-
Die
Erfindung betrifft eine Pumpe für
Flüssigkeiten
unter Überdruck,
mit einer ein Laufrad aufnehmenden Pumpenkammer.
-
Beim
Pumpen einer Flüssigkeit
bei einer Temperatur oberhalb ihres Siedepunktes muß ein Überdruck
aufrechterhalten werden, damit die Flüssigkeit nicht verdampft. So
muß beispielsweise
bei heißem
Wasser mit einer Temperatur von 120° C die Pumpe bei einem Druck
von beispielsweise 0,25 MPa (2,5 bar) arbeiten, ohne daß es zu
einer Druckverminderung kommt. Es kann annähernd davon ausgegangen werden,
daß für eine Temperaturerhöhung um
10° C eine
Erhöhung
des Drucks um 0,1 MPa notwendig ist.
-
Um
einen solchen Überdruck
im Betrieb der Pumpe aufrecht erhalten zu können, sind bei einer Pumpe
mit einem Laufrad enge Toleranzen für den Abstand zwischen dem
Laufrad und den benachbarten Wänden
der Pumpenkammer vorzusehen. Eine Vergrößerung des Spiels um beispielsweise
1/10 mm kann zu einer Druckminderung um 0,1 MPa führen. Ein
gewisser Mindestabstand ist jedoch notwendig, um den Verschleiß des auf
einer schwimmend gelagerten Welle montierten Laufrades zu begrenzen. Dadurch
sind die erreichbaren Heißwassertemperaturen
durch die Zunahme des Verschleißes
des Laufrades begrenzt.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Pumpe der eingangs genannten Art zu schaffen,
die beim Fördern
von Flüssigkeiten
möglichst
verschleißfrei arbeitet,
während
gleichzeitig ein hoher Druck aufrecht erhalten werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß das
Laufrad axial gegen ein nicht mitdrehendes, die axiale Position
des Laufrades bestimmendes Stützelement
vorgespannt ist. Dadurch, daß die
axiale Position des Laufrades durch das Stützelement bestimmt ist, können die
Maße der
Pumpenkammer und des Laufrades mit sehr hoher Genauigkeit aneinander
angepaßt
werden, so daß ein sehr
geringer Abstand zwischen dem Laufrad und den Wänden der Pumpenkammer eingehalten
werden kann. Die Pumpe ist somit beispielsweise zum Pumpen von Heißwasser
unter hohen Temperaturen und entsprechend hohem Druck geeignet.
-
Weiterentwicklungen
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
-
Vorzugsweise
ist das Laufrad fest auf einer Welle angeordnet, die axial gegen
das Stützelement vorgespannt
ist. Eine gleitende Drehbewegung zwischen der Welle und dem Stützelement
findet so auf einem kleinen Radius statt, so daß der Reibwiderstand vermindert
ist. Zur weiteren Verminderung der Reibung sind die Welle und das
Stützelement
vorzugsweise jeweils aus einem keramischen Material hergestellt.
-
Bevorzugt
ist die Welle in mindestens einem radialen Gleitlager gelagert.
Dadurch kann auch die radiale Position des Laufrades mit hoher Genauigkeit vorgegeben
werden. Zur Verminderung der Gleitreibung sind die Welle und das
Gleitlager vorzugsweise jeweils aus einem keramischen Material hergestellt. Die
Welle ist im Lager verschieblich gelagert, um die axiale Vorspannung
der Welle bzw. des Laufrades gegen das Stützelement zu ermöglichen.
-
Vorzugsweise
werden das Stützelement
und das mindestens eine Gleitlager im Betrieb der Pumpe durch die
zu pumpende Flüssigkeit
gespült.
-
Vorzugsweise
verbindet ein durch eine Wand der Pumpenkammer verlaufender Spülungskanal
zur Spülung
des mindestens einem Gleitlagers einen druckseitigen Bereich der
Pumpenkammer mit einem jenseits des Gleitlagers gelegenen Bereich.
Auf diese Weise kann das betreffende Gleitlager zuverlässig mit
der gepumpten Flüssigkeit
gespült
werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Spülungskanal
zur Spülung
des mindestens einen Gleitlagers durch einen axial in der Welle
verlaufenden Kanal gebildet. Dieser Kanal kann zusätzlich zu
dem in der Wand der Pumpenkammer verlaufenden Spülungskanal vorgesehen sein.
-
Durch
die erfindungsgemäßen Spülungskanäle kann
die Pumpe sowohl mit horizontal verlaufender Drehachse des Laufrades
als auch hängend,
also mit vertikal verlaufender Drehachse des Laufrades, betrieben
werden.
-
Vorzugsweise
besteht zwischen dem Laufrad und der Pumpenkammer radial ein Spiel
von höchstens
1/10 mm. Dies entspricht einem mittleren Abstand zwischen dem Laufrad
und einer Wand der Pumpenkammer von 5/100 mm. Besonders bevorzugt
besteht ein Spiel von höchstens
5/100 mm, entsprechend einem mittleren Abstand von 0,025 mm.
-
Vorzugsweise
besteht zwischen dem Laufrad und der Pumpenkammer axial auf beiden
Seiten des Laufrades jeweils ein Abstand von höchstens 1/10 mm. Weiter bevorzugt
beträgt
dieser Abstand höchstens
5/100 mm, besonders bevorzugt 3/100 mm oder weniger.
-
Die
mit der erfindungsgemäßen Pumpe
erreichbaren Temperaturen und Drücke
können
noch gesteigert werden, indem auf Dichtungen an drehenden Teilen
verzichtet wird. Gemäß einer
Weiterentwicklung der Erfindung ist die Welle über eine Magnetkupplung mit
einer Antriebswelle gekoppelt, wobei ein erstes Kupplungsteil der
Magnetkupplung mit der Welle verbunden ist, ein zweites Kupplungsteil
der Magnetkupplung mit der Antriebswelle verbunden ist, und in einem
Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungsteil eine Wand
verläuft,
die einen antriebsseitigen Bereich der Pumpe gegen eine die Welle
und die Pumpenkammer enthaltenden Bereich der Pumpe abdichtet.
-
Durch
die Verwendung der Magnetkupplung kann auf Dichtungen an drehenden
Teilen verzichtet werden, da im Spalt der Magnetkupplung keine Berührung zwischen
dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil stattfindet.
Die Pumpe kann dadurch beispielsweise im Druckbereich von 0,6 bis 0,65
MPa arbeiten, so daß Heißwasser
mit einer Temperatur von beispielsweise 160° C gefördert werden kann. Solche Temperaturen
können
beispielsweise mit einer herkömmlichen
Gummidichtung nicht erreicht werden.
-
Besonders
bevorzugt sind das erste und das zweite Kupplungsteil so zueinander
angeordnet, daß die
Magnetkupplung die Welle axial gegen das Stützelement drückt. Die
Magnetkupplung erfüllt
somit zwei Funktionen. Zum einen ermöglicht sie eine Abdichtung
des die zu pumpende Flüssigkeit
enthaltenen Bereiches der Pumpe mit einer geschlossenen Wand, so
daß keine
Dichtungen an drehenden Teilen verwendet werden müssen. Zum
anderen sorgt sie dafür,
daß das
Laufrad bzw. die Welle axial gegen das Stützelement vorgespannt ist.
-
In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird die Welle von einer Druckfeder axial gegen das
Stützelement
gedrückt.
Die Druckfeder kann auch verwendet werden, wenn keine Magnetkupplung
vorgesehen ist.
-
Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
Teilschnitt einer ersten Ausführungsform
einer Pumpe mit Magnetkupplung; und
-
2 einen
Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform
einer Pumpe mit einer Gleitringdichtung und einer Druckfeder.
-
Die
in 1 dargestellte Pumpe weist ein im wesentlichen
zylindrisches Gehäuse 10 auf,
das am unteren Ende mit einem angeflanschten Zwischenstück 12 und
einem daran angeflanschten Kopfstück 14 versehen ist.
Diese sind mit Schrauben 16, die das Kopfstück 14 durchsetzen,
am Gehäuse 10 verschraubt.
In dem Zwischenstück 12 und
dem Kopfstück 14 ist
eine Pumpenkammer 18 ausgebildet, die in der Form eines
unterbrochenen Ringes zwischen dem Zwischenstück 12 und dem Kopfstück 14 verläuft und
einen Einlaßkanal
eines nicht dargestellten Einlaßstutzens
mit einem Auslaßkanal 20 eines
Auslaßstutzens 22 verbindet.
In dem in 1 dargestellten Schnitt liegt
der am Zwischenstück 12 ausgebildete
Auslaßstutzen 22 hinter
der Zeichenebene, während
der nicht dargestellte Einlaßstutzen
am Kopfstück 14 ausgebildet
ist und vor der Zeichenebene liegt.
-
Die
Pumpenkammer 18 nimmt ein Laufrad 24 auf, an dem
oberhalb und unterhalb eines scheibenförmigen Mittelteils 26 sich
jeweils radial in einem äußeren Abschnitt
des Laufrades 24 erstreckende Förderschaufeln 28, 30 angeordnet
sind. Die oberhalb des Mittelteils 26, also auf der Seite
des Auslaßkanals 20 angeordneten
Förderschaufeln 28 sind
gegenüber
dem unterhalb des Mittelteils 26 angeordneten Förderschaufeln 30 in
Umlaufrichtung des Laufrades 24 etwas zurückversetzt.
Die Förderschaufeln 28 erstrecken
sich axial nach oben bis zu einer Oberkante 32 des Laufrades 24.
Nach unten erstrecken sich die Förderschaufeln 30 axial
bis zu einer Unterkante 34 des Laufrades. An der radial
inneren Seite der Pumpenkammer 18 reicht die Oberkante 32 bis auf
einen Abstand von beispielsweise 2/100 mm an eine durch das Zwischenstück 12 gebildete
Wand heran, während
die Unterkante 34 beispielsweise bis auf einen Abstand
von 3/100 mm an eine durch das Kopfstück 14 gebildete Wand
heranreicht.
-
Nach
radial außen
erstrecken sich die Förderschaufeln 28, 30 und
das Mittelteil 26 des Laufrades 24 bis zu einer
geraden Außenkante 36 des
Laufrades 24. Die Außenkante 36 hat
zwischen dem Ende der Pumpenkammer 18 am Auslaßkanal 20 und
dem Beginn der Pumpenkammer 18 am Einlaßkanal einen seitlichen Abstand
von nur 0,025 mm zu einer beispielsweise durch Kopfteil 14 gebildete Wand.
Durch die geringen seitlichen und axialen Abstände des Laufrades 24 zu
den umgebenden Wänden
kann die Pumpe einen sehr hohen Druck aufrechterhalten.
-
Das
Laufrad 24 ist an einem Hülsenansatz 38 mittels
Toleranzringen oder Wellringen 40 fest auf einer Welle 42 aus
keramischem Material angeordnet. Die Welle 42 ist unterhalb
des Laufrades 24 in einem Gleitlager 44 gelagert,
das mit einem Wellring 46 im Kopfstück 14 befestigt ist.
Das Gleitlager 44 ist aus keramischem Material hergestellt,
beispielsweise aus Siliziumkarbid.
-
An
ihrem unteren Ende stützt
sich die Welle 42 gleitend auf einem keramischen Stützelement 48 ab,
das beispielsweise durch eine Lochscheibe aus Wolframkarbid gebildet
wird, die mit einer Schraube 50 mit dem Kopfstück 14 verschraubt
ist.
-
Oberhalb
des Laufrades 24 ist die Welle 42 mit einem weiteren
Gleitlager 52 geführt,
welches mit einem Wellring 54 am Zwischenstück 12 befestigt
ist. Die Welle 42 ist verschieblich in den Gleitlagern 44, 52 geführt.
-
Am
oberen Ende der Welle 42 ist ein erstes Kupplungsteil 56 einer
Magnetkupplung mit einem Wellring 58 befestigt. Das erste
Kupplungsteil 56 erstreckt sich ringförmig um das Ende der Welle 42 und ist
mit Abstand von einem ringförmigen
Flansch 60 eines zweiten Kupplungsteils 62 der
Magnetkupplung umgeben. Das zweite Kupplungsteil 62 ist
am unteren Ende einer Antriebswelle 64 befestigt, die mit einem
Festlager 66 am Gehäuse 10 gelagert
ist. Die Antriebswelle 64 wird von einem Motor der Pumpe angetrieben.
-
In
einem topfförmigen
Zwischenraum zwischen den Kupplungsteilen 56 und 62 ist
ein Spalttopf 68 angeordnet, der im Bereich eines zwischen dem
ersten Kupplungsteil 56 und dem Flansch 60 gebildeten
Ringspaltes 70 eine sehr geringe Wandstärke aufweist.
-
Der
Spalttopf 68 bildet eine Wand aus einem nichtmagnetischen
Material, beispielsweise VA-Stahl. Er ist mit einem Dichtring 72 gegen
das Zwischenteil 12 abgedichtet, welches wiederum mit einem
Dichtring 74 gegen das Kopfstück 14 abgedichtet
ist. Auf diese Weise ergibt sich ein geschlossener Hohlraum, der
die Pumpenkammer 18 umfaßt und lediglich am Einlaßkanal und
am Auslaßkanal 20 geöffnet ist.
-
Am
Ringspalt 70 stehen im ersten Kupplungsteil 56 angeordnete
Magnetelemente 76 Magnetelementen 78 gegenüber, die
im Flansch 60 angeordnet sind. Sie übertragen magnetisch ein Antriebsdrehmoment
der Antriebswelle 64 auf die Welle 42 und somit
auf das Laufrad 24. Die Magnetelemente 76 und 78 sind
axial so gegeneinander versetzt angeordnet, daß sie auf die Welle 42 eine
axiale Kraft ausüben,
die die Welle 42 gegen das Stützelement 48 drückt und
sie somit vorspannt. Auf diese Weise ist die axiale Position des
Laufrades 24 in bezug auf das Kopfstück 14 und somit auch
in bezug auf das Zwischenstück 12 exakt
festgelegt, so daß es
trotz der sehr geringen axialen Abstände zwischen diesem und dem
Laufrad 24 nicht zu einer Berührung kommt. Die Pumpe arbeitet
daher sehr verschleißarm.
-
In
der Nähe
des auslaßseitigen
Endes der Pumpenkammer 18 beginnt ein Spülungskanal 80, der
im Zwischenstück 12 nach
oben verläuft
und im Bereich des Kupplungsteils 56 mündet. Der Spülungskanal 80 wird
durch eine gerade Bohrung gebildet, die sich am unteren Ende verjüngt, um
den Einstrom in den Spülungskanal
zu begrenzen. Die durch den Spülungskanal 80 nach
oben getriebene Flüssigkeit
dient zum einen dazu, das Gleitlager 52 zu spülen. Zum
anderen gelangt sie durch ein Kanal 82 in Form einer axialen
Durchgangsbohrung in der Welle 42 an deren unteres Ende,
wo die Flüssigkeit über gestrichelt
eingezeichnete Einkerbungen 84 seitlich austritt und dazu
dient, daß Gleitlager 44 zu
spülen.
-
Die
in 2 gezeigte Ausführungsform der Pumpe unterscheidet
sich von der aus 1 insbesondere dadurch, daß keine
Magnetkupplung vorgesehen ist. Gleiche oder ähnliche Teile sind mit denselben
Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Das
Laufrad 24 ist mit Wellringen 40 auf einer Welle 86 befestigt,
die in gleicher Weise wie die Welle 42 aus 1 am
unteren Ende in dem Gleitlager 44 gelagert ist und sich
auf dem Stützelement 48 abstützt. Am
oberen Ende verjüngt
sich die Welle 86 jedoch, tritt durch eine Bohrung 88 aus
dem Zwischenstück 12 aus
und ist über
eine Mitnahmehülse 90 mit
der Antriebswelle 64 gekoppelt.
-
Eine
Lücke zwischen
der Welle 86 und der Bohrung 88 ist mit einer
Gleitringdichtung 92 an einem Dichtsitz 94 abgedichtet.
Die Gleitringdichtung 92 wird über ein Hülsenelement 96 von
einer sich auf einer Schulter der Welle 86 nach unten abstützenden Druckfeder 98 nach
oben gegen den Dichtsitz 94 gedrückt.
-
Da
die Welle 86 verschieblich in der Mitnahmehülse 90,
der Gleitringdichtung 92, dem Hülsenelement 96 und
dem Gleitlager 44 geführt
ist, drückt die
Druckfeder 98 zugleich die Welle 86 nach unten gegen
das Stützelement 48.
Dadurch ist, wie bei der ersten Ausführungsform, die genaue axiale
Position des Laufrades 24 in bezug auf das Kopfstück 14 und das
Zwischenstück 12 festgelegt.
-
Durch
die genaue axiale und radiale Positionierung des Laufrades 24 sind
wiederum die oben genannten geringen Abstände zwischen dem Laufrad 24 und
den benachbarten Wänden
der Pumpenkammer 18 ermöglicht.
Dadurch arbeitet die Pumpe sehr verschleißarm, und es sind trotz der
Verwendung einer Gleitringdichtung an der sich drehenden Welle 86 sehr
hohe Temperaturen und Drücke
der zu fördernden
Flüssigkeit
möglich.
So kann beispielsweise Heißwasser
mit einer Temperatur im Bereich von 120 bis 130°C gepumpt werden.
-
Zur
Spülung
des Gleitlagers 44 ist oberhalb des Laufrades 24 im
Hülsenansatz 38 und
in der Welle 86 eine Querbohrung 100 vorhanden,
die in einen Kanal 102 in Form einer axialen Bohrung der
Welle 86 mündet,
durch den wiederum zur Spülung
des Gleitlagers 44 Flüssigkeit
aus dem oberen Bereich des Zwischenstücks 12 zum unteren
Ende der Welle 86 geleitet wird, wo sie über die
Einkerbungen 84 austritt.
-
Ein
Entlüftungs-
und Spülungskanal 104 verläuft auf
einer Höhe
etwa unterhalb der Gleitringdichtung 92 vom oberen Bereich
des Zwischenstücks 12 innerhalb
eines am Auslaßstutzen 22 ausgebildeten Steges 106 zum
Auslaßkanal 20.
-
Die
beschriebenen Ausführungsformen
der Pumpe zeichnen sich dadurch aus, daß der Aufbau des Kopfstücks 14 sowie
des Gehäuses 10 und
der Antriebswelle 64 identisch sind, und daß jeweils
der untere Teil der Pumpe mit dem Zwischenstück 12, dem Kopfstück 14,
dem Laufrad 24 und der Welle 42 bzw. 86 zu
Wartungszwecken abnehmbar ist. Dies erlaubt es außerdem,
die eine Ausführungsform
der Pumpe durch Auswechseln des unteren Teils der Pumpe zur zweiten
Ausführungsform
umzubauen. Die Trennstelle, an der der austauschbare Teil an dem
oberen Teil der Pumpe angesetzt wird, befindet sich dabei stets
außerhalb
des Bereichs der zu pumpenden Flüssigkeit.