DE3120232A1

DE3120232A1 - Druckausgleichseinrichtung fuer den elektromotor eines gekapselten kreiselpumpen-motor-aggregates

Info

Publication number: DE3120232A1
Application number: DE3120232A
Authority: DE
Inventors: Karl 6711 Hessheim Gaffal
Original assignee: Klein Schanzlin and Becker AG
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 1981-05-21
Filing date: 1981-05-21
Publication date: 1982-12-09
Also published as: GB2099236B; GB2099236A; DE3120232C2; US4614482A

Description

Druckausgleichseinrichtung für den Elektromotor eines gekapselten Kreiselpumpen-Motor-Aggregates

Die Erfindung betrifft eine Druckausgleichseinrichtung für den flüssigkeitsgefüllten, mit einem Hochdruck-Kühlkreislauf ausgestatteten Elektromotor eines gekapselten Kreiselpumpen-Motor-Aggregates zur Förderung eines unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Mediums, wobei zwischen dem Pumpen- und dem Motorraum eine mit einem Sperrmedium beaufschlagte Gleitringdichtung angeordnet ist.

Druckausgleichseinrichtungen für Elektromotoren sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Sie wurden bisher vor allem bei Unterwassermotorpumpen eingesetzt. Die meisten Druckausgleichseinrichtungen bedienen sich eines in einer Kammer des Elektromotors angeordneten Membrankörpers, der einerseits mit dem Motorraum in Verbindung steht und von dessen FüUflüssigkeit beaufschlagt wird und der andererseits über im Motorgehäuse vorgesehene öffnungen mit oder ohne Rückschlagventile unter der Einwirkung der das Aggregat

umgebenden Flüssigkeit steht (DE-AS 11 86 141, DE-GM 18 45 und US-PS 29 62 612). D6r die Motorfüllflüssigkeit und die Außenflüssigkeit voneinander trennende Membrankörper bildet gleichsam eine elastische Wand des Motorgehäuses, über die die jeweilige Anpassung des Innendruckes an den herrschenden Außendruck vorgenommen wird. Eine weitere bekannte Druckausgleichseinrichtung (US-PS 32 41 492) besteht aus einem außerhalb des Aggregates angebrachten elastischen Behälter, der über eine Rohrleitung mit dem Motorraum in Verbindung steht. Diese zu den vorstehend genannten Ausführungen unterschiedliche Anordnung hat das gleiche Prinzip wie die innerhalb des Motors vorgesehenen Membrankörper: Ein gegenüber der Umgebung höherer Druck des Motorraumes läßt den elastischen Behälter anschwellen, ein steigender Außendruck preßt bis zum Druckausgleich Flüssigkeit aus dem elastischen Behälter zurück in den Motorraum. Anstelle eines Membrankörpers oder eines elastischen Behälters läßt sich auch eine aus Kolben und Zylinder bestehende Druckausgleichsein richtung für elektrische Tauchmotoren verwenden (DE-PS 10 50 434). Eine weitere Gemeinsamkeit der genannten Ausführungen liegt in dem Umstand, daß die Temperaturen von Motor- und Umgebungs- bzw. Förderflüssigkeit annähernd gleich sind.

Bei Kreiselpumpen-Motor-Aggregaten, die zur Förderung von unter hohem Druck und ho. ,jr Temperatur stehenden Medien, beispielsweise in der Erdölverarbeitung oder der Kohleverflüssigung eingesetzt werden, herrschen andere, ungleich schwierigere Einsatzbedingungen als bei Unterwassermotorpumpen:

Die zur Trennung des Pumpenraumes vom Motorraum notwendigen Wellendichtelemente werden bei derartigen Aggregaten vornehmlich von Gleitringdichtungen in FaltenbaIgausführung gebildet. Zum Schutz der Gleitringdichtung gegen die Einwirkung von Fremdkörpern und zur Abführung der Reibverlustwärme wird reines, gekühltes Sperrmedium in den Pumpenraum gespeist. Die Gleitringdichtung ist dabei so ausgelegt, daß sie durch die Druckdifferenz des Sperrmediumdruckes öffnet und bei Ausfall des Sperrmediums schließt.

Der flüssigkeitsgefüllte Motor ist mit einem Hochdruck-Kühlkreislauf ausgerüstet, so daß die Motorbetriebstemperatur innerhalb der zulässigen Grenzen gehalten wird. Während des Motorlaufes wird der Kühlkreislauf durch ein auf der Motorwelle angeordnetes Fördermittel, beispielsweise ein Kreiselpumpenlaufrad, aufrechterhalten. Bei abgeschaltetem Motor tritt ein vom oberen Motorraum über den Hochdruckkühler in den unteren Motorraum fließender Naturumlauf in Wirkung. Bei Ausfall des Sperrmediums und

abgeschaltetEm Motor sinkt die Temperatur der MotorFlüssigkeit aufgrund dieses Naturumlaufes, so daß in der Motorflüssigkeit über die Dichteänderung bei geschlossener Gleitringdichtung ein Unterdruck gegenüber dem Pumpenraum entsteht.

Auch bei im Betrieb befindlichen Pumpenaggregat kann durch Umschaltvorgänge in der Sperrmediumsversorgung eine Druckreduzierung im Motorraum erfolgen. Auch bei einer Änderung der Motorleistung tritt aufgrund der sich mit der Motorfüllmediumstemperatur ändernden Dichte eine Druckänderung im Motorraum ein. Die solchermaßen entstehenden Druckdifferenzen gefährden die Gleitringdichtung und das Axiallager des Motorrotors. Ohne Druckausgleichseinrichtung würde beispielsweise der den entstehenden hohen Druckdifferenzen nicht gewachsene Faltenbalg der Gleitringdichtung zerstört oder das Rotor-Axiallager überlastet werden. Nun ist aber eine Druckausgleichseinrichtung der eingangs geschilderten, bekannten Art für solche unter hohem Druck und hoher Temperatur arbeitende Aggregate ungeeignet. Ungeeignet nicht nur wegen der andersartigen örtlichen Bedingungen, sondern vor allem wegen der Tatsache, daß zwischen den beiden von der Gleitringdichtung getrennten Flüssigkeiten ein erheblicher Temperaturunterschied besteht. Ein von der Pumpen- auf die Motorseite wirkender Druckausgleich würde nämlich zwangsläufig auch die auf der Pumpenseite

herrschende höhere Temperatur auf die Motorflüssigkeit übertragen. Hieraus entstände dann die Gefahr, daß empfindliche Motorelemente mit einer schädlich hohen Temperatur belastet wurden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckausgleichseinrichtung für Kreiselpumpen-Motor-Aggregate der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Übertragung unzulässig hoher Temperaturen von der Pumpen-auf die Motorseite vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen oder mehrere auf der Außenseite mit dem Druck des Pumpenraumes beaufschlagte, an sich bekannte Faltenbalgbehälter, deren mit dem Motorraum in Verbindung stehende Innenräume mit einem der Druckerhaltung dienenden Speichervolumen gefüllt sind, wobei aus den Faltenbalgbehältern · abgezogene Flüssigkeit an einer vor dem Hochdruckkühler gelegenen Stelle in den Hochdruckkühlkreislauf eingespeist wird. Alternativ zu den Faltenbalgbehältern können aber auch mit jeweils einem Kolben ausgestattete Zylinder vorgesehen werden.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Druckausgleichseinrichtung wird sichergestellt, daß das in den Faltenbalgbehältern bzw. Zylindern befindliche Speichervolumen, welches zwangsläufig die im Pumpenraum

herrschende Temperatur angenommen hat, erst nach einem Kühlvorgang in den Motorraum gelangt. Kühl- oder Wärmedämmeinrichtungen zur Reduzierung der Speichervolumentemperautr sind nicht erforderlich. Eine einstufige Gleitringdichtung in temperaturfester Faltenbalg-Ausführung oder mit Federbelastung und temperaturfesten Sekundärdichtelementen ist bei Verwendung der erfindungsgemäßen Druckausgleichseinrichtung ausreichend. Ohne diese Einrichtung müßte eine federbelastete Gleitringdichtung zusätzlich vorgesehen werden, um im Störfall den Faltenbalg vor einer durch die hohe Stillstands-Druckdifferenz bewirkte Zerstörung zu schützen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Druckausgleichseinrichtung ergibt sich dadurch, daß die Innenräume der FaltenbaIgbehälter bzw. die mit dem Motorraum verbundenen Seiten der Zylinder mit der Zuführleitung des Sperrmediums in Verbindung stehen und Sperrmedium solchen Druckes aufnehmen, wie er zum Öffnen der Gleitringdichtung und zur Überwindung evtl. zusätzlicher Drosselbuchsen notwendig ist. Hierdurch ergibt sich ein automatisch arbeitendes System, bei dem der Druckhaltestrom dem Kühlstrom überlagert ist.

Die Faltenbalgbehälter bzw. die Zylinder werden zweckmäßigerweise in Ausnehmungen der zwischen dem Pumpen- und dem Motorraum

befindlichen Wand bzw. eines evtl. vorhandenen Wärmesperrendeckels angeordnet, wobei die Ausnehmungen über Bohrungen mit dem
Pumpenraum in Verbindung stehen. Die Bohrungen können durch . einen engen Spalt bzw. eine Filtereinlage gegen das Eindringen
von Schmutzpartikeln gesichert werden.

Eine externe Anordnung der Druckausgleichseinrichtung ist bei
Verwendung eines druckfesten Gehäuses in Verbindung mit Rohrleitungen ebenfalls möglich.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß in dem im Gehäuse des
Kreiselpumpen-Motor-Aggregates verlaufenden Kanal für die
Zuführung des Sperrmediums ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, daß bei einem Sperrmediumsausfall kein größerer Verlust an Motorflüssigkeit eintritt.

Bei kurzfristigem Ausfall der Sperrmediumsversorgung kann die
Kühlung der dann geschlossenen und Reibwärme erzeugenden
Gleitringdichtung durch einen Bypasstrom aufrechterhalten werden, der durch die Pumpwirkung des Kühlkreislaufes und evtl. zusätzlicher Hilfsfördergewinde über Schlitze, Bohrungen und "dgl. geführt wird.

-44-

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein mit der erfindungsgemäßen Druckausgleichseinrichtung ausgestattetes Kreiselpumpen-Motor-Aggregat in Schnittdarstellung, und in

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Gleitringpartie des in der Rg. 1 dargestellten Aggregates.

Im Wärmesperrendeckel 1 des Kreiselpumpen-Motor-Aggregates, der auch den Abschluß des Druckgefäßes 2 darstellt, in welches das Pumpenteil eingesteckt ist, ist ein Faltenbalgbehälter 3 angeordnet. Der Faltenbalgbehälter 3 befindet sich in einer Kammer 4 des Wärmesperrendeckels 1, er steht über eine Bohrung 5 mit dem Pumpenraum 6 in Verbindung. Zur Vermeidung einer Fremdkörpei— einschleusung ist die Bohrung 5 mit einer Filtereinlage 7 versehen.

Der in axialer Richtung bewegliche Faltenbalgbehälter 3 ist mit einem Deckel 8 und einer Bodenplatte 9 dicht verschweißt. Der Faltenbalgbehälter 3 kann mit Hilfe der Bodenplatte 9 dichtend in den Wärmesperredeckel 1 eingeschraubt oder im Zusammenwirken mit einem Kühldeckel 10 eingeklemmt werden. Der Innenraum des

Faltenbalgbehälters 3 nimmt das zur Druckerhaltung im Motorraum notwendige Speichervolamen auf. Zwischen dem Innenraum des Faltenbalgbehälters 3 und dem Motorraum 11 besteht allerdings keine direkte Verbindung.

Bei einem Abfall des Druckes inn Motorraum 11, der beispielsweise durch einen Sperrmediumausfall verursacht werden kann, wird der dem Druck des Pumpenraumes 6 ausgesetzte Faltenbalgbehälter 3 um einen der Druckdifferenz entsprechenden Betrag zusammengedrückt. Dabei gibt er einen Teil seines Speichervolumens ab. Aus dem Faltenbalgbehälter 3 austretendes Medium gelangt über eine Bohrung 12, einen Kanal 13, einen Ringkanal 14 und eine Bohrung 15 in den Hochdruck-Kühlkreislauf des Kreiselpumpen-Motor-Aggregates. Der von einer Pumpen-Axiallagerspurscheibe 16 betriebene Kühlkreislauf führt vom Kühldeckel 10 über eine Bohrung 17 und eine Rohrleitung zum Hochdruckkühler 19 und von dort über eine Rohrleitung 20, das untere Lagergehäuse 21 und die Pumpen-Axiallagerspurscheibe 16 in den Motorraum 11 . Aufgrund einer besonderen Ausführung und Anordnung des Hochdruckkühlers 19 bildet sich bei abgeschaltetem Elektromotor ein Naturumlauf in der gleichen Strömungsrichtung. Somit wird bei einem Druckabfall das heiße Speichervolumen des Faltenbalgbehälters 3 automatisch über den Hochdruckkühler 19 geleitet, bevor es in den Motorraum 11 gelangt.

Die Füllung des Faltenbalgbehalters 3 mit einem Speichervolumen erfolgt bei aus- und bei eingeschaltetem Aggregat über die
Sperrmediumversorgung für die Gleitringdichtung 22. Die Zufuhr des Sperrmediums verläuft über eine Rohrleitung 23, eine
Bohrung 24, ein Rückschlagventil 25 und den Kanal 13. Vom
Kanal 13 zweigt einerseits die bereits angesprochene Bohrung 12 ab, die zum Innenraum des Faltenbalgbehalters 3 führt, andererseits zweigt eine Bohrung 26 ab, über die die Gleitringdichtung 22 mit Sperrmedium versorgt wird.

Die Gleitringdichtung 22 ist so ausgelegt, daß sie bei höherem
Druck auf der Motorseite öffnet und einen Sperrstrom durchläßt. Bei Ausfall des Sperrstromes schließt die Gleitringdichtung 22
und dichtet den Pumpenraum 6 und den Motorraum 11 gegeneinander ab. Die zum Öffnen der Gleitringdichtung 22 und nachgeschalteter Drosselspalte 23 nötige Druckdifferenz führt zum Ausdehnvorgang der Faltenbalgbehälter 3 und zum Auffüllen derselben mit sauberem Sperrmedium.

Das der Bohrung 23 nachgeschaltete Rückschlagventil 25 schützt gegen einen größeren Verlust an Motorflüssigkeit bei einem
Sperrmediumausfall. Bei kurzfristigem Ausfall der Sperrmediumversorgung wird die Kühlung der dann geschlossenen, und Reibwärme

erzeugenden Gleitringdichtung 22 durch einen Bypasstrom aufrechterhalten. Der Weg dlsses Bypasstromes fuhrt über Schlitze 28, einen Spalt 29 zwischen der Welle 30 des Aggregates und einer Wellenhülse 31 und über Bohrungen 32 zur Gleitringdichtung 22 und von dort zurück zu den Kühlkanälen des Kühldeckels 13. Die Förderwirkung der Bohrungen 32 wirkt sich dabei unterstützend auf die Pumpwirkung des Hochdruck-Kühlkreislaufes aus.

-IS-

Lee rs ei te

Claims

Klein, Schanzlin & Becker Aktiengesellschaft

Patentansprüche

f 1 . ADruckausgleichseinrichtung für den flüssigkeitsgefüllten, mit einem Hochdruck-Kühlkreislauf ausgestatteten Elektromotor eines gekapselten Kreiselpumpen-Motoi—Aggregates zur Förderung eines unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Mediums, wobei zwischen dem Pumpen- und dem Motorraum eine mit einem Sperrmedium beaufschlagte Gleitringdichtung angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen oder mehrere auf der Außenseite mit dem Druck des Pumpenraumes (6) beaufschlagte, an sich bekannte Faltenbalgbehälter (3), deren mit dem Motorraum (11) in Verbindung stehende Innenräume mit einem der Druckerhaltung dienenden Speichervolumen gefüllt sind, wobei aus den Faltenbalgbehältern (3) abgezogene Flüssigkeit an einer vor dem Hochdruckkühler (19) gelegenen Stelle in den Hochdruckkreislauf eingespeist wird.
2. Druckausgleichsein rtchtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, gekennzeichnet durch einen oder mehrere, mit jeweils einem Kolben ausgestattete Zylinder, welche auf der einen Seite mit dem Pumpenraum (6) und auf der anderen Seite mit dem Motoi— raum (11) in Verbindung stehen, wobei die Zylinder mit einem der Druckerhaltung im Motorraum (11) dienenden Speichervolumen gefüllt sind und aus den Zylindern abgezogene Flüssigkeit an einer vor dem Hochdruckkühler (19) gelegenen Stelle in den Hochdruckkreislauf eingespeist wird.
3. Druckausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenräume der Faltenbalgbehälter (3) bzw. die mit dem Motorraum (11) verbundenen Seiten der Zylinder mit der Zuführleitung (23) des Sperrmediums in Verbindung stehen und Sperrmedium solchen Druckes aufnehmen, wie er zum Öffnen der Gleitringdichtung (22) und zur Überwindung evtl. zusätzlicher Drosselspalte (27) notwendig ist.
4. Druckausgleichseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltenbalgbehälter (3) in Kammern (4) der zwischen dem Pumpen- und dem Motorraum (6, 11) befindlichen Wand bzw. eines evtl. vorhandenen Wärmesperrendeckels (1) angeordnet sind, wobei die Kammern (4) über Bohrungen (5) mit dem Pumpenraum (6) in Verbindung stehen.
5. Druckausgleichseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder in der zwischen dem Pumpen- und dem Motorraum (6, 11) befindlichen Wand bzw. in einem evtl. vorhandenen Wärmesperrendeckel (1) angeordnet sind und über Bohrungen mit Pumpen- und Motorraum (6, 11) in Verbindung stehen.
6. Druckausgleichseinrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Pumpenraum (6) zu den Kammern (4) bzw. den Zylindern führenden Bohrungen (5) durch einen engen Spalt bzw. eine Filtereinlage (7) gegen das Eindringen von Schmutzpartikeln gesichert sind.
7. Druckausgleichseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem im Gehäuse des Kreiselpumpen-Motor-Aggregates verlaufenden Kanal (24) für die Zuführung des Sperrmediums ein Rückschlagventil (25) vorgesehen ist.
8. Druckausgleichseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Anordnung von Schlitzen, Spalten, Bohrungen (28, 29, 32) und dgl. zur Aufrechterhaltung eines durch die Pumpwirkung des Kühlkreislaufes und evtl. zusätzlicher Hilfsfördergewinde erzwungenen Bypassstromes bei Ausfall der Sperrmediumsversorgung.