung 56 zwischen dem Dichtabschnitt 54 und der Dichtfläche 20 ist mit Pfeilen grafisch dargestellt. Der Dichtabschnitt 54 erstreckt sich über die gesamte (hier axiale) Breite B des Dichtrings 30.
Das Vorspanneiement 32 besteht aus einem gummielastisch verformbaren Material. Dies kann ein Gummi oder ein geeignetes Elastomer sein. Zu beachten ist, dass das Material des Vorspannelements 32 Formänderungen ohne eine oder mit einer nur unwesentlichen Änderung seines Volumens erlaubt. Das Material des Vorspannelements 32 ist somit isovolumetrisch oder im Wesentlichen isovolumetrisch verformbar. Das Vorspannelement 32 ist zwischen dem Stützring 28 und dem die Dichtungshaitestruktur 22 aufweisenden zweiten Maschinenteil 14 angeordnet. Durch das Vorspannelement 32 ist eine für das Dichtvermögen der Rotationsdichtung 24 wesentliche Kontaktpressung 56 des Dichtrings 30 in Vorspannrichtung 52 gegen die Dichtfläche 20 bewirkt. Das Vorspannelement 32 dient dabei als statische Nebenabdichtung und liegt hier bezogen auf die Rotationsachse 18 in radialer Richtung, d.h. längs der Vorspannrichtung 52, außenseitig am Nutboden 22c und innenseitig an der Rückenfläche 40 des Rückenabschnitts 38 des Stützrings 28 statisch dichtend an. Dazu weist das Vorspannelement 32 ein - hier radiales - Übermaß bezüglich des Abstands zwischen dem Nutgrund 50 und dem Rückenabschnitt 38 des Stützrings 28 auf. Das Vorspannelement 32 weist hier rein beispielhaft eine im eingebauten Zustand im Wesentlichen quadratische Querschnittsform auf, kann aber auch eine andere, insbesondere rechteckige, elliptische/ovale oder eine Freiform- Querschnittsform aufweisen. Das Vorspannelement 32 ist als Vorspannring ausgeführt.
Das Vorspannelement 32 ist hochdruckseitig über einen Freiraum 58 zwischen der hochdruckseitig angeordneten Flanke 22a und der Rotationsdichtung 24 mit der Hochdruckseite H fiuidisch verbunden und durch einen Betriebsdruck P eines auf der Hochdruckseite H angeordneten druckbeaufschlagbaren Fluids druckaktivierbar.
Mit einem steigenden Betriebsdruck P wird die Rotationsdichtung 24 aus ihrer in Fig. 1 gezeigten Ausgangslage in Richtung der Längserstreckung 26 des Dichtspalts, hier also in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 18, zur Niederdruckseite N hin verschoben, bis das Vorspannelement 32 und auch der Stützring 28 mit seiner Seitenflanke 42 an der niederd rückseitigen Flanke 22b der Dichtungshaitestruktur 22 des zweiten Maschinenteils 14 anliegen. Die niederdruckseitige Flanke 22b der Haltenut dient dem Vorspannelement 32 und zugleich dem Stützring 28 als eine Anschlags- bzw. Stützfläche 60. Das Vorspannelement 32 wird durch den auf der Hochdruckseite herrschenden Betriebsdruck P gemäß Fig. 2 gegen die niederdruckseitige Flanke 22b der Dichtungsha!testruktur 22 gepresst und dabei in axialer Richtung gestaucht. Dadurch ist zusätzlich eine axial dichtende Anlage des Vorspannelements 32 an der niederdruckseitigen Nutflanke 22b bewirkt. Das Vorspannelement 32 kann wegen der isovolumetrischen oder Im Wesentlichen isovolumetrischen Verformbarkeit seines Materials nur in Vorspannrichtung 52 zur Dichtfläche 20 hin ausweichen.
Auf den Stützring 28 wird dadurch ein Biegemoment ausgeübt. Durch das Biegemoment wird der Stützring 28 im Bereich seiner niederdruckseitigen Ringhälfte 28b mit seinem Stützschenkel 36 zunehmend in Richtung auf die Dichtfläche 20 (elastisch) verformt. Im Bereich seines hochdruckseitigen Randabschnitts verformt sich der Stützring 28 aufgrund seiner mit der Druckaktivierung des Vorspannelements einhergehenden teilweisen Entlastung in diesem Bereich sowie auch seiner Biegesteifigkeit mit dem hochdruckseitig angeordneten Stützschenkel 34 gegensinnig der Vorspannrichtung 52 von der Dichtfläche 20 weg.
Der Stützring 28 bewegt sich dadurch druckproportional zu dem Fluiddruck/Betriebsdruck P auf der Hochdruckseite H mit seinem niederdruckseitigen Stützschenkel 36 in radialer Richtung weiter in den Dichtspalt 16 hinein und bewirkt dadurch einen zunehmenden Extrusionsschutz für den Dichtring 30. Durch die Druckaktivierung des Vorspannrings 32 steigt zugleich die Dicht- oder Kontaktpressung 56 des Dichtrings 30 gegen die Dichtfläche 20 mit steigendem Betriebsdruck P an. Einhergehend mit dem steigenden Betriebsdruck P wird zugleich die Kontaktpressung 56 des Dichtrings 30 gegen die Dichtfläche 20 räumlich zur Niederdruckseite N hin verschoben. Die Kontaktpressung 56 des Dichtrings 30 nimmt durch die mit der Verformung des Stützrings 28 einhergehende hochdruckseitige teilweise Entlastung des Dichtrings 30 entgegen der Vorspannrichtung 52 hochdruckseitig ab. Dadurch kann eine Schmierung des Dichtrings 30 von der Hochdruckseite H her während des druckbeaufschlagten Betriebseinsatzes - druckabhängig - verbessert werden. Dies ist für die Langlebigkeit des Dichtrings 30 von entscheidendem Vorteil. Erreicht oder überschreitet der Betriebsdruck P einen vorgegebenen maximalen Druckwert Pmax von beispielsweise 450bar, so kontaktiert der Stützring 28 die Dichtfläche 20 umlaufend mit seinem niederdruckseitigen Stützschenkel 36, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Der Dichtspalt 16 ist dann zur Niederdruckseite N vollständig geschlossen. Dadurch kann eine zur Niederdruckseite N hin gerichtete unerwünschte Extrusion des Dichtrings 30 in den Dichtspalt 16 hinein zuverlässig vermieden werden. Zugleich kann durch den an der Dichtfläche aufsitzenden Stützring 28 eine unerwünschte mechanische sowie reibungsvermittelte thermische Überbelastung des Dichtrings 30 zuverlässig vermieden werden. Der Stützring fungiert somit bezüglich der Anpressung des Dichtrings an der Dichtfläche als Überdruckbegrenzer.
Sinkt der hochdruckseitig herrschende Betriebsdruck P unter den vorgegebenen maximalen Druckwert Pmax, so verformt sich die Rotationsdichtung 24 aufgrund ihres elastischen Rückstellvermögens ihrer Komponenten in Richtung auf ihre in Fig. 1 gezeigte Ausgangslage zurück.
Zu beachten ist, dass die niederdruckseitige Fase 44 des Stützrings 28 einer übermäßigen mechanischen Belastung des Stützrings 28 im Kontaktflächenbereich mit der durch die niederdruckseitige Flanke 22b der Dichtungshaltestruktur 22 gebildeten Stützfläche 60 sowie einem Verkanten des Stützrings 28 mit derselben entgegenwirkt.
Die Rotationsdichtung der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Rotationsdichtungsanordnung 10 ist auch bei invertierter Drucklage, d.h. bei einem von der Niederdruckseite N zur Hochdruckseite H gerichteten Druckgefäile, in einer zu den vorstehenden Erläuterungen entsprechenden Weise voll funktionsfähig. Bei Druckbeaufschlagung der Niederdruckseite N dient in diesem Fall die hochdruckseitige Flanke 22a der Dichtungshaltestruktur 22 dem Vorspannelement und dem Stützring als Stützfläche 60. Die Rotationsdichtung 24 weist mit anderen Worten eine bidirektionale Funktionalität auf. In den Figuren 3 und 4 ist eine Rotationsdichtungsanordnung 10 gezeigt, die sich von dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiei im Wesentlichen darin unterscheidet, dass die Rotationsdichtung 24 hier in einer zur Rotationsachse 18 der beiden Maschinenteile 12, 14 axialen Richtung dichtend ausgeführt ist. Die Rotationsdichtungsanordnung kann gemäß den Fign. 2 und 3 als eine Drehdurchführung für ein druckbeaufschlagtes Fluid ausgebildet sein. Das erste und das zweite Maschinenteil weisen dazu jeweils einen Fluidkanai 62 auf, die über die Hochdruckseite H des Dichtspalts 16 miteinander fluidisch verbunden sind. Eine Druckbeaufschlagung der Hochdruckseite H des Dichtspalts 16 mit einem Fluid führt hier zu einer radialen Aufweitung der Rotationsdichtung 24, sofern diese nicht schon im nicht-druckbeaufschlagten Ausgangszustand an der durch die niederdruckseitige Nutflanke 22b der Haltenut des zweiten Maschinenteils 14, gebildeten Stützfläche 60 anliegt. Das Vorspannelement 32 wird bei seiner Druckaktivierung gemeinsam mit dem Stützring 28 gegen die Stützfläche 60 gepresst. Durch die radial gerichtete Stauchung des Vorspannelements 32 wird dies in axialer Richtung zur Dichtfläche 20 hin verformt, derart, dass der Stützring analog zu dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel in Vorspannrichtung 52 zur Dichtfläche 20 hin verformt und hochdruckseitig entgegen der Vorspannrichtung 52 von der Dichtfläche 20 weg verformt wird.
Die erfindungsgemäße Rotationsdichtungsanordnung 10 ist aufgrund der Druckaktivlerbarkeit des Vorspannelements 32 des Dichtrings 30 sowie auch des den Dichtring 30 stabilisierenden und als Extrusionsschutz dienenden Stützrings 28 für Hochdruckanwendungen In unterschiedlichen technischen Bereichen prädestiniert.

Claims

Patentansprüche
Rotationsdichtungsanordnung (10) mit einem ersten Maschinenteil (12) und mit einem zweiten Maschinenteil (14), die unter Ausbildung eines Dichtspalts (16) voneinander beabstandet und um eine Rotationsachse (18) relativ zueinander rotierbar angeordnet sind, wobei eines der beiden Maschinenteile (12, 14) eine Dichtfläche (20) und das jeweilig andere Maschinenteil (12, 14) eine Dichtungshaltestruktur (22) aufweist; und mit einer Rotationsdichtung (24) zum Abdichten einer Hochdruckseite H gegenüber einer Niederdruckseite N des Dichtspalts (16), umfassend:
- einen Stützring (28) aus einem zähelastisch verformbaren Material mit einem hochdruckseitig angeordneten ersten Stützschenkel (34) und mit einem niederd rückseitig angeordneten zweiten Stützschenkel (36), wobei die beiden Stützschenkel über einen Rückenabschnitt (38) miteinander verbunden sind und durch die beiden Stützschenke! eine zur Dichtfläche hin offene Ringnut (46) des Stützrings (28) seitlich begrenzt ist;
- einen Dichtring (30), der in der Ringnut (46) des Stützrings (28) gehalten angeordnet ist und welcher an der Dichtfläche (20) dynamisch dichtend anliegt, wobei der Dichtring eine kleinere Steifigkeit aufweist, als der Stützring; und
- ein gummielastisch verformbares Vorspannelement (32), das zwischen der Dichtungshaltestruktur (22) des einen Maschinenteils und dem Stützring (28) angeordnet ist, um den Dichtring (30) über den Stützring (28) in einer zur Dichtfläche (20) orthogonal ausgerichteten Vorspannrichtung (52) gegen die Dichtfläche (20) vorzuspannen, wobei die beiden Stützschenkel (34, 36) des Stützrings (28) im nicht- druckbeaufschlagten Betriebszustand der Rotationsdichtung (24) von der Dichtfläche (20) jeweils beabstandet angeordnet sind und wobei bei einer Druckaktivierung des Vorspannelements (32) durch einen auf der Hochdruckseite H herrschenden Betriebsdruck P eine zum Betriebsdruck P druckproportionale Verformung des sich an einer Stützfläche (60) eines der beiden Maschinenteile (12, 14) abstützenden Vorspannelements (32) bewirkt ist, derart, dass der Stützring (28) mit seinem niederdruckseitigen Stützschenkel (36) zur Dichtfläche (20) hinbewegt und mit seinem hochdruckseitigen Stützschenkel (34) von der Dichtfläche (20) wegbewegt wird.
2. Rotationsdichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Vorspannelement (32) im ~ nicht- d ruckbeaufschlagten Zustand der Rotationsdichtung (24) über die gesamte Breite (B) oder nahezu über die gesamte Breite (B) des Dichtrings (30) erstreckt.
3. Rotationsichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Vorspannelement (32) im nicht- druckbeaufschlagten Zustand der Rotationsdichtung (24) über die gesamte Breite oder nahezu über die gesamte Breite des Stützrings (28) erstreckt.
4. Rotationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (30) in der Ringnut (46) des Stützrings (28) spielfrei gehalten ist.
5. Rotationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der beiden Stützschenkel (34, 36), bevorzugt beide Stützschenkel (34, 36) des Stützrings (28), außenseitig angefast sind.
6. Rotationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (28) und/oder der Dichtring (30) und/oder das Vorspannelement (32) ein
Kunststoffmaterial umfasst/umfassen oder aus einem Kunststoff material besteht/bestehen.
7. Rotationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (28) und der Dichtring (30) gemeinsam als Mehrkomponenten-Spritzgussteil ausgeführt sind.
8. Rotationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (46) des Stützrings (28) trapezförmig ausgeführt ist.
9. Rotationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (30) einen ballig ausgeführten dynamischen Dichtabschnitt (54) aufweist.
10. otationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfläche (60) an dem die Dichtungshaltestruktur (22) aufweisenden Maschinenteil (12, 14) angeordnet, insbesondere von diesem ausgebildet, ist.
11. otationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfläche (60) eine Schulter oder eine Flanke (22a, 22b) der Dichtungshaltestruktur (22) ist.
12. Rotationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (30) eine Bauhöhe aufweist, die weniger als die Hälfte der Breite b der Ringnut (46) beträgt.
13. Rotationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (32) bidirektional druckaktivierbar ist.
14. Rotationsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückenfläche (40) des Rückenabschnitts (38) des Stützrings (28) im nicht- druckbeaufschlagten Betriebszustand bei einer als Radialdichtung ausgeführten Rotationsdichtung (24) eine Zylindermantelfiäche und bei einer axial dichtenden Rotationsdichtung (24) eine Ringfiäche ist.
15. otationsdichtung (24) für eine Rotationsdichtungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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