DE3804183A1 - Wellendichtung fuer kreiselpumpen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Wellendichtungen bei Kreiselpumpen werden je nach Wellen­ umfangsgeschwindigkeit, Abdichtdruck, Temperatur und Dampfdruckcharakteristik des abzudichtenden Mediums als Packungs- oder Gleitringdichtung ausgeführt. In beiden Ausführungen, jedoch vor allem bei Gleitringdichtungen, wird ein Drosselverhalten angestrebt, das bei kleinster Mediumsleckage und größtmöglicher Lebensdauer der Gleitringdichtung nur geringe Aufwendungen für den Betrieb verursacht, wobei vor allem auf niedrige Energieverluste Wert gelegt wird.

Bei der Abdichtung von Heißwasser bis zu 200°C wurden Gleitringdichtungen bisher mit einer Kühlung betrieben. Aufgrund der Kühlung ergab sich eine Temperatur in der Umgebung einer solchen Gleitringdichtung, die keine Wärme­ belastung der Gleitringdichtung und keine nennenswerte Beeinträchtigung der Lebensdauer der einzelnen Dichtungsteile erbrachte. In Anbetracht der Folgen, die ein eventueller Betriebsausfall verursacht, ist die Kühlung von Gleitring­ dichtungen auch solange unumgänglich, als sie die einzige Möglichkeit der Sicherstellung von Funktion und Lebensdauer einer Gleitringdichtung bietet.

Der für die Kühlung einer Gleitringdichtung zu treibende Aufwand ist allerdings recht hoch. Die notwendige Rohr­ installation, die Bereitstellung eines Kühlmediums, Kühl- und Überwachungseinrichtungen, die besondere Gestaltung der kühlbaren Kreiselpumpendichtungspartie und der unvermeidliche Energieentzug verursachen hohe Kosten. Es wird deshalb nach Möglichkeiten gesucht, die die genannten, für die Kühlung der Gleitringdichtung aufzubringenden Mittel verzichtbar machen.

Bei der Suche nach einem ohne aufwendige Kühleinrichtungen auskommenden System ist die Bedingung zu beachten, daß auf der druckbelasteten Seite des Drosselspaltes der Gleitring­ dichtung ein genügend hoher NPEH-Wert vorhanden sein muß (NPEH = Net Positive Entrance Head). Der NPEH-Wert ist aber in seiner Höhe abhängig von einer Vielzahl von Parametern. Hierzu zählen die Betriebsdaten der Gleitringdichtung, wie Druckdifferenz und Umfangsgeschwindigkeit. Zu berücksichtigen sind ferner der Einbauraum und die Art der Gleitringdichtung, also deren Material und Dichtungskonzept, wie Anpreßdruck, Entlastungsgrad, Dichtspaltgeometrie, Tragehilfen, Druckverlauf und Lässigkeit.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Wellendichtung zu schaffen, die bei Berücksichtigung der aufgezeigten Bedingungen eine externe Kühleinrichtung über­ flüssig macht, bei der aber dennoch für die Abführung der in der Gleitringdichtung entstehenden Reibungswärme und eventuell anfallender Schmutz- bzw. Verschleißteilchen während einer insgesamt hohen Lebensdauer gesorgt ist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die in den beiden ersten Ansprüchen genannten Alternativen.

Bei der Erfindung wurde ausgegangen von den bekannten einfachwirkenden Gleitringdichtungen, bei denen ein vom Pumpmedium gebildeter Zirkulationsstrom in die Dichtungskammer eingeführt und zur Pumpenseite hin abgeführt wird. Bei den bekannten Dichtungsausführungen ist dieser Zirkulationsstrom allerdings sehr groß, da er meist ungehindert oder nur von einem dem Pumpenraum unmittelbar vorgeschalteten Drosselspalt beeinflußt ins Pumpeninnere abfließen kann. Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer weiteren Dichtung wird die Leckage entscheidend begrenzt. Der zur Abführung der Reibungswärme und eventuell vorhandener Schmutzpartikel notwendige Minimalstrom wird bei der einen Alternative, der hydrodynamischen Gleitringdichtung, durch einen die Dichtungskammer mit dem Pumpeninneren verbindenden Bypass und in der anderen Alternative, der hydrostatischen Dichtung, durch eine definierte Leckage dieser Dichtung verwirklicht. Darüber hinaus kann aber auch die hydrostatische Dichtung mit einem sie überbrückenden Bypass versehen sein.

Eine geregelte Anpassung an sich ändernde Betriebszustände und eine zusätzliche Sicherheit gegen ein Verstopfen des Bypasses wird in Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß der Bypass außer einem ständig geöffnetem Durchfluß­ querschnitt einen zusätzlichen, durch ein bei erhöhtem Druck und/oder Temperatur ansprechendes Ventil zu verschließenden Öffnungsquerschnitt besitzt. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Anhand verschiedener Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es sind drei alternative Wellendichtungen dargestellt, bei denen jeweils eine einfachwirkende hydrodynamische Gleitringdichtung durch eine weitere Dichtung mit einer gezielten Leckage ergänzt wird.

In der Ausführung der Fig. 1 wird die weitere Dichtung durch eine hydrostatische Gleitringdichtung gebildet; bei der Wellendichtung der Fig. 2 ist die zweite Dichtung eine hydrostatische Radialdichtung, während beim Ausführungs­ beispiel der Fig. 3 zum Pumpeninneren hin eine hydrodynamische Gleitringdichtung angeordnet ist, welche durch einen Bypass überbrückt wird.

Die auf einer Welle (1) und in einem Pumpengehäuse (2) angeordnete Wellendichtung der Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einer atmosphärenseitig angeordneten hydrodynamischen Gleitringdichtung mit einem feststehenden Gleitring (3) und einem umlaufenden Gleitring (4) und einer an der Pumpeninnen­ seite vorgesehenen hydrostatischen Gleitringdichtung mit einem feststehenden Gleitring (5) und einem umlaufenden Gleitring (6). Die Gleitringe (3 bis 6) sind in einer Dichtungskammer (7) angeordnet, deren Außenwand im wesentlichen von einer Hülse (8) gebildet wird. In die Dichtungskammer (7) mündet eine Druckleitung (9), über welche vom Druckstutzen der Kreiselpumpe kommendes Förder­ medium zwischen die beiden Gleitringdichtungen (3, 4) und (5, 6) geleitet wird. Hierdurch wird der für die Funktion der hydrodynamischen Gleitringdichtung (3, 4) notwendige NPEH-Wert bereitgestellt. Die hydrostatische Gleitring­ dichtung (5, 6) staut diesen Druck berührungsfrei an; aufgrund einer definierten Leckage über den zwischen den Gleitringen (5, 6) gebildeten Drosselspalt (10) wird ein kleiner aber für die Kühlung und Abführung von Schmutzpartikeln ausreichender Zirkulationsstrom in das Innere der Kreiselpumpe geleitet.

Die Fähigkeit einer hydrostatischen Gleitringdichtung, ihren Dichtspalt stabil und selbstregelnd konstant zu halten, ist eine entscheidende Voraussetzung für die Wirkung dieser erfindungsgemäßen Lösung, nämlich bei geringster Zirkulation den NPEH-Wert vor dem Spalt der hydrodynamischen Gleitring­ dichtung (3, 4) auf Dauer sicherzustellen. Es ist hierdurch möglich, extrem enge Spalte zwischen den Gleitringen (3, 4) zu realisieren, ohne das Risiko eines Anlaufens oder einer Spalterweiterung in Kauf nehmen zu müssen.

Die Fig. 2 zeigt eine der Ausführung der Fig. 1 entsprechende Lösung. Anstelle einer axialen hydrostatischen Gleitring­ dichtung wird bei der Wellendichtung der Fig. 2 allerdings eine hydrostatische Radialdichtung (11) verwendet, die mit der Welle (1) einen Radialspalt (12) bildet. Prinzipiell hat dieser Spalt (12) die gleiche Funktion wie der Drosselspalt (10) in der hydrostatischen Axialdichtung der Fig. 1.

Die Wellendichtung der Fig. 3 umfaßt zwei hydrodynamische Gleitringdichtungen in einer Anordnung, wie sie prinzipiell von den doppeltwirkenden Gleitringdichtungen mit Fremdspülung her bekannt ist. Im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Ausführung wird jedoch bei den doppeltwirkenden Gleitring­ dichtungen das Spülmedium über eine zweite Öffnung aus der Dichtungskammer abgeführt und in einem Zwangskreislauf über einen Kühler und mögliche weitere Einrichtungen, z. B. ein Filter, geleitet. Dort ist also der durch die vorliegende Erfindung beseitigte Nachteil der externen Kühleinrichtung noch gegeben.

Wesentlicher Bestandteil der Wellendichtung der Fig. 3 ist neben den atmosphärenseitigen Gleitringen (13, 14) und den produktseitigen Gleitringen (15, 16) der durch eine Öffnung (17) in der Hülse (8) und einer gehäuseseitigen Bohrung (18) gebildete Bypass zur Gleitringdichtung (15, 16). Dieser Bypass ist geeignet, durch Abführung einer geringen Leckage einen ständigen Zirkulationsstrom aufrechtzuerhalten, der für die Kühlung der Gleitringe (13, 14) und (15, 16) und zur Abführung von Schmutzpartikeln aus der Dichtungskammer (7) ausreicht.

Um den aus der Dichtungskammer (7) abgeführten Leckstrom auf ein Minimum zu begrenzen, können an der Öffnung (17) und/oder der Bohrung (18) noch Ventilelemente vorgesehen werden, die bei ihrer geringsten Öffnung, d. h. bei Normalbetrieb, eine Minimalleckage durchlassen, die aber bei einer Störung mit einer Erweiterung der Öffnung, also einer erhöhten Leckage­ abfuhr reagieren. Dadurch werden bei einer Störung entstehende zusätzliche Wärme bzw. vorhandene Schmutz- oder Verschleißpartikel problemlos abgeführt.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 werden die Öffnung (17) und die Bohrung (18) durch Bimetallringe (19) und (20) teilweise abgedeckt. Dabei ist der Bimetallring (19) so geartet, daß er sich bei unzulässiger Erwärmung oder unzulässigem Druckaufbau in der Dichtungskammer (7) aufweitet, während der Bimetallring (20) sich bei gleichen Bedingungen zusammen­ zieht. Die Ausdehnung bzw. Schrumpfung der Bimetallringe (19, 20) kann dabei in Abhängigkeit von der Temperatur proportional und/oder mit einem Schnappeffekt erfolgen.

Die Öffnung (17) und die Bohrung (18) sind an dem der Druckleitung (9) entgegengesetzten Ende mit tangentialer Komponente so angeordnet, daß der axial in Umfangsrichtung der rotierenden Wellendichtung auf die Bohrungen zuströmende Zirkulationsstrom von ihnen wie eine Stausonde aufgenommen wird.

Zur Verbesserung einer Abführung von Schmutzteilchen kann sich die Dichtungskammer (7) in Richtung auf den Bypass konisch erweitern. Außerdem kann in der Hülse (8), d. h. also in der Wand der Dichtungskammer (7) ein zum Bypass hinführender Schraubengang (21) vorgesehen sein. Im Zirkulationsstrom enthaltene Schmutzpartikel werden so dem Bypass zugeleitet. Schließlich können sich die den Bypass bildende Öffnung (17) und die Bohrung (18) in Durchström­ richtung erweitern, was einem Festklemmen von Schmutzpartikeln entgegenwirkt.

In der Zuführleitung (9) zum Dichtungsraum (7) kann ein Druckminderer vorgesehen werden, der unabhängig von einem schwankenden Entnahmedruck, z. B. im Druckstutzen der Kreiselpumpe, immer einen konstanten Druck in die Dichtungs­ kammer (7) einspeist.

Claims (17)

1. Wellendichtung für Kreiselpumpen, bestehend aus einer einfachwirkenden, atmosphärenseitig angeordneten hydrodynamischen Gleitringdichtung und einer weiteren pumpenseitig angeordneten Dichtung, wobei in die zwischen den beiden Dichtungen befindliche Dichtungskammer ein der Kühlung und der Abführung von Schmutzteilchen dienender Zirkulationsstrom eingeleitet wird, welcher über eine gezielte Leckage zur Pumpenseite hin abgeführt wird, gekennzeichnet durch eine in bekannter Weise auf der Pumpenseite angeordnete hydrodynamische Gleitringdichtung (15, 16), welche durch einen die Dichtungskammer (7) mit dem Pumpeninneren verbindenden, der gezielten Leckage dienenden Bypass (17, 18) überbrückt wird.

2. Wellendichtung nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1, gekennzeichnet durch eine auf der Pumpenseite angeordnete an sich bekannte hydrostatische Dichtung (5, 6, 11) mit einer dem Zirkulationsstrom dienenden definierten Leckage.

3. Wellendichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte hydrostatische Gleitringdichtung (5, 6).

4. Wellendichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte hydrostatische Radialdichtung (11).

5. Wellendichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen die hydrostatische Dichtung (5, 6, 11) überbrückenden Bypass, der die Dichtungskammer (7) mit dem Pumpeninneren verbindet.

6. Wellendichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass durch einen in der Wand der Dichtungskammer (7) und/oder des Kreiselpumpengehäuses verlaufenden Kanal (17, 18) gebildet wird.

7. Wellendichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außer den einer ständigen Leckage dienenden Durchflußquerschnitten ein zusätzlicher, durch ein bei erhöhtem Druck und/oder Temperatur ansprechendes Ventil zu öffnender Durchlaß vorhanden ist.

8. Wellendichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einlaß- und/oder der Auslaßöffnung des Bypasses (17, 18) jeweils ein als Ventil wirkendes, bei erhöhter Temperatur mit vergrößertem Öffnungsgrad reagierendes Bimetallelement (19, 20) angeordnet ist.

9. Wellendichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der über einen Mindestquerschnitt hinausgehende Öffnungsquerschnitt des Bypasses (17, 18) durch ein druckabhängiges Sicherheits­ ventil gebildet wird.

10. Wellendichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Bypass bildenden Öffnungen (17) und/oder Bohrungen (18) an dem der Druckeinleitung entgegengesetzten Ende der Dichtungs­ kammer (7) angeordnet sind.

11. Wellendichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Bypass bildenden Öffnungen (17) und/oder Bohrungen (18) mit einer tangentialen Komponente so angeordnet sind, daß sie für den axial in Umfangsrichtung der rotierenden Wellendichtung zuströmenden Zirkulationsstrom als Stausonden wirken.

12. Wellendichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die den Bypass bildenden Öffnungen (17) und/oder Bohrungen (18) in Durchströmrichtung erweitern.

13. Wellendichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine der Ableitung von Schmutzteilchen in Richtung auf den Bypass fördernde Gestaltung der Dichtungskammer (7).

14. Wellendichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dichtungskammer (7) zum Bypass (17, 18) hin konisch erweitert.

15. Wellendichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen in der Wand der Dichtungskammer (7) angeordneten, zum Bypass (17, 18) hinführenden Schraubengang (21).

16. Wellendichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in der Wand des Dichtungsgehäuses angeordnete, von außen zugängliche Justiereinrichtung für die den Bypass (17, 18) mit unterschiedlichem Öffnungsgrad überdeckende Ventilein­ richtung (19, 20).

17. Wellendichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen in der zur Dichtungskammer (7) führenden Druckleitung (9) angeordneten Druckminderer.