DE102021129695A1

DE102021129695A1 - Kreiselpumpe mit Kühleinsatz

Info

Publication number: DE102021129695A1
Application number: DE102021129695.1A
Authority: DE
Inventors: Lukas Buthmann; Rudolf Ens; Tobias Fröba; Florian Kober
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2023-05-17
Also published as: EP4433710A1; WO2023083777A1; CN118234950A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einer Anordnung (1) zur Wellendichtung. Die Anordnung (1) weist ein rotierendes Element (2) und ein stationäres Element (3) auf, die in einem Raum (4) einen Dichtspalt (5) für einen Schmierfilm ausbilden. Die Kreiselpumpe weist einen Kühleinsatz (6) auf, der einen ersten Bereich (7) und einen zweiten Bereich (8) umfasst. Der erste Bereich (7) umgibt das rotierende Element (2) zumindest teilweise und der zweite Bereich (8) begrenzt den Raum (4) zumindest teilweise.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einer Anordnung zur Wellendichtung, wobei die Anordnung ein rotierendes Element und ein stationäres Element aufweist, die in einen Raum einem Dichtspalt für einen Schmierfilm ausbilden.
Die Wellendichtung ist eine Dichtung, die eine Kreiselpumpe an der Durchführung der rotierenden Pumpenwelle aus dem feststehenden Pumpengehäuse so abdichtet, dass der Leckageverlust oder die von außen eindringende Luft auf ein bestimmtes Maß reduziert und ein etwaiger Verschleiß der Dichtflächen so gering wie möglich wird.
Gleitringdichtungen sind eine spezielle Ausführung einer Wellendichtung und weisen einen Dichtspalt auf, der in der Regel rechtwinklig zur Wellenachse steht. Wellendichtungen dieser Bauart werden auch als axiale oder hydrodynamische Gleitringdichtungen bezeichnet. Solche Gleitringdichtungen benötigen gegenüber anderen Dichtungssystemen einen kleineren Raum und weisen einen geringeren Wartungsaufwand auf. Sie bewähren sich sowohl bei niedrigen als auch bei hohen abzudichtenden Drücken bzw. Umfanggeschwindigkeiten.
Im Betrieb gleiten Dichtflächen aufeinander, die durch hydraulische und/oder mechanische Kräfte aufeinandergedrückt werden. Zwischen diesen beiden feinst bearbeiteten Gleitflächen eines rotierenden Elements und eines stationären Elements der Gleitringdichtungen befindet sich ein Dichtspalt mit einem meist flüssigen Schmierfilm. Die geringe Leckage gelangt bei Gleitringdichtungen meist beim Austritt in die Atmosphäre.
In der DE 199 28 141 A1 wird eine Dichtungsanordnung beschrieben, bei der eine Welle durch ein Gehäuse einer Kreiselpumpe geführt wird. Die Anordnung umfasst eine Wellenhülse, auf der Gleitringdichtungen mit einem rotierenden Element und einem stationären Element positioniert sind, zwischen denen ein Dichtspalt für einen Schmierfilm angeordnet ist.
Bei manchen Anwendungsgebieten werden Kreiselpumpen zur Förderung von Heißwasser oder Wärmeträgern eingesetzt. Daher sollte die Temperatur zumindest durch eine spezielle Gehäuseanordnung zur Wärmeabgabe, die zwischen dem Pumpengehäuse und der Wellendichtung angeordnet ist, soweit abgebaut werden, dass beispielsweise eine Gleitringdichtung zur Wellendichtung verwendet werden kann.
Da die thermischen und meist auch chemischen Belastungen bei der Förderung von Heißwasser und Wärmeträgern hoch sind, weisen solche Kreiselpumpen bereits bei der Werkstoffauswahl für die Medien und druckseitig beanspruchten Bauteile wie Gehäuse, Laufrad und Spaltringe eine besondere Werkstoffauswahl auf, die auf diese hohen Belastungen ausgerichtet sind. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Gehäuseanordnung zur Wärmeabgabe zu, die als Distanzstrecke zum Temperaturabbau dient.
Die temperaturempfindlichen Bauteile, wie beispielsweise die Wellendichtung, werden auf Abstand zu dem heißen Pumpengehäuse gehalten, das meist aus einem Spiralgehäuse und einem Gehäusedeckel besteht. Ziel ist es, den Wärmefluss vom Pumpengehäuse zum Wellendichtungsraum so gering wie möglich zu halten. Die Wellenabdichtung besteht bei solchen Pumpen häufig aus einer Gleitringdichtung.
Die EP 1 134 424 B1 offenbart ein Aggregat zur Aufnahme heißer Fluide, insbesondere eine Kreiselpumpe zur Förderung heißer Fluide, wobei eine Welle einen Dichtungsraum mit mindestens einer darin angeordneten Gleitringdichtung durchdringt, zwischen Aggregat und Dichtungsraum eine fluidführende Verbindung besteht, und das dem Aggregat entnommene Fluid die Gleitringdichtung kühlt und spült. Die Gleitringdichtung wird durch eine Beabstandung mithilfe einer langen Laterne vor zu heißen Temperaturen geschützt.
Die DE 10 2017 209 803 A1 beschreibt eine Kreiselpumpe zur Förderung heißer Medien mit mindestens einem Laufrad, das in einem Pumpengehäuse angeordnet ist und über eine Welle mit einem Antrieb in Verbindung steht, wobei sich an das Pumpengehäuse eine Gehäuseanordnung zur Wärmeabgabe anschließt und die Welle mit mindestens einer Gleitringdichtungsanordnung und mindestens einer Lagerung versehen ist. Die Gleitringdichtungsanordnung wird über eine wärmesperrende Beabstandung vom heißen Medium getrennt.
Oft ist allerdings eine große Beabstandung über eine lange Laterne mit konstruktiven Nachteilen verbunden oder allein vom zur Verfügung stehenden Bauraum nicht realisierbar. Des Weiteren kann im Falle der Förderung besonders heißer Fluide nicht immer eine ausreichende Abkühlung der Welle bzw. der Gleitringdichtung allein durch eine Beabstandung erzielt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe mit einer Anordnung zur Wellendichtung anzugeben, die zur Förderung heißer Fluide geeignet ist. Die Kreiselpumpe sollte dabei möglichst kompakt ausgebildet sein. Die Anordnung soll sich, insbesondere beim Einsatz in Kreiselpumpen, durch eine hohe Zuverlässigkeit, einer geringen Leckagerate und einer langen Lebensdauer auszeichnen. Die Kreiselpumpe mit einer Anordnung zur Wellendichtung soll zudem eine einfache Montage gewährleisten sowie für Wartungsarbeiten gut zugänglich sein. Weiterhin soll sich die Kreiselpumpe mit einer Anordnung zur Wellendichtung durch möglichst geringe Herstellungskosten auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit einer Anordnung zur Wellendichtung gelöst. Bevorzugte Varianten sind den nebengeordneten Hauptansprüchen, den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist die Kreiselpumpe einen Kühleinsatz auf, der einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich umfasst. Der erste Bereich umgibt dabei das rotierende Element zumindest teilweise und der zweite Bereich begrenzt den Raum zumindest teilweise.
Bei der Ausführung der Anordnung zur Wellendichtung in Form von einer Gleitringdichtung kann das rotierende Element eine Wellenschutzhülse umfassen. Wellenhülsen sind drehfest mit der Welle verbunden und können die Welle vor Verschleiß schützen.
Das stationäre Element ist vorzugsweise als feststehender, mit dem Gehäuse direkt oder indirekt verbundener Gegenring ausgeführt. In einer besonders günstigen Variante der Erfindung ist das stationäre Element als L-förmiger Ringeinsatz ausgebildet. Vorzugsweise ist das feststehende Element der Gleitringdichtung am Kühleinsatz fixiert.
Idealerweise ist der Kühleinsatz in Form eines einfach zu montierenden Einschubs ausgeführt, der den Raum zwischen dem Druckdeckel des Pumpengehäuses und der Wellendurchführung einnimmt. Vorteilhafterweise wird der Kühleinsatz am Druckdeckel des Pumpengehäuses fixiert.
Ein Kühleinsatz weist vorzugsweise ein von einem Kühlmittel durchströmbares Volumen auf, wobei die Wärmeaufnahmefläche, die Strömungsführung des Kühlmittels und das durchströmbare Volumen hinsichtlich der Wärmeabtransportleistung optimiert ausgebildet sind.
Der Kühleinsatz bildet einen Raum für das rotierende und das stationäre Element der Anordnung zur Wellendichtung. Insbesondere der zweite Bereich des Kühleinsatzes bildet den Raum, indem er den Raum zumindest teilweise begrenzt. Dabei wird die Begrenzung vorzugsweise durch die Innenwandung des zweiten Bereichs des Kühleinsatzes gebildet.
Idealerweise ist der Raum als Dichtungsraum bzw. als Gleitringdichtungsraum ausgeführt.
Der erste Bereich des Kühleinsatzes umgibt dabei das rotierende Element zumindest teilweise. Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung umschließt der Kühleinsatz des rotierenden Elements nahezu vollständig.
Bei einer alternativen Variante umgibt der Kühleinsatz, insbesondere der erste Bereich des Kühleinsatzes, das rotierende Element vollständig.
Vorzugsweise weist der erste Bereich des Kühleinsatzes einen Kühlkanal auf. Dieser Kühlkanal kann von einem extern gefördertem Kühlmedium durchflossen werden, um die von dem heißen Fluid ausgehende Wärme so weit abzuführen, dass die Anordnung zur Wellendichtung nicht ungünstig beeinträchtigt wird. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Anordnung der Wellendichtung gewährleistet und eine lange Lebensdauer erzielt werden.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung ist der Kühlkanal als Kühlwendel ausgeführt. Dadurch umströmt das Kühlmedium vorzugsweise in einer turbulenten Strömungsführung und gleichzeitig bei optimal ausgebildeter Wärmeübertragungsfläche die Anordnung der Wellendichtung.
Bei einer ganz besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist der Kühlkanal in Form einer Helixstruktur ausgebildet. Eine Helixstruktur ist die schraubenförmige, gedrehte Spirale. Die Form des Kühlkanals begünstigt die Ausbildung einer turbulenten Strömungsführung des Kühlmediums, wodurch die Wärmeabführleistung optimal ausgestaltet werden kann.
Idealerweise können im Kühlkanal Leitkonturen bzw. Geometrien zur Erzeugung einer Turbulenz angeordnet. Dadurch wird insbesondere gewährleistet, dass sich eine turbulente Strömungsführung des Kühlmediums ausbildet oder verbessert, wodurch die Wärme des rotierenden Elements besser abgeführt werden kann. Die Leitkonturen zur Turbulenzerhöhung bzw. zur Turbulenzbildung können beliebig im Kühlraum angeordnet sein. Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung kann die Leitkontur als Stege mit einer Verwirbelungskante ausgeführt sein.
Im ersten Bereich des Kühleinsatzes ist vorzugsweise ein Anschlusskanal angeordnet, der als Zu- und Rückflusskanal ausgeführt sein kann. Dieser kann geometrisch so angepasst sein, dass der Kühlkanal im zur Verfügung stehenden Einbauraum möglichst groß ausgebildet werden kann.
Vorzugsweise zieht der Zu- und Rückflusskanal beispielsweise in einem etwas breiteren, aber flachen Rechteckkanal an der Außenseite Richtung Ablaufstutzen des Kühleinsatzes. Dazu geht idealerweise das Ende des helixförmigen Kühlkanals mittels einer abgerundeten Umlenkung in den Rückflusskanal über.
Im Falle einer Wartung bzw. Außerbetriebnahme der Kreiselpumpe ist im ersten Bereich des Kühlkanals ein Entleerungskanal angeordnet. Der Entleerungskanal ist vorzugsweise ein äußerst kleiner Kanal an der tiefsten Stelle des Kühleinsatzes, wodurch der Kühleinsatz vollständig vom Kühlmedium entleert werden kann. Idealerweise mündet der Entleerungskanal in einen kleinen Stutzen, der mit einem Stopfen dichtend verschlossen werden kann, um unkontrollierten sowie unerwünschten Austritt des Kühlmediums zu verhindern. Vorteilhafterweise weist der höchste Punkt des Kühleinsatzes eine Öffnung zum Entlüften auf, wodurch die vollständige Entleerung gewährleistet werden kann.
Idealerweise sind im zweiten Bereich des Kühleinsatzes ein Zulaufstutzen und ein Ablaufstutzen angeordnet, über die das Kühlmedium jeweils zu- und abgeführt werden kann. Bei einer günstigen Variante der Erfindung weisen die Stutzen ein Innengewinde zum Anschluss der Kühlmittelleitungen auf. Die Stutzen können alternativ auch als Anschweißenden angeführt sein.
Darüber hinaus ist insbesondere im zweiten Bereich des Kühleinsatzes eine Sekundärkühlung zur Abführung der Reibungswärme der Gleitringdichtung angeordnet. Die Sekundärkühlung weist vorzugsweise einen Zulaufanschluss und einen Ablaufanschluss auf.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung liegen sich einerseits sowohl die Stutzen als auch andererseits die Anschlüsse sich jeweils gegenüber, wobei sie zueinander jeweils um 90° versetzt angeordnet sind. Stutzen und Anschlüsse sind dabei um 90° versetzt zueinander angeordnet.
Bei einer alternativen Variante der Erfindung weisen die Anschlüsse ein Innengewinde zum dichtenden Einschrauben von Verschraubungen auf. Diese Anschlüsse können alternativ auch als Anschweißenden ausgeführt sein.
Bei einer äußerst vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Sekundärkühlung als Direktkühlung ausgebildet. Dabei strömt das Kühlmedium über den Zulaufanschluss direkt in den Raum, der von dem zweiten Bereich des Kühleinsatzes um den Dichtspalt der Gleitringdichtung gebildet wird. Das Kühlmedium kann die durch Reibung entstandene Wärme aufnehmen und strömt über den Ablaufanschluss aus dem Raum hinaus.
Alternativ kann der Raum um die Gleitringdichtung mit Prozessmedium über den Spalt zwischen der Wellenschutzhülse und dem ersten Bereich des Kühleinsatzes beaufschlagt sein. Das Prozessmedium kann die durch Reibung entstandene Wärme aufnehmen und strömt über den Ablaufanschluss aus dem Raum hinaus. Das durch die Reibung erwärmte Prozessmedium durchläuft beispielsweise einen externen Kühler und wird wieder zugeleitet. Dabei strömt das zirkulierende Prozessmedium über den Zulaufanschluss direkt in den Raum, der von dem zweiten Bereich des Kühleinsatzes um den Dichtspalt der Gleitringdichtung gebildet wird.
Bei einer alternativen Variante der Erfindung ist die Sekundärkühlung als indirekte Kühlung ausgebildet. Dabei ist im Raum, der durch den zweiten Bereich des Kühleinsatzes gebildet wird, eine Kühlwendel oder eine Kühlkammer angeordnet. Das Kühlmedium strömt über den Zulaufanschluss in die Kühlwendel und nimmt die Wärme, die um den Dichtspalt entsteht bzw. vorhanden ist, auf und führt die Wärme über einen Ablaufanschluss aus dem Raum hinaus.
Vorteilhafterweise ist der Kühleinsatz einstückig ausgebildet. Dadurch ist der erste Bereich mit dem Kühlkanal und der zweite Bereich mit der Sekundärkühlung als auch den Stutzen sowie den Anschlüssen äußerst kompakt realisiert. Die einstückige Ausbildung ermöglicht insbesondere eine einfache und schnelle Montage sowie Fertigung und erweist sich darüber hinaus auch im Wartungsfall als besonders günstig.
Bisher ist kein Kühleinsatz bekannt, der die beschriebenen Merkmale aufweist. Idealerweise ist der Kühleinsatz durch generative Fertigung erzeugt. Dabei werden im Rahmen einer generativen bzw. additiven Fertigung ein Kühleinsatz mit einer komplexen, an die Wärmeabführaufgabe angepassten Form formiert.
Gemäß der Erfindung wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines Kühleinsatzes, der eine komplexe Form des Kühlkanals aufweist, der Kühleinsatz durch selektives Einwirken einer Strahlung auf ein Aufbaumaterial erzeugt.
Erfindungsgemäß ist der Kühleinsatz additiv gefertigt. Nur aufgrund dieser besonderen Fertigungstechnik ist die Ausführung des Kühlkanals komplex und flexibel, unter äußerst geringem Materialeinsatz und sehr schnell zu erzeugen. Insbesondere die Helixstruktur des Kühlkanals mit integrierten Leitkonturen zur Erzeugung einer Turbulenz kann nur durch die additive Fertigungstechnik erzielt werden.
Ein additiv gefertigter Kühleinsatz ist mit einem additiven Fertigungsverfahren erzeugt worden. Die Bezeichnung additive Fertigungsverfahren umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und somit dreidimensionale Kanäle erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, Metalle, Carbon- und Graphitmaterialien.
Für die Ausbildung des Kühleinsatzes werden insbesondere das selektive Laserschmelzen und das Cladding, auch bekannt als Auftragsschweißen, angewandt.
Beim selektiven Laserschmelzen wird ein Kühleinsatz mit einem Kühlkanal in Form einer Kühlwendel nach einem Verfahren hergestellt, bei dem zunächst eine Schicht eines Aufbaumaterials auf eine Unterlage aufgebracht wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial zur Herstellung des Kühleinsatzes um metallische Pulverteilchen. Bei einer Variante der Erfindung werden dazu eisenhaltige und/oder kobalthaltige Pulverpartikel eingesetzt. Diese können Zusätze wie Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten. Der metallische Aufbauwerkstoff wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Dann wird der pulverförmige Werkstoff mittels einer Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis alle Schichten hergestellt sind und der fertige Kühleinsatz entstanden ist.
Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher den Kühleinsatz aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf der Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBN) zum Einsatz kommen.
Beim Auftragsschweißen oder Cladding wird der Kühleinsatz nach einem Verfahren hergestellt, das ein Anfangsstück durch Schweißen beschichtet. Das Auftragsschwei-ßen baut dabei durch einen Schweißzusatzwerkstoff in Form von einem Draht oder einem Pulver ein Volumen auf, das eine besonders filigrane und optimierte Form des Kühlkanals realisiert.
Die unterschiedlichen Eigenschaften des Kühleinsatzes mit einer helixförmigen Kühlwendel werden dabei durch Variationen der Strahlung generiert. Durch gezielte Steuerung der lokalen Wärmeeinbringung wird bereits beim Bau eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften vorgenommen. Dadurch gelingt es in einem Bereich des Kühleinsatzes Zonen und Gefüge unterschiedlicher Werkstoffzustände eines chemisch-homogenen Werkstoffs und damit unterschiedlicher Eigenschaften zu erzeugen.
Der Kühleinsatz kann bei einer Variante der Erfindung aus unterschiedlichem Aufbaumaterial gebildet werden. Das Aufbaumaterial umfasst vorzugsweise metallische Pulverteilchen.
Die additive Ausbildung des Kühleinsatzes ermöglicht besonders dünne Wandstärken des Kühlkanals sowie die optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums durch verändernde Querschnitte des Kühlkanals zur optimalen Ausbildung einer möglichst großen Wärmeübertragungsfläche.
Idealerweise wird der Kühleinsatz zur Kühlung von Anordnungen zur Wellendichtung in Kreiselpumpen, die zur Förderung von heißen Fluiden, insbesondere von Heißwasser als auch von Wärmeträgern, eingesetzt werden, verwendet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt:

1 eine Schnittdarstellung einer Kreiselpumpe mit einem Kühleinsatz,
2 eine perspektivische Darstellung des Kühleinsatzes,
3 eine perspektivische, teilgeschnittene Darstellung des Kühleinsatzes,
4 eine vertikale Schnittdarstellung des Kühleinsatzes,
5 eine horizontale Schnittdarstellung des Kühlkanals,
6 eine Darstellung des nassen Volumens des Kühlkanals.

In 1 ist eine Schnittdarstellung einer Kreiselpumpe mit einem Kühleinsatz 6 dargestellt. Das sehr heiße, zu fördernde Fluid strömt über den Saugmund oder Saugstutzen 30 in das Pumpengehäuse 31 ein. Auf der Pumpenwelle 34 sitzt drehfest das Radiallaufrad 33, das das Fluid mit Energie beaufschlagt. Das Fluid verlässt über den schematisch angedeuteten Druckstutzen 32 die Kreiselpumpe.
Das Pumpengehäuse 31 umschließt mit dem Druckdeckel 28 das Radiallaufrad 33, wobei die Lauf- und Spaltringe 35 die Spaltverluste an Radiallaufrad 33 und Pumpengehäuse 31 bzw. Gehäusedeckel 28 minimieren.
Zwischen der Pumpenwelle 34 und dem Druckdeckel 28 ist der Kühleinsatz 6 angeordnet, wobei ein erster Bereich 7 des Kühleinsatzes 6 ein rotierendes Element 2 der Anordnung zur Wellendichtung 1 zumindest teilweise umschließt. Ein zweiter Bereich 8 umschließt zumindest teilweise ein stationäres Element 3.
Das vereinfacht dargestellte rotierende Element 2 umfasst in dieser Ausführung zumindest eine Wellenhülse und einen Gleitring. Der Gleitring ist mit der Wellenhülse verbunden und rotiert mit der Welle 34 um die Drehachse A. Die Wellenschutzhülse kann aber auch als Einzelteil vorliegen und auf dieser die rotierende Dichtungseinheit montiert werden.
Das ebenfalls vereinfacht dargestellte stationäre Element 3 umfasst zumindest einen Gegenring.
Der erste rotierende Gleitring wirkt mit dem stationären Gegenring zusammen. Einer der beiden Gleitringe ist zudem axial verschiebbar angeordnet und über beispielsweise eine Federvorrichtung in Richtung des anderen Gleitrings vorgespannt.
Der zweite Bereich 8 des Kühleinsatzes 6 bildet einen Raum 4, auch Gleitringdichtungsraum genannt, um einen Dichtspalt 5 zwischen dem rotierenden Element 2 und dem stationären Element 3. Das stationäre Element 3 ist in dieser Ausführung mit Fixierhilfsmitteln 36 am Kühleinsatz 6 positioniert und fixiert.
Als Gleitringdichtung wird in dieser Ausführungsvariante eine einfachwirkende Komponentengleitringdichtung auf Basis von Siliziumkarbid für die Anwendung im Heißwasserbereich verwendet.
Der Raum 4 wird in dieser Ausführungsvariante von zirkulierendem Prozessmedium durchströmt, welches über den Zulaufanschluss 16 zuströmt und über den Ablaufanschluss 15 abgeführt wird. In die Anschlüsse 15 und 16 sind jeweils Verlängerungstücke 37 mittels einer Gewindeverbindung eingeschraubt. Die Lage und Durchströmung der Anschlüsse 15 und 16 kann an die vorhandenen Bedingungen angepasst werden. Die Verlängerungsstücke 37 ragen in dieser Ausführung aus der Laterne 38 heraus, wodurch ein Anschließen an einen externen Kühlkreislauf einfach zu realisieren ist. Durch diese externe Kühlung kann Reibungswärme der Gleitringdichtung abgeführt werden. Die Laterne 38 umfasst die Wälzlagerung 39 der Pumpenwelle 34.
Im ersten Bereich 7 des Kühleinsatzes 6 ist ein Kühlkanal 9 angeordnet, der Wärme von dem rotierenden Element 2, der Pumpenwelle 34 und des dazwischen im Spalt vorhandenen Prozessmediums abführt, die durch die Wärmebeaufschlagung des heißen Förderfluids die Anordnung zur Wellendichtung 1 belastet.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Kühleinsatzes 6. Der Anschlag 29 liegt am Druckdeckel 28 an. Über die Bohrlöcher 40 werden in dieser Ausführungsvariante der Erfindung vier Schrauben zum Fixieren am Druckdeckel 28 eingebracht. Der Anschlag 29 ist mit acht diagonalen Streben 43, die jeweils um ca. 45° zueinander versetzt angeordnet sind, verstärkt.
Im zweiten Bereich 8 des Kühleinsatzes 6 sind je ein Zulaufstutzen 13, ein Ablaufstutzen 14, sowie der Zulaufanschluss 16 und der Ablaufanschluss 15 um 90° versetzt zueinander angeordnet. Die Stutzen 13 und 14 sowie die Anschlüsse 15 und 16 weisen eine Verstärkungsschulter bzw. Verstärkungsrippen 41 als auch ein Innengewinde zum dichtenden Einschrauben von Verlängerungsstücken 37 und Rohrleitungsverschraubungen auf.
Bündig mit dem Ende des zweiten Bereichs 8 des Kühleinsatzes 6 sind vier aufgesetzte, jeweils um 90° versetzt zueinander angeordnete Schraubenaufnahmen 42 mit Innengewinde angeordnet. Das stationäre Element 3 der Anordnung zur Wellendichtung 1 wird in dieser Ausführungsvariante mithilfe von Schrauben in den Schraubenaufnahmen 42 fixiert.
3 zeigt eine perspektivische, teilgeschnittene Darstellung des Kühleinsatzes 6. Die 4 zeigt einen vertikalen und die 5 einen horizontalen Schnitt durch den Kühleinsatz 6. Der erste Bereich 7 umschließt zumindest teilweise und zylindrisch das in den 3 bis 5 nicht gezeigte, rotierende Element 2, das drehfest mit der Welle verbunden ist. Der Kühlkanal 9 wird zur Wärmeabfuhr mit Kühlmedium durchströmt.
Das Kühlmedium wird im zweiten Bereich 8 über den Zulaufstutzen 13 in den Kühlkanal 9 zugeführt. Der Kühlkanal 9 ist gewindegangartig ausgebildet und weist in den Darstellungen sechs Gänge auf, welche baugrößenbedingt in ihrer Anzahl variieren können, so dass das Kühlmedium das rotierende Element 2 umfließt, bevor der Kühlkanal 9 in einen Rückflusskanal 11 mündet. Der Rückflusskanal 11 mündet wiederum über einen abgewinkelten Bogen 44 in den Ablaufstutzen 14. Die Durchströmungsrichtungen können variiert werden, in dem man den Zulaufanschluss 16 als Rücklauf und den Rücklaufanschluss 15 als Zulauf verwendet bzw. wenn man den Ablaufstutzen 14 zum Zuführen des Kühlmediums in den Kühlkanal 9 und den Zulaufstutzen 13 zum Abführen des Kühlmediums verwendet.
Die Sekundärkühlung des in den Figuren nicht dargestellten Dichtspaltes 5 ist als Direktkühlung ausgeführt. Das zirkulierende Prozessmedium der Sekundärkühlung strömt über den Zulaufanschluss 16 in den Raum 4 ein und verlässt den Raum 4 über den Ablaufanschluss 15. Der Zulaufanschluss 16 und der Ablaufanschluss 15 sind sich gegenüber angeordnet und sind somit um 180° versetzt zueinander im zweiten Bereich 8 des Kühleinsatzes 6 positioniert. Durch eine Staukante 46 im Bereich des Ablaufanschlusses 15 im Dichtungsraum 4 wird die Strömungslenkung positiv beeinflusst.
Der Kühleinsatz 6 ist generativ gefertigt und somit einstückig ausgebildet, wobei der Kühleinsatz 6 dabei eine besonders komplexe Konstruktion und eine ideal an die Wärmeabführaufgabe angepasste Führung des Kühlkanals 9 aufweist.
Der Kühlkanal 9 weist dabei eine Querschnittsfläche eines gekrümmten Dreiecks auf, wodurch eine besonders hohe Wärmeübertragungsfläche erzielt wird. Die einzelnen Gänge des Kühlkanals 9 sind durch besonders dünne Stege 26, die die Form eines gotischen Bogens aufweisen, voneinander getrennt und aus einem vorteilhaft wärmeleitfähigen Material gefertigt. Im Kühlkanal 9 sind Leitkonturen 10 angeordnet, die zu einer Turbulenz der Strömung des Kühlmediums beitragen. Dadurch wird die Wärmeabtransportleistung des Kühleinsatzes 6 deutlich gesteigert. Die Leitkonturen 10 sind in dieser Variante als Stege ausgeführt, die von der Außenwand des Kühlkanals 9 in den Strömungsraum ragen und eine Verwirbelungskante aufweisen.
Der zylinderförmige Teil des ersten Bereichs 7 des Kühleinsatzes 6 weist eine Schulter 27 auf, die zur Einpassung einer Dichtung in den Druckdeckel 28 der Kreiselpumpe dient. Diese Schulter kann aber auch am Gehäusedeckel 28 angearbeitet werden, um eine Einpassung einer Dichtung zu erreichen.
Wie in der 4 gezeigt, verläuft an der tiefsten Stelle des Kühleinsatzes 6 ein Entleerungskanal 12, der in einen Entleerungsstutzen 24 mündet. Der Entleerungskanal 12 kann dabei in Richtung Entleerungsstutzen 24 mit einem Gefälle versehen sein.
Der zweite Bereich 8 des Kühleinsatzes 6 bildet einen Raum 4 um das rotierende Element 2 sowie das stationäre Element 3 der Anordnung zur Wellendichtung 1. Zur Aufnahme des stationären Elements 3, das in den zweiten Bereich 8 des Kühleinsatzes 6 eingeführt wird, weist der zweite Bereich 8 verschiedene Phasen und Einstiche 45 auf. Diese dienen der flüssigkeitsgefüllten Raumvergrößerung sowie der Strömungsleitung des Prozessmediums im Raum 4.
Um die entstehende Reibungswärme an dem in der 1 gezeigten Dichtspalt 5 der Anordnung zur Wellendichtung 1 abführen zu können, verfügt der Kühleinsatz 6 im zweiten Bereich 8 über einen Zulaufanschluss 16 und einen Ablaufanschluss 15 für eine Sekundärkühlung. In der gezeigten Ausführungsvariante der Erfindung ist die Sekundärkühlung als Direktkühlung so ausgeführt, so dass über den Zulaufanschluss 16 das extern gekühlte und zirkulierende Prozessmedium den Raum 4 um den Dichtspalt 5 füllt und durchströmt. Die vorteilhafte Sekundärkühlung gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit der Anordnung zur Wellendichtung bei einer gleichzeitig langen Lebensdauer. In diesem Bereich 8 kann eine Staukante 46 angearbeitet sein um den Fluidaustritt aus dem Anschluss 15 zu verbessern.
6 zeigt eine perspektivische Darstellung des nassen Volumens des Kühlkanals 9, der in der gezeigten Darstellung ohne die restlichen Elemente des Kühlkanals 9 und des Kühleinsatzes 6 abgebildet ist. Das Kühlmedium fließt durch den nicht dargestellten Zulaufstutzen 13 in den Zulaufkanal 17. Der Zulaufkanal 17 weist zu Beginn einen kreisförmigen Querschnitt auf, der nach einem Bogen 19 in ein Übergangsstück 20 übergeht. Das Übergangsstück 20 weist einen dreiecksförmigen Querschnitt auf, wobei die Querschnittsfläche kontinuierlich ansteigt, bis das Übergangsstück 20 in den Kühlkanal 9 mündet.
Der Kühlkanal 9 ist als Kühlwendel 18 ausgebildet, die die Form einer Helixstruktur aufweist. Die Kühlwendel 18 ist dabei als schraubenförmige, gedrehte Spirale ausgeführt, die sich zylindrisch um das rotierende Element 2 der Anordnung 1 der Wellendichtung fügt.
Am Ende der Kühlwendel 18 mündet der Kühlkanal 9 in eine nahezu rechteckförmige Rückführung 21, wobei der Übergang mittels 90°-Bogen 22 ausgeführt ist. Die Kühlwendel 18 weist eine Aussparung auf, in die sich die Rückführung 21 einfügt und somit insgesamt eine Zylinderform aufweist. In der Rückführung 21 ist zur Stabilisierung eine kantige Ausbuchtung 23 angeordnet. Die Rückführung 21 mündet am Ende des zylinderförmigen Teils der Kühlwendel 18 in den Rückflusskanal 11, der wiederum in den nicht dargestellten Ablaufstutzen 14 übergeht.
Am tiefsten Punkt des Kühlkanals 9 entspringt der Entleerungskanal 12, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei der Querschnitt im Vergleich zum Kühlkanal 9 deutlich kleiner ausgeführt ist. Der Entleerungskanal 12 mündet in den in dieser Darstellung nicht dargestellten Entleerungsstutzen 24, der mit einem Stopfen 25 dichtend verschlossen werden kann. Mithilfe des Entleerungskanals 12 kann im Falle einer Wartung oder Außerbetriebnahme der Kreiselpumpe das Kühlmedium aus dem kompletten Kühleinsatz 6 entleert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19928141 A1 [0005]
EP 1134424 B1 [0009]
DE 102017209803 A1 [0010]

Claims

Kreiselpumpe mit einer Anordnung (1) zur Wellendichtung, wobei die Anordnung (1) ein rotierendes Element (2) und ein stationäres Element (3) aufweist, die in einem Raum (4) einen Dichtspalt (5) für einen Schmierfilm ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiselpumpe einen Kühleinsatz (6) aufweist, der einen ersten Bereich (7) und einen zweiten Bereich (8) umfasst, wobei der erste Bereich (7) das rotierende Element (2) zumindest teilweise umgibt und der zweite Bereich (8) den Raum (4) zumindest teilweise begrenzt.
Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (7) einen Kühlkanal (9) aufweist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (6) einstückig ausgebildet ist.
Kreiselpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (9) als Kühlwendel (18) ausgeführt ist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlkanal (9) Leitkonturen (10) angeordnet sind.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Bereich (7) ein Anschlusskanal (11) angeordnet ist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Bereich (7) ein Entleerungskanal (12) angeordnet ist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Bereich (8) ein Zulaufstutzen (13) und ein Ablaufstutzen (14) zum Zu- und Abführen eines Kühlmediums angeordnet sind.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Bereich (8) eine Sekundärkühlung zur Kühlung des Bereichs um den Dichtspalt (5) angeordnet ist, wobei die Sekundärkühlung einen Zulaufanschluss (16) und einen Ablaufanschluss (15) aufweist.
Kreiselpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärkühlung als Direktkühlung ausgebildet ist.
Kreiselpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärkühlung als indirekte Kühlung ausgebildet ist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (6) generativ gefertigt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kühleinsatzes (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinsatz (6) durch selektives Einwirken einer Strahlung auf ein Aufbaumaterial erzeugt wird.
Verwendung eines Kühleinsatzes (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Kühlung einer Anordnung (1) zur Wellendichtung in einer Kreiselpumpe zur Förderung heißer Fluide.