Befederung einer Gleitringdichtung

Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung, insbesondere für Kreiselpumpen, wobei die Gleitringdichtungsanordnung eine Paarung bestehend aus einem rotierenden Element und einem stationären Element aufweist, wobei das rotierende Element und das stationäre Element einen Dichtspalt für einen Schmierfilm ausbilden, wobei mindestens ein Federelement eine Kraft in axialer Richtung auf mindestens eins der Elemente ausübt.

Gleitringdichtungen weisen einen Dichtspalt auf, der in der Regel rechtwinklig zur Wellenachse steht. Wellendichtungen dieser Bauart werden auch als axiale oder hydrodynamische Gleitringdichtungen bezeichnet. Solche Gleitringdichtungen benötigen gegenüber anderen Dichtungssystemen einen kleinen Bauraum und weisen einen geringen Wartungsaufwand auf. Sie bewähren sich sowohl bei niedrigen als auch bei hohen abzudichtenden Drücken bzw. Umfangsgeschwindigkeiten.

Im Betrieb gleiten die Dichtfläche eines stationären Elements und die Dichtfläche eines rotierenden Elements aufeinander, wobei die beiden Dichtflächen durch hydraulische und/oder mechanische Kräfte aneinandergedrückt werden. Zwischen diesen beiden, feinst bearbeiteten Gleitflächen befindet sich ein Dichtspalt mit einem meist flüssigen Schmierfilm. Eine geringe Leckage gelangt bei Gleitringdichtungen oftmals beim Austritt durch Verdampfen in die Atmosphäre. Die mechanischen Kräfte, die notwendig sind, um die beiden Dichtflächen aneinanderzudrücken, werden meist mittels einer Befederung aufgebracht. Die entsprechenden Federelemente üben eine Kraft in axialer Richtung auf mindestens eine der beiden Dichtflächen aus, wobei die Federelemente zumeist aus einem metallischen Werkstoff, wie zum Beispiel CrNiMo-Stahl, bestehen.

Die Befederung einer Gleitringdichtung mittels metallischer Federelemente birgt die Gefahr eines Ausfalls der Gleitringdichtung infolge von Korrosion und/oder infolge von Temperatureinflüssen, wenn nämlich die erforderliche Federkraft aufgrund einer Beschädigung der Feder nicht mehr aufgebracht werden kann.

Unter Korrosion versteht man nach DIN EN ISO 8044 die Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffs bewirkt und zur Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. In den meisten Fällen ist diese Reaktion elektrochemischer Natur, in einigen Fällen kann sie jedoch auch chemischer oder metallphysikalischer Natur sein.

Bei hohen Temperaturen kann es bei metallischen Werkstoffen zu irreversiblen Schädigungen kommen. Dabei können die bei hohen Temperaturen auftretenden Alterungsund Wärmeprozesse zu Übervergütung führen, was eine verringerte Ermüdungsbeständigkeit nach sich zieht. Zudem können bei Edelstahl hohe Temperaturen zum Verlust oder zur Verringerung der passivierenden Schutzschicht führen.

Um dem entgegenzuwirken, werden meist spezielle Werkstoffklassen oder hochlegierte Werkstoffe, wie beispielsweise Chromstahl, Chromnickelstahl, Duplex-Chromnickelstahl mit Molybdänzusatz oder Inconel, eingesetzt. Diese Werkstoffe sind aber zumeist sehr teuer und können die mit Korrosion und/oder hohen Temperaturen einhergehenden Probleme nur bedingt lösen.

Die EP 0 114 227 A1 offenbart ein Verfahren zum Einstellen der axialen Federkraft einer Einbaueinheit einer Gleitringdichtung. Dabei werden das Laufrad, die Gleitringdich- tung, der Gegenring sowie ein alle Teile axial zusammenhaltender Körper zu einer Einbaueinheit verbunden und anschließend die für die jeweilige Einbausituation erforderliche axiale Federkraft eingestellt.

Die EP 0 195 205 A2 beschreibt ein mit keramischen Werkstoff komponenten beschichtetes Gleitelement. Dabei weist das Gleitelement als Trägerkörper einen geschliffenen und geläppten keramischen Sinterformkörper auf, der mindestens an seinen Funktionsflächen mit einer nach dem CVD- oder PVD-Verfahren aufgetragenen und mechanisch unbehandelten Beschichtung aus keramischen Werkstoffen versehen ist.

Legt man den Stand der Technik zugrunde, so steht bei der Betrachtung von Gleitringdichtungen nicht die Befederung im Mittelpunkt. Stattdessen konzentriert man sich auf Verbesserungen die Gleitringe, die Wellenhülse oder den konstruktiven Aufbau betreffend.

Aufgabe der Erfindung ist es, die zuvor genannten Probleme zu lösen und eine Befederung zu realisieren, die chemisch beständig ist und der Korrosion nichts anhaben kann. Zudem soll die Befederung hochtemperaturstabil und elektrisch isolierend sein und sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass das Federelement der Gleitringdichtung zumindest teilweise aus einem keramischen Werkstoff besteht. Hiermit ist gemeint, dass das Federelement der Gleitringdichtung vollständig, sprich zu 100%, aus einem keramischen Werkstoff bestehen kann, es aber auch denkbar ist, dass nur der äußere Bereich des Federelementes, sprich die Oberfläche des Federelementes, aus einem keramischen Werkstoffes besteht, indem beispielsweise eine keramische Beschichtung aufgebracht wird. Damit eine Gleitringdichtung ordnungsgemäß funktionieren kann, muss stets das Aufbringen der erforderlichen Kraft in axialer Richtung zum Aneinanderdrücken der Gleitflächen gewährleistet sein. Dementsprechend spielt das Federelement eine entscheidende Rolle hinsichtlich der Funktionalität einer Gleitringdichtung. Da die Federelemente einer Gleitringdichtung oftmals mit korrosiven und/oder heißen Medien in Berührung kommen, werden die Federelemente im Laufe der zeit geschwächt bzw. geschädigt, was mit einer Leckage oder sogar dem kompletten Ausfall der Gleitringdichtung einhergehen kann. Metallische Werkstoffe können diesen schwierigen Umgebungsbedingungen, wie bspw. Temperaturen bis ca. 1000°C, nur bedingt standhalten. Zwar kann hier der Einsatz von speziellen metallischen Werkstoffklassen oder hochlegierten metallischen Werkstoffen bedingt Abhilfe schaffen, allerdings sind die Kosten für solche Werkstoffe entsprechend hoch. Die Befederung von Gleitringdichtungen durch die Verwendung keramischer Federelemente minimiert die Anfälligkeit der Federelemente für Korrosion und/oder die Schädigung der Federelemente durch den Einfluss von hohen Temperaturen, was sich auch in einer entsprechend langen Lebensdauer der Federelemente äußert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Federelement aus Zirkonoxid und/oder Siliziumnitrid. Zirkonoxid zeichnet sich durch eine sehr hohe Bruchzähigkeit und eine sehr hohe Festigkeit aus. Es besitzt eine hohe Biegefestigkeit, sowie eine hohe Korrosions- und Verschleißbeständigkeit. Zirkonoxid weist eine Wärmedehnung ähnlich Gusseisen auf und hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Siliziumnitrid besitzt ebenfalls eine sehr hohe Bruchzähigkeit. Zudem ist es gekennzeichnet durch eine sehr geringe Dichte von ca. 3,21 g/cm ³ , eine gute Biegefestigkeit von ca. 850 MPa und eine sehr gute Thermoschockbeständigkeit.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Federelement um eine Spiraldruckfeder. Spiraldruckfedern stellen die am häufigsten eingesetzte Befederung bei Gleitringdichtungen dar. Ebenso ist es vorgesehen, dass es sich bei dem Federelement um eine Kegelfeder, eine Sinusfeder, eine Tellerfeder oder ein Tellerfederpaket handelt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das Federelement und das rotierende Element einteilig ausgebildet Dies bedeutet, dass hier eine Reduzierung der Bauteilanzahl erfolgt. Während bei üblichen Gleitringdichtungen das Federelement und das rotierende Element zwei separate Bauteile darstellen, so bilden bei dieser Ausgestaltung der Erfindung das Federelement und das rotierende Element ein einziges Bauteil. Alternativ oder ergänzend zum rotierenden Element kann auch das stationäre Element einteilig mit einem entsprechenden Federelement ausgebildet sein. Durch diese Form der Ausgestaltung ergibt sich nicht nur eine Reduzierung der Teilezahl, auch wird hierdurch die Montage sowie ein Austausch der betreffenden Bauteile im Schadensfall erleichtert.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Federelement und das rotierende Element aus dem gleichen keramischen Werkstoff. Dies erleichtert natürlich die Herstellung eines entsprechenden Bauteils, das sowohl Federelement als auch rotierendes Element umfasst, signifikant. Ebenso ist es natürlich auch denkbar, dass, sofern ein Federelement eine Kraft in axialer Richtung auf das stationäre Element ausübt, das Federelement und das stationäre Element aus dem gleichen keramischen Werkstoff bestehen.

Weiterhin ist vorgesehen, dass aufgrund der Einsatzbedingungen, denen die Gleitringdichtung ausgesetzt ist, Federelement und rotierendes Element und/oder Federelement und stationäres Element nicht aus dem gleichen keramischen Werkstoff bestehen dürfen. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen Federelement und rotierendes Element und/oder Federelement und stationäres Element deshalb unterschiedliche keramische Werkstoffe auf. Bei dem einteiligen Bauteil handelt es sich somit um ein Hybridbauteil aus zwei unterschiedlichen keramischen Werkstoffen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Dichtfläche des rotierenden Elements und/oder die Dichtfläche des stationären Elements eine Beschichtung auf, nämlich dann, wenn aufgrund der Einsatzbedingungen, denen die Gleitringdichtung ausgesetzt ist, die Ausführung einer oder beider Dichtflächen aus einem keramischen Werkstoff nicht sinnvoll erscheint, z. B. wegen der Gefahr eines Sprödbruchs aufgrund der vorherrschenden Einsatzbedingungen. In diesem Fall ist es sinnvoll, eine entsprechende Beschichtung der Dichtfläche aus einem anderen Werkstoff als einem keramischen Werkstoff vorzunehmen. Dadurch ergibt sich beispielsweise ein einteiliges, aus dem gleichen keramischen Werkstoff bestehendes Bauteil, welches ein Federelement und ein rotierendes oder stationäres Element umfasst und welches eine nicht-keramische Beschichtung aufweist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Beschichtung um eine Beschichtung aus synthetischer Kohle und/oder eine metallische Beschichtung und/oder eine Beschichtung aus Karbiden und/oder eine Beschichtung aus Kunststoff. Damit werden durch die Beschichtung verschiedene Gleitwerkstoffe abgedeckt und es kann für den jeweiligen Anwendungsfall die optimale Werkstoffpaarung ausgewählt werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Federelement und/oder das rotierende Element und/oder das stationäre Element eine Sensorik zwecks Schadenserkennung auf. Hier macht man sich den Vorteil zu Nutze, dass Federelement und rotierendes Element bzw. Federelement und stationäres Element einteilig ausgebildet sind, sprich ein einziges Bauteil darstellen. Da diese Elemente bei gewöhnlichen Gleitringdichtungen separate Bauteile darstellen, werden beispielsweise Schwingungen nicht, wie erfindungsgemäß ermöglicht, durch das komplette Bauteil geleitet, sondern müssen am Federelement, am stationären Element und am rotierenden Element separat erfasst werden. Durch die einteilige Ausführung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden Schwingungen nun durch das gesamte Bauteil geleitet, unabhängig davon, ob sie nun am Federelement oder am rotierenden Element bzw. am Federelement oder am stationären Element auftreten, was eine Überwachung des betreffenden Bauteils mit nur einer Sensorik ermöglicht.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dieser Sensorik um einen Schwingungssensor, der die erfassten Schwingungswerte an eine Auswerteeinheit zwecks Überwachung und Schadenserkennung weitergeben kann. Ebenso ist es vorgesehen, dass eine Leiterbahn beispielsweise mittels 3D Druck auf Federelement und rotierenden Ring bzw. auf Federelement und stationären Ring aufgedruckt ist, wobei die Leiterbahn sich über die gesamte Länge des Bauteils, bestehend aus Federelement und rotierendem Ring bzw. aus Federelement und stationärem Ring, erstreckt. Kommt es zu einem Schadensfall, indem z.B. ein Teil der Keramik aus dem Bauteil herausbricht, dann wird diese Leiterbahn unterbrochen und ein von einem Sender zu einem Empfänger über die Leiterbahn gesendetes Signal wird nicht mehr ordnungsgemäß empfangen. Ähnlich wie bei der Schwingungsmessung macht man sich auch hier den Vorteil zu Nutze, dass das entsprechende Bauteil einteilig ausgebildet ist, was durch die Herstellung von Federelement und rotierendem Ring bzw. von Federelement und stationärem Ring aus einem keramischen Werkstoff ermöglicht wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer Kreiselpumpe,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Gleitringdichtungsanordnung,

Fig. 3 eine Darstellung eines einteiligen Bauteils bestehend aus einem Federelement mit Schwingungssensor und einem rotierenden Element mit Beschichtung.

Fig. 1 zeigt eine Kreiselpumpe 1 mit einer rotierenden Welle 2, einem Laufrad 3 und einem feststehenden Gehäuse 4. Eine Gleitringdichtungsanordnung 5 umfasst ein stationäres Element 6, das in diesem Ausführungsbeispiel als Gegenring ausgebildet ist, und ein rotierendes Element 7, das in diesem Ausführungsbeispiel als axial beweglicher Gleitring ausgebildet ist. Der axial bewegliche Gleitring wird mittels eines Federele- merits 8, hier einer Spiraldruckfeder, und über eine Stützscheibe 9 in Richtung des Gegenrings gedrückt, sodass einander gegenüberliegende Flächen des Gegenrings und des Gleitrings abdichtend Zusammenwirken und zwischen sich einen Dichtspalt 10 ausbilden. Im Rahmen der Erfindung liegen aber ebenfalls davon abweichende Gleitringdichtungsanordnungen, beispielsweise mit einem stationären Federpaket.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Gleitringdichtungsanordnung 5. Das Federelement 8 übt eine Anpresskraft auf das axial verschiebliche rotierende Element 7 aus, das dadurch an das stationäre Element 6 gedrückt wird. Auf der Welle 2 ist ein als Wellenhülse ausgebildetes Element 11 angeordnet, das über einen Gewindestift 12 fixiert ist. Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt zwei O-Ringe (13, 14), die als stationäre Dichtungen zur Reduktion der Leckage fungieren.

Das Federelement 8 besteht erfindungsgemäß aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere aus Zirkonoxid und/oder Silizium nitrid. Die Herstellung aus einem keramischen Werkstoff minimiert wirksam eine Beschädigung des Federelements 8 durch Korrosion und/oder Temperatureinflüsse.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines einteiligen Bauteils 15 bestehend aus einem Federelement 8 mit einem Schwingungssensor 17 und einem rotierenden Element 7 mit einer Beschichtung 16. Bei der gezeigten Ausgestaltung der Erfindung sind das Federelement 8 und das rotierende Element 7 einteilig ausgebildet, d.h. beide Elemente bilden zusammen ein einziges Bauteil 15. Bei der gezeigten Ausgestaltung bestehen das Federelement 8 und das rotierende Element 7 aus dem gleichen keramischen Werkstoff. Es ist aber auch denkbar, dass das Federelement 8 und das rotierende Element 7 zwar einteilig ausgeführt sind, aber dennoch aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen bestehen. Das rotierende Element 7 weist in der gezeigten Ausgestaltung eine Beschichtung 16. Eine solche Beschichtung 16 kommt dann zum Einsatz, wenn keramische Werkstoffe für den aktuellen Anwendungsfall der Gleitringdichtung 5 ungeeignet sind. Als Beschichtung 16 können verschiedene nicht-keramische Werkstoff zum Einsatz kommen, wodurch das Bauteil 15 für jeden Anwendungsfall gewappnet ist. Zudem weist das Bauteil 15 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Schwingungssensor 17 auf. Damit lassen sich sowohl Schwingungen des Federelements 8 als auch des rotierenden Elements 7 mit nur einem Sensor erfassen. Hier macht man sich den Vorteil zu Nutze, dass das Federelement 8 und das rotierende Element 7 einteilig zu einem Bauteil 15 zusammengefasst sind. Neben einem Schwingungssensor 17 ist auch eine Überwachungssensorik in Form einer gedruckten Leiterbahn denkbar, die sich über die gesamte Länge L des Bauteils 15 erstreckt. Kommt es an dem Federelement 8 oder an dem rotierenden Element 7 zu einer Beschädigung, beispielsweise in Form eines Sprödbruchs, dann ist die Signalübertragung durch die Leiterbahn unterbrochen.