EP0955466B1 - Spaltringdichtung - Google Patents

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EP0955466B1
EP0955466B1 EP98106690A EP98106690A EP0955466B1 EP 0955466 B1 EP0955466 B1 EP 0955466B1 EP 98106690 A EP98106690 A EP 98106690A EP 98106690 A EP98106690 A EP 98106690A EP 0955466 B1 EP0955466 B1 EP 0955466B1
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EP
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pressure
compartment
machine according
sealing
stage
Prior art date
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EP98106690A
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English (en)
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Inventor
Jens-Uwe Brandt
Gerhard Rohlfing
Vejen Hristov
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ITT Bornemann GmbH
Original Assignee
Joh Heinr Bornemann GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C15/00—Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F04C15/0003—Sealing arrangements in rotary-piston machines or pumps
    • F04C15/0034—Sealing arrangements in rotary-piston machines or pumps for other than the working fluid, i.e. the sealing arrangements are not between working chambers of the machine
    • F04C15/0038—Shaft sealings specially adapted for rotary-piston machines or pumps

Definitions

  • the invention relates to a fluid-carrying machine, in particular Pump, with one in a stationary housing part inside an annular gap rotating component, the stationary Housing part with a higher product pressure interior separates from a lower pressure outside space, in which the rotating component is stored in an external bearing is sealed from the interior via a sealing system is.
  • the invention relates to a screw pump with at least one feed screw, which was enclosed by a housing is that at least one suction nozzle and at least has a pressure port, the suction port with one of the Conveyor screw upstream suction chamber and the pressure nozzle with a pressure chamber downstream of the screw stand, the facilities for separating the respective liquid phase from the gas phase of the emerging from the screw Medium flow and a lower section for recording of at least a subset of the separated liquid phase has, at this lower pressure chamber section a liquid short-circuit line is connected with communicates with the suction chamber and together with the conveyor elements a closed circuit for permanent sealing forms the required amount of liquid.
  • a liquid short-circuit line is connected with communicates with the suction chamber and together with the conveyor elements a closed circuit for permanent sealing forms the required amount of liquid.
  • the invention has for its object a machine of the beginning described design with an improved sealing system to develop for the rotating component.
  • a two-stage sealing system is thus provided.
  • the first stage is used to reduce pressure and is used of the principle of action of a radial plain bearing with the construction of a hydrodynamic lubricating wedge.
  • the plain bearing shells can solid industrial ceramics (e.g. based on aluminum oxide or Zirconium oxide base), made of solid hard metals (e.g. based on silicon carbide) or tungsten carbide base) or from coated Metals (e.g. hard chrome plating, tungsten carbide or chromium oxide coating) consist.
  • This first sealing stage has the advantage that on the one hand from the liquid of the medium built an effective hydrodynamic lubricating wedge is that, on the other hand, however, any penetrated into the annular gap Particles due to the extreme hardness and wear resistance the plain bearing shells simply grated between them become.
  • the feedback of the leakage of the first sealing stage can e.g. B. due to a suitable pressure drop between the outlet and inlet side the machine (with sealing arrangement on the outlet side) or z. B. by external tools such. B. a pump (at the inlet side Arrangement of the seal).
  • the second sealing stage provided according to the invention is minimized to protect the environment or mechanical functional elements Leakage at the lowest differential pressures.
  • the second Sealing level as a simple sealing system in the form of a lip seal or a single-acting mechanical seal be trained.
  • the second Sealing stage also as a multiple circuit of sealing systems more conventional Be designed z. B. as a lip seal downstream mechanical seal or as a V-ring with downstream lip seal and downstream mechanical seal.
  • FIG. 1 shows a previously known (see DE 43 16 735 C2) screw pump, the two contactless intermeshing conveying elements, has opposite pairs of conveyor screws, the one right-hand screw 1 and one left-hand screw Include feed screw 2.
  • the interlocking conveyor screws form together with the enclosing housing 3 individually closed delivery chambers.
  • the torque transmission from the drive to the driven shaft is done by a Gear transmission 4 arranged outside the pump housing 3.
  • the pump housing 3 has a suction nozzle 5 and a pressure nozzle 6 on. That flowing to the pump through the suction nozzle 5
  • Medium 9 is in the pump housing 3 in two partial flows each central suction chamber 10 supplied to the associated feed screw 1 or 2 is connected upstream.
  • This screw downstream is a pressure chamber 11, which is axially outward is completed by a shaft seal 12 each serves to seal an outer bearing 13.
  • a liquid short-circuit line 14 connected to the suction chamber 10 in connection stands.
  • the pressure side from the pumped liquid-gas mixture separated and dosed back into the suction area Partial liquid volume flow is marked with arrow 15 and is used as a liquid recirculation from the suction chamber 10 promoted in the pressure chamber 11.
  • the liquid level in the pump housing 3 or pressure chamber 11 can are usually below the waves 7, 8.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention.
  • one stationary housing part 16 rotates within an annular gap 17 is a component which is the shaft 8 of the figure 1 acts.
  • the stationary housing part 16 separates a higher one Product pressure interior, which is the Pressure chamber 11 of Figure 1 is a lower one Pressure-bearing outer space 18, in which the shaft 8 in a External bearing 13 is mounted, which is opposite the pressure chamber 11 is sealed by the following sealing system:
  • the annular gap 17 is between two extremely hard, wear-resistant Materials existing slide bearing shells 19 formed, to compensate for misalignments in radial Direction with the help of O-rings 20 are mounted elastically.
  • For the leakage flowing through the annular gap 17 is that caused by the Slide bearing shells 19 formed the first pressure reduction stage in the axial Directed a feedback device 21, the this leakage from the first sealing stage in the conveying process of the turbomachine, for which purpose a separate pump 23 can be provided.
  • a separate pump 23 can be provided.
  • the feedback device 21 is seen in the axial direction second sealing stage 22 downstream, as a simple seal z. B. can be formed in the form of a lip seal.
  • FIG 3 shows a screw pump according to Figure 1 with a sealing system according to the invention, only indicated schematically according to Figure 2 and an inventive, additionally provided Pressure equalization device 24.
  • the latter is in the installation space the outer bearing 13 connecting the suction chamber 10 Line 25 switched and can through a membrane or be formed by a bladder accumulator.
  • the pressure compensation device 24 ensures that in the installation space mentioned the same pressure level prevails as in the suction chamber 10. This Arrangement is special with changing pressures in the suction space 10 advantageous, so the pressure differences at the second Minimize seal level 22.

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Description

Die Erfindung betrifft eine fluidführende Maschine, insbesondere Pumpe, mit einem in einem stillstehenden Gehäuseteil innerhalb eines Ringspaltes rotierenden Bauteil, wobei das stillstehende Gehäuseteil einen höheren Produktdruck aufweisenden Innenraum von einem einen niedrigeren Druck aufweisenden Außenraum trennt, in dem das rotierende Bauteil in einer Außenlagerung gelagert ist, die gegenüber dem Innenraum über ein Dichtungssystem abgedichtet ist.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schraubenspindelpumpe mit zumindest einer Förderschraube, die von einem Gehäuse umschlossen ist, das zumindest einen Saugstutzen und zumindest einen Druckstutzen aufweist, wobei der Saugstutzen mit einem der Förderschraube vorgeschalteten Saugraum und der Druckstutzen mit einem der Förderschraube nachgeordneten Druckraum in Verbindung stehen, der Einrichtungen zur Separierung der jeweiligen Flüssigkeitsphase von der Gasphase des aus der Förderschraube austretenden Mediumstromes sowie einen unteren Abschnitt zur Aufnahme von zumindest einer Teilmenge der separierten Flüssigkeitsphase aufweist, wobei an diesem unteren Druckraumabschnitt eine Flüssigkeits-Kurzschlußleitung angeschlossen ist, die mit dem Saugraum in Verbindung steht und zusammen mit den Förderelementen einen geschlossenen Umlauf für eine zur permanenten Abdichtung erforderlichen Flüssigkeitsmenge bildet. Eine derartige Ausführungsform läßt sich der DE 43 16 735 C2 entnehmen.
Für die Abdichtung rotierender Wellen sind zahlreiche Dichtungssysteme entwickelt worden, die sich jedoch bei Maschinen der eingangs definierten Bauart als nachteilig erwiesen haben. Die Nachteile bei berührungslosen Labyrinthdichtungen liegen in deren hoher Leckage bedingt durch relativ große Spalte sowie darin, daß keine Druckdifferenzen an der Wellendurchführung ertragbar sind. Lippendichtringe ertragen nur geringe Druckdifferenzen bis maximal 5 bar an der Wellendurchführung. Weichpackungen weisen ebenfalls relativ hohe Leckagen auf, erfordern einen hohen Wartungsaufwand und entwickeln bei größeren Drehzahlen hohe Wärme. Die im Pumpenbau des gehobenen Niveaus eingesetzten Gleitringdichtungen erweisen sich hinsichtlich ihres komplexen Aufbaus und ihrer schwierigen Inbetriebnahme als nachteilig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs beschriebenen Bauart mit einem verbesserten Abdichtsystem für das rotierende Bauteil zu entwickeln.
Ausgehend von der eingangs beschriebenen Maschine wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Ringspalt zwischen zwei aus extrem harten, verschleißfesten Werkstoffen bestehenden Gleitlagerschalen gebildet ist, die nach dem Wirkprinzip eines Radial-Gleitlagers eine erste Druckabbaustufe bilden, der in axialer Richtung eine die Leckage aus dieser ersten Dichtungsstufe in den Förderprozeß der Strömungsmaschine zurückführende Rückführeinrichtung nachgeschaltet ist, der in axialer Richtung eine zweite Dichtungsstufe nachgeordnet ist, die als einfache Dichtung in Form eines Lippendichtringes und/oder einer einfachen Gleitringdichtung ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß wird somit ein zweistufiges Dichtungssystem vorgesehen. Die erste Stufe dient dem Druckabbau und bedient sich des Wirkprinzips eines Radial-Gleitlagers mit Aufbau eines hydrodynamischen Schmierkeils. Die Gleitlagerschalen können aus massiver Industriekeramik (z. B. auf Aluminiumoxydbasis oder Zirkonoxydbasis), aus massiven Hartmetallen (z. B. auf Siliziumkarbidbasis oder Wolframkarbidbasis) oder aber aus beschichteten Metallen (z. B. Hartverchromung, Wolframkarbid- oder Chromoxydbeschichtung) bestehen. Der Aufbau dieser ersten Dichtungsstufe hat den Vorteil, daß einerseits aus der Flüssigkeit des Fördermediums ein wirksamer hydrodynamischer Schmierkeil aufgebaut wird, daß andererseits jedoch etwaige, in den Ringspalt eingedrungene Partikel durch die extreme Härte und Verschleißfestigkeit der Gleitlagerschalen zwischen diesen einfach zerrieben werden.
Zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern ist es zweckmäßig, die Gleitlagerschalen in radialer Richtung elastisch zu lagern, z. B. in O-Ringen.
Die Rückführung der Leckage der ersten Dichtungsstufe kann z. B. durch geeignetes Druckgefälle zwischen Auslaß- und Einlaßseite der Maschine (bei auslaßseitiger Anordnung der Abdichtung) oder z. B. durch externe Hilfsmittel wie z. B. einer Pumpe (bei einlaßseitiger Anordnung der Abdichtung) erfolgen.
Geht man von einer Schraubenspindelpumpe der eingangs beschriebenen Bauart aus, dann ist es besonders vorteilhaft, die Leckage-Rückführeinrichtung an die Flüssigkeits-Kurzschlußleitung anzuschließen.
Die erfindungsgemäß vorgesehene zweite Dichtungsstufe minimiert zum Schutz der Umwelt oder mechanischer Funktionselemente die Leckage bei geringsten Differenzdrücken. Dabei kann die zweite Dichtungsstufe als einfaches Dichtungssystem in Form eines Lippendichtringes oder einer einfach wirkenden Gleitringdichtung ausgebildet sein. Je nach Anwendungserfordernis kann die zweite Dichtungsstufe auch als Mehrfachschaltung von Dichtsystemen herkömmlicher Bauart ausgebildet sein z. B. als Lippendichtring mit nachgeschalteter Gleitringdichtung oder aber als V-Ring mit nachgeschaltetem Lippendichtring und nachgeschalteter Gleitringdichtung.
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In Figur 2 ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigen
Figur 1
als Stand der Technik eine Schraubenspindelpumpe im Längsschnitt;
Figur 2
in gegenüber Figur 1 vergrößertem Maßstab ein erfindungsgemäßes Abdichtsystem im - bezogen auf Figur 1 - rechten Lagerbereich einer Förderschraube und
Figur 3
Die Schraubenspindelpumpe gemäß Figur 1 mit einer erfindungsgemäßen Druckausgleichseinrichtung.
Figur 1 zeigt eine vorbekannte (siehe DE 43 16 735 C2) Schraubenspindelpumpe, die als Förderelemente zwei berührungslos ineinanderkämmende, gegenläufige Förderschraubenpaare besitzt, die jeweils eine rechtsgängige Förderschraube 1 sowie eine linksgängige Förderschraube 2 umfassen. Die ineinandergreifenden Förderschrauben bilden zusammen mit dem sie umschließenden Gehäuse 3 einzeln abgeschlossene Förderkammern. Die Drehmomentübertragung von der Antriebs- auf die getriebene Welle erfolgt durch ein außerhalb des Pumpengehäuses 3 angeordnetes Zahnradgetriebe 4. Das Pumpengehäuse 3 weist einen Saugstutzen 5 sowie einen Druckstutzen 6 auf. Das der Pumpe durch den Saugstutzen 5 zufließende Medium 9 wird im Pumpengehäuse 3 in zwei Teilströme dem jeweils mittigen Saugraum 10 zugeführt, der der zugeordneten Förderschraube 1 bzw. 2 vorgeschaltet ist. Diesen Förderschrauben nachgeschaltet ist jeweils ein Druckraum 11, der axial nach außen durch jeweils eine Wellendichtung 12 abgeschlossen ist, die zur Abdichtung einer Außenlagerung 13 dient.
Am tiefsten Punkt des Druckraumes 11 ist eine Flüssigkeits-Kurzschlußleitung 14 angeschlossen, die mit dem Saugraum 10 in Verbindung steht. Der druckseitig aus dem geförderten Flüssigkeits-Gas-Gemisch separierte und dosiert in den Ansaugbereich zurückgeführte Teil-Flüssigkeitsvolumenstrom ist mit dem Pfeil 15 gekennzeichnet und wird als Flüssigkeitsumlauf wieder vom Saugraum 10 in den Druckraum 11 gefördert.
Der Flüssigkeitspegel im Pumpengehäuse 3 bzw. Druckraum 11 kann in der Regel unterhalb der Wellen 7, 8 liegen. Die Benetzung der Wellendichtungen 12 in Folge der direkten Anströmung reicht in der Regel für eine ausreichende Schmierung dieser Wellendichtungen 12 aus.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung. In einem stillstehenden Gehäuseteil 16 rotiert innerhalb eines Ringspaltes 17 ein Bauteil, bei dem es sich um die Welle 8 der Figur 1 handelt. Das stillstehende Gehäuseteil 16 trennt einen höheren Produktdruck aufweisenden Innenraum, bei dem es sich um den Druckraum 11 der Figur 1 handelt, von einem einen niedrigeren Druck aufweisenden Außenraum 18, in dem die Welle 8 in einer Außenlagerung 13 gelagert ist, die gegenüber dem Druckraum 11 über folgendes Dichtungssystem abgedichtet ist:
Der Ringspalt 17 ist zwischen zwei aus extrem harten, verschleißfesten Werkstoffen bestehenden Gleitlagerschalen 19 gebildet, die zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern in radialer Richtung mit Hilfe von O-Ringen 20 elastisch gelagert sind. Für die den Ringspalt 17 durchströmende Leckage ist der durch die Gleitlagerschalen 19 gebildeten ersten Druckabbaustufe in axialer Richtung eine Rückführeinrichtung 21 nachgeschaltet, die diese Leckage aus der ersten Dichtungsstufe in den Förderprozeß der Strömungsmaschine zurückführt, wofür eine separate Pumpe 23 vorgesehen werden kann. Bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Dichtungssystems bei einer Schraubenspindelpumpe gemäß Figur 1 wäre es zweckmäßig, die Leckage-Rückführeinrichtung 21 an die in Figur 1 eingezeichnete Flüssigkeits-Kurzschlußleitung 14 anzuschließen.
Der Rückführeinrichtung 21 ist in axialer Richtung gesehen eine zweite Dichtungsstufe 22 nachgeordnet, die als einfache Dichtung z. B. in Form eines Lippendichtringes ausgebildet sein kann.
Figur 3 zeigt eine Schraubenspindelpumpe gemäß Figur 1 mit einem erfindungsgemäßen, nur schematisch angedeuteten Abdichtsystem gemäß Figur 2 und einer erfindungsgemäßen, zusätzlich vorgesehenen Druckausgleichseinrichtung 24. Letztere ist in eine den Einbauraum der Außenlagerung 13 mit dem Saugraum 10 verbindende Leitung 25 geschaltet und kann durch eine Membrane oder aber durch einen Blasenspeicher gebildet sein. Die Druckausgleichseinrichtung 24 sorgt dafür, daß in dem genannten Einbauraum das jeweils gleiche Druckniveau herrscht wie im Saugraum 10. Diese Anordnung ist bei wechselnden Drücken im Saugraum 10 besonders vorteilhaft, um so die Druckdifferenzen an der zweiten Dichtungsstufe 22 zu minimieren.

Claims (10)

  1. Fluidführende Maschine, insbesondere Pumpe, mit einem in einem stillstehenden Gehäuseteil (16) innerhalb eines Ringspaltes (17) rotierenden Bauteil (8), wobei das stillstehende Gehäuseteil (16) einen höheren Produktdruck aufweisenden Innenraum (11) von einem einen niedrigeren Druck aufweisenden Außenraum (18) trennt, in dem das rotierende Bauteil (8) in einer Außenlagerung (13) gelagert ist, die gegenüber dem Innenraum (11) über ein Dichtungssystem (17, 19, 22) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (17) zwischen zwei aus extrem harten, verschleißfesten Werkstoffen bestehenden Gleitlagerschalen (19) gebildet ist, die nach dem Wirkprinzip eines Radial-Gleitlagers eine erste Druckabbaustufe bilden, der in axialer Richtung eine die Leckage aus dieser ersten Dichtungsstufe in den Förderprozeß der Maschine zurückführende Rückführeinrichtung (21) nachgeschaltet ist, der in axialer Richtung eine zweite Dichtungsstufe (22) nachgeordnet ist, die als einfache Dichtung in Form eines Lippendichtringes und/oder einer einfachen Gleitringdichtung ausgebildet ist.
  2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitlagerschalen (19) zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern in radialer Richtung elastisch gelagert sind.
  3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltdicke des zwischen den Gleitlagerschalen (19) gebildeten Ringspaltes (17) etwa 0,3 bis 1,5 % des Gleitflächendurchmessers beträgt.
  4. Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Gleitlagerschalen (19) etwa 20 bis 60 % des Gleitflächendurchmessers beträgt.
  5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Dichtungsstufe (22) als Mehrfachschaltung von Dichtungen ausgebildet ist, die einen V-Ring, einen Lippendichtring sowie eine Gleitringdichtung umfaßt.
  6. Schraubenspindelpumpe mit zumindest einer Förderschraube (1, 2), die von einem Gehäuse (3) umschlossen ist, das zumindest einen Saugstutzen (5) und zumindest einen Druckstutzen (6) aufweist, wobei der Saugstutzen (5) mit einem der Förderschraube (1, 2) vorgeschalteten Saugraum (10) und der Druckstutzen (6) mit einem der Förderschraube (1, 2) nachgeordneten Druckraum (11) in Verbindung stehen, der Einrichtungen zur Separierung der jeweiligen Flüssigkeitsphase von der Gasphase des aus der Förderschraube (1, 2) austretenden Mediumstromes sowie einen unteren Abschnitt zur Aufnahme von zumindest einer Teilmenge der separierten Flüssigkeitsphase aufweist, wobei an diesem unteren Druckraumabschnitt eine Flüssigkeits-Kurzschlußleitung (14) angeschlossen ist, die mit dem Saugraum (10) in Verbindung steht und zusammen mit den Förderelementen einen geschlossenen Umlauf für eine zur permanenten Abdichtung erforderlichen Flüssigkeitsmenge bildet, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtung (21) an die Flüssigkeits-Kurzschlußleitung (14) angeschlossen ist.
  7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einbauraum der Außenlagerung (13) und dem Saugraum (10) eine das gleiche Druckniveau herstellende Druckausgleichseinrichtung (24) vorgesehen ist.
  8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichseinrichtung (24) durch eine Membrane gebildet ist.
  9. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichseinrichtung (24) durch einen Blasenspeicher gebildet ist.
  10. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtung (21) eine separate Pumpe (23) aufweist.
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