AT413427B - Leitschaufelgehäuse einer pumpenstufe - Google Patents

Description

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AT 413 427 B

Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelgehäuse für eine Kreiselpumpe, das in Tauchmotorpumpen einbaubar ist. Die Erfindung betrifft auch einstufige oder mehrstufige Tauchmotorpumpen, wobei jede Pumpenstufe ein Leitschaufelgehäuse aufweist. 5 Konventionelle Leitschaufelgehäuse von Tauchmotorpumpen sind druckführende Bauteile und werden zur Auslegung ihrer Festigkeit mit aus der Literatur bekannten Rechenverfahren für Gusswerkstoffe, wie Grauguss oder Stahlguss, berechnet. Die derzeit bekannten Leitschaufelgehäuse haben große Wandstärken und hohe Gewichte. Da bei Tauchmotorpumpen der maximale Außendurchmesser vom Durchmesser des Bohrloches begrenzt wird, in das die Tauch-io motorpumpe eingebracht wird, führt die große Wandstärke ihrer Leitschaufelgehäuse zu einem verringerten Innendurchmesser und folglich auch zu einer reduzierten Fluid-Förderleistung in jeder Pumpenstufe. Durch das hohe Gewicht ihrer Leitschaufelgehäuse sind solche bekannten Tauchmotorpumpen auch schlecht zu handhaben, insbesondere bei mehrstufigem Aufbau. Weiters stellt der hohe Materialaufwand für die bekannten Leitschaufelgehäuse einen beträcht-15 liehen Kostenfaktor dar.

Neben den oben beschriebenen, konventionellen, in Grauguss oder Stahlguss hergestellten Leitschaufelgehäusen sind auch geschweißte Leitschaufelgehäuse aus legiertem Stahlblech bekannt, die zwar geringe Wandstärken und geringe Gewichte aufweisen, aber auf Grund der 20 arbeitsaufwändigen Herstellung und der sehr teuren für die Produktion benötigten Stanzformen hohe Herstellkosten, insbesondere bei kleineren Stückzahlen, aufweisen.

Weiters ist aus der WO 2001/59303 A2 ein Pumpengehäuse einer Kreiselpumpe bekannt, bei welchem einzelne Teile im Genauguss bzw. Feinguss hergestellt werden. Die 25 JP 2001-055997 A zeigt ein Pumpengehäuse aus Aluminiumguss.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Leitschaufelgehäuse bereitzustellen, bei dem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbesondere soll mit dem erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuse eine Erhöhung des Fluid-Durchsatzes bei gegebenem Außendurchmesser 30 sowie ein geringerer Materialaufwand erzielt werden, wobei die erforderliche Festigkeit des Leitschaufelgehäuses beibehalten wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Leitschaufelgehäuse mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemä-35 ßen Leitschaufelgehäuses sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Eine erfindungsgemäße, einstufige oder mehrstufige Tauchmotorpumpe weist in jeder Pumpenstufe ein erfindungsgemäßes Leitschaufelgehäuse auf. 40 Wesentliches Kennzeichen des erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuses ist, dass zumindest in einem überwiegenden Bereich einer Umfangswand des Leitschaufelgehäuses, vorzugsweise aber an der gesamten Umfangswand, das Verhältnis der Wandstärke der Umfangswand zum maximalen Außendurchmesser des Leitschaufelgehäuses kleiner als 0,03 bevorzugt kleiner als 0,025 ist. Durch die geringe Wandstärke des Leitschaufelgehäuses ist es möglich, größere 45 Innendurchmesser auszuführen und damit mehr Fluid-Durchsatz oder Förderhöhe pro Pumpenstufe zu erzielen. Das erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse hat ein deutlich geringeres Gewicht als konventionelle Leitschaufelgehäuse. In Summe ergibt sich durch geringere Produktkosten aufgrund des reduzierten Materialverbrauchs in der Herstellung ein höherer „Customer value" als bei derzeit vorhandenen Produkten. 50

Wie oben erwähnt, werden bekannte Leitschaufelgehäuse in Grauguss oder Stahlguss hergestellt. Sowohl bei Grauguss als auch bei Stahlguss sind dabei erhebliche Mindestwandstärken erforderlich, wobei dies bei Grauguss auf die Materialeigenschaften zurückzuführen ist und bei Stahlguss im bisher verwendeten Sandgussverfahren begründet liegt, das nur geringe Dimen-55 sionstreue bietet und daher aus Sicherheitsgründen Dimensionierungen mit großen Sicherheits- 3

AT 413 427 B reserven erfordert. Erfindungsgemäß ist es jedoch bevorzugt, das Leitschaufelgehäuse im Feinguss-Verfahren herzustellen. Damit ist die Herstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen geringen Wandstärken der Umfangswand des Leitschaufelgehäuses verlässlich möglich. Das erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse stellt somit eine Weiterentwicklung der bekannten, 5 mittels Gießverfahren gefertigten Leitschaufelgehäuse dar.

Weiters ist es bevorzugt, das im Feingussverfahren hergestellte erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse aus Edelstahl, oder legiertem Stahlguss, oder sonstigen hochlegierten Werkstoffen auszubilden, die sich für das Feingussverfahren besonders gut eignen und mit denen die er-io wünschte Festigkeit erzielbar ist. Gestaltungsdetails können vorteilhaft mit „Finite Elemente"-Analysen ermittelt und ausgeführt werden.

Zur Erhöhung der Druckfestigkeit, Dehnungsfestigkeit und Verwindungsfestigkeit des erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuses werden die nachfolgenden erfindungsgemäßen Fortbil-15 düngen des Leitschaufelgehäuses vorgeschlagen, die einzeln oder in Kombination zum gewünschten Resultat führen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuse umfasst sein Fluideintrittsseitig gelegener Gehäuseanschluss zwei dünnwandige Flanschringe. Diese können zur 20 Erhöhung der Funktionalität und Steifigkeit zumindest zwei Butzen zwischen den Flanschringen des Fluid-eintrittsseitig gelegenen Gehäuseanschlusses umfassen, die vorzugsweise versenkt angeordnet sind, wobei die Butzen Befestigungsmittel, wie Gewindelöcher zur Verschraubung des Leitschaufelgehäuses, aufweisen können. 25 In weiterer Fortbildung des erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuses ist vorgesehen, seinen Fluid-austrittsseitig gelegenen Gehäuseanschluss mit einem dünnwandigen Flansch mit Durchtrittslöchern zu versehen, der im Bereich der Durchtrittslöcher als Schraubenauflagefläche wirkende Verstärkungen in axialer Richtung aufweist. Weiters kann das erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse dünnwandige Versteifungsrippen aufweisen, die außenliegend am Flansch 30 des Fluid-austrittsseitigen Gehäuseanschlusses angreifen, wobei die Versteifungsrippen auf dem Flansch vorzugsweise innerhalb des Lochkreisdurchmessers ansetzen. Es erweist sich zur Verhinderung von Winkelverdrehung weiters als vorteilhaft, wenn der Flansch und/oder ein Zentrierring des Fluid-austrittsseitig gelegenen Gehäuseanschlusses an seinem/ihrem Übergang auf die Umfangswand durch zumindest zwei innenliegende Gehäuserippen versteift 35 ist/sind.

Die Erfindung wird nun anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. 40 In den Zeichnungen zeigen Fig. 1A und Fig. 1B schematische Schnitt durch das erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse, wobei Fig. 1A einen Querschnitt darstellt und Fig. 1B einen Längsschnitt entlang der Linie D-D von Fig. 1B darstellt, Fig. 2 und 3 zeigen zwei verschiedene dreidimensionale Ansichten des erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuses, wobei Fig. 2 die Ansicht von der Fluid-Eintrittsseite und Fig. 3 die Ansicht von der Fluid-Austrittsseite zeigt. 45

Wie in den Figuren 1 bis 3 zu sehen, weist das erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse 1 eine Umfangswand 11 auf, die als druckführende Gehäusewand ausgebildet ist. Die Wandstärke s der Umfangswand 11 ist so dimensioniert, dass ihr Verhältnis zum maximalen Außendurchmesser Od des Leitschaufelgehäuses 1 kleiner als 0,03 bevorzugt kleiner als 0,025 ist. Durch diese so Maßnahme ergibt sich ein großer Innendurchmesser des Gehäuses, der es ermöglicht, eine Kreiselpumpenstufe, insbesondere eine Tauchmotorpumpenstufe, mit großer Förderhöhe pro Pumpenstufe zu realisieren. Mit dem erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuse lassen sich mehrere Pumpenstufe zu einer Pumpe zusammenschließen. Dazu sind am Fluideintrittsseitigen Gehäuseanschluss 7 dünnwandige Flanschringe 2, 3 ausgebildet, die sich axial 55 und konzentrisch zueinander erstrecken. Der Flanschring 2 liegt außen und der Flanschring 3 4

AT 413 427 B innen, wobei der innere Flanschring 3 die druckbeaufschlagte Umfangswand 11 fortsetzt. Der äußere Flanschring 2 wird möglichst tangential in die Umfangswand 11 eingebunden. Die beiden Flanschringe 2, 3 sind durch mehrere Butzen 9 miteinander verbunden, wobei die Butzen 9 leicht versenkt angeordnet sind. Die Butzen 9 versteifen radial die beiden Flanschringe 2, 3 und 5 verhindern, dass sich hohe Verformungen des Leitschaufelgehäuses unter Druck ergeben. Weiters nehmen die Butzen 9 auch Gewindelöcher 15 für die Verschraubung benachbarter Leitschaufelgehäuse auf.

Der Fluid-austrittsseitig gelegene Leitschaufelgehäuseanschluss 8 weist einen dünnwandigen io Flansch 4 auf, der sich in radialer Richtung erstreckt und Durchtrittslöcher 16 besitzt, durch die nicht dargestellte Schrauben zur Verschraubung mit den Gewindelöchern 15 eines benachbarten Leitschaufelgehäuses hindurchführbar sind. Der Flansch 4 kann in den Bereichen der Durchtrittslöcher 16 wahlweise mit als Schraubenauflageflächen wirkenden Verstärkungen 10 in axialer Richtung versehen sein. Weiters sind am Außenumfang der Umfangswand 11 dünn-15 wandige Versteifungsrippen 5 angebracht, die die axiale und radiale Verformung des Leitschaufelgehäuses verhindern. Diese Rippen 5 setzen innerhalb des Verschraubungs-Lochkreisdurchmessers 14 an und laufen mit möglichst stumpfem Winkel von der Umfangswand 11 weg hin zum Flansch 4. Weiters sind mehrere im Fluid-Strömungsraum angeordnete, d.h. innenliegende, Gehäuserippen 6 vorgesehen, die eine wesentliche Versteifung des Über-20 gangsbereiches vom radialen Fluid-austrittsseitigen Gehäuseanschluss 8 zur axialen druckführenden Umfangswand 11 bewirken. Diese Rippen 6 setzen unterhalb des Stufengehäusezentrierringes 12 an und werden gerade oder schräg bis zum Dichtleistendurchmesser 13 geführt.

Die beschriebenen Versteifungsmaßnahmen dienen dazu, dass die maximal zulässige Ver-25 gleichsspannung nicht überschritten wird und keine unzulässig hohen Verformungen des Leitschaufelgehäuses auftreten, die die Funktion einer damit realisierten Pumpe beeinträchtigen würden. Dabei ist vor allem auf die axiale Dehnung des Gehäuses Bedacht zu nehmen, die bei höheren Stufenzahlen zu großer Gesamtdehnung des Pumpenkörpers führen können. Da durch den Innendruck die Pumpenwelle mit Laufrädern auf Druck beansprucht und damit ge-30 staucht wird, kommt es zu einer Verschiebung der axialen Position der Laufräder zum Leitschaufelgehäuse. Besonders bei hohen Stufenzahlen kann dies bis zum Berühren der Laufräder am Leitschaufelgehäuse und damit zum Versagen der Pumpe führen. Dies wird jedoch gemäß der Erfindung durch die beschriebenen Versteifungsmaßnahmen verhindert. 35 Das erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse 1 wird in einem Feingussverfahren aus Edelstahl, legiertem Stahlguss oder sonstigen hochlegierten Werkstoffen hergestellt. Damit ist es möglich, die druckbeaufschlagte Wandstärke s der Umfangswand 11 auf die minimal gießbare Wandstärke zu reduzieren. Das Feingussverfahren umfasst zunächst das Herstellen einer Wachsspritzform des zu gießenden Leitschaufelgehäuses mit der notwendigen Oberflächengüte und 40 Maßgenauigkeit, wobei die Wachsspritzform die äußere Form des Leitschaufelgehäuses festlegt. Anschließend wird mit Spritzmaschinen Wachs in teigigem Zustand in die Wachsspritzform eingespritzt. Die so erhaltenen Wachsteile werden anschließend zu einem Wachsaufbau, einem "Baum", zusammengeklebt. Durch mehrmaliges Tauchen dieses Baumes in flüssigem, keramischem Formschlicker, Besanden und anschließendem Trocknen, wird eine keramische Schale 45 aus mehreren fest miteinander verbundenen Schichten aufgebaut. Durch Erhitzen dieser keramischen Schale mittels heißen Dampfes wird das Wachs ausgeschmolzen und im Anschluss daran die leere Schale in einem Brennofen gebrannt/gesintert. Auf diese Weise erhält man die Gießform, in die nun das flüssige Metall gegossen wird, wodurch ein Feingussteil mit geringsten Wandstärken und feinsten Konturen entsteht. Nach dem Erkalten des Metalls wird die Keramik-50 schale mechanisch entfernt, die Gussteile, d.h. die Leitschaufelgehäuse, werden vom "Baum" abgetrennt und die Angussreste abgeschliffen. Durch entsprechende Wärmebehandlung werden die geforderten Werkstoffeigenschaften eingestellt. 55

Claims (10)

1. 5 AI 413 427 B Patentansprüche: 1. Leitschaufelgehäuse für eine Kreiselpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem überwiegenden Bereich einer Umfangswand (11) des Leitschaufelgehäuses (1), 5 vorzugsweise aber an der gesamten Umfangswand (11), das Verhältnis der Wandstärke (s) der Umfangswand (11) zum maximalen Außendurchmesser (<Pd) des Leitschaufelgehäuses (1) kleiner als 0,03 bevorzugt kleiner als 0,025 ist.
2. 2. Leitschaufelgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es im Feinguss-io Verfahren hergestellt ist.
3. 3. Leitschaufelgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Edelstahl oder legiertem Stahlguss oder sonstigen hochlegierten Werkstoffen besteht.
4. 4. Leitschaufelgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass sein Fluid-eintrittsseitig gelegener Gehäuseanschluss (7) zwei dünnwandige Flanschringe (2, 3) umfasst.
5. 5. Leitschaufelgehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei 20 Butzen (9) zwischen den Flanschringen (2, 3) des Fluid-eintrittsseitig gelegenen Gehäuseanschlusses (7), angeordnet sind, wobei die Butzen Befestigungsmittel, wie Gewindelöcher (15) zur Verschraubung des Leitschaufelgehäuses, aufweisen können.
6. 6. Leitschaufelgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich-25 net, dass sein Fluid-austrittsseitig gelegener Gehäuseanschluss (8) einen dünnwandigen Flansch (4) mit Durchtrittslöchern (16) umfasst, der im Bereich der Durchtrittslöcher (16) als Schraubenauflagefläche wirkende Verstärkungen (10) in axialer Richtung aufweist.
7. 7. Leitschaufelgehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (4) des 30 Fluid-austrittsseitigen Gehäuseanschlusses (8) zumindest zwei außenliegende dünnwandige Versteifungsrippen (5) aufweist, die sich von der Außenseite der Umfangswand (11) erstrecken, wobei sich die Versteifungsrippen (5) vorzugsweise in einem stumpfem Winkel von der Umfangswand 11 weg hin zum Flansch (4) erstrecken.
8. 8. Leitschaufelgehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrip pen (5) auf dem Flansch (4) innerhalb des Lochkreisdurchmessers ansetzen.
9. 9. Leitschaufelgehäuse nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (4) und/oder ein Zentrierring (12) des Fluid-austrittsseitig gelegenen Gehäuse- 40 anschlusses (8) an seinem/ihrem Übergang auf die Umfangswand (11) durch zumindest zwei innenliegende Gehäuserippen (6) versteift ist/sind.
10. 10. Verwendung zumindest eines Leitschaufelgehäuses nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer einstufigen oder mehrstufigen Tauchmotorpumpe. 45 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 50 55