DE2241658A1

DE2241658A1 - Verfahren zum abdichten der wellenoeffnung einer stroemungsmaschine o.dgl

Info

Publication number: DE2241658A1
Application number: DE2241658A
Authority: DE
Inventors: Forrest Thomson Randell
Original assignee: Weir Pumps Ltd
Current assignee: Weir Pumps Ltd
Priority date: 1971-08-26
Filing date: 1972-08-24
Publication date: 1973-03-08
Also published as: FR2151398A5; AU451178B2; BE787981A; AU4542172A; GB1366895A; US3792935A; JPS527161B2; IT964997B; JPS4862002A; NL7211103A; PL78278B1

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖN WALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL.-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH DIPL.-ING. SELTING

KÖLN 1, DEiCHMANNHAUS

25. August 1972 ög/rö

WEIR PUMPS LIMITED,

l49 Newlands Road, Cathcart, Glasgow S.4 / Schottland

Verfahren zum Abdichten der Wellenöffnung einer Strömungsmaschine o.dgl.

Die Erfindung betrifft, ein Verfahren zum Abdichten der Wellenöffnung einer Strömungsmaschine o»dgl., bei dem zwischen der Welle und der Gehäusewand eine ringförmige Dichtung zum Zurückhalten der in dem Gehäuse unter Druck, stehenden Flüssigkeit vorgesehen ist sowie eine nach diesem Verfahren abgedichtete flUssigkeitsverarbeitende Maschine.

Derartige Maschinen sind beispielsweise Fliehkraftpumpen, die in Leitungen für Kesselspeisewasser eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die .Wellendichtung einer solchen Maschine hinsichtlich der Abnutzung und der Dichtwirkung zu verbessern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß man einen Leckstrom der aus dem Gehäuse entweichenden Flüssigkeit in eine Einlaßöffnung eines zwischen Rotor- und Statorteilen an der Welle bzw. der Gehäusewand gebildeten ringförmigen freien Raumes hineinlaufen läßt und den Leckstrom von der Einlaßleitung in eine Zwischenkammer

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des freien Raumes führt, daß man wenigstens einen Teil der Leckflüssigkeit in der Zwischenkammer zur Behinderung des Leckflusses durch die Einlaßleitung hindurch verdampfen läßt, und daß schließlich der Dampf zusammen mit der noch vorharfdenen Flüssigkeit aus der Kammer über eine Auslaßleitung des freien Raumes abgelassen wird.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgedichtete flUssigkeitsverarbeitende Maschine ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Wellendichtung jeweils am Gehäuse und an der Welle Teile von Rotor bzw. Stator umfaßt, zwischen denen ein ringförmiger,einen Leckstrom aus dem Gehäuse heraus zulassender freier Raum vorhanden ist, daß der freie Raum eine ringförmige Einlaßleitung und eine ringförmige Auslaßleitung sowie eine mit diesen Leitungen verbundene ringförmige Zwischenkammer aufweist und derart ausgebildet ist, daß Flüssigkeit beim übergang von der Einlaßleitung in die Kammer verdampft, so daß der in der Kammer vorhandene expandierte Dampf den Leckstrom durch die Auslaßleitung erschwert und Dampf aus der Kammer durch die Auslaßleitung abströmt.

Vorzugsweise sind mehrere ringförmige Zwischenkammern vorhanden und durch Axialleitungen miteinander verbunden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,daß der freie Raum als Labyrinth aus mehreren sich axial erstreckenden Formationen des Rotorteiles und des Statorteiles ausgebildet ist und aus axialen Leitungen besteht, die sich mit radialen Kammern abwechseln,

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wobei eine Mischung Flüssigkeit/Dampf jeweils von einer Kammer zur nächstfolgenden Kammer fließt und eine mehrstufige Beeinflussung des Leckstromes erfolgt.

Zweckmäßigerweise sind Dichtungsmittel vorgesehen, die die Dampf/Flüssigkeitsmischung, die im Gehäuse enthalten ist, gegen die Umgebung abdichten.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Fliehkraftpumpe, die die erfindungsgemäße Flanschdichtung enthält,

Fig. 2 zeigt in größerem Detail eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung zur Verwendung bei der in Fig. 1 dargestellten Pumpe,

Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Flanschdichtung nach der Erfindung,

Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere alternative Ausführungsform einer Zentrifugalpumpe, und

Fig. 5 ein Durchflußdiagramm des Leckstromes in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur des Flüssigkeitsstromes für die Flanschdichtung der Pumpen von Fig. 1 und Fig. 4.

Die Ausführungsform der Fig. 1 und 2 besteht aus einer vertikal ausgerichteten Fliehkraftpumpe mit . einem nur teilweise in Fig. 1 dargestellten Gehäuse 1, einem auf einer vertikalen Rotationswelle 3 montierten Flügelrad 2 und einem axial zur Rotationswelle und zum Flügelrad angeordneten Saugeinlaß 4, der zum Flügelrad 2 führt. An der Stelle, an der die Antriebswelle 3 durch das Pumpengehäuse 1 führt, ist ein Dichtflansch 5 vorgesehen, in den Dichtungs- oder Verschleißringe 6 des Flügelrades eingreifen, welche zur Abdichtung des Flügelrades in eine Ringnut 7 hineinragen. Zusätzlich ist ein

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Durchgangslabyrinth 8 vorgesehen, welches In der Nähe des Dichtungsringes 6 des Flügelrades, jedoch im Abstand von diesem, angeordnet ist. Das Durchgangslabyrinth wird von einem Rotorteil 9 des auf der Antriebswelle 3 befestigten Dichtungsflansches und von einem Statorteil 10 der Flanschdichtung (Fig. 2) gebildet, das an einer Ringwand des Pumpengehäuses befestigt ist. Bei der Anordnung nach Fig. 2 enthält das Statorteil 10 einen am Gehäuse 1 mittels Schrauben 21 befestigten Ring 20 mit Axialflansch und eine, ringförmige Futter- oder Auskleidungsplatte"23, die an einer Außenwand des Gehäuses befestigt ist. Das Rotorteil 9 weist einen sich axial erstreckenden Ringflansch 9A auf, während der Stator 10 mit einer komplementär geformten Ausnehmung 1OA zur Aufnahme des Ringflansches 9A versehen ist, so daß das Labyrinth 8 in diesem Fall aus einer dreistufigen axialen Einschnürungsleitung 12, 13, 14 besteht, zwischen deren benachbarten Durchgangskanälen 12 und 13 sich ein Ringraum 15A, 15B mit größerer Lauffreiheit befindet. In der ringförmigen Gehäusewand 11 ist zwischen den Dichtungsringen 11 des Flügelrades und dem Durchgangslabyrinth 8 um die Welle 3 herum eine ringförmige 'Ausgleichskammer 16 angeordnet, die die von den Dichtungsringen 6 des Flügelrades kommende Leckflüssigkeit aufnimmt und zur Leitung 12 des Labyrinthes 8 weiterleitet. Vom Labyrinth 8 fließt das Fluid zu einer ringförmigen Auslaßkammer in der die Welle 3 umgebenden Gehäusewand. Die Flüssigkeit wird von der Ausgleichskammer l6 über eine Rücklaufleitung 18 geeigneter Größe zum Saugeinlaß 4 der Pumpe zurückgeführt. Die Ausgleichskammer 16 hält nach dem Hoch-' druckabfall des Fluids an den Dichtungsringen 6 des Flügelrades einen geregelten Niederdruckzustand aufrecht und stabilisiert die Druckfluktuationen durch die Rücklaufleitung 18 zum Saugeinlaß 4. Die Ausgleichskammer ΐβ

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ist somit dem Saugzustand der Pumpe ausgesetzt, so daß eine Entspannungsverdampfung der Flüssigkeit an den Dichtungsringen 6 des Flügelrades vermieden wird. Das Innere des Pumpengehäuses ist zusätzlich gegen die umgebende Außenatmosphäre der Pumpe mittels eines ^ohle-Dichtungsringes 19 oder einer anderen Niederdruckdichtung abgedichtet, die die Welle 3 umgibt und in einer Ringnut J52 der Stirnwand des Pumpengehäuses J5 angeordnet ist.

Nach Fig. 2 sind die Durchgänge des Labyrinthes 8 so angeordnet, daß Flüssigkeit radial nach außen fließen kann, jedoch kann auch eine radial nach innen gerichtete Strömung hervorgerufen werden, wie dies bei einer Einrichtung der in Fig. 3 dargestellten Art der Fall ist. Es scheint, daß ein radial nach innen gerichteter Flüssigkeitsstrom (Fig. 2) ^bei Ansaugung am Pumpeneinlaß 4 unter Wärmebedingungen günstiger ist. Dagegen kann eine solche Anordnung bei niedrigem Druck unter kalten Ansaugbedingungen am Pumpeneinlaß 4 unter Umständen nicht voll befriedigen.

Der Saugeinlaß 4 der Pumpe kann beispielsweise von einem heißen Entgasungstank und/oder einem kalten Reserve-Zufuhrtank (nicht dargestellt) beliefert werden. Es ist notwendig, den Dampf/Flüssigkeitsauslaß des Labyrinthes 8 abzusondern. Dies wird dadurch erreicht, daß der Dampf und die Flüssigkeit in einer gemeinsamen Leitung 24 zu einer Kammer 25 geleitet werden, in der die Entspannungsverdampfung stattfindet. In der Kammer 25 werden also Dampf und Flüssigkeit voneinander getrennt. Die Entleerung der Kammer 25 erfolgt durch eine Abzugsöffnung 26 und eine Abflußleitung

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hindurch. Aternativ kann die kombinierte Dampf/Flussigkeitsmenge einer Kühlvorrichtung 28 zugeführt werden, in der der Dampf kondensiert wird. Diese Möglichkeit ist in der Zeichnung durch gestrichelte Linien angedeutet. Von der Kühlvorrichtung 28 wird die Flüssigkeit zu einem geeigneten Abflußtank geleitete

Im folgenden sei im-einzelnen auf Fig» 2 Bezug genommen. Beim Betrieb der Pumpe hat die Flüssigkeit am Saugeinlaß 4 eine bestimmte Temperatur und einen bestimmten Druck von beispielsweise l60° C und 7,05 atü. Das Pumpeninnere ist gegenüber, der Atmosphäre durch den Dichtring 19 abgedichtet. Der Druck sinkt demnach vom Einlaß zum Auslaß eines jeden der Labyrinthräume 12, 13, 14. Im einzelnen hat das Labyrinth 8 einen dreistufigen Druckabfall, entsprechend den Labyrinthstufen 12, 13 und 14. Wenn am Einlaß des Labyrinthes 1βΟ° C und ca. 7 atü und am Auslaß des Labyrinthes Atmosphärendruck herrschen so ist an jeder Labyrinthstufe ein Druckabfall zu verzeichnen. In der Zwischenkammer 15A am Auslaß des ersten Axialstufe 12 wird der Druck auf einen Wert reduziert ₉ bei dem die Sättigungstemperatur niedriger ist als die Einlaßtemperatur. Daher wird wenigstens ein Teil der in diese Zwischenkammer 15A gelangenden Flüssigkeit durch Expansion verdampft. Bei dieser Expansionsverdampfung dehnt sich der Dampf in der Kammer 15 aus und drosselt den Leckstrom in die Einlaßkammer 12«, Dampf und Flüssigkeit gelangen über Leitung 13 zur Kammer 15B, wo eine ähnliche Entspannungsverdampfung und eine Drosselung des Flusses in Leitung 13 stattfindet« Dampf und Flüssigkeit werden schließlich über Leitung 14 in die Kammer 17 eingeleitet, von wo sie:in die Kammer 25 oder in die Kühlvorrichtung 28 gelangen.

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Wenn die Pumpe mit hoher Drehzahl von beispielsweise 1000 U/min arbeitet, tritt infolge der engen Lauftoleranzen in den Durchtrittsleitungen 12, 13 und 14 ein RUckheizungseffekt in der Flanschdichtung auf, durch den der Verdampfungspunkt der Flüssigkeit von beispielsweise 100° C bei Atmosphärendruck auf 76,67° C bei gleichem Druck reduziert wird. Bei der AusfUhrungsform nach Fig. 5#bei der die Temperatur bei kaltem Pumpeneinlaß ca. 15° C betragen soll, erfolgt durch den Leckstrom im Labyrinth. 8 eine Erwärmung auf einen Spitzenwert von 70 bis 76° C, wenn eine Entspannungsverdampfung erfolgt. Wie man aus der Zeichnung ersieht, kann der Leckstrom bei l6o° C auf ein Minimum reduziert werden. Der Leckstrom flir einen Betrieb ohne Entspannungsverdampfung ist durch gestrichelte Linien dargestellt und derjenige, der mit Entspannungsverdampfung eintritt* durch ausgezogene Linien. Je größer die Temperaturdifferenz bei den Bedingungen ist, unter denen die plötzliche Entspannungsverdampfung stattfindet, umso wirksamer ist die Abdichtung durch das Labyrinth 8. Die Entspannungsverdampfung erfolgt innerhalb des Durchgangslabyrinthes zur Drosselung des Leckflusses noch dann, wenn die Pumpe sich in stationärer Bereitschaft befindet, mit Heißansaugung vom Entgaser. In diesem Fall findet jedoch kein Rückheizungseffekt jstatt wie unter Laufbedingungen. Bei kalter Zufuhr der von dem Zufuhrtank aus anzusaugenden Flüssigkeit hängt der Abdichtungseffekt des Labyrinthes 8 von dem Saugdruck ab, und dieser ist von der von dem kalten Reserve-Zufuhrtank erhältlichen Wärme abhängig. Die Ansaugung erfolgt beispielsweise mit 1,4 atii bei 48,9° C. Obwohl dabei ein verstärkter Leckstrom fließt, sorgt das Durchgangslabyrinth 8 in einem solchen Detriebsfall dafür, daß

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der Leckstrom in bestimmten Grenzen bleibt.

Um eine ausreichende Lebensdauer sicherzustellen, können die Dichtungsteile 9, 10 von Stator und Rotor aus wärmebehandeltem Edelstahl mit einem Härteunterschied von etwa 100 H.V. hergestellt sein. Das Laufspiel in dem Labyrinth 8 kann so bemessen sein, daß es größer ist als das Spiel sämtlicher Dichtungsringe und Lager innerhalb der Pumpe, so daß.keine Berührung zwischen rotierenden und stationären Teilen eintreten kann. Für normale Pumpeninstallationen kann das bevorzugt gewählte minimale gegenseitige Spiel' ganz erheblich vergrößert werden, wobei nur ein geringfügiges Anwachsen des Dampf- und Flüssigkeitsleckstromes eintritt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist die Pumpe horizontal angeordnet, Jedoch ist der Dichtflansch 5 und das Durchgangslabyrinth 8 genauso ausgebildet wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1. Zur Abführung des 'Dampfes und der Flüssigkeit aus der Kammer 17 ist jedoch im unteren Bereich der Kammer 17 eine Abflußleitung J50 vorgesehen, während die Abführung des Dampfes über eine Leitung 31 erfolgt, die vom oberen Bereich der Kammer 17 abführt. Der Dampf wird einem (nicht dargestellten) Kondensator oder einem anderen geeigneten Ausguß zugeführt, während der Flüssigkeitsstrom einem (nicht dargestellten) Abflußtank oder anderen geeigneten Klärungsstellen zugeleitet wird.

Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen einer Labyrinthdichtung können mit Vorteil bei einer Kesselspeisepumpe eingesetzt werden, um eine wirksame Abdichtung zwischen dem Saugteil der Pumpe und der

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Atmosphäre zu erzielen. Die auftretende Leckmenge an Dampf oder Flüssigkeit ist über den Betriebsbereich der Pumpe, die innerhalb des Systems entsprechend abgesetzt ist, ausreichend gering. Die Differenz zwischen dem spezifischen Volumen von Dampf und Wasser stellt sicher, daß über die gesamte Lebensdauer der Dichtungsflansche kein wesentliches Anwachsen des Leckflusses erfolgt. Man schätzt, daß bei einem Laufspiel der gegenseitigen Teile, das in neuem Zustand beispielsweise A beträgt, eine Ersetzung der. Flanschdichtung erst nötig ist, wenn das Spiel auf etwa 2A angewachsen ist.

Die beschriebene mit Entspannungsverdampfung arbeitende Labyrinthdichtung bringt u.a. die folgenden Vorteile:

1) eine Reduzierung der Axiallänge der Dichtung,

2) wirksame Abdichtung,

3) kein BerUhrungskontakt zwischen Schaft und Gehäusewand,

4) Vergrößerung der Wartungsintervalle,

5) die Einrichtung geeigneter Entleerungsstationen_vfür den Dampf/Fllissigkeitsabfluß wird erleichtert,

6) geringe Betriebskosten, und

7) Hochgeschwindigkeitsbetrieb verbessert die Dichtwirkung.

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Claims

Ansprüche

1J Verfahren zum Abdichten der Wellenöffnung einer Strömungsmaschine,bei dem zwischen der Welle und der Gehäusewand eine ringförmige Dichtung zum Zurückhalten der in dem Gehäuse unter Druck stehenden Flüssigkeit vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Leckstrom der aus dem Gehäuse entweichenden Flüssigkeit in eine Einlaßöffnung eines zwischen Rotor- und Statorteilen an der Welle bzw. der Gehäusewand gebildeten ringförmigen freien Raumes hineinlaufen läßt und den Leckstrom von der Einlaßleitung in eine Zwischenkammer des freien Raumes führt, daß man wenigstens einen Teil der Leckflüssigkeit in der Zwischenkammer zur Behinderung des Leckflusses durch die Einlaßleitung hindurch verdampfen läßt, und daß schließlich der Dampf zusammen mit der noch vorhandenen Flüssigkeit aus der Kammer über eine Auslaßleitung des freien Raumes abgelassen wird.
2. Flüssigkeitsverarbeitende Maschine mit einer durch eine öffnung in einer Gehäusewand hindurchführenden Welle und einer Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Wellendichtung jeweils am Gehäuse (l) und an der Welle (2) Teile (9, 10) von Rotor bzw. Stator umfaßt, zwischen denen ein ringförmiger, einen Leckstrom aus dem Gehäuse (1) heraus zulassender freier Raum vorhanden ist, daß der freie Raum eine ringförmige Einlaßleitung (12) und eine ringförmige Auslaßleitung (13) sowie eine mit diesen Leitungen (12, 13) verbundene ringförmige Zwischenkammer (15A) aufweist und derart ausgebildet ist, daß Flüssigkeit beim Übergang von der Einlaßleitung (12) in die Kammer (

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verdampft, so daß der in der Kammer (15A) vorhandene expandierte Dampf den Leckstrom durch die Auslaßleitung, (12) erschwert und Dampf aus der Kammer (15A) durch die Auslaßleitung (15) abströmt.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zwischenkamniern (15A, 15B) vorgesehen sind, welche durch axiale Leitungen (13) miteinander verbunden sind.
4. Maschine nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum (12, 13, 14) als Labyrinth aus mehreren sich axial erstreckenden Formationen des Rotorteiles (9) und des Statorteiles (10) ausgebildet ist. und aus axialen Leitungen besteht, die sich mit radialen Kammern abwechseln, wobei eine Mischung Flüssigkeit/Dampf jeweils von einer Kammer (15A) zur n&hstfolgenden Kammer (15B) fließt und eine mehrstufige Beeinflussung des Leckstromes erfolgt.
5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Dichtung (19) zur Abdichtung der Mischung Dampf/Flüssigkeit innerhalb des Gehäuses (l) gegen die Umgebung vorgesehen ist.
6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung einen ersten Dichtflansch (5, Fig. 2, 4) zwischen einem Laufrad (2) und dem Gehäuse und einen von dem ersten Dichtflansch (5) im Abstand angeordneten zweiten Dichtflansch (8) sowie Teile (9, 10) von Stator und Rotor aufweist, daß zwischen den Teilen (9, 10) von Stator

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und Rotor und der Gehäusewand (1) ein ringförmiger freier Raum vorgesehen ist, durch den aus dem Gehäuse heraus unter Druck stehende Flüssigkeit einfließt, und der eine jeweils ringförmige Einlaßöffnung (12) und Auslaßöffnung (15) aufweist sowie eine mit den Leitungen (12, 15) verbundene ringförmige Zwischenkammer (15A), und daß der freie Raum derart ausgebildet ist, daß aus der Einlaßöffnung (12) in die Kammer (15A) einströmende Flüssigkeit wenigstens teilweise verdampft, wobei der innerhalb der Kammer (15A) gebildete Dampf den Leckstrom durch die Einlaßöffnung (12) drosselt und selbst durch die Auslaßöffnung (15) und eine zwischen den Dichtungsflanschen (5> 8) vorgesehene Fluidkammer (16), welche das Fluid von dem ersten Dichtungsflansch (5) erhält und an den zweiten Dichtungsflansch (8) weiterleitet, entweicht.
7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidkammer (l6) bei einer Pumpe Über eine Leitung (l8) mit der Saugseite verbunden ist.
8. Maschine nach Anspruch 6 oder 7* dadurch gekennzeichnet, daß eine Fluid-Ablaßkammer (17) zur Aufnahme des aus dem freien Raum des zweiten Dichtungsflansches (8) ausströmenden Fluids vorgesehen ist."

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