DE2945932A1

DE2945932A1 - Abdichtungseinrichtung fuer eine kreiselpumpe zum foerdern kryogener medien

Info

Publication number: DE2945932A1
Application number: DE19792945932
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 4000 Düsseldorf Klein; Klaus 4018 Langenfeld Tocha
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1979-11-14
Filing date: 1979-11-14
Publication date: 1981-05-21
Also published as: CH651118A5; DE2945932C2; FR2469582B3; FR2469582A1

Description

Abdichtungseinrichtung für eine Kreiselpumpe zum Fördern kryogener Medien

Die Erfindung betrifft eine Abdichtungseinrichtung für eine Kreiselpumpe zum Fördern kryogener Medien, mit einer Antriebswelle für das Laufrad sowie mit einer der Antriebswelle zugeordneten Einrichtung zur Abdichtung des Pumpengehäuses.

Kreiselpumpen besitzen überwiegend Bauteile, die zum großen Teil aus Metall bestehen. Nur im Bereich der Gleitringdichtung müssen Werkstoffe gewählt werden, die trotz hoher Gleitgeschwindigkeit verschleißarm sind und keine Neigung zum "Fressen" zeigen.

Diese Werkstoffe sind Belastungen ausgesetzt, die vorwiegend von dem Innendruck des abzudichtenden Raumes und der sich daraus ergebenden Federcharaktesistik des sich axial frei beweglichen Faltenbalges bestimmt werden.

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Bei Kreiselpumpen für kryogene Medien ist die Montagegeometrie der Einzelelemente jedoch nicht identisch mit der Geometrie im Betriebszustand. Die Temperaturdifferenz von ca. 220° C (Bereich von +20° C bis -200° C) bewirkt - selbst ohne Berücksichtigung verschiedener Temperaturzeitverhalten, bedingt durch unterschied]iche Massen und Oberflächen - Spannungen durch Formänderungen, wenn, wie im Bereich der Gleitringdichtung, unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden nüssen.

Diese Spannungen haben dazu geführt, daß Werkstoffe mit hervorragenden Gleiteigenschaften nicht eingesetzt werden können, da diese durch die Temperaturspannungen zerstört werden.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Kreiselpumpen für die Förderung von kryogenen Medien mit Gleitringdichtungen auszurüsten, welche durch Kleben befestigt sind. Beim Einsatz dieser Pumpen zur Förderung der kryogeren Medien stellen jedoch diese Klebeverbindungen Schwachstellen dar, da die Klebeverbindung durch den häufigen Temperaturwechsel (Temperaturdifferenz bis zu 220° C) ermüdet und undicht wird. Darüber hinaus scheidet der Einsatz von Gleitwerkstoffen mit an sich vorzüglicher Eignung bei Verwendung von Klebeverbindungen aus, da zu große Unterschiede zwischen den Ausdehnungskoeffizienten der Befestigungselemente bestehen. Dadurch besteht die Gefahr der Undichtigkeit (Bruch der Klebeverbindung, Materialermüdung der Klebeverbindung).

Ausgehend von den zuvor geschilderten Problemen bei der Abdichtung von Kreiselpumpen zum Fördern kryogener Medien liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abdicht-Einrichtung zu konzipieren, die trotz der enormen Temperaturunterschiede stets eine sichere Dichtung be-

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wirkt und darüber hinaus auch, aufgrund der geringen Verschleißeigenschaften, eine große Standzeit aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die nachstehenden Merkmale, gemäß denen

a) die Abdichtungseinrichtung zwei in Wirkverbindung miteinander stehende Gleitringe aufweist, die von einer Aufnahme bzw. einem Stützring aufgenommen sind)

b) der Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffes des ersten Gleitringes größer ist als der des Werkstoffes des Stützringes

c) und der Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffes des zweiten Gleitringes kleiner ist als der des Werkstoffes der Aufnahme.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist hierbei auf der Antriebswelle ein Stützring vorgesehen, der zur Halterung des ersten Gleitringes dient. Um ein temperaturbedinges, axiales Schrumpfen des Gleitringes auszugleichen, wird gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Vorschlag dem Gleitring ein Federelement zugeordnet, welches zwischen Stützring und einer Wellenhülse festgeklemmt ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin der mit dem ersten Gleitring zusammenwirkende zweite Gleitring von einer Aufnahme gehalten, welche über einen Faltenbalg mit dem Pumpengehäuse verbunden ist.

Durch die unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten-Auswahl der Werkstoffe der Gleitringe im Vergleich zu den Werkstoffen der sie aufnehmenden Pumpenelemente

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(Aufnahme - Stützring) ist sichergestellt, daß die im Betrieb der Pumpe bestehende Abkühlung die notwendigen Montagespiele, die bei einfachster Montagemethode sinnvoll sind, nicht nur ausgleicht, sondern auch eine - wie bereits erwähnt - funktionssichere Schrumpfbefestigung (d.h. Schrumpfpassung) entsteht. Nenn die Ausdehnungskoeffizienten der Passungspartner (Gleitringe und deren Aufnahmeteile) wesentlich unterschiedlich gewählt werden, so kann sogar in vorteilhafter Weise weiterhin auf die Einhaltung der sonst üblichen engen Fertigungstoleranzen sowie einer anspruchsvollen Oberflächengüte verzichtet werden, danach der ersten Abkühlung ein Anpassungsprozeß stattgefunden hat.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform einer Kreiselpumpe zum Fördern kryogener Medien in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung. In dieser Zeichnung ist dargestellt, in

Fig.1 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe und

Fig.2 im vergrößerten Maßstab die An

ordnung der Abdichtungselemente in dieser Kreiselpumpe.

In Fig.1 ist eine Kreiselpumpe 10 zum Fördern kryogener ■jg Medien dargestellt. Diese Kreiselpumpe weist ein Pumpengehäuse 12 auf, das an seiner (in Fig.1) Oberseite von einem Pumpendeckel 14 abgesperrt ist. Dieser Pumpendeckel wird unter Anordnung von Dichtringen mittels des angeschraubten Zwischenstückes 16 fest auf das Pumpengehäuse 12 gepreßt.

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Das Zwischenstück 16 :st - wie er sicntxic;. - durch mehrere Schraubverbindungen -H red i umdicht rr.it den Gehäuse verbunden. Dnr zentrisc; -;.,aeordnete Pumpendeckel 14 dient zur Aufnahme u'-.d F'üh ;mg einer Antriebswelle 20, die mit dem nicht dargestellt m: Antriebsmotor verbünden ist. Das dem Motor abgewandte .;rie der Antriebswelle 20 ragt in den Innenraum 22 des Pum:enjehäuses 12 und dient dort zur Aufnahme eines Laufroa.es 24. Die Befestigung des Laufrades 24 erfolgt über e.ne Gewindeverbindung 26, durch die das Laufrad 24 soweit auf die Welle aufgeschraubt wird, bis es zur Anlage an · .■ ί ncr. Stützring 28 kommt. Der Stützring 28 selbst ist ai einer Axia!bewegung durch eine Wellenhülse 30 gehinc¹ rt. die an einer Schulter 32 der Antriebswelle 20 anlieq: , Anstelle einer We.¹ uirhülse 30 kar.r aber auch der Stützri τ 23 direkt ar. eine. Schulter oder an einem Wellenbund ε ,Liegen,

Die Verspannung des L.-v_frade- 24 erfolgt durch einen s -benannten 20 untere Ende der An*" ri'■' ~'-11 e 20

uf de-- .·"·r. :riebswelle 20 >l>.:c^r 34, der auf das :-i -. a ·; foe schraubt ist.

Durch diese Art der K·.: nung des Laufrades 24 .·.·. leistet.

o- it eine sichere Anord-Ai,t. lobswel Ie 20 gewähr-

Wie Fig.1 zeigt, ist die Antriebswelle 20 bei ihrem Durchgang durch die Kellenöffnung 36 im Pumpendeckel 14 durch zwei Dichtungen 38 abgedichtet. Diese Dichtung 38 reicht jedoch nicht aus, um den Innenraum 22 der Kreiselpumpe gegenüber der Umgebung wirkungsvoll abzudichten, sondern wirkt als eine Art Schmutzfänger und verhindet weiterhin das Eindringen von Feuchtigkeit.

Zur Abdichtung des Innenraumes 22 gegenüber der Umgebung ist im Bereich der Antriebswelle 20 eine spezielle Ab-

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dichtungseinrichtung vorgesehen, die allgemein mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet ist.

Diese Abdichtungseinrichtung weist einen Drehteil 42 auf, der vom Pumpenteil 14 aufgenommen ist. Wie aus Fig.1 zu entnehmen, ist an der Innenseite des Drehteiles 42 und zwar in der Nähe der Schulter 32 das obere Ende eines metallenen Faltenbalges 44 befestigt. Das untere Ende des Faltenbalges 44 wird von einer Aufnahme 46 gehalten, die axial verschiebbar vom Drehteil 42 aufgenommen ist. Die Aufnahme 46 weist, vgl. hierzu nun Fig.2, eine Eindrehung 48 auf, welche zur Halterung eines Gleitringes 50 dient.

Dieser obere (zweite) Gleitring 50 wirkt mit einem unteren (ersten) Gleitring 52 zusammen, der seinerseits vom Stützring 28 aufgenommen ist. Zwischen der Wellenhülse 30 und dem Stützring 28 ist ein Federelement 54 so angeordnet, daß dadurch der Gleitring 52 stets in seiner zentrischen Einbaulage gehalten ist.

Durch die axiale Verschiebbarkeit der Aufnahme 46, hervorgerufen durch den unter Vorspannung stehenden Faltenbalg 44, ist eine stets sichere gasdichte Anlage des oberen Gleitringes 52 an dem unteren Gleitring 50 gewährleistet.

Wie ersichtlich, ist an der Innenwandung 56 des kreisringförmigen Gleitringes 52 eine sogenannte Ringnut 58 vorgesehen, durch welche die Anlagefläche des Gleitringes auf dem entsprechenden - in Fig.2 - vertikalen Abschnitt des Stützringes 28, reduziert wird.

Wie eingangs erwähnt, dient die vorstehend in ihrem Aufbau beschriebene Kreiselpumpe zum Fördern kryogerier Medien, so daß die Pumpe einem Temperaturbereich von ca. 220° (von +20° bis -200° C) während ihres Betriebes ausgesetzt

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ist. Daraus resultiert eine Veränderung der Abmessungen. Die Abdichtungseinrichtung 40 gewährleistet über den gesamten Temperaturbereich hinweg eine sichere Abdichtung des Innenraumes 22 der Kreiselpumpe 10. Bei der Montage der Kreiselpumpe, hier insbesondere bei der Auswahl der Werkstoffe für die Abdichtungseinrichtung 40, wird in erfindungsgemäßer Weise darauf geachtet, daß die miteinander zusammenwirkenden Einzelelemente dieser Einrichtung 40 solche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, die eine im Betrieb sichere Abdichtung der Kreiselpumpe gewährleisten. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß für den ersten Gleitring 52 ein Werkstoff gewählt, der einen größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Stützringes 28 und/oder der Antriebswelle 20. Für den Gleitring 52 finden Werkstoffe, wie z.B. Polyäthylen, PTFE-Kunststoff, Kunstkohle oder Graphit Verwendung. Diese Werkstoffe haben hervorragende Gleiteigenschaften unter gleichzeitigem hohen Widerstand gegenüber einer Abnutzung (hohe Standzeit), bei entsprechender Wahl des kontaktierenden Verschleißpartner.

Bei der dargestellten Ausführungsform werden also Werkstoffe mit größeren Ausdehnungskoeffizienten für den Gleitring 52 verwendet, im Gegensatz zum Stützring 28, so daß bei der Inbetriebnahme der Kreiselpumpe und der dadurch bedingten großen Abkühlung auf ca. -200° C der Gleitring 52 sich wesentlich stärker zusammenzieht, als der ihn aufnehmende Stützring 28 und dadurch eine feste und gasdichte Schrumpfpassung entsteht. Um zu verhindern, daß die abkühlungsbedingten sehr großen Schrumpfkräfte des Gleitringes 52 seine Zerstörung zur Folge haben, ist, wie aus Fig.2 ersichtlich, die Anlagefläche (Innenwandung 56) durch die Ringnut 58 unterteilt. Dadurch ergibt sich eine kleinere Abstützfläche des Gleitringes 52 auf seinem Stützring 28, so daß dadurch bei eventuell

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zu großen Schrumpfkräften, diese Abstützung "Spannungskräfte verzehrend" sich fließend verformen kann. Dadurch ist sichergestellt, daß auch bei einer eventuell zu grossen Schrumpfspannung keine Zerstörung des Gleitringes eintreten kann. Da der Gleitring 52 nicht nur radial schrumpft sondern auch ein axiales Schrumpfen erfolgt, ist hierfür das Federelement 54 vorgesehen, durch welches das axiale Schrumpfen des Gleitringes 52 unter Dichtwirkung ausgeglichen und gleichzeitig auch die radiale Einhaulage des Gleitringes 52 beibehalten wird. Durch die eingeleiteten Federkräfte des Federelementes 54 wird dabei der Gleitring 52 in seiner zentrischen Einbaulage festgehalten.

Analoge Verhältnisse finden sich erfindungsgemäß bei der Anordnung des zweiten Gleitringes 50 in Verbindung mit seiner Aufnahme 46. Als Werkstoff für die Aufnahme 46 findet Metall Verwendung, dessen Ausdehnungskoeffizient nunmehr jedoch größer ist als der des Werkstoffes, aus dem der zweite Gleitring 50 gefertigt ist. Der zweite Gleitring 50 besteht aus einem druckfesten Werkstoff, wie z.B. Oxidkeramik oder Hartmetall mit kleinerem Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zur Aufnahme 46. Bei dieser Anordnung schrumpft nun die den größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweisende Aufnahme 46 stärker als der zweite Gleitring 50, so daß dieser in Form einer festen gasdichten Schrumpfpassung von der Aufnahme 4 6 gehalten ist. Es ist selbstverständlich, daß der ausgewählte Werkstoff für den zweiten Gleitring eine solche Festigkeit aufweist, daß die von der Aufnahme 46 eingeleiteten Schrumpfkräfte aufgenommen werden und dadurch keine Zerstörung des Gleitringes erfolgt. Wenn z.B. für den zweiten Gleitring 50 als Werkstoff Oxidkeramik und für die Aufnahme 46 ein unter Belastung fließender Werkstoff, wie z.B.

Edelstahl 1.4541, verwendet wird, so entsteht nach der

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Abkühlung wegen der sehr großen Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten dieser beiden Werkstoffe das für den Betriebszustand notwendige Preßpassungsverhältnis von selbst. Dabei wird die Aufnahme 4 6 entsprechend verformt. Dieser Umstand bewirkt, daß bei der Erstellung der Paßmaße ein geringerer fertigungstechnischer Aufwand geleistet werden muß, da sich ja die Passungsverhältnisse bei der erstmaligen Inbetriebnahme der Kreiselpumpe von selbst einstellen.

Durch die erfindungsgemäße Abdichtungseinrichtung,insbesondere im Hinblick auf die vorteilhafte Auswahl der Werkstoffe in Verbindung mit den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ergeben sich aufgrund des Zusammenwirkens der einzelnen Werkstoffe bei der erstmaligen Inbetriebnahme der Pumpe sehr gute, durch das Abkühlen bewirkte Schrumpfpassungen zwischen dem ersten Gleitring und dem ihm zugeordneten Stützring 28 einerseits und dem zweiten Gleitring 50 und der Aufnahme 46 andererseits.

Durch diese Schrumpfpassungen ist gewährleistet, daß stets eine sichere Abdichtung des Innenraumes 22 der Kreiselpumpe 10 gegenüber der Umgebung gewährleistet ist. Darüber hinaus sind bei der Fertigung der Pumpenteile keine so große Anforderungen an die Passungsqualitäten dieser Teile zu stellen, da sich ja das jeweilige Passungsverhältnis (Schrumpfpassung} - wie bereits erwähnt - von selbst einstellt.

Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Abdichtungseinrichtung wurde anhand einer Kreiselpumpe erörtert. Es ist selbstverständlich und liegt im Rahmen der Erfindung, ein solches Abdichtungssystem auch überall dort einzusetzen, wo Dichtigkeitsprobleme in Verbindung mit tiefkalten Medien auftreten, so z.B. an der Welle eines Rühr-Werkes in einem Cryostaten.

Ffm.. ,9.10.,979 ₁₃₀0_21/Ο*βΟ

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Claims

Patentansprüche

Abdichtungseinrichtung für eine Kreiselpumpe zum Fördern kryogener Medien, mit einer Antriebswelle für das Laufrad sowie mit einer der Antriebswelle zugeordneten Einrichtung zur Abdichtung des Pumpengehäuses ,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Abdichtungseinrichtung (40) zwei in Wirkverbindung miteinander stehende Gleitringe (50, 52) aufweist, die von einer Aufnahme (46), bzw. einem Stützring (28) aufgenommen sind,

b) der Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffes des ersten Gleitringes (52) größer ist als der des Werkstoffes des Stützringes (28)

c) und der Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffes des zweiten Gleitringes (50) kleiner ist als

der des Werkstoffes der Aufnahme (46).
2. Abdichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß auf der Antriebswelle (20) ein Stützring (28) vorgesehen ist, der zur Halterung des ersten Gleitringes (52) dient.
3. Abdichtungseinrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß dem Gleitring (52) ein Federelement (54) zugeordnet ist, welches zwischen Stützring (28) und einer Wellenhülse (30) festgeklemmt ist.

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4. Abdichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß an der Innenwandung (56) des kreisringförmigen Gleitringes (52) eine Ringnut (58) vorgesehen ist.
5. Abdichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß der mit dem ersten Gleitring (52) zusammenwirkende zweite Gleitring (50) von einer Aufnahme (46) gehalten ist, welche über einen Faltenbalg (44) mit dem Pumpendeckel (14) verbunden ist.
6. Abdichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite Gleitring (50) aus einem druckfesten, der Schrumpfkraft der Aufnahme (46) widerstehenden Werkstoff gefertigt ist.
7. Abdichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite Gleitring (50) aus Oxidkeramik, Hartmetall oder gehärtetem Stahl besteht.
8. Abdichtungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Gleitring (52) aus Kunststoff, wie Polyäthylen, PTFE-Kunststoff, Kunstkohle oder Graphit besteht.

IT/hI ¹⁹-¹⁰-¹⁹⁷⁹ 130021/0480

EM 892 MG 1217