CH643336A5

CH643336A5 - Hydrostatische wellendichtung.

Info

Publication number: CH643336A5
Application number: CH191080A
Authority: CH
Inventors: Fritz Carl Catterfeld
Original assignee: Rockwell International Corp
Priority date: 1979-03-19
Filing date: 1980-03-11
Publication date: 1984-05-30
Also published as: US4199152A; AU542043B2; JPS55126163A; GB2044369A; DE3010406A1; CA1141405A; AU5406579A; GB2044369B; FR2452039A1

Description

Die Erfindung betrifft hydrostatische Wellendichtungen, die insbesondere für hochtemperatur- und hochdruckbelastete Dichtungen in der Pumpenindustrie geeignet sind.

Für chemische Prozesse, im Bergbau, beim Nassbaggern und bei der Feststofförderung bei Temperaturen oberhalb von 260°C werden an Hochdruck-Zentrifugalpumpen an die Wellendichtungen besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der Lebensdauer aufgrund der starken Verschleiss-beanspruchungen gestellt.

Besonders bei der Kohleverflüssigung sind Kohle-schlammförderungsanlagen bei hohem Durchsatz und hohem Druck erforderlich. Die häufig verwendeten Hubkolbenpumpen müssen in grosser Anzahl vorgesehen werden, um die Fördermengen bewältigen zu können, verbunden mit entsprechend hohen Kapital- und Unterhaltskosten. Alternativ dazu scheinen Zentrifugalpumpen mit hoher Durchsatzkapazität die Anforderungen in einer Kohleverflüssigungsanlage zu erfüllen, jedoch müssen solche Pumpen aufgrund der Druckanforderungen mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden und sind durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Schlammes starkem innerem Verschleiss ausgesetzt.

Dichtpackungen für entsprechende Pumpen müssen so ausgeführt sein, dass sie eine Abdichtung gegenüber einem Kohle/Öl-Schlamm mit einer Körnung entsprechend 0,04-5,84 mm siebmaschenweit bei Temperaturen oberhalb von 290°C und Drücken von 18 kg/cm2 in der ersten Pumpenstufe bis über 200 kg/cm2 in der letzten Pumpenstufe gewährleisten. Das Druckniveau von über 200 kg/cm2 (3000 psi) wurde für die hydraulische und dynamische Auslegung einer Kohleverflüssigungsanlage angenommen. Die Verwendung einer druckbalancierten Flächenkontaktdichtung als primäre Absperrung gegenüber 200 kg/cm2 wurde als zu empfindlich angesehen, um über einen längeren Zeitraum zuverlässig arbeiten zu können, da die für die Abdichtung erforderliche hohe Präzision der Dichtungsausführung unter den Einflüssen von Kohleschlamm, insbesondere unter den hohen Beanspruchungen zu Störungen führen muss. Ausserdem treten in der Pumpe häufig Druckschwingungen und thermische Ausdehnungen der verschiedenen Pumpenteile auf, so dass sich die Folgerung ergab, den Dichtungsdruck auf ein leichter beherrschbares Niveau zu verringern.

Druckverringernde Ableitungshohlräume, die eine begrenzte Leckage-Schlammenge zu einer niedrigeren Pumpendruckstufe zurückführen, wurden in Erwägung gezogen, jedoch ergab sich, dass die Leckgeschwindigkeit zu gross war, um für einen längeren Zeitabschnitt einen zuverlässigeren Betrieb zu gewährleisten, d.h. ohne einen übermässigen Materialverschleiss.

Der vorliegenden Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, eine Wellendichtung zu finden, die den erwähnten Beanspruchungen zuverlässig über einen langen Zeitraum widersteht. Ausserdem sollte die Dichtung selbstzentrierend sein und als hydrostatische Dichtung einen mechanischen

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Flächenkontakt beim Dichten vermeiden. Für die Lösung dieser Aufgabe wird eine Wellendichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Bei dieser Dichtung erfolgt eine Leckage einer geringen ..Strömungsmenge einer unter hohem Druck stehenden Spülflüssigkeit in den Pumpenstrom hinter das Laufrad hinein, so dass ein Kontakt des zu fördernden Schlammes und ausserdem ein Ansammeln von abrasiven Festkörperteilchen hinter dem Laufrad verhindert wird. Das Unterdruckende der Dichtung befindet sich an einem Hohlraum, der nahezu unter Umgebungsdruck steht und die in diesen Hohlraum eintretende Spülflüssigkeit wird zu einem Speicherbehälter zurückgeführt, in dem sie gefiltert und erneut unter Druck gesetzt wird, um zu der hydrostatischen Dichtung zurückgeführt zu werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch die hydrostatische Dichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1,

Fig. 3 einen Axialquerschnitt durch die Zwischenstufendichtung, und

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der in Fig. 3 gezeigten Linie.

In den Fig. 1 und 2, in denen für gleiche Teile gleiche Bezugsziffern verwendet sind, ist eine hydrostatische Dichtung 10 mit einem schwimmenden Ring dargestellt, die durch unter hohem Druck stehende Ablaufflüssigkeit betätigt wird. Die Dichtung ist so konstruiert, dass sie bei hohem Druckge-f lille arbeiten kann. Basierend auf hydrostatischen Prinzipien hat die Dichtung 10 eine ringförmige rotierende Dichthülse 16, die sich koaxial zu der Welle 12 um deren Umfang herum erstreckt. Die Dichthülse 16 ist der sich drehenden Welle 12 konstruktiv angepasst, um sich mit ihr zu drehen. Dies bildet die Mittel zum Verbinden der Dichtung 10 mit einer Pumpe oder einem anderen rotierenden Körper. Abhängig von den jeweiligen Anforderungen kann die Wellenhülse 14 zwischen der Dichthülse 16 und der sich drehenden Pumpenwelle 12 angeordnet sein. Die Wellenhülse 14 wird vorwiegend beim Auftreten hoher Temperaturen verwendet, d.h. wenn die Unterschiede des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von verschiedenen Materialien an der Welle und der Dichtung 10 auszugleichen sind.

Die schwimmende Dichthülse 18 verläuft koaxial um die Aussenwand der Dichthülse 16 und ist so konstruiert, dass sie Ausbiegungen der Welle oder der Wellenhülse nachgiebig ausweicht, ohne die Funktion der Dichtung 10 zu behindern. Obwohl verschiedene Möglichkeiten bestehen, diese Aufgabe zu erfüllen, ist vorzugsweise ein sehr enger Spalt 17 zwischen der sich drehenden Dichthülse 16 und der sich nicht drehenden schwimmenden Dichthülse 18 vorgesehen. Abhängig von den jeweiligen speziellen Konstruktionsanforderungen kann der Spalt 17 in Grösse und hinsichtlich seiner speziellen Geometrie verschieden ausgeführt sein. Gemäss der Erfindung besteht der Spalt 17 aus zwei Teilen, d.h. dem Spalt selbst und mindestens einer druckaufbauenden Tasche 26. Die Hauptaufgabe der druckaufbauenden Taschen 26 ist es, die nicht rotierende schwimmende Dichthülse 18 konzentrisch zu der sich drehenden Dichthülse 16 einzustellen, falls die schwimmende Dichthülse 18 aus irgendeinem Grund aus der zentrischen Lage herausgedrückt wird. Der Spalt 17 kann dann als Kanal für eine Hochdruckableitflüssigkeit dienen und eine Strömung der abströmenden Flüssigkeit aus der Spaltöffnung 21 heraus hinter das Flügelrad und in die Hauptpumpe hinein ermöglichen. Diese Strömungsführung würde verhindern, dass Schlamm in Kontakt mit der primären Dichtung gelangt, und ausserdem, dass abrasive Festkörperteilchen hinter dem Flügelrad verbleiben. Das Niedrigdruckende der primären Dichtung 10 würde neben einem Hohlraum mit nahezu Umgebungsdruck liegen. Auf diese Weise würde Ableitflüssigkeit, die aus der Spaltöffnung 23 austritt und in den Hohlraum gelangt, zu einem Speicherraum zurückgeführt werden, in der sie gefiltert, erneut unter Druck gesetzt und zu der hydrostatischen primären Dichtung 10 für weitere Ableitung bzw. Reinigung zurückgeführt wird. Die nichtrotierende schwimmende Dichthülse 18 ist ausserdem dafür ausgeführt, um eine schwimmende Drehung der Dichtung zu verhindern. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dies durch mindestens einen Sperriegel 27 (Fig. 2) erreicht, der am Umfang entlang der Aussenwand der schwimmenden Dichthülse 18 angeordnet ist. Vorzugsweise sind mehrere solcher Sperriegel 27 als Verdrehsicherung vorgesehen. Die Riegel 27 passen in das Dichtungsgehäuse 20 hinein und verhindern dabei die Drehung der schwimmenden Dichthülse 18.

Schliesslich kann die schwimmende Dichthülse 18 in axialer Richtung durch einen vorderen und einen hinteren axialen Überstand 24 ausbalanciert werden. Diese Überstände 24 bilden zusammen mit dem ringförmigen hinteren Ende der druckaufbauenden Tasche 19 das bevorzugte Mittel für die Aufrechterhaltung der axialen Position sowie einer Balancierungskraft an der Dichtung 10.

Zwischen der sich nicht drehenden schwimmenden Dichthülse 18 und dem dazu koaxialen Dichtgehäuse 20 befindet sich ein äusserer Druckspalt 25, der ungefähr 15mal breiter ist als der Spalt 17 und dazu dient, in radialer Richtung eine Druckdämpfung der schwimmenden Dichthülse 18 zu bewirken. Hierfür sind irgendwelche Mittel geeignet, um die Dichtung unter Druck zu setzen. In der bevorzugten Ausführungsform wird jedoch eine Spül-, Ableit- bzw. Reinigungsflüssigkeit durch das Dichtgehäuse 20 über ein Zuleitloch 32 geführt. Von diesem Zuleitloch 32 aus füllt die Spülflüssigkeit den Spalt 25 sowie die ringförmige, am hinteren Ende vorgesehene Druckaufbautasche 19. Nach Füllung strömt die Spülflüssigkeit durch das Verbindungsloch 30 in die Druckaufbautaschen 26 und den Spalt 17 und setzt die Dichtung somit unter Druck.

Es ist wesentlich, festzustellen, dass der Einlassdruck der hydrostatischen Spülflüssigkeit ungefähr 35 kg/cm2 oberhalb dem Druck in dem Hohlraum zwischen dem Pumpenlaufrad und der Dichtung 10 entspricht. Diese Druckdifferenz berücksichtigt Druckverluste innerhalb der Dichtungsanordnung.

Schliesslich ist das rückseitige Ende des Dichtungsgehäuses 20 dem vorderen Ende der ringförmigen Halterungsplatte 22 angepasst. Diese Halterungsplatte 22 ist so konstruiert, dass sie bei einem Druck von ungefähr 250 kg/cm2 und oberhalb des maximalen Pumpendruckes eine minimale Ausbiegung hat und somit besonders fest ist.

In den Fig. 3 und 4 ist die Zwischenstufendichtung dargestellt. Wie die primäre hydrostatische Dichtung 10 ist die Zwischenstufendichtung 40 mit einer Reinigungsflüssigkeit versorgt, von der ein geringer Anteil in den Hauptschlammstrom auslecken darf. Die Zwischenstufendichtung 40 wirkt nach dem gleichen hydrostatischen Prinzip wie die hydrostatische Primärdichtung 10. Die Druckdifferenz zwischen beiden Stufen beträgt jedoch nur 17,6 kg/cm2 anstatt des Maximums von ungefähr 250 kg/cm2 an der Hauptdichtung 10. Es ist zu berücksichtigen, dass in einer zweistufigen Pumpe zwei Zwiwschenstufendichtungen Rücken an Rücken an der Grenze zwischen beiden Stufen angeordnet sind. Im Prinzip hat die Intertstufendichtung 40 die gleichen Elemente wie die hydrostatische Dichtung 10; infolge des geringeren

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Druckes an der Interstufendichtung 40 können jedoch alle Dichtungselemente wesentlich leichter ausgeführt sein. Der Druck der Reinigungsflüssigkeit braucht nur um ungefähr 7 kg/cm2 über dem höchsten Druck der Stufe liegen statt bei 35 kg/cm2, und die Dichtungen sind so eingestellt, dass ungefähr die gleiche Menge an Reinigungsflüssigkeit bzw. Spülflüssigkeit in jeder Stufe auslecken kann.

Die Zwischenstufendichtung 40 ist koaxial um den Umfang der sich drehenden Welle 12 angeordnet. Die schwimmende Dichthülse 42 ist so ausgeführt, dass sie bei einer Auslenkung oder Ausbiegung der Welle ausweicht,

ohne die Funktion der Dichtung 40 zu behindern. Dies wird erreicht, indem ein sehr schmaler Spalt 44 zwischen der Welle 12 und der sich nicht drehenden schwimmenden Dichthülse 42 vorgesehen ist. Abhängig von den spezifischen Konstruktionsanforderungen der Pumpe kann der Spalt 44 in Grösse und Gestaltung unterschiedlich ausgeführt sein. Gemäss der Erfindung hat der Spalt 42 zwei Abschnitte, d.h. den eigentlichen Spalt 44 und als zweiten Abschnitt eine Druckaufbautasche 45. Die Hauptaufgabe der Druckaufbautasche 45 ist es, die nicht rotierende schwimmende Dichthülse 42 konzentrisch zu der Welle 12 auszurichten, falls die schwimmende Dichthülse 42 aus irgendeinem Grund aus der Zentrizität herausgedrängt wurde. Ausserdem kann der Spalt 44 als Hochdruck-Spülspalt dienen, indem reine Spülflüssigkeit unter hohem Druck eine positive Strömung von geringer Menge aus der Spaltöffnung 47 bewirkt. Diese positive Spülströmung würde verhindern, dass Schlamm in Kontakt mit der Zwischenstufendichtung 40 gelangt und ausserdem, dass abrasive Feststoffteilchen in möglicherweise hohem Ver-schleiss ausgesetzten Bereichen verbleiben können. Spülflüssigkeit, die von dem gegenüberliegenden Ende 49 der Dichtung ausgeht, gelangt dann in Kontakt mit der unter Druck

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stehenden Spülflüssigkeit, die sich in dem Hohlraum zwischen zwei Zwischenstufendichtungen befindet. Der Flüssigkeitskontakt erfolgt dabei in dem Spalt 44.

Die sich nicht drehende schwimmende Dichthülse 42 hat

5 ausserdem mindestens einen Sperrstift 51 für die Verdrehsicherung, der entlang der Aussenwand der schwimmenden Dichthülse 42 angeordnet ist. Vorzugsweise sind mehrere solcher Sperrstifte 51 vorhanden. Die Stifte 51 sind dazu verwendet, um die nicht drehende schwimmende Dichthülse 42

10 an dem Dichtungsgehäuse 48 und dem Abstandshalter 52 zu halten, so dass eine Drehung der schwimmenden Dichthülse 42 verhindert wird. Schliesslich hat die schwimmende Dichthülse 42 einen vorderen und hinteren axialen, die Dichtung balancierenden Überstand 54. Diese Überstände 54 halten 15 die axiale Position zusammen mit den ringförmigen vorderen und hinteren Enden des Spaltes 50 aufrecht und gleichen die Last an der Dichtung 40 aus.

Zwischen der nicht rotierenden schwimmenden Dichthülse 20 42 und dem dazu koaxialen Dichtungsgehäuse 48 befindet sich ein äusserer Druckspalt 50, der ungefähr 15mal grösser ist als der Spalt 44. Dieser Spalt 50 dient der radialen Druckdämpfung der sich nicht drehenden schwimmenden Dichthülse 42. Um dies zu erreichen, wird Spülflüssigkeit über 25, Zuführlöcher 56 durch das Dichtungsgehäuse 48 gefördert. Von den Zuführlöchern 56 aus füllt die Spülflüssigkeit den Spalt 50 auf, und nach Auffüllung strömt die Spülflüssigkeit durch Verbindungslöcher 46 in die Druckaufbautaschen 45 und den Spalt 44, so dass die Dichtung unter Druck gesetzt 30 wird. Das hintere Ende des Dichtungsgehäuses 40 ist mit dem ringförmigen Halterungsring 58 durch eine Kiemmutter 60 verbunden. Der Halterungsring 58 ist so ausgeführt, das er unter den auftretenden Belastungen sich minimal verformt.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

643336 PATENTANSPRÜCHE

1. Hydrostatische Wellendichtung, gekennzeichnet durch eine ringförmige Halterungsplatte (22), ein ringförmiges Dichtungsgehäuse (20), das lösbar an dem vorderen Ende der Halterungsplatte befestigt ist, eine schwimmende Dichthülse (18), die koaxial entlang der Innenwand des Gehäuses (20) angeordnet ist, einen äusseren Druckspalt (25) zwischen dem Dichtungsgehäuse (20) und der schwimmenden Dichthülse (18), eine koaxial entlang der Innenwand der schwimmenden Dichthülse (18) angeordnete ringförmige Dichthülse (16), die der abzudichtenden Welle angepasst ist, einen Spülflüssig-keitsspalt (17) zwischen der schwimmenden Dichthülse (18) und dieser der Welle angepassten ringförmigen Dichthülse (16) und Mittel für die Zufuhr einer Spülflüssigkeit unter Druck.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsgehäuse (20) Mittel (32) für die Förderung einer Flüssigkeit durch das Gehäuse aufweist, sowie Mittel für die Verhinderung einer Drehung der schwimmenden Dichthülse (18) und eine am rückseitigen Gehäuseende entlang seiner Innenwand angeordnete Druckaufbautasche (26).

3. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Förderung einer Flüssigkeit durch das Gehäuse eine radial durch das Dichtungsgehäuse (20) verlaufende Zuführöffnung (32) für Spülflüssigkeit aufweist.

4. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verhinderung einer Drehung der schwimmenden Dichthülse (18) aus mindestens einem Sperrriegel (27) an der schwimmenden Dichthülse (18) bestehen, der in einer Aussparung im Gehäuse (20) eingreift.

5. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmende Dichthülse (18) Mittel (30, 26) für die Hindurchleitung einer Spülflüssigkeit zu ihrem inneren Umfang aufweist, sowie Mittel (27) zur Verhinderung ihrer Drehung, mindestens eine innere Druckaufbautasche (26), die in Umfangsrichtung entlang der Innenwand der schwimmenden Hülse (18) angeordnet ist, und einen vorderen und hinteren axialen, in Umfangsrichtung verlaufenden Überstand (24) an der schwimmenden Dichthülse (18).

6. Wellendichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Hindurchleitung einer Spülflüssigkeit zum Innern der schwimmenden Dichthülse (18) aus mindestens einem Verbindungsloch (30) bestehen.

7. Wellendichtung nach Aspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verhinderung einer Drehung der schwimmenden Dichthülse (18) einen oder mehrere Sperrriegel (27) für den Eingriff an der Innenwand des Gehäuses (20) aufweisen.

8. Wellendichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wellenhülse (14), die zwischen der ringförmigen Dichthülse (16) und der Welle (12) angeordnet ist, wobei die Wellenhülse (14) einen sich mit der Welle drehenden Teil bildet.

9. Wellendichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, gekennzeichnet durch den äusseren Druckspalt (25) zwischen dem Dichtungsgehäuse (20) und der schwimmenden Dichthülse (18) für die Druckbalancierung der schwimmenden Dichtung, die ringförmige Dichthülse (16), die sich koaxial entlang der Innenwand der schwimmenden Dichthülse (18) erstreckt und der sich drehenden Welle ( 12) angepasst ist, einen Spülflüssigkeitsspalt (17) zwischen der schwimmenden Dichthülse ( 18) und der ringförmigen Dichthülse (16) und eine Schafthülse (14) zwischen der ringförmigen Dichthülse

( 16) und der Welle ( 12).

10. Wellendichtung nach den Ansprüchen 3,5 und 6,

gekennzeichnet durch mindestens einen Drehsperrstift (51) an der Innenwand des Dichtungsgehäuses (48) sowie einen Drehsperrstift an der Aussenwand der schwimmenden Dichthülse, der zu jedem Drehsperrstift an dem Dichtgehäuse passt, einen äusseren Druckspalt (25) zwischen dem Dichtungsgehäuse (20) und der schwimmenden Dichthülse (18), einen Spülflüssigkeitsspalt zwischen der schwimmenden Hülse und der Welle (12) und einen am hinteren Ende des Dichtungsgehäuses (20) befestigten Halterungsring, der die Dichtung einschliesst.