DE69818097T2

DE69818097T2 - Rückkopplungdruck- regelsystem für gleitringdichtung

Info

Publication number: DE69818097T2
Application number: DE69818097T
Authority: DE
Inventors: V. Henri AZIBERT
Original assignee: Chesterton AW Co
Current assignee: Chesterton AW Co
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: EP1042626B1; AU1925999A; EP1038131B1; EP1042626A1; JP4128330B2; DE69822875T2; WO1999031414A1; AU1924299A; JP2003524735A; DE69818097D1; WO1999031413A1; JP2002508489A; EP1038130B1; JP4216469B2; EP1038131A1; DE69822875D1; EP1038130A1; WO1999031412A1; AU1931299A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf mechanische Dichtungen, um eine Fluidabdichtung zwischen einem Gehäuse und einer drehenden Welle herzustellen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Druckregelsystem, das benutzt wird, um ein Fluid oder mehrere Fluide der mechanischen Dichtung zu regeln.
Herkömmliche mechanische Dichtungen werden in einer großen Vielfalt mechanischer Apparaturen benutzt, um eine druckdichte und fluiddichte Abdichtung zwischen einer rotierenden Welle und einem stationären Gehäuse herzustellen. Die Dichtung wird gewöhnlich um die rotierende Welle angeordnet, die in einem stationären Gehäuse gelagert ist und aus diesem vorsteht. Die Dichtung wird im typischen Fall am Gehäuse am Austritt der Welle mit Bolzen befestigt, um so einen Verlust des unter Druck stehenden Prozessfluids aus dem Gehäuse zu verhindern. Herkömmliche mechanische Dichtungen umfassen mechanische Gleitringdichtungen, die zwei Dichtungsringe umfassen, die konzentrisch um die Welle angeordnet sind und einen axialen Abstand zueinander aufweisen. Die Dichtungsringe besitzen jeweils Stirnflächen, die in physikalischer Berührung miteinander vorgespannt sind. Im typischen Fall bleibt der eine Dichtungsring stationär, während der andere Ring die Welle berührt und sich mit dieser dreht. Die mechanische Dichtung verhindert einen Leckstrom des unter Druck stehenden Prozessfluids nach der äußeren Umgebung, indem die Stirnflächen des Dichtungsringes in physikalische Berührung miteinander gebracht werden. Als Ergebnis der physikalischen Berührung zwischen den Stirnflächen tritt eine Schleifwirkung der Dichtungsstirnseiten ein, und die Dichtungen werden im typischen Fall einer unerwünschten Abnutzungscharakteristik unterworfen und können einen Leckstrom durchlassen. Dies ist insbesondere der Fall bei Flüssigkeitsdichtungen, wenn diese in einer trockenen Umgebung arbeiten oder zur Wartung geöffnet sind.
Die schlechten Abnutzungscharakteristiken dieser herkömmlichen mechanischen Gleitringdichtungen erfordern eine häufige Überwachung und einen häufigen Ersatz der Dichtungsbestandteile, insbesondere der Dichtungsringe. Ein Ersatz und eine Reparatur beschädigter Dichtungen wurde durch Dichtungskonstruktionen durchgeführt, wobei ein Teil der Komponentenabschnitte der mechanischen Dichtungen segmentiert oder aufgespaltet wurden. Die Installation aufgespalteter oder teilweise aufgespalteter Dichtungskomponenten kann durchgeführt werden, ohne notwendigerweise die mechanische Vorrichtung vollständig zurückfahren zu müssen und ohne dass die Ringdichtung über ein freies Ende der Welle eingeführt wird. Selbst wenn jedoch eine Spaltdichtungskonstruktion vorgenommen wird, ist eine beträchtliche Zeit erforderlich, um die Dichtungskomponenten zu ersetzen, und dies führt häufig zu langen Perioden von Stillstandszeiten für die mechanischen Vorrichtungen, denen die Dichtung zugeordnet ist.
Frühere Versuche zur Überwindung dieser Schwierigkeiten benutzten berührungslose mechanische Dichtungen, bei denen zwischen den Dichtungsringstirnflächen ein Fluid eingefügt wurde, um die Reibungsabnutzung der Stirnseiten zu vermindern. Herkömmliche mechanische berührungslose Stirndichtungen benutzen im typischen Fall spiralartige Nuten, die in der Oberfläche des rotierenden Dichtungsringes angebracht sind, um eine hydrodynamische Hubkraft zu entwickeln, die die Dichtungsflächen voneinander trennt. Der resultierende Spalt ermöglicht das Einfügen eines Fluids innerhalb des Spaltes, um einen Abrieb der Dichtungsstirnflächen zu verhindern. Ein Beispiel einer derartigen bekannten Dichtung ist in der US-A-4 749 199 beschrieben.
Die US-A-4 749 199 ist auf eine mechanische Wellendichtung gerichtet, um eine Fluidabdichtung zwischen einem Gehäuse und einer rotierenden Welle zu bewirken, wobei diese Dichtung einen ersten Dichtungsring mit einer ersten Dichtungsstirnfläche und einen zweiten Dichtungsring mit einer zweiten Dichtungsstirnfläche aufweist. Die Dichtungstirnflächen liegen einander gegenüber, wenn sie zusammengebaut sind. Einer der Dichtungsringe ist an der Welle festgelegt, um sich mit dieser zu drehen und der andere ist gegen Drehung gesichert. Eine Hülse umschließt die Welle, und diese ist axial gegen den drehbaren Dichtungsring vorgespannt. Der festgehaltene Dichtungsring liegt zwischen dem drehbaren Dichtungsring und der Hülse, um zu verhindern, dass eine unter Druck stehende Arbeitssubstanz im Leckstrom über die Welle fließt. Der festgehaltene Dichtungsring umfasst innere Strömungskanäle, die in der Weise wirken, dass der Druck der Schmiermittelströmung dadurch reduziert wird, um sowohl den festgehaltenen Dichtungsring zu kühlen und den Druck des Schmiermittels zu verringern, womit vermieden werden soll, dass ein getrenntes Lager vorgesehen wird.
Diese Dichtungsarten sind in ihrer Anwendung beschränkt, weil die Dichtungen so ausgebildet sind, dass sie nur in einer Richtung wirken. Wenn die Dichtungen in Gegenrichtung beaufschlagt werden, dann trennen sich die Dichtungsringe im typischen Fall nicht voneinander, sondern sie werden aufeinander zu gedrückt oder gesaugt, wodurch die Abnutzung erhöht und schließlich die Dichtungen zerstört werden. Andere konventionelle Konstruktionen benutzen speziell gestaltete Nuten, die in beiden Richtungen wirken können und die als bi-direktionale Nuten bezeichnet werden. Diese Nuten sind im typischen Fall jedoch kostspielig in der Herstellung, da sie eine präzise und schwierige maschinelle Bearbeitung erfordern und unwirksam sind in der Erzeugung eines hydrodynamischen Auftriebs, durch den die Dichtungsstirnflächen wirksam voneinander abgehoben werden.
Selbst bei mechanischen berührungslosen Dichtungskonstruktionen tritt ein gewisser Verschleiß der Dichtungsstirnflächen auf, insbesondere während des Anlaufs oder während Perioden, in denen die Welle mit relativ geringen Drehzahlen läuft. Dies ist teilweise eine Folge des Fehlens einer Druckregelung der verschiedenen Fluide, die in der Dichtung benutzt werden. Beispielsweise müssen Barrierefluiddruck und Prozessfluiddruck in einem bestimmten Verhältnis zueinander derart aufrecht erhalten werden, dass die Dichtungsstirnringflächen nicht voneinander so weit getrennt werden, dass Prozessflüssigkeit entweichen kann oder dass die Dichtungsflächen in tatsächliche physikalische Berührung miteinander gebracht werden, wobei nur wenig oder kein Barrierefluid ihre Oberflächen schützt. Ein derartiger Abrieb bewirkt einen Verschleiß der Dichtungskomponenten, was schließlich dazu führt, dass die Dichtungskomponenten ersetzt werden müssen.
Da sich die oben beschriebenen Dichtungsanordnungen und andere bekannte Dichtungen nicht als optimal erwiesen haben, bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Druckregelsystems zur Regelung der Drücke verschiedener Fluide innerhalb der Dichtung, um die Abnutzung zu vermindern, wobei gleichzeitig ein Leckstrom an den anderen Stirnflächen verhindert oder vermindert wird, ohne die Dichtwirkung oder Integrität zu beeinträchtigen, insbesondere wenn sich die verschiedenen Fluiddrücke während des Anlaufs oder während eines Betriebs mit geringer Drehzahl ändern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Druckregelsystem zu schaffen, welches kompakt und einfach an der mechanischen Dichtung zu montieren ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine mechanische Spaltdichtung zu schaffen, die ein Druckregelsystem mit einem ausreichend großen Dynamikbereich aufweist, so dass dieses System unter einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen und einem weiten Bereich von Wartungsbedingungen arbeiten kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine mechanische Dichtung zu schaffen, die einen ausreichend hohen hydrodynamischen Hub gewährleistet, der ausreicht, um eine Trennung zwischen den Dichtungsstirnflächen im Betrieb aufrecht zu erhalten.
Andere und detallierte Ziele der Erfindung sind einerseits naheliegend und andererseits ergeben sie sich aus der Zeichnung und der folgenden Beschreibung.
Zusammenfassung der Erfindung
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch eine mechanische Gleitringdichtung gemäß dem Patentanspruch 1, wonach ein gewählter Fluiddruck der Dichtung, beispielsweise der Barrierefluiddruck oder der Prozessfluiddruck, auf einem gewählten Druckwert relativ zu dem anderen Fluiddruckwert gehalten wird, indem ein Differentialdruckventil und eine Fluidquelle oder ein Auslass vorgesehen werden. Das Rückführungssystem (einschließlich dem Fluiddruck-Rückführungsnetzwerk) stellt einen der Systemfluiddrücke so ein, dass jedes Ungleichgewicht im System korrigiert wird. Das System überwacht daher fluidmäßig, dynamisch die Dichtung während des Betriebs, um die Spaltweite zu regulieren und demgemäß den Leckstrom über die Dichtung.
Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem, welches den Fluidic-Rückkopplungs-Druckplan gemäß Anspruch 1 der Erfindung aufweist, umfasst eine Reihe von Kanälen und Bohrungen, die innerhalb der Stopfbuchse und erforderlichenfalls in der Dichtung angeordnet sind, um selektiv Fluidverbindungen zwischen Teilen des Systems herzustellen. Das Regelsystem kann mehrfach Untersysteme aufweisen, von denen jedes so ausgebildet ist, dass eine gewählte Funktion zustandekommt. Beispielsweise kann ein Untersystem einen gewählten Fluiddruck einstellen, beispielsweise einen Ausgangsfluiddruck mit einem Druck über (oder unter) einem Prozessfluiddruck, und zwar mit einem Betrag, der manuell einstellbar ist. Dieser Druck definiert den geregelten Eingangsdruck für das System. Ein anderes System kann den regulierten Einlassdruck benutzen, um Druck aus dem System abzuziehen, wenn die Spaltweite an den Dichtungsstirnflächen zu gering wird, oder es kann ein Druck nach dem System erhöht werden, um den Spalt zu verringern und so den Leckstrom an den Dichtungsstirnflächen zu vermindern, wenn der Spalt zu groß wird.
Gemäß einer Praxis der Erfindung umfasst das Fludic-Rückkopplungs-Druckregelsystem nach der Erfindung ein bewegliches Ventil, das zwischen mehreren Positionen und mehreren Fluidbohrungen angeordnet sein kann. Das System kann außerdem eine zylindrische Fluidleitung aufweisen, die sich innerhalb einer Kammer in der Stopfbuchse befindet. Das bewegliche Ventil sitzt gleitbar innerhalb der Leitung. Die Leitung kann auch mehrere Bohrungen aufweisen, um ein gewähltes Fluid nach einem Teil der Kammer zu übertragen, um gewählte Funktionen durchzuführen, beispielsweise einen Fluiddruck vom System zuzuführen oder abzuführen, um den Spalt einzustellen oder zu regeln. Gemäß einer wahlweisen Praxis kann das System ein Fluid ausströmen lassen, beispielsweise ein Schließfluid aus dem System, nachdem eine Erhöhung im Barrierefluiddruck erfolgt ist, und es kann ein Schließfluid in das System nach einem festgestellten Abfallen des Barrierefluiddrucks eingeführt werden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem so bemessen, dass es allein und allgemein komplett innerhalb der Stopfbuchse der mechanischen Dichtung untergebracht werden kann. Dieses kompakt dimensionierte System vermeidet demgemäß die Benutzung von äußeren schwierigen Fluidleitungsanordnungen, die die verschiedenen Fluide des Systems mit der Dichtung verbinden.
Ein wesentlicher Vorteil dieses kompakten in der Stopfbuchse zu montierenden Aufbaus besteht darin, dass keine Notwendigkeit für teure Fluidkopplungskomponenten besteht, wodurch die Gesamtstückzahlen vermindert werden und demgemäß die Gesamtkosten des Systems. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das System den Spalt regeln kann, während ein Leckfluid vorhanden ist, und dass eine dynamische Regelung durch ein Druckregelsystem erfolgen kann, das so bemessen und dimensioniert ist, dass es innerhalb der Stopfbuchse angebracht werden kann. Das System ermöglicht diese Vorteile durch Fluidüberwachung der Systemdrücke mit einem gleitend beweglichen Ventil, das auf gewisse Fluiddrücke anspricht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich unter Bezugnahme auf die detallierte Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen einander gleiche Elemente in den verschiedenen Ansichten charakterisieren. Die Zeichnung veranschaulicht Prinzipien der Erfindung, und obgleich nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, werden relative Dimensionen angegeben. In der Zeichnung zeigen:
1A ist ein Teilschnitt einer mechanischen Dichtung gemäß der Erfindung, wobei die Struktur veranschaulicht wird, mit der ein Fluid nach den Dichtungsstirnflächen überführt wird;
1B ist eine perspektivische Ansicht einer Hälfte des rotierenden Dichtungsringes der mechanischen Dichtung nach 1A, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
1C ist eine perspektivische Ansicht einer Hälfte des stationären Dichtungsringes der mechanischen Dichtung nach 1A, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
1D ist eine perspektivische Ansicht einer Hälfte des Stopfbuchsenaufbaus der mechanischen Dichtung gemäß 1A, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit der Erfindung;
1E ist eine perspektivische Ansicht einer Hälfte einer zusammengebauten mechanischen Dichtung gemäß 1A, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
1F ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Dichtungskomponenten gemäß 1D, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
1G ist eine perspektivische Ansicht einer Hälfte des rotierenden Dichtungsringhalteraufbaus gemäß 1A, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
1H ist eine Seitenansicht der Fläche des rotierenden Dichtungsringhaltersegmentes nach 1A, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
1I ist eine Seitenansicht der Stirnfläche des rotierenden Dichtungsringsegmentes gemäß 1A, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
1J ist eine Teilseitenansicht der Dichtungsringstirnflächen gemäß 1D, wobei außerdem die Kräfte innerhalb der Nut dargestellt sind;
2 ist eine Seitenansicht der stationären und rotierenden Dichtungsringsegmente der mechanischen Dichtung gemäß 1A, wobei die Trennkraft veranschaulicht ist, die sich innerhalb der Dichtungsringnut gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufbaut;
3 ist eine Teilschnittansicht der mechanischen Dichtung gemäß 1A nach der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine schematische Ansicht eines der Untersysteme des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems nach der Erfindung zur Aufrechterhaltung des gewählten Druckes des Barrierefluids relativ zu dem Prozessdruck, benutzt in Verbindung mit einer Spaltdichtung, obgleich andere Dichtungskonstruktionen einschließlich nicht gespalteter Dichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet werden können;
5 ist eine schematische Ansicht eines weiteren Untersystems des Druckfluid-Rückkopplungssystems nach der Erfindung, wobei ein Differentialdruckventil dargestellt ist, das selektiv eine Schließkraft-Fluidverteilungsschaltung nach der Fluidquelle verbindet;
6A ist eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Druckfluid-Rückkopplungssystems nach der Erfindung zur Aufrechterhaltung der Fluidschließkraft bei einem gewählten Druck relativ zu dem Barrierefluiddruck durch Absenken des Schließkraftfluiddrucks durch eine Auslassöffnung;
6B ist eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Druckfluid-Rückkopplungssystems nach der Erfindung, wobei das Differentialdruckventil die Schließkraft-Fluidverteilungsverbindung mit der Auslassöffnung zeigt;
7 ist ein Teilquerschnitt des Differentialdruckventils nach 4 in Schließstellung dargestellt;
8 ist eine Teilschnittansicht des Stopfbuchsengehäuses, das das Differentialdruckventil gemäß 4 aufnimmt, das in Öffnungsstellung gezeigt ist, in der das Fluidverteilernetzwerk mit der Fluidquelle verbunden ist;
9A ist eine schematische Ansicht eines Untersystems eines anderen Ausführungsbeispiels des Druckfluid-Rückkopplungssystems zur Aufrechterhaltung eines gewählten Druckes des Barrierefluids relativ zum Prozessdruck;
9B ist eine schematische Ansicht eines Untersystems bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Druckfluid-Rückkopplungssystems nach der Erfindung zur Aufrechterhaltung des Schließkraftfluids auf einem gewählten Druck relativ zum Barrierefluiddruck bei einer Hochdruckfluidzuführung;
9C ist eine schematische Ansicht eines Untersystems eines anderen Ausführungsbeispiels des Druckfluid-Rückkopplungssystems nach der Erfindung zur Aufrechterhaltung des Schließkraftfluids auf einem vorgewählten Druck relativ zum Barrierefluiddruck, indem selektiv das Fluid durch einen Auslass ausgelassen wird;
10A ist eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Fluidic-Rückkopplungssystems, welches eine Membran als Differentialdruckventil benutzt;
10B ist eine schematische Teilansicht, welche die Membran gemäß 10A in einer Stellung zeigt, in der die Eintrittskammer mit der Austrittskammer in Verbindung steht;
11 ist ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Aufrechterhaltung des Barrierefluids auf einem vorbestimmten Druck relativ zum Druck des Prozessfluids;
12 ist ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Aufrechterhaltung des Schließkraftfluiddrucks auf einem gewählten Druckwert relativ zum Druck des Barrierefluids durch Erhöhung des Schließkraftfluiddruckes;
13 ist ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Aufrechterhaltung des Schließkraftfluiddruckes auf einem gewählten Wert relativ zum Barrierefluiddruck durch Erhöhung des Schließkraftfluiddruckes;
14A ist ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Aufrechterhaltung des Barrierefluiddruckes auf einem Wert relativ zu dem Prozessdruck;
14B ist ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Aufrechterhaltung des Schließkraftfluiddruckes auf einem Wert, bei dem der Barrierefluiddruck größer ist als der Prozessdruck und geringer als ein eingestellter oberer Wert unter Benutzung sowohl einer Hochdruckfluidzuführung als auch einer Auslassöffnung;
15A und 15B sind schematische Ablaufdiagramme des Verfahrens zur Aufrechterhaltung des Schließkraftfluiddruckes auf einem Wert, der größer ist als der Barrierefluidwert unter Benutzung sowohl einer Hochdruckfluidzuführung als auch einer Auslassöffnung;
16 ist eine schematische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems nach der Erfindung, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit einer konzentrischen Doppeldichtung;
17 ist eine schematische Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems nach 16, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit einer konzentrischen Doppeldichtung.
Beschreibung des dargestellten Ausführungsbeispiels
In 1A ist eine mechanische Dichtung 10 dargestellt, die geeignet ist zur Benutzung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Druckfluid-Rückkopplungssystem. Die mechanische Dichtung 10 ist vorzugsweise konzentrisch um eine Welle 12 herum angeordnet und ist an einer Außenwand eines Gehäuses, beispielsweise einer Pumpe oder dergleichen, festgelegt. Die Welle 12 erstreckt sich längs einer Achse 13, und sie ist wenigstens teilweise innerhalb des Gehäuses 12 gelagert. Die Dichtung 10 ist so konstruiert, dass eine Fluidabdichtung zwischen dem Gehäuse 11 und der Welle 12 bewirkt wird, wodurch verhindert wird, dass ein Prozessmedium aus dem Gehäuse 11 entweicht. Die Fluidabdichtung wird durch einen stationären Dichtungsring 14 und einen rotierenden Dichtungsring 16 bewirkt, von denen jeder eine radial verlaufende kreisbogenförmige Dichtungsoberfläche 20 bzw. 18 und zwei Segmentdichtungsoberflächen 22 und 24 aufweist, wie dies in den 1B und 1C dargestellt ist. Die Dichtungsstirnfläche 18 des Dichtungsringes 14 ist in Dichtungsverbindung mit der Dichtungsstirnfläche 20 des Dichtungsringes 16 vorgespannt, wie dies im Einzelnen später beschrieben wird. Zusätzlich sind die Segmentdichtungsoberflächen 22, 24 eines jeden Dichtungsringes in Dichtungseingriff miteinander vorgespannt. Demgemäß bewirken diese individuellen Dichtungsoberflächen eine Fluidabdichtung, die unter einem weiten Bereich von Arbeitsbedingungen und einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen wirksam ist.
Der hierbei benutzte Ausdruck „axial" bezieht sich auf die Richtung allgemein parallel zur Richtung der Wellenachse 13. Der Ausdruck „radial", der hierbei benutzt wird, bezieht sich auf eine Richtung allgemein senkrecht zur Wellenachse 13.
Die mechanische Dichtung 10 gemäß 1A kann irgendeine geeignete mechanische Dichtung sein, einschließlich einer Doppeldichtung, einer Patronendichtung, einer Tandemdichtung, einer Dichtung mit stirnseitiger Berührung, und sie kann entweder massiv oder als Spaltdichtung ausgebildet sein, und vorzugsweise ist es eine mechanische berührungslose Spaltdichtung, bei der ein Barrierefluid zwischen die Dichtungsstirnflächen 18, 20 eines ersten und eines zweiten Dichtungsringes 14, 16 eingeführt wird. Bei einer berührungslosen Dichtung bewirkt das Barrierefluid die Verhinderung einer Berührung zwischen den im Wesentlicher radial verlaufenden Abschnitten der Dichtungsstirnflächen 18 und der radialen Abschnitte der Dichtungsstirnfläche 20, wodurch der Reibungseingriff und der Verschleiß der Dichtungsstirnflächen 18, 20 verringert wird. Demgemäß umfasst eine berührungslose Stirndichtung eine Dichtungskonstruktion, bei der eine vollständige Trennung der Dichtungsstirnflächen immer und auch unter gewissen Betriebsbedingungen erhalten bleibt, d. h. während der Perioden der Wellendrehung, und es wird eine Trennung der Dichtungsflächen bewirkt. Im Gegensatz dazu umfasst eine Dichtung mit sich berührenden Dichtungsflächen eine Dichtungsausbildung, bei der ständig eine teilweise oder vollständige Berührung der Dichtungsflächen aufrecht erhalten bleibt. Bei beiden Dichtungstypen wirkt das Barrierefluid als Wärmeübertragungsmedium, um Wärme von den Dichtungsflächen abzuführen und die Wirkungen thermischer Spannungen auf die Dichtungsflächen zu vermindern.
Das in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Dichtung benutzte Barrierefluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit oder eine Kombination von beiden sein. Im typischen Fall ist der Bereich der Dichtungsoberfläche, der in Reibungsberührung bleibt, größer bei Barriereflüssigkeitsanwendungen als bei Barrieregasanwendungen. Demgemäß kann die Benutzung eines Barrieregases zu einer geringeren Reibungsabnutzung der Dichtungsoberflächen 18, 20 gegenüber einer Benutzung einer Barriereflüssigkeit führen, weil eine Verminderung der Reibungsberührungsfläche erfolgt. Ein Gasbarrierefluid ist jedoch nicht für alle Anwendungen geeignet, weil die Möglichkeit besteht, dass eine minimale Leckstrommenge des Prozessfluids durch das Barrieregas strömt. Die Benutzung einer Barriereflüssigkeit in der Dichtung kann eine erhöhte Verminderung der Wirkung thermischer Beanspruchungen bewirken, weil eine bessere Wärmeübertragung durch die Flüssigkeit erfolgt als durch ein Gas. Für den Fachmann ist es klar, dass die Wahl des Fluidums (Gas oder Flüssigkeit) abhängig ist von der Art des Betriebes, in Verbindung mit der die Dichtung benutzt wird. Beispielsweise kann bei Anwendungen, bei denen ein minimaler Prozessfluidleckstrom zulässig ist, ein Barrieregas bevorzugt werden, um die Abnutzung an den Dichtungsstirnflächen zu vermeiden und um die Lebensdauer der Dichtung zu erhöhen. Bei Anwendungen, in denen das Prozessfluid entflammbar oder die Umgebung gefährlich ist, kann eine Flüssigkeitsdichtung zu bevorzugen sein.
Gemäß 1A bis 1F umfasst die dargestellte mechanische Spaltdichtung 10 zusätzlich zu dem stationären Dichtungsring 14 und dem rotierenden Dichtungsring 16 einen Stopfbuchsendichtungsaufbau 30 und einen rotierenden Dichtungsringhalteraufbau 100. Der Stopfbuchsendichtungsaufbau 30 umfasst zwei identische Stopfbuchsensegmente oder -hälften 34a und 34b, von denen eine in 1D dargestellt ist. Das Stopfbuchsensegment 34a besitzt, beginnend vom axial äußeren Ende (an der Unterseite von 1D) eine innere Oberfläche, die eine axial verlaufende erste Oberfläche 36 und eine integral ausgebildete und axial verlaufende zweite Oberfläche 38 aufweist, die radial von der ersten Oberfläche 36 gestuft ist. Die erste Oberfläche 36 und die zweite Oberfläche 38 bilden in Kombination eine erste ringförmige Verbindungswand 40. Eine axial verlaufende dritte Oberfläche 42 ist radial von der zweiten Oberfläche 38 gestuft und bildet in Kombination hiermit eine zweite ringförmige Verbindungswand 44. Die dritte Oberfläche 42 ist axial in drei Abschnitte 42a, 42b und 42c durch elastomere Aufnahmekanäle 46 und 48 segmentiert, von denen jede radial von der dritten Oberfläche 42 gestuft ist. Eine radial verlaufende vierte Oberfläche 50 ist radial von der dritten Oberfläche 42 durch eine dritte ringförmige Verbindungswand 52 gestuft. Eine gestufte fünfte Oberfläche 54 erstreckt sich radial nach innen und axial nach außen von der vierten Oberfläche 50 des Stopfbuchsensegmentes.
Der Stopfbuchsenaufbau 30 besitzt eine Gehäusedichtungsnut 56, die am Boden 58 des Stopfbuchsenaufbaus 30 entlangläuft. In der Nut 56 sitzt ein flacher, ringförmiger, elastischer Dichtungsring 60, der vorzugsweise eine axiale Abmessung hat, die größer ist als die Tiefe der Nut, wodurch eine druckdichte und fluiddichte Abdichtung zwischen der mechanischen Dichtung 10 und dem Gehäuse 11 zustandekommt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Gehäusedichtungsring 60 in zwei Bogensegmente aufgeschnitten, um in jedem Stopfbuchsensegment 34a, 34b eingesetzt zu werden. Die Gehäusedichtungsringsegmente sind vorzugsweise in der Nut 56 montiert und durch einen Kleber darin festgelegt. Diese Anordnung unterstützt die Verhinderung eines Leckstromes des Prozessmediums über die Passabschnitte der mechanischen Dichtung 10 und dem Gehäuse 11, wenn diese zusammengebaut sind.
Wie in den 1A, 1E, 1G und 1H dargestellt, ist ein Halteraufbau 100 in einer Kammer 102 (1D ) untergebracht, die durch den Stopfbuchsenaufbau 30 gebildet ist und radial nach innen hiervon distanziert ist. Es ist jedoch klar, dass der Halteraufbau 100 nicht innerhalb des Stopfbuchsenaufbaus 30 angebracht werden muss. Der Halteraufbau 100 besitzt zwei identische bogenförmige Haltersegmente 104a und 104b, von denen eines in 1G dargestellt ist. Wie in den 1G und 1H dargestellt, weist jedes Haltersegment eine äußere Oberfläche 106 und eine innere Oberfläche 108 auf. Die innere Oberfläche 108 des Haltersegmentes besitzt eine nach innen geneigte erste Oberfläche 110, die in einer axial verlaufenden zweiten Oberfläche 112 endet. Zwei aufeinanderfolgende radial nach innen gestufte Oberflächen bilden eine dritte Fläche 114 und eine vierte Fläche 115. Die zweite Fläche 112 und die dritte Fläche 114 besitzen eine sich radial nach innen erstreckende erste Wand 118, die integral hiermit gestaltet ist, und die dritte Fläche 114 und die vierte Fläche 115 besitzen eine radial nach innen verlaufende zweite Wand 120, die integral dazwischen ausgebildet ist. Ein weiteres Paar aufeinanderfolgender radial nach innen gestufter Oberflächen bildet eine fünfte Fläche 116 und eine sechste Fläche 119. Die vierte Fläche 115 und die fünfte Fläche 116 besitzen eine radial nach innen verlaufende dritte Wand 121, die integral damit hergestellt ist, und die fünfte Fläche 116 und die sechste Fläche 119 besitzen eine radial nach innen verlaufende vierte Wand 117, die integral dazwischen ausgebildet ist. Der Durchmesser der sechsten Fläche 119 ist vorzugsweise gleich oder etwas größer als der Durchmesser der Welle 12, auf der der Halteraufbau 100 festzulegen ist.
Die äußere Oberfläche 106 des Haltersegmentes hat eine erste axial verlaufende äußere Oberfläche 122 und eine radial nach innen geneigte zweite äußere Oberfläche 124. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Außendurchmesser der ersten äußeren Oberfläche 124 des Haltersegmentes kleiner als der Durchmesser der vierten Oberfläche 50 des Stopfbuchsensegmentes. Dieser Zwischenraum ermöglicht es, dass der Halteraufbau 100 innerhalb des Stopfbuchsenaufbaus 30 unbehindert drehbar sitzt. Der äußere Durchmesser der zweiten äußeren Oberfläche 124 ist vorzugsweise kleiner als der Innendurchmesser der fünften Oberfläche 54 des Stopfbuchsensegmentes.
Die sechste Fläche 119 des Haltersegmentes 104a weist einen Ringkanal 126 auf, um einen gespalteten Wellendichtungsring 128 aufzunehmen (1A). Wenn der Dichtungsring 128 in den Kanal 126 eingesetzt ist, dann passt der Dichtungsring dichtungsmäßig mit der Welle 12 zusammen und ergibt eine Fluidabdichtung längs der Zwischenfläche zwischen Halter und Welle. Die dargestellte zweite radial verlaufende Wand 120 besitzt vorzugsweise eine zylindrische ausgerichtete Bohrung 130, um ein Ende eines Passstiftes 132 aufzunehmen (1A). Das andere Ende des Passstiftes 132 wird von einer entsprechenden Bohrung 134 aufgenommen, die in dem rotierenden Dichtungsring 16 angeordnet ist (1I). Der Vorsprung 132 arbeitet als mechanisches Drehmittel, indem der rotierende Dichtungsring 16 in Drehbewegung vorgespannt ist, wie dies weiter unten im Einzelnen beschrieben wird.
Die dargestellten Haltersegmente 104a und 104b besitzen eine Halterdichtungsringnut 140 mit der in 1F und 1G dargestellten Form, die in der Dichtungsfläche 136, 138 eines jeden aufgespalteten Halters angeordnet sind. Ein Halterdichtungsring 142, der komplementär zur Form der Nut 140 ausgebildet ist, sitzt in der Nut 140. Der Halterdichtungsring 142 erstreckt sich, wenn er in die Nut 140 eingesetzt ist, über die Dichtungsflächen 136 und 138 des Halters, wie dies am besten aus 1E hervorgeht. Der freiliegende Teil des Dichtungsringes 142 sitzt in einer komplementär geformten Nut in der gegenüberliegenden Haltersegment-Dichtungsoberfläche. Diese Anordnung bewirkt eine fluiddichte Abdichtung. Der Dichtungsring kann aus irgendeinem geeigneten deformierbaren Material, z. B. aus einem elastomeren Gummi, bestehen.
Gemäß 1B und 1I weist der drehbare Dichtungsringaufbau 16 zwei kreisbogenförmige Drehdichtungsringsegmente 150a und 150b auf, von denen eines in 1B dargestellt ist. Die rotierenden Dichtungsringsegmente haben im Wesentlichen glatte bogenförmige innere Oberflächen 152. Der Innendurchmesser der inneren Oberfläche 152 der drehbaren Dichtungssegmente ist größer als der Durchmesser der Welle 12, um eine Montage darauf zu ermöglichen.
Die äußere Oberfläche 154 der rotierenden Dichtungssegmente weist eine Reihe axial verlaufender äußerer Oberflächen auf, von denen jede radial nach innen gegeneinander gestuft ist. Eine axial verlaufende zweite äußere Oberfläche 158 ist radial nach innen von einer ersten axial verlaufenden äußeren Oberfläche 156 her gestuft. Die erste äußere Oberfläche 156 und die zweite äußere Oberfläche 158 bilden in Kombination zusammen eine erste Ringverbindungswand 160, die sich radial zwischen der ersten und zweiten äußeren Oberfläche erstreckt. Eine dritte axial verlaufende äußere Oberfläche 162 ist radial nach innen von der zweiten äußeren Oberfläche 158 durch eine zweite ringförmige Verbindungswand 164 gestuft, die sich radial zwischen der zweiten und dritten äußeren Oberfläche erstreckt. Eine vierte axial verlaufende äußere Oberfläche 166 ist radial nach innen von der dritten äußeren Oberfläche 162 gestuft. Die dritte äußere Oberfläche 162 und die vierte äußere Oberfläche 166 bilden in Kombination damit eine dritte Ringverbindungswand 168, die sich radial zwischen der dritten und vierten äußeren Oberfläche erstreckt. Eine vierte ringförmige Verbindungswand 169 erstreckt sich radial von der vierten äußeren Oberfläche 166 nach der inneren Oberfläche 152.
Die gestufte äußere Oberfläche 154 der rotierenden Dichtungssegmente ist komplementär zu der gestuften inneren Oberfläche 108 der Haltersegmente 104a und 104b ausgebildet, damit eine Lagerung der rotierenden Dichtungssegmente in den Haltersegmenten möglich ist. Der Durchmesser der vierten äußeren Oberfläche 166 des drehbaren Dichtungssegmentes ist kleiner als der Durchmesser der fünften Fläche 116 des Haltersegmentes. In gleicher Weise sind die Durchmesser der zweiten äußeren Oberfläche 158 und der dritten äußeren Oberfläche 162 der drehbaren Dichtungssegmente kleiner als die Durchmesser der dritten Oberfläche 114 bzw. der fünften Oberfläche 115 des Haltersegmentes.
Elastomere Glieder, beispielsweise aufgespaltene O-Ringe 170 und 172, können konzentrisch um den rotierenden Dichtungsring 16 angeordnet werden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sitzt der O-Ring 170 längs der zweiten Oberfläche 112 des Haltersegmentes und stößt gegen die zweite äußere Oberfläche 158 des rotierenden Dichtungssegmentes und die erste Verbindungswand 160 an, wie dies aus 1A, 1H und 1I hervorgeht. Der Dichtungsring 172 sitzt längs der vierten Fläche 115 des Haltersegmentes und der dritten Wand 121 und stößt gegen die vierte äußere Oberfläche 166 des Dichtungssegmentes und die dritte Verbindungswand 168 an. Die O-Ringe 170 und 172 sind genügend elastisch, um die Dichtungsoberflächen 24 des rotierenden Dichtungssegmentes in Dichtungseingriff mit dem entsprechenden Dichtungsringsegment zu bringen, wodurch eine fluiddichte und druckdichte Abdichtung erfolgt. Die O-Ringe 170 und 172 wirken zusammen, um in Kombination mit dem Prozessfluid eine radial nach innen gerichtete Kraft zu erzeugen, die elastisch die axialen Dichtungsflächen 24 der Rotorsegmente gegeneinander vorspannt und dadurch einen Leckstrom durch die Dichtungsflächen verhindert oder vermindert.
Um eine Fehlausrichtung der Dichtungsoberfläche zu verhindern, sitzt der O-Ring 172 längs der äußeren Oberfläche 154 der drehbaren Dichtungsringsegmente 150a und 150b, um als elastischer Schwenkkörper zu wirken, um den sich der rotierende Dichtungsring 16 relativ zu dem rotierenden Halteraufbau 100 verschwenken kann. Diese durch den O-Ring 172 ermöglichte Schwenkbewegung bewirkt eine Aufrechterhaltung der Ausrichtung und Abdichtung zwischen der Dichtungsoberfläche 18 des drehbaren Dichtungsringes und der Dichtungsoberfläche 20 des stationären Dichtungsringes. Weiterhin bewirkt der O-Ring 172 eine Beabstandung der Oberfläche 154 des drehbaren Dichtungsringes 16 von der inneren Oberfläche 108 des Halteraufbaus 100.
Gemäß 1A bewirkt die Schwenkanordnung des O-Ringes 172 eine elastische Verschwenkung der Dichtungsringe 18, 20 während der vollen Arbeitsweise der mechanischen Spaltdichtung 10 sowohl im berührungslosen Zustand als auch im Berührungszustand, wobei gleichzeitig dauerhaft eine Berührung zwischen den gegenüberliegenden Dichtungsflächen gewährleistet wird oder die Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Spaltgröße zwischen diesen Flächen.
Die dargestellten Dichtungsoberflächen 18 und 20 der rotierenden Dichtungsringsegmente besitzen jeweils eine durchlaufende kreisbogenförmige Radialnut 180, wie am besten aus 1B ersichtlich. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Radialnut 180 radial zwischen der inneren Oberfläche 152 und der ersten äußeren Oberfläche 156 des rotierenden Dichtungsringes 16 ausgebildet. Die Nut 180 spaltet demgemäß die rotierende Dichtungsringfläche 20 in zwei konzentrische Dichtungsflächen oder Stegabschnitte 20a und 20b. Auf diese Weise wird eine Doppeldichtung zwischen dem stationären Dichtungsring 14 und dem rotierenden Dichtungsring 16 erreicht.
Gemäß 1A, 1E, 1J und 2 kommuniziert die Radialnut 180 mit der Dichtungsfläche 18 des stationären Dichtungsringes 14. Ein Barrierefluid mit einem spezifisch geregelten Druck, der allgemein größer ist als der Prozessdruck, wird in die Radialnut 180 über ein Barrierefluidvorspannsystem eingeführt, das aus einer Barrierefluidleitung 228 besteht, die in dem Statordichtungsring 14 ausgebildet ist, wie dies weiter unten im Einzelnen beschrieben wird. Das Barrierefluid erzeugt eine Trennkraft auf die Dichtungsflächen 18 und 20, wie durch die Pfeile F_A in 1J und 2 angedeutet. Die Trennkraft oder Spreizkraft ist primär oder allgemein eine hydrostatische Kraft, die bewirkt, dass eine Berührung zwischen den radialen Abschnitten der Dichtungsoberfläche 18 und den radialen Abschnitten der Dichtungsoberflächen 20a und 20b minimiert oder verhindert wird, wodurch der Reibungseingriff und der hieraus resultierende Verschleiß der Dichtungsflächen 18, 20a und 20b vermindert wird. Die Größe der Spreizkraft hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, beispielsweise von den Dimensionen der Radialnut, z. B. der radialen Abmessung, von der Konfiguration der Dichtungsflächen sowie von dem Druck des Barrierefluids. Die Wahl des Barrierefluids ist ebenfalls ein Faktor, wenn die Größe oder die Spreizkraft oder das Ausmaß der Dichtungsflächentrennung gewählt wird. Die Beziehung zwischen dem Barrierefluiddruck und dem Schließfluiddruck wird so eingestellt, dass das Ausmaß der Öffnungskraft und demgemäß die Dichtungsflächenspreizung gewählt wird. Bei Anwendungen, bei denen das Barrierefluid ein Gas ist, ist eine geringere Dichtungsoberflächenberührung erwünscht, und demgemäß ist ein größerer Abstand der Dichtungsflächenspreizung zu bevorzugen. Bei Flüssigbarriereanwendungen ist ein kleineres Ausmaß der Dichtungsflächenspreizung erforderlich und demgemäß eine erhöhte Wärmeübertragung der Flüssigkeit im Vergleich mit einem Gas. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtung besteht darin, dass die Dichtung entweder mit einem gasförmigen Barrierefluid oder einem flüssigen Barrierefluid betrieben werden kann, indem das Ausmaß der Berührung der Dichtungsoberflächen eingestellt wird und indem die Größe des Spaltes eingestellt wird, der zwischen den Dichtungsstirnflächen 18 und 20 gebildet ist.
Das Barrierefluid innerhalb der Radialnut 180 übt eine radial nach außen gerichtete Kraft F_Ro und eine radial nach innen gerichtete Kraft F_Ri auf den sich drehenden Dichtungsring 16 aus, wie das in 1J und 2 dargestellt ist. Weil der Oberflächenbereich an der Außenwand 184 größer ist als der Oberflächenbereich an der Innenwand 186 der Nut 180, ergibt sich eine Gesamtkraft nach außen gerichtet von F_Ro auf den sich drehenden Dichtungsring 16. Die Nut 180 ist so dimensioniert, dass die radial nach außen gerichtet Kraft F_Ro, die durch das Barrierefluid innerhalb der Nut erzeugt wird, allgemein nicht die radial nach innen gerichtete Kraft F_Ri auf den drehenden Dichtungsring 16 von den O-Ringen 170, 172 und von dem Prozessmedium übersteigt, das auf wenigstens die äußere Oberfläche 156 des Dichtungsringes wirkt. Demgemäß trennt die radial nach außen gerichtete Kraft F_Ro infolge des Barrierefluids nicht die rotierenden Dichtungsringsegmente 150a, 150b des sich drehenden Dichtungsringes oder „bläst" diese auseinander.
Ein wesentlicher Vorteil der dargestellten mechanischen Dichtung 10 besteht darin, dass die Einführung eines Kühlfluids oder eines Barrierefluids nach den Dichtungsflächen 18, 20 der Dichtungsringe 14, 16 möglich wird. Die Kombination von Radialnut 180 und Axialbohrungen 228 ermöglicht eine zweckmäßige Arbeitsweise der mechanischen Dichtung sowohl bei einem Betrieb mit Berührung der Dichtungsflächen als auch bei einem berührungslosen Betrieb, ohne dass der Leckstrom durch die axialen Dichtungsoberflächen der Dichtungsringsegmente erhöht würde. Der Fachmann wird feststellen, dass sich dies auch auf mechanische Flüssigkeitsdichtungen bezieht.
Gemäß den 1A, 1B, 1H, 2 und 3 erstreckt sich eine Vielzahl von Axialbohrungen 183 durch die rotierenden Dichtungsringsegmente von der radialen Nut 180 nach der zweiten Ringverbindungswand 164. Die Bohrungen sind vorzugsweise im gleichen Abstand über den Umfang des Dichtungsringes 14 angeordnet. Der Fachmann wird erkennen, dass irgendeine Zahl und irgendein Abstand benutzt werden können. Das Barrierefluid kann auf die äußere Oberfläche 154 der rotierenden Dichtungsringsegmente über die Axialbohrungen 183 zugeführt werden. Wie am besten aus 3 ersichtlich, bilden die O-Ringe 170 und 172 und die äußere Oberfläche 154 der rotierenden Dichtungsringsegmente sowie die innere Oberfläche 108 der Haltersegmente zusammen eine fluiddichte, druckdichte Ringkammer 185. Das Barrierefluid, das in die Kammer 185 über die Bohrung 228, die Nut 180 und die Axialbohrung 183 eingeführt wurde, übt eine radial nach innen gerichtete Fluidkraft F_nr auf die äußere Oberfläche 154 der rotierenden Dichtungsringsegmente aus. Die radial nach innen gerichtete Fluidkraft F_nr wirkt in Kombination mit der radial nach innen gerichteten Kraft, die von den O-Ringen 170 und 172 ausgeübt wird, und in Verbindung mit dem Prozessmedium, um jede der Dichtungsoberflächen 24 der rotierenden Segmente in Dichtungsberührung mit einem anderen Segment zu bringen, wodurch eine fluiddichte und druckdichte Abdichtung geschaffen wird.
Die radial nach innen gerichtete Fluidkraft F_rr kann durch Steuerung und/oder Regelung des Druckes des Barrierefluids in der Kammer 185 verändert oder eingestellt werden. Auf diese Weise kann die radial nach innen gerichtete Kraft auf die rotierenden Dichtungsringsegmente eingestellt werden, um Änderungen in den Betriebsbedingungen innerhalb der Dichtung zu kompensieren. Beispielsweise kann eine negative Druckbedingung, bei der der Druck des Fluids an der äußeren Oberfläche 154 der rotierenden Dichtungsringsegmente unter den Druck des Fluids an der inneren Oberfläche 152 der rotierenden Dichtungsringsegmente fällt, zu einer Trennung der rotierenden Dichtungsringsegmente führen, wie dies im Einzelnen weiter unten beschrieben wird. Der Ausdruck „negative Druckbedingung", der hierbei benutzt wird, soll jede Bedingung umfassen, bei der der Druck des Fluids an den äußeren Oberflächen (z. B. den Oberflächen, die dem Prozessfluid ausgesetzt sind) der Dichtungsringe und des Halteraufbaus niedriger ist als der Druck des Fluids an den inneren Oberflächen der Dichtungsringe und des Halteraufbaus. Unter einer solchen Bedingung kann die radial nach innen gerichtete Kraft F_rr erhöht werden, um eine Trennung der Dichtungsringsegmente zu verhindern und dadurch die Dichtung zwischen den Dichtungsringsegmentoberflächen 24 aufrecht zu erhalten.
Zusätzlich zu der radial nach innen gerichteten Fluidkraft übt das Barrierefluid innerhalb der Kammer 185 eine axiale Fluidkraft F_ra auf die rotierenden Dichtungssegmente aus. Komponenten der axialen Fluidkraft F_ra F_ra1 und F_ra2 tragen dazu bei, die O-Ringe 172 in ihren Dichtungspositionen zu halten und die Dichtungsflächen der Ringe aufeinander zu drücken. Die axiale Fluidkraftkomponente F_ra1, spannt den O-Ring 170 in Dichtungseingriff mit der äußeren Oberfläche 154 der rotierenden Dichtungsringsegmente und der äußeren Oberfläche 108 der Haltersegmente vor. In gleicher Weise spannt die axiale Fluidkraftkomponente F_ra2 den O-Ring 172 in Dichtungseingriff mit der äußeren Oberfläche 154 der rotierenden Dichtungsringsegmente und der inneren Oberfläche 108 der Haltersegmente vor.
Ein wesentlicher Vorteil der negativen Drucksteuerung der dargestellten Dichtung besteht darin, dass eine einzige mechanische Dichtung in verschiedenen Umgebungsbedingungen arbeitsfähig ist. So ist es für den Endverbraucher nicht notwendig, zahlreiche unterschiedliche Dichtungstypen zur Benutzung bei verschiedenen speziellen Arbeitsbedingungen auf Lager zu halten. Dies vermindert die Gesamtkosten für den Endverbraucher, weil dieser nur einen einzigen Dichtungstyp mit den aufgeteilten mechanischen Dichtungen kaufen und auf Lager halten muss, weil diese Dichtungen so eingestellt werden können, dass sie eine Fluidabdichtung unter zahlreichen Betriebsbedingungen ermöglichen.
Wie in den 1C und 1I dargestellt, besteht der stationäre Dichtungsring 14 aus zwei kreisbogenförmigen Ringsegmenten 200a, 200b, die identisch aufgebaut sind und von denen einer dargestellt ist. Die stationären kreisbogenförmigen Dichtungsringsegmente 200a und 200b haben eine im Wesentlichen glatte kreisbogenförmige innere Oberfläche 202, die sich parallel zu der ersten Achse 13 und einer äußeren Oberfläche 204 erstreckt. Die äußere Oberfläche 204 des stationären Ringsegmentes weist eine Dichtungsstirnfläche 18 und eine erste äußere Oberfläche 206 auf, die sich axial hiervon erstreckt, und es ist weiter eine axial verlaufende zweite äußere Oberfläche 208 vorgesehen, die radial nach innen von der ersten äußeren Oberfläche 206 gestuft ist. Die erste äußere Oberfläche 206 und die zweite äußere Oberfläche 208 bilden in Kombination eine erste Ringverbindungswand 210, die sich radial zwischen der ersten und der zweiten äußeren Oberfläche erstreckt. Eine axial verlaufende dritte Oberfläche 212 ist radial nach innen von der zweiten äußeren Oberfläche 208 durch eine zweite Ringverbindungswand 214 gestuft, die sich radial zwischen der zweiten und der dritten äußeren Oberfläche erstreckt. Der stationäre Dichtungsring 14 besitzt eine im Wesentlichen glatte, kreisbogenförmige Bodenfläche 216, die der Dichtungsfläche 18 gegenüberliegt. Die stationären Dichtungsringsegmente 200a, 200b haben eine Ausnehmung 220, die längs der Bodenfläche 216 verläuft. Der mechanische Federclip 174, der mechanisch mit einer Bodenfläche 55 des Stopfbuchsenaufbaus 30 gekoppelt ist, sitzt in der Ausnehmung 220 (1E und 1F). Diese Anordnung unterstützt eine Ausrichtung und den Sitz des stationären Dichtungsringes 14 in der Kammer 102 und bewirkt eine mechanische Impedanz, die verhindert, dass sich das stationäre Dichtungsringsegment 14 mit der Welle 12 und dem rotierenden Dichtungsring 16 dreht.
Der Innendurchmesser der inneren Oberfläche 202 des stationären Segmentes ist größer als der Durchmesser der Welle 12, und er ist größer als der Durchmesser der inneren Oberfläche 152 des rotierenden Dichtungsringes 16, so dass eine Bewegung sowohl der Welle 12 als auch der rotierenden Dichtung 16 relativ zu dem stationären Dichtungsring 14 möglich ist. Mehrere elastomere Glieder, d. h. geteilte O-Ringe 222, 224 und 226, bewirken eine radial nach innen gerichtete Vorspannkraft, die ausreicht, um die Segmentdichtungsflächen 22 des stationären Dichtungsringsegmentes 14 in Dichtungsberührung mit dem anderen stationären Dichtungsringsegment zu bringen. Außerdem bilden die O-Ringe 222, 224 und 226 eine fluiddichte und druckdichte Abdichtung zwischen dem Stopfbuchsenaufbau 30 und dem stationären Dichtungsring 14. Die O-Ringe 222, 224 sitzen in Kanälen 48, 46, die in der dritten Oberfläche 42 des Stopfbuchsenaufbaus 30 ausgebildet sind. Der O-Ring 226 ruht gegen die zweite Oberfläche 38 und die erste Ringverbindungswand 40 des Stopfbuchsenaufbaus 30. Der stationäre Dichtungsring besteht vorzugsweise aus einem Keramikmaterial, beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid und dergleichen.
Die 1A, 1C und 1E zeigen mehrere Barrierefluidbohrungen 228, die in den stationären Dichtungsringsegmenten 200a und 200b ausgebildet sind. Die Bohrungen 228 weisen einen radial verlaufenden Abschnitt 230, der sich radial von der zweiten äußeren Oberfläche 208 der stationären Dichtungsringsegmente nach innen erstreckt und einen axialen Abschnitt 232 auf, der mit dem radialen Abschnitt 230 in Verbindung steht und sich von dort nach der Dichtungsoberfläche 18 der Dichtungsringsegmente erstreckt. Es wird ein Barrierefluid aus einem Barrierefluidreservoir nach den Dichtungsflächen 18, 20 der Dichtungsringe und der radialen Nut 180, die in der Dichtungsfläche 20 ausgebildet ist, durch die Bohrungen 228 eingeleitet, wie dies weiter unten im Einzelnen beschrieben wird.
Der Fachmann erkennt, dass die Zahl der Barrierefluidbohrungen nicht auf die Zahl oder Gestalt beschränkt ist, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Beispielsweise kann eine einzige Barrierefluidbohrung vorgesehen werden. Stattdessen ist es möglich, Barrierefluid nach den Dichtungsflächen 18, 20 über andere Mittel als eine Bohrung in den Dichtungsringen 14 und 16 zuzuführen. Beispielsweise kann das Barrierefluid nach den Dichtungsflächen von dem äußeren und/oder inneren Durchmesser der Dichtungsringsegmente über spiralförmige Pumpnuten oder dergleichen zugeführt werden. Auf diese Weise benötigt das Barrierefluid nicht notwendigerweise eine getrennte Fluidzuführung, sondern es kann das Prozessmedium selbst benutzt werden.
Ebenso ist die Lage und Anordnung der Barrierefluidbohrungen nicht auf die Anordnung beschränkt, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, da alternative Positionen und Anordnungen möglich sind, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Beispielsweise können die Barrierefluidbohrungen in dem drehbaren Dichtungsring 16 und in dem stationären Dichtungsring 14 vorgesehen werden, und sie können sich von den Dichtungsoberflächen nach irgendeiner äußeren Oberfläche der Dichtungsringe erstrecken. Außerdem kann sich die Barrierefluidbohrung linear von den Dichtungsoberflächen 18, 20 nach einer äußeren Oberfläche des Dichtungsringes erstrecken.
Wie am besten aus den 1A, 1C und 1E ersichtlich, öffnet sich jeder radiale Abschnitt 230 der Barrierefluidbohrungen 228 an der zweiten äußeren Oberfläche 208 des stationären Dichtungsringes, um eine Fluidverbindung zwischen den Bohrungen 228 und einer ähnlichen axialen Barrierefluidbohrung 233 herzustellen, die in dem Stopfbuchsenaufbau 30 ausgebildet ist.
Die in dem Stopfbuchsenaufbau 30 ausgebildete Bohrung 233 öffnet sich an einem Ende an der äußeren Oberfläche 236 des Stopfbuchsenaufbaus und an einem Abschnitt 42b der dritten Oberfläche 42 des Stopfbuchsenaufbaus 30. Die O-Ringe 222 und 224 sind in den Nuten 48 und 46 auf beiden Seiten des Abschnitts 42b eingelegt und bewirken eine fluiddichte und druckdichte Abdichtung zwischen den stationären Dichtungsringsegmenten 220a, 220b und dem Stopfbuchsenaufbau 30. Auf diese Weise wird eine fluiddichte und druckdichte Ringkammer zwischen den O-Ringen 222, 224, dem Abschnitt 42b des Stopfbuchsenaufbaus 30 und der zweiten äußeren Oberfläche 208 des stationären Dichtungsringes 14 gebildet, um das Barrierefluid innerhalb dieses Kanals zu halten und das Fluid in die axiale Bohrung 228 zu leiten. Das Barrierefluid von einem nicht dargestellten Barrierefluidreservoir wird durch die Bohrung 233 des Stopfbuchsenaufbaus und die Ringkammer nach jeder stationären Dichtungsringsegmentbohrung 228 geleitet.
Gemäß 1A bewirkt der mechanische Federclip 174 in Kombination mit dem O-Ring 172 eine Axialkraft, um elastisch die stationären und drehbaren Dichtungsringe 14 und 16 abzustützen und um die Dichtungsringe derart vorzuspannen, dass die stationären und rotierenden Dichtungsflächen 18 und 20 aufeinander zu vorgespannt werden. Wie in den 1A und 3 dargestellt, sind die Dichtungsringe 14 und 16 schwimmend und nicht starr im Abstand relativ zu den starren Wänden und Flächen des Stopfbuchsenaufbaus 30 und des Halteraufbaus 100 angeordnet. Diese schwimmende und nicht starre Abstützung mit den Abständen ermöglicht geringe radiale und axiale Schwimmbewegungen der rotierenden Dichtungssegmente 150a, 150b und der stationären Dichtungsringsegmente 200a, 200b relativ zueinander, wobei die rotierende Dichtungsfläche 20 noch in Dichtungsbeziehung mit der stationären Dichtungsfläche 18 verbleibt. Auf diese Weise sind die rotierenden und stationären Dichtungssegmente 150a, 150b und 200a, 200b infolge dieser Schwimmwirkung selbstausrichtend.
Zusätzlich zu der mechanischen Vorspannung, die von den Clipfedern 174 geliefert wird, kann ein zusätzliches Schließfluidvorspannsystem in der Dichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden. Gemäß 1A und 3 weist die Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Schließfluidvorspannsystem auf, das eine radial verlaufende Schließfluidbohrung 240 besitzt, die axial durch den Stopfbuchsenaufbau 30 geführt ist, um ein Schließfluid einzuführen, das auf die äußere Oberfläche 204 der stationären Dichtungsringsegmente 200a und 200b geleitet wird, um eine Schließkraft auf die stationären und drehbaren Dichtungsringe 14, 16 auszuüben. Die radial verlaufende Schließfluidbohrung 240 ist benachbart und parallel zu der Barrierefluidbohrung 233 angeordnet. Die Schließfluidbohrung 240 öffnet sich an einem Ende an der äußeren Oberfläche 236 des Stopfbuchsenaufbaus nach dem anderen Abschnitt 42a der dritten inneren Oberfläche 42 des Stopfbuchsenaufbaus und der zweiten Ringverbindungswand 44 des Stopfbuchsenaufbaus 30 (1D). Eine fluiddichte und druckdichte ringförmige Schließfluidkammer 242 wird zwischen den O-Ringen 224 und 226 der äußeren Oberfläche 204 der stationären Dichtungsringsegmente 200a und 200b und der inneren Oberfläche des Stopfbuchsenaufbaus ausgebildet.
Wie am besten aus 3 ersichtlich, wird Schließfluid mit einem geregelten Druck aus einem Schließfluidreservoir (nicht dargestellt) der Schließfluidkammer 242 über die Schließfluidbohrung 240 zugeführt. Das Schließfluid übt eine Fluidschließkraft F_fc auf die stationären und rotierenden Dichtungsringsegmente aus. Die Fluidschließkraft F_fc bewirkt in Kombination mit der mechanischen Federschließkraft F_sc eine Vorspannung der Dichtungsflächen 18 und 20 aufeinander zu in gegenseitige Dichtungsverbindung. Vorzugsweise ist die Summe der Fluidschließkraft F_fc und der mechanischen Federschließkraft F_sc größer als die Barrierefluidspreizkraft F_A, um eine übermäßige Spreizung der Dichtungsoberflächen 18 und 20 zu verhindern, damit potentielle Verluste der Dichtung, beispielsweise überschüssige Leckströme, zwischen den Dichtungsoberflächen 18 und 20 verhindert werden.
Die Größe der Fluidschließkraft F_fc kann durch Steuerung des Druckes des Schließfluids innerhalb der Schließfluidkammer 242 gemäß einer Praxis der Erfindung eingestellt oder geregelt werden, wie dies weiter unten im Einzelnen erläutert ist. Die Möglichkeit der Einstellung der Schließkraft auf die stationären und rotierenden Dichtungsringsegmente ergibt beträchtliche Vorteile. Beispielsweise kann die Größe der Schließkraft geändert werden, um eine Dichtungsbeziehung zwischen den Dichtungsoberflächen 18 und 20 aufrecht zu erhalten, wenn sich die Betriebsbedingungen ändern. Auch die Größe der Fluidschließkraft kann eingestellt werden, um einen Ausgleich zu schaffen, wenn die mechanische Federkraft infolge der Materialermüdung abnimmt. Infolgedessen kann die mechanische Spaltdichtung 10 in Verbindung mit einem Fluid-Rückkopplungssystem dynamisch die Fluidabdichtung und/oder den Spalt zwischen den Dichtungsflächen 18, 20 einstellen, um das Ausmaß des Leckstromes im Betrieb einzustellen.
Ein beträchtlicher Vorteil des Fluidvorspannsystems besteht darin, dass eine einfache und integrierte Struktur für die Fluidleitungen hergestellt wird, um von außen her die Spreizung der Dichtungsflächen einzustellen und die Fluidabdichtung zwischen den Dichtungsflächen festzulegen. Demgemäß kann das System in Kombination mit der Spreizkraft arbeiten, die durch Einführen des Barrierefluids zwischen die Dichtungsflächen 18 und 20 bewirkt wird, oder unabhängig von dem Druckfluid innerhalb der Dichtung 10 kann das Ausmaß der Dichtungsflächenberührung eingestellt werden. Demgemäß kann die mechanische Dichtung 10 die Dichtungsflächenspreizung regeln oder einstellen, und es kann auch die Fluiddichtwirkung dazwischen über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen eingestellt werden. Dies vergrößert die Flexibilität der Dichtung und ermöglicht eine Verwendung der Dichtung bei zahlreichen Anwendungen.
Der Fachmann wird feststellen, dass die Dichtung nicht auf spezielle Fluidvorspannsysteme, wie sie hier beschrieben wurden, beschränkt ist, und dass alternative Fluidvorspannsystemanordnungen möglich sind. Beispielsweise könnte ein einziges Fluidreservoir benutzt werden, um Barrierefluid der radialen Nut über das Barrierefluidvorspannsystem zuzuführen und um entweder den Schließdruck und/oder den Druck des Barrierefluids nach der Dichtung einzustellen, um die gewünschten Bedingungen an den Dichtungsflächen 18, 20 der Dichtungsringe 14, 16 einzustellen. Ein Beispiel eines integrierten dynamischen Druck-Rückkopplungssystems, das zur Benutzung in Verbindung mit der mechanischen Dichtung 10 benutzbar ist, wird in den 4 bis 15B veranschaulicht. Das Druck-Rückkopplungssystem benutzt eines der Systemfluide, beispielsweise das Barrierefluid, das Prozessfluid oder das Schließfluid, als Regelfluideingang, und es wird entweder der Barrierefluiddruck oder der Schließdruck, basierend auf diesem geregelten Eingang, eingestellt. Dabei stellt das Druck-Rückkopplungssystem eine Änderung im Druck zwischen gewählten Fluidrücken fest und korrigiert jedes Ungleichgewicht. Das Druck-Rückkopplungssystem bewirkt diese Korrektur, indem das System an eine Hochdruckfluidzuführung angeschlossen ist, um dem System zusätzlich Fluid zuzuführen und um den Druck darin entweder zu erhöhen oder um Druck aus dem System abzulassen, wenn der Innendruck über oder unter einem gewählten Wert ist.
Nachdem die Dichtung 10 zusammengebaut und am Pumpengehäuse 11 montiert ist, wird das Prozessmedium innerhalb einer Prozessfluidkammer 300 abgedichtet, wie dies in den 1A und 3 dargestellt ist. Die Prozessfluidkammer wird durch die inneren vier Oberflächen 50 und die fünfte Oberfläche 54 der dritten Wand 52 des Stopfbuchsenaufbaus, die O-Ringe 170 und 222, die äußere Oberfläche 106 und die erste und zweite innere Oberfläche 110, 112 des Halteraufbaus, die erste äußere Oberfläche 156 des rotierenden Dichtungsringes 16 und die erste und zweite äußere Oberfläche 206, 208 und die erste Verbindungswand 210 des stationären Dichtungsringes 14 definiert. Das Umgebungsmedium, im typischen Fall Luft, füllt eine Umgebungsfluidkammer 310, die im typischen Fall gegenüber der Prozesskammer 300 abgedichtet ist, welche definiert ist durch die stationären und rotierenden Dichtungsringinnenflächen 152, 202, die vierte Wand 169 des rotierenden Dichtungsringes 16, den O-Ring 128 und die Welle 12. Die Ausdrücke „Umgebung" und „Umgebungsmedium" sollen alle äußeren Umgebungen oder Medien umfassen, die nicht Prozessumgebung oder Prozessmedium sind.
Im Betrieb wird ein Barrierefluid der Radialnut 180 und den Dichtungsflächen 18, 20a, 20b durch das Barrierefluidvorspannsystem zugeführt, beispielsweise durch die Barrierefluidbohrungen 228 im stationären Dichtungsring 14. Das Barrierefluid übt eine primäre hydrostatische Hubkraft auf die Dichtungsoberfläche 18, 20a und 20b aus, die wenigstens einen Teil der stationären Dichtungsringfläche 18 von wenigstens einem Teil der rotierenden Dichtungsringfläche 20a und 20b spreizt, um dazwischen einen Spalt zu bilden. Das Barrierefluid füllt den Spalt zwischen den Dichtungsoberflächen aus, wodurch die Dichtungsflächen 18 und 20 gespreizt werden, und es wird eine Fluidabdichtung zwischen dem Prozessmedium in der Prozesskammer 300 und dem Umgebungsfluid in der Umgebungsfluidkammer 310 geschaffen. Der Spalt wird mit einer vorbestimmten Breite aufrecht erhalten oder eingestellt, um den Leckstrom über die Dichtungsflächen so klein als möglich zu halten, wobei jedoch die Dichtungsflächen voneinander abgehoben bleiben, um den Verschleiß zu vermindern.
Die Wirkungen des Barrierefluids auf die Dichtung 10 sind zweifacher Natur. Zunächst vermindert das Barrierefluid eine Abnutzung der Dichtungsoberflächen und reduziert den direkten Reibungseingriff zwischen der Dichtungsoberfläche 18 und den Dichtungsoberflächen 20a und 20b, was zu einer längeren Lebensdauer der Dichtungskomponenten führt. Zweitens bewirkt das Barrierefluid eine Übertragung der Wärme, die durch die direkte Reibungsberührung zwischen den Dichtungsoberflächen zustandekommt, und dies führt zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung über die Dichtung 10, so dass dadurch die nützliche Lebensdauer der Dichtungskomponenten verlängert wird, indem die thermische Beanspruchung der Komponenten verringert wird.
Außerdem gewährleistet die geteilte mechanische Dichtung 10 gemäß der Erfindung die erforderliche Flexibilität, und sie ist betriebsfähig in Verbindung mit unterschiedlichen Typen von Barrierefluiden, einschließlich Gasen, Flüssigkeiten oder Kombinationen hiervon. Diese Flexibilität wird möglich, weil der Bereich der direkten Reibungsberührung zwischen den Dichtungsoberflächen durch Einstellung des Barrierefluiddrucks gesteuert werden kann, und so kann die Größe der hydrostatischen Hubkraft eingestellt werden, um den gewünschten Spreizspalt zu erhalten. Allgemein ist es erwünscht, dass der Spreizspalt größer ist, wenn ein Barrieregas benutzt wird, als bei Anwendungen mit einer Barriereflüssigkeit, weil die Flüssigkeit bessere Wärmeübertragungseigenschaften im Vergleich mit Gasen besitzt. Demgemäß kann bei Anwendungen, bei denen ein Barrieregas zu bevorzugen ist, der Spreizspalt auf eine geeignete Breite im Hinblick auf das gewählte Barrieregas eingestellt werden, wodurch der Verschleiß auf den Dichtungsoberflächen verhindert wird. In gleicher Weise kann bei Anwendungen, bei denen eine Barriereflüssigkeit zu bevorzugen ist, der Spreizspalt auf die geeignete Breite für die gewählte Barriereflüssigkeit eingestellt werden, wodurch die Abnutzung auf den Dichtungsoberflächen verringert wird.
Im Normalbetrieb ist der Druck des Prozessmediums in der Prozessfluidkammer 300 größer als der Druck des Umgebungsfluids in der Umgebungsfluidkammer 310 (die positive Druckbedingung), und das Prozessfluid übt eine radial nach innen gerichtete Kraft auf die äußeren Oberflächen 204, 154 der stationären und rotierenden Dichtungsringe und die äußere Oberfläche 106 des Halteraufbaus 100 aus. Die radial nach innen gerichteten Kräfte des Prozessmediums unterstützen den Zusammenhalt der Segmente in den Dichtungsringen und dem Halteraufbau in fluiddichter Beziehung.
Wenn der Druck des Prozessmediums in der Prozessfluidkammer 300 unter den Druck des Umgebungsfluids in der Umgebungsfluidkammer 310 fällt (die negative Druckbedingung), dann übt das Umgebungsfluid eine radial nach außen gerichtete Kraft auf die inneren Oberflächen 202 und 152 der stationären und rotierenden Dichtungsringe und die innere Oberfläche 108 des Halteraufbaus 100 aus. Wenn das während dieser Bedingung erzeugte Druckdifferential derart ist, dass die radial nach außen gerichtete Kraft größer ist als die radial nach innen gerichtete Kraft, die durch die O-Ringe ausgeübt wird, können sich die Dichtungsringsegmente spreizen, was zu einem Leckstrom über die Dichtungsflächen führt.
Um einen Leckstrom über die Dichtungsflächen 18 und 20 zu vermeiden, wird der radial nach außen gerichteten Kraft der Dichtungsringe, die von dem Umgebungsfluiddruck herrührt, durch die radial nach innen gerichtete Kraft entgegengewirkt, die durch die O-Ringe 222, 224 und 226 auf den stationären Dichtungsringsegmenten 200a, 200b durch die O-Ringe 170 und 172 auf den rotierenden Dichtungsringsegmenten 150a und 150b ausgeübt wird, in Kombination mit der radial nach innen gerichteten Kraft, die durch das Barrierefluid ausgeübt wird, das innerhalb der Kammer 185 befindlich ist und auf die äußere Oberfläche 154 der rotierenden Dichtungsringsegmente wirkt. Die radial nach innen gerichtete Fluidkraft F_nr wirkt in Kombination mit der radial nach innen gerichteten Kraft, die durch die O-Ringe 170 und 172 ausgeübt wird, um jedes der rotierenden Dichtungsringsegmentoberflächen 24 in Dichtungsberührung mit anderen Segmenten während dieser Bedingung zu halten, wodurch eine fluiddichte und druckdichte Abdichtung aufrecht erhalten bleibt.
Im Betrieb wirkt der O-Ring 172 als elastisches Schwenkglied, um das der rotierende Dichtungsring 16 relativ zu dem rotierenden Halteraufbau verschwenkbar ist. Die Schwenkwirkung, die durch den O-Ring 172 zustandekommt, bewirkt eine Aufrechterhaltung der Ausrichtung und der Abdichtung zwischen der rotierenden Dichtungsringoberfläche 18 und der stationären Dichtungsringoberfläche 20. Dies vermeidet eine übermäßige Konusbildung der Dichtungsflächen, die sonst die Dichtungsflächen in Berührung miteinander bringen könnte. Diese Bedingungen, beispielsweise eine Exzentrizität oder ein Auslaufen der Welle, können Fehlausrichtungen der Dichtungsoberflächen 18 und 20 relativ zueinander bewirken, und diese können kompensiert werden, und es kann ein Fluiddichtungsverlust zwischen den Dichtungsoberflächen verhindert werden. Demgemäß bewirkt die Schwenkwirkung des O-Ringes 172 ein elastisches Verschwenken der Dichtungsringe 18 und 20 während des vollen Betriebes der mechanischen Dichtung 10 sowohl im Zustand mit Berührung als auch im berührungslosen Zustand, wobei entweder eine konsistente Berührung zwischen den gegenüberliegenden Dichtungsflächen aufrecht erhalten wird oder eine vorbestimmte Spaltgröße zwischen diesen Oberflächen verbleibt.
Das Schließfluidvorspannsystem führt ein Schließfluid auf die äußere Oberfläche 204 der stationären Dichtungsringsegmente 200a, 200b, um eine Schließkraft auf die stationären und rotierenden Dichtungsringe 14, 16 auszuüben. Es wird ein Schließfluid mit einem geregelten Druck der Schließfluidkammer 242 über eine Schließfluidbohrung 240 zugeführt. Das Schließfluid übt eine Fluidschließkraft F_fc auf die stationären und rotierenden Dichtungsringsegmente aus. Die Fluidschließkraft F_fcbewirkt in Kombination mit einer mechanischen Federschließkraft F_sc eine Vorspannung der Dichtungsflächen 18 und 20 in Dichtungsbeziehung aufeinander zu. Im Betrieb verhindert die Fluidschließkraft F_fc in Verbindung mit der mechanischen Federschließkraft F_sc und der Barrierefluidspreizkraft F_A eine Überspreizung der Dichtungsflächen 18 und 20 und einen potentiellen Verlust der Dichtungswirkung, beispielsweise durch einen übermäßigen Leckstrom zwischen den Dichtungsflächen 18 und 20.
Das Fluidvorspannsystem, das bei der mechanischen Dichtung benutzt wird, vergrößert die Flexibilität der Dichtung und ermöglicht die Anwendung in den verschiedensten Umgebungen, indem eine einfache integrierte Struktur geschaffen wird, d. h. Fluidleitungen, um von außen das Ausmaß der Spreizung der Dichtungsflächen einzustellen und die Fluidabdichtung dazwischen zu regeln. Das System kann in Kombination mit der Spreizkraft arbeiten, die durch das Barrierefluid auf die Dichtungsflächen 18, 20 ausgeübt wird oder unabhängig von zugeführten Druckfluidmitteln, die innerhalb der Dichtung 10 vorhanden sind, um das Ausmaß der Dichtungsflächenberührung einzustellen. Auf diese Weise kann die mechanische Dichtung 10 die Spreizung der Dichtungsflächen regeln oder einstellen, und es kann auch die Fluidabdichtung dazwischen über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen eingestellt werden.
Die Möglichkeit, den Druck in einem Fluid in der Dichtung gegenüber einem anderen Druck einzustellen, wird durch das Fluid-Rückkopplungs-Regelsystem bewirkt, das voll in die Dichtung 10 integriert ist, wie dies weiter unten im Einzelnen beschrieben wird. Das Druckregelsystem kann gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Anzahl von Untersystemen aufweisen, die vollständig integriert sein können und/oder die allein in der Stopfbuchse 30 der mechanischen Dichtung angeordnet sind. Die Stopfbuchse 30 weist Bohrungen auf, die so bemessen sind, dass die verschiedenen Untersysteme gehalten werden und die mit einer genügenden Zahl von Bohrungen versehen sind, um eine Fluidverbindung nicht nur zwischen den verschiedenen Fluidsystemen des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems zu schaffen, sondern auch zwischen den verschiedenen Untersystemen und den verschiedenen Fluidvorspannsystemen und der mechanischen Abdichtung. Auf diese Weise wird das gesamte Rückkopplungs-Druckregelsystem innerhalb der Dichtung in sich abgeschlossen.
Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem ist seiner Natur nach dynamisch, da es auf Änderungen im Fluiddruck in Echtzeit anspricht. Bei Eingangsfluiddruckänderungen sprechen die verschiedenen Untersysteme des Regelsystems auf diese Änderungen ohne Eingriff einer Bedienungsperson an. Außerdem arbeitet das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem kontinuierlich, solange ein Fluiddruck in dem Fluidvorspann- und Rückkopplungs-Druckregelsystem vorhanden ist.
Die oben beschriebenen mechanischen Dichtungen sind nur illustrativ hinsichtlich der Type mechanischer Dichtungen, mit denen das Druckregel-Rückkopplungssystem benutzt werden kann. Die 4 bis 15B veranschaulichen noch eine andere Dichtungsart, bei der das System benutzt werden kann. Der Fachmann wird leicht die Arbeitsweise dieser Dichtung ohne eine detallierte Beschreibung erkennen.
Die 4 bis 8 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel eines Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems 500, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit der mechanischen Dichtung 10. Das Rückkopplungssystem 500 wird vorzugsweise benutzt, um ein Systemfluid, basierend auf dem Druck eines weiteren Systemfluids, einzustellen. Gemäß einer Praxis wird anfänglich der Barrierefluiddruck auf einem gewählten Pegel relativ zum Prozessfluiddruck auf einen gewählten Wert eingestellt. Der Barrieredruck wird dann als Systemausgangsregelfluid benutzt, der als Systemfluidsensor wirkt, um entweder ein Schließfluid zuzuführen oder um das Schließfluid aus der Dichtung abzulassen, basierend auf dem Barrieredruck. Das geregelte Schließfluid entspricht wenigstens dem Schließfluid, das in dem Schließfluidvorspannsystem enthalten ist, welches oben beschrieben wurde. Das System kann ein Untersystem oder mehrere Untersysteme aufweisen, von denen jedes eine gewählte Funktion durchführt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem drei Untersysteme 501, 510 und 520.
Das dargestellte Rückkopplungssystem 500 ist vorzugsweise so bemessen und dimensioniert, dass es vollständig in der Stopfbuchse 30 der mechanischen Dichtung untergebracht werden kann. Das System 500 ist mit irgendeiner mechanischen Dichtung, beispielsweise der Dichtung 10 oder anderen Dichtungstypen, gekoppelt. Ein Beispiel einer Dichtung, an der das System angekoppelt werden kann, ist in 4 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche Teile bezeichnen. Der stationäre Dichtungsring 14 weist eine Axialbohrung 228 auf, die an einem Ende mit der stationären Dichtungsfläche 18 und mit dem anderen Ende mit einer Barrierefluidquelle in Verbindung steht. Der rotierende Dichtungsring 16 weist eine darin angeordnete Pumpnut 180 auf und diese steht in direkter Fluidverbindung mit der Axialbohrung 228. Die Nut und die Axialbohrung führen ein Barrierefluid direkt den Dichtungsoberflächen zu, zwischen denen eine hydrodynamische Spreizkraft erzeugt wird, die die Stirnflächen voneinander trennt, um dazwischen einen Spalt zu bilden. Der Fachmann erkennt, dass die hydrostatische Dichtungskonstruktion auch mit dem Druck-Rückkopplungssystem 500 der Erfindung benutzbar ist.
Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 500 weist ein erstes Untersystem 501 auf (4), welches dazu dient, den Barrierefluiddruck auf einem geeigneten Wert relativ zum Druck des Prozessfluids zu halten. Das dargestellte Untersystem 501 weist ein bewegliches Differentialdruckventil 408 auf, das innerhalb einer geeignet bemessenen Kammer 407 angeordnet ist, die innerhalb der Stopfbuchse 30 ausgebildet ist. Das bewegliche Ventil 408 kann unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise, ohne hierauf beschränkt zu sein, als: Wechselventil oder Durchgangsventil oder als Tellerventil, als Nadelventil, als Membranventil, als Balgventil oder in Gestalt irgendeines anderen beweglichen Ventils, das in der Lage ist, ein Druckfluid zu übertragen oder von diesem betätigt zu werden. Die Kammer 407 lagert eine ringförmige Fluidleitung 441, die in bestimmter Weise eingebohrt ist, um eine Verbindung zwischen den verschiedenen Druckkanälen und Bohrungen des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems herzustellen. Die dargestellte Fluidleitung 441 besitzt eine zentrale Bohrung, die das bewegliche Ventil 408 aufnimmt. Die Bohrung ist etwas größer bemessen als der Außendurchmesser des beweglichen Ventils, damit dieses relativ frei axial innerhalb der Bohrung zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung beweglich ist, wie dies weiter unten im Einzelnen beschrieben wird. Gemäß 7 weist die Fluidleitung 441 außerdem eine Zahl von radial verlaufenden Fluidbohrungen 414 und 416 auf, damit die Leitung selektiv ein bestimmtes Druckfluid an Abschnitte des Untersystems leiten kann, wie dies weiter unten im Einzelnen beschrieben wird. Dichtungsstrukturen, wie O-Ringe 426 und 428, sind in den entsprechenden Nuten montiert, die durch Flansche 443 bis 451 gebildet und in einem zylindrischen Hauptgehäuse 455 angeordnet sind. Die O-Ringe sitzen vorzugsweise in Nuten, die zwischen den Flanschen 443 bis 447 und 449 bis 451 angeordnet sind, wie dies dargestellt ist, um eine Druckdichtung und eine Fluiddichtung zwischen den Innenwänden der Kammer 407 und bestimmten Abschnitten der Fluidleitung 441 herzustellen.
Das bewegliche Ventil 408 teilt die Kammer 407 in eine Fluideingangskammer 420 und eine Fluidausgangskammer 410, wobei eine Zwischenkammer zwischen Flanschendabschnitten 408A, 408B des Ventils angeordnet sind. Das Ventil 408 ist mit einer Einstellfeder 406 gekuppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 404 sitzt. Die dargestellte Schraube 404 weist einen Kopfteil 404A auf, der längs des freiliegenden äußeren Abschnitts der Stopfbuchse derart angeordnet ist, dass die Schraube leicht durch eine Bedienungsperson zugänglich wird. Ein O-Ring 405 ist um den Kopf 404A in einer Nut angeordnet, um eine Fluidabdichtung zwischen der äußeren Umgebung und der Kammer 407 herzustellen. Die Bedienungsperson kann die Spannung der Feder durch Drehen der Schraube einstellen. Die Schraube 404 und die Feder 406 wirken demgemäß zusammen, um den Anfangsdruck oder den gewählten Druck für das dargestellte Druckregeluntersystem 501 einzustellen. Der Fachmann erkennt, dass die Feder eine Kraft auf das Ventil über einen gewählten Bereich ausübt, entsprechend der Größe des Ventilendes. Die führt zu einem äquivalenten Druck. Zur Klarstellung: der Federdruck wird primär benutzt, um die Kraft zu beschreiben, die durch die Feder auf das Ventil ausgeübt wird. Der Fachmann erkennt sogleich, dass die dargestellte einstellbare Schraube 406 an einer beschränkt zugänglichen Stelle längs der inneren axialen Oberfläche der Stopfbuchse angeordnet werden kann, um zu verhindern, dass das Personal unerlaubte Eingriffe vornimmt oder die Federspannung gegenüber der Voreinstellung verändert. Wenn notwendig, kann die Bedienungsperson die Federspannung dadurch einstellen, dass die Schraube erst zugänglich gemacht werden muss und dass erst dann die Schraube in bestimmter Weise gedreht werden kann.
Die Schraube 404 und die Feder 406 erstrecken sich in die Eingangsfluidkammer 420 von der äußeren Oberfläche der Stopfbuchse 30 her. Die Eingangsfluidkammer 420 kommuniziert mit einem Prozessfluid-Verteilernetzwerk, damit das Prozessfluid der Dichtung mit der Eingangsregeikammer 420 wie beschrieben in Verbindung stehen kann. Das Prozessfluid-Verteilernetzwerk des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems 500 kann unter anderen Strukturen geeignete Prozessfluidkammern aufweisen, die in oder um die mechanische Dichtung herum angeordnet sind, beispielsweise eine Prozessfluidkammer 300 und eine geeignete Prozessfluidbohrung, die das Prozessfluid aus der Kammer 300 nach der Eingangsfluidkammer 420 überführen kann. Ein Beispiel einer derartigen geeigneten Prozessfluidbohrung ist die Bohrung 421, die in 9A dargestellt ist. Der Fachmann erkennt, dass das Prozessfluid-Verteilernetzwerk irgendeine geeignete Ansammlung von inneren Bohrungen und Kanälen aufweisen kann, die innerhalb der Stopfbuchse angeordnet sind, damit das Prozessfluid im Gehäuse, falls erforderlich, mit der Kammer 407 in Verbindung stehen kann und demgemäß mit dem beweglichen Ventil 408 in vorbestimmter Weise. Das Regelsystem kann auch Kupplungen außerhalb der Stopfbuchse aufweisen, um das Systemfluid mit bestimmten Abschnitten zu verbinden oder mit Komponenten des Systems 500. Beispielsweise können äußere Fluidleitungen mit der Stopfbuchse 30 verbunden sein, um die Prozessflüssigkeit aus dem Fluidgehäuse nach der Eingangsprozessfluidbohrung 421 zu überführen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Stopfbuchse innen ausgebohrt sein, damit das Prozessfluid mit der Prozessfluidbohrung vollständig innerhalb der Stopfbuchse in Verbindung gebracht werden kann, ohne äußere Fluidkupplungen zu benutzen.
Unter weiterer Bezugnahme auf 4 kann das Untersystem 501 des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems der Erfindung auch ein Barrierefluid-Verteilernetzwerk umfassen, damit das Barrierefluid von einer nicht dargestellten Hochdruckbarrierefluidzufuhr nach der Fluidleitung 441 gelangen kann. Das Barrierefluid-Verteilernetzwerk kann geeignete Barrierefluidkanäle aufweisen, die das Barrierefluid aus der Stopfbuchsenkammer 407 mit einer anderen Stelle der Dichtung verbinden, einschließlich dem Barrierefluidvorspannsystem, d. h. mit der Axialbohrung 228 und der Nut 180 kann eine Verbindung mit anderen Rückkopplungssystemen hergestellt werden, die innerhalb der Stopfbuchse angeordnet werden können und mit anderen Fluidkanälen oder Bohrungen, wie der Flüssigkeitszufuhr 415 und dem Barrierekanal 234. Insbesondere weist das Barrierefluid-Verteilernetzwerk geeignete und zweckmäßige Bohrungen und/oder Kammern auf, die innerhalb der Stopfbuchse ausgebildet sind, beispielsweise eine Eingangsbarrierebohrung 415, einen Eingangsbarrierekanal 416, der in der Leitung 441 ausgebildet ist und eine Barrieredruckkammer 422, die Barrierefluid von der Fluidquelle nach der Kammer 407 überführt. Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann das Fluidverteilemetzwerk auch andere Komponenten umfassen, beispielsweise eine Ausgangsbarrieredruckleitung 234, eine Barrieredruckkammer 424, eine Auslassbarrierebohrung 414 sowie die Komponenten des oben beschriebenen Barrierefluidvorspannsystems der mechanischen Dichtung. Beispielsweise kann das Barrierefluidvorspannsystem wenigstens die axiale Fluidbohrung 228 aufweisen, die in dem stationären Dichtungsring angeordnet ist und außerdem die Nut 180.
Es wird weiter auf 4 Bezug genommen. Das bewegliche Ventil 408 definiert außerdem eine Zwischenkammer oder einen Kanal 412, der mit der Barrierefluidzuführung über die Eingangsfluidzuführungsleitung 416 und die Fluidzuführungskammer 422 in Verbindung steht. Die Zwischenkammer ist außerdem selektiv in Fluidverbindung mit dem Barrierefluid-Verteilernetzwerk angeordnet, beispielsweise mit der Auslassbarrierebohrung 414, der Barrierekammer 424 und Bohrungen 234 und 402, indem das Ventil 408 gleitend verschoben wird.
Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 500 gemäß der Erfindung ist vorzugsweise vollständig innerhalb der Stopfbuchse untergebracht, und es ist ein rein dynamisches Fluidsystem, das die gewählten Systemdrücke in der weiter unten beschriebenen Weise einstellt. Das Fluidic-Rückkopplungssystem ist demgemäß ein kompaktes Regelsystem, das einen Systemdruck oder mehrere Systemdrücke regelt und gleichzeitig innerhalb der Stopfbuchse der mechanischen Dichtung angeordnet ist. Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem ist ein kompaktes Regelsystem, in dem eines oder mehrere und vorzugsweise alle Untersysteme des Regelsystems so bemessen und dimensioniert sind, dass sie im Wesentlichen allein innerhalb der Stopfbuchse montierbar sind, indem geeignet bemessene Stopfbuchsenbohrungen vorgesehen werden, um die Fluidleitungen und das bewegliche Ventil abzudichten. Andere Fluidleitungen sind vorgesehen, damit die Systemfluide, beispielsweise das Prozessfluid und das Barrierefluid, mit dem beweglichen Ventil 408 in Verbindung kommen können. Der Ausdruck „kompakt" wird im üblichen Sinne benutzt, insofern als das Rückkopplungssystem sehr klein relativ zu bekannten früheren Ausführungen ist und in eine relativ kleine Stopfbuchse herkömmlicher mechanischer Dichtungen einpasst. Gemäß dem bevorzugten Ausführungbeispiel sind die verschiedenen Untersysteme 501, 510, 520 so dimensioniert, dass sie etwa 1 Zoll mal 1,5 Zoll für das gesamte Untersystem einnehmen, und das bewegliche Ventil 408 hat eine Größe von ungefähr 0,188 Zoll mal ungefähr 0,4 Zoll, und dieses Ventil sitzt in einer Kammer, die ungefähr 0,49 Zoll mal ungefähr 0,345 Zoll groß ist.
Im Betrieb steht das Prozessfluid aus dem Fluidgehäuse 11 in Verbindung mit der Eingangskammer 420 über das Prozessfluid-Verteilernetzwerk. Gemäß einer Praxis wird das Prozessfluid von der Prozesskammer 300 nach der Eingangskammer 420 über die Eingangsprozessdruckbohrung 421 und irgendeinen weiteren geeignet gestalteten Kanal innerhalb der Dichtung und/oder der Stopfbuchse zugeführt, wodurch das Prozessfluid in die Eingangskammer 420 eintreten kann. Das Prozessfluid steht unter einem gegebenen Betriebsdruck.
Das Prozessfluid in der Eingangsfluidkammer 420 übt einen Druck auf die Eingangs- oder Ausgangsseite aus, beispielsweise gemäß 4 auf die rechte Seite des beweglichen Ventils 408. Außerdem übt die einstellbare Feder 406 einen Druck auf das bewegliche Ventil 408 aus. Die Kombination dieser beiden Kräfte oder Drücke bilden den Eingangsdruck, der eine anfängliche axiale Eingangskraft erzeugt, der das bewegliche Ventil 408 auf die Eingangsseite der Dichtung vorspannt, z. B. nach links, und so zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung wirkt.
Außerdem wird gemäß 4, 7 und 8 das Barrierefluid aus der Barrierefluidkammer (nicht dargestellt) in das Regeluntersystem 501 und in die mechanische Dichtung über das Barrierefluid-Verteilernetzwerk eingeführt. Gemäß einer Praxis wird das Barrierefluid von der Barrierefluidquelle selektiv durch die Eingangszuführungsbohrung 415 und die Eingangsspeisekammer 422 der Eingangsbarrierebohrung 416 und der Zwischenkammer 412 zugeführt. Dies wird in 7 und 8 durch die ausgezogenen Pfeile veranschaulicht. Dann wird das Barrierefluid selektiv nach der Ausgangskammer 410 über das Barrierefluid-Verteilernetzwerk eingeführt, indem selektiv das bewegliche Ventil 408 zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung bewegt wird, wie dies in den 7 und 8 dargestellt ist. Das Ventil ist in 4 in der Schließstellung dargestellt. Dabei ist das Ventil 408 so angeordnet, dass es die Ausgangsbarrierefluidleitung 414 schließt und so die Ausgangsbarrierebohrung 234 von der Barrierefluidzuführung absperrt.
Wenn das Ventil in der Öffnungsstellung befindlich ist und das Barrierefluid in die Ausgangskammer 410 eintritt, dann übt das Barrierefluid eine entgegengesetzte oder axial nach außen gerichtete Druckkraft gegen die linke Seite des Differentialdruckventils 408 aus, um einen Auslassdruck zu erzeugen. Wenn der Ausgangsdruck, der durch das Barrierefluid in der Ausgangskammer 410 erzeugt wird, kleiner ist als die Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck in der Eingangskammer 420, dann bewegt sich, wie in 5 und 8 dargestellt, das Differentialdruckventil 408 nach links in die Öffnungsstellung (8). Dadurch kommt die Zwischenkammer 412 in Verbindung mit der Ausgangsbarrierebohrung 414, um einen Strömungspfad von der Barrierefluidquelle durch die Fluidzuführungsleitung 416 nach der Ausgangsfluidleitung 414 zu verbinden. Das Barrierefluid tritt dann über den Ausgangsbarrierekanal 234 in das übrige Barrierefluidverteilersystem über.
Die 7 und 8 zeigen das Differentialdruckventil 408 in einer perspektivischen Teilschnittdarstellung. 7 zeigt das Differentialdruckventil in einer neutralen Stellung, d. h. in der Schließstellung, in der verhindert wird, dass das Barrierefluid direkt von der Barrierefluidquelle nach dem Auslassbarrierekanal 234 gelangt. 8 zeigt das Differentialdruckventil 408 in einer Öffnungsstellung, wobei die Pfeile die Strömung des Barrierefluids vom Fluidzuführungskanal 415 über die Eingangsbarrierebohrung 412 und durch die Ausgangsbarrierefluidbohrung 414 angeben.
Wenn das Barrierefluid-Verteilernetzwerk sich aus der Zuführungsquelle mit Barrierefluid füllt, dann steigt der Barrierefluiddruck in der Ausgangsfluidkammer 410 an, bis der Druck der Summe der Drücke entspricht oder diese übersteigt, die durch das Prozessfluid und die einstellbare Feder 404 ausgeübt werden. Wenn dies eintritt, dann wird das Ventil 408 in die dargestellte Schließstellung überführt, um die Barrierefluidzuführung von der Auslassbarrierefluidkammer 424 und der Barrierefluidbohrung 234 abzusperren. Das Barrierefluid innerhalb des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems ist daher auf einen Druckwert angehoben, der etwa der Summe der Drücke entspricht, die durch den Prozessdruck und den variablen Druck der Feder 406 ausgeübt werden. Der Fachmann wird leicht feststellen, dass andere Druckanordnungen benutzt werden können, einschließlich einer Druckbeaufschlagung des Barrierefluid-Verteilernetzwerkes mit einem Druck, der niedriger ist als der Prozessfluiddruck und/oder der Federdruck.
Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 500 kann außerdem Untersysteme aufweisen, um ein Schließfluid einem Schließfluidverteilernetz zuzuführen oder ein Schließfluid aus einem Schließfluidverteilernetz abzuziehen. Diese Untersysteme enthalten zumeist die gleichen Komponenten wie in dem Untersystem 501 veranschaulicht mit Ausnahme der Prozessfluidbohrung 421 und der Barrierefluidbohrung 415. Die drei Untersysteme können dann zusammen oder in Kombination einen bestimmten Fluiddruck einstellen, der entweder direkt oder indirekt auf die Dichtungsflächen 18 und 20 einwirkt.
5 zeigt ein zweites Druckuntersystem 510 des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems 500 gemäß der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen repräsentieren gleiche Elemente, wobei den Zahlen ein Strich angehängt ist. Das veranschaulichte Untersystem 510 verbindet selektiv eine Schließfluidquelle (nicht dargestellt) mit dem Schließkraftvorspannsystem der Dichtung. Das Vorspannsystem übt eine Schließkraft auf die Rückseite der stationären Dichtung als Funktion des Druckes innerhalb des Barrierefluid-Verteilernetzwerkes und/oder des Barrierefluidvorspannsystems aus, z. B. innerhalb der Axialbohrung 228 und der Nut 180. Das dargestellte Untersystem 510 weist ein bewegliches Differentialdruckventil 408' auf, das in einer geeignet bemessenen Kammer 407' angeordnet ist, die innerhalb der Stopfbuchse 30 liegt. Die Kammer 407' lagert eine ringförmige Fluidleitung 441', die in bestimmter Weise eingebohrt ist, um eine Verbindung zwischen den Druckkanälen und den Bohrungen des Druckregeluntersystems 510 zu bewirken.
Die dargestellte Fluidleitung 441' ist identisch jener ausgebildet, die in den 4, 7 und 8 dargestellt ist. Innerhalb der entsprechenden Nuten in der äußeren Oberfläche der Leitungen sind O-Ringe 426' und 428' montiert, um eine Druckabdichtung und eine Fluidabdichtung zwischen den Innenwänden der Kammer 407' und bestimmten Abschnitten der Fluidleitung 441' zu bewirken.
Das bewegliche Ventil 408' unterteilt die Kammer 407' in eine Eingangsfluidkammer 420' und eine Ausgangsfluidkammer 410', wobei eine Zwischenkammer 412' zwischen den Endflanschabschnitten des Ventils vorgesehen ist. Das Ventil 408' ist mit einer Einstellfeder 406' gekoppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 404' angreift. Die dargestellte Schraube 404' und die Feder 406' sind identisch jenen, wie sie beim Ausführungbeispiel nach 4 beschrieben wurden. Die Schraube 404' und die Feder 406' erstrecken sich von der äußeren Oberfläche der Stopfbuchse 30 in die Eingangsfluidkammer 420'. Die Eingangsfluidkammer 420' steht mit gewählten Komponenten des Barrierefluid-Verteilernetzwerkes in Verbindung, damit das Barrierefluid der Dichtung mit der Eingangsregelkammer 420' kommunizieren kann.
Bei diesem Untersystem weist das Barrierefluid-Verteilernetzwerk geeignete Bohrungen und/oder Kammern auf, die innerhalb der Stopfbuchse angeordnet sind, und vorzugsweise sind wenigstens die Eingangskammer 420', der Barriereverbindungskanal 446 und das Barrierefluidvorspannsystem vorgesehen. Das dargestellte Untersystem 510 weist außerdem ein Schließfluid-Verteilernetzwerk auf, das eine Quelle eines Schließfluids, dies kann ein Barrierefluid oder ein Schließfluid oder ein anderes Fluid sein, mit dem stationären Dichtungsring 40 verbindet. Das Schließfluid-Verteilersystem übt eine axiale Schließvorspannungskraft auf den stationären Dichtungsring aus, um die Spreizung zwischen dem stationären und dem rotierenden Dichtungsring 14 bzw. 16 einzustellen oder zu regeln. Das Schließkraft-Verteilernetzwerk kann irgendeine geeignete Anordnung sein und mehrere Fluidverbindungen und Bohrungen aufweisen, die das Schließfluid mit wenigstens einem der Dichtungsringe verbinden, um die Spreizung dazwischen einzustellen. Insbesondere kann das dargestellte Netzwerk einen oder mehrere Eingangsschließkraftkanäle 460, die Eingangsschließfluidbohrung 416', die Zwischenkammer 412', die Ausgangsschließfluidbohrung 414', die quer verlaufende Schließkraftbohrung 444, den Schließkraftkanalverbinder 442, den Schließkraftkanal 440 und die Schließkraftkammer 242 aufweisen.
Nunmehr wird wiederum auf 5 Bezug genommen. Das bewegliche Ventil 408' ist alternativ zwischen der Öffnungs- und Schließstellung durch die Fluide innerhalb der Eingangskammer 420' und der Ausgangskammer 410' versetzbar. Beispielsweise wird im Betrieb der Dichtung das Barrierefluid von dem vorherigen Untersystem 501 unter Druck gesetzt und füllt die Eingangskammer 420' über geeignet gestaltete Bohrungen innerhalb der Stopfbuchse. Das Barrierefluid übt in Kombination mit der Feder 406' einen Druck auf eine Seite des beweglichen Ventils 408' aus, um das Ventil in eine der Stellungen zu überführen, z. B. entweder nach der Innenbordseite oder der Außenbordseite der Dichtung. Die Kraft wird durch den Druck versetzt, der durch das Schließfluid ausgeübt wird, welches der Ausgangskammer 410' zugeführt wird, wenn das Ventil in der dargestellten Öffnungsstellung befindlich ist.
Wenn der Druck innerhalb der Eingangskammer 420' den Druck innerhalb der Ausgangskammer 410' übersteigt, dann spannt das Druckdifferential das Ventil 408' nach links in die dargestellte Öffnungsstellung vor. Das Schließfluid aus der Quelle durchläuft den Schließfluideingangskanal 460 und die Fluidbohrung 416' und gelangt in die Zwischenkammer 412' und schließlich in die Ausgangskammer 410'. Von dort strömt das Schließfluid durch die Austrittsschließfluidbohrung 414' in den Querkanal 444, die Kanalverbindung 442 und in den Schließfluidausgangskanal 440 und schließlich nach der Schließfluidkammer 242. Die Schließfluidkammer ist an der Rückseite des stationären Dichtungsringes 14 angebracht, um auf den stationären Dichtungsring in einer bestimmten Weise einzuwirken.
Im Betrieb füllt sich das Barrierefluid-Verteilernetzwerk mit unter Druck stehendem Barrierefluid, z. B. vom Untersystem 501. Das Barrierefluid in der Eingangsfluidkammer 420' und die einstellbare Feder 406' üben einen Druck auf die rechte Seite des Differentialdruckventils 408' aus. Die Summe dieser beiden Drücke wirkt auf eine Seite, z. B. auf die rechte Seite des Differentialdruckventils 408', um den Eingangsdruck auf das Differentialdruckventil 408' zu leiten und um demgemäß das Ventil von der Schließstellung in die Öffnungsstellung zu überführen. Wenn das Ventil in dieser Stellung befindlich ist, dann verbindet das bewegliche Ventil 408' strömungsmäßig die Schließfluidquelle mit der Zwischenkammer 412' und der Schließkraftausgangsbohrung 414'. Dieses Schließfluid wird über das Schließfluid-Verteilernetzwerk der Schließfluidkammer 242 zugeführt.
Gleichzeitig füllt das Schließfluid in der Zwischenkammer 412' die Ausgangsschließfluidkammer 410' und übt einen Druck gegen die andere Seite, z. B. die linke Seite des beweglichen Ventils 408 aus. Die durch die Schließkraft angelegte Kraft wirkt den Kräften entgegen, die durch das Barrierefluid und die Feder 406' ausgeübt werden, und wenn eine enge Anpassung vorhanden ist, wird das bewegliche Ventil 408 in die Schließstellung vorgespannt, wodurch die Schließfluidquelle von der Zwischenkammer 412' abgesperrt wird. Die Flanschenden des Ventils 408' werden von dem Untersystem 510 derart positioniert, dass die Ausgangsschließfluidbohrung 414' geschlossen wird, wodurch verhindert wird, dass Schließfluid aus der Zwischenkammer 412' nach dem Querkanal 444 gelangt. Infolgedessen erzeugt das dargestellte Untersystem 510 einen Schließfluiddruck oder eine Kraft auf die Rückseite des stationären Dichtungsringes und innerhalb der Ausgangskammer 410, der eine Funktion von kombiniertem Federdruck und Barrierefluiddruck ist.
Das erwähnte Schließfluiduntersystem 510 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass der Schließfluiddruck als Funktion des Barrierefluiddrucks eingestellt, d. h. erhöht wird. Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 500 regelt dabei die Spaltweite und daher den Leckstrom über die Dichtungsflächen, basierend auf dem geregelten Schließfluiddruck. Das Untersystem kann in Verbindung mit dem ersten Untersystem 501 benutzt werden, um ein dynamisches Fluidic-Druckregelsystem zu schaffen, das die Schließkraftdrücke als Funktion des Barrierefluiddruckes regelt. Das anfängliche Untersystem stellt den Barrierefluiddruck auf einen gewählten Pegel an, und zwar in Abhängigkeit von dem Prozessdruck und dem Federdruck, der manuell einstellbar ist, und dieses Untersystem stellt den Schließfluiddruck ein, um den Leckstrom an den Dichtungsflächen zu regeln.
Die Anordnung des beweglichen Ventils 408' zwischen Öffnungsstellung und Schließstellung, wie vorstehend beschrieben, ist identisch der Bewegung des Ventils zwischen den Stellungen, wie dies in den 7 und 8 dargestellt ist. 8 zeigt das bewegliche Ventil 408 in der Öffnungsstellung und die ausgezogenen Pfeile identifizieren die Fluidströmung in die Fluidzuführungsleitung 416 durch den Ventilkanal 412 und über die Ausgangsfluidleitung 414 nach außen. Da das Schließfluid-Verteilernetzwerk mehr Fluid enthält, vergrößert sich die Schließfluidmenge in der Ausgangsfluidkammer 410', und dadurch wird der Druck in jener Kammer erhöht. Wenn der Schließfluiddruck etwa die Summe von Barrierefluiddruck und Druck der einstellbaren Feder 406' erreicht, dann bewegt sich das Differentialdruckventil nach rechts in die Schließstellung, um die Fluidverbindung zwischen der Schließfluidquelle und dem Schließfluidverteilersystem zu sperren. 7 zeigt das bewegliche Ventil 408 in einer Schließstellung, in der die Fluidströmung zwischen der Fluidzuführungsleitung 416 und der Ausgangsfluidleitung 414 abgesperrt ist.
Gemäß den 6A und 6B kann das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 500 weiter ein Entlüftungsuntersystem 520 aufweisen, das den Schließfluiddruck vom Regelsystem als Funktion des Barrierefluiddruckes entlüftet. Gleiche Bezugszeichen entsprechen gleichen Teilen in diesen Figuren, wobei an die Zahlen ein Doppelstrich angehängt ist. Ähnlich wie oben, umfasst das Untersystem 520 ein bewegliches Ventil 448, das innerhalb der Stopfbuchsenkammer 407'' liegt. Die Kammer lagert eine ringförmige Fluidleitung 441'', die in bestimmter Weise eingebohrt ist, um eine Verbindung zwischen den Druckkanälen und Bohrungen des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems und der mechanischen Dichtung herzustellen. Das bewegliche Ventil 448 ist im Wesentlichen ein T-förmig gestaltetes Ventil mit einem Abschnitt 448A größeren Durchmessers, benachbart zur Eingangsfluidkammer 420'' und einem Abschnitt kleineren Durchmessers 448B, der sich nach der Ausgangskammer 410'' erstreckt. Das Ventil 448 ist mit einer einstellbaren Feder 406'' gekoppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 404'' befestigt ist. Die dargestellte Schraube 404'' und die Feder 406'' sind identisch jenen, wie sie oben in Verbindung mit 4 und 5 beschrieben wurden. Die Schraube 404'' und die Feder 406'' erstrecken sich in die Eingangsbarrierefluidkammer 420'' von der äußeren Oberfläche der Stopfbuchse 30 her.
Das dargestellte Untersystem 520 weist außerdem ein Barrierefluid-Verteilernetzwerk auf, das mit der Eingangskammer 420'' in Verbindung steht und ein Schließfluid-Verteilernetzwerk, das in Fluidverbindung mit der Ausgangsfluidkammer 410'' steht. Das Barrierefluid-Verteilernetzwerk und das Schließfluid-Verteilernetzwerk wirken in einer Weise ähnlich jener, wie sie in Verbindung mit 5 beschrieben wurde. Das Schließfluid-Verteilernetzwerk weist außerdem einen Entlüftungskanal 450 auf, der in Fluidverbindung mit der Fluidkammer 422'' und der Ausgangsleitung 416'' steht. Die Entlüftungsöffnung bzw. die Auslassöffnung ermöglicht es dem dargestellten Rückkopplungsuntersystem 520, Schließfluiddruck als Funktion des Barrierefluiddruckes abzulassen.
Das dargestellte bewegliche Ventil 448 ist abwechselnd zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung durch das Barrierefluid innerhalb der Eingangskammer 420'' und dem Schließfluid innerhalb der Ausgangskammer 410'' verstellbar. Beispielsweise wird im Betrieb der Dichtung das Barrierefluid durch das erste Untersystem 501 unter Druck gesetzt und füllt die Eingangskammer 420''. Das Barrierefluid und die Feder 406'' üben einen Druck auf eine Seite des beweglichen Ventils 448 aus, um das Ventil in einer Richtung zu bewegen, z. B. entweder nach der Innenbord- oder der Außenbordseite der Dichtung und demgemäß zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung. Die Summe dieser beiden Drücke bildet den Einlassdruck für das Ventil 408. Gleichzeitig beherbergt das Schließfluid-Verteilernetzwerk Schließfluid unter einem gegebenen Druck. Das Schließfluid aus der Schließfluidquelle tritt in die Ausgangsschließfluidkammer 410'' ein und übt einen Druck auf die andere Seite, z. B. auf die linke Seite, des Ventils 408 aus, um den Ausgangsdruck auf das Ventil 448 auszüben. Wenn der Druck des Schließfluids niedriger ist als der Druck des Barrierefluids in der Eingangsfluidkammer 410'', dann spannt der Eingangsdruck das bewegliche Ventil in die Schließstellung vor, wie dies dargestellt ist. Die Druckanordnung hält die axiale Vorspannungskraft auf den stationären Dichtungsring aufrecht. Infolgedessen vermindert das Regelsystem nicht die Höhe des Schließkraftdruckes, indem eine Entlüftung über den Entlüftungskanal 450 stattfindet.
Wenn der von dem Schließfluid in der Ausgangskammer 410'' ausgeübte Druck größer ist als der Eingangsdruck, dann spannt das Druckdifferential das Ventil 448 in die Öffnungsstellung gemäß 6B vor. Dadurch wird das Schließkraftfluidverteilersystem mit dem Entlüftungskanal 450 verbunden, um Schließfluid aus dem System abzuziehen. Das Untersystem 520 überträgt das Schließfluid in der Schließfluidkammer 242, in dem Schließfluidkanal 440, in dem Querkanal 444 und in der Eingangsbohrung 414'' nach der Ausgangskammer 410''. Von hier wird das Schließfluid nach der Ausgangsschließfluidbohrung 416'' und dem Entlüftungskanal 450 geleitet. Wenn sich das bewegliche Ventil 408 in der Öffnungsstellung befindet, kann das Schließfluid innerhalb der Ausgangskammer 410'' durch den Entlüftungskanal 450 austreten.
Wenn das System 520 Schließfluid von der Dichtung abzieht, dann fällt der Schließfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410'' ab, bis schließlich ein Ausgleich mit der Summe von Barrierefluiddruck und einstellbarem Federdruck erreicht ist. Wenn dieser Ausgleich erfolgt ist, spannt das System das bewegliche Ventil 448 in die Schließstellung vor, um eine Fluidverbindung zwischen dem Entlüftungskanal 450 und dem übrigen Schließfluid-Verteilernetzwerk aufrecht zu erhalten.
Die Entlüftung des Schließfluids aus dem Rückkopplungssystem 520 bewirkt, dass das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 500 den Spalt zwischen den Dichtungsflächen 18 und 20 einstellt, um den Leckstrom zu steuern. Insbesondere spricht das System auf ein Absinken des Prozessdruckes durch Verminderung oder Entlüftung des Schließfluids aus dem System an. Dieser verminderte Schließfluiddruck bewirkt, dass die Dichtungsstimflächen sich spreizen, wodurch eine unerwünschte Berührung der Dichtungsflächen verhindert wird.
Die vorerwähnten Untersysteme 501, 510 und 520 werden vorzugsweise zusammen benutzt und innerhalb der Stopfbuchse 30 der mechanischen Dichtung angeordnet. In Kombination bilden die Untersysteme ein vollständiges Fluidic-Druck-Rückkopplungssystem, das einen Druck oder mehrere Drücke der mechanischen Dichtung als Funktion eines oder mehrerer anderer Dichtungsdrücke regelt. Gemäß einer bevorzugten Praxis bilden die Untersysteme 501, 510 und 520 nahezu das gesamte Rückkopplungs-Druckregelsystem 500 der vorliegenden Erfindung.
Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 500 wirkt als Differentialdruckregler. Die allgemeine Logik des Systems besteht darin, dass dann, wenn sich Druckbedingungen innerhalb der mechanischen Dichtung ändern, das System entweder einen oder beide Drücke, nämlich Schließdruck und Druck des Barrierefluids, regelt, die der Dichtung zugeführt werden, um gewisse Bedingungen an den Dichtungsstirnflächen der Dichtungsringe aufrecht zu erhalten. Das Fluidic-Regelsystem benutzt eines der Systemfluide, beispielsweise Barrierefluid, Prozessfluid oder Schließfluid als dynamischen Rückkopplungsfluideinlass, und es wird entweder der Barrierefluiddruck oder die Schließkraft, basierend auf diesem geregelten Eingang, eingestellt. Demgemäß detektiert das Rückkopplungssystem eine Änderung im Druck zwischen gewählten Fluiddrücken und korrigiert jedes Ungleichgewicht. Das Fluidic-Rückkopplungssystem führt diese Korrektur durch, indem das System an eine Hochdruckfluidquelle angeschlossen wird, um Schließfluid dem System zuzuführen und den Druck darin anzuheben oder Schließfluiddruck aus dem System abzuleiten, wenn die Innendrücke über oder unter einem gewählten Pegel liegen. Das Rückkopplungssystem hat ferner die Möglichkeit, das Barrierefluid oder das Schließfluid auf einen willkürlich festgelegten Punkt einzustellen, der höher oder niedriger sein kann als der regulierte Druckeingang.
Wie aus den 4 bis 8 ersichtlich, benutzt das Rückkopplungssystem 500 den Prozessfluiddruck als dynamischen Rückkopplungseingang, wobei der Barrieredruck auf einem Druck gehalten wird, der größer ist als der Prozessfluiddruck. Das Prozessfluid befindet sich außer an anderen Stellen in der Prozessfluidkammer 300, die längs der äußeren Durchmesser der Dichtungsringe der mechanischen Dichtung angeordnet ist. Das Prozessfluid steht mit der Eingangs-Rückkopplungskammer 420 des Rückkopplungssystems durch geeignete Prozessfluidbohrungen in Verbindung, die in der Stopfbuchse ausgebildet sind. Das Prozessfluid bildet zusammen mit der Feder 406 innerhalb der Kammer 420 einen Druck, der auf eine Seite des beweglichen Ventils 408 wirkt. Die Barrierefluidzufuhr wird über den Barrierefluideingangskanal 415 nach der Zwischenkammer 412 überführt, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Die durch das Prozessfluid und die Feder 406 innerhalb der Eingangskammer 420 ausgeübte Kraft wird durch den Barrierefluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 auf der gegenüberliegenden Seite des Ventils 408 ausgeglichen. Infolgedessen erhöht das Rückkopplungssystem den Barrierefluiddruck (z. B. den geregelten Ausgang) in der Barrierefluidkammer 424 des Barrierefluid-Verteilernetzwerks auf einen Druck über dem Prozessdruck in einer Höhe entsprechend der einstellbaren Kraft der Feder 406.
Wenn Änderungen in dem Druck auftreten, der durch das Prozessfluid und die Feder erzeugt wird, z. B. wenn der Druck, der durch den Prozessfluiddruck und die Feder ausgeübt wird, größer ist als der Barrierefluiddruck, dann wird das Ventil in eine gewählte Stellung vorgespannt, um eine Eingangsbarrierefluidquelle mit dem Barrierefluid-Verteilernetzwerk zu verbinden. Das Barrierefluid strömt dann in das Barrierefluid-Verteilernetzwerk, um die Ausgangskammer 410 unter Druck zu setzen. Wenn das Barrierefluid-Verteilernetzwerk genügend unter Druck gesetzt ist, füllt das Barrierefluid die Kammer 410 und versetzt die kombinierten Kräfte, die durch den Prozessdruck und die Feder 406 ausgeübt werden und in der Eingangskammer 420 wirken oder es wird diesen entgegengewirkt.
Wenn das Barrierefluid die Ausgangskammer 410 füllt, dann steigt der Druck an der Barrierefluidseite des beweglichen Ventils (beispielsweise auf der linken Seite) an, bis der Barrierefluiddruck ausreicht, um das Ventil nach rechts in eine Zwischenschließstellung zu überführen, wie dies dargestellt ist, um die Zufuhr von Barrierefluid nach dem System abzusperren.
Das Barrierefluid, das der mechanischen Dichtung aus der Barrierefluidquelle zugeführt wird, strömt in die axiale Bohrung 228 und die radiale Nut 180. Der Barriererückkopplungskanal 446 (5) verbindet die axiale Bohrung 228 und die Nut 180 mit der Eingangsrückkopplungskammer 420'. Das Barrierefluid wird demgemäß als Druck-Rückkopplungseingang benutzt und das Schließfluid des Schließfluidnetzwerkes wird dann der regulierte Rückkopplungsausgang und auf einen Druck eingeregelt, der größer ist als der Barrierefluiddruck, und zwar größer um einen gewählten Wert, welcher der Kraft entspricht, die durch die Feder 406' ausgeübt wird. Die Feder 406' fügt daher einen gewählten Druckwert der Eingangsrückkopplungsseite (z. B. der Kammer 420') des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems zu. Der Schließfluiddruck wird dann entweder durch Zusatz von weiterem Schließfluid erhöht oder durch Entlüftung und Entweichen von Schließfluid aus dem Fluidverteilernetzwerk verringert.
Die Menge des Dichtungsleckstromes ist abhängig von der Regelung der jeweiligen Dichtungsfluide auf folgende Weise. Eine Erhöhung des Druckes des Prozessfluids erhöht die Menge des Barrierefluids, das in die Dichtung eingeführt wird. Das erhöhte Barrierefluid setzt das Barrierefluid-Verteilernetzwerk unter Druck, so dass die Dichtungsflächen weiter voneinander distanziert werden, wodurch der Leckstrom über die Dichtungsflächen vergrößert wird. Gemäß diesem Vorgang erhöht das Rückkopplungs-Druckregelsystem die Menge des Schließfluids, das eingeführt wird, um das Schließfluidnetzwerk unter Druck zu setzen. Dies entspricht einer Erhöhung des Schließfluiddruckes in der Schließfluidkammer 242, und so werden Dichtungsstirnflächen aufeinander zu vorgespannt, um die Menge der Dichtungsleckströmung zu verringern.
Wenn umgekehrt der Prozessfluiddruck absinkt, wird die Zufuhr von Barriecefluid nach der Dichtung beendet. Die verminderte Menge des Barrierefluids wird durch die Dichtungsflächen der Dichtungsringe erfasst, und diese werden dichter aufeinander vorgespannt, was zu einer Berührung der Dichtungsflächen führen kann. Das System kompensiert automatisch und fluidmäßig diesen Umstand, indem das Schließfluid-Verteilernetzwerk entlüftet wird, um einen vorbestimmten Schließfluiddruck vom System zu entlüften. Die Verminderung des Schließfluiddruckes in der Schließfluidkammer 242 bewirkt eine Spreizung der Dichtungsflächen um einen vorbestimmten Betrag, wodurch eine Berührung der Dichtungsstirnflächen verhindert wird.
Außerdem ist es für den Fachmann ersichtlich, dass das Untersystem 501 gemäß 4 eine Gruppe von Bezugsdruckpegeln für das Barrierefluid erzeugt, was eine Kombination des Prozessfluiddruckes und der Kraft ist, die durch die Feder 406 ausgeübt wird. Die Einstellschraube 404 stellt die Spannung der Feder 406 ein, wodurch der Bezugsdruckpunkt des Barrierefluids eingestellt wird. Dieses System ermöglicht es, dass geeignetes Wartungspersonal gewählte Systemparameter in Echtzeit und im Betrieb ändert.
Die 11 bis 13 zeigen schematisch Ablaufdiagramme, die die Betriebsmethodologie des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems 500 der Erfindung veranschaulichen, wie dies in den Untersystemen 501, 510 und 520 beschrieben wurde. 11 beschreibt das Verfahren der Einstellung des Barrierefluiddruckes auf einen Wert relativ zum Prozessdruck, wie dies in dem Untersystem 501 gemäß 4 dargestellt ist. 12 beschreibt das Verfahren zum Einführen des Schließfluids in das System als Funktion eines Barrierefluiddruckes, und 13 beschreibt das Verfahren zur Entlüftung von Schließflüssigkeit aus dem System als Funktion des Barrierefluiddruckes. Die drei in diesen Figuren beschriebenen Verfahren sind sämtlich kontinuierliche Verfahren und können parallel und gleichzeitig durchgeführt werden.
Im Schritt 505 wird das Prozessfluid vom Fluidgehäuse nach der Eingangskammer 420 über den Prozessfluideintrittskanal zugeführt. Das Prozessfluid erzeugt einen Prozessfluiddruck innerhalb der Eintrittskammer 420. Dieser Durck in Kombination mit der Druckkraft, die durch die einstellbare Feder 406 erzeugt wird, definiert den Eingangsdruck des Untersystems. Die Barrierefluidquelle führt Barrierefluid in das Regelsystem über den Barrierefluidkanal 415 ein, um danach in das Barrierefluid- Verteilernetzwerk über die Bohrung 228 und die Nut 180 überführt zu werden. Die Austrittskammer 410 füllt sich schließlich mit Barrierefluid, um wenigstens teilweise die kombinierten Drücke von Feder und Prozessfluid auszugleichen.
Im Schritt 515 wird der Druck in der Eingangskammer 420 mit dem Barrierefluiddruck in der Austrittsfluidkammer 410 verglichen. Wenn der Barrierefluiddruck unter der Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck 406 steht, dann wird das bewegliche Ventil 408 in die Öffnungsstellung überführt, um das Barrierefluid-Verteilernetzwerk mit der Barrierefluidzuführung zu verbinden, wie dies in den Schritten 530 und 540 angedeutet ist. Die Barrierequelle führt Fluid in das Barrierefluid-Verteilernetzwerk ein, wie dies im Schritt 550 beschrieben ist. Wenn der Barrierefluiddruck nicht genügend kleiner ist als der Prozessdruck und der Federdruck, um das Ventil merklich zu verschieben, wird das Ventil in der Schließstellung gehalten. Dies ist durch die Rückführungsschleife 535 dargestellt.
Im Schritt 560 wird wiederum der Barrierefluiddruck in der Ausgangskammer 410 mit der Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck verglichen. Wenn im Schritt 570 der Barrierefluiddruck unter der Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck 406 liegt, dann wird das bewegliche Ventil 408 in der offenen Stellung gehalten und verbindet das Barrierefluid-Verteilernetzwerk mit der Barrierefluidquelle, wie dies durch die Rückführungsschleife 575 dargestellt ist. Wenn, wie im Schritt 580 dargestellt, der Barrierefluiddruck größer ist als die Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck, dann wird das bewegliche Ventil 408 in die Schließstellung überführt, um das Barrierefluid-Verteilemetzwerk von der Barrierefluidquelle abzuschalten.
Ein Ansteigen im Prozessfluiddruck führt zu einem Ansteigen des Barrierefluiddruckes, was anzeigt, dass die Dichtungsstirnflächen der Dichtungsringe gespreizt werden, und dies kann zu einem übermäßigen Dichtungsleckstrom führen. Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem kompensiert diese Betriebsbedingung, indem der Schließfluiddruck im System erhöht wird. Wenn umgekehrt der Barrierefluiddruck absinkt, was eine relativ dichte Annäherung der Dichtungsflächen aufeinander zu anzeigt, dann vermindert das Druckregelsystem den Schließfluiddruck, so dass die Dichtungsflächen sich auf einen vorbestimmten Betrag spreizen können.
Im Folgenden wird insbesondere auf die 5 bis 6B Bezug genommen. Ein Ansteigen des Barrierefluiddruckes setzt die Eingangskammer 420' unter Druck (5) und verbindet das Schließfluid-Verteilernetzwerk mit der Schließfluidzuführung. Die Schließfluidquelle setzt das Schließfluidnetzwerk unter Druck und überträgt Schließfluid nach der Rückseite des stationären Dichtungsringes über die Schließfluidbohrungen 414' und 416' und die Zwischenkammer 416', den Querkanal 444, die Kanalverbindung 442, den radialen Schließfluidkanal 440 und die Schließfluidkammer 242. Der erhöhte Schließfluiddruck wirkt dem erhöhten Barrierefluiddruck entgegen und bewirkt demgemäß eine Verminderung des Leckstromes über die Dichtungsflächen.
Die 12 beschreibt das Verfahren der Einstellung des Schließfluiddruckes auf einen Pegel relativ zu dem Barrierefluiddruck. In den Schritten 600 und 610 wird das Barrierefluid in das Barrierefluid-Verteilernetzwerk eingeführt, und zwar über die Bohrung 228 und die Nut 180 sowie über die Eingangsfluidkammer 420, um in der Eingangsfluidkammer 420 einen Barrierefluiddruck zu erzeugen. Dieser Druck plus dem Druck der einstellbaren Feder 406 definiert den Eingangsdruck des Untersystems. Das Schließkraftfluid wird in das Schließkraftfluid-Verteilernetzwerk eingeführt einschließlich Schließfluidkammer 242 und Schließfluidkanal 440, um den Ausgangsdruck in der Ausgangskammer 410 zu erzeugen.
Im Schritt 620 wird der Eingangsdruck in der Eingangskammer 420 mit dem Ausgangsdruck in der Ausgangsfluidkammer 410 verglichen. Wenn im Schritt 630 festgestellt wird, dass der Ausgang des Barrierefluiddruckes (der einer Änderung im Prozessfluiddruck entspricht) unter den Eingangsdruck fällt, was einen übermäßigen oder unerwünschten Dichtungsleckstrom anzeigt, dann wird im Schritt 640 das bewegliche Ventil 408' in die Öffnungsstellung überführt, um das Schließkraftfluid-Verteilemetzwerk mit der Schließfluidquelle zu verbinden, die mit dem Eingangskanal 460 in Verbindung steht. Das Schließfluid von der Schließfluidquelle tritt durch den Eingangsschließfluidkanal 460 in die Eingangsschließfluidbohrung 416' ein und dann in die Zwischenkammer 412'. Dann tritt das Schließfluid von dieser Kammer durch die Ausgangsschließfluidbohrung 414', den Querkanal 444, die Verbindung 442 und den Schließfluidausgangskanal 440 in die Schließfluidkammer 242 ein und umgibt die dargestellte Sekundärdichtungsstruktur. Das zusätzlich eingeführte Schließfluid nach der Schließkraftseite der Dichtung erhöht den Druck innerhalb der Schließfluidkammer 242, was axial den Stator nach dem Rotor vorspannt. Dies ist in den Schritten 640 und 650 dargestellt. Wenn umgekehrt, wie durch die Rückführungsschleife 635 dargestellt, der Ausgangsdruck (d. h. der Schließfluiddruck) nicht kleiner als der Eingangsdruck ist (d. h. der Barrieredruck), dann wird das Ventil in die Schließstellung überführt oder in dieser gehalten.
Wie aus den Schritten 660, 670 und 675 erkennbar, wird der Ausgangsdruck in der Ausgangskammer 410' wiederum mit dem Eingangsdruck verglichen, und wenn der Schließkraftfluiddruck unter der Summe von Barrierefluiddruck und einstellbarem Federdruck 406 liegt, wird Schließfluid dem Schließfluid-Verteilernetzwerk über die Schließfluidquelle zugeführt. Wenn der Ausgangsschließfluiddruck größer ist als der Eingangsdruck, dann wird das bewegliche Ventil 408' so angeordnet, dass das Schließfluid-Verteilernetzwerk von der Schließfluidquelle abgeschaltet wird. Wenn demgemäß bei diesem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Barrierefluiddruck ansteigt, dann steigt der Schließfluiddruck ebenfalls an.
13 beschreibt außerdem das Verfahren zur Einstellung des Schließfluiddruckes auf einen Pegel relativ zum Barrierefluiddruck, und es wird Schließfluid aus dem Regelsystem 500 als Funktion des Barrierefluiddruckes entlüftet. Diese Strömungskartenmethodologie entspricht wenigstens teilweise dem Untersystem 520, wie dies in den 6A und 6B dargestellt ist. In den Schritten 700 und 710 wird das Barrierefluid in das Barrierefluid-Verteilernetzwerk eingeleitet, um einen Barrierefluiddruck innerhalb der Eingangsfluidkammer 420'' zu erzeugen. Dieser Druck wirkt in Kombination mit dem Druck der einstellbaren Feder 406'', um den Eingangsdruck des Untersystems 520 zu definieren. Das Schließfluid wird in das Schließfluid-Verteilernetzwerk eingeführt, wie dies oben beschrieben wurde, um den Ausgangsdruck in der Ausgangskammer 410'' zu erzeugen.
In den Schritten 720 und 730 wird der Druck in der Eingangskammer 420'' mit dem Druck in der Ausgangsfluidkammer 410'' verglichen. Wenn der Ausgangsdruck kleiner ist als der Eingangsdruck (dies ist der Barrierefluiddruck plus einstellbarem Federdruck 406''), dann wird in dem Rückkopplungsschritt 735 das einstellbare Ventil 448 in die Schließstellung überführt oder in dieser gehalten (6A), um zu verhindern, dass das Schließfluid-Verteilernetzwerk Schließfluid aus dem Regelsystem 500 entleert. Wenn der Ausgangsdruck größer ist als der Eingangsdruck, dann wird im Schritt 740 das bewegliche Ventil in der Öffnungsstellung gehalten, um das Schließfluidverteilernetz mit der Fluidauslassentlüftung 450 zu verbinden. Dieser Auslass entfernt Schließfluid aus dem Schließfluid-Verteilernetzwerk, wie dies im Schritt 750 dargestellt ist. Im Schritt 760 wird der Ausgangsdruck in der Ausgangskammer 410'' wiederum mit dem Eingangsdruck verglichen, der die Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck ist. Wenn im Schritt 770 der Barrierefluiddruck größer ist als die Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck 406'', dann wird im Rückkopplungsschritt 755 das bewegliche Ventil so geschaltet, dass die Verbindung zwischen Schließfluid-Verteilernetzwerk mit der Fluidauslassentlüftung aufrecht erhalten wird. Wenn der Ausgangsdruck niedriger ist als der Eingangsdruck, dann wird das bewegliche Ventil 448 in eine Schließstellung vorgespannt, um das Schließfluid-Verteilernetzwerk von der Fluidauslassentlüftung abzuschalten. Wenn demgemäß der Barrierefluiddruck absinkt oder ein festgestelltes Ansteigen des Schließfluiddruckes auftritt, was anzeigen kann, dass ein Leckstrom fließt, der größer als erwartet ist oder eine Änderung im Prozessfluiddruck oder im Barrierefluiddruck auftritt, dann entlüftet das Rückkopplungsregelsystem 520 oder vermindert den Schließfluiddruck an der Dichtung.
Das dargestellte Fluid-Rückkopplungs-Druckregelsystem 500 erhöht demgemäß den Schließdruck, wenn ein Ansteigen des Barrierezuführungsdruckes festgestellt wird, und es wird der Schließdruck verringert, wenn ein Absinken des Barrierefluiddruckes festgestellt wird.
Die 9A, 9B und 9C repräsentieren abgewandelte Ausführungsbeispiele der drei Druck-Rückkopplungsuntersysteme 501, 510 und 520 gemäß obiger Beschreibung, wobei weiter die Schraube an einem Innenbord oder einer nur beschränkt zugänglichen Stelle angebracht ist. Insbesondere veranschaulicht 9A ein Untersystem 1530, d. h. ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Untersystems 500 gemäß 4; 9B zeigt ein Untersystem 1540, d. h. ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Untersystems 510 gemäß 5 und 9C zeigt ein Untersystem 1550, d. h. ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Untersystems 520 gemäß 6A und 6B. Die dargestellten Untersysteme 1530, 1540 und 1550 benutzen eine Einstellschraube 406, die an einer beschränkt zugänglichen Stelle zwischen dem Gehäuse 11 und der Stopfbuchse 30 angeordnet ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in diesen Figuren gleiche Teile. Das dargestellte Rückkopplungssystem kann auch mit irgendeiner geeigneten mechanischen Dichtung benutzt werden, zusätzlich zu dem Dichtungstyp und der Anordnung gemäß den 9A bis 9C.
9A veranschaulicht ein erstes Untersystem 1530 zur Aufrechterhaltung des Barrierefluiddruckes auf einem gewählten Pegel relativ zu dem Prozessfluiddruck. Das dargestellte Untersystem benutzt ein bewegliches Differentialdruckventil 408, das in einer geeignet bemessenen Kammer innerhalb der Stopfbuchse 30 angeordnet ist. Die Kammer 407 lagert die ringförmige Fluidleitung 441, die in bestimmter Weise ausgebohrt ist, um eine Verbindung zwischen den verschiedenen Druckkanälen und den Bohrungen des Fluid-Rückkopplungs-Druckregelsystems zu schaffen.
Die dargestellte Fluidleitung 441 ist identisch jener, wie sie in den 4, 7 und 8 beschrieben wurde, und sie besitzt eine zentrale Bohrung, in der das bewegliche Ventil 408 sitzt. Die Bohrung ist gleich oder etwas größer als der Außendurchmesser des beweglichen Ventils, um eine relativ freie axiale Gleitbewegung des Ventils innerhalb der Bohrung zwischen Öffnungsstellung und Schließstellung zu bewirken, wobei der Leckstrom über das Ventil minimal wird, wenn dieses in der Leitung befindlich ist. Die Fluidleitung 441 besitzt eine Anzahl von radial verlaufenden Fluidbohrungen 414 und 416, die die Möglichkeit schaffen, selektiv ein jeweiliges unter Druck stehendes Fluid mit der Stopfbuchsenkammer zu verbinden. Dichtungsstrukturen, wie O-Ringe 426 und 428, sind in entsprechenden Nuten angeordnet, die in der äußeren Oberfläche der Leitung ausgebildet sind, um eine Druckdichtung und eine Fluiddichtung zwischen den Innenwänden der Kammer 407 und gewählten Abschnitten der Fluidleitung 441 herzustellen.
Das bewegliche Ventil 408 teilt die Kammer in eine Eingangsfluidkammer 420 und eine Ausgangsfluidkammer 410, wobei eine Zwischenkammer 412 zwischen den Flanschendabschnitten des Ventils liegt. Das Ventil 408 ist mit einer einstellbaren Feder 406 gekoppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 404 festgelegt ist. Die dargestellte Einstellschraube 404 ist begrenzt zugänglich angeordnet, um zu verhindern, dass das Personal unerlaubte Änderungen gegenüber der fabrikatorischen Voreinstellung vornimmt. Der Systemoperator kann die Spannung, die durch die Feder ausgeübt wird, durch Drehen der Schraube in vorbestimmter Weise einstellen. Die Schraube 404, und die Feder 406 wirken gemeinsam, um den Anfangseinstelldruckpunkt in dem dargestellten Druck-Regeluntersystem 1530 zu definieren.
Die Schraube 404 und die Feder 406 erstrecken sich von der inneren Oberfläche der Stopfbuchse 30 in die Eingangsfluidkammer 420. Die Eingangsfluidkammer 420 steht mit einem Prozessfluid-Verteilernetzwerk in Verbindung, damit das Prozessfluid der Dichtung mit der Eingangsregelkammer 420 in Verbindung gebracht wird, wie dies dargestellt ist. Das Prozessfluid-Verteilernetzwerk des Fiuid- Rückkopplungs-Druckregelsystems gemäß der Erfindung umfasst unter anderen Strukturen geeignete Prozessfluidkammern innerhalb oder um die mechanische Dichtung herum, wie beispielsweise eine Prozessfluidkammer 300 und eine Prozessfluidbohrung 421, die das Prozessfluid mit der Kammer 300 nach der Eingangskammer 420 verbindet. Der Fachmann erkennt, dass das Prozessfluid-Verteilernetzwerk diese Ansammlung von Innenbohrungen und Kanälen enthalten kann, die in der Stopfbuchse 30 angeordnet sind, um Prozessfluid, falls erforderlich, mit dem beweglichen Ventil 408 in vorbestimmter Weise zu verbinden. Das Regelsystem kann außerdem Kupplungen außerhalb der Stopfbuchse aufweisen, um die Systemfluide mit bestimmten Abschnitten oder Komponenten des Systems 1500 zu verbinden. Beispielsweise können äußere Fluidleitungen mit der Stopfbuchse verbunden werden, um das Prozessfluid vom Fluidgehäuse nach der Eingangsprozessfluidbohrung 421 zu überführen.
Es wird weiter auf 9A Bezug genommen. Das erfindungsgemäße Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 1500 kann auch ein Barrierefluid-Verteilemetzwerk aufweisen, das Barrierefluid aus einer Barrierefluidquelle (nicht dargestellt) mit der Fluidleitung 441 verbindet. Das Barrierefluid-Verteilernetzwerk ist vorzugsweise gleich oder ähnlich jenem Netzwerk ausgebildet, das in Verbindung mit 4 bis 6B beschrieben wurde. Das Barrierefluid-Verteilemetzwerk kann geeignete Barrierefluidkanäle aufweisen, die das Barrierefluid aus der Stopfbuchsenkammer 407 mit einem getrennten Teil der Dichtung verbinden, einschließlich dem Barrierefluidvorspannsystem, d. h. die Bohrung 228 und die Nut 180 können mit weiteren Rückkopplungssystemen verbunden sein, die innerhalb der Stopfbuchse angeordnet sind und mit anderen Fluidkanälen/Bohrungen, wie Eingangsbarrierezuführungskanal 415. Insbesondere weist das Barrierefluid-Verteilernetzwerk geeignete Bohrungen und/oder Kammern innerhalb der Stopfbuchse auf, wie beispielsweise den Eingangsbarrierekanal 418 in der Leitung 441, die Ausgangsbarrieredruckbohrung 414 und die Barriereleitung 434 und den Barrierefluidkanal 402, der die Ausgangskammer 410 mit dem Barrierefluidvorspannsystem der mechanischen Dichtung verbindet. Natürlich kann das Verteilernetzwerk auch jene Komponenten des Barrierefluidvorspannsystems enthalten, wie die axiale Fluidbohrung 228, die im stationären Dichtungsring ausgebildet ist und die Nut 180.
Im Folgenden wird weiter auf 9A Bezug genommen. Das bewegliche Ventil 408 definiert eine Zwischenkammer oder einen Kanal 412, der mit der Barrierefluidquelle über den Barrierefluidzuführungskanal 415, die Fluidzuführungskammer 424 und die Fluidzuführungsleitung 416 in Verbindung steht. Die Zwischenkammer 412 ist außerdem selektiv in der Zwischenkammer 412 angeordnet und steht selektiv in Fluidverbindung mit dem Barrierefluid-Verteilernetzwerk sowie mit der äußeren Barrierebohrung 414, der Barrierekammer 422 und der Ausgangsbarrierefluidbohrung 234, die das Barrierefluid dem Untersystem 1540 zuführt.
Ähnlich dem Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 500 ist auch das Druckregelsystem 1500 gemäß der Erfindung vollständig innerhalb der Stopfbuchse angeordnet, und es ist ein rein dynamisches Fluidsystem, das gewählte Systemeindrücke, wie weiter unten beschrieben, einstellt. Das Fluidic-Rückkopplungssystem ist demgemäß ein kompaktes Regelsystem, das einen oder mehrere Systemdrücke einstellt und außerdem vollständig innerhalb der Stopfbuchse der mechanischen Dichtung untergebracht ist.
Im Betrieb steht das Prozessfluid vom Fluidgehäuse 11 in Verbindung mit der Eingangskammer 420 über das Prozessfluid-Verteilernetzwerk. Gemäß einer bevorzugten Praxis wird das Prozessfluid aus der Prozessfluidkammer 300 nach der Eingangskammer 420 über die Eingangsprozessdruckbohrung 421 oder über irgendeinen anderen geeigneten Kanal in der Dichtung und/oder der Stopfbuchse überführt, wodurch das Prozessfluid in die Eingangskammer 420 eintreten kann. Das Prozessfluid steht unter einem gegebenen Betriebsdruck. Das Prozessfluid in der Eingangsfluidkammer 420 übt einen Druck auf die Eingangsseite aus, d. h. auf die linke Seite des beweglichen Ventils 408. Außerdem übt die einstellbare Feder 406 einen Druck auf das bewegliche Ventil 408 aus. Die Kombination dieser beiden Drücke bildet den Eingangsdruck, der eine anfängliche Eingangsaxialkraft ausübt, die das bewegliche Ventil nach der Außenseite der Dichtung, d. h. nach rechts, vorspannt.
Die Barrierefluidquelle führt Barrierefluid dem Druckregeluntersystem 1530 und der mechanischen Dichtung über das Barrierefluid-Verteilernetzwerk zu. Gemäß einer Praxis wird das Barrierefluid aus der Barrierefluidquelle selektiv in einen Eingangszuführungskanal 234 und nach der Eingangszuführungskammer 422 und die Eingangsbohrung 416 und demgemäß in die Zwischenkammer 412 eingeführt. Das Barrierefluid wird dann selektiv der Ausgangskammer 410 und dem Barrierefluid-Verteilernetzwerk zugeführt, indem selektiv das bewegliche Ventil 408 zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung vorgespannt wird. Das Ventil 408 ist in der Schließstellung dargestellt. Insbesondere ist das Ventil 408 so angeordnet, dass es die Austrittsbarrierefluidbohrung 414 schließt und so die Zwischenkammer 412 von der Ausgangskammer 410 absperrt.
Das Prozessfluid in der Eingangsfluidkammer 420 übt einen Druck auf die Innenseite des beweglichen Ventils 408 aus. Außerdem übt die einstellbare Feder 406 einen Druck auf das bewegliche Ventil 408 aus. Die Kombination von diesen beiden Drücken bildet den Eingangsdruck, der eine anfängliche Eingangsaxialkraft ausübt, die das bewegliche Ventil 408 nach rechts vorspannt und demgemäß von der Schließstellung nach der Öffnungsstellung gelangt.
Wenn das Ventil in der Öffnungsstellung befindlich ist, strömt Barrierefluid von der Zwischenkammer 412 durch die Austrittsschließfluidbohrung 414 in die Ausgangskammern 424 und 410. Das Barrierefluid übt einen entgegengesetzten oder axial nach außen gerichteten Druck auf die rechte Seite des Differentialdruckventils 408 aus, um einen Ausgangsdruck in der Ausgangskammer 410 zu erzeugen. Wenn der Ausgangsdruck, der durch das Barrierefluid in der Ausgangskammer 410 ausgeübt wird, größer ist als die Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck in der Eingangskammer 420, dann bewegt sich das Differentialdruckventil 408 in die dargestellte Schließstellung zurück. Wenn das Barrierefluid-Verteilernetzwerk mit Barrierefluid aus der Fluidquelle gespeist wird, dann übt der Barrierefluiddruck in der Ausgangsfluidkammer 410 einen sich erhöhenden Druck in dieser Kammer aus. Wenn der Barrierefluiddruck in der Ausgangskammer 410 gleich ist der Summe der Drücke, die durch das Prozessfluid und die einstellbare Feder 406 ausgeübt wird oder größer ist als dieser Druck, dann wird das Differentialdruckventil in die dargestellte Schließstellung überführt, um die Barrierefluidzuführung von dem Ausgangsbarrierekanal 234 abzusperren. Das Barrierefluid innerhalb des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems wird demgemäß auf einen Pegel vorgespannt, der gleich ist der Summe der Drücke, die durch den Prozessdruck und den variablen Druck der Feder 406 ausgeübt wird oder höher ist als dieser. Der Fachmann erkennt, dass andere Druckanordnungen benutzt werden können, wobei das Barrierefluid-Verteilernetzwerk beispielsweise mit einem Druck beaufschlagt wird, der kleiner ist als der Prozessfluiddruck und/oder der Federdruck. Die Bewegung zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung ermöglicht es, dass die Zwischenkammer 412 und die Ausgangskammer 410 mit der Barrierefluidzuführung in Verbindung gebracht werden, so dass ein Fluidkanal zwischen der Barrierefluidzuführung und der äußeren Barrierefluidbohrung 414 geschaffen wird. Das Barrierefluid tritt dann durch den Ausgangsbarrierekanal nach dem übrigen Barrierefluid-Verteilernetzwerk und das Drucksystem 1500 aus.
Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 1500 kann außerdem Untersysteme aufweisen, um ein Schließfluid nach einem Schließfluid-Verteilernetzwerk zu überführen oder um ein Schließfluid von einem Schließfluid-Verteilernetzwerk zu entlüften. Diese Untersysteme umfassen meist die gleichen Komponenten wie das dargestellte Untersystem 1530 mit dem Unterschied der Prozessfluidbohrung 421 und der Barrierefluidbohrung 415. Die drei Untersysteme können demgemäß zusammen oder in jeder Kombination benutzt werden, um einen speziellen Fluiddruck einzustellen, der entweder direkt oder indirekt auf die Dichtungsflächen 18 und 20 einwirkt.
Die 9B und 9C veranschaulichen Untersysteme 1540 und 1550, die entweder einen Schließfluiddruck der mechanischen Dichtung zuführen oder einen Schließfluiddruck von dieser mechanischen Dichtung entlüften. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche Teile. Das Untersystem 1540 verbindet selektiv eine Schließfluidquelle (nicht dargestellt) mit dem Schließfluidvorspannsystem der Dichtung. Das Vorspannsystem übt eine Schließkraft auf die Rückseite der stationären Dichtung als Funktion des Druckes innerhalb des Barrierefluid-Verteilernetzwerkes und/oder des Barrierefluidvorspannsystems aus, z. B. des Druckes innerhalb der Axialbohrung 228 und der Nut 180.
Das dargestellte Untersystem 1540 weist auch ein bewegliches Differentialdruckventil 408 auf, das innerhalb einer Fluidleitung 441 in einer geeignet bemessenen Kammer innerhalb der Stopfbuchse 30 montiert ist. Das bewegliche Ventil 408 teilt die Kammer in eine Eingangssfluidkammer 420 und eine Ausgangsfluidkammer 410, wobei dazwischen eine Zwischenkammer 412 ausgebildet ist. Das Ventil 408 ist mit einer einstellbaren Feder 406 gekuppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 404 befestigt ist. Die dargestellte Schraube 404 und die Feder 406 sind den vorbeschriebenen identisch.
Das dargestellte Untersystem 1540 weist außerdem ein Schließfluid-Verteilemetzwerk auf, das eine Quelle mit Schließfluid (d. h. ein Barrierefluid oder ein Schließfluid oder ein sonstiges Fluid) mit dem stationären Dichtungsring 14 verbindet. Das Schließfluidverteilersystem übt eine axiale Schließvorspannkraft auf den stationären Dichtungsring aus, um die Spreizung zwischen den stationären und den rotierenden Dichtungsringen 14 und 16 einzustellen. Das Schließkraftverteilernetzwerk kann irgendeine geeignete Anordnung und Zahl von Fluidleitungen und Bohrungen aufweisen, die ein Schließfluid nach wenigstens einem der Dichtungsringe überführen, um die Spreizung dazwischen einzustellen. Insbesondere kann das dargestellte Netzwerk einen oder mehrere Eingangsschließfluidkanäle 460, die Eingangsschließfluidbohrung 416, die Zwischenkammer 412, die Ausgangsschließfluidbohrung 414, die Querschließfluidbohrung 444, die Schließfluidverbindungen 442 und 440 und die Schließfluidvorspannkammer 242 aufweisen.
Das Untersystem 1540 weist außerdem ein Barrierefluid-Verteilernetzwerk auf, um das Barrierefluid vom Untersystem 1530 mit der Eingangskammer 420 und der Nut 180 zu verbinden. Das Verteilernetzwerk kann ähnlich dem oben in Verbindung mit dem Untersystem 530 beschriebenen Netzwerk sein. Das Barrierefluid-Verteilernetzwerk kann deshalb geeignete Barrierefluidkanäle aufweisen, mit denen das Barrierefluid vom Untersystem 1530 mit der Eingangskammer 420 und dem Barrierefluidvorspannsystem, d. h. der Axialbohrung 228 und der Nut 180, verbunden ist. Das Barrierefluid-Verteilernetzwerk umfasst geeignete. Bohrungen und/oder Kammern, die in der Stopfbuchse ausgebildet sind, einschließlich dem Barrierefluidkanal 446, mit dem das Barrierefluid mit der Axialfluidbohrung 228 verbunden ist, die in dem stationären Dichtungsring und der Nut 180 ausgebildet ist.
Im Folgenden wird wiederum auf 9B Bezug genommen. Das bewegliche Ventil 408 ist alternativ zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung durch die Fluide innerhalb der Eingangskammer 420 und der Ausgangskammer 410 beweglich. Wenn beispielsweise die Dichtung im Betrieb ist, dann wird das Barrierefluid von denn Untersystem 1530 unter Druck gesetzt und füllt die Eingangskammer 420. Das Barrierefluid übt in Kombination mit der Feder 406 einen Druck auf eine Seite des beweglichen Ventils 408 aus, um das Ventil in eine seiner Stellungen zu überführen. Dieser Kraft wirkt die Schließkraft entgegen, die in die Ausgangskammer 410 eingeführt wird, wenn das Ventil in der Öffnungsstellung befindlich ist.
Wenn der Druck innerhalb der Eingangskammer 420 den Druck innerhalb der Ausgangskammer 410 übersteigt, dann spannt das Druckdifferential das Ventil 408 nach rechts aus der dargestellten Schließstellung in die Öffnungsstellung vor. Das Schließfluid aus der Fluidquelle tritt durch den Schließfluideingangskanal 460, die Kammer 422 und die Eingangsschließfluidbohrung 416 in die Zwischenkammer 412 ein. Von dort strömt das Schließfluid durch die Ausgangsschließfluidbohrung 414 in die Querschließfluidbohrung 444, die Kanalverbindung 442 und in den Schließfluidausgangskanal 440 und die Schließfluidkammer 242. Die Schließfluidkammer ist auf der Rückseite des stationären Dichtungsringes 14 derart angeordnet, dass sie auf den stationären Dichtungsring in vorbestimmter Weise einwirkt. Beispielsweise kann der Schließfluiddruck in der Axialkammer 242 so eingestellt werden, dass die Spreizung zwischen den Dichtungsflächen 18, 20 der Dichtungsringe eingestellt wird. Das System 1500 regelt demgemäß den Dichtungsleckstrom, basierend auf einem oder mehreren Dichtungsfluiddrücken.
Im Betrieb füllt sich die Eingangskammer 420 mit Barrierefluid, das durch das Untersystem 1530 unter Druck gesetzt wurde. Das Barrierefluid und die einstellbare Feder üben einen Druck auf die linke Seite des Ventils 408 von dem Eingangsdruck aus. Wenn der Druck in der Eingangskammer 420 den Druck in der Ausgangskammer 410 überschreitet, dann wird das Ventil 408 in die Öffnungsstellung vorgespannt. Wenn sich dieses Ventil in der Öffnungsstellung befindet, dann verbindet es strömungsmäßig die Schließfluidquelle mit der Ausgangsfluidbohrung 414 und der Zwischenkammer 412. Die Schließkraft wird dann mit der Schließfluidkammer 242 verbunden und wirkt auf den stationären Dichtungsring in einer vorbestimmtern Weise ein. Gleichzeitig füllt das Schließfluid in der Zwischenkammer 412 die Ausgangsschließfluidkammer 410 und übt einen Druck gegen die andere Seite, d. h. die rechte Seite des beweglichen Ventils 408 aus. Die durch das Schließfluid ausgeübte Kraft wirkt den Kräften entgegen die durch das Barrierefluid und die Feder 406 ausgeübt werden und spannt das bewegliche Ventil in seine Schließstellung zurück vor. Dabei wird die Schließfluidquelle von der Ausgangsschließfluidbohrung 414 abgesperrt. Insbesondere schließt das Flanschende des Ventils 408 die Bohrung 414 ab, um den Durchtritt von Schließfluid von der Zwischenkammer 412 nach dem übrigen Schließfluid-Verteilernetzwerk zu verhindern. Infolgedessen erzeugt das beschriebene Untersystem 1540 eine Schließfluidkraft, und diese ist eine Funktion von kombiniertem Federdruck und Barrierefluiddruck.
Das dargestellte Untersystem 1540 wird vorzugsweise benutzt, um den Schließfluiddruck als Funktion von Barrierefluiddruck und Prozessfluiddruck einzustellen, d. h. zu erhöhen. Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem regelt dadurch die Spaltdicke und den Leckstrom an den Dichtungsflächen. Das Untersystem 1540 kann in Verbindung mit dem ersten Untersystem 1530 benutzt werden, um ein vollständiges Fluidic-Dynamik-Druckregelsystem zu schaffen, das den Schließkraftdruck als Funktion des Barrierefluiddruckes regelt. Das Untersystem 1530 stellt den Barrierefluiddruck auf einen vorbestimmten Wert relativ zum Prozessfluiddruck und dem Federdruck ein und ist damit manuell einstellbar.
In 9C ist ein Entlüftungsuntersystem 1550 des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems gemäß der Erfindung dargestellt. Das Untersystem 1550 dient dazu, den Schließfluiddruck vom Regelsystem als Funktion des Barrierefluiddruckes zu entlüften. Gleiche Bezugszeichen entsprechen gleichen Teilen in der Figur. Das dargestellte Untersystem weist ein bewegliches Ventil 448 auf, das innerhalb der Stopfbuchsenkammer angeordnet ist. Die Kammer lagert die ringförmige Fluidleitung 441, die in vorbestimmter Weise eingebohrt ist, um eine Verbindung zwischen den Druckkanälen und Bohrungen des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems und der mechanischen Dichtung herzustellen. Das Ventil 448 ist mit der Einstellfeder 406 gekoppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 404 angreift.
Das dargestellte Untersystem 1550 weist außerdem ein Barrierefluid-Verteilernetzwerk auf, das Barrierefluid in die Eingangskammer 420 überführt, und es ist außerdem ein Schließfluid-Verteilernetzwerk vorgesehen, das in Fluidverbindung mit der Ausgangsfluidkammer 410 steht. Das Barrierefluid-Verteilernetzwerk ist ähnlich jenem, das oben beschrieben wurde. Das Schließfluid-Verteilernetzwerk enthält außerdem einen Entlüftungskanal 450, der in selektiver Strömungsverbindung mit der Ausgangskammer 410 steht. Die Entlüftungsöffnung schafft die Möglichkeit, dass das dargestellte Rückkopplungsuntersystem 1550 Schließfluiddruck aus dem Untersystem als Funktion des Barrierefluiddruckes entlüftet.
Das bewegliche Ventil 448 kann abwechselnd zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung durch den Barrierefluiddruck innerhalb der Eingangskammer 420 und dem Schließfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 eingestellt werden. Im Betrieb der Dichtung wird das Barrierefluid-Verteilernetzwerk durch das Untersystem 1530 (9A) unter Druck gesetzt, und die Eingangsbarrierefluidkammer 420 wird gefüllt. Das Barrierefluid und die Feder 406 üben einen Druck auf der einen Seite des beweglichen Ventils 448 aus und drücken das Ventil in eine der Ventilstellungen. Die Summe dieser beiden Drücke bildet den Eingangsdruck innerhalb der Kammer 420. Gleichzeitig steht das Schließfluid in dem Schließfluid-Verteilernetzwerk auf einem gegebenen Druck. Das Schließfluid von der Schließfluidquelle tritt in die Ausgangsschließfluidkammer 410 ein und übt einen Druck auf die andere Seite, d. h. die rechte Seite des Ventils 448 aus, um den Auslassdruck in der Kammer 410 zu erzeugen. Wenn der Schließfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 kleiner ist als der kombinierte Druck in der Einlasskammer 420, dann wird das bewegliche Ventil in die dargestellte Schließstellung überführt. Diese Druckanordnung verhindert ein Ablassen des Schließfluiddruckes aus dem Schließfluid-Verteilernetzwerk. Infolgedessen wird durch das Regelsystem der Anteil des Schließkraftdruckes nicht durch Entlüftung über den Auslass 450 vermindert.
Wenn der durch das Schließfluid in der Kammer 410 ausgeübte Druck größer ist als die Summe der Drücke von Barrierefluid und einstellbarer Feder 406, dann spannt die Druckdifferenz das Ventil 448 aus der Schließstellung nach rechts in die Öffnungsstellung vor. Dadurch kann das Schließfluid-Verteilemetzwerk Schließfluid nach dem Auslasskanal 450 in der Stopfbuchse 30 überführen. Das Schließfluidnetzwerk entlüftet Schließfluid in der Schließfluidkammer 242 und der Ausgangskammer 410 von der Dichtung. Das Untersystem 1550 überträgt Schließfluid in den Schließfluidkanälen 440, 442 und 444 mit der Ausgangskammer 410. Die Versetzung des beweglichen Ventils 448 in die Öffnungsstellung ermöglicht es dem Schließfluid, innerhalb der Kammer 410 durch den Entlüftungskanal 450 zu strömen. Diese Entlüftung des Schließfluids durch das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem ermöglicht eine Einstellung der Schließkraft, die der stationären Dichtung zugeführt wird. Wenn der Barrierefluiddruck abfällt, der dem abfallenden Prozessdruck entsprechen kann, dann braucht gemäß einer Praxis der Schließfluiddruck nicht eingestellt zu werden, um zu verhindern, dass das Schließfluidvorspannnetzwerk die Dichtungsflächen in Berührung miteinander bringt.
Wenn das System 1550 Schließfluid zurückführt, dann fällt der Schließfluiddruck innerhalb der Kammer 410 ab, bis er allgemein gleich wird der Summe von Barrierefluiddruck und einstellbarem Federdruck. Wenn dies geschieht, dann spannen die Systemdrücke das bewegliche Ventil 448 in die Schließstellung vor, um eine Fluidverbindung zwischen dem Entlüftungskanal 450 und dem übrigen Schließfluid-Verteilernetzwerk aufrecht zu erhalten.
Die obigen Untersysteme 1530, 1540 und 1550 werden vorzugsweise zusammen benutzt und in der Stopfbuchse 30 der mechanischen Dichtung eingebaut. In Kombination bilden die Untersysteme ein vollständiges Fluidic-Druck-Rückkopplungssystem 1500, das einen oder mehrere Drücke der mechanischen Dichtung als Funktion eines Dichtungsdruckes oder mehrerer Dichtungsdrücke regelt.
Die 14A und 14B sind schematische Ablaufdiagramme der Betriebsmethodologie der Untersysteme 1530, 1540 und 1550 gemäß 9A bis 9C. Diese drei Prozesse, die in diesen Figuren beschrieben sind, sind sämtlich kontinuierliche Prozesse und sie können parallel zueinander gleichzeitig oder aufeinanderfolgend benutzt werden.
14A veranschaulicht das Verfahren der Einstellung eines ersten Zwischendruckfluiddruckes auf einem Wert relativ zum Prozessdruck. Im Schritt 810 wird das Prozessfluid in das Prozessfluid-Verteilernetzwerk eingeführt. Insbesondere wird Prozessfluid in die Eingangskammer 420 von der Prozessfluidkammer über den Prozessfluidkanal 421 eingeführt. Der Prozessfluiddruck innerhalb der Eingangskammer 420 bildet zusammen mit der Kraft, die durch die einstellbare Feder 406 erzeugt wird, den Eingangsdruck des Untersystems 1530. Die Barrierefluidquelle führt Barrierefluid in die Dichtung ein und erzeugt den gewählten Zwischenfluiddruck in der Ausgangsfluidkammer 410. In den Schritten 820 und 830 wird der Eingangsdruck mit dem Zwischenfluiddruck in der Ausgangsfluidkammer 410 verglichen. Wenn der Zwischenfluiddruck größer oder gleich dem Druck in der Eingangskammer 420 ist, dann stellt das Druckregeluntersystem das Ventil in die Schließstellung oder hält es in dieser, und das Fluidic-System überwacht weiterhin Änderungen dieses Druckausgleiches. Dies wird durch den Rückkopplungsschritt 835 demonstriert. Wenn der Zwischenfluiddruck niedriger ist als die Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck in der Kammer 420, dann wird im Schritt 840 das bewegliche Ventil 408 in die Öffnungsstellung vorgespannt, um die Barrierefluidquelle mit dem Barrierefluid-Verteilernetzwerk zu verbinden. Die Quelle leitet Barrierefluid nach dem Barrierefluid-Verteilernetzwerk, wie im Schritt 850 dargestellt. Insbesondere wird von der Quelle Barrierefluid der Ausgangskammer über die Eingangsbarrierefluidbohrung 416 und die Axialbohrung 228 und die Nut 180 über den Ausgangsbarrierekanal 402 zugeführt.
In den Schritten 860 und 870 wird der Zwischenbarrierefluiddruck in der Ausgangskammer 410 wiederum mit dem Fluiddruck innerhalb der Eingangskammer 420 verglichen. Wenn der Fluiddruck in der Ausgangskammer 410 kleiner ist als der Druck innerhalb der Eingangskammer 420, dann wird das Ventil in der Öffnungsstellung gehalten oder in dieser vorgespannt und das Barrierefluid wird kontinuierlich dem Barrierefluidnetzwerk zugeführt. Dies ist im Rückkopplungsschritt 875 dargestellt. Wenn der Zwischenbarrierefluiddruck größer ist als der Druck in der Eingangskammer 420, dann wird das bewegliche Ventil 408 in die Schließstellung vorgespannt, um das Barrierefluid-Verteilernetzwerk von der Fluidquelle zu trennen.
14B veranschaulicht das Verfahren der Einstellung des Schließfluids auf einen gewählten Wert relativ zum Druckdifferential zwischen dem Barrierefluiddruck und dem Prozessfluiddruck, wie dies oben unter Bezugnahme auf das Untersystem 1530 beschrieben wurde. Dies wird erreicht, indem entweder Schließfluid zugeführt oder Schließfluid aus dem Schließfluid-Verteilemetzwerk abgelassen wird. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schließfluidquelle die gleiche wie die Barrierefluidquelle. Das dargestellte Ablaufdiagramm zeigt die Arbeitsweise der Untersysteme 1540 und 1550 und des Fluidic-Rückkopplungs-Druckgegelsystems 1500.
In den Schritten 970 und 980 werden Fluiddruck und Federdruck innerhalb der Eingangskammer 420 mit dem Schließfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 verglichen. Wenn der Schließfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 kleiner ist als die Summe von Barrierefluiddruck und Federdruck, dann wird das Ventil nach rechts in die Öffnungsstellung vorgespannt, um die Schließfluidquelle mit dem Schließfluid-Verteilernetzwerk zu verbinden, wie dies im Schritt 990 dargestellt ist. Das Schließfluid, das dem System zugeführt wird, strömt von der Zwischenkammer 412 nach der Ausgangsschließfluidbohrung 414, dem Querkanal 444, der Kanalverbindung 442 und dem Schließfluidkanal 440 und nach der Schließfluidkammer 242. Im Schritt 1000 wird Fluid dem Schließfluid-Verteilemetzwerk zugeführt, und im Schritt 1010 wird der Schließfluiddruck mit dem Druck innerhalb der Eingangskammer 420 verglichen. Wenn der Schließfluiddruck kleiner ist als der Eingangsdruck, wird Schließfluid kontinuierlich dem Schließkraftfluid-Verteilernetzwerk zugeführt, wie dies durch den Rückkopplungsschritt 1025 dargestellt ist. Wenn der Schließfluiddruck größer oder gleich dem Barrierefluiddruck plus zweitem Federdruck ist, dann wird, wie im Schritt 1030 dargestellt, das bewegliche Ventil 408 nach links in die dargestellte Schließstellung vorgespannt, um das Schließfluid-Verteilernetzwerk von der Schließfluidquelle abzusperren. Das System kehrt dann in den Betriebszustand zurück, in dem die Systemdrücke vom Schritt 970 überwacht werden, wie dies im Rückkopplungsschritt 1035 dargestellt ist.
Nun wird wiederum auf Schritt 980 Bezug genommen. Wenn der Schließfluiddruck innerhalb der Eingangskammer 420 größer ist als die Summe von Prozessfluiddruck und Federdruck, dann benutzt das Fluidic-Rückkopplungssystem das Untersystem 1550, um selektiv Schließfluid aus dem System zu entlüften. Wie im Schritt 1040 beschrieben, wird das bewegliche Ventil 448 in die Öffnungsstellung vorgespannt, um das Schließfluid-Verteilernetzwerk mit der Schließfluidentlüftungsöffnung 450 zu verbinden. Dies geschieht, da der Druck innerhalb der Eingangskammer 420 niedriger ist als der Druck in der Ausgangskammer. Das resultierende Druckdifferential spannt das Ventil 448 von der Schließstellung in die Öffnungsstellung vor. Das System entlüftet Schließfluid aus dem System 1500, um zu vermeiden, dass die Dichtungsstirnflächen innerhalb eines gewählten Abstandes voneinander gedrückt werden und insbesondere, um zu vermeiden, dass die Dichtungsstirnflächen in Berührung miteinander kommen.
Im Schritt 1050 wird das Schließfluid aus dem Schließfluid-Verteilernetzwerk entfernt, und im Schritt 1060 wird der Barrierefluiddruck innerhalb der Eingangskammer 420 mit dem Druck in der Ausgangskammer 410 verglichen. Wenn der Schließfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 größer ist als die Summe von Barrierefluiddruck und dem zweiten Federdruck, dann wird das Fluid weiter aus dem Schließfluid-Verteilernetzwerk entfernt, wie dies durch den Rückkopplungsschritt 1075 dargestellt ist. Wenn der Schließfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 kleiner ist als der Gesamteinlassdruck oder gleich ist dem Gesamteinlassdruck, dann wird, wie im Schritt 1080 angegeben, das bewegliche Ventil 448 in die Schließstellung vorgespannt, um die Schließfluidentlüftungsöffnung von dem Schließfluid-Verteilernetzwerk abzusperren. Das System kehrt dann in den Zustand zurück, in dem die Systemdrücke überwacht werden (Schritt 970), wie dies im Rückkopplungsschritt 1085 angedeutet ist.
Der Fachmann erkennt, dass die Federspannung im Betrieb in gewisser Weise eingestellt werden kann. Insbesondere können die Einstellpunkte für das Untersystem 1540 und 1550 in einem gewählten gegenseitigen Abstand angeordnet werden, um eine Zone oder einen Bereich zu schaffen, wo keine Aktion (z. B. Ventilbewegung) stattfindet. Beispielsweise ist der Einstellpunkt zum Hinzufügen von Schließfluid nach dem System niedriger als der Einstellpunkt, um entweder das Einführen des Schließfluids zu verhindern oder Schließfluid vom System zu entlüften. Solange der Prozessfluiddruck stabil ist, wird demgemäß der eingestellte Bereich so gewählt, dass nichts geschieht.
Die 10A und 10B veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems nach der Erfindung. Das dargestellte Regelsystem 715 benutzt eine Membran 702 als bewegliches Ventil. Das System benutzt außerdem vorzugsweise zwei Untersysteme, nämlich ein Untersystem 717, das Kanäle 703 und 706 benutzt und ein Untersystem 719, das Kanäle 704 und 708 benutzt. Das Untersystem 717 baut vorzugsweise den Eingangsbarrierefluiddruck mit einem gewählten Wert relativ zum Prozessfluiddruck auf einen gewählten Wert auf, entsprechend der Feder 406. Das Untersystem 719 arbeitet vorzugsweise so, dass entweder Schließfluid zugesetzt wird oder Schließfluid vom System entlüftet wird. Die Arbeitsweise und Funktion des dargestellten Druckregelsystems 715 ist ähnlich dem Rückkopplungsregelsystem der Ausführungsbeispiele gemäß 4 bis 6B und 9A bis 9C. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in diesen Figuren gleiche Teile.
Die Stopfbuchse 30 ist so angebohrt, dass zwei Kammern 407A und 407B geschaffen werden, die axial im Abstand längs der Achse 727 voneinander distanziert sind. Die Kammern stehen selektiv in Fluidverbindung miteinander. Die Membran 702 ist so bemessen und dimensioniert, dass sie innerhalb der Kammer 407A angeordnet werden kann und sie teilt die Kammer in eine Eingangsfluidkammer 420 und eine Ausgangsfluidkammer 410. Die Membran 700 weist einen Balgabschnitt 702A und einen axial verlaufenden Spindelabschnitt 702B auf, der eine zentrale Bohrung 702C aufweist, die nach beiden Enden offen ist.
Die dargestellte Membran 702 ist mit einer Feder 406 gekoppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 404 festgelegt ist. Die Schraube 404 weist einen Kopfabschnitt 404A auf, der längs der inneren Oberfläche der Stopfbuchse begrenzt zugänglich angeordnet ist. Ein O-Ring 405 ist über dem Kopf 404A in einer Nut angeordnet, um eine Fluiddichtung zwischen der äußeren Umgebung und der Kammer 407A herzustellen. Durch die Schraube kann die Spannung der Feder variabel eingestellt werden, um entweder die Spannung zu erhöhen oder zu vermindern, und deshalb kann der resultierende Druck der Feder eingestellt werden, wodurch gleichzeitig der Druck innerhalb der Eingangskammer 420 eingestellt wird. Die Schraube 404 und die Feder 406 wirken demgemäß in Kombination miteinander, um den anfänglichen oder den eingestellten Druckpunkt in dem dargestellten Druckregelsystem 715 festzulegen. Die begrenzt zugängliche Stelle der Schraube verhindert, dass eine Bedienungsperson die Federspannung verstellt, die auf eine gewählte Spannung fabrikatorisch eingestellt ist. Der Fachmann erkennt auch, dass die manuell einstellbare Schraube 404 längs der äußeren Oberfläche der Stopfbuchse angeordnet sein kann.
Die Schraube 404 und die Feder 406 erstrecken sich in die Eingangsfluidkammer 420 von der inneren Oberfläche der Stopfbuchse 30 aus. Die Eingangsfluidkammer 420 steht mit einem Prozessfluid-Verteilemetzwerk in Verbindung, damit das Prozessfluid der Dichtung hiermit in Verbindung stehen kann. Das Prozessfluid-Verteilernetzwerk des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems kann geeignete Prozessfluidkammern in der mechanischen Dichtung oder um diese herum aufweisen, wie beispielsweise eine Prozessfluidkammer 300 und einen Eingangsprozessfluidkanal 703, der das Prozessfluid von der Kammer 300 mit der Eingangsfluidkammer 420 verbindet. Für den Fachmann ist es klar, dass das Prozessfluid-Verteilernetzwerk jene Ansammlung innerer Bohrungen und Kanäle aufweisen kann, die innerhalb der Stopfbuchse liegen, damit das Prozessfluid mit dem beweglichen Ventil wählbar in Verbindung steht. Das Regelsystem kann auch Kupplungen außerhalb der Stopfbuchse aufweisen, um Systemfluide mit jeweiligen Abschnitten oder Komponenten des Systems zu verbinden. Beispielsweise können äußere Fluidleitungen mit der Stopfbuchse verbunden werden, um Prozessfluid vom Fluidgehäuse nach der Eingangsprozessfluidbohrung 703 zu überführen. Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann die Stopfbuchse innen ausgebohrt sein, damit Prozessfluid mit der Prozessfluidbohrung vollständig innerhalb der Stopfbuchse in Verbindung stehen kann ohne Benutzung äußerer Fluidkupplungen.
Nunmehr wird wieder auf 10A Bezug genommen. Die Stopfbuchsenkammer 407B ist axial vor der Kammer 407A längs der Achse 727 angeordnet und öffnet sich vorzugsweise nach der äußeren Oberfläche 30B der Stopfbuchse. Die Kammer steht weiterhin auf einer Seite mit dem Eingangsfluidzuführungskanal 234 in Verbindung. Die Kammer 407B lagert einen aus Schraube und Feder bestehenden Aufbau 728. Der dargestellte Aufbau 728 weist eine Schraube 731 auf, die die Kammeröffnung bedeckt und gegen die äußere Oberfläche der Stopfbuchse sitzt. Die Schraube hat einen Kopfteil 731A und einen axial nach innen stehenden Körperteil 731B. Die Unterseite des Kopfes 731A lagert einen O-Ring 733 in einer entsprechenden Nut, um eine Fluiddichtung zwischen der Schraube und der Kammer 407B herzustellen. Der Körperteil 731B der Schraube besitzt eine Bohrung, die ein Ende einer Feder 714 aufnimmt, deren anderes Ende mit einer axial innen montierten Zwischenplatte 712 in Verbindung steht. Das Federende, das dem Schraubenkopf gegenüberliegt, ist in einer Öffnung montiert, die in der Platte ausgeformt ist. Die gegenüberliegende Seite oder die Rückseite der Platte 712 ruht auf einem elastomeren Körper 721, der selektiv in einem Sitz 716 ruht, der zwischen den Kammern 407A und 407B ausgebildet ist. Die Platte 712 kann alternativ zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung durch gewählte Fluidkräfte und mechanische Kräfte verstellt werden. Wenn der Aufbau 728 in der dargestellten Schließstellung befindlich ist, dann greift der elastomere Körper 721 am Lagersitz 716 an, um die Kammer 407B von der äußeren Kammer 410 abzusperren. Wenn der Aufbau 728 in der Öffnungsstellung befindlich ist, dann kommt der elastomere Körper 721 von dem Sitz 716 frei, so dass das Fluid von der Quelle durch die Kammer 407B in die Ausgangskammer 410 strömen kann.
Nunmehr wird weiter auf 10B Bezug genommen. Die axiale Spindel 702B hat ein äußeres Ende, das in einer geschlossenen Position gegen den elastomeren Körper 721 ruht. Wenn in Öffnungsstellung befindlich, dann kommt die Spindel von dem elastomeren Körper 721 frei, so dass die Ausgangskammer 410 mit der Eingangskammer 420 über die zentrale Bohrung 702C der Spindel in Verbindung steht.
Bei dem zuerst veranschaulichten Untersystem 717 ist die Eingangsfluidkammer 420 strömungsmäßig mit dem Prozessfluid-Verteilernetzwerk verbunden, und insbesondere ist es mit der Prozessfluidkammer 300 über die Prozessfluidbohrung 703 verbunden. Die Ausgangsfluidkammer 410 ist strömungsmäßig mit dem Fluidverteilernetzwerk über die Barrierefluidbohrung 706 und die Bohrung 228 und die Nut 180 verbunden. Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem gemäß der Erfindung umfasst ein Barrierefluid-Verteilernetzwerk, das das Barrierefluid von einer Barrierefluidquelle nach der Membran und/oder dem Barrierefluidvorspannnetzwerk strömungsmäßig verbindet. Das Barrierefluid-Verteilernetzwerk umfasst vorzugsweise geeignete Bohrungen und/oder Kammern innerhalb der Stopfbuchse, die Barrierefluid von der Fluidquelle nach der mechanischen Dichtung und in gleicher Weise nach dem vorbeschriebenen Verteilemetzwerk leiten. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Barrierefluideingang einen Kanal 234, eine Kammer 407B, den Kanal, der um die Spindel 702B ausgebildet ist, die Ausgangskammer 410 und den Ausgangsbarrierefluidkanal und wahlweise jene Komponenten des Barrierefluidvorspannsystems der mechanischen Dichtung. Beispielsweise umfasst das Barrierefluidvorspannsystem die axiale Fluidbohrung 228, die im stationären Dichtungsring ausgebildet ist und die Nut 180.
Im Betrieb steht das Prozessfluid von dem Fluidgehäuse mit der Eingangskammer 407 über den Eingangsprozessdruckkanal 703 und irgendwelche weiteren Kanäle innerhalb der Dichtung und/oder innerhalb der Stopfbuchse in Verbindung, die es dem Prozessfluid ermöglichen, nach der Eingangskammer 420 zu gelangen. Das Prozessfluid steht auf einem gegebenen Betriebsdruck. Das Prozessfluid in der Eingangsfluidkammer 420 übt einen Druck auf die Eingangsseite, d. h. die linke Seite der Membran 702 aus. Zusätzlich übt die einstellbare Feder 406 einen Druck auf die Membran 702 aus. Die Kombination dieser beiden Kräfte oder Drücke bildet den Eingangsdruck, der eine anfängliche axiale Eingangskraft erzeugt, die die Membran nach rechts vorspannt.
Das Barrierefluid von der Barrierefluidquelle (nicht dargestellt) wird dem Regelsystem 715 und der mechanischen Dichtung über das Barrierefluid-Verteilernetzwerk zugeführt. Gemäß einer Praxis wird das Barrierefluid von der Barrierefluidquelle selektiv dem Eingangszuführungskanal 234 und der Kammer 407B zugeführt. Die Position der Platte 712 und des elastomeren Körpers 721 bestimmt, ob das Barrierefluid in die Ausgangskammer 410 eingeführt wird. Das Barrierefluid, das nunmehr in der Ausgangsfluidkammer 410 befindlich ist, übt eine entgegengesetzte und axial nach innen gerichtete Kraft gegen die rechte Seite der Membran 702 aus, um den Ausgangsdruck zu erzeugen.
Wenn der Eingangsdruck, der durch das Prozessfluid und die Feder 406 ausgeübt wird, größer ist als der Barrierefluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410, bewegt sich die Membran 702 nach rechts und die Spindel 702B erfasst den elastomeren Körper 721. Wenn das Druckdifferential zwischen der Eingangskammer und der Ausgangskammer groß genug ist, dann verschiebt die Spindel den elastomeren Körper 721 von dem Sitz 716 weg. Dadurch wird die Platte 712 in eine Öffnungsstellung überführt, um die Fluidquelle und die Kammer 407B mit der Eingangskammer 410 zu verbinden. Das Barrierefluid strömt dann von dort nach dem Ausgangsbarrierefluidkanal 706 und in die Axialbohrung 228 und die Nut 180 ein.
Wenn sich das Barrierefluid-Verteilernetzwerk mit Barrierefluid aus der Quelle füllt, dann übt der Barrierefluiddruck in der Ausgangsfluidkammer 410 zunehmend einen Druck auf die Membran 702 aus, um diese in Gegenrichtung zu drücken. Wenn der Barrierefluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 die Summe der Drücke überschreitet, die durch das Prozessfluid und die einstellbare Feder 406 ausgeübt werden, dann wird die Membran 702 nach links bewegt. Die Feder 714 und die Platte 712 drücken in Kombination mit dem Barrierefluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 den elastomeren Körper 721 zurück auf den Sitz 716. Diese bewegen den Kranz zurück in eine Schließstellung, um die Fluidzufuhr von der Ausgangskammer 410 abzusperren. Das Barrierefluid innerhalb des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems 715 wird daher unter einen Druck gesetzt, der gleich ungefähr der Summe von Prozessdruck und wählbarem Druck der Feder 406 ist. Daher wird das Barrierefluid innerhalb der Ausgangskammer 410 auf einen Druckwert angehoben, der über dem Druck des Prozessfluids steht, und zwar um einen Betrag, der der Spannung oder dem Druck der Feder 406 entspricht. Zusätzlich zeigt die Notwendigkeit eines Ansteigens des Barrierefluiddruckes innerhalb der Ausgangskammer 410 allgemein einen niedrigen Barrieredruck an den Dichtungsoberflächen an, und so droht eine Berührung der Dichtungsstirnflächen. Ein Zusatz von Barrierefluid nach den Dichtungsflächen über die Axialbohrung 228 und die Nut 180 setzt den Spalt an den Dichtungsflächen unter Druck und trennt diese Dichtungsstirnflächen voneinander.
Wenn der Druck innerhalb der Eingangskammer 420 derart absinkt, dass der Druck innerhalb der Eingangskammer 420 niedriger ist als der Druck in der Ausgangskammer, dann bewirkt das System eine Kompensation durch Ausgleich der Drücke innerhalb der beiden Kammern (wie dies in 1B dargestellt ist). Der höhere Druck innerhalb der Ausgangskammer erzeugt ein Druckdifferential, das die Membran 702 nach links vorspannt. Diese Bewegung kann die Spindel 702B aus ihrem Passeingriff mit dem elastomeren Körper 721 trennen, so dass die Ausgangskammer 410 strömungsmäßig mit der Eingangskammer 420 über die Spindelbohrung 702C verbunden wird. Der höhere Barrierefluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 drückt das Fluid aus der Ausgangskammer durch die Bohrung und in die Eingangskammer 420, wie dies durch die ausgezogenen Pfeile 729 dargestellt ist. Dies geschieht, bis die Drücke innerhalb der beiden Kammern derart sind, dass die Spindel 702B wieder an dem elastomeren Körper 721 angreift, um die Fluidverbindung zwischen Eingangskammer und Ausgangskammer zu unterbrechen.
Im Folgenden wird wiederum auf 10A Bezug genommen. In dem zweiten Untersystem 719 ist die Eingangskammer 420 strömungsmäßig mit dem Barrierefluid-Verteilernetzwerk verbunden, und sie ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Bohrung 228 und der Nut 180 über die Eingangsfluidbohrung 708 verbunden. Die Ausgangsfluidkammer 410 ist strömungsmäßig an das Schließfluid-Verteilernetzwerk durch den Ausgangsschließfluidkanal 704 verbunden. Das Untersystem 719 kann ein getrenntes System sein, das innerhalb der Stopfbuchse angeordnet ist. Gemäß der zeichnerischen Darstellung ist es jedoch über das Untersystem 717 gefügt, damit dies besser verständlich wird. Die übrigen Komponenten und die Arbeitsweise des Untersystems 719 sind im Wesentlichen gleich, wie dies in Verbindung mit dem Untersystem 717 beschrieben wurde.
Im Betrieb füllt Barrierefluid vom Barrierefluid-Verteilernetzwerk die Eingangskammer 420 und übt einen Druck gegen die Membran 702 von der linken Seite der Membran auf diese aus. Die einstellbare Feder 406 übt ebenfalls einen Druck gegen die linke Seite der Membran 702 aus, und die Summe dieser beiden Drücke definiert den Eingangskammerdruck des Untersystems 719. Das Schließfluid-Verteilernetzwerk setzt die Ausgangskammer 410 mit Schließfluid von einer Schließfluidquelle (nicht dargestellt) unter Druck und steht in Fluidverbindung mit dem stationären Dichtungsring 14 über den Ausgangsfluidkanal 704 und die Schließfluidkammer 242. Das Schließfluid-Verteilemetzwerk übt einen Druck gegen die rechte Seite der Membran 702 aus und definiert so in Verbindung mit dem aus Schraube und Feder bestehenden Aufbau 728 den Ausgangsdruck des Untersystems 719. Das Schließfluid-Verteilernetzwerk spannt den stationären Dichtungsring relativ zu dem rotierenden Dichtungsring vor, um den Trennspalt zwischen den beiden Dichtungsstirnringflächen einzustellen.
Wenn der Barrierefluiddruck in der Eingangskammer 420 größer ist als der Druck innerhalb der Ausgangskammer 410, dann hebt die Spindel 702B den elastomeren Körper 721 von der Sitzfläche 716 ab und verbindet strömungsmäßig die Kammer 407B mit der Ausgangskammer 410. Die Schließfluidquelle führt Fluid in die Kammern 407B und 410 ein, die dann in den Ausgangsschließfluidkanal 704 und die Schließfluidkammer 242 strömt. Die Bewegung des Schließfluids von der Ausgangskammer in die Schließfluidkammer 242 erhöht die axiale Schließkraft, die auf die Rückseite des stationären Dichtungsringes ausgeübt wird. Die erhöhte Schließkraft spannt den Stator nach dem Rotor vor, wodurch die Spaltweite zwischen den Dichtungsflächen verringert wird und dadurch der Dichtungsleckstrom abnimmt.
Wenn der Schließfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 ansteigt, dann wird die Membran 702 nach links versetzt und der elastomere Körper 721 der Platte 712 greift an der Sitzfläche 716 an und verhindert eine weitere Strömungsverbindung zwischen der Kammer 407B und der Ausgangsfluidkammer 410. Wenn der Druck innerhalb der Ausgangskammer 410 den Druck innerhalb der Eingangskammer 420 übersteigt, dann bewegt der Schließfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 die Membran 702 nach links. Diese Bewegung trennt die Spindel 702B von dem elastomeren Körper 721, wodurch die Ausgangskammer 410 strömungsmäßig mit der Eingangskammer 420 über die Spindelbohrung 702C verbunden wird. Der höhere Schließfluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 drückt Fluid von der Ausgangskammer durch die Bohrung in die Eingangskammer 420. Dies geschieht, bis der Druck in den beiden Kammern ausgeglichen ist und die Spindel 702B wiederum an dem elastomeren Körper 721 angreift.
Die 15A und 15B beschreiben das Verfahren, mit dem das System unter Druck gesetzt und der Fluiddruck in einer gewählten Kammer auf einem gewählten Wert relativ zu dem Druck innerhalb der Eingangskammer gehalten wird. Im Schritt 1100 führt das Prozessfluid-Verteilernetzwerk Prozessfluid in die Eingangskammer 420 und in Kombination mit dem Druck, der durch die Feder 406 ausgeübt wird, bildet sich der Eingangsdruck des Untersystems 717. Dann wird die Ausgangskammer 410 mit Barrierefluid unter Druck gesetzt, das mit dem Barrierefluidvorspannsystem strömungsmäßig in Verbindung steht, wie dies oben beschrieben wurde. Der durch das Prozessfluid und die Feder in der Eingangskammer 420 erzeugte Druck wird dann mit dem Druck des Barrierefluids innerhalb der Ausgangskammer 410 verglichen. Wenn der Barrierefluiddruck kleiner ist als der Druck innerhalb der Eingangskammer (dies geschieht z. B. wenn die Dichtungsflächen relativ dicht aneinander liegen), dann bewegt sich die Membran 702 nach rechts. Die Spindel 702B drückt die Platte 712 nach rechts, wodurch die Barrierequelle 234 und die Kammer 407B in Fluidverbindung mit der Ausgangskammer 410 gelangen. Das Barrierefluid strömt dann von der Ausgangskammer 410 durch den Ausgangsbarrierefluidkanal 706 in die Axialbohrung 228 und die Nut 180. Das Barrierefluid setzt die Bohrung und die Nut unter Druck und bewirkt eine selektive Trennung der Dichtungsstirnringflächen voneinander. Dies ist in den Schritten 1100 bis 1120 dargestellt.
Wie in den Schritten 1130 bis 1140 dargestellt, vergleicht das System 715 dann den Eingangsdruck mit dem Ausgangsdruck, und wenn der Barrierefluiddruck immer noch kleiner ist als der Druck innerhalb der Eingangskammer 420, dann führt das System weiter Barrierefluid ein. Wenn der Barrierefluiddruck etwa gleich ist dem Eingangsdruck oder höher ist als dieser, dann bewegt sich die Membran nach links. Der aus Feder und Platte bestehende Aufbau, der in der Kammer 407B angeordnet ist, spannt dann den elastomeren Körper 721 auf die Dichtungsfläche 716 vor, um die Barrierefluidzufuhr aus der Ausgangskammer 410 abzusperren.
Nunmehr wird wiederum auf den Schritt 1100 Bezug genommen. Wenn der Barrierefluiddruck größer ist als der Eingangsdruck, dann bewegt sich die Membran 702 nach links. In den Schritten 1145 und 1150 löst sich die Spindel 702B von der Platte und der Sitzfläche und setzt die Zentralbohrung 702C dem Eingangsdruck an einem Ende und dem Ausgangsdruck am anderen Ende aus. Das unter höherem Druck stehende Barrierefluid innerhalb der Ausgangskammer 410 strömt dann durch die Zentralbohrung 702C in die Eingangskammer 420. Dieses Verfahren setzt sich fort, bis der Druck in den beiden Kammern allgemein ausgeglichen ist. Dann bewegt sich die Membran 702 nach rechts, und die Spindel trifft den elastomeren Körper 721, um die Fluidverbindung zwischen den beiden Kammern 410 und 420 abzusperren.
15B beschreibt das Arbeitsverfahren des Untersystems 719 des Systems 715. Nachdem das Barrierefluid in das Barrierefluid-Verteilernetzwerk eingeführt ist, bewirkt das Untersystem 719 eine Einführung des Barrierefluids in das Netzwerk. Das Barrierefluidvorspannsystem führt dann Barrierefluid in die Eingangskammer 420 durch den Eingangskammerkanal 708 ein. Das Barrierefluid füllt die Kammer und definiert in Kombination mit der Feder 406 einen Eingangsdruck auf der Eingangsseite der Membran 702, wie dies im Schritt 1155 dargestellt ist. Es wird Schließfluid in das Schließkraftfluid-Verteilernetzwerk von einer Schließfluidquelle eingeführt. Bei dem dargestellten Untersystem 719 wirkt die Fluidquelle auch als Schließfluidquelle. Das Schließfluid, das in der Ausgangskammer 410 enthalten ist, definiert den Ausgangskammerdruck.
Im Schritt 1160 wird der Schließfluiddruck oder der Auslassdruck innerhalb der Ausgangskammer 410 mit dem Eingangsdruck verglichen, und wenn der Schließkraftfluiddruck kleiner ist als die Summe von Barrierefluiddruck und einstellbarem Federdruck (wie im Schritt 1165 beschrieben), dann bewegt sich die Membran 702 nach rechts. Die Spindel 702B hebt die Platte vom Sitz 716 ab. Dadurch wird die Schließfluidquelle in Strömungsverbindung mit der Ausgangskammer 410 gesetzt. Wie in den Schritten 1170 und 1175 beschrieben, wird das Schließfluid dem Schließkraftfluid-Verteilernetzwerk zugeführt und insbesondere der Ausgangskammer 410 und der Kammer 242. Das Schließfluid innerhalb der zwei Kammern spannt den Stator nach dem Rotor vor, um die Spaltweite zwischen den Dichtungsstirnflächen einzustellen.
Im Schritt 1185 und 1187 wird die Membran in einer Stellung gehalten, in der das Schließfluid-Verteilernetzwerk mit der Schließfluidquelle in Verbindung steht, wenn der Schließfluiddruck niedriger ist als die Summe von Barrierefluiddruck und einstellbarem Federdruck. Wenn der Ausgangsdruck größer ist als der Eingangsdruck, dann wird, wie aus Schritt 1190 ersichtlich, die Membran 702 nach links bewegt, um das Schließkraftfluid-Verteilernetzwerk von der Schließkraftfluidquelle abzusperren.
Es wird wiederum auf den Schritt 1165 Bezug genommen. Wenn der Ausgang oder der Schließfluiddruck größer ist als der Eingangsdruck, dann wird im Schritt 2000 die Membran nach links bewegt. Die Spindel 702B wird von der Platte 712 getrennt, um strömungsmäßig die Ausgangskammer 410 mit der Eingangskammer über eine Entlüftungsöffnung, beispielsweise die Membranzentralöffnung 702C, zu verbinden. Das Schließfluid wird aus dem Schließfluid-Verteilernetzwerk entfernt, wie dies in den Schritten 2005 und 2010 dargestellt ist, und der Ausgangsdruck in der Ausgangskammer wird wiederum mit dem Eingangsdruck verglichen. Die Abführung von Schließfluid aus dem Schließfluidnetzwerk vermindert die axiale Vorspannschließkraft auf den Stator. Der Stator kann, auf diese Weise an einer gewählten Stelle gehalten werden oder die Spaltweite kann aufgeweitet werden, um speziellen Dichtungsbetriebserfordernissen Rechnung zu tragen. Wenn der Dichtungsleckstrom niedrig ist, dann stellt das System den Schließfluiddruck innerhalb des Systems ein oder erhält diesen aufrecht, um zu verhindern, dass die Dichtungsstirnflächen in gegenseitige Berührung kommen.
Es wird auf die Schritte 2015 und 2025 Bezug genommen. Wenn der Schließfluiddruck größer ist als die Summe von Barrierefluiddruck und einstellbarem Federdruck, dann verbindet die Membran weiter das Schließfluid-Verteilernetzwerk mit der Fluidentlüftungsöffnung. Wenn der Ausgangsdruck niedriger ist als der Einlassdruck, dann wird, wie in Schritt 2020 dargestellt, die Membran 702 nach rechts gedrückt und die Spindel wird wieder auf die Platte 712 gesetzt. Durch diese Anordnung wird das Schließfluid-Verteilernetzwerk von der Fluidentlüftungsöffnung abgesperrt.
Das dargestellte Ausführungbeispiel 715 arbeitet derart, dass dann, wenn ein Ansteigen des Prozessfluiddruckes oder des Barrierefluiddruckes erfolgt, der Schließdruck ansteigt. Dabei bewegt der erhöhte Prozessdruck die Membran nach rechts; um zusätzlich Barrierefluid dem System zuzuführen. Der erhöhte Barrierefluiddruck erzeugt ein Ansteigen des Eingangsdruckes im Untersystem 719, wodurch die Membran in jenem Untersystem nach rechts vorgespannt wird. Dadurch wird die Schließfluidquelle mit dem Schließfluid-Verteilernetzwerk verbunden, und dies erhöht die Schließkraft, die dem Stator angelegt wird.
Wenn umgekehrt der Prozessfluiddruck oder der Barrierefluiddruck absinkt, dann wird das Barrierefluid in der Ausgangskammer des Untersystems 717 in die Eingangskammer entlüftet. Der Barrierefluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 410 des Untersystems 719 fällt entsprechend. Der Eingangsdruck fällt unter den Ausgangsdruck und drückt die Membran nach links. Das Schließfluid innerhalb des Schließfluidsystems wird durch die Mittelbohrung 702C und in die Eingangskammer 420 entlüftet. Dies führt zu einem Abfallen des Schließfluiddruckes innerhalb der Schließfluidkammer 242 und zu einem entsprechenden Abfall der axialen Schließkraft, die auf den Stator ausgeübt wird. Dann wird der Spalt entweder vergrößert oder in einer gewählten Stellung gehalten.
Ein beträchtlicher Vorteil des dargestellten Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems besteht darin, dass ein im Wesentlichen vollständiges dynamisches Fluidrückkopplungssystem benutzt werden kann, um eine Steuerung oder Regelung des Druckes von einem Dichtungsfluid oder mehreren in gewählter Weise durchzuführen, um die Spaltweite zwischen den Dichtungsringen einzustellen und demgemäß den Leckstrom zu steuern. Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem gemäß der Erfindung benutzt demgemäß einen Systemdruck, um den Leckstrom über die Dichtungsflächen zu steuern. Das dynamische System ermöglicht es, dass die Dichtung unter einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen arbeitet, wobei gleichzeitig ein Rückkopplungssystem Anwendung findet, das kompakt ist und vorzugsweise vollständig innerhalb der Stopfbuchse der mechanischen Dichtung angeordnet ist.
Die 16 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems 1300, welches geeignet ist zur Benutzung in Verbindung mit der dargestellten konzentrischen Dichtung. Zahlreiche Dichtungskomponenten sind ähnlich jenen, die oben beschrieben wurden, und deshalb wurden gleiche Bezugszeichen angewandt. Demgemäß sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen in den 16 und 17 dargestellt.
Das dargestellte Rückkopplungssystem 1300 wird vorzugsweise benutzt, um ein Systemfluid, basierend auf dem Druck eines anderen Systemfluids, zu regeln. Demgemäß wird anfänglich der Barrierefluiddruck auf einen gewählten Wert relativ zum Prozessdruck durch einen gewählten Wert entsprechend einem Federwert eingestellt. Der Barrieredruck wird dann als Systemausgangsregelfluid benutzt, das als Systemfluidsensor wirkt, um selektiv ein Schließfluid dem System 400 hinzuzufügen. Das regulierte Schließfluid entspricht dem Schließfluid, welches in dem Schließfluidvorspannsystem enthalten ist, das oben beschrieben wurde.
Das dargestellte Rückkopplungssystem 1300 ist vorzugsweise so bemessen und dimensioniert, dass es innerhalb der inneren und äußeren Stopfbuchsenplatten 34 und 36 angeordnet werden kann. Das System ist mit der dargestellten Abdichtung gekuppelt. Der stationäre Dichtungsring 14 weist eine Axialbohrung 228 auf, die an einem Ende mit der stationären Dichtungsstirnfläche 18 und mit dem anderen Ende mit einer Barrierefluidquelle in Verbindung steht. Der rotierende Dichtungsring 16 besitzt eine Pumpnut 180, die darin ausgebildet ist und die direkt in Strömungsverbindung mit der Axialbohrung 228 steht. Die Nut und die Axialbohrung leiten ein Barrierefluid direkt auf die Dichtungsflächen, zwischen denen eine hydrodynamische Hubkraft erzeugt wird, die die Stirnflächen voneinander abhebt, um dazwischen einen Spalt zu bilden.
Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 1300 benutzt ein bewegliches Differentialdruckventil 408, das innerhalb einer geeignet bemessenen Kammer innerhalb der Stopfbuchsen 34 und 36 angeordnet ist. Das bewegliche Ventil 408 kann in verschiedener Weise ausgebildet sein, und zwar beispielsweise, ohne hierauf beschränkt zu sein, als Spulenventil, als Wechselventil, als Tellerventil, als Nadelventil, als Membranventil, als Balgventil oder ähnliche bewegliche Ventile, die in der Lage sind, ein Druckfluid zu leiten oder abzusperren. Die Kammer lagert eine ringförmige Fluidleitung 414, die in vorbestimmter Weise eingebohrt ist, um eine Verbindung zwischen den verschiedenen Druckkanälen und Bohrungen des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems herzustellen. Die dargestellte Fluidleitung 414 besitzt eine Mittelbohrung, die als Sitz für das bewegliche Ventil 408 dient. Die Bohrung ist etwas größer bemessen als der äußere Durchmesser des beweglichen Ventils, damit eine freie Axialbewegung des Ventils innerhalb der Bohrung zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung stattfinden kann. Die Fluidleitung 414 weist mehrere radial verlaufende Fluidbohrungen 410 und 412 auf, um die Leitung selektiv mit einem speziellen Druckfluid der Stopfbuchsenkammer zu verbinden. Dichtungsstrukturen, beispielsweise O-Ringe 422 und 424, sind innerhalb der Nuten angeordnet, die in der äußeren Oberfläche der Leitung ausgebildet sind, um eine Druckverbindung und eine Fluidverbindung zwischen den Innenwänden der Kammer und bestimmten Abschnitten der Fluidleitung 414 herzustellen.
Das bewegliche Ventil 408 teilt die Kammer in eine Eingangsfluidkammer 402 und eine Ausgangsfluidkammer 404, wobei eine Zwischenkammer 413 zwischen den Flanschendabschnitten des Ventils vorgesehen ist. Das Ventil 408 ist mit einer einstellbaren Feder 404 gekuppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 406 festgelegt ist. Die dargestellte einstellbare Schraube 406 ist an einer beschränkt zugänglichen Stelle angeordnet, um das Personal daran zu hindern, unerlaubte Eingriffe in die Federspannung gegenüber der fabrikatorisch voreingestellten Stellung vorzunehmen. Falls erforderlich, kann der Systemoperator die Federspannung einstellen, indem er die Schraube zugänglich macht und dann in vorbestimmter Weise dreht. Die Schraube 406 und die Feder 404 wirken so in Kombination, um einen Anfangsdruck oder einen eingestellten Druck für das dargestellte Druckregeluntersystem 400 zu schaffen.
Die Schraube 406 und die Feder 404 erstrecken sich von der inneren Oberfläche der Stopfbuchse in die Eingangsfluidkammer 402. Die Eingangsfluidkammer 402 kann mit einem Prozessfluid-Verteilernetzwerk in Verbindung stehen, damit Prozessfluid der Dichtung mit der Einlassregelkammer 402 in Verbindung steht. Das Prozessfluid-Verteilernetzwerk des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems 400 kann unter anderen Strukturen geeignete Prozessfluidkammern aufweisen, die innerhalb oder außerhalb der mechanischen Dichtung angeordnet sind, wie z. B. eine Prozessfluidkammer 290 und eine Prozessfluidbohrung 421 (strichliert dargestellt), die das Prozessfluid von der Kammer 290 mit der Eingangsfluidkammer 402 verbinden. Der Fachmann erkennt, dass das Prozessfluid-Verteilernetzwerk jene Ansammlung innerer Bohrungen und Kanäle aufweisen kann, die innerhalb der Stopfbuchse angeordnet sind, damit das Prozessfluid, falls erforderlich, in vorbestimmter Weise mit dem beweglichen Ventil 408 zusammenwirken kann. Das Regelsystem kann auch Kupplungen außerhalb der Stopfbuchse aufweisen, um eine Verbindung der Systemfluide mit speziellen Teilen oder Komponenten des Systems herzustellen. Beispielsweise können die äußeren Fluidleitungen mit der Stopfbuchse verbunden werden, um das Prozessfluid von dem Fluidgehäuse nach der Eingangsprozessfluidbohrung 421 zu überführen.
Weiter wird auf 16 Bezug genommen. Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem 1300 kann auch ein Barrierefluid-Verteilernetzwerk aufweisen, das das Barrierefluid von einer Hochdruckbarrierefluidquelle (nicht dargestellt) mit einer Fluidleitung 414 verbindet. Das Barrierefluid-Verteilernetzwerk kann geeignete Barrierefluidkanäle aufweisen, die das Barrierefluid von der Stopfbuchsenkammer nach einem anderen Teil der Dichtung gelangen lässt, einschließlich nach dem Barrierefluidvorspannsystem, d. h. der Axialbohrung 228 und der Nut 180 und mit anderen Rückkopplungssystemen, die innerhalb der Stopfbuchse angeordnet werden können und mit anderen Fluidkanälen und Bohrungen, beispielsweise einer Fluidzuführung 420 und Barrierekanälen 430. Das bewegliche Ventil 408 definiert eine Zwischenkammer oder einen Kanal 413, der mit einer Barrierefluidquelle über eine Eingangszuführungsbohrung 420 und eine Eingangskammerbohrung 410 in Verbindung stehen kann. Die Zwischenkammer 413 ist ebenso selektiv in Fluidverbindung mit dem Barrierefluid-Verteilernetzwerk über die Ausgangsbarrierebohrungen 412 und 240.
Im Betrieb steht das Prozessfluid vom Gehäuse 11 mit der Eingangskammer 402 über das Prozessfluid-Verteilernetzwerk in Verbindung. Gemäß einer Praxis wird das Prozessfluid von der Prozesskammer 290 nach der Eingangskammer 402 über die Eingangsprozessdruckbohrung 421 überführt. Das Prozessfluid steht unter einem gegebenen Betriebsdruck. Das Prozessfluid in der Eingangsfluidkammer 402 übt einen Druck auf die Eingangsseite, d. h. die linke Seite des beweglichen Ventils 408 aus. Außerdem übt die einstellbare Feder 404 einen Druck auf das bewegliche Ventil 408 aus. Die Kombination dieser beiden Kräfte oder Drücke bildet einen Eingangsdruck, der eine anfängliche Eingangsaxialkraft ausübt, die das bewegliche Ventil 408 nach rechts vorspannt.
Die Barrierefluidquelle führt das Barrierefluid dem Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem und der mechanischen Dichtung über das Barrierefluid-Verteilemetzwerk zu. Das Barrierefluid von der Barrierefluidquelle wird selektiv über den Eingangszuführungskanal 420 der Eingangsbarrierebohrung 410 und der Zwischenkammer 413 zugeführt. Dann wird das Barrierefluid selektiv in die Ausgangskammer 404 eingeführt, indem selektiv das bewegliche Ventil 408 zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung bewegt wird. Das Ventil 408 ist in Schließstellung dargestellt.
Das in der Ausgangsfluidkammer 404 befindliche Barrierefluid übt einen entgegengesetzten oder einen axial nach innen gerichteten Druck gegen die rechte Seite des beweglichen Ventils 408 aus, um einen Auslassdruck zu erzeugen. Wenn der Auslassdruck, der durch das Barrierefluid ausgeübt wird, kleiner ist als die Summe von Prozessfluiddruck und einstellbarem Federdruck, dann bewegt sich das Differentialdruckventil 408 nach rechts in die Öffnungsstellung. Dadurch wird die Zwischenkammer 413 mit der Ausgangsbarrierebohrung 412 in Verbindung gebracht, um einen Strömungspfad von der Barrierefluidquelle durch die Fluidzuführungsleitung nach der Ausgangsfluidleitung 412 zu schaffen. Das Barrierefluid strömt dann durch den Kanal 420 in die Axialbohrung 228 und demgemäß nach dem übrigen Barriereströmungsverteilungsnetz. Der Kanal 240 setzt die Schließkammer 280 unter Druck.
Wenn das Barrierefluid-Verteilernetzwerk sich aus der Zuführungsquelle mit Barrierefluid füllt, dann steigt der Barrierefluiddruck in der Ausgangsfluidkammer 404 an, bis sich die Drücke ausgleichen oder die Summe der Drücke übersteigen, die durch das Prozessfluid und die einstellbare Feder 404 ausgeübt werden. Wenn dies geschieht, wird das Ventil 408 in die dargestellte Schließstellung überführt, um die Barrierefluidquelle von dem Ausgangsbarrierekanal 240 abzusperren. Das Barrierefluid innerhalb des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems wird daher auf einen Wert angehoben, der etwa gleich ist der Summe der Drücke, die von dem Prozessdruck und dem variablen Druck der Feder 406 ausgeübt werden.
Das dargestellte System 1300 kann weiter ein Untersystem aufweisen, um das Schließfluid von dem Schließfluidnetzwerk zu entlüften. Das Untersystem kann zum größten Teil die gleichen Komponenten wie das beschriebene Untersystem 400 aufweisen, mit Ausnahme der Prozessfluidbohrung 421 und der Barrierefluidbohrung 240. Das Untersystem kann so zusammen oder in Kombination einen bestimmten Fluiddruck steuern, der entweder direkt oder indirekt auf die Dichtungsstirnflächen 18 und 20 wirkt. Das dargestellte Untersystem 400 kann auch benutzt werden, um selektiv eine Schließfluidquelle (nicht dargestellt) mit dem Schließkräftvorspannsystem der Dichtung unabhängig von dem Barrierefluidsystem zu verbinden. Das Schließfluidsystem übt eine Schließkraft auf die Rückseite der stationären Dichtung als Funktion des Druckes innerhalb des Barrierefluid-Verteilernetzwerks und/oder des Barrierefluidvorspannsystems aus, z. B. auf die Axialbohrung 228 und die Nut 180.
Das Schließfluid-Verteilernetzwerk des Untersystems verbindet die Quelle von Schließfluid mit dem stationären Dichtungsring 14. Das Schließfluidnetzwerk übt eine axiale Schließvorspannungskraft auf den Dichtungsring 14 aus, um die Trennung zwischen dem stationären und dem rotierenden Dichtungsring 14, 16 einzustellen oder zu regeln. Das Schließfluid-Verteilemetzwerk kann irgendeine geeignete Anordnung und Zahl von Fluidleitungen und Bohrungen aufweisen, die das Fluid wenigstens einem der Dichtungsringe zuführen, um die Spreizung zwischen diesen Ringen einzustellen. Insbesondere kann das dargestellte Netzwerk einen oder mehrere der folgenden Kanäle aufweisen: Eingangsschließkraft-Zuführungskanal 420, Eingangsschließfluidbohrung 410, Zwischenkammer 413, Ausgangsschließfluidbohrung 412, Schließfluidkanal 240 und Schließfluidkammer 280. In dem dargestellten System 1300 benutzen das Barrierefluidsystem und das Schließfluidverteilersystem zahlreiche der Kanäle oder Bohrungen gemeinsam. Infolgedessen kann eine bestimmte und systemkonforme Reihe von Strömungsverbindungskanälen benutzt werden, um gleichzeitig das Barrierefluidsystem und das Schließfluidnetzwerk mit Druck zu beaufschlagen. Gemäß einer bevorzugten Praxis kann das Schließfluid irgendein geeignetes Barrierefluid sein.
17 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems 1300 gemäß 16. Das dargestellte System 1400 benutzt eine Membran D als bewegliches Ventil. Gemäß einer Praxis bringt das System 401 vorzugsweise den Eingangsbarrierefluiddruck auf einen gewählten Wert relativ zum Prozessfluiddruck und dem Druck, der durch die Feder 554 ausgeübt wird, während gleichzeitig ein Schließfluid dem System zugeführt wird. Die Arbeitsweise und Funktion des veranschaulichten Systems ist ähnlich der Arbeitsweise des Rückkopplungsregelsystems 1300 gemäß 16. Gleiche Bezugszeichen sind daher für gleiche Teile in den Figuren benutzt.
Die Stopfbuchsenplatten 34 und 36 sind angebohrt, um zwei Kammern 470 und 471 zu bilden, die axial im Abstand zueinander liegen. Die Kammern sind selektiv in Fluidverbindung miteinander angeordnet. Die Membran D ist so bemessen und dimensioniert, dass sie innerhalb der Kammer 470 angeordnet werden kann und die Kammer in eine Eingangsfluidkammer 402 und eine Ausgangsfluidkammer 404 unterteilt. Die Membran D weist einen Balgabschnitt 480 und eine axial verlaufende Spindel 481 auf, die eine Zentralbohrung besitzt, die an beiden Enden offen ist. Die dargestellte Membran D ist mit einer Feder 454 gekoppelt, von der ein Ende an einer manuell einstellbaren Schraube 456 befestigt ist. Die Schraube 456 weist einen Kopfabschnitt 456A auf, der entlang der inneren Oberfläche der Stopfbuchse an einer beschränkt zugänglichen Stelle angeordnet ist. Ein O-Ring 457 lagert über dem Kopf 456A in einer Nut, um eine Fluiddichtung zwischen der äußeren Umgebung und der Kammer 470 herzustellen. Die Schraube stellt variabel die Spannung der Feder ein, um entweder die Spannung zu erhöhen oder zu vermindern und um dadurch entweder den Druck der Feder zu vergrößern oder zu verkleinern, während gleichzeitig der Druck innerhalb der Eingangskammer 402 angehoben wird. Die Schraube 456 und die Feder 454 wirken so in Kombination, um die anfänglichen oder eingestellten Drücke in dem dargestellten Druckregeluntersystem 401 zu definieren. Die begrenzt zugängliche Stelle der Schraube verhindert, dass ein Systemoperator die Federspannung falsch einstellt, die fabrikatorisch vorher auf einen bestimmten Wert eingestellt ist. Der Fachmann erkennt, dass die manuell einstellbare Schraube 456 längs der äußeren Oberfläche der Stopfbuchse montiert sein kann.
Die Schraube 456 und die Feder 454 erstrecken sich in die Eingangsfluidkammer 402 von der axial inneren Oberfläche der innen Stopfbuchsenplatte 34 her. Die Eingangsfluidkammer 402 steht mit einem Prozessfluid-Verteilernetzwerk in Verbindung, damit Prozessfluid der Dichtung mit der Eingangskammer 402 in Verbindung stehen kann. Das Prozessfluid-Verteilernetzwerk des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems kann geeignete Prozessfluidkammern aufweisen, die innerhalb oder außerhalb der mechanischen Dichtung angeordnet sind. Beispielsweise kann eine Prozessfluidkammer 290 und ein strichliert dargestellter Prozessfluidkanal vorgesehen sein, die mit dem Prozessfluid aus der Kammer 290 und der Eingangsfluidkammer 402 in Verbindung stehen. Der Fachmann erkennt, dass das Prozessfluid-Verteilernetzwerk eine geeignete Ansammlung von inneren Bohrungen und Kanälen aufweisen kann, die innerhalb der Stopfbuchse angeordnet sind und die Möglichkeit schaffen, dass das Prozessfluid mit der Membran auf bestimmte Weise in Verbindung steht. Das Regelsystem kann außerdem Kupplungen außerhalb der Stopfbuchse aufweisen, die Systemfluide mit bestimmten Abschnitten oder Komponenten des Systems verbinden. Beispielsweise können äußere Fluidleitungen an die Stopfbuchse angeschlossen werden, um das Prozessfluid von dem Fluidgehäuse nach der Eingangsprozessfluidbohrung 462 zu übertragen. Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann die Stopfbuchse innen ausgebohrt sein, damit das Prozessfluid in Verbindung mit der Prozessfluidbohrung vollständig innerhalb der Stopfbuchse liegen kann, ohne dass äußere Fluidkupplungen erforderlich sind.
Die Kammer 471 ist axial außerhalb der Kammer 470 angeordnet. Die Kammer 471 steht außerdem mit einer Seite des Eingangsfluidzuführungskanals 420 in Verbindung. Die Kammer 471 lagert einen Federvorspannaufbau 469 mit einer Feder 472, einer Zwischenplatte 473 mit U-förmigem Querschnitt und einem festen ringförmigen Dichtungsstopfen 474. Ein Ende der Feder 472 sitzt im axial äußersten Abschnitt der Kammer 471 und das andere Ende sitzt in einer Ausnehmung, die in der Platte 473 ausgebildet ist. Die Zwischenplatte 473 besitzt eine Dichtungsfläche 473A, die an einer Dichtungsfläche 475 anstößt, die an einem Ende des Dichtungsstopfens 474 angeordnet ist. Der Dichtungsstopfen 474 besitzt eine Ringnut, die einen O-Ring 476 lagert, der eine Fluiddichtung zwischen den Kammern 470 und 471 herstellt. Der Stopfen hat vorzugsweise einen Schulterabschnitt 477, der in einer Passnut sitzt, welche in der Kammerwand ausgebildet ist, um starr und fest den Stopfen 474 zu halten. Der Stopfen besitzt eine Zentralbohrung 477, die so bemessen ist, dass gleitbar ein Spindelabschnitt 481 der Membran D gelagert wird. Der Stopfen verhindert, dass Fluid, welches der Kammer 471 vom Fluidkanal 420 zugeführt wird, mit der Ausgangskammer 404 in Verbindung steht, wenn die Platte in inniger Berührung mit dem Sitz 475 steht.
Die dargestellte Zwischenplatte 473 ist abwechselnd durch gewählte Fluidkräfte und mechanische Kräfte zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung beweglich. Wenn der Vorspannfederaufbau 469 in der dargestellten Schließstellung befindlich ist, dann berührt die Dichtungsoberfläche 473A dichtend die Dichtungsoberfläche 475 des Stopfens 474. In dieser Lage wird verhindert, dass Fluid in der Kammer 471 mit der Ausgangskammer 404 in Verbindung kommt. Wenn der Aufbau 469 in der Öffnungsstellung befindlich ist, dann liegt die Platte 473 axial im Abstand vom Stopfen 474 und ermöglicht eine Fluidströmung innerhalb der Kammer 471 durch die Zentralbohrung 477 in die Ausgangskammer 404.
Es wird weiter auf 17 Bezug genommen. Die axiale Spindel 481 besitzt ein äußeres Ende, das in Schließstellung gegen die Dichtungsoberfläche 473A der Zwischenplatte 473 anliegt. In der Öffnungsstellung kommt die Spindel von der Dichtungsoberfläche 473A frei, so dass Fluid in die Ausgangskammer 404 strömen kann, die mit der Kammer 402 über die Zentralbohrung der Spindel in Verbindung steht.
Bei dem dargestellten System 1400 ist die Eingangsfluidkammer 402 strömungsmäßig mit der Prozessfluidkammer 290 über eine Prozessfluidbohrung 462 verbunden. Die Ausgangsfluidkammer 404 ist strömungsmäßig mit dem Barrierefluid-Verteilernetzwerk verbunden und mit dem Schließfluidnetzwerk über die Fluidbohrung 240. Das Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystem nach der Erfindung umfasst ein Barrierefluid-Verteilernetzwerk, das das Barrierefluid von einer Hochdruckbarrierefluidquelle mit der Membran und/oder dem Barrierefluidvorspannnetzwerk verbindet. Außerdem umfasst das System ein Schließfluidnetzwerk, welches ein Schließfluid, beispielsweise ein Barrierefluid, mit der Schließfluidkammer 280 verbindet.
Im Betrieb gelangt das Prozessfluid vom Fluidgehäuse mit der Eingangskammer 402 über den Eingangsprozessdruckkanal 462 und irgendeinen geeignet ausgebildeten Kanal innerhalb der Dichtung und/oder der Stopfbuchse in Verbindung, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, dass das Prozessfluid in die Eingangskammer 402 eintritt. Das Prozessfluid steht unter einem gegebenen Betriebsdruck. Das Prozessfluid in der Eingangsfluidkammer 402 übt einen Druck auf die Innenseite, z. B. die linke linke Seite der Membran D aus: Außerdem übt die einstellbare Feder 454 einen Druck auf die Membran D aus. Die Kombination dieser beiden Druckkräfte bildet den Eingangsdruck, wodurch eine anfängliche Eingangsaxialkraft ausgeübt wird, die die Membran nach rechts vorspannt.
Das Barrierefluid von der Barriere/Schließfluidquelle (nicht dargestellt) wird dem Regelsystem 401 und der mechanischen Dichtung 16 über das Barrierefluid-Verteilernetzwerk zugeführt. Gemäß einer Praxis wird das Barrierefluid von der Barrierefluidquelle selektiv dem Rückkopplungssystem zugeführt und insbesondere der Ausgangskammer 404 über die Speisebohrung 420. Infolgedessen bestimmt die Lage der Zwischenplatte 473, ob Barrierefluid in die Ausgangskammer 404 eingeführt wird. Das Barrierefluid, das in der Ausgangsfluidkammer 404 angeordnet ist, übt einen entgegengesetzten axial nach innen gerichteten Druck gegen die rechte Seite der Membran D aus, um einen Ausgangsdruck zu erzeugen.
Wenn der Eingangsdruck, der durch das Prozessfluid und die Feder 406 ausgeübt wird, größer ist als der Ausgangsdruck innerhalb der Ausgangskammer 404, dann bewegt sich die Membran D nach rechts und die Spindel 481 hebt die Plattenoberfläche 473A von der Dichtungsfläche 475 ab. Die Fluidquelle führt Barrierefluid in die Kammer 471 ein, die dann durch die Zentralbohrung 477 des Stopfens 474 nach der Ausgangskammer 404 strömt. Das Barrierefluid tritt dann von dort in den Ausgangskanal 240 und in die Axialbohrung 228 und in die Kammer 280 ein.
Nunmehr wird wieder auf 17 Bezug genommen. Wenn das Barrierefluid-Verteilernetzwerk sich mit Barrierefluid aus der Quelle füllt, dann übt der Barrierefluiddruck in der Ausgangsfluidkammer 404 zunehmend einen Druck auf die Membran D aus, um diese in Gegenrichtung zu drücken, z. B. nach links. Wenn der Barrierefluiddruck innerhalb der Ausgangskammer 404 etwa gleich der Summe der Drücke ist, die durch das Prozessfluid und die einstellbare Feder 454 ausgeübt werden, dann wird die Membran D nach links bewegt. Die Feder 472 und die Zwischenplatte 473 drücken in Kombination mit dem Barrierefluiddruck innerhalb der Kammer 471 die Plattendichtungsoberfläche 473A zurück in Berührung mit dem Sitz 475, wodurch die Fluidzufuhr von der Ausgangskammer 404 abgesperrt wird. Das Barrierefluid innerhalb des Fluidic-Rückkopplungs-Druckregelsystems 1400 wird so auf einen Druckwert angehoben, der etwa gleich ist der Summe der Drücke, die durch den Prozessdruck und den wählbaren Druck der Feder 454 ausgeübt werden. Demgemäß wird das Barrierefluid innerhalb der Ausgangskammer 404 auf einen Druckwert angehoben, der über dem Druck des Prozessfluids liegt, und zwar mit einem Überdruck, der der Spannung oder dem Druck der Feder 454 entspricht. Dem Fachmann wird klar, dass ein Ansteigen des Barrierefluiddruckes innerhalb der Ausgangskammer 404 einen niedrigen Barrieredruck an den Dichtungsflächen anzeigt und so eine Berührung der Dichtungsstirnflächen verhindert. Der Zusatz von Barrierefluid nach den Dichtungsstirnflächen über die Axialbohrung 228 und die Nut 180 setzt den Spalt an den Dichtungsstirnflächen unter Druck, wodurch die Dichtungsstirnflächen gespreizt werden.
Es ist ersichtlich, dass die Erfindung in wirksamer Weise die in der vorstehenden Beschreibung genannten Aufgaben löst. Es können gewisse Änderungen der oben beschriebenen Konstruktionen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, d. h. es sollen alle Maßnahmen, die in der obigen Beschreibung niedergelegt und in der Zeichnung dargestellt sind, nur als beispielhaft und nicht beschränkend interpretiert werden.
Es ist auch klar, dass die folgenden Ansprüche die allgemeinen und speziellen Merkmale der Erfindung, wie sie hier beschrieben wurden, umfassen sollen und ebenfalls alle Feststellungen hinsichtlich der Erläuterung der Erfindung, wie sie sprachlich erläutert wurden, sollen in den Rahmen der Erfindung fallen.
Nachdem nunmehr die Erfindung beschrieben wurde, soll in den Ansprüchen der Schutzumfang des Patentes festgelegt werden.

Claims

Mechanische Gleitringdichtung (10) zur Fluiddichtung zwischen einem Gehäuse (11) und einer drehbaren Welle (12) mit den folgenden Merkmalen: ein erster Dichtungsring (16) mit einer ersten Dichtungsstimfläche (20) und ein zweiter Dichtungsring (14) mit einer zweiten Dichtungsstirnfläche (18), wobei die erste und die zweite Dichtungsstirnfläche (20, 18) im zusammengebauten Zustand gegenüberliegen und der eine Dichtungsring (16), nämlich der erste Dichtungsring (16) oder der zweite Dichtungsring (14) mit der Welle umläuft, während der andere Dichtungsring (14), nämlich der erste Dichtungsring (16) oder der zweite Dichtungsring (14) gegen Drehung gesichert ist, ein Stopfbüchsengehäuse (30), welches so bemessen ist, dass es um wenigstens einen der Dichtungsringe (14, 16) herumgreift und mechanisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist, wobei die Stopfbüchse eine darin befindliche Bohrung (102) aufweist, und ein allgemeines Fluidic-Rückkopplungsdruck-Regelsystem (500), das so bemessen und dimensioniert ist, dass es allgemein primär innerhalb der Bohrung (102) der Stopfbüchse (30) montiert ist, wobei das Fludic-Rückkopplungsdruck-Regelsystem (500) derart eingerichtet ist, dass ein gewählter Druck innerhalb der Dichtung im Betrieb geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidic-Rückkopplungsdruck-Regelsystem ein bewegliches Ventil (408) aufweist, das so bemessen und dimensioniert ist, dass es innerhalb der Bohrung (102) in der Stopfbüchse (30) sitzt und den vorgewählten Druck regelt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidic-Rückkopplungsdruck-Regelsystem (500) die folgenden Teile umfasst: ein Sperrfluid-Verteiler-Netzwerk (228, 180, 420), das innerhalb wenigstens der Stopfbüchse ausgebildet ist, um ein Sperrfluid an die Dichtungsstirnflächen heranzuführen, und ein Schließfluid-Verteiler-Netzwerk (242, 440, 410), das innerhalb wenigstens der Stopfbüchse (30) ausgebildet ist, um ein Schließfluid nach der Rückseite eines der Dichtungsringe (14, 16) zu überführen, um den Ring in einer gewählten Richtung vorzuspannen.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Sperrfluid-Vorspann-Netzwerk (228) mit einem ersten Fluidkanal (230), der innerhalb des zweiten Dichtungsringes (14) ausgebildet ist und sich nach der zweiten Dichtungsstirnfläche (18) an einem Ende öffnet und selektiv in Strömungsverbindung mit einer Fluidquelle am anderen Ende steht, und mit einer Nut (180), die in der ersten Dichtungsstirnfläche (20) des ersten Dichtungsringes (16) ausgebildet ist und während des Betriebes in Strömungsverbindung mit dem Fluidkanal (228) steht.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen zweiten Fluidkanal (232), der innerhalb des zweiten Dichtungsringes (14) ausgebildet ist und sich an einem Ende nach der zweiten Dichtungsstirnfläche (18) hin öffnet.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen dritten Fluidkanal, der innerhalb der Stopfbüchse (30) ausgebildet ist und mit der Kammer und dem zweiten Fluidkanal in Verbindung steht, um das erste Fluid dort hin auszutragen.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 3, 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Ausgangs-Fluidkanal innerhalb der Stopfbüchse (30), der so angeordnet ist, dass er mit der Kammer in Verbindung steht, um selektiv das erste Fluid nach einem anderen Teil des Systems auszutragen.
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch einen ersten Fluidkanal, der innerhalb der Stopfbüchse (30) ausgebildet ist, um ein erstes Fluid in die Kammer (185) zu überführen, wobei ein zweiter Fluidkanal (233) innerhalb der Stopfbüchse ausgebildet ist und mit der Kammer (185) und mit dem ersten Dichtungsring (16) oder dem zweiten Dichtungsring (14) in Verbindung steht, um das erste Fluid dort hin auszutragen, wobei das Ventil (408) zwischen einer Öffnungsstellung, in der das erste Fluid in die Kammer (185) durch den ersten Fluidkanal eingeführt wird und einer Schließstellung beweglich ist, in der das Fluid am Eintritt in die Kammer (185) durch den ersten Fluidkanal gehindert ist.
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch eine zylindrische Fluidleitung (441), die innerhalb der Kammer und um das bewegliche Ventil (408) angeordnet ist, um das erste Fluid nach der Dichtung zu überführen und bei der fakultativ die Fluidleitung (441) eine erste und eine zweite Fluidbohrung darinnen aufweist, von denen die eine in Strömungsverbindung mit dem ersten Fluidkanal steht und wobei fakultativ die andere Fluidbohrung mit einem dritten Kanal in Verbindung steht, der das erste Fluid nach einem anderen Teil der Dichtung überführt.
Mechanische Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Ventil (408) innerhalb einer Kammer (407) sitzt, die durch die Bohrung innerhalb der Stopfbüchse definiert ist, wobei das bewegliche Ventil die Stopfbüchse in eine Eingangskammer (420) und eine Ausgangskammer (410) unterteilt und das Fluidic-Rückkopplungsdruck-Regelsystem (500) folgende Teile aufweist: einen Prozessfluidkanal (421), der innerhalb der Stopfbüchse ausgebildet ist und ein Prozessfluid aus dem Fluidgehäuse nach der Eingangskammer (420) überführt, einen ersten Sperrfluidkanal (418), der innerhalb der Stopfbüchse ausgebildet ist und in Strömungsverbindung mit der Ausgangskammer (410) liegt, um eine Sperrflüssigkeit dort hin zu überführen, und einen zweiten Sperrfluidkanal (440), der innerhalb der Stopfbüchse ausgebildet ist und in Strömungsverbindung mit der Stopfbüchsenkammer steht, um selektiv das Sperrfluid von dort im Betrieb nach einem weiteren Teil der mechanischen Dichtung zu überführen, wobei das Ventil (408) alternativ zwischen einer Schließstellung, in der das Sperrfluid an einem Eintritt in den zweiten Sperrfluidkanal gehindert ist und einer Öffnungsstellung beweglich ist, um eine Sperrflüssigkeit durch die Zwischenkammer (412) in den zweiten Sperrfluidkanal einzuleiten.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Ventil (408) außerdem eine Zwischenkammer (412) zwischen der Eingangskammer (420) und der Ausgangskammer (410) definiert und dass der zweite Sperrfluidkanal (424, 234, 402) selektiv mit der Zwischenkammer (412) in Verbindung steht.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdruck in der Eingangskammer (420) einen Eingangsdruck definiert und das Sperrfluid in der Ausgangskammer (410) einen Ausgangsdruck definiert, wobei die Differenz zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck das bewegliche Ventil (408) in die Öffnungsstellung oder in die Schließstellung überführt, und wobei fakultativ dann, wenn der Eingangsdruck größer ist als der Ausgangsdruck, die Differenz der Drücke das Ventil (408) in die Schließstellung überführt, während dann, wenn der Eingangsdruck kleiner ist als der Ausgangsdruck, die Differenz im Druck das Ventil (408) in die Öffnungsstellung schaltet.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 9, 10 oder 11, gekennzeichnet durch einen dritten Sperrfluidkanal (228), der innerhalb des zweiten Dichtungsringes (14) ausgebildet ist, wobei der dritte Fluidkanal sich nach der zweiten Dichtungsstirnfläche (18) an einem Ende öffnet und in der Fluidverbindung mit der Ausgangskammer (410) am anderen Ende in Verbindung steht, wobei der Sperrfluidkanal in Kombination mit dem Sperrfluid betriebsmäßig benutzt wird, um die Dichtungsstirnflächen (18, 20) in einem gewählten Abstand voneinander zu halten, um dazwischen einen Spalt zu bilden.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel zur selektiven Regelung der Spaltbreite als Funktion der Differenz des Druckes zwischen Eingangskammer (420) und Ausgangskammer (410).
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließfluid-Verteilernetzwerk folgende Teile umfasst: eine Schließfluidkammer (242), die innerhalb der Stopfbüchse (30) ausgebildet ist, und eine Mehrzahl von Bohrungen, die in der Stopfbüchse (30) ausgebildet sind und dazu dienen, selektiv ein Schließfluid nach der zweiten Kammer oder von dieser weg gemäß einer Differenz im Druck der gewählten Dichtungsfluide zu überführen, und wobei fakultativ eine Schließfluidkammer (242) innerhalb der Stopfbüchse (30) ausgebildet ist, die in Strömungsverbindung mit dem zweiten Sperrfluidkanal (440) steht.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließfluid-Verteilernetzwerk außerdem die folgenden Teile umfasst: ein zweites bewegliches Ventil (408'), das innerhalb der Schließfluidkammer (242) sitzt, wobei das bewegliche Ventil (408') die zweite Kammer (407') in eine Eingangskammer (420') und eine Ausgangskammer (410') unterteilt, wobei dazwischen eine Zwischenkammer (412') ausgebildet ist; ein erster Schließfluidkanal (416'), der innerhalb der Stopfbüchse (30) ausgebildet ist und in Strömungsverbindung mit der Zwischenkammer (412') der zweiten Kammer steht, um ein Schließfluid in eine Fluidzuführung einzuführen, und ein zweiter Schließfluidkanal (440), der innerhalb der Stopfbüchse (30) ausgebildet ist und in Strömungsverbindung mit der zweiten Kammer steht, um selektiv das Schließfluid daraus während der Arbeitsweise der Dichtung zu übertragen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließfluid-Verteilernetzwerk außerdem eine zweite Schließfluidkammer (242) aufweist, die auf der Rückseite des ersten oder zweiten Dichtungsringes (14, 16) angeordnet ist, wobei der zweite Schließfluidkanal (440) innerhalb der Stopfbüchse (30) angeordnet ist und mit der Zwischenkammer (412') und der zweiten Schließfluidkammer (242) in Verbindung steht, um das Schließfluid dazwischen zu übertragen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite bewegliche Ventil (408') alternativ zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung einstellbar ist, wobei in der Schließstellung verhindert wird, dass das Schließfluid in den zweiten Schließfluidkanal (440) eintritt, während in der Öffnungsstellung das Schließfluid durch die Zwischenkammer in den zweiten Schließfluidkanal (440) eingeführt wird.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrfluid von dem zweiten Sperrfluidkanal (440) die Eingangskammer (420') der Schließfluidkammer unter Druck setzt, um einen Eingangsdruck zu definieren, wobei das Schließfluid in der Ausgangskammer (410') einen Ausgangsdruck definiert und wobei die Differenz zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck das zweite bewegliche Ventil in die Öffnungsstellung oder die Schließstellung überführt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Eingangsdruck in der Eingangskammer (420') größer ist als der Ausgangsdruck in der Ausgangskammer (410'), die Differenz im Druck zwischen den Kammern das Ventil (408') in die Schließstellung überführt, wodurch der erste Schließfluidkanal von der Zwischenkammer (412') getrennt wird und demgemäß auch von der zweiten Schließfluidkammer (242).
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Eingangsdruck in der Eingangskammer (420') kleiner ist als der Ausgangsdruck, die Druckdifferenz das Ventil (408') in die Öffnungsstellung schaltet, wodurch die Fluidzufuhr in den Zwischenkanal (412') geöffnet wird und der zweite Schließfluidkanal (440) das Schließfluid in die zweite Schließfluidkammer (242) überführt.
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch Regelmittel (520) zur Regelung eines Spaltes, der zwischen den Dichtungsstirnflächen (18, 20) gebildet ist, um beispielsweise den Leckstrom an diesen Dichtungsstirnflächen zu steuern, wobei die Regelmittel außerdem Mittel aufweisen, um das zweite bewegliche Ventil (448) zwischen seiner Öffnungsstellung und seiner Schließstellung zu bewegen, wobei das Ventil (448) in seiner Schließstellung den ersten Schließfluidkanal (416') von der Zwischenkammer (412') absperrt und demgemäß auch von der zweiten Schließfluidkammer (242), um zu verhindern, dass Schließfluid in die zweite Schließfluidkammer eintritt und wobei das Ventil (408') in der Öffnungsstellung die Fluidzufuhr zu der Zwischenkammer (412') und nach dem zweiten Schließfluidkanal (440) öffnet, um das Schließfluid in die zweite Schließfluidkammer (242) einzuleiten, wobei das Schließfluid in der zweiten Schließfluidkammer so geregelt wird, dass variierende Kräfte auf die Rückseite des zweiten Dichtungsringes ausgeübt werden, um den Spalt zwischen den Stirnringflächen (18, 20) einzustellen.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließfluid-Verteilernetzwerk eine zweite Kammer (407') aufweist, die innerhalb der Stopfbüchse angeordnet ist, um selektiv Schließfluid nach dem Schließfluid-Verteilernetzwerk zu überführen, und wobei fakultativ das Schließfluid-Verteilernetzwerk die folgenden Merkmale aufweist: ein zweites bewegliches Ventil (408'), das innerhalb der zweiten Kammer (407') sitzt, wobei das bewegliche Ventil (408') die Stopfbüchsenkammer in eine Eingangskammer (420') und eine Ausgangskammer (410') unterteilt, zwischen denen eine Zwischenkammer (412') ausgebildet ist; ein erster Schließfluidkanal (416'), der innerhalb der Stopfbüchse angeordnet ist und in Strömungsverbindung mit der Zwischenkammer (412') der zweiten Kammer steht, um ein Schließfluid einzuführen, und ein zweiter Schließfluidkanal (440), der innerhalb der Stopfbüchse ausgebildet ist und in Strömungsverbindung mit der zweiten Stopfbüchsenkammer steht, um selektiv das Schließfluid während der Arbeitsweise der Dichtung daraus zu entfernen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließfluid-Verteilernetzwerk außerdem eine zweite Schließfluidkammer (242) aufweist, die auf der Rückseite der zweiten Dichtung (14) angeordnet ist, wobei der zweite Schließfluidkanal (440) innerhalb der Stopfbüchse liegt und selektiv mit der Zwischenkammer (412') und der zweiten Schließfluidkammer (242) in Verbindung steht.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite bewegliche Ventil (408') alternativ zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung beweglich ist, wobei es in der Schließstellung verhindert, dass das Schließfluid nach dem zweiten Schließfluidkanal (440) gelangt, während in der Öffnungsstellung das Schließfluid von der zweiten Kammer durch die Zwischenkammer (412') nach dem zweiten Schließfluidkanal (440) gelangen kann, um Schließfluid daraus zu entfernen.
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangskammer (440) der Schließfluidkammer unter Druck gesetzt ist, um einen Eingangsdruck zu definieren und das Schließfluid in der Ausgangskammer (410') einen Ausgangsdruck definiert, wobei die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck das zweite bewegliche Ventil in die Öffnungsstellung oder die Schließstellung überführt.
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Eingangsdruck in der Eingangskammer (420') größer ist als der Ausgangsdruck in der Ausgangskammer (410'), die Differenz der Drücke zwischen den Kammern das zweite bewegliche Ventil (408') in die Schließstellung überführt, wodurch der erste Schließfluidkanal von der Zwischenkammer und demgemäß von der zweiten Schließfluidkammer (242) abgesperrt wird.
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Eingangsdruck in der Eingangskammer (420') kleiner ist als der Ausgangsdruck, die Differenz in den Drücken das Ventil (408') in die Öffnungsstellung überführt, wodurch die zweite Schließfluidkammer (242) mit der Zwischenkammer (412') und dem zweiten Schließfluidkanal (242) verbunden wird, um Schließfluid aus dem Schließfluid-Verteilernetzwerk zu entfernen.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 22 bis 27, gekennzeichnet durch Regelmittel (520) zur Einstellung eines Spaltes zwischen den Dichtungsstirnflächen (18, 20) von ersten und zweiten Dichtungsringen (14, 16), wobei die Regelmittel außerdem Mittel aufweisen, um das bewegliche Ventil (408') zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung zu bewegen, wobei in der Öffnungsstellung Schließfluid aus der zweiten Schließfluidkammer (242) entfernt wird, während in der Schließstellung die Entnahme des Schließfluid aus der zweiten Schließfluidkammer (242) verhindert wird.
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch ein Fluidsteuersystem zur Einstellung der Trennung der Dichtungsstirnflächen (18, 20) durch Einstellung des Druckes des Fluid, das in die Nut (180) eingeleitet wird.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidic-Rückkopplungsdruck-Regelsystem folgendes Merkmal aufweist: Regelmittel zur Regelung eines ersten Fluid mit einem ersten Druck innerhalb eines ersten Fluid-Verteilernetzwerks (421, 416, 440), das in der Stopfbüchse (30) angeordnet ist, wobei das erste Fluid-Verteilernetzwerk mehrere Bohrungen innerhalb der Stopfbüchse (30) aufweist.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel auf ein zweites Fluid mit einem zweiten Druck innerhalb eines zweiten Fluid-Verteilernetzwerks ansprechen, das innerhalb der Stopfbüchse (30) angeordnet ist, wobei das zweite Fluid-Verteilernetzwerk (440, 416, 242) mehrere Bohrungen (410, 412) innerhalb der Stopfbüchse aufweist.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel eine Einrichtung aufweisen, um selektiv einen Druck des zweiten Fluid innerhalb des zweiten Fluid- Verteilernetzwerks als Funktion des Druckes innerhalb des ersten Verteilernetzwerks einzustellen.
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fluid unter einem Druck steht, der um einen gewählten Betrag höher ist als der Druck des ersten Fluid, um einen geregelten Ausgangsdruck zu liefern, wobei der geregelte Ausgangsdruck benutzt wird, um einen Spalt einzustellen, der zwischen den Dichtungsstirnflächen der Dichtungsringe gebildet ist.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel eine Kammer (407') umfassen, die innerhalb der Stopfbüchse angeordnet ist, wobei ein bewegliches Ventil (448) innerhalb der Kammer liegt und das bewegliche Ventil die Kammer in eine Eingangskammer (420'') und eine Ausgangskammer (410'') unterteilt, wobei eine Eingangsfluidleitung innerhalb der Stopfbüchse ausgeformt ist, die mit der Kammer in Verbindung steht, um einen Fluidpfad zwischen der Eingangskammer (420'') und dem zweiten Fluid-Verteilernetzwerk (440, 416', 242) zu schaffen, wobei eine Ausgangsfluidleitung innerhalb der Stopfbüchse ausgebildet ist und mit der Kammer in Verbindung steht, um einen Fluidpfad zwischen der Ausgangskammer (410'') und dem ersten Fluid-Verteilernetzwerk (421, 416, 440) zu schaffen, und wobei eine Fluid-Zuführungsleitung innerhalb der Stopfbüchse ausgeformt ist, um einen Fluidpfad zwischen dem beweglichen Ventil (448) und einer Fluidzuführung zu schaffen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Ventil (448) auf eine Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Druck anspricht und die Druckdifferenz selektiv das Ventil in eine Stellung überführt, um einen Fluidpfad zwischen der Eingangsfluidleitung und der Ausgangsfluidleitung zu schaffen und um das Fluid aus der Fluidzuführung in das erste Fluid-Verteilernetzwerk (421, 416, 440) zu überführen, wodurch der Fluiddruck des ersten Fluid in dem ersten Fluid-Verteilernetzwerk ansteigt.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 30 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid ein Sperrfluid und das zweite Fluid ein Prozessfluid ist, wobei fakultativ das erste Fluid ein Schließkraftfluid ist und das zweite Fluid ein Sperrfluid.
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung ein Sperrfluid aufweist, das einen ersten Druck hat und das Fluidgehäuse ein Prozessfluid enthält, das einen vorgewählten Druck besitzt, wobei das Fluidic-Rückkopplungsdruck-Regelsystem Mittel aufweist, um einen Sperrfluiddruck zu erzeugen, der einen zweiten Druckpegel aufweist, der um einen vorbestimmten Betrag über dem Prozessfluiddruck liegt.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidic-Rückkopplungsdruck-Regelsystem außerdem Mittel aufweist, um ein Sperrfluid unter dem zweiten Druck in einen weiteren Teil des Netzwerkes einzuführen, wobei der Sperrfluiddruck einen geregelten Eingangsdruck definiert.
Mechanische Dichtung nach den Ansprüchen 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidic-Rückkopplungsdruck-Regelsystem weiter ein Schließfluid-Verteilernetzwerk aufweist, das innerhalb der Stopfbüchse ausgebildet ist, um ein Schließfluid nach der Rückseite eines der Dichtungsringe einzuführen und um einen gewählten Druck auf der Rückseite zu erzeugen, um eine axiale Vorspannkraft darauf auszuüben, um die Dichtungsstirnflächen der Dichtringe aufeinander zu drücken.
Mechanische Dichtung nach einem der Ansprüche 37 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidic-Rückkopplungsdruck-Regelsystem außerdem Regelmittel aufweist, um den Druck des Schließfluids als Funktion des geregelten Eingangsdruckes einzustellen, um selektiv den Schließfluiddruck zu bestimmen.
Mechanische Dichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel wenigstens folgende Mittel aufweisen: Mittel zur Abschaltung des Schließfluiddruckes vom Netzwerk, wenn der geregelte Eingangsdruck ansteigt, und Mittel zur Erhöhung des Schließfluiddruckes in dem Netzwerk, wenn der geregelte Eingangsdruck abfällt.