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Pumpenaggregat
Die Erfindung bezieht sich auf ein Pumpenaggregat, beiwelchem der Stator des Elektromotors, der die elektrische Wicklung enthält, wasserdicht innerhalb des Gehäuses nach dem Prinzip einer Taucherglocke angeordnet ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Anpassung an die besonderen Erfordernisse einer Schrägscheibenpumpe mit ihrer fliegenden Lagerung am unteren Ende der gemeinsamen, auch den Rotor des Elektromotors tragenden Welle zwecks Erzielung einer besonders geringen Bauhöhe und damit Schwingungsfreiheit der Schrägscheibe der Pumpe, ein Luftpolster dadurch erreicht wird, dass der untere Teil des Gehäuses des Elektromotors unmittelbar mit dem Gehäuse der Schrägscheibenpumpe verbunden ist und ein verhältnismässig enger, für. die Bildung des Luftpolsters dienender Ringraum zwischen dem aus dem unteren Lager herausragenden Wellenende einerseits und dem Innenteil des die Welle bis auf den Ringraum umschliessenden Statorgehäuses anderseits gebildet ist.
Das Aggregat kann mit einer Schrägpumpenscheibe versehen und vorzugsweise für die Zwecke der Unterwasserlagerung mit einem Stator versehen sein, der wasserdicht unterhalb des Gehäuses angeordnet ist. Bei einem derartigen Pumpenaggregat ist eine Umfangsverzahnung der Scheibe und Rillenanordnung an dem Innenumfang des Pumpengehäuses vorgesehen. Es kann hiebei allerdings auch eine Schrägpumpenscheibe verwendet werden, ohne dass Zähne am Umfang der Scheibe und ohne dass Rillen am Innenumfang des Gehäuses angeordnet sind.
In Verbesserung und weiterer Ausbildung der Erfindung können fabrikmässige Elektromotoren verwendet werden, die unter Einschaltung eines Zwischenstückes zwischen das Gehäuse des Elektromotors einerseits und das Gehäuse der Pumpe anderseits eingeschaltet werden.
Weitere Merkmale der Erfindung folgen aus der nachstehenden Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Unterwasserpumpe mit Druckrohrleitungen, die um das Gehäuse der Pumpe nach oben geführt sind, Fig. 2 einen Querschnitt durch die Pumpe nach Fig. 1 entsprechend der Linie I-I in verkleinertem Massstab, Fig. 3 eine Teilansicht des unterhalb des unteren Lagers angeordneten Hohlraumes mit eingedrungenem Wasser, Fig. 4 eine andere AusfUhrungsform, bei welcher das eigentliche Pumpengehäuse durch ein zweites Mantelge- häuse für das Nach-oben-Leiten des angesaugten Wassers in die Druckleitung vorgesehen ist, im Vertikalschnitt, Fig. 5 einen Querschnitt durch die Maschine im Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4, Fig.
6 eine teilweise Darstellung eines oberen Lagerdeckels der Pumpenanlage in anderer Ausführungsform, Fig. 7 eine perspektivische Darstellung der Pumpenanlage, Fig. 8 einen lotrechten Schnitt durch eine Pumpenanlage und Fig. 9 ebenfalls einen lotrechten Schnitt, jedoch in vergrössertem Massstab durch das obere Hängelager der Pumpenwelle.
Nachder Ausfuhrungsform der Fig. 1 - 3 ist ein Läufer 300 eines Drehstrommotors als Kurzschlussanker bzw. Käfigläufer ausgebildet. Das Läuferpaket 300 hat oben und unten je einen Wellenstummel 301, 302. Der Wellenstummel 301 ist in einem Wälzlager 303 gelagert, das das Eigengewicht des Ankers 300 und der beiden Wellenstummel aufzunehmen hat und ausserdem den oberen Wel- lenstummel 301 in radialer Richtung lagert. Am oberen Ende des Wellenstummels 301 ist ein im Durchmesser kleinerer Zapfenansatz 304 vorgesehen, der im Wälzlager 303 gelagert ist.
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Läuferinnerhalb eines Motorgehäuses 307 eingesetzt ist. Wicklungen 308 des Ständerpaketes sind aber Bünde 309 mit dem Ständerpaket verbunden.
Das Motorgehäuse 307 ist erfindungsgemäss nach oben und unten so lang ausgebildet, dass ein freier Hohlraum zwischen den Ständerpaketen 308 und der Innenfläche des Gehäuses 307 entsteht, der mit einer Füllmasse 310 ausgegossen ist, die nach dem Ausgiessen erstarrt und das Ständerpaket wasserdicht und luftdicht innerhalb des Gehäuses einschliesst. Dieses Ausgiessen geschieht zweckmässig zunächst von oben. Anschliessend wird nach dem Erkalten der Füllmasse das Gehäuse 307 um 1800 gedreht und nunmehr der entsprechende, jetzt oben liegende Hohlraum ebenfalls mit der Füllmasse ausgegossen.
Hierauf wird auf das Gehäuse ein oberer Deckel 311 aufgeschraubt, der eine nach innen ragende Hülse 312 aufweist, die sich so eng an das Ständerpaket 308 und den Wellenstummel 301 anschmiegt, dass nur ein geringes Spiel zwischen der Innenfläche der Hülse 312 und dem Wellenstummel 301 freibleibt. Anderseits muss ein geringer Abstand zwischen der oberen Stirnfläche des Läufers 300 und der unteren Stirnfläche der Hülse 312 vorgesehen sein, damit der umlaufende Anker nicht schleift. Ferner wird der Deckel 311 so ausgeführt, dass er das Wälzlager 303 möglichst eng umschliesst, so dass auch der durch das Wälzlager bedingte Luftraum gering ist.
Auf dem oberen Deckel 311 ist ein weiterer Domdeckel 313 aufgeschraubt, in dessen Domteil 314 ein Klemmkasten mit den Anschlussstellen für ein elektrisches Kabel 315 vorgesehen ist.
An dem Domdeckel sind Augen für die Aufhängung der Maschine an Absenkseilen angeordnet.
Im unteren Teil des Gehäuses 307 ist ein unterer Deckel 316 vorgesehen, der ebenfalls mit einerHUlse 317 ausgestattet ist, welche den unteren Wellenstummel 302 umschliesst. Die Hülse 317 weist im oberen Teil eine Lagerhülse 318 auf, die den unteren Wellenstummel 302 umschliesst und ihn auf diese Weise lagert.
Amunteren Ende des unteren Wellenstummels 302 ist ein schräg zu diesem verlaufender Pumpenscheibenkorper 319 befestigt.
Am Gehäuse 320 sind radial nach aussen Austrittsstutzen 321 diametral gegenüberliegend vorgesehen, von denen aus Umgehungsdruckleitungen 322 nach oben geführt sind, die sich oberhalb des Maschinengehäuses 307 zu einem Sammeldruckstutzen 323 vereinigen.
Die Hülse 317 ist unterhalb der LagerhUlse 318 zu einem Hohlraum 324 erweitert, durch den der untere Wellenstummel 302 hindurchgeführt ist. Die inneren, zuoberst liegenden Mantellinien der beiden Druckstutzen 321 fluchten mit der Unterkante 325 des Hohlraumes 324.
Der Hohlraum 324 wird dadurch gebildet, dass sein Durchmesser d innerhalb der Hülse 317 entsprechend grosser ist als der Durchmesser c des unteren Wellenstummels 302.
Damit bei Inbetriebnahme der Maschine der Rotor zusammen mit der Pumpenscheibe und den Wellenstummeln sich symmetrisch zu den Ständerpaketen 305 innerhalb des sich bildenden Kraftfeldes einstellen kann, kann es zweckmässig sein, das Wälzlager 303 nicht gleichzeitig als Längslager auszubilden, so dass bei Stillstand der Maschine die untere Stirnfläche des L1iuferpaketes 300 auf der oberen Stirnfläche der Hülse 317 aufliegt.
In diesem Fall wird beim Anspringen der Maschine der Läufer 300 in das Drehfeld des Ständerpaketes 305 und damit nach oben gezogen, so dass der Läufer
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Flüssigkeit aus reinem Wasser, Abwasser, Schlamm oder andern beliebigen Dickstoffen bestehen kann, dann wird die im Pumpengehäuse 320 befindliche Luft aber die beiden Druckstutzen 321 und die gestrichelt gezeichneten Förderdruckleitungen 322 in den gemeinsamen, lotrechten Sammeldruckstutzen 325 entweichen. Damit stellt sich theoretisch der Fördergutspiegel in Höhe der Kante 323 ein.
Je nach der Tiefe des Absenkens des Aggregates und damit je nach der Höhe des Überdruckes wird der Wasserspiegel 326 innerhalb des Hohlraumes 324 ansteigen, wie dies Fig. 3 veranschaulicht, wobei durch Wahl der Grösse der einzelnen Lufträume erreicht werden kann, dass bei einer maximal vorgesehenen Absenktiefe immer noch unterhalb der unteren Stirnfläche der Lagerhülse 318 ein Luftraum vorhanden ist, so dass die LagerhUlse nicht von Förderflussigkeit umspUlt ist.
In nachfolgendem seien an Hand eines Rechenbeispieles diese Verhältnisse näher erläutert :
Es sei angenommen, dass der Aussendurchmesser a des Rotors 300 120 mm beträgt, während der Innendurchmesser b des Stators 305 121 mm beträgt. Dann ist zwischen dem Rotor 300 und dem Stator 305 ein Luftspalt von 0, 5 mm vorhanden. Die Länge des Ankers 300 ist in Fig. l mit e bezeichnet und soll 2 00 mm betragen. Der Durchmesser des unteren Wellenstummels 302 ist mit c bezeichnet und soll 30 mm aufweisen, während der Innendurchmesser d des Hohlraumes 324 40 mm aufweist. Die Länge des Hohlraumes 324 ist mit f bezeichnet und beträgt 150 mm.
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Esseifernerangenommen, dass der Luftinhalt des freien Raumes innerhalb des Wälzlagers 303 einschliesslich des Inhaltes des Ringspaltes zwischen dem Wellenstummel 301 und dem Deckel 311
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Der Rauminhalt des Hohlraumes 324 errechnet sich aus dem Durchmesser d a 40 mm entsprechend 12,5 cm2 Flächeninhalt minus dem Flächeninhalt des Wellenstummels entsprechend seinem Durchmesser c = 30 mm im Betrage von 7,1cm2. Die Differenz der Flächeninhalte zu 5, 4 cm2 ergibt den Querschnitt des Ringraumes 324, dessen Rauminhalt bei f = 150 mm Länge 5, 4. 15 = annähernd 81 cm beträgt.
Taucht man das gesamte Aggregat in die Flüssigkeit ein, dann wurde bei einer Eintauchtiefe von der Grösse Null bezogen auf die untere Kante 325 der FlUssigkeitsspiegel des Eintauchgutes bei dieser Kante liegen. Taucht man anderseits das Aggregat 10 m tief ein, so dringt das Eintauchgut mit einem einer Tiefe von 10m entsprechenden Überdruck bei einem angenommenen spezifischen Gewicht des Eintauchgutes von 1 über die Ringfläche 325 in den als Pufferraum bezeichneten Hohlraum 324 ein.
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Verdich-Naturlich bleiben die Räume im Wälzlager 303 als solche im Betrage von 10 cma und im Statorspalt im Betrage von 38 cm3 bestehen. Es ergibt sich daraus ein Raum von 48 cm.
Da aber nach der Berechnung der Gesamtraum nur noch 65 cm3 beträgt, ist der freie Luftraum im Pufferraum 324 auf G5 minus 48, d. h. 17 cm3 verkleinert, so dass entsprechend der Darstellung der Fig. 3 der Wasserspiegel 326 im Ringraum 324 gestiegen ist, u. zw. so weit, dass ein Raum von 17 cm3 zwischen dem unteren Bund der Buchse 318 und dem Wasserspiegel 326 freibleibt. Da der Ringraum 324 einen Querschnitt von 5,4 cm2 aufweist, ist die Höhe h gemäss Fig. 3 auf 17 : 5, 4 = rund 3 cm verkleinert, während im ersten Teil entsprechend der Fig. 1 die Höhe 15 cm betrug. Bei dieser Rechnung wurde aus Gründen der Vereinfachung der Ringspalt zwischen dem unteren Wellenstummel 302 und der Lager- hUlse 318 vernachlässigt.
Aus obigem ist erkennbar, dass bei 10 m Eintauchtiefe das Fördergut, z. B. Wasser überhaupt nicht in den Elektromotor eindringen kann, u. zw. einmal deshalb nicht, weil der Elektromotor bezuglich seines Stators und Rotors ein"gefüllter Motor"ist und zum andern nicht einmal die untere Lagerhülse 318 vom Wasser beruhrt wird.
Ein in der Fig. 1 mit 327 bezeichneter Bund'der Hülse 318 stellt ein einfaches erfinderisches Mittel zur Verlängerung des Hohlraumes 324 dar, um auf einfache Weise vorgegebene Eintauchtiefen mit Sicherheit zu erreichen, ohne dass der Wasserspiegel bis an den Bund 327 der Lagerbuchse 318 heranreicht. Damit kann das Mass f in bestimmten Grenzen vergrössert werden. Es kann damit nicht nur die Hülse 318, sondern auch der ganze Elektromotor trocken gehalten werden. Man kann auch den Durchmesser d des Hohlraumes 324 im Verhältnis zum Durchmesser c des unteren Wellenstummels 302 vergrössern und hat damit Möglichkeiten zur Vergrösserung des Pufferrauminhaltes nach zwei Richtungen.
Um das Aggregat möglichst leicht zu halten, kann entsprechend der Fig. 6 die Hülse 312 des Deckels 311 mit Hohlräumen 328 versehen werden.
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Nach der Ausführungsform der Fig. 4 werden bei im Ubrigen gleicher Ausgestaltung der Pumpenanlage statt der Druckleitungen 322 der Fig. 1 in der oberen Abschlusswand des Pumpengehäuses 320 Öffnungen 329 vorgesehen, so dass die angesaugte Flüssigkeit durch diese Öffnungen in einen ausserhalb des Motorgehäuses 307 vorgesehenen Ringraum 330 eintritt, der dadurch gebildet wird, dass eine Haube 331 um das Motorgehäuse 307 herum angeordnet ist, das nach oben hin sich verjungt und in die Druckleitung 323 mündet. Bei dieser Ausführungsform wird das Stromkabel 315 durch eine
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Entsprechend der Schnittdarstellung der Fig. 5 können nicht nur zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen 329, sondern noch zusätzliche Öffnungen 334 im Pumpengehäusedeckel 320 vorgesehen werden. Schliesslich kann auch, zur Erzielung eines besonders grossen Übergangsquerschnittes, eine Ringöffnung 335 entsprechend der gestrichelten Darstellung der Fig. 5 im oberen Gehäusedeckel vorgesehen sein. Die Haube 331 wird mittels eines Flansches 336 am Pumpengehäuse 320 befestigt.
Das Aggregat kann auch als Bohrlochpumpe ausgebildet werden. Zu diesem Zweck wird der Durchmesser der Pumpe entsprechend kleiner gewählt, so dass der Anker und der Ständer des Elektromotors wegen des verhältnismässig kleineren Durchmessers länger gewählt werden muss, um die erforderliche elektrische Leistung zu erzielen.
Das erfindungsgemässe Aggregat kann auch fUr Pumpen normaler Bauart verwendet werden, also fUr Pumpen, bei denen der Pumpenläufer nicht von einer Schrägscheibe, sondern beispielsweise von einem Zentrifugalpumpenrad gebildet ist.
Die Eingussmasse 310 entsprechend der Fig. 1 kann auch gleichzeitig dazu benutzt werden, um die Zwischenräume zwischen den einzelnen Wicklungspaketen 308 auszufüllen. Hiebet kann es zweckmässig sein, fUr die FUllmasse ein Material zu verwenden, das eine gute Wärmeleitung hat, um die auftretende Joul'sche Wärme in ausreichendem Masse abzuleiten.
Wenn auch die untere Lagerhülse 318 erfindungsgemäss nicht von dem zu fördernden Wasser benetzt wird, kann es dessenungeachtet in bestimmten Fällen vorteilhaft sein, eine Stopfbuchsenabdichtung an dieser Lagerhülse 318 vorzusehen, so dass ein wasser- und feuchtigkeitsabweisender Abschluss erreicht wird.
Das erfindungsgemässe Aggregat befindet sich im Gegensatz zu bekannten Konstruktionen vollständig im Gleichgewicht, d. h. das Aggregat hängt niemals schief, was insbesondere darauf zurUckzufuhren ist, dass der Austritt der geforderten Flussigkeit über völlig symmetrische Auslassöffnungen und Auslassleitungen erfolgt.
Ausder perspektivischen Darstellung der Fig. 7 ist die Art des Anschlusses des elektrischen Kabels 315 und die Form des ganzen Aggregates besonders deutlich erkennbar.
Nach der Ausführungsform der Fig. 8 und 9 wird der fabrikmässig, serienmässig hergestellte Elektromotor 350 an die Schrägscheibenpumpe 351 unter Verwendung eines Zwischenstückes 352 angeschlossen, ohne dass eine spezielle Anpassung des Gehäuses des Elektromotors notwendig wäre. Es wird der untere Motordeckel 353 durch Ankerschrauben 354 an dem Flansch 355 des Zwischenstückes angeschraubt. Zwischen dem unteren Motordeckel 353 und der Oberseite 356 des Zwischenstückes 352 ist vorzugsweise eine Isoliermasse 357 eingegossen und dadurch. dieser Zwischenraum ausgefüllt, der auf diese Weise möglichst wenig Luft, insbesondere in der Nähe der umlaufenden Teile der Maschinenwelle 358 aufweist. Das ZwischenstUck besitzt einen Ringraum 359, in welchem die Luft beim Absenken der Pumpe durch Eindringen von Wasser zusammengepresst wird.
Wird ein derartiges beispielsweise alsBagger zum Auspumpen verwendetes Aggregat nach Beendigung des Baggerbetriebes aus dem Wasser hochgezogen, kann sich der Ringraum 359 wieder mit Frischluft füllen. Anders verhält es sich bei einem Aggregat, beispielsweise bei einem solchen, das als Abwasserpumpwerk dienen soll. Dieses ist ständig in den Abwassersumpf gesenkt. In einem solchen Fall wird in Abwandlung des Erfindungsgedankens bei Erreichen eines bestimmten höchsten Abwasserspiegels im Abwassersumpf genau so wie bei der Verwendung normaler Pumpen die Umlaufpumpe automatisch eingeschaltet. Anderseits soll der Ausschaltwasserspiegel, also derjenige Wasserspiegel, bei dessen Erreichen die Maschine automatisch abgeschaltet wird, gewöhnlich nicht bis unter die tiefste Kante 360 des Aggregates reichen, weil sonst durch dieses in unerwünschter Weise Luft angesaugt wird.
Gewöhnlich wird einderartigesAggregat dann ausgeschaltet, wenn das Abwasser gerade noch den unteren Teil des Pumpengehäuses bedeckt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Pumpe keine Hohlräume enthält, wenn der Wasserspiegel tiefer sinkt. Andernfalls würde das Aggregat zu wirbeln beginnen und demnach kaum noch oder gar nicht mehr fördern.
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Es hat sich bei Versuchen auf dem Prufstand gezeigt, dass die erfindungsgemässe Maschine vollständig leer saugt, u. zw. bis zu ihrer tiefsten Unterkante, ohne dass ein Wirbeln eintritt. Diese nachteilige Wirbelung erfolgt erst dann, wenn der Wasserspiegel unter die Unterkante 360 absinkt. Um dieses zu vermeiden, wird erfindungsgemäss eine Ausschaltelektrode bzw. Ausschaltschwimmereinrichtung verwendet, die ein Nachlaufrelais einschaltet, sobald der Wasserspiegel bis zur Oberkante 361 der Umlaufpumpe abgesunken ist. Dieses Relais bewirkt eine von Hand einstellbare Nachlaufzeit der Umlaufpumpe.
Während dieser Nachlaufzeit sinkt der Abwasserspiegel bis zur Unterkante 360 der Maschine. In diesem Augenblick tritt zwischen dem Abwasser und der Luft ein Verschäumen ein, d. h. es tritt Luft in das Maschinengehäuse 362 ein. Erst dann schaltet sich die Maschine nach dem Verstreichen der durch das Relais bedingten Nachlaufzeit aus.
Unter Anwendung eines derartigen Nachlaufrelais wird erreicht, dass sich die Umlaufpumpe und damit auch der Luftraum 359 immer wieder mit Frischluft fallen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Pumpenaggregat, bei welchem der Stator des Elektromotors, der die elektrische Wicklung enthält, wasserdicht innerhalb des Gehäuses nach dem Prinzip einer Tauchglocke angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Anpassung an die besonderen Erfordernisse einer Schrägscheibenpumpe mit ihrer fliegenden Lagerung am unteren Ende der gemeinsamen, auch den Rotor des Elektromotors tragenden Welle zwecks Erzielung einer besonders geringen Bauhöhe und damit Schwingungsfreiheit der Schrägscheibe der Pumpe, ein Luftpolster dadurch erreicht wird, dass der untere Teil des Gehäuses (307) des Elektromotors unmittelbar mit dem Gehäuse (320) der Schrägscheibenpumpe verbunden ist und ein verhältnismässig enger, fur die Bildung des Luftpolsters dienender Ringraum (324)
zwischen dem aus dem unteren Lager (318) herausragenden Wellenende einerseits und dem Innenteil des die Welle bis auf den Ringraum umschliessenden Statorgehäuses anderseits gebildet ist.