Pompasafdichting
met functiegescheiden opbouw
De ontwikkeling van de Liquidyne pompasafdichting is ca. 16 jaar geleden begonnen met als toepassingsgebied de baggerindustrie. Momenteel zijn vrijwel alle baggerpompen uitgerust met deze afdichting. Daarnaast worden tal van andere centrifugaal pompen, zoals o.a. proces- en koelwaterpompen, voorzien van dit afdichtingsprincipe dat zich kenmerkt door zijn funktiegescheiden opbouw. Door de mogelijkheid van funktiescheiding kan de uitvoering van de Liquidyne aangepast worden aan de bedrijfsomstandigheden. De Liquidyne is nagenoeg onderhoudsvrij, bijzonder goed bestand tegen hoge belasting door omtreksnelheid en drukverschil, is zeer slijtvast en heeft een voorspelbare en zeer lange levensduur. Dankzij deze levensduurvoorspelling neemt de bedrijfszekerheid van de pompinstallatie in belangrijke mate toe. De Liquidyne wordt bij voorkeur gesmeerd met water, waardoor de toepassing milieu- vriendelijk is. De Liquidyne is leverbaar voor alle voorkomende asdiameters. De compacte constructie vergt minder inbouwruimte dan andere roterende asafdichtingen.
Tribologische aspecten
Roterende contactafdichtingen met harde c.q. elastische materialen, zoals de mechanical seal en de bekende lip-seal, werken vrijwel steeds onder grenssmeringscondities op het loopvlak.
De optredende wrijvingswarmte wordt groter naarmate de belasting, bestaande uit omtreksnelheid en drukverschil, stijgt. De loopvlaktemperatuur neemt daarbij toe. De wrijvingswarmte kan hier niet worden afgevoerd door een vloeistofstroom, zoals bijvoorbeeld bij watergesmeerde rubber lagers gebruikelijk is, omdat dan de afdichting niet tot stand komt. De wrijvingswarmte moet dus op andere wijze naar de omgeving afgevoerd worden; in dit geval door warmtegeleiding via het loop- of afdichtingsvlak en door warmteoverdracht naar de af te dichten (spoel)vloeistof en de atmosfeer.
Het toepassen van elastisch materiaal als loopvlakmateriaal in roterende afdichtingen is en blijft interessant omdat het bijzonder slijtvast is en in staat is om optredende loopvlakslijtage te compenseren en asslingeringen te volgen. De materiaaleigenschappen van de meeste elastische materialen, zoals rubber en polyurethaan, nemen sterk af boven ca. 120° C. In verband met de temperatuur op het loopvlak is daarom intensieve koeling op deze plaats een eerste vereiste bij toenemende belasting. Smering verlaagt de wrijvingscoëfficiënt en daardoor de ontwikkelde wrijvingswarmte en dus ook de benodigde koelcapaciteit. Het uitgangspunt voor de ontwikkeling van de Liquidyne asafdichting was gebaseerd op het gegeven, dat een elastisch materiaal toegepast moest worden en dat koeling en smering continu aanwezig moeten zijn op het belaste loopvlak.
Functiegescheiden opbouw
De funktiescheiding wordt hierna beschreven aan de hand van een voorbeeld van een Liquidyne in 3-traps uitvoering. (volgens fig.1) Deze uitvoering is geschikt voor bagger- en vuilwaterpompen die uitgerust zijn met een aparte spoelwaterleiding. Deze spoelwaterleiding staat in open verbinding met de centrifugaalpomp en mondt uit in een zogenaamde spoelwaterkamer. Op deze spoelwaterleiding wordt de toevoerleiding van de Liquidyne aangesloten.
Gezien vanaf de waaiernaafzijde bestaat de constructie uit drie functioneel duidelijk te onderscheiden delen, namelijk een vuilkerend-, een drukafbouwend- en een afdichtend gedeelte. De loopbus is ter plaatse van het drukafbouwend element voorzien van schroeflijnvormige groeven. De drie rubberen manchetten zijn speciaal voor de Liquidyne ontwikkeld en zijn qua afmetingen identiek, ondanks hun principieel verschillende functies die ze samen met de groefbus hebben. De ruimte tussen de twee eerstgenoemde gedeelten is aangesloten op het spoelwatersysteem van de pomp. Het vuilkerende gedeelte werkt hierdoor nagenoeg zonder drukverschil. Het schept, door het weren van vuil en zand dat zich in de waterkamer kan bevinden, gunstige werkcondities voor het volgende gedeelte, het relatief hoog belaste drukafbouwend element. Dit gedeelte vernietigt door smoring de ter plaatse heersende spoelwaterdruk en laat een kleine waterstroom door. Deze waterstroom verzorgt de continue koeling en smering van dit hoogbelaste gedeelte. Het derde gedeelte, de afdichter, voorkomt dat dit water in de pompkamer uitstroomt.
Het water wordt via een aparte aansluiting afgevoerd, waarmee het tevens mogelijk is deze hoeveelheid water te meten. Deze is namelijk een maat voor de conditie en de resterende levensduur van de Liquidyne.
Drukafbouwend element
De werking:
In dit gedeelte wordt de spoelwaterdruk afgebouwd tot die van de atmosfeer. Deze drukafbouw vindt plaats op het loopvlak van de manchet door middel van speciale groeven op het bijbehorende gedeelte van de groefbus. Deze groeven zijn schroeflijnvormig aangebracht. De spoedrichting is zodanig dat bij rotatie van de groefbus een watertransport optreedt van de hogedrukzijde naar de lagedrukzijde. Afhankelijk van de draairichting wordt daarom een linkse of een rechtse spoed toegepast. Deze waterstroom zorgt voor optimale koeling, smering en spoeling van het loopvlak.
De koeling:
Een continue koeling van het loopvlak van de rubberen manchet is noodzakelijk omdat de materiaaleigenschappen drastisch afnemen boven de maximaal toelaatbare bedrijfstemperatuur van het elastomeer. Koeling op de plaats waar de warmteontwikkeling optreedt ten gevolge van de belasting is daarom belangrijk. Onder invloed van onder andere het drukverschil en het astoerental ontstaat een vloeistofstroom door de schroeflijnvormig verlopende groeven. Hierdoor wordt per omwenteling van de as het gehele rubberen loopvlak gekoeld en des te meer naarmate meer groeven aanwezig zijn. De spoedrichting van de groeven is zodanig op de draairichting afgestemd, dat steeds een transporterende of pompende werking optreedt in de richting van het afdichtende gedeelte c.q. de ruimte met lage druk (atmosferisch). Hierin onderscheidt de Liquidyne zich principieel van de visco-seal. Ook indien geen af te bouwen drukverschil aanwezig is, wordt drooglopen voorkomen.
De grootte van de vloeistofstroom wordt behalve door het af te bouwen drukverschil vooral bepaald door de grootte van de groeven, de elasticiteit van het rubber en de omtreksnelheid. De groefvorm en groefafmetingen zijn voorts van belang voor het scheppen van de juiste smeringscondities in de roterende smoring.
De smering:
De vorm van de groef heeft grote invloed op de smering van het hoogbelaste loopvlak van de roterende smoring. Het smeermiddel voor het loopvlak is dezelfde als de koelvloeistof, namelijk: spoelwater. De kleinste wrijvingscoëfficiënt ontstaat wanneer een volledige smeerfilm wordt opgebouwd, zoals dit bij de zogenaamde "aqua planing" optreedt. Dit wordt bereikt door de stijgende flank van de schroeflijnvormig verlopende groeven een kleine hoek te geven in axiale richting.
In omtreksrichting gezien wordt deze hoek aanzienlijk kleiner. De beide flanken van de groef vormen met de elastische manchet een holte die bij juiste keuze van de groefdimensies en de rubber manchet in belastende, draaiende toestand niet wordt opgevuld of "dichtgedrukt".
Het belaste rubber vervormt bij rotatie over de breedte van de groef volgens een kromme en vormt met de hoek in tangentiële richting, een zeer kleine wighoek waarin een hydrodynamische smeerfilm ontstaat. Het drukverloop in deze smeerfilm in axiale en radiale richting is aangegeven in de figuren 2 en 3.
De vuilkering:
De vuilkering voorkomt dat zand en vuil, dat zich in de waterkamer van de (bagger)pomp kan bevinden, in de Liquidyne komt. De werking berust op het principe van zo goed mogelijk afsluiten van de ruimte tussen de stilstaande manchet en de roterende groefbus. Daartoe wordt de flexibele, brede manchet met èèn of twee veren om de groefbus gespannen. De groefbus heeft ter plaatse van de vuilkering geen groeven, maar is hier glad uitgevoerd, waarmee het toetreden van vuil en zand uit de waterkamer wordt voorkomen. Bij directe aansluiting op de spoelwaterleiding van de (bagger)pomp is de druk van het spoelwater steeds nagenoeg gelijk aan de druk in de waterkamer.
Over de vuilkering staat dus geen drukverschil waardoor de slijtage minimaal is.
Een gedwongen, positieve spoelwaterstroom over het loopvlak van de zandkering naar de waterkamer geeft een zelfreinigend karakter aan dit loopvlak (spoeling), wat een positieve bijdrage levert aan de standtijd van dit deel van de Liquidyne.
Proeven hebben aangetoond dat een apart inperssysteem alleen bij extreme bedrijfsomstandigheden noodzakelijk is. Het ingeperste water dient dan uiteraard vrij te zijn van abrasief materiaal.
De afdichter:
Het afdichtende gedeelte voorkomt dat het water dat door de roterende smoring stroomt, als ongewenste lekkage terecht komt in de atmosfeer c.q. in de pompkamer. Dit water wordt daarom via een pijpleiding afgevoerd. Het drukverschil over het afdichtende gedeelte zal altijd minimaal moeten zijn in verband met de geringe belastbaarheid ten gevolge van de hier heersende grenssmeringscondities. De maximum toelaatbare waterdruk bedraagt ca. 1 bar, en dit is afhankelijk van de omtreksnelheid. De maximale PV-waarde bedraagt ca. 5 bar m/s, (P in bar = waterdruk op de afdichter en V in m/s = omtreksnelheid gemeten op het loopvlak).
De waterafvoer:
Bij alle uitvoeringen van de Liquidyne stroomt het water vanuit de afdichting door de groeven van het drukafbouwend element naar de afvoer. Hoeveel water er door de Liquidyne stroomt is afhankelijk van de omtreksnelheid, de watertemperatuur en de grootte van de afdichting. Het drukverschil heeft relatief weinig invloed.
De waterafvoerleiding:
In verband met eventuele verstopping van de afvoerleiding wordt een relatief grote inwendige diameter gekozen. De waterafvoerleiding mag nimmer geblokkeerd worden.
Indien een lange afvoerleiding noodzakelijk is, zal ook een grotere inwendige pijpdiameter gekozen worden i.v.m. waterdrukopbouw t.g.v. stromingsweerstand. In het algemeen is de inwendige diameter 12 - 18 mm.
In verband met de levensduur prognose en i.v.m. de continu bewaking van de Liquidyne is het noodzakelijk dat de afvoerstroom zichtbaar en bereikbaar is voor een maatbeker c.q. een emmer.
In veel toepassingen wordt op het hoogste punt van de afvoerleiding een trechter opgenomen. Ook kan de afvoerleiding bijvoorbeeld worden aangesloten op de zuigleiding van de pomp.
Levensduur voorspelling
Wanneer de groeven in de groefbus na verloop van tijd slijten (ondieper worden) kan er steeds minder water door de groeven van het drukafbouwend element stromen. Deze afname verloopt ongeveer als in figuur 5 aangegeven. De mate van slijtage hangt uiteraard af van de hoeveelheid abrasief materiaal dat zich in het water bevindt. Hoe schoner het water, des te groter is de levensduur van de Liquidyne.
Wanneer het debiet van het afgevoerde water regelmatig wordt gemeten, kan door extrapolatie een levensduur voorspelling gedaan worden. Als het debiet minder is dan enkele liters per uur, dienen de manchetten en/of de groefbus vervangen te worden.
Inspectie van de afdichting
De afdichter kan eenvoudig gedemonteerd worden. Hierdoor ontstaat de mogelijkheid van inspectie c.q. reiniging van het afdichtende loopvlak. De afdichting naar de atmosfeer wordt nu overgenomen door het drukafnemend element, die in deze stationaire situatie slechts druppelsgewijs water doorlaat.
Dubbele zekerheid
Wanneer de afdichter om welke reden dan ook niet correct functioneert, zorgt het drukafbouwend element er altijd voor dat de pomp kan blijven functioneren. De hoeveelheid water die het drukafbouwend element tijdens bedrijf doorlaat is immers gering, waardoor er in deze situatie geen ernstige problemen ontstaan.
Centriciteit
De flexibele en relatief lange Liquidyne manchetten zijn in staat alle normaal voorkomende statische en dynamische excentriciteiten op te nemen. De veren welke op de buitendiameter van de manchetten geplaatst zijn zorgen er mede voor, dat de lip van de manchet de asbewegingen nauwkeurig volgt.
Toegepaste materialen
De Liquidyne manchetten zijn vervaardigd van olie- en waterbestendig rubber en zijn voorzien van roestvaststalen veren. De manchetten zijn uitgerust met een stalen verstijvingsring. De standaard uitvoering heeft bronzen huisdelen.
Een O-ring verzorgt de statische afdichting tussen de groefbus en de as. De groefbus en de klemring zijn in standaard uitvoering vervaardigd uit roestvaststaal.
De groefbus is voorzien van een hardmetalen loopvlak. Deze zeer slijtvaste materiaalcombinatie (rubber en hardmetaal) levert een zeer hoge levensduur, ook wanneer het water abrasieve deeltjes bevat.
Milieu-aspecten
De Liquidyne is een watergesmeerde afdichting. Smeerolie of vet dienen niet toegepast te worden. Hierdoor ontstaat automatisch een schoon milieu in de pompkamer, omdat vetkragen e.d. niet ontstaan. Dat ook het watermilieu wordt ontzien is vanzelfsprekend.
Diverse uitvoeringen
Er bestaan diverse uitvoeringen van de Liquidyne asafdichtingen. Bij de keuze van de uitvoering van de Liquidyne wordt steeds uitgegaan van de bedrijfsomstandigheden van de centrifugaalpomp. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen pompen met of zonder spoeling op de afdichting. Dit wordt uiteraard bepaald door de eigenschappen van de verpompte vloeistof. Bij veel procespompen is deze spoeling aanwezig, maar de hoeveelheid spoelwater die in het produkt mag komen is gelimiteerd. In dit geval wordt een tweede drukafbouwend element, dan een roterende smoring genaamd, in de Liquidyne opgenomen. Aan de hand van voorbeelden worden deze uitvoeringen van de Liquidyne hierna besproken.
De 2-traps Liquidyne
Wanneer schoon of redelijk schoon water verpompt wordt (zoals b.v. rivier- of zeewater) kan volstaan worden met een 2-traps uitvoering. Een vuilkering is dan uiteraard niet nodig en kan ook niet toegepast worden omdat bij deze pompen ook geen spoelwatersysteem aanwezig is. Alleen een drukafbouwend element en een afdichter worden dan toegepast.
Toepassingen : koelwater-, rivierwater-, polder-, jetwater-, drinkwater-, brandbluspompen.
De 3-traps Liquidyne met dubbel roterende smoring
De uitvoering van een 3-traps Liquidyne bestaande uit een vuilkering, een drukafbouwendelement en een afdichter is in het voorgaande uitvoerig besproken. Deze uitvoering is geschikt voor vuilwater-, bagger- en slurry pompen en die ook voorzien zijn van een apart spoelwatersysteem.
Voor procespompen die uitgerust kunnen worden met spoelwater op de afdichting, maar waarbij de voorwaarde geldt, dat er slechts weinig water via de afdichting in de procesvloeistof mag komen wordt een 3-traps Liquidyne asafdichting toegepast met een roterende smoring, een drukafbouwend element en een afdichter.
Uitgangspunt voor het functioneren van dit afdichtingssysteem is, dat de spoelwaterdruk altijd hoger is dan de druk van de procesvloeistof ter plaatse van de afdichting. De roterende smoring laat een constante en voorspelbare kleine hoeveelheid water door naar het proces. Deze waterdocering wordt verder automatisch bereikt, dus zonder appendages in de toevoerleiding. Afhankelijk van de grootte van de afdichting en het toerental laat deze roterende smoring bijv. enkele tientallen liters water per uur door. Indien gewenst kan deze water hoeveelheid worden aangepast aan bestaande specificaties. Door de transporterende werking en de hoge watersnelheid in de groeven wordt een zeer effectieve barrière opgebouwd tegen het binnendringen van procesvloeistof in de afdichting. Bij stilstand zal de waterdruk altijd aanwezig blijven. Doordat de rubber manchet nu onder invloed van de waterdruk de groeven vrijwel geheel opvult is bij stilstand de
Liquidyne afdichting in beide watertransport richtingen nagenoeg dicht. Dit geldt zowel voor de roterende smoring als voor het drukafbouwende element. Dit onderscheid in benaming is overigens gekozen voor de hanteerbaarheid en de toelichting, praktisch gezien is het werkingsprincipe van beide elementen gelijk.