DE20103013U1 - Flüssigkeitsdichtungsanordnung - Google Patents

Description

DE2374 Flüssigkeitsdichtungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsdichtungsanordnung zur Abdichtung eines rotierenden Bauteils gegenüber einem stationären Bauteil, z.B. einer Welle gegenüber einem Gehäuse, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Sie betrifft insbesondere eine Anordnung mit Leckagerückführung, wie sie grundsätzlich aus der EP-A-864 756 bekannt ist. Die Leckagerückführung der bekannten Flüssigkeitsdichtungsanordnung soll verhindern, dass eine nicht gänzlich vermeidbare, jedoch stets sehr geringe Leckage längs einer Hauptdichtung an die Umgebung gelangen kann. Die Hauptdichtung ist demzufolge auf eine möglichst weitgehende Abdichtung des Mediums ausgelegt. Ausser einer Gleitringdichtung kann als Hauptdichtung auch eine Labyrinthdichtung oder Stopfbuchspackung vorgesehen sein. Die Auslegung der Hauptdichtung auf minimierte Leckage hat zur Folge, dass mehr oder minder deutliche Reibung zwischen den in dichtendem Eingriff miteinander tretenden, relativ zueinander sich bewegenden Dichtflächen auftritt und damit ein die Lebensdauer limitierender Verschleiss. Selbst bei Gleitringdichtungen, bei denen bei Betrieb ab einer gewissen Drehgeschwindigkeit ein Schmierfilm aus dem abzudichtenden Medium zwischen den zusammenwirkenden Dichtflächen gebildet wird, kann unter den genannten Voraussetzungen deutlicher Verschleiss festgestellt werden, insbesondere dann, wenn das Medium Verunreinigungen, z.B. Fremdkörper, enthält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitsdichtungsanordnung der gattungsgeniässen Art zu schaffen, bei der ein Verschleiss während des Betriebs in Folge von Festkörperreibung oder dgl. gänzlich oder wenigstens weitestgehend vermieden wird. Dabei soll gleichzeitig eine hohe Dichtwirkung der Flüssigkeitsdichtungsanordnung gewährleistet sein, so dass auch toxische bzw. aggressive umweltschädliche Flüssigkeiten zuverlässig an einem Zutritt an die Umwelt gehindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemässen

Flüssigkeitsdichtungsanordnung ist eine dergestaltige Auslegung der Hauptdichtung, dass diese nicht, wie bislang, eine nur geringe bzw. vernachlässigbare Leckage hat, sondern zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Dichtflächen gezielt eine erhöhte Leckageströmung geschaffen und aufrechterhalten wird. Dadurch wird eine berührende Eingriffnahme der zusammenwirkenden Dichtflächen zuverlässig vermieden und werden eventuell im abzudichtenden Medium befindliche Fremdpartikel kontinuierlich aus dem Bereich zwischen den Dichtflächen herausgespült. Durch geeignete in den Unteransprüchen aufgeführte Massnahmen kann erreicht, dass der berührungslose Lauf der Hauptdichtung schon bei geringen Drehgeschwindigkeiten eintritt und dadurch die Hauptdichtung nicht nur beim normalen Betrieb, sondern auch beim An- und Abfahren der betreffenden Gerätschaft praktisch verschleissfrei läuft. Die bewusst in Kauf genommene hohe Leckage längs der Hauptdichtung wird an einem Austreten an die Umwelt gehindert, indem die Hauptdichtung mit einer Leckagerückführung kombiniert ist, die dafür sorgt, dass die Leckage vollständig in den Hauptförderstrom des abzudichtenden flüssigen Fördermediums zurückgeführt wird. Trotz der erhöhten Leckage längs der Hauptdichtung können daher mittels der erfindungsgemässen Dichtungsanordnung auch toxische oder aggressive flüssige Medien zuverlässig gegenüber der Umwelt abgedichtet werden. Die Lebensdauer der Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach der Erfindung übersteigt um ein Vielfaches die der bekannten gattungsgemässen Dichtungsanordnungen, wobei als vorteilhafte Nebenwirkung die geringeren Anforderungen an die Passgenauigkeit der Aufbauteile der Hauptdichtung zu nennen ist. Obschon die Hauptdichtung als Labyrinthdichtung oder Drosselspaltdichtung ausgebildet sein kann, wird bevorzugt hierfür eine einfachwirkende Gleitringdichtung vorgesehen, die grundsätzlich einen herkömmlichen Aufbau haben kann, jedoch gezielt auf eine erhöhte Leckage modifiziert ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in teilweise schematischer geschnittener Ansicht eine Flüssigkeitsdichtungsanordnung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 in perspektivischer fragmentarischer Ansicht einen Gleitring einer

Gleitringdichtung als Hauptdichtung der Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach Fig. 1 gemäss einer Modifikation der Erfindung, und

Fig. 3 in quergeschnittener Ansicht eine Gleitringpaarung einer Gleitringdichtung als

Hauptdichtung der Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach Fig. 1 gemäss einer weiteren Modifikation der Erfindung.

Obschon die Erfindung nachfolgend in Verbindung mit ihrer Anwendung bei einer Kreiselpumppe beschrieben wird, versteht es sich, dass dieses Anwendungsgebiet nur beispielhaft und nicht als einschränkend anzusehen ist.

In der Zeichnung betreffen das Bezugszeichen 1 das Laufrad der Kreiselpumpe und das Bezugszeichen 2 deren Gehäuse. Das Gehäuse 2 definiert einen Druckraum 3, in dem das Laufrad 1 drehbar aufgenommen ist. Bei der Drehung des Laufrades 1 wird ein in einem Ansaugstutzen oder Niederdruckbereich 4 der Kreiselpumpe 1 anstehendes flüssiges Fördermedium angesaugt und zu einem radial aussenliegenden Ausstossbereich 5 beschleunigt und dabei unter Druck gesetzt. Wie dargestellt, ist das Laufrad 1 auf einer horizontalen Welle 6 montiert, die durch das Gehäuse 2 nach aussen zu einer nicht gezeigten Antriebseinrichtung geführt ist.

Zur Abdichtung der Welle 6 gegenüber dem Gehäuse 2 ist eine aussenbeaufschlagte Hauptdichtung 7 vorgesehen, die erfindungsgemäss so ausgebildet ist, dass relativ zu bekannten Einrichtungen dieser Art eine vergleichsweise hohe Leckage des abzudichtenden, flüssigen Fördermediums zugelassen ist. Die Hauptdichtung 7 trennt den Druckraum 3 der Kreiselpumpe gegenüber einem druckentlasteten ringförmigen Leckagesammelraum 9 ab, der sich umfänglich der Welle 6 abstromseitig der Hauptdichtung 7 erstreckt und in einem von der Welle

durchsetzten Aufsatzteil 8 ausgebildet sein kann. Der Aufsatzteil 8 kann am Gehäuse 2, z.B. durch eine Schraubverbindung, befestigt sein. Die relativ hohe Leckage des Fördermediums längs der Hauptdichtung 7 gelangt in den Leckagesammeiraum 9 und wird sich bevorzugt in dessen unteren Bereich ansammeln. Eventuell vorhandene gasförmige Anteile der Leckage können über eine Druckentlastungsleitung 22, die mit dem oberen Bereich des Leckagesammeiraums 9 in Verbindung steht, nach aussen z.B. zu einer Abfackelungsstelle abgeführt werden. Wenn erwünscht, kann am Aufsatzteil 8 eine mit der Welle 6 zusammenwirkende weitere Dichtung (nicht gezeigt), z.B. Labyrinth- oder Gleitringdichtung, vorgesehen sein, um den Leckagesammeiraum 9 abstromseitig zusätzlich nach aussen abzudichten.

Der Leckagesammeiraum 9 ist über eine Verbindungsleitung 10 und ein darin angeordnetes Absperrventil 11 mit dem Inneren eines Speicherbehälters 12 verbunden. Der Speicherbehälter 12 bildet einen Zwischenspeicher, in den die Leckage aus dem Sammelraum 9 eingeführt werden kann. Das Absperrventil 11 ermöglicht eine Strömung der Leckage vom Sammelraum 9 in den Speicherbehälter 12, während es eine Strömung in entgegengesetzter Richtung verhindert.

Ein verschliessbarer Auslass 13 nahe dem Boden des Speicherbehälters 12 ist über eine Leitung 17 mit der Ansaugseite einer Pumpeinrichtung 18 verbunden. Obschon andere geeignete Pumpeinrichtungen verwendet werden können, wird eine solche bevorzugt, die in abgekapselter Bauweise ausgebildet werden kann und ohne externen Antrieb auskommt. Bezüglich weiterer Details einer derartigen Pumpeinrichtung kann auf die EP-A-O 864 756 verwiesen werden. Ausstossseitig ist die Pumpeinrichtung 18 über eine Leitung 19 mit dem Ansaugstutzen 4 der Kreiselpumpe 1 verbunden.

Zum Öffnen und Schliessen des Auslasses 13 des Speicherbehälters 12 ist ein bei 14 angedeutetes Schliesselement vorgesehen, das in Abhängigkeit von der Füllstandshöhe an Leckage im Speicherbehälter 12 betätigt werden kann. Dazu kann ein Schwimmer 15 im Speicherbehälter 12 angeordnet sein, der über einen Gestängemechanismus 16 mit dem Schliesselement 14 verbunden ist. Sobald die Leckage im Speicherbehälter 15 eine bestimmte

obere Füllstandshöhe erreicht hat, bewegt der Schwimmer 15 das Schliesselement 14 in die Freigabestellung, so dass das Innere des Speicherbehälters 12 über die Leitung 17 mit der Pumpeinrichtung 18 und weiter über die Leitung 19 mit dem Ansaugstutzen 4 der Kreiselpumpe in Verbindung gebracht werden kann. Das Schliesselement 14 verschliesst den Auslass 13 wieder, wenn die Füllstandshöhe auf ein unteres Niveau abgefallen ist, so dass stets ein Rest an Leckage im Speicherbehälter 12 zurückgehalten wird. Hierdurch wird vermieden, dass von der Pumpeinrichtung 18 gasförmige Materie, die das Fördermedium verunreinigen würde, angesaugt werden kann.

Eine Überwachungseinrichtung 20 kann vorgesehen sein, um eine übermässige Füllstandshöhe im Speicherbehälter 12 zu erfassen und ein Alarmsignal abzugeben, wenn die in den Speicherbehälter 12 eingeführte Leckagemenge grosser als diejenige ist, die über den Auslass 13 abgeführt werden kann. Mit 21 ist eine Leitung angedeutet, die einen oberen Bereich des Speicherbehälters 12 mit der Druckentlastungsleitung 22 verbindet. Im oberen Bereich des Speicherbehälters 12 angesammelte gasförmige Anteile der Leckage können daher über die Leitungen 21 und 22 zur Abfackelungsstelle geführt werden. Gleichzeitig wird hierdurch ein Druckaufbau im Speicherbehälter 12 vermieden.

Obschon eine Leckagerückführung mit den vorgenannten Sicherheitsmerkmalen bevorzugt wird, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Vielmehr könnte auch eine kontinuierliche Leckagrückführung ohne Zwischenspeicherung vorgesehen sein.

Erfindungsgemäss ist die Hauptdichtung 7 für einen Betrieb mit minimiertem Verschleiss an den abdichtenden Dichtflächen ausgelegt. Dies wird erreicht, indem die Dichtflächen bei Betrieb schon bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten der Welle, wie sie z.B. beim An- und Abfahren der Kreiselpumpe auftreten, durch hydrodynamische Effekte ausser Berührung miteinander gebracht werden und dazwischen ein Polster oder verstärkter Schmierfilm aus dem abzudichtenden Medium gebildet wird. Die dadurch bedingte hohe Leckage längs der Hauptdichtung 7 ist selbst bei toxischen oder aggressiven Medien unschädlich, da sie dank der vorerwähnten Massnahmen

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nicht an die Umgebung gelangt, sondern in das Fördersystem der Kreiselpumpe zurückgeführt werden kann.

Es wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass die erwünschte Verschleissminimierung erhalten wird, wenn eine Leckage längs der Hauptdichtung 7 zugelassen wird, die um ein Vielfaches, z.B. 10-faches grosser als die Leckage ist, die bislang unter vergleichbaren Bedingungen (Wellendurchmesser, Drehgeschwindigkeit, Druck und Viskosität des abzudichtenden Mediums, Bauweise der Hauptdichtung etc.) als zulässig erachtet wurde.

Obschon für die Hauptdichtung 7 grundsätzlich eine Labyrinth- oder Drosselspaltdichtung verwendet werden könnte, ist diese vorzugsweise als einfachwirkende aussenbeaufschlagte Gleitringdichtung ausgebildet, wie sie vom grundsätzlichen Aufbau her dem Fachmann bekannt ist und deshalb hier mit näheren Details nicht beschrieben werden braucht. Es kann z.B. auf BURGMANN, ABC der Gleitringdichtung, 1988 Selbstverlag, Seite 46 verwiesen werden. Bei einer derartigen Geltringdichtung sind erfindungsgemäss Massnahmen vorgesehen, die eine Spaltbildung zwischen den Dichtflächen eines Paares zusammenwirkender Gleitringe 23, 24 schon bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten bewirkt, was einen frühzeitigen berührungslosen Lauf der Gleitringdichtung zur Folge hat. Andererseits muss die Gleitringdichtung bei Stillstand der Welle 6 weitestgehend leckagefrei abdichten. Dazu können die Gleitringe 23, 24 mit einer statischenVorspannkraft permanent beaufschlagt werden, so dass die Dichtflächen bei Ausbleiben hydrodynamischer Kräfte in erne abdichtende Beziehung zueinander gedrückt werden.

Eine Massnahme zu einer frühzeitigen Spaltbildung besteht darin, dass der so genannte Belastungsfaktor k der Gleitringdichtung, definiert als das Verhältnis von hydraulisch belasteter Fläche der Gleitringdichtung zur Gleitring-Dichtfläche (siehe auch BURGMANN, ABC der Gleitringdichtung, a.a.O., Seite 25), auf einem niedrigen Wert eingestellt wird, so dass eine deutlich entlastete Gleitringdichtung geschaffen wird. Während herkömmliche einfachwirkende Gleitringdichtungen einen Belastungsfaktor k bis 2,0 besitzen, werden für die vorliegende Erfindung herabgesetzte Belastungsfaktoren k < 0,8, z.B. 0,4 bis 0,5 gewählt, wobei der Wert für

den Belastungsfaktor k vom Druck und der Viskosität des abzudichtenden Mediums beeinflusst wird.

Beispiel:

Bei einer herkömmlichen einfach wirkenden Gleitringdichtung mit planen Dichtflächen und einem Belastungsfaktor k = 1,2 betrug die Leckage einen üblichen Wert von 3 bis 5 ml/h in Gegenwart eines wässrigen Mediums, bei einem Durchmesser der Welle von 50 mm, einer Drehgeschwindigkeit von 3000 min" und einem Druck des Medium von 3,5 bar. Durch eine Reduzierung des k-Faktors auf 0,5 bei ansonsten unveränderten Bedingungen nahm die Leckage auf 150 ml/h zu. Die mit erhöhter Leckage ausgestattete Gleitringdichtung zeigte auch nach langen Betriebszeiten keinerlei Verschleissspuren.

Eine frühzeitige Spaltbildung kann ferner durch Einbringen förderwirksamer Ausnehmungen in wenigstens eine der Dichtflächen initiiert werden. Diese pumpen schon bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten der Welle 6 das abzudichtende flüssige Medium zwischen die Dichtflächen, um dazwischen einen Druck aufzubauen und diese so in Abstand voneinander zu bringen. Derartige Ausnehmungen können ähnlich wie die bei der Abdichtung gasförmiger Medien häufig verwendeten förderwirksamen Nuten, z.B. Spiralnuten ausgebildet sein, wie sie in BURGMANN, Gasdichtungen, Selbstverlag 1997, Seite 17 beschrieben sind. Die Nuten erstrecken sich vom äusseren Umfang einer Dichtfläche bis zu einer zwischenliegenden radialen Stelle, so dass nahe dem inneren Umfang der Dichtfläche ein nutfreier ringförmiger Dammbereich verbleibt, der bei Stillstand der Welle in eine abdichtende Beziehung mit einer planen Gegenfläche am benachbarten Gleitring 24' (nicht gezeigt) unter der axialen Vorspannkraft gedrückt wird.

Eine weitere Möglichkeit der frühzeitigen Spaltbildung besteht darin, in der Dichtfläche eines der oder beider Gleitringe eine Wellenstruktur einzubringen, wie sie schematisch in Fig. 2 gezeigt ist. In Fig. 2 betreffen das Bezugszeichen 23' einen der zusammenwirkenden Gleitringe 23', 24' und das Bezugszeichen 25 die Dichtfläche des betreffenden Gleitringes 23'. In einem

Bereich 26 der Dichtfläche 25, der sich zwischen dem äusseren, d.h. dem abzudichtenden Medium ausgesetzten Umfang und einer radial zwischenliegenden umfänglichen Begrenzung erstreckt, ist die Dichtfläche wellenförmig strukturiert. Dadurch werden abwechselnde, radial verlaufende Wellenberge und -täler gebildet, die einen Eintritt des abzudichtenden Medium zwischen die Dichtflächen der zusammenwirkenden Gleitringe 23', 24' fördern, um die gewünschte frühzeitige Spaltbildung zu bewirken. Nahe dem inneren Umfang der Dichtfläche 25 ist ein Dammbereich 27 mit einer ringförmigen planen Oberfläche vorgesehen, die bei Stillstand der Welle für eine abdichtende Beziehung der Dichtflächen sorgt.

Schliesslich können die Dichtflächen als weitere Alternative so zueinander angeordnet oder ausgebildet sein, so dass dazwischen ein V-Spalt 30 entsteht, wie dies schematisch in Fig. 3 gezeigt ist. Der V-Spalt 30 hat ebenfalls eine erhöhte Leckage zur Folge hat. Vorzugsweise sind hierzu die Dichtflächen 28, 29 der zusammenwirkenden Gleitringe 23", 24" ballig ausgebildet, so dass sie vom inneren zum äusseren Umfang progressiv in grösserem Abstand voneinander treten. Bei Stillstand der Welle kommen ringförmige Flächenbereiche nahe den inneren Umfangen der Dichtflächen 28, 29 in Berührung miteinander, um den Spalt abzudichten.

Die Erfindung ermöglicht es, dass bei Betrieb der Gleitringdichtung ein Spalt zwischen den Dichtflächen der Gleitringe gebildet wird, der eine Leckage von wenigstens 25 ml/h bei einem Druck des abzudichtenden Mediums zwischen 1 und 25 bar zur Folge hat. Die Spaltbildung mit einer derartigen Leckage ist bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten der Welle bis zu maximal 5000 min"¹ gewährleistet. Wird statt einer Gleitringdichtung als Hauptdichtung 7 eine Labyrinthoder Drosselspaltdichtung vorgesehen, ist die Leckage entsprechend den vorerwähnten Werten auszulegen. Derartige Hauptdichtungen 7 sollten ferner mit einer, vorzugsweise drehzahlgesteuerten Stillstandsdichtung kombiniert werden, wie sie mit näheren Details in BURGMANN, ABC der Gleitringdichtung, a.a.O., Seite 232 beschrieben ist, auf die daher Bezug genommen werden kann.

Claims (9)

1. Flüssigkeitsdichtungsanordnung zur Abdichtung eines rotierenden Bauteils gegenüber einem stationären Bauteil mit einer aussenbeaufschlagten Hauptdichtung (7) mit einer stationären Dichtfläche, die mit einer mit dem rotierenden Bauteil sich drehenden Dichtfläche zusammenwirkt, und einer Einrichtung (8, 9, 10, 12, 17, 19) zur Aufnahme der Leckage längs der Hauptdichtung und deren Rückführung in einen Hauptförderstrom der abzudichtenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptdichtung ausgelegt ist, um bei einer Drehung des rotierenden Bauteils einen kontinuierlichen Leckagestrom von wenigstens 25 ml/h zwischen den Dichtflächen zu ermöglichen,

2. Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptdichtung (7) eine einfachwirkende Gleitringdichtung umfasst.

3. Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitringdichtung einen Belastungsfaktor k zwischen 0,4 und 0,8, vorzugsweise 0,4 und 0,6, höchst vorzugsweise etwa 0,5, aufweist.

4. Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer der zusammenwirkenden Dichtflächen der Gleitringdichtung flüssigkeitsförderwirksame Ausnehmungen vorgesehen sind.

5. Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer (25) der zusammenwirkenden Dichtflächen der Gleitringe (23', 24') eine Wellenstruktur (26) vorgesehen ist.

6. Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammenwirkenden Dichtflächen (28, 29) der Gleitringdichtung ballig ausgebildet sind, so dass zwischen den Dichtflächen ein Spalt (30) gebildet ist, der sich vom inneren zum äusseren Umfang der Gleitringe (23", 24") vergrössert.

7. Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptdichtung (7) eine Labyrinthdichtung umfasst.

8. Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptdichtung (7) eine Drosselspaltdichtung umfasst.

9. Flüssigkeitsdichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ringförmige Teilbereiche der Dichtflächen der Hauptdichtung (7) bei Stillstand des rotierenden Bauteils durch eine Vorspannkraft in abdichtender Beziehung zueinander gehalten sind.