DE69627168T2

DE69627168T2 - Vorrichtung mit einer drehenden zusammenwirkung

Info

Publication number: DE69627168T2
Application number: DE69627168T
Authority: DE
Inventors: W. Ramsay
Original assignee: Chesterton AW Co
Current assignee: Chesterton AW Co
Priority date: 1995-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2016-10-03
Also published as: WO1997013084A1; EP0853738B1; US6210103B1; JP3405994B2; AU7081596A; ATE236369T1; AU704808B2; CA2233486A1; JPH11512805A; CA2233486C; EP0853738A1; NO981472D0; DE69627168D1; NO981472L

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In Fig. 10 von RAMSAY ist ein Lager/Dichtungssystem für eine Pumpenantriebswelle basierend auf der Verwendung einer konischen Hülse gezeigt. In die Hülse sind Nuten geschnitten, die, kraft der Drehung der Hülse, dazu dienen, eine Sperrflüssigkeit unter Druck zu setzen, und die Sperrflüssigkeit zu dem gepumpten Prozessfluid hin zu treiben. Wie beschrieben wurde, dient die konische Hülsenanordnung als ein Lager, welches vorteilhaft nahe zu dem Pumpenflügelrad angeordnet ist und eine sehr effiziente Dichtung darstellt.
Bei RAMSAY wurde jedoch in bezug auf das Lager nur eine Gleitlagerfähigkeit dadurch geliefert, dass die konische Hülse axial entlang der Pumpenantriebswelle schweben durften. Die axiale oder Schubposition der Welle wurde durch ein getrenntes Kugellager gehandhabt.

ALLGEMEINE MERKMALE DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung besteht in einem Drehwechselwirkungsgerät des aus WO-A- 95/08067 bekannten Typs, welche die Merkmale der Präambel von Anspruch 1 offenbart. In einer bevorzugten Option ist das Gerät als ein Lager ausgelegt und wird als ein solches verwendet - entweder als ein Gleitlager, oder ein kombiniertes Gleit- und Schublager. In einer anderen bevorzugten Option ist das Gerät als eine Dichtung ausgelegt und wird als solche verwendet, zum Beispiel in einer Pumpe, zum Abdichten der Pumpenwelle gegen Entweichen von Prozessfluid.
Das Gerät gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Das Gerät umfasst ein erstes Hülsenpaar, welches eine erste Rotorhülse und eine erste Statorhülse mit Oberflächen einschließt, die zusammen eine erste Berührungsfläche von Oberfläche zu Oberfläche zwischen sich begrenzen, wobei die Berührungsfläche einen ersten konischen Aufbau aufweist. Die Berührungsflächen-Oberfläche der ersten Rotorhülse ist mit einer ersten Spiralnut versehen, die eine Eintrittsöffnung in Flüssigkeitsflusskommunikation mit einer Eintrittskammer für die Zufuhr von Sperrflüssigkeit in die Nut aufweist. Die erste Spiralnut ist so in der Berührungsflächenoberfläche der ersten Rotorhülse angeordnet, um ebene Stege wesentlicher Breite zwischen benachbarten Windungen der Nut zu definieren, wobei die Stege solche Abmessungen und einen solchen Aufbau aufweisen, um während Drehung ein Mittel zum Erzeugen und Halten eines hydrodynamischen Films aus Sperrflüssigkeit zwischen den Berührungsflächenoberflächen des ersten Hülsenpaars aufzuweisen.
Das Gerät umfasst ferner ein zweites Hülsenpaar mit ähnlichen Merkmalen wie denjenigen des ersten Paars. Die Austrittsöffnung der Nut des zweiten Hülsenpaars gibt Sperrflüssigkeit in eine Austrittskammer aus.
Das erste und zweite Hülsenpaar sind in dem Gerät mit ihren ersten und zweiten konischen Berührungsflächen in einer koaxialen Konfiguration in einer Linie, Ende an Ende in bezug zueinander angeordnet.
Als eine Dichtung ist das Gerät aus zwei Hülsenpaaren ein hervorragendes Mittel zum Abdichten einer Drehwelle in einer Maschine, zum Beispiel einem Pumpengehäuse. Bei einer typischen Flügelradpumpe können die beiden Hülsen eine zusammengesetzte Nutlänge von mehreren dm aufweisen, und eine entsprechend lange zusammengesetzte Berührungsfläche, so dass der Druckdifferenzgradient entlang der Länge der Berührungsflächen sehr klein sein kann.
Grundlegend unterliegen die Berührungsflächen unter stetigen Betriebsbedingungen keiner Abnutzung, wenn der hydrodynamische Film betriebsmäßig stabil bleibt. Außerdem, wie erklärt werden wird, kann jegliche möglicherweise auftretende Abnutzung, durch Vorspannung kompensiert werden.
Wie erklärt werden wird, ist es als eine Dichtung hinreichend einfach, das Hülsengerät anzuordnen, um von dem Prozessfluid abgedichtet zu werden oder offen zu demselben zu sein, wie es Betriebsanforderungen vorschreiben können. Es ist auch hinreichend einfach, wie erklärt werden soll, die Drucke in der Sperrflüssigkeit in Übereinstimmung mit Betriebsanforderungen zu überwachen, mit Prozessdruck zu vergleichen, zu regeln, etc.
Als eine Dichtung ist das Gerät tolerant gegenüber Schwingungen oder plötzlicher unvorgeschriebene Belastung, und ist sicher, zuverlässig und langlebig.
Als eine Dichtung liefert das Gerät eine hervorragende Dichtung zum Halten einer Drehwelle in einem Gehäuse oder fixierten Rahmen. Als ein Lager ist das Gerät besonders geeignet für Wellen, die nur leichte Achslasten erfahren, so wie die Wellen von Flügelradpumpen, wenn diese über eine Nur-Drehmomentkupplung angetrieben werden. Als ein Lager ist das Gerät hervorragend beim Bewältigen von Schwingungen, Kräften außer Gleichgewicht, und unvorschriftsmäßigen Faktoren (so wie Hohlraumbildungen, Pumpen gegen ein geschlossenes Ablassventil, etc), die gelegentlich entstehen können, entweder plötzlich und kurzfristig, oder graduell und fortschreitend, und die zu einer Verkürzung der Länge der Gebrauchsdauer führen können.
Als ein Lager werden die Berührungsflächen durch die Sperrflüssigkeit geschmiert, und der hydrodynamische Film stellt sicher, dass kein direkter Kontakt von Hülse zu Hülse erfolgt - wenigstens während Normalbetrieb. Gelegentlicher unvorschriftmäßiger Gebrauch kann Berührung der Hülsen verursachen, aber die Tatsache, dass die beiden Hülsenpaare vorhanden sind, bedeutet dass die Berührungsfläche sehr groß ist, und gelegentliche Berührung unbedeutend ist.
Selbst wenn längere Berührung erfolgen würde, möglicherweise aufgrund einer Änderung in den Betriebsbedingungen, ist es aufgrund der großen Größe der Berührungsflächen unwahrscheinlich, dass sofortiges Versagen auftritt. Es könnte erwartet werden, dass aneinanderreibende Berührungsflächen lange genug halten, um eine Korrektur oder Reparatur bei minimaler Unterbrechung der Operation der Maschine zu planen.
Als ein Lager hat das Gerät ein sehr zuverlässiges Schmiersystem. Wenn die gesamte Sperrflüssigkeit ausläuft, wird das Lager natürlich versagen. Aber es kann festgestellt werden, dass die Sperrflüssigkeit nur an der Eintrittskammer vorhanden sein muss: es ist nicht erforderlich, dass die Sperrflüssigkeit unter Druck gesetzt wird. Wenn die Flüssigkeit in die erste Nut eintritt, wird sie von der Nut aufgenommen und unter graduell zunehmendem Druck durch die Nuten und die Berührungsflächen durch die Einwirkung der Nut selbst gedrückt.
Es kann festgestellt werden, dass in anderen Schmiersystemen, die die Zirkulation von flüssigem Schmiermittel beinhalten, der gewöhnlichste Grund von Versagen die Umwälzpumpe darstellt; im vorliegenden Fall ist die "Umwälzpumpe" tatsächlich eine eingebaute Fläche der Lagerberührungsfläche.
Die Sperrflüssigkeit kann Öl darstellen oder kann eine Spur von Öl enthalten, aber ein Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems, das Wasser als die Sperrflüssigkeit verwenden kann. Beim Pumpen allgemein besteht eine gewöhnliche Anforderung darin, das Auslaufen von Prozessfluid in die Atmosphäre eine sekundäre Fehlerbetriebsart ist: das heißt, dass die primäre Fehlerbetriebsart darin besteht, dass die Sperrflüssigkeit in die Atmosphäre ausläuft oder die Sperrflüssigkeit in das Prozessfluid ausläuft. In anderen Fällen ist die Verunreinigung des Prozessfluids durch die Sperrflüssigkeit von größter Bedeutung. Die Erfindung ermöglicht die Verwendung von Wasser als Sperrflüssigkeit, und ermöglicht den Einbau einer Anzahl verschiedener Fehlerbetriebsarten in das Design, wie erklärt werden soll, wodurch das erfindungsgemäße Gerät sehr vielseitig hinsichtlich seiner Anwendbarkeit gestaltet wird.
Ein erwähnenswerter Anwendungsbereich der Erfindung ist in Magnetantriebs- (mag-drive) Pumpen der Art, in der die Flügelradwelle in einer Isolierkammer vorgesehen wird, und magnetisch durch die Wände der Kammer angetrieben wird: in Magnetantriebspumpen bestand die Schwierigkeit darin, das Prozessfluid von dem Schmiermittel für die Flügelradwellenlager zu trennen. Die Erfindung ermöglicht die Realisierung dieses Punktes in einer Magnetantriebspumpe in einer äußerst zuverlässigen Weise, wie erklärt werden soll.
Als ein Lager ist das Gerät axial lang, wodurch eine gute Lagerverteilung für Stabilität während Betrieb erzielt wird. Wenn das Gerät als eine Dichtung und ein Lager kombiniert verwendet wird, wie in einer Flügelradpumpe, ist keine Dichtung (oder in jedem Fall keine axial lange Dichtung erforderlich) zwischen dem Dichtungs-/Lagergerät und dem Flügelrad an dem Ende der Welle erforderlich. Mit anderen Worten, der Überhang des Flügelrads über die Lager hinaus kann effektiv null sein. Das Fehlen von Überhang ermöglicht ferner hervorragende Stabilität während Betrieb.
Außerdem bedeutet das Fehlen von Überhang, obwohl das Lager lang ist, dass die Drehwelle dünner sein kann. In Rotationsmaschinen ist die größte kostenbestimmende Komponente gewöhnlich der Grunddurchmesser der Welle.
Wie beschrieben werden soll, kann eingerichtet werden, dass der Berührungsflächenzwischenraum, d. h. der durch den hydrodynamischen Film zu füllende oder zu überbrückende Zwischenraum, seine eigenen Abmessungen finden kann; in diesem Fall ist der Durchhang oder das Spiel in dem Lager effektiv null, und bleibt null über die gesamt Lebensdauer des Lagers.
Von den hier beschriebenen Geräten kann unter den richtigen Betriebsbedingungen erwartet werden, dass sie im wesentlichen unbeeinträchtigt durch Schwingung, Hohlraumausbildung, Pumpen gegen ein geschlossenes Ablassventil und plötzliche Stoßbelastung ist. Obwohl keine 100%-tige Garantie gegeben werden kann, beseitigt das Gerät im wesentlichen die Möglichkeit von Wellenherauslaufen über ein langes Betriebsleben - selbst wenn das Flügelrad in solcher Weise wie durch Verlust eines Flügels aus dem Gleichgewicht geraten sollte.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Bevorzugte Formen der vorliegenden Erfindung sollen nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 eine Querschnittsseitenansicht einer Pumpe ist, die einen Elektromotor auf der linken und ein Flügelrad auf der rechten Seite aufweist;
Fig. 2 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 3 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 4 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 5 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 6 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 7 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 8 eine Explosionsansicht einiger der Komponenten der Pumpe von Fig. 7 ist;
Fig. 9 ein Querschnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 10 ein Querschnitt der Pumpe von Fig. 9 ist, die in einem anderen Betriebszustand gezeigt ist;
Fig. 11 ein Querschnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 12 ein Querschnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 13 ein Querschnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 14 eine Querschnittseitenansicht einer Pumpe mit einem Motor auf der rechten und einem Flügelrad auf der linken Seite ist;
Fig. 15 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 16 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 17 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 18 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 19 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 20 ein Querschnitt einer Dichtungs-/Lagerunterbaugruppe ist;
Fig. 20a ein Querschnitt ist der die Unterbaugruppe von Fig. 20 einbaut in einer Pumpe zeigt;
Fig. 21 ein entsprechender Schnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 22 ein Querschnitt einer Maschine ist, die zwei Unterbaugruppen wie in Fig. 21 verwendet;
Fig. 23 eine Seitenansicht einer konventionellen Motor/Pumpenbaugruppe ist;
Fig. 24 eine entsprechende Ansicht einer Baugruppe ist;
Fig. 25 ein Querschnitt eines Dichtungs-/Lagergeräts ist;
Fig. 25a ein Querschnitt einer Dichtungs-/Lagerbaugruppe ist;
Fig. 26 ein Querschnitt einer Dichtungs-/Lagerbaugruppe ist;
Fig. 27 ein vertikaler Querschnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 28 ein Querschnitt einer Packung für eine Pumpe ist;
Fig. 29 ein Querschnitt einer Pumpe ist in der die Packung von Fig. 28 angebracht ist;
Fig. 30 ein Querschnitt einer Pumpe ist, die mit einer anderen Packung versehen ist;
Fig. 31 ein Querschnitt einer Dichtungs-/Lagerbaugruppe ist, die für Einführung in eine Pumpe geeignet ist als eine Packung oder Moduleinheit;
Fig. 32 ein entsprechender Querschnitt einer modifizierten ähnlichen Dichtungs-/Lagerbaugruppe ist;
Fig. 33 ein Querschnitt einer Dichtungs-/Lagerbaugruppe ist;
Fig. 34 ein Querschnitt einer Fahrzeugkurbelwelle mit Lagern ist;
Fig. 35 ein Querschnitt eines Teils eines Einzylinder-Kolbenluftverdichters ist;
Fig. 36 ein Querschnitt einiger der Komponenten eines Pleuellagers des Kompressors von Fig. 1 ist;
Fig. 37 ein Querschnitt einiger der Komponenten eines Hauptlagers des Kompressors ist;
Fig. 38a ein Querschnitt einer Dichtungs-Lager-Packung ist;
Fig. 38b eine Seitenansicht der Packung von Fig. 38a ist;
Fig. 38c ein Querschnitt der Packung von Fig. 38a gezeigt in einer Zwischenkonfiguration ist;
Fig. 39a, 39b, 39c Querschnitte von Komponenten der Packung von Fig. 38a sind;
Fig. 40a, 40b, 40c Seitenansichten der Komponenten von Fig. 38a sind;
Fig. 41 eine Seitenansicht der Packung von Fig. 38a installiert in einer Pumpe ist;
Fig. 42 ein Querschnitt einer anderen Dichtungs-Lager-Packung installiert in einer Pumpe ist;
Fig. 43a, 43b, 43c Seitenansichten sind, die die Komponenten der Packung von Fig. 42 zeigen;
Fig. 43d ein Querschnitt einer Komponente der Packung von Fig. 42 ist;
Fig. 44 ein Querschnitt einer Flügelradpumpe ist;
Fig. 45 ein Querschnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 46 ein Querschnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 47 ein Querschnitt einer anderen Pumpe ist;
Fig. 48 ein Querschnitt eines andere Dichtungs-/Lagergeräts ist.
Die in den beigefügten Zeichnungen gezeigten und im folgenden beschriebenen Geräte sind Beispiele, die die Erfindung verkörpern. Es soll festgestellt werden, dass der Umfang der Erfindung durch die anliegenden Patentansprüche definiert ist und nicht unbedingt durch spezifische Merkmale exemplarischer Ausführungsformen.
Die hierin aufgeführte Fig. 1 zeigt eine Doppelkegelanordnung, die ein Schubvermögen aufweist.
In Fig. 1 ist das Gehäuse 20 der Pumpe starr an einem Maschinenrahmen befestigt. Eine Antriebswelle 23 ist an eine Drehstromquelle (z. B. einen Elektromotor) gekoppelt. Die Pumpe umfasst ein Flügelrad (das nicht gezeigt ist, aber am rechten Ende der Welle in Fig. 1 angeordnet ist). Das Flügelrad ist starr an der Welle 23 befestigt.
Eine Hülse 25 ist an der Welle 23 mittels Gewindestiften 27 befestigt, durch die die Hülse während Drehung an der Welle und dann verriegelt bleibt, wenn sie solchen Dreh- und Schubbelastungen ausgesetzt wird, die während Betrieb erfahren werden können.
Die Hülse 25 ist auch an einer Buchse 28 über ein Distanzstück 29 wiederum in solcher Weise befestigt, dass die Hülse und die Buchse aneinander und an der Welle während Betrieb verriegelt bleiben.
Die Hülse und die Buchse sind konisch, und die Nuten 30 sind wie gezeigt in die konischen Formen geschnitten. Die Nuten sind so angeordnet, dass, wenn sich die Welle dreht, die Nuten die Sperrflüssigkeit antreiben, die in die Eintrittskammer 32 in Richtung auf und in die Austrittskammer 34 in der wie in RAMSAY beschriebenen Weise eintritt. Druck in der Austrittskammer 34 aufgrund der Pumptätigkeit der Nuten steigt auf eine durch den Druckregler 36 eingestellte Höhe an. Die Sperrflüssigkeit fließt dann zurück in die Eintrittskammer 32.
Eine mechanische Dichtung 38 verhindert Eintritt der Sperrflüssigkeit in die Pumpkammer (in Fig. 1 auf der rechten Seite), die das Prozessfluid enthält. Ein Federbalg 40 liefert Vorspannung für die mechanische Dichtung.
Die konische Hülse 25 und die konische Buchse 28 befinden sich innerhalb eines Doppelkegelzylinders 43. Während Herstellungsmontage werden die Hülse und Buchse auf dem Gewindedistanzstück 29 zusammengeschraubt. Das Distanzstück hat solche Abmessungen, dass, wenn die Hülse und die Buchse aneinander an dem Distanzstück verriegelt werden, gerade ausreichendes freies Spiel oder Durchhang vorliegt, damit sich die Welle frei drehen kann, ohne zwischen den Abschrägungen gebunden zu werden. Typischerweise würde ein axialer Zwischenraum von etwa 0,025 mm (1 thou) zweckdienlich sein. Die Sperrflüssigkeit sollte eine ausreichende Viskosität aufweisen, dass der Zwischenraum von 0,025 mm (1 thou = 1 Tausendstel Zoll) weiterhin zulassen würde, dass die Nuten ausreichenden Druck erzeugen. Eine jegliche ölhaltige Flüssigkeit wäre annehmbar, und würde ausgewählt werden, um mit dem Prozessfluid vereinbar zu sein. Wasser wird jedoch keinen so dicken hydrodynamischen Film erzeugen, und daher würde Wasser wahrscheinlich nicht als die Sperrflüssigkeit im Fall von Fig. 1 mit dem Doppelkegelschublager geeignet sein.
Wenn das freie Spiel so eng ausgelegt werden würde, dass ein hydrodynamischer Film in Wasser aufgebaut werden könnte, würde eine Gefahr bestehen, dass die Hülsen sich verbinden und zerreißen. Vorzugsweise ist ein freies Spiel von 0,025 mm (1 thou) (axial gemessen) etwa das Minimum, das zugelassen werden kann, wenn Verbindung verhindert werden soll.
Es kann festgestellt werden, dass in Fig. 1 die Hülse, Buchse und der Zylinder alle während der Herstellungsmontage zusammengebaut, miteinander überlappt, angepasst und für Betrieb eingestellt werden können. Das Produkt, wie es verkauft wird, umfasst die Baugruppenpackung, die dann einfach in das Gehäuse mittels der Schrauben 45 eingeschraubt wird. Die Dichtung 47 vom Lippentyp kann vorhergehend in das Gehäuse eingebaut werden. Es wird verstanden werden, dass das Flügelrad natürlich nicht an der Welle zu dem Zeitpunkt der Montage der Komponenten in das Gehäuse vorhanden ist. Die Welle sollte an den Elektromotor mittels einer Kupplung gekoppelt werden, die keine Schublasten von dem Motor überträgt: entweder dies, oder der Motor selbst kann eine Struktur aufweisen, die selbst kein Schubvermögen hat, wodurch das Schubvermögen der Doppelkegel auch zum Halten der Schublasten innerhalb des Motors dient.
Fig. 2 zeigt eine Themenvariation des Vorsehens gegenüberliegender konischer Oberflächen, um als ein Doppelschublager zu dienen, d. h. zum Vermeiden der Notwendigkeit einer jeglichen anderen Maßnahme zum Aufnehmen von Schublasten an der Welle.
In Fig. 2 werden die beiden Wellenkegel an einem Stück, d. h. an der Hülse 50 erzeugt. Der konische Zylinder liegt nun in zwei Komponenten, 53A, 53B vor, die wie gezeigt zusammengeschraubt sind. Ein Distanzstück 55 stellt sicher, dass die beiden Komponenten um den richtigen Abstand zum Erhalten des gewünschten freien Spiels getrennt sind. Während der Herstellung wird ein Distanzstück der richtigen Dicke ausgewählt, um das gewünschte freie Spiel von 0,025 mm (1 thou) oder dergleichen sicherzustellen.
Fig. 3 zeigt eine andere Weise zum Anordnen der Doppelkegel. Hier soll die Erfindung keinen Schublagerhalt in beiden Richtungen bereitstellen, sondern stattdessen die Sicherheit der Dichtung verbessern.
In Fig. 3 ist die Hülse 57 an der Welle verriegelt, aber die Buchse 59 ist frei, um axial entlang der Welle zu schweben. Die Buchse ist mittels der Antriebsstifte 60 eingebunden, um sich mit der Hülse und mit der Welle zu drehen. Der Doppelkegelzylinder 63 ist auch frei, um axial zu schweben, und wird gegen Drehung mittels Stiften 65 eingebunden. Die Endplatte 67 wird durch einen Sprengring 69 festgehalten. Zur Installierung wird die Hülse 57 nach rechts gedrückt, so weit in das Gehäuse wie möglich, und anschließend werden die Gewindestifte festgezogen.
Die konische Oberfläche der Hülse 57 ist mit Nuten versehen, aber die konische Oberfläche der Buchse 59 ist eben. Wenn die Pumpe normal läuft, bauen die Nuten einen hohen Druck in der Sperrflüssigkeit am rechten Ende der Hülse 57 auf. Der Druck treibt die Buchse nach rechts, wodurch ein Spalt zwischen den ineinandergreifenden konischen Oberflächen der Buchse und des Zylinders geöffnet wird. Die Sperrflüssigkeit bildet auch einen hydrodynamischen Film zwischen den konischen Oberflächen. Die unter Druck stehende Sperrflüssigkeit entweicht über den Durchgang 70, in dem der Druck geregelt wird.
Wenn die mechanische Dichtung 72 versagen sollte, beginnt Sperrflüssigkeit, in das Prozessfluid auszulaufen. Es können Detektoren eingebaut werden, zum Ermitteln, ob die Menge von Sperrflüssigkeit weniger wird, und Signalisieren, dass die mechanische Dichtung leckt.
Wenn die Welle jedoch aufhören sollte, sich zu drehen, dann wird kein Druck in der Sperrflüssigkeit erzeugt. Das Prozessfluid kann jedoch einen gewissen Kopfdruck behalten, wenn die Welle anhält. Wenn beide Abschrägungen oder Kegel Nuten aufweisen würden, wie in Fig. 1 und 2, liegt dann, wenn die mechanische Dichtung versagt hat, wenn die Welle anhält, ein Leckweg die Nuten hinauf vor, durch den Prozessfluid in den Sperrbereich auslaufen kann, und möglicherweise nach außen. Wenn das Prozessfluid sehr giftig ist, kann dies nicht toleriert werden.
Die Oberflächen ohne Nuten der Buchsen liefern sogar dann eine Dichtung, wenn die Welle ihre Drehung angehalten hat und selbst wenn die mechanische Dichtung versagt hat.
Fig. 4 zeigt eine Version ähnlich Fig. 3, in der die Buchse teilweise mit Nuten versehen ist und der Rest eben ist.
Der ebene Teil dient als eine Dichtung, wenn die Drehung anhält.
Außerdem ist in Fig. 4 die Lippendichtung von Fig. 3 durch einen Dichtungsring ersetzt.
Die Fig. 5 bis 13 zeigen andere Varianten.
Fig. 5 zeigt eine Pumpe ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, außer dass Stifte so wie der in Fig. 3 gezeigte Stift 65 verwendet werden, und Antriebsstifte so wie die in Fig. 3 gezeigten Antriebsstifte 60 verwendet werden, und eine Endplatte und ein Sprengring so wie die in Fig. 3 gezeigte Endplatte 67 und der dort gezeigte Sprengring 69 verwendet werden.
Fig. 6 stellt eine Pumpe ähnlich der in Fig. 1 gezeigten dar, außer dass ein kreisförmiger Ring zwischen der Hülse und der Buchse verwendet werden.
Die Fig. 7 und 8 stellen eine Pumpe ähnlich der in Fig. 6 gezeigten dar, außer dass eine Endplatte verwendet wird, die an die Buchse mit einer dazwischen angeordneten Dichtung geschraubt wird.
Die Fig. 9 und 10 stellen einzelne Kegelhülsenkonfigurationen dar.
Fig. 11 stellt eine Pumpe ähnlich der in Fig. 3 gezeigten dar, die jedoch eine zweite mechanische Dichtung einschließt.
Fig. 12 stellt eine Pumpe ähnlich der in Fig. 11 gezeigten dar, die jedoch eine mechanische Dichtungskomponente aufweist, welche an das Gehäuse anstatt an die Hülse geschraubt ist.
Fig. 13 stellt eine Pumpe ähnlich Fig. 11 dar, die jedoch die Dichtung vom Lippentyp so wie die als "47" in Fig. 1 identifizierte Dichtung vom Lippentyp weglässt.
Fig. 14 zeigt eine Pumpe, in der das Flügelrad sich auf der linken und der Antriebsmotor auf der rechten Seite befindet. In Fig. 14 ist eine Rotorkomponente 120, die an der Welle 123 verriegelt ist und sich mit derselben dreht, mit gegenüberliegenden, Nuten aufweisenden konischen Hülsenteilen 125, 127 versehen.
Zwei komplementäre konische Statorhülsen 129, 130 sind vorgesehen, die an Drehung gehindert werden, indem sie wie bei 132 an dem Pumpengehäuse 134 verkeilt werden. Die Statorhülsen 129, 130 sind beide frei, um während Betrieb axial entlang der Welle zu schweben.
Während Drehung der Welle wird Sperrflüssigkeit bei niedrigem Druck aus einem Vorratsbehälter 136 in die Niederdruckkammer 138 gepumpt, und wird dann durch die Einwirkung der Nuten nach rechts und links zu den beiden Hochdruckkammern 139, 140 hin gepumpt.
Es wird festgestellt werden, dass die Nuten an den Rotorhülsen in entgegengesetzte Richtungen führen, wodurch die Sperrflüssigkeit in die beiden entgegengesetzten Richtungen gepumpt wird, obwohl sich beide Hülsenabschnitte 125, 127 im gleichen Sinn drehen. Natürlich muss die Drehrichtung oder der Drehsinn der Welle 123 in bezug zu der Führungsrichtung der Nuten so eingerichtet sein, dass Pumpen in der gewünschten Richtung erfolgt.
Von den beiden Hochdruckkammern 139, 140 wird die Sperrflüssigkeit auf den gewünschten Drucken mittels Druckregelern 143, 145 gehalten und wird dann abgegeben und zurück zu der Niederdruckkammer 138 zirkuliert.
Der Druck in den beiden Hochdruckkammern 139, 140 muss nicht der gleiche sein und wird in der Praxis gewöhnlich nicht der gleiche sein. Der Druck in der linken Kammer 139 wird etwas höher als der Druck des Prozessfluids in der Flügelradkammer auf der linken Seite eingestellt werden, so dass die mechanische Dichtung 147 nur eine kleine Druckdifferenz "sieht"; in ähnlicher Weise wird der Druck in der rechten Kammer 140 etwas höher als Atmosphärendruck eingestellt werden, der auf der rechten Seite der mechanischen Dichtung 148 erhalten wird.
Jede Statorhülse trägt eine jeweilige Dichtung 149, 150. Der nach links oder nach außen gerichtete Bereich jeder dem Sperrflüssigkeitsdruck ausgesetzten Hülse ist beträchtlich größer als der nach innen gerichtete Bereich der diesem Druck ausgesetzten selben Hülse, wodurch die Hülsen durch den Sperrflüssigkeitsdruck zueinander hin gedrückt werden.
Das Gehäuse 134 trägt abgedichtete Stopfen 152, 153 zum Isolieren der Baugruppe der Hülsen und zum Halten derselben in Position. Wellenförmige Federn 154 drücken die Hülsen axial und in (leichten) Kontakt miteinander. Der in den Hochdruckkammern entwickelte Druck wirkt jeweils auf die beiden Statorhülsen 129, 130 ein. Wie erwähnt, können beide Statorhülsen axial schweben, und die Hülsen werden daher durch die Einwirkung des in den Sperrflüssigkeitskammern 139, 149 erzeugten Drucks nach innen, d. h. zueinander hin gedrückt. Die Hülsen werden dadurch fester in die Abschrägung gedrückt, wodurch der Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Stator verringert wird, wobei der Zwischenraum gerade ausreichend für die Aufrechterhaltung eines hydrodynamischen Films dazwischen ist.
Wenn die Sperrflüssigkeit eine gewisse Schmierfähigkeit und Viskosität aufweist, wird sich der hydrodynamische Film zum Beispiel vielleicht 1 oder 0,05 mm (2 thou) dick absetzen. Wenn die Sperrflüssigkeit Wasser ist, welches es oft sein muss, falls Sperrflüssigkeit in das Prozessfluid auslaufen sollte, ist die Dicke des hydrodynamischen Films sehr klein, z. B. weniger als 0,0025 mm (ein Zehntel eines thou). Die konischen Hülsen müssen während der Herstellung sorgfältig einander überlappt werden, vorzugsweise als angepaßte Paare, um die Aufrechterhaltung solcher Zwischenräume zu ermöglichen.
Der Ineinandergriff der Rotorhülsen mit den Statorhülsen dient als ein Gleitlager. Das Lager weist dadurch praktisch keinen Durchhangzwischenraum auf, dass das Lager sich selbst auf die korrekte oder benötigte Dicke des hydrodynamischen Films einstellt. Infolgedessen ist das Lager massiv in der Lage, Schwingungen der Welle während Betrieb der Pumpe zu beseitigen.
Das Lager liefert ferner Halt für die Welle unter Axial- oder Schubkräften. Während Betrieb wird die linke Hülse 125 von dem linken Stopfen 152 durch den Druck in der linken Hochdruckkammer 139 entfernt gehalten; in ähnlicher Weise wird die rechte Hülse 127 von dem rechten Stopfen 153 durch den Druck in der rechten Hochdruckkammer 140 getrennt gehalten. Wenn eine schwere resultierende Schubkraft auf die Welle einwirkt, zum Beispiel in der Richtung nach links hin in Fig. 14, bewegt sich die gesamte Baugruppe aus Welle, Rotorhülsen und Statorhülsen nach links, bis die linke Statorhülse 129 gegen den linken Stopfen L 52 anstößt. In ähnlicher Weise würde eine in der Richtung nach rechts einwirkende schwere Kraft die gesamte Baugruppe veranlassen, sich nach rechts zu bewegen, bis die rechte Statorhülse 130 an dem rechten Stopfen 153 anstößt.
Der Druck in der linken Hochdruckkammer 139 wird jedoch allgemein größer als der Druck in der rechten Hochdruckkammer 140 sein, wie vorhergehend erwähnt wurde. Deshalb wird die gesamte Baugruppe nach rechts hin vorgespannt werden, und die Baugruppe wird sich normalerweise mit der rechten Hülse 130 in Anlage mit dem rechten Stopfen 153 befinden. Abhängig von den freiliegenden Bereichen der beiden Hülsen (ihre freiliegenden Bereiche müssen nicht die gleichen sein) und von den unterschiedlichen Drucken in den beiden Hochdruckkammern, kann die Vorspannungskraft ausreichend groß sein, dass die rechte Hülse in Anlage mit dem rechten Stopfen bleibt, selbst wenn die Schubkräfte auf der Welle nach links hin einwirken können.
Natürlich würde ein zu starken Linksschub auf der Welle eine Bewegung der Baugruppe der Hülsen und der Welle nach links veranlassen, aber solange die nach links gerichteten Schubkräfte annehmbar leicht sind, bleibt die Hülsenbaugruppe sogar in einem Fall, in dem die Schubkraft in der Richtung wechseln kann, axial völlig ortsfest, d. h. mit effektiv keinem Durchhängzwischenraum in der axialen Richtung.
Daher schafft die Anordnung von Fig. 14 eine äußerst wirksame und zuverlässige Dichtung zwischen dem gepumpten Prozessfluid nach links und der Atmosphäre nach rechts. Fig. 14 liefert ferner ein Lager für die Pumpenwelle, in dem das Gleitlager stabil und frei von Durchhängzwischenraum unter Umkehrungen der Gleitlagerbelastung ist, und in dem das Schublager auch stabil und frei von Durchhängzwischenraum sogar unter Umkehrungen der Schubbelastung ist.
Wenn aus irgendeinem Grund ein Fehler erfolgen sollte, durch den der Druck der Sperrflüssigkeit abfallen sollte, könnte sich dann ein gewisser Durchhängzwischenraum in dem Lager entwickeln, aber dieser Fehlerzwischenraum kann auf einem Minimum gehalten werden, indem nur ein kleines freies Spiel (z. B. 0,08 oder 1,2 mm) (3 oder 5 thou) (axial gemessen) zwischen den beiden Stopfen 152, 153 erlaubt wird.
Die Anordnung von Fig. 14 ist in sich abgeschlossen, wobei die Sperrflüssigkeit von dem Prozessfluid mittels einer mechanischen Dichtung 147 und von der Atmosphäre durch die Dichtung 148 isoliert ist. Wenn die rechte Dichtung 148 lecken sollte, kann diese Tatsache durch Inspektion bestimmt werden. Wenn die linke Dichtung 147 lecken sollte, kann diese Tatsache durch Prüfen des Flüssigkeitsfüllstands in dem Vorratsbehälter 136 dadurch geprüft werden, dass die Sperrflüssigkeit in den Prozess auslaufen wird, wenn die Dichtung 147 versagen sollte.
Der Druck der Sperrflüssigkeit in der linken Hochdruckkammer 139 wird durch den Druckregler 143 eingestellt: der Druck in dem Prozessfluid kann gemessen werden, und der Regler 143 kann von der Art sein, die so eingestellt werden kann, um automatisch den Druck in der Kammer 139 immer wenige psi (wobei 1 psi = 6,897 kPa) höher als den Prozessdruck zu halten. Dann ist die Sicherheit des Einschlusses von Prozessfluid sehr hoch, was vorteilhaft in den Fällen ist, wenn das Prozessfluid giftig ist.
Wenn das Prozessfluid alternativ zum Beispiel ein Nahrungsmittel ist, besteht der Hauptfaktor darin, dass die Sperrflüssigkeit nicht in das Prozessfluid auslaufen sollte, anstatt umgekehrt. In diesem Fall kann der Regler 143 eingestellt werden, um die Sperrflüssigkeit immer ein paar psi (wobei 1 psi = 6,897 kPa) niedriger als den Prozess zu halten, wodurch, wenn die Dichtung 147 zu lecken beginnen sollte, das Volumen der Sperrflüssigkeit dann zunehmen würde - eine Tatsache, die einfach ermittelt werden kann.
Auf diese Weise wird durch einfaches Ermitteln von Änderungen in Druck und Volumen, das einfach automatisch durchgeführt werden kann, die Integrität der Anordnung von Fig. 14 als eine Dichtung praktisch vollständig sichergestellt. Natürlich bedeutet dies nicht, dass kein Versagen auftreten könnte, aber es schlägt vor, dass die Dichtungszuverlässigkeit sehr hoch ist, wie der Ausdruck im Zusammenhang des aktuellen Stands von Pumpendichtungsfachkenntnissen verstanden wird.
Es wird angemerkt, dass die mechanischen Dichtungen 147, 148 selbst von übermäßigen Druckdifferenzen geschützt werden können, indem automatisch der Kammerdruck so geregelt wird, dass er sich von dem Prozessdruck nur um eine sehr kleine Größe unterscheidet. Außerdem wird festgestellt dass die mechanischen Dichtungen auch gegen mechanische Schwingung durch die beinahe unbewegbare Lagerfähigkeit der Anordnung von Fig. 14 geschützt werden.
Es kann festgestellt werden, dass in Fig. 14 das Lager sehr nahe zu dem Flügelrad, und zu den mechanischen Dichtungen angeordnet ist; dies kann im Gegensatz zu dem Layout einer konventionellen Pumpe stehen, in der die Lager außerhalb der Wellendichtungen, d. h. an einer Stelle angeordnet sind, die mehrere Zoll (wobei 1 Zoll = 2,54 cm) nach rechts in der Fig. 14 entsprechenden Ansicht liegen würde. Bei einer konventionellen Pumpe liegt das Flügelrad am Ende eines langen, schwingungsanfälligen Überhangs der Welle. Dieser inhärente Aspekt konventioneller Pumpen ist so oft die Ursache von vorzeitigem Versagen mechanischer Dichtungen in konventionellen Pumpen. Fig. 15 zeigt das Flügelrad angebracht an dem linken Ende der Welle. Fig. 15 zeigt auch eine Verbindung zwischen den Hochdruckkammern, durch die beide Kammern auf dem gleichen Druck sind. Wie erwähnt, würde eine solche Gleichgestaltung nicht unbedingt bevorzugt sein.
Fig. 16 zeigt die Dichtungs-/Lageranordnung ähnlich derjenigen von Fig. 14 eingebaut in eine Magnetantriebspumpe, d. h. eine Pumpe des Typs, in dem das Pumpenflügelrad über eine Magnetantriebskupplung angetrieben wird. Magnetantriebspumpen werden in Fällen verwendet, in denen das gepumpte Prozessfluid so giftig ist, dass dynamische (d. h. reibende) Dichtungen - die nicht zuverlässig bezüglich Leckage sind - nicht toleriert werden können. In einer solchen Magnetantriebspumpe sind das Flügelrad und seine verknüpfte Welle und Lager innerhalb eines hermetisch verschlossenen Gehäuses eingeschlossen. Das Gehäuse ist unter Verwendung nur statischer (d. h. nicht aufeinanderreibender) Dichtungen abgedichtet, wobei der Antrieb durch die Wände des Gehäuses mittels der Magnetantriebskupplung übertragen wird.
Obwohl Magnetantriebspumpen nicht angemessen auf das Problem von Dichtungen gerichtet sind, die nicht lecken dürfen, und in einigen Anwendungen aus diesem Grund vorgeschrieben sind, besteht das wesentliche Problem bei einer konventionellen Magnetantriebspumpe darin, dass die Lager der Flügelradpumpe in dem Prozessfluid eingetaucht sind. Allgemein stellen Prozessfluids der Art, die so giftig sind, dass sie nicht einmal in kleinen Mengen auslaufen dürfen, oft schlechte Schmiermittel dar. Infolgedessen ist die Anwendbarkeit von Magnetantriebspumpen auf diejenigen wenigen Anwendungen begrenzt worden, wo die (giftige) Prozessflüssigkeit ausreichende Schmierfähigkeit zum Halten konventioneller Lager aufweist. Das Lagerproblem ist besonders schwierig darin, dass die Flügelradwelle mechanisch völlig isoliert von der Motorantriebswelle ist, und die Flügelradlager deshalb selbst in der Lage sein müssen, die gesamten Schub- und Gleitlasten zu tragen, die durch das Flügelrad erfahren werden können.
Wie in Fig. 16 gezeigt ist, werden diese Probleme stark verringert, wenn die in bezug zu Fig. 14 beschriebene Dichtungs-/Lageranordnung für eine Magnetantriebspumpe angewendet wird.
Die Flügelradwelle 160 wird an dem inneren Teil 163 der Magnetkupplung 165 verkeilt. Der äußere Teil 169 der Kupplung wird an der Antriebswelle 170 verkeilt, die durch den gewöhnlichen Elektromotor (nicht gezeigt) angetrieben werden soll und die in ihren eigenen Lagern 172 gehalten wird. Eine Kapsel 174 bildet eine Einheit mit dem Pumpengehäuse 176 und verhindert Auslaufen einer jeglichen Flüssigkeit durch die Kupplung an die Umgebungen.
In Fig. 16 sind die konischen Hülsen wie vorhergehend beschrieben vorgesehen. Die Sperrflüssigkeit wird innerhalb der Dichtung/des Lagers über Durchgänge 178, 179 in die Kammern hinein und aus diesen hinausbefördert. Die Drucke und Volumen der Sperrflüssigkeit und des Prozessfluids können, wenn erforderlich, von außen gemessen und geregelt werden und jegliche Einstellungen derselben können von außen erfolgen.
Durch diese Anordnung von Fig. 16 läuft das Flügelrad einer Magnetantriebspumpe in Lagern, die fest gehalten werden. Ferner bleiben die Lager unverunreinigt durch Prozessfluid. Die Anordnung von Fig. 16 hält weiterhin das Magnetantriebsmerkmal der Umschließungsintegrität aufrecht, die nicht möglicherweise lecken kann.
In Fig. 16 laufen die Magneten des inneren Teils 163 der Kopplung in Luft, was im Gegensatz zu einer konventionellen Magnetantriebspumpe stehen kann, bei der die inneren Magneten in Prozessflüssigkeit laufen. Mechanisch stellt dies einen Vorteil dar, da die Flüssigkeit unvermeidbar aufgrund von Flüssigkeitsschub einen gewissen Strömungswiderstand auferlegen muss - tatsächlich beträchtlich mehr Schub, als wenn die selben Komponenten in Luft laufen. Außerdem ist Übertragung des Magnetflusses durch Luft effizienter als Durchführung derselben durch eine Flüssigkeit.
In Fig. 17 schwebt nur die linke Statorhülse 180 axial. Diese Hülse stößt gegen einen Stopfen 183 an, der durch einen O-Ring 185 an dem Gehäuse 187 abgedichtet ist. Der Stopfen 183 schwebt auch axial, und wird durch den Druck des Prozessfluids nach rechts gedrückt. Der Stopfen drückt seinerseits die linke Hülse 180 nach rechts, wodurch der Kegel belastet wird, und die Entwicklung des hydrodynamischen Films ermöglicht wird, wie vorhergehend beschrieben wurde.
In Fig. 17 liegt die Niederdruckkammer 189 am rechten Ende der (fixierten) rechten Statorhülse, und die Hochdruckkammer 190 liegt an dem linken Ende der (schwebenden) linken Statorhülse 180. Die Nuten in beiden Statorhülsen sind eingerichtet, um die Sperrflüssigkeit nach links zu pumpen.
In Fig. 18 ist die schwebende linke Hülse 192 an dem Gehäuse abgedichtet, und der Sperrflüssigkeitsdruck wirkt, um die schwebende linke Hülse nach rechts zu drücken. Wenn der Sperrflüssigkeitsdruck größer als der Prozessdruck eingestellt wird, stößt der Stopfen 194 nach links gegen den Sprengring 195 an.
Fig. 19 zeigt eine Baugruppe 200, die selbst eine Pumpe darstellt. Die gepumpte Flüssigkeitsausgabe der Pumpe steht unter einem hohen Druck, obwohl dieser Pumpentyp nur eine kleine Volumendurchsatzmenge zuführen kann. Der Zweck der Pumpe besteht in der Zuführung eines hohen Drucks bei einer niedrigen oder statischen Durchsatzmenge, wobei der Hauptnutzen der Pumpe darin besteht, dass keine Hochdruckdichtungen benötigt werden.
In Fig. 19 ist sowohl die linke als auch die rechte Statorhülse 203, 205 fixiert und beide der Rotorhülsen 207, 208 können axial schweben. Die Rotorhülsen werden durch ein Antriebsrohr 210 angetrieben, das an der Welle 212 verkeilt ist.
Die zu pumpende Flüssigkeit wird an den äußersten axialen Enden angesaugt. Die Flüssigkeit wird durch die Nuten in Richtung auf den Mittelpunkt, in die Hochdruckkammer 214, und durch das Abgaberohr 216 hinaus gepumpt.
Der Druck in der Kammer 214 dient zum Belasten beider der beiden Kegel. Eine Feder 218 dient zum Vorspannen der schwebenden Hülsen in ihre Kegel, und hält die schwebenden Hülsen selbst dann an richtiger Stelle, wenn der Druck in der Kammer 214 abfällt.
Die Welle 212 dient nur zum Übertragen von Drehmoment zu den Pumpenrotorhülsen. Die konischen Hülsen liefern Gleitlagervermögen, jedoch kein Schublagervermögen, und getrennte Anordnungen sollten zur axialen Anordnung der Welle vorgenommen werden.
Die Fig. 20 und 20A zeigen eine Unterbaugruppe 304, die eine einstückige Hülse 320 und zwei getrennte äußeren Hülsen 306, 308 aufweist. Die einstückige Hülse 320 umfasst zwei konische Oberflächen, in die jeweilige Spiralnuten eingearbeitet sind. Wie dargestellt, zeigen die Nuten in unterschiedliche Richtungen. Die Richtung der Nuten, und die Drehrichtung der Welle 324 sind derart, dass Sperrflüssigkeit, die zwischen den beiden konischen Oberflächen in die Eintrittskammer 325 eintritt, axial durch die Einwirkung der Nuten nach links und rechts, in Richtung auf und in die Austrittskammern 327, 328 gepumpt wird.
Von dort wird die Flüssigkeit gesammelt und über Leitungen 340, 342 zu einer Sperrflüssigkeitssteuerstation 345 befördert. An der Station werden die Drucke in den beiden Austrittskammern überwacht und geregelt (gemäß voreingestellten Parametern). Normalerweise wird es ein Ziel des Designers sein, dass der Druck über den beiden mechanischen Dichtungen 346, 347 in der Unterbaugruppe klein gehalten wird; da der Druck jenseits der linken Dichtung 346 (der Prozessdruck) jedoch allgemein größer als der Druck jenseits der rechten Dichtung 347 (Atmosphärendruck) ist, werden die Drucke in den beiden Austrittskammern 327, 328 unterschiedlich eingestellt werden müssen.
Die Unterbaugruppe 304, wie in Fig. 20 gezeigt, kann als eine integrierte Einheit einschließlich der Kontrollstation 345 hergestellt und verkauft werden. Die Station umfasst einen Sperrflüssigkeitsleckagedetektor (zum Ermitteln einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Volumens der Sperrflüssigkeit) und verschiedene Drucksensoren und Regler, einschließlich eines Sensors zum Erfassen des Prozessdrucks über einen Durchgang 348. Die Station 345 kann eingestellt werden, um den Druck in der Austrittskammer 327 als einen festgelegten Wert zu regeln, oder als eine Proportion des Prozessdrucks, oder wie es ansonsten als erwünscht angesehen wird.
Es kann festgestellt werden, dass die wie in Fig. 20 gezeigte Unterbaugruppe sehr autonom und gebrauchsfertig ist. Um die Einheit betriebsbereit zu gestalten, wird ein Pumpengehäuse 350 (Fig. 20) mit einer geeigneten Schraubfläche hergestellt, und eine Welle 324 wird mit einem geeigneten Durchmesser vorgesehen. Die Einheit wird einfach über die Welle geschoben, das Gehäuse zugeschraubt, und die Befestigungsgewindestifte 352 festgeschraubt (wobei Zugang durch ein zugestopftes Loch in dem Gehäuse vorliegt). Sehr wenig wird im Sinne von sorgfältiger Aufmerksamkeit oder guter handwerklicher Fähigkeiten für den mechanischen Aufbau benötigt (was im Gegensatz hierzu oft bei anderen Typen von Dichtungs-/Lagersystemen erforderlich ist).
Fig. 21 zeigt eine ähnliche Einheit, bereit für Installation, mit dem Unterschied, dass in Fig. 21 die beiden konischen Abschnitte im gleichen Sinn genutet sind. Nun wird die Sperrflüssigkeit auf der rechten Seite in die Eintrittskammer 360 eingeführt und nach links in Richtung auf die Hochdruckaustrittskammer 362 gepumpt.
In Fig. 21 ist die Welle bei 364 weggeschnitten oder entlastet, damit jegliche geringfügigen Grate, die durch die Tätigkeit der Gewindestifte verursacht werden, nicht die O-Ringdichtungen 365 in der Hülse zerreißen werden.
Außerdem ist in Fig. 21 ein Mittel zum Einstellen des Durchhängzwischenraum des Lagers vorgesehen. Ein feines Gewinde ist in das Ende des Gehäuses 367 geschnitten, und ein Gewindestopfen 368 wird in diesem in Eingriff gebracht und auf den gewünschten Zwischenraum festgeschraubt. Der Stopfen wird mittels eines Verschlusses 369 an richtiger Stelle verriegelt.
Fig. 22 zeigt zwei der Dichtungs-/Lagereinheiten installiert an der selben Welle mit einer dazwischen angebrachten Nennrotationsmaschine 370. Es kann eingerichtet werden, dass Schubkräfte auf der Welle zwischen zwei Lagern geteilt werden, wodurch beide an der Welle verriegelt werden. Alternativ wird es oft der Fall sein, dass Schub nur durch ein Lager gehalten wird, in welchem Fall die Hülse des anderen Lagers frei ist, um axial entlang der Welle zu schweben.
Rotationsmaschinen, die von dem oben beschriebenen Typ von Dichtungs-/Lagersystem profitieren werden, umfassen die folgenden, zusätzlich zu den Flügelradpumpen, auf die oben bezug genommen wurde:
Verdrängerpumpen
Doppelsaugpumpen
Mehrstufenpumpen
Kolbengasverdichter
Schraubverdichter
Zentrifugalverdichter
Wechselstromerzeuger und Generatoren
Gebläse
Rotoren, sowohl vertikale als auch horizontale
Walzen
Dünnschichtverdampfer
Schiffsheckstopfbuchsen
Selbstschmierende Wellenhaltelager
Mischer und Rührer
Zusätzlich zu den obigen angetriebenen Maschinen, kann das System mit solchen Antriebsmaschinen verwendet werden wie:
Dieselmotoren
Gasmotoren
Turbinen: Gas, Dampf, Wasser
Das System kann allgemein mit Rollenkolben und Rollenkolbenwellen verwendet werden, bei denen ein hohes Gleitlagervermögen einen Vorteil darstellt. Andererseits machen die allgemeine Festigkeit und der Stoßwiderstand des Systems das System auch für ungleichmäßige Belastungsanwendungen geeignet. Anwendungen, die besondere Vorteile bergen, sind diejenigen, wie Flügelradpumpen, bei denen eine Welle ein beträchtliches Gewicht oder eine beträchtliche Masse auf einem großen Überhang trägt, insbesondere wenn der Überhang durch die Notwendigkeit verursacht wird, die Dichtung und das Lager, die bisher benötigt wurden, getrennt in einer Linie unterzubringen. Das System erlaubt eine Reduzierung des Überhangs. Dies kann oft als eine Reduktion des Wellendurchmessers reflektiert werden. Eine kleinere Auslegung der Welle ist gewöhnlich sehr vorteilhaft unter dem Kostenstandpunkt betrachtet, da alle die anderen an der Welle angebrachten Komponenten kleiner sein können.
Fig. 23 zeigt eine Flügelradpumpe und einen Antriebsmotor in einer Baugruppe mit konventionellem Layout. Der Motor 403 lagert auf einem feststehenden Rahmen 405, wie auch das Flügelradgehäuse 407, und das Lagergehäuse 409. Bei kleineren Installationen können die Lager in einer Erweiterung des Flügelradgehäuses 407 untergebracht werden, in großen Pumpeninstallationen wird jedoch oft das getrennte Gehäuse 409 benötigt, um Halt für die Lager bereitzustellen.
Fig. 24 zeigt die vergleichbare Installation unter Verwendung der Erfindung. Der Motor 403 hat die gleiche Länge, und das Flügelradgehäuse hat die gleiche Länge, aber jetzt besteht keine Notwendigkeit Platz für die Wellenlager bereitzustellen. Die Gleit- und Schublageranforderungen der Welle werden, wie beschrieben, durch die in dem Flügelradgehäuse 410 angeordnete Dichtungs-/Lagerbaugruppe übernommen. Fig. 24 erfordert eine kürzere Welle, und einen kürzeren Rahmen, und ist preisgünstiger und leichter.
Das folgende ist eine Zusammenfassung einiger der Vorteile, auf die eine oder mehrere der exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung abzielen.
Verglichen mit einer Pumpe, die eine konventionelle Stopfbuchsendichtung oder mechanische Dichtungen und konventionelle Dichtungen aufweist, wird Wellenüberhang als ein Problem beseitigt. Ein Pumpenflügelrad ist ein schwerer Gegenstand; in der konventionellen Pumpe müssen die Lager von dem schweren Flügelrad um wenigstens die axialen Länge des Stopfbuchse oder der mechanischen Dichtung, plus Raum für Zugang zu derselben getrennt sein. Daher können die Lager mehrere Zoll (wobei 1 Zoll = 2,54 cm) von dem Flügelrad entfernt sein. Dieser Überhang verursacht Schwingungen, insbesondere unter Hohlraumbildung, etc. und diese Schwingungen können die Dichtung beschädigen. Wenn die Dichtungen abnutzen, entwickelt sich Durchhang, welcher das Schwingungsproblem verschlimmert.
In der Erfindung kann die Dichtungs-/Lagereinheit dicht an das schwere Flügelrad angrenzen. Die Schwingungsneigung wird stark verringert. Das Schwingungsproblem ist so gering, dass die Welle einen beträchtlich verkleinerten Durchmesser aufweisen kann, und der Wellendurchmesser stellt einen kritischen Aspekt der Wirtschaftlichkeit bei Auslegungen von Rotationsmaschinen dar. Keine anderen Lager, außer der wie beschriebenen Dichtungs- /Lagerbaugruppe, müssen vorgesehen werden. Die Gesamtwellenlänge zwischen dem Motor und dem Flügelrad kann verringert werden, was erneut das Schwingungsproblem abschwächt.
Die Einheit selbst kann selbstausgleichend hinsichtlich Abnutzung der konischen Oberflächen sein, sowohl bezüglich Schub- als auch Gleitlagerhalt, wodurch das Schwingungsproblem über eine lange Arbeitsdauer unbedeutend bleibt.
Die Erfindung ermöglicht ferner eine starke Senkung der Gefahr, dass Prozessfluid in die Atmosphäre ausläuft. Wenn die Prozessflüssigkeit giftig ist, ist es konventionell gewesen, innere und äußere Dichtungen vorzusehen, und eine unter Druck stehende Sperrflüssigkeit zwischen den beiden Dichtungen vorzusehen; wenn der Druck der Sperrflüssigkeit höher als der Prozessdruck gehalten wird, verursacht eine jegliche Leckage der inneren Dichtung, dass Sperrflüssigkeit in den Prozess ausläuft, nicht umgekehrt. Das Problem besteht dann jedoch in der Hochdruck-Außendichtung zur Atmosphäre. Im Gegensatz hierzu kann die Einheit, wie beschrieben, einen höheren Druck als der Prozess erzeugen, und muss daher das äußere Ende der Einheit nicht mehr als Atmosphärendruck aufweisen. Der Druck wird zunehmend entlang der Länge der Nut erzeugt. Die konventionelle unter Druck stehende Sperre benötigte natürlich auch eine externe Druckquelle.
In den beschriebenen Einheiten fließt die Sperrflüssigkeit, nachdem sie von und durch die Nut gepumpt wurde, über die konischen Oberflächen und durch die Nut bei einer stetigen Durchsatzmenge. Der Fluss ist volumetrisch ausreichend groß, um eine gute Zirkulierung der Sperrflüssigkeit zuzulassen, die Entnahme von Wärme, und auch von Schmutz und Abriebteilchen, etc. aus der Flüssigkeit zuzulassen. Der Fluss erfolgt in einer Richtung, und im wesentlichen ohne Rückfluss, was bedeutet, dass die gesamte Flüssigkeit zirkuliert wird, und nicht nur ein umgeleiteter Anteil. Der Fluss ist ausreichend groß, dass Änderungen in der Durchsatzmenge, Flüssigkeitsgrößen, Temperaturen, Drucken, etc. schnell und einfach für Überwachungs- und Steuerzwecke ermittelt werden können.
Eine der gewöhnlichen Ursachen vom Versagen von Pumpeninstallationen ist Korrosion nach dem Eindringen von Feuchtigkeit in die Pumpenwellenlager. In den beschriebenen Auslegungen, wird das Lager mit der Dichtung kombiniert, und das Lager wird konstant durch die Sperrflüssigkeit durchspült, wodurch die Möglichkeit weitgehend nicht existiert, dass externe Feuchtigkeit in das Lager eintritt und Korrosion verursacht.
Fig. 27 zeigt eine Version der Kegelhülsen-Dichtungs-/Lagerbaugruppe, die besonders auf Installationen anwendbar ist, bei denen die Welle vertikal ist. Nun werden das Gewicht des Flügelrads, der Welle und der anderen rotierenden Komponenten alle als eine Schubkraft auf der Welle erfahren. Die Doppelkegelauslegung kann, wie erwähnt, einfach die Schubkräfte anpassen. Zum Sicherstellen, dass die Welle sich nicht vertikal bewegen kann, nachdem sie eingestellt wurde, wird ein Schraubgewinde 450 an der Welle 451 vorgesehen, und eine Verschlussmutter 452 stellt sicher, dass die Doppelkegelhülse 453 sich nicht in bezug zu der Welle 451 bewegen kann. Insbesondere in dem Fall, wenn die Welle 451 vertikal hängt, können die Gewindestifte 456 nicht als ausreichend betrachtet werden, um die Welle gegen Schubkräfte zu halten.
Fig. 25 zeigt eine Version der Kegelhülsen-Dichtungs-/Lagerbaugruppe, bei der viele die Komponenten als eine Unterbaugruppe oder Packung vorgesehen sind. Das heißt, die in Fig. 25 gezeigten Komponenten werden unter Fabrikbedingungen fertig hergestellt und vormontiert, und anschließend als eine Packung für Installierung als eine Nacharbeit in einer bereits existierenden Pumpe verschickt. Alternativ ist der Packungsaufbautyp oft sehr bequem auch bei der Herstellung neuer Pumpen.
In Fig. 25 werden die beiden Rotorhülsen mit Spiralnuten auf die Rotorkomponente 420 gearbeitet. Die beiden Statorhülsen 423, 425 sind getrennt, werden aber axial über dem Rotor mittels Federn 427 zusammengehalten. Die die Rotorkomponente aufweisende Packung, die beiden Statorhülsen und die Federn können einfach in den Ringraum zwischen Welle und Gehäuse geschoben werden, wie gezeigt ist. O-Ringe 429 dichten die Statoren an dem Gehäuse ab.
Ein Gewindestift 430 verriegelt die Rotorkomponente an der Welle 432. Die Statorhülsen werden nicht axial an dem Gehäuse verriegelt - das in Fig. 25 gezeigte Gerät ist zur Verwendung vorgesehen, wenn die Welle andere Mittel (Schublager) zum Halten der Welle gegen axiale Bewegung umfasst.
Fig. 25A zeigt das entsprechende Gerät, wo die Statorhülsen 435, 436 in dem Gehäuse fixiert werden, und die Rotorkomponente 438 axial entlang der Welle gleiten kann. Wie erwähnt, sind diese Einheiten (Fig. 25, 25A) nicht angeordnet, um allein Schubkräfte zu halten.
Die Welle 432 umfasst ein getrenntes Schublager. Dies ist nicht in Fig. 25 gezeigt, es kann jedoch eine konventionelle Auslegung aufweisen. Gewöhnlich wird, wenigstens im Fall von Flügelradpumpen, die Schublagerfunktion mit einer Gleitlagerstruktur kombiniert. Fig. 23 zeigt eine typische Anordnung der Lager an der Welle. Das in den Fig. 25 oder 25A gezeigte Gerät dient als ein sehr sicheres Gleitlager, und es kann angenommen werden, dass dieses Gleitlager mit dem Gleitlager innerhalb des Gehäuses 409 "kämpfen" kann, außer wenn die beiden Lager absolut koaxial sind (und über die gesamte Arbeitsdauer absolut koaxial bleiben). Tatsächlich kann "Kämpfen" manchmal nicht ausgeschlossen werden, was der Grund dafür ist, warum die Anordnung von Fig. 24 bevorzugt ist (abgesehen von der Einsparung, in Fig. 24, von Raum und Kosten).
Manchmal existiert jedoch bereits die Anordnung von Fig. 23 und muss bestehen bleiben; in solchen Fällen ist der Überhang jedoch allgemein so groß, dass Wippen der überhängenden Welle ein umfassendes Problem darstellt: eine jegliche Neigung der Lager, zu "kämpfen", wird mehr als überwunden durch die Tatsache, dass das Flügelradende der Welle nun an Wippen, und an Herauslaufen gehindert wird aufgrund dessen, dass Flügelradungleichgewicht, etc. verhindert wird, das heißt, mehr oder weniger perfekt und vollständig in den meisten Fällen.
Daher ist die Hinzufügung eines zusätzlichen Gleitlagers von dem Hülsengerät wesentlich wahrscheinlicher zweckdienlich als sonstiges.
Andererseits wäre allgemein ein anderes Schublager an der Welle nicht akzeptabel, was der Grund dafür ist, warum die Baugruppen der Fig. 25 und 25A, obwohl diese gute Gleitlagerfähigkeiten aufweisen, absichtlich von Schubkräften isoliert sind.
In Fig. 26 ist die Schubsituation etwas anders. Hier ist der Stator 440 in dem Gehäuse fixiert. Die beiden Rotorhülsen 442, 443 können jeweils an der Rotorhülse 445 gleiten, aber beide sind durch Federn vorgespannt, die gegen Anstoßen an den Hülse reagieren. Deshalb ist die Baugruppe von Fig. 26 axial selbstzentrierend. Manchmal ist dies die beste Form der Anwendung von axialer oder Schubkraft für die Installierung.
Wie in anderen Zeichnungen abgebildet ist, wenn keine anderen Schublager an der Welle vorhanden sind, besteht manchmal die beste Art zum Steuern axialer Verschiebung und von Schubkräften in dem Modus von Feder in einer Richtung - fixiert in der anderen Richtung, wie zum Beispiel in Fig. 3 dargestellt ist. Der Designer kann den Wunsch haben, die Tatsache zu berücksichtigen, dass ein Hohlraum in dem Prozessfluid eine unvorhersagbare Kraft auf dem Flügelrad verursachen könnte, (wobei die Kraft in Fig. 3 nach rechts gerichtet ist) und einrichten, dass dieser plötzlichen, heftigen Kraft fest standgehalten wird. Andererseits sind Kräfte, die die Flügelradwelle aufgrund von Normalbetrieb nach links drücken, viel vorhersagbarer, und weniger heftig, und ihnen kann durch Federvorspannung standgehalten werden.
Fig. 26 ist geeignet, wenn die Schubkräfte leicht sind, und nicht plötzlichen heftigen Variationen ausgesetzt sind.
Wie in Fig. 29 gezeigt ist, muss das Pumpengehäuse 460, das die Packung aufnehmen wird, einfach mit einer geraden Durchgangsbohrung 462 hergestellt werden. Eine breite Vielzahl von Pumpengehäusen werden als geeignet für die Installierung der Packung angesehen, wenn alles, was an dem Gehäuse vorgenommen werden muss, die Einarbeitung einer geraden Durchgangsbohrung darstellt. Abgesehen von der Bohrung selbst, muss das Ende 463 des Gehäuses abgeflacht sein und mit Schraubenlöchern 465 versehen werden, aber das ist einfach genug: nichts weiteres ist erforderlich - nicht einmal O-Ringnuten, da diese in dem Außendurchmesser des Zylinders 467 der Packung vorgesehen sind.
Oft ist ein Pumpengehäuse so wie 460 bereits mit einer Öffnung 468 für den Anschluss einer Hydraulikleitung versehen, und diese Öffnung kann, wenn vorhanden, verwendet werden, um die Sperrflüssigkeit aus der Hochdruckkammer 469 zu befördern, wie in Fig. 29 gezeigt ist. Die entsprechende Öffnung zum Befördern der Flüssigkeit zu der Niederdruckkammer ist in den Zylinder 467 eingebaut. In Fällen, in denen die Öffnung nicht in dem Gehäuse vorliegt, können die Öffnungen zum Befördern der Sperrflüssigkeit in die Kammer hinein und aus dieser hinaus in dem Zylinder vorgesehen werden, zum Beispiel in einer Anordnung wie in Fig. 30 gezeigt.
In den Fig. 28-30 sind die äußeren Hülsen gegen Drehung mittels Klammern 470 eingegrenzt, die in einem Flansch 472 des Zylinders 467 fixiert sind. Zusätzlich zu ihrer Funktion als Drehungssperrmittel, können die Klammern 470 hinsichtlich Tiefe fabrikeingestellt werden, um die gewünschte Größe von axialem Durchhang oder freiem Spiel in den Hülsen zu fixieren.
Fig. 31 zeigt eine Dichtungs-/Lagerpackung 530, die für Anbringung, als eine vormontierte eingefasste Einheit in das Statorgehäuse einer Pumpe oder anderen Maschine vorgesehen ist. Die Packung 530 enthält eine Antriebswelle 532, die über eine Kupplung (nicht gezeigt) an ihrem linken Ende an einem Elektromotor und an ihrem rechten Ende an dem Drehflügelrad der Pumpe befestigt ist.
Die Welle 532 ist mit einem integrierten Bund 534 ausgebildet. Alternativ kann der Bund getrennt sein und kann in eine in die Welle eingeschnittene Nut eingeklemmt und daran gegen axiale und Drehbewegung in bezug zu der Welle befestigt werden.
Zwei konische Hülsen 536, 538 werden an dem Bund 534 so verkeilt, um sich mit der Welle 532 zu drehen. Die Welle und Hülsen werden in ein Statorgehäuse eingebaut, wie gezeigt ist, welches in das Gehäuse der Pumpe oder anderen Maschine geschraubt wird.
Die wie gezeigte Baugruppe dient als eine hochwirksame und sichere Dichtung; obwohl keine technische Dichtung als absolut sicher gegen Leckagen angesehen werden kann, ist die Dichtung eine Nullemissionsdichtung, wie dieser Ausdruck in der Pumpenterminologie verstanden wird. Dies ist vorteilhaft, wenn das gepumpte Prozessfluid giftig ist.
Außerdem hat die Baugruppe, wie gezeigt, ein robustes Vermögen sowohl als ein Gleit- als auch ein Schublager. Der Elektromotor sollte über eine Kupplung des Typs angeschlossen sein, der die Welle 532 von jeglichen Kräften aufgrund des Motors und seiner Anbringungen, abgesehen von dem Antriebsdrehmoment vom Motor, entlastet. Die Baugruppe beseitigt praktisch Herauslaufen und die Auswirkungen von Fehlausrichtung, und der kurze Überhang des Flügelrads am rechten Ende bedeutet, dass die Auswirkungen jeglicher Schwingungen aufgrund von Ungleichgewicht unbedeutend sind.
Wie in Fig. 32 gezeigt ist, kann Sperrflüssigkeit während Betrieb in die Eintrittskammer 540 am linken Ende der Packung im wesentlichen bei Umgebungsdruck über eine Leitung 543 eingeführt werden. Die Sperrflüssigkeit tritt unter Druck in die Austrittskammer 545 aus und wird über eine Leitung 547 zurückgeführt.
Der Druck in der Leitung 547, und folglich der Druck in der Austrittskammer 545 wird auf einen Druck geregelt, der gerade ein paar psi (wobei 1 psi = 8,897 kPa ist) höher als der Druck in dem gepumpten Prozessfluids ist; wenn der Prozessdruck ansteigt, steigt auch der Druck in der Austrittskammer 545 an. Dies stellt sicher, dass die Druckdifferenz über der mechanischen Dichtung 549 auf einer niedrigen Größe bleibt.
Die konischen Oberflächen 560, 562 der Hülsen werden jeweils mit einer jeweiligen Spiralnut gebildet.
Sperrflüssigkeit (z. B. Wasser) wird in das linke Ende des Kegels gesaugt, und durch die Spiralnut nach rechts getrieben, durch beide Kegel. Wenn die unter Druck stehende Sperrflüssigkeit das rechte Ende erreicht, wird sie gesammelt und für Rückzirkulation zurückgeführt.
Die Einheit, wie gezeigt, ist in sich selbst hinsichtlich Dichtungen und Lagern abgeschlossen. Die Welle ist an ihrem linken Ende an einen Drehmomentantrieb gekoppelt, und keine Lager werden auf der linken Seite an der Welle benötigt. Die konischen Hülsen liefern alle Schub- und Gleitlagerkapazitäten, die benötigt werden können.
Die Einheit ist sehr kompakt, insbesondere in der axialen Richtung, verglichen mit konventionellen Flügelradpumpen, und weist dennoch einer äußerst zuverlässige Wellendichtung und ein Wellenlager hoher Kapazität auf.
Die in den beigefügten Zeichnungen gezeigten und im folgenden beschriebenen Geräte sind Beispiele, die die Erfindung verkörpern. Es soll festgestellt werden, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist, und nicht unbedingt durch spezielle Merkmale exemplarischer Ausführungsformen.
Wie in Fig. 34 dargestellt ist, ist ein Verbindungsstab 620 mit einer Kurbelwelle 623 über ein Pleuellager 625 und mit einem Kolben 627 über ein Kolbenzapfenlager 629 verbunden.
Schmierflüssigkeit wird über interne Durchgänge in der Kurbelwelle aus einem Vorratsbehälter (nicht gezeigt) außerhalb der Kurbelwelle zu den Mittelpunkten der Kurbelzapfen 630 zugeführt. Das Schmiermittel tritt durch Löcher in den Kurbelzapfen aus.
Um den Kurbelzapfen herum ist eine Doppelkegelhülse 632 angebracht. Das Schmiermittel aus dem Kurbelzapfen tritt durch entsprechende Löcher 634 in der Hülse 632 aus. Die konischen Oberflächen der Hülse sind jeweils mit einer Spiralnut versehen. Wenn sich die Hülse dreht, treibt die Nut das Schmiermittel sich selbst entlang, wodurch Druck in dem Schmiermittel erzeugt wird. Die Nuten sind so angeordnet, dass während Vorwärtsdrehung des Motors das Schmiermittel aus der Mitte zu den Kanten des Pleuellagers gepumpt wird.
Die Hülse 632 ist in zwei Teilen ausgeführt, die um den Kurbelzapfen 630 aneinander geklammert werden. Die komplementären weiblichen Hülsen 636 (die eben auf ihren konischen Oberflächen sind) liegen auch in zwei Hälften vor, die um die männliche Hülse 632 geklammert werden. Das große Ende des Verbindungsstabs liegt auch in zwei Hälften vor, wodurch das gesamte Lager um den Kurbelzapfen zusammengehalten wird.
Das Schmiermittel tritt aus den Enden der konischen Hülsen aus, und geht durch Stoßscheiben 638 hindurch und gelangt anschließend nach außen.
Ein Durchgang 640 führt den Verbindungsstab hinauf zu dem kleinen Ende. Die konischen Hülsen liegen nicht in zwei Hälften vor, sind aber ansonsten ähnlich den Hülsen mit großen Enden.
Es wird verstanden werden, dass der Druck des Schmiermittels innerhalb des Lagers tatsächlich in und durch die Spiralnuten erzeugt wird. Deshalb besteht keine Notwendigkeit, dass das Schmiermittel unter einem hohen Druck zugeführt wird. Ein gewisser leichter Druck kann angewendet werden zur Sicherstellung, dass das Lager nicht trocken läuft, aber grundlegend läuft das Lager auf einem hydrodynamischen Film zwischen den konischen Oberflächen, und dieser Film wird unter einem hohen Schmiermitteldruck gehalten, aber es wird keine externe Quelle zum Zuführen eines hydrostatischen Drucks benötigt.
In ähnlicher Weise steht das Schmiermittel in dem Druckgang 640 unter keinem, oder nur einem Solldruck. Das Schmiermittel wird in das Kolbenzapfenlager durch die Einwirkung der Spiralnut gesaugt, die Flüssigkeit in sich selbst hineinsaugt.
Ein Vorteil der Tatsache, das der Druck allgemein tatsächlich innerhalb des Lagers erzeugt wird, besteht darin, dass die Anforderungen an das Schmiermittel, ölartig zu sein und eine hohe Viskosität aufzuweisen, stark verringert sind. In vielen Fällen kann das Schmiermittel Wasser sein.
In Fig. 35 umfasst ein Einzylinder-Luftverdichter 720 einen Kolben 723, der sich in einem Zylinder 724 hin- und herbewegt. Ein Verbindungsstab 725 weist eine Pleuellagerverbindung 726 mit dem Kurbelzapfen 727 einer Kurbelwelle 729 auf. Die Kurbelwelle weist Hauptlagerverbindungen 730 mit einem Gehäuse 732 auf.
Es kann festgestellt werden, dass, obwohl die rotierenden Komponenten eines Verdichters richtig an richtiger Stelle gegen axiale Bewegung angeordnet sein müssen, die axialen (d. h. Schub-) Kräfte auf den Komponenten gewöhnlich nicht hoch sind. Die Anordnung ineinandergreifender konischer Hülsen mit einer in der Rotorhülse ausgebildeten Spiralnut, sollte vorzugsweise nur benötigt werden, um ein begrenztes Schubhaltevermögen zu halten, aber dies ist gewöhnlich alles, das in der Kolbenmaschinensituation erforderlich ist.
Das Pleuellager 726 (siehe auch Fig. 36) umfasst ein Paar männliche Hülsen 734, verkeilt an den Kurbelzapfen 727 bei 737, und ein Paar weibliche Hülsen 736, verkeilt an den Verbindungsstab 725 bei 739. Federn 738 drücken die männlichen Hülsen 734 auseinander, und drücken dadurch die weiblichen Hülsen 736 gegen die Stoßscheiben 740.
Die männlichen Hülsen 734 des Pleuellagers 726 sind jeweils hinsichtlich ihrer Außenflächen abgeschrägt, und sind jeweils mit einer jeweiligen Spiralnut an den genannten Außenflächen ausgebildet. Die komplementären Innenflächen der weiblichen Hülsen sind eben. Die männlichen und weiblichen Hülsen werden einander während der Herstellung überlappt. Während Betrieb des Verdichters drehen sich die männlichen Hülsen mit dem Kurbelzapfen, und die weiblichen Hülsen drehen sich mit dem Verbindungsstab.
Die Hauptlager 730 (siehe auch Fig. 37) weisen auch entsprechende männliche und weibliche Hülsen auf, die wie gezeigt an der Welle und dem Gehäuse verkeilt sind. Federn 743 halten die Hauptlagerkomponenten in Kontakt miteinander vorgespannt.
Beim Betrieb des Verdichters tritt Schmierflüssigkeit in die Eintrittskammer 747 ein. Von dort wird das Schmiermittel durch die Einwirkung der Spiralnut in die Kammer 749 gepumpt. Mechanische Dichtungen 750 halten das unter Druck stehende Schmiermittel in der Kammer 749. Solange die Dichtungen 750 im wesentlichen den Druck halten, spielt es keine Rolle, wenn die Dichtung etwas leckt, da das auslaufende Schmiermittel einfach zurück in den Sumpf 752 abläuft.
Das unter Druck stehende Schmiermittel fließt dann nach innen in die Bohrung 754 in der Kurbelwelle hinein und von dort zu dem Kurbelzapfen 727. Von dort fließt das Schmiermittel in ähnlicher Weise zu dem linken Hauptlager, wo es weiter unter Druck gesetzt wird, wobei der Druck mittel eines Druckreglers 756 eingestellt wird, und wird dann zum Sumpf 752 zurückgeführt.
Das Schmiermittel fließt auch zu den Hülsen mit großem Ende, wie gezeigt ist. Beim Fließen durch die Hülsen mit großem Ende, wird der Druck des Schmiermittels erneut darin erhöht. Von dem Pleuellager fließt das Schmiermittel durch den Druckregler 758 und von dort zu dem Kolbenzapfenlager 760. Das Kolbenzapfenlager kann erneut vom konischen Hülsentyp sein, oder kann einfach gestaltet sein: die Aufgabe an dem Kolbenzapfenlager ist viel kleiner als an den Hauptlagern oder Pleuellagern.
Ein konventioneller Verdichter weist ebene Lager auf, die mit Öl hoher Viskosität geschmiert werden müssen. Ferner muss das Öl konventionell den Lagern unter hohem Druck zugeführt werden, was eine Ölpumpe erfordert. In einer typischen Kolbenmaschine, mit konventionellen Laufspielen von 0,1 mm oder dergleichen in den (ebenen) Lagern, musste das Öl dem Lager auf einem hydrostatischen Druck von 345 kPa (50 psi) oder mehr zugeführt werden. Bei den beschriebenen Laufspielen in dem Verdichter, ist die Passung zwischen den beiden Hülsen viel kleiner. Obwohl die Größe des hydrodynamisch durch die Spiralnut erzeugten Drucks in gewissem Maße von der Viskosität der Schmiermittelflüssigkeit abhängt, ist gewöhnlich festzustellen, dass der durch die Nut in der konischen Hülse erzeugte hydrodynamische Druck hoch genug ist, dass sogar Schmiermittel niedriger Viskosität verwendet werden können. In vielen Fällen kann das Schmiermittel Wasser sein, oder zumindest Wasser vermischt mit einer Spur von Öl.
Die Vorteile der Verwendung von Wasser als das Schmiermittel umfassen die relativ einfache Entsorgungsfähigkeit von schmutzigem Schmiermittel, und die Sicherheitsverbesserung aufgrund des Fehlens von Öltropfen in der Druckluft, welche Explosionen verursachen können. Wie beschrieben wurde, müssen die Hülsen, männlich zu weiblich, in intimen Kontakt miteinander gedrückt werden. Wenn sich ein Spielzwischenraum zwischen den überlappenden Oberflächen öffnen sein sollte, würde Druck verloren gehen. Deshalb sollte der Designer beachten, dass die Oberflächen immer dicht zusammengepresst bleiben. Der Designer kann einrichten, dass der durch die Nut erzeugte Druck auf eine der Hülsen einwirkt, und dieselbe in tieferen Kontakt mit der anderen Hülse drückt. Oder der Designer kann einrichten, dass eine Feder die männliche und weibliche Hülse in tieferen Kontakt drückt. Oder der Designer kann einrichten, dass der erzeugte Druck die Hülsen während Normalbetrieb zusammenhält, und eine Leichte Feder sie während Anlaufen zusammendrückt.
Wenn die Hülsen Schublagerlasten halten, sollte die Beschaffenheit der Schublagerlast berücksichtigt werden. Wenn die Schubkraft in einer Richtung wirkt, um die Hülsen auseinander zu treiben, muss das die Hülsen zusammenhaltende Mittel, sei dies der erzeugte Druck oder die Feder (oder beide), größer als die Schubkraft sein, die zum Reißen der Hülsen auseinander neigt. Wenn die Hülsen auseinander gerissen sind, kann die Spiralnut keinen Druck erzeugen: der Designer sollte berücksichtigen, dass, wenn der erzeugte Druck das zum Zusammenhalten der Hülsen verwendete Mittel ist, die Schubkraft (einschließlich einer jeglichen zeitweiligen Spitze) immer unter einem Schwellenwert liegt, der niedrig genug ist, damit die Hülsen zusammenbleiben. Vorzugsweise stellt das Mittel zum Vorspannen der Hülsen zueinander hin Federn dar, deren Vorspannungskraft ausreichend groß sein sollte zur Sicherstellung, dass die Hülsen unter normalen Schubbedingungen zusammenbleiben. Selbst wenn die Hülsen kurzzeitig während Spitzen von Schubbelastung getrennt werden, wodurch Druckerzeugung verloren geht, kommen die Hülsen mit Federn sofort wieder zusammen, und die Druckerzeugung wird fortgesetzt. Je schwerer die Federkraft ist, desto mehr Schubkraft können die Hülsen halten, ohne auseinandergerissen zu werden: die schweren Federn bedeuten jedoch, dass zu Zeiten, wenn die Schubkraft klein ist, oder in der anderen Richtung wirkt, mehr Kraft durch die Hülsen erfahren wird, und eine gewisse Abriebabnutzung dann erfolgen kann, insbesondere während Anlaufen.
Der hydrodynamische Film, der während Betrieb zwischen den männlichen und weiblichen ineinandergreifenden Oberflächen erzeugt ist, ist jedoch sehr robust, und daher können sehr schwere Schubkraftüberschüsse, die die Hülsen zusammentreiben, ausgeglichen werden, bevor der Film zusammenbricht.
Die in den Fig. 38a, 38b gezeigte Dichtungs-/Lagerpackungsbaugruppe 820 umfasst eine Einbauhülse 823. Die Einbauhülse 823 (allein in den Fig. 39a, 39b gezeigt), ist mit einem zylindrischen Rohrteil 825 und einem Endflansch 827 ausgebildet. Die Einbauhülse 823 ist zum Anbringen (siehe Fig. 41) der Packung 820 an der Antriebswelle 824 einer Rotationspumpe vorgesehen. Die Hülse 823 wird mittels Gewindestiften 829 an richtiger Stelle an der Welle gegen axiale und Drehbewegung in bezug zu der Antriebswelle befestigt. Eine Nut 830 nimmt einen O-Ring zum Abdichten der Hülse 823 an der Antriebswelle auf.
Die Packung 820 umfasst eine männliche konische Hülse 832 (Fig. 39b, 40b) und eine komplementäre weibliche konische Hülse 834 (Fig. 39c, 40c). Die männliche Hülse 832 ist auf ihrer nach außen gerichteten konischen Oberfläche mit einer schneckenförmigen Spiralnut (siehe Fig. 40b) versehen. Der Zweck der Nut ist wie in der genannten WO-95/35457 (RAMSAY) erklärt. Die ineinandergreifenden konischen Oberflächen der konischen Hülsen sind als ein passendes Paar, einander überlappt ausgebildet, um so im wesentlichen über die gesamte axiale Länge der konischen Oberflächen in innigem Kontakt zu sein.
Die Komponenten werden wie in Fig. 38c gezeigt zusammengebaut. Die weibliche konische Hülse 834 wird auf der Einbauhülse 823 platziert. Eine mechanische Dichtung ist in der weiblichen Hülse vorgesehen. Diese nimmt die Form eines Dichtungsrings 836 aus Kohle oder einem anderen Material an, das für mechanische Dichtungen vom Reibungstyp geeignet ist. Die Oberfläche des Endflanschs 827, gegen die der Ring 836 während Betrieb reibt, ist auf eine hohe Oberflächenbeschaffenheit bearbeitet. Der Ring 836 ist durch einen Feder 838 vorgespannt und mit einem O-Ring, wie gezeigt, in bezug zu der weiblichen Hülse abgedichtet.
Die männliche konische Hülse 832 ist an der Einbauhülse 823 mittels Gewindestiften 840 befestigt. Die Einstellung der Position der männlichen Hülse 832 wird in der Fabrik durchgeführt, und kann tatsächlich unter Bedingungen strenger Inspektion und Qualitätskontrolle erfolgen. Die männliche Hülse wird nach rechts gedrückt, bis die konischen Oberflächen der beiden Hülsen innigen Kontakt herstellen, und die Feder 838 wird auf die richtige Bemessungsbelastung zusammengedrückt. Dann werden die Gewindestifte 840 festgezogen.
Die zusammengebaute Packung 820, die hergestellt, zusammengebaut und eingestellt wurde, alles mit Präzision in der Fabrik, ist bereit, um verpackt, gelagert, transportiert und verkauft zu werden. Der Käufer muss nur sicherstellen, dass das Pumpengehäuse 843 (Fig. 41) auf einen Geeigneten glatt zylindrischen Durchmesser 845 gebohrt ist, und dass ein Schlüsseldurchgang oder dergleichen 847 vorgesehen ist, der zum Aufnehmen der in der weiblichen Hülse 834 vorgesehenen, drehungssperrenden Klammer 848 geeignet ist. Danach muss der Käufer nur die Packung 820 entlang der Antriebswelle 824 verschieben, und die Gewindestifte 829 an der Welle verriegeln. Der Käufer muss nicht die weibliche Hülse an dem Gehäuse befestigen: die weibliche Hülse kann gelassen werden, um axial in dem Gehäuse zu schweben.
Der Käufer braucht keine Anpassungen oder Einstellungen an der Packung vor oder während Montage vorzunehmen, oder wenigstens keine, die kritisch für den Betrieb der Dichtungs- /Lagereinheit wären. Die fabrikeingestellte Position der männlichen Hülse in bezug zu der Einbauhülse, die kritisch für den Betrieb ist, geht durch den Einbau der Packung in die Pumpe nicht verloren oder wird nicht durch diesen beeinflusst. Nur die Gewindestifte 829 müssen festgezogen werden, und diese Aufgabe erfordert nur ein mäßiges Ausmaß an Können und Aufmerksamkeit.
Wie in RAMSAY beschrieben ist, liefert die Anordnung aus konischen Hülsen mit Spiralnuten eine Dichtung hervorragender Leistung und Zuverlässigkeit. Sperrflüssigkeit wird der Eintrittskammer 849 (Fig. 41) zugeführt, die, wie beschrieben, zum Anfang der Spiralnuten führt. Das Lagervermögen in dem Gleit- oder radialen Modus ist sehr groß, bei Betrachtung der Umhüllung, und ist kostengünstig.
Bei dem in Fig. 41 gezeigten Aufbau kann die Packung keine Schub- oder axialen Kräfte halten. Andere Maßnahmen (zum Beispiel mittels Schublagern in dem die Pumpe antreibenden Elektromotor) müssen zum Halten solcher Kräfte getroffen werden, wie sie in der Welle vorliegen können.
Es wird festgestellt werden, dass, da die Packung sehr nahe zu dem Flügelrad (nicht in Fig. 41 gezeigt, aber an dem rechten Ende der Antriebswelle befestigt) positioniert ist, der Flügelradüberhang sehr klein ist, was bedeutet, dass das rotierende Flügelrad mit hervorragender Wahrscheinlichkeit frei und ohne Schwingung laufen kann.
Es sind Maßnahmen zum Sammeln von Sperrflüssigkeit in der Austrittskammer 50 der Spiralnut getroffen. Von dort wird die Sperrflüssigkeit unter Druck über Leitungen 852, 854 zu einem Druckregler 856 wegbefördert.
Fig. 42 zeigt eine Packung mit einer Doppelkegelkonfiguration der konischen Hülsen. Die Packung ist in einer Pumpe installiert worden, und wiederum wird die Packung vollständig in der Fabrik hergestellt, zusammengebaut und eingestellt. In Fig. 42 werden die konischen Hülsen in bezug zu der Einbauhülse mittels eines Anschlagstücks 858 in richtiger Position gehalten.
Die Fig. 43a, 43b, 43c sind Seitenansichten, die die Komponenten der Packung von Fig. 42 zeigen. Fig. 43d zeigt die Einbauhülse.
Fig. 44 zeigt eine Rotationspumpe 920 vom Flügelradtyp. Die Welle 923 wird durch einen konventionellen Elektromotor angetrieben, und die Welle ist in konventionellen Lagern angebracht, die die Welle gegen Gleit- und Schubbelastungen abstützen.
Eine Rotorhülse 925 ist an der Welle mittels Gewindestiften 927 befestigt worden. Die Hülse weist eine konische Außenfläche 929 auf, in die eine Spiralnut 930 eingeschnitten ist.
Eine Statorhülse 932 ist mit einer konischen Innenfläche 934 (welche eben ist, d. h. keine Nuten aufweist) ausgebildet. Die Oberflächen 929, 934 sind als ein passendes Paar vorgesehen, das während Herstellung einander überlappt wurde. Eine Einbauhülse 936 wird mit dem Pumpengehäuse 938 befestigt, und die Statorhülse 932 wird für axiale Verschiebung in und in bezug zu der Einbauhülse angebracht. Eine Feder 939 drückt die gleitende Statorhülse 932 in die Richtung, um die Oberflächen 929, 934 zusammenzudrücken.
Sperrflüssigkeit (z. B. Wasser) wird einer Eintrittskammer 940 über eine Öffnung 943 zugeführt, und die Spiralnut 930 ist so angeordnet, dass, wenn der Motor die Welle 923 dreht, die Eintrittsöffnung der Nut Flüssigkeit aus der Kammer 940 erhält und die Flüssigkeit entlang der Nut zu einer Austrittskammer 945 pumpt oder befördert. Die Kammer 945 ist einstückig mit der Hauptkammer 947 der Pumpe 920, d. h. der Kammer, in der das Prozessfluid vorwärtsgetrieben wird.
Während Betrieb wird die Kraft, die die beiden Oberflächen 929, 934 zusammendrückt, erstens von der Feder 939, und zweitens auch von dem Druck abgeleitet, der auf die Endfläche 949 der gleitenden Statorhülse 932 abgeleitet wird. Dieser Druck ist der Druck in der Kammer 945. Die Kammer 945 enthält die durch die Spiralnut 930 gepumpte Sperrflüssigkeit, enthält jedoch auch das Prozessfluid aus der Kammer 947.
Daher wird der Druck in der Kammer 945 durch den Druck in der Prozesskammer 947 vorgegeben. Einige Prozesssysteme laufen durchgehend bei hohem Druck, beinahe bis zu der Druckfähigkeit der Pumpe, während andere Systeme bei Drucken kaum über Umgebungsdruck laufen.
Zusätzlich zu den Unterschieden von System zu System bei Nenndruck, kann der Systembetriebsdruck aufgrund variierender Außenbedingungen stromabwärts oder stromaufwärts der Pumpe variieren.
Die Spiralnut befördert oder pumpt Sperrflüssigkeit in die Kammer 945, solange der Druck in der Kammer 945 kleiner als ein Schwellenwert- oder Abbruchdruck ist. Dieser Abbruchdruck ist ein Faktor der Drehgeschwindigkeit, des Querschnitts und der Länge der Nut, der Viskosität der Sperrflüssigkeit, etc. und es ist ein Merkmal der in RAMSAY beschriebenen Technologie, dass dieser Abbruchdruck sehr hoch sein kann - hoch, das heißt im Kontext von Flügelradpumpen, z. B. beträchtlich höher als irgendein Druck, der möglicherweise in der Pumpkammer durch die Einwirkung des Flügelrads erzielt werden kann.
Trotzdem, wenn der Prozessdruck hoch ist, kann jedoch die auf die gleitende Hülse einwirkende Kraft zum Zusammendrücken der Oberflächen 929, 934 dadurch zu hoch werden, dass der zwischen den Oberflächen erzeugte hydrodynamische Film beginnt, zusammenzubrechen; nicht unbedingt über die gesamte Berührungsfläche, aber an lokalen Stellen, wodurch Reibkontakt von Metall zu Metall beginnt, aufzutreten. Dieser Kontakt kann zum Abreiben der hohen Stellen der ineinandergreifenden Oberflächen dienen, und kann daher nützlich sein, allgemein soll der Kontakt jedoch vermieden werden.
Außerdem kann es in einigen Systeme geschehen, dass Bedienungspersonen die Pumpe abschalten, während noch ein hoher Druck in der Prozesskammer vorliegt. Wenn die Welle ihre Drehung anhält, fällt der von der Spiralnut abgeleitete Druck auf null, und wenn zu diesem Zeitpunkt die gleitende Statorhülse 932 mit einer undimensionierten Kraft in die Rotorhülse 925 geschoben wird, ist ein Zusammenbruch des hydrodynamischen Films wahrscheinlich. Dann wird Kontakt von Metall zu Metall auftreten - wenn die Welle langsamer wird, jedoch bevor Die Welle anhält - und ein großes Ausmaß von Reibabnutzung kann während dieser Zeit erfolgen.
Der zwischen den Oberflächen 929, 934 erzeugte hydrodynamische Film ist sehr robust, wenn die Oberflächen mit einer nicht zu übermäßigen Kraft zusammengeschoben gehalten werden. Während Normalbetrieb wird die gleitende Statorhülse 932, gegen den Prozessdruck und gegen die Feder 939, durch den Druck zurückgeschoben, der durch die Einwirkung der Spiralnut erzeugt wird, und die Filmdicke wird auf einer Gleichgewichtshöhe erzeugt. Eine Folge der Verschiebbarkeit der Hülse 932 besteht darin, dass die Berührungsfläche ihren eigenen Gleichgewichtszwischenraum finden kann.
Wenn die Hülse jedoch nicht hart genug geschoben wird, kann der in der Spiralnut erzeugte Druck die Oberflächen so stark auseinander drücken, dass der hydrodynamische Film den Zwischenraum nicht überbrücken kann. In diesem Fall würde die Berührungsfläche zwischen den Oberflächen 929, 934 beginnen, Prozessfluid durch dieselben auslaufen zu lassen, obwohl der Prozessdruck sehr klein war.
Daher ist es erwünscht, dass, wenn der Prozessdruck hoch ist, die zum Zusammendrücken der Oberflächen 929, 934 wirkende Kraft auch hoch sein sollte. Eine zweckdienliche Art zum Erreichen dieses Ziel besteht darin, zu veranlassen, dass die gleitende Hülse dem Prozessdruck in der gezeigten Weise ausgesetzt wird, wodurch die auf die Hülse einwirkende Kraft proportional zu dem Prozessdruck ist.
In Pumpsystemen, bei denen der Druck während Betrieb variiert, und ein hoher Druck in der Prozesskammer nur selten erfahren wird, beachtet der Designer nicht, ob die auf die Hülse einwirkende Kraft sehr hoch geht, wenn der Prozessdruck hoch geht. Wenn das System jedoch eingestellt wird, um kontinuierlich mit dem Prozessdruck auf einer hohen Höhe zu laufen, kann die kontinuierlich auf die Hülse ausgeübte Kraft zu hoch sein, wodurch übermäßige Abnutzung erfolgen würde.
Daher sollte der Designer sicherstellen, dass die die Berührungsflächen zusammendrückende Kraft weder zu hoch noch zu niedrig ist da Schwierigkeiten in beiden Zuständen auftreten können.
Daher möchte der Designer in der Lage sein, das Verhältnis von Kraft zu Druck, d. h. die Größe von auf die gleitende Hülse einwirkender Kraft als eine Proportion des Prozessdrucks einzustellen. Wenn der Designer weiß, dass der Prozessdruck in einem gegebenen System kontinuierlich hoch sein wird, wird er den Wunsch haben, den Bereich der gleitenden Hülse, d. h. den Bereich der Endfläche 949 der gleitenden Hülse, der dem Prozessdruck ausgesetzt wird, zu verkleinern.
Eine Verkleinerung des Bereichs der Endfläche 949 bedeutet im praktischen Sinne eine Reduktion des Außendurchmessers der Endfläche. In vielen Fällen ist es erwünscht, den Durchmesser der Endfläche auf eine Abmessung zu verkleinern, die kleiner als der Gesamtdurchmesser der gleitenden Hülse 932 ist. Das heißt praktisch, dass es erwünscht ist, dass die äußere Form der gleitenden Hülse abgestuft ist.
Das Vorsehen der Einbauhülse 936 bedeutet, dass die gleitendende Hülse 932 tatsächlich abgestuft sein kann. Der Designer legt den Durchmesser der Stufe derart fest, dass die Größe von auf die Hülse einwirkender Kraft für einen gegebenen Prozessdruck für den normalen Betriebsdruck in der Prozesskammer geeignet ist. Wenn der normale Prozessdruck hoch ist, gestaltet er den Durchmesser der Stufe derart, dass der Bereich der Endfläche 949 klein ist. Wenn der normale Prozessdruck niedrig ist, vergrößerte er den Durchmesser der Stufe, um den Bereich der Endfläche größer zu gestalten.
Die aus der Einbauhülse 936 und der gleitenden Hülse 932 (und ihrer passenden Rotorhülse 925) bestehende Unterbaugruppe kann auf einen bestimmten Betriebsdruck abgestimmt werden, bei dem die Pumpe zu bedienen ist. Der voraussichtliche Käufer kann seinen Betriebsdruck spezifizieren, und ihm kann dann eine Hülsen-Unterbaugruppeneinheit geliefert werden, in der der Stufendurchmesser auf diesen Druck abgestimmt ist.
Ohne die getrennte Einbauhülse für die gleitende Hülse würde es schwierig sein, die gleitende Hülse so abzustimmen, dass nur ein geeigneter Bruchteil des Bereichs der Endfläche dem Prozessdruck ausgesetzt werden würde.
Fig. 45 zeigt ein anderes Pumpensystem, in dem eine Dichtung 952 zwischen der Kammer 945 und der Prozesskammer 947 angeordnet ist. Nun wird die Druck in der Kammer 945 durch Einstellung des an die Öffnung 954 angeschlossenen Druckentlastungsventils festgelegt, und der Druck in der Kammer 945 kann höher (oder niedriger) als das Prozessdruck sein. Daher kann, wenn die Pumpe ausgeschaltet wird, selbst wenn der Prozessdruck hoch bleibt, die Einstellung des Entlastungsventils bei einer Rate abfallen gelassen werden, die die Rate des durch die Spiralnut erzeugten Druckabfalls ergänzt, wodurch die Hülsenberührungsfläche nie eine schwere Kontaktkraft erfährt.
In diesem Fall kann es weiterhin vorteilhaft sein, den freiliegenden Bereich der gleitenden Hülse dem vorherrschenden Betriebsdruck auszusetzen. Zum Sicherstellen einer langen Betriebsdauer für die mechanische Dichtung 952 kann das Druckentlastungsventil eingestellt werden, um automatisch dem Druck in der Prozesskammer zu folgen, wodurch die durch die Dichtung 952 erfahrene Druckdifferenz klein oder sogar null bleibt.
Fig. 46 zeigt eine gegenüberliegende Doppelkegelhülsenanordnung, in der jede der beiden gleitenden Kegelhülsen mit ihrer eigenen jeweiligen Einbauhülse versehen ist. Wiederum kann der Stufendurchmesser abgestimmt werden, um ein gewünschtes Verhältnis von Druck zu Kraft zu erhalten. Das Verhältnis muss nicht das gleiche für jede Hülse sein.
Die in Fig. 46 gezeigte Struktur kann als eine in sich abgeschlossene Ersatzkomponente oder Unterbaugruppe für eine Pumpe dienen. Das Pumpenflügelrad ist an einem Ende der enthaltenen Welle befestigt, und das andere Ende ist an der gewöhnlichen Antriebskupplung und dem Motor befestigt. Keine weiteren Lager werden für die Welle benötigt, da die gegenüberliegende Doppelkegelhülsenanordnung in sich selbst abgeschlossenes Gleit- und Schublagervermögen für die Welle liefert.
Fig. 47 zeigt die Struktur von Fig. 46 eingebaut in eine Magnetantriebspumpe. Magnetantriebspumpen sind zur Verwendung mit Prozessfluids vorgesehen, die so gefährlich sind, dass keine Leckage toleriert werden kann. Eines der Probleme konventioneller Magnetantriebspumpen besteht darin, dass die Flügelradwellenlager dem Prozessfluid ausgesetzt werden. In Fig. 47 sind die Flügelradwellenlager von dem Prozessfluid isoliert. Wenn das Prozessfluid in den Lagerbereich ausläuft, in Fig. 47, werden möglicherweise die Lager verschlechtert werden, aber das Vorliegen des Lecks kann ermittelt werden (durch Überwachung der Sperrflüssigkeit) und zumindest das Prozessfluid bleibt gegen Leckage in die Umgebung abgedichtet.
Es kann festgestellt werden, dass in einer Magnetantriebspumpe die Gleitkräfte auf der Flügelradwelle sehr klein sind, vorausgesetzt, das Flügelrad ist richtig ausbalanciert; und die Schubkräfte können vorherrschend als einseitig gerichtet erwartet werden. Daher sind die Anforderungen an die Flügelradwellenlager einer Magnetantriebspumpe minimal.
Fig. 48 ist ein Querschnitt eines anderen Dichtungs-/Lagergeräts, das die Erfindung verkörpert.
Wenn eine radiale oder Gleitkraft auf das Doppelhülsen-Lager/Dichtungsgerät ausgeübt wird, ruft die radiale Kraft aufgrund des geneigten Winkels eine induzierte axiale Kraft hervor. Es kann vorhergesehen werden, dass diese induzierte axiale Kraft auf den Hülsen eine Neigung derselben verursachen kann, auseinandergerissen zu werden.
Deshalb muss der Designer Sorge tragen, dass das Mittel, das zum Halten der Hülsen in Kontakt (d. h., in durch den hydrodynamischen Film getrennten Kontakt) vorgesehen ist, ausreichend stark ist, um einer solchen Trennung standzuhalten. Dies kann manchmal sehr schwierig sein, insbesondere, wenn das Gerät plötzlichen heftigen Gleitbelastungen ausgesetzt wird. Wenn die Hülsen zum Beispiel durch Federn in Kontakt gehalten werden, müssen die Federn sehr schwer sein, was übermäßige Abnutzung zum Beispiel während Anlaufen oder Abschalten fördern kann. Wenn die Hülsen durch Druck in der Austrittskammer in Kontakt gehalten werden, ist ein solcher Druck natürlich nicht während Anlaufen und Abschalten vorhanden.
Die Hülsen können durch feste Verbindungen zusammengehalten werden; das heißt, die beiden Rotorhülsen können fest als eine Rotorunterbaugruppe miteinander verbunden werden, und die beiden Statorhülsen können fest miteinander als eine Statorunterbaugruppe verbunden werden. Nun können die Hülsen nicht auseinander gerissen werden, aber das Problem liegt hier bei dem in die Hülsenpaare eingebauten axialen Zwischenraum. Wenn der Schub auf dem Gerät nach rechts belastet, tritt das erste Hülsenpaar in Kontakt, und wenn der Schub umgekehrt wird und nach links schiebt, muss der Kontakt nun zwischen dem zweiten Hülsenpaar erfolgen. Daher wird, wenn der Zwischenraum zu groß ist, ein Spalt zwischen den beiden Zuständen vorliegen, durch den in einer neutralen Schubposition kein Film erzeugt werden würde und die Sperrflüssigkeit auslaufen würde; wenn der Zwischenraum zu klein ist, können beide Filme durch ihre Einschnürung gefährdet sein, zu dünn zu werden.
Fig. 48 zeigt eine Lösung für diese potentielle Schwierigkeit an. Ein drittes Hülsenpaar, d. h. eine dritte Rotorhülse 959 und eine dritte Statorhülse 960 werden eingeschlossen, zusätzlich zu dem ersten Paar 962, 963 und dem zweiten Paar 964, 965. Die beiden Statorhülsen 962, 964 des ersten und zweiten Paars werden fest miteinander verbunden, wie es auch bei der ersten und zweiten Rotorhülse 963, 965 der Fall ist. Der Zwischenraum zwischen den Rotoren und dem ersten und zweiten Paar kann mittels eines Schraubeinstellrings 967 eingestellt werden. In Fig. 48 kann dieser Zwischenraum groß sein, wodurch, unter schubneutralen Bedingungen, weder das erste Paar noch das zweite Paar in richtigem hydrodynamischem Kontakt wären: die wie in Fig. 48 dargestellte Zwischenraumbedingung. Nun ist das Gerät weiterhin sicher abgedichtet, da das dritte Paar 959, 960 weiterhin zusammen durch die Feder 969 belastet ist. Das dritte Paar ist von schubinduzierter Trennung isoliert, und daher bleibt das dritte Paar zu jeder Zeit unter federinduziertem Kontakt.
In dieser Beschreibung ist auf Drehwellen bezug genommen worden, die Lager und keine Lager aufweisen. Diese Bedingungen werden wie folgt definiert.
Die Drehwelle ist in einer Konfiguration mit Schublager, wenn:
das Gerät einen fixierten Rahmen umfasst;
das Gerät ein Schublager umfasst, das eine Schublagerberührungsfläche aufweist;
die Schublagerberührungsfläche zum Übertragen von auf die Drehwelle einwirkenden axialen Kräften zu dem fixierten Rahmen und zum mechanischen Eingrenzen axialer Bewegung der Drehwelle in bezug zu dem Rahmen als Reaktion auf solche Kräfte vorgesehen ist;
die Schublagerberührungsfläche durch eine Wellenoberfläche begrenzt wird, die operativ eine Einheit mit der Drehwelle bildet, kombiniert mit einer entsprechenden Rahmenoberfläche, die operativ eine Einheit mit dem fixierten Rahmen bildet;
an der Schublagerberührungsfläche die genannten Oberflächen einander im axialen Sinne gegenüberliegen, und von direktem Kontakt durch reibungslose Mittel entfernt gehalten werden;
die genannten die Schublagerberührungsfläche begrenzenden Oberflächen koaxial mit den zusammenwirkenden konischen Oberflächen der Hülsen, jedoch physikalisch und strukturell von denselben getrennt sind.
Die Drehwelle ist ohne Schublagerkonfiguration, wenn
das Gerät einen fixierten Rahmen umfasst:
die Drehwelle im wesentlichen frei von einem jeglichen Schublager ist, das physikalisch und strukturell von den zusammenwirkenden konischen Oberflächen der Hülsen getrennt ist, welches ein Schublager zum Übertragen axialer Kräfte ist, die an der Drehwelle auf den fixierten Rahmen einwirken, und zum mechanischen Einschränken axialer Bewegung der Drehwelle in bezug zu dem Rahmen als Reaktion auf solche axialen Kräfte.

Claims

1. Drehwechselwirkungsgerät, umfassend: ein erstes Hülsenpaar (43, 25), welches eine Statorhülse und eine Rotorhülse einschließt, die für Drehung um eine Achse ausgelegt sind, wobei die erste Rotor- und Statorhülse zueinander gerichtete Oberflächen aufweisen, die zusammen eine erste Berührungsfläche zwischen sich begrenzen, welche Berührungsfläche einen ersten konischen Aufbau aufweist; eine erste Eintrittskammer (32) zum Aufnehmen einer Zufuhr von Sperrflüssigkeit; wobei eine der zueinander gerichteten Oberflächen die erste Berührungsfläche definiert, die mit einer ersten Nut mit einer Eintrittsöffnung in Flüssigkeitsflusskommunikation mit der ersten Eintrittskammer, und mit einer Austrittsöffnung in Flüssigkeitsflusskommunikation mit einer ersten Austrittskammer versehen ist; ein zweites Hülsenpaar (43, 28), das eine Statorhülse und eine Rotorhülse ausgelegt für Drehung um die genannte Achse umfasst, wobei die zweite Stator- und Rotorhülse zueinander gerichtete Oberflächen aufweisen, die zusammen eine zweite Berührungsfläche zwischen sich definieren, welche zweite Berührungsfläche einen zweiten konischen Aufbau aufweist; eine zweite Eintrittskammer zum Aufnehmen einer Zufuhr von Sperrflüssigkeit; eine zweite Austrittskammer (34) und einen Kanal zum Befördern von in der zweiten Austrittskammer vorhandener Sperrflüssigkeit aus der zweiten Austrittskammer heraus; wobei eine der zueinander gerichteten Oberflächen die zweite Berührungsfläche definiert, welche mit einer zweiten Nut mit einer Eintrittsöffnung in Flüssigkeitsflusskommunikation mit der zweiten Eintrittskammer und mit einer Austrittsöffnung in Flüssigkeitsflusskommunikation mit der zweiten Austrittskammer versehen ist, dadurch gekennzeichnet,

dass die erste Nut eine Spiralnut darstellt und so angeordnet ist, um ebene Stege beträchtlicher Breite zwischen benachbarten Windungen der ersten Spiralnut zu definieren, und die Stege einen hydrodynamischen Film aus Sperrflüssigkeit zwischen den zueinander gerichteten Oberflächen des ersten Paars von Hülsen erzeugen und halten,

dass die zweite Nut eine Spiralnut darstellt und so angeordnet ist, um ebene Stege beträchtlicher Breite zwischen benachbarten Windungen der zweiten Spiralnut zu definieren, wobei die Stege einen hydrodynamischen Film aus Sperrflüssigkeit zwischen den zueinander gerichteten Oberflächen des zweiten Hülsenpaars erzeugen und halten,

dass das erste und zweite Hülsenpaar in dem Gerät mit den ersten und zweiten konischen Oberfläche derselben in einer koaxialen Position Ende an Ende entlang der genannten Achse angeordnet sind, wobei die erste Austrittskammer in Flüssigkeitsflusskommunikation mit der zweiten Eintrittskammer ist, um eine kombinierte Zwischenkammer zu bilden; und dass

die beiden Spiralnuten durch ihren Drehsinn eine serielle Pumpaktion zum Befördern von Sperrflüssigkeit in der ersten Eintrittskammer (32) in Richtung auf und in die Zwischenkammer, und aus der Zwischenkammer in Richtung auf und in die zweite Austrittskammer (34) erzeugen.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die erste und zweite konische Berührungsfläche jeweils ein jeweiliges enges Ende und ein breites Ende aufweisen; und die genannten Enden der Berührungsflächen entlang der Achse aufeinanderfolgend in der Reihenfolge angeordnet sind: erste Berührungsfläche breites Ende, erste Berührungsfläche schmales Ende, zweite Berührungsfläche enges Ende, zweite Berührungsfläche breites Ende.

3. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die erste und zweite konische Berührungsfläche jeweils ein schmales Ende und ein breites Ende aufweisen; und die genannten Enden der Berührungsflächen entlang der Achse aufeinanderfolgend in der Reihenfolge angeordnet sind: erste Berührungsfläche schmales Ende, erste Berührungsfläche breites Ende, zweite Berührungsfläche breites Ende, zweite Berührungsfläche schmales Ende.

4. Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät eine Rotationsmaschine umfasst; und die Rotationsmaschine eine Drehwelle umfasst, auf der die erste und zweite Rotorhülse getragen werden; die Rotationsmaschine ein nichtrotierendes Gehäuse umfasst, in dem die erste und zweite Statorhülse getragen werden, und die beiden Hülsenpaare zum Abdichten der Drehwelle in bezug zum Gehäuse ausgelegt sind.

5. Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät eine Rotationsmaschine umfasst; und die Rotationsmaschine eine Drehwelle umfasst, auf der die erste und zweite Rotorhülse getragen werden; die Rotationsmaschine ein nichtrotierendes Gehäuse umfasst, in dem die erste und zweite Statorhülse getragen werden; und die beiden Hülsenpaare als ein Lager zum Führen und Einbinden der Drehwelle für Drehung in dem Gehäuse aufgebaut sind.

6. Gerät nach Anspruch 5, bei dem die Maschine eine Pumpe zum Pumpen von Prozessfluid darstellt, und das Gerät eine Fluiddichtung zwischen der zweiten Austrittskammer und einer Prozesskammer der Pumpe umfasst, und die Prozesskammer der Pumpe das Prozessfluid enthält.

7. Gerät nach Anspruch 6, das einen Sensor zum Messen des Drucks des Prozessfluids, und eine Steuerung zum Regeln des Drucks der Sperrflüssigkeit in der Austrittskammer auf eine Differenz über dem Prozessfluiddruck umfasst.

8. Gerät nach Anspruch 5, bei dem die Maschine eine Pumpe zum Pumpen von Prozessfluids darstellt, und die zweite Austrittskammer offen zu einer Prozesskammer der Pumpe ist, wodurch die aus der zweiten Austrittskammer beförderte Sperrflüssigkeit in das Prozessfluid befördert wird.

9. Gerät nach Anspruch 5, bei dem das genannte erste und zweite Hülsenpaar ein Gleitlager bilden.

10. Gerät nach Anspruch 5, bei dem das genannte erste und zweite Hülsenpaar ein kombiniertes Gleit- und Schublager bilden.

11. Gerät nach Anspruch 1, bei dem eine der Hülsen in einem der Hülsenpaare axial verschiebbar ist; das Gerät eine hülsenvorspannende Feder umfasst, welche Feder so in dem Gerät angeordnet ist, um die verschiebbare Hülse in Richtung auf die andere Hülse des einen Hülsenpaars zu drücken.

12. Gerät nach Anspruch 1, bei dem eine der Hülsen in dem zweiten Hülsenpaar axial verschiebbar ist; wobei das Gerät so angeordnet ist, dass die verschiebbare Hülse Druck in der zweiten Austrittskammer ausgesetzt wird, wodurch die verschiebbare Hülse gedrückt wird, um durch Druck in der zweiten Austrittskammer in Richtung auf die andere Hülse des zweiten Hülsenpaars verschoben zu werden.

13. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die erste und zweite Rotorhülse beide an der Drehwelle befestigt werden und gegen Axialverschiebung entlang der Drehwelle eingebunden werden; wobei die erste und zweite Statorhülse beide axial in einer Richtung entlang der Drehwelle verschiebbar sind; und das Gerät wenigstens eine Statorfeder (427) zum Ausüben einer Kraft auf die verschiebbaren Statorhülsen in einer Richtung zum Vergrößern von Berührungsflächenkontakt umfasst.

14. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die erste und zweite Rotorhülse beide axial entlang der Drehwelle verschiebbar sind; und das Gerät wenigstens eine Rotorfeder (218) zum Ausüben von Kraft auf die verschiebbaren Rotorhülsen in einer Richtung zum Vergrößern des Berührungsflächenkontakts umfasst; wobei die erste und zweite Statorhülse beide an dem Gehäuse dadurch fixiert sind, dass sie gegen axiale Verschiebung in bezug zum Gehäuse eingebunden sind.

15. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die zueinander gerichteten Oberflächen die erste Berührungsfläche als einen ersten rechten Kegel mit einem ersten Kegelwinkel begrenzen, und die zueinander gerichteten Oberflächen die zweite Berührungsfläche als einen zweiten rechten Kegel mit einem zweiten Kegelwinkel begrenzen, und der erste und zweite Kegelwinkel verschieden sind.

16. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die durch die zueinander gerichteten Oberflächen begrenzte Berührungsfläche wenigstens eines Hülsenpaars einen ebenen Bereich enthält, in den sich die Spiralnuten nicht erstrecken, und in dem beide zueinander gerichteten Oberflächen eben und komplementär sind.

17. Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät eine Rotationsmaschine umfasst, die eine Pumpe zum Pumpen von Prozessfluid darstellt; die Pumpe ein Flügelrad zum Pumpen des Prozessfluids umfasst und das Flügelrad an einer Drehwelle innerhalb eines Gehäuses angebracht ist; das Flügelrad und die Drehwelle in einer Isolationskammer (174) enthalten sind; die Isolationskammer eine Kammer in dem Gehäuse der Pumpe ist, deren Wände vollständig umschließend sind, und keine Drehwellen durch die Wände verlaufen; wobei das Gerät einen Treiber zum indirekten Übertragen von Antriebsdrehmoment zu der Drehwelle durch die Wände der Kammer durch fernwirkende Kraft umfasst; die erste und zweite Rotorhülse durch die Drehwelle getragen werden; und die erste und zweite Statorhülse durch die Wände der Isolationskammer getragen werden.

18. Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät eine Rotationsmaschine umfasst, die eine Kurbelwelle (729) und einen Verbindungsstab (725) umfasst; und die erste und zweite Rotorhülse durch einen Kurbelgriff (727) der Kurbelwelle getragen werden, und die erste und zweite Statorhülse durch ein großes Ende des Verbindungsstabs getragen werden.

19. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die axialen Längen der ersten und zweiten Rotorhülse verschieden sind.