CH714176A1

CH714176A1 - Zentrifugalpumpe für kryogene Fördermedien.

Info

Publication number: CH714176A1
Application number: CH01152/17A
Authority: CH
Inventors: Boeglin Stéphane
Original assignee: Fives Cryomec Ag
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-03-29
Also published as: US20190085858A1; US10954952B2; CN209800276U; EP3460246A1; EP3460246B1

Abstract

Bei einer rotierenden direktangetriebenen ein- oder mehrstufigen Zentrifugalpumpe (1) für kryogene Flüssigkeiten, mit einem Pumpengehäuse (2) für die Pumpe (1) und einer elektrischen, als Pumpenantrieb dienenden Antriebsmotoreinheit (12) in einem Motorgehäuse (10), wobei eine Welle (11) der Antriebsmotoreinheit (12) auf zwei Rollenlagern (20; 21) gelagert ist, und wobei zumindest ein Rollenlager (20; 21) ein ungeschmiertes Rollenlager ist, soll der konstruktive Aufbau der Zentrifugalpumpe (1) möglichst einfach gehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) mindestens eine erste kommunizierende Verbindung, insbesondere ein direkter Verbindungskanal (16), ausgebildet ist für einen abgezweigten Teil (F A 1 ) vom Hauptförderstrom (F H ) des kryogenen Fördermediums zum Rollenlager (21), und dass zwischen dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) und der Saugseite (S) eine zweite kommunizierende Verbindung ausgebildet ist für den abgezweigten Teil (F A2 ) des kryogenen Fördermediums zurück zur Saugseite (S) in den Hauptförderstrom (F H ) des kryogenen Fördermediums, so dass eine Zirkulation des abgezweigten Teils (F A 1 ; F A2 ) des kryogenen Fördermediums zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und einzig dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) gewährleistet wird.

Description

Beschreibung

Technisches Gebiet [0001] Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Zentrifugalpumpe für kryogene Fördermedien gemäss Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Stand der Technik [0002] Bekannt sind aus dem Stand der Technik Pumpen für kryogene Medien. Eine bekannte Schwachstelle gerade bei Zentrifugalpumpen für den Einsatz mit kryogenen Fördermedien liegt bei den üblicherweise verwendeten Rollenlagern, auf welchen eine Motorwelle gelagert ist.

[0003] Die Einflüsse eines kryogenen Fördermediums auf geschmierte Rollenlager sind an sich bekannt. Es hat sich gezeigt, dass gängige Schmiermittel in der Regel ziemlich rasch durch im Lagerbereich entstehende oder dort eindringende Dämpfe zumindest teilweise aufgelöst werden. Diese Effekte zeigen sich grundsätzlich bei allen bekannten Schmiermitteln für Rollenlager und sie zeigen sich im Laufe der Zeit selbst dann, wenn speziell abgedichtete geschmierte Lager verwendet werden.

[0004] Aufgrund dieser Schmiermittelproblematik sind deshalb auch Lösungen für Pumpen mit kryogenen Fördermedien entwickelt worden, wobei die Rollenlager nicht geschmiert sind.

[0005] Eine solche Lösung einer Pumpe für kryogene Fördermedien mit ungeschmierten Rollenlagern ist beispielsweise aus dem japanischen Patentdokument JP 2014/020 491 A bekannt. Gemäss diesem Dokument werden Laufringe aus Stahl eingesetzt, wobei der Stahl einer kryogenen Härtung unterzogen wurde. Die Rollkörper können ebenfalls aus Stahl mit kryogener Härtung oder aus Keramik bestehen. Gemäss der in diesem Dokument gezeigten Lösung soll somit versucht werden, die Abrasionsfestigkeit der Lager zu erhöhen, um dadurch auf den Einsatz von Schmiermitteln verzichten zu können.

[0006] Es hat sich jedoch gezeigt, dass Materialkombinationen aus Metall und Keramik in ungeschmierten Rollenlagern beziehungsweise Kugellagern (auch allgemein als Wälzlager bezeichnet) in Pumpen, insbesondere Zentrifugalpumpen, keine genügende Ausfallsicherheit bieten. Je mehr die Drehzahl der Motorwelle erhöht wird, desto höher ist die reibungsbedingte Belastung zwischen den einzelnen Komponenten des Rollenlagers.

[0007] Da die Möglichkeiten hinsichtlich der Optimierung der Materialienpaarungen bzw. Materialkombinationen des ungeschmierten Rollenlagers an Grenzen stösst, sind ebenfalls Lösungen von Pumpen für kryogene Fördermedien mit so genannter kryogener Schmierung der Rollenlager, d.h. eine Schmierung anhand eines Teils des kryogenen Fördermediums, bekannt.

[0008] Aus der US 3 652 186 ist beispielsweise eine Zentrifugalpumpe zum Fördern eines kryogenen Mediums bekannt. Die Zentrifugalpumpe umfasst einen Hauptförderstrom des kryogenen Fördermediums zwischen der Eintrittsseite beziehungsweise Saugseite, und der Austrittsseite beziehungsweise Druckseite.

[0009] Im Austrittsbereich, d.h. auf der Druckseite, der in US 3 652 186 gezeigten Zentrifugalpumpe sind Öffnungen in einem Auslassflansch vorgesehen, wobei über diese Öffnungen ein Teil des austretenden, kryogenen Fördermediums vom Hauptförderstrom abgezweigt und über ausserhalb des Pumpengehäuses angeordnete Rohrleitungen an einen Anschlussstutzen am Pumpengehäuse geführt wird. Der Anschlussstutzen befindet sich im Wesentlichen in derselben axialen Position wie das obere, d.h. dem Pumpenrad entferntere, Rollenlager, wobei durch eine Bohrung in einem oberen Gehäusedeckel eine kommunizierende Verbindung zwischen Anschlussstutzen und dem oberen Rollenlager geschaffen wird. Dadurch werden eine Schmierung des oberen Rollenlagers sowie eine Kühlung des oberen Rollenlagers erzielt.

[0010] Das untere, d.h. dem Pumpengehäuse näher gelegene beziehungsweise pumpengehäuseseitige, Rollenlager wird ebenfalls mit dem abgezweigten Teil des kryogenen Fördermediums versorgt, indem zwischen dem Rollenlagergehäuse und der Welle genügend Spiel vorhanden ist für den Durchtritt des kryogenen Fördermediums an dieser Stelle. An der Austrittsstelle aus dem unteren Rollenlager kann entlang der Motorwelle sowie über einen Spalt oberhalb des als Flügelrad ausgestalteten Laufrads der abgezweigte Teil des kryogenen Fördermediums in den Hauptförderstrom des kryogenen Fördermediums zurückgeführt werden.

[0011] Im Weiteren ist aus der DE 1801 864 eine weitere Zentrifugalpumpe zum Fördern eines kryogenen Mediums bekannt, bei welcher auf der Druckseite ein Teil des kryogenen Fördermediums vom Hauptförderstrom abgezweigt wird und über ein ausserhalb der Pumpe sich befindliches Rohrleitungssystem zu einem oberhalb des oberen Rollenlagers sich befindlichen Anschlussstutzen.

[0012] Eine einstückige Welle, welche sowohl als Motorwelle wie auch als Pumpenwelle fungiert, weist in DE 1801 864 eine sich zwischen den Rollenlagern erstreckende Bohrung auf, womit in diesem Bereich der Welle ein Hohlraum ausgebildet ist. Zwischen dem Anschlussstutzen in dem Hohlraum in der Welle existiert eine kommunizierende Verbindung. Über zusätzliche Bohrungen in der Welle wird zudem zwischen diesem Hohlraum der Welle und den Rollenlagern eine kommunizierende Verbindung geschaffen.

Die aus US 3 652 186 und DE 1 801 864 bekannten Zentrifugalpumpen haben jedoch den Nachteil, dass eine Vielzahl von Rohrleitungen, d.h. vergleichsweise lange Wege, notwendig sind, damit der abgezweigte Teil des kryogenen Fördermediums zu den Rollenlagern und wieder zurück in den Hauptförderstrom des kryogenen Fördermediums gelangen kann.

Darstellung der Erfindung [0013] Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Zentrifugalpumpe bereitzustellen, welche die Nachteile des bekannten Standes der Technik überwindet und insbesondere den konstruktiven Aufbau der Zentrifugalpumpe möglichst einfach hält.

[0014] Diese Aufgaben erfüllt eine Zentrifugalpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

[0015] Erfindungsgemäss ist zwischen der Druckseite im Pumpengehäuse und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager eine erste kommunizierende Verbindung, insbesondere ein direkter Verbindungskanal, ausgebildet für einen abgezweigten Teil des kryogenen Fördermediums zum Rollenlager, und zwischen dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager und der Saugseite ist eine zweite kommunizierende Verbindung ausgebildet für den abgezweigten Teils des kryogenen Fördermediums zurück zur Saugseite im Pumpengehäuse, so dass eine Zirkulation des abgezweigten Teils der kryogenen Fördermediums zwischen Pumpengehäuse und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager gewährleistet wird.

[0016] Eine solche Zirkulation zwischen der Druckseite und einzig dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager innerhalb der erfindungsgemässen Zentrifugalpumpe hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da sich dadurch eine kryogene Schmierung mit einer einfachen Konstruktion der Pumpe vereinbaren lässt. Beispielsweise kann auf ausserhalb des Pumpengehäuses angeordnete Rohrleitungen - im Gegensatz zu den aus US 3 652 186 und DE 1801 864 bekannten Zentrifugalpumpen - verzichtet werden, womit das Risiko von Leckverlusten vermieden werden kann.

[0017] Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einem direkten Verbindungskanal zwischen Druckseite im Pumpengehäuse und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager als erste kommunizierende Verbindung verstanden, dass im Gegensatz zur Zentrifugalpumpe aus der DE 1801864 keine indirekte Verbindung mit dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager über das dem Pumpenrad entferntere, antriebsmotorseitige Rollenlager ausgebildet ist.

[0018] Gemäss der erfindungsgemässen Lösung einer Zentrifugalpumpe für kryogene Fördermedien kann das zur Schmierung und Kühlung abgezweigte, kryogene Fördermedium in einem vergleichsweise kleinräumigen Kreis zirkulieren. Dadurch können Verluste des abgezweigten, kryogenen Fördermediums gering gehalten werden.

[0019] Im Weiteren ist es notwendig, dass das kryogene Fördermedium im Bereich des ungeschmierten, pumpengehäuseseitigen Rollenlagers nicht verdampft, was vorzugsweise durch Verhinderung des Unterschreitens eines gewissen Mindestdrucks ermöglicht wird. Ein Verdampfen des kryogenen Fördermediums im Bereich der Rollenlager kann die Rollenlager beschädigen. Ein vergleichsweise kleinräumiger Zirkulationskreis ist vorteilhaft, da hierdurch die Aufrechterhaltung des notwendigen Mindestdrucks durch die Konstruktion gewährleistet ist.

[0020] Im Sinne der vorliegenden Erfindung können als kryogenes Fördermedium beispielsweise Flüssiggase wie flüssige Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise flüssiges Methan, flüssiger Stickstoff etc. verwendet werden. Unter Flüssiggas wird ein durch Kühlung und Kompression verflüssigtes Gas verstanden. Es hat sich gezeigt, dass gerade flüssige Kohlenwasserstoffe gute Schmiereigenschaften besitzen und sich deshalb für eine kryogene Schmierung besonders gut eignen.

[0021] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

[0022] Vorzugsweise befindet sich zwischen dem Motorgehäuse und dem Pumpengehäuse ein Zwischenstück in Form eines Gehäusedeckels, wobei der Gehäusedeckel einen Verbindungskanal in Form einer Bohrung zwischen der Druckseite und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager aufweist zur Bildung der ersten kommunizierenden Verbindung.

[0023] Bevorzugt ist ein Dichtungselement zwischen dem pumpengehäuseseitigen Gehäusedeckel und der Welle derart dichtend angeordnet, um eine Barriere zwischen Pumpengehäuse und dem Motorgehäuse zu erzielen. Im Gegensatz zu den aus US 3 652 186 und DE 1 801 864 bekannten Zentrifugalpumpen kann es sich beim antriebsmotorseitigen bei der erfindungsgemässen Zentrifugalpumpe vorzugsweise um ein konventionelles, geschmiertes Rollenlager handeln. Das als Barriere für des kryogene Fördermedium dienende Dichtungselement vermeidet damit vorteilhaft die bekannten Probleme, welche bei Inkontaktbringen des kryogenen Fördermediums mit geschmierten Rollenlagern auftreten, und zwingt zudem den abgezweigten Teil über die zweite kommunizierende Verbindung zurück in den Hauptförderstrom des kryogenen Fördermediums.

[0024] Vorzugsweise ist die erfindungsgemässe Zentrifugalpumpe für den Gebrauch in einer horizontalen Lage ausgelegt und damit geeignet, um beispielsweise an einem Lastkraftwagen (LKW) angebracht zu werden.

[0025] Bevorzugt weist das Motorgehäuse, insbesondere an einer beim Gebrauch in horizontaler Lage am tiefsten gelegenen Stelle, eine Austrittsbohrung auf, wobei an der Austrittsbohrung eine zur Saugseite verlaufende Druckausgleichsleitung anbringbar ist. Eine solche Austrittsbohrung mit einer daran angebrachten Druckausgleichsleitung erlaubt vorteilhaft ein Entfernen von unerwünscht im Motorgehäuse vorhandenem kryogenem Fördermedium, welches beispielsweise aufgrund einer mangelhaften Barrierewirkung beispielsweise aufgrund einer Beschädigung oder Verschleiss des Dichtungselements zwischen dem pumpengehäuseseitigen Gehäusedeckel und der Welle in das Motorgehäuse gelangt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0026] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen;

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Zentrifugalpumpe.

Beschreibung [0027] Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Zentrifugalpumpe 1. Die Zentrifugalpumpe 1 hat ein Motorgehäuse für eine elektrische Antriebsmotoreinheit 12 sowie ein Pumpengehäuse 2 zur Aufnahme der Pumpenelemente. Im vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine einstufige Impeller-Pumpe mit nur einem Pumpenrad 5, wobei es sich auch um eine mehrstufige Impeller-Pumpe mit mehreren Pumpenrädern 5 handeln kann.

[0028] Die Antriebsmotoreinheit 12 hat eine Welle 11, die in zwei Rollenlagern 20; 21 gelagert ist. Ein antriebsmotorseitiges, d.h. dem Pumpenrad 5 beziehungsweise Pumpengehäuse 2 entfernteres, Rollenlager 20 ist hierbei in einem antriebsmotorseitigen Gehäusedeckel 9 gelagert. Im vorliegenden, bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Welle 11 um eine einstückige Welle, welche sowohl als Motorwelle wie auch als Pumpenwelle fungiert. Alternativ ist auch eine Bauform der Zentrifugalpumpe 1 mit einer nicht einstückigen Welle denkbar, bei welcher eine Motorwelle mit einer Pumpenwelle über eine Kupplung verbunden werden kann. An dem dem Pumpengehäuse 2 zugewandten freien Ende der Welle 11 sind hier mittels einer Fixierschraube 7 sowohl ein Pumpenrad 5 wie auch ein als Flügelrad ausgestaltetes Laufrad 6 befestigt. Das Pumpenrad 5 ist hier beispielhaft als eine spiralförmige Förderschaufel ausgebildet.

[0029] Wie in Fig. 1 ersichtlich ist am Pumpengehäuse 2 auf der Eintrittsöffnung E beziehungsweise Saugseite S ein Saugflansch 4 für die Ansaugung des Hauptförderstroms F_H des kryogenen Fördermediums angeordnet. Auf der im Wesentlichen selben axialen Position wie das Pumpengehäuse 2 sowie im Wesentlichen rechtwinklig zur Eintrittsseite E ist hier die Austrittseite mit einem Auslassflansch für den Ausstoss des Hauptförderstroms F_H des kryogenen Fördermediums angeordnet (nicht ersichtlich in Fig. 1).

[0030] Zwischen Motorgehäuse 10 und Pumpengehäuse 2 befindet sich ein Zwischenstück in Form eines Gehäusedeckels 15, wobei dieser Gehäusedeckel 15 mit geeigneten Fixiermitteln eine feste Verbindung zwischen dem Motorgehäuse 10 und dem Pumpengehäuse 2 herstellt. Der Gehäusedeckel 15 hat Adapter- und Trennfunktion. Im Gehäusedeckel 15 ist das pumpengehäuseseitige, d.h. dem Pumpengehäuse 2 beziehungsweise Pumpenrad 5 näher gelegene, Rollenlager 21 gelagert. Gemäss dem hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise zwischen dem Gehäusedeckel 15 und dem Motorgehäuse 10 eine Isolierscheibe 19 angeordnet.

[0031] Zwischen der Druckseite D im Pumpengehäuse 2 und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager 21 ist eine erste kommunizierende Verbindung insbesondere als ein direkter Verbindungskanal 16, ausgebildet für einen abgezweigten Teil F_A1 vom Hauptförderstrom F_H des kryogenen Fördermediums. Der Verbindungskanal 16 wird hier in Form einer Bohrung im Gehäusedeckel 15 gebildet und erstreckt sich hier beispielhaft zwischen Rollenlager 21 quer nach aussen bis zu einem äusseren radialen Bereich des Pumpengehäuses 2. In Fig. 1 wird nur ein Verbindungskanal 16 gezeigt, wobei durchaus eine oder mehrere Verbindungskanäle 16 je nach Bedarf vorhanden sein können.

[0032] Während des Betriebs der Zentrifugalpumpe 1 erhöht sich aufgrund der Zentrifugalkräfte ein Druck P2 auf der Druckseite D im äusseren radialen Bereich des Pumpengehäuses 2 gegenüber einem Druck Pi bei der Saugseite S in einem inneren radialen Bereich des Pumpengehäuses 2. Der Druck P2 auf der Druckseite D entspricht üblicherweise dem zu erzielenden Druck des austretenden Hauptförderstroms F_H des kryogenen Fördermediums. Mit anderen Worten bildet sich ein Druckgradient, wobei gilt: P2 > Pi. Dieser Druckgradient bewirkt ein Abzweigen eines Teils F_A1 vom Hauptförderstrom F_h des kryogenen Fördermediums in Richtung des Rollenlagers 21 und dadurch ein Durchströmen beziehungsweise eine kryogene Schmierung und Kühlung des Rollenlagers 21. Mit anderen Worten wird die Zirkulation durch den Druckgradienten beziehungsweise die Druckdifferenz zwischen Druckseite D und Saugseite S gewährleistet. Es hat sich gezeigt, dass in der erfindungsgemässen Zentrifugalpumpe 1 ein Druckgradient bzw. eine Druckdifferenz zwischen Pi und P2 von 0,8 bis 8 bar einstellbar sein kann, wobei dieser Druckgradient insbesondere durch die Pumpengeschwindigkeit sowie den Durchmesser des Laufrades beeinflussbar ist.

Zwischen dem Rollenlager 21 und der Saugseite S im Pumpengehäuse 2 ist eine zweite kommunizierende Verbindung ausgebildet für die Rückführung des abgezweigten Teils F_A2 des kryogenen Fördermediums zurück zur Saugseite S im Pumpengehäuse 2, so dass eine Zirkulation des abgezweigten Teils F_A1; F_A2 des kryogenen Fördermediums zwischen der Druckseite D im Pumpengehäuse 2 über das pumpen-gehäuseseitige Rollenlager 21 zurück zur Saugseite S gewährleistet wird. Gemäss der hier in Fig. 1 gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist die zweite kommunizierende Verbindung in Form mindestens einer unteren Öffnung 02 des pumpengehäuseseitigen Rollenlagers 21 ausgestaltet und kann so zu einer oberen Saugseite Si gelangen. Im Weiteren beinhaltet die zweite kommunizierende Verbindung hier beispielhaft gestrichelt angedeutet mindestens eine Bohrung B im Laufrad 6, wodurch der abgezweigte Teil F_A2 des kryogenen Fördermediums von einer oberen Saugseite S: zurück zur Saugseite S gelangen kann. Es hat sich gezeigt, dass zwischen der oberen Saugseite Si ein leicht höherer Druck existiert als der Druck Pi auf der Saugseite S, wodurch der abgezweigte Teil Fa2 des kryogenen Fördermediums wieder in den Hauptförderstrom F_H des kryogenen Fördermediums gelangen kann.

[0033] Ein ringförmig ausgestaltetes, die Welle 11 umschliessendes Dichtungselement 18 ist zwischen dem Gehäusedeckel 15 und der Welle 11 derart dichtend angeordnet, um eine Barriere zwischen Pumpengehäuse 2 und dem Motorgehäuse 10zu erzielen. Dieses Dichtungselement 18 zwingt-wie in Fig. 1 ersichtlich in die dem Motorgehäuse 10 abgewandte Richtung - den abgezweigten Teil F_A2 des kryogenen Fördermediums über die zweite kommunizierende Verbindung zurück in den Hauptförderstrom F_H des kryogenen Fördermediums. Das in Fig. 1 gezeigte, bevorzugte Ausführungsbeispiel weist zudem beispielhaft - zusätzlich zum Dichtungselement 18 - eine Labyrinthdichtung 17 zwischen dem ungeschmierten Rollenlager 21 und dem Dichtungselement 18 auf. Die erfindungsgemässe Zentrifugalpumpe 1 erlaubt durch einen Spalt zwischen der Labyrinthdichtung 17 und dem Rollenlager 21 einen Durchfluss des abgezweigten Teils Fai des kryogenen Fördermediums, so dass der abgezweigte Teil F_A1 des kryogenen Fördermediums über mindestens eine obere Öffnung Oi in das Rollenlager 21 gelangen und anhand des kryogenen Fördermediums geschmiert werden kann.

[0034] Idealerweise ist die Zentrifugalpumpe 1 ausgelegt beziehungsweise dazu geeignet, um in horizontaler Lage, d.h. bei einer horizontal ausgerichteten Längsachse der Welle 11, für den Gebrauch beispielsweise an einem LKW betrieben zu werden. Beispielsweise ist die Zentrifugalpumpe 1 vorzugweise derart ausgestaltet, so dass die in Fig. 1 gezeigte, Austrittsbohrung 13 im Motorgehäuse 10 an einer in Schwerkraftrichtung betrachtet am tiefsten gelegenen Stelle ausgerichtet und angeordnet ist, wodurch unerwünscht sich im Motorgehäuse 10, befindliches flüssiges kryogenes Fördermedium an dieser Stelle sammeln kann. Wie in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist bevorzugt eine Druckausgleichsleitung 14 an der Austrittsbohrung 13 sowie an einer Bohrung 3 im Saugflansch 4 des Pumpengehäuses 2 dichtend angebracht. Eine derart angebrachte Druckausgleichsleitung 14 ist vorteilhaft, da das flüssige, kryogene Fördermedium aus dem Inneren des Motorgehäuses 10 in Richtung Saugseite S bei der Eintrittsöffnung E gezwungen wird. Eine solche Austrittsbohrung 13 mit einer daran angebrachten Druckausgleichsleitung 14 erlaubt vorteilhaft ein Entfernen von unerwünscht im Motorgehäuse 10 vorhandenem flüssigem kryogenem Fördermedium, welches beispielsweise aufgrund einer mangelhaften Barrierewirkung beispielsweise aufgrund einer Beschädigung oder Verschleiss des Dichtungselements 18 zwischen dem pumpengehäuseseitigen Gehäusedeckel 15 und der Welle 11 in das Motorgehäuse 10 gelangt ist.

[0035] Das ungeschmierte Rollenlager 21 im Gehäusedeckel 15 umfasst hier eine Vielzahl von Kugeln 23, einen inneren Laufring 25 sowie einen äusseren Laufring 27 jeweils mit Laufflächen, zwischen denen die Kugeln 23 angeordnet sind, wobei hier die Kugeln 23 aus Keramik gefertigt sein können. Die Laufringe 25; 27 sind bevorzugt aus Stahl gefertigt und weisen idealerweise im Bereich der Laufflächen eine chrombasierte Beschichtung auf.

[0036] Ein solches ungeschmiertes Rollenlager 21 beziehungsweise Kugellager wird auch als ein Hybridlager bezeichnet, bei dem für die Laufringe 25; 27 und die Kugeln 23 (auch Wälzkörper genannt) unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Die häufigste Bauart ist die des Rillenkugellagers mit herkömmlichen Laufringen 25; 27 aus Stahl und Kugeln 23 aus einer hochfesten Keramik, meistens Siliciumnitrid.

[0037] Beim Rollenlager 20 im antriebsmotorseitigen Gehäusedeckel 9 kann identisch wie das Rollenlager 21 gefertigt sein, es kann sich aber aus Kostengründen vorteilhaft auch um ein konventionelles, geschmiertes Rollenlager handeln.

[0038] Der gegenseitige Abstand der Kugeln 23 im ungeschmierten Rollenlager 21 wird durch einen Käfig (nicht gezeigt in Fig. 1) gewährleistet, welcher für jede Kugel 23 eine separate Kammer aufweist. Die Innenflächen der Kammern sind vorzugsweise zylindrisch und der Zylinderdurchmesser wird etwas grösser als der Durchmesser der Kugeln 23 gewählt, so dass die Kugeln frei in dem Käfig rotieren können. Bevorzugt ist dieser Käfig aus verstärktem PTFE (Polytetrafluorethylen) gefertigt. Alternativ oder zusätzlich kann dieser Käfig auch aus Edelstahl, Polyetheretherketon (PEEK), Messing oder beliebige Kombinationen hiervon hergestellt sein.

Bezugszeichenliste [0039]

Zentrifugalpumpe

Pumpengehäuse

Bohrung (im Pumpengehäuse)

Saugflansch

Pumpenrad

Laufrad

Fixierschraube antriebsmotorseitiger Gehäusedeckel

Motorgehäuse

Welle

Antriebsmotoreinheit

Austrittsbohrung (im Motorgehäuse)

Druckausgleichsleitung (zwischen Saugseite und Druckseite) pumpengehäuseseitiger Gehäusedeckel

Verbindungskanal (für abgezweigtes, kryogenes Medium)

Labyrinthdichtung

Dichtungselement

Isolierscheibe antriebsmotorseitiges Rollenlager pumpengehäuseseitiges Rollenlager

Kugel (oberes Rollenlager)

Kugel (unteres Rollenlager) innerer Laufring (oberes Rollenlager) innerer Laufring (unteres Rollenlager) äusserer Laufring (oberes Rollenlager) äusserer Laufring (unteres Rollenlager)

A Austrittsöffnung

B Bohrung (im Laufrad)

D Druckseite

E Eintrittsöffnung

F_Ai Abgezweigtes, kryogenes Fördermedium (Druckseite zum Rollenlager)

F_A2 Abgezweigtes, kryogenes Fördermedium (Rollenlager zur Druckseite)

F_h Hauptförderstrom kryogenes Fördermedium

L Längsachse

O-ι Obere Öffnung (des pumpengehäuseseitigen Rollenlagers)

O₂ Untere Öffnung (des pumpengehäuseseitigen Rollenlagers)

S Saugseite

S-ι Obere Saugseite

Claims

Patentansprüche

1. Rotierende direktangetriebene ein- oder mehrstufige Zentrifugalpumpe (1) für kryogene Flüssigkeiten, mit einem Pumpengehäuse (2) für die Pumpe (1) und einer elektrischen, als Pumpenantrieb dienenden Antriebsmotoreinheit (12) in einem Motorgehäuse (10), wobei eine Welle (11) der Antriebsmotoreinheit (12) auf zwei Lagern, insbesondere Rollenlagern (20; 21), gelagert ist, und wobei zumindest ein Rollenlager (20; 21) ein ungeschmiertes Rollenlager ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) mindestens eine erste kommunizierende Verbindung, insbesondere ein direkter Verbindungskanal (16), ausgebildet ist für einen abgezweigten Teil (Fai) vom Hauptförderstrom (F_H) des kryogenen Fördermediums zum Rollenlager (21), und dass zwischen dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) und der Saugseite (S) eine zweite kommunizierende Verbindung ausgebildet ist für den abgezweigten Teil (F_A2) des kryogenen Fördermediums zurück zur Saugseite (S) in den Hauptförderstrom (F_H) des kryogenen Fördermediums, so dass eine Zirkulation des abgezweigten Teils (F_A1; F_A2) der kryogenen Fördermediums zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und einzig dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) gewährleistet wird.
2. Pumpe (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Motorgehäuse (10) und Pumpengehäuse (2) sich ein Zwischenstück in Form eines Gehäusedeckels (15) befindet, wobei der Gehäusedeckel (15) einen Verbindungskanal (16) in Form einer Bohrung zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) aufweist zur Bildung der ersten kommunizierenden Verbindung.
3. Pumpe (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtungselement (18) zwischen dem Gehäusedeckel (15) und der Welle (11) derart dichtend angeordnet ist, um eine Barriere zwischen Pumpengehäuse (2) und dem Motorgehäuse (10) zu erzielen.
4. Pumpe (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (1) für den Gebrauch in einer horizontalen Lage ausgelegt ist.
5. Pumpe (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse (10), insbesondere an einer beim Gebrauch in horizontaler Lage in Schwerkraftrichtung am tiefsten gelegenen Stelle, eine Austrittsbohrung (13) aufweist, wobei an der Austrittsbohrung (13) eine Druckausgleichsleitung (14) zwischen dem Motorgehäuse (10) und der Saugseite (S) anbringbar ist.
6. Pumpe (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Rollenlager (20; 21), insbesondere das pumpen-gehäuseseitige, ungeschmierte Rollenlager (21), ein Hybridlager aus reibungsarmen Materialien ist.
7. Pumpe (1) nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass innere und äussere Laufringe (24; 25; 26; 27) der Rollenlager (20; 21), insbesondere des pumpengehäuseseitigen Rollenlagers (21), aus Stahl gefertigt sind und im Bereich der Laufflächen eine chrombasierte Beschichtung aufweisen, sowie die Kugeln (22; 23) der Rollenlager (20; 21), insbesondere des pumpengehäuseseitigen Rollenlagers (21), aus Keramik, insbesondere Siliciumnitrid (SÌ3N4), gefertigt sind.
8. Pumpe (1) nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Rollenlager (20; 21), insbesondere das pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21), einen Käfig zur gegenseitigen Beabstandung der Kugeln (22; 23) umfassen, wobei durch den Käfig für jede Kugel (22; 23) eine separate Kammer geschaffen wird, und wobei der Käfig aus verstärktem Polytetrafluorethylen (PTFE), Edelstahl oder Polyetheretherketon (PEEK) oder Messing oder beliebige Kombinationen hiervon gefertigt ist.
9. Verfahren zum Betreiben einer Pumpe (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche, umfassend zumindest die Verfahrensschritte:

Inbetriebsetzung der Pumpe (1) zum Fördern eines Hauptförderstroms (F_H) des kryogenen Fördermediums von der Eintrittsöffnung (E) zur Austrittsöffnung (A), dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) über mindestens eine erste kommunizierende Verbindung, insbesondere einen direkten Verbindungskanal (16), ein abgezweigter Teil (F_A1) vom Hauptförderstrom (F_H) des kryogenen Fördermediums zum Rollenlager (21) geführt wird, und dass zwischen dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) und der Druckseite (D) über eine zweite kommunizierende Verbindung ausgebildet ist der abgezweigte Teil (F_A2) des kryogenen Fördermediums zurück zur Saugseite (S) in den Hauptförderstrom (F_H) des kryogenen Fördermediums geführt wird, so dass eine Zirkulation des abgezweigten Teils (F_A1; F_A2) der kryogenen Fördermediums zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und einzig dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) gewährleistet wird.
10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich während des Betriebs der Zentrifugalpumpe (1) aufgrund der Zentrifugalkräfte ein Druck (P2) auf der Druckseite (D) im äusseren radialen Bereich des Pumpengehäuses (2) gegenüber einem Druck (Pi) bei dem in einem inneren radialen Bereich des Pumpengehäuses (2) angeordneten Rollenlager (21) erhöht, so dass dieser Druckgradient ein Abzweigen eines Teils (F_A1) vom Hauptförderstrom (F_H) des kryogenen Fördermediums in Richtung des Rollenlagers (21) über die mindestens eine erste kommunizierende Verbindung und dadurch ein Durchströmen beziehungsweise eine kryogene Schmierung und Kühlung des Rollenlagers (21) bewirkt.
11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (1) bei der Inbetriebsetzung in einer horizontalen Lage installiert wird.