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Katalogauszug Gleitringdichtungen

Technischer Fragebogen

Hinweise für Einbau und Betrieb von Gleitringdichtungen

Gleitringdichtungen

Zur Abdichtung rotierender Wellen in vielfältigen Anwendungen erledigen Gleitringdichtungen als Maschinenteil mit der richtigen Auswahl der Bauart, des Materials und der Betriebsweise sicher und dauerhaft Ihre Dichtungsaufgabe. Dabei sind die genannten Einsatzgrenzen stets von den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängig.

Gleitringdichtungen sind aktuell die am häufigsten verbreiteten Dichtungstypen bei druckbelasteten Wellenabdichtungen. Sie sind in der Lage, Wärmedehnungen und Verschleiß selbstständig auszugleichen und haben dadurch, im Vergleich zur früher verwendeten Stopfbuchspackung, einen geringeren Wartungsaufwand. Desweiteren haben sie eine wesentlich geringere Reibung und Leckage als die zuvor verwendeten Stopfbuchspackungen. Die Einsatzbereiche von Gleitringdichtungen reichen unter anderem von Pumpen und Zentrifugen bis zu Rührwerken und Mischern.

Dabei erfolgt die Abdichtung zwischen einem mit der Welle verbundenen, somit rotierendem, Ring und einem im Gehäuse verankertem stationären Ring. Je nach konstruktiver Gestaltung kann die Ebene, in der sich beide Ringe „berühren“, der Dichtspalt, parallel zur Wellenachse liegen, wodurch diese Dichtung als sogenannte Radialdichtung bezeichnet wird oder die Ebene steht senkrecht zur Wellenachse und die Dichtung wird Axial-Gleitringdichtung genannt. In Abbildung 1 sind die eben beschriebenen Prinzipien grafisch dargestellt.

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Axial-Gleitringdichtungen bestehen aus einem namensgebenden Gleitring und einem Gegenring. Als Gleitring wird dabei jener Teil bezeichnet, der gegen den Dichtungspartner gedrückt wird und in der Lage ist, die axiale Position zu ändern. Er kann dabei sowohl die rotierende als auch die stationäre Komponente sein und wird in beiden Fällen trotzdem Gleitring genannt. Der Gegenring ist dementsprechend die Komponente, welche die axiale Position nicht ändern kann und den Dichtungspartner des Gleitrings darstellt. Eine Änderung der axialen Position ist einerseits aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen erforderlich und außerdem wegen maßänderndem Verschleiß der Dichtringe notwendig, um den Dichtspalt auf gleicher Höhe zu halten. Wie zuvor bereits erwähnt, ist es gerade ein Vorteil der Gleitringdichtungen, den Verschleiß ausgleichen zu können. Die Energie zur axialen Bewegung des Gleitrings wird aus einem zuvor verformten, elastischen Element gewonnen. Es kann beispielsweise eine einfache Feder, mehrere kreisförmig angeordnete Federn oder ein Metallfaltenbalg als Energiespeicher für die Axialbewegung benutzt werden. Die daraus resultierende Kraft auf den Gleitring, zuzüglich der Kraft aus dem Betriebsdruck, unter Berücksichtigung des Flächenverhältnisses, bewirkt ein Anpressen des Gleitrings gegen den Gegenring und schließt den Dichtspalt. Dieser Kraft stehen die spaltöffnenden Größen, hydrostatischer und hydrodynamischer Spaltdruck gegenüber. Bei stehender Welle werden die Dichtkörper durch die Vorspannung der elastischen Elemente aneinander gedrückt und der Dichtspalt verschlossen. Im Betrieb hingegen trennen sich im günstigen Fall bei sorgfältiger Auslegung und Fertigung die Dichtflächen vollständig voneinander und es stellt sich ein tragender Dichtspalt aus dem abzudichtenden Medium von unter 1 µm ein. Wegen der komplexen tribologischen Effekte ergeben sich besondere Anforderungen an die Werkstoffe der eigentlichen Gleit- und Gegenringe. Der Umstand, dass Gleitringdichtungen meist in aggressiven Medien eingesetzt werden, erhöht die Anforderungen an die Werkstoffe weiter. Üblicherweise besteht eine der beiden Gleitflächen aus einem möglichst verschleißfesten und die andere aus einem feinverschleißfähigen Werkstoff, das heißt, das beim Verschleißen eine riefenfreie Oberfläche ohne Kratzer entsteht. Die Gründe hierfür sind, dass es infolge thermischer Verformungen zu einer Linienberührung beider Gleitflächen kommt und dies sehr hohe Reibungen und somit massive Temperaturanstiege nach sich zieht. Um diese Linienberührung möglichst schnell wieder in eine Flächenberührung und das darauffolgende Abheben der Gleitflächen auszulösen, soll eine Gleitfläche verschleißfähig sein. Desweiteren sollten die Gleitringe eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die Wärme abführen zu können und außerdem temperaturschockbeständig sein, um nicht infolge starker Temperaturschwankungen beschädigt zu werden. Zur Unterstützung der hydrodynamischen Effekte sollten die Gleitflächen mikroskopisch kleine Flüssigkeitsräume aufweisen, die sich mit dem Fluid füllen können und die Gefahr von Trockenlauf reduzieren. Eine wichtige Rolle in der Gleitringtechnik spielen die keramischen Werkstoffe. Dabei eignet sich besonders das extrem harte, korrosionsbeständige und gut wärmeleitfähige Siliziumkarbid als verschleißfester Werkstoff. Aber auch der keramische Werkstoff Wolframkarbid, Chrom-Nickel-Molybdän-Stähle oder Chromguß und Aluminumoxid werden verwendet. Von den tribologischen Eigenschaften ist Siliziumkarbid jedoch überlegen. Als feinverschleißfähiger Werkstoff wird sehr häufig Phenolharz oder Antimon imprägnierter Kohlegrafit verwendet.  Typische Werkstoffpaarungen sind Siliziumkarbid-Siliziumkarbid, Siliziumkarbid-Wolframkarbid, Siliziumkarbid-Kohlegrafit und Chromguß-Kohlegrafit.

Abbildung 2 zeigt eine grafische Darstellung einer Gleitringdichtung mit rotierendem Gleitring. Dabei sind die rotierenden Teile in Rot-Tönen dargestellt und die stationären Teile in Gelb-Tönen. Bei dieser Dichtung erfolgt die Abdichtung der Nebenstellen mithilfe von O-Ringen, auch Rundschnurringe genannt. Die O-Ringe sind dabei statische Dichtungen, da es keine oder nur sehr kleine Relativbewegungen der zueinander abgedichteten Teile gibt. Die erforderliche Energie zur axialen Verstellung des Gleitrings wird bei dieser Dichtung mithilfe mehrerer kreisförmig angeordneter Federn bereitgestellt. Verschiedene Mitnehmer sorgen zum einen dafür, dass der Gleitring mit der Welle zwangsrotiert und zum anderen ein Mitdrehen des Gegenrings verhindert wird. Der Anschluss für die Zirkulation oder Spülung hat dabei die Funktionen eventuelle Ablagerungen von Partikeln und Ausscheidungen an den Dichtstellen zu vermeiden und die Dichtflächen zu kühlen. Desweiteren kann ein Zirkulationsstrom dazu verwendet werden, den Druck in der Dichtkammer aufrecht zu erhalten und ein schlagartiges Verdampfen des Mediums infolge Druckabfalls verhindert werden. Bei der Verwendung einer Gleitringdichtung in einer Pumpe wird in der Praxis meist eine Zweigleitung von der Druckseite der Pumpe abgenommen und dadurch ein Teil des Pumpenförderstroms durch die Dichtung geleitet.

 

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Besondere Einsatzbedingungen der Dichtungen, wie zum Beispiel sehr hohe Drehzahlen oder spezielle Einbauräume, können einen anderen Dichtungsaufbau fordern. Um die Masse der rotierenden Teile und die Strömungsverluste infolge zerklüfteter Oberflächen zu reduzieren, werden bei hohen Wellendrehzahlen Dichtungen wie in Abbildung 3 eingesetzt. Der axial bewegliche Gleitring wird stationär ausgeführt, das heißt er rotiert nicht. Der im Vergleich zum Gleitring mit entsprechenden Einrichtungen für die axiale Beweglichkeit viel kleinere Gegenring wird mit der Welle rotierend ausgeführt. Somit wird erreicht, dass der strömungstechnisch ungünstigere Gleitring nicht ständig durch das abzudichtende Medium rotiert und dadurch Strömungsverluste herbeiführt. Diese Dichtungsart wird Gleitringdichtung mit stationärem Gleitring und rotierendem Gegenring genannt.

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Die Abbildungen 2 und 3 zeigen Gleitringdichtungen aus Einzelkomponenten, da sie direkt an der Anlage montiert werden müssen. Viele Gleitringdichtungen fallen jedoch aufgrund von Montagefehlern frühzeitig aus oder überfordern das Montagepersonal. Aus diesem Grund fordern die Kunden von Gleitringdichtungen immer öfter vollständig vormontierte Dichtungseinheiten, die möglichst einfach installiert werden können. Die Dichtungshersteller reagierten auf diese Forderung und entwickelten die sogenannten Patronendichtungen, auch Cartridge-Dichtungen genannt. Bei diesen Dichtungen werden die Dichtelemente durch die Dichtungshersteller in eigenständige Gehäuse eingebaut und mit einer Wellenhülse ausgerüstet. Diese Maßnahmen vereinfachen den Montageaufwand des Kunden immens, denn dieser muss lediglich die Wellenhülse mit der vorhandenen Welle verspannen und das Gehäuse an seiner Anlage befestigen. Vorgesehene und beschriftete Versorgungsanschlüsse der Dichtung erleichtern die Inbetriebnahme und reduzieren Fehler und damit verbundene Frühausfälle. Abbildung 4 zeigt eine einfach wirkende Gleitringdichtung mit stationärem Gleitring in Patronenausführung. Als Vorlageflüssigkeit bzw. Quench wird dabei alles bezeichnet, was hinter der Primärdichtung und vor der atmosphärenseitigen Sekundärdichtung zu- bzw. abgeführt wird. Die Vorlageflüssigkeit kann zum Kühlen und Schmieren der Dichtflächen und zur Ausspülung von Leckage eingesetzt werden. Desweiteren kann der Zwischenraum dazu genutzt werden, ein Versagen der Dichtung frühzeitig festzustellen und Reparaturmaßnahmen bis zum vollständigen Versagen der Dichtung zu planen.

 

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Bei besonderen Anforderungen an die Dichtung kann es notwendig sein, eine mehrfache Abdichtung vorzunehmen. Patronendichtungen werden von den Dichtungsherstellern auch als Mehrfachdichtungen angeboten. Bei diesen Dichtungstypen gibt es eine innere, dem Produkt zugewandte Gleitringdichtung und eine äußere, der Atmosphäre zugewandte Gleitringdichtung. In Anlagen mit sehr hohen Sicherheitsanforderungen wie zum Beispiel Kraftwerken wird oftmals zwischen der inneren und äußeren Dichtung eine weitere Gleitringdichtung vorgesehen, so dass insgesamt drei Gleitringdichtungen in einer Patrone eingebaut sind. Üblicherweise werden jedoch in den meisten Einsatzfällen doppelt wirkende Gleitringdichtungen eingesetzt und in den Zwischenraum der beiden Dichtungen entweder eine Vorlageflüssigkeit oder ein Sperrmedium eingeleitet. Das Sperrmedium hat dabei meist einen höheren Druck als das abzudichtende Medium, so dass im Falle eines Dichtungsversagens der inneren Dichtung das Sperrmedium in das abzudichtende Fluid übergeht. In Abbildung 5 ist eine doppelt wirkende Gleitringdichtung in Patronenausführung dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Dichtung mit zwei stationären Gleitringen und rotierenden Gegenringen.

 

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