DD246597A1 - Gleitlager eines spaltrohrmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager eines Spaltrohrmotors, insbesondere einer Spaltrohrmotorpumpe, deren Motoranker von einer Fluessigkeit voll umschlossen ist und deren Gleitlager von dieser Fluessigkeit geschmiert und gekuehlt werden. Ziel der Erfindung ist es, die Fertigung der Gleitlager zu entfeinern, den Verschleiss der Gleitlager erheblich zu mindern und die Entstehung und Emission von Lagerlaerm zu verhindern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die formschluessige Fesselung des Rotors in einem Spaltrohrmotor durch eine kraftschluessige Fesselung zu ersetzen, die Wirkung der Stoerkraefte des Motorankers von den Gleitlagern fernzuhalten, eine rotierende Schwingung des Rotors zu verhindern und auf dieser Grundlage Gleitlager mit hydrodynamischer Wirkungsweise einzusetzen. Geloest wird die Aufgabe dadurch, dass der Spaltrohrmotor mit hydrodynamischen Magnetlagern ausgeruestet ist. Fig. 1

Description

Anker, den einseitigen magnetischen Zug und die hydrodynamische Kraftkomponente. Dieser mit exponentieller Tendenz ablaufende Vorgang führt dann sehr schnell zur Zerstörung der Gleitlager und zum Ausfall des Spaltrohrmotoraggregates. Die dem Spaltrohrmotoranker immanenten Störkräfte und ihre schädlichen Wirkungen haben den Einsatz hydrodynamischer Gleitlager mit entsprechend hydrodynamischen Spaltweiten bisher verhindert.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Fertigung der Gleitlager eines Spaltrohrmo.tqrszu entfeinern, den Verschleiß der Gleitlager erheblich zu mindern bzw. zu beseitigen und die Entstehung und Emission von Lagerlärm zu verhindern, um dadurch die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von Spaltrohrmotoraggregaten zu erhöhen und die Ausfallrate zu vermindern. Es ist weiter ein Ziel der Erfindung, die Betriebsdrehzahl von Spaltrohrmotoren zu erhöhen, ohne daß sich dadurch die genannten Nachteile verstärkt bzw. überhaupt einstellen. Diese technische Zielstellung ist die Voraussetzung zur Erzielung bedeutender ökonomischer Vorteile und einer Verbesserung der Arbeits-und Lebensbedingungen eines großen Kreises von Werktätigen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die formschlüssige Fesselung des Rotors in einem Spaltrohrmotor durch eine kraftschlüssige Fesselung zu ersetzen, die Wirkung der Störkräfte des Motorankers von den Gleitlagern fernzuhalten, eine rotierende Schwingung des Rotors zu verhindern und auf dieser Grundlage Gleitlager mit hydrodynamischer Wirkungsweise einzusetzen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Spaltrohrmotor mit hydrodynamischen Magnetlagern ausgerüstet ist und die Magnetkraftkomponenten der hydrodynamischen Magnetlager näherungsweise gleich und zusammen größer sind als der einseitige magnetische Zug des Ankers:

(Ml₂,! + M_L2.2> M_A).

Bei horizontaler Anordnung des Spaltrohrmotors sind die hydrodynamischen Magnetlager so angeordnet, daß die Wirkungsrichtung ihrer Magnetkraftkomponenten und die Wirkungsrichtung der Massenkraft des Rotors identisch sind und daß die Summe dieser Kraft größer ist als der einseitige magnetische Zug des Ankers:

(Ml₂.! + M_L2.2 + G > M_A). .

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß in Anpassung an äußere Kräfte am Rotor, die Magnetkraftkomponenten der hydrodynamischen Magnetlager sich nach Betrag und Richtung unterscheiden..Das Wesen der Erfindung ist vorwiegend dadurch bestimmt, daß sowohl das Lagerspiel der hydrodynamischen Magnetlager als auch das Spiel zwischen Anker und Spaltrohr nach hydrodynamischen Gesichtspunkten und das Lagerspiel kleiner als das halbe Ankerspiel bemessen ist:

(h_L>V2h_A).

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel näher erläutert.

Fig. 1: Schematischer Schnitt eines Spaltrohrmotors ohne Statoranteil

Fig. 2: Kräftediagramm eines herkömmlichen Gleitlagers in der Anlauf- und Gleichgewichtsphase

Fig.3: Diagramm der Störkräfte am Anker eines Spaltrohrmotors

Fig.4: Kräftediagramm am Rotor eines Spaltrohrmotors mit hydrodynamischen Magnetlagern

Fig. 5: Verteilung der Kräfte auf der Rotorachse.

Den Rotor eines Spaitrohrmotors mit den hydrodynamischen Magnetlagern 2.1 und 2.2 und dem Spaltrohr 3 zeigt Fig. 1. Es wurde gefunden, daß die spezielle Besonderheit der Wirkung der Störkräfte eines Spaltrohrmotors darin besteht, daß der bekannte einseitige magnetische Zug M_A als eine Wirkung des magnetischen Motorsystems am Anker 1.2 und eine hydrodynamische Kraft H_Aals eine hydrodynamische Wirkung des Spaltes h_A zwischen dem Anker 1.1 und dem Spaltrohr 3, eine Umfangskraftkomponente U (Fig.3) freisetzt, die den Rotor 1 auf einer Bahn mit dem Radius e und der Rotation ω₂ antreibt. Der Rotor 1 führt zwei überlagerte Bewegungen aus: Er rotiert mit ωι um sein Trägheitszentrum T (Arbeitsrotation) und dieses mit ω₂' und dem Abstand e um das geometrische Lagerzentrum O (Schwingungsrotation). Die Bahn der Schwingung ist nicht notwendig eine Kreisbahn. Die zweite Bewegung ist als Schwingung zu charakterisieren, die in der Konstruktion des Spaltrohrmotors begründet, in den Grenzen eines Lagerspieles unvermeidlich ist. Sie ist vergleichbar mit der bekannten und gefürchteten Ölfilmschwingung und kann zu den selben verheerenden Wirkungen führen, obwohl ihre Herkunft auf anderen physikalischen Erscheinungen beruht.

Fig. 3 zeigt den Anker 1.2 eines Spaltrohrmotors in derselben Position e,y wie Fig. 2 eine Welle in einem Gleitlager, aber nicht mit einer Massenkraft G, sondern mit dem einseitigen magnetischen Zug M_A des Ankers 1.2 belastet. Die Wirkungsrichtung des einseitigen magnetischen Zuges M_A ist indessen nicht unveränderlich. Ihre Richtung ist bestimmt durch das Rotor-Trägheitszentrum T und die Position γ der kleinsten Spaltweite h_min am Ankerumfang und deshalb auch um den Winkel γ am Ankerumfang verdreht. Das ist die Ursache dafür, wie das Kräftediagramm Fig. 3 zeigt, daß die Umfangkomponente U nicht verschwunden ist und ihre Umfangsrichtung beibehalten hat. Die Rotation 0J2 läuft weiter. Eine Gleichgewichtslage existiert nicht. .

In der maschinentechnischen Realität wirken bei horizontaler Anordnung des Spaltrohrmotors beide Belastungsarten gleichzeitig auf den Anker 1.2, bei vertikaler Anordnung fehlt die Massekraft G. .

Figur 3 macht deutlich, daß die Umfangskraftkomponente U die resultierende Kraftwirkung des einseitigen magnetischen Zuges Ma und der hydrodynamischen Kraftkomponente Ha des Ankers ist. Das Wesen der erfindungsgemäßen Anordnung hydrodynamischer Magnetlager im Spaltrohrmotor besteht darin, daß der Umfangskraftkomponente U des Ankers 1.2 die Magnetkraftkomponente M_L der hydrodynamischen Magnetlager entgegen gestellt ist mit der Bedingung

M_L + G > M_A

und das diese Kraft nicht von der Hydrodynamik der Gleitlager 2.1 und 2.2 sondern von der Hydrodynamik des Ankers 1.2

getragen wird. ' ^:

Für die obige Bedingung existiert immer eine Gleichgewichtsposition e, γ und das Kräftediagramm ist auf Fig. 2 zurückgeführt.

Das Kräftediagramm am Rotor 1 dieser erfindungsgemäßen Ausführung zeigt Fig.4. Die Summe der hydrodynamischen Kräfte Ha + H_L2.i + H|_2.2 des Ankers 1.2 und der hydrodynamischen Magnetlager 2.1 und 2.2 stehen im Gleichgewicht mit der Resultierenden R aus der Massenkraft G des Rotors 1 und den Magnetkraftkomponenten M_L2.i + M_L2.2 der hydrodynamischen Magnetlager 2.1 und 2.2 und dem einseitigen magnetischen Zug Ma am Anker 1.2. Die hydrodynamische Umfangskomponente U des Ankers ist gleich Null, eine Störschwingung ω₂ wird nicht angeregt und der Rotor 1 befindet sich in einer stabilen Gleichgewichtsposition. Das sind die entscheidenden Voraussetzungen dafür, daß die Gleitlager jetzt mit hydrodynamischen Spaltweiten h_L versehen sein dürfen.

Figur 4 macht deutlich und Fig. 1 zeigt anschaulich, daß sowohl der einseitige magnetische Zug Ma des Ankers 1.2 als auch seine hydrodynamische Kraftkomponente H_A in die Lagerung des Rotors 1 einbezogen sind und dadurch ihren störenden bis schädlichen Charakter verloren haben.

Figur 5 zeigt, daß diese Kräfte nicht mehr die Gleitlager belasten und vom Anker 1.2 selbst getragen werden. DieProportionierung der hydrodynamischen Reaktion H_A des Ankers 1*2 und H_L der hydrodynamischen Magnetlager 2.1 und 2.2 ist mit den Spaltweiten h_A, h_L und mit der Lagerbreite bestimmt (Fig. 1). _w

Der Hauptanteil der hydrodynamischen Reaktionskraft ist dem Anker 1.2 übertragen, während die hydrodynamischen Magnetlager 2.1 und 2.2 nur den die radiale Position der Welle 1.1 regelnden Anteil liefern.

Figur 5 zeigt die Verteilung der Kräfte auf der Rotorachse. Die Bildebene liegt in Richtung der Resultierenden R und H_A + H_L. Die Kräfte M_A, M_L und G sind in die Richtungsebene gedreht.

Ist ein freies Wellenende eines Spaltrohrmotors mit einer Kraft F belastet u.U. die Radialkraftkomponente eines Pumpenlaufrades (Fig.1), so sind die Kräfte auf der Welle 1.1 nicht symmetrisch verteilt, dann sind Richtung und Betrag der Magnetkraftkomponenten M_L2.i und Mi.2.2 unterschiedlich bemessen.

Nachstehende Vorteile entstehen infolge der erfindungsgemäßen Ausführung der Gleitlager eines Spaltrohrmotors':

— Entfeinerung der Lagerfertigung

— hydrodynamische Betriebsweise der Gleitlager·

— kein oder sehr geringer Lagerverschleiß

— Lagerlärm entsteht nicht und wird nicht emittiert

— höhere Zuverlässigkeit des Spaltrohrmotoraggregates und geringere Ausfallrate durch Gleitlager

— höhere Lebensdauer der Gleitlager und des Spaltrohrmotoraggregates

— höhere Betriebsdrehzahleh

— bedeutende ökonomische Vorteile infolge der neuen technischen Merkmale

— Verbesserung der Arbeits- und Lebensbedingungen eines erheblichen Teiles von Werktätigen.

Claims (5)

1. Patentanspruch:

   1. Gleitlager eines Spaltrohrmotors, insbesondere einer Spaltrohrmotorpumpe, deren.Motoranker von einer Flüssigkeit voll umschlossen ist und deren Gleitlager mit dieser Flüssigkeit geschmiert werden, gekennzeichnet dadurch, daß der Spaltrohrmotor mit hydrodynamischen Magnetlagern ausgerüstet ist.
2. 2. Gleitlager nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Magnetkraftkomponenten der hydrodynamischen Magnetlager näherungsweise gleich und zusammen größer sind als der einseitige magnetische Zug des Ankers:

   (Ml₂.! + M_L2.2 > M_A). .
3. 3. Gleitlagernach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die hydrodynamischen Magnet lager so angeordnet sind, daß die Wirkungsrichtung ihrer Magnetkraftkomponenten und die Wirkungsrichtung der Massenkraft des Rotors identisch sind und daß die-Summe dieser Kraft größer ist als der einseitige magnetische Zug des Ankers:

   (M_L2.i + M_L2.2 + G > M_A).
4. 4. Gleitlager nach Punkt 1 und 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Magnetkraftkomponenten der hydrodynamischen Magnetlagersich nach Betrag und Richtung unterscheiden.
5. 5. Gleitlager nach Punkt 1 und 2 oder 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß sowohl das Lagerspiel der hydrodynamischen Magnetlager als auch das Spiel zwischen Anker und Spaltrohr nach hydrodynamischen Gesichtspunkten und das Lagerspiel kleiner als das halbe Ankerspiel bemessen ist:

   (h_L>V2h_A).
   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen · .

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Gleitlager eines Spaltrohrmotors, insbesondere einer Spaltrohrmotorpumpe, deren Motoranker von einer Flüssigkeit voll umschlossen ist und deren Gleitlager von dieser Flüssigkeit geschmiert und gekühlt werden.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Spaltrohrmotorpumpen werden eingesetzt zur Förderung gefährlicher Flüssigkeiten, warmen und heißen Wassers und speziell als Heizungsumwälzpumpen. Das hat den Vorteil, daß die Dichtheit der Förderrohrleitung bzw. des Heißwasserkreislaufes nicht von einerWellendichtung verunsichert wird.

   Der hermetische Motor- und Pumpenverschluß ist dadurch erreicht, daß Lagerkonstruktionen und Lagerwerkstoffe gefunden wurden, die den Betrieb der Lager mit Wasser oder anderen Förderflüssigkeiten als Schmiermittel zulassen. Hartmetalle, Plaste und keramische Werkstoffe werden vorwiegend eingesetzt.

   Eine nachteilige Besonderheit des Spaltrohrmotors besteht darin, daß am Motoranker neben der jedem Elektromotor anhaftenden Störkraft des einseitigen magnetischen Zuges die hydrodynamische Wirkung im Spalt zwischen Anker und Spaltrohr eine zweite, eine hydrodynamische Störkraft hervorruft. Beide Störkräfte sind in der herkömmlichen Bauweise der Spaltrohrmotoren und ihrer Lager nach Betrag und Richtung nicht definiert. Ihre Beträge, von meist bedeutender Größenordnung, sind abhängig von der auffälligen exzentrischen Verlagerung des Ankers im Spaltrohr und ihrer Richtung von der zufälligen Richtung dieser Exzentrizität. Die Fertigungs- und Montagetoleranzen bieten einen großen Spielraum. Die Wirkungen beider Störkräfte werden in der traditionellen Bauweise durch formschlüssige Fesselung des Rotors in den Lagern auf diese übertragen. Die Mittel dazu sind: möglichst verschleißfeste Reibungsgleitlager mit Lagerspielen von wenigen μ,Γη und mit Gleitflächen sehr hoher Oberflächengüte. Außerdem müssen diese Reibungsgleitlager hinreichend klein gehalten werden, um den Reibungsverschleiß und den Lagerlärm in Grenzen zu halten. Mit demselben Ziel ist es manchmal erforderlich, selbst die Drehzahl des Motors zu begrenzen. Nachteilig ist an diesen Gleitlagern auch der qualitativ hohe technologische Aufwand und daß sie alle im Gebiet der Mischreibung betrieben werden müssen, meistens aber sogar im Gebiet der Festkörperreibung. Das trifft immer zu, wenn als Gleitlagerwerkstoff Hartmetallringe eingesetzt weftlen. Misch- und Festkörperreibung aber mindern die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Lagers und setzen der Betriebsdauer des Spaltrohrmotoraggregates eine feste Grenze. Schon geringe Lagerspielvergrößerungen führen dazu, daß das Lager Lärm abstrahlt, der sich in die gesamte Rohrführungsanlage ausbreitet. Dieser Lärm ist in der herkömmlichen Lagerbauweise unvermeidlich, weil der Rotor jetzt entlang der Lagerwand umläuft. Der in den Gleitlagerschalen umlaufende Rotor verstärkt den Reibungsverschleiß, vergrößert das Lagerspiel, das vergrößert die exzentrische Position des Rotors und diese die Störkräfte am