DE102009023907A1

DE102009023907A1 - Dichtungssystem für Kreiselpumpen

Info

Publication number: DE102009023907A1
Application number: DE102009023907A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Brecht; Uwe Bruhns; Frank Sehr
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2010-12-09
Also published as: EP2438305A1; ES2567263T3; US8870521B2; RU2011151762A; WO2010139415A1; CN102803737A; RU2556475C2; CN102803737B; EP2438305B1; US20120076643A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe zur Förderung heißer Fluide, mit einer berührenden Wellenabdichtung, einem Dichtungsgehäuse (13) für die Wellenabdichtung (14) und einer Rückführleitung (8) für einen Teilstrom des Förderfluids. Aus dem Dichtungsgehäuse wird kein Förderfluid abgeführt und zwischen Dichtungsgehäuse (13) und dem Pumpengehäuse ist ein separater Gehäusedeckel (9) angeordnet. Zwischen dem Dichtungsgehäuse (13) und dem Gehäusedeckel (9) besteht eine den Wärmeübergang minimierende Anlagefläche (25) und die Rückführleitung (8) ist am Gehäusedeckel (9) und/oder am Pumpengehäuse (1) angeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe zur Förderung heißer Fluide, mit einer berührenden Wellenabdichtung, einem Dichtungsgehäuse für die Wellenabdichtung und einer Rückführleitung für einen Teilstrom des Förderfluids.
Eine solche Kreiselpumpe ist in der DE 42 30 715 A1 beschrieben, die als Speisepumpe zur Förderung heißer Fluide eingesetzt wird. Ein aus deren Entlastungseinrichtung austretendes Förderfluid bildet einen Teilstrom des Förderfluids. Dieser Teilstrom, auch unter der Bezeichnung Entlastungswasser bekannt, wird für die Kühlung einer Gleitringdichtung eingesetzt. Dazu durchströmt er deren Dichtungsraum vollständig und führt dabei die Reibungswärme, die beim Betrieb der Gleitringdichtung entsteht, ab. Das Entlastungswasser wird danach aus dem Dichtungsraum über eine Rückführleitung, die das Dichtungsgehäuse mit einer Pumpenstufe verbindet, abgeführt. Diese Art einer Wellendichtungskühlung kann nur bis zu einer bestimmten Betriebstemperatur des Förderfluids eingesetzt werden.
Eine Kreiselpumpe mit einem Dichtungssystem für höhere Betriebstemperaturen wird in der DE 195 18 564 A1 beschrieben. Zwischen einem eine Gleitringdichtung aufnehmenden Dichtungsraum und dem Pumpeninnenraum ist ein weiteres Dichtungselement angeordnet, das am rotierenden Teil der Pumpe anliegt. Dieses Dichtungselement besteht aus einem hochpolymeren Kunststoff. Zur Reduzierung eines Wärmeeintrages wird bei dieser Bauart das Entlastungswasser nicht durch den Dichtungsraum geführt. Dazu schirmt das Dichtungselement den Dichtungsraum gegenüber dem heißen Förderfluid im Pumpeninnenraum ab und gewährleistet gleichzeitig einen Druckausgleich gegenüber dem Dichtungsraum. Das Entlastungswasser wird durch eine Rückführleitung zur Saugseite der Kreiselpumpe zurückgeführt. Das Dichtungsgehäuse ist in einen Kühlkreislauf integriert, dessen Kühlfluid anfänglich dem Förderfluid entnommen wurde. Durch einen an das Dichtungsgehäuse angeschlossenen separaten Kühlkreislauf wird dem Kühlfluid die Wärme entzogen. Hierzu können übliche externe Kühlsysteme Verwendung finden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mehrstufige Kreiselpumpe zur Verfügung zu stellen, bei der das Wellen-Dichtungssystem für einen über 160°C hinausgehenden Temperaturbereich des Förderfluid ausgelegt ist und dass es für den gesamten Temperaturbereich von Speisepumpen eingesetzt werden kann. Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, auf die Zuführung von externen Kühlfluiden in den Dichtungsraum zu verzichten und ein kostengünstiges, zuverlässiges Dichtungssystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass aus dem Dichtungsgehäuse kein Förderfluid abgeführt wird, dass zwischen Dichtungsgehäuse und dem Pumpengehäuse ein separater Gehäusedeckel angeordnet ist, wobei zwischen dem Dichtungsgehäuse und dem Gehäusedeckel eine den Wärmeübergang minimierende Anlagefläche besteht und dass die Rückführleitung am Gehäusedeckel und/oder am Pumpengehäuse angeschlossen ist.
Zwischen dem Gehäusedeckel und einem rotierenden Bauteil existiert ein Axialspalt. Bei dem rotierenden Bauteil kann es sich entweder um die Welle der Pumpe oder um eine Wellenschutzhülse handeln, die über die Pumpenwelle geschoben ist. Der Axialspalt erstreckt sich parallel zur Welle und läuft um die Welle herum. Geometrisch gesehen handelt es sich bei diesem Spalt um einen Hohlzylinder. Der Spalt drosselt den Zustrom des Pumpenförderfluids in den Dichtungsraum. Je enger und je länger der Spalt ist, desto weniger Entlastungswasser kann in das Dichtungsgehäuse eintreten.
Vorzugsweise wird die Erfindung bei mehrstufigen Kreiselpumpen eingesetzt, bei denen die Kreiselpumpe eine Entlastungseinrichtung für den Axialschub aufweist, die berührende Wellenabdichtung der Entlastungseinrichtung nachgeordnet ist, wobei durch die Rückführleitung Entlastungswasser abgeführt wird. Die Rückführleitung für das Entlastungswasser stellt bei der Förderung heißer Fluide eine zusätzliche Wärmequelle dar, die einen negativen Einfluss auf die Wellenabdichtung ausüben kann. Erfindungsgemäß wurde der Anschluss für eine Rückführleitung für das Entlastungswasser entfernt vom Dichtungsgehäuse angeordnet. Somit kann im Gegensatz zu Vorrichtungen nach dem Stand der Technik die Wärme von der Rückführleitung nicht direkt an das Dichtungsgehäuse abgegeben werden.
Das neue Dichtungsgehäuse umschließt die berührende Abdichtung. Vorzugsweise handelt es sich bei der Abdichtung um eine Gleitringdichtung. Durch die Aufteilung in einen Gehäusedeckel und ein neues Dichtungsgehäuse wird eine thermische Abkopplung des Dichtungsraums gegenüber dem heißen Pumpengehäuse erreicht. Zum einen geschieht dies dadurch, dass die Wärmeleitung zwischen Gehäusedeckel und Dichtungsgehäuse minimiert wird. Zum anderen indem ein als Entlastungswasser anfallendes Förderfluid bereits entfernt vom Dichtungsgehäuses aus dem Pumpengehäuse abgeführt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist das Dichtungsgehäuse einen Vorsprung auf. Vorzugsweise springt dieser in Form eines die Welle umgreifenden Absatzes an der Innenseite des Dichtungsgehäuses vor. Der Absatz dient als Zentrierung für das Dichtungsgehäuse gegenüber dem das Pumpengehäuse verschließenden Gehäusedeckel. Durch die Fläche des Vorsprunges werden die eine Wärmeleitung bedingenden Anlageflächen auf ein festigkeitsmäßiges notwendige Maß reduziert. Ziel ist es, diese Anlagefläche möglichst klein zu gestalten, um die Wärmeleitung vom Gehäusedeckel in das Dichtungsgehäuse zu minimieren.
Bei einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist auch der Gehäusedeckel einen Vorsprung auf. Dabei ragt der Vorsprung des Gehäusedeckels in das Dichtungsgehäuse hinein. Der Vorsprung des Gehäusedeckels ist ebenfalls als Hohlzylinder ausgebildet, der die Welle umgibt. Das Dichtungsgehäuse wird auf die Außenmantelfläche des Gehäusedeckel-Vorsprungs aufgeschoben bis der Vorsprung des Dichtungsgehäuses auf den Gehäusedeckel trifft. Der Vorsprung des Dichtungsgehäuses und der Vorsprung des Gehäusedeckels liegen kräfteübertragend aneinander und können einander auch überlappen.
Die Wärmeleitung zwischen den Teilen wird zusätzlich reduziert, wenn zwischen der Anlagefläche des Vorsprungs und dem Gehäusedeckel ein wärmeisolierendes Dichtungselement positioniert ist.
Der Vorsprung kann auch ein Einzelteil in Form eines thermisch isolierenden, zentrierenden und zwischen Dichtungsgehäuse und Gehäusedeckel anordbares Verbindungselements ausgebildet sein. Damit ergibt sich eine größere Kombinationsfähigkeit eines solchen Dichtungsgehäuses mit unterschiedlichen Pumpentypen. Ebenso können dadurch im Rahmen einer Pumpenrevision ältere Pumpen nachgerüstet und damit für einen anderen Einsatzbereich ertüchtigt werden.
In einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung setzt sich das Dichtungsgehäuse aus einem inneren und einem äußeren Teil zusammen. Der innere Teil, der die berührende Abdichtung umgibt, besteht aus einem anderen Werkstoff als der äußere Teil. Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der innere Teil als Hülse ausgebildet ist, die mit dem äußeren Teil wärmeleitend und kräfteübertragend verbunden ist, beispielsweise kann sie eingeschrumpft sein. Denkbar ist auch, dass das äußere Teil auf seiner Innenseite mit einer schützenden Beschichtung, Plattierung oder ähnlichen versehen ist. In diesem Fall bildet die Beschichtung oder Plattierung den inneren Teil des Dichtungsgehäuses.
Vorzugsweise weist der äußere Teil des Dichtungsgehäuses eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf als der innere Teil. Dadurch kann die Wärme schnell nach außen abgeführt werden. Als günstig hat es sich dabei erwiesen, den äußeren Teil des Dichtungsgehäuses als Bronzekörper auszubilden. Aber auch andere, gut wärmeleitende und gegenüber den vorherrschenden Festigkeitsanforderungen beständige Materialien sind dazu verwendbar.
Der innere Teil des Dichtungsgehäuses besteht vorzugsweise aus einem Material, das besonders korrosionsbeständig gegenüber dem Förderfluid ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der innere Teil des Dichtungsgehäuses von einer Edelstahlhülse gebildet. Diese kann in den äußeren Teil, beispielsweise einen Bronzekörper, eingeschrumpft werden. Die Edelstahlhülse gewährleistet die Korrosionsbeständigkeit. Der Bronzekörper sorgt dafür, dass die Wärme aus dem Dichtungsraum in ausreichendem Maße an die Umgebung der Pumpe abgeführt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Vorsprung des Dichtungsgehäuses durch den inneren Teil des Dichtungsgehäuses gebildet. Nur der Vorsprung hat einen direkten Kontakt zum Gehäusedeckel. Da der innere Teil des Dichtungsgehäuses aus einem Material mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Edelstahl, besteht, wird bei dieser Ausführungsform der Wärmestrom, welcher vom heißen Gehäusedeckel auf das kühl zu haltende Dichtungsgehäuse übertragen wird, verkleinert. Dadurch wird eine bessere thermische Entkopplung des Dichtungsgehäuses vom Gehäusedeckel erreicht.
Um möglichst wenig Wärme in das Dichtungsgehäuse einzutragen, wird auch der Gehäusedeckel aus einem Material mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Dabei hat es sich als besonders günstig erwiesen, den Gehäusedeckel aus einem legierten, chemisch beständigen, Stahl zu fertigen. Als vorteilhaft erweist sich dabei ein Stahl mit der Stahlgruppennummer 45. Aber auch andere chemisch beständige und schlecht wärmeleitende Materialien sind dazu verwendbar.
Um die Wärme möglichst schnell vom Dichtungsgehäuse abzuführen, weist bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das Dichtungsgehäuse Rippen mit dazwischen ausgebildeten axialen Kanälen auf. Die Kanäle sind dabei vorzugsweise im äußeren Teil des Dichtungsgehäuses angeordnet und zum Dichtungsgehäuse hin offen. Die Kanäle können in das Dichtungsgehäuse gefräst werden. Eine preiswertere Herstellungsart besteht darin, den äußeren Teil des Gehäuses als ein Gussteil, mit Rippen oder Aussparungen für die Kanäle, zu fertigen. Grundsätzlich ist es auch möglich die Kanäle dadurch zu bilden, dass man Rippen am Dichtungsgehäuse befestigt. Die Rippen können dazu am Dichtungsgehäuse einzeln, gruppenweise oder in Form eines verrippten Körpers wärmeübertragend befestigt sein. Dies kann mit Schrumpfverbindungen, Steckverbindungen und anderen bekannten Techniken verwirklicht werden.
Um die Wärme aus dem Dichtungsgehäuse möglichst schnell abzuführen, werden die Kanäle vorzugsweise von Luft durchströmt. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, auf einem rotierenden Teil, insbesondere einer Kupplung der Pumpe, ein Lüfterrad zu positionieren, das einen Luftstrom durch die Kanäle fördert. Damit die Luft auch durch die inneren Bereiche der Kanäle strömt erweist es sich als zweckmäßig, das Dichtungsgehäuse außen mit Leitblechen zu umgeben. Die Leitbleche können dabei am Dichtungsgehäuse befestigt sein. Sie umgeben das Dichtungsgehäuse mantelförmig und sorgen dafür, dass die Luftströmung gleichmäßig die Querschnitte der einzelnen Kanäle durchströmt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von zwei Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt
1 einen Halbschnitt des druckseitigen Endes der Kreiselpumpe und
2 eine 3-D Zeichnung des Dichtungsgehäuses mit Gehäusedeckel.
In 1 ist ein Ausschnitt einer mehrstufigen Kreiselpumpe dargestellt. Die Kreiselpumpe umfasst ein Druckgehäuse 1 und ein Stufengehäuse 2. Die Laufräder 3 sind auf einer Welle 4 montiert und bilden in ihrer Gesamtheit den Rotor. Die Lagerung dieses Rotors erfolgt über Radiallager 5 und Axiallager 6. Ein Axialschub des Rotors wird von einer Entlastungseinrichtung 7 aufgefangen. Prinzipiell gibt es zwei unterschiedliche Varianten wie ein daraus abfließendes Entlastungswasser erfindungsgemäß abgeführt werden kann. Bei der ersten Variante verläuft eine Rückführleitung 8 für das Entlastungswasser im Druckgehäuse 1. Bei der zweiten Variante verläuft die Rückführleitung 8 im das Druckgehäuse 1 verschließenden Gehäusedeckel 9. Der Gehäusedeckel 9 schließt dichtend an das Druckgehäuse 1 an.
Zwischen dem Gehäusedeckel 9 und einer Wellenschutzhülse 10 ist ein Axialspalt 11 ausgebildet. Der Axialspalt 11 wirkt als Drossel für das im Pumpengehäuse befindliche Förderfluid und verhindert, dass größere Mengen an Förderfluid in den Raum 12 des Dichtungsgehäuses 13 fließen.
Eine Gleitringdichtung 14 ist innerhalb des Dichtungsgehäuses 13 angeordnet. Gleitringdichtungen zählen zur Kategorie der berührenden Abdichtungen. Die Gleitringdichtung 14 besteht aus zwei verschleißarmen Ringen. Der Gleitring 15 läuft mit der Welle 4 beziehungsweise mit der Wellenschutzhülse 10 um, während der Gegenring 16 am Dichtungsgehäuse 13 fest anliegt. Durch eine Feder 17 werden Gleitring 15 und Gegenring 16 aneinander gedrückt.
Das Dichtungsgehäuse 13 besteht aus dem inneren Teil 18, der die Gleitringdichtung 14 umgibt und einem äußeren Teil 19. Bei dem äußeren Teil 19 handelt es sich um einen Bronzekörper. Der innere Teil 18 ist als Edelstahlhülse ausgeführt, die in den äußeren Teil 19 eingeschrumpft ist. Die Edelstahlhülse 18 wird benötigt, um die Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten, während der Bronzekörper 19 primär der Wärmeabfuhr dient.
Auf einer die Pumpe mit einem Antrieb verbindenden Kupplung 20 ist ein Lüfterrad 21 montiert, das Luft über das Dichtungsgehäuse 13 bläst. Die Luft strömt durch Kanäle, die zwischen Rippen des äußeren Teiles befindlich sind und führt die Wärme vom Dichtungsgehäuse 13 ab. Zur besseren Luftführung ist der äußere Teil 19 des Dichtungsgehäuses 13 von einem Leitblech 22 umgeben.
Aus der perspektivischen Ansicht der 2 sind die axialen Kanäle 23 im äußeren Teil 19 des Dichtungsgehäuses 13 erkennbar. Die Kanäle 23 sind zur äußeren Mantelfläche des Dichtungsgehäuses 13 hin offen. Das Lüfterrad 21 bläst Luft durch die Kanäle 23. Ein hier aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestelltes Leitblech 27, vgl. 1, ist etwas kürzer ausgebildet als die Länder der Kanäle 23. Es liegt an einem Absatz 27 an und verbessert die Luftführung in den Kanälen 23. Zwischen den Leitblechenden am Absatz 27 und dem Gehäusedeckel 9 sind die Kanäle offen ausgebildet und dienen als Austrittsöffnung für den kühlenden Luftstrom. Das Leitblech 22 sorgt für die Zwangsströmung der Luft durch die inneren Bereiche der Kanäle 23.
Das Dichtungsgehäuse 13 weist einen Vorsprung 24 auf, der vom inneren Teil 18 des Dichtungsgehäuses 13 gebildet wird. Die vertikal umlaufende Fläche 25 des Vorsprungs 24 dient als Anlagefläche des Dichtungsgehäuses 13 am Gehäusedeckel 9. Zur Zentrierung des Dichtungsgehäuse 13 gegenüber dem Pumpengehäuse, der Welle 4 und dem Druckdeckel 9 ist in diesem Beispiel der innere Teil 18 mit seinem Vorsprung 24 auf einem im Durchmesser kleineren Vorsprung 26 des Gehäusedeckels 9 aufgeschoben. Dem Zusammenhalt von Dichtungsgehäuse 13 und Druckdeckel 9 dienen Verbindungsmittel 28.
Der Vorsprung 26 des Gehäusedeckels 9 ragt in das Dichtungsgehäuse 13 hinein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4230715 A1 [0002]
- DE 19518564 A1 [0003]

Claims

Kreiselpumpe zur Förderung heißer Fluide, mit einer im Bereich einer Wellendurchführung angeordneten berührenden Wellenabdichtung (14), einem Dichtungsgehäuse für die Wellenabdichtung und einer Rückführleitung (8) für einen Teilstrom des Förderfluids, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Dichtungsgehäuse (13) kein Förderfluid abgeführt wird, dass zwischen Dichtungsgehäuse (13) und dem Pumpengehäuse ein separater Gehäusedeckel (9) angeordnet ist, wobei zwischen dem Dichtungsgehäuse (13) und dem Gehäusedeckel (9) eine den Wärmeübergang minimierende Anlagefläche (25) besteht und dass die Rückführleitung (8) am Gehäusedeckel (9) und/oder am Pumpengehäuse (1) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt (11) zwischen dem feststehenden Gehäusedeckel (9) und einem rotierenden Bauteil (10) den Zustrom von Förderfluid in das Dichtungsgehäuse (13) drosselt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiselpumpe eine Entlastungseinrichtung (7) für den Axialschub aufweist, die berührende Wellenabdichtung (14) der Entlastungseinrichtung (7) nachgeordnet ist, wobei durch die Rückführleitung (8) Entlastungswasser abgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsgehäuse (13) einen Vorsprung (24) aufweist, wobei eine Fläche (25) des Vorsprungs (24) die Anlagefläche am Gehäusedeckel (9) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (9) einen Vorsprung (26) aufweist, wobei der Vorsprung (26) in das Dichtungsgehäuse (13) hineinragt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein isolierendes Dichtungselement zwischen Gehäusedeckel (9) und Dichtungsgehäuse (13), insbesondere am Vorsprung (26), angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung als ein Einzelteil in Form eines thermisch isolierendes, zentrierendes und zwischen Dichtungsgehäuse und Gehäusedeckel anordbares Verbindungselement angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Dichtungsgehäuse (13) aus einem inneren Teil (18) und einem äußeren Teil (19) zusammensetzt, wobei der innere Teil (18) aus einem anderen Werkstoff besteht als der äußere Teil (19).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Teil (19) eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der innere Teil (18).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Teil (18) aus einem korrosionsbeständigerem Material gefertigt ist als der äußere Teil (19).
Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (24) durch den inneren Teil (18) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (9) aus einem legierten, chemisch beständigen Stahl gefertigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsgehäuse (13) axiale Kanäle (23) aufweist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Teil (19) des Dichtungsgehäuses (13) axiale Kanäle (23) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (23) zur äußeren Mantelfläche des Dichtungsgehäuses (13) hin offen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem rotierenden Teil, insbesondere einer Kupplung (20), ein Lüfterrad (21) positioniert ist, das Luft über das Dichtungsgehäuse (13) bläst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsgehäuse (13) von einem Leitblech (22) umgeben ist.