EP1365156B1 - Spaltdichtung für eine Pumpe - Google Patents

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EP1365156B1
EP1365156B1 EP20020009183 EP02009183A EP1365156B1 EP 1365156 B1 EP1365156 B1 EP 1365156B1 EP 20020009183 EP20020009183 EP 20020009183 EP 02009183 A EP02009183 A EP 02009183A EP 1365156 B1 EP1365156 B1 EP 1365156B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
stiffening element
sealing material
seal
fluid
sealing
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP20020009183
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP1365156A1 (de
Inventor
Jorgen Christensen
Jesper Nielsen
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Grundfos AS
Original Assignee
Grundfos AS
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Publication date
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Priority to DE50203754T priority patent/DE50203754D1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/165—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps
    • F04D29/167—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps of a centrifugal flow wheel

Definitions

  • the invention relates to a gap seal and a centrifugal pump unit with a corresponding gap seal.
  • Impeller and seal exist either made of plastic or a combination of metal and plastic. So can the impeller in the suction mouth of a stainless metal sleeve be surrounded, which with a plastic or elastomer seal is in contact. Such seals are for example from EP 0 492 603 B1, FR 2 469 582 and GB 1 226 475.
  • Plastics have the property when exposed to certain fluids swelling, which leads to a resizing.
  • a gap seal made of plastic used in a water pump so the plastic swells on exposure to the water, resulting in a Narrowing of the sealing diameter leads. This increases the friction between the seal and the impeller, causing the recorded Power of the pump increases.
  • the gap seal according to the invention is particularly suitable for Use in a pump, especially water pump, but can also be used in other systems, which have a seal with constant Outside dimensions require.
  • the gap seal according to the invention has a stiffening element, which at least partially of a Surrounding sealing material.
  • a Surrounding sealing material are the material of the stiffening element and the sealing material chosen so that at least a sealing dimension of the gap seal when exposed to a fluid substantially remains constant.
  • the sealing measure is that measure in which Direction of the gap to be sealed.
  • the constant sealing dimension upon the action of a fluid is by mutual compensation of ashrinking and swelling of the sealing material and the material reaches the stiffening element.
  • the materials become like that that selected a shrinkage or swelling of the material of the stiffening element under the influence of a fluid due to shrinkage or Sources of the sealing material under the influence of the fluid at least partially is compensated.
  • the materials are chosen so that the shrinking or swelling one material shrinking or swelling the other material compensates in the desired direction, thereby creating a substantially constant dimension can be achieved in this direction.
  • the material of the stiffening element under influence of a fluid to a certain extent swell, while the sealing material under the influence of the fluid by a corresponding amount shrinking. To achieve this compensation effect, this must be Material of the stiffening element and the sealing material in dependence of the acting, d. H.
  • the stiffening element and the sealing material in their rigidity and geometric shape to match.
  • the stiffening element can be formed so that it an expansion of the sealing material when swelling only in one certain direction.
  • the direction of stretching or shrinkage The individual elements are chosen so that a certain degree the gap seal even when swelling substantially constant can be held.
  • the gap seal is a ring with an annular stiffening element educated.
  • a gap seal can in Be arranged region of the suction mouth of a centrifugal pump.
  • the gap seal is designed as a radial sealing ring and the sealing material is at least on the inner circumference of Stiffening element arranged, with a sealing diameter below Influence of the fluid remains substantially constant.
  • the sealing diameter is the inner diameter of the sealing ring, which is in contact with the rotating impeller.
  • the material of the stiffening element In the case of a sealing ring are the material of the stiffening element and the sealing material is preferably both chosen that they swell under the influence of the fluid.
  • the swelling of the material the stiffening element causes the stiffening element enlarged in the circumferential direction, whereby also the inner diameter of the stiffening element increases.
  • the sealing material should be chosen so that it swells.
  • the sealing material is preferably chosen so that it, when it swells under the influence of fluid, its dimensions are increased, that the diameter enlargement of the stiffening ring substantially is compensated.
  • the stiffnesses of the elements d. H.
  • the stiffening ring is formed so stiff that it not to a diameter extension of the stiffening ring the swelling of the sealing material arranged on the inner circumference comes.
  • the materials are further preferably chosen so that the Sealing material under the influence of the fluid swells more than the material of the stiffening element. This is required to be usual Dimensions of the gap seal sufficient compensation of To achieve size changes. Under the influence of the fluid swell that Seal material and the material of the stiffening element to a relative measure, d. H. a certain percentage. Because the absolute Length of the stiffening ring in its circumferential direction usually is considerably larger than the radial extent of the sealing material, is the absolute amount to the the stiffening element in the circumferential direction swells, be greater than the absolute amount to the sealing material swells in the radial direction.
  • the absolute Radius expansion of the inner diameter of the stiffening element be greater than the radial enlargement of the sealing material by swelling.
  • the materials are chosen so that the ratio the source factor of the material of the stiffening element to the swelling factor the sealing material the ratio of a radial width of Sealing material corresponds to the inner radius of the stiffening element.
  • the swelling factor is the relative amount or percentage, around which the respective material swells under the influence of fluid.
  • the materials must be chosen so be that their source factors to each other above-mentioned ratio which has the ratio of the radial width of the on the Inner circumference of the stiffening element applied sealing material to the inner diameter of the stiffening element equivalent.
  • the stiffening element preferably polybutylene terephthalate (PBT) and as a sealing material a thermoplastic elastomer, in particular polyurethane, d. H. CPU selected.
  • PBT polybutylene terephthalate
  • thermoplastic polyurethane is also known as known thermoplastic rubber.
  • the use of polyurethane as sealing material and PBT as material for the stiffening element causes a substantially complete compensation of the Swelling the two elements so that the seal dimension, d. H. in the Case of a sealing ring, the inner diameter of the sealing material remains essentially constant.
  • the stiffening element is preferably overmoulded with the sealing material. This allows a cost-effective production of the gap seal with low tolerances.
  • the invention further relates to a pump unit with at least one Impeller, wherein arranged at the suction mouth of the impeller, a gap seal is as described above.
  • a Pump unit can reduce the power loss occurring Be as the inner diameter of the gap seal under action the fluid remains substantially constant, so that the predetermined Tolerances are maintained during operation.
  • multi-level Pumps can have a gap seal in each pump stage according to previous description, whereby the power loss can be significantly reduced.
  • the pump unit is a water pump.
  • Fig. 1 shows a sectional view of a centrifugal pump stage.
  • an impeller 4 is rotatably arranged.
  • the suction side 6 is provided, through which the promotional Fluid enters the pump.
  • the suction side 6 faces facing the Impeller 4 has a suction mouth or inlet section 8, through which the fluid to be delivered, for example water, enters the impeller 4.
  • a metal ring 10 On the outer circumference of the suction port 8 of the impeller 4 with a metal ring 10, in particular of stainless steel, provided, d. H. jacket advantage.
  • On the ring 10 is an annular gap seal 12 at.
  • the gap seal 12 is mounted or arranged in the housing 2 and seals the suction port 8 of the impeller 4 relative to the housing 2 from. This means the ring 10 with the inlet section or suction mouth 8 the impeller 4 moves relative to the inner periphery of the gap seal 12, which is in engagement with the ring 10.
  • Fig. 2 shows a plan view of the gap seal 12.
  • the gap seal 12 consists of an annular stiffening element 14, which with a sealing material 16 is provided or molded.
  • the sealing material 16 is in particular on the inner circumference of the stiffening ring 14 arranged.
  • the stiffening ring or the stiffening element 14 has a plurality of circular projections 18 at its ends on. When encapsulating the stiffening element 14 with the sealing material 16, the projections 18 engage the sealing material 16 and thus cause a positive connection of sealing material 16 and stiffening element 14.
  • the stiffening element 14 At its outer periphery the stiffening element 14 has projecting lugs 20, which for fixing the gap seal 12 in the pump housing. 2 serve.
  • Fig. 3 shows a sectional view of the gap seal according to FIG. 2 along the line A-A.
  • the annular stiffening element 14 with to see the protrusions 18 arranged on top and bottom, which engage in the sealing material 16, which is the stiffening element 14 surrounds.
  • the stiffening element 14 is also on a End face 22, which with the housing 2 (see Fig. 1) in contact comes covered with the sealing material 16 to the gap seal To seal against the housing 2.
  • the stiffening element 14 completely encased with the sealing material 16 be.
  • the radius R defines the inner diameter or sealing diameter the gap seal 12. This diameter is the inner diameter the sealing material 16, which the outer diameter of the ring 10 and the suction port 8 of the impeller 4 corresponds to this sealingly in contact.
  • This dimension is the dimension of the split-ring seal, which in the example shown during operation too under the action of a fluid should be kept constant, to friction losses in the area of the impeller 4 during operation of the pump too avoid.
  • FIG. 4 shows an enlarged detail view of the detail B in FIG. 3.
  • the stiffening element 14 surrounded by the sealing material 16.
  • a prefabricated stiffening element 14 made of plastic with the sealing material 16 overmoulded.
  • the projections 18 engage on the Stiffening element 14 in the sealing material 16 a form fit, so that a firm connection between sealing material 16 and stiffening element 14 is reached.
  • the projections 20, which for engagement with the housing 2 are provided.
  • the materials of the stiffening element 14 and the sealing material are chosen so that under the influence of the fluid to be pumped so swell or shrink, that the swelling or Shrinkage of the one material with the swelling or shrinkage of the other material balances, leaving the radius R in the gap seal remains essentially constant.
  • Plastics swell or shrink differently. So it is required, if necessary, the materials for the stiffening element 14 and to select the sealing material 16 according to the fluid to be delivered.
  • the stiffening element 14 is preferred made of PBT (polybutylene terephthalate) of PPS (polyethylene sulfide).
  • the sealing material 16 is made of TPU, for example (thermoplastic polyurethane or thermoplastic rubber) is formed.
  • TPU thermoplastic polyurethane or thermoplastic rubber
  • the sealing material 16 must have sufficient elasticity have to seal the rotating impeller against the housing, while the stiffening element 14 for sufficient dimensional stability provides. Further, it is preferable that the sealing material 16 is thermoplastic to process, as it is very easy and inexpensive can be splashed around the stiffening element 14.
  • the materials swell exactly so that the radius R remains constant (see FIG. 3).
  • the stiffening element 14 swells by a factor x
  • the circumference of the stiffening element 14 increases by this factor x.
  • the radius of the annular stiffening element 14 also increases by this factor x.
  • the sealing material 16 is chosen so that it also swells and the radius extension of the stiffening element 14 compensates, so that the radius R remains substantially constant.
  • This relationship expresses that the source factor x of the material of the Stiffening element 14 a relationship to the swelling factor y of the sealing material 16 must have what the ratio of a radial Width b of the sealing material 16 to the inner radius (R + b) of the stiffening element 14 corresponds.
  • the swelling factor is the factor to the respective material under the action of a fluid to be pumped swells. If the materials chosen according to this relationship can be the radius R in the interior of the gap seal substantially kept constant.
  • FIG. 5 shows a diagram in which the swelling properties of various Stiffening rings of different materials, namely polyamide (PA), polyethylene sulfide (PPS) and polybuthylene terephthalate (PBT) are.
  • FIG. 5 shows the test results of an experiment which a stiffening ring was placed in water for several days and the swelling was detected by the change in diameter. It can be seen, the polyamide swells very strong and large diameter changes while for polybuthylene terephthalate (PBT) nearly no change in diameter is detectable even after 40 days.
  • PPS polyethylene sulfide

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Description

Die Erfindung betrifft eine Spaltdichtung und ein Kreiselpumpenaggregat mit einer entsprechenden Spaltdichtung.
Pumpen und insbesondere Wasserpumpen weisen einen Saugmund auf, durch den das zu fördernde Fluid in das rotierende Laufrad eintritt. Im Bereich des Saugmundes muss das rotierende Laufrad gegenüber dem Gehäuse abgedichtet werden. Dies geschieht entweder berührend oder berührungsfrei. In beiden Fällen ist es wichtig, dass der Spalt zwischen Laufrad und Saugmund bzw. Gehäuse ein vorbestimmtes Maß aufweist, weshalb im Bereich der Dichtung enge Toleranzen eingehalten werden müssen. Laufrad und Dichtung bestehen entweder aus Kunststoff oder aus einer Kombination von Metall und Kunststoff. So kann das Laufrad im Bereich des Saugmundes von einer rostfreien Metallhülse umgeben sein, welche mit einer Kunststoff- bzw. Elastomerdichtung in Kontakt ist. Derartige Dichtungen sind beispielsweise aus EP 0 492 603 B1, FR 2 469 582 und GB 1 226 475 bekannt.
Kunststoffe haben die Eigenschaft, bei Einwirkung bestimmter Fluide aufzuquellen, was zu einer Größenänderung führt. Wird nun beispielsweise eine Spaltdichtung aus Kunststoff in einer Wasserpumpe eingesetzt, so quillt der Kunststoff bei Einwirkung des Wassers auf, was zu einer Verengung des Dichtdurchmessers führt. Dadurch erhöht sich die Reibung zwischen Dichtung und Laufrad, wodurch die aufgenommene Leistung der Pumpe steigt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Spaltdichtung und ein Pumpenaggregat mit einer Spaltdichtung zu schaffen, welche die Verlustleistung des Pumpenaggregates verringern. Diese Aufgabe wird durch eine Spaltdichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Pumpenaggregat mit den im Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Spaltdichtung eignet sich insbesondere zum Einsatz in einer Pumpe, insbesondere Wasserpumpe, kann jedoch auch in anderen Anlagen eingesetzt werden, welche eine Dichtung mit konstanten Außenmaßen erfordern. Die erfindungsgemäße Spaltdichtung weist ein Versteifungselement auf, welches zumindest teilweise von einem Dichtungsmaterial umgeben ist. Dabei sind das Material des Versteifungselementes und das Dichtungsmaterial so gewählt, dass zumindest ein Dichtmaß der Spaltdichtung beim Einwirken eines Fluids im Wesentlichen konstant bleibt. Das Dichtmaß ist dasjenige Maß, in dessen Richtung der Spalt gedichtet werden soll. Das konstante Dichtmaß beim Einwirken eines Fluids wird durch gegenseitige Kompensation eines Schrumpfens und Quellens des Dichtmaterials und des Materials des Versteifungselementes erreicht. Dazu werden die Materialien so gewählt, dass ein Schrumpfen oder Quellen des Materials des Versteifungselementes unter Einfluss eines Fluids durch ein Schrumpfen oder Quellen des Dichtungsmaterials unter Einfluss des Fluids zumindest teilweise kompensiert wird. Abhängig von der Geometrie der Dichtung werden die Materialien so gewählt, dass das Schrumpfen oder Quellen des einen Materials das Schrumpfen oder Quellen des anderen Materials in der gewünschten Richtung ausgleicht, wodurch eine im Wesentlichen konstante Abmessung in dieser Richtung erreicht werden kann. Beispielsweise kann das Material des Versteifungselementes unter Einfluss eines Fluids um ein bestimmtes Maß aufquellen, während das Dichtungsmaterial unter Einfluss des Fluids um ein entsprechendes Maß schrumpft. Um diesen Kompensationseffekt zu erreichen, müssen das Material des Versteifungselementes und das Dichtungsmaterial in Abhängigkeit des einwirkenden, d. h. zu fördernden Fluids gewählt werden, so dass sie die gewünschte Schrumpfung bzw. ein gewünschtes Quellmaß aufweisen. Durch diese Kompensation des Quellens und Schrumpfens der Materialien wird erreicht, dass eine Spaltdichtung mit einem im Wesentlichen konstanten Außen- bzw. Dichtmaß geschaffen wird. Dadurch kann der unerwünschte Effekt, dass durch Aufquellen der Dichtungen die Leistungsaufnahme der Pumpe steigt, vermieden werden. Außer der Wahl der Materialien mit unterschiedlichen Quellmaßen, ist es wichtig, dass Versteifungselement und das Dichtungsmaterial in ihrer Steifigkeit und geometrischen Gestalt aufeinander abzustimmen. So kann das Versteifungselement so ausgebildet werden, dass es eine Ausdehnung des Dichtungsmaterials beim Aufquellen nur in einer bestimmten Richtung zulässt. Die Richtung der Dehnung bzw. Schrumpfung der einzelnen Elemente wird so gewählt, dass ein bestimmtes Maß der Spaltdichtung auch beim Aufquellen im Wesentlichen konstant gehalten werden kann.
Vorzugsweise ist die Spaltdichtung als Ring mit einem ringförmigen Versteifungselement ausgebildet. Eine derartige Spaltdichtung kann im Bereich des Saugmundes einer Kreiselpumpe angeordnet werden. Dabei kann eine derartige Dichtung bei mehrstufigen Kreiselpumpen im Bereich jeder Stufe angeordnet werden, wodurch insbesondere bei mehrstufigen Kreiselpumpen die Verlustleistung der Pumpe aufgrund der Reibung im Bereich der Dichtungen zu jeder Stufe erheblich reduziert werden kann.
Weiter bevorzugt ist die Spaltdichtung als Radial-Dichtungsring ausgebildet und das Dichtungsmaterial ist zumindest am Innenumfang des Versteifungselementes angeordnet, wobei ein Dichtdurchmesser unter Einfluss des Fluids im Wesentlichen konstant bleibt. Im Falle einer Kreiselpumpe ist der Dichtdurchmesser der Innendurchmesser des Dichtungsringes, welcher mit dem rotierenden Laufrad in Kontakt ist. Durch Kompensation des Quellens und Schrumpfens von Versteifungselement und Dichtungsmaterial wird der Dichtdurchmesser konstant gehalten, so dass im Bereich der Spaltdichtung die voreingestellten Toleranzen auch im Betrieb aufrechterhalten werden können, so dass eine unerwünschte Verlustleistung der Pumpe minimiert werden kann.
Im Falle eines Dichtungsringes sind das Material des Versteifungselementes und das Dichtungsmaterial vorzugsweise beide so gewählt, dass sie unter Einfluss des Fluids aufquellen. Das Aufquellen des Materials des Versteifungselementes bewirkt, dass sich das Versteifungselement in Umfangsrichtung vergrößert, wobei sich auch der Innendurchmesser des Versteifungselementes vergrößert. Um die Vergrößerung des Innendurchmessers des Versteifungselementes bzw. Versteifungsringes derart zu kompensieren, dass das Dichtmaß konstant bleibt, muss nun ebenfalls das Dichtungsmaterial so gewählt werden, dass es aufquillt. Dabei wird das Dichtungsmaterial vorzugsweise so gewählt, dass es, wenn es unter Fluideinfluss aufquillt, seine Abmessungen so vergrößert, dass die Durchmessererweiterung des Versteifungsringes im Wesentlichen kompensiert wird. Die Steifigkeiten der Elemente, d. h. von Dichtungsmaterial und Versteifungsring, werden so aufeinander abgestimmt, dass auch eine Vergrößerung des Durchmessers des Versteifungsringes aufgrund der durch die Quellung des Dichtungsmaterials erzeugten Kraft so kompensiert wird, dass das Dichtmaß konstant bleibt. Bevorzugt wird der Versteifungsring derart steif ausgebildet, dass es nicht zu einer Durchmessererweiterung des Versteifungsringes durch das Aufquellen des am Innenumfang angeordneten Dichtungsmaterials kommt.
Dazu werden die Materialien weiter bevorzugt so gewählt, dass das Dichtungsmaterial unter Einfluss des Fluids stärker aufquillt als das Material des Versteifungselementes. Dies ist erforderlich, um bei üblichen Abmessungen der Spaltdichtung eine ausreichende Kompensation der Größenänderungen zu erreichen. Unter Einfluss des Fluids quellen das Dichtungsmaterial und das Material des Versteifungselementes um ein relatives Maß, d. h. einen bestimmten Prozentsatz auf. Da die absolute Länge des Versteifungsringes in seiner Umfangsrichtung üblicherweise erheblich größer ist als die radiale Ausdehnung des Dichtungsmaterials, wird der absolute Betrag, um den das Versteifungselement in Umfangsrichtung aufquillt, größer sein als der absolute Betrag, um den das Dichtungsmaterial in radialer Richtung aufquillt. Folglich wird auch die absolute Radiuserweiterung des Innendurchmessers des Versteifungselementes größer sein, als die radiale Vergrößerung des Dichtungsmaterials durch das Aufquellen. Um diesen Effekt auszugleichen, ist es erforderlich, das Dichtungsmaterial so zu wählen, dass es unter Fluideinfluss stärker aufquillt als das Material des Versteifungselementes.
Idealerweise werden die Materialien so gewählt, dass das Verhältnis des Quellfaktors des Materials des Versteifungselementes zum Quellfaktor des Dichtungsmaterials dem Verhältnis einer radialen Breite des Dichtungsmaterials zum Innenradius des Versteifungselementes entspricht. Der Quellfaktor ist dabei derjenige relative Betrag bzw. Prozentsatz, um den das jeweilige Material unter Fluideinfluss aufquillt. Um eine möglichst vollständige Kompensation der Dimensionsänderungen aufgrund des Aufquellens zu erreichen, müssen die Materialien so gewählt werden, dass ihre Quellfaktoren zueinander vorgenanntes Verhältnis haben, welches dem Verhältnis der radialen Breite des auf dem Innenumfang des Versteifungselementes aufgebrachten Dichtungsmaterials zu dem Innendurchmesser des Versteifungselementes entspricht. Insbesondere beim Einsatz der Spaltdichtung in einer Wasserpumpe wird als Material für das Versteifungselement vorzugsweise Polybuthylenterephthalat (PBT) und als Dichtungsmaterial ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere Polyurethan, d. h. CPU gewählt. Derartiges thermoplastisches Polyurethan ist auch als thermoplastisches Gummi bekannt. Die Verwendung von Polyurethan als Dichtungsmaterial und PBT als Material für das Versteifungselement bewirkt eine im Wesentlichen vollständige Kompensation des Aufquellens der beiden Elemente, so dass das Dichtungsmaß, d. h. im Falle eines Dichtungsringes der Innendurchmesser des Dichtungsmaterials im Wesentlichen konstant bleibt.
Zur Herstellung der Spaltdichtung wird das Versteifungselement vorzugsweise mit dem Dichtungsmaterial umspritzt. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung der Spaltdichtung mit geringen Toleranzen.
Die Erfindung betrifft weiter ein Pumpenaggregat mit zumindest einem Laufrad, wobei am Saugmund des Laufrades eine Spaltdichtung angeordnet ist, wie sie vorangehend beschrieben wurde. In einem solchen Pumpenaggregat kann die auftretende Verlustleistung reduziert werden, da der Innendurchmesser der Spaltdichtung auch unter Einwirkung des Fluids im Wesentlichen konstant bleibt, so dass die vorgegebenen Toleranzen auch im Betrieb beibehalten werden. Bei mehrstufigen Pumpen kann in jeder Pumpenstufe eine Spaltdichtung gemäß vorangehender Beschreibung eingesetzt werden, wodurch die Verlustleistung erheblich reduziert werden kann.
Weiter bevorzugt ist das Pumpenaggregat eine Wasserpumpe.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. In diesen zeigt:
Fig. 1
eine Schnittansicht einer Stufe einer Kreiselpumpe mit der erfindungsgemäßen Spaltdichtung,
Fig. 2
eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Spaltdichtung,
Fig. 3
eine Schnittansicht der Spaltdichtung entlang Linie A-A in Fig. 2,
Fig. 4
eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts B in Fig. 3, und
Fig. 5
ein Diagramm mit dem Quelleneigenschaften verschiedener Versteifungselemente.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Kreiselpumpenstufe. In dem Gehäuse 2 ist ein Laufrad 4 drehbar angeordnet. Am in Fig. 1 unteren Ende des Gehäuses 2 ist der Saugseite 6 vorgesehen, durch die das zu fördernde Fluid in die Pumpe eintritt. Der Saugseite 6 zugewandt weist das Laufrad 4 einen Saugmund bzw. Eintrittsabschnitt 8 auf, durch welchen das zu fördernde Fluid, beispielsweise Wasser, in das Laufrad 4 eintritt. Am Außenumfang ist der Saugmund 8 des Laufrades 4 mit einem Metallring 10, insbesondere aus rostfreiem Stahl, versehen, d. h. jackettiert. An dem Ring 10 liegt eine ringförmige Spaltdichtung 12 an. Die Spaltdichtung 12 ist in dem Gehäuse 2 gelagert bzw. angeordnet und dichtet den Saugmund 8 des Laufrades 4 gegenüber dem Gehäuse 2 ab. Das bedeutet, der Ring 10 mit dem Eintrittsabschnitt bzw. Saugmund 8 des Laufrades 4 bewegt sich relativ zum Innenumfang der Spaltdichtung 12, welche mit dem Ring 10 in Anlage ist.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Spaltdichtung 12. Die Spaltdichtung 12 besteht aus einem ringförmigen Versteifungselement 14, welches mit einem Dichtungsmaterial 16 versehen bzw. umspritzt ist. Das Dichtungsmaterial 16 ist insbesondere am Innenumfang des Versteifungsringes 14 angeordnet. Der Versteifungsring bzw. das Versteifungselement 14 weist eine Vielzahl von kreisförmigen Vorsprüngen 18 an seinen Stimseiten auf. Beim Umspritzen des Versteifungselementes 14 mit dem Dichtungsmaterial 16 greifen die Vorsprünge 18 in das Dichtungsmaterial 16 ein und bewirken somit eine formschlüssige Verbindung von Dichtungsmaterial 16 und Versteifungselement 14. An seinem äußeren Umfang weist das Versteifungselement 14 vorspringende Nasen 20 auf, welche zur Fixierung der Spaltdichtung 12 in dem Pumpengehäuse 2 dienen.
Das Dichtungsmaterial 16, welches am Innenumfang des Versteifungselementes 14 angeordnet ist, bildet die eigentliche Dichtung, welche mit dem Laufrad 4 bzw. dem Ring 10 in Kontakt tritt. Ferner ist das Versteifungselement 14 auch an zumindest einer Stirnseite, der in Fig. 1 unteren Stirnseite 22, vollständig mit dem Dichtungsmaterial 16 umgeben. Auf diese Weise wird eine Abdichtung zwischen Versteifungselement 14 und Gehäuse 2 erreicht.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der Spaltdichtung gemäß Fig. 2 entlang der Linie A-A. Im Schnitt ist das ringförmige Versteifungselement 14 mit den an Ober- und Unterseite angeordneten Vorsprüngen 18 zu sehen, welche in das Dichtungsmaterial 16 eingreifen, welches das Versteifungselement 14 umgibt. Das Versteifungselement 14 ist auch an einer Stirnseite 22, welche mit dem Gehäuse 2 (siehe Fig. 1) in Kontakt kommt, mit dem Dichtungsmaterial 16 bedeckt, um die Spaltdichtung gegenüber dem Gehäuse 2 abzudichten. Bevorzugt kann das Versteifungselement 14 vollständig mit dem Dichtungsmaterial 16 ummantelt sein. Der Radius R definiert den Innendurchmesser bzw. Dichtdurchmesser der Spaltdichtung 12. Dieser Durchmesser ist der Innendurchmesser des Dichtungsmaterials 16, welcher dem Außendurchmesser des Ringes 10 bzw. des Saugmundes 8 des Laufrades 4 entspricht, um mit diesem dichtend in Kontakt zu kommen. Dieses Maß ist das Maß der Spaltringdichtung, welches im gezeigten Beispiel während des Betriebs auch unter Einwirkung eines Fluids konstant gehalten werden soll, um Reibungsverluste im Bereich des Laufrades 4 beim Betrieb der Pumpe zu vermeiden.
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ausschnittansicht des Ausschnittes B in Fig. 3. Hier ist nochmals deutlicher gezeigt, wie das Versteifungselement 14 von dem Dichtungsmaterial 16 umgeben ist. Vorzugsweise wird dazu ein vorgefertigtes Versteifungselement 14 aus Kunststoff mit dem Dichtungsmaterial 16 umspritzt. Dabei greifen die Vorsprünge 18 an dem Versteifungselement 14 in das Dichtungsmaterial 16 formschlüssig ein, so dass eine feste Verbindung zwischen Dichtungsmaterial 16 und Versteifungselement 14 erreicht wird. Am äußeren Umfang des Versteifungselementes 14 stehen die Vorsprünge 20 vor, welche zum Eingriff mit dem Gehäuse 2 vorgesehen sind.
Die Materialien des Versteifungselementes 14 und des Dichtmaterials werden so gewählt, dass sie unter Einfluss des zu fördernden Fluids dermaßen aufquellen oder schrumpfen, dass sich die Quellung bzw. Schrumpfung des einen Materials mit der Quellung bzw. Schrumpfung des anderen Materials ausgleicht, so dass der Radius R in der Spaltdichtung im Wesentlichen konstant bleibt. Je nach zu förderndem Fluid quellen Kunststoffe unterschiedlich stark auf oder schrumpfen. Es ist also erforderlich, ggf. die Materialien für das Versteifungselement 14 und das Dichtungsmaterial 16 entsprechend dem zu fördernden Fluid auszuwählen. Im Falle von Wasser ist das Versteifungselement 14 vorzugsweise aus PBT (Polybuthylenterephthalat)der PPS (Polyethylensulfid) gefertigt. Dazu passend wird das Dichtungsmaterial beispielsweise aus TPU (thermoplastisches Polyurethan oder thermoplastisches Gummi) ausgebildet. Das Dichtungsmaterial 16 muss eine ausreichende Elastizität aufweisen, um das rotierende Laufrad gegenüber dem Gehäuse abzudichten, während das Versteifungselement 14 für ausreichende Formstabilität sorgt. Ferner ist es bevorzugt, das Dichtungsmaterial 16 thermoplastisch zu verarbeiten, da es dann sehr leicht und kostengünstig um das Versteifungselement 14 herumgespritzt werden kann.
Bei dieser Materialauswahl oder einer entsprechenden Materialauswahl, ggf. in Abhängigkeit des zu fördernden Fluids, wird erreicht, dass die Materialien genau so quellen, dass der Radius R konstant bleibt (siehe Fig. 3). Wenn das Versteifungselement 14 um einen Faktor x aufquillt, vergrößert sich der Umfang des Versteifungselementes 14 um diesen Faktor x. Entsprechend vergrößert sich der Radius des ringförmigen Versteifungselementes 14 ebenfalls um diesen Faktor x. Somit würde sich der Radius R der Spaltdichtung aufweiten. Nun wird das Dichtungsmaterial 16 so gewählt, dass es ebenfalls aufquillt und die Radiuserweiterung des Versteifungselementes 14 ausgleicht, so dass der Radius R im Wesentlichen konstant bleibt. Da jedoch die radiale Breite b des Dichtungsmaterials 16 am Innenumfang des Versteifungselementes 14 in radialer Richtung wesentlich kleiner ist als der Radius des Versteifungselementes 14, d. h. R + b, ist es erforderlich, das Dichtungsmaterial 16 so zu wählen, dass dessen Quellfaktor y größer ist als der Quellfaktor x des Materials des Versteifungselementes 14. Idealerweise wird das Verhältnis der Quellfaktoren x und y des Materials des Versteifungselementes 14 und des Dichtungsmaterials 16 so gewählt, dass folgende Beziehung erfüllt ist: x y = b (b + R)
Diese Beziehung drückt aus, dass der Quellfaktor x des Materials des Versteifungselementes 14 ein Verhältnis zum Quellfaktor y des Dichtungsmaterials 16 haben muss, welches dem Verhältnis einer radialen Breite b des Dichtungsmaterials 16 zum Innenradius (R + b) des Versteifungselementes 14 entspricht. Dabei ist der Quellfaktor derjenige Faktor, um den das jeweilige Material unter Einwirkung eines zu fördernden Fluids aufquillt. Wenn die Materialien gemäß dieser Beziehung gewählt werden, kann der Radius R im Inneren der Spaltdichtung im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Auch wenn die Erfindung vorangehend am Beispiel einer ringförmigen Spaltdichtung beschrieben worden ist, so lässt sich das erfindungsgemäße Prinzip der Kompensation der Quellung bzw. Schrumpfung einzelner Materialien innerhalb der Dichtung auch auf andere Dichtungen übertragen. Beispielsweise lässt sich ein Material, welches unter Fluideinfluss quillt, mit einem zweiten Material kombinieren, welches unter Fluideinfluss entsprechend schrumpft. Der erfindungswesentliche Gedanke liegt darin, zwei Materialien mit unterschiedlicher Schrumpfung bzw. Quellung so miteinander zu kombinieren, dass bei Fluideinwirkung eine Dimension in einer vorgegebenen Richtung im Wesentlichen konstant bleibt.
Figur 5 zeigt ein Diagramm, in dem die Quelleigenschaften verschiedener Versteifungsringe aus verschiedenen Materialien, nämlich Polyamid (PA), Polyethylensulfid (PPS) und Polybuthylentherephthalat (PBT), dargestellt sind. Figur 5 zeigt die Versuchsergebnisse eines Versuchs, bei welchem ein Versteifungsring für mehrere Tage in Wasser gelegt wurde und die Quellung anhand der Durchmesseränderung erfasst wurde. Es ist erkennbar, das Polyamid sehr stark quillt und zu großen Durchmesseränderungen führt, während für Polybuthylentherephthalat (PBT) nahezu keine Durchmesseränderung auch nach 40 Tagen feststellbar ist. Bei Verwendung von Polyethylensulfid (PPS) zeigt sich, dass es zu einer geringfügigen Schrumpfung, d. h. Verkleinerung des Durchmessers kommt, welche jedoch über die Dauer des Versuches im Wesentlichen konstant blieb. Es ist somit anhand von Fig. 5 erkennbar, dass, wenn die untersuchten Materialien für ein Versteifungselement mit einem entsprechend abgestimmten Dichtungsmaterial verwendet werden, die Gesamtabmessung einer Dichtung, insbesondere der Innendurchmesser auch bei Wassereinwirkung im Wesentlichen konstant bleiben kann.
Bezugszeichenliste
2 -
Gehäuse
4 -
Laufrad
6 -
Saugseite
8 -
Saugmund des Laufrades
10 -
Ring
12 -
Spaltdichtung
14 -
Versteifungselement
16 -
Dichtungsmaterial
18 -
Vorsprünge
20 -
Nasen
22 -
Stirnseite
R -
Radius
b -
Breite
x, b -
Quellfaktoren

Claims (10)

  1. Spaltdichtung, insbesondere für eine Pumpe, mit einem Versteifungselement (14) und einem dieses zumindest teilweise umgebenden Dichtungsmaterial (16), dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Versteifungselementes (14) und das Dichtungsmaterial (16) so gewählt sind, dass ein Schrumpfen oder Quellen des Materials des Versteifungselementes (14) unter Einfluss eines Fluids durch ein Schrumpfen oder Quellen des Dichtungsmaterials (16) unter Einfluss des Fluids zumindest teilweise derart kompensiert wird, dass zumindest ein Dichtmaß (R) der Spaltdichtung (12) im Wesentlichen konstant bleibt.
  2. Spaltdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltdichtung (12) als Ring mit einem ringförmigen Versteifungselement (14) ausgebildet ist.
  3. Spaltdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltdichtung (12) als Radial-Dichtungsring ausgebildet ist und das Dichtungsmaterial (16) zumindest am Innenumfang des Versteifungselementes (14) angeordnet ist, wobei ein Dichtdurchmesser (R) unter Einfluss des Fluids im Wesentlichen konstant bleibt.
  4. Spaltdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Versteifungselementes (14) und das Dichtungsmaterial (16) so gewählt sind, dass sie unter Einfluss des Fluids aufquellen.
  5. Spaltdichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmaterial (16) unter Einfluss des Fluids stärker aufquillt als das Material des Versteifungselementes (14).
  6. Spaltdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Quellfaktors (x) des Materials des Versteifungselementes (14) zum Quellfaktor (y) des Dichtungsmaterials (16) dem Verhältnis einer radialen Breite (b) des Dichtungsmaterials (16) zum Innenradius (b+R) des Versteifungselementes (14) entspricht.
  7. Spaltdichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (14) aus PBT gefertigt ist und das Dichtungsmaterial (16) ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere Polyurethan ist.
  8. Spaltdichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (14) mit dem Dichtungsmaterial (16) umspritzt ist.
  9. Pumpenaggregat mit zumindest einem Laufrad, dadurch gekennzeichnet, dass am Saugmund (8) des Laufrades (4) eine Spaltdichtung (12) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche angeordnet ist.
  10. Pumpenaggregat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenaggregat eine Wasserpumpe ist.
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