DE4414719A1 - Vorrichtung zur Wellenabdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wellenabdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für Zentrifugalpumpen mit mechani­ schen planparallelen Dichtungen, die ein in radialer Richtung äußeres, festge­ legtes Teil (Sitz) und ein in radialer Richtung inneres Teil, das mit der Welle rotiert, aufweisen. Die zusammenwirkenden Dichtungsoberflächen dieser Teile sind sehr glatt und müssen mittels des Pumpmediums oder einer von außen zugeführten Flüssigkeit gekühlt werden. Die Flüssigkeit bildet auch einen Flüs­ sigkeitsfilm zwischen den Dichtungsoberflächen, so daß diese nicht in direktem Kontakt zueinander stehen.

Planparalle Dichtungen erlauben ein geringes Durchsickern (Leckage) zwischen den Dichtungsflächen (im allgemeinen nicht sichtbar, da die Flüssigkeit verdun­ stet), so daß sich Verunreinigungen, insbesondere auskristallisierte Salze, auf der Außenseite der Dichtung ansammeln mit der Gefahr, daß das festgelegte Teil mit der Welle rotiert, oder daß die Dichtungsflächen voneinander wegge­ drängt werden mit der Folge, daß das Pumpmedium durchsickert. Um dies zu verhindern, wird die Außenseite der Dichtung mit einer sog. Lösch- oder Spül­ flüssigkeit durch Spülen gereinigt, wobei es sich im allgemeinen um reines Wasser handelt. Damit dieses Löschwasser nicht unkontrolliert nach außen spritzen kann, ist die Dichtungsvorrichtung mit einer sog. sekundären Dichtung versehen, die in ihrer einfachsten Form als ein radialer Dichtungsring ausgebil­ det sein kann. Labyrinthdichtungen und sog. Lippendichtungen und Stopfbuch­ sen mit Buchsenumrandungen oder Graphitringen können gleichfalls verwendet werden. All diese Dichtungsringe und Stopfbuchsen erfordern eine konti­ nuierliche Versorgung mit Flüssigkeit zur Schmierung und Kühlung, aber trotz­ dem nutzen sie nach einer relativ kurzen Zeit ab und werden undicht. Die se­ kundäre Dichtung kann auch aus einer weiteren mechanischen planparallelen Dichtung bestehen (mechanische planparallele Doppel-Dichtung). Die mecha­ nische planparallele Doppel-Dichtung ist erheblich teurer und erfordert aufgrund ihrer Gestaltung oft Überdruck in dem Dichtungsgehäuse, in dem sie montiert ist. Bei dieser Gestaltung wirkt sich eine Fehlmenge an Dichtungswasser kata­ strophal aus, da die innere Dichtung weggedrängt werden kann mit der Folge des Durchsickerns des Pumpmediums, so daß die äußere Dichtung trockenläuft und innerhalb einer sehr kurzen Zeit überhitzt wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Wellenabdichtungs-Vorrichtung, insbe­ sondere durch mechanische planparallele Dichtungen, zu schaffen, die sowohl nur sehr geringe Mengen an Spül- oder Löschflüssigkeit zum Kühlen und Schmieren der mechanischen planparallelen Dichtung benötigt als auch den Austritt einer großen Menge an Pumpmedium pro Zeiteinheit zuläßt, falls die planparallele Dichtung undicht wird oder sogar zusammenbricht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebe­ nen Merkmale gelöst.

Durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist sichergestellt, daß die Spül­ flüssigkeit eine lange Zeit zwischen der primären und der sekundären Dichtung verbleibt und somit effizient genutzt wird. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung benötigt nur sehr wenig Löschwasser, da es sorgfältig reguliert wird. Die mögliche Einsparung an Wasser bei kontinuierlicher Ablöschung kann zwi­ schen 75% und 90% betragen. Falls eine kontinuierliche Ablöschung nicht erforderlich ist, z. B. um die auskristallisierten Salze auf der Außenseite der planparallelen Dichtung abzuspülen, ist es möglich, in Intervallen zu spülen, z. B. 10 Sek. alle 2 Min., und somit weiteres Dichtungswasser zu sparen. Bei Einsatz einer Vorrichtung gemäß der Erfindung können die intermittierenden Spülungen auf bis zu 10 Sek. alle 10 Stunden reduziert werden, was eine Einsparung von 99,97% der Löschflüssigkeit bedeutet.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung gemäß der Erfin­ dung als ein Dichtungsblock gemäß des Anspruchs 9 ausgebildet. Es ist möglich, den gleichen Block für Gegebenheiten mit oder ohne Ablöschung zu verwenden, was bedeutet, daß eine geringere Anzahl an Ersatzteilen am Lager gehalten werden kann. Der Block hat keine beweglichen Teile und keine Teile, die der Abnutzung unterworfen sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung und der Zeichnung, in der schematisch einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt, der die wichtigsten Teile eines Dich­ tungsblocks gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt;

Fig. 2a einen axialen Schnitt analog zu Fig. 1 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2b einen radialen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2a;

Fig. 3a und 3b Schnitte analog zu denen in Fig. 2a und 2b bei einem dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 einen radialen Schnitt bei einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5a und 5b Schnitte analog zu denen in Fig. 2a und 2b bei einem fünften Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 einen radialen Querschnitt bei einem sechsten Ausführungs­ beispiel der Erfindung.

In allen Figuren bezeichnen dieselben Bezugszahlen gleiche oder ähnliche (analoge) Details.

In Fig. 1 ist ein Dichtungsgehäuse 1 dargestellt, welches das Gehäuse eines im ganzen mit 2 bezeichneten Dichtungsblocks ist. Mit 3 ist eine Welle bezeichnet, insbesondere eine Pumpenwelle, 4 ist das Teil einer mechanischen planparal­ lele Dichtung, das zusammen mit der Welle rotiert, und das zugehörige, festge­ legte, nichtrotierende Teil (Sitz) ist mit 5 bezeichnet, während 7 eine sekundäre Dichtung in Form einer Labyrinthdichtung angibt. Mit 8 ist bezeichnet eine Sammelkammer für die Spül- oder Löschflüssigkeit (gewöhnlich Wasser), das durch eine Einlaßöffnung 9 zugeführt wird, und für das Pumpmedium oder dgl., das entlang der Welle 3 durch die planparallelen Dichtungen 4, 5 durchsickert. Gemäß der Erfindung ist eine Sammelkammer in dem gezeigten Ausführungs­ beispiel in zwei Bereiche 8a, 8b mittels einer gemeinsamen Trennwand 12 geteilt, wobei die Bereiche einen gemeinsamen Drainagedurchgang 13 und eine gemeinsame Auslaßöffnung 14 aufweisen. Innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung kann die Zahl der Trennwände, der Drainagedurchgänge und der Auslaßöffnungen mehr als eins betragen, z. B. zwei oder drei.

Durch die Sammelkammer 8, die durch eine oder mehrere Trennwände 12 geteilt ist, und ihren (ihre) Drainagedurchgang(gänge) 13 und ihre Auslaßöff­ nung 14 wird eine zu große Zufuhr von Flüssigkeit zur sekundären Dichtung 7 verhindert, welche nur sehr geringfügige Wassermengen ohne Leckage an­ nimmt. Durch die Erfindung wird zumindest der Hauptteil der Flüssigkeit, der entlang der Welle 3 durch die Einlaßöffnung und möglicherweise durch eine undichte planparallele Dichtung 4, 5 fließt, daran gehindert, nach unten zu flie­ ßen zu der(den) Auslaßöffnung(en) 14 durch den Drainagedurchgang oder die Durchgänge 13. Die Vorrichtung gemäß der Fig. 1 verhindert (oder reduziert) das sogenannte direkte Durchsickern durch die sekundäre Dichtung 7.

Bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Welle 3 kommt es zur sogenannten Co-Rotation, wobei zumindest ein Teil der Leckage- und/oder Löschflüssigkeit zusammen mit der Welle rotiert (Wellenüberzug) und nicht durch die Auslaßöff­ nung 14 fließt, sondern diese mit hoher Geschwindigkeit überströmt. Um dieses Problem zu lösen und das Wasser (die Flüssigkeit) dazu zu veranlassen, durch die Auslaßöffnung 14 wie beabsichtigt zu fließen, wird bevorzugterweise die Vorrichtung gemäß der Erfindung nach einem der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgeführt.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2a und 2b hat die Trennwand 12 die Gestalt einer festsitzenden, schraubenförmigen Spirale, die sich im wesentli­ chen durch die gesamte Flüssigkeitssammelkammer zwischen zwei innenseiti­ gen, sich gegenüberliegenden Wänden erstreckt. Die Trennwand 12 umgibt die Welle 3 mit geringem Spiel und teilt die Flüssigkeitssammelkammer 8 in vier Bereiche 8a, 8b, 8c und 8d, die im wesentlichen voneinander getrennt sind. Sie ist mit dem Dichtungsgehäuse 1 eng verbunden, außer im Bereich der Aus­ laßöffnung 14, wo sie zusammen mit dem Gehäuse 1 drei Drainagedurchgän­ ge 13 ausbildet. Dieses Ausführungsbeispiel verhindert oder reduziert zumindest sowohl die direkte Leckage als auch die Co-Rotationsleckage.

Gemäß den Fig. 3a und 3b, die einen axialen Schnitt und einen radialen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 3a bzw. Fig. 3b bei einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, die insbesondere geeignet ist, die Co-Rotationsleckage zu verhindern, besteht die Trennwand 12 aus vier Paaren von Stäben. Ein Stab 12a in jedem Paar ist in axialer Richtung innenseitig angeordnet, und ein Stab 12b in jedem Paar ist in axialer Richtung außerhalb eines zentralen Be­ reiches 8c der Sammelkammer angeordnet. Die Stäbe 12b begrenzen zusam­ men vier Bereiche 8b, welche alle in direktem Kontakt mit dem größeren zentralen Bereich 8c stehen. In gleicher Weise begrenzen die vier in axialer Richtung inneren Stäbe zusammen vier Bereiche, welche alle eine direkte Ver­ bindung zu dem größeren zentralen Bereich 8c haben.

Die Anzahl der Stäbe 12 kann geringer sein, beispielsweise zwei oder drei, oder auch höher als die vier dargestellten, z. B. sechs oder acht. Weiterhin können die Stäbe 12 relativ zu der axialen Ebene gewinkelt angeordnet sein, anstatt in diesen, wie in Fig. 3b dargestellt.

Eine andere Möglichkeit zur Verhinderung der Co-Rotationsleckage ist in Fig. 4 gezeigt, die einen radialen Schnitt bei einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Hier ist die Sammelkammer in zwei Teile mittels einer radialen Trennwand 12 geteilt, und der Schnitt gemäß Fig. 4 ist durch den axialen inneren Bereich 8a der Sammelkammer gelegt. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel sind die Auslaßöffnung 14 und der Drainagedurchgang 13 in einer vertikalen Ebene angeordnet, die parallel zu der Welle 3 verläuft und hierzu seitlich versetzt und parallel zu einer vertikalen diametralen Ebene verläuft, die hinter dem Drainagedurchgang 13 und der Auslaßöffnung 14 angeordnet ist, gesehen in Rotationsrichtung, wobei die Auslaßöffnung 14 sich zu dem unteren Bereich der Vorrichtung hin öffnet. Bei diesem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Trennwand 12 ganz oder teilweise durch Drainagedurchbrüche 13 und die Auslaßöffnung 14 durchbrochen. Alternativ können die beiden letzteren durch Auslaßöffnungen substituiert oder vervollständigt werden, die in dem jeweiligen Bereich der Sammelkammer angeordnet und in gleicher Weise aus­ gerichtet sind. Es liegt im Schutzbereich dieser Erfindung, daß der Drainage­ durchgang 13 und die Auslaßöffnung 14 einen größeren oder kleineren Winkel mit sowohl der erwähnten diametralen Ebene als auch der Zeichnungsebene ausbilden können.

Eine weitere Ausführung, die in erster Linie der Co-Rotationsleckage entge­ genwirkt, ist in Fig. 5a und 5b dargestellt, die einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 5a durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigen. Die Trennwand 12 ist rohrförmig gestaltet und umgibt die Welle 3 mit einem engen, beispielsweise etwa 2 mm breiten, zylindrischen Ringraum, der einen inneren Bereich 8a der Sammelkammer ausbildet und zu dem die Einlaßöffnung 9 für die Löschflüssigkeit führt. Die Trennwand 12 ist durch verschiedene vorzugsweise radiale Löcher oder Schlitze 11 durchbro­ chen, die zu einem in radialer Richtung außenliegenden Bereich 8b der Sam­ melkammer führen. Die Auslaßöffnung 14 ist in dem unteren Bereich des Berei­ ches 8b angeordnet. Die Trennwand 12 kann durch eine oder mehrere (nicht gezeigt) röhrenförmige, zur Welle 3 koaxial verlaufende und außerhalb von ihr angeordnete Trennwände ergänzt werden, die dann den Bereich 8b in mehrere kleinere Bereiche teilen.

Eine Gegenrotationsleckage kann auch verhindert werden durch das im Quer­ schnitt in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel. Dabei hat die Sammelkammer 8, die hier keine Trennwand aufweist, die Gestalt einer Spirale mit einer zumindest anfänglich in radialer Richtung anwachsenden Querschnittsfläche. Die Sammel­ kammer 8 erstreckt sich in axialer Richtung und umgibt die Welle 3, und sie endet in peripherer Richtung mit einer konkav gekrümmten Wandung, die den zu einer Auslaßöffnung 14 führenden Drainagedurchgang 13 begrenzt.

Die neue Ausführung gemäß der Erfindung mit einer Sammelkammer, die das Löschwasser ohne Leckage aufnimmt, ohne bewegliche Teile und ohne Teile, die abnutzen, bietet große Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die Sammelkammer nimmt größere Mengen Wasser als das zugeführte Löschwas­ ser auf, was ein Vorteil ist, wenn die planparallele Dichtung abnutzt und beginnt undicht zu werden. Die Leckage kann visuell durch die Auslaßöffnung festge­ stellt werden, aber kann auch durch z. B. Strömungsmessungen direkt in der Auslaßöffnung ermittelt werden, bevor das Pumpmedium in die Umgebung aussickert. Bezüglich der Umwelt und entsprechender Umweltgesetze (EG Normen) ist dies ein sehr wichtiger Aspekt.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung hat, wie bereits erwähnt, vorzugsweise die Form eines Dichtungsblocks, der insbesondere für Pumpen und planparallele Dichtungen geeignet ist, und folgende Vorteile aufweist:

• 1) Jede Lösch- und Leckageflüssigkeit zwischen 0 Litern pro Minute und 4 bis 10 Litern pro Minute kann von der atmosphärischen Seite der z. B. mechanischen Dichtungen ohne Spritzen in die Umgebung entfernt werden. Dies gilt für alle Rotationsgeschwindigkeiten von 0 bis 360 U/m.
• 2) Da die sekundäre Dichtung keine Teile hat, die sich gegeneinander bewegen, ist keine Löschflüssigkeit zum Schmieren der sekundären Dichtung notwendig. Dies ermöglicht z. B. eine Intervallspülung in dem Raum außerhalb der mechanischen Dichtungen, wodurch der Wasserverbrauch ganz wesentlich reduziert werden kann (bis < 1%).
• 3) Das Ausführungsbeispiel mit einer Wasserzufuhr in der Nähe der me­ chanischen Dichtung benötigt nur sehr wenig Wasser (im Bereich von 0,2 Litern pro Minute bei 1500 U/m) für die Kühlung und Schmie­ rung einer mechanischen Dichtung, die mit keiner Flüssigkeitszufuhr von der Pumpe versehen ist.

Die oben beschriebenen und in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiele sind natürlich als nicht eingrenzende Beispiele zu verstehen und können bezüglich ihrer Details in vielerlei Hinsicht innerhalb des Schutzbereiches der Ansprüche modifiziert werden. Insbesondere können neue Ausführungsformen, die von dem Prinzip der Erfindung umfaßt werden, durch die Kombination von Merkmalen entwickelt werden, die den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen entnommen sind.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Wellenabdichtung, insbesondere mit mechanischen plan­ parallelen Dichtungen (4, 5) für insbesondere Zentrifugalpumpen und dgl., mit einer Rotationswelle (3) und einer in axialer Richtung an der Außenseite der planparallelen Dichtung angeordneten sekundären Dichtung (7), mit einem Einlaß (9) für die Spülflüssigkeit und einem Auslaß (14) für die Spülflüssigkeit sowie möglicherweise durch die planparallele Dichtung durchsickerndes Pumpmedium, mit zumindest einem Drainagedurchgang (13), der zu dem Auslaß führt, und einer Flüssigkeitssammelkammer (8), die zwischen der planparallelen Dichtung und der sekundären Dichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitssammelkammer in zwei oder mehr Berei­ che (8a, 8b; 8a, 8b, 8c, 8d) geteilt ist, die voneinander durch zumindest eine Trennwand (12; 12a, 12b), die eine Verbindung zwischen den Bereichen erlaubt, getrennt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Bereiche (8a, 8b) der Flüssigkeitssammelkammer (8) zwei ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bereiche der Flüssigkeitssammelkammer einen gemeinsamen Auslaß (14) aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn­ wand (12) als schraubenförmige Spirale ausbildet ist und die Welle (3) mit einem kleinen Spiel umgibt und sich im wesentlichen durch die gesamte Länge der Flüssigkeitssammelkammer zwischen zwei innenseitigen, sich gegenüberlie­ genden Wänden erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig­ keitssammelkammer zwei Teile aufweist, nämlich einen radialen inneren Be­ reich (8a) und einen radialen äußeren Bereich (8b), die voneinander mittels einer zylindrischen Trennwand (12) getrennt sind, die zumindest einen Draina­ gedurchgang (13) aufweist, und daß nur der am weitesten stromabwärts gele­ gene Bereich (8b) der Flüssigkeitssammelkammer einen Flüssigkeitsauslaß (14) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aus­ laß (14) in bezug auf die rotierende Welle exzentrisch, d. h. nicht radial, ange­ ordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Flüssigkeitssammelkammer (8) eine spiralförmige Form hat, wobei ihre Quer­ schnittsfläche in Richtung des Auslasses anwächst.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drainage­ durchgang (13) durch eine konkav gekrümmte Wand begrenzt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie als Dichtungsblock (2) ausgebildet ist mit zumindest einem Dichtungsgehäuse (1), zumindest einem rotierenden Teil (5) einer mechanischen planparallelen Dichtung, einer sekundären Dichtung (7), einem Einlaß (9) für Spülflüssigkeit, einer zwischen diesen Dichtungen angeordneten Flüssigkeits­ sammelkammer (8), einem stromabwärts der Flüssigkeitssammelkammer angeordneten Flüssigkeitsauslaß (14), zumindest einem Drainagedurch­ gang (13), der zu dem Flüssigkeitsauslaß führt, und vorzugsweise zumindest einer Trennwand (12), die die Flüssigkeitssammelkammer in voneinander getrennte Bereiche (8a, 8b, 8c, 8d) teilt.