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Die
Erfindung betrifft eine einstufige Kreiselpumpe mit Axialschubausgleichseinrichtung,
wobei im Gehäuse
der Kreiselpumpe ein mit einer Welle verbundenes Laufrad rotierend
angeordnet ist, mindestens eine zwischen Laufrad und Gehäuse angeordnete
Spaltringabdichtung einen Entlastungsraum bildet, der Entlastungsraum
mit einer druckübertragenden
Verbindung an den Druckbereich der Kreiselpumpe angeschlossen ist,
und zwischen Welle und Gehäuse
eine Wellenabdichtung angeordnet ist.
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Das
Prinzip einer Axialschubentlastung ist im KSB-Kreiselpumpenlexikon,
3. aktualisierte Ausgabe, Juli 1989, Seiten 32–37, beschrieben. Die älteste Art
der Axialschubentlastung gemäß Bild 7
sieht vor, dass ein Laufrad mit saug- und druckseitigen Dichtspalten
versehen ist. Der im druckseitigen Radseitenraum angeordnete Dichtspalt
ist als ein Drosselspalt ausgebildet und trennt zwei Räume unterschiedlichen
Druckniveaus. Ein auf kleinerem Durchmesser angeordneter Entlastungsraum
wird durch Entlastungsbohrungen, die in der die Laufradschaufeln
haltenden Tragscheibe des Laufrades angeordnet sind, zur Saugseite
des Laufrades hin entspannt. Damit wird – in Abhängigkeit von den jeweiligen
Betriebsbedingungen – eine
gewünschte
Reduktion der Axialkräfte
auf das Laufrad und die anderen rotierenden Bauteile erreicht.
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Eine
gattungsgemäße Axialschubentlastungseinrichtung
ist durch die
DE 196
31 824 A1 bekannt. Zusätzlich
ist im saugseitigen Laufradbereich ein erster radial durchströmter Regelspalt
zwischen dem Laufradaustritt und einem saugseitigem Radiallager
angeordnet. Ein solches saugseitiges Wellenlager ist als Gleitlager
ausgebildet, unmittelbar auf dem Laufradsaugmund angeordnet und
aufwendig herzustellen.
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Weiter
ist im druckseitigen Laufradbereich gegenüber dem ersten Regelspalt auf
kleinerem Durchmesser ein zweiter radial durchströmter Regelspalt
angeordnet. Mit dieser Regelspalten-Lösung ist ein vollständiger Ausgleich
des vom Laufrad erzeugten hydraulischen Axialschubes und in axialer
Richtung ein berührungsfreier
Betrieb des Laufrades möglich.
Ein zusätzliches
Axiallager ist für
den normalen Betriebszustand nicht mehr erforderlich. Allenfalls
für kurzzeitig
zu durchfahrende Betriebszustände
während
einer Anfahr- oder Auslaufphase einer Pumpe sind sicherheitshalber
die Regelspalte begrenzenden Flächen
als Axiallagerflächen
ausgebildet.
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Eine
andere Einrichtung zum Axialschubausgleich für ein- oder mehrstufige Kreiselpumpen
mit geschlossenen Laufrädern
ist durch die
DE 34
36 979 A1 bekannt. Hierbei sind in einer Trennwand zwischen
einem Gehäuseringraum
und dem saugseitigen Seitenraum des Laufrades eine oder mehrere Druckausgleichsöffnungen
angeordnet. Diese Lösung
wird bei Anwendungsfällen
verwendet, bei denen sich mit den herkömmlichen Einrichtungen zum Axialschubausgleich
noch kein befriedigendes Ergebnis erzielen lässt. Sie dient vor allem einer
Korrektur bei bereits bestehenden Kreiselpumpen. Solch ein Spezialfall
ist gewöhnlich
bei Großpumpen
gegeben, die in komplexen Anlagen eingebaut sind.
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Durch
die
DE 20 43 550 C2 ist
von einem Kompressor eine Steuereinrichtung für einen Axialschubausgleich
einer hydrostatischen Drucklageranordnung bekannt, bei der die Veränderung
der Tragfähigkeit
mit einer hydrostatischen Einrichtung erreicht wird. Dazu ist eine
das Laufrad antreibende Welle in einem Lagerträger in zwei Zylinderlagern
radial gehalten und zusätzlich
in zwei scheibenförmigen
Drucklagern axial positioniert. Eine kontinuierlich fördernde
Pumpeinrichtung erzeugt in den Drucklagern einen hydrostatischen
Lagerdruck, der sich in Abhängigkeit
von der Spaltweite des Lagers verändern kann. Axiale Verschiebungen
der Welle führen zu
solchen Änderungen
der Spaltweite und beeinflussen in hydrodynamischer Weise die Lagerdrücke in den
beiden Drucklagern. Eine Druckdifferenz zwischen den beiden Lagern
dient als Steuergröße für ein Regelventil
einer Axialschubausgleichseinrichtung des Laufrades. Sie verfügt über einen
komplexen Aufbau, der für
spe zielle Sonderfälle
gerechtfertigt ist. Nachteilig ist hier das Risiko einer Umweltgefährdung durch
die aufwendigen Schmiermittelleitungen, da diese undicht oder beschädigt werden
können.
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Und
die
DD 231 829 A1 zeigt
bei einer Kreiselpumpe ein anderes Verfahren zum Ausgleich eines
Axialschubes. Hinter dem Laufrad ist in einem zusätzlichen
Gehäuseteil
ein mit der Welle rotierender Ausgleichskolben angeordnet, dessen
Durchmesser ungefähr
dem halben Laufraddurchmesser entspricht. Zwischen dem Ausgleichskolben
und dem umgebenden Gehäuse
ist eine lange Drosselstrecke ausgebildet, wodurch sich, in Strömungsrichtung
gesehen, vor und hinter dem Ausgleichskolben unterschiedliche Druckbereiche
ausbilden. Mit Hilfe von zwei Druckmessstellen, die den Pumpendruck
im Druckstutzen und im Raum hinter dem Ausgleichskolben messen,
wird eine daraus ermittelbare Druckdifferenz an einen Rechner übermittelt.
Zusätzlich wird
das Signal einer Drehzahlmesseinrichtung in den Rechner eingespeist.
Der Rechner ermittelt bei einer auftretenden Differenz zwischen
Axialschub und Ausgleichskraft des Ausgleichskolbens einen Entlastungsdruck
für den
Raum hinter dem Ausgleichskolben. Und durch ein Steuersignal an
ein Stellventil wird der Druck im Bereich hinter dem Ausgleichskolben
so weit verändert,
bis ein Gleichgewichtszustand und somit eine Entlastung des Wellenlagers
eintritt. Nachteilig ist die Erfassung und Verarbeitung von drei
Parametern und die Verwendung eines speziellen Ausgleichskolbens,
der nicht ummittelbar zur Funktion der Pumpe beiträgt, deren
Bauvolumen und Teilevielfalt vergrößert und die Störanfälligkeit
erhöht.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine wenig aufwendige
und betriebssichere Reduzierung des Axialschubs zu erreichen, die
für eine
wälzgelagerte
Pumpenwelle eine hohe Lagerlebensdauer sowie eine hohe Lebensdauer
der Wellenabdichtung gewährleistet.
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Die
Lösung
sieht vor, dass die Welle in an sich bekannter Weise mit mindestens
einem Axialkräfte
aufnehmenden Wälzlager
versehen ist und dass über
eine Verbindung eine Druckdifferenz zwischen einem Druck im Entlastungsraum
und einer Stelle anderen Druckes im Kreiselpumpengehäuse als
eine richtungskonstante und zulässige
Axialkraft die rotierenden Pumpenteile gegen das Wälzlager presst.
Damit ist für
die Lager und auch auf die Wellendichtung eine kontinuierliche und
definierte Belastung gewährleistet.
Es wurde erkannt, ursächlich
für Schäden an Lagern
und Wellenabdichtungen ist ein Problem von bekannten Ausgleichseinrichtungen
bei bestimmten Betriebspunkten nur eine unzureichende Reduzierung
der Axialkraft zu erreichen oder auch ein Pendeln der Axialkraft
um den Wert 0 nicht vermeiden zu können. Der im letztgenannten
Fall bedingte Vorzeichenwechsel einer solchen geringen Axialkraft
führt zum
sogenannten Schwimmen der rotierenden Teile. Dies stellt sich als
deren wechselnde axiale Bewegung mit nennenswerter Frequenz zwischen
den Anschlägen
der Axiallagerung dar. Solche minimalen oszillierenden Bewegungen
haben neben den Beschädigungen
der Lager und der Wellenabdichtungen auch eine nachteilige Geräuschentwicklung
zur Folge und werden erfindungsgemäß vermieden.
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Da
für die
Auslegung einer Kreiselpumpe die jeweiligen Betriebsbedingungen
bekannt sind, werden die Abmessungen der Spaltringabdichtungen, des
Wellendichtungsraums und für
den Entlastungsraum entsprechend ausgewählt, um über die Verbindung und die
unterschiedlichen Drücke
einen definierten Axialschub auf das Kräfte aufnehmende Wälzlager
zu erreichen. Dabei ist nach einer Ausgestaltung die einwirkende
Axialkraft kleiner als die zulässige
Lagerbelastung des kräfteaufnehmenden Wälzlagers,
wodurch die Lagerlebensdauer verlängert wird.
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Nach
weiteren Ausgestaltungen stellt eine in der Verbindung angeordnete
Drosseleinrichtung im Entlastungsraum die aus der Druckdifferenz
entstehende richtungskonstante Axialkraft auf das Wälzlager
ein. Für
einen Kreiselpumpenbetrieb mit annähernd konstanten Betriebsparametern
ist es eine feste oder einstellbare Drosseleinrichtung. Für Betriebszustände, bei
denen die Varianz der Betriebsparameter sehr gering ist oder die
eine Adaption an veränderte
Betriebsparameter nicht erfordern, ist die Drosseleinrichtung als
eine fest einstellbare Drosseleinrichtung ausgebildet. Und für Einsatzfälle mit
veränderlichen
Betriebsparametern einer Kreiselpumpe wird durch eine in der Verbindung
angeordnete, einstell- oder regelbare Drosseleinrichtung in dem
Entlastungsraum die richtungskonstante Axialkraft auf das Wälzlager
erzeugt. Dadurch wird immer eine geringe und in ihrer Richtung unveränderliche
Axialkraft beibehalten. Deren Größe wird
so gewählt,
dass sie immer wesentlich unterhalb der zulässigen Axiallagerkraft liegt,
um die Lagerlebensdauer nicht negativ zu beeinträchtiger. Und ihre Größe wird
so groß gewählt, dass
eine sich einstellende Axialkraft ein Schwimmen der rotierenden
Teile und damit deren vorzeitige Zerstörung zuverlässig verhindert.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung ist ein über die Verbindung in seinem
Druck veränderbarer Entlastungsraum
auf der Saugseite oder der Druckseite des Laufrades angeordnet.
Somit wird über
die druckübertragende
Verbindung immer nur ein Entlastungsraum in seinem Druck verändert, um
eine definierte Axialkraft auf das Wälzlager zu erhalten. Die Verbindung
kann dabei zwischen der Saugseite oder der Druckseite der Pumpe
hergestellt werden. Dies ist abhängig
von den Abmessungen innerhalb des Pumpengehäuses und von denen des Laufrades.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung erfasst ein Sensor eine axiale Wälzlagerbelastung,
ein Regler erzeugt mit dem Sensorsignal ein Stellsignal für eine verstellbare
Drosseleinrichtung und die Drosseleinrichtung stellt im Entlastungsraum
eine das Wälzlager
belastende Axialkraft ein. Dies hat den zusätzlichen Vorteil der Unabhängigkeit
der Regelung vom Verschleißverhalten
der flüssigkeitsberührten Teile. Eine
Größenveränderung
in einem der Laufrad-Drosselspalte würde andere Druckverhältnisse
in dem Entlastungsraum und damit andere Kräfte auf das Wälzlager
bedingen. Solche sich während
einer längeren
Betriebsdauer allmählich
einstellende Veränderungen
werden aber durch den Sensor sofort erfasst und vom Regler in Form
eines angepassten Reglersignals kompensiert.
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Hierbei
erfasst der Sensor die axiale Lagerbelastung nach Größe und Richtung.
Dazu sieht eine Weiterung vor, dass eine oder mehrere im Regler
hinterlegte Reglerkennlinie(n) die axiale Lagerbelastung verändernde
Einflüsse
korrigiert oder korrigie ren. Mit Hilfe des Sensorsignals werden
im Bereich des Lagers auftretende Instabilitäten, Axialkräfte und/oder Drücke in einem
Entlastungs- und/oder Wellendichtungsraum erfasst. Der Regler verarbeitet
diese Signalwerte und stellt mit Hilfe einer oder verschiedener Reglerkennlinie(n)
den zulässigen
Betriebszustand wieder her. Somit wird auch bei unkalkulierbaren
Betriebssituationen, die durch überraschende äußere Einflüsse bedingt
sind, zuverlässig
eine Überlastung und
damit eine Schädigung
der Lager und der Wellendichtung verhindert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
folgenden näher
beschrieben. Es zeigen die
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1–4 verschiedene
Ausbildungen eines Entlastungsraumes am Laufrad einer einstufigen Kreiselpumpe.
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1 zeigt
ein Kreiselpumpengehäuse 1 mit einem
darin angeordneten Laufrad 2 und einem das Gehäuse verschließenden Pumpendeckel 3.
Das Laufrad 2 verfügt
im Bereich des Laufradeintritts über einen
saugseitigen Drosselspalt in Form einer Spaltdichtung 4,
der einen hohen Druck im saugseitigen Laufradseitenraum 5 gewährleistet
und Spaltverluste reduziert. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen
einer solchen Kreiselpumpe weist das Laufrad 2 auf größerem Durchmesser
eine zweite, hier druckseitige Spaltdichtung 6 auf, die
im größeren Durchmesserbereich
einen hohen Druck im druckseitigen Laufradseitenraum 7 gewährleistet.
Die druckseitige Spaltdichtung 6 begrenzt oder umhüllt mit
ihrem Durchmesser einen auf kleinerem Durchmesser angeordneten Entlastungsraum 8,
der über
eine Verbindung 13 mit einer darin angeordneten einstellbaren Drosseleinrichtung 14 mit
einem Ort anderen Druckes, hier dem Druckstutzen 15 der
Kreiselpumpe, verbunden ist. Die Verbindung 13 kann als
ein übliches
Leitungssystem gestaltet sein. Der in 1 gewählte Ort
anderen Druckes weist einen höheren Druck
auf als derjenige vom Entlastungsraum 8 und die Wahl des
Ortes ist abhängig
von den späteren Betriebsbedingungen
einer Pumpe. Der Ort anderen Druckes kann im Bereich des Laufradaustrittes,
einer Leiteinrichtung, dem Druckstutzen liegen oder der Ort ist
als ein ex ternes Druckreservoir ausgebildet. Infolgedessen wirken
auf die einander gegenüberliegenden
Stirnflächen
des Laufrades aus den verschiedenen Drücken resultierende Kräfte ein,
die eine resultierende Axialkraft FA bedingen.
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Durch
die Wahl des Spaltdurchmessers D der druckseitigen Spaltdichtung 6,
deren Spaltweite S und mit Hilfe der Verbindung 13 mit
Drossel 14 wird das Druckniveau auf der Laufradrückseite
oder im druckseitigen Laufradbereich auf einen Wert eingestellt.
Aus den Flächenverhältnissen
im saugseitigen Laufradseitenraum 5, im druckseitigen Laufradseitenraum 7 und
im Entlastungsraum 8 sowie der Drücke in diesen Räumen resultieren
unterschiedliche Kräfte.
Eine weitere Kraft resultiert aus dem Druck im Saugstutzen 18 in
Verbindung mit einer Wellendichtung 17 im Raum 16,
da letztere gegen Atmosphärendruck
abdichtet. Aus den Druckbelastungen auf das Laufrad 2 resultiert
eine definierte Axialkraft FA die das Laufrad 2 und
die antreibende Welle 10 in Richtung der Wälzlager 11 bis 11.2 schiebt.
Von den im Lagerträger 12 angeordneten
Wälzlagern
ist das Wälzlager 11 in
der gezeigten Ausführungsform
als ein reines Radiallager ausgebildet, während zwei paarweise angeordnete
Wälzlager 11.1 und 11.2 aufgrund
ihrer Ausbildung die Radial- und Axialkräfte aufnehmen. Sie bestehen
hier aus zwei Schrägkugellagern,
wobei auch andere Wälzlagerbauformen anwendbar
sind.
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Und
die Welle 10, die hier in einem Lagerträger 12 gelagert ist,
kann ebenso gut unter Wegfall des Lagerträger als ein Bestandteil eines
antreibenden Elektromotors ausgebildet sein. In einem solchen Fall
sind die Wälzlager
des Motors entsprechend dimensioniert, um einen Axialschub der Pumpe
aufnehmen zu können.
Ist dieses nicht der Fall, kann der entsprechend ausgebildete Lagerträger 12 oder
der Pumpendeckel 3 mit einer – an sich bekannten, hier nicht
dargestellten – kurzen
Steckwelle versehen sein, die nur in einem Wälzlager 11.1 gehalten wäre. Deren
Wellenende würde
dann mit einem Wellenstumpf eines Blockmotors verbunden werden.
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Mit
Hilfe der einstellbaren Drosseleinrichtung 14 wird das
Druckniveau im Entlastungsraum 8 während des Betriebes über einen
großen
Wertebereich eingestellt. Bei Verwendung einer Drosseleinrichtung 14 sind
bisher übliche,
hier gestrichelt dargestellte Entlastungsbohrungen 9 am
Laufrad 2 nicht mehr erforderlich und vorhanden. Der Druck
im Entlastungsraum 8 und einem Wellendichtungsraum 16 wird
so eingestellt, dass eine daraus resultierende Axialkraft FA das als Festlager ausgebildete Wellenlager
in Form der Wälzlager 11.1, 11.2 immer
unterhalb von deren zulässigen
Grenzwerten liegt. Sollten sich während der Lebensdauer einer
Pumpe durch einen Verschleiß in
der Spaltdichtung 4 oder 6 andere Druckverhältnisse
im Raum 5 und/oder 8 einstellen oder Schwingungen der rotierenden
Teile auftreten, so kann durch einfaches Verstellen der Drosseleinrichtung 14 der
ursprüngliche
Belastungszustand der Wälzlager
wieder hergestellt werden.
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2 entspricht
im Aufbau der Darstellung in 1, wobei
jedoch der druckseitige Entlastungsraum 8 über die
Verbindung 13 mit der Saugseite 18 der Kreiselpumpe
in Wirkverbindung steht. Auch in diesem Fall ist das Laufrad 2 ohne
Entlastungsbohrungen ausgestattet. Statt dessen erfolgt über die Verbindung 13 eine
Entlastung zur Saugseite 18. Auch hier wird mit Hilfe der
einstellbaren Drosseleinrichtung 14.1 das Druckniveau im
Entlastungsraum 8 und Wellendichtungsraum 16 so
eingestellt, dass die Belastung der Wellendichtung 17 und
des Wälzlagers 11.1, 11.2 immer
unterhalb der zulässigen
Lager-Grenzwerte liegen. Zur Erfassung der Lagerzustände dient
ein Sensor 19, der mit einem Regler 20 verbunden
ist. Änderungen
des Lagerzustandes werden vom Sensor 19 erfasst und an
den Regler 20 weiter geleitet. Dieser ermittelt daraus
ein Reglersignal, mit dessen Hilfe die regelbare Drosseleinrichtung 14.1 verstellt
und die zulässige
Axialkraft FA wieder eingestellt wird.
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3 zeigt
eine Variante, bei der ein saugseitiger Entlastungsraum 21 durch
einen zweiten, auf größerem Durchmesser
angeordneten, saugseitigen Drosselspalt in Form einer Spaltdichtung 22 mit
einem Spaltdurchmesser D und einer Spaltweite s gebildet ist. Der
in den 1 und 2 dargestellte druckseitige
Entlastungsraum ist bei dieser Variante entfallen. Dieser saugseitige
Entlastungsraum 21 ist über
die Verbindung 13 mit integrierter Drosseleinrichtung 14 mit
dem Druckbereich vom Druckstut zen 15 der Kreiselpumpe verbunden.
Durch entsprechende Einstellung der Drosseleinrichtung 14 wird
die Erzeugung der kontinuierlichen Axialkraft FA gewährleistet.
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4 zeigt
eine Variante von 3, wobei die Kreiselpumpe für einen
Betrieb mit sehr hohem Zulaufdruck ausgebildet ist. Infolge dessen
ist der saugseitige Entlastungsraum 21 mit dem Saugbereich 18 über die
druckführende
Verbindung 13 verbunden, um die definierte Axialkraft FA auf das Wellenlager 11.1, 11.2 zu
gewährleisten.
Auch hier kann mit Hilfe eines Lagersensors 19, einer Regeleinrichtung 20 und
einer regelbaren Drosseleinrichtung 14.1 während eines
laufenden Betriebes die Axialkraft FA beeinflusst
werden.
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Bei
den Ausführungsformen
der 2 und 4 ist im Bereich des die Axialkräfte aufnehmenden
Lagers, das hier aus zwei Wälzlagern 11.1, 11.2 in
Form von Schrägkugellager
besteht, ein Lager-Belastungssensor angeordnet, der laufend die
Axialkraft ermittelt. Er kann ebenso bei den Ausführungsformen
der 1 und 3 Verwendung finden. Er liefert
ein Signal an eine Regeleinrichtung 20, die eine jeweils
vorhandene Axialkraft FA mit einem hinterlegtem
Sollwert vergleicht. Bei einer Abweichung erzeugt die Regeleinrichtung 20 ein
Regelsignal für eine
regelbare Drosseleinrichtung 14.1. Diese regelt den Druck
im Entlastungsraum 8 oder 21 auf einen Wert ein,
der eine definierte, niedrige Axialkraft FA für die Wälzlager 11.1, 11.2 zur
Folge hat.