DE2805504C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei einer aus der US-PS 29 48 555 bekannten Dichtvorrichtung dieser Art ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Außenringes im wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Welle gleich. Mit dieser Auswahl des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Außenringes, mit der vom Außenring auf den Kohlenstoffring ausgeübten radialen Vorspannung und aufgrund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kohlenstoffringes wird erreicht, daß bei einer Temperatursteigerung die radiale Abmessung des Fluidkanals zwischen dem Innenumfang des Kohlenstoffringes und dem Außenumfang der Welle in etwa konstant bleibt. Dies hat den Vorteil, daß die Hochtemperatur-Dichtbüchse beim Abkühlen nicht auf der Wellen frißt. Andererseits wird jedoch der Durchsatz an Fluid durch den Fluidkanal mit steigender Temperatur zunehmen, weil wegen der konstant bleibenden radialen Abmessung des Fluidkanals infolge der Temperatur bedingt abnehmenden Viskosität des Fluids das Fluid leichter durchströmt und weil auch bei gleichbleibender radialer Abmessung des Fluidkanals infolge der Vergrößerung des Wellendurchmessers und damit des Innendurchmessers der Hochtemperatur-Dichtbüchse der Durchgangsquerschnitt des Fluidkanals anwächst.

Bei einer aus DE-PS 9 37 324 bekannten Dichtvorrichtung ist zwischen einem auf der Welle festen Ring und einer Gehäusewand ein kreisringförmiger Drosselspalt vorgesehen, durch den ein zur Kühlung dienendes Fluid gedrosselt abströmt. Nachteilig ist dabei, daß mit steigender Temperatur der Durchsatz an kühlendem Fluid nicht vorhersehbar und nicht steuerbar ansteigt, weil der Durchgangsquerschnitt des Drosselspalts mit steigender Temperatur wächst, während die Viskosität des Fluids abnimmt.

Bei einer aus der US-PS 30 68 014 bekannten Dichtvorrichtung ist ein Karbonring vorgesehen, der ein anderes Wärmeausdehnverhalten hat, als die Welle bzw. das Gehäuse. Trotzdem wird mit steigender Temperatur der Durchströmquerschnitt für das Fluid zunehmend größer, während die Viskosität des Fluids abnimmt, so daß aus einem Temperaturanstieg ein steigender Fluiddurchsatz resultiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein im wesentlichen konstanter Fluiddurchsatz gewährleistet wird, selbst wenn die Hochtemperatur-Dichtbüchse einer erheblichen Temperaturänderung unterzogen wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei einer Temperatursteigerung dehnt sich der Außenring weniger aus als die Welle während gleichzeitig der Innenring dank des niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von Kohlenstoff und wegen der nachlassenden radialen Vorspannung einem geringeren Ausdehnungseffekt unterliegt als die Welle. Das Resultat ist, daß sich der Durchgangsquerschnitt des Fluidkanals so verkleinert, daß trotz der sich verringernden Viskosität des Fluids der Fluiddurchsatz im wesentlichen konstant bleibt. Es ergibt sich unter den Betriebsbedingungen in einem erheblichen Temperaturbereich ein konstanter Fluiddurchsatz. Wird das Fluid in einem Kühlkreislauf bereitgestellt, dann läßt sich ein Wärmetauscher konzipieren, der von vornherein auf den gleichmäßigen Fluiddurchsatz ausgelegt ist und keine Schwankungen zu verkraften braucht.

Eine bevorzugte Ausführungsform geht aus Anspruch 2 hervor. Der bei der vorerwähnten Ausbildung der Dichtvorrichtung erreichbare, im wesentlichen konstante Fluiddurchsatz läßt es zu, das Fluid in einem luftgekühlten Wärmetauscher zu kühlen, der baulich einfach und kostengünstig ist.

Schließlich hat es sich für Dichtvorrichtungen von Zentrifugalpumpen zum Fördern heißer oder schmutziger Flüssigkeiten wie Rohöl oder dgl., die bei hohen Temperaturen zum Verkoken und Ablagern neigen, als zweckmäßig erwiesen, den Fluiddurchsatz gemäß Anspruch 3 auf einen Maximalwert zu begrenzen, bei dem die Kühlung des Fluids problemlos durchführbar und trotzdem sicherstellbar ist, daß keine Verkokungen oder Ablagerungen im Dichtbereich auftreten.

Anhand der Zeichnung wird eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Fliehkraftpumpe mit einer Dichtvorrichtung und einem Nebenstrom-Spülkreis,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, und

Fig. 3 einen weiter vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2.

In einer Vorrichtung 6 zur Handhabung von Strömungsmittel, insbesondere einer Fliehkraftpumpe, begrenzt gemäß Fig. 1 ein Gehäuse 7 eine Pumpenkammer 8, in der ein Pumpenteil in Form eines Treibrades 9 angeordnet ist. Das Strömungsmittel gelangt durch eine Einlaßöffnung 11 zur Pumpenkammer 8 und wird durch eine Auslaßöffnung 12 in eine Abgabeleitung 13 gepumpt. Das Pumpentreibrad 9 sitzt auf einer Welle 14, die in einem Gehäuseteil 16 drehbar gelagert ist. Eine mechanische Dichtanordnung 17 ist zwischen der Welle 14 und dem Gehäuseteil 16 vorgesehen. Die Dichtanordnung 17 besteht gemäß Fig. 2 aus einem ersten gehäusefest abgestützten Dichtring 18 und einem zweiten auf der Welle 14 undrehbar aber axial verschieblich abgestützten Dichtring 19. Die Dichtringe 18 und 19 gleiten aufeinander und bilden eine Dichtzone 21. Federn 22, die in einer Manschette 23 auf einer auf der Welle 14 angeordneten Hülse 14 B abgestützt sind, drücken den Dichtring 19 gegen den Dichtring 18.

Um die Dichtanordnung 17 zu kühlen und zu schmieren, ist eine Nebenstrom-Spülanlage 26 vorgesehen, die eine an die Abgabeleitung 13 angeschlossenen Leitung 27 und einen in dieser angeordneten, luftgekühlten Wärmetauscher 28 aufweist. Die Leitung 27 führt zu einem Hohlraum 31.

Zwischen dem Hohlraum 31 und der Pumpenkammer 8 ist zur Steuerung der Fluidströmung eine Dichtvorrichtung 32 um die Welle 14 angeordnet. Diese weist eine schwimmend gelagerte Hochtemperatur-Dichtbüchse36 auf, die aus einem aus Kohlenstoff oder Graphit bestehenden Innenring 37 und einem aus Metall bestehenden Außenring 41 auf dem Innenring 37 besteht. Der aus Kohlenstoff oder Graphit bestehende Innenring 37 soll eine übermäßige Abnutzung der Wellenoberfläche vermeiden. Der Innenring37 besitzt eine Durchgangsbohrung 38, deren Durchmesser lediglich geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Welle 14, um einen engen ringförmigen Fluidkanal 39 zu begrenzen. Die radiale Abmessung des Fluidkanals 39 beträgt typischerweise etwa 0,025 bis 0,05 mm.

Bei gleicher Temperatur ist der Außendurchmesser des Innenrings 37 größer als der Innendurchmesser des Außenrings 41. Der Außenring 41 wird vor Aufbringen auf den Innenring 37 erhitzt, bis der Innenring 37 eingebracht werden kann, ehe durch Abkühlung des Außenrings 41 der Innenring 37 in einem Preßsitz mit radial nach innen gerichteter Vorspannung gehalten wird. Der Innen- und der Außenring 37, 41 sind in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten derart aufeinander abgestimmt, daß die auf die vorerwähnte Weise gebildete Hochtemperatur-Dichtbüchse 36 im wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Außenring 41 hat. Die Welle 14 und der Außenring 41 sind aus verschiedenen Metallen derart ausgebildet, daß der Außenring 41 und damit die Hochtemperatur-Dichtbüchse36 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der mindestens geringfügig kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Welle 14.

Im Gehäuseteil 16 ist eine Dehnmanschette 42 befestigt, die die Dichtbüchse 36 in axialer Richtung gegen eine Seitenwand 43 des Gehäuseteils 16 spannt. Die Dehnmanschette 42 weist einen in Radialrichtung durchgehenden nicht dargestellten Schlitz und eine konische Schraube 44 auf, um die Dehnmanschette 42 am Gehäuseteil 16 festlegen zu können. Ferner ist in der Dehnmanschette 42 wenigstens ein Stift 46 vorgesehen, der in eine radiale Nut 47 in eine Stirnseite des Außenrings 41 ragt, um die Dichtbüchse 36 im Gehäuseteil 16 unverdrehbar, jedoch radial verlagerbar zu halten, damit sie sich beim Biegen oder Verformen der Welle anpaßt. Federn 48 in der Dehnmanschette 42 halten die Dichtbüchse 36 an der Gehäuseseitenwand 43.

Wenn die Temperatur des Fluids im Hohlraum 31 ansteigt, nimmt seine Viskosität ab. Gleichzeitig verringert sich die radiale Abmessung des Fluidkanals 39. Es wird somit ein nahezu konstanter Fluiddurchsatz durch den Fluidkanal 39 erzielt, selbst wenn sich die Temperatur wesentlich ändert. Die Hochtemperatur-Dichtbüchse 36 gleicht die Viskositätsänderungen des Fluids infolge der Temperaturänderung aus. Bei radialen Abmessungen des Fluidkanals 39 in der Größenordnung von 0,025 bis 0,05 mm wird ein Fluiddurchsatz von weniger als 0,1 l/min, vorzugsweise 5,5 l/min oder weniger erzielt. Diesen gleichbleibenden Fluiddurchsatz vermag der luftgekühlte Wärmetauscher 28 problemlos zu verkraften.

Zweckmäßigerweise besteht der Außenring 41 aus einem Metall, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem 1,0- und dem 0,5fachen, vorzugsweise zwischen dem 0,9- bis 0,6fachen der Hülse 14 B (oder der Welle 14 bei einstückigem Aufbau) beträgt.

Gemäß Fig. 2 weist die Welle 14 einen Wellenkern 14 A für die Hülse 14 B auf. Die Hülse 14 B besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 1,8 × 10^-5 grd^-1 (10 × 10^-6 inch/inch/°F). Der Außenring 41 besteht andererseits beispielsweise aus "Hastelloy" mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 1,08 · 10^-5 grad^-1 (6 × 10^-6 inch/inch/°F).

Bei Verwendung der Dichtvorrichtung beim Pumpen heißer und schmutziger Flüssigkeiten wie Rohöl, Dowtherm, Therminol und ähnlicher Fluide, die bei hohen Temperaturen verkoken und Kohlenstoffablagerungen bilden, wird ein gleichbleibender, geringer Fluiddurchsatz durch die Nebenstrom-Spülanlage erreicht, wobei der Fluidkanal 39 frei von Ablagerungen und Verunreinigungen bleibt. Dieser positive Effekt resultiert vermutlich daraus, daß die normale Drehbewegung und die Schwingungen der Welle 14 ausreichen, das Verstopfen des Fluidkanals 39 zu verhindern, auch wenn der Durchsatz kleiner als 4,55 l/min bleibt.

Claims (3)

1. Dichtvorrichtung für einen ein Fluid enthaltenden Hohlraum in einem Gehäuse, insbesondere im Lagergehäuse der Welle einer Fliehkraftpumpe, bei der eine Welle drehbar eine Gehäusebohrung durchsetzt, in der wenigstens eine Hochtemperatur-Dichtbüchse abgestützt ist, die mit ihrem Innenumfang um die Welle einen engen ringförmigen Fluidkanal begrenzt, und die aus einem inneren Kohlenstoffring und einem äußeren konzentrischen Metallring besteht, der auf dem Kohlenstoffring mit radial nach innen gerichteter Vorspannung in einem Preßsitz angebracht ist und einen auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Welle abgestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Außenringes (41) zumindest geringfügig kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Welle (14), derart, daß zur Aufrechterhaltung eines annähernd konstanten Fluiddurchsatzes durch den Fluidkanal (39) die radiale Abmessung des Fluidkanals in etwa in Abhängigkeit von der temperaturbedingten Abnahme der Viskosität des Fluids abnimmt.

2. Dichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (31) des Gehäuses (16) an die Fluid-Zuführleitung (27) einer Kühlanlage (26) angeschlossen ist, und daß die Kühlanlage (26) einen luftgekühlten Wärmetauscher (28) für das Fluid aufweist.

3. Dichtvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluiddurchsatz im Fluidkanal (39) auf maximal 9,1 l/min begrenzt ist.