DE3120232C2

DE3120232C2 - Druckausgleichseinrichtung für den Elektromotor eines gekapselten Kreiselpumpen-Motor-Aggregates

Info

Publication number: DE3120232C2
Application number: DE3120232A
Authority: DE
Inventors: Karl 6711 Hessheim Gaffal
Original assignee: Klein Schanzlin and Becker AG
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 1981-05-21
Filing date: 1981-05-21
Publication date: 1985-03-21
Also published as: US4614482A; GB2099236A; DE3120232A1; GB2099236B

Abstract

Im Elektromotor eines Kreiselpumpen-Motor-Aggregates zur Förderung eines unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Mediums ergeben sich vor allem bei Störungen Dichteänderungen der Motorflüssigkeit, die wegen der daraus resultierenden Druckdifferenz zwischen Pumpen- und Motorraum zu einer Gefährdung der zwischen diesen Räumen angeordneten, mit einem Sperrmedium beaufschlagten Gleitringdichtung führen können. Ein in an sich bekannter Weise über Membrankörper o.ä. erfolgender Druckausgleich wäre wegen der Aufheizung des Ausgleichs- bzw. Speichervolumens, welches auf hitzeempfindliche Teile des Elektromotors treffen könnte, problematisch. Die Erfindung leistet hier Abhilfe durch einen oder mehrere auf der Außenseite mit dem Druck des Pumpenraumes (6) beaufschlagte an sich bekannte Faltenbalgbehälter (3) deren mit dem Motorraum (11) in Verbindung stehende Innenräume mit einem der Druckerhaltung dienenden Speichervolumen gefüllt sind, wobei aus den Faltenbalgbehältern (3) abgezogene Flüssigkeit an einer vor dem Hochdruckkühler (19) gelegenen Stelle in den Hochdruck-Kühlkreislauf eingespeist wird. Anstelle der Faltenbalgbehälter (3) können auch mit jeweils einem Kolben ausgestattete Zylinder vorgesehen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckausgleichseinrichtung für den flüssigkeitsgefüllten, mit einem Hochdruck-Kühlkreislauf ausgestalteten Elektromotor eh es ge-

ίο kapselten Kreiselpumpen-Motor-Aggregates zur Förderung eines unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Mediums, wobei zwischen dem Pumpen- und dem Motorraum eine mit einem Sperrmedium beaufschlagte Gleitringdichtung angeordnet ist.

Druckausgleichseinrichtungen für Elektromotoren sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Sie wurden bisher vor allem bei Unterwassermotorpumpen eingesetzt. Die meisten Druckausgleichseinrichtungen bedienen sich eines in einer Kammer des Elektromotors angeordneten Membrankörpers, der einerseits mit dem Motorraum in Verbindung steht und von dessen Füllflüssigkeit beaufschlagt wird und der andererseits über im Motorgehäuse vorgesehene öffnungen mit oder ohne Rückschlagventile unter der Einwirkung der das Aggregat umgebenden Flüssigkeit steht (DE-AS 11 86 141. DE-GM 18 45 050 und US-PS 29 62 612). Der die Motorfüllflüssigkeit und die Außenflüssigkeit voneinander trennende Membrankörper bildet gleichsam eine elastische Wand des Motorgehäuses, über die die jeweilige

jo Anpassung des Innendruckes an den herrschenden Außendruck vorgenommen wird.

Eine weitere bekannte Druckausgleichseinrichtung (US-PS 32 41 492) besteht aus einem außerhalb des Aggregates angebrachten elastischen Behälter, der über

J5 eine Rohrleitung mit dem Motorraum in Verbindung steht. Diese zu den vorstehend genannten Ausführungen unterschiedliche Anordnung hat das gleiche Prinzip wie die innerhalb des Motors vorgesehenen Membrankörper: Ein gegenüber der Umgebung höherer Druck des Motorraumes läßt den elastischen Behälter anschwellen, ein steigender Außendruck preßt bis zum Druckausgleich Flüssigkeit aus dem elastischen Behälter zurück in den Motorraum.
Anstelle eines Membrankörpers oder eines elastisehen Behälters läßt sich auch eine aus Kolben und Zylinder bestehende Druckausgleichseinrichtung für elektrische Tauchmotoren verwenden (DE-PS 10 50 434).

Eine wesentliche Gemeinsamkeit der genannten Ausführungen liegt in dem Umstand, daß die Temperaturen von Motor- und Umgebungs- bzw. Förderflüssigkeit annähernd gleich sind.

Bei Kreiselpumpen-Motor-Aggregaten, die zur Förderung von unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Medien, beispielsweise in der Erdölverarbeitung oder der Kohleverflüssigung eingesetzt werden, herrschen andere, ungleich schwierigere Einsatzbedingungen als bei Unterwassermotorpumpen:

Zunächst müssen wegen der mangelnden Wärmeverträglichkeit der Elektromotoren Kühleinrichtungen für

bo diese vorgesehen werden. Die US-PS 29 13 988 zeigt und beschreibt eine Kreiselpumpe für die Förderung von Flüssigkeiten einer Temperatur von ca. 540⁰C und höher, deren Elektromotor mittels eines über eine Kühlschlange geführten Kreislaufes gekühlt wird. Der Kühlkreislauf wird durch ein auf der Motorwelle angeordnetes Kreiselpumpenlaufrad aufrechterhalten. Eine Abdichtung zwischen Pumpen- und Motorraum ist allerdings nicht vorhanden, so daß Förderflüssigkeit über

einen Wellenspalt in dem Motor einströmen kann.

Wo eine Trennung des Pumpenraumes vom Motorraum notwendig ist, werden für die Abdichtung der Welle vornehmlich Gleitringdichtungen in Faltenbalgausführung eingesetzt (Buch von E. Mayer: »Axiale Gleitringdichtungen«. 1974, Seite 184 bis 186). Zum Schutz der Gleitringdichtung gegen die Einwirkung von Fremdkörpern und zur Abführung der Reibverlustwärme wird reines, gikühltes Sperrmedium in den Pumpenraum gespeist. Die Gleitringdichtung ist dabei so ausgelegt, daß sie durch die Druckdifferenz des Sperrmediumdruckes öffnet und bei Ausfall des Sperrmediums schließt.

Bei Kesselumwälzpumpen für fossile Kraftwerke ist es üblich, den flüssigkeitsgefüllten Motor mit einem Hochdruck-Kühlkreislauf auszustat'.en, um so die Motorbetriebstemperatur innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten (KSB Technische Berichte, Heft 17. 1977. Seite 13(T.). Während des Moiorlaufes'wird der Kühlkreislauf durch ein auf der Motorwelle angeordnetes Fördermittel, beispielsweise ein Krcisclpunipcnlaufrad. aufrechterhalten. Bei abgeschaltetem Motor tritt ein vom oberen Motorraum über den Hochdruckkühler in den unteren Motorraum fließender Naturumlauf in Wirkung. Bei Ausfall des Sperrmediums und abgeschaltetem Motor sinkt die Temperatur der Motorflüssigkeit aufgrund dieses Naturumlaufes, so daß in der Motorflüssigkeit über die Dichteänderung bei geschlossener Gleitringdichtung ein Unterdruck gegenüber dem Pumpenraum entsteht.

Auch bei in Betrieb befindlichem Pumpenaggregat kann durch Umschaltvorgänge in der Sperrmediumsversorgung eine Druckreduzierung im Motorraum erfolgen. Ebenso tritt bei einer Änderung der Motorleistung aufgrund der sich mit der Motorfüllmediumstemperatur ändernden Dichte eine Druckänderung im Motorraum ein. Die solchermaßen entstehenden Druckdifferenzen gefährden die Gleitringdichtung und das Axiallager des Motorrotors. Ohne Druckausgleichseinrichtung würde beispielsweise der den entstehenden hohen Druckdifferenzen nicht gewachsene Faltenbalg der Gleitringdichtung zerstört oder das Rotor-Axiallager überlastet werden.

Nun ist aber eine Druckausgleichseinrichtung der eingangs geschilderten, bekannten An für solche unter hohem Druck und hoher Temperatur arbeitende Aggregate ungeeignet. Ungeeignet ist sie nicht nur wegen der andersartigen örtlichen Bedingungen, sondern vor pllem wegen der Tatsache, daß zwischen den beiden von der Gleitringdichtung getrennten Flüssigkeiten ein erheblicher Temperaturunterschied besteht. Ein von der Pumpen- auf die Motorseite wirkender Druckausgleich würde nämlich zwangsläufig auch die auf der Pumpenscite herrschende höhere Temperatur auf die Motorflüssigkeit übertragen. Hieraus entstände dann die Gefahr, daß empfindliche Motorelemente mit einer schädlich hohen Temperatur belastet würden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckausgleichseinrichtung für Kreiselpumpen-Moior-Aggregate der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Übertragung unzulässig hoher Temperaturen von der Pumpen- auf die Motorseite vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst gemäß Anspruch 1 durch einen oder mehrere an sich bekannte Faltenbalgbehälter. die in Kammern angeordnet sind, welche über Bohrungen oder Rohrleitungen mit dem Pumpenraum in Verbindung stehen, während die Inncnrüuuic der Falienbaljrbehiiltcr mit der Zuführleitung des Sperrmediums verbunden sind und Sperrmedium solchen Druckes aufnehmen, wie er zum Öffnen der Gleitringdichtung und zur Überwindung evtl. zusätzlicher Drosselspalte notwendig ist. wobei aus den Faltenbalgbehältern abgezogene Flüssigkeit an einer vor dem Hochdruckkühlcr gelegenen Stelle in den Hochdruckkreislauf eingespeist wird.

Anstelle von Faltenbalgbehältern können auch gemäß Anspruch 2 mit Kolben ausgestattete Zylinder vorgesehen werden.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Druckausgleichseinrichtung wird sichergestellt, daß da8 in den Faltenbalgbehältern bzw. Zylindern befindliche Speichervolumen, welches zwangsläufig die im Pumpenraum herrschende Temperatur angenommen hat, erst nach einem Kühlvorgang in den Motorraum gelangt. Kühl- oder Wärmedämmeinrichtungen zur Reduzierung der Speichervolumentemperatur sind nicht erforderlich. Eine einstufige Gleitringdichtung in temperaturfester Faltenbalg-Ausführung odrr mit Federbelastung und temperaturfesten Sekundirrdichteiementen ist bei Verwendung der erfindungsgemäßen Druckausgleichseinrichtung ausreichend. Ohne diese Einrichtung müßte eine federbelastete Gleitringdichtung zusätzlich vorgesehen werden, um im Störfall den Faltenbalg vor einer durch die hohe Stillstands-Druckdifferenz bewirkten Zerstörung zu schützen.

Durch die Verbindung der Druckausgleichseinrichtung mit der Zuführleitung des unter Druck stehenden

jo Sperrmediums ergibt sich ein automatisch arbeitendes System, bei dem der Druckhaltestrom dem Kühlstrom überlagert ist.

Die Faltenbalgbehäler bzw. die Zylinder werden zweckmäßigerweise in Ausnehmungen der zwischen

J5 dem Pumpen- und dem Motorraum befindlichen Wand bzw. eines evtl. vorhandenen Wärmesperrendeckels angeordnet, wobei die Ausnehmungen über Bohrungen mit dem Pumpenraum in Verbindung stehen. Die Bohrungen können durch einen engen Spalt bzw. eine FiI-tereinlage gegen das Eindringen von Schmutzpartikeln gesi·. hert werden.

Eine externe Anordnung der Druckausgleichseinrichtung ist bei Verwendung eines druckfesten Gehäuses in Verbindung mit Rohrleitungen ebenfalls möglich.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß in eiern im Gehäuse des Kreiselpumpen-Motor-Aggregates verlaufenden Kanal für die Zuführung des Sperrmediums ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, daß bei einem Sperrmediumsausfall kein größerer Verlust an Motorflüssigkeit eintritt.

Bei kurzfristigem Ausfall der Sperrmediumsversorgung kann die Kühlung der dann geschlossenen unci Reibwärme erzeugenden Gleitringdichtung durch einen Bypassstrom aufrechterhalten werden, der durch die Pumpwirkung des Kühlkreislaufes und evtl. zusätzlicher Hilfsfördergewinde über Schütze. Bohrungen und dgl. geführt wird.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutei.. Die Zeichnung zeigt in

bo F i g. I ein mit der erfindungsgemäßen Druckausglcichseinrichtung ausgestattetes Kreiselpumpen-Motor-Aggregat in Schnittdarstellung, und in

F i g. 2 eine Schnittdarstellung der Gleitringpartie des in der F i g. I dargestellten Aggregates.

t>5 Im Wärmesperreiiiiiickel 1 des Kreiselpumpen-Motor-Aggrcgatcs. der auch den Abschluß des Druckgefäßes 2 darstellt, in welches das Pumpenteil eingesteckt ist. ist ein Fnltenbnlgbchültcr 3 ungeordnet. Der Falten-

balgbehälier3 befindet sich in einer Kammer4 des Wärmesperrendeckels I, er steht über eine Bohrung 5 mit dem Pumpenraum 6 in Verbindung. Zur Vermeidung einer Frcmdkörpereinschleusung ist die Bohrung S mit einer Filtereinlage 7 versehen.

Der in axialer Richtung bewegliche Faltenbalgbchälter 3 ist mit einem Deckel 8 und einer Bodenplatte 9 dicht verschweißt. Der Faltenbalgbehältcr 3 kann mit Hilfe der Bodenplatte 9 dichtend in den Wärmcsperrendcckel I eingeschraubt oder im Zusammenwirken mit einem Kühldeckel 10 eingeklemmt werden. Der Innenraum des Faltenbalgbehältcrs3 nimmt das /ur Druekerhaltung im Motorraum U notwendige Speichervolumen auf. Zwischen dem Innennuim des Faltenbalgbehälters 3 und dem Motorraum 11 besteht allerdings kci- r> nc direkte Verbindung.

Bei einem Abfall des Druckes im Motorraum 11. der beispielsweise durch einen Sperrmcdiumsausfall verursach! vverder! kanri, wird der dem Druck des Pumpenraumes 6 ausgesetzte Faltenbalgbehältcr 3 um einen der Druckdifferenz entsprechenden Betrag zusammengedrückt. Dabei gibt er einen Teil seines Speichervolumens ab. Aus dem Faltenbalgbehälter 3 austretendes Medium gelangt über eine Bohrung 12. einen Kanal 13, eine.i Ringkanal 14 und eine Bohrung 15 in den Hochdruck-Kühlkreislauf des Kreisclpumpen-Motor-Aggregates. Der von einer Pumpen-Axiallagerspurscheibe 16 betriebene Kühlkreislauf führt vom Kühldcckel 10 über eine Bohrung 17 und eine Rohrleitung 18 zum Hochdruckkühler 19 und von dort über eine Rohrleitung 20, jo das untere Lagergehäuse 21 und die Pumpen-Axiallagerspurscheibe 16 in den Motorraum 11. Aufgrund einer besonderen Ausführung und Anordnung des Hochdruckkühlers 19 bildet sich be< abgeschaltetem Elektromotor ein Naturumlauf in der gleichen Strömungsrich- js tung. Somit wird bei einem Druckabfall das heiße Speichervolumen des Faltenbalgbehälters 3 automatisch über den Hochdruckkühler 19 geleitet, bevor es in den Motorraum 11 gelangt.

Die Füllung des Faltenbalgbehälters 3 mit einem Speichervolumen erfolgt bei aus- und bei eingeschaltetem Aggregat über die Sperrmediumversorgung für die Gleitringdichtung 22. Die Zufuhr des Sperrmediums verläuft über eine Rohrleitung 23. eine Bohrung 24. ein Rückschlagventil 25 und den Kanal 13. Vom Kanal 13 zweigt einerseits die bereits angesprochene Bohrung 12 ab. die zum Innenraum des Faltenbalgbehälters 3 führt, andererseits zweigt eine Bohrung 26 ab, über die die Gleitringdichtung 22 mit Sperrmedium versorgt wird.

Die Gleitringdichtung 22 ist so ausgelegt, daß sie bei so höherem Druck z^-jf der Motorseite öffnet und einen Sperrstrom durchläßt Bei Ausfall des Sperrstromes schließt die Gleitringdichtung 22 und dichtet den Pumpenraum 6 und den Motorraum 11 gegeneinander ab. Die zum öffnen der Gleitringdichtung 22 und nachgeschalteter Drosselspalte nötige Druckdifferenz führt zum Ausdehnvorgang der Faltenbalgbehälter 3 und zum Auffüllen derselben mit sauberem Sperrmedium.

Das der Bohrung 24 nachgeschaltete Rückschlagventil 25 schützt gegen einen größeren Verlust an Motorflüssigkeit bei einem Sperrmediumausfall. Bei kurzfristigem Ausfall der Sperrmediumversorgung wird die Kühlung der dann geschlossenen, und Reibwärme erzeugenden Gleitringdichtung 22 durch einen Bypassstrom aufrechterhalten. Der Weg dieses Bypassstromes führt über Schlitze 28, einen Spalt 29 zwischen der Welle 30 des Aggregates und einer Wellenhülse 31 und über Bohrungen 32 zur Gleitringdichtung 22 und von dort zurück

zu den Kühlkunälen des Kühldeckels 13. Die Förderwirkung der Bohrungen 32 wirkt sich dabei unterstützend auf die Pumpwirkung des Hochdruck-Kühlkreislaufes aus.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dnickausgleichseinrichtung für den flüssigkeitsgefüllten, mit einem Hochdruck-Kühlkreislauf ausgestatteten Elektromotor eines gekapselten Kreiselpumpen-Motor-Aggregates zur Förderung eines unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Mediums, wobei zwischen dem Pumpen- und dem Motorraum eine mit einem Spernnedium beaufschlagte Gleitringdichtung angeordnet ist. gekennzeichnet durch einen oder mehrere FaI-tenbalgbehälter (3), die in Kammern (4) angeordnet sind, welche über Bohrungen oder Rohrleitungen mit dem Pumpenraum (6) in Verbindung stehen, während die Innenräume der Faltenbalgbehälter (3) mit der Zuführleitung (23) des Sperrmediums verbunden sind und Spernnedium solchen Druckes aufnehmen, wie er zum öffnen der Gleitringdichtung (22) und zur Überwindung evtl. zusätzlicher Drosselspalte (27) rajtwendig ist, wobei aus den Faltenbalgbchältern (3) abgezogene Flüssigkeilt an einer vor dem Hochdruckkühler (19) gelegenen Stelle in den Hochdruckkreislauf eingespeist wird.

2. Druckausgleichseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches J, gekennzeichnet durch einen oder mehrere, mit jeweils eine*si Kolben ausgestattete Zylinder, welche über Bohrungen oder Rohrleitungen auf der einen Seite mit dem Pumpenraum (6) und auf der anderen Seite mit dem Motorraum (11) in Verbindung stehen, wobei die mit dem Motorraum (11) veroundenen Seiten der Zylinder wiederum mit der Zuführleitung (23) < ',es Sperrmediums in Verbindung stehen und Sperrmedium solchen Drukkes aufnehmen, wie er zum öf'ven der Gleitringdichtung (22) und zur Überwindung evtl. zusätzlicher Drosselspalte (27) notwendig ist. während die aus den Zylindern abgezogene Flüssigkeit an einer vor dem Hochdruckkühler (19) gelegenen Stelle in den Hochdruckkreislauf eingespeist wird.

3. Druckausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Faltenbalgbehälter (3) aufnehmenden Kammern (4) bzw. die mit Kolben ausgestatteten Zylinder in der zwischen dem Pumpen- und dem Motorraum (6, 11) befindlichen Wand oder innerhalb eines evtl. vorhandenen Wärmesperrendeckels (1) angeordnet sind, wobei die Kammern (4) bzw. die Zylinder über Bohrungen (5) mit dem Pumpenraum (6) in Verbindungstehen.

4. Druckausgleichseinrichtung nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Pumpenraum (6) zu den Kammern (4) bzw. den Zylindern führenden Bohrungen (5) durch einen engen Spalt bzw. eine Filtereinlage (7) gegen das Eindringen von Schmutzpartikeln gesichert sind.

5. Druckausgleichseinrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem im Gehäuse des Kreiselpumpen-Motor-Aggregates verlaufenden Kanal (24) für die Zuführung des Sperrmediums ein Rückschlagventil (25) vorgesehen ist.

6. Druckausgleichseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 5, gekennzeichnet durch die Anordnung von Schlitzen, Spalten, Bohrungen (28, 29, 32) und dgl. zur Aufrechterhaltung eines durch die Pumpwirkung des Kühlkr«;islaufes und evtl. zusätzlicher Hilfsfördergewinde erzwungenen Bypassstromes bei Ausfall der Sperrmediumsversorgung.