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Berührungsfreie Dichtung für Kolbenpumpen, ins-
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besondere Plungerkolbenpumpen Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie
Dichtung für Kolbenpumpen, insbesondere Plungerkolbenpumpen, zum Fördern von Flüssigkeiten,
mit Förderflüssigkeit als Dichtungsmittel in einem Dichtungsspalt zwischen Plungerkolben
und Zylinder.
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Bei berührungsfreien Dichtungen soll eine gegenseitige Berührung der
Dichtungsflächen vermieden werden. Durch das Fehlen aufeinander gleitender Dichtungsflächen
werden die Reibungsverluste
stark reduziert. Der Dichtungsspalt
zwischen den Dichtungsflächen übernimmt also die Funktion eines Trennspaltes tind
verlangt äußerst geringe Toleranzen. Folglich müssen die Dichtungsflächen mit hoher
Präzision gefertigt werden. Das gilt bei Plungerkolbenpumpen für den eingeschliffenen
Plungerkolben und die Zylinderwand. Um bei Plungerkolbenpumpen ein möglichst reibungsarmes
Gleiten und gleichzeitig einen berührungslosen Dichtungseffekt zwischen Plungerkolben
und Zylinder zu erreichen, müssen im Rahmen eines hydrodynamischen Betriebs im übrigen
geringe Leckverluste und die Fähigkeit zur Querkraftaufnahme gegeben sein. Eine
weitere Forderung für einwandfreien Pumpenbetrieb ist darin zu sehen, das Ansaugen
von Nebenluft beim Saughub zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine berührungsfreie Dichtung
für Kolbenpumpen, insbesondere Plungerkolbenpumpen, der eingangs beschriebenen Art
zu schaffen, die sich durch eine besonders einfache und funktionsgerechte Bauweise
auszeichnet, vor allem selbst bei dünnwandigen Zylindern minimale Leckverluste und
Querkraftaufnahme gewährleistet sowie das Ansaugen von Nebenluft und dadurch bedingte
Kavitationsschäden unterbindet.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einer berührungsfreien Dichtung
der gattungsgemäßen Art dadurch, daß in die Zylinderwand schwimmend gelagerte Dichtungshülsen
in Reihe hintereinander eingesetzt und die Dichtungshülsen gegen die Zylinderwand
mittels Dichtungsringe abgestützt sind, wobei zwischen der Zylinderwand und den
Dichtungshülsen Druckreduzierungsspalte und zwischen den Dichtungshülsen selbst
Ein- bzw. Auslaufspalte für Förderflüssigkeit vorgesehen sind, und daß in Hauptströmungsrichtung
der Förderflüssigkeit gesehen jeder Dichtungshülse zumindest ein Dichtungsring im
Bereich des vorderen Hülsenendes und ein Ein- bzw.
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Auslaufspalt dem hinteren Hülsenende zugeordnet ist. - Die in
Reihe
hintereinander angeordneten Dichtungshülsen bilden gleichsam ein Hülsenpaket zur
Abdichtung der Förderflüssigkeit. Diese Abdichtung erfolgt zwischen dem Plungerkolben
und den Dichtungshülsen stufenweise. An jeder Dichtungshülse wird der im Zuge des
Druckhubes erzeugte Betriebsdruck anteilig abgesenkt. Damit der Dichtungsspalt zwischen
dem Plungerkolben und den Dichtungshülsen sich mit zunehmendem Betriebsdruck nicht
infolge Zylinderaufweitung zusätzlich ausdehnt, wird jede Dichtungshülse allseitig
von Förderflüssigkeit umspült und folglich druckbeaufschlagt. Diese Maßnahme bewirkt,
daß sich zwar der Zylinder nach wie vor im Verhältnis zum Innendruck ausdehnen kann,
die Dichtungshülsen jedoch lediglich nur einseitig konisch gedehnt werden, nämlich
im Bereich der Druckspitze. Diese Druckspitze entsteht bei jeder Druckhülse in Hauptströmungsrichtung
der Förderflüssigkeit gesehen im Bereich des vorderen Hülsenendes, weil sich zumindest
dort ein Dichtungsring befindet, der zum Abstützen der Dichtungshülse gegen die
Zylinderwand dient. Hinter dem Dichtungsring ist die betreffende Druckhülse über
den ihrem hinteren Hülsenende zugeordneten Ein- bzw. Auslaufspalt von Förderflüsigkeit
umspült, in welcher sich der gleiche Betriebsdruck wie am hinteren Hülsenende aufbaut,
also ein im Vergleich zum vorderen Hülsenende reduzierter Betriebsdruck. An das
vordere Hülsenende des der ersten Dichtungshülse folgenden zweiten Dichtungshülse
greift lediglich der breits über die Länge der ersten Dichtungshülse reduzierte
Betriebsdruck an, der sich über die Länge der zweiten Dichtungshülse in gleicher
Weise reduziert, und sofort bis zur letzten Dichtungshülse, an deren hinteres Hülsenende
der Betriebsdruck zwischen dem Plungerkolben und den Dichtungshülsen praktisch auf
Null reduziert ist. Da sich mit zunehmendem Betriebsdruck lediglich eine stärkere
Konizität und somit ein abgestufter keilförmiger Verlauf des Dichtungsspaltes einstellt,
kann bei Verwirklichung der erfindungsgemäßen berührungsfreien Dichtung der Zylinder
beim Arbeiten der Plungerkolbenpumpe mit hohen und
höchsten Drücken
als dünnwandiger Zylinder ausgebildet sein. Denn stets wird die Ausdehnung des Zylinders
von den sich keilförmig einstellenden Dichtungshülsen kompensiert, die dazu von
der Förderflüssigkeit umspült sind. Durch den abgestuften keilförmigen Verlauf des
Dichtungsspaltes erhält man eine geringe mittlere -im übrigen rechnerisch bestimmbare
Spaltbreite, die ein Minimum an Leckverlusten garantiert. Denn in die Bestimmung
der Leckmenge geht die Spaltbreite in der dritten Potenz ein. Darüber hinaus wird
aber auch eine stets zentrische Ausrichtungder Dichtungshülsen zum Plungerkolben
erreicht, d.h. selbst bei kleinstem Dichtungsspalt ist konzentrische Anordnung des
Plungerkolbens in den Dichtungshülsen gewährleistet, so daß keine einseitige Berührung
stattfindet. Denn wird der Plungerkolben durch eine äußere Querkraft um einen vorgegebenen
Betrag exzentrisch zur Zylinderlängsachse seitlich verschoben, dann entsteht auf
der Seite des verengten Dichtungsspaltes eine größere Gesamtdruckkraft als bei zentrischer
Lage des Plungerkolbens. Auf der gegenüberliegenden Seite, auf der der Dichtungsspalt
breiter geworden ist, baut sich eine geringere Gesamtdruckkraft auf. Da beide Druckkräfte
einander entgegenwirken, entsteht eine Druckkraftdifferenz, die als freie Kraft
zur Wirkung kommt und den Plungerkolben entgegen der äußeren Querkraft wieder in
die Mittellage zurückführt. Das Ansaugen von Nebenluft beim Saughub wird durch das
voluminöse Flüssigkeitsreservat innerhalb des Zylinders vermieden, welches die einzelnen
Dichtungshülsen umgibt und beim Saughub des Plungerkolbens ein Eindringen von Nebenluft
vermeidet. Der elastische Zylinder weitet sich beim Druckhub des Plungerkolbens
auf und zieht sich analog beim Saughub wieder zusammen. In Verbindung mit der zwischen
den Dichtungshülsen und dem Zylinder befindlichen Förderflüssigkeit wirkt der Zylinder
gleichsam als Druckspeicher, der beim Saughub stets einen Sperrflüssigkeitsstrom
gegen Lufteintritt abgibt. Zur einwandfreien Regulierung dieses Sperrflüssigkeitsstroms
selbst bei hoher Pumpendrehzahl bzw. hohem Wechselspiel
zwischen
Druck- und Saughub empfiehlt die Erfindung, daß die Dichtungshülsen im Bereich des
hinteren Hülsenendes ebenfalls mittels eines Dichtungsringes gegen die Zylinderwand
abgestützt sind und diesem Dichtungsring in Hauptströmungsrichtung vorgeordnet zumindest
eine von dem Druckreduzierungsspalt in den Dichtungsspalt führende Drosselbohrung
aufweisen. Die Größe und Anzahl der Drosselbohrungen bestimmen sich nach der Rückflußmenge
der Förderflüssigkeit zum Vermeiden der Ansaugung von Nebenluft und nach der Reduzierung
der Leckverluste. Um eine besonders einfache Montage der Dichtungshülsen zu ermöglichen,
weist der Zylinder erfindungsgemäß eine zur Zylinderlängsachse koaxial verlaufende
Ausbohrung in der Zylinderwand auf. In dieser Ausbohrung sind die Dichtungshülsen
eingesetzt und kragen in den Zylinderraum vor.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin
zu sehen, daß eine berührungsfreie Dichtung für Kolbenpumpen, insbesondere Plungerkolbenpumpen,
zum Fördern von Flüssigkeiten und damit für hydrodynamischen Betrieb verwirklicht
wird, die sich selbst bei hohen und höchsten Betriebsdrücken durch minimale Leckverluste
und Fähigkeit zur Querkraftaufnahme auszeichnet. Darüber hinaus wird bei Einsatz
der erfindungsgemäßen Dichtung das Ansaugen von Nebenluft vermieden, was für einen
ruhigen und kavitationsfreien Pumpenbetrieb von besonderer Bedeutung ist. Endlich
sind in fertigungstechnischer und montagetechnischer Hinsicht einfacher Aufbau und
Funktionssicherheit bei optimaler Reibungsreduzierung zwischen den berührungsfreien
Dichtflächen gewährleistet.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 einen
teilweisen Axialschnitt durch einen Zylinder mit Plungerkolben und einer zwischen
beiden angeordneten berührungsfreien Dichtung nach der Erfindung in schematischer
Darstellung und Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Gegenstand nach Fig. 1.
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In den Figuren ist eine berührungsfreie Dichtung für Kolbenpumpen,
insbesondere Plungerkolbenpumpen, zum Fördern von Flüssigkeiten dargestellt, mit
Förderflüssigkeit 1 als Dichtungsmittel in einem Dichtungsspalt 2 zwischen Plungerkolben
3 und Zylinder 4. In die Zylinderwand 5 sind schwimmend gelagerte Dichtungshülsen
6 in Reihe hintereinander eingesetzt. Die Dichtungshülsen 6 sind gegen die Zylinderwand
5 mittels Dichtungsringe 7 abgestützt. Zwischen der Zylinderwand 5 und den Dichtungshülsen
6 sind Druckreduzierungsspalte 8, zwischen den benachbarten Dichtungshülsen 6 selbst
bzw. ihren Stirnflächen Ein- bzw. Auslaufspalte 9 für Förderflüssigkeit 1 vorgesehen.
Jeder Dichtungshülse 6 ist in Hauptströmungsrichtung der Förderflüssigkeit 1 gesehen
zumindest ein Dichtungsring 7 im Bereich des vorderen Hülsenendes 10 zugeordnet.
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Dem jeweils hinteren Hülsenende 11 ist ein Ein- bzw. Auslaufspalt
9 für Förderflüssigkeit 1 zugeordnet. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung
sind die Dichtungshülsen 6 jedoch im Bereich des hinteren Hülsenendes 11 ebenfalls
mittels eines Dichtungsringes 12 gegen die Zylinderwand 5 abgestützt. Diesem Dichtungsring
12 ist in Hauptströmungsrichtung zumindest eine von dem Druckreduzierungsspalt 8
in den Dichtungsspalt 2 führende Drosselbohrung 13 zugeordnet. Der Zylinder 4 weist
eine zur Zylinderlängsachse koaxiale Ausbohrung 14 in der Zylinderwand 5 auf, worin
die Dichtungshülsen 6 in den Zylinderraum vorragend und von Förderflüssigkeit 1
umspült eingesetzt sind.
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In Fig. 1 ist schematisch dargestellt, wie der Betriebsdruck P1 an
jeder Dichtungshülse 6 anteilig und damit stufenweise von der ersten bis zur letzten
Dichtungshülse auf schließlich den Wert Null abgesenkt wird. Ferner ist in der Fig.
1 die Ausdehnung des Zylinders 4 bzw. die entsprechend lediglich einseitig konische
Ausdehnung der Dichtungshülsen 6 und der daraus resultierende keilförmige Dichtspaltverlauf
15 angedeutet, der daraus resultiert, daß sich stets am vorderen Hülsenende 10 der
Dichtungshülsen 6 in Hauptströmungsrichtung gesehen eine Druckdifferenz J p = P1
- P2 aufbaut, am hinteren Hülsenende 11 dagegen Druckausgleich herrscht. Die Druckdifferenz
u p resultiert aus dem am vorderen Hülsenende 10 jeder Dichtungshülse 6 jeweils
herrschenden Betriebsdruck P1 und dessen Absenkung über die Länge der betreffenden
Dichtungshülse, weil der am hinteren Hülsenende 11 reduzierte Betriebsdruck P2 auch
zwischen der Dichtungshülse 6 und der Zylinderwand 5 existiert, und zwar rückläufig
bis zum Dichtungsring 7 im Bereich des vorderen Hülsenendes 10. Dieser reduzierte
Betriebsdruck P2 greift dann wiederum am vorderen Hülsenende 10 der nächsten Dichtungshülse
6 an und wird über deren Länge weiter reduziert und so fort. - Wird durch einen
ebenen parallelen Dichtungsspalt 2 Förderflüssigkeit 1 unter einseitigem Uberdruck
bewegt, so nimmt der Uberdruck vom Eintritt in den Dichtungsspalt 2 bis zum Austritt
aus dem Dichtungsspalt geradlinig ab. Bildet sich dagegen ein keilförmiger Dichtungsspalt
2 aus, derart, daß die Spaltbreite b in Hauptströmungsrichtung abnimmt, so entsteht
der in Fig. 2 dargestellte Druckverlauf über eine Dichtungshülse 6. Die Form bzw.
der Grad der Aufwölbung dieses Druckverlaufes ist abhängig von der Konizität des
Dichtungsspaltes 2. Liegen sich nun, wie das für die berührungslose Dichtung eines
Plungerkolbens 3 der Fall ist, gleichsam zwei Dichtungsspalte 6 gegenüber, so sind
bei zentrischer Lage des Plungerkolbens 3 im Zylinder 4 die Gesamtdruckkräfte über
den
Spaltflächen gleich und heben sich gegenseitig auf. Wird nun
durch eine äußere Querkraft Q der Plungerkolben 3 um den Betrag e - entsprechend
der gestrichelten Linie - seitlich aus der Zylinderachse verschoben, so wird der
Druckverlauf über dem verengten Dichtungsspalt oben ausgebeult. Es entsteht also
dort eine größere Gesamtdruckkraft als bei der zentrischen Lage des Plungerkolbens
3. Auf der gegenüberliegenden Seite wird über dem erweiterten Dichtungsspalt die
Druckkurve abgeflacht, so daß dort eine geringere Gesamtdruckkraft entsteht. Beide
Druckkräfte wirken einander entgegen, so daß die Differenz der beiden Druckkräfte
als freie Kraft bestrebt ist, den Plungerkolben 3 entgegen der äußeren Querkraft
Q wieder in die Mittellage zurückzuführen. Die in Fig. 2 schräg schraffierten Druckflächen
ergeben zusnnen die Größe dieser freien Differenzdruckkraft. Es ist jedoch empfehlenswert,
mehrere Dichtungshülsen 6 hintereinander anzuordnen, wie das Fig. 1 zu entnehmen
ist, um eine gegenseitige Abstützung der Dichtungshülsen 6 zu gewährleisten.