EP0744551B1 - Kreiselpumpe zur Förderung heisser Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine Kreiselpumpe zur Förderung heißer Medien, bestehend aus mindestens einer im Bereich einer Wellendurchführung angeordneten Gleitringdichtung, einem Kühlkreislauf zur Kühlung der Gleitringdichtung, wobei ein Teilstrom des Fördermediums als Kühlmedium der Gleitringdichtung verwendbar ist.

Durch die DE-A- 27 37 294 ist eine Pumpenkonstruktion mehrstufiger Bauart bekannt, die mit außenliegenden Lagergehäusen ausgestattet ist. Den Lagergehäusen vorangestellt sind innerhalb der Pumpe befindliche Gleitringdichtungen, die dem Fördermedium ausgesetzt sind. Den Gleitringdichtungen wiederum sind Drosselstrecken vorangestellt, mit deren Hilfe ein Druckabbau bezweckt wird. In Strömungsrichtung nachgeordnet sind Rückführleitungen, mit denen Fördermedium zum Saugstutzen zurückgeführt wird.

Eine andere Lösung ist durch die DE-A- 26 45 755 bekannt, die eine Kreiselpumpe zur Förderung giftiger Medien zum Gegenstand hat. Darin sind zwei Dichtungen gezeigt, wobei die erste nach Art einer Packung unmittelbar hinter einem Laufrad angeordnet ist und der Packungsdichtung eine Gleitringdichtung nachgeordnet ist. Um den Austritt giftiger Medien zu verhindern, wird in den Gleitringdichtungsraum von außen ein Medium mit höherem Druck eingespeist. Damit wird sichergestellt, daß bei eventuellen Undichtigkeiten das eingespeiste Medium in die Pumpe einströmt und nicht umgekehrt.

Durch die DE-A- 38 04 183 ist eine Wellendichtung für Kreiselpumpen bekannt, die im Bereich des Wellenendes und am Gehäuseausgang angeordnet ist. Die Wellendichtung besteht aus einer atmosphärenseitig angeordneten hydrodynamischen Gleitringdichtung und einer weiteren pumpenseitig angeordneten Dichtung, wobei in eine zwischen den beiden Dichtungen befindliche Dichtungskammer ein der Kühlung und der Abführung von Schmutzteilchen dienender Zirkularstrom eingeleitet wird. Die pumpenseitige Dichtung ist als hydrodynamische Gleitringdichtung ausgebildet, die durch einen in der Dichtungskammer angeordneten, diese mit dem Pumpeninnern verbindenden, der gezielten Leckage dienenden Bypass überbrückt ist. Mit Hilfe dieser Maßnahme soll eine externe Kühleinrichtung eingespart werden und eine Lebensdauerverbesserung der Dichtung erreicht werden. Der Dichtungsraum selbst wird vom Druckstutzen der Kreiselpumpe mit Fördermedium beaufschlagt, um damit einen für die Funktion der Gleitringdichtung notwendigen Druck sicherzustellen. Dieser Druck wird über die zweite Gleitringdichtung mit Hilfe einer gezielten Leckage in das Pumpeninnere abgeleitet. Die zweite Gleitringdichtung wirkt damit gewissermaßen als Drossel zum Druckabbau. Durch deren Einsatz erhöht sich jedoch die Fertigungskosten des gesamten Pumpenaggregates.

Durch die FR-A 21 88 727 ist ein Gleitringdichtungsgehäuse mit darin angeordneten gekühlten Gleitringdichtungen in Tandemanordnung bekannt. Zu diesem Zweck sind im Gleitringdichtungsgehäuse zwei Gleitringdichtungsräume durch eine Pumpvorrichtung voneinander getrennt. An das Gleitringdichtungsgehäuse ist, ausgehend von einer Auslaßbohrung, ein mehrere Ventile, einen Filter und einen Wärmetauscher aufweisender Rezirkulationskreis angeschlossen. Dieser mündet in eine Einlaßbohrung in einem ersten, zur Niederdruckseite weisenden Gleitringdichtungsraum ein. Die Pumpvorrichtung fördert vom ersten Gleitringdichtungsraum ein Kühlmittel in den der Hochdruckseite der Pumpe zugekehrten zweiten Gleitringdichtungsraum und von dort in die Rezirkulationsleitung. Für die Förderung von heißen Medien ist zwischen dem heißen Pumpenraum und dem diesem zugekehrten zweiten Gleitringdichtungsraum eine Wärmesperre angeordnet, mit der der Wärmeübergang von der Pumpe zum Gleitringdichtungsgehäuse reduziert wird. Mit dieser Wärmesperre wird auch eine Kühlwirkung für einen zwischen Gehäuse und Pumpenwelle befindlichen offenen Wellenspalt erzeugt. Damit soll hindert werden, daß ein heißes Pumpenmedium direkt auf den Dichtungsspalt der hochdruckseitigen Gleitringdichtung trifft. Eventuelle nieder- oder hochdruckseitige Leckagen der Gleitringdichtungen werden im Rezirkulationskreis dadurch aufgefüllt, daß der Hochdruckseite der Pumpe heißes Fördermedium entnommen wird und mit hohen Druck an einer Einspeisestelle vor der Kühleinrichtung des Rezirkulationskreises eingespeist wird. Zu diesem Zweck ist außerhalb der Pumpe ein aufwendiges Rohrleitungssystem mit diversen Einbauten zu installieren, um die entsprechende Einspeisung außerhalb der Pumpe vornehmen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Kreiselpumpen mit einem Betrieb bis 160 °C Mediumtemperatur eine sichere und wenig aufwendige Kühlung einer Gleitringdichtung zu verwirklichen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruches 1. Zur Kühlung des im Bereich der Gleitringdichtung zirkulierenden Kühlmediums kann neben anderen auch ein vom Antriebsmotor erzeugter Kühlluftstrom benutzt werden. Das im Kühlkreislauf zirkulierende Fördermedium wird durch das Dichtungselement vom übrigen Fördermedium getrennt, so daß im Normalbetrieb eine Vermischung zwischen diesen Bereichen unterbunden wird. Der bewirkte Druckausgleich zwischen dem Dichtungsraum und dem Pumpeninnenraum entlastet in einfachster Weise das dazwischen befindliche Dichtungselement. Der Pumpeninnenraum umfaßt alle Räume, die vor dem Gleitringdichtungsraum angeordnet sind.

Das Dichtungselement kann nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als einfacher, berührend wirkender Dichtungsring ausgebildet sein. Dessen Materialeigenschaften sind so gewählt, daß er gegenüber den vorherrschenden Temperaturen beständig ist. Der Druckausgleich mit Hilfe einer einfachen Druckentlastungsbohrung erfordert keine besonderen fertigungstechnischen Maßnahmen. Eine Dichtlippe des Dichtungselementes ist damit keiner Belastung ausgesetzt, so daß eine besondere Behandlung einer Pumpenwelle bzw. einer darauf befindlichen Wellenschutzhülse entbehrlich ist. Die Förderwirkung innerhalb des Kühlkreislaufes wird durch die Gleitringdichtung selbst oder damit verbundene Hilfseinrichtungen erzeugt. Der Kühlkreislauf transportiert diejenige Wärme ab, die während des Betriebes vom Werkstoff der Pumpe auf das Kühlmedium übertragen wird. Im übrigen bildet sich innerhalb des Kühlkreislaufes ein Thermosyphonkreislauf aus, der auch bei einer im warmen Zustand in Bereitschaftsstellung befindlichen Kreiselpumpe für eine ausreichende Kühlung der Gleitringdichtung sorgt. Der Dichtungsring, welcher gewissermaßen der Gleitringdichtung vorgeschaltet ist, unterbindet im Normalbetrieb in einfachster Weise einen Wärmeaustausch mit dem heißen Fördermedium. Eine Zufuhr von heißen Fördermedium in das Kühlmedium findet nur dann statt, wenn durch eine Dichtungsleckage der Druck innerhalb des Kühlkreislaufes absinken sollte. Nur in solchen Fällen wird verlorenes Kühlmedium durch nachströmendes heißes Fördermedium ersetzt. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben und werden in der Figurenbeschreibung näher erläutert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen hierbei die

Fig. 1

das druckseitige Ende einer mehrstufigen Kreiselpumpe und die

Fig. 2

einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich des Dichtungsringes.

In der Fig. 1 ist von einer mehrstufigen Kreiselpumpe als Ausschnitt ein Druckgehäuse 1 mit darin befindlichen letzten Laufrad 2 gezeigt. Diesem Laufrad 2 ist eine Axialschubausgleichseinrichtung 3 nachgeordnet, von der aus eine Rückführleitung 4 zum - hier nicht dargestellten - Saugstutzen der Kreiselpumpe führt. Auf die Axialschubausgleichseinrichtung kann auch verzichtet werden, wenn der konstruktive Aufbau der Pumpe auf andere Art für einen Ausgleich sorgt, z. B. durch gegenläufige Anordnung. Hier ist der Axialschubausgleichseinrichtung ein Dichtungselement 5 nachgeordnet, welches den die Axialschubausgleichseinrichtung 3 enthaltenden Raum 6 von einem eigentlichen, eine Gleitringdichtung 7 enthaltenen Dichtungsraum 8 trennt. Der Dichtungsraum 8 verfügt über eine Abflußleitung 9, durch die erwärmtes Medium nach außen strömt, einen - hier nicht dargestellten - Kühler passiert und als abgekühltes Medium durch die Leitung 10 im Bereich einer Öffnung 11 in den Dichtungsraum 8 des Dichtungsgehäuse 12 eingeführt wird.

Das hier als Dichtungsring ausgebildete berührende Dichtungselement (5) liegt am rotierenden Teil der Pumpe an, im gezeigten Ausführungsbeispiel an einer Wellenschutzhülse (14), die über eine Pumpenwelle (22) geschoben ist. Das Dichtungselement bzw. der Dichtungsring (5) kann auch direkt auf einer Pumpenwelle (22) oder einem anderen rotierenden Pumpenteil dichtend anliegen. Er verhindert in wirkungsvoller Weise, daß ein Austausch zwischen dem heißen Fördermedium und dem eine geringere Temperatur aufweisenden Kühlmedium stattfindet. Allenfalls in den Situationen, in denen durch Leckage im Bereich der Gleitringdichtung Kühlmedium durch Fördermedium ersetzt werden muß, erfolgt ein Zustrom von Fördermedium.

Das Fördermedium strömt aus dem Bereich des letzten Laufrades (2) durch einen Lagerspalt (13) zur - gegebenenfalls angeordneten - Axialschubausgleichseinrichtung (3). Aus deren Raum (6) fließt das heiße Fördermedium vor dem Dichtungsring (5) über die Spalte (15, 16, 17) in einen Sammelraum (18), von wo aus es durch eine Rückführleitung (4) dem Saugstutzen bzw. einer Stelle niedrigen Druckes der Kreiselpumpe zugeführt wird.

Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel ist eine Druckausgleichseinrichtung (19) zwischen dem Sammelraum (18) für das Fördermedium und dem Dichtungsraum (8) angeordnet. Diese ist hier als einfache Durchgangsbohrung ausgebildet und kann, wie gezeigt, auch das Dichtungselement (5) in einer Aussparung (20) durchdringen. Somit herrscht am berührend wirkenden Dichtungselement (5) Druckausgleich, wodurch eine Dichtungslippe (21) erheblich geringer belastet ist. Ein berührungslos wirkendes Dichtungselement, beispielsweise in Form einer Labyrinthdichtung, wäre ungeeignet, da dessen Dichtwirkung nicht ausreicht und eine zu große Wärmeübertragung durch hindurchströmendes heißes Fördermedium erfolgen würde. Die Aufheizung des Dichtungsgehäuses erfolgt also ausschließlich durch Wärmeübertragung an den metallischen Teilen. Findet für das Dichtungsgehäuse (12) zusätzlich ein Werkstoff mit geringem Wärmeübertragungskoffizienten Verwendung, z. B. ein austenitischer Stahl, ein keramischer Werkstoff oder andere isolierende Werkstoffe, dann kann die Verwendung findende Gleitringdichtung problemlos bei 160 °C Fördermediumtemperatur oder höher eingesetzt werden.

Das in Fig. 1 eingekreiste Dichtungselement ist in Fig. 2 in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die hier gewählte Form der Druckausgleichseinrichtung hat den zusätzlichen Vorteil, daß sie gleichzeitig eine Verdrehsicherung für das Dichtungselement bildet. Die hier gewählte Ausführungsform einer Druckausgleichseinrichtung (19) besteht aus einem die Wandfläche des Sammelraumes (18) durchdringenden rohrförmigen Bauteil. Es erstreckt sich mit einem Teil seiner Länge in eine Aussparung (20) des Dichtelementes (5) hinein, welches somit in seiner Position verdrehsichernd gehalten ist. Die Aussparung (20) erlaubt bei U-förmiger Gestaltung während des Einbaues ein einfaches Einschieben des Dichtungselementes (5) in die Einbaulage. Bei einer kreisförmigen Gestaltung der Aussparung (20) müßte zwar erst das Dichtungselement (5) und danach die Druckausgleichseinrichtung (19) montiert werden, aber damit würde sich gleichzeitig eine Lagesicherung für das Dichtungselement ergeben. Die Druckausgleichseinrichtung (19) kann in einer einfachen Form als Spannstift ausgebildet sein. Bei einer Anordnung an einer anderen als der gezeigten Stelle vergrößert sich die axiale Baulänge zwar geringfügig, das System als solches ist aber unverändert funktionsfähig.

In denjenigen Betriebssituationen, bei denen aus Verschleißgründen im Dichtungsspalt der Gleitringdichtung (7) ein Verlust an Kühlmedium entsteht, ergibt sich im Kühlkreislauf ein Druckabfall. Nun kann durch die Druckausgleichseinrichtung heißes Fördermedium kurzfristig in den Kühlkreislauf nachströmen, um diesen wieder aufzufüllen. Die Abflußleitung (9) aus dem Dichtungsraum (8) ist unmittelbar neben der Druckausgleichseinrichtung (19) angeordnet. Damit ist sichergestellt, daß zuströmendes heißes Medium nicht auf den Dichtungsspalt der Gleitringdichtung trifft und diesen schädigt. Vielmehr wird es vom zirkulierenden Kühlmediumstrom mitgerissen und fließt erst einem Kühler zu, um danach dem Dichtungsraum (8) zuzuströmen.

Claims (6)

1. Dichtungsanordnung einer Kreiselpumpe zur Förderung heißer Medien, bestehend aus mindestens einer im Bereich einer Wellendurchführung angeordneten Gleitringdichtung, einem Kühlkreislauf zur Kühlung der Gleitringdichtung, wobei das Kühlmedium und das Fördermedium identisch sind, und der Kühlkreislauf mit einem Kühler versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Gleitringdichtungsraum (8) mit einer darin angeordneten Gleitringdichtung (7) und einem Pumpeninnenraum ein Dichtungselement (5) angeordnet ist und dichtend am rotierenden Teil (14, 22) der Pumpe anliegt, und daß eine Druckausgleichseinrichtung (19) zwischen Gleitringdichtungsraum (8) und Pumpeninnenraum angeordnet ist.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (5) als berührender Dichtungsring ausgebildet ist.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement aus einem hochpolymeren Kunststoff hergestellt ist.
4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckausgleichseinrichtung (19) in Form einer Druckausgleichsöffnung zwischen Gleitringdichtungsraum (8) und Pumpeninnenraum angeordnet ist.
5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichseinrichtung (19) in den Dichtungsraum (8) neben einer Abflußleitung (9) einmündet.
6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichseinrichtung (19) lagesichernd am Dichtungselement (5) anliegt.

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