DE3540025A1 - Abdichtung fuer eine rotierende, im betrieb aufrecht stehende welle, insbesondere fuer wellen von pumpen und ruehrern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenabdichtung nach dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Insbesondere bei Pumpen und Rührwerken, beispielsweise bei Tauchkreiselpumpen, ist es erforderlich, die aufrechtstehende Welle, die an ihrem oberen Ende von einem Motor angetrieben wird und an ihrem unteren Ende den eigentlich anzutreibenden Teil, beispielsweise einen Rührer oder eine Kreiselpumpe auf­ weist, gegenüber dem feststehenden, die Welle umgebenden Teil, also nach außen hin abzudichten. Dies ist von be­ sonderer Bedeutung, wenn die zu pumpende oder zu verquir­ lende Flüssigkeit gesundheitsschädliche und/oder aggressive Dämpfe entwickelt, die längs der Welle nach oben, beispielsweise bis in den Motor und dann ins Freie gelangen können. Um ein Austreten von Gasen und/oder Dämpfen über diesen Weg längs der Welle zu verhindern, hat man bisher Gleitringdichtungen zwischen Welle und dem die Welle umgebenden drehfesten Teil angeordnet.

Nachteilig bei den bekannten Gleitringdichtungen ist, daß sie aufgrund der Reibung zwischen Welle und drehfestem Teil einen gewissen Abrieb haben und somit nicht ver­ schleißfest sind. Dies bringt zahlreiche Nachteile mit sich: Der beim Verschleißen der Dichtung entstehende Abrieb kann längs der Welle nach unten fallen und somit in die abzupumpende Flüssigkeit gelangen, was zu uner­ wünschten Verunreinigungen führt. Des weiteren ist die Dichtwirkung auf Dauer nicht gewährleistet, so daß solche Dichtungen regelmäßig erneuert werden müssen, was mit aufwendigen Wartungsarbeiten und damit auch Kosten verbunden ist. Durch die Reibung zwischen Dichtung und Welle bzw. drehfestem Teil entsteht nicht nutzbare Reib­ wärme, die insbesondere bei einem Wärmestau zu erhöhtem Verschleiß führt, zudem muß die Motorleistung entsprechend höher ausgelegt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Abdichtung verschleißfrei auszubilden, wobei eine optimale Dicht­ wirkung auch über lange Zeit gewährleistet sein soll und die auftretenden Reibkräfte minimiert werden sollen.

Diese Aufgabe wird bei einer Abdichtung gemäß Oberbegriff mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, daß die Dichtung praktisch völlig verschleißfrei arbeitet und somit auch über Jahre nahezu wartungsfrei einen Austritt von Gasen über die Dichtung wirksam verhindert. Da hier im Vergleich zu bekannten mechanischen Dichtungen im Betrieb praktisch keine Reibkräfte auftreten, entsteht auch keine Wärme, im Gegenteil, der Dichtbereich wird durch die Flüssigkeit gekühlt. Auch die Probleme bekannter Dichtungen, bei denen Abriebteilchen längs der Welle nach unten in die zu fördernde oder zu bearbeitende Flüssigkeit gelangen, treten bei der erfindungsgemäßen Dichtung nicht auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er­ geben sich aus den Ansprüchen 2 bis 13.

Durch eine Ausbildung gemäß Anspruch 2 wird verhindert, daß beispielsweise beim Umsetzen der Vorrichtung (bei­ spielsweise Rührwerk oder Tauchkreiselpumpe) Flüssigkeit aus der Ringnut austritt, wenn die Welle kurzzeitig aus ihrer aufrechten Stellung in eine geneigte gebracht wird. Des weiteren wird ein Eindringen von Fremdkörpern, beispiels­ weise Staub, weitgehend verhindert.

Durch eine Ausbildung nach Anspruch 3 kann die Flüssigkeit in der Ringnut jederzeit auf einfache Weise nachgefüllt und bei einer Ausbildung gemäß Anspruch 4 auch ersetzt werden. Bei einer Ausführung mit Zulauf und Überlauf kann die Dichtflüssigkeit kontinuierlich ausgetauscht werden, indem über den Zulauf ständig Flüssigkeit nachgefüllt wird. Dies bietet den Vorteil, daß die Ringnut jederzeit mit sauberer Flüssigkeit gefüllt ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung gemäß Anspruch 5 und/oder 6 wird eine gewisse Druckstabilität der Dichtung erreicht. Der schmale Ringspalt und die radial zur Wellenachse angeordnete Scheibe bilden ein Hindernis für durchströmende Flüssigkeit, das nur durch entsprechende Druckerhöhung überwindbar ist. Neben der dadurch ge­ schaffenen Drucksicherheit der Dichtung wird hierdurch auch zusätzlich eine Sicherheit gegen plötzlich auf­ tretende Druckstöße erreicht, bei denen sonst die Dichtflüssig­ keit aus der Nut herausgedrückt werden könnte. Eine konstruktiv einfache und zugleich wirksame Ausführung ist durch die Merkmale des Anspruches 7 gekennzeichnet, hier sind zwei Scheiben mit Abstand übereinander an der Innen­ seite der Ringnut angeordnet.

Eine Ausbildung gemäß Anspruch 8 bietet den Vorteil, daß die Flüssigkeit auf einfache Weise vollständig entfernt und beispielsweise durch eine andere ersetzt werden kann. Durch eine Ausbildung gemäß Anspruch 9 kann beispielsweise das Reinigen der Dichtung erheblich erleichtert werden, die Reinigungsflüssigkeit wird dabei unter Druck über den Zulauf eingegeben und entweicht ohne Stau über den bzw. die zusätzlichen Überläufe.

Eine zusätzliche Sicherheit gegen austretende Dämpfe und/oder Gase wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung nach Anspruch 10 erreicht, indem eine Flüssigkeit einge­ setzt wird, in der die Gase bzw. Dämpfe löslich sind. Auf diese Weise werden die Gase bzw. Dämpfe sofort bei Kontakt mit der Dichtung gebunden und somit unschädlich gemacht. Als billige und nahezu überall zur Verfügung stehende Flüssigkeit kann, soweit die Gase darin löslich sind, Wasser eingesetzt werden; insbesondere beim kontinuierlichen Durchströmen der Dichtung mit Flüssigkeit (Anspruch 12) ist Wasser zu bevorzugen.

Durch eine Ausbildung gemäß Anspruch 13 kann die Dichtung auch als geschlossenes System eingesetzt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und den Zeichnungen, die ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung darstellen und im folgenden näher beschrieben sind. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine teilweise im Schnitt dargestellte Tauchkreiselpumpe mit der er­ findungsgemäßen Wellenabdichtung im Betriebs­ zustand,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch die Wellenabdichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Tauchkreiselpumpe 1 besteht im wesentlichen aus einem Motor 3 mit einer nach unten ge­ richteten vertikalen Welle 4, an deren unterem Ende eine Pumpe 5, in dieser Ausführung eine Kreiselpumpe, ange­ bracht ist, und einem drehfesten Teil 6, das die Welle 4 zwischen Motor 3 und einem Verbindungsteil 7 umgibt. Das Verbindungsteil 7 umschließt die Welle im Bereich des Be­ hälters 2 und schließt sich an der Unterseite an das Gehäuse der Pumpe 5 an. Das Verbindungsteil 7 ist hier stark schematisch dargestellt und zeigt nur die wesent­ lichen Merkmale des funktionellen Aufbaus. Die Tauch­ kreiselpumpe 1 sitzt in bekannter Weise dicht abschließend mittels eines Gewindes, Bajonettverschlusses oder aufgeflanscht in einer Öffnung 8 in der Oberseite des Behälters 2. Die Kreiselpumpe ist dabei nahe dem Faßboden angeordnet, so daß die im Faß 2 befindliche Flüssigkeit 10 im Betrieb durch die Ansaugöffnung 9 der Pumpe 5 angesaugt und über das Förderrohr 11 aus dem Behälter herausgepumpt wird. Im oberen Bereich des Behälters 2 ist ein Ausgleichsventil 12 angeordnet, das ein Nachströmen von Luft in das Faßinnere beim Fördern ermöglicht. Dieses Ventil 12 kann auch in der Tauchkreiselpumpe 1, beispielsweise im Ver­ bindungsteil 7, angebracht sein.

Das Laufrad 13 der Pumpe 5 sitzt am unteren Ende der Welle 4 und wird vom Motor 3 angetrieben. Die Welle 4 ist innerhalb des Behälters von dem Verbindungsteil 7 um­ geben, an dessen Oberseite das drehfeste Teil 6 dicht und fest angebracht ist. Das Laufrad 13 der Pumpe 5 ist im Betrieb allseits flüssigkeitsumspült, so daß die Flüssigkeit bzw. die sich an der Oberfläche bildenden Dämpfe und/oder Gase längs der Welle 4, die innerhalb des Verbindungsteiles 7 mit Spiel geführt ist, nach oben aufsteigen können. Um einen Austritt dieser Gase bzw. Dämpfe ins Freie zu verhindern, ist zwischen Führungsteil 7 und Motor 3 eine Abdichtung 14 vorgesehen, die in Fig. 2 im einzelnen dargestellt ist.

Die Abdichtung 14 besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, dem drehfest zwischen dem Verbindungsteil 7 und dem Motor 3 angeordneten Verbindungsteil 6 und einem auf der Welle 4 sitzenden Rotationskörper 15. Der Rotations­ körper 15 hat in dieser Ausführung einen etwa U-förmigen Querschnitt (s. Fig. 2) und ist symmetrisch zur Drehachse 16 der Welle 4 ausgebildet. Die Oberseite des Rotations­ körpers 15 wird durch eine Abdeckscheibe 17 gebildet, die sich von der Welle 4 radial nach außen bis nahe zum drehfesten Teil 6 erstreckt. Unterhalb der Abdeckscheibe 17 schließt sich ein fest und dicht mit der Welle 4 ver­ bundener ringförmiger Befestigungsteil 18 an, der an seiner Unterseite in einen rohrförmigen, die Welle 4 mit Abstand umgebenden Teil 19 übergeht. Abdeckscheibe 17, Befestigungsteil 18 und rohrförmiger Teil 19 bilden den Rotationskörper 15, der in dieser Ausführung einstückig ausgebildet ist. Der Außendurchmesser der Abdeckscheibe 17 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des drehfesten Teils 6 an dieser Stelle; der Befestigungsteil 18 und der rohrförmige Teil 19 haben den gleichen, aber deutlich kleineren Außendurchmesser. Der drehfeste Teil 6, der im wesentlichen ebenfalls rotationssymmetrisch zur Drehachse 16 der Welle 4 ausgebildet und angeordnet ist, besteht im wesentlichen aus einer hohlzylindrischen Außenwandung 20, die durch einen ringförmigen Boden 21 mit einem hülsenförmigen, die Welle 4 mit Spiel umgebenden Teil 22 verbunden ist. Der hülsenförmige Teil 22 erstreckt sich vom Boden 21 zwischen Welle 4 und dem rohrförmigen Teil 19 des Rotationskörpers 15 bis kurz unterhalb des Befestigungsteiles 18. Die Außenwandung 20 des dreh­ festen Teils 6 überragt den Rotationskörper 15 in Achsrichtung der Welle 4. Durch die Außenwandung 20, den Boden 21 und den hülsenförmigen Teil 22 wird eine nach oben offene ringförmige Nut 40 gebildet, in der der rohrförmige Teil 19 des Rotationskörpers 15 mit Spiel umläuft. Hierdurch entsteht zwischen dem rohrförmigen Teil 19 des Rotationskörpers 15 und dem hülsenförmigen Teil 22 ein schmaler Ringspalt 23, der über den Nutgrund 24 der Ringnut 40 mit einem breiteren Ringkanal 25 zwischen dem rohrförmigen Teil 19 und der Außenwandung 20 ver­ bunden ist. An der nach innen weisenden Seite der Außenwandung 20 sind innerhalb der Nut 40 zwei ringförmige Scheiben 26 mit Abstand übereinander angeordnet. Die Scheiben 26 erstrecken sich von der Innenseite der Außenwandung 20 bis nahe zur Außenseite des Rotations­ körpers 15.

In der Außenwandung 20 des drehfesten Teils 6 ist ein Zulauf 27 vorgesehen, dessen Eintritt nahe der Ober­ seite der Außenwandung 20 angeordnet ist und der über einen innerhalb der Außenwandung 20 verlaufenden Kanal 28 mit dem Ringkanal 25 verbunden ist, in den er nahe des Nutgrundes 24 mündet. Des weiteren ist in der Außen­ wandung 20 ein Überlauf 29 vorgesehen, der in dieser Ausführung aus einer nahe der Oberseite der Ringnut 40, oberhalb der Scheiben 26 verlaufenden Durchgangsbohrung 30 in der Außenwandung 20 des drehfesten Teils 6 besteht. Zulauf 27 und Überlauf 29 können jeweils mittels eines hier nicht dargestellten Ventils abgesperrt werden. Von der Unterseite des Nutgrundes 24 erstreckt sich eine parallel zur Drehachse 16 der Welle 4 ange­ ordnete Auslaßbohrung 31 durch den Boden 21 des dreh­ festen Teiles 6. An der Oberseite der Auslaßbohrung 31 ist senkrecht hierzu eine Bohrung 32 in der Außenwandung 20 vorgesehen, in der eine Ventilschraube 33 geführt ist, mit der z.B. die Auslaßbohrung 31 geöffnet bzw. verschlossen werden kann. Zwischen der oberen Scheibe 26 und der Abdeckscheibe 17 sind in dieser Ausführung vier weitere Überläufe 34 vorgesehen, die durch eine Durchgangsbohrung in der Außenwandung 20 gebildet sind. Die Überläufe 34 können ebenfalls mittels hier nicht dargestellter Ab­ sperrventile verschlossen werden.

Im Betrieb ist die Dichtung 14 flüssigkeitsgefüllt, die Auslaßbohrung 31 ist dabei mittels der Schraube 33 ver­ schlossen. Die über den Zulauf 27 eingefüllte Flüssigkeit befindet sich innerhalb der Ringnut 40, also im Ring­ spalt 23, über dem Nutgrund 24 und im Ringkanal 25. Der Flüssigkeitsstand ist bei Druckausgleich (gleicher Druck an Zulauf 27, Überlauf 29, Überlauf 34 und Spalt 35) etwa in Höhe des untersten Überlaufes 29, der kurz unter­ halb dem oberen Ende des hülsenförmigen Teils 22 in die Ringnut 40 mündet. Die längs der Welle 4 im Spalt 35 aufsteigenden Gase und Dämpfe werden durch die Flüssigkeit innerhalb der Ringnut 40 aufgehalten. Wenn die Pumpe 5 arbeitet und ihr Laufrad 13 rotiert, wird durch die entstehende Fliehkraft in der Dicht­ flüssigkeit die Flüssigkeit im Ringspalt 23 nach unten gedrückt, so daß sie auf der anderen Seite im Ringkanal 25 aufsteigt. Um zu verhindern, daß die Flüssigkeit aus der Nut 40 herausgedrückt wird, ist der Ringspalt 23 entsprechend eng ausgebildet; im Ringkanal 25 sind hierzu zwei Scheiben 26 vorgesehen, die bis nahe an den rohrförmigen Teil 19 heranreichen und so eine gewisse Drosselwirkung hervorrufen. Dadurch, daß der Ringspalt 23 verhältnismäßig eng ist, wird auch bei höheren Druckdifferenzen zwischen Innendruck im Spalt 35 und Umgebungsdruck verhindert, daß größere Mengen der Flüssigkeit aus der Dichtung herausgedrückt werden, denn das Volumen des Ringspaltes 23 ist im Verhältnis zum Volumen des Ringkanals 25 verhältnismäßig klein.

Auf diese Weise bildet der Ringkanal 25 ein Reservoir, so daß auch bei mehrfachen Druckstößen, bei denen möglicherweise geringe Mengen von Flüssigkeit über den Überlauf 29 entweichen, sichergestellt ist, daß noch genügend Flüssigkeit in der Dichtung verbleibt, um eine zuverlässige Dichtwirkung zu gewährleisten. Es sei bemerkt, daß die Dichtung 14 so ausgebildet ist, daß bei normalem Betrieb der Pumpe keine Dichtflüssigkeit über den Überlauf 29 entweicht. In dieser Ausführung sind zwei Scheiben 26 vorgesehen, je nach Betriebsdruck der Pumpe 5 und Größe des Spaltes zwischen einer Scheibe 26 und dem Rotationskörper 15 können auch mehr oder weniger Scheiben 26 vorgesehen sein. Die Scheiben 26 können auch an der Außenseite des Rotationskörpers 15 vorgesehen sein, wobei der erforderliche Drosselspalt zwischen Außenumfang der Scheiben und Außenwandung 20 gebildet ist. Eine erhöhte Druckstabilität der Dichtung 14 kann auch durch Verschließen sämtlicher Öffnungen 27, 29 und 34 erreicht werden. Zu ersetzende Flüssigkeit kann über den Zulauf 27 auch im Betrieb jederzeit nachgefüllt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Flüssigkeit in der Nut 40 so beschaffen ist, daß die im Spalt 35 auf­ steigenden Gase bzw. Dämpfe darin löslich sind. Hierdurch wird eine doppelte Sicherheit geschaffen, da nicht nur gegen Austreten der Dämpfe abgedichtet wird, sondern diese auch sofort nach Eintritt in die Dichtung 14 gebunden werden. Sofern die Gase bzw. Dämpfe wasserlöslich sind, bietet sich Wasser als billigste und nahezu überall zur Verfügung stehende Flüssigkeit an. Um zu verhindern, daß die Sättigungsgrenze für die in der Flüssigkeit gelösten Gase erreicht wird, kann über den Zulauf 27 kontinuierlich Flüssigkeit nachgefüllt werden, z. B. durch Anschluß des Überlaufes 27 an ein Leitungsnetz oder ein Reservoir. Im normalen Betrieb tritt die Flüssigkeit, in der bereits Gase gelöst sind, aus dem Überlauf 29 aus, wo sie, soweit dies aus sicherheitstechnischen Gründen möglich, direkt in den Abfluß, in einen Auffangbehälter oder eine Aufbereitung geführt wird.

Zum Reinigen der Dichtung 14 bzw. zum Austauschen der Flüssigkeit in der Ringnut 40 wird die Schraube 33 gelöst, wonach die Flüssigkeit vollständig durch die Auslaßbohrung 31 abfließt. Zum Reinigen der Dichtung wird die Auslaßbohrung 31 wieder verschlossen, die zu­ sätzlichen Überläufe 34 aber geöffnet. Sodann wird der Zulauf 27 mit Spülflüssigkeit beaufschlagt, die durch die Ringnut 40 über die Überläufe 29 und 34 wieder aus­ tritt. Die zusätzlichen Überläufe 34 sind nicht unbedingt erforderlich, haben sich jedoch zum Reinigen der Dichtung als zweckmäßig erwiesen.

Die anhand des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Aus­ führungsbeispiels beschriebene Dichtung 14 arbeitet praktisch völlig verschleißfrei, da nahezu keine Reibung und somit auch keine Reibungswärme entsteht; die Dichtwirkung ist hervorragend und läßt auch nach jahre­ langem Betrieb nicht nach. Die beschriebene Dichtung 14 bildet somit eine hohe Sicherheit gegen austretende Gase und ist nahezu wartungsfrei.

Der Einsatz der Dichtung 14 ist selbstverständlich nicht auf die hier beschriebene Tauchkreiselpumpe beschränkt, sie ist auch bei Rührern und dgl., allgemein bei vertikalen Wellenabdichtungen, einsetzbar.

Claims (13)

1. Abdichtung für eine rotierende, im Betrieb aufrecht stehende Welle, insbesondere für Wellen von Pumpen und Rührern, gegenüber einem die Welle umgebenden drehfesten Teil, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle (4) ein Rotationskörper (15) sitzt, der fest und dicht mit der Welle (4) verbunden ist und einen im Betrieb nach unten ragenden, die Welle (4) mit Abstand umgebenden Ringteil (19) aufweist, und daß der drehfeste Teil (6) eine nach oben offene, flüssigkeitsgefüllte Ring­ nut (40) aufweist, in der der Ringteil (19) des Rotationskörpers (15) mit Spiel umläuft.

2. Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der drehfeste Teil (6) den Rotationskörper (15) axial überragt,und daß der Rotationskörper (15) an seiner Oberseite eine Abdeckung (17) aufweist, die den oberhalb der Ringnut (40) liegenden Raum zwischen Welle (4) und drehfestem Teil (6) nahezu abschließt.

3. Abdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zulauf (27) zum Auf- und Nachfüllen der Flüssigkeit in der Ringnut (40) vorgesehen ist.

4. Abdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der Oberkante der Ringnut (40) mindestens ein Überlauf (29) vorgesehen ist.

5. Abdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (15) einen solchen Durchmesser aufweist, daß zwischen sei­ ner Innenseite und der inneren Ringnutwandung (22) ein schmaler Ringspalt (23) und zwischen seiner Außenseite und der äußeren Ringnutwandung (20) ein breiter Ringkanal (25) gebildet ist, die über den Nut­ grund (24) kommunizierend miteinander verbunden sind.

6. Abdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotationskörper (15) und drehfestem Teil (6) innerhalb der Ringnut (40) mindestens eine radial zur Wellenachse (16) angeordnete Scheibe (26) vorgesehen ist, die den Ringkanal (25) oder den Ringspalt (23) nahezu voll­ ständig unterbricht.

7. Abdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise zwei mit vertikalem Abstand voneinander angeordnete Scheiben (26) an der äußeren Ringnutwandung (20) im Ringkanal (25) vorgesehen sind.

8. Abdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Nutgrund (24) mindestens eine verschließbare Auslaßöffnung (31) zum Ablassen der Flüssigkeit vorgesehen ist.

9. Abdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Ringnut (40) in dem drehfesten Teil (6) mindestens eine weitere Überlauföffnung (34) vorgesehen ist.

10. Abdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gegen austretende Gase, dadurch gekennzeichnet, daß als Dichtmedium eine Flüssigkeit eingesetzt ist, in der die aufzuhaltenden Gase löslich sind.

11. Abdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist.

12. Abdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit über den Zulauf (27) kontinuierlich erneuerbar ist.

13. Abdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Überlauf (29, 34) und Zulauf (27) verschließbar sind.