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© EagleBurgmann 2011Business Sector Chemicals, Water, Pharmaceuticals and Food Verfasser: Andreas Eiletz BC 15.11.2011

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Die Wellenabdichtung von PumpenStand der Technik

Pumpen und Schüttgut Forum Würzburg, 15. November 2011Andreas EiletzEagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG



Inhalt

� Stopfbuchspackungen

� Gleitringdichtungen und Versorgungssysteme

� Gleitringdichtungen für sterile Anwendungen

� Spaltrohrmotorpumpen

� Magnetkupplungen



Pumpen und Wellenabdichtung

Pumpen mit Dichtungen:

� Packung

� Gleitringdichtung

Dichtungslose Pumpen:

� Magnetkupplung

Spaltrohrmotorpumpen



Stopfbuchspackungen



Marktanforderungen am Beispiel eines Kraftwerkes

� So groß und imposant die heutigen Kraftwerke auch sind, so wichtig sind auch die meist unscheinbaren Komponenten, die erst einen störungsfreien und effizientenBetrieb gewährleisten.

� Trotz der in vielen Kraftwerkskomponenten immer mehr gegenwärtigen Gleitringdichtungen, ist die Stopfbuchspackung nach wie vor eine bewährte und zuverlässige Lösung.



Übersicht verschiedener Packungen



Gleitringdichtungen



� Flüssigkeiten (niedrig und hochviskos)

� Schmelzen

� Feststoffe / Pulver

� Gase

� Multiphasen

� Lebensmittel

� usw.

� Vakuum bis 600 bar

� 0 … 200 m/s

� -197°C … + 500 °C

Anwendungsbereiche für Gleitringdichtungen

8



Die Gleitringdichtung ist ein Maschinenelement zum Abdichten vonrotierenden Wellen zu stationären Gehäusen.

Einbauraum GLRD

Motor

Welle

Kupplung

Lager

Gehäuse

Definition der Gleitringdichtung



Rotierende Einheit

� Rotierender Gleitring (1)

� Nebendichtelement (2)

� Federelement (3)

� Drehmomentübertragung (4)

Stationäre Einheit

� Stationärer Gegenring (5)

� Nebendichtelement (6)

Hauptbestandteile einer Gleitringdichtung

12 53 64



Funktionsweise einer Dichtung

Schließkraft

� Statische Schließkraft

� Hydraulische Schließkraft

Feder Medium



Funktionsweise einer Dichtung

Medium / Sperrflüssigkeit dient als Kühl- und Schmiermittel

Medium

Kühlung Schmierung



k >1 = belastete Dichtung

� für mittlere Drücke

� Abhängig vom Medium

ØDa

ØDi

ØDa

ØDh

Nicht entlastete Dichtung



Entlastete Dichtung

k <1 = entlastete Dichtung

� für hohe Drücke und sensible Medien

ØDaØDa

ØDh ØDi



Die 3 Sichtweisen auf eine Gleitringdichtung

1. Vor dem Dichtspalt

2. Im Dichtspalt3. Nach dem Spalt



Dichtungstypen

0-Ring-Dichtung

Balg-Dichtungen

� Metallfaltenbalg-Dichtung

� Rollbalg-Dichtung

� Gummibalg-Dichtung



Produkt Quenchmedium

Sperrflüssigkeit

Dichtungsanordnungen

Mehrfachdichtungen

Einzeldichtungen

�Tandem

�Back to Back�Face to Face



Einfachwirkende Dichtung - Rotierende Feder

Im Stopfbuchsraum montiert, aussendruckbelastet

� Federn in Produktkontakt

� Federn nicht in Produktkontakt



Einfachwirkende Dichtung - Stationäre Feder

Im Stopfbuchsraum montiert, außendruckbeaufschlagt

� Federn mit Produktkontakt

� Federn ohne Produktkontakt



Tandemanordnung

� Funktion als Einfachdichtung mit Sicherheitsdichtung

� Quenchmedium drucklos (Standard)

� Überwachungsmöglichkeit

� Leckagekontrolle

� Mediumsgeschmierte Gleitflächen

� Umweltsicherer Betrieb

� Kühlung / Heizung

� Vermeidung von Ablagerungen

QuenchmediumProdukt

AtmosphäreProdukt



Tandem-Anordnung

21



Anordnung Gleitringdichtungen mit Sperrflüssigkeit

AtmosphäreProdukt

SperrflüssigkeitBack to back

� Back to Back oder Face to Face

� Gleitflächen von der Sperrflüssigkeit geschmiert

� Druckbeaufschlagte Sperrflüssigkeit (Produktdruck + 2..3 bar bzw. +10% über Produktdruck)

� Keine Produktleckage

� Für aggressive Medien

� Für feststoffhaltige Medien

� Für polymerisierende, klebrige Medien

� Umweltsicherer Betrieb

AtmosphäreProdukt

Sperrflüssigkeit� Face to face



Dichtungsbeispiele



Versorgungssysteme

Wozu überhaupt?

� um der Gleitringdichtung das optimale Umfeld zu schaffen

� um Leckage zu sammeln

� um Leckage an die Atmosphäre zu verhindern

� um die Dichtungsfunktion zu kontrollieren

� zur Druckbeaufschlagung

� zur Druckreduzierung

� zur Kühlung / Heizung / Umwälzung

� zur Spülung

� als Luftabschluss



Beispiele für Versorgungssysteme



API-Plan 01

Interne Zirkulation vomPumpendruckstutzen zurDichtung

Verwendung:- Für saubere Medien

und allgemeineAnwendungen



API-Plan 21

Zirkulation vomDruckstutzendurch eine Blendeund einen Kühler zurGleitringdichtung

Verwendung:- Für saubere

und heiße Medien



API-Plan 31

Zirkulation vomDruckstutzen durch Zyklonabscheider zur GLRD; sauberes Mediumzur GLRD, Feststoffe zurSaugseite der Pumpe

Verwendung:- Bei Medien mit

Feststoffen



API-Plan 53A

Druckbeaufschlagte, externe Flüssigkeits-vorlage, Thermosiphon oder Zwangszirkulationfalls erforderlich

Verwendung:- Wo keine Leckage an die

Atmosphäre erlaubt ist- Bei Vakuum- Bei Medien die

auskristallisieren oder nicht mit Luft in Kontakt kommen dürfen

- Zum Kühlen / Heizen - Leckage ins Produkt und

zur Atmosphäre



API-Plan 53B

Druckbeaufschlagte, externe Flüssigkeits-vorlage, Thermosiphon oder Zwangszirkulationfalls erforderlich

Verwendung:- Wie bei Plan 53 A- Kein Kontakt der Sperr-

flüssigkeit zum Gas



Trends in der Gleitringdichtungstechnik

� Cartridge-Einheiten

� Gasgeschmierte Dichtungen

� Sterildichtungen

� Neue Werkstoffe: Diamond Faces



Montagefertige Einheiten (Cartridge)

Montagefertige Einheit � Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit



Cartridge-Einheiten



Warum Cartridge-Einheiten

� Größere funktionale Sicherheit durch vormontierte Dichtung

� Es können keine Meßfehler während der Montage, wie bei Komponentendichtungen entstehen

� Eintrag von Schmutz oder Beschädigung der Gleitflächen während der Montage wird verhindert

� Reduzierung der Montagekosten durch vormontierte Einheit

� Reduzierung der Stillstandzeiten der Anlagen während der Montage

� Schutz der Pumpenwelle / Wellenhülse- kein dyn. O-Ring, welcher die Welle beschädigen kann- Cartridge hat eigene Wellenhülse



HRGS-DD / HRGS-DC – Gasdichtung für anspruchsvolle Bedingungen

Wellendurchmesser: 20….200mm

Gleitgeschwindigkeit: 4 … 25 m/s

Produktdruck p1: Max. 22 bar (HRGS-DC)Max. 39 bar (HRGS-DD)

Sperrdruck p3:Max. 25 bar (HRGS-DC)Max. 42 bar (HRGS-DD)

Differenzdruck min. 3 barMax. 16 bar!



Gleitringdichtungen für sterile Anwendungen



Anforderungen an sterile GleitringdichtungenAnforderungen an sterile Gleitringdichtungen

37

� Oberflächen: geschlossen, glatt, homogen

� Kleinste Oberflächenrauhigkeiten, Elektropolitur / mechanische Politur

� Wenig Spalte und Toträume

� Wenn, dann große und offene Spalte und Toträume

� CIP-gerechte Konstruktion

� SIP-gerechte Konstruktion

� Chemische Beständigkeit gegen Produkt, Reinigungsmittel und Sterilisation (Dampfkondensat)

� Steriles Sperrmedium bei Doppeldichtungen

CIP: Cleaning in PlaceSIP: Sterilisation in Place



AnwendungsspektrumAnwendungsspektrum

38

80%

15%

5%

Einzeldichtungen

Einzeldichtungen mit Quench

Doppeldichtungen

Begründung für den hohen Anteil an Einzeldichtungen:

Die Sperrflüssigkeit bzw. den Quench steril zu erhalten, bedeutet einen erheblichen zusätzlichen Aufwand



Zu vermeidende konstruktive DetailsZu vermeidende konstruktive Details

39

Was bei unseren Konzepten, je nach Anforderungskategorie, vermieden wird:

Nischen und SpaltenFeder im Produkt



Zu vermeidende konstruktive DetailsZu vermeidende konstruktive Details

40

FederelementFederraum

Innensechskant

SchlitzO-Ring mit Spalt

Spalte

Negativ-Beispiel für eine Sterilanwendung:



Gestaltung der Elastomer-Einbauräume

41

Nicht empfehlenswert Sehr empfehlenswert

wegen Nischen und Spalten → nicht sterilgerecht

Sehr gut reinigbar keine Nischen und Spalten

Quelle: EHEDG



Gestaltung des Dichtungs-Einbauraumes

42

Spalte und Nischen - schlecht bzw. gar nicht reinigbar

GLRD unmittelbar am Laufrad und offener Raum, gut umspült, dadurch sehr gut reinigbar

Quelle: EHEDG




Gestaltung des Dichtungs-Einbauraumes

43

Spalte und Nischen

GLRD direkt im offenen Raum platziert, der weite Raum ermöglicht eine sehr gute Reinigung

Quelle: EHEDG


Enger Einbauraum, weit vom Laufrad entfernt, ungeeignete Einbausituation für die GLRD –schlecht reinigbar



SterilSteril--Dichtungen fDichtungen füür QHD, FDA u. 3A Anforderungenr QHD, FDA u. 3A Anforderungen

44

SHJ92...

Kohle/SiC + 1.4462 / 1.4571

Standard Oberflächen: Ra < = 0,8 µm

SGR…

Ausführung mit QuenchSHJ92S…

Ohne Quench

SiC/SiC + 1.4462 / 1.4571

SiC/SiC +1.4462 / 1.4571



Federung auf produkt-abgewandter Seite

Laufrad

Steril-Dichtungen für höherwertige Anforderungen wie EHEDG

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spaltfreie Konstruktiondurch spezielle Formelemente

Typ SHJ



Steril-Dichtungen für höherwertige Anforderungen wie EHEDG

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Statisches DichtelementProfilring mit speziellersterilgerechter Dichtlippe

Statisches Dichtelement

Profilring mit speziellem Konus zur spaltfreien Abdichtung

Dynamische DichtelementeRunddichtring

Nicht EHEDG gerecht

Federraum-Leckageschutzdurch spezielles Dichtelement

EHEDG gerechte GLRD

Totraumfrei und Nischenfrei

Dynamisches DichtelementProfilring mit speziellersterilgerechter Dichtlippe

Federraum ungeschüzt

Werkstoffpaarung SiC / SiC + 1.4462 / 1.4571+ EPDM

Totraum- und nischenfreie Anwendungen in der Lebensmittel- und

Pharmaindustrie

Low Ferrit Stähle noch nicht zwingend:

1.4462 bzw. 1.4571 noch zulässig

Standard Oberflächen:

Ra < oder = 0,4µm

Typ SHJ

Statisches DichtelementRunddichtring



Steril-Dichtungen - einfachwirkend

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Typ SGR Für hochsterile Anforderungen jeglicher Art – EHEDG-zertifiziert

SGR1-C/40

Werkstoffe:SiC / SiC1.4435 low Ferrit: Fe <1 %



Steril-Dichtungen - doppeltwirkend

48

Typ SGR

SGR1-D/40

Für hochsterile Anforderungen jeglicher Art – wahlweise drucklos oder gesperrt

Werkstoffe:SiC / SiC1.4435 low Ferrit: Fe <1 %



SterilSteril--DichtungenDichtungen

49

Typ Rollbalgdichtung Edelstahl

MF95...

Kohle/SiC

SiC/SiC+ 1.4462 / Balg Hastelloy

Standard Oberflächen: Ra < oder = 0,8µm Alternativ als Kunststoffbalg



50

EHEDG Zertifizierung



Werkstoffe



Der ideale Gleitwerkstoff ist:

� Korrosionsbeständig

� Verschleißfest� Formstabil

� Notlauffähig

� Wärmeleitend� Gut und preiswert zu bearbeiten

Gleitwerkstoffe – Eigenschaften

Medium- / Druckseite

Parallel-Spalt V-Spalt A-Spalt

0

20

40

60

80

100

120

B-Kohle A-Kohle S-Bume5 V-Al-Oxid

99,5 %

U2-WC Q1-SiC

[W/mK]

0

2

4

6

8

10

12

14

B-Kohle A-Kohle S-Bume5 V-Al-Oxid 99,5

%

U2-WC Q1-SiC

pH-Wert



Temperatur( Die Werte sind Herstellerunterlagen entnommen und daher nicht verbindlich )

Nitril-Butadien-Kautschuk Perbunan

Ethylen-Propylen-KautschukEPDM

Fluor-Karbonkautschuk VITON

0C/32F

+200C/392F

+150/302F

+100C/212F

-40C/-40F

-20C/-4F

-30C/-20F

StatischeO-Ringe

Nitril-Butadien-KautschukPerbunan

Ethylen-Propylen-KautschukEPDM

Fluor-KarbonkautschukVITON

0C/32F

+150C/302F (Öl)+75C/167F (Wasser)

(niemals für Öl benutzen)+140/284F (Wasser)

+75C/167F

-20C/-4F

-5C/23F

-20C/-4F

DynamischeO-Ringe

Temperatur

Temperaturbeständigkeiten von O-Ringen



Neue Werkstoff-Technologie: DiamondFaces®

Prozessindustrie fordert höhere Anlagenverfügbarkeit und Ausbeute

� Erhöhung von Druck, Temperatur, Drehzahl

� Unter Berücksichtigung geringerer Instandhaltungskosten

�Herstellung neuartiger Produkte wie z.B. Nanomaterialien

�Erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Anlagen, deren Komponenten und Werkstoffe



Vom Graphit zum Diamant

Här

te

Graphit

Diamant

DLC

1960 1998 2007

Hexagonal kristallisierende Modifikation des Kohlenstoffs. Aufgrund der lamellaren Struktur ist die Schmierfähigkeit hoch.

DLC (Diamond Like Carbon)

DLC Schichten haben einen hohenAnteil an Graphit(bis zu 60%), und somit hervorragende Notlauf-eigenschaften.

Diamant

Diamant zeichnet sich durch die hervorragende physikalische Eigenschaften: Härte, E-Modulund thermische Leitfähigkeit aus

Graphit



Vergleich Diamond Like Carbon - DiamondFaces®

DLC DiamondFaces®

Struktur Amorph Polykristallin

Härte [ HV] 1000 - 4000 10.000

Wärmeleitfähigkeit [W/mK] 10 2000

Typische AnwendungSchutz der Gleitflächen beim

An- und Abfahren von Kompressoren

Schutz vor partiellem Trockenlauf

Schutz vor abrasiven Partikeln



Was ist die DiamondFaces®–Technologie?

Diamant ist der härteste Werkstoff der Welt:

DiamondFaces® steht für diamantbeschichtete Gleitflächen:

Somit steht eine einzigartige Gleitflächenpaarung für extreme Anwendungen

mit folgenden Vorteilen zur Verfügung:

� Geringst möglicher Verschleiß � Diamant gegen Diamant

� Reduzierter Reibbeiwert � Faktor 8 gegenüber herkömmlicher SiC/SiC-Paarung

� Erhöhte Lebensdauer bei abrasiven Produkten und partiellem Trockenlauf

� Verringerte Wärmeentwicklung



Herstellungsverfahren



• Großflächige Beschichtungen

• Optimale Oberflächenebenheit

• Kontinuierliche Qualitätsprüfung

Automatisierte, industrielle Fertigung



Spaltrohrmotorpumpen



Magnetkupplungen



Warum Magnetkupplungen?

-hermetisch dicht

-für Pumpen, Rührwerke und Gebläse



Dichtungsfunktion

Spalttopf

Statische Dichtung: O-Ring, Flachdichtung



Drehmomentübertragung

Innenrotor mitMagnetbestückung

Außenrotor mit Magnetbestückung



Magnetwerkstoffe

MA3 = Sm2Co17 Samarium Cobalt MA8 = NdFeB Neodym Eisen Bor



Magnetabstand / Temperaturabhängigkeit

Übertragbares Drehmoment in Abhängigkeit vomMagnetabstandzwischen Innen-und Außenrotor

Magnetabstand [mm]

Übe

rtra

gbar

es D

rehm

omen

t [%

]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 70

75

80

85

90

95

100

105

25 50 80 110 140 170 200 230

Temperatur [°C]D

rehm

omen

t [%

]

MA3

MA8



Lagerungsfunktion

Lagerung:

radial

axial

Zirkulations-eintritt



Zirkulation innerhalb der MAK

Zirkulations-eintrittZirkulationsaustritt

Aufgabe:• Lagerschmierung• Wärmeabfuhr am Spalttopf



ZirkulationseintrittZirkulations-

austritt

Mindestmenge:3 l / min., entspr.∆p = 0,5 bar bei Wasser

Zirkulation innerhalb der MAK



Chemienormpumpe

Die hDie hääufigste Anwendung von ufigste Anwendung von MagnetkupplungenMagnetkupplungen



API Prozesspumpen



Schraubenspindelpumpen



Seitenkanalpumpen



Fördermedium mit geringem Feststoffanteil



Sekundäre Dichthülle: MAK mit CGS Sicherheits-Dichtung

CGSS1/35-00-U als Sicherheitsdichtung



Hochleistungs-Magnetkupplung (NMB)

� Patentierte Konstruktion reduziert bis zu 99% der Wirbelstromverluste

� Weniger Wärmeentwicklung und Leistungsverbrauch

� Vergrößerter Einsatzbereich der Magnetkupplungen für hohe Drücke, Drehzahlen und Leistungen

� Ideal für temperaturempfindliche Medien

� z.B. Tieftemperatur- und Gasanwendungen



Hochleistungs-Magnetkupplung (NMB)


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