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Die Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpe, insbesondere eine Seewasserzentrifugalpumpe als maritime Kühlwasserpumpe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einem Spiralgehäuse und einem rotierbar in dem Spiralgehäuse angeordneten Laufrad.
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Seewasserzentrifugalpumpen mit einem Spiralgehäuse und einem darin angeordneten Laufrad sind grundsätzlich bekannt. Derartige Pumpen werden häufig auf Schiffen als Kühlwasserpumpen für Schiffsdieselmotoren eingesetzt und meist mit Drehzahlen oberhalb von 1000 Umdrehungen pro Minute betrieben. Die Förderleistung beträgt in der Regel typischerweise von einstelligen m3/h bis zu mehreren 100 m3/h. Das Spiralgehäuse bekannter Seewasserzentrifugalpumpen besteht üblicherweise aus Aluminiumbronze, ebenso wie das Laufrad bekannter Seewasserpumpen. Aluminiumbronze ist als vergleichsweise verschleißfest und beständig gegen Seewasser bekannt.
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Seewasser (Meerwasser) ist aufgrund seiner Zusammensetzung, insbesondere aufgrund seines Salzgehaltes (und abhängig von einer Meerwassertemperatur) stark korrosiv und wirkt zudem aufgrund einer Vielzahl von Schwebeteilchen abrasiv.
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Während des Betriebes bekannter Seewasserpumpen wirken kumulativ unterschiedliche Mechanismen, die zu einem frühzeitigen Versagen der Seewasserpumpe führen können. Ein großes Problem stellen Kavitationserscheinungen im Saugbereich der Seewasserpumpe dar, wobei durch die implodierenden Dampfblasen die Laufradoberfläche sowie der Seewasserkontaktbereich des Aluminiumbronzegehäuses beschädigt werden. Durch den resultierenden Materialabtrag kommt es zu Unwuchten, die wiederum zu Vibrationen führen, welche sich dann nachteilig auf den Sitz von Spaltringen und Wellendichtungen auswirken. So kommt es aufgrund der Vibrationen zu Leckagen an den Dichtungen und auch die Lager der Antriebswelle des Laufrades können Schaden nehmen. Neben den vorerwähnten Kavitationserscheinungen kommt es aufgrund des Salzgehaltes des Seewassers zu Korrosionen an Laufrad und Gehäuse. Neben dieser „normalen” Korrosion treten galvanische Korrosionserscheinungen am Gehäuse auf, insbesondere aufgrund von galvanischen Wechselwirkungen zwischen Gehäuse und Rotor (Laufrad) oder Rotor und Welle und der jeweiligen (verschiedenen) Metallwerkstoffe.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine im Hinblick auf Korrosionserscheinungen und Kavitationserscheinungen robuste Zentrifugalpumpe, insbesondere Kühlwasserpumpe für Seewasser, anzugeben. Gleichzeitig soll die Standzeit der Pumpe über einen langen Zeitraum optimiert werden.
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Diese Aufgabe wird mit einer Zentrifugalpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder Figuren offenbarten Merkmalen.
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Um negative Auswirkungen von etwaigen Kavitationserscheinungen auf das Spiralgehäuse zu minimieren, um also ein gegen Kavitation beständigeres Spiralgehäuse zu schaffen, schlägt die Erfindung ein Maßnahmenpaket, bestehend zumindest aus zwei kumulativ zu erfüllenden Erfindungsmerkmalen vor. Als erste Maßnahme ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Spiralgehäuse in einen Seewasserkontaktbereich mit einer korrosionsbeständigen Polymer-Keramik-Beschichtung zu versehen.
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Eine derartige Beschichtung ist nicht nur korrosionsbeständig und somit robust gegen Korrosionserscheinungen, sondern in gewissen Grenzen auch zäh sowie flexibel, d. h. nachgebend, so dass die Beschichtung bei einer Gasblasenimplosion in der Art einer Ausweichbewegung flexibel reagiert, so einen Materialabtrag verhindert – anders ausgedrückt, kann Implosionsenergie in Verformungsenergie der Polymer-Keramik-Beschichtung umgewandelt werden. Darüber hinaus ist die Polymer-Keramik-Beschichtung glatt, wodurch Schwebstoffe des Seewassers weniger Angriffspunkte haben, um abrasiv zu wirken. Darüber hinaus bringt der erfindungsgemäße Einsatz der Polymer-Keramik-Beschichtung den Vorteil mit sich, dass durch diese Spalte (Trennfugen), beispielsweise zwischen einem Gehäusedeckel und dem Spiralgehäuse, vorzugsweise zusätzlich zu einer fakultativen elastischen Ringdichtung abgedichtet werden.
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Die Polymer-Keramik-Beschichtung vereint somit ein flexibles, polymerbedingtes Verhalten mit einer hohen Festigkeit, Zähigkeit und Abrasionsbeständigkeit aufgrund des keramischen Anteils der Beschichtung; hinzu kommt durch die elektrisch nicht-leitenden Eigenschaften die Verminderung galvanischer Korrosion.
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Zur Erzielung synergistischer Effekte schlägt die Erfindung als zweite wesentliche Maßnahme vor, das Laufrad zumindest in seinem Kontaktbereich zum Seewasser, vorzugsweise vollständig aus einem Nichtmetallmaterial bzw. Nichtmetallmaterialien auszubilden, da hierdurch insbesondere galvanische (elektrolytische) Korrosionserscheinungen vermieden werden. Als positiver Nebeneffekt eines nicht metallischen Laufrades resultiert ein geringeres Laufradgewicht, was sich insbesondere positiv beim Anfahrverhalten einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Seewasserpumpe aufwirkt. Das niedrigere Gewicht bedeutet eine geringere träge Masse, woraus wiederum niedrigere elektrische Anfahrströme beim Anfahren resultieren – insgesamt können durch die erfinderische Maßnahme bei zumindest gleichem Fördervolumenstrom leistungsschwächere und damit kleinere Antriebsmotoren, insbesondere Elektromotoren eingesetzt werden. Zudem wirken sich etwaige Unwuchten oder Vibrationen weniger stark auf das Laufverhalten aus. Ebenso können aufgrund des vergleichsweise geringen Gewichtes kleiner dimensionierte Wellenlager für die Antriebswelle des Laufrades vorgesehen werden.
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Bereits durch eine nur teilweise Beschichtung des Seewasserkontaktbereichs des Spiralgehäuses mit der Polymer-Keramik-Beschichtung können erhebliche Verbesserungen im Vergleich zum Stand der Technik erreicht werden. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der gesamte Seewasserkontaktbereich des Spiralgehäuses, zumindest jedoch der gesamte saugseitige Seewasserkontaktbereich mit der vorgeschlagenen Polymer-Keramik-Beschichtung beschichtet ist.
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Die Erfindung ermöglicht es, das Spiralgehäuse aus Gusseisen, d. h. als Graugussteil auszubilden, da das Gusseisenmaterial in dem beschichteten Bereich vor unmittelbarer abrasiver und korrosiver Wirkung des Seewassers durch die erfindungsgemäße Beschichtung geschützt wird. Bevorzugt hat die erfindungsgemäße Seewasserzentrifugalpumpe eine Förderleistung von mehr als 100 m3/h, vorzugsweise von etwa 200 m3/h oder mehr und/oder ist bei 1.000 U/min oder mehr im Dauerbetrieb betreibbar. Gleichwohl ist die vorliegende Erfindung gleichermaßen geeignet und bevorzugt, im Bereich von Förderleistungen weniger als 100 m3/h, bis herunter zu einstelligen Kubikmeterleistungen pro Stunde, eingesetzt zu werden.
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Als besonders zweckmäßig hat es sich herausgestellt die Polymer-Keramik-Beschichtung in einem, bevorzugt durch Sandstrahlen aufgerauten Bereich des Spiralgehäuses aufzubringen. Hierdurch wird zum einen die Haftung verbessert und zum anderen in den Vertiefungen ein Beschichtungsvorrat aufgenommen, der dann für kavitationsbedingte Verformungen zur Verfügung steht.
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Besonders vorteilhaft hat sich eine Mindestrautiefe des aufgerauten Bereichs von 0,75 μm herausgestellt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn es sich bei dem zur Anwendung kommenden Beschichtungsmaterial um ein Zweikomponentenprodukt, bestehend aus Base und Aktivator handelt. Besonders geeignet ist die von der Firma Thortex Deutschland GmbH vertriebene Beschichtung „Cerami-Tech C. R.”. Gute Zähigkeits- und Festigkeitswerte werden erhalten, wenn die zum Einsatz kommende Polymer-Keramik-Beschichtung als Polymer mindestens ein Expoxidharz umfasst sowie vorzugsweise nicht-toxische Polyaminaktivatoren, wobei die Härte bzw. Widerstandsfähigkeit der Beschichtung bevorzugt von Keramikbestandteilen und ggf. vorgesehenen Karbidbestandteilen herrührt.
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Idealerweise ist die Schichtdicke der Polymer-Keramik-Beschichtung auf dem Spiralgehäuse aus einem Wertebereich zwischen etwa 0,2 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 0,6 mm gewählt. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Schichtdicke etwa 0,5 mm beträgt. Gute Erfahrungen wurden auch gemacht, wenn die Schichtdicke mindestens 0,5 mm und weniger als 5 mm beträgt.
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Im Hinblick auf die Ausbildung des nicht-metallischen Laufrades gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So kann das Laufrad, zumindest teilweise oder vollständig aus Kunststoff ausgebildet werden, insbesondere aus in Seewasser (mit vorbestimmten Quellmaß) quellbarem Kunststoff. Auch ist es möglich, das Laufrad aus einem Strukturfaserverbundmaterial auszubilden, welches im Seewasser innerhalb vorbestimmter (und vorbestimmtberechneter) Dimensionsgrenzen quellbar ist. Das Strukturfaserverbundmaterial kann beispielsweise einen Naturstoff in Form von Naturstofffasern aufweisen, sowie ein Gewebematerial, insbesondere mindestens eine Gewebe-Matte, wobei diese bevorzugt mit einem Phenolharz durchtränkt ist. Ggf. erfolgt dies zudem unter Zusatz von Graphitpulver. Damit entsteht an Lagerstellen bzw. Übergangsstellen durch diese Graphitbeschickung eine zusätzliche vorteilhafte selbstschmierende Wirkung, etwa im Hinblick auf den bevorzugt ebenfalls aus dem Strukturfaserverbundmaterial hergestellten Spaltring. Damit wird vorteilhaft ein nachteiliges Verschweißen in einem etwaigen Trockenlauf-Fehlerbetriebszustand der Vorrichtung vermieden, wie es bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen möglich gewesen ist: Dort wird etwa ein traditionell aus einer Aluminium-Bronzelegierung gefertigtes Laufrad, im Kontakt mit einem aus dem gleichen Metalllegierungsmaterial gefertigten Spaltring, bei einem unbeabsichtigten Trockenlaufen zu einem (Reib-)Verschweißen führen, und mithin zu einer Zerstörung wesentlicher Pumpenkomponenten.
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Um eine möglichst glatte Oberfläche des Laufrades zu verwirklichen und um Unwuchten zu minimieren, um also ein hochpräzises Bauteil zu erhalten, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt das Laufrad als aus einem Materialblock gefrästes Frästeil auszubilden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn ein Spaltring (erfindungsgemäß vorteilhaft als Kunststoffring und Verschleißring) an der Innenseite des Spiralgehäuses festgelegt ist. Dabei grenzt der Spaltring, insbesondere zumindest saugseitig, an die Polymer-Keramik-Beschichtung an; bevorzugt nicht nur auf der Saugseite, sondern zusätzlich auch an der Druckseite. Ganz besonders bevorzugt ist der als Dichtungsring dienende und aus dem vorbeschriebenen Strukturfaserverbundmaterial gefertigte Spaltring in die Polymer-Keramik-Beschichtung eingelassen, insbesondere im feuchten Zustand eingesetzt, wobei es grundsätzlich zwei Möglichkeiten gibt, nämlich eine erste Möglichkeit, bei der zwischen dem Metallmaterial des Spiralgehäuses und dem Spaltring zumindest abschnittsweise keine Polymer-Keramik-Beschichtung vorgesehen ist, oder eine zweite Möglichkeit, bei der sich Spaltring und Metallmaterial des Spiralgehäuses nicht berühren und stattdessen zwischen Spaltring und Spiralgehäusematerial eine durchgängige Polymer-Keramik-Beschichtung vorgesehen ist. Zusätzlich eingebrachtes Graphit in das Strukturfaserverbundmaterial des Spaltrings verbessert dessen Trockenlaufeigenschaften, wie oben erwähnt. Zusätzlich verbessern Quelleigenschaften des Spaltrings in Meerwasser die Dichtwirkung, welche, analog zur vorbeschriebenen Lehre bereffend das Laufrad, entsprechend einem vorzubestimmenden Quellverhalten dimensioniert werden kann.
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Zur Vermeidung hoher Flächenpressungen ist es bevorzugt, wenn das Laufrad zwischen zwei, insbesondere metallischen, noch weiter bevorzugt aus Edelstahl ausgebildeten Auflagescheibenringen angeordnet, insbesondere verspannt ist. Dabei ist bevorzugt ein Auflagenscheibenring zwischen einer Wellenschulter und einer Stirnseite des Laufrades angeordnet und auf der davon abgewandten Seite ein weiterer Auflagenscheibenring zwischen einer Fixiermutter und dem Laufrad.
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Während die Realisierung der vorliegenden Erfindung als Seewasser-Zentrifugalpumpe bevorzugt ist, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung für jeglichen Einsatzzweck geeignet und vorgesehen, bei welchem die im Stand der Technik festgestellten Probleme auftreten – so etwa für industrielle oder Kraftwerks-Kühlsysteme mit deren Kühlwasserkreisläufen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1: eine Schnittansicht eines mit einer Polymer-Keramik-Beschichtung versehenen Spiralgehäuse einer Seewasserpumpe aus Grauguss, und
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2: in einer Schnittansicht eine ausschnittsweise Darstellung eines Laufrades.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine mit einem derartigen Spiralgehäuse 1 ausgestattete, in ihrem Funktionsprinzip grundsätzlich bekannte Seewasserzentrifugalpumpe, saugt mittels eines in 1 nicht gezeigten Laufrades Seewasser (Meerwasser) in axialer Richtung, hier von aus der Zeichnungsebene unten an und fördert dieses in radialer Richtung durch das nicht gezeigte Laufrad hin und zu einem Druckstutzen 2 des Spiralgehäuses 1.
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In dem Spiralgehäuse 1 ist ein Spaltring 3 aus Kunststoff vorgesehen. Der Spaltring 3 befindet sich radial zwischen dem Spiralgehäuse 1 und dem nicht dargestellten Laufrad. Zwischen Laufrad und Spaltring 3 ist ein minimaler Spalt vorgesehen, der ein Rotieren des Laufrades relativ zu dem Spaltring 3 ermöglicht.
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Das Spiralgehäuse 1 des dargestellten Ausführungsbeispiels ist in seinem gesamten Seewasserkontaktbereich, also an sämtlichen Flächen, die von Seewasser in Betrieb der Pumpe angeströmt werden mit einer etwa 0,5 mm dicken Polymer-Keramik-Beschichtung 7 beschichtet, um somit negative Auswirkungen von Kavitationserscheinungen auf das Spiralgehäuse 1 zu minimieren und um Korrosionserscheinungen, insbesondere galvanischen Korrosionserscheinungen entgegenzuwirken.
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Wie sich weiter aus 1 ergibt, grenzt die Polymer-Keramik-Beschichtung 7 sowohl druckseitig als auch saugseitig an den Kunststoff-Spaltring 3 an.
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In 2 ist in einem nicht zu 1 passenden Maßstab ausschnittsweise ein Laufrad 8 zum Einsatz in ein Spiralgehäuse 1 gemäß 1 gezeigt. Das Laufrad 8 kann von in der Zeichnungsebene oben in das in 1 gezeigte Spiralgehäuse 1 zu Montagezwecken eingesetzt werden. Das Laufrad 8 ist an einer Antriebswelle 9 festgelegt, die zu einer nicht dargestellten, an sich bekannten Laterne führt, in welcher die Antriebswelle an die Abtriebswelle eines Elektromotors angekoppelt ist.
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Zu erkennen ist in 2, dass die Antriebswelle 9 mit einer Wellenschulter 10 versehen ist, an welcher sich das Laufrad 8 mittelbar über einen ersten Auflagescheibenring 11 abstützt.
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Auf der von dem ersten Auflagescheibenring 11 abgewandten Stirnseite ist ein zweiter Auflagescheibenring 12 vorgesehen, über dem sich eine auf einem endseitigen Antriebswellengewinde aufgeschraubte Fixiermutter 13 abstützt.
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Im Gegensatz zu der Antriebswelle 9 ist das Laufrad 8 als Nicht-Metall-Frästeil ausgebildet, welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Strukturfaserverbundmaterial besteht und hierdurch ein geringes Gewicht aufweist. Durch die Ausbildung als Frästeil ist zum einen eine hohe Präzision sichergestellt und zudem kann eine äußerst glatte Außenoberfläche erzielt werden, wodurch die Reibung des Laufrades weiter minimiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spiralgehäuse
- 2
- Druckstutzen
- 3
- Spaltring
- 4
- Saugseite
- 5
- Druckseite
- 6
- Seewasserkontaktbereich
- 7
- Polymer-Keramik-Beschichtung
- 8
- Laufrad
- 9
- Antriebswelle
- 10
- Wellenschulter
- 11
- erster Auflagescheibenring
- 12
- zweiter Auflagescheibenring
- 13
- Fixiermutter
