DE2945932C2 - Abdichtungseinrichtung - Google Patents

Description

a) der erste Gleitring (52) von einem Stützring (28) und der zweite Gleitring (50) von einer Aufnahme (46) aufgenommen ist,

b) der Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffes des ersten Gleitringes (52) größer ist als der des Werkstoffes des Stützringes (28) '⁵

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 der Stützring (28), der zur Halterung des ersten Gleitringes (52) dient, auf der umlaufenden Welle (20) vorgesehen ist.

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.

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.

55

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gleitringabdichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-AS 27 11 344 ist eine Abdichtungseinrichtung bekannt, die für Betriebsbedingungen mit sich schockartig ändernden Temperaturen vorgesehen ist.

Abdichtungseinrichtungen, die im Zusammenhang mit kryogenen Medien zur Anwendung gelangen sollen, erfordern im Betrieb Werkstoffe, die trotz hoher Gleitgeschwindigkeiten verschleißarm sind und keine ^b5 Neigung zum »Fressen« zeigen.

Bei derartigen Vorrichtungen ist die Montagegeometrie der Einzelemenete jedoch nicht identisch mit der Geometrie im Betriebszustand.

Die Temperaturdifferenz von ca. 220⁰C (Bereich von +20⁰C bis -20O⁰C) bewirkt — selbst ohne Berücksichtigung verschiedener Temperaturzeitverhalten, bedingt durch unterschiedliche Massen und Oberflächen — Spannungen durch Formänderungen, wenn, wie im Bereich der Gleitringdichtung, unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden müssen.

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

Es wurde auch vorgeschlagen, Kreiselpumpen für die Förderung von kryogenen Medien mit Gleitringdichtungen auszurüsten, welche durch Kleben befestigt sind. Beim Einsatz dieser Pumpen zur Förderung der kryogenen Medien stellen jedoch diese Klebeverbindungen Schwachstellen dar, da die Klebeverbindung durch den häufigen Temperaturwechsel (Temperaturdifferenz bis zu 220⁰C) 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 Gleitringabdichtung von Wellen im Zusammenhang mit kryogenen Medien, wie sie z. B. bei entsprechenden Kreiselpumpen auftreten, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abdicht-Einrichtung für umlaufende Wellen gegenüber einem Gehäuse zu konzipieren, die trotz der enormen Temperaturunterschiede stets eine sichere Dichtung bewirkt und darüber hinaus auch, aufgrund der geringen Verschleißeigenschaften, eine große Standzeit aufweist Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Bei der aus der US-PS 29 95 390 bekannten Befestigungsanordnung für Ringe und Scheiben mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten für Stütz- und Gleitring werden die durch unterschiedliche Temperaturdifferenzen erzeugten Spannungen nicht kräftefrei von den Konstruktionselementen aufgenommen.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Gleitringabdichtung ist dagegen eine spannungsfreie Konstruktion sichergestellt, bei der außerdem die im Betrieb entstehende Abkühlung die notwendigen Montagespiele, die bei einfachster Montagemethode sinnvoll sind, nicht nur ausgleichen sondern auch eine funktionssichere Schrumpfbefestigung (d. h. Schrumpfpassung) entstehen läßt. Wenn 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, da nach der ersten Abkühlung ein Anpassungsprozeß stattgefunden hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand einer Kreiselpumpe zum Fördern kryogener Medien in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht einer Kreiselpumpe mit der erfindungsgemäßen Abdichtung;

Fig.2 im vergrößerten Maßstab die Anordnung der erfindungsgemäßen Abdichtungselemente in dieser .-'reiselpumpe.

In Fig. 1 ist eine Kreiselpumpe 10 zum Fördern kryogener 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.

Das Zwischenstück 16 ist — wie ersichtlich — durch mehrere Schraubverbindungen 18 mediumdicht mit dem Gehäuse verbunden. Der zentrisch angeordnete Pumpendeckel 14 dient zur Aufnahme und Führung einer Antriebswelle 20, die mit dem nicht dargestellten Antriebsmotor verbunden ist Das dem Motor abgewandte Ende der Antriebswelle 20 ragt in den Innenraum 22 des Pumpengehäuses 12 und dient dort zur Aufnahme eines Laufrades 24. Die Befestigung des Laufrades 24 erfolgt über eine Gewindeverbindung 26, durch die das Laufrad 24 so weit auf die Welle aufgeschraubt wird, bis es zur Anlage an einen Stützring 28 kommt. Der Stützring 28 selbst ist an einer Axialbewegung durch eine Wellenhülse 30 gehindert, die an einer Schulter 32 der Antriebswelle 20 anliegt. Anstelle einer Wellenhülse 30 kann aber auch der Stützring 28 direkt an einer Schulter oder an einem Wellenbund anliegen.

Die Verspannung des Laufrades 24 auf der Antriebswelle 20 erfolgt durch einen sogenannten Inducer 34, der auf das untere Ende der Antriebswelle 20 fes¹ aufgeschraubt ist.

Durch diese Art der Konstruktion ist eine sichere Anordnung des Laufrades 24 auf der Antriebswelle 20 gewährleistet.

Wie F i g. 1 zeigt, ist die Antriebswelle 20 bei ihrem Durchgang durch die Wellenöffnung 36 im Pumpendekkel 14 durch zwei Dichtungen 38 abgedichtet. Diese Dichtung 38 reicht jedoch nicht aus, um den Innenraum 22 der Kreiselpumpe 10 gegenüber der Umgebung wirkungsvoll abzudichten, sondern wirkt als eine Art Schmutzfänger und verhindert weiterhin das Eindringen von Feuchtigkeit.

Zur Abdichtung des Innenraumes 22 gegenüber der Umgebung ist im Bereich der Antriebswelle 20 eine spezielle Abdichtungseinrichtung 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 F i g. 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 F i g. 2 — vertikalen Abschnitt des Stützringes 28, reduziert wird.

Wie eingangs erwähnt, dient die vorstehend in ihrem

Aufbau beschriebene Kreiselpumpe zum Fördern kryogener Medien, so daß die Pumpe einem Tempera-

to turbereich von ca. 220° (von +20° bis -20O⁰C) während ihres Betriebes ausgesetzt 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

jo 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

J5 den Gleitring 52 verwendet, im Gegensatz zum Stützring 28, so daß bei der Inbetriebnahme der Kreiselpumpe und der dadurch bedingten großen Abkühlung auf ca. — 200⁰C der Gleitring 52 sich wesentlich stärker zusammenzieht, als der ihn aufneh-

■") mende 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 F i g. 2 ersichtlich, die Anlagefläche

■>ϊ (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 zu großen Schrumpfkräften, diese Abstützung »Spannungskräfte verzehrend« sich flie-

i» Bend verformen kann. Dadurch ist sichergestellt, daß auch bei einer eventuell zu großen Schrumpfspannung keine Zerstörung des Gleitringes 52 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 Einbaulage des Gleitringes 52 beibehalten wird. Durch die eingeleiteten Federkräfte des Federelementes 54 wird dabei der Gleilring 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 Gleilring 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 46 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 üic Aufnahme 46 ein unier Belastung fließender Werkstoff, wie z.B. Edelstahl 1.4541, verwendet wird, so entsteht nach der Abkühlung wegen der sehr großen Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten dieser beiden Werkstoffe das für den Betriebszustand notwendige Preßpassungsverhältnis von selbst. Dabei wird die Aufnahme 46 entsprechend verfonnL 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 52 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 Pumpenteiie 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 Rührwerkes in einem Cryostaten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Gleitringabdichtung einer umlaufenden Welle gegenüber einem Gehäuse zur Verwendung im Zusammenhang mit kryogenen Medien, mit zwei in Wirkverbindung miteinander stehenden Gleitringen, dadurch gekennzeichnet, daß