DE29511211U1 - Mechanical seal - Google Patents
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Poul Due Jensens Vej 7-11
DK-8850 BjerringbroPoul Due Jensens Vej 7-11
DK-8850 Bjerringbro
GleitringdichtungMechanical seal
Die Erfindung betrifft eine Axial-Gleitringdichtung für eine Kreiselpumpe. The invention relates to an axial mechanical seal for a centrifugal pump.
Derartige Gleitringdichtungen sind in zahlreichen Konstruktionsvarianten bekannt. Aus der US-Patentschrift 3,122,375 ist eine derartige Konstruktion zu entnehmen. Die Dichtung besteht aus zwei mit ihren Gleitflächen axial aufeinander gleitenden Ringen, von denen einer dicht mit der Welle und der andere dicht mit dem Gehäuse verbunden ist. In der Regel ist der wellenseitige Ring in Richtung auf den Gegenring federkraftbeaufschlagt und axial bewegbar - er wird dann als Gleitring bezeichnet -, während der Gegenring gehäusefest angeordnet ist. Der Aufbau kann jedoch auch kinematisch umgekehrt erfolgen.Such mechanical seals are known in numerous design variants. One such design can be found in US patent 3,122,375. The seal consists of two rings whose sliding surfaces slide axially against one another, one of which is tightly connected to the shaft and the other to the housing. As a rule, the shaft-side ring is spring-loaded and axially movable in the direction of the counter ring - it is then referred to as the sliding ring - while the counter ring is fixed to the housing. However, the structure can also be kinematically reversed.
Um die Lebensdauer der Dichtung, insbesondere der aufeinander reibenden Gleitflächen zu erhöhen, ist man bemüht, diese möglichst hart und somit verschleißfrei auszubilden. Eine Werkstoffpaarung hart-hart ist jedoch im Trockenlauf, der zumindest in der Anfahrphase nach dem Einbau des Kreiselpumpenaggregates nicht immer zu vermeiden ist, problematisch. In der vorerwähnten US-In order to increase the service life of the seal, especially of the sliding surfaces that rub against each other, efforts are made to make them as hard as possible and thus wear-free. However, a hard-hard material pairing is problematic in dry running, which cannot always be avoided, at least in the start-up phase after installation of the centrifugal pump unit. In the aforementioned US
Patentschrift ist daher einer der Ringe aus einem harten, abriebsfesten keramischen Werkstoff und der andere Ring aus einem weichen, graphithaltigen Werkstoff ausgebildet. Der aus Graphit bestehende Ring stellt die erforderliche Schmierung der aufeinanderlaufenden Gleitflächen sicher und verhindert somit eine thermische Überlastung durch Reibwärme.According to the patent specification, one of the rings is made of a hard, abrasion-resistant ceramic material and the other ring is made of a soft, graphite-containing material. The graphite ring ensures the necessary lubrication of the sliding surfaces that run against each other and thus prevents thermal overload due to frictional heat.
Nachteilig bei dieser Werkstoffpaarung ist jedoch, daß auch im Naßlauf, das heißt, wenn der durch die Gleitflächen gebildete Drosselspalt mit Flüssigkeit benetzt ist, ein relativ hoher Verschleiß des Graphitringes auftritt. Versuche mit Kreiselpumpen haben ergeben, daß bei einer solchen Gleitringdichtung ein Materialabtrag des Graphitringes zwischen 1 und 4 &mgr;&pgr;&igr; pro Tag auftritt. Dieser relativ hohe Verschleiß erfordert einen Austausch zumindest des Graphitringes in regelmäßigen Abständen, die Pumpe ist damit nicht wartungsfrei.The disadvantage of this material combination, however, is that the graphite ring also suffers relatively high wear during wet running, i.e. when the throttle gap formed by the sliding surfaces is wetted with liquid. Tests with centrifugal pumps have shown that with such a mechanical seal, the graphite ring loses material of between 1 and 4 μπα per day. This relatively high level of wear requires at least the graphite ring to be replaced at regular intervals, meaning that the pump is not maintenance-free.
Das US-Patent 3,926,443 beschreibt eine Gleitringdichtung, bei der eine Materialpaarung hart-hart eingesetzt ist. Um sicherzustellen, daß die Reibung zwischen den aufeinandergleitenden Flächen, insbesondere die dabei erzeugte Wärme nicht zu groß wird, ist der eigentliche Gleitring zweiteilig aufgebaut, nämlich aus einem innenliegenden keramischen Ring sowie einem diesen umgebenden Kunststoffring. Der Abrieb des Kunststoffringes soll beim Betrieb der Dichtung zwischen die keramischen Gleitflächen wandern und dort reibungsvermindernd wirken.US Patent 3,926,443 describes a mechanical seal in which a hard-hard material pairing is used. To ensure that the friction between the surfaces sliding against each other, and in particular the heat generated in the process, is not too great, the actual mechanical seal is made up of two parts, namely an internal ceramic ring and a plastic ring surrounding it. When the seal is in operation, the abrasion of the plastic ring is supposed to migrate between the ceramic sliding surfaces and have a friction-reducing effect there.
Der vorbeschriebene Dichtungsaufbau wirkt sich zwar im Betrieb der Pumpe verschleißmindernd aus, er kann jedoch in der Mehrzahl der Anwendungsfälle eine thermische Überlastung der Dichtung beim Anfahren der Pumpe nach dem Einbau, wenn diese in der Regel noch trockenläuft, nicht zuverlässig verhindern.Although the sealing structure described above reduces wear during pump operation, in the majority of applications it cannot reliably prevent thermal overload of the seal when the pump is started up after installation, when it is usually still running dry.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Axial-Gleitringdichtung für eine Kreiselpumpe zu schaffen, die den kreiselpumpenspezifischen Einsatzbedingungen, insbesondere einer möglicherweise länger dauernden Trockenlaufphase nach dem Einbau, gerecht wird.Based on this, the invention is based on the object of creating an axial mechanical seal for a centrifugal pump, which meets the operating conditions specific to centrifugal pumps, in particular a possibly longer dry running phase after installation.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the features listed in claim 1.
Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung vor, in einer Gleitfläche einen Abschnitt geringerer Härte auszubilden, der gegenüber dem Bereich großer Härte in Richtung auf die gegenüberliegende Gleitfläche des anderen Ringes vorsteht. Durch diese Ausbildung wird sichergestellt, daß beim ersten Anfahren der Pumpe, wenn diese also nach dem Einbau erstmals betrieben wird und in der Mehrzahl aller Einsatzfälle zumindest für eine gewisse Zeit trockenläuft, eine weiche und eine harte Gleitfläche zur Anlage kommen, so daß auch im Trockenlauf eine ausreichende Schmierung im Bereich der Gleitflächen sichergestellt ist und somit eine Überhitzung wirksam verhindert werden kann. Dieser vorstehende Abschnitt der Gleitfläche geringerer Härte wird sich dann im Laufe der Einfahrphase des Pumpenaggregates abschleifen, wobei die dabei entstehenden Partikel das Einlaufen der Gleitflächenbereiche großer Härte begünstigen. Durch dieses zunächst lastfreie Einlaufen dieser Gleitflächen großer Härte wird eine sehr gute Flächenpaarung erzielt, selbst wenn die Oberflächenbearbeitung der Gleitflächen in der Fertigung nicht das gewünschte Ergebnis gebracht hat.Accordingly, the present invention provides for a section of lesser hardness to be formed in a sliding surface, which protrudes from the area of greater hardness in the direction of the opposite sliding surface of the other ring. This design ensures that when the pump is first started up, i.e. when it is operated for the first time after installation and in the majority of cases runs dry for at least a certain period of time, a soft and a hard sliding surface come into contact, so that sufficient lubrication in the area of the sliding surfaces is ensured even when running dry and overheating can thus be effectively prevented. This protruding section of the sliding surface of lesser hardness will then be ground down during the running-in phase of the pump unit, with the particles created thereby promoting the running-in of the sliding surface areas of greater hardness. This initially load-free running-in of these sliding surfaces of greater hardness achieves a very good surface pairing, even if the surface treatment of the sliding surfaces during production did not produce the desired result.
Die erfindungsgemäße Ausbildung trägt dabei den besonderen Betriebsbedingungen von Kreiselpumpenaggregaten Rechnung. Gewöhnlich wird die Pumpe später nur im Fall eines Defektes oderThe design according to the invention takes into account the special operating conditions of centrifugal pump units. Usually, the pump is only subsequently used in the event of a defect or
zu Zwecken der Wartung ausgebaut. Diese Arbeiten werden vom Fachmann durchgeführt, der weiß, daß in dem Fall, in dem bei erneutem Anlauf mit längerem Trockenlauf zu rechnen ist, gegebenenfalls dieser erfindungsgemäß ausgebildete Gleitring zu ersetzen ist.removed for maintenance purposes. This work is carried out by a specialist who knows that in the event that a prolonged dry run is to be expected when starting up again, this sliding ring designed according to the invention may need to be replaced.
Um die Reibung im Bereich zwischen den Gleitflächen zu vermindern, ist es vorteilhaft, den Abschnitt geringerer Härte aus Kunststoff herzustellen, wobei zur weiteren Verminderung der Reibung diesem vorzugsweise Kohlenstoff eingelagert ist, der beim Abrieb als Schmierstoff frei wird.In order to reduce friction in the area between the sliding surfaces, it is advantageous to produce the section of lower hardness from plastic, whereby to further reduce friction, carbon is preferably embedded in this, which is released as a lubricant during abrasion.
Unter Gleitflächenbereichen großer Härte im Sinne der Erfindung sind Härten zu verstehen, die über denen rein metallischer Werkstoffe liegen, also Härten wie sie beispielsweise Hartmetall oder keramische Werkstoffe aufweisen. Diese sollten eine Härte von mindestens sieben Mohs, bzw. im Bereich von 1 000 HV, vorzugsweise jedoch neun oder mehr Mohs aufweisen.For the purposes of the invention, sliding surface areas of high hardness are understood to mean hardnesses that are higher than those of purely metallic materials, i.e. hardnesses such as those exhibited by hard metal or ceramic materials. These should have a hardness of at least seven Mohs, or in the range of 1,000 HV, but preferably nine or more Mohs.
Der oder die Abschnitte geringerer Härte in der Gleitfläche des Gegenringes oder des Gleitringes können prinzipiell beliebig verteilt innerhalb oder außerhalb des Bereichs großer Härte angeordnet sein, bevorzugt jedoch ringförmig um diesen Bereich herum, damit die Abriebpartikel des Kunststoffs sowie der darin eingelagerte Kohlenstoff durch Eigendynamik der Dichtung in den Drosselspalt zwischen die Gleitflächen großer Härte wandern.The section or sections of lower hardness in the sliding surface of the counter ring or the sliding ring can in principle be arranged in any desired manner inside or outside the area of high hardness, but preferably in a ring shape around this area so that the abrasion particles of the plastic and the carbon embedded therein migrate into the throttle gap between the sliding surfaces of high hardness due to the seal's own dynamics.
Fertigungstechnisch besonders günstig ist es, wenn die Abschnitte unterschiedlicher Härte im Gegenring vorgesehen werden, und zwar indem ein ringförmiger Körper, der den Bereich der Gleitfläche hoher Härte bildet, in einen diesen umgebenden Kunststoffring eingegliedert ist, der den Abschnitt geringerer Härte bildet.From a manufacturing point of view, it is particularly advantageous if the sections of different hardness are provided in the counter ring, namely by integrating an annular body, which forms the area of the sliding surface of high hardness, into a plastic ring surrounding it, which forms the section of lower hardness.
Auf diese Weise kann der ringförmige Körper geometrisch einfach aufgebaut sein, was dessen Fertigung vereinfacht. Der umgebende Kunststoffring hingegen kann als Spritzgußteil ohne großen Aufwand formangepaßt sein. Dabei ist es besonders günstig, wenn dieser Kunststoffring um den fertig bearbeiteten ringförmigen Körper umspritzt ist, so daß dieser den ringförmigen Körper allseits und in Drehrichtung formschlüssig hält.In this way, the ring-shaped body can have a simple geometric design, which simplifies its manufacture. The surrounding plastic ring, on the other hand, can be molded as an injection-molded part without great effort. It is particularly advantageous if this plastic ring is molded around the finished ring-shaped body, so that it holds the ring-shaped body in a form-fitting manner on all sides and in the direction of rotation.
Von den Gleitflächen hoher Härte sollten bevorzugt mindestens eine aus einem porösen Material bestehen, in das sich Abriebpartikel des Kunststoffringes zur Reibungsverminderung einlagern können.Of the sliding surfaces of high hardness, at least one should preferably be made of a porous material in which abrasion particles from the plastic ring can be embedded to reduce friction.
Wie hoch der Abschnitt geringerer Härte gegenüber dem übrigen Bereich der Gleitfläche vorstehen soll, ist sowohl abhängig von den aufeinander gleitenden Materialien als auch von der Andruckkraft, der Relativgeschwindigkeit der Gleitflächen zueinander und den Abmessungen der Dichtung sowie der zu erwartenden maximal möglichen Trockenlaufzeit der Pumpe. Bei zahlreichen An-Wendungen wird jedoch ein Vorspringen zwischen 0,1 und 0,8 mm zweckmäßig sein.How much the section of lesser hardness should protrude from the rest of the sliding surface depends on the materials sliding against each other, the contact pressure, the relative speed of the sliding surfaces to each other, the dimensions of the seal and the expected maximum possible dry running time of the pump. In many applications, however, a protrusion of between 0.1 and 0.8 mm will be appropriate.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
25The invention is explained in more detail below using an embodiment shown in the drawing.
25
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die zwischen Welle undFig. 1 is a longitudinal section through the space between shaft and
Pumpengehäuse angeordnete Axial-Gleitringdichtung,Axial mechanical seal arranged in the pump housing,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Gegenring, und zwarFig. 2 a longitudinal section through the counter ring, namely
längs der Schnittlinie II-II in Fig. 4,along the section line II-II in Fig. 4,
Fig. 3 in vergrößerter Darstellung die Einzelheit III in Fig.Fig. 3 shows an enlarged view of detail III in Fig.
2 und2 and
Fig. 4 einen Querschnitt längs der Schnittlinie IV-IV in Fig.Fig. 4 is a cross-section along the line IV-IV in Fig.
S 2S2
Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt eine Axial-Gleitringdichtung, angeordnet zwischen einer drehbar gelagerten Welle 1 und einem feststehend angeordneten Gehäuse 2 eines nicht weiter im einzelnen dargestellten Kreiselpumpenaggregates. Diese besteht gehäuseseitig aus einem mit Abstand zur Welle 1 angeordneten Gegenring 5, der mittels eines O-Ringes 4 dichtend innerhalb einer entsprechenden Ausnehmung des Gehäuses 2 festgelegt ist.The illustration in Fig. 1 shows an axial mechanical seal, arranged between a rotatably mounted shaft 1 and a stationary housing 2 of a centrifugal pump unit (not shown in detail). On the housing side, this consists of a counter ring 5 arranged at a distance from the shaft 1, which is sealed by means of an O-ring 4 within a corresponding recess in the housing 2.
Wellenseitig besteht die Dichtung aus einem Gleitring 3, der axial verschiebbar, jedoch im wesentlichen drehfest auf der Welle 1 angeordnet ist. Hierzu ist der Gleitring 3 drehfest mit einem Mitnehmerring 7 verbunden, der über Klauen drehfest mit einem Mitnehmerring 9 im Eingriff steht. Der Mitnehmerring 9 ist fest mit einem Haltering 11 verbunden, der mittels einer nicht dargestellten Madenschraube auf der Welle 1 befestigt ist. Über einen O-Ring 6 ist der Gleitring 3 gegenüber der Welle abgedichtet. Auf der dem Gegenring 5 abgewandten Seite des Gleitringes 3 bzw. des O-Rings 6 ist dieser über einen Unterlegring 17 gegenüber einer Schraubendruckfeder 8 abgestützt, die sich ihrerseits an dem Mitnehmerring 9 abstützt. Durch die Druckfeder 8, die durch die Ringe 17 und 9 auf der Welle 1 geführt ist, wird der Gleitring 3 in Richtung auf den feststehenden Gegenring 5 gedrückt.On the shaft side, the seal consists of a sliding ring 3, which is arranged on the shaft 1 so that it can move axially but is essentially rotationally fixed. For this purpose, the sliding ring 3 is connected in a rotationally fixed manner to a driver ring 7, which is rotationally fixedly engaged with a driver ring 9 via claws. The driver ring 9 is firmly connected to a retaining ring 11, which is fastened to the shaft 1 by means of a grub screw (not shown). The sliding ring 3 is sealed against the shaft by an O-ring 6. On the side of the sliding ring 3 or O-ring 6 facing away from the counter ring 5, it is supported by a washer 17 against a helical compression spring 8, which in turn is supported on the driver ring 9. The compression spring 8, which is guided through the rings 17 and 9 on the shaft 1, presses the sliding ring 3 in the direction of the fixed counter ring 5.
Der Gegenring 5 besteht aus einem Keramikring 12, der formschlüssig innerhalb eines diesen seitlich umgebenden Kunststoff-The counter ring 5 consists of a ceramic ring 12, which is positively fitted within a plastic ring that surrounds it on the sides.
ringes 13 eingebettet ist. Der Kunststoffring 13 ist um den fertig
bearbeiteten Keramikring 12 gespritzt, so daß er diesen allseitig und in Drehrichtung formschlüssig aufnimmt, wie sich dies aus
den Darstellungen nach den Fig. 2 bis 4 im einzelnen ergibt.
5ring 13 is embedded. The plastic ring 13 is injection molded around the finished ceramic ring 12 so that it positively holds it on all sides and in the direction of rotation, as can be seen in detail in the illustrations in Figs. 2 to 4.
5
Der Kunststoffring 13 überragt den Keramikring 12 in Axialrichtung nicht nur zum O-Ring 4 hin, sondern auch um 0,4 mm in Richtung zum Gleitring 3 hin. Zwischen den zueinanderweisenden Stirnseiten 14-16 von Gegenring 5 und Gleitring 3 wird im Betrieb die eigentliche Dichtfläche gebildet. Die Gleitflächen 14-16 von Gleitring 3 und Gegenring 5 gleiten unter Bildung eines Drosselspaltes aufeinander. Da der Kunststoffring 13 mit seiner zum Gleitring 3 weisenden Stirnseite 16 die Stirnseite 15 des Keramikringes 12 überragt, liegt beim ersten Anfahren des Aggregats zunächst nur die Stirnseite 16 des Kunststoffringes 13 an der Gleitfläche 14 des Gleitringes 3 an. Erst nachdem sich diese abgeschliffen hat, kommt auch die Stirnseite 15 des Keramikringes 12 zur Anlage an der Gleitfläche 14.The plastic ring 13 extends beyond the ceramic ring 12 in the axial direction, not only towards the O-ring 4, but also by 0.4 mm towards the sliding ring 3. During operation, the actual sealing surface is formed between the mutually facing end faces 14-16 of the counter ring 5 and sliding ring 3. The sliding surfaces 14-16 of the sliding ring 3 and the counter ring 5 slide against each other, forming a throttle gap. Since the plastic ring 13 extends beyond the end face 15 of the ceramic ring 12 with its end face 16 facing the sliding ring 3, when the unit is first started up, only the end face 16 of the plastic ring 13 initially rests against the sliding surface 14 of the sliding ring 3. Only after this has been ground down does the end face 15 of the ceramic ring 12 also come into contact with the sliding surface 14.
Der sich dadurch einstellende Effekt besteht im wesentlichen darin, daß beim ersten Anfahren der Pumpe, wenn diese noch keine Flüssigkeit fördert und daher trockenläuft, lediglich die Gleitfläche 16 des Kunststoffringes 13 an der Gleitfläche 14 des Gleitringes 3 anliegt. Die sich dabei ergebende hart-weich-Paarung ist auch im Trockenlauf unproblematisch, der harte Keramikring 3 trägt vom vergleichsweise weichen Kunststoffring 13 Partikel ab. Dabei wird der im. Kunststoffring 13 eingelagerte Kohlenstoff freigesetzt, der als Schmiermittel dient. Der Überstand der Stirnseite 16 gegenüber der Stirnseite 15 ist so gewählt, daß ein Abschleifen der Stirnseite 13 auf Höhe der Stirnseite 15 erst im späteren Betrieb bei Flüssigkeitsförderung erfolgt, Auf diese Weise wird der Keramikring 12 mit seiner Stirnseite 15The resulting effect is essentially that when the pump is first started up, when it is not yet pumping liquid and is therefore running dry, only the sliding surface 16 of the plastic ring 13 rests against the sliding surface 14 of the sliding ring 3. The resulting hard-soft pairing is also unproblematic when running dry, the hard ceramic ring 3 removes particles from the comparatively soft plastic ring 13. This releases the carbon stored in the plastic ring 13, which serves as a lubricant. The protrusion of the front face 16 relative to the front face 15 is selected in such a way that the front face 13 is ground down at the level of the front face 15 only during later operation when liquid is being pumped. In this way, the ceramic ring 12 with its front face 15
langsam an die Stirnseite 14 des Keramikringes 3 herangeführt und angepaßt. Da die Ringe 3 und 12 aus einem porösen Material bestehen, können sich zudem Partikel des Kunststoffringes 13 in diesen Oberflächen einlagern, welche die Reibung weiter vermindern. slowly brought to the front side 14 of the ceramic ring 3 and adjusted. Since the rings 3 and 12 are made of a porous material, particles of the plastic ring 13 can also be embedded in these surfaces, which further reduces friction.
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BezugszeichenlisteList of reference symbols
Claims (9)
ein gehäuseseitiger Ring (5)a shaft-side ring (3)
a housing-side ring (5)
die Gleitflächen (14-16) liegen unter Bildung eines Drosselspalts aneinander aneach ring (3,5) has a sliding surface (14-16)
the sliding surfaces (14-16) lie against each other to form a throttle gap
eine der Gleitflächen (14-16) weist einen Abschnitt (16) geringerer Härte auf
der Abschnitt (16) geringerer Härte steht gegenüber dem Bereich (15) großer Härte in Richtung auf diecut from a material of high hardness
one of the sliding surfaces (14-16) has a section (16) of lower hardness
the section (16) of lower hardness is opposite the area (15) of higher hardness in the direction of the
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1995
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19951102 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 19981123 |
|
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20011210 |
|
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20031006 |
|
| R071 | Expiry of right |