DE19722730A1 - Gasdichtung - Google Patents

Description

Gasdichtungen werden seit Jahren zur Abdichtung rotierender Wellen bei Kompres­ soren verwendet. Zunehmend werden solche Dichtungen auch für die Abdichtung rotierender Wellen bei Flüssigkeitspumpen eingesetzt.

Bei Gasdichtungen handelt es sich um Gleitringdichtungen mit profilierten Gleit­ flächen, bei denen infolge ausreichend großer aerostatischer und aerodynamischer Kräfte die Gleitflächen während des Betriebes getrennt werden, so daß die Dichtung verschleißfrei arbeitet.

Für den Einsatz in Flüssigkeitspumpen werden doppeltwirkende Gasdichtungen verwendet. Der Raum zwischen den beiden Dichtungen wird mit einer Gasvorlage beaufschlagt, deren Druck im Normalfall um 1 bis 2 bar höher liegt als der Druck im Produktraum in unmittelbarer Nähe der Dichtung. Diese Druckdifferenz führt zu einer Gasleckage in den Produktraum. Dies hat den Nachteil, daß die beschriebene Dichtungsart nur bei Verfahren angewendet werden kann, bei denen das Gas nicht schadet. An das Gas müssen dann gewisse Anforderungen hinsichtlich Reinheit und Zusammensetzung gestellt werden.

Das in den Prozeß eingeleitete Gas muß bei gefährlichen Flüssigkeiten entsorgt und u. U. gereinigt werden, da es Teile des Prozeßmediums enthält.

Ziel der Erfindung ist es, den Gaseintrag in den Produktkreislauf bei Verwendung der beschriebenen Gasdichtungen zu verhindern bzw. auf einen Bruchteil der heutigen Leckage zu reduzieren. Der Vorteil liegt darin, daß kein in den Prozeß eingedrunge­ nes Gas den Prozeß stört, das Gas nicht entsorgt werden muß und an die Qualität des Gases keine Anforderungen gestellt werden müssen.

So ist es derzeit üblich, als Sperrgas Stickstoff zu verwenden, während die sehr viel häufiger zur Verfügung stehende Preßluft in den meisten Fällen nicht angewendet werden kann.

Zur Lösung des Problems macht man sich die Tatsache zu Nutze, daß die in Flüs­ sigkeitspumpen üblichen Umfangsgeschwindigkeiten der Gleitflächen der Gleitring­ dichtung so hohe aerodynamische Kräfte erzeugen, daß zur Trennung der Dichtflächen keine zusätzlichen aerostatischen Kräfte erforderlich sind. Dies bedeu­ tet, daß an den Gleitflächen der produktseitigen Dichtung der Differenzdruck Null eingestellt werden kann und somit kein Gastransport über die Gleitflächen stattfindet.

Um den Differenzdruck an der produktseitigen Dichtung stabil bei Null zu halten, wird der Druck auf der Produktseite durch eine selbsttätige Druckanpassungsvorrichtung dem Druck auf der Gasseite angepaßt.

Ist die notwendige Druckanpassung größer als der Arbeitsbereich der Druckanpas­ sungsvorrichtung so wird zusätzlich der Druck auf der Gasseite dem Druck auf der Produktseite nachgefahren.

In Fig. 1 ist die einfachste Art der vorgeschlagenen Druckanpassungsvorrichtung, in Fig. 4 der dazugehörige Druckverlauf dargestellt.

Die in Fig. 1 dargestellte Dichtungseinheit besteht aus der produktseitigen Gas­ dichtung (1) und der atmosphärenseitigen Gasdichtung (12). Der Raum (2) zwischen den beiden Gasdichtungen wird über die Bohrung (3) von außen mit Sperrgas, das unter einem Druck p₁ steht, beaufschlagt. Auf der Produktseite (4) ist die Druckan­ passungsvorrichtung in Form einer einseitig berippten Scheibe (7), die fest mit der Welle (6) verbunden ist, angebracht. Die berippte Seite der Scheibe (7) ist dem Dichtungsgehäuse (5) zugewandt. Falls nötig können auch zwei oder mehr der Scheiben (7) in Reihe angebracht werden.

Bei Rotation der vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Scheibe (7) wird der im Raum (4) herrschende Druck p₃ bis zum Innendurchmesser der Scheibe (7) im Raum (8) auf den Druck p₂ abgebaut (Fig. 4). Wird nun der Raum (2) mit Sperrgas mit Druck p₁ - der zwischen den Drücken p₂ und p₃ liegen muß - gefüllt, so wird so lange p₁ < p₂ Gasleckage vom Raum (2) über die Gleitflächen (9) in den Raum (8) gelangen.

Infolge der Rotation der Scheibe (7) wird sich das Leckagegas in einem Ring (35) konzentrisch um die Welle (6) in der Scheibe (7) anordnen. Die Fig. 6 zeigt die Draufsicht der berippten Scheibe (7) mit dem inneren Gasring (35) und den äußeren Flüssigkeitsring (11). Da der gasgefüllte Teil (35) der Scheibe (7) praktisch keinen Druckabbau bewirkt, wird der Druckabbau in der Scheibe (7) - im Vergleich zum Druckabbau der vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Scheibe (7) - geringer, so daß p₂ größer wird. Solange also p₁ < p₂ wird Gas über die Gleitflächen (9) in den Raum (8) eindringen und den Luftring (35) vergrößern, was zu einem weiteren Anstieg des Druckes p₂ führt. Dieser Vorgang hält so lange an, bis p₂ = p₁. Bei dem dann herrschenden Druckgleichgewicht kommt die Gasleckage zum Erliegen, so daß die Dichtung in einem stabilen Gleichgewicht läuft.

Bei Druckveränderungen im Raum (2) oder/und (4) innerhalb des Arbeitsbereiches der Scheibe (7) findet entweder ein Gas-Leckagestrom vom Raum (2) in den Raum (8) oder umgekehrt je nach Druckverhältnissen an den Gleitflächen (9) bis zur Wiedererreichung eines stabilen Gleichgewichtes statt. Um größere Druckver­ änderungen in den Räumen (2) oder/und (4) beherrschen zu können, kann der Arbeitsbereich durch mehrstufige Anordnung der Scheibe (7) entsprechend ver­ größert werden.

Falls der Druck p₃ im Raum (4) so niedrig ist, daß durch eine weitere Druckab­ senkung durch die Scheibe (7) der Dampfdruck der Flüssigkeit unterschritten wird, kann eine Anordnung nach Fig. 2 vorgesehen werden. Die zugehörigen Druckver­ läufe sind in Fig. 5 dargestellt. In diesem Fall ist zusätzlich zur einseitig berippten Scheibe (7) eine ebenfalls einseitig berippte Scheibe (10) vorgesehen. Die der fest­ stehenden Scheibe (11) zugewandte berippte Seite der Scheibe (10) erhöht den im Raum (4) herrschenden Druck p₃ auf den Druck p₄ im Raum (30). Da die Scheibe (10) immer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, ist der Druckaufbau von p₃ auf p₄ konstant. Die Vorgänge in der Scheibe (7) sind wie in Fig. 1 beschrieben.

Der Unterschied liegt nur darin daß am Außendurchmesser der Scheibe (7) statt des Druckes p₃ der Druck p₄ herrscht. Ist der Arbeitsbereich der Scheiben (10) und/oder (7) zu gering, so kann sowohl der Druckaufbau als auch der Druckabbau mehrstufig erfolgen.

In beiden Fällen (Fig. 1, Fig. 2) entweicht das für die Drucksteuerung in den Schei­ ben (7) bzw. (10) befindliche Gas nach dem Abschalten in den Raum (4). In Fig. 2 ist zu diesem Zweck in der Scheibe (11) eine kleine Entgasungsöffnung (29) vorgese­ hen. Da es sich dabei aber nur um ein Gasvolumen von wenigen cm³ handelt, ist dies praktisch ohne Bedeutung.

Falls aber selbst dieser geringe Eintrag von Gas in den Raum (4) verhindert werden soll, so kann dies durch die Anordnung - wie in Fig. 3 beispielhaft dargestellt ist - er­ folgen.

Die einseitig berippte Scheibe (7) arbeitet wie in Fig. 1 beschrieben. Das zur Druck­ steuerung in der Scheibe (7) befindliche Gas sammelt sich nach Abschaltung des Aggregates oben im Raum (13), der durch die feststehende Scheibe (14) und das Dichtungsgehäuse (5) gebildet wird. Die in Fig. 3 dargestellte Bohrung (32) wird um 180° versetzt angebracht, damit das Gas im Stillstand nicht über die Bohrung (32) entweichen kann. Wird das Aggregat wieder eingeschaltet, so sammelt sich das im Raum (13) vorhandene Gas infolge Zentrifugalwirkung um die Welle (6) und wird durch den im Raum (13) bei Betrieb entstehenden Wirbel über die Bohrung (15) wieder dem berippten Teil der Scheibe (7) zugeführt, so daß sich wieder ein Gasring (35) (Fig. 6) ausbilden kann.

Da die Zahl der in Reihe eingebauten Scheiben (7) oder (10) und somit der erreich­ bare Arbeitsbereich eingeschränkt ist, muß bei erheblichen Druckschwankungen von p₃ - z. B. bei drehzahlgeregelten Pumpen - der Druck p₁ dem Druck p₃ nachgeregelt werden. Dies geschieht am einfachsten durch ein Druckregelgerät, indem der Druck p₃ gemessen und der Druck p₁ dem sich veränderten Druck p₃ nachgeführt wird.

In der Fig. 8 ist ein solches Druckregelgerät dargestellt.

Die beiden Räume (20) und (26) sind durch eine Membrane (23) getrennt. Die Mem­ brane wird durch eine Druckfeder (22) belastet. Die Öffnung der Bohrung (17) wird durch ein von der Membrane (23) betätigtes Ventil gesteuert. Das Ventil besteht aus dem Ventilsitz (28) und dem Ventilteller (25), der über das Verbindungsstück (24) mit der Membrane (23) verbunden ist und so alle Membranbewegungen mitmacht.

An die Bohrung (17) wird die externe Gasversorgung, an die Bohrung (18) der Raum (2) über Bohrung (3) und an die Bohrung (19) der Raum (4) über die Bohrung (16) (Fig. 1) oder der Raum (30) über die Bohrung (31) (Fig. 2) oder der Raum (13) über die Bohrung (32) (Fig. 3) angeschlossen.

Ist die Kraft F₁ - resultierend aus dem Druck p₁ im Raum (26) und der Fläche der Membrane (23) - addiert mit der Federkraft der Feder (22) größer als die Kraft F₂ - resultierend aus Druck p₃ oder p₄ und der Membranfläche der Membrane (23) - so kommt der Ventilteller (25) im Ventilsitz (28) zur Anlage und sperrt die Gaszufuhr über die Bohrung (17) ab. Im Gleichgewichtszustand F₁ = F₂ muß p₁ wegen der in F₁ enthaltenen Federkraft kleiner als p₃ oder p₄ sein.

Der Druckunterschied zwischen p₁ und p₃ oder p₄ im Gleichgewichtszustand kann über die Federkraft der Feder (22) gesteuert werden und muß kleiner als der Ar­ beitsbereich der berippten Scheibe (7) sein.

Zur Betrachtung der Druckverhältnisse kann beispielhaft Fig. 4 herangezogen wer­ den. Die Federkraft der Feder (22) bewirkt in den Räumen (20) und (26) einen Druckunterschied von p₃-p₁, so daß sich im Raum (2) der Druck p₁ einstellt. Durch Gasaustausch über die Gleitflächen (9) paßt sich nun wie vorher beschrieben der Druck p₂ im Raum (8) dem Druck p₁ an.

Der Raum (26) ist über eine kleine Öffnung (27) mit der Atmosphäre verbunden, damit Leckagegas des Ventils (25/28) nicht zum ungewollten Druckanstieg im Raum (26) führt. In Fig. 9 ist ein Druckregelgerät ähnlich Fig. 8 dargestellt, bei dem die Druckfeder (33) im Raum (20) untergebracht ist, so daß zur Erreichung der Gleich­ gewichtsbedingung F₁ = F₂ p₁ < p₃ sein muß. Bei diesem Druckregelgerät kann eine Druckanpassungsvorrichtung - wie sie in Fig. 1 bis 3 dargestellt sind - entfallen (Fig. 7), wenn ein geringfügiger permanenter Eintrag von Gas vom Raum (2) über die Gleitflächen (9) in den Raum (8) zulässig ist. Zu diesem Zweck wird der Druck p₃ im Raum (8) in unmittelbarer Nähe zu den Gleitflächen (9) über die Bohrung (34) entnommen (Fig. 7) und über die Bohrung (19) in den Raum (20) (Fig. 9) geleitet.

Claims (5)

1. Gasdichtung zur Abdichtung rotierender Wellen bei Flüssigkeitspumpen in doppelt­ wirkender Ausführung, bei denen sich zwischen den beiden Dichtungen ein Gaspol­ ster befindet - dessen Druckniveau ein Trennen der Gleitflächen ermöglicht - dadurch gekennzeichnet, daß bei sich veränderndem Druck im Raum (4) der Druck im Raum (8) selbsttätig an den Druck im Raum (2), oder der Druck im Raum (2) sich über ein Druckregelgerät an den Druck im Raum (8) anpaßt oder eine Kombination aus beidem.

2. Gasdichtungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß auf der Produktseite (4) eine, oder mehrere mehrstufig angeordnete Scheiben (7) vorgesehen sind, die den Druck p₂ im Raum (8) durch Veränderung des konzentrisch ausgebildeten Gas­ ringes (35) in der/den Scheibe(n) (7) an den Druck p₁ im Raum (2) angleichen.

3. Gasdichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß vor der/den Scheibe(n) (7) eine oder mehrere Scheibe(n) (10) angeordnet sind, die einen Druckaufbau im Raum (30) bewirken.

4. Gasdichtung nach Anspruch 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß zum Auffangen des während des Betriebes nötigen Gasvolumens im Gasring (35) bei Stillstand ein genügend großer Raum (13) vorgesehen ist.

5. Gasdichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Druck p₁ im Raum (2) automatisch dem Druck im Raum (4) oder (30) oder (13) durch ein von diesen Drücken membrangesteuertes Ventil (25/28) angepaßt wird und daß dieses Ventil zur Verhinderung eines ungewollten Druckanstieges im Raum (26) mit einer kleinen Öffnung (27) die den Raum (26) mit der Atmosphäre verbindet, versehen ist.