DE19613486C2 - Dichtungsausbildung für Kreiselpumpen zur Verminderung des Spaltverluststromes im Saugmundbereich des Pumpenlaufrades - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Dichtungsausbildung für Kreiselpumpen zur Verminderung des Spaltverluststromes im Saugmundbereich des Pumpenlaufrades gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine Dichtungsausbildung dieser Art ist in der US-Patentschrift 4,909,707 be­ schrieben. Sie betrifft eine Spaltdichtungsausbildung für Kreiselpumpen, die einen im Querschnitt L-förmigen Dichtungsring aus starrem Material aufweist, mittels einer Zapfen-Loch-Konstruktion mit viel Spiel in der Pumpengehäusewand selbst­ einstellend angeordnet und mit zwei zusätzlichen elastischen O-Ringen zur Berüh­ rungsabdichtung an der Gehäusewand versehen ist. Eine derartige Dichtungsaus­ bildung eignet sich nicht für mehrstufige Kreiselpumpen mit Abdeckkappe oder dergleichen vor den Laufrädern, weil sie wegen ihres komplizierten Aufbaus und aus Platzgründen nicht in den engen Bereichen am Einlauf der Laufräder an­ geordnet werden kann.

In den Druckschriften EP 0 492 603 A2 und US-A-4,018,544 sind weitere Spalt­ dichtungen offenbart, die ähnlich aufgebaut sind wie diejenige nach der US-Patent­ schrift 4,909,707. Der jeweilige starre Hauptdichtungsring quadratischen Quer­ schnitts ist mit einer Zapfen-Loch-Verbindung bzw. mit einem separaten Haltering, der nur Befestigungsfunktion für den Dichtungsring hat, in der Pumpengehäuse­ wand befestigt und besitzt zum Vermeiden von Nebenundichtigkeiten einen zusätzlichen elastischen O-Ring. Die Pumpengehäusewand muß zur Aufnahme der starren Dichtungsringe entsprechend groß und genau ausgeführt werden, was neben entsprechendem Platz auch erhöhte Fertigungskosten verursacht.

Eine noch weitere Dichtungsausbildung ist in der EP-A-0 672 832 offenbart. Die in dieser Druckschrift vorgeschlagene Dichtungsausbildung zur Verminderung des Spaltverluststromes weist ein Dichtungselement in Form eines O-Ringes auf, das bzw. der sowohl an dem rotierenden Pumpenlaufrad als auch an einem stationären Wandungsteil des Pumpengehäuses anliegt. Es ist daher besonders dem Verschleiß unterworfen und hat demzufolge eine relativ geringe Lebensdauer. Im einzelnen ist diese vorbekannte Dichtungsausbildung derart aufgebaut, daß der Saugmund des Pumpenlaufrades auf seiner Umfangsfläche in einem radial inneren Rezeß einen festsitzenden Stapel aus aneinanderliegenden Verschleißringen aufweist, der eine sich radial erstreckende Umfangsfläche bildet, an der sich der O-Ring im Betrieb der Pumpe einerseits gleitend abstützt. Das Pumpengehäuse weist einen sich axial in den Saugmund erstreckenden, ringförmigen Wandungsteil auf, der auf seinem Außenumfang mit einer sich axial erstreckenden Umfangsdichtungsfläche verse­ hen ist, auf der der O-Ring andererseits mit radialer Vorspannung angeordnet ist. Durch diese Dichtungsausbildung wird der Spaltverluststrom durch den im Quer­ schnitt U-förmigen Dichtungsringspalt im Saugmundbereich des Pumpenlaufrades hindurch vor dessen Eintreten in das Laufrad im wesentlichen abgesperrt.

Die Dichtungswirkung einer Berührungsdichtung ist prinzipiell effektiver als die Dichtungswirkung einer sogenannten Spaltdichtung. Im Fall der O-Ring-Dichtung nach den vorerwähnten Druckschriften besteht, abgesehen von der verschleißbe­ dingt kurzen Lebensdauer des O-Ringes, ein weiterer Nachteil darin, daß die Dichtungswirkung des O-Ringes nicht in jedem Fall sichergestellt ist. Er muß zu seiner festen Dichtungsanlage an dem axialen Umfang des stationären Wandungs­ teiles radial vorgespannt sein und sich in seiner genauen Dichtungsstellung befin­ den, das heißt auch an dem Pumpenlaufrad anliegen. Diese Stellung ist jedoch bei seiner Montage in Verbindung mit der Montage des Pumpenlaufrades nicht immer gewährleistet, da letzteres bei den Montagearbeiten axiale Bewegungen ausführt.

Hierbei kann es vorkommen, daß der O-Ring zwar an seiner Umfangssitzfläche anliegt, nicht aber an der radialen Gleitfläche des Pumpenlaufrades. Dieser Effekt kann auch dadurch eintreten, wenn das Laufrad bei seinen Ein- und Ausschalt­ vorgängen Axialbewegungen in den Grenzen seines axialen Lagerspieles ausführt. Weil sich dann der O-Ring jedesmal neu einstellen muß, wozu aufgrund seiner radialen Vorspannung erhebliche Kräfte erforderlich sind, wird diese axiale Rück­ stellung des O-Ringes zunehmend schwergängiger, je mehr der Ring mit Ablage­ rungen aus dem Spaltverluststrom bedeckt ist. Die Kraft des Spaltverluststromes vermag es oft nicht, den O-Ring dann an die radiale Gleitfläche des Pumpen­ laufrades anzudrücken, da er axial beidseitig mit dem Druck des Spaltverlust­ stromes beaufschlagt wird. Dadurch ist praktisch die Dichtungswirkung einer Spaltdichtung gegeben, jedoch mit einem höheren Volumenanteil des Spaltverlust­ stromes im Vergleich zu einem Spaltdichtungsaufbau. Ein noch weiterer Nachteil dieses vorbekannten Dichtungsaufbaues besteht darin, daß der O-Ring in ungün­ stigen Fällen durch die Kraft des Spaltverluststromes in den Ringspalt zwischen Pumpenlaufrad und stationärem Wandungsteil eingedrückt werden kann, wodurch die Rotation des Pumpenlaufrades erschwert ist, was sich auch verschlechternd auf den Gesamtwirkungsgrad der Kreiselpumpe auswirkt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Dichtungsausbildung für Kreiselpumpen zur Verminderung des Spaltverluststromes im Saugmundbereich des Pumpenlaufrades, bei der bei einfachem Dichtungsaufbau das durch die Dichtung strömende Volumen des Spaltverluststromes im Vergleich zu bekannten Dichtungsausbildungen erheblich herabgesetzt ist sowie eine lange Lebensdauer, eine leichte Montage, eine leichte Austauschbarkeit und eine sichere Funktion gewährleistet sind.

Die Lösung der Aufgabe ist in dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 angege­ ben.

Mit dieser Lösung ist eine sehr wirksame, zuverlässige und leicht austauschbare Dichtungsausbildung geschaffen, die nur einen äußerst minimalen Volumendurch­ strom des Spaltverluststromes im Vergleich zu bekannten Dichtungsausbildungen erlaubt, da das formsteife Dichtungselement mit ausgeprägten Dichtungs- und Anlageflächen einerseits axial genau dichtend anliegt und sich andererseits radial innen mit geringer Spielpassung, die nur einen äußerst engen Durchströmungsspalt ergibt, abstützt, und die eine sehr lange Lebensdauer aufweist, die diejenige von Berührungsdichtungen weit übertrifft. Diese Dichtungsausbildung ist ferner einfach auf­ gebaut sowie schnell und einfach zu montieren, da sie nur aus einfachen Dichtungs- und Anlageflächen und dem im wesentlichen formsteifen Dichtungsring mit seinen Halterungsfortsätzen besteht und keine zusätzlichen, besonderen Halterungsmittel für den Dich­ tungsring benötigt. Der Dichtungsring der erfindungsgemäßen Dichtungsausbildung wird allein durch den Druck des Spaltverlust­ stromes sicher und zuverlässig in seine Dichtungsstellung gedrückt, was durch seine bewegliche Montage und seine günstige Lage am Eingang des Dichtungsringspaltes zwischen dem Pumpenlaufrad und dem stationären Wandungsteil der Kreiselpumpe erreicht ist. Weiterhin ist auch ausgeschlossen, daß der Dichtungsring durch seine Dimensionierung und seine Formsteifigkeit durch den Druck des Spaltverluststromes in den Dichtungsringspalt hineingedrückt werden kann, wodurch ein Einklemmeffekt des Dichtungsringes vermieden ist, was sonst eine sich negativ auf den Gesamtwir­ kungsgrad der Kreiselpumpe auswirkende, erschwerte Rotation des Pumpenlaufrades zur Folge hätte.

In bevorzugter Ausgestaltung der Dichtungsausbildung weist der Dichtungsring an seinem Außenumfang mehrere, nach auswärts gerichtete Fortsätze zu seiner drehfesten Lagerung auf und ist aus PTFE hergestellt. Hierdurch läßt sich der Dichtungsring auf ein­ fache Weise in seiner Dichtungsposition mit ausreichend Bewe­ gungsfreiheit für die Einnahme seiner Dichtungslage haltern. Mit dem Werkstoff PTFE werden die ausreichende Formstabilität und die Gleiteigenschaften des Dichtungsringes gewährleistet.

In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Dichtungsring aus zwei zu einer Einheit fest miteinander verbundenen Einzelringen aus verschiedenen Kunststoffmaterialien, wobei der eine, im we­ sentlichen die Dichtungsfunktion erfüllende, radial außen vorgese­ hene Einzelring eine hohe Festigkeit und der andere, die Gleit­ funktion erfüllende und radial innen vorgesehene Einzelring gute Verschleiß- und Gleiteigenschaften besitzt. Ein solcher Dichtungs­ ring ist besonders kostengünstig herzustellen.

In noch weiterer Ausgestaltung kann der Dichtungsring in Nähe seiner zylindrischen Gleitfläche zur Ausbildung einer radial nach­ giebigen Dichtungslippe mit einer zuströmseitigen Ringnut ver­ sehen sein. Bei Beaufschlagung des Dichtungsringes mit dem Druck des Spaltverluststromes wird sich die radial nachgiebige Dichtungslippe radial einwärts auslenken, wobei sie an der Stütz­ fläche des Pumpenlaufrades zur Anlage kommen kann. Hierdurch wird auch nach längerem Betrieb der Kreiselpumpe eine sehr gute Dichtungsfunktion der erfindungsgemäßen Dichtungsausbildung mit hohem Wirkungsgrad sichergestellt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den anliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Axialschnitt durch eine mehrstufige Kreiselpumpe,

Fig. 2 ein Einzelteil mit Dichtungsring im Axialschnitt,

Fig. 3 einen Dichtungsring in perspektivischer Ansicht,

Fig. 4, 5 und 6 Profilquerschnitte durch den Dichtungsring nach der Schnittangabe nach Fig. 3,

Fig. 7 einen stark vergrößerten Axialschnitt des Pumpenbe­ reiches in dem Kreis nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Teilbereich einer mehrstufigen Kreiselpumpe 1, die mit der vorgeschlagenen Dichtungsausbildung 2 ausgerüstet ist. Im dargestellten Fall umfaßt die Pumpe eine erste Pumpenstufe 3 mit einem Pumpenlaufrad 4 und einem sich daran anschließenden Leitapparat 5. Vor dem Einlauf in das Pumpenlaufrad 4 befindet sich ein Gehäusewandteil 6, in dem eine ringscheibenförmige Abdeckung 7 für das Pumpenlaufrad 4 drehfest montiert ist. Die Abdeckung 7 weist im Saugmundbereich 8 des Laufrades 4 einen Dichtungsring 9 auf, wie es in Fig. 7 am deutlichsten zu erkennen ist.

Das Pumpenlaufrad 4 ist mittels einer Nabenkonstruktion 10 auf der Welle 11 der Kreiselpumpe 1 drehfest montiert und fördert im Betrieb der Pumpe die Förderflüssigkeit in den Leitapparat 5. Die Dichtungsausbildung 2 sorgt dafür, daß der zwischen der vorderen Deckscheibe 4a des Pumpenlaufrades 4 und der Abdeckung 7 zu dem Saugmundbereich 8 zurückströmende, sogenannte Spaltver­ luststrom auf einem Minimum gehalten wird, das heißt genauer gesagt, daß der im gezeigten Fall im Querschnitt U-förmig ausge­ bildete, bekannte Dichtungsringspalt 12 möglichst vollständig abgesperrt wird. In Fig. 7 ist die U-Form des Dichtungsringspaltes genau zu erkennen.

Die Dichtungsausbildung 2 kann jedoch auch an anderen Kreisel­ pumpen, zum Beispiel an üblichen einstufigen Kreiselpumpen, vorgesehen sein. In diesen Fällen befindet sich ein Teil des Pum­ pengehäuses direkt gegenüber der vorderen Deckscheibe 4a des Pumpenlaufrades 4, so daß die stationäre Abdeckung 7 entfällt und das entsprechende Gehäusewandteil des Pumpengehäuses deren Funktion übernimmt, das heißt, daß der Spaltverluststrom mengenmäßig gering gehalten wird.

Der Dichtungsring 9 besitzt an seinem Außenumfang drei gleich­ mäßig verteilte, nach auswärts gerichtete Fortsätze 13, mit denen er in der Abdeckung 7 unverlierbar befestigt ist und somit mit der Abdeckung eine Baueinheit bildet. Im Defektfall des Dichtungs­ ringes 9 kann diese Baueinheit schnell und problemlos gegen eine andere Baueinheit mit neuem Dichtungsring ausgetauscht werden. Die Abdeckung 7 besitzt entsprechend den mehreren Fortsätzen 13 entsprechende Löcher 14, in welche die Fortsätze hineinragen. Der Dichtungsring 9 ist einerseits formstabil, andererseits aber so nachgiebig, daß die Fortsätze 13 ohne Beschädigung des Dich­ tungsringes in die Löcher 14 eingesetzt werden können. Die Lö­ cher 14 sind so ausgeführt, daß die Fortsätze 13 darin mit gewis­ sem Spiel sitzen, so daß der Dichtungsring im Betrieb der Pumpe eine sichere Dichtungsstellung einnehmen kann.

Wenn es gewünscht wird, können die Löcher 14 in der Abdeckung 7 auch so ausgebildet sein, daß der Dichtungsring 9, in axialer Richtung betrachtet, vorgespannt an einer radialen Umfangsdich­ tungsfläche anliegt, die im vorliegenden Fall gemäß den Fig. 1, 2 und 7 an der Abdeckung 7 als stationärem Wandungsteil ausgebildet ist.

Der Dichtungsring 9 mit vorzugsweise rechteckigem Profilquer­ schnitt besteht aus einem im wesentlichen formstabilen, gleitfähi­ gen und verschleißfesten Kunststoffmaterial. Ein solches Material ist im Stand der Technik bekannt und kann vom Fachmann ohne großen Aufwand aus den bekannten Kunststoffmaterialien ausge­ wählt werden. Ein bevorzugtes Kunststoffmaterial ist Polytetraflu­ oräthylen (PTFE).

Mit Ausnahme der Fig. 5 und 6 besteht der Dichtungsring 9 insgesamt nur aus einem einzigen Kunststoffmaterial. Der Ring 9 kann jedoch auch ein Zweikomponentenring sein, wie es die Fig. 5 und 6 zeigen. In diesen Fällen besteht der Ring 9 aus einem äußeren Einzelring 15, der im wesentlichen die Formstabili­ tät des Ringes 9 gewährleistet, und aus einem inneren Einzelring 16, dessen Material gute Verschleiß- und Gleiteigenschaften auf­ weist.

Die Dichtungsringe 9 nach den Fig. 4, 5 und 6 weisen auf ihrer Seite, die der Zuströmung des Spaltverluststromes abgekehrt ist, nahe ihres Innendurchmessers eine axiale Dichtungsfläche 17 auf, die im wesentlichen durch das Material mit der höheren Festigkeit des Ringes 9 gebildet ist. Ferner weist jeder Dichtungs­ ring eine innere, zylindrische Gleitfläche 18 auf, die im Fall der Fig. 5 und 6 am inneren Einzelring 16 ausgebildet sind.

Wie die Fig. 4, 5 und 6 zeigen, ist die Umfangsdichtungs­ fläche 17 der Dichtungsringe 9 radial verlaufend ausgebildet und liegt im Betrieb der Kreiselpumpe an einer axialen Umfangs­ dichtungsfläche 19 des stationären Wandungsteiles des Pumpenge­ häuses, im vorliegenden Fall ist dies die Abdeckung 7, an. Diese Umfangsdichtungsfläche 19 ist im Einströmbereich des Dichtungs­ ringspaltes 12 vorgesehen, wie Fig. 7 zeigt. Hierdurch ist gewähr­ leistet, daß der gemäß dem Pfeil 20 in Fig. 7 gegen den Dichtungsring 9 drückende Spaltverluststrom eine große Andrückkraft auf den Dichtungsring 9 ausübt, weil dieser Ring zuströmseitig eine relativ große Anströmfläche zur Verfügung stellt.

Die Umfangsstützfläche 21 am Saugmund 8 des Pumpenlaufrades 4 ist auf der Außenseite des Saugmundes vorgesehen und erstreckt sich darauf in axialer Richtung, wie es aus Fig. 7 am besten zu erkennen ist. Weiterhin ist diese Umfangsstützfläche 21 gegenüber der übrigen Oberfläche der vorderen Deckscheibe 4a des Laufra­ des 4 radial nach außen vorspringend ausgebildet, so daß der Dichtungsring 9 eine definierte Anlagefläche vorfindet. An dieser Fläche gleitet der Dichtungsring mit seiner inneren, zylindrischen Gleitfläche 18.

Das Laufspiel zwischen den umfangsmäßigen Gleit- und Stütz­ flächen 18 und 21 ist sehr eng gewählt. Es besteht aus einer geringen Spielpassung etwa im Zehntel-mm-Bereich. Hierdurch wird erreicht, daß der zwischen den Flächen 18 und 21 gegebene Strömungsspalt äußerst gering ist, mit der Folge, daß praktisch eine Absperrung des Spaltverluststromes wenigstens in der ersten Hälfte der Lebensdauer des vorgeschlagenen Dichtungsaufbaues gegeben ist.

Um eine solche Minimierung bis hin zur praktisch vollständigen Absperrung des Spaltverluststromes durch die vorgeschlagene Dichtungsausbildung auf lange Betriebszeit zu gewährleisten, kann der Dichtungsring in Nähe seiner inneren Gleitfläche 18 mit einer zuströmseitigen Ringnut 22 ausgestattet sein. Hierdurch wird bewirkt, daß an dem Dichtungsring 9 eine innere, radial nachgie­ bige Dichtungslippe 23 ausgebildet ist, die eine sehr gute Dich­ tungswirkung entfaltet, da sie mit dem Druck des Spaltverluststro­ mes baufschlagt wird und somit radial nach innen federt. Im Fall eines Dichtungsringes aus zwei Einzelringen 15 und 16 ist die Ringnut 22 zwischen den beiden Einzelringen ausgebildet, wie Fig. 6 zeigt.

Ein weiteres wichtiges Merkmal des Dichtungsringes 9 besteht darin, daß der Durchmesser Di der zylindrischen Gleitfläche 18 des Dichtungsringes 9 gleich oder größer ist als der äußere Durch­ messer Da des Dichtungsringspaltes 12 im Saugmundbereich 8 des Pumpenlaufrades 4. Hierdurch wird gewährleistet, daß der Dich­ tungsring 9 nicht in den Dichtungsringspalt 12 hineingedrückt werden kann.

Zur Ausbildung der radial auswärts vorspringenden Umfangsstütz­ fläche 21 des Pumpenlaufrades 4 kann auch so vorgegangen sein, daß der Saugmund 8 mit einer Versteifungshülse 24 versehen ist. Diese Hülse 24 besitzt an ihrem axial inneren Ende eine radial auswärts vorspringende Kröpfung 25, die auf ihrer Außenseite mit der Umfangsstützfläche 21 für die Gleitfläche 18 des Dichtungs­ ringes 9 versehen ist. Versteifungshülsen werden vorgesehen, wenn das Pumpenlaufrad während seiner Fertigung im Saugmundbereich 8 gewisse, nicht erwünschte Verformungen erfahren hat.

Claims (7)

1. Dichtungsausbildung für Kreiselpumpen zur Verminderung des Spalt­ verluststromes durch den Dichtungsringspalt im Saugmundbereich des Pumpen­ laufrades, umfassend einen schwimmenden, an einem stationären Wandungsteil der Pumpe formschlüssig drehfest montierten, im wesentlichen formstabilen Dichtungsring mit einer axialen Dichtungsfläche und einer inneren zylindrischen Gleitfläche, eine Umfangsstützfläche am Saugmund des Pumpenlaufrades und eine zuströmwärts hinter der Umfangsstützfläche gelegene axiale Dichtungsfläche an dem stationären Wandungsteil für die axiale Dichtungsfläche des Dichtungsringes, wobei der durch den Spaltdruck in Dichtlage gedrückte Dichtungsring den Spalt­ verluststrom zwischen dem Pumpenlaufrad und dem stationären Wandungsteil vor dessen Eintreten in das Pumpenlaufrad im wesentlichen absperrt, dadurch gekenn­ zeichnet,

• 1. daß eine in dichter Nähe zu einer vorderen Deckscheibe (4a) des Pumpen­ laufrades (4) angeordnete, ringscheibenförmige Abdeckkappe (7) als stationäres Wandungsteil vorgesehen ist,
• 2. daß die Abdeckkappe (7), die die axiale Dichtungsfläche (19) aufweist, den aus verschleißfestem Kunststoffmaterial bestehenden Dichtungsring (9) trägt und zusammen mit diesem eine austauschbare Baueinheit bildet,
• 3. daß die Umfangsstützfläche (21) am Saugmund (8) des Pumpenlaufrades (4) radial vorspringend ausgebildet ist
• 4. und daß der Durchmesser Di der inneren zylindrischen Gleitfläche (18) des Dichtungsringes (9) gleich oder größer ist als der äußere Durchmesser Da des Dichtungsringspaltes (12) im Saugmundbereich (8) des Pumpenlaufra­ des (4).

2. Dichtungsausbildung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckkappe (7) mehrere umfangsmäßig voneinander beabstandete Löcher (14) aufweist, in welche auswärts gerichtete Fortsätze (13) des Dichtungsringes (9) eingreifen.

3. Dichtungsring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (9) vorgespannt an der axialen Dichtungsfläche (19) der Abdeck­ kappe (7) anliegt.

4. Dichtungsausbildung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dichtungsring (9) aus zwei zu einer Einheit fest miteinander verbundenen Einzelringen (15, 16) aus verschiedenen Kunststoffmaterialien besteht, wobei der eine, im wesentlichen die Dichtungsfunktion erfüllende, radial außen vorgesehene Einzelring (15) eine hohe Festigkeit und der andere, die Gleit­ funktion erfüllende und radial innen vorgesehene Einzelring (16) gute Verschleiß- und Gleiteigenschaften besitzt.

5. Dichtungsausbildung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dichtungsring (9) in der Nähe seiner inneren zylindrischen Gleitfläche (18) zur Ausbildung einer radial nachgiebigen Dichtlippe (23) mit einer zuströmseitigen Ringnut (22) vorgesehen ist.

6. Dichtungsausbildung nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zuströmseitige Ringnut (22) zwischen den beiden Einzelringen (15, 16) ausge­ bildet ist.

7. Dichtungsausbildung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Saug­ mundbereich des Pumpenlaufrades mit einer äußeren Versteifungshülse versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungshülse (24) an ihrem axial inneren Ende eine radial auswärts vorspringende Kröpfung (25) aufweist und daß diese Kröpfung (25) auf ihrer Außenseite mit der Umfangsstützfläche (21) für die innere zylindrische Gleitfläche (18) des Dichtungsringes (9) versehen ist.