Gleitringdichtung

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Gleitringdichtung; die beiden Ringe d und a müssen möglichst plan sein
Schnitt durch eine drehrichtungsunabhängige, einfachwirkende Gleitringdichtung.
1) Gewindestift
2) O-Ring(Sekundärdichtung)
3) Spannstift als Verdrehsicherung für den Gleitring (4)
4) Gleitring
5) Gegenring
6) O-Ring (Sekundärdichtung)
7) Gehäusewand (nur angedeutet)
8) Spannstift als Verdrehsicherung für den Gegenring (5)
9) Welle/Achse
10) Federn

Gleitringdichtungen oder auch sogenannte dynamische Dichtungen übernehmen die Abdichtung rotierender Wellen gegenüber einer Wand, z. B. eines Maschinengehäuses. Hauptkomponenten sind zwei aufeinander gleitende Bauteile, der befederte Gleitring (im oberen Bild Position a) und ein Gegenring. Einer der beiden Ringe sitzt starr im stationären Gehäuse (Stator) (im oberen Bild Position d), der andere ist mithilfe von Verdrehsicherungsstiften auf der rotierenden Welle befestigt (Rotor). Die Flächen zwischen diesen beiden Teilen sind - abhängig von der Art der Gleitringdichtung – zumeist plan und bestehen in der Regel aus Kohlenstoff-Graphitwerkstoffen, Metall, Keramik, Kunststoff oder kunstharzgebundenem Kohlenstoff.

Einteilung[Bearbeiten]

Zwei Gruppen an dynamischen Dichtungen lassen sich unterscheiden: axiale und radiale. Als axiale Dichtung gilt die Gleitringdichtung, wobei Sonderformen die Speisekopfdichtungen (Dampfkopfdichtungen) und Kugelhahndichtungen darstellen. Die radialen Dichtungen lassen sich in Spaltdichtungen (Ausführungen mit mehrteiligen Ringen, Panzerkohleringen, Labyrinthdichtung) und Berührungsdichtungen (Radialwellendichtringe) unterteilen.

Aufbau[Bearbeiten]

Die einander gegenüberliegenden axialen oder radialen Dichtungsflächen rotieren relativ zueinander und bilden einen primären Dichtspalt. Zwischen den Dichtflächen erzeugt das umgebende Medium je nach Aggregatzustand einen flüssigen oder gasförmigen Schmierfilm. Die Abdichtung der Gleitringdichtungsteile gegenüber Welle bzw. Gehäuse erfolgt in der Regel mit Nebendichtungen in Form von zusätzlichen O-Ringen oder Manschetten. Insofern bestehen Gleitringdichtungen im Prinzip aus fünf Bauteilen: dem Gleitring, dem Gegenring, der Befederung sowie je einer Nebendichtung. Je nach Bauart der Dichtungen kann sich die Anzahl der Bauteile reduzieren oder auch deutlich erhöhen.

Gleitring und Gegenring werden als Gegenlaufpaare bezeichnet. Die optimale Auswahl der Werkstoffe für diese Paarung hängt in erster Linie von der Art der abzudichtenden Medien, der Rotationsgeschwindigkeit sowie der Einsatztemperatur ab. Bei den Gleitringdichtungen spricht man von so genannten hart-hart- oder hart-weich-Paarungen. Dabei ist mit Hart-Weich-Paarung eine Kombination von Gleitteilen bezeichnet, in der einer der Gleitpartner deutlich weicher ist als der andere, dadurch leichter verschleißt, aber auch bessere Notlaufeigenschaften bei ungünstigen Schmierungsverhältnissen aufweist. Eine typische Kombination ist ein Kohlering gegen einen Ring aus Siliziumcarbid. Bei Hart-Hart-Paarungen sind beide Gleitringe aus hartem und verschleißfestem Material. Diese Paarung wird vor allem bei abrasiven Produkten eingesetzt, hat aber schlechtere Notlaufeigenschaften. Für die Dichtheit und den Verschleiß sind neben der Materialpaarung vor allem auch die absolut plane Ausführung der Gleitflächen sowie die Rautiefe von entscheidender Bedeutung. Sie werden daher in der Regel geläppt, poliert und evtl. mit einem Superfinish versehen.

Die Auswahl der geeigneten Werkstoffpaarungen sollte in direkter Zusammenarbeit und sorgfältiger Beratung mit dem Hersteller der Gleitringdichtungen bzw. der Komponentenhersteller erfolgen. Hauptanwendungsgebiete für Gleitringdichtungen sind unter anderem Pumpen für Brauchwasser, Speisewasser, Autokühler oder Klimaanlagen, Rührwerke für Nass- und Trockenlauf, Zentrifugen oder Wasserturbinen. Heute sind Gleitringdichtungen für Wellendurchmesser von ca. 5 bis 630 mm, Drücke von ca. 0,01 bis 450 bar, Temperaturen von ca. -200 bis +450 °C und Gleitgeschwindigkeiten von bis zu ca. 150 m/s erhältlich.

Gasgeschmierte Gleitringdichtungen[Bearbeiten]

Einschränkungen konventioneller Radial-Wellendichtringe[Bearbeiten]

Kurbelwellendichtungen werden seit Jahrzehnten in zahlreichen Varianten hergestellt. Entweder als Radial-Wellendichtring (RWDR) mit federbelasteter Dichtlippe aus Elastomer (Simmerring) oder als Radial-Wellendichtring mit einer Dichtlippe aus Polytetrafluorethylen (PTFE-RWDR) oder Elastomer (Elastomer-RWDR) ohne zusätzliche Federbelastung. In der Regel erzeugen die beiden Dichtungsvarianten ohne zusätzliche Federbelastung weniger Verlustleistung als ein federbelasteter Elastomer-Radial-Wellendichtring.[1] Radialwellendichtringe aus PTFE verfügen über Dichtlippen mit Fördergewinde, ebenso die neueren federlosen Dichtsysteme. Diese Dichtungen bilden an der Kontaktstelle von Welle und Dichtlippe einen Dichtspalt. Durch das Fördergewinde wird in den Dichtspalt eingedrungenes Öl bei rotierender Welle in den Ölraum zurück gefördert. Es entsteht eine Schleppströmung zur Ölseite. Dadurch stellt sich über die gesamte Länge des Dichtspalts ein Ölfilm ein, der von der Öl- zur Luftseite dünner wird. Während der Ölfilm auf der Ölseite hydrodynamisch trägt, herrscht auf der Luftseite Mangelschmierung. Die Scherkräfte im Öl und der Festkörperkontakt im Dichtspalt führen zu Reibverlusten und Verschleiß. Im Gegensatz hierzu besteht im Betrieb einer gasgeschmierten Gleitringdichtung kein Festkörperkontakt und die Reibverluste im Gasfilm sind aufgrund der niedrigen Viskosität der Luft deutlich geringer, was die Verbrauchs- und Emissionsreduzierung ermöglicht. Alle heute bekannten Radialwellendichtungen erzeugen durch die Art wie sie abdichten bei steigendem Unterdruck auf der Ölseite einen ansteigenden Reibverlust.

Vorteile von gasgeschmierten Gleitringdichtungen[Bearbeiten]

Gasgeschmierte Gleitringdichtungen werden seit ca. 30 Jahren in industriellen Anwendungen wie Kompressoren, Expandern, Pumpen und Rührwerken in einem großen Spektrum von Umsatzgeschwindigkeiten und Drücken eingesetzt. Speziell für die Abdichtung an der Kurbelwelle hat Freudenberg Sealing Technologies ein Dichtsystem unter dem Markennamen Levitex entwickelt, das den Leistungsverlust gegenüber einer herkömmlichen PTFE-Dichtung um bis zu 90 Prozent reduziert. Sie besteht aus einer stationären und einer rotierenden Einheit. Die statische Einheit umfasst den Gleitring, der über ein Elastomerbauteil an dem Gehäuse befestig ist. Der Gegenring und der Mitnehmer, der ihn zentriert, sind auf der Kurbelwelle fixiert und bilden die rotierende Einheit. Die für die Dichtheit und Funktion notwendige axiale Kraft, die den Gleitring an den Gegenring presst, resultiert allein aus der speziellen Form des Elastomerbauteils und seiner Einfederung bei der Montage. Im Betrieb bildet sich zwischen Gleit- und Gegenring ein Luftpolster und trennt beide Ringe. Das Luftpolster entsteht durch aerodynamisch wirksame Nuten auf der Dichtfläche, die bei Rotation einen Schleppdruck aufbauen. Zur Verschleiß- und Reibungsreduktion aus dem Stillstand heraus sind Gleit- und Gegenring mit einer abriebbeständigen Beschichtung versehen. Durch die besondere Bauform und den besonderen Dichtmechanismus ist das System über einen großen Druckbereich vollkommen unabhängig. So steigt die Verlustreibung auch bei Drücken oberhalb von +/-400 mbar nicht an.

Dichtsystem Levitex[Bearbeiten]

Das Unternehmen Burgmann entwickelte bis zum Jahr 1999 eine gasgeschmierte Gleitringdichtung für den Einsatz an Kurbellwellen. Dieses System der ersten Generation besteht aus vielen Einzelteilen. Trotz erfolgreicher Tests konnte sich die Dichtung nicht im Automobilmarkt etablieren, da die hohen Herstellkosten die Einsparungen durch die Reibungsminderung deutlich überstiegen und die Notwendigkeit zur Minderung des CO2-Ausstoßes noch nicht so präsent war. Die Idee der gasgeschmierten Gleitringdichtung zum Abdichten an der Kurbelwelle griff Freudenberg Sealing Technologies nach der Übernahme von Burgmann wieder auf. In den folgenden Jahren entwickelte und patentierte das Unternehmen ein neues Konzept. Bei der Montage federt das Elastomerbauteil ein. Die entstehende Axialkraft presst den Gleitring an den Gegenring. Das Elastomerbauteil ist mit dem Gehäuse und dem Gleitring fest verbunden. Es gleicht axiale und radiale Einbautoleranzen sowie Schwingungen und Wellentaumeln während des Betriebs aus und übernimmt zusätzlich die Funktion der Nebenabdichtung (O-Ring 2, Levitex Generation 1) zwischen Gleitring und Mitnehmer sowie die Reibmomentabstützung. Durch das Weglassen der Nebenabdichtung entfällt nicht nur der Reibkontakt zum Mitnehmer, sondern auch ihr stark betriebsabhängiger Einfluss auf das Kräftegleichgewicht am Dichtspalt. Damit steigt die Funktionsstabilität des Dichtsystems gerade bei Schwingungen der Kurbelwelle. Das Gehäuse wird durch eine reibschlüssige Verbindung radial und axial fest mit dem Kurbelgehäuse verbunden. Die Nebenabdichtung zwischen Gehäuse und Kurbelgehäuse erfolgt entweder mit einem Dichtlack oder kann durch eine an das Gehäuse anvulkanisierte Elastomerschicht erfolgen. Gleitring, Elastomerbauteil und Gehäuse bilden die stationäre Gleitringeinheit (Stator). Die Gegenringeinheit (Rotor) besteht aus dem Gegenring und dem Mitnehmer. Der Gegenring wird im Mitnehmer durch einen Elastomerpresssitz fixiert. Dieser hat die Funktion der Lagerung, der Nebenabdichtung und der Reibmomentabstützung am Gegenring. Die Gegenringeinheit wird auf die Kurbelwelle aufgepresst und rotiert mit Kurbelwellendrehzahl. Der metallische Presssitz bildet gleichzeitig die Nebenabdichtung zwischen Mitnehmer und Kurbelwelle. Diese kann wahlweise auch durch einen Dichtlack ausgeführt werden. Im Betrieb erfolgt die Trennung von Gleit- und Gegenring mit Hilfe aerodynamisch wirksamer Strukturen – sogenannter Gasnuten – auf der Dichtfläche des Gegenrings. Die Gasnut der Dichtfläche ist in Strömungsrichtung im Querschnitt abnehmend ausgebildet und nur wenige Mikrometer tief. Bei Rotation wird Luft in der Gasnut gegen einen Dichtdamm geschleppt. Der dadurch entstehende Schleppdruck trennt die Dichtflächen. Es entsteht ein sehr kleiner Spalt in dem sich der stabile Luftfilm aufbaut. Dieser Luftfilm bildet für flüssige Medien eine undurchdringliche Barriere. Einmal aufgebaut, überzeugt der Luftfilm durch eine beeindruckende Stabilität gegenüber äußeren Einflüssen. Selbst aufgewirbelter Staub von der Luftseite kann kaum eindringen, da der Spalt deutlich kleiner ist als übliche Staubpartikel.

Versuche zum Reibmomentvergleich[Bearbeiten]

Die Reibmomentmessung wurde auf einem Dichtungsprüfstand mit aerostatisch gelagerter Prüfzelle durchgeführt. Dieser ermöglicht eine hochgenaue Messung des Reibmoments, dessen Auflösung im Bereich von 2,5 mNm liegt. Bei Gleitgeschwindigkeiten unter 1,2 m/s ist das Reibmoment der gasgeschmierten Gleitringdichtung Levitex im Vergleich zum PTFE-Radial-Wellendichtring leicht erhöht, fällt aber im Bereich der Motorleerlaufdrehzahl exponentiell. Bei Gleitgeschwindigkeiten über der Motorleerlaufgleitgeschwindigkeit (> 3,12 m/s) erzeugt die gasgeschmierte Gleitringdichtung Levitex je nach Temperatur und Drehzahl bis 0,28 Nm geringere Reibmomente im Vergleich zu PTFE-Radial-Wellendichtringen. Bei 2.000 min-1 ergibt sich somit eine Reibleistungseinsparung, je nach Temperatur, von 48 bis 67 W. Daraus resultiert im Neuen Europäischen Fahrzyklus bei einem Ottomotor mit einer CO2-Emission von 161,5 g CO2/km eine Einsparung von 1,3 g CO2/km.[2] Diese Einsparung kann bei neueren Motoren und anderen Vergleichsdichtungen geringer ausfallen.[3] Die Versuchsergebnisse zeigen: Die gasgeschmierte Gleitringdichtung Levitex ist in Betriebstemperaturen von -40 bis +150 °C einsetzbar. Das reduzierte Reibmoment und die Beschichtung zur Verschleiß- und Reibungsreduktion gewährleisten eine lange Lebensdauer. Die hohe Druckstabilität erlaubt den Einsatz in modernen Motoren. Die Senkung des Kraftstoffverbrauchs um 0,4 bis 0,8 % und die Reduzierung der CO2-Emission um 0,5 bis 1 g/km können Automobilhersteller dabei unterstützen, die von der Europäischen Union geforderte Senkung des CO2-Ausstoßes umzusetzen. Ein Einsatz an anderen Dichtstellen als an der Kurbelwelle ist denkbar. Hierzu müssen das Design des Elastomerbauteils und das Nutenprofil an die Betriebsbedingungen angepasst werden. Gegebenenfalls machen andere Applikationen auch den Einsatz anderer Materialien nötig.

Werkstoffe für Gleitringe[Bearbeiten]

Als Gleitring oder Gegenring kommen eine Reihe unterschiedlicher Werkstoffe in Frage, die sich in 4 Hauptgruppen unterteilen lassen:

  • Kohlenstoff
Kohlenstoff-Graphit - kunstharz- oder antimonimprägniert, Elektrographit, kunstharzgebundener Kohlenstoff
  • Keramische Materialien
Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Wolframcarbid
  • Metallische Werkstoffe
Edelstahl, Chromguss, Sonderwerkstoffe
  • Kunststoff
PTFE

Verschleiß der Gleitringe[Bearbeiten]

Seit Hydrazin als Korrosionsinhibitor wegen seiner Gesundheitsgefährdung verboten wurde, treten bei den Gleitringdichtungen von Kesselspeisepumpen vorher nicht gekannte Korrosionserscheinungen auf. Als Grund hat sich die Elektrokorrosion herausgestellt, weil die Relativbewegung zwischen Gleit- und Gegenring zu statischen Aufladungen führt, die durch die sehr niedrige Leitfähigkeit des Kesselwassers von unter einem Mikro-Siemens pro cm [μS/cm] im Unterschied zu früher nicht mehr abgeleitet werden. Innerhalb kurzer Betriebszeiten, teilweise wenigen hundert Betriebsstunden, können fingerkuppengroße Stücke aus dem Gleit- und/oder dem Gegenring herausbrechen und zu rapidem Anstieg des Leckstroms führen, was einerseits wegen der Wirkungsgradeinbuße, andererseits wegen der nicht mehr gewährleisteten Betriebszuverlässig inakzeptabel ist und zu einem Reparaturstillstand mit den damit verbundenen und leider bestens bekannten hohen Kosten führt, hauptsächlich wegen des Produktionsausfalls. Zur Lösung dieses Problems wird z.B. mit welligen Oberflächenprofilierung der Gleitflächen gearbeitet oder die Gleitflächen mit kristallinem naturidentischem, jedoch künstlich hergestelltem Diamant beschichtet. Nach 26.680 h in einem Dauerversuch mit diamantbeschichteten Gleitringen am Institut für hydraulische Strömungsmaschinen der Technischen Universität Graz wurde gezeigt, dass ein ausgezeichneter Zustand nahezu ohne Korrosion der Gleitringdichtung nach so langer Betriebszeit vorliegt.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Bock, E., Raclot, I., Lutaud, D. „POP®: Reibungsoptimierte PTFE-Simmerringe“, Stuttgart, 16te Internationale Dichtungstechnik Konferenz, 2010
  2. S. Neuberger, W. Haas: „CO2NSEAL - Dynamische Dichtsysteme zur CO2-Reduktion und Erhöhung der motorischen Wirkungsgrade von Antriebssystemen und Energieerzeugungsanlagen mit integrierten Sensorikelementen zur Zustandsdetektion von Dichtungen und Lagerungen“, Bonn, Bundesministerium für Bildung und Forschung, Forschungsbericht, 2013
  3. Bock, E., Raclot, I., Lutaud, D. „POP®: Reibungsoptimierte PTFE-Simmerringe“, Stuttgart, 16te Internationale Dichtungstechnik Konferenz, 2010