DE4491488B4

DE4491488B4 - Radiale Dichtungsvorrichtung für eine Pumpe

Info

Publication number: DE4491488B4
Application number: DE4491488A
Authority: DE
Inventors: Kevin Edward Burgess
Original assignee: Weir Warman Ltd
Current assignee: Weir Minerals Australia Ltd
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2014-03-11
Also published as: JP3246665B2; MY111442A; DE4491488T1; WO1994021923A1; CN1119466A; TW265395B; IN188686B; JPH08506399A; US5609468A; ZA941679B; GB2290839A; GB9517293D0; CN1050412C; GB2290839B

Abstract

Radiale Dichtungsvorrichtung zum Einsatz in einer Pumpe (10), die ein Pumpengehäuse (12) mit einer darin befindlichen Pumpenkammer (14) und ein Pumpenlaufrad (13) mit einem Laufraddurchgang (20) aufweist, das zum Umlauf auf der Pumpenwelle (16) montiert und in der Pumpenkammer (14) angeordnet ist, wobei zur Dichtungsvorrichtung ein Grundkörper (32), der in einer Dichtkammer (43) angeordnet und zum Umlauf auf die Pumpenwelle (16) montiert ist, sowie auf einer Seite des Grundkörpers (32) eine Anzahl von mit Zwischenräumen in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln (38) gehört, die vom inneren Bereich des Grundkörpers (32) zum äußeren Bereich verlaufen oder mit der vom äußeren Bereich beschriebenen äußeren Umfangslinie abschließen, wobei alle Schaufeln (38) mit ei ner zur Drehrichtung des Grundkörpers (32) hin gekrümmten Vorderkannte versehen sind sowie mit einer Hauptachse H, die sich vom innenliegenden zum außenliegenden Ende der Schaufel (38) erstreckt, wobei der Grundkörper (32) eine durchgehende Beschaufelung oder einen unbeschaufelten inneren Abschnitt und einen beschaufelten...

Description

Die Erfindung betrifft eine radiale Dichtungsvorrichtung zum Einsatz in einer Pumpe, die ein Pumpengehäuse mit einer darin befindlichen Pumpenkammer und ein Pumpenlaufrad mit einem Laufraddurchgang aufweist, das zum Umlauf auf der Pumpenwelle montiert und in der Pumpenkammer angeordnet ist, wobei zur Dichtungsvorrichtung ein Grundkörper, der in einer Dichtkammer angeordnet und zum Umlauf auf die Pumpenwelle montiert ist, sowie auf einer Seite des Grundkörpers eine Anzahl von mit Zwischenräumen in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln gehört, die vom inneren Bereich des Grundkörpers zum äußeren Bereich verlaufen oder mit der vom äußeren Bereich beschriebenen äußeren Umfangslinie abschließen, wobei alle Schaufeln mit einer zur Drehrichtung des Grundkörpers hin gekrümmten Vorderkante versehen sind sowie mit einer Hauptachse H, die sich vom innenliegenden zum außenliegenden Ende der Schaufel erstreckt, wobei der Grundkörper eine durchgehende Beschaufelung oder einen unbeschaufelten inneren Abschnitt und einen beschaufelten äußeren Abschnitt aufweist, Eine solche Zentrifugaldichtung wird insbesondere für eine Pumpe für das Pumpen von Aufschlämmungen verwendet. Die Konstruktion von Zentrifugaldichtungen für Pumpen, die für das Pumpen von Aufschlämmungen verwendet werden, ist ein sehr spezielles Gebiet. Für Pumpen, die für das Pumpen von Aufschlämmungen verwendet werden, ist es kritisch, die Dichtungsleistung gegenüber der Lebensdauer des rotierenden Dichtungselements und der dieser zugehörigen Kammer auszubalancieren und gleichzeitig den Energieverbrauch zu minimieren.

Die US 1,556,656 bezieht sich auf eine besondere Art Pumpe, bei der das Fluid vom rückwärtigen oder Wellenende des Pumpengehäuses her in die Niederdruck-Saugöffnung des rotierenden Flügelrades eintritt, so dass das rotierende Dichtungselement und die Dichtungskammer lediglich dem Niederdrucksaugbereich der Pumpe ausgesetzt sind. Das rotierende Element, das in der US 1,556,656 gezeigt wird, befindet sich innerhalb des Niederdrucksaugbereiches des Pumpengehäuses und dient dort lediglich dem Zweck zu verhindern, dass unter niedrigem Druck stehende Flüssigkeit entlang der Welle in die Lager austritt.

Die in der US-Z „Mechanical Engineering" Nov. 1964 dargestellte Dichtung stellt den nächstkommenden Stand der Technik dar. Die dort beschriebenen Dichtungen sind für die Verwendung mit Pumpen vom Flüssigmetalltyp vorgesehen, wo die Dichtungen verwendet werden können, um das flüssige Metall, das gepumpt wird, zu entgasen und eine positive Flüssigkeitsstandsteuerung zu liefern. Die Dichtungen sind auch speziell dafür konstruiert, mit einem unter Druck stehenden Gas, das der Außenseite des Pumpengehäuses zugeführt wird, zu interagieren. Die Struktur der Flüssigmetallpumpen unterscheidet sich erheblich von der der Pumpen, die für das Pumpen von Aufschlämmungen verwendet werden und mit denen die erfindungsgemäße Dichtung verwendet wird. Weiterhin, bezugnehmend auf die in der Veröffentlichung DS-6 gekennzeichnete Konfiguration, weisen diese gekrümmten Flügel eine völlig andere Gestalt auf als diejenigen, die in der vorliegenden Erfindung definiert sind.

Wellendichtungseinheiten für Kreiselpumpen in allgemeiner Bauform sind dem Fachmann bekannt. Die umlaufende Wellendichtvorrichtung erzeugt Staudruck an ihrem Rand. Währen der Drehung wird die in der Dichtkam mer befindliche Flüssigkeit gezwungen, sich mit der Vorrichtung zu drehen. Dieser Druck trägt dazu bei, den vom Laufrad der Pumpe erzeugten Druck auszugleichen. Der verminderte Druck an der Pumpenwelle ermöglicht es der Hauptdichtung, als Niederdruckdichtung zu wirken, was die Lebensdauer der Dichtung verlängert. Zweck der Hauptwellendichtung ist es zu verhindern, dass Flüssigkeit austritt, wenn die Pumpe außer Betrieb ist.

Richtig angewendete radiale Dichtungseinheiten sind in der Lage, einen solchen Druck zu erzeugen, dass der Pumpendruck vollständig ausgeglichen wird. Dabei bleibt die Pumpflüssigkeit der Pumpenwelle völlig fern, und die Hauptwellendichtung kann unter diesen idealen Bedingungen „trocken" bleiben. Zur Kühlung und Schmierung muss als Schmiermittel ein Fett oder von außen zugeführtes Wasser eingesetzt werden.

Bei Betrieb der Pumpe erzeugt die umlaufende Dichtungsvorrichtung eine rotierende Flüssigkeitsströmung in der Dichtkammer. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Maximierung des erzeugten Drucks. Wenn man zum Beispiel den Außendurchmesser der Vorrichtung vergrößert, lässt sich der Druck im Verhältnis zum Quadrat der Drehzahl erhöhen.

Weiterhin hat man festgestellt, dass die Breite der Dichtungsvorrichtung einen eher geringen Einfluss auf die Leistung hat, aber im Prinzip möglichst gering sein sollte. Die Form der Schaufeln ist hingegen von besonderer Bedeutung, wenn der Druck so groß wie möglich und Schlupf oder Wirbel so gering wie möglich sein sollen. Durch Schlupf verringert sich der erzeugte Druck, während Wirbel in einer Aufschlämmung von Teilchen zu Verschleiß führen und die Lebensdauer des Bauteils verkürzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer verbesserten Dichtungsvorrichtung, integriert in eine Dichtungseinheit, durch die sich die Leistung von Vorrichtung und Einheit erhöht.

Die Aufgabe wird durch eine radiale Dichtungsvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Im wesentlichen betrifft die vorliegende Erfindung eine radiale Dichtungsvorrichtung für den Einsatz in einer Pumpe, die ein Pumpengehäuse mit einer darin befindlichen Pumpenkammer und ein Laufrad mit einem Lauf raddurchgang aufweist, das zum Umlauf auf der Pumpenwelle montiert und in der Pumpenkammer angeordnet ist.

Überraschenderweise wurde herausgefunden, dass die Druckerzeugung maximiert wird und gleichzeitig die Turbulenz minimiert wird, wodurch der Verschleiß vermindert wird und der Wirkungsgrad erhöht wird, indem das rotierende Element einer Zentrifugaldichtungskonstruktion mit Flügel ausgestattet wird, die eine gekrümmte vordere Kante, wie definiert, aufwiesen. Dieses überraschende Ergebnis konnte anhand der verfügbaren Informationen in Bezug auf Zentrifugaldichtungskonstruktionen insbesondere für Pumpen, die für das Pumpen von Aufschlämmungen verwendet werden, nicht vorhergesagt werden.

Zur Dichtungsvorrichtung gehört ein Grundkörper, der in der Dichtkammer angeordnet ist und zum Umlauf auf die Pumpenwelle montiert ist. Zur Dichtungsvorrichtung gehört eine Anzahl von mit Zwischenräumen in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln, die vom inneren Bereich des Grundkörpers ausgehen und mit der vom äußeren Bereich beschriebenen äußeren Umfangslinie abschließen. Alle Schaufeln haben eine zur Drehrichtung der Vorrichtung hin gekrümmte Vorderkante sowie eine Hauptachse, die sich vom innenliegenden zum außenliegenden Ende der Schaufel erstreckt. Der Grundkörper kann in einen inneren und einen äußeren Abschnitt unterteilt sein.

Erfindungsgemäß sind die Schaufeln der Dichtungsvorrichtung nach folgenden relativen Abmessungen dimensioniert:

TEV/WEV	von 0,3 bis 2,0 vorzugsweise zwischen 03, und 1,5, besonders bevorzugt ca. 0,85
RV/DEO	von 0,3 bis 0,7, besonders bevorzugt ca. 0,5

wobei: TEV = Schaufeldicke
WEV = Schaufelbreite
RV = Krümmung der Schaufelvorderkante
DEO = Außendurchmesser der Schaufeln.

Vorgesehen ist, dass die Schaufeln radial verlaufen oder im Verhältnis zur Radialrichtung in einem Winkel αv zwischen 0-30°, bevorzugt ca. 7,5° winklig nach hinten, d.h. entgegen der Drehrichtung des Grundkörpers, geneigt sind.

Vorzugsweise ist die Hauptachse H der Schaufeln versetzt zur Umdrehungsachse U der Pumpenwelle angeordnet, wobei der bevorzugte Versatz höchstens das Maß der Schaufeldicke beträgt. Zum Beispiel könnte die Hauptachse der Schaufeln etwa im Bereich des Durchmessers des inneren Abschnitts eine radiale Linie schneiden, die zwischen der Innen- und Außenkante des Grundkörpers in Radialrichtung R verläuft.

Zur weiteren Leistungserhöhung ließe sich das Verhältnis von Innen – und Außendurchmesser des Schaufeln auf Grenzwerte einschränken. Das Verhältnis DEVI/DEVO kann zwischen 0,2 und 0,7, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,6 und besonders bevorzugt bei 0,4 liegen, wobei DEVI für den Innendurchmesser der Schaufeln und DEVO für deren Außendurchmesser steht.

Zusätzlich kann das Verhältnis der Weite WEC der Dichtkammer zur Weite WIP des Laufraddurchgangs im Bereich von 0,3 bis 1,25, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,25 liegen.

Es wurde zum Beispiel festgestellt, dass Dichtkammern eine optimale Leistung abgeben, wenn das Verhältnis ihres Außendurchmessers zum Durchmesser des Laufrades größer als 0,6 ist. Unter solchen Bedingungen lässt sich ohne übermäßigen zusätzlichen Energieverbrauch ein ausreichender Druck erzeugen.

Das Verhältnis der Schaufelbreite WEV zur Weite WIP des Laufradschaufeldurchgangs liegt üblicherweise zwischen 0,05 und 0,6, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,6. Darüber hinaus steht die Breit WEV der Schaufeln in einem Verhältnis von 0,2 bis 0,5 zur Weite WEL der Dichtkammer. Diese Weitenverhältnisse können variieren, insbesondere dann, wenn die Pumpe ein Spiel zur axialen Verstellung des Laufrades aufweist. Eine solche axiale Verstellmöglichkeit gewährleistet eine optimale Laufradleistung. Dieses Spiel in der Dichtkammer beeinflusst die Leistung der Dichtungsvorrichtung auch nicht wesentlich, sofern diese eine ausreichend große Anzahl von Schaufeln hat, um zu verhindern, dass Flüssigkeit an ihnen vorbeischlüpfen kann. Ein solcher Schlupf verringert den von der Dichtungsvorrichtung erzeugten Druck, verursacht Wirbel und Verschleiß. Die Schaufelanzahl kann je nach Wunsch zwischen 6 und 30 liegen, wobei sich 16 Schaufeln als ein guter Kompromiss zwischen Dichteigenschaften und unkomplizierter Herstellung erwiesen haben.

Alle obengenannten Abmessungen sind in den Zeichnungen dargestellt.

Es hat sich gezeigt, dass die nach den genannten Parametern konstruierten Schaufeln einen größtmöglichen Druck und so wenig wie möglich Wirbel erzeugen. Die Schaufeln haben eine gekrümmte Vorderkante, während die Hinterkante im Prinzip eben sein oder eine geringere Krümmung aufweisen kann als die Vorderkante.

Die erfindungsgemäßen radialen Dichtungseinheiten sind mit allen Hauptdichtungen wie Füllstücken, Lippendichtungen u.ä. einsetzbar.

Zur Veranschaulichung der Leistungsverbesserung von Pumpen mit einer radialen Dichtungseinheit sollen die folgenden Beispiele anhand bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen.
BEISPIEL 1
Verglichen wurde die Leistung einer herkömmlichen Pumpe mit einem Einlass von 100 mm und einem Auslaß von 75 mm mit der einer Pumpe, die die gleichen Abmessungen von Ein- und Auslaß, jedoch die erfindungsgemäßen Parameter aufweist. Detaillierte Angaben über die herkömmliche und die neuartige Pumpe sind nachstehend aufgelistet:
Die Pumpen liefen mit Drehzahlen von 1000 U/min und 1300 U/min
Die graphische Darstellung in 4 der Zeichnungen veranschaulicht die Leistungsdifferenz zwischen den beiden Pumpen, wobei die dunklere Linie die erfindungsgemäße Pumpe und die hellere Linie die herkömmliche Pumpe repräsentiert.
Wie zu ersehen ist, liegt der maximale Manometerdruck am Einlass ohne Dichtungsleckage bei der erfindungsgemäßen Pumpe signifikant höher.
BEISPIEL 2
Verglichen wurde die Leistung einer herkömmlichen Pumpe mit einem Einlass von 200 mm und einem Auslaß von 150 mm mit der einer Pumpe, die die gleichen Abmessungen von Ein- und Auslaß, jedoch die erfindungsgemäßen Parameter aufweist. Detaillierte Angaben über die herkömmliche und die neuartige Pumpe sind nachstehend aufgelistet:
Die Pumpen liefen mit Drehzahlen von 500 U/min und 700 U/min
Die graphische Darstellung in 5 der Zeichnungen veranschaulicht die Leistungsdifferenz zwischen den beiden Pumpen, wobei die dunklere Linie die erfindungsgemäße Pumpe und die hellere Linie die herkömmliche Pumpe repräsentiert.
Wie zu ersehen ist, liegt der maximale Manometerdruck am Einlass ohne Dichtungsleckage bei der erfindungsgemäßen Pumpe wiederum signifikant höher.
An den verschiedenen Ausführungsformen und Anordnungsmöglichkeiten von Teilen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Abänderungen, Modifikationen und/oder Zusätze vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung oder deren Schutzumfang abzuweichen.
In den Zeichnungen ist eine typische Bauform einer Pumpe und ihrer zugehörigen Dichtungseinheit dargestellt, wobei:
1 den schematischen Seitenriss einer Pumpe mit einer radialen Dichtungseinheit zeigt, die eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungseinheit ist,
2 eine Grundrisszeichnung der in der Dichtungseinheit eingesetzten Dichtungsvorrichtung darstellt,
3 die in 2 gezeigte Dichtungsvorrichtung im Aufriss von der Seite abbildet, und
4 u. 5. graphische Darstellungen.
In den Zeichnungen ist eine als Ganzes mit 10 bezeichnete Pumpe zu sehen, die ein Pumpengehäuse 12 mit einer darin befindlichen Pumpenkammer 14 aufweist. Zur Pumpe 10 gehören weiterhin ein Laufrad 18 mit einem Laufraddurchgang 20, wobei das Laufrad 18 zum Umlauf auf der Pumpenwelle montiert und in der Pumpenkammer 14 angeordnet ist.
Auf einer Seite des Pumpengehäuses 12 befindet sich eine radiale Dichtungseinheit 30 mit einer drehbaren Dichtungsvorrichtung 31. die Dichtungsvorrichtung 31 weist einen Grundkörper 32 mit einem inneren Abschnitt 34, der auf der Pumpenwelle 16 aufsitzt, und einem äußeren Abschnitt 36 auf, der einen scheibenähnlichen Aufbau hat. Die Vorrichtung 31 ist auf der Pumpenwelle 16 montiert und dreht sich mit ihr. Die Dichtungsvorrichtung 31 ist in einer Dichtkammer 42 angeordnet, die über den Durchgang 43 mit der Pumpenkammer verbunden ist.
Zur Dichtungsvorrichtung 31 gehört eine Anzahl von Schaufeln 38, die vom inneren Abschnitt 34 des Grundkörpers 32 ausgehen und mit der vom äußeren Abschnitt 36 beschriebenen äußeren Umfangslinie abschließen. Die Schaufeln 38 sind mit Zwischenräumen in Umfangsrichtung angeordnet und haben eine zur Drehrichtung der Vorrichtung hin gekrümmte Vorderkante.
Die radiale Dichtungseinheit 30 wird gemeinsam mit einer Hauptdichtung 46 in der abgebildeten Form eines Füllstücks, einer Lippendichtung oder anderen Formen von Dichtungen eingesetzt.

Claims

Radiale Dichtungsvorrichtung zum Einsatz in einer Pumpe (10), die ein Pumpengehäuse (12) mit einer darin befindlichen Pumpenkammer (14) und ein Pumpenlaufrad (13) mit einem Laufraddurchgang (20) aufweist, das zum Umlauf auf der Pumpenwelle (16) montiert und in der Pumpenkammer (14) angeordnet ist, wobei zur Dichtungsvorrichtung ein Grundkörper (32), der in einer Dichtkammer (43) angeordnet und zum Umlauf auf die Pumpenwelle (16) montiert ist, sowie auf einer Seite des Grundkörpers (32) eine Anzahl von mit Zwischenräumen in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln (38) gehört, die vom inneren Bereich des Grundkörpers (32) zum äußeren Bereich verlaufen oder mit der vom äußeren Bereich beschriebenen äußeren Umfangslinie abschließen, wobei alle Schaufeln (38) mit ei ner zur Drehrichtung des Grundkörpers (32) hin gekrümmten Vorderkannte versehen sind sowie mit einer Hauptachse H, die sich vom innenliegenden zum außenliegenden Ende der Schaufel (38) erstreckt, wobei der Grundkörper (32) eine durchgehende Beschaufelung oder einen unbeschaufelten inneren Abschnitt und einen beschaufelten äußeren Abschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (38) entsprechend den folgenden relativen Abmessungen dimensioniert sind: a) das Verhältnis RV/DEO liegt im Bereich von 0,3 bis 0,7, mit RV = Krümmungsradius der Vorderkante der Schaufeln, und DEO = Außendurchmesser der Schaufeln, b) das Verhältnis TEV/WEV liegt im Bereich von 0,3 bis 2,0 mit TEV = Schaufeldicke und WEV = Schaufelbreite, und c) die Hauptachse H der Schaufeln (38) ist im Verhältnis zur Radialrichtung R in einem Winkel αv zwischen 0° und 30° winklig entgegen der Drehrichtung des Grundkörpers (32) geneigt.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis RV/DEO etwa 0,5 beträgt.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis TEV/WEV im Bereich von 0,3 bis 1,5 liegt.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis TEV/WEV etwa 0,85, beträgt.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel αv ca. 7,5° beträgt.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse H der Schaufeln (38) versetzt zur Umdrehungsachse U der Pumpenwelle (16) angeordnet ist, vorzugsweise in einem Versatz EOS, der maximal der Schaufeldicke TEV entspricht.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse H der Schaufeln (38) etwa im Bereich eines Durchmessers des inneren Abschnitts eine radiale Linie L schneidet.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis DEVI/DEVO von Innen- und Außendurchmesser der Schaufeln (38) zwischen 0,2 und 0,7 liegt, wobei DEVI für den Innendurchmesser der Schaufeln (38) und DEVO für deren Außendurchmesser steht.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis DEVI/DEVO im Bereich von 0,2 bis 0,6 liegt.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis DEVI/DEVO etwa 0,4 oder 0,5 beträgt.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Weite WEC der Dichtkammer (43) zur Weite WIP des Laufraddurchgangs (20) im Bereich von 0,3 bis 1,25 liegt.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Außendurchmesser DEVO der Schaufeln (38) oder des Grundkörpers (32) zu dem des Pumpenlaufrades (13) größer als 0,6 ist.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Schaufelbreite WEV zur Weite WIP des Laufraddurchgangs (20) zwischen 0,05 und 0,6 liegt.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Schaufelbreite WEV der Schaufeln (38) zur Weite WEC der Dichtkammer (43) etwa zwischen 0,2 und 0,5 liegt.
Radiale Dichtungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie 16 Schaufeln (38) hat.