Es ist bekannt (Ztschr. PROCESS 1994 Seite 23-26), daß man durch hochgenaue, flächenparallele Bearbeitung der zusammen¬ wirkenden Gleitflächen der Gleitringe einer Gleitringdichtung minimale Leckage weit unter 1 g/h erzielen kann. Jedoch ist auch bekannt, daß man sich damit in bislang unkontrollierter Weise von hydrodynamischen Schmierverhältnissen entfernt und zumindest partiellen Trockenlauf in Kauf nimmt, der zur Zerstörung der Gleitflächen führen kann. In der Praxis nimmt man daher, um nicht unkontrolliertes, vorzeitiges Versagen der Dichtung gewärtigen zu müssen, größere Leckraten in Kauf, die größeren Spaltweiten entsprechen. Diese größeren Spaltweiten können als beabsichtigte oder unbeabsichtigte Abweichungen der Gleitflächenform von der ebenen Gestalt in Umfangsrichtung (Umfangswelligkeit) herrühren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leckrate einer Gleitringdichtung zu vermindern, ohne dadurch ihre Zuverläs¬ sigkeit unberechenbar zu beeinträchtigen.

Es liegt ihr die Erkenntnis zugrunde, daß dann, wenn man zur Verringerung der Leckrate die Spaltweite vermindert, die temperatur- und druckbedingten Verformungen der Gleitringe in eine mit der Spaltweite vergleichbare und also ggf. entschei¬ dende Größenanordnung kommen. Sie können beispielsweise dazu führen, daß im entspannten Zustand nahezu ebene und parallele Gleitflächen sich so verformen, daß sie einen keilförmigen Spalt miteinander einschließen oder gar eine Umfangswelligkeit zu Tage tritt, die im entspannten Zustand nicht vorhanden war. Diese Einflüsse können je nach Lage des Falles günstig oder ungünstig sein. Die Erfindung bindet sie zielgerecht in die Gestaltung der betrieblich wirksamen Form der Gleitflächen ein.

Eine weitere Grunderkenntnis der Erfindung betrifft die anzustrebende Form des Dichtspalts. Man weiß, daß genau parallele Dichtflächen zwar zu geringster Leckage führen, aber schwere Schäden an den Gleitflächen nach sich ziehen können. Man weiß ferner, daß es ungünstig ist, wenn der engste Bereich des Dichtspalts im druckseitigen Rand der Dichtflächen liegt (sog. A-Spalt), weil dann lediglich der niedrige Druck im Dichtspalt wirkt und die volle Dichtpressung in dem kleinen, druckseitigen Anlagebereich der Dichtflächen wirkt und diese zu vorzeitigem Versagen bringt. Ungünstig ist auch ein ausge¬ prägter Keilspalt mit im niederdruckseitigen Randbereich liegender Dichtflächenanlage (sog. V-Spalt), weil dann der höhere Druck in die Tiefe des Dichtspalts wirkt und die geplante Dichtkraft verringert; dies führt zu größerer Lecka¬ ge.

Die Erfindung hat erkannt, daß dieses Versagen bei Parallel¬ spalt oder gemäßigtem V-Spalt in vielen Fällen durch Kavitati¬ on begründet ist. Die unvermeidliche Umfangswelligkeit der zusammenwirkenden Dichtflächen führt dazu, daß zwischen den Dichtflächen Räume eingeschlossen werden, deren Volumen mit der Umdrehungszahl oder gar rascher wechselt. Dies ist solange unkritisch, als infolge weiten Dichtspalts diese Räume über

relativ große Querschnitte mit anderen Dichtspaltvolumina oder Räumen außerhalb des Dichtspalts in Verbindung stehen, so daß der Zu- und Abfluß des flüssigen Mediums ohne Verdampfung gewährleistet ist. Je enger der Spalt wird, um so geringer werden jedoch diese Ab- und Zuflußquerschnitte, während - gleiche Welligkeit vorausgesetzt - die Differenzvolumina gleich bleiben.

Die erfindungsgemäße Lösung des oben angegebenen Problems besteht daher in der Kombination der Merkmale, daß einerseits die relative Formgebung der Gleitflächen und ihre Betriebsver¬ formung derart aufeinander abgestimmt sind, daß im Betrieb der niederdruckseitige Rand wenigstens einer der beiden Gleitflä¬ chen im wesentlichen eben ist und andererseits in dem druck¬ seitig davon gelegenen Teil des Dichtspalts, der mindestens etwa ebenso weit ist wie in dem Bereich des niederdruckseiti- gen Rands, eine Umfangswelligkeit wenigstens einer der beiden Gleitflächen vorhanden ist.

Das zweite Merkmal sagt zunächst aus, daß der Spalt V-Form haben soll oder im Extremfall parallel begrenzt ist, nicht aber A-Form aufweist. Es besagt ferner, daß im druckseitigen Teil des Dichtspalts eine Umfangswelligkeit vorgesehen ist, die für hydrodynamisch günstige Verhältnisse sorgen soll. Das erste Merkmal bezieht sich hingegen auf den niederdruck- seitigen Rand der Gleitflächen, in welchem diese einander am nächsten liegen. Dieser soll wenigstens auf einer Seite im wesentlichen eben sein. Dadurch wird bewirkt, daß die periodi¬ sche Änderung der zwischen den beiden Gleitflächen im Randbe¬ reich eingeschlossenen Volumina entfällt oder im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit minimiert wird. Entsprechend beseitigt oder verringert werden auch die periodischen Druckwechsel, die zu periodischer Verdampfung und Kondensation mit entsprechen¬ den Kavitationsfolgen führen können.

Es hat sich gezeigt, daß eine Gleitringdichtung mit hochgenau bearbeiteten Gleitflächen gleichzeitig zu einer extrem

geringen Leckrate und langer Lebensdauer führen kann, wenn die erfindungsgemäßen Merkmale eingehalten werden.

Wenn im vorliegenden Zusammenhang von den Gleitringen gespro¬ chen wird, so sind damit der drehfest mit der Welle verbunde¬ ne, eigentliche Gleitring sowie der mit dem Gehäuse verbunde¬ ne, meist als Gegenring bezeichnete Ring gemeint. Wenn in bezug auf den niederdruckseitigen Rand von ebener Gestalt gesprochen wird, so ist damit vereinfachend eine Form gemeint, die in Umfangsrichtung möglichst geringe Abweichungen von der Rotationsform zeigt, während sie in radialer Richtung zwar im wesentlichen eben ist, was aber eine geplante Abweichung von der ebenen Gestalt, beispielsweise im Sinne einer geringen Konizität nicht ausschließen soll. Mit der Abstimmung der Formgebung der Gleitflächen und ihrer Betriebsverformung ist gemeint, daß den Gleitflächen im entspannten Zustand eine solche Form gegeben wird, daß sie im Betriebszustand, nachdem die Betriebsverformung eingetreten ist, die gewünschte Gestalt hat. Mit relativer Formgebung ist gemeint, daß die Gestalt der einen Gleitfläche in der Regel in Relation zu derjenigen der gegenüberliegenden Gleitfläche gesehen werden muß, nämlich insbesondere bei der angestrebten Gestalt der Gleitflächen in radialer Querschnittsrichtung.

Wenn von hochgenauen Gleitflächen gesprochen wird, so wird damit in erster Linie an die Oberflächenqualität gedacht, die durch Läppen erzielt wird. Damit lassen sich Annäherungen an die genau ebene Gestalt bis auf wenige Zehntel oder Hundert¬ stel von Mikrometern erreichen. Wenn von einer im wesentlichen ebenen Gleitfläche im Bereich des niederdruckseitigen Rands gesprochen wird, so bedeutet dies, daß dessen Abweichung von der ebenen Form in Umfangsrichtung nicht größer als etwa 0,5 μ, vorzugsweise nicht größer als 0,3 μ sind. Angestrebt werden Werte von weniger als 0,1 μ.

Die zweite Gleitfläche kann im niederdruckseitigen Randbereich eine gewisse Umfangswelligkeit aufweisen, wenn dies zur

Verbesserung der hydrodynamischen Schmierwirkung auf Kosten der Dichtigkeit erwünscht ist. In vielen Fällen wird es zweckmäßig sein, auch die zweite Gleitfläche im niederdruck¬ seitigen Randbereich im wesentlichen in Umfangsrichtung eben zu gestalten. Das führt dazu, daß die Abweichungen der zweiten Gleitfläche von der (in Umfangsrichtung) ebenen Form nicht größer als 0,3 μ, vorzugsweise 0,15 μ sind. Die maximale Spaltweite im niederdruckseitigen Wandbereich sollte nach der Erfindung nicht größer als 0,5 μ, vorzugsweise nicht größer als 0,3 μ sein. Angestrebt werden Werte unter 0,2 μ.

Der übrige Bereich des Dichtspalts, also druckseitig von dem niederdruckseitigen Rand, ist so ausgeführt, daß dort die Spaltweite auch an den engsten Stellen nicht kleiner ist als im niederdruckseitigen Rand, während dazwischen Bereich mit größerer Spaltweite liegen, so daß sich über den Umfang eine Welligkeit ergibt, die die Hydrodynamik bestimmt. Dabei sollte die Spaltweite in denjenigen Bereichen, in denen sich die Gleitflächen am nächsten kommen, über den Radius etwa konstant sein. Mit anderen Worten ausgedrückt, soll es Bereiche geben, in welchen die beiden Gleitflächen zueinander im Betriebszu¬ stand durchgehend von der Druckseite bis zur Niederdruckseite in Radiusrichtung etwa parallel sind oder nur eine minimale V-Form haben, während in den dazwischen liegenden Bereichen die V-Form stärker ausgeprägt ist. Dies führt dazu, daß die im hydrodynamisch wirksamen Teil des Dichtspalts einander nächst¬ kommenden Bereiche nach einer gewissen Einlaufzeit, in welcher die niederdruckseitigen Randstreifen durch Festkörperkontakt ihre Endform erhalten haben, eine Tragfunktion ausüben, in der sie den gegenseitigen Abstand der Gleitflächen voneinander bestimmen oder, anders ausgedrückt, bei einem gegen Null gehenden Abstand der niederdruckseitigen Randstreifen der Gleitflächen diese durch Tragfunktion entlasten, wodurch deren weiterer Verschleiß minimiert wird.

Die druckseitig des niederdruckseitigen Randes dafür erforder¬ liche Umfangswelligkeit ist gering. Sie kann unter 1 μ, vor¬ zugsweise unter 0,5 μ liegen.

Es wäre schwierig, die extrem geringen Abmessungsunterschiede, die die Gleitflächen in verschiedenen Bereichen gemäß der Erfindung im Betriebszustand haben sollen, unmittelbar ferti¬ gungstechnisch zu erzeugen. Jedoch lassen sich ebene oder leicht ballige oder hohle Flächenformen mit extrem geringer Umfangswelligkeit durch Läppen herstellen. Die erfindungs¬ gemäße Abstimmung mit den druck- bzw. temperaturbedingten Verformungen erbringt sodann die im Betriebszustand gewünschte Umfangswelligkeit im druckseitigen Bereich der Gleitfläche bzw. Gleitflächen. Zu diesem Zweck ist wenigstens einer der beiden Gleitringe mit Einrichtungen zur über den Umfang ungleichen Wärmeabfuhr ausgerüstet. Zu diesem Zweck können bereichsweise Wärmedämmeinrichtungen vorgesehen werden oder Einrichtungen, die die Wärmeübertragung auf das umgebende Medium erleichtern. Als Wärmedämmeinrichtung sind bereits bekannte Mitnehmerklauen geeignet, die den Gleitring - wie in dem später erläuterten Ausführungsbeispiel, auf Teilen des Umfangs umgeben. Damit sich diese Einrichtungen auf die Form der Gleitfläche hinreichend auswirken können, sollten die in demselben Sinne wirkenden (also beispielsweise wärmedämmenden) Einrichtungen sich insgesamt über mindestens etwa ein Drittel und einzeln über je mindestens etwa ein Zehntel des Umfangs erstrecken. Gute Ergebnisse werden erreicht, wenn zwei oder drei Wärmedämmstrecken über den Umfang gleichmäßig verteilt sind, deren Länge sich jeweils über ein Viertel bzw. ein Sechstel der Gesamtumfangslänge erstreckt.

Entsprechendes gilt für Einrichtungen zur über den Umfang ungleichmäßigen Abstützung des die Dichtfläche bildenden Ringteils gegenüber der abzudichtenden Druckdifferenz.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die betriebliche Druck- und Temperaturverformung

gegensinnig auf die Neigung der Gleitfläche gegenüber der Radiusrichtung einwirken. Dadurch kann erreicht werden, daß der Gleitflächenwinkel gegenüber der Radiusrichtung bei Änderung des abzudichtenden Drucks etwa gleich bleibt. Dies hängt damit zusammen, daß die Wärmeleistung im Dichtspalt und damit die Temperaturverteilung im Gleitring von der abzudich¬ tenden Druckdifferenz abhängt und daß sowohl die Druckdiffe¬ renz als auch das im Gleitring im Meridionalschnitt herrschen¬ de Temperaturfeld den Verstülpungszustand des Rings beeinflus¬ sen. Dies ist unabhängig von demjenigen Druck- bzw. Tempera¬ tureinfluß, der die unregelmäßige Verformung der Gleitfläche über den Umfang zwecks hydrodynamischer Welligkeit im druck¬ seitigen Spaltbereich verursacht.

Porigkeit des Ringwerkstoffs wird im allgemeinen als vorteil¬ haft angesehen, weil dadurch eine gewisse Hydrodynamisierung bewirkt wird. Auch können die Poren Gleitmittel speichern und dadurch die Notlaufeigenschaften verbessern. Wenn man sich jedoch vor Augen führt, daß übliche Porengrößen bei Hartwerk¬ stoffen, wie sie für Gleitringe verwendet werden (beispielswei¬ se Siliciumcarbid) in der Größenordnung mehrerer Mikrometer liegen und also ein Vielfaches von dem betragen, was als Spaltweite im niederdruckseitigen Randbereich angestrebt wird, wird man leicht einsehen, daß dadurch die hydrodynamischen und tribologischen Verhältnisse verfälscht werden können. Die Erfindung sieht es daher als vorteilhaft an, wenn die mittlere Porengröße unter 2 μ, vorzugsweise unter 1,5 μ liegt.

Die Erfindung kann mit besonderem Vorteil angewendet werden bei der Paarung von Gleitringen, die beide aus Hartwerkstoff (beispielsweise Siliciumcarbid) bestehen. Jedoch ist sie auch anwendbar, wenn einer der beiden Gleitringe aus weicherem Werkstoff (beispielsweise Kohle) besteht, sofern der harte Ring es ist, der im niederdruckseitigen Rand in Umfangsrich¬ tung eben und druckseitig davon mit der Umfangswelligkeit versehen ist.

Ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Dichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der betriebliche Stülpwinkel der Gleitfläche in denjenigen Umfangsbereichen, in denen die Gleitfläche druckseitig der Gegenfläche am nächsten kommt, festgestellt und die Gleitfläche mindestens etwa diesen Winkel im Verhältnis zur Gegengleitflache kompensierend vorbearbeitet wird. Mit anderen Worten soll angestrebt werden, daß die Gleitfläche des betrachteten Gleitrings im Verhältnis zur Gegenfläche in denjenigen Bereichen zu dieser etwa parallel ist, in denen sie im druckseitigen Spaltbereich am weitesten zur Gegenfläche vorragt. Dies gilt unbeschadet der Bedingung, daß die beiden Gleitflächen sich im Bereich des niederdruck¬ seitigen Randbereichs am nächsten kommen sollen.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Darin zeigen: Fig.l eine perspektivische, teilweise geschnittene

Seitenansicht der gesamten Gleitringdichtung, Fig.2 u.3 Teilschnitte durch den Gleitring in unterschiedlichen Umfangsbereichen, Fig. 4 eine Axialansicht auf den Gleitring und dessen

Mitnehmer und Fig. 5 eine vergrößerte Abwicklungsdarstellung der

Gleitfläche des Gleitrings.

Die Gleitringdichtung umfaßt einen an der Welle drehfest angeordneten Haltering 1, an dem sich eine Axialfeder 2 abstützt, die den eigentlichen Gleitring 3 gegen den gehäuse¬ festen Gegenring 4 drückt, der im vorliegenden Zusammenhang gleichfalls verallgemeinernd als Gleitring bezeichnet wird. Der Gleitring 3 ist in bekannter Weise bei 5 gegen die Welle abgedichtet und schließt mit dem Gegenring 4 den Dichtspalt 6 ein. Von dem Haltering 1 erstrecken sich an zwei gegenüberlie¬ genden Umfangsstellen Axialarme 7, die zusammen mit Umfangser- höhungen 8 bzw. niedrigeren Umfangsteilen 9 des Gleitrings 3 als Mitnehmer wirken.

Die an der Bildung des Dichtspalts 6 beteiligte, stirnseitige Dichtfläche des Gegenrings 4 wird im folgenden als plan vorausgesetzt. Sie ist geläppt und hat eine Welligkeitsampli- tude von weniger als 0,1 μ. Sie kann in bezug auf die Achse der Dichtung auch leicht ballig oder konkav geschliffen sein. Wenn bei der Beschreibung der damit zusammenwirkenden Gleit¬ fläche 10 des Gleitrings 3 der Begriff "eben" benutzt wird, so ist dieser im Falle eines balligen bzw. hohlen Schliffs der Gegendichtflache in bezug auf die Radialrichtung entsprechend abzuwandeln.

Die Schnittdarstellung in Fig.2 entspricht im wesentlichen derjenigen in Fig.l. sie zeigt denjenigen Bereich, in welchem der Umfang des Gleitrings 3 zwischen den Mitnehmern 7 entspre¬ chend erhöht ausgebildet ist. In Fig.4 ist dieser Umfangsbe- reich mit den Buchstaben A bezeichnet. Fig.3 zeigt den ent¬ sprechenden Schnitt in dem Umfangsbereich B unterhalb des Mitnehmers 7. Beim Vergleich der Figuren 2 und 3 erkennt man leicht, daß die Wärmeabfuhr vom Gleitring 3 im Abschnitt A leichter stattfindet als im Bereich B, wo der Gleitring 3 durch den Mitnehmer 7 und die dazwischen befindliche Mediums¬ schicht abgeschirmt ist.

Während des Betriebs entsteht im Dichtspalt 6 Wärme, die in die beiden Gleitringe abgeführt und von diesen auf die Umge¬ bung übertragen wird. Bezüglich des Gleitrings 4 sei hier einfachheitshalber vorausgesetzt, daß dieser dadurch keine Verformung erleidet. Da bei ihm die Wärmeabfuhr über den Umfang gleichmäßig stattfindet, wird jedenfalls durch die Temperaturbeanspruchung keine über den Umfang ungleiche Verformung hervorgerufen. Er läßt sich daher so vorbearbeiten, daß er im Betriebszustand eben ist bzw. bei der Bemessung des anderen Gleitrings 3 läßt sich eine etwaige, umfangskonstante Abweichung von der ebenen Gestalt leicht berücksichtigen.

Hingegen bewirkt die Wärmeabfuhr durch den Gleitring 3 in den Umfangsabschnitten A und B im Schnitt ungleiche

Temperaturverteilung, die auch zu ungleicher Verformung führt. Diese Verformung besteht einerseits in einer Verdrehung des Rings um seine Umfangsachse, die hier als Stülpung bezeichnet wird. Zum anderen verbiegt sich der Ring um eine Querachse. Die entsprechenden Verformungen der Gleitfläche addieren sich. In einem gegebenen Fall war die Gleitfläche in bezug auf die Ringachse konkav geläppt, so daß sich vom Innenrand (11 und 13) zum Außenrand (12 und 14 in Fig.4) ein Höhenanstieg um 0,5 μ im entspannten Zustand ergab. Im Betriebszustand stülpte sich der Ring im Sinne des Pfeils in Fig.2 im Gleit¬ flächenbereich nach außen, wodurch die Gleitfläche eine Annäherung an die ebene Gestalt erfuhr. Diese war jedoch über den Umfang ungleichmäßig. Durch die Stülpung wich Punkt 12 gegenüber Punkt 11 um 0,8 μ zurück und lag demnach gegenüber der ebenen Gegenfläche gegenüber Punkt 11 um 0,3 μ zurück. Im Bereich A war die Stülpung etwas geringer, nämlich im Punkt 14 gegenüber Punkt 13 nur etwa 0,6 μ, so daß er gegenüber Punkt 13 um 0,1 μ zurücklag. Die Biegung um die Querachse wirkte sich mit 0,2 μ maximal aus. Dies hatte zum Ergebnis, daß die Punkte 11 und 13 etwa in derselben Querebene lagen, während die Punkte 12 und 14 demgegenüber um 0,3 bzw. 0,1 μ zurückla¬ gen.

Dies Ergebnis ist in Fig.5 als Abwicklung näherungsweise dargestellt. Die größere Punktdichte zeigt größere Annäherung an die Gegenfläche an. Im niederdruckseitigen Randstreifen 15 ist die Annäherung am stärksten. In der Mitte des Bereichs A bleibt sie über die Breite (in Radiusrichtung) der Dichtfläche im wesentlichen unverändert. Im Bereich weicht die Dichtfläche im Sinne größeren Abstands von der Gegenfläche zurück. Dazwi¬ schen ergeben sich Übergangsbereiche.

Der Gleitring 3 zeigte nach 500 Stunden Betriebszeit schwache Schleifspuren. Der übrige Bereich der Gleitfläche war im wesentlichen unverändert, abgesehen von kleineren Riefen, die auf Fremdkörper zurückzuführen sein können. Daraus läßt sich ableiten, daß in dem Randstreifen 15 Festkörperkontakt

auftrat, während im übrigen Bereich hydrodynamische Schmier¬ verhältnisse herrschten, die von der in Fig.5 veranschaulich¬ ten Welligkeit herrühren mögen. Die Leckrate betrug in einer kurzen Anfangszeit 0,1 g/h und fiel dann auf gleichbleibend weniger als 0,05 g/h ab.