Hightech im Dichtspalt

Für die Abdichtung drehender Wellen in Pumpen, Kompressoren oder Rührwerken hat sich die Gleitringdichtung (GLRD) als zuverlässiges Maschinenelement bewährt. Wichtig für die gute Funktion der GLRD ist, dass der Dichtspalt zwischen dem rotierenden und stationären Dichtungsbauteil sicher geschmiert wird. Bei einfachwirkenden Dichtungen übernimmt diese Aufgabe das Prozessmedium. Oft sind die abzudichtenden Medien aber alles andere als ideale Schmiermittel. Niedrige Viskosität, Verdampfung im Dichtspalt oder ein großer Feststoffgehalt stellen hohe Anforderungen. Mit fortschrittlicher Dichtflächentechnologie lassen sich die Eigenschaften von Gleitringdichtungen optimieren, so dass auch unter widrigen Bedingungen eine lange Lebensdauer erreichbar ist.

Um die Betriebssicherheit einer Gleitringdichtung im schwierigen Umfeld sicherzustellen, gibt es unterschiedliche Lösungsansätze. Eine Möglichkeit ist, die Leidensfähigkeit der Dichtung durch hochwertige Gleitwerkstoffe zu verbessern, beispielsweise mit einem Siliziumkarbid-Graphit-Verbundwerkstoff (SiC-C) oder Beschichtungen mit kristallinem Diamant. Die Alternative ist das aktive Schmierfilmmanagement durch moderne Nutensysteme auf den Dichtflächen.

Beschichtungen von Dichtflächen – John Crane Diamond®

Die Eigenschaften von Diamant sind optimal geeignet für den Einsatz in Gleitringdichtungen. Diamant ist das härteste Mineral, das unser Planet zu bieten hat. Mit Beschichtungen können robuste Oberflächen erzeugt werden, an welchen kein abrasiver Verschleiß durch feststoffhaltige Medien stattfindet.

Gleitpaarungen mit Diamantoberflächen können eine sehr niedrige Reibung haben. Der Reibkoeffizient bei wassergeschmierten Dichtflächen ist im Vergleich zu SiC/SiC Gleitpaarungen um mehr als 80 % vermindert. Die niedrigere Reibleistung resultiert in geringerer Verlustleistung, die Effizienz der abgedichteten Maschine wird verbessert und in vielen Fällen kann auf eine Kühlung der Gleitringdichtung verzichtet werden. Gleitflächen mit Ultrananokristalliner Diamantbeschichtung (UNCD) können aufgrund der feinen Korngröße und der niedrigen Oberflächenrauheit auch gegen Dichtflächen aus SiC oder anderen Hartwerkstoffen laufen. Interessanterweise sind auch bei gemischten Paarungen die Reibwerte niedrig. Diese Kombinationen sind aufgrund geringerer Kosten attraktiv.

Durch die Verbindung von Robustheit und niedrigen Reibwerten ergibt sich ein weiterer Vorteil. Unterbrochene Schmierung durch Trockenlauf der Pumpe kann von Dichtflächen mit Diamantbeschichtung vorübergehend ertragen werden. Tests von Referenzdichtungen mit unterschiedlichen Materialkombinationen haben gezeigt, dass bei einer Gleitgeschwindigkeit von ca. 10 m/s mehr als 30 Minuten Trockenlauf erreicht werden kann. Die besten Resultate wurden nicht mit Diamantflächen im Anlauf gegen sich selbst erzielt, sondern mit der gemischten Paarung SiC-C/Diamant. Diese Eigenschaft ist besonders interessant für Anwendungen, bei welchen vorübergehender Trockenlauf auftreten kann, z.B. bei Be- und Entladepumpen oder bei vertikalen Pumpen. Zum Vergleich: eine Dichtung mit SiC/SiC-Paarung war schon nach wenigen Sekunden im Trockenlauf irreversibel geschädigt, siehe auch Bild 1.

Schmierfilmmanagement durch moderne Nutensysteme - Gasdichtungen

Gleitringdichtungen mit strukturierten Dichtflächen werden in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Dabei ist es die Aufgabe der Strukturen, bei schlecht schmierenden Medien einen sicheren Schmierfilm zu erzeugen. Gasgeschmierte Gleitringdichtungen schaffen es, mit einem Gas einen stabilen Film zwischen den rotierenden und stationären Dichtflächen zu generieren und diese sicher zu trennen.

Bei Gasdichtungen ist eine der Dichtflächen in zwei Zonen aufgeteilt. Der dem abzudichtenden Gas zugewandte Bereich ist mit flachen Nuten ausgestattet, meist Spiralnuten. Die Nuten werden durch den Dichtdamm begrenzt. Die zweite Dichtfläche hat keine Strukturen. Bei Rotation der Maschine wird das an den Dichtungen anstehende Gas in den Spiralnuten komprimiert. Es entsteht ein Druckprofil zwischen den Dichtflächen, wobei der maximale Druck am Übergang von der Spiralnut zum Dichtdamm erreicht wird. Aufgrund der Druckerzeugung hebt die befederte Dichtfläche ab und es entsteht ein Spalt zwischen stationärer und rotierender Dichtfläche. Die Spaltbreite beträgt wenige µm, der Gasfilm hat eine hohe Steifigkeit und ist entsprechend betriebssicher. Es entsteht eine geringe Gasleckage von der Hochdruck- zur Niederdruckseite. Gasgeschmierte Dichtungen werden seit Jahren mit großem Erfolg für die Abdichtung von Kompressoren eingesetzt.

Auch Flüssigkeitspumpen können mit Gasdichtungen abgedichtet werden. Dazu wird die Gasdichtung doppeltwirkend angeordnet und die Dichtkammer mit Sperrgas beaufschlagt. Da eine geringe Menge des Sperrgases in das Prozessmedium eindringt, wird aufgrund der inerten Eigenschaften meist Stickstoff verwendet. Der Sperrgasdruck liegt 2-3 bar über dem Druck der abzudichtenden Prozessflüssigkeit, siehe Bild 2.

Die Vorteile von Gasdichtungen liegen auf der Hand. Die Dichtungen laufen berührungsfrei und damit verschleißarm, sie erzeugen keine nennenswerte Verlustleistung. Im Vergleich mit konventionellen Doppeldichtungen ist das Sperrsystem von Gasdichtungen oft auch sehr viel einfacher und kostengünstiger.

Hybriddichtungen

Bestimmte flüchtige Flüssigkeiten können mit Gasdichtungen auch direkt abgedichtet werden. Ein Beispiel hierfür sind Entladepumpen für flüssigen Stickstoff, Sauerstoff und Argon an Tanklastern. Die Medien liegen im Tank bei tiefen Temperaturen und geringem Überdruck vor. Die Gleitringdichtung ist in der Pumpe zwischen dem Flüssiggas und der Umgebung angeordnet. Im Dichtspalt erfolgt der Abbau des Drucks auf Atmosphärendruck. Aufgrund des Druckabbaus und der Erwärmung ändert sich der Aggregatzustand von flüssig in gasförmig. Mit dem Gas können die Spiralnuten der Gleitringdichtung nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip einen Schmierfilm aufbauen, und die Pumpe berührungsfrei und sicher abdichten, siehe Bild 3.

Aufgrund der erheblich verbesserten Lebensdauer hat diese Hybriddichtung die konventionelle Flüssigkeitsdichtung hier fast vollständig verdrängt.

Dynamic Lift Upstream Pumping

Diese Technik überträgt das Spiralnutenprinzip auf die Abdichtung von nicht flüchtigen Flüssigkeiten. Eine Dualdichtung, bei der produktseitig eine Dichtfläche mit Spiralnuten ausgestattet ist, wird mit einer drucklosen Vorlageflüssigkeit - meist Wasser - beaufschlagt. Dreht die Pumpenwelle, arbeiten die Spiralnuten in der Gleitringdichtung wie eine Verdrängerpumpe und fördern kleinste Mengen der Vorlageflüssigkeit gegen den Prozessdruck in die Pumpe. Da es sich bei Wasser um ein inkompressibles Medium handelt, kann die Gleitringdichtung gegen sehr hohe Prozessdrücke arbeiten, ca. 100 bar sind möglich, siehe Bild 4.

Die Vorteile dieser Technik sind enorm:

• Die Dualdichtung benötigt kein aufwändiges Sperrsystem. Ein einfaches druckloses Vorlagesystem, das mit einem Anschluss zum Ausgleich des Wasserverbrauchs ausgerüstet ist, reicht aus. Die Gleitringdichtung erzeugt den erforderlichen Sperrdruck selbstständig.
• Die produktseitige Gleitringdichtung generiert durch die Pumpwirkung aktiv ihren Schmierfilm. Die Dichtflächen sind vollständig getrennt und laufen auf einem sauberen Wasserfilm. Das Konzept ist daher auch besonders für die Abdichtung von feststoffhaltigen Fördermedien geeignet.
• Reibungsverluste und Dichtflächenverschleiß sind minimal. Der Wasserverbrauch ist gering, bei durchschnittlichen Anwendungen weniger als 500 ml/h.
• Die atmosphärenseitige Gleitringdichtung dichtet das drucklose und saubere Fördermedium ab und wird nur gering belastet.

Gleitringdichtungen mit Dynamic Lift Upstream Pumping erreichen auch bei schwierigen Bedingungen lange Betriebszeiten.

Mit dem Vorantreiben der Entwicklung moderner Dichtflächentechnologien konnte in den vergangenen Jahren die Leistungsfähigkeit von Gleitringdichtungssystemen erheblich gesteigert werden. Lange Lebensdauer bei anspruchsvollen Bedingungen, höherer Druck für neue Anwendungen, keine Emissionen gefährlicher Stoffe und stark reduzierter Energieverbrauch unterstützen unsere Kunden bei den Anstrengungen, ihre Anlagen effizient und umweltschonend zu betreiben und sichern gleichzeitig die Zukunft der Gleitringdichtung.