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Dichtungsring für rotierende Maschinen Die Erfindung betrifft einen
Dichtungsring, der drehfest mit der einen von zwei relativ zueinander rotierende
Rotationsflächen verbunden ist, z.B. ein Dichtungsring für eine Welle, die in bezug
auf ein mit dem Ring dreh fest verbundenes Gehäuse rotiert, und mit einer Dichtungsfläche,
die zusammen mit einer Dichtungsfläche an der Welle einen Dichtungsspalt zwischen
zwei Zonen mit verschieden hohen Flüssigkeitsdrücken abgrenzt, wobei der Dichtungsring
neben der genannten Dichtungsfläche mit Taschen ausgebildet ist, die in Richtung
des Druckgradienten verlaufen und durch Auftriebs leisten voneinander getrennt sind,
welche zusammen mit der Dichtungsfläche der Welle enge Spalte bilden, in denen bei
der relativen Rotation der beiden Dichtungsflächen hydrodynamische AuEtriebskräfte
auftreten, die gegen eine in entgegengesetzter Richtung wirkende Kraft die Leisten
von der Dichtungsfläche der Welle zu entfernen suchen.
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Ein solcher Dichtungsring, der z.B. als radiale oder axiale Dichtung
in einem hydraulischen Motor Anwendung finden kann, welcher über ein hydraulisches
Gestänge mit einer Brennkraftmaschine gekuppelt ist, ist in der am 13. Dezember
1968 eingereichten deutschen Patentanmeldung P 18 14 501 beschrieben. Beim bekannten
Dichtungsring soll die durch die Rotation der Welle in bezug auf den Ring mitgerissene
Flüssigkeitsmenge rechtwinklig zu den Dichtungsflächen wirksame Auftriebskräfte
hervorbringen, die teils die bei stillstehender Welle bestehende Anlage zwischen
den Dichtungsflächen aufheben, teils den Ring um seine geschlossene Achse verdrehen
und dadurch einen Dichtungsspalt erzeugen, der sich in Richtung der Zone mit dem
relativ niedrigen Druck verjüngt. Auf diese Weise soll eine Verminderung von Leckverlusten
durch den Spalt erzielt werden, und zwar ohne wesentliche Reibungsverluste und dadurch
bedingte Wärmeentwicklunge die durch direkte metallische Berührung zwischen der
rotierenden und der stillstehenden Dichtungsfläche verursacht wird.
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Bei hohen Flüssigkeitsdrücken erreicht man jedoch keinen sicheren
hydrodynamischen Auftrieb, da eine jede Erhöhung des hydrodynamischen Drucks auf
denjenigen Teil jeder Auftriebsleiste, wo die Flüssigkeit in den Auftriebs spalt
einströmt, von einer Drucksenkung gleicher Grössenordnung im Ausströmteil des Auftriebsspalts
begleitet wird. Man könnte sich vorstellen, dass sich diese Schwierigkeit dadurch
überwinden liesse, dass man die Dichtungsleisten als lose, in bezug auf den Dichtungsring
drehbare Klötze (pivoted pads) ausführt, doch
würde diese Massnahme
eine unerwünschte Komplikation bedeuten, die wegen der gegenseitigen Abnutzung der
relativ zueinander beweglichen Teile ausserdem noch unsicher wäre.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Verbesserung des bekannten
Ringes anzugeben und insbesondere den Gesamt;energieverlust in der Dichtung herab
zusetzen um damit den Wirkungsgrad der Maschine, in welche der Dichtungsring eingebaut
ist, zu verbessern.
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Erfindungsgemäss haben die Auftriebs leisten in Schnittebenen, die
die relative Bewegungsgeschwindigkeit enthalten und senkrecht zu der Dichtungsfläche
der Welle verlaufen, ein derartiges Profil, dass der Auftriebs spalt zwischen jeder
Leiste und der Welle bei stillstehender Welle einen konvergierenden Einströmabschnitt,
einen mittleren Abschnitt mit konstanter Spaltweite und einen divergierenden Ausströmabschnitt
aufweist, und in den genannten Schnittebenen besitzt der Ring eine so hohe Elastizität,
dass die beim Anlaufen der Welle auftretenden und von den hydrodynamischen Kräften
im Spalt ausgeübten Momente den Ring biegen können, wodurch dessen geschlossene
Achse einen wellenförmigen Verlauf erhält.
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Es hat sich überraschenderweise erwiesen, dass hierdurch die vorher
erwähnten, hydrodynamisch bedingten und auf die Leisten des Dichtungsringes einwirkenden
Auftriebskräfte mit grösserer Sicherheit auftreten, und dass diese Kräfte wesentlich
grössere Werte annehmen können. Vermutlich beruht dies darauf, dass der sich durch
die Spalte zwischen den Leisten und der Dichtungsfläche der Welle bewegende Flüssigkeitsstrom,
der unmittelbar nach Beginn der Rotation einen Druckanstieg im Einströmteil des
Spalts und einen im Wesentlichen ebenso grossen Druckabfall im Ausströmteil hervorruft,
durch die vom Moment der resultierenden Kräfte bewirkte Verformung des Ringes und
damit der Leisten in einer solchen Weise geändert wird, dass im grössten Teil des
Spalts, von dessen Einströmöffnung aus gerechnet, ein Uberdruck und nur über einen
kürzeren Teil der Spaltlänge an der Ausströmöffnung ein kleinerer Unterdruck entsteht.
Der genannte überdruck und Unterdruck ist hierbei auf den mittleren Druck in derjenigen
Zone bezogen, in welcher die Dichtungsleisten liegen. Die im Auftriebsspalt wirksamen
hydrodynamischen Kräfte erhalten auf diese Weise eine hohe positive Resultierende,
die den Dichtungsspalt zwischen des Dichtungsflächen des Ringes und der Welle auszuweiten
sucht. Bei bekannten Ringen, die nicht die genannte Spaltform besitzen und relativ
biegungssteif sind, wird d hingegen das oben erwähnte Strömungsmuster beibehalten,
rwch welchem sich die nach aussen und die nach innen gerichteten Kräfte im Spalt
gegenseitig ungefähr
aufheben, wenn der Mittelwert des Drucks in
der Zone mit jem hohen Druck so gross ist, dass auf der Ausströmseite des Spalts
keine Kavitation auftritt.
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Der hohe Wert des auf den erfindungsgemässen Ring einwirkenden, resultierenden
Auftriebs ermbglicht eine so esrhebliche Ausweitung des Dichtungsspalts, dass eine
netallische Berührung zwischen den relativ zueinander rotierenden Dichtungsf lachen
normalerweise nicht vorkommt, und die hierdurch bedingte Herabsetzung der Reibungs-
und Wärmeverluste wiegt eventuell durch die grössere Spaltweite vergrDsserte Leckverluste
auf.
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Erfindungsgemäss wird bevorzugt, dass die Biegsamkeit des Ringes
dadurch hervorgebracht wird, dass die zwischen den Auftriebs leisten befindlichen
Teile des kiges rechtwinklig zu den Dichtungsflächen gemessen eine wesentlich geringere
Stärke als die Leisten haben. Hierdurch werden erhebliche Verformungen der Dichtungsleisten
selbst, die das Strömungsmuster in den Auftriebsspalten ungünstig beeinflussen kanten,
vermieden, In der Praxis hat es sich oft als zweckdienlich erwiesen, dass der Winkel
mit dem sich der Ein- und Ausströmabschnitt des Auftriebspalts bei unverformtem
Ring verjüngt, von der Grössenordnung 0,5° ist. Ferner hat sich als zweck dienlich
erwiesen, dass die Länge des mittleren Abschnittes des Auftriebsspalts etwa ebenso
gross ist wie die gesamte, in Richtung des relativen Rewegungsvek tors gemessene
Lange des Ein- und Ausströmabschnitts.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung
näher erklErt. Es zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemässen
Ringes sawie die zugehörige, stillstehende Reelle, Fig. 2 in stark vergrössertem
Masstab einen Ausschnitt des in Fig, 1 Dargestellten, Fig. 3 einen Analschnitt entlang
der Linie III-III in Fig. 2, in welchem gleichzeitig ein Teil des zugehörigen Gehäuses
wiedergegeben ist, Fig. 4 eine Fig, 3 entsprechende Ansicht des Dichtungsringes
bei rotierender Welle, in die die auf den Ring einwirkenden Kräfte eingezeichnet
sind, Fig. 5 eine Fig. 2 entsprechende Ansicht, die (stark übertrieben) die Verformung
der Auftriebs leisten des Dichtungsringes bei rotierender Welle veranschaulicht,
und Fig. 6 einen Ausschnitt aus Fig. 5 in noch grösserem Massstab mit einer Darstellung
der Druckverhältnisse im Auftriebsspalt.
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Die Zeichnung zeigt eine Welle 10, die auf nicht näher dargestellte
Weise
drehbar in einem Gehäuse gelagert ist, das eine Stirnwand
11 hat, welche eine Zone 12, in der relativ hoher Druck herrscht, von einer anderen,
nicht gezeigten Zone mit niedrigerem Druck abgrenzt. In der Zone 12 ist ein erfindungsgemässer
Dichtungsring 13 angebracht, der vom Druckunterschied zwischen den beiden Zonen
in dichtender Anlage gegen die Innenseite der Wand 11 gehalten wird. Der Ring 13
ist aus einer Anzahl Auftriebs leisten 14, die im Folgenden genauer beschrieben
werden, sowie diese verbindenden Abschnitten 15 zusammengesetzt, die in radialer
Richtung dünner als die Leisten 14 sind und insbesondere von der Oberfläche der
Welle 10 grösseren Abstand haben als die Leisten 14, so dass zwischen den letztgenannten
eine Anzahl Taschen 20 entsteht. Der Dichtungsring hat eine durchgehende Lippe 16,
die in eine Ausnehmung 21 in der Wand 11 hineinragt, welche Ausnehmung durch einen
relativ weiten, ringförmigen Spalt 22 mit der Niederdruckzone in Verbindung steht.
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Die Dichtungslippe hat einen solchen Innendurchmesser, dass sie bei
stillstehender Welle gegen diese anliegt und dadurch den Durchtritt von Flüssigkeit
w aus dem Raum 12 in den Spalt 22 verhindert. Wie in Fig. 1 angedeutet, kann der
Ring 13 aus mehreren Abschnitten oder Sektionen zusammengesetzt sein, und in den
Stössen 17 zwischen den einzelnen Sektionen können laschenartige Organe vorgesehen
sein, welche diejenigen Teile der zusammenstossenden Ringsektionen überlappen, die
sich im Raum 12 befinden.
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Wie am besten aus den Fig. 2 sowie 5-6 hervorgeht, ist die der Welle
10 zugekehrte Oberfläche jeder Auftriebs leiste 14 mit einem mittleren Abschnitt
23, der bei nicht verformtem Ring parallel zur Welle 10 verläuft, und zwei schrägen
Endabschnitten 24 ausgebildet. Der mittlere Abschnitt 23 liegt in geringem Abstand
von der Welle 10, so dass zwischen jeder Auftriebs leiste 14 und der Welle ein Spalt
gebildet wird, der bei stillstehender Welle einen mittlere ren Abschnitt 18 mit
einer im wesentlichen konstanten Spaltweite und zwei gegen den mittleren Abschnitt
konvergierende äussere Abschnitte 19 hat.
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Wird die Welle 10 in der durch einen Pfeil in den Fig. 5 und 6 angedeu
teten Rotationsrichtung in Bewegung gesetzt, reisst sie einen Teil der in der Zone
oder Kammer 12 befindlichen Flüssigkeit mit, wodurch bei der in Fig. 2 veranschaulichten
Konfiguration des Spalts 19, 18, 19 ein Druckverlauf hervorgehracht wird, der in
Fig. 6 mit hilfe einer strichpunktierten Linie 25 dargestellt ist. im Einströmteil
des Spalts tritt in bezug auf den mittleren Druck in der Zone 12, der mit pO bezeichnet
ist, ein Druckanstieg und im Ausströmteil des Spalts ein entsprechender Druckabfall
auf. Numerisch sind die Höchste werte des überdrucks und des Unterdrucks - beide
auf den mittleren Druck pO
bezogen - etwa gleich gross, und der
mittlere Druck tritt etwa in der Mitte der Länge des Spalts auf. Aufgrund der Symmetrie
des Druckverlaufs ist im Einströmteil des Spalts eine radial nach aussen gerichtete
Kraftresultierende und im Ausströmteil eine ebenso grosse radial nach innen gerichtete
Kraft wirksam. Die beiden Kräfte heben sich somit gegenseitig auf, haben jedoch
ein Moment, das wegen der Biegsamkeit des Ringes in einer Normalebene zur Welle
eine Verformung des Ringes bewirkt, die in den Fig. 5 und 6 stark übertrieben wiedergegeben
ist. Der mittlere Abschnitt 23 der Dichtungsleiste 143 der bei stillstehender Welle
10 parallel zur Oberfläche der Welle verlief, bildet nunmehr mit der Wellenoberfläche
einen Winkelcc, vgl. Fig. 6, und der Druckverlauf im Spalt 19, 18, 19 ändert sich
deshalb zu dem in Fig. 6 mit der voll ausgezogenen Linie 26 wiedergegebenen.
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Es ist ersichtlich, dass j-etzt über den grössten Teil der Spaltlänge
ein Uberdruck und nur in einem kleineren Teil des Spalts an dessen Ausströmseite
ein Unterdruck auftritt, so dass auf jede Auftriebs leiste eine resultierende, nach
aussen gerichtete Kraft einwirkt, die den Ring von der Welle zu entfernen und damit
einen Spalt 27, vgl. Fig. 4, zwischen der Welle und dem T,:.chtungsring zu bilden
sucht. Hierdurch wird direkter Kontakt und damit Reibung zwischen dem Dichtungsring
und der Welle verhindert Es ist einleuchtend, dass die in Fig. 6 durch die Kurve
26 veranschaulichten hydrodynamischen Kräfte in jedem Auftriebs spalt gleichzeitig
ein Moment in Zeichenebene bewirken, das von der Grösse der Winkeldrehung CL abhängig
ist. Es wird sich daher unter allen Bedingungen automatisch eine Gleichgewichtsstellung
einstellen, in welcher die betreffenden, auf die Auftriebs leisten einwirkenden
Momente von den inneren Momenten ausgeglichen werden, die auf die in Fig. 5 dargestellte
Verformung des Ringes, speziell die Verformung von dessen Zwischenabschnitt 15,
zurückzuführen sind.
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Fig. 4 veranschaulicht die bei rotierender Welle auf den Dichtungsring
wirkenden Kräfte, wobei der relativ niedrige Druck in der rechts von der Trennwand
11 befindlichen Zone gleich 0 gesetzt ist, so dass keine waagerechte Kraft eingezeichnet
ist, die auf den Teil des Ringes einwirkt, der der Ausnehmung 21 in der Wand 11
zugekehrt ist.
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Der in der Kammer 12 befindliche Teil des Dichtungsringes wird in
Richtung radial nach innen von einem gleichmässig verteilten Druck beansprucht,
der gleich der gleich dem Druck pO in der Kammer ist. In Richtung nach aussen wirken
Kräfte
auf den Ring, die teils vom Druck in den Taschen 20, der
praktisch gleich dem Druck p ist, teils von dem etwas erhöhten Druck auf die Auftriebs
leisten herrühren, der in Fig. 4 mit pO + L p bezeichnet ist. Dieser Druck nimmt
im Spalt 27 fast gleichmässig bis auf den niedrigen Druck ausserhalb der Wand 11
ab. In waagerechter Richtung wirkt linksseitig der Druck pO und rechtsseitig ein
fast gleichmässig verteilter Druck zwischen der Stirnfläche des Ringes und der Wand
11 auf den Ring ein. Der letztgenannte Druck ist in Fig. 4 mit P bezeichnet. An
der genannten Stelle kann eventuell eine auswechselbare Dichtungsleiste aus Kunststoff,
z.B. Polyamid, in die Wand eingelassen sein.
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Wie bereits erläutert, stellt sich bei rotierender Welle der Dichtungsring
unter der Einwirkung der einander entgegengerichteten hydrodynamisch erzeugten Momente
in den Auftriebspalten und der internen Biegemomente des Ringes von selbst so ein,
dass zwischen der Dichtungslippe 16 am Ring und der Welle 10 ein Spalt 27 gebildet
wird. Aufgrund der Symmetrie der der Welle zugekehrten Fläche der Auftriebs leisten
wird diese Einstellung ausserdem unabhängig von der Rotationsrichtung der Welle
erreicht. Durch geeignete Bemessung des Ringquerschnitts, hierunter auch der Länge
der Dichtungslippe 16 und der radialen Breite der Anlagefläche des Ringes gegen
die Wand des Gehäuses, kann erreicht werden, dass das resultierende Moment in Ebenen,
die die Rotationsachse enthalten, also die in Fig. 4 veranschaulichten Schnittebenen,
von sämtlichen auf den Ring einwirkenden Kräften 0 wird, so dass der Ring ohne jegliche
Verdrehung sozusagen von der Welle "abgehoben" wird, und zwar durch eine rein radiale
Dehnung, wodurch der Dichtungsspalt 27 über seine gesamte Länge einen im wesentlichen
konstanten Querschnitt erhält.
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Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass das Prinzip der Erfindung
auch auf axial wirkende Dichtungsringe anwendbar ist, bei denen die einander zugekehrten
Dichtungsflächen an Welle und Ring normalerweise ebene, rechtwinklig zur Rotationsachse
verlaufende Flachen sind, vgl auch die eingangs erwähnte deutsche Anmeldung P 18
14 501, Fig. 3 und 4.
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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Dichtungsring an einem
Gehäuse befestigt, d.h. stationär, könnte jedoch auch an dem rotierenden Element
von den beiden Elementen befestigt sein, die einander zugekehrte Dichtungsflächen
haben, welche zusammen einen Dichtungsspalt abgrenzen. Die in der Beschreibung und
in den nachstehenden Ansprüchen enthaltenen hinweise auf die rotierende Welle sind
deshalb generell dahingehend zu verstehen, dass sie sich jeweils auf diejenige von
zwei relativ zueinander rotierenden Komponenten beziehen, mit der der Dichtungsring
nicht starr verbunden ist.