DE102018008278A1

DE102018008278A1 - Rotating positive displacement pump with soft packing seal for pumping liquids with solid components

Info

Publication number: DE102018008278A1
Application number: DE102018008278.5A
Authority: DE
Inventors: Doris Korthaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Eine rotierende Verdrängerpumpe mit Weichpackungsabdichtung, insbesondere zur Förderung von mit Feststoffen durchsetzten Fördermedien, umfasst ein in einem Förderraum 1 positioniertes Paar synchron angetriebener Rotoren 6, jeweils ein Rotor 6 angeordnet auf jeweils einer Welle 4, 5 mit jeweils einer Rotationsdrehachse 7 und mit einer in einem Dichtungsraum 3 positionierten Weichpackungsdichtung, umfassend ein Spannelement 15 und mindestens einen Weichpackungsring 8 mit einer Mittelebene M und einer axialen Breite b. Wenigstens ein Weichpackungsring 8 ist bezüglich seiner Mittelebene M in einem Winkel α zur Drehachse 7 angeordnet, wobei die axiale Komponente B des Winkels α mindestens der axialen Breite b eines Weichpackungsringes 8 entspricht, und wobei die Packungsspannung senkrecht zur Drehachse 7 wirkt und zum Erzeugen der Spannung in radialer Richtung ein elastischer Dichtring 9 vorgesehen ist.A rotating positive-displacement pump with a soft packing seal, in particular for conveying conveying media permeated by solids, comprises a pair of synchronously driven rotors 6 positioned in a conveying space 1, each having a rotor 6 arranged on a shaft 4, 5, each with a rotational axis of rotation 7 and with one in one Sealing space 3 positioned soft packing seal, comprising a tensioning element 15 and at least one soft packing ring 8 with a central plane M and an axial width b. At least one soft packing ring 8 is arranged with respect to its central plane M at an angle α to the axis of rotation 7, the axial component B of the angle α corresponding at least to the axial width b of a soft packing ring 8, and the packing tension acting perpendicular to the axis of rotation 7 and for generating the tension an elastic sealing ring 9 is provided in the radial direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine rotierende Verdrängerpumpe mit Weichpackungsabdichtung, insbesondere zur Förderung von mit Feststoffen durchsetzten Fördermedien, mit einem in einem Förderraum positionierten Paar synchron angetriebener Rotoren, jeweils ein Rotor angeordnet auf jeweils einer Welle mit jeweils einer Rotationsdrehachse und mit einer in einem Dichtungsraum positionierten Weichpackungsdichtung, umfassend ein Spannelement und mindestens einen Weichpackungsring mit einer Mittelebene und einer axialen Breite.The invention relates to a rotating positive-displacement pump with a soft packing seal, in particular for conveying conveying media interspersed with solids, with a pair of synchronously driven rotors positioned in a conveying space, in each case one rotor arranged on a shaft each with a rotational axis of rotation and with a soft packing seal positioned in a sealing space. comprising a clamping element and at least one soft packing ring with a central plane and an axial width.

Eine solche rotierende Verdrängerpumpe mit zwei Rotoren, die im Rahmen dieser Ausführungen auch als Rotationskolben angesprochen sind, ist bekannt durch die DE 10 2007 036 714 B4 . Dort wird eine Drehkolbenpumpe mit einer Wellenabdichtung für den Einsatz von einphasigen, aber auch für zweiphasige, mit Feststoffen durchsetzte Fördermedien gezeigt. Diese Wellenabdichtung ist als eine Gleitringdichtung in einem Cartridgegehäuse ausgebildet. Die Gleitringdichtung ist bei einer Drehkolbenpumpe im Dichtungsraum angeordnet und trennt somit den Förderraum vom restlichen Pumpenaufbau. Weitere Bauarten von zweiwelligen rotierenden Verdrängerpumpen der eingangs beschriebenen Art sind beispielsweise Schraubenspindelpumpen.Such a rotating positive-displacement pump with two rotors, which are also referred to as rotary pistons in the context of these embodiments, is known from DE 10 2007 036 714 B4 . There, a rotary lobe pump with a shaft seal is shown for the use of single-phase, but also for two-phase, media mixed with solids. This shaft seal is designed as a mechanical seal in a cartridge housing. With a rotary lobe pump, the mechanical seal is arranged in the seal chamber and thus separates the delivery chamber from the rest of the pump assembly. Further types of twin-shaft rotating positive displacement pumps of the type described at the outset are, for example, screw pumps.

In der Praxis ist der Einsatz von Gleitringdichtungen für zweiwellige rotierende Verdrängerpumpen weit verbreitet. Die benannte Dichtungsart hat sich insbesondere wegen ihrer sehr geringen Leckageraten als Einsatzstandard für rotierende Verdrängerpumpen etablieren können (vgl. Prof. Dr.-Ing. Müller, H.K; Dr. Nau, B.S.: Fachwissen Dichtungstechnik, www.fachwissen-dichtungstechnik.de, August 2016, Kapitel 11, S.14f.). Allerdings ist auch bekannt, dass Gleitringdichtungen, unabhängig von der Art der Spannungsaufbringung am rotierenden Ring durch O-Ring oder Federnpakete, einen wesentlichen Nachteil aufweisen: So sind Gleitringdichtungen - je nach konstruktivem Aufbau - im erhöhten Maße anfällig gegen Störmedien wie Feststoffe im Dichtungsraum. Ein bekanntes Problem haben Gleitringdichtungen beim Fördern von Medien mit langfaserigen Feststoffbestandteilen, beispielsweise Gras oder Haaren, welche sich um den Gleitring wickeln, diesen zur Seite drücken und dabei den Dichtspalt öffnen. Gelangen kleinere, abrasive Feststoffbestandteile wie Sand in die Dichtung, kommt es zum zeitnahen Totalausfall der Dichtung.In practice, the use of mechanical seals for twin-shaft rotating positive displacement pumps is widespread. The named type of seal has established itself as the standard of use for rotating positive displacement pumps, particularly because of its very low leakage rates (see Prof. Dr.-Ing. Müller, HK; Dr. Nau, BS: Expertise in sealing technology, www.fachwissen-dichtungstechnik.de, August 2016, Chapter 11, pp. 14f.). However, it is also known that mechanical seals, regardless of the type of tension applied to the rotating ring by O-rings or spring assemblies, have a major disadvantage: Depending on the design, mechanical seals are more susceptible to interference media such as solids in the seal chamber. Mechanical seals have a known problem when conveying media with long-fiber solid constituents, for example grass or hair, which wind around the sliding ring, push it to the side and thereby open the sealing gap. If smaller, abrasive solid components such as sand get into the seal, the seal will fail in a timely manner.

Aus der Praxis sind auch weitere Dichtungstypen bekannt, die für rotierende Verdrängerpumpen eingesetzt werden, wie Lippendichtringe für einfache Abdichtungsfälle oder Weichpackungsdichtungen, auch als Stopfbuchspackungen benannt, für Abdichtungen gegen Fördermedien mit Feststoffdurchsatz. Packungsdichtungen gelten durch ihr einfaches Dichtungsprinzip dabei als besonders robust und unempfindlich gegenüber abrasiven Feststoffen, wie zum Beispiel Sandkörnern. Die zum Abdichten eingesetzten Weichpackungen, in der Regel Gelege oder Geflechte aus robusten Materialien, wie beispielsweise Aramidfaser, sind abriebbeständig gegenüber diesen Feststoffpartikeln. Zudem sorgt der konstruktive Aufbau der Weichpackungen dafür, dass schädigende Feststoffanteile sich in das Material der Weichpackung einlagern können, ohne Schaden anzurichten oder die dichtende Funktion zu beeinträchtigen. Solche Vorteile können bei Gleitringdichtungen aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus nicht erreicht werden, da dort am Dichtspalt eine rein metallische Paarung der Dichtpartner eingesetzt wird. Somit eignen sich Weichpackungsdichtungen besonders gut für den Einsatz von Fördermedien mit abrasiven Feststoffanteilen, insbesondere wegen der unterschiedlichen Materialpaarung am Dichtspalt und aufgrund des einfachen konstruktiven Aufbaus.Other types of seals that are used for rotating positive displacement pumps are known from practice, such as lip seals for simple sealing cases or soft packing seals, also known as stuffing box packings, for seals against conveying media with solid throughput. Due to their simple sealing principle, packing seals are particularly robust and insensitive to abrasive solids, such as grains of sand. The soft packs used for sealing, as a rule fabrics or braids made of robust materials, such as aramid fiber, are resistant to abrasion against these solid particles. In addition, the structural design of the soft packs ensures that damaging solids can be stored in the material of the soft pack without causing damage or impairing the sealing function. Such advantages cannot be achieved with mechanical seals due to their structural design, since a purely metallic pairing of the sealing partners is used there at the sealing gap. This means that soft packing seals are particularly well suited for the use of media with abrasive solid components, especially because of the different material pairing at the sealing gap and due to the simple construction.

Stopfbuchspackungen bestehen aus mehreren Weichpackungsringen, die axial durch ein mechanisches Spannelement, der so genannten Stopfbuchsbrille, in einem Dichtungsgehäuse verspannt werden. Die hinter der Stopfbuchsbrille angeordneten Weichpackungselemente werden durch die ringförmig wirkende und axial aufgebrachte Spannung verpresst, sodass das Material in radialer Richtung ausweicht und eine Dichtfläche zwischen der Weichpackung und der Welle ausbildet. Diese Umlenkung des Spanndrucks von axiale in radiale Richtung ist unzulänglich und somit der Grad der Verpressung schlecht kontrollierbar, sodass folglich die Dichtheit der Weichpackungsdichtung stark von den Werkstoffeigenschaften des Weichpackungsmaterials abhängt.Stuffing box packings consist of several soft packing rings which are axially clamped in a seal housing by a mechanical clamping element, the so-called stuffing box gland. The soft packing elements arranged behind the packing gland are pressed by the ring-shaped and axially applied tension, so that the material dodges in the radial direction and forms a sealing surface between the soft packing and the shaft. This deflection of the clamping pressure from the axial to the radial direction is inadequate and the degree of compression is therefore difficult to control, so that the tightness of the soft packing seal is strongly dependent on the material properties of the soft packing material.

Bekannte Packungsdichtungen gelten zwar als besonders robust, kostengünstig und einfach im konstruktiven Aufbau, weisen jedoch auch höhere Leckageraten auf als Gleitringringdichtungen, da die Weichpackungsringe der Packungsdichtung aufgrund ihrer Materialeigenschaften nicht trockenlaufen dürfen und die Dichtfläche zwischen Weichpackung und rotierender Welle somit von einem konstanten Schmierfilm durchsetzt sein muss. Auch muss die Stopfbuchsbrille regelmäßig manuell nachgespannt werden, um die Dichtheit der Weichpackung zu garantieren. Das korrekte Maß des Nachstellens der Stopfbuchsbrille ist aufgrund der in [0005] beschriebenen Druckumlenkung schwer einzustellen. Bei einer zu hohen Packungsspannung kann es beim Einsatz auf rotierenden Wellen schnell zu einer Überhitzung der Weichpackung durch Trockenlauf kommen (vgl. O.M.A.C. Srl. Pumpen: Drehkolbenpumpen. Prospekt Ed. 04/02). Der Trockenlauf einer Packungsdichtung ist grundsätzlich zu vermeiden, um einer Beschädigung der rotierenden Welle durch Einlaufen der Weichpackung in die Welle entgegen zu wirken. Befindet sich wiederum zu wenig Spannung auf der Weichpackung, findet ein erhöhter Leckageaustritt statt und die Packungsdichtung dichtet nicht mehr ausreichend.Known packing seals are considered to be particularly robust, inexpensive and simple in terms of their construction, but they also have higher leakage rates than mechanical seals, since the packing rings of the packing seal must not run dry due to their material properties and the sealing surface between the packing and the rotating shaft is thus permeated by a constant lubricating film got to. The stuffing box gland must also be manually re-tightened to guarantee the tightness of the soft packing. The correct degree of adjustment of the stuffing box gland is difficult to set due to the pressure deflection described in [0005]. If the packing tension is too high, the soft packing can quickly overheat when used on rotating shafts due to dry running (cf. OMAC Srl. Pumps: Rotary lobe pumps. Brochure Ed. 04/02). The dry running of a packing seal must be avoided in order to prevent damage to the rotating shaft Counteracting the soft pack entering the shaft. If there is too little tension on the soft packing, there is an increased leakage and the packing seal no longer seals properly.

Lösungsansätze zum Ausgleich der in [0006] benannten Nachteile von Packungsdichtungen sind bereits bekannt. Durch die DE 29 01 474 A1 ist eine selbstkühlende mechanische Dichtung bekannt, welche ein Wärmeableitungssystem aufzeigt, beispielsweise bestehend aus Isolierringen zwischen den einzelnen Weichpackungsringen und einer erzeugten Luftkühlung an der Außenoberfläche des Dichtungsgehäuses. Zwar wird eine Lösung zur Kühlung einer Packungsdichtung vorgeschlagen, jedoch wird beim Betrieb der bekannten Packungsdichtungsbauweise weiterhin eine kritisch hohe Wärmemenge erzeugt, die die konstante Schmierung der Weichpackung gefährdet und bis zum Trockenlauf der Dichtung führen kann.Approaches to compensate for the disadvantages of packing seals mentioned in [0006] are already known. Through the DE 29 01 474 A1 a self-cooling mechanical seal is known, which shows a heat dissipation system, for example consisting of insulating rings between the individual soft packing rings and a generated air cooling on the outer surface of the seal housing. Although a solution for cooling a packing seal is proposed, the operation of the known packing seal construction continues to generate a critically high amount of heat which jeopardizes the constant lubrication of the soft packing and can lead to the seal running dry.

Weiterhin werden in der DE 903 878 B und auch in der EP 0 607 473 B1 eine Stopfbuchspackung insbesondere für rotierende Wellen für unterschiedliche Anwendungsgebiete gezeigt, welche die Trockenlaufgefahr durch eine Neigung der Einbaulage der Packungsringe zur Drehachse der Rotationswellen verringert. Durch die Neigung der Packungsringe zur Drehachse soll die Schmierungszufuhr an die Dichtfläche durch die stete Rotation der Wellen verbessert werden. Die vorgeschlagenen Packungsdichtungen sind jedoch weiterhin trockenlaufgefährdet und wartungsintensiv, da die mechanische Spannung der Stopfbuchsbrille bei falscher Nachspannung durch den unerfahrenen Pumpenbetreiber schnell zu einer in [0006] beschriebenen Wellenbeschädigung oder zum Funktionsversagen der Dichtung führen kann.Furthermore, in the DE 903 878 B and also in the EP 0 607 473 B1 a gland packing, in particular for rotating shafts for different areas of application, which reduces the risk of dry running by an inclination of the installation position of the packing rings to the axis of rotation of the rotating shafts. Due to the inclination of the packing rings to the axis of rotation, the lubrication supply to the sealing surface is to be improved by the constant rotation of the shafts. However, the proposed packing seals are still at risk of running dry and are maintenance-intensive, since the mechanical tensioning of the stuffing box gland in the event of incorrect re-tensioning by the inexperienced pump operator can quickly lead to shaft damage as described in [0006] or to functional failure of the seal.

Für den Einsatz bei oszillierenden Verdrängerpumpen ist durch die DE 88 14 480 U1 wiederum eine Abdichteinheit für Kolbenpumpen bekannt, welche durch eine radiale Spannung der Weichpackung die Wartung und Druckjustierung einer bekannten Stopfbuchspackung vereinfachen möchte. Dabei wird auf mechanische Spannelemente, wie eine Stopfbuchsbrille, verzichtet und diese durch eine hydraulische radial angeordnete Spanneinheit ersetzt. Diese bringt die flächige Druckbeaufschlagung der Weichpackung ohne Kraftumlenkung direkt radial auf und benötigt nur eine einmalige Einstellung des Flächendrucks. Allerdings ist die beschriebene Bauart nur für hin- und hergehende Bewegungen geeignet, beispielsweise die einer Kolbenstange, da dabei stets eine flüssigkeitsbenetzte und kalte Oberfläche unter dem Packungssitz, also der Dichtfläche, herfährt. Für rotierende Wellen ist die beschriebene Dichtungsbauart nicht ohne weiteres geeignet, da die Kühlung und Schmierung der Dichtfläche durch die wenngleich zwar rotierende, aber in axialer Richtung dennoch stationäre Welle nicht gewährleistet werden kann. Die Dichtfläche zwischen Weichpackungssitz und rotierender Welle wird immer an der gleichen axialen Stelle erzeugt und findet durch den konstanten Eingriff nicht die Möglichkeit einer Abkühlung. Stattdessen findet eine konstante Reibungserzeugung statt, die schnell zum Trockenlauf mit den unter [0006] dargestellten Schäden führen kann.For use with oscillating positive displacement pumps, the DE 88 14 480 U1 in turn, a sealing unit for piston pumps is known, which would like to simplify the maintenance and pressure adjustment of a known stuffing box packing by means of a radial tensioning of the soft packing. Mechanical clamping elements, such as gland packing, are dispensed with and replaced by a hydraulic, radially arranged clamping unit. This applies the flat pressure to the soft pack radially without force redirection and only requires a single setting of the surface pressure. However, the design described is only suitable for reciprocating movements, for example that of a piston rod, since a liquid-wetted and cold surface always comes under the packing seat, that is to say the sealing surface. The described type of seal is not readily suitable for rotating shafts, since the cooling and lubrication of the sealing surface cannot be guaranteed by the shaft, which is rotating but stationary in the axial direction. The sealing surface between the soft packing seat and the rotating shaft is always created at the same axial location and does not find the possibility of cooling due to the constant engagement. Instead, a constant generation of friction takes place, which can quickly lead to dry running with the damage shown under [0006].

Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des vorstehend diskutierten Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Weichpackungsabdichtung für den Einsatz in rotierenden Verdrängerpumpen vorzuschlagen, welche auch bei hohen Drehzahlen beim Verpumpen von abrasiven Feststoffanteilen im Fördermedium eingesetzt werden kann und konstruktiv eine kompakte Bauweise aufweist.Against the background of the prior art discussed above, the present invention is based on the object of proposing a soft packing seal for use in rotating positive displacement pumps which can also be used at high speeds when pumping abrasive solids in the conveying medium and which has a compact design in terms of construction.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch eine rotierende Verdrängerpumpe mit einer Weichpackungsabdichtung der eingangs benannten Art, bei der wenigstens ein Weichpackungsring bezüglich seiner Mittelebene in einem Winkel zur Drehachse angeordnet ist, wobei die axiale Komponente des Winkels mindestens der axialen Breite eines Weichpackungsringes entspricht, und wobei die Packungsspannung senkrecht zur Drehachse wirkt und zum Erzeugen der Spannung in radialer Richtung ein elastischer Dichtring vorgesehen ist.The object is achieved by a rotating positive displacement pump with a soft packing seal of the type mentioned, in which at least one soft packing ring is arranged at an angle to the axis of rotation with respect to its central plane, the axial component of the angle corresponding at least to the axial width of a soft packing ring, and wherein the Packing tension acts perpendicular to the axis of rotation and an elastic sealing ring is provided to generate the tension in the radial direction.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der rotierenden Verdrängerpumpe mit Weichpackungsabdichtung werden erzielt durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2 bis 4.Advantageous embodiments of the rotating positive-displacement pump with a soft packing seal are achieved by the characterizing features of claims 2 to 4.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Packungsdichtung für rotierende Verdrängerpumpen weist verschiedene Vorteile gegenüber bisherigen Ausgestaltungen von Weichpackungsdichtungen für rotierende Verdrängerpumpen nach dem Stand der Technik auf. Ein wesentlicher Vorteil ist dabei eine kontrollierte und justierbare Druckerzeugung, sodass eine Anpassung der Dichtungsverhältnisse an die jeweilige Betriebssituation der rotierenden Verdrängerpumpe vorgenommen werden kann. Die Weichpackungsdichtung benötigt dabei einen Flächendruck, der höher ist als der anstehende Betriebsdruck, um eine Dichtheit zwischen Förderraum und dem übrigen Pumpenraum garantieren zu können.The configuration of the packing seal for rotating positive displacement pumps according to the invention has various advantages over previous designs of soft packing seals for rotating positive displacement pumps according to the prior art. A major advantage is a controlled and adjustable pressure generation, so that the sealing conditions can be adapted to the respective operating situation of the rotating positive displacement pump. The soft packing seal requires a surface pressure that is higher than the operating pressure in order to guarantee a tightness between the delivery chamber and the rest of the pump chamber.

Die nach Art der Erfindung beschriebene Druckerzeugung ist dabei besonders vorteilhaft, da auf eine Umlenkung der Druckspannung von axiale in radiale Richtung verzichtet wird. Durch Einsatz eines elastischen Dichtringes, positioniert auf dem zumindest einen Weichpackungsring, wird konstruktiv eine rein radial wirkende Packungsspannung realisiert. Ein solcher Dichtring ist hinsichtlich seiner in radialer Richtung wirkenden erzeugten Spannung skalierbar. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird hierfür ein hydrostatischer Druck eingesetzt, typischerweise dauerhaft bereitgestellt durch ein Speicherelement. Die fehlende Druckumlenkung - wie bei einer bekannten mechanischen Vorspannungserzeugung üblich - hat zur Folge, dass eine geringere Vorspannkraft als bisher benötigt wird, um dieselbe Dichtheit wie bei bisher marktüblichen Packungsdichtungen zu erzeugen. Die Spannung am hydrostatischen Spannelement kann auf eine Mindestspannung reduziert werden und sorgt daher für verminderte Reibungsverhältnisse an der Dichtfläche und eine verlängerte Lebensdauer der Packungsdichtung.The pressure generation described according to the type of the invention is particularly advantageous, since there is no deflection of the compressive stress from the axial to the radial direction. By using an elastic sealing ring, positioned on the at least one soft packing ring, a purely radially acting packing tension is constructively realized. Such a sealing ring is in terms of its generated radial voltage scalable. According to one embodiment, a hydrostatic pressure is used for this, typically provided permanently by a storage element. The lack of pressure deflection - as is customary in the case of known mechanical prestressing - has the consequence that a lower prestressing force is required than previously in order to produce the same tightness as in the case of packing seals which have been customary on the market until now. The tension on the hydrostatic tensioning element can be reduced to a minimum tension and therefore ensures reduced friction on the sealing surface and an extended service life of the packing seal.

Die Justierbarkeit der erfindungsgemäßen Weichpackungsdichtung und die Kontrollierbarkeit der erzeugten Druckverhältnisse wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3 beschrieben. So wird als Spannelement der Weichpackungsringe ein elastischer Dichtring zur Positionierung der Packungsringe vorgesehen. Um eine Justierbarkeit des Druckes zu realisieren und die bisher bei mechanischen Spannelementen benötigte Nachstellung des Spanndruckes zu vermeiden, wird der elastische Dichtring mit einem Druck beaufschlagt, beispielsweise einem hydrostatischen Druck, welcher die Spannungsverhältnisse am Dichtspalt justierbar macht und die eingestellten Verhältnisse dauerhaft aufrecht erhält. Die Beaufschlagung des elastischen Dichtring mit hydrostatischem Druck soll über ein Speicherelement erfolgen, was die konstruktive Einbindung der erfindungsgemäßen Packungsdichtung in einen Hydraulikkreislauf erspart. Das hydrostatische Speicherelement kann beispielsweise als Hydrospeicher oder Federspeicher ausgeführt werden. Die vereinfachte Justierbarkeit der erfindungsgemäßen Weichpackungsdichtung ermöglicht eine schnelle und vornehmlich präzise Anpassung des Dichtungsverhältnisse an die vorliegenden Betriebszustände der Verdrängerpumpe beziehungsweise der Anlage. Eine stete Nachjustierung wie bei mechanischen Spanneinrichtungen ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nicht mehr nötig und verringert die Fehleranfälligkeit sowie auch die Ausfallwahrscheinlichkeit der Weichpackungsdichtung.The adjustability of the soft packing seal according to the invention and the controllability of the pressure conditions generated is described by the configuration according to the invention according to claims 1 to 3. An elastic sealing ring for positioning the packing rings is provided as the tensioning element of the soft packing rings. In order to achieve an adjustability of the pressure and to avoid the adjustment of the clamping pressure previously required for mechanical clamping elements, a pressure is applied to the elastic sealing ring, for example a hydrostatic pressure, which makes the tension conditions at the sealing gap adjustable and permanently maintains the set conditions. The application of hydrostatic pressure to the elastic sealing ring should take place via a storage element, which saves the constructive integration of the packing seal according to the invention into a hydraulic circuit. The hydrostatic storage element can be designed, for example, as a hydraulic accumulator or spring accumulator. The simplified adjustability of the soft packing seal according to the invention enables the sealing conditions to be quickly and primarily precisely adapted to the present operating states of the displacement pump or the system. A constant readjustment as with mechanical tensioning devices is no longer necessary in the embodiment according to the invention and reduces the susceptibility to errors as well as the failure probability of the soft packing seal.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Weichpackungsdichtung wird in Anspruch 4 beschrieben. Um die Wartungsfreundlichkeit für den Pumpenbetreiber zu erhöhen, soll die Weichpackungsdichtung mit einer Verschleißanzeige ausgestattet sein. Die Verschleißanzeige zeigt den nahenden Wechsel der Weichpackungsringe an und ermöglicht so eine zeitliche Ablaufplanung für die Einbettung des Wechsels in den Pumpenanlagenbetreibungsplan. Auch können durch eine Verschleißanzeige die Wartungsintervalle an der Packungsdichtung ermittelt werden und gegebenenfalls die eingestellten Druckverhältnisse an der Dichtung optimiert werden. Die Verschleißanzeige kann beispielsweise als Manometer oder Stift gestaltet werden.A further advantageous embodiment of the soft packing seal according to the invention is described in claim 4. In order to increase the ease of maintenance for the pump operator, the soft packing seal should be equipped with a wear indicator. The wear indicator shows the impending change of the soft packing rings and thus enables a time schedule for the embedding of the change in the pump system operating plan. The maintenance intervals on the packing seal can also be determined by a wear indicator and, if necessary, the set pressure conditions on the seal can be optimized. The wear indicator can be designed, for example, as a pressure gauge or pen.

Ein Hauptproblem bekannter Packungsdichtungen für rotierende Wellen beziehungsweise rotierende Verdrängerpumpen wird gelöst durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung. Durch die Druckbeaufschlagung einer Dichtfläche zwischen Weichpackungsringen und der rotierenden Welle bildet sich eine stete Reibungs- bzw. Wärmeerzeugung an der Dichtfläche aus. Diese Wärme kann bei bekannten Lösungen kaum abgeführt werden, sodass Weichpackungsdichtungen bei rotierenden Wellen bisher nur im niedrigen Drehzahlbereich einsetzbar sind. Erfindungsgemäß wird eine Neigung des Weichpackungssitzes zur Drehachse der rotierenden Welle vorgeschlagen nach Anspruch 1 in Kombination mit einem im Dichtungsraum angeordneten Kühl- und Schmierungsreservoir nach Anspruch 5, welches auf der dem Förderraum abgewandten Seite der Weichpackungsdichtung angeordnet ist. Dieses Kühlungsreservoir kann durch ein Flüssigkeitsreservoir direkt hinter der erfindungsgemäßen Packungsdichtung ausgebildet sein. Dadurch ist die Weichpackungsdichtung beidseitig von Flüssigkeitsmedien umgeben: Der Flüssigkeit aus dem Kühlreservoir und der Fördermedium. Durch die Schrägstellung der Packung wird eine beliebige Stelle auf der Welle im Laufe einer Wellenrotation immer wieder abwechselnd von Kühlmedium und dichtendem Packungsmaterial überfahren. Durch das stete Überfahren mit dem Kühlmedium können bereits erwärmte Bauteile, wie die rotierende Welle, gekühlt werden. Die Weichpackung wiederum fährt immer wieder über eine geschmierte Oberfläche auf der Welle, sodass ein Trockenlauf der Packungsdichtung vermieden wird. Bedingt dadurch, dass die Packungsdichtung von zwei Seiten von Flüssigkeit umgeben ist, kann dieser Kühlungsvorgang auf beiden Seiten der Weichpackungsringe stattfinden. Durch die optimierte Wärmeabfuhr wird nicht nur die Lebensdauer der Packung erhöht, sondern auch der bisherige Einsatzbereich auf einen deutlich höheren Drehzahlbereich ausgeweitet. Für ein Optimum zwischen Kühlung und Schmierung sollte die axiale Komponente des Neigungswinkels, Charakteristikum der Neigung des Weichpackungssitzes zur Rotationsachse, in seiner Größe circa einem Drittel bis einer Hälfte der axialen Gesamtlänge des Weichpackungssitzes entsprechen. Eine genaue Einstellung des Optimums ist jedoch abhängig vom Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Dichtung. Die erfindungsgemäße Packungsdichtung ist somit sehr vielseitig einsetzbar und bietet eine sehr effektive Dichtungsalternative zur Förderung von Fluiden mit Feststoffversatz.A main problem of known packing seals for rotating shafts or rotating positive displacement pumps is solved by the configuration according to the invention. By pressurizing a sealing surface between the soft packing rings and the rotating shaft, constant friction or heat is generated on the sealing surface. This heat can hardly be dissipated in known solutions, so that soft packing seals on rotating shafts can only be used in the low speed range. According to the invention, an inclination of the soft pack seat to the axis of rotation of the rotating shaft is proposed according to claim 1 in combination with a cooling and lubrication reservoir arranged in the seal chamber according to claim 5, which is arranged on the side of the soft pack seal facing away from the delivery chamber. This cooling reservoir can be formed by a liquid reservoir directly behind the packing seal according to the invention. As a result, the soft packing seal is surrounded on both sides by liquid media: the liquid from the cooling reservoir and the pumped medium. Due to the inclined position of the packing, any point on the shaft is repeatedly run over by cooling medium and sealing packing material in the course of a shaft rotation. By constantly running over the cooling medium, already heated components, such as the rotating shaft, can be cooled. The soft packing in turn runs over a lubricated surface on the shaft, so that the packing seal does not run dry. Due to the fact that the packing seal is surrounded by liquid on two sides, this cooling process can take place on both sides of the soft packing rings. The optimized heat dissipation not only increases the life of the pack, but also extends the previous area of application to a significantly higher speed range. For an optimum between cooling and lubrication, the size of the axial component of the inclination angle, characteristic of the inclination of the soft pack seat to the axis of rotation, should correspond to approximately one third to one half of the total axial length of the soft pack seat. However, an exact setting of the optimum depends on the application of the seal according to the invention. The packing seal according to the invention is thus very versatile and offers a very effective sealing alternative for conveying fluids with a solid offset.

Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung den Vorteil, dass durch das Verzichten auf eine mechanische Spannvorrichtung und die Schrägstellung des Packungssitzes diese - neben allen bisher benannten Vorteilen - deutlich kürzer baut als nach dem Stand der Technik bekannte Packungsdichtungen und somit kompakte Einbaumaße mindestens in der Dimension einer Gleitringdichtung erreicht werden. Da insbesondere bei rotierenden Verdrängerpumpen mit zwei Wellen wenig Raum für den Einbau einer Dichtungseinheit zur Verfügung steht, ist die erfindungsgemäße kompakt bauende Packungsdichtung eine Alternative zu eingesetzten Gleitringdichtungen, welche resistent gegen abrasive Feststoffanteile ist.Furthermore, the configuration according to the invention offers the advantage that by dispensing with a mechanical tensioning device and the Tilting of the packing seat - in addition to all the advantages mentioned so far - it is significantly shorter than packing seals known from the prior art and thus compact installation dimensions can be achieved at least in the dimension of a mechanical seal. Since there is little space available for the installation of a sealing unit, particularly in the case of rotating displacement pumps with two shafts, the compact packing seal according to the invention is an alternative to the mechanical seals used, which is resistant to abrasive solids.

Ein Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Erfindung wird in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt. Die Größenverhältnisse und Ausgestaltung der dargestellten Elemente entsprechen nicht immer den realen Verhältnissen, da einige Formen zur vereinfachten Veranschaulichung schematisch dargestellt sind.

1: 1 zeigt schematisch den exemplarischen Aufbau einer zweiwelligen rotierenden Verdrängerpumpe.
2: 2 zeigt den Aufbau einer Weichpackungsdichtung mit mechanischer Spannvorrichtung nach dem Stand der Technik in einer Schnittansicht.
3: 3 zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Packungsdichtung für rotierende Verdrängerpumpen in einer Schnittansicht.

An embodiment of the proposed invention is shown in the following drawings. The proportions and design of the elements shown do not always correspond to the real conditions, since some shapes are shown schematically for the sake of simplicity.

1 : 1 shows schematically the exemplary structure of a two-shaft rotating positive displacement pump.
2nd : 2nd shows the structure of a soft packing seal with mechanical tensioning device according to the prior art in a sectional view.
3rd : 3rd shows the structure of the packing seal according to the invention for rotating positive displacement pumps in a sectional view.

Die schematische Darstellung in 1 zeigt den generellen Aufbau einer zweiwelligen rotierenden Verdrängerpumpe, hier beispielhaft vom Typ der Drehkolbenpumpe. Es zeigt ein Paar Rotationskolben 6, also den Rotoren, auf je einer Rotationswelle mit Drehachse 7. Die Rotationswellen sind im Fall der Drehkolbenpumpe als Antriebswelle 5 und Synchronwelle 4 bekannt. Die Rotationskolben 6 sind in einem Pumpengehäuse 13 angeordnet und bilden dort einen Förderraum 1 aus, in dem das Verpumpen des Fördermediums stattfindet. Ebenfalls auf den Wellen 4, 5 ist eine Zahnradpaarung in einem Getrieberaum 2 angeordnet. Um den Getrieberaum 2 mit Getriebeöl vor dem Eindringen verunreinigender Feststoffe beziehungsweise Substanzen aus dem Fördermedium frei zu halten, wird zwischen dem Förderraum 1 und dem Getrieberaum 2 ein Dichtungsraum 3 angeordnet, welcher den Getrieberaum 2 vom Förderraum 1 trennt.The schematic representation in 1 shows the general structure of a two-shaft rotating positive displacement pump, here for example of the type of the rotary lobe pump. It shows a pair of rotary pistons 6 , i.e. the rotors, each on a rotary shaft with an axis of rotation 7 . The rotation shafts are in the case of the rotary lobe pump as the drive shaft 5 and synchronous shaft 4th known. The rotary pistons 6 are in a pump housing 13 arranged and form a funding room there 1 in which the pumping of the pumped medium takes place. Also on the waves 4, 5 is a gear pair in a gearbox 2nd arranged. Around the gearbox 2nd Using gear oil to keep contaminants or substances from the pumping medium free from the pumping medium is between the pumping chamber 1 and the gearbox 2nd a seal room 3rd arranged which the gearbox 2nd from the funding room 1 separates.

2 zeigt eine nach dem Stand der Technik bekannte Weichpackungsdichtung mit mechanischer Spannvorrichtung in einer Schnittansicht. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 gekennzeichnet. Gezeigt ist im rechten Teil der Schnittansicht der Förderraum 1 einer rotierenden Verdrängerpumpe mit einem Rotationskolben 6 auf einer Welle 4,5 mit Drehachse. Eine Abgrenzung zum restlichen Raum der rotierenden Verdrängerpumpe wird durch einen Dichtraum 3 mit einer Abdichtung geschaffen, hier eine Weichpackungsdichtung nach dem Stand der Technik. Angeordnet ist die Weichpackungsdichtung im Pumpengehäuse 13. Die Weichpackungsringe 8 werden in Gruppierungen von zwei oder mehreren Ringen in eine Aussparung des Pumpengehäuses 13 eingelegt und mit einer Stopfbuchsbrille 14 gegen das Pumpengehäuse 13 angelegt. Die Abdichtung wird durch Verpressen der Weichpackungsringe 8 durch eine mechanische Spannvorrichtung 15 erreicht. Durch die Stopfbuchsbrille 14 und mechanische Spannvorrichtung 15, hier als Verschraubung ausgeführt, wird der Vorspanndruck axial erzeugt und durch das Aufpressen der Weichpackungsringe 8 in radialer Richtung gegen die jeweilige Welle 4, 5 verpresst. Somit findet eine Kraftumlenkung von axiale in radiale Richtung statt. Auch gezeigt wird das Fenster im Pumpengehäuse 13 im linken Teil der Schnittansicht, welches den Zugang zum manuellen Nachstellen der mechanischen Spannvorrichtung 15 ermöglicht. Optional kann ein Sperrkammerring 16 zwischen einzelnen Gruppierungen von Weichpackungsringen 8 vorgesehen werden. 2nd shows a known according to the prior art soft packing seal with mechanical tensioning device in a sectional view. The same components have the same reference numerals as in 1 featured. The delivery room is shown in the right part of the sectional view 1 a rotating positive displacement pump with a rotary piston 6 on a wave 4.5 with axis of rotation. A boundary to the remaining space of the rotating positive displacement pump is a sealing space 3rd created with a seal, here a soft packing seal according to the prior art. The soft packing seal is located in the pump housing 13 . The soft packing rings 8th are in groups of two or more rings in a recess in the pump housing 13 inserted and with a stuffing box gland 14 against the pump housing 13 created. The seal is made by pressing the soft packing rings 8th through a mechanical clamping device 15 reached. Through the stuffing box gland 14 and mechanical tensioner 15 , here designed as a screw connection, the preload pressure is generated axially and by pressing on the soft packing rings 8th in the radial direction against the respective shaft 4, 5 pressed. A force deflection from axial to radial direction thus takes place. The window in the pump housing is also shown 13 in the left part of the sectional view, which gives access to manual adjustment of the mechanical clamping device 15 enables. Optionally, a barrier chamber ring 16 between individual groups of soft packing rings 8th be provided.

In der 3 wird die erfindungsgemäße Packungsdichtung für rotierende Verdrängerpumpen in einer Schnittansicht gezeigt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 und 2 gekennzeichnet. Da die Einbausituation auf den beiden Wellen, also der Antriebswelle 5 und der Synchronwelle 4, die gleiche ist, wurde auf die Darstellung der zweiten Welle 4, 5 verzichtet. Wie in 2, erkennt man im rechten Teil der Schnittansicht den Förderraum 1 mit dem auf den Wellen 4, 5 montierten Rotationskolben 6. Ebenfalls erkennbar ist der Dichtungsraum 3, der den Förderraum 1 vom restlichen Teil der rotierenden Verdrängerpumpe abtrennt und das Eindringen des Fördermediums in andere Bereiche der Pumpe verhindert. Die erfindungsgemäße Weichpackungsdichtung zur Erfüllung dieser Aufgabe ist in einer Aussparung im Pumpengehäuse 13 angeordnet. Es wird eine Gruppierung von Weichpackungsringen 8 durch einen elastischen Dichtring 9 vorgespannt und in radialer Richtung auf die Welle 4, 5 angepresst. Durch diese erfindungsgemäße Lösung findet keine Umlenkung der Druckspannung statt und das Spannelement 15 liegt in einer Ebene mit der Dichtungsfläche zwischen Weichpackungsringen 8 und der Welle 4, 5. Der Spanndruck des Dichtrings wird hydrostatisch erzeugt und durch ein Speicherelement 10 aufrechterhalten. Somit besteht das hydrostatische Spannelement 15 in diesem Ausführungsbeispiel aus dem Dichtring 9 und dem Speicherelement 10. Das Speicherelement 10 kann beispielsweise als Hydro- oder Federspeicher ausgeführt werden, hier gezeigt als Federspeicher. Jedes Speicherelement 10 wird mit einer Verschleißanzeige 11 ausgestattet: Bei der Wahl eines Federspeichers wird diese vorzugsweise als mechanische Anzeige ausgeführt, hier als Wegdifferenz s, und bei der Wahl eines Hydrospeichers wird eine Verschleißanzeige 11 als Manometer bevorzugt. Die Verschleißanzeige 11 an der Speicherzufuhr zeigt das Ende des Lebenszyklus der Dichtung an. Sollte eine Nachjustierung des Spanndruckes der Weichpackungsdichtung benötigt werden, beispielsweise durch wechselnde Betriebszustände in der Pumpenanlage, kann dies am Speicherelement 10 eingestellt werden, sodass kein ausgespartes Fenster im Pumpengehäuse 13 zum manuellen Nachstellen der Weichpackungsringe 8 mehr vorgesehen werden muss wie bei Weichpackungsdichtungen nach dem Stand der Technik in 2.In the 3rd the packing seal according to the invention for rotating positive displacement pumps is shown in a sectional view. The same elements have the same reference numerals as in 1 and 2nd featured. Because the installation situation on the two shafts, i.e. the drive shaft 5 and the synchronous shaft 4th , which is the same, was based on the representation of the second wave 4, 5 waived. As in 2nd , you can see the delivery chamber in the right part of the sectional view 1 with the one on the waves 4, 5 mounted rotary pistons 6 . The seal space is also recognizable 3rd that the funding room 1 separates from the rest of the rotating positive displacement pump and prevents the pumped medium from entering other areas of the pump. The soft packing seal according to the invention for fulfilling this task is in a recess in the pump housing 13 arranged. It becomes a grouping of soft packing rings 8th thanks to an elastic sealing ring 9 preloaded and in the radial direction on the shaft 4, 5 pressed. With this solution according to the invention, there is no deflection of the compressive stress and the tensioning element 15 lies in a plane with the sealing surface between soft packing rings 8th and the wave 4, 5 . The clamping pressure of the sealing ring is generated hydrostatically and by a storage element 10th maintain. Thus there is the hydrostatic clamping element 15 in this embodiment from the sealing ring 9 and the storage element 10th . The storage element 10th can for example be designed as a hydraulic or spring accumulator, shown here as a spring accumulator. Every storage element 10th comes with a wear indicator 11 equipped: When choosing a spring accumulator, this is preferably used as a mechanical display executed, here as a path difference s , and when choosing a hydraulic accumulator, a wear indicator appears 11 preferred as a manometer. The wear indicator 11 the memory feed indicates the end of the seal life cycle. If readjustment of the clamping pressure of the soft packing seal is required, for example due to changing operating conditions in the pump system, this can be done on the storage element 10th can be set so that there is no recessed window in the pump housing 13 for manual adjustment of the soft packing rings 8th more has to be provided as with soft packing seals according to the state of the art in 2nd .

Um eine stete Kühlung und Schmierung der erfindungsgemäßen Weichpackungsdichtung zu garantieren, zeigt 3 die Neigung des Weichpackungssitzes zur Rotationsachse 7. Die Neigung wird als Winkel α definiert und ist dabei abhängig von der axialen Breite b der gewählten Weichpackungsringe 8, da die Neigung des Packungssitzes α immer so gewählt werden sollte, dass die axiale Komponente B des Winkels α immer größer ist als die axiale Breite b des eingesetzten Weichpackungsringes 8. Dies sollte so dimensioniert werden, um eine stete Flüssigkeitszufuhr aus dem Schmier- und Kühlungsreservoir 12 zum Packungssitz realisieren zu können. Durch die Schräglage wird ein Teil der dichtenden Weichpackungsringe 8 durch die Flüssigkeitszufuhr gekühlt und geschmiert nach der bereits in [0017] beschriebenen Art und Weise. Gelangt ein dichtender Abschnitt der Weichpackungsringe 8 über die flüssigkeitsbenetzte Stelle auf der rotierenden Welle 4, 5, überfährt dieser eine gekühlte und geschmierte Stelle. Um diese Kühlung und Schmierung immer garantieren zu können, wird über die nachfolgende Gleichung der Neigungswinkel α des Packungssitzes zur Rotationsachse 7 ins Verhältnis gesetzt zur axialen Breite b und Durchmesser d eines eingesetzten Weichpackungsringes 8: $α_{min} = arctan (\frac{B}{d}), wobei B \geq b .$

Der Neigungswinkel α ist in 3 besonders gut anhand der Neigung der Mittelebene M der Weichpackungsringe 8 gegenüber der Rotationsachse 7 zu erkennen. Ein Optimum zwischen Kühlungs- und Schmierungseffekt stellt sich ein, wenn die Größe des Neigungswinkels α sich anhand der axialen Gesamtlänge L des Weichpackungssitzes orientiert. Dabei sollte die Größe der axialen Komponente B des Neigungswinkels α circa einem Drittel bis einer Hälfte der axialen Gesamtlänge L des Weichpackungssitzes entsprechen, jedoch nicht größer sein als diese.In order to guarantee constant cooling and lubrication of the soft packing seal according to the invention, shows 3rd the inclination of the soft pack seat to the axis of rotation 7 . The slope is called the angle α defined and depends on the axial width b the selected soft packing rings 8th , because the inclination of the packing seat α should always be chosen so that the axial component B of the angle α is always greater than the axial width b of the soft packing ring used 8th . This should be dimensioned to ensure a constant supply of liquid from the lubrication and cooling reservoir 12th to realize the packing seat. Due to the inclined position, part of the sealing soft packing rings 8th cooled and lubricated by the liquid supply in the manner already described in [0017]. Get a sealing section of the soft packing rings 8th over the liquid wetted point on the rotating shaft 4, 5 , this runs over a cooled and lubricated point. In order to always be able to guarantee this cooling and lubrication, the following equation is used to determine the angle of inclination α of the packing seat to the axis of rotation 7 in relation to the axial width b and diameter d an inserted soft packing ring 8th :

α_{min} = arctan (\frac{B}{d}), where B \geq b .

The angle of inclination α is in 3rd particularly good based on the inclination of the median plane M the soft packing rings 8th opposite to the axis of rotation 7 to recognize. An optimum between the cooling and lubrication effect is achieved when the size of the angle of inclination α yourself based on the total axial length L of the soft pack seat. It should be the size of the axial component B of the angle of inclination α about a third to a half of the total axial length L the soft pack fit, but not larger than this.

BezugszeichenlisteReference list

11: FörderraumFunding area
22nd: GetrieberaumGearbox
33rd: DichtungsraumSeal space
44th: SynchronwelleSynchronous shaft
55: Antriebswelledrive shaft
66: Rotationskolben bzw. RotorenRotary pistons or rotors
77: Rotationsdrehachse bzw. DrehachseRotation axis of rotation or axis of rotation
88th: WeichpackungsringSoft packing ring
99: DichtringSealing ring
1010th: SpeicherelementStorage element
1111: PackungsverschleißanzeigePack wear indicator
1212th: Kühl- und SchmierflüssigkeitsreservoirCoolant and lubricant reservoir
1313: PumpengehäusePump housing
1414: StopfbuchsbrilleStuffing box goggles
1515: SpannvorrichtungJig
1616: SperrkammerringLock chamber ring

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102007036714 B4 [0002]
DE 2901474 A1 [0007]
DE 903878 B [0008]
EP 0607473 B1 [0008]
DE 8814480 U1 [0009]

Claims

Rotating positive-displacement pump with soft packing seal, in particular for conveying conveyed media with solid matter, with a pair of synchronously driven rotors (6) positioned in a conveying space (1), one rotor (6) each arranged on a shaft (4, 5) with one each Rotation axis of rotation (7) and with a soft packing seal positioned in a sealing space (3), comprising a tensioning element (15) and at least one soft packing ring (8) with a central plane (M) and an axial width (b), characterized in that at least one soft packing ring (8) is arranged at an angle (a) to the axis of rotation (7) with respect to its central plane (M), the axial component (B) of the angle (a) corresponding at least to the axial width (b) of a soft packing ring (8), and wherein the packing tension acts perpendicular to the axis of rotation (7) and an elastic sealing ring (9) is provided to generate the tension in the radial direction.

Positive displacement pump after Claim 1 , characterized in that the sealing ring (9) can be acted upon by hydrostatic pressure.

Positive displacement pump after Claim 2 , characterized in that a storage element (10) is provided to maintain the pressure.

Positive displacement pump after Claim 3 , characterized in that the clamping element (15) is equipped with a soft packing ring wear indicator (11).

Displacement pump according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that a cooling and lubricating fluid reservoir (12) is arranged in the sealing chamber (3) on the side facing away from the delivery chamber (1).