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Die
Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungs-Baugruppe und eine diese
einschließende Anordnung zur Abdichtung der Wellendurchführung
bei einer auf eine Flüssigkeit einwirkenden Strömungs- oder
Arbeitsmaschine mit einem in einem Maschinengehäuse rotierenden
Laufrad, dessen Welle außerhalb des Maschinengehäuses
in axial beabstandeten Lagern eines über ein Distanzteil
mit dem Maschinengehäuse starr verbundenen Lagerbocks fliegend
gelagert ist, an dem ein dicht, aber radial und axial nachgiebig
an das Maschinengehäuse angeschlossenes Dichtungsgehäuse
befestigbar ist, das eine auf einer Wellenschutzhülse angeordnete,
einfache oder doppelte Gleitringdichtung mit wenigstens einem an
einer Seitenfläche einer radialen Zwischenwand des Dichtungsgehäuses
befestigbaren Gegengleitring enthält.
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Bekannt
ist eine derartige Baugruppe und Anordnung z. B. aus der
DE 38 34 990 A1 .
Dort ging es zunächst darum, durch Heranrücken
der Gleitringdichtungen an den Lagerbock relative radiale und axiale
Verlagerungen der rotierenden Gleitringe und der feststehenden Gegengleitringe
weitgehend zu vermeiden und eine Parallelität zwischen
den Gleitflächen herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung bezweckt eine Verbesserung der bekannten Lageranordnung
dahingehend, dass eine bessere Kühlung der Gleitflächen der
Gleitringdichtungen erreicht wird, so dass im Einzelfall auch solche
Gleitringdichtungen benutzt werden können, die bisher wegen
zu hoher Temperaturen nicht in Frage kamen.
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Vorstehende
Aufgabe wird im Rahmen der eingangs bezeichneten Baugruppe und Anordnung dadurch
gelöst, dass die Gleitringdichtungs-Baugruppe mindestens
das Dichtungsgehäuse mit dem wenigstens einen daran befestigbaren
Gegengleitring der Gleitringdichtung, die Wellenschutzhülse
sowie eine Sperrfluidpumpe in Form einer Stausegmentpumpe umfasst,
deren Pumpenrad an der Wellenschutzhülse und deren Gehäuseinnenraum
mit einem Stausegment sowie Saug- und Druckkanälen in der
radialen Zwischenwand des Dichtungsgehäuses ausgebildet
oder angebracht sind.
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Der
durch die Erfindung erzielte Vorteil folgt daraus, dass die Gegengleitringe
unmittelbar an der Gehäusewand der Stausegmentpumpe für
das Sperrfluid anliegen, das über einen Kühler
zirkuliert. Der Abstand vom Kühlstrom beträgt
z. B. nur 8 mm. Auf diese Weise wird die an den Gleitflächen
erzeugte Reibungswärme sehr wirksam abgeführt.
Die Kühlwirkung wird vorzugsweise noch dadurch gesteigert,
dass die Gegengleitringe unmittelbar metallisch an der radialen
Zwischenwand des Dichtungsgehäuses anliegen. Man kann sogar
in vielen Fällen dank der Nähe der Wellenlager,
durch die die Auslenkung der Welle auf nahezu Null reduziert wird,
ohne die üblicherweise eingesetzten O-Ringe auskommen.
Da außerdem die Anordnung der Gleitringdichtung direkt vor
dem Lagerbock für größtmöglichen
Abstand vom Maschinengehäuse sorgt und ergänzend
neben diesem eine gekühlte Labyrinthdichtung oder andere Kühlbuchse
sowie zwischen dieser und der Gleitringdichtung eine Spülung
vorgesehen sein kann, gelangt ein wesentlich geringerer Teil der
Produktwärme über die gekühlte Welle
bis zur Gleitringdich tung. Somit können bei Temperaturen
bis 400°C des Pumpenprodukts noch Gleitringdichtungen verwendet werden,
die Elastomere aufweisen. Generell passen in das an dieser Einbaustelle
geräumig auszulegende Dichtungsgehäuse die Gleitringdichtungen
nach DIN 24960 aller bekannten Hersteller mit elastomeren
Standarddichtungen, Metallfaltenbalgdichtungen oder Rollbalgdichtungen.
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Bei
Verwendung der neuen, in der Praxis als ”Cartridge” bzw.
Patrone bezeichneten Gleitringdichtungs-Baugruppe kann ein Pumpenhersteller
deren Baugrößen auf die verwendeten Gleitringdichtungs-Durchmesser,
z. B. 33 – 43 – 53 – 65 – 75 – 95 mm,
begrenzen. In diesem Fall benötigt er also nur sechs in
der Größe unterschiedliche ”Cartridges” für alle
in der Produktpalette befindlichen Pumpentypen bei freier Wahl des
Gleitringdichtungs-Fabrikats. Wenn bestimmte Gleitringe oft gebraucht
werden, können sie in eine ”Cartridge” mit
einbezogen werden. Teilweise können auch zwei Durchmesser
zusammengefasst werden, z. B. 33 und 43 mm, indem man auf die Welle
mit dem kleineren Durchmesser eine dickere Wellenschutzhülse
aufsetzt und dann ebenfalls die für 43 mm Gleitringdurchmesser
vorgesehene Cartridge verwendet.
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Die
im Prinzip aus der
DE
296 19 079 U1 bekannte Stausegmentpumpe erhält
man vorzugsweise dadurch, dass die Wellenschutzhülse im
axialen Bereich der radialen Zwischenwand des Dichtungsgehäuses
nach Art einer Vielkeilwelle ausgebildet wird und dadurch während
des Betriebs das in der Sperrfluidpumpe enthaltene Sperrfluid in
Drehung versetzt. Das zwischen den Anschlussöffnungen des Druckkanals
und des Saugkanals angeordnete Stausegment sorgt für einen
Druckunterschied zwischen beiden Kanälen, der das Sperrfluid über
einen Kühler zirku lieren lässt. Flüssigkeitsverluste
aus dem Kreislauf durch Leckage über die Gleitringdichtungen
können durch ein angeschlossenes Druckhaltesystem ausgeglichen
werden, das z. B. eine durch einen Regler mit Drucksensor regelbare
Kolbenpumpe und ein Druckausgleichsgefäß mit einer
mit Gasdruck beaufschlagbaren Membran aufweist.
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Wenn
die an den zylindrischen Innenraum der Stausegmentpumpe tangential
anschließenden Druck- und Saugkanäle horizontal
oder schräg ansteigend verlaufen, findet eine selbsttätige
Entlüftung der Sperrfluidpumpe statt, und zwar auch in
Stillstandszeiten, da diese Art von Pumpe eine durch Thermosyphonwirkung
verursachte Zirkulation zulässt. Vorteilhaft ist weiterhin,
dass die sich an die Saug- und Druckkanäle anschließenden,
zu einem Kühler führenden Leitungen in einfacher
Weise aus dem zwischen dem Maschinengehäuse und dem Lagerbock
montierten, üblicherweise als ”Laterne” bezeichneten
Distanzteil herausgeführt werden können, da dieses
große seitliche Aussparungen hat.
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Die
erfindungsgemäß angestrebte Absenkung der Temperatur
an den Gleitringdichtungen kann zusätzlich dadurch gefördert
werden, dass zwischen dem Dichtungsgehäuse und einem Deckel
des Maschinengehäuses oder einem an diesen axial angrenzenden
Teil eine Distanzbuchse beidseitig dicht anschließend angeordnet
ist, deren Innenraum über eine Spülfluidleitung
mit Spülfluid beaufschlagbar ist. Dabei kann der Druck
des Sperrfluids in der Stausegmentspumpe in Abhängigkeit
von dem Druck in der Spülfluidleitung und dem Innenraum
der Distanzbuchse derart gesteuert sein, dass er um eine bestimmte
Druckdifferenz, z. B. 2 bis 4 bar, größer ist als
dieser.
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Noch
eine weitere, ergänzende Kühlmaßnahme
sieht vor, dass in der Wellendurchgangsöffnung des Deckels
des Maschinengehäuses und/oder des an diesen axial angrenzenden
Teils eine außenseitig durch ein Kühlfluid gekühlte
Buchse angeordnet ist. Dadurch wird die Wärmeübertragung
von dem in der Strömungs- oder Arbeitsmaschine enthaltenen Produkt über
die Welle auf die Gleitringdichtung reduziert. Außerdem
kann, wenn die gekühlte Buchse nach einer Art Labyrinthdichtung
ausgebildet ist, die erforderliche Spülmenge auf weniger
als die Hälfte verringert werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
halben Längsschnitt des Bereichs zwischen dem Maschinengehäuse
einer Pumpe und einem Lagerbock, in dem die fliegend gelagerte Laufradwelle
der Pumpe gelagert ist, und
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2 einen
vereinfachten Querschnitt durch eine in dem in 1 gezeigten
Bereich angeordnete Sperrfluidpumpe.
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In
1 ist
derjenige Bereich des in dem
deutschen
Patent 38 34 990 insgesamt beschriebenen Pumpenantriebs
dargestellt, der zwischen dem Maschinengehäuse der Pumpe
und dem Lagerbock angeordnet ist, der im hier gezeigten Ausführungsbeispiel
mit
10 bezeichnet ist. Weiterhin gezeigt ist eines von
zwei Kugellagern
12, in denen im Lagerbock
10 eine
Laufradwelle
14 drehbar gelagert ist, die nach links auskragt
und an ihrem freien Ende ein nicht gezeigtes Pumpenrad einer Kreiselpumpe trägt, von
deren Maschinengehäuse nur ein Gehäusedeckel
16 in
der Zeichnung angedeutet ist. Es sei beispielshalber angenommen,
dass die Kreiselpumpe als Pumpenprodukt einen teerartigen, 300–400°C heißen
Rückstand aus einer Raffinerie fördert. Dieses
Produkt erhitzt auch die Welle
14 und hat das Bestreben,
an der Wellendurchführung zwischen dem Deckel
16 des
Maschinengehäuses und dem Lagerbock
10 auszutreten.
Außerdem führt die relativ hohe Temperatur des
Produkts zu einer Erwärmung der Laufradwelle
14 bis
hinüber zum Lagerbock
10. Es gilt daher, den Austritt
des zähflüssigen Produkts durch geeignete Dichtungen
zu verhindern und diese durch geeignete Kühlmaßnahmen
zu schützen.
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Als
Dichtung ist eine doppelte Gleitringdichtung eingesetzt, deren zwei
drehfest auf einer Wellenschutzhülse 18 sitzende
Gleitringe 20, 22 in einer face-to-face-Anordung
dichtend mit zwei gehäusefest montierten Gegengleitringen 24, 26 zusammenwirken.
Die Besonderheit bei der gezeigten doppelten Gleitringdichtung besteht
darin, dass die beiden Gegengleitringe 24, 26 durch
sie umgebende und am äußeren Rand übergreifende
Halteringe 28, 30 gegen die Seitenflächen
einer radialen Zwischenwand 32 eines im wesentlichen buchsenförmigen
Dichtungsgehäuses 34 angedrückt gehalten
sind. Der Andruck erfolgt mittels Klemmschrauben 36, mit
deren Hilfe die Halteringe 28, 30 gegen die radiale
Zwischenwand angezogen werden, wobei die Gegengleitringe 24, 26 zwischen
den Halteringen 38, 30 und der radialen Zwischenwand 32 fest
eingespannt werden. Alternativ könnten auch im Durchmesser größere
Gegengleitringe 24, 26 verwendet werden, die unmittelbar
durch Klemmschrauben 36 an der radialen Zwischenwand 32 festgeschraubt
werden. In beiden Fällen liegen die vorzugsweise aus Silizium- oder
Wolframkarbid bestehenden Gegengleitringe 24, 26 direkt, d.
h. ohne Zwischenlage einer Dichtung oder z. B. neben einem O-Ring,
an der radialen Zwischenwand 32 an, so dass ein optimaler
Wärmeübergang von den Gegengleitringen 24, 26 auf
die radiale Zwischenwand 32 des aus Metall bestehenden
Dichtungsgehäuses 34 gewährleistet ist.
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Die
angestrebte optimale Kühlung der Gleitflächen
der Gleitringdichtung 20–26 wird auch
dadurch erreicht, dass in die radial innere Umfangsfläche
der im wesentlichen bis an die äußere Umfangsfläche
der Wellenschutzhülse 18 heran reichenden Zwischenwand 32 eine
Ringnut 38 eingearbeitet ist, die mit einem in die äußere
Umfangsfläche der Wellenschutzhülse 18 im
axialen Bereich der Zwischenwand 32 eingearbeiteten Abschnitt
einer Vielkeilwelle 40 zusammenwirkt, indem durch die Drehbewegung der
Laufradwelle 14 mitsamt der Wellenschutzhülse 18 ein
in der Ringnut 38 und in den Nuten zwischen den Keilen
des Vielkeilwellen-Abschnitts 40 enthaltenes Sperrfluid
in Rotation versetzt wird.
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An
die Ringnut 38 schließen sich gemäß 2 auf
einer Seite tangential oben und unten zwei Kanäle 42, 44 an,
und zwischen den Anschlussöffnungen der beiden Kanäle
befindet sich in der Ringnut 38 ein nicht gezeigtes Stausegment.
Dieses führt dazu, dass in Rotationsrichtung des Sperrfluids,
die in 2 mit einem Kreispfeil angedeutet ist, vor dem Stausegement
ein relativ höherer Druck als hinter dem Stausegment entsteht.
Der Druckunterschied von z. B. 1,5 bar macht den oberen Kanal 42 zu
einem Druckkanal, während der auf der in Strömungsrichtung
hinteren Seite des Stausegments mündende untere Kanal 44 zu
einem Saugkanal wird. Der Druckunterschied zwischen den beiden Kanälen 42, 44,
die über äußere Leitungen an den Ein-
und Auslass eines Kühlers angeschlossen sind, lässt
das Sperrfluid zwischen der Ringnut 38 und dem Kühler zirkulieren.
Der in der Stausegmentpumpe 38, 40 erzeugte Druckunterschied
zwischen den Kanälen 42, 44 überlagert
sich dabei einem voreingestellten Systemdruck von z. B. 20 bis 50
bar, der sowohl in dem nicht gezeigten Kühler als auch
in der Ringnut 38 herrscht.
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Der
Druck des Sperrfluids in der Ringnut 38 wird etwa 2 bis
4 bar höher eingestellt als der Druck des Fluids, das durch
die Gleitringdichtung 20–26 vor einem
Durchtritt zurückgehalten werden soll.
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Die
Wandstärke der Zwischenwand 32 in den Bereichen
zwischen der Ringnut 38 und den Außenflächen,
an denen die Gegengleitringe 24, 26 anliegen,
beträgt im Beispielsfall nur etwa 6 bis 10 mm. Das bedeutet
mit anderen Worten, dass die während des Betriebs an den
Gleitflächen der Gleitringdichtung 20–26 durch
Reibung erwärmten Gegengleitringe 24, 26 nur
durch eine verhältnismäßig dünne
metallische Wand von dem hier auch als Kühlfluidstrom fungierenden
Sperrfluid getrennt und daher sehr wirksam gekühlt werden.
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Wie
in 1 gezeigt, wird das Dichtungsgehäuse 34 fest
mit dem Lagerbockgehäuse oder einem Gehäusedeckel 46 verschraubt,
der seinerseits mit dem Gehäuse 10 des Lagerbocks
fest verschraubt ist und dessen Innenraum gegenüber der Welle 14 durch
eine Dichtung 48 nach Art eines Simmerrings abdichtet.
Wie ebenfalls aus 1 ersichtlich, ist das Dichtungsgehäuse 34 auf
der zum Lagerbock weisenden Seite ausreichend lang und kann neben
dem Lagerbock auch im inneren Durchmesser ausreichend weit sein,
um alle in Frage kommenden Gleitringdichtungen sämtlicher
Hersteller aufnehmen zu können. Um den Herstellern und
Betreibern der Pumpen die Freiheit zu lassen, Gleitringdichtungen ihrer
Wahl zu verwenden, wird ihnen als kleinste Baugruppe bzw. ”Cartridge” die
aus der Wellenschutzhülse 18 und dem Dichtungsgehäuse 34 mitsamt
Gegengleitringen 24, 26 und den sie mittels der
Klemmschrauben 36 geklemmt haltenden Halteringen 28, 30 bestehende
Einheit angeboten. Es brauchen dann nur die mit der Welle 14 rotierenden
Teile der Gleitringdichtungen – hier der Einfachheit halber
als ”Gleitringe 20, 22” bezeichnet – montiert
zu werden, um eine fertige doppelte Gleitringdichtung zu erhalten.
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Im Übrigen
kann es unter günstigen Umständen auch genügen,
die Gleitringdichtung mit einem einzigen rotierenden Gleitring 20 auf
der vom Lagerbock 10 weg weisenden Seite der Zwischenwand 32 des
Dichtungsgehäuses 34 zu realisieren.
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Das
Dichtungsgehäuse 34 befindet sich innerhalb eines
es radial außen umgebenden, im wesentlichen buchsenförmigen
Distanzteils 50, das einerseits mit dem Gehäuse
des Lagerbocks 10 und andererseits mit dem Gehäusedeckel 16 des
Maschinengehäuses der Produktpumpe fest verschraubt ist und
als ”Laterne” bezeichnet wird, weil es auf beiden Seiten
große Aussparungen 52 aufweist. Durch eine dieser
Aussparungen 52 können die sich an den Druckkanal 42 und
den Saugkanal 44 der Sperrfluid-Umwälzpumpe anschließenden
Leitungen nach außen zu einem Kühler geführt
werden. Wie 2 zeigt, könnten die
sich im Ausführungsbeispiel horizontal erstreckenden Kanäle 42, 44 auch
unter einem spitzen Winkel nach radial außen ansteigen.
Dann könnten die sich an die Kanäle anschließenden
Leitungen ebenfalls noch durch die in 2 auf der rechten
Seite angeordnete Aussparung 52 im Distanzteil 50 ohne
weiteres nach außen zum Kühler herausgeführt
werden. In beiden Fällen wird erreicht, dass sich die Sperrfluidumwälzpumpe über
den Druckkanal 42 selbsttätig entlüftet.
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An
das Dichtungsgehäuse 34 schließt sich auf
der Seite des Maschinengehäuses über eine abgedichtete
Fuge eine Distanzbuchse 54 an, welche die Wellenschutzhülse 18 mit
radialem Abstand umgibt und an dem zum Maschinengehäuse
weisenden Ende mit einem Zwischenteil 56 verschraubt ist,
das unter Verwendung elastischer Dichtungen in der Bohrung des Distanzteils 50 sitzt
und an den Gehäusedeckel 16 des Maschinengehäuses
angrenzt. In dem Zwischenteil 56 und dem Gehäusedeckel 16 sitzt
eine radial außen gegen diese z. B. durch O-Ringe abgedichtete,
auf ihrer radial inneren Seite nach Art einer Labyrinthdichtung
ausgebildete Buchse 58, die mit der Wellenschutzhülse 18 den
Durchfluss drosselnd zusammenwirkt. Dieser Drosselbuchse 58 ist
normalerweise eine nicht gezeigte, im Gehäusedeckel 16 sitzende,
sog. Grundbuchse als erste Dichtung vorgeschaltet, um den Austritt
des gepumpten Produkts aus dem Maschinengehäuse zu verhindern oder
weitestgehend zu begrenzen. Die Drosselbuchse 58 ist an
ihrem radial äußeren Umfang mit einer sich im
wesentlichen über ihre gesamte Länge erstreckenden
Eindrehung versehen, die eine Kühlfluidkammer 60 bildet
und über Kühlfluidkanäle 61 in
dem Zwischenteil 56 an einen Kühlmittelkreislauf
angeschlossen ist. Wenn im Einzelfall ein gepumptes Produkt nicht
unter eine bestimmte Temperatur abkühlen darf, um fließfähig
zu bleiben, kann auch ein heißes Fluid von z. B. 150°C
in und durch die Kammer 60 gepumpt werden.
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Im
Ausführungsbeispiel wird über eine ebenfalls durch
eine der Aussparungen 52 im Distanzteil 50 hindurchgeführte
Spülfluidleitung 62 ein Spülfluid in
den axial zwischen der Dichtungsbuchse 58 und der Gleitringdichtung 20, 24 angeordneten
Ringraum 63 zwischen der Wellenschutzhülse 18 und
der Distanzbuchse 54 gepumpt. An der Spülfluidleitung 62 ist
ein Manometer 64 angebracht. Es befindet sich gut ablesbar
seitlich außerhalb des Distanzteils 50 und zeigt
den Druck im Ringraum 63, d. h. vor der Gleitringdichtung 20, 24 an.
Der Druck des Spülfluids wird so eingestellt, dass es in
geringer Menge durch die Labyrinthdichtung der Drosselbuchse 58 zum Maschinengehäuse
hin austritt und dabei verhindert, dass in entgegensetzter axialer
Richtung das im Maschinengehäuse befindliche Pumpenprodukt
bis zu der Gleitringdichtung 20, 24 vordringt.
Wenn z. B. ein teerartiger Rückstand aus einer Raffinerie
gepumpt wird, könnte als Spülfluid Gasöl
benutzt werden. Generell braucht ein Spülfluid nur eingesetzt
zu werden, wenn das Pumpenprodukt schmutzhaltig ist oder z. B. abrasive,
auskristallisierende, polymerisierende oder verkokende Eigenschaften
hat, die für die Gleitringdichtungen schädlich
sind. In Fällen, wo kein Fremdprodukt in das Pumpenprodukt
eindringen darf, müssten alternativ auf der Produktseite
geeignete schmutzunempfindliche Einfach-Gleitringdichtungen eingesetzt
oder ein selbstreinigendes Filter, das den Dichtungsraum mit sauberem
Eigenprodukt versorgt, vorgeschaltet werden. Sofern vorhanden, wirken
die gekühlte Buchse 58, die Spülung des
Ringraums 63 und das gekühlte Sperrfluid in der
Stausegmentpumpe 38, 40 derart zusammen, dass
bei einer Temperatur von ca. 400°C des Pumpenprodukts Gleitringdichtungen 20–26 mit
elastomeren Bestandteilen verwendet werden können, die
für eine Höchsttemperatur von 250°C ausgelegt
sind.
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Wie
bereits erwähnt, sollte der Druck des Sperrfluids in der
Stausegmentpumpe etwa 2 bis 4 bar höher sein als der am
Mano meter 64 abzulesende Druck des Spülfluids
im Ringraum 63 zwischen der Distanzbuchse 54 und
der Wellenschutzhülse 18. Dasselbe gilt, wenn
kein Spülfluid benutzt wird und das Pumpenprodukt den Ringraum 63 ausfüllt.
Um die Steuerung des Sperrfluiddrucks zu automatisieren, ist an
der mit dem genannten Ringraum 63 verbundenen Spülfluidleitung 62 ein
Abzweig 66 vorhanden, dessen Druck auf ein nicht gezeigtes
Steuerventil oder einen Regler wirkt, der den Druck im Sperrfluidkreislauf
entsprechend dem Druck in dem Ringraum 63 derart steuert,
dass unabhängig von Druckänderungen im dem Ringraum 63 der
Sperrfluiddruck immer um die genannte Druckdifferenz größer
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3834990
A1 [0002]
- - DE 29619079 U1 [0007]
- - DE 3834990 [0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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