DE102011005920A1

DE102011005920A1 - Dichtungselement für Radialspalt einer Kreiselpumpe

Info

Publication number: DE102011005920A1
Application number: DE201110005920
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement zur Abdichtung eines Radialpaltes einer Kreiselpumpe, welches aus einem an einer Innenkontur des Gehäuses (12) gehaltenen formstabilen Haltering (2) und einer mit diesem verbundenen ringförmigen elastomeren Dichtlippe (1) besteht. In die mit ihrem freien Ende (10) an einer Gleitfläche (3) des Laufrads gleitend anliegende Dichtlippe (1), ist ein ringförmiges Stützelement (6) eingefügt, durch welches eine versteifte Zone (7) gebildet ist. Diese versteifte Zone (7) trennt zwei sich in der Axialrichtung (11) der Welle erstreckende elastische Abschnitte (4, 5) der Dichtlippe (1) voneinander, wobei der erste, sich von dem an den Haltering (2) angebundenen Ende der Dichtlippe (1) bis zu der versteiften Zone (7) erstreckende elastische Abschnitt (4), in welchem die Innenkontur (8) der Dichtlippe (1) parallel zur Axialrichtung (11) der Welle verläuft, erfindungsgemäß plankonkav ausgebildet ist. In diesem Abschnitt (4) verringert sich die Höhe der Querschnittsfläche der Dichtlippe (1), ausgehend von der Anbindung an den Haltering (2), zunächst stetig auf eine minimale Höhe (hmin) und wächst dann bis zu der versteiften Zone (7) wieder stetig an.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement zur Abdichtung eines in einer Kreiselpumpe zwischen dem Pumpengehäuse und dem Laufrad gebildeten Radialspalts. Sie bezieht sich somit insbesondere auf die Spaltabdichtung an einem Bauteil, vorliegend dem Laufrad der Kreiselpumpe, welches auf der Welle entfernt von der Lagerstelle der in der Regel nur einseitig gelagerten Welle angeordnet ist. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer fliegenden Lagerung. Im Hinblick auf das Dichtungselement und dessen Einsatz für eine vollständige Abdichtung des zwischen Laufrad und Gehäuse gebildeten Spaltes wird im Zusammenhang mit einer solchen fliegenden Lagerung davon ausgegangen, dass der Abstand zwischen der Lagerstelle für die Welle und dem Dichtungselement zur Abdichtung des Spaltes im Bereich des Laufrades in etwa 15 bis 25 mal der Breite des Dichtungselements, also seiner Abmessung bezüglich seiner axialen Erstreckung, beträgt. Für die Abdichtung bedeutet dies, dass ein entsprechend elastischer Teil des Dichtungselements einerseits im Betrieb der Pumpe zuverlässig und verschleißarm an einer dafür vorgesehenen Gleitfläche des Laufrades anliegen muss, dabei andererseits aber auch insbesondere starke radiale Schwingungen, welche bei Unwuchten der Welle oder ihrer Lagerung aufgrund der Entfernung der Dichtstelle von der Lagerstelle besonders stark zutage treten, ausgeglichen werden müssen.
Kreiselpumpen finden für die Bewegung flüssiger Medien, insbesondere von Wasser, einen breiten Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten. Sie bestehen aus einem Pumpengehäuse, welches eine motorgetriebene Welle mit einem oder mehreren darauf angeordneten Laufrädern aufnimmt. Durch die spezielle Formgebung der Laufräder wird das jeweilige flüssige Medium auf einer Ansaugseite der Pumpe in die Pumpe hineingezogen und von dem oder den Laufrädern zu einer Druckseite hin transportiert. Eine Voraussetzung für das effektive Funktionieren einer Kreiselpumpe ist das Bestehen eines minimalen Spaltes zwischen dem Pumpengehäuse und dem Laufrad. Dieser technologisch bedingte Spalt ist erforderlich, damit sich das oder die Laufräder in dem Pumpengehäuse bewegen können. Der Spalt muss dabei zudem so groß sein, dass bei im Betrieb der Pumpe auftretenden Schwingungen, wie sie beispielsweise durch Fertigungstoleranzen beziehungsweise Unwuchten der Pumpenwelle oder des Laufrades oder aber durch hydraulische Auslenkkräfte entstehen, eine Berührung der Innenseiten des Pumpengehäuses durch das oder die Laufräder sicher verhindert wird. Auf der anderen Seite führt der Spalt aufgrund der durch ihn gegebenen Verbindung zwischen der Druckseite und der Saugseite der Pumpe, über welche ein geringer Teil des geförderten Mediums von der Druckseite wieder zur Saugseite zurückfließt, zu einer teilweise deutlichen Herabsetzung des Pumpenwirkungsgrades. Ferner ist vor allem bei Abwasserpumpen die Gefahr einer Verstopfung durch sich im Bereich des Spaltes anlagernde Verschmutzungen und/oder Fasern gegeben.
Darüber hinaus weisen Kreiselpumpen, im Allgemeinen auf der Laufradrückseite so genannte Totbereiche auf, in denen sich Teile des mit der Pumpe geförderten Fluids sammeln. Während dies beispielsweise bei Reinwasserpumpen lediglich zu einer mehr oder weniger deutlichen Reduzierung des Pumpenwirkungsgrades führt, besteht insbesondere bei Pumpen zur Abwasserförderung unabhängig von der Laufradform die weitere Problematik, einer Verstopfungsgefahr hinter dem Laufrad durch Stoffeintrag in den dort konstruktiv bedingt gebildeten hydraulischen Totraum. Daher ist es wünschenswert auch diese zumindest den Wirkungsgrad mindernde, aber beispielsweise bei Abwasserpumpen zu weiteren Problemen führende Verlustströmung durch eine Spaltabdichtung auf der Laufradruckseite soweit wie möglich, vorzugsweise vollends zu unterbinden.
Die Pumpenhersteller sind daher bemüht, die Pumpen und entsprechende im Spaltbereich angeordnete Elemente so auszubilden, dass entweder eine optimale Spaltbreite erreicht wird, durch welche eine ungehinderte Drehbewegung des oder der Laufräder sichergestellt ist, aber gleichzeitig nur geringe Verluste durch in den Saugbereich zurückströmende Flüssigkeitsanteile auftreten, oder der Spalt trotz ungehinderter Bewegung des Laufrades sogar völlig verschlossen wird.
So ist zum Beispiel aus der DE 199 60 160 A1 eine Vorrichtung zur Optimierung der Spaltweite bei Kreiselpumpen bekannt. Nach der in der Druckschrift beschriebenen Lösung wird am Außenumfang des freien Endes eines Pumpenlaufrades ein Wulst ausgebildet. Dieser Wulst wird beim Einsetzen des Laufrades in das Pumpengehäuse hinter einen Dichtbund geführt, welcher an einem im Gehäuse angeordneten Spaltring ausgebildet ist. Hierdurch wird ein sehr geringes Spaltmaß erreicht. Da es sich jedoch bei dem Dichtbund gemäß der Lösung um ein starres Element handelt, besteht die Gefahr, dass dieser sich, insbesondere sofern sich an ihm Ablagerungen ausbilden, oberhalb des an dem Laufrad ausgebildeten Wulstes in das Laufrad einläuft. Zudem wird durch den verbleibenden geringen Spalt ein Stofftransport von der Druckseite auf die Saugseite nicht vollständig verhindert, so dass auch die Gefahr der Zopfbildung und schließlich der Verstopfung des Spaltes nicht beseitigt ist.
Aus den vorgenannten Gründen ist es günstiger, eine nahezu vollständige beziehungsweise eine tatsächlich vollständige Abdichtung des Spaltes zu erreichen. In Vorrichtungen, bei welchen der abzudichtende Spalt sich unmittelbar an der Lagerstelle einer Welle befindet, haben sich so genannte Wellendichtringe, wie beispielsweise in der 7 dargestellt, als sehr vorteilhaft erwiesen. Derartige Wellendichtringe bestehen aus einem starren, in das Gehäuse einzubringenden, vorzugsweise einzupressenden Haltering und einer daran anvulkanisierten Dichtlippe, welche mit ihrem freien Ende an einer Gleitfläche auf der Welle entlanggleitet. Im Bereich des Anliegens der Dichtlippe an der Welle ist bei den Wellendichtringen auf der Außenseite der Dichtlippe, also auf ihrer von der Welle beziehungsweise der Gleitfläche abgewandten Seite, eine Ringfeder angeordnet, durch welche das Ende der Dichtlippe sicher in Kontakt mit der Gleitfläche gehalten wird. Für eine Spaltabdichtung im Bereich fliegend gelagerter Elemente scheinen derartige Wellendichtringe jedoch nur bedingt geeignet zu sein. Insbesondere werden von derartigen Wellendichtringen die bei einer fliegenden Lagerung auftretenden sehr starken radialen Schwingungen häufig nicht so ausgeglichen, dass einerseits ein Anliegen des Dichtrings an der Gleitfläche sichergestellt, andererseits aber einem vorzeitigen Verschleiß der Dichtlippe entgegengewirkt wird. Zwar kann durch eine entsprechende Spannung der Ringfeder sichergestellt werden, dass das Ende der Dichtlippe auch bei großen radialen Schwingungen sicher an der Gleitfläche anliegt, jedoch wird hierdurch in nachteiliger Weise der bei dieser Ausbildungsform eines Dichtrings ohnehin gegebene Verschleiß noch zusätzlich vergrößert, da sich bei erhöhter Federkraft das Material an dem an der Gleitfläche entlanggleitenden Ende der Dichtlippe stärker abnutzt und/oder die Dichtlippe in die Gleitfläche, also das Pumpenlaufrad einläuft. Bei einem entsprechend hohen Verschleiß ist dann aber letztlich auch die vollständige Abdichtung des Spaltes nicht mehr gewährleistet.
Durch die DE 10 2008 017 347 A1 wird eine modifizierte Ausbildungsform eines Wellendichtrings beschrieben. Gemäß der in der Druckschrift beschriebenen Lösung weist die Dichtlippe des Wellendichtrings im Bereich zwischen ihrer Anbindung an einen starren Haltering und der das Ende der Dichtlippe an die Welle beziehungsweise an eine Gleitfläche andrückenden Feder ein radialsteifes Zwischenelement auf, welches vorzugsweise durch eine Verdickung des Elastomers realisiert ist. Hierdurch wird eine gewisse Entkopplung der mittels der Ringfeder bewerkstelligten Dichtfunktion und des Ausgleichs radialer Schwingungen der Welle erreicht. Da aber auch hier die vollständige Abdichtung des Spaltes durch den von der Ringfeder auf das an der Gleitfläche anliegende Ende der Dichtlippe ausgeübten Druck erreicht wird, ist auch nach dieser Lösung ein erhöhter Verschleiß der Dichtlippe beziehungsweise ein Einlaufen der Dichtlippe in die an dem Laufrad ausgebildete Gleitfläche zu befürchten. Zudem erscheint die für den Bereich mit dem steifen Zwischenelement gewählte Geometrie der Dichtlippe mit beidseitig des steifen Zwischenelements angeordneten elastomeren Abschnitten mit gleichbleibend geringer Höhe des Elastomers wenig geeignet, auch sehr große radiale Schwingungen im Bereich fliegend gelagerter Elemente sicher auszugleichen.
Letzteres gilt auch für die in der DE 25 46 588 A1 für die Gestaltung eines Dichtrings beschriebene Lösung. Auch bei dieser Lösung weist die Dichtlippe ein steifes Zwischenelement beziehungsweise ein Versteifungsmittel auf, welches durch zwei sich wenigstens teilweise gegenüberliegende, an der Innenkontur und an der Außenkontur der Dichtlippe angeordnete starre Ringe gebildet ist. Zwar wird bei dieser Lösung auf ein das Ende der Dichtlippe andrückendes Federelement verzichtet, jedoch ist das Versteifungsmittel verhältnismäßig nahe dem an der Gleitfläche anliegenden Ende der Dichtlippe angeordnet. Bezogen auf die axiale Erstreckung der Welle ist dadurch zwischen der Anbindung der Dichtlippe an den Haltering und dem Versteifungsmittel ein verhältnismäßig langer elastomerer Abschnitt ausgebildet, in welchem die Dichtlippe eine annähernd gleichbleibende, nur geringe Höhe aufweist. Der betreffende Bereich ist dadurch äußerst elastisch, so dass sicherlich auch größere radiale Schwingungen kompensiert werden können. Bei einem Einsatz in leistungsfähigen Pumpen mit einer großen Druckdifferenz zwischen der Saugseite und der Druckseite birgt diese Ausbildungsform jedoch die Gefahr, dass die Dichtlippe in dem zuvor angesprochenen elastischen Bereich durch den Druck des Fluids auf der Druckseite durchgebogen und gegebenenfalls bis auf die Gleitfläche heruntergedrückt wird. Hierdurch sind ein vorzeitiger Verschleiß der Dichtlippe in diesem Abschnitt sowie ein gelegentliches Abheben ihres an der Gleitfläche entlanggleitenden Endes und damit ein kurzzeitiges Öffnen des Spalts zu befürchten. Andererseits hätte aber eine Vergrößerung der Gummihöhe bei aber dennoch im Wesentlichen gleichbleibender Materialstärke und damit Gummihöhe aufgrund der sich dann in dem betreffenden Bereich erhöhenden Steifigkeit der Dichtlippe den Nachteil, dass hierdurch das Vermögen der Anordnung radiale Schwingungen auszugleichen, grundsätzlich verringert würde.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dichtungselement so auszubilden, dass dieses besonders gut für den Einsatz in Kreiselpumpen mit einer fliegenden Lagerung des Laufrads geeignet ist und demgemäß so gestaltet ist, dass sowohl eine vollständige Abdichtung des Radialspaltes einer Kreiselpumpe gewährleistet ist als auch starke radiale Schwingungen ohne ungewollte Öffnung des Spaltes und ohne erhöhten Verschleiß des elastomeren Teils des Dichtungselements. kompensiert werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Dichtungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gegeben.
Ein die Aufgabe lösendes, vorzugsweise für Kreiselpumpen bestimmtes Dichtungselement besteht, wie grundsätzlich bekannt, aus einem an einer Innenkontur des Pumpengehäuses gehaltenen starren, das heißt formstabilen Haltering und einer ringförmigen elastomeren Dichtlippe. Die Dichtlippe ist an ihrem einen Ende durch Vulkanisation oder durch die Anwendung einer Klebetechnik oder eines Spritzgussverfahrens mit dem Haltering verbunden und liegt bei ihrem bestimmungsgemäßen Einsatz mit dem anderen, das heißt dem freien Ende an einer Gleitfläche auf der Außenkontur des Laufrads der Kreiselpumpe gleitend an. In das Elastomer der Dichtlippe ist mindestens ein ringförmiges Stützelement eingefügt, durch welches eine versteifte Zone gebildet ist, die, bezogen auf die Querschnittsfläche der Dichtlippe, zwei sich in der Axialrichtung der Welle erstreckende elastische Abschnitte der Dichtlippe voneinander trennt. Dabei erstreckt sich ein erster elastischer Abschnitt von dem an dem Haltering angebundenen Ende der Dichtlippe bis zu der versteiften Zone. Ein zweiter elastischer Abschnitt erstreckt sich von der versteiften Zone bis zu dem an der Gleitfläche des Laufrads anliegenden Ende der Dichtlippe. Dieser zweite Abschnitt ist gegenüber dem ersten elastischen Abschnitt abgewinkelt und verjüngt sich in Richtung seines an der Gleitfläche anliegenden Endes. Abweichend von den eingangs erläuterten Wellendichtringen wird der Kontakt des Endes dieses zweiten elastischen Abschnitts mit der Gleitfläche im Betrieb der Kreiselpumpe ausschließlich aufgrund seines gegenüber dem ersten Abschnitt abgewinkelten Verlaufs und der dadurch in dem Elastomer erzeugten Vorspannung und durch den auf der Druckseite herrschenden sowie auf diesen Abschnitt wirkenden Druck aufrechterhalten. Es ist demnach kein das Ende der Dichtlippe mit einer zusätzlichen Druckkraft beaufschlagendes Mittel, wie eine Ring- oder eine Schlauchfeder, vorgesehen.
Erfindungswesentlich ist die spezielle Gestaltung des ersten, sich zwischen der Anbindung der Dichtlippe an den Haltering und der versteiften Zone erstreckenden Abschnitts. Bezogen auf die Querschnittsfläche der Dichtlippe ist dieser mit seiner der Gleitfläche zugewandten Innenkontur im Wesentlichen parallel zu der Welle verlaufende elastische Abschnitt erfindungsgemäß plankonkav ausgebildet. Demgemäß verringert sich die Höhe der Querschnittsfläche der Dichtlippe in diesem Abschnitt, ausgehend von der Anbindung an den Haltering, zunächst stetig bis auf eine minimale Höhe und wächst dann bis zu der versteiften Zone wieder stetig an. Durch die Einfügung des Stützelements in die Dichtlippe und die damit verbundene Ausbildung der versteiften Zone stellt sich an der Dichtlippe im Betrieb der Kreiselpumpe eine Art Hebelkinematik ein. Dabei bildet die versteifte Zone gewissermaßen einen Drehpunkt, um welchen herum sich zwei Hebel, in Form der beiden elastischen Abschnitte, bewegen können. Durch die spezielle Formgebung des ersten elastischen Abschnitts wird dabei die für diesen Abschnitt gegebene Hebelwirkung besonders gut unterstützt, so dass auch sehr große radiale Schwingungen kompensiert werden können, ohne dass das Ende des gleichzeitig durch den Druck des Fluids auf der Druckseite gegen die Gleitfläche gedrückten anderen Hebelarms, respektive des zweiten elastischen Abschnitts, den Kontakt mit der Gleitfläche verliert und hierdurch ungewollt der Spalt geöffnet würde. Ferner wird durch die plankonkave Ausbildung des ersten elastischen Abschnitts mit einer nur an einer Stelle sehr geringen Elastomerhöhe wirkungsvoll verhindert, dass dieser Abschnitt durch den auf der Druckseite herrschenden Druck in unerwünschter Weise gegen die Gleitfläche gedrückt wird beziehungsweise flattert. Auf diese Weise ist eine äußerst stabile Ausbildung der Dichtlippe erreicht, die aber dennoch hinreichend elastisch ist, um auftretende Schwingungen wirkungsvoll kompensieren zu können. Soweit im Patentanspruch 1 und im Kontext der Erläuterungen zur Erfindung einerseits im Zusammenhang mit dem durch das Stützelement versteiften Bereich von einer versteiften Zone und andererseits bezüglich der angrenzenden Bereiche von elastischen Abschnitten gesprochen wird, soll hierdurch zum Ausdruck gebracht werden, dass es sich, bezogen auf die axiale Erstreckung der Dichtlippe, also bezogen auf ihre Erstreckung in Richtung der Pumpenwelle, bei der versteiften Zone um einen vergleichsweise (im Vergleich zu den angrenzenden elastischen Abschnitten und zur Gesamterstreckungslänge der Dichtlippe) kurzen Bereich handelt. Die Länge dieses Bereichs beträgt insoweit lediglich etwa ein Zwölftel bis ein Zehntel der Gesamtlänge der Dichtlippe bezüglich deren axialer Erstreckung. Hierdurch wird die schon angesprochene Hebelkinematik mit einem Drehpunkt und den beiden daran angrenzenden Hebelarmen erreicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung weist die der Gleitfläche des Laufrads abgewandte Außenkontur des ersten elastischen Abschnitts der Dichtlippe einen parabelartigen Verlauf auf. Die Höhe der Dichtlippe beträgt in der versteiften Zone vorzugsweise das 1,5- bis 2,5-fache ihrer minimalen Höhe in dem ersten elastischen Abschnitt.
Bei einer vorgesehenen praxisgerechten Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Dichtungselements ist das in dessen Dichtlippe eingebrachte Stützelement als ein formsteifer Stützring aus Kunststoff oder Metall ausgebildet. Im Hinblick auf eine besonders hohe Langzeitstabilität kann dieser Stützring auch aus Edelstahl bestehen. Vorzugsweise beträgt die Breite des Stützrings etwa ein Drittel bis ein Fünftel seiner Höhe. Auch Letzteres ist unter dem Aspekt zu sehen, dass es sich bei der versteiften Zone im Verhältnis zu den elastischen Abschnitten um einen bezüglich der axialen Richtung der Welle kurzen Bereich handeln soll.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung weist der vorzugsweise als Stützelement verwendete Stützring auf einer Seite oder auf beiden Seiten federnde Zungen auf, welche in die elastischen Abschnitte der Dichtlippe hineinragen, sich also im Wesentlichen in axialer Richtung, das heißt in Richtung der Pumpenwelle, erstrecken. Durch diese Ausbildung kann die schon mehrfach angesprochene Hebelkinematik noch zusätzlich unterstützt werden und der Dichtlippe in vorteilhafter Weise eine noch bessere Stabilität verliehen werden. Es wird angenommen, dass eine besonders gute Unterstützung der Hebelkinematik möglicherweise erreicht wird, wenn sich die Zungen des Stützrings innerhalb des Elastomers des oder der angrenzenden elastischen Abschnitte der Dichtlippe auf die Gleitfläche zugerichtet erstrecken. Im Hinblick auf eine gute Stabilität der Verbindung zwischen dem Elastomer der Dichtlippe und dem darin eingebrachten Stützring wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Stützring mehrere auf seinem Umfang verteilt angeordnete Durchbrüche aufweist, welche beispielsweise bei der Anwendung der Vulkanisation oder eines Spritzgussverfahrens zur Verbindung von Stützring und Dichtlippe von dem Elastomer der Dichtlippe unter Entstehung einer innigen Verbindung zwischen dem Stützring und dem Elastomer durchflossen werden können.
Mit dem Ziel einer besonders guten und einfachen Fixierung des Dichtungselements an der Innenseite des Pumpengehäuses ist dessen Haltering vorzugsweise mit einem L-förmigen Profilquerschnitt ausgebildet und in das Pumpengehäuse eingepresst. Dabei liegen die Außenseiten der Schenkel des entsprechenden L-Profils an der Innenkontur des Pumpengehäuses an, wobei sich ein erster Abschnitt des L-Profils im Wesentlichen parallel zu der Welle der Kreiselpumpe erstreckt und der andere Schenkel im Wesentlichen orthogonal zu diesem ersten Schenkel und damit quer zu der Welle angeordnet ist. Das Elastomer der Dichtlippe ist dabei zumindest an der Innenseite des sich quer zu der Welle erstreckenden Schenkels des Halterings anvulkanisiert. Vorzugsweise wird ferner der andere dazu orthogonale Schenkel in der Axialrichtung der Welle zumindest von dem zweiten elastischen Abschnitt der Dichtlippe überragt. Letzteres stellt sicher, dass die Hebelwirkung des zweiten elastischen, mit seinem Ende an der Gleitfläche anliegenden Abschnitts der Dichtlippe nicht beeinträchtigt wird. Zum Zweck einer sicheren Anbindung der Dichtlippe an den Haltering und damit zur Verhinderung eines Ein- oder Abreißens des Elastomers im Anbindungsbereich ist das Elastomer der Dichtlippe vorzugsweise über die gesamte Länge der Innenseite des sich quer zu der Welle erstreckenden Schenkels mit dem Haltering verbunden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schenkel des mit einem L-förmigen Profil ausgebildeten Halterings teilweise oder vollständig von dem Elastomer umflossen sind, so dass dabei vorzugsweise auch deren Außenseiten mit dem Elastomer belegt sind. Hierdurch wird einem Verschleiß durch Elektrokorrosion im Bereich des Anliegens des Halterings an der Innenseite des Pumpengehäuses vorgebeugt.
Mögliche Ausbildungsformen der Erfindung sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen, in welchen die Erfindung außerdem auch dem Stand der Technik gegenübergestellt werden soll, zeigen:
1: eine erste Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Dichtungselements vor dessen Einbau,
2: das Dichtungselement gemäß 1 nach dem Einbau in eine Kreiselpumpe,
3: eine weitere mögliche Ausbildungsform des Dichtungselements nach dem Einbau,
4: eine Ausbildungsform gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Dichtungselements,
5: eine Variante der Ausbildungsform gemäß 4,
6: eine weitere, etwas abgewandelte Variante der Ausbildungsform gemäß 4.
7: einen Wellendichtring nach dem Stand der Technik
8: eine Kreiselpumpe mit einem Dichtring nach dem Stand der Technik
Zum besseren Verständnis sollen an dieser Stelle anhand der 7 zunächst die bei einer Spaltabdichtung mittels eines so genannten Wellendichtring gegebenen Verhältnisse erläutert werden. Ein solcher Wellendichtring besteht aus einem formstabilen Ring 19, vorzugsweise aus Edelstahl, und einem an diesen formsteifen Ring anvulkanisierten Gummielement 20. Zur Abdichtung des Spaltes wird das letztgenannte Gummielement 20 mit einer Gleitfläche 22 eines Laufrads in einen gleitenden Kontakt gebracht, wobei der eigentliche elastomere Dichtring stets sehr scharfkantig ausgebildet ist und damit nur punktuell auf einer Umlauflinie an der jeweiligen Gleitfläche 22 anliegt. Dabei ist es üblich, wie auch in der 7 gezeigt, dass an dem Wellendichtring eine Ring- oder Schlauchfeder 21 angeordnet wird, welche das Gummielement 20 fest gegen die Gleitfläche 22 des Laufrads drückt, um den Spalt sicher abzudichten. Die Druckkraft der Ringfeder 21 wirkt dabei direkt auf den lotrecht unterhalb der Ringfeder 21 an der Gleitfläche 22 eines abzudichtenden Laufrads anliegenden Abschnitt des Gummielements 20. Durch die Druckkraft wird sichergestellt, dass das Dichtelement fest an der Gleitfläche 22 anliegt und somit den Spalt verschließt. Nachteilig ist es hierbei jedoch, wie bereits eingangs ausgeführt, dass das Gummielement 20 durch die hohe, mittels der Ringfeder 21 bewirkte Andrückkraft, einem erhöhten Verschleiß unterliegt. Zudem ist in der Praxis zu beobachten, dass das Dichtelement durch die erhöhte Andruckkraft im Laufe der Zeit in die insoweit ebenfalls einem Verschleiß unterliegende Gleitfläche 22 einläuft. Hierdurch ist die Standzeit einer in dieser Weise verwirklichten Spaltdichtung im Vergleich zu der erfindungsgemäß ausgebildeten Spaltabdichtung deutlich reduziert. Durch das Einlaufen des Dichtelements in die Gleitfläche 22 kommt es dabei bereits nach einiger Zeit des Betriebes einer mit einer solchen Spaltdichtung ausgestatteten Pumpe zunächst zu geringen Undichtigkeiten, welche allmählich den Wirkungsgrad der Pumpe reduzieren und insbesondere im Anwendungsbereich als Abwasserpumpe Ansatzpunkte für eine Verzopfung durch sich anlagernde Verunreinigungen des Abwassers bilden.
Das in den 1 bis 6 dargestellte Dichtungselement unterscheidet sich demgegenüber dadurch, dass auf eine das Ende der Dichtlippe 1 an die Gleitfläche 3 andrückende Ringfeder verzichtet wird und statt dessen durch eine spezielle Geometrie der Dichtlippe 1 ein sicherer Kontakt ihres freien Endes 10 mit der Gleitfläche 3 durch den auf der Druckseite 13 der Pumpe herrschenden Druck auch bei Schwingungen großer Amplitude bezüglich der radialen Richtung 18, wie sie insbesondere bei einer fliegenden Lagerung zu verzeichnen sind, erreicht wird. Mit dieser speziellen Ausbildungsform der Dichtlippe 1 ist eine sehr lang anhaltende und möglichen Verschleiß im Grunde vollkommen kompensierende Dichtfunktion auch unter rauesten Praxisbedingungen gegeben. Wie bereits mehrfach betont, trägt dabei die erfindungsgemäße Ausbildung des Dichtelements den, bei einer für Kreiselpumpen typischen fliegenden Lagerung bestehenden Gegebenheiten in besonders vorteilhafter Weise Rechnung. Zur Verdeutlichung dieser Gegebenheiten beziehungsweise des Prinzips der fliegenden Lagerung soll die 8 dienen. Diese Figur betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Dichtring 23 herkömmlicher Prägung beziehungsweise nach dem Stand der Technik. In der Darstellung ist eine Kreiselpumpe mit einem von einem Gehäuse 24 aufgenommenen, an dem Ende einer Welle 26 angeordneten Laufrad 25 gezeigt. Für den Betrieb der Pumpe wird das aus dem Gehäuse 24 herausragende Ende 27 der Welle 26 mit einem hier nicht gezeigten Antrieb verbunden. In dem Gehäuse 24 der Pumpe ist die Welle 26 mittels zweier Lager 28, 29 gelagert. Wie zu erkennen, ist der Dichtring 23 gegenüber dem Lager 28 in einem seine Breite um ein Vielfaches übersteigenden Abstand angeordnet. Die Wellensteifigkeit der beim Betrieb der Pumpe in Rotation versetzten Welle 26 wird durch den axialen Abstand der Lager 28, 29 zueinander bestimmt. Dieser Abstand ist, wie aus der Figur ersichtlich, geringer als der zwischen dem Lager 28 und dem Dichtring 23. Aufgrund dessen kommt es insbesondere bei gegenläufigen Lagerspiel der Lager 28, 29 an dem das Laufrad 25 tragenden Ende der Welle 26 und damit im Bereich des Dichtrings 23 unter Überwindung der Wellensteifigkeit zu Schwingungen hoher Amplitude in der radialen Richtung 18. Der Dichtring 23 ist hierdurch starken Belastungen ausgesetzt. Im Falle einer herkömmlichen Ausprägung kann er deshalb seine Dichtfunktion möglicherweise nur bedingt, zumindest aber nach einiger Betriebszeit infolge eintretenden Verschleißes nicht in jedem Falle zuverlässig erfüllen. Bei einer mit der Erfindung ausgestatteten Pumpe wird dieser Dichtring 23 daher durch ein Dichtungselement ersetzt, dessen spezielle, trotz fliegender Lagerung eine langfristig zuverlässige Dichtwirkung gewährleistende Gestaltung nachfolgend nochmals anhand der in den 1 bis 6 gezeigten Ausbildungsformen verdeutlicht werden soll.
In der 1 ist eine erste mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Dichtungselements in einer geschnittenen Darstellung gezeigt. Das Dichtungselement ist entsprechend der üblichen Geometrie des zwischen einem (hier nicht gezeigten, siehe dazu 2) Gehäuse 12 und dem Laufrad gebildeten Radialspalts einer Kreiselpumpe ringförmig ausgebildet, wobei die gezeigte Schnittdarstellung das Querschnittsprofil des ringförmigen Dichtungselements zeigt. Dieses besteht aus einem in das Gehäuse 12 einzupressenden metallischen Haltering 2 mit einem L-förmigen Profil und einer an den Haltering 2 beispielsweise anvulkanisierten Dichtlippe 1. In die Dichtlippe 1 ist ein ebenfalls aus Metall oder aus Kunststoff bestehendes, vorliegend als Stützring ausgebildetes Stützelement 6 eingefügt, so dass die Dichtlippe 1 eine versteifte Zone 7 aufweist. Diese versteifte Zone 7 trennt in Bezug auf die Axialrichtung 11, also in Bezug auf die Erstreckungsrichtung der Welle der Pumpe, zwei elastische Abschnitte 4, 5 voneinander. Der erste elastische Abschnitt 4 erstreckt sich, wie erkennbar, ausgehend von der Anbindung an den Haltering 2 bis zu dem Stützelement 6 beziehungsweise bis zu der versteiften Zone 7. Der zweite elastische Abschnitt 5 ist gegenüber dem ersten elastischen Abschnitt 4 abgewinkelt und erstreckt sich von der versteiften Zone 7 bis zu dem verjüngten freien Ende 10 der Dichtlippe 1, welches bei verbautem Dichtungselement an einer Gleitfläche 3 des hier nicht im Detail gezeigten Laufrades der Pumpe zur Anlage gelangt.
Gemäß dem grundsätzlichen Erfindungsgedanken ist der erste elastische Abschnitt 4, dessen Innenkontur 8 sich im verbauten Zustand parallel zur Pumpenwelle erstreckt, plankonkav ausgebildet. Bei der beispielhaft gezeigten Ausbildungsform ist dieser Abschnitt 4 dabei über die gesamte Länge des quer zur Erstreckungsrichtung der Pumpenwelle angeordneten Schenkels 17 des L-förmigen Profils des Halterings 2 an den Haltering 2 anvulkanisiert. Ausgehend von der Anbindung an den Haltering 2 verringert sich die Höhe des Elastomers beziehungsweise der Dichtlippe 1 durch einen entsprechenden Verlauf ihrer Außenkontur bis zu einer minimalen Höhe h_min stetig, um dann schließlich im weiteren Verlauf bis zu der versteiften Zone 7 wieder stetig auf die Höhe h anzuwachsen. Durch diese spezielle, wie bei dem gezeigten Beispiel vorzugsweise parabelartige Gestaltung der Außenkontur 9 der Dichtlippe 1 in dem elastischen Abschnitt 4 wird erreicht, dass der Abschnitt 4 einerseits eine hohe Elastizität aufweist, andererseits aber mechanisch sehr stabil und damit auch druckstabil bezüglich des auf der Druckseite 13 herrschenden hohen Druckes ist.
Die 2 zeigt das Dichtungselement gemäß der 1 in verbautem Zustand nach dem Einbau beziehungsweise dem Einpressen des Halterings 2 in das Gehäuse 12 einer Kreiselpumpe. Hierbei wird deutlich, dass der zweite, sich von der versteiften Zone 7 zu dem an der Gleitfläche 3 anliegenden Ende 10 erstreckende elastische Abschnitt 5 durch den gegenüber dem ersten elastischen Abschnitt 4 abgewinkelten Verlauf und die dadurch in dem Elastomer des zweiten Abschnitts 5 gegebene Vorspannung sowie durch den auf der Druckseite 13 herrschenden Mediendruck sicher in gleitendem Kontakt mit der Gleitfläche 3 gehalten ist. Darüber hinaus ist erkennbar, dass der erste elastische Abschnitt 4 einen elastischen Hebelarm ausbildet, durch welchen auch größere Schwingungen in radialer Richtung 18 kompensiert werden können, ohne dass hierbei die Gefahr besteht, dass das Elastomer der Dichtlippe 1 in dem Abschnitt 5 durch den auf der Druckseite 13 herrschenden Druck auf die Gleitfläche 3 heruntergedrückt wird oder flattert.
Die 3 zeigt eine Abwandlung der Ausbildungsform gemäß der 2, bei welcher der Stützring beziehungsweise das Stützelement 6 abweichend von der Variante nach 2 ausgehend von der Innenkontur 8 der Dichtlippe 1 in deren Elastomer hineinragt. Die Funktionalität des Dichtungselements entspricht dabei aber dennoch der zur 2 erläuterten. Abweichend von den 2 und 3 ist es selbstverständlich auch denkbar, das Stützelement 6, bezogen auf die Höhe h der Dichtlippe 1, mittig in deren Elastomer anzuordnen. Für eine besonders innige Verbindung zwischen dem Elastomer der Dichtlippe 1 und dem Material des Stützrings kann der Stützring beziehungsweise das Stützelement 6 auf seinem Umfang verteilt (hier nicht dargestellt) mehrere Durchbrüche aufweisen, durch welche das Elastomer beispielsweise bei der Anwendung eines Vulkanisationsvorgangs zur Verbindung von Stützelement 6 und Dichtlippe 1 hindurchfließen kann.
Eine mögliche Ausbildungsform entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Dichtungselements ist durch die 4 verdeutlicht. Bei dieser Ausbildungsform sind auf dem Umfang des Stützelements verteilt mehrere in die elastischen Abschnitte 4, 5 der Dichtlippe 1 hineinragende Zungen 14, 15 angeordnet beziehungsweise ausgebildet. Dabei wirken die Zungen 14, 15 als Stabilisierungselemente mit hoher Federsteifigkeit, durch welche eine Hebelkinematik gegeben ist, wobei durch entsprechend unterschiedliche Hebellängen auf beiden Seiten des Stützrings, das heißt eine auf einer Seite des Stützrings größere Länge der Zungen 14, 15, einerseits sehr hohe Druckunterschiede kompensiert, aber andererseits niedrige Druckunterschiede bezüglich ihrer Ausnutzung für die Dichtfunktion verstärkt werden. Hieraus resultiert eine besonders gute, langfristig wirksame und verschleißarme Dichtfunktion.
Eine insoweit gleich wirkende, geringfügig modifizierte Ausbildungsform ist in der 5 gezeigt. Hier ist das Stützelement 6 durch zwei aneinandergefügte Stützringe gebildet, an denen jeweils mehrere in den jeweils angrenzenden elastischen Abschnitt 4, 5 hineinragende Zungen 14, 15 ausgebildet sind. Eine weitere Modifikation ist durch die 6 gezeigt, bei welcher die an dem Stützelement 6 ausgebildeten, in die elastischen Abschnitte 4, 5 hineinragenden Zungen 14, 15 einen zur Welle beziehungsweise zur Gleitfläche 3 hin geneigten Verlauf aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Dichtlippe
2: Haltering
3: Gleitfläche
4, 5: Abschnitt
6: Stützelement, zum Beispiel Stützring
7: versteifte Zone
8: Innenkontur
9: Außenkontur
10: freies Ende
11: Axialrichtung
12: Gehäuse
13: Druckseite
14, 15: Zunge
16, 17: Schenkel
18: radiale Richtung
19: formstabiler Ring
20: Gummielement
21: Ring- oder Schlauchfeder
22: Gleitfläche
23: Dichtring
24: Gehäuse
25: Laufrad
26: Weile
27: Ende
28, 29: Lager
h_min: minimale Elastomerhöhe
h: Höhe des Elastomers in der versteiften Zone
B: Breite des Stützelements
H: Höhe des Stützelements

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19960160 A1 [0005]
DE 102008017347 A1 [0007]
DE 2546588 A1 [0008]

Claims

Dichtungselement zur Abdichtung eines Radialpaltes zwischen dem Gehäuse (12) einer Kreiselpumpe und einem über eine innerhalb des Gehäuse (12) gelagerte Welle getriebenen, entfernt von der Lagerstelle der Welle angeordneten Laufrad der Kreiselpumpe gegen einen Stofftransport, bestehend aus einem an einer Innenkontur des Gehäuses (12) gehaltenen starren, das heißt formstabilen Haltering (2) und einer ringförmigen elastomeren Dichtlippe (1), welche an einem Ende mit dem Haltering (2) verbunden ist und mit einem freien Ende (10) an einer eine Gleitfläche (3) ausbildenden Außenkontur des Laufrads gleitend anliegt, wobei in das Elastomer der Dichtlippe (1) mindestens ein ringförmiges Stützelement (6) eingefügt ist, durch welches eine versteifte Zone (7) gebildet ist, die bezogen auf die Querschnittsfläche der Dichtlippe (1) zwei sich in der Axialrichtung (11) der Welle erstreckende elastische Abschnitte (4, 5) der Dichtlippe (1) voneinander trennt, einen ersten, sich von dem an den Haltering (2) angebundenen Ende bis zu der versteiften Zone (7) erstreckenden elastischen Abschnitt (4) und einen zweiten, gegenüber dem ersten Abschnitt (4) in Richtung der Gleitfläche (3) abgewinkelten, sich verjüngenden und von der versteiften Zone (7) bis zu dem an der Gleitfläche (3) anliegenden Ende (10) erstreckenden elastischen Abschnitt (5), dessen Kontakt mit der Gleitfläche (3) im Betrieb der Kreiselpumpe ausschließlich aufgrund seines gegenüber dem Abschnitt (4) abgewinkelten Verlaufs und der dadurch in dem Elastomer erzeugten Vorspannung und durch den auf der Druckseite (13) herrschenden sowie auf den Abschnitt (5) wirkenden Druck aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Dichtlippe (1) in dem ersten, mit seiner der Gleitfläche (3) zugewandten Innenkontur (8) parallel zur Axialrichtung (11) der Welle verlaufenden Abschnitt (4) plankonkav ausgebildet ist, so dass sich die Höhe der Querschnittsfläche der Dichtlippe (1) in diesem Abschnitt (4), ausgehend von der Anbindung an den Haltering (2), zunächst stetig auf eine minimale Höhe (h_min) verringert und die Höhe dann bis zu der versteiften Zone (7) wieder stetig anwächst.
Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Gleitfläche (3) abgewandte Außenkontur (9) des ersten elastischen Abschnitts (4) der Dichtlippe (1) einen parabelartigen Verlauf aufweist.
Dichtungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Elastomers in der versteiften Zone das 1,5 bis 2,5-fache seiner minimalen Höhe (h_min) in dem ersten elastischen Abschnitt (4) beträgt.
Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (6) als ein formsteifer Stützring aus Kunststoff oder Metall ausgebildet ist.
Dichtungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) des als Stützring ausgebildeten Stützelements (6) 1/3 bis 1/5 seiner Höhe (H) beträgt.
Dichtungselement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (6) auf einer Seite oder auf beiden Seiten in die elastischen Abschnitte (4, 5) der Dichtlippe (1) hineinragende federnde Zungen (14, 15) aufweist.
Dichtungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zungen (14, 15) innerhalb des Elastomers des oder der elastischen Abschnitte (4, 5) der Dichtlippe (1) auf die Gleitfläche (3) zugerichtet erstrecken.
Dichtungselement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (6) mehrere auf seinem Umfang verteilt angeordnete Durchbrüche aufweist, welche von dem Elastomer der Dichtlippe (1) durchflossen werden.
Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering (2) in das Gehäuse (12) in einer Presspassung eingepresst ist und einen L-förmigen Profilquerschnitt besitzt, wobei die Außenseiten der Schenkel (16, 17) dieses L-Profils, nämlich eines ersten, sich im Wesentlichen parallel zur Axialrichtung (11) der Welle der Kreiselpumpe erstreckenden Schenkels (16) und eines zweiten, im Wesentlichen orthogonal zu dem ersten Schenkel (16) und damit quer zur Axialrichtung (11) der Welle angeordneten Schenkels (17), an der Innenkontur des Gehäuses (12) anliegen und wobei das Elastomer der Dichtlippe (1) zumindest mit der Innenseite des quer zur Axialrichtung (11) der Welle angeordneten Schenkels (17) des Halterings (2) haftend verbunden ist und der Haltering (2) in der Axialrichtung (11) der Welle zumindest von dem zweiten elastischen Abschnitt (5) der Dichtlippe (1) überragt wird.
Dichtungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer der Dichtlippe (1) über die gesamte Länge der Innenseite des quer zur Axialrichtung (11) der Welle angeordneten Schenkels (17) mit dem Haltering (2) verbunden ist.
Dichtungselement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (16, 17) des Halterings (2) teilweise oder vollständig von dem Elastomer der Dichtlippe (1) umflossen sind, wobei zumindest die dem Gehäuse (12) zugewandten Außenseiten beider Schenkel (16, 17) mit Elastomer belegt sind.