DE2846172C2 - Berührungsfreie Dichtung für Kolbenpumpen, insbesondere Plungerkolbenpumpen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie Dichtung für Kolbenpumpen, insbesondere Plungerkolbenpumpen, zum Fördern von Flüssigkeiten, mit Förderflüssigkeit als Dichtungsmittel in einem Dichtungsspalt zwischen Plungerkolben und Zylinder, wobei in die Zylinderwand schwimmend gelagert Dichtungshülsen in Reihe hintereinander eingesetzt sowie zwischen der Zylinderwand und den Dichtungshülsen Druckreduzierungsspalte und zwischen den Dichtungshülsen selbst Ein- bzw. Auslaufspalte für Förderflüssigkeit vorgesehen sind.

Bei berührungsfreien Dichtungen soll eine gegenseitige Berührung der Dichtungsflächen vermieden werden. Durch das Fehlen aufeinander gleitender Dichtungsflächen werden die Reibungsverluste stark reduziert. Der Dichtungsspalt zwischen den Dichtungsflächen übernimmt also die Funktion eines Trennspaltes und verlangt äußerst geringe Toleranzen. Folglich müssen die Dichtungsflächen mit hoher Präzision gefertigt werden. Das gilt bei Plungerkolbenpumpen für den eingeschliffenen Plungerkolben und die Zylinderwand. Um bei Piungerkolbenpumpen ein möglichst reibungsarmes Gleiten und gleichzeitig einen berührungslosen y· Dichtungseffekt zwischen Plungerkolben und Zylinder zu erreichen, müssen im Rahmen eines hydrodynamischen Betriebs im übrigen geringe Leckverluste und die Fähigkeit zur Querkraitaufnahme gegeben sein. Eine weitere Forderung für einwandfreien Pumpenbetrieb ist darin zu sehen, das Ansaugen von Nebenluft beim Saughub zu vermeiden.

Es ist eine berührungsfreie Dichtung für Plungerkolbenpumpen der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei welcher lediglich jeweils ein Ringspalt zwischen den in Reihe hintereinander angeordneten Dichtungshülsen und der Zylinderwand vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Konstruktion sind die Abdichtungsverhältnisse über die Länge der Dichtungshülsen kaum kontrollierbar, weil kontinuierliche Abdichtung über die gesamte Länge sämtlicher Dichtungshülsen versucht wird. Dadurch besteht die Gefahr, daß die einzelnen Dichtungshülsen radial abkippen können, so daß einwandfreie Führung des Plungers nicht unbedingt gewährleistet ist. Offenbar soll auch nur ein Aufweiten der Dichtungshülsen mit entsprechender Spaltbreitenzunahme verhindert werden. Eine Spaltverengung durch äußeren Überdruck läßt sich kaum erreichen. Darüber hinaus ist diese bekannte Konstruktion nicht geeignet, eine äußerst geringe mittlere Spaltbreite und damit ein Minimum an Leckverlusten zu gewährleisten (vgl. DE-OS 23 36 147).

Ferner kennt man eine berührungsfreie Dichtung für Kolbenpumpen, bei welcher lediglich eine einzige Dichtungshülse verwendet wird. Auch in diesem Fall ist ein Ringspalt zwischen Zylinderwand und Dichtungshülse vorgesehen. Die Länge der Dichtungshülse wird offenbar so gewählt, daß in dem Ringspalt ein konstanter Druck, nämlich atmosphärischer Außendruck herrscht. Folglich muß über die Länge der Dichtungshülse der Betriebsdruck bis auf Atmosphärendruck reduziert werden. Insoweit wird auf einen Druckausgleich verzichtet. Das führt zwangsläufig zu Zentrierungsschwierigkeiten zwischen Dichtungshülse und Plunger. Darüber hinaus müssen Fertigungsschwierigkeiten in Kauf genommen werden, und zwar insbesondere unter Berücksichtigung einer äußerst geringen Spaltbreite zwischen Dichtungshülse und Plunger (vgl. DE-OS 25 21 339).

Schließlich ist ein Spezialkolben für Kolbenpumpen bekannt, der aus einem rohrförmigen Tragkörper und radial lose über geschobenen Ringkörpern besteht, weiche gegenüber dem Tragkörper einen Luftspalt bilden, der zwischen den Ringkörpern gegen den Tragkörper abgedichtet ist (vgl. DE-OS 16 53 627).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine berührungsfreie Dichtung für Kolbenpumpen, insbesondere Plungerkolbenpumpen, der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die sich durch definierte Abdichtungsverhältnisse zwichen Dichtungshülsen und Plunger auszeichnet und ein Minimum an Leckverlusten gewährleistet.

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Dichtung dadurch, daß die Dichtungshülsen gegen die Zylinderwand mittels Dichtungsringe abgestützt sind, wobei in Hauptströniungsrichtung der Förderflüssigkeit gesehen jeder Dichtungshülse zumindest ein Dichtungsring im Bereich des vorderen Hülsenendes zugeordnet ist. — Die in Reihe hintereinander angeordneten Dichtungshülsen bilden gleichsam ein Hülsenpaket zur Abdichtung der Förderflüssigkeit. Diese Abdichtung erfolgt zwischen dem Plungerkolben und den Dichtungshülsen stufenweise. An jeder Dichtungshülse wird der im Zuge des Druckhubes erzeugte Betriebsdruck anteilig abgesenkt. Damit der Dichtungsspalt zwischen dem Plungerkolben und den Dichtungshülsen sich mit zunehmendem Betriebsdruck nicht infolge Zylinderaufweitung zusätzlich ausdehnt, wird jede Dichtungshülse allseitig von Förderflüssigkeit umspült und folglich druckbeaufschlagt. Diese Maßnahme bewirkt, daß sich war der Zylinder nach wie vor im Verhältnis zum Innendruck ausdehnen kann, die Dichtungshülsen jedoch lediglich nur einseitig konisch gedehnt werden, nämlich im Bereich der Druckspitze. Diese Druckspitze entsteht bei jeder Druckhülse in Hauptströmungsrichtung der Förderflüssigkeit gesehen

im Bereich des vorderen Hülsenendes, weil sich zumindest dort ein Dichtungsring befindet, der zum Abstützen der Dichtungshülse gegen die Zylinderwand dient Hinter dem Dichtungsring ist die betreffende Druckhülse über den ihrem hinteren Hülsenende zugeordneten Ein- bzw. Auslaufspalt von Förderflüssigkeit umspült, in welcher sich der giciche Betriebsdruck wie am hinteren Hülsenende aufbaut, also ein im Vergleich zum vorderen Hülsenende reduzierter Betriebsdruck. An das vordere Hülsenende der der ersten Dichtungshülse folgenden zweiten Dichtungshülse greift lediglich der bereits über die Länge der ersten Dichtungshülse reduzierte Betriebsdruck an, der sich über die Länge der zweiten Dichtungshülse in gleicher Weise reduziert, und sofort bis zur letzten Dichtungshülse, an deren hinteres Hülsenende der Betriebsdruck zwischen dem Plungerkolben und den Dichtungshülsen praktisch auf Null reduziert ist Da sich mit zunehmendem Betriebsdruck lediglich eine stärkere Konizität und somit ein abgestufter keilförmiger Verlauf des Dichtungsspaltes einstellt, kann bei Verwirklichung der erfindungsgemäßen berührungsfreien Dichtung der Zylinder beim Arbeiten der Plungerkolbenpumpe mit hohen und höchsten Drücken als dünnwandiger Zylinder ausgebildet sein. Denn stets wird die Ausdehnung des Zylinders von den sich keilförmig einstellenden Dichtungshülsen kompensiert, die dazu von der Förderflüssigkeit umspült sind. Durch den abgestuften keilförmigen Verlauf des Dichtungsspaltes erhält man eine geringe mittlere — im übrigen rechnerisch bestimmbare Spaltbreite, die ein Minimum an Leckverlusten garantiert Denn in die Bestimmung der Leckmenge geht die Spaltbreite in der dritten Potenz ein. Darüber hinaus wird aber auch eine stets zentrische Ausrichtung der Dichtungshülsen zum Plungerkolben erreicht, d.h. selbst bei kleinstem Dichtungsspait ist konzentrische Anordnung des Plungerkolbens in den Dichtungshülsen gewährleistet, so daß keine einseitige Berührung stattfindet. Denn wird der Plungerkolben durch eine äußere Querkraft um einen vorgegebenen Betrag exzentrisch zur Zylinderlängsachse seitlich verschoben, dann entsteht auf der Seite des verengten Dichtungsspaltes eine größere Gesamtdruckkraft als bei zentrischer Lage des Plungerkolbens. Auf der gegenüberliegenden Seite, auf der der Dichtungsspalt breiter geworden ist, baut sich eine geringere Geamtdruckkraft auf. Da beide Druckkräfte einander entgegenwirken, entsteht eine Druckkraftdifferenz, die als freie Kraft zur Wirkung kommt und den Plungerkolben entgegen der äußeren Querkraft wieder in die Mittellage zurückführt. Das Ansaugen von Nebenluft beim Saughub wird durch das voluminöse Flüssigkeitsreservat innerhalb des Zylinders vermieden, welches die einzelnen Dichtungshülsen umgibt und beim Saughub des Plungerkolbens ein Eindringen von Nebenluft vermeidet. Der elastische Zylinder weitet sich beim Druckhub des Plungerkolbens auf und zieht sich analog beim Saughub wieder zusammen. In Verbindung mit der zwischen den Dichtungshülsen und dem Zylinder befindlichen Fröderflüssigkeit wirkt der Zylinder gleichsam als Druckspeicher, der beim Saughub stets einen Sperrflüssigkeitsstrom gegen Lufteintritt abgibt. Zur einwandfreien Regulierung dieses Sperrflüssigkeitsstroms selbst bei hoher Pumpendrehzahl bzw. hohem Wechselspiel zwischen Druck- und Saughub empfiehlt die Erfindung, daß die Dichtungshülsen im Bereich des hinteren Hülsenendes ebenfalls mittels eines Dichtungsringes gegen die Zylinderwand abgestützt sind und dieserei Dichtungsring in Hauptströmungsrichtung vorgeordnet zumindest eine von dem Druckreduzierungsspalt in den Dichtungsspalt führende Drosselbohrung aufweisen. Die Größe und Anzahl der Drosselbohnmgen bestimmen sich nach der Rückflußmenge der Förderflüssigkeit zum Vermeiden der Ansaugung von Nebenluft und nach der Reduzierung der Leckverluste.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß eine berührungsfreie Dichtung für Kolbenpumpen, insbesondere Plungerkolbenpumpen, zum Fördern von Flüssigkeiten und damit für hydrodynamischen Betrieb verwirklicht wird, die sich selbst bei hohen und höchsten Betriebsdrücken durch minimale Leckverluste und definierte Abdich- '- ungsverhältnisse auszeichnet Darüber hinaus wird bei Einsatz der erfindungsgemäßen Dichtung das Ansaugen von Nebenluft vermieden, was für einen ruhigen und kavitationsfreien Pumpenbetrieb von besonderer Bedeutung ist. Endlich sind in fertigungstechnischer und montagetechnischer Hinsicht einfacher Aufbau und Funktionssicher heit bei optimaler Reibungsreduzierung zwischen den berührungsfreien Dichtflächen gewährleistet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen teilweisen Axialschnitt durch einen Zylinder mit Plungerkolben und einer zwischen beiden angeordneten berührungsfreien Dichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung und

Fig.2 einen Ausschnitt aus dem Gegenstand nach Fig.l.

In den Figuren ist eine berührungsfreie Dichtung für Kolbenpumpen, insbesondere Plungerkolbenpumpen, zum Fördern von Flüssigkeiten dargestellt, mit Förderflüssigkeit 1 als Dichtungsmittel in einem Dichtungsspalt 2 zwischen Plungerkolben 3 und Zylinder 4. In die Zylinderwand 5 sind schwimmend gelagerte Dichtungshülsen 6 in Reihe hintereinander eingesetzt. Die Dichtungshülsen 6 sind gegen die Zylinderwand 5 mittels Dichtungsringe 7 abgestützt. Zwischen der Zylinderwand 5 und den Dichtungshülsen 6 sind Druckreduzierungsspalte 8, zwischen den benachbarten Dichtungshülsen 6 selbst bzw. ihren Stirnflächen Einbzw. Auslaufspalte 9 für Förderflüssigkeit 1 vorgesehen. Jeder Dichtungshülse 6 ist in Hauptströmungsrichtung der Förderflüssigkeit 1 gesehen zumindest ein Dichtungsring 7 im Bereich des vorderen Hülsenendes 10 zugeordnet. Dem jeweils hinteren Hülsenende 11 ist ein Ein- bzw. Auslaufspalt 9 für Förderflüssigkeit 1 zugeordnet. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind die Dichtungshülsen 6 jedoch im Bereich des hinteren Hülsenendes 11 ebenfalls mittels eines Dichtungsringes 12 gegen die Zylinderwand 5 abgestützt. Diesem Dichtungsring 12 ist in Hauptströmungsrichtung zumindest eine von dem Druckreduzierungsspalt 8 in den Dichtungsspalt 2 führende Drosselbohrung 13 zugeordnet. Der Zylinder 4 weist eine zur Zylinderlängsachse koaxiale Ausbohrung 14 in der Zylinderwand 5 auf, worin die Dichtungshülsen 6 in den Zylinderraum vorkragend und von Förderflüssigkeit 1 umspült eingesetzt sind.

In Fig.l ist schematisch dargestellt, wie der Betriebsdruck P\ an jeder Dichtungshülse 6 anteilig und damit stufenweise von der esten bis zur letzten Dichtungshülse auf schließlich den Wert Null abgesenkt wird. Ferner ist in der Fig.l die Ausdehnung des

Zylinders 4 bzw. die entsprechend lediglich einseitig konische Ausdehnung der Dichtungshülsen 6 und der daraus resultierenden keilförmige Dichtspaltverlauf 15 angedeutet, der daraus resultiert, daß sich stets am vorderen Hülsenende 10 der Dichtungshülsen 6 in ί Hauptströmungsrichtung gesehen eine Druckdifferenz Ap - P\ — />2 aufbaut, am hinteren Hülsenende 11 dagegen Druckausgleich herrscht. Die Druckdifferenz Ap resultiert aus dem am vorderen Hülsenende 10 jeder Dichtungshülse 6 jeweils herrschenden Betriebsdruck P\ ιυ und dessen Absenkung über die Länge der betreffenden Dichtungshülse, weil der am hinteren Hülsenende 11 reduzierte Betriebsdruck P₂ auch zwischen der Dichtungshülse 6 und der Zylinderwand 5 existiert, und zwar rückläufig bis zum Dichtungsring 7 im Bereich des η vorderen Hüisenendes iO. Dieser reduzierte Betriebsdruck Pi greift dann wiederum am vorderen Hülsenende 10 der nächsten Dichtungshülse 6 an und wird über deren Länge weiter reduziert und so fort. — Wird durch einen ebenen parallelen Dichtungsspalt 2 Förderflüssigkeit 1 unter einseitigem Überdruck bewegt, so nimmt der Überdruck vom Eintritt in den Dichtungsspalt 2 bis zum Austritt aus dem Dichtungsspalt geradling ab. Bildet sich dagegen ein keilförmiger Dichtungsspalt 2 aus, derart, daß die Spaltbreite b in Hauptströmungs- 2*> richtung abnimmt, so entsteht der in F i g . 2 dargestellte Druckverlauf über eine Dichtungshülse 6. Die Form bzw. der Grad der Aufwölbung dieses Druckverlaufes ist abhängig von der Konizität des Dichtungsspaltes 2. Liegen sich nun, wie das für die berührungslose Dichtung eines Plungerkolbens 3 der Fall ist, gleichsam zwei Dichtungsspalte 6 gegenüber, so sind bei zentrischer Lage des Plungerkolbens 3 im Zylinder 4 die Gesamtdruckkräfte über den Spaltflächen gleich und heben sich gegenseitig auf. Wird nun durch eine äußere Querkraft Q der Plungerkolben 3 um den Betrag e — entsprechen der gestrichelten Linie — seitlich aus der Zylinderachse verschoben, so wird der Druckverlauf über dem verengten Dichtungsspalt oben ausgebeult. Es entsteht also dort eine größere Gesamtdruckkraft als bei der zentrischen Lage des Plungerkolbens 3. Auf der gegenüberliegenden Seite wird über dem erweiterten DichiungsNpäli die Druckkurve abgeflacht, so daß dort eine geringere Gesamtddruckkraft entsteht. Beide Druckkräfte wirken einander entgegen, so daß die Differenz der beiden Druckkräfte als freie Kraft bestrebt ist, den Plungerkolben 3 entgegen der äußeren Querkraft Q wieder in die Mittellage zurückzuführen. Die in F i g. 2 schräg schraffierten Druckflächen ergeben zusammen die Größe dieser freien Differenzdruckkraft. Es ist jedoch empfehlenswert, mehrere Dichtungshülsen 6 hintereinander anzuordnen, wie das Fig.1 zu entnehmen ist, um eine gegenseitige Abstützung der Dichtungshülsen 6 zu gewährleisten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Berührungsfreie Dichtung für Kolbenpumpen, insbesondere Plungerkolbenpumpen, zum Fördern von Flüssigkeiten, mit Förderflüssigkeit als Dichtungsmittel in einem Dichtungsspalt zwischen Plungerkolben und Zylinder, wobei in die Zylinderwand schwimmend gelagert Dichtungshülsen in Reihe hintereinander eingesetzt sowie zwischen der Zylinderwand und den Dichtungshülsen Druckreduzierungsspalte und zwischen den Dichtungshülsen selbst Ein- bzw. Auslaufspalte für Förderfiüssigkeit vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungshülsen (6) gegen die Zylinderwand

(5) mittels Dichtungsringe (7) abgestützt sind, wobei in Hauptströmungsrichtung der Förderflüssigkeit (1) gesehen jeder Dichtungshülse (6) zumindest ein Dichtungsring (7) im Bereich des vorderen Hülsenendes (10) zugeordnet ist.

2. Berührungsfreie Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungshülsen

(6) im Bereich des hinteren Hülsenendes (11) ebenfalls mittels eines Dichtungsringes (12) gegen die Zylinderwand (S) abgestützt sind und diesem Dichtungsring (12) in Hauptströmungsrichtung vorgeordnet zumindest eine von dem Druckreduzierungsspalt (8) in den Dichtungsspalt (2) führende Drosselbohrung (13) aufweisen.