DE2759090A1

DE2759090A1 - Dichtungspackung

Info

Publication number: DE2759090A1
Application number: DE19772759090
Authority: DE
Inventors: Richard K Caldwell; Imantas Simanskis
Original assignee: Vapor Corp
Current assignee: Vapor Corp
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1977-12-30
Publication date: 1978-10-12
Also published as: US4090719A; CA1109900A; GB1598363A

Description

DlPU-ING. HANS H. HILGERS

PATENTANWALT

D-8OOO MÜNCHEN MaximllianstraOe 43 Telefon (O 89) 22 28 62 Telex O5-2938O Telekopierer (O89) 222862

Postscheckkonto München Nr. 25571-809 Deutsche Bank München Nr. 46/29226

Ihr Zeichen/Your Ref. Mein Zetahen/Our. Ref. Datum/Date

H-PH 134 - H/sg 30. Dezember 1977

VAPOR CORPORATION 6420 West Howard Street Chicago, Illinois 60648 U.S.A.

Dichtungspackung

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Dichtungspackung mit wenigstens einem Packungsring· Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Dichtungspackung für eine Kolbenpumpe. Pumpen mit hin- und hergehender Bewegung, die dazu benützt werden, um ein Fluid bei hoher Geschwindigkeit einem Wassererhitzer zuzuführen, neigen bei bestimmten, von der Wasseraufbereitung und der Wassertemperatur: abhängigen Bedingungen dazu, zu quietschen und beginnen eventuell auch zu lecken. Diese Verschlechterung der Wirkung der Dichtungspackung ist eine Folge der hohen Temperaturen,

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die aufgrund der großen Geschwindigkeit der hin- und hergehenden Pumpe entstehen. Beispiele für hin- und hergehende, Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitspumpen in dieser Art sind in den US-Patenten 3 558 244 und 3 652 188 angegeben.

Ein bekanntes Verfahren, um die schädliche Wirkung der schnellen hin- und hergehenden Bewegung und des nachfolgenden Austrocknens der Dichtungspackung herabzumindern besteht darin, an die Rückseite oder an die trockene Seite der Dichtungspackung Schmieröl zu geben. Dies verhindert das Quietschen und verlängert die Lebensdauer der Dichtungspackung. Der Erfolg dauert jedoch nur kurz an. Die nachteiligen Wirkungen sind vor allem dann in verstärktem Maße zu beobachten, sofern die Dichtungspackung in einer Pumpe Verwendung findet, die nahezu kochendes Wasser zu einem Boiler fördert. Die fehlende Schmierung erhitzt nicht nur die Dichtungspackung, sondern erhöht auch die Temperatur in der Zylinderwand der Pumpe, wodurch auch noch die Pumpe selbst Schaden nehmen kann.

Ein weiterer Nachteil bei den bekannten Pumpen besteht darin, daß der Kolben frei am Ende der Kolbenstange geführt ist und während des Betriebs der Pumpe seitliche Bewegungen und Nickbewegungen erfährt. Diese Bewegungen übertragen sich auch auf den Packungshalter und tragen letztlich dazu bei, die Wirkung der einzelnen Teile der Dichtungspackung zu verschlechtern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirkungsvolle Dichtungspackung auch für hochbelastbare Kolbenpumpen zu schaffen.

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß benachbart zu dem Packungsring ein sich an diesem abstützender Schmierring vorgesehen ist und daß Mittel vorhanden sind, um den Packungsring und den Schmierring in ihrer Stützstellung zur Bildung einer Dichtungspackung zu halten, wobei weiterhin Mittel vorgesehen sind, um auf die Dichtungspackung eine axiale Vorspannung auszuüben.

Die erfindungsgemäße Dichtungspackung ist einfach aufgebaut. Der Packungsring und der Schmierring stützen sich aneinander ab und bilden auch aufgrund der auf sie ausgeübten Vorspannung eine Einheit. Die im wesentlichen über eine lange Zeit konstante Vorspannung vermindert die seitlichen Bewegungen und die Nickbewegungen des Halters für die Dichtungspackung. Der Schmierring schmiert die Zylinderwand und vermindert dadurch die Reibung zwischen der Dichtungspackung und der Zylinderwand der oszillierenden Pumpe, wodurch die Wandtemperatur niedrig gehalten werden kann.

Durch die Schmierung werden auch Geräusche unterbunden, die sonst beim normalen Betrieb von Hochgeschwindigkeitspumpen auftreten. _:

Die Erfindung ist deshalb besonders vorteilhaft bei Hochgeschwindigkeit s- und Hochdruckpumpen zu verwenden, die Wasser bei hoher Geschwindigkeit einem Erhitzer zufuhren· Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist diese einen oder mehrere, V-förmige, gewebeverstärkte Ringe auf, die sich an einem Graphitring abstützen. Biese Ringe werden in ihrer stationären Stellung zueinander durch männliche und weibliche

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Anpassungsteile gehalten, die an den einander gegenüberliegenden Enden der Packung vorgesehen sind. Diese ist in einer Nut des Pumpenkolbens angeordnet und daran relativ zum Zylinder mit Hilfe einer anpaßbaren Packungsmutter stationär festgelegt, die auf die Dichtungspackung eine axiale Vorspannkraft ausübt.

Nachfolgend ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand einer Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Hochdruckkolben, der mit einer erfindungsgemäßen Dichtungspackung ausgestattet ist,

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung der verwendeten Dichtungspackung,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Siederohrboilers, der eine mit der erfindungsgemäßen Dichtungspackung ausgestattete Kolbenpumpe aufweist,

Figur 4 einen Längsschnitt durch die Dichtungspackung in der montierten Form.

In Figur 2 der Zeichnung ist eine selbstschmierende Dichtungspackung gezeigt, die allgemein mit der Bezugsziffer 10 versehen ist. Diese Packung kann in Kolbenpumpen Verwendung finden, die allgemein mit 12 bezeichnet sind und üblicherweise in Siederohrboilern angewendet werden, wie dies z.B. in Figur 3 gezeigt ist. Dort trägt der Boiler die Bezugsziffer 14.

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Das Boilersystem 14 benutzt die Kolbenpumpe 12, um Wasser aus dem Vorratsbehälteri6 mit einer hohen Geschwindigkeit durch eine Druckkontrolle 18 und eine Brennstoffkontrolle 20 in ein nicht gezeigtes Schlangensystem des Boilers 22 einzuführen, in dem das Wasser in Dampf umgewandelt wird. Der Dampf wird dann durch die Temperaturbegrenzungskontrolle 24 dem Abscheider 26 zugeführt, um nicht verdampftes Wasser aus dem Dampf auszuscheiden. Der daraus sich ergebende, trockene Dampf wird vom Abscheider 26 einer nicht gezeigten, den Dampf verwertenden Vorrichtung zugeführt.

Pumpen mit einer ähnlichen Form wie der gezeigten Kolbenpumpe 12 sind in den US-Patentschriften 3 558 244 und 3 652 188 offenbart. Es wird speziell auf diese Patentschriften hingewiesen, um sich eine detailiertere Beschreibung an dieser Stelle zu ersparen.

Kurz gesagt, weist die Kolbenpumpe 12 (Fig. 1) einen hin- und hergehenden Kolben 28 auf, der in einem Zylinder 30 läuft. Der Kolben 28 ist in Verbindung mit einer Pumpenkammer 32, um auf das Fluid einzuwirken. Die Pumpenkammer 32 beinhaltet einen Fluideinlaß 34 für die Fluidzufuhr. Während desjenigen Teiles des Pumpenhubes, bei dem der Kolben aus der Pumpenkammer 32 abgezogen wird, wird das Fluid durch den Einlaß 34- und ein Einweg-Kugelventil 36 in die Kammer 32 eingezogen. Die Kammer 32 umfaßt auch einen Fluidauslaß 38. Während der Zurückzugsbewegung ist der Kammerauslaß durch ein Kugelventil 40 versperrt, das einen Rückfluß in die Kammer 32 verhindert.

Während der Kompression oder dem Vorwärtsschub der Pumpe 12, bei dem der Kolben 28 in die Kammer 32 hineinbewegt wird,

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drückt der sich aufbauende Druck das Kugelventil 40 aus seinem Sitz innerhalb des Auslasses 38 und gleichzeitig wird das Kugelventil 36 in eine dichtende Anlage mit dem Einlaß y± gebracht. Auf diese Weise wird das Fluid durch den Auslaß 38 hindurchgepumpt und den Kontrollelementen 18 und 20 zugeführt, wie dies Figur 3 zu entnehmen ist.

Um (fen Kolben 28 hin- und herzubewegen, besitzt die Kolbenpumpe 12 ein Kurbelwellengehäuse 42, das eine Welle 44 beinhaltet, die mit einer rotierenden Hochgeschwindigkeitsmaschine, z.B. einem Elektromotor verbunden ist. Die Kurbelwelle 44 ist darüber hinaus mit einer Pleuelstange 46 verbunden, die wiederum in Verbindung steht mit einer Kolbenstange 48. Auf diese Weise wird die Drehbewegung der Welle 44 in eine hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 28 innerhalb des Zylinders 30 umgewandelt.

Die Pumpe kann insgesamt in dem System 14 mit Hilfe einer Grundplatte 50 befestigt werden, die wiederum an jeder gewünschten Oberfläche angebracht sein kann. Um die Pumpe 12 an das System 14 anzuschließen, ist an derselben in Verbindung mit dem Einlaß 32 eine Einlaßkupplung 52 vorgesehen die die Verbindung herstellt zu der zum Vorratsbehälter 16 verlaufenden Fluidleitung 5^· Die Pumpe 12 umfaßt auch eine Auslaßkupplung 54-» die über eine Leitung 53 mit der Kontrolle 18 verbunden ist. Der Kolben 28 kann das Fluid bei hoher Geschwindigkeit durch den Auslaß 40 und die Auslaßkupplung 54 zu den verschiedenen Teilen des Systems 14 hinfördern.

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Die Pumpe 12 arbeitet, wie beschrieben, bei einer schnellen hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 28. Um dem Kolben 28 eine freie hin- und hergehende Bewegung innerhalb des Zylinders 30 zu ermöglichen und gleichzeitig eine Leckage durch den Kolben 28 hindurch zu vermeiden, ist die Dichtungspackung 10 vorgesehen. Dieselbe ist in einer Nut angeordnet, die sich in der Mantelfläche des Kolbens 28 und zwar in dem Bereich zwischen den Kolben 28 und der Zylinderwand 30 befindet. Die Dichtungspackung 10 ist selbstschmierend, um die Probleme des Quietschens zu lösen und die aufgrund des Austrocknens sich bei den bekannten Dichtungs- packungen einstellenden.Nachteile zu vermeiden.

Die Dichtungspackung 10 umfaßt zuerst eine Vielzahl von geformten, gewebeverstärkten Packungsringen 60 und 61. Diese Ringe weisen eine V-förmige Form auf, die auch als Chevron-Form oder Spitzen-Form umschrieben werden kann. Sie sind innerhalb der Nut 56 so hintereinandergereiht, daß ihre Spitzen 59 axial ausgerichtet sind. Auf diese Weise sind zwischen den einander benachbarten Packungsringen 60 und 61 Kanäle 62 gebildet. Während des Betriebs der Pumpe 12 bilden diese Kanäle 62 Leitungen für Fluid, das zur Schmierung der Ringe 60 und 61 dient und auf diese Weise dazu beiträgt, um die Ringe am Austrocknen zu hindern. Dieses Fluid fließt darüber hinaus in die Kanäle 62 um Wärme von der Zylinderwand 30 abzuführen und die Pumpe zu kühlen. In der gezeigten Ausführungsform sind lediglich zwei Packungsringe 60 und 61 angedeutet. Es ist jedoch selbstverständlich, daß je nach den Erfordernissen bei der speziellen Pumpe 12 mehrere solcher Packungsringe vorgesehen werden können.

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Um eine Schmierung an der Grenzfläche zwischen dem Kolben 28 und dem Zylinder 30 sicherzustellen, ist innerhalb der Nut 56 auch ein Graphitring 64 angeordnet. Er befindet sich neben den Packungsringen 60 und 61. Der Graphitring 6A- umfaßt Windungen oder Schichten 66 eines Graphitbandes. Er wird hergestellt, in dem das Graphitband um eine festgelegte Aussparung gewickelt wird und die Schichten 66 anschließend unter einem extrem hohen Druck verdichtet werden. Als Folge der Verdichtung sind die horizontalen Schichten V-förmig oder gewellt.

Ein zusätzlicher Vorteil des Graphitrings 64 besteht in der hohen thermischen Leitfähigkeit des Graphits, die dazu verwendet werden kann, um die sich in dem Zwischenbereich zwischen dem Kolben und der Zylinderwand aufbauende Hitze abzuführen. Darüber hinaus sind bei den montierten Ringen 60, 61 und 64- Kanäle 72 vorhanden, die sich zwischen den Spitzen der Packungsringe 61 und dem Graphitring 64 ausbilden und von ihrer Form und ihrer Funktion her den Kanälen 62 ähneln und die weiterhin dazu beitragen, um die sich bildende Wärme abzuführen.

Um die Packungsringe 60 und 61 und den Graphitring 64 als eine Dichtungseinheit zusammenzuhalten, kann am einen Ende der Dichtungseinheit 10 ein männliches Anpassungsteil 68 vorgesehen werden, der sich an den rückwärtigsten Packungsring 60 abstützt. Das männliche Anpassungsteil 68 ist von der Form her im wesentlichen ähnlich mit den V-förmigen Ringen 60 und 61 und bildet zwischen seiner Spitze und dem Packungsring 60 einen Kanal 70 der von der Funktion her ähnlich ist dem Kanal 62.

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Am vordersten Ende der Dichtungspackung 10 und benachbart zu dem Graphitring 64 ist ein weibliches Anpassungsteil 74, das zwischen dem Vorderende des Graphitrings 64 und dem Ende der Nut 56 angeordnet ist. Das weibliche Anpassungsteil 74 schließt eine Nut oder eine Vertiefung 75 ein, die einen Kanal 77 zwischen dem Graphitring 64 und dem weiblichen Anpassungsteil 74 bildet. Aufgrund der Zusammenarbeit des weiblichen und des männlichen Anpassungsteils 68 und 74 wird die Dichtungspackung 10 innerhalb der Nut 5& ^Is eine Einheit zusammengehalten.

Um eine sichere Abdichtung der Dichtungspackung 10 gegen die Innenfläche des Zylinders 50 zu erreichen und dabei sicherzustellen, daß der Graphitring 64 in radialer Richtung expandiert gegen die Innenfläche des Zylinders 50 anliegt und dadurch dieselbe schmiert, ist eine Spannmutter 76 vorgesehen, die am Ende der Kolbenstange 48 über eine Gewindeverbindung an dieser befestigt ist. Diese Spannmutter 76 kann so eingestellt werden, daß auf die Dichtungspackung 10 eine axiale Vorspannung aufgebracht wird, die dann eine radiale Aufweitung der Packungsringe 60 und 61 und des Graphitrings 64 zur Folge hat. Der Graphitring 64 verbreitert sich unter dieser axialen Vorspannung wegen seiner horizontalen oder axialen geschichteten Form der Schichten 66. Die V-form oder Wellenform der Schichten 66 verhindert darüber hinaus ein Scheren des Graphitringes während der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 28, Wenn während einer längeren Benutzungsdauer der Pumpe .12 Verschleiß bei der Packung 10 auftritt, kann die Spannmutter 76 weiter angezogen werden, um die axiale Verspannung der Dichtungspackung 10 zu vergrößern und dadurch die radiale Expansion der Dichtungspackung 10 bis zum Ausgleich der Verschleißes zu bewirken.

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Während des Betriebs der Pumpe 12 sind die Kanäle 62, 70 und 72 mit Schmierriüssigkeit gefüllt. Dieses Fluid dient dazu, um die Dichtungspackung 10 zu schmieren und deren Austrocknen zu verhindern, und dadurch die sich notwendigerweise einstellende Verschlechterung der Dichtwirkung und das Quietschen auszuschließen. Die äußere Oberfläche des Graphitrings 64- dient darüber hinaus dazu, um Graphit an der Zylinderwand während der hin- und hergehenden Bewegung abzulagern und auf diese Weise dieselbe zu schmieren, um Verschleiß und unerwünschte Geräusche zu verhindern. Das Fluid innerhalb der Kanäle 62, 70 und 72 dient auch dazu, um vom Graphit 64 losgelöste Graphitpartikel an die Kontaktflächen zwischen der Dichtungspackung 10 und der Zylinderwand 30 zu bringen. Die Graphitpartikel werden innerhalb der Dichtungspackung 10 mit Hilfe des weiblichen Anpassungsteils 74- zurückgehalten und für die wiederholte Schmierung bereitgestellt.

Es hat sich auch herausgestellt, daß während des Betriebes der Pumpe 12 der Kanal 77 sich mit Fluid anfüllt und gleichsam ein Kissen bildet, gegen das sich der Graphitring 64 anlegt. Während des Kompressionshubes der Pumpe 12 drückt das männliche Anpassungsteil 68 die führenden Kante der Packung 10 und den Graphitring 64 radial nach außen gegen die Zylinderwand 30. Gleichzeitig schiebt das weiblichen Anpassungsteil 74 den Graphitring 64. Die sich ergebende Wirkung ist ein Schaukeln des Ringes 64, das positiv beiträgt zu der Schmierwirkung des Graphitringes.

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Claims

DlPL-ING. HANS H. HILGERS

PATENTANWALT

D-8OOO MÜNCHEN 22 Maximitianstraße 43 Telefon (O 89) 222862 Telex O5-29 38O Tetekopterer (O89) 22 2862

Postscheckkonto München Nr. 25571-8O9 Deutsche Bank München Nr. 46/29226

Ihr Zeichen/Your Ref. Mein Zefcnen/Our. Ref. Datum/Date

H-PH 15^- H/sg 30. Dezember 1977

Patentansprüche

Dichtungspackung mit wenigstens einem Packungsring, d a -durch gekennzeichnet, daß be nachbart zu dem Packungsring (60,61) ein sich an diesem abstützender Schmierring (64-) vorgesehen ist und daß Mittel vorhanden sind, um den Packungsring und den Schmierring in ihrer Stützstellung zur Bildung einer Dichtungspackung zu halten, wobei weiterhin Mittel vorgesehen &lnd, um auf die Dichtungspackung eine axiale Vorspannung auszuüben.

2. Dichtungspackung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schmierring Schichten aus Graphit aufweist, die in axialer Richtung eine wellenförmige Querschnittsform aufweisen. *

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>. Dichtungspackung nach Anspruch 1, d a du r c h gekennzeichnet , daß jeder Packungsring im wesentlichen in axialer Richtung eine gipfelartige Spitze aufweist.

r. Dichtungspackung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter Packungsring (61) vorhanden ist und benachbart zum ersten Packungsring ein demselben in seiner Form ähnelndes, männliches Anpassungsteil (68) angeordnet ist und benachbart zum Schmierring (64) ein weibliches Anpassungsteil (74) vorgesehen ist.

>. Dichtungspackung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Dichtungspackungshalter (28) vorhanden ist, der am weiblichen Anpassungsteil (74) angreift und dasselbe stationär hält und daß benachbart zu den männlichen Anpassungsteil (63) eine Packungsmutter (76) beweglich angeordnet ist, mit Hilfe welcher auf die Dichtungspackung eine einstellbare axiale Verspannung aufgebracht werden kann.

ι. Dichtungspackung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die

Packungs- und Schmierringe zwischen sich Schmierkanäle bilden, durch die ein Schmierfluid hindurchgeleitet werden kann.

Eine selbstschmierende Dichtungspackung für ein erstes und zweites, koaxiales Maschinenteil, von dem das zweite teleskopisch innerhalb des ersten gelagert ist und in eine hin-und hergehende Bewegung gegenüber dem ersten Teil gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß

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eine Vielzahl von Packungsringen um das zweite Teil herum angeordnet sind, die sich einander gegenseitig abstützen und miteinander eine Dichtungspackung mit einem ersten und einem zweiten Endbereich bilden, daß benachbart zum ersten Endbereich der Dichtungspackung (10) ein Schmierring (64-) um das zweite Teil (28) herumgelegt ist und daß ein Druckelement (76) in dem zweiten Teil eingeschraubt ist und hierbei sich gegen das zweite Ende der Dichtungspackung abstützt, um auf dieselbe und auf den Schmierring eine Druckbelastung auszuüben.

8. Dichtungspackung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Packungsringe (60,61) im allgemeinen die Querschnittsform des Chevron—Zeichens aufweisen und die einander benachbarten Ringe zwischen sich Kanäle für den Durchfluß eines Schmierfluids bilden.

9. Dichtungspackung nach Anspruch 7» d a d u r c h gekennzeichnet , daß Schmierelement (64-) im allgemeinen einen quadratischen Querschnitt aufweist und sich aus V-förmigen Graphitschichten zusammensetzt·

10. Pumpe mit einem in einem Zylinder hin-und hergehenden Kolben, der an seinem Umfang eine Nut aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß in der Hut eine Dichtungspackung (10) angeordnet ist, die eine Vielzahl von Packungsringen (60,61) mit einer im allgemeinen V-förmigen Querschnitt sform aufweist, wobei benachbart zu den Eingen ein Schmierring (64) in der Nut angeordnet ist und ebenfalls benachbart zu den Ringen (60,61) ein erster Anapssungsring vorhanden ist, der im wesentlichen die gleiche Form aufweist, wie die Packungsringe und daß dem Schmierring (64) in der Nut ein zweiter Anpassungs-

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ring (64) beigeordnet ist und in der Nut ein Druckelement (76) angeordnet ist, das am Kolben gewindegängig gelagert ist, um auf die Dichtungspackung eine axiale Kompressionskraft auszuüben.

11. Pumpe nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet , daß der Schmierring (64) eine Vielzahl von Schichten aus Graphit aufweist und diese Schichten im wesentlichen eine V-förmige, axiale Form besitzen.

12. Pumpe nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet , daß die einander benachbarten Packungsringe (60,61) zwischen sich Kanäle (62»70) für den Durchfluß eines Schmierfluids bilden.

13. Pumpe nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet , daß die Nut einen Packungshalter (28) umfaßt, gegen den als Anschlag die ausgeübte Kompressionskraft wirkt.

Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekenn —

zeichnet , daß der zweite Anpassungsring (7^) eine Vertiefung (75) aufweist, die zwischen dem Schmierring (64) und dem Anpassungsring eine Kammer bildet, die während des Pumpenbetriebs sich mit Fluid füllt und auf dem Schmierring eine Kraft ausübt, um denselben relativ zu der Dichtungspackung zu rütteln.

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