DE69113539T2

DE69113539T2 - Spiralrillengleitringdichtung.

Info

Publication number: DE69113539T2
Application number: DE69113539T
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Kimura; Hideo Tsuboi
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1990-07-09
Filing date: 1991-07-08
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2011-07-09
Also published as: DE69113539D1; EP0466076B1; US5180173A; EP0466076A2; JPH0756345B2; JPH0617941A; EP0466076A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spiralnutstirnseitendichtung und insbesondere auf eine Spiralnutstirnseitendichtung, in der eine Endstirnseite eines sich drehenden Abdichtrings, der mit einer sich drehenden Welle drehbar ist und eine Endstirnseite eines stationären Abdichtrings, der zu dem sich drehenden Abdichtring hinweist, Abdichtoberflächen bilden, und zwar zum Einschränken einer Strömungsmittelströmung von einer Hochdruckseite zu einer Niedrigdruckseite, und zwar gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.
Im allgemeinen wird eine Spiralnutstirnseitendichtung verwendet zum Abdichten des Raums zwischen einer rotierenden Welle und dem Gehäuse davon. Die Spiralnutstimseitendichtung ist beispielsweise in Gasturbinen oder Kompressoren vorgesehen bzw. inkorporiert, die einen hohen Druck erzeugen.
Herkömmlicherweise weist die Endstirnseitendichtung zwei ringförmige Abdichtringe auf, die zueinander hinweisen, von denen einer ein Spiralnutgebiet, und zwar mit einer Vielzahl von Spiralnuten, und ein Dammgebiet, das sich von dem Spiralnutgebiet erstreckt und eine flache Oberfläche besitzt, aufweist, und wobei der andere von diesen eine flache Oberfläche besitzt.
Die Endstirnseitendichtung dieser Bauart ist zum Beispiel in US-Patent Nr. 4 212 475 offenbart. In US-Patent Nr. 4 212 475 sind Spiralnuten auf einem sich drehenden Abdichtring, wie in den Fig. 13 bis 15 gezeigt, gebildet. In den Fig. 13 bis 15 ist eine sich drehende Welle 1, die in einem Gehäuse 3 aufgenommen ist, mit einer Hülse 2 versehen. Die Hülse 2 ist mit einem sich drehenden Abdichtring 3 durch einen Stift verbunden. Ein stationärer Abdichtring 4 wird gegen den sich drehenden Abdichtring 3 durch die Druckkraft von Federn 10 gedrückt, die zwischen einer Abdichtringhaltevorrichtung 5 und einer Federhaltevorrichtung 6 angeordnet sind. Der sich drehende Abdichtring 3 weist ein Spiralnutgebiet 35 mit einer Vielzahl von Spiralnuten 33 und ein Dammgebiet 34, das sich von dem Spiralnutgebiet 35 erstreckt und eine flache Oberfläche besitzt, auf. Die Spiralnuten 33 dienen dazu, Strömungsmittel (Gas) nach innen zu pumpen und das Dammgebiet 37 dient dazu, die von den Spiralnuten 33 gepumpte Strömungsmittelströmung einzuschränken.
Eine Relativbewegung des sich drehenden Abdichtrings 3 und des stationären Abdichtrings 4 wird verursacht durch Drehen der sich drehenden Welle 1. Unter dynamischen Bedingungen wird die Endstirnseitendichtung hydrostatischen Kräften von dem Strömungsmitteldruck und hydrodynamischen Kräften von den Spiralnuten 33 ausgesetzt sein. Das Spiralnutmuster pumpt Strömungsmittel (Gas) nach innen, um dadurch einen Strömungsmittelfilm bzw. eine Strömungsmittelschicht auf den Abdichtoberflächen zu bilden, wodurch der sich drehende Abdichtring 3 aus dem Kontakt mit dem stationären Abdichtring 4 gebracht wird. Die Leckage von Strömungsmittel wird eingeschränkt dadurch, daß man den Spalt zwischen den Abdichtoberflächen klein hält.
Andererseits ist ein weiterer Typ einer Endstirnseitendichtung in dem US-Patent Nr. 3 499 653 offenbart. In dem US-Patent Nr. 3 499 653 weist die Endstirnseitenabdichtung einen sich drehenden Abdichtring und einen stationären Abdichtring sowie die Endstirnseitenabdichtungen in den Fig. 13 bis 15 auf. Einer der Abdichtringe besitzt Spiralnuten und eine sich verjüngende Oberfläche, um den notwendigen keilförmigen Raum bei den radial äußeren Regionen davon vorzusehen.
Bei der Endstirnseitendichtung dieses Typs gilt: wenn Strömungsmittel in den keilförmigen Raum zwischen dem sich drehenden Abdichtring und dem stationären Dichtring eintritt, werden die Abdichtoberflächen nicht kontaktierend, und zwar durch hydrostatische Kräfte von dem Strömungsmitteldruck. Wenn das Strömungsmittel einen niedrigen Druck besitzt, werden die Abdichtoberflächen nicht nur durch hydrostatische Kräfte nicht kontaktierend, sondern werden nicht kontaktierend durch hydrodynamische Kräfte von den Spiralnuten zusätzlich zu hydrostatischen Kräften.
Jedoch bei der Endstirnseitenabdichtung, die in dem US- Patent Nr. 4 212 475 offenbart ist, ist ein Rückenteil (auf dem keine Spiralnuten gebildet sind) auf dem Spiralnutgebiet 35 angeordnet, und zwar auf derselben Ebene, wie das Dammgebiet 34, wie in den Fig. 13 bis 15 gezeigt ist. Deshalb, wenn man die Endstirnseitendichtung startet, konaktieren der Rückenteil und das Dammgebiet 34 des sich drehenden Abdichtrings 3 direkt die Oberfläche des stationären Abdichtrings 4, die dazu hinweist. In dieser Beschreibung wird der direkte Kontakt von zwei soliden Gliedern als "solider Kontakt" definiert. Als Folge kann Strämungsmittel (Gas) nicht in die sich kontaktierenden Oberflächen der zwei Abdichtglieder eintreten, ein großer Betrag von Anfangs- bzw. Startdrehmoment ist somit erforderlich auf Grund eines großen Betrags von Gleitwiderstand, wenn man in einem derartigen Zustand, in dem Strömungsmitteldruck an die Abdichtringe angelegt wird, startet. Dasselbe gilt für den stationären Abdichtring mit Spiralnuten.
Andererseits ist die Endstirnseitendichtung, die in dem US-Patent Nr. 3 499 653 offenbart ist, eine hydrostatische mechanische Abdichtung vom Spalttyp, so daß die Abdichtoberflächen nicht kontaktierend werden, und zwar durch hydrostatische Kräfte von Strömungsmitteldruck.
Deshalb gibt es kein Problem hinsichtlich des Startwiderstands zu der Zeit des Startens. Jedoch, da die Abdichtoberflächen nicht kontaktierend durch die hydrostatische Kraft von dem Strömungsmittel werden, leckt Strömungsmittel von den Abdichtoberflächen mit einem bestimmten Spalt, wenn die Maschine, die diese Abdichtstirnseite inkorporiert, gestoppt bzw. angehalten wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Spiralnutstirnseitendichtung gemäß Patentanspruch 1 und ein sich drehender Abdichtring gemäß Patentanspruch 8 vorgesehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen offenbart.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Spiralnutstirnseitendichtng vorzusehen, die ein geringeres Startdrehmoment besitzt, und zwar durch Verringern des Startwiderstands, wenn man die Maschine startet, und Strömungsmitel daran hindert, von einer Hochdruckseite zu einer Niedrigdruckseite zu lecken, wenn die Maschine angehalten bzw. gestoppt wird.
Erfindungsgemäß ist eine Spiralnutstirnseitendichtung vorgesehen, die einen stationären Abdichtring und einen sich drehenden Abdichtring mit gegenüberliegenden sich radial erstreckenden Abdichtoberflächen aufweist, wobei der sich drehende Abdichtring in Kontakt mit dem stationären Abdichtring ist, und zwar mindestens bei einem Teil der Abdichtoberflächen, wenn der sich drehende Abdichtring angehalten wird, wobei der sich drehende Ring aus dem Kontakt mit dem stationären Abdichtring gebracht wird, wenn der sich drehende Abdichtring gedreht wird, wobei die Verbesserung folgendes aufweist: Spiralnuten gebildet in einer der Abdichtoberflächen, die sich von einem Umfang der Abdichtoberflächen in einer radialen Richtung von einer Hochdruckströmungsmittelseite zu einer Niedrigdruckströmungsmittelseite erstrecken, um Strömungsmittel in die Hochdruckströmungsmittelseite zu der Niedrigdruckströmungsmittelseite hin zu pumpen; und eine Ausnehmung gebildet in einer der Abdichtoberflächen, wobei die Ausnehmung in einem Gebiet der Spiralnuten oder einem Teil der Spiralnuten angeordnet ist.
Bei der obigen Struktur kann Strömungsmittel in die Abdichtoberflächen durch die Ausnehmung in einem Zustand, in dem der sich drehende Ring in Kontakt mit dem stationären Abdichtring ist, und zwar bei mindestens einem Teil der Abdichtoberflächen, eintreten, der Start- bzw. Anfangswiderstand kann beträchtlich verringert werden und das Startdrehmoment, das erforderlich ist, um die Maschine zu starten, wird unter hohem Druck verringert, wodurch die Erfordernisse des Energiesparens erfüllt werden. In dem Fall, in dem die Tiefe der Ausnehmung groß ist, gibt es eine Möglichkeit, daß die Pumpenwirkung, die durch die Spiralnuten erzeugt wird, beeinträchtigt wird, und zwar durch die Ausnehmung, um dadurch die nicht-kontaktierende Funktion zu beeinträchtigen. Jedoch werden ungünstige Einflüsse auf die Pumpwirkung nicht verursacht, weil die Tiefe der Ausnehmung nicht groß ist. Die Tiefe der Ausnehmung beträgt vorzugsweise nicht mehr als 3 um, und zwar im Hinblick auf die Oberflächenrauhigkeit, die durch das Bearbeiten und die Nicht-Gleichmäßigkeit der Oberfläche verursacht wird. Ferner kann erfindungsgemäß, da der sich drehende Abdichtring den stationären Abdichtring an einem Teil der Abdichtoberflächen (dem Dammgebiet) kontaktiert, eine Leckage von Strömungsmittel von der Hochdruckseite zu der Niedrigdruckseite verhindert werden, wenn die Maschine gestoppt wird.
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit der Begleitzeichnung, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt sind offenbar werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht, die eine Spiralnutstirnseitendichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Endansicht, die Spiralnuten zeigt, und zwar gebildet auf einem sich drehenden Abdichtring der Spiralnutstirnseitendichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht, die den sich drehenden Abdichtring und den stationären Abdichtring der Spiralnutstirnseitendichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht, die einen Betrieb der Spiralnutstirnseitendichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 einen Graphen, der die Beziehung des Dammbreitenverhältnisses (DW = dam width ratio) und des Lastverhältnisses (F&sub1;/F&sub2;) der Endstirnseitendichtung mit der Ausnehmung ht, in Bezug auf die Endstirnseitendichtung ohne Ausnehmung, zeigt;
Fig. 6 einen Graph, der die Beziehung zwischen dem Dammbreitenverhältnis (DW) und dem Spalt (h) der Abdichtoberflächen der Endstirnseitendichtung zeigt;
Fig. 7 einen Graph, der die Beziehung zwischen dem Dammbreitenverhältnis (DW) und der Leckrate (Q) der Endstirnseitendichtung zeigt;
Fig. 8 einen Graph, der die Beziehung zwischen dem Dammbreitenverhältnis (DW) und der Schichtsteifigkeit (dW/dh) zeigt;
Fig. 9 eine Querschnittsansicht, die eine Spiralnutstirnseitendichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig.10 eine Querschnittsansicht, die eine Spiralnutstirnseitendichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig.11 eine Querschnittsansicht, die eine Spiralnutstirnseitendichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig.12 eine Querschnittsansicht, die eine Spiralnutstirnseitendichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig.13 eine Querschnittsansicht, die eine herkömmliche Spiralnutstirnseitendichtung zeigt;
Fig.14 eine Querschnittsansicht, die einen sich drehenden Abdichtring der herkömmlichen Spiralnutstirnseitenabdichtung zeigt; und
Fig.15 eine Endansicht, die Spiralnuten der herkömmlichen Spiralnutstirnseitenabdichtung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Spiralnutstirnseitenabdichtung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 beschrieben.
In Fig. 1 ist eine Hülse 2 fest an eine sich drehende Welle 1, die in einem Gehäuse 9 angeordnet ist, gesichert bzw. befestigt. Ein sich drehender Abdichtring 3 ist mit der Hülse 2 durch einen Stift 20 befestigt. Der sich drehende Abdichtring 3 weist zu einem stationären Ring 4 hin und wenn er startet, kontaktiert der sich drehende Abdichtring 3 den stationären Ring 4, und zwar in dem Dammgebiet 32 in einem Zustand von solidem oder festen Kontakt. Der sich drehende Abdichtring 3 weist einen ringförmigen Körper auf, der ringförmige Oberflächen an den gegenüberliegenden bzw. entgegengesetzten Seiten davon definiert. Es sei bemerkt, daß der sich drehende Abdichtring 3 fest mit der Hülse 2 verbunden ist, und zwar durch eine Hülse 7 und eine Haltemutter 8.
Ein stationärer Abdichtring 4 wird gegen den sich drehenden Abdichtring 3 durch die Druckkraft von Schraubenfedem 10, die zwischen einer Abdichtringhaltevorrichtung 5 und einer Federhaltevorrichtung 6 angeordnet sind, gedrückt. Der sich drehende Abdichtring 3 weist ein Spiralnutgebiet 38 mit einer Vielzahl von Spiralnuten 31 auf, die von der Hochdruckströmungsmittelseite H zu der Niedrigdruckströmungsmittelseite L, wie in Fig. 2 gezeigt, gerichtet sind. Der sich drehende Abdichtring 3 besitzt ebenfalls ein Dammgebiet 32, das sich von dem Spiralnutgebiet 38 erstreckt.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die den sich drehenden Abdichtring 3 und den stationären Abdichtring 4 zeigt. Der sich drehende Abdichtring 3 ist mit einer Ausnehmung in dem Spiralnutgebiet 38 versehen. Die Höhe des Rückenteils des Spiralnutgebiets 38 ist niedriger als die des Dammgebiets 32, und zwar um die Ausnehmung ht. Das heißt, ein Spalt ist zwischen dem Rückenteil und dem Spiralnutgebiet 38 des sich drehenden Dichtrings 3 und der Oberfläche des stationären Abdichtrings 4 vorgesehen, wenn die Maschine gestoppt wird. Bezugzeichen 42, 44, 46 und 48 sind Abdichtglieder, wie zum Beispiel ein in Fig. 1 gezeigter O-Ring. Bei der obigen Struktur verhindert die Stirnseitenabdichtung, daß Strömungsmittel mit hohem Druck bei der Hochdruckströmungsmittelseite H zu der Niedrigdruckströmungsmittelseite hin leckt, und zwar aufs höchste Maß.
Als nächstes wird der Betrieb der so aufgebauten Spiralnutstirnseitenabdichtung unter Bezugnahme auf die Fig. 4 beschrieben werden.
Eine Relativbewegung des sich drehenden Abdichtrings 3 und des stationären Abdichtrings 4 wird verursacht durch die sich drehende Welle 1. Unter dynamischen Bedingungen wird die Stimseitendichtung hydrostatischen Kräften von Strömungsmitteldruck und hydrodynamischen Kräften von den Spiralnuten ausgesetzt sein. Das Spiralnutmuster pumpt Strömungsmittel (Gas) nach innen, um dadurch eine Strömungsmittelschicht bzw. einen Strömungsmittelfilm auf den Abdichtoberflächen zu bilden. Als Folge wird der sich drehende Abdichtring 3 aus dem Kontakt mit dem stationären Abdichtring 4 gebracht, wodurch somit der Spalt h zwischen den Abdichtoberflächen des sich drehenden Abdichtrings 3 und des stationären Abdichtrings 4 gebildet wird. Das heißt, das Dammgebiet 32 des sich drehenden Abdichtrings 3 wird aus dem Kontakt mit der Oberfläche 50 des stationären Abdichtrings 4 gebracht. Die Leckage von Strömungsmittel wird danach eingeschränkt, daß man den Spalt h zwischen den zwei Abdichtoberflächen klein hält.
Bei der herkömmlichen Endstirnseitendichtung, da die Verringerung des Startdrehmoments nicht betrachtet wird, ist die Ausnehmung nicht vorgesehen (ht = O um). Der Strömungsmitteldruck an der Hochdruckseite H wird durch P&sub2; dargestellt, der Strömungsmitteldruck bei der Niedrigdruckseite L wird durch P&sub1; dargestellt. Es wird angenommen, daß Strömungsmittel nicht in die Abdichtoberflächen des soliden Kontakts (der kontaktierende Teil der Oberfläche 32 und der Oberfläche 50 an dem Dammgebiet) von der Umgebung eintritt. Die Breite der Spiralnut ist gleich der Breite des Rückens. In anderen Worten ist das Gebiet des Rückenteils gleich dem der Spiralnuten.
In der herkömmlichen Endstirnseitendichtung in den Fig. 13 bis 15 wird die an dem soliden Kontaktteil der Abdichtoberflächen angelegte Last durch die folgende Formel ausgedrückt.
F = π(rg² - rb²)P&sub2; + π(rb² - r&sub1;²)P&sub1; + Fsp + π(r&sub2;² - rg²)P&sub2;/2 (1)
wobei Fsp die Dräng- bzw. Druckkraft, die durch die Schraubenfedern 10 erzeugt wird, ist.
Andererseits wird bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Endstirnseitenabdichtungen der vorliegenden Erfindung die Last, die an den soliden Kontaktteil der Abdichtoberflächen angelegt wird, durch die folgende Forinel ausgedrückt.
F = π(rg² - rb²)P&sub2; + π(rb² - r&sub1;²)P&sub1; + Fsp (2)
Erfindungsgemäß wird die an den soliden Kontaktteil der Abdichtoberflächen angelegte Last um π(r&sub2;² - rg²)P&sub2;/2 verringert. Der Startwiderstand wird um einen Betrag verringert, der der verringerten Last entspricht, wenn man die Maschine startet.
In dem Fall, in dem die Ausnehmung ht groß ist, nimmt die Pumpwirkung durch die Spiralnuten ab. Deshalb gibt es eine Möglichkeit, daß die Funktion des Vermeidens des soliden Kontakts der Abdichtoberflächen beeinträchtigt wird, und es ist erforderlich, die Ausnehmung ht klein zu machen. Wenn man die Ungleichmäßigkeit des Oberflächenzustands des Abdichtrings in Erwägung zieht, die durch Bearbeitung, wie zum Beispiel Läppen (nicht mehr als 1 um), durch Wärme oder Druck verursachte Deformation verursacht wird, ist es erforderlich, die Ausnehmung ht klein zu machen, und zwar unter der Bedingung, daß Hochdruckströmungsmittel ausreichend in die Ausnehmung eintreten kann. Das heißt, die Ausnehmung von nicht mehr als 3 um wird vorzugsweise ausgewählt.
Die Endstirnseitendichtung der vorliegenden Erfindung ist mit der Ausnehmung ht versehen, und zwar im Unterschied zu der herkömmlichen Endstirnseitendichtung zum Zwecke des Verringerns des Startwiderstands. Die Endstirnseitendichtung weist einen Abdichtring auf, der eine Stufe auf der Oberfläche besitzt, die sich radial nach außen erstreckt. Das heißt, der Abdichtring besitzt zwei Oberflächen, von denen eine mit Spiralnuten auf dem Spiralnutengebiet für eine Pumpwirkung zum Pumpen von Strömungsmittel von der Hochdruckseite zu der Niedrigdruckseite gebildet ist, und von denen die andere eine flache Oberfläche auf dem Dammgebiet besitzt, und zwar zum Einschränken der Strömungsmittelströmung von der Hochdruckseite zu der Niedrigdruckseite und zum Durchführen einer Abdichtwirkung. In anderen Worten besitzt der Abdichtring das Spiralnutgebiet für die Pumpwirkung und das Dammgebiet für die Abdichtwirkung.
Wie oben erwähnt wurde, ist die Endstirnseitendichtung der vorliegenden Erfindung mit der Ausnehmung ht zum Zwecke der Verringerung des Startwiderstands versehen. Als eine Folge werden der Spalt und die Film- bzw. Schichtsteifigkeit verringert, und zwar verglichen mit der herkömmlichen Spiralnutstirnseitenabdichtung. Deshalb müssen die Nuttiefe (h&sub0;), das Spiel bzw. das Gleichgewicht bzw. der Ausgleich (balance) (BR = (r&sub2;² - rb²)/(r&sub2;² - r&sub1;²)) und das Dammbreitenverhältnis (DW = (rg - r&sub1;)/(r&sub2; - r&sub1;)) richtig ausgewählt werden, um einen schmalen Spalt zwischen den zwei Oberflächen der Abdichtringe zu halten, und zwar ohne den soliden Kontakt zu beeinflussen, und zwar durch verschiedene Störungen, wie zum Beispiel eine Vibration in der axialen Richtung der Abdichtoberflächen, eine Vibration in einer geneigten Richtung relativ zu der Achse oder Deformation.
Als nächstes sind die Charakteristiken der Endstirnseitendichtung der vorliegenden Erfindung in den Fig. 5 bis 8 unter der Bedingung der Tabelle 1 gezeigt. TABELLE 1 Innendurchmesser der Abdichtoberfläche (2r&sub1; mm) Außendurchmesser der Abdichtoberfläche (2r&sub2; mm) Gleichgewichtsdurchmesser (2rb mm) Spiralnutwinkel (α Grad) Druck auf der Niedrigdruckseite (P&sub1; kgf/cm²) Druck auf der Hochdruckseite (P&sub2; kgf/cm²) Temperatur des Strömungsmittels an den Abdichtoberflächen ( C) Drehzahl (N/mm) Strömungsmittel (Gas) Luft
Wobei der Spiralnutwinkel definiert ist als ein Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor an dem Punkt der Spiralnut und einer Tangente des Punktes der Spiralnut.
Fig. 5 zeigt den Effekt des Verringerns der Last auf die Abdichtoberflächen durch Bilden der Ausnehmung ht. In Fig. 5 stellt die horizontale Achse das Dammbreitenverhältnis (DW) dar, und die vertikale Achse stellt das Lastverhältnis (F&sub1;/F&sub2;) der Endstirnseitenabdichtung mit der Ausnehmung ht relativ zu der Endstirnseitenabdichtung ohne Ausnehmung dar, wobei das erstere (F&sub1;) erhalten wurde unter Verwendung der Formel (2) und das letztere (F&sub2;) erhalten wurde unter Verwendung der Formel (1).
Wie man aus Fig. 5 erkennt, gilt, daß je kleiner das Dammbreitenverhältnis wird, desto kleiner das Lastverhältnis wird. Unter der Annahme, daß die Reibungskoeffizienten an allen Punkten der Abdichtoberflächen gleich sind, kann der Startwiderstand in großem Maße verringert werden durch Ausbilden der Ausnehmung ht. Ferner wenn das Gleichgewicht konstant ist (BR = 0,897) und das Dammbreitenverhältnis (DW) und die Nuttiefe (h&sub0;) variabel sind, sind der Spalt der Abdichtoberfläche (h), die Leckrate (Q) und die Schicht- bzw. Filmsteifigkeit (dW/dh) mit 1 um Dicke in den Fig. 6 bis 8 gezeigt. Wenn man die Schichtsteifigkeit (dW/dh) berechnet, wird der Spalt der Abdichtoberflächen von 1 um ausgewählt, weil es eine gute Chance gibt, daß der solide Kontakt auftritt.
In den Fig. 6 bis 8 sind die Abdichtoberflächen mit der Ausnehmung gezeigt unter Verwendung von durchgezogenen Linien, während die Abdichtoberflächen ohne Ausnehmung unter Verwendung von unterbrochenen Linien gezeigt sind. Die Schichtsteifigkeit nimmt beträchtlich ab, durch Bilden der Ausnehmung ht, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Die Schichtsteifigkeit nimmt speziell in dem Bereich einer seichten Nuttiefe (h&sub0;) ab. Andererseits werden der Spalt der Abdichtoberflächen (h) und die Leckrate (Q) nicht so sehr durch die Ausnehmung in dem Bereich eines kleinen Dammverhältnisses von 0,3 oder darumherum, beeinträchtigt.
Als nächstes werden bei der erfindungsgemäßen Endstirnseitenabdichtung ein Verfahren zum Bestimmen eines bevorzugten Bereichs der Nuttiefe (h&sub0;) des Dammbreitenverhältnisses (DW) und des Gleichgewichts (BR) im folgenden beschrieben, und zwar auf der Grundlage des Ergebnisses der Fig. 5 bis 8.
Bei der erfindungsgemäßen Endstirnseitenabdichtung kann der Startwiderstand in großem Maße verringert werden, und zwar durch Bilden der Ausnehmung, wie in Fig. 5 gezeigt, jedoch wird die Schicht- oder Filmsteifigkeit, wie in Fig. 8 gezeigt, verringert. Die Abnahme der Filmsteifigkeit ist sehr nachteilig, weil sich eine Tendenz entwickelt, den soliden Kontakt zu verursachen und einen Normalbetrieb zu verhindern. Deshalb muß die Schichtsteifigkeit verbessert werden. Die Nuttiefe (h&sub0;) und das Dammbreitenverhältnis (DW) stehen in enger Verbindung mit der Schichtsteifigkeit, und zwar unter den oben genannten drei Faktoren, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Insbesondere, wenn die Nuttiefe h&sub0; kleiner wird, wird die Schichtsteifigkeit höher. Im Gegenteil, wenn die Nuttiefe h&sub0; kleiner wird, wird der Spalt der Abdichtoberflächen schmaler, wie in Fig. 6 gezeigt ist und die Leckrate kleiner, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Jedoch in dem Fall, in dem der Spalt der Abdichtoberflächen zu klein ist, gibt es eine Möglichkeit, daß der solide Kontakt der Abdichtoberflächen auftritt. Deshalb kann eine extrem kleine Nuttiefe h&sub0; nicht gewählt werden. Ferner unter Berücksichtigung eines Bearbeitungsfehlers bzw. -toleranz der Nut, kann aus diesem Aspekt ebenfalls die Nuttiefe h&sub0; mit einem extrem kleinen Wert nicht ausgewählt werden. Demzufolge ist die untere Grenze bei der erfindungsgemäßen Endstirnseitendichtung für die Nuttiefe h&sub0; vorzugsweise 3 um. Im Gegenteil wird die obere Grenze der Nuttiefe bis auf 15 um ausgedehnt, und zwar unter Berücksichtigung des rauhen Abdichtseffekts, der auf ein unter relativ niedrigem Druck stehendes Strömungsmittel anwendbar ist.
Als nächstes wird die Beziehung zwischen dem Dammbreitenverhältnis und der Schichtsteifigkeit im folgenden erklärt werden. Wenn das Dammbreitenverhältnis kleiner wird, wird die Filmsteifigkeit, wie in Fig. 8 gezeigt ist, höher. Deshalb ist es erforderlich, wenn man die Filmsteifigkeit betrachtet, das Dammbreitenverhältnis klein zu machen. Andererseits, wenn man das Dammbreitenverhältnis klein macht, steigt die Leckrate, wie in Fig. 7 gezeigt, an. Ferner in dem Fall, in dem das Dammbreitenverhältnis extrem klein ist, gibt es Fehler oder Späne auf dem Abdichtring, und zwar an dem Dammgebiet 32, und die Endstirnseitendichtung funktioniert nicht als eine Dichtung, und zwar auf Grund der Leckage von Strömungsmittel daraus. Demzufolge ist bei der erfindungsgemäßen Endstirnseitendichtung die untere Grenze das Dammbreitenverhältnis vorzugsweise 0,2. Die obere Grenze des Dammbreitenverhältnisses ist vorzugsweise 0,4, so daß die Schichtsteifigkeit nicht übermäßig klein wird.
Im Hinblick auf das Gleichgewicht, wenn man die Tatsache betrachtet, daß der solide Kontakt an dem Dammgebiet der Abdichtoberflächen gehalten wird, wenn die Maschine angehalten wird, und eine Leckage von Strömungsmittel von der Hochdruckseite zu der Niederdruckseite minimiert wird, ist es erforderlich, das Gleichgewicht von zwischen 0,8 und 0,9 auszuwählen.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich ist, sind die bevorzugten Bereiche der Nuttiefe (h&sub0;), des Dammbreitenverhältnisses (DW = (rg - r&sub1;)/(r&sub2; - r&sub1;)) und das Gleichgewicht (BR = (r&sub2;² - rb²)/(r&sub2;² - r&sub1;²)) in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Ausnehmung (ht um) die Nuttiefe (h&sub0; um) das Dammbreitenverhältnis (DW) das Gleichgewicht (BR) nicht mehr als 3
Als nächstes werden andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 12 beschrieben. Diejenigen Teile und Komponenten in den Fig. 9 bis 12, die strukturell und funktional identisch zu den in Fig. 1 bis 4 gezeigten sind, werden unter Verwendung derselben Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht, die eine Spiralnutstirnseitenabdichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung ht auf dem stationären Ring 4 vorgesehen. Das Gebiet, in dem die Ausnehmung ht gebildet ist, ist dasselbe Gebiet, wie das Spiralnutgebiet 38. Das zweite Ausführungsbeispiel besitzt dieselbe Funktion und denselben Effekt, wie das erste Ausführungsbeispiel in den Fig. 1 bis 4.
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht, die eine Spiralnutstirnseitenabdichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ausnehmung ht in dem Dammgebiet 32. Die Ausnehmung ht ist auf dem sich drehenden Abdichtring 3 in Fig. 10(a) gebildet und die Ausnehmung ht ist auf dem stationären Abdichtring 4 in Fig. 10(b) gebildet.
Die an dem soliden Kontaktteil der Abdichtoberflächen angelegte Last wird durch die folgende Formel ausgedrückt.
F = π(rt² - rb²)P&sub2; + π(rb² - r&sub1;²)P&sub1; + Fsp (rt > rb) (3)
wobei 2rt der Innendurchmesser der Ausnehmung ht ist.
Deshalb ist die an dieses Ausführungsbeispiel angelegte Last kleiner als diejenige des ersten Ausführungsbeispiels in den Fig. 1 bis 4.
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht, die eine Spiralnutstirnseitenabdichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung ht innerhalb des Spiralnutgebiets 38 angeordnet. Die Ausnehmung ht ist auf dein sich drehenden Abdichtring 3 in Fig. 11(a) gebildet und die Ausnehmung ht ist auf dem stationären Abdichtring 4 in Fig. 11(b) gebildet.
Die an den soliden Kontaktteil der Abdichtoberflächen angelegte Last wird durch die folgende Formel ausgedrückt.
F = π(rg² - rb²)P&sub2; + π(rb² - r&sub1;²)P&sub1; + Fsp + π(rt² - rg²)P&sub2;/2 (4)
wobei 2rt der Innendurchmesser der Ausnehmung ht ist.
Deshalb ist die Last dieses Ausführungsbeispiels größer als die des ersten Ausführungsbeispiels in den Fig. 1 bis 4.
In den Ausführungbeispielen der Fig. 1 bis 11 ist die Außenseite des Spiralnutgebiets die Hochdruckseite und die Innenseite der Spiralnut ist die Niedrigdruckseite, und das Strömungsmittel strömt nach innen bei den Abdichtoberflächen. Im Gegensatz dazu ist in einem fünften Ausführungsbeispiel in Fig. 12 die Außenseite des Spiralnutgebiets die Niedrigdruckseite und die Innenseite des Spiralnutgebiets ist die Hochdruckseite, und das Strömungsmittel strömt nach außen bei den Abdichtoberflächen. Das fünfte Ausführungsbeispiel besitzt dieselbe Funktion und denselben Effekt wie die Ausführungsbeispiele in den Fig. 1 bis 11.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung offenbar ist, kann gemäß der erfindungsgemäßen Spiralnutstirnseitendichtung, da Strömungsmittel in die Abdichtoberflächen durch die Ausnehmung in einem Zustand eintreten kann, in dem sich der drehende Abdichtring in Kontakt mit dem stationären Abdichtring bei mindestens einem Teil der Abdichtoberflächen befindet, der Startwiderstand beträchtlich verringert werden und das Startdrehmoment, das erforderlich ist, um die Maschine zu starten, kann unter hohem Druck verringert werden, wodurch ein Versagen beim Starten der Maschine vermieden wird und verhindert wird, daß die Abdichtoberflächen beschädigt werden.
Ferner ist gemäß der Erfindung eine Ausnehmung auf einem der Abdichtringe vorgesehen, so daß die Pumpwirkung, die durch die Spiralnuten erzeugt wird, durch die Ausnehmung beeinträchtigt wird. Jedoch wird eine erforderliche Leistung erhalten durch Auswählen der Bereiche für Nuttiefe (h&sub0;), des Dammbreitenverhältnisses (DW) und des Gleichgewichts (BR), wodurch verhindert wird, daß eine nicht kontaktierende Funktion der Abdichtoberflächen beeinträchtigt wird.
Außerdem, da der sich drehende Abdichtring den stationären Abdichrring an dem Dammgebiet kontaktiert, kann eine Leckage von Strömungsmittel von der Hochdruckseite zu der Niedrigdruckseite verhindert werden, wenn die Maschine gestoppt bzw. angehalten wird.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurden, sollte verstanden werden, daß viele Abänderungen und Modifikationen darinnen gemacht werden können, ohne von dem Schutzumfang der angefügten Patentansprüche abzuweichen.

Claims

1. Spiralnutstirnseitendichtung bzw. -stirnflächendichtung mit einem stationären Dichtring (4) und einem sich drehenden Dichtring (3) mit gegenüberliegenden sich radial erstreckenden Dichtoberflächen, wobei der sich drehende Dichtring (3) in Kontakt mit dem stationären Dichtring (4) an mindestens einem Teil der Dichtoberflächen ist, wenn der sich drehende Ring (3) gestoppt wird, wobei der sich drehende Dichtring (3) aus dem Kontakt mit dem stationären Dichtring (4) gebracht wird, wenn der sich drehende Dichtring (3) gedreht wird, und wobei Spiralnuten (31) in einer der Dichtoberflächen gebildet sind und sich von einem Umfang der Dichtoberfläche in einer radialen Richtung und von einer Hochdruckströmungsmittelseite (H) zu einer Niedrigdruckströmungsmittelseite (L) erstrecken, um Strömungsmittel in der Hochdruckströmungsmittelseite zu der Niedrigdruckströmungsmittelseite hin zu pumpen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausnehmung in einer der Dichtoberflächen gebildet ist, wobei die Ausnehmung in einem Gebiet der Spiralnuten (31) oder einem Teil der Spiralnuten (31) angeordnet ist.

2. Spiralnutstirnseitendichtung nach Anspruch 1, wobei ferner sich die Ausnehmung über das mit Spiralnuten versehene Gebiet (38) zu einer flachen Oberfläche bzw. Seite des Gebiets ohne Nuten erstreckt.

3. Spiralnutstirnseitendichtung nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmung auf der Dichtoberfläche des sich drehenden Dichtrings (3) gebildet ist.

4. Spiralnutstirnseitendichtung nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmung auf der Dichtoberfläche des stationren Dichtrings (4) gebildet ist.

5. Spiralnutstirnseitendichtung nach Anspruch 1, wobei die Spiralnuten (31) sich von dem Außenumfang der Dichtoberfläche zu dem Mittelpunkt der Dichtoberfläche hin erstrecken.

6. Spiralnutstirnseitendichtung nach Anspruch 1, wobei sich die Spiralnuten (31) von dem Innenumfang der Dichtoberfläche zu dem Mittelpunkt der Dichtoberfläche hin erstrecken.

7. Spiralnutstirnseitendichtung nach Anspruch 1, wobei die Spiralnuten (31) eine Tiefe von zwischen ungefähr 0,003 und 0,015 mm besitzen, wobei die Stimseitendichtung ein Dammbreitenverhältnis von ungefähr 0,2 und 0,4 besitzt, und zwar gemäß einer der folgenden Formeln

Dammbreitenverhältnis (rg - r&sub1;)/(r&sub2; - r&sub1;)

Dammbreitenverhältnis = (r&sub2; - rg)/(r&sub2; - r&sub1;)

wobei der Nutdurchmesser 2rg der Durchmesser eines Kreises ist, der durch die Grenzen des mit Nuten versehenen Gebiets (38) und des Gebiets ohne Nuten in der Dichtoberfläche definiert ist, wobei 2r&sub1; der Innendurchmesser und 2r&sub2; der Außendurchmesser ist; und

wobei die Dichtoberfläche ein Gleichgewicht von zwischen 0,8 und 0,9 besitzt, und zwar gemäß einer der folgenden Formeln

Gleichgewicht = (r&sub2;² -rb²)/(r&sub2;² - r&sub1;²)

Gleichgewicht = (rb²- r&sub1;²)/(r&sub2;² - r&sub1;²)

wobei 2r&sub2; der Außendurchmesser der Dichtschnittstelle bzw. des Dichtinterfaces, 2r&sub1; der Innendurchmesser und 2rb der Gleichgewichtsdurchmesser ist.

8. Drehender Dichtring (3), der folgendes aufweist: einen ringförmigen Körper, der ringförmige Oberflächen an den entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Seiten davon definiert, wobei der ringförmige Körper Spiralnuten (31) besitzt, und zwar gebildet in einer der Oberflächen, wobei sich die Spiralnuten (31) von einer Umfangskante des ringförmigen Körpers in einer radialen Richtung erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Körper eine Ausnehmung besitzt, und zwar gebildet in einer der Oberflächen, und wobei die Ausnehmung in einem Gebiet (38) der Spiralnuten (31) oder einem Teil der Spiralnuten (31) angeordnet ist.

9. Drehender Dichtring nach Anspruch 8, wobei ferner sich die Ausnehmung über das mit Spiralnuten versehene Gebiet (38) hinaus zu einer flachen Oberfläche des Gebiets ohne Nuten erstreckt.