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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle für ein Rührwerk, wie es beispielsweise in einem Fermenter für eine Biogasanlage, in der Klärtechnik oder in der industriellen Verfahrenstechnik eingesetzt wird.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Rührwerke bekannt. Ein solches Rührwerk besteht im Wesentlichen aus einer Antriebseinheit und einer mit der Antriebseinheit verbundenen Antriebswelle. Die Antriebswelle ist im Bereich der Antriebseinheit drehbar gelagert.
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Teilweise wird zusätzlich auch ein Gegenlager eingesetzt, das beispielsweise innerhalb des Rührbehälters angeordnet ist und so die Lagerung der Antriebswelle auf der der Antriebseinheit gegenüberliegenden Seite bereitstellt.
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Auf der Antriebswelle selbst sind ein oder mehrere Rührorgane angebracht, die durch die Drehung der Antriebswelle in Rotation versetzt werden, sodass dadurch ein Mischen oder Durchmischen des im Rührbehälter vorhandenen Mediums bewirkt wird.
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Rührorgane sind Vorrichtungen, die ein Durchmischen eines in einem Behälter befindlichen Mediums bewirken. Ein Beispiel für ein solches Rührorgan ist ein Propellerflügel. Dieser wird zum Rühren eines in einem Fermenter befindlichen Substrats verwendet. Je nach Tiefe des Rührbehälters können auch mehrere Rührorgane auf der Antriebswelle angeordnet sein.
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Um ein von der Antriebseinheit aufgebrachtes Drehmoment auf das Rührorgan zu übertragen, ist gemäss dem Stand der Technik die Antriebswelle entweder als Vierkantrohr bzw. mehreckiges Rohr (überwiegend formschlüssige Übertragung) oder zylindrisches Rohr (überwiegend kraftschlüssige Übertragung) ausgebildet. Zwischen der Antriebswelle und dem Rührorgan ist daher eine Antriebswellen-Naben-Verbindung vorgesehen. Solche Verbindungen sind zumeist standardisierte Verbindungsarten, um Drehmomente von einer Welle auf eine Nabe zu übertragen (oder umgekehrt von einer Nabe auf eine Antriebswelle). Dabei können unterschiedliche Verbindungen zwischen der Antriebswelle und der Nabe vorgesehen sein. Ein Beispiel sind sogenannte kraftschlüssige Verbindungen. Hierbei erfolgt die Kraftübertragung zwischen Antriebswelle und Nabe durch Reibwiderstand, der durch Presspassungen oder besondere Spannelemente wie zum Beispiel Klemmnaben oder konische Verbindungen bewirkt wird. Wird eine formschlüssige Verbindung gewählt, so ist eine definierte Formgebung, z. B. Keilwellenprofil, Polygonprofil, Kerbverzahnung, oder zusätzliche Mitnehmerelemente (Passfeder) vorgegeben, mit der eine Kraftübertragung erreicht wird. Die Lagesicherung erfolgt dann beispielsweise durch eine Klemmverbindung oder durch eine Schweißverbindung.
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Nachteile des Standes der Technik
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Um die Lebensdauer der Antriebswelle innerhalb eines Rührbehälters zu erhöhen, insbesondere hinsichtlich der entstehenden Korrosion, werden die Antriebswellen häufig aus Edelstahl, beispielsweise V2A oder V4A, hergestellt. Edelstahl eignet sich zwar für den entsprechenden Einsatz, weist aber keine hohe Dauerfestigkeit auf.
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Vierkantrohre (bzw. mehreckige Rohre) weisen insbesondere in den Ecken sprunghafte wechselnde Widerstandsmomente auf. Durch die überwiegend formschlüssige Antriebswellen-Nabe-Verbindung können die Rührorgane jedoch an beliebiger Stelle z.B. mit Klemmverbindungen sicher befestigt werden.
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Bei zylindrischen Rohren ist das Widerstandmoment in jeder Lage konstant (umfangssymmetrisch). Neben dem Reibschluss muss aber auch für einen zusätzlichen Formschluss gesorgt werden, um eine sichere Übertragung des Drehmomentes auf das Rührorgan gewährleisten zu können. Hierzu sind formschlüssige Sicherungen über Passfedern oder Stiftverbindungen notwendig, die durch entsprechende Schweissverbindungen oder Bohrungen bei der Montage vor Ort ergänzt werden.
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Eine Positionierung der Rührorgane vor Ort ist daher nur noch im eingeschränkten Maße und mit erhöhtem Aufwand möglich.
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Ein weiterer Nachteil aus den aus dem Stand der Technik bekannten Antriebswellen, liegt in der relativ schwierigen Fertigung und komplexen Fertigung.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebswelle für ein Rührwerk bereitzustellen, deren Widerstandmoments möglichst symmetrisch um den Umfang verteilt ist, gleichzeitig aber auch eine formschlüssige Antriebswellen-Naben-Verbindung und damit eine dauerhafte Verdrehsicherung gewährleistet.
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Lösung der Aufgabe
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Die Lösung der Aufgabe wird durch das Merkmal von Anspruch 1 oder von Anspruch 4 bereitgestellt.
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Vorteile der Erfindung
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den durch den Stand der Technik seit Jahren vorgegebenen Weg, Vierkantrohre beziehungsweise mehreckige Rohre oder zylindrische Rohre als Antriebswelle zu verwenden, zu verlassen.
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Erfindungsgemäss ist daher vorgesehen, eine Hohlwelle aufzuweisen, die gleichdick ist.
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Aus der DIN 32711 sind so genannte Dreieck-Polygonprofile beschrieben, die als „P3G“ bezeichnet werden. Unter anderem wird auch hierfür das Synonym „gleichdick“ verwendet. Diese Polygonprofile stellen eine Sonderform von Trochoiden dar und weisen spezifische charakteristische Merkmale auf, die für den vorliegenden Verwendungszweck erheblich von Vorteil sind.
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Die Antriebswelle ist bei der Verwendung eines solchen Polygonprofiles (dreieckiges Polygonprofil – P3G) annähernd im Durchmesser gleich und weist ein nahezu gleiches Widerstands- und Trägheitsmoment über den gesamten Umfang auf. Dadurch werden die sprunghaften Änderungen der Widerstandsmomente, die insbesondere bei der Dauerbelastung zu Ermüdungsbrüchen führen, vollständig vermieden. Kerbwirkungen sind bei einer solchen Profilform nicht bekannt. Mit einem solchen Polygonprofil können somit höhere Drehmomentübertragungen ermöglicht werden, insbesondere im Vergleich zu bestehenden formschlüssigen Antriebswellen-Nabenverbindung.
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Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden erfindungsgemässen Antriebswelle beziehungsweise deren Verwendung im Bereich der Rührtechnik liegt darin, dass sie unter Last selbstzentrierend ist. Wird an das Polygonprofil für die Anordnung der Propellerflügel beispielsweise ein schalenartiges Fixierungselement, dessen Innenkontur zumindest komplementär zur Aussenkontur des Polygonprofiles ausgebildet ist, angeordnet, so genügt es, dies mit Spannelementen entsprechend an dem Aussenumfang zu verspannen. Unter Last zentriert sich das Fixierungselement mit den entsprechenden Propellerflügeln in Bezug auf die Antriebswelle selbsttätig.
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Dadurch können aufwendige Sicherungen, die während der Montage angebracht werden müssen, entfallen. Die Fertigung solcher Antriebswellen gestaltet sich wesentlich einfacher und ist hinsichtlich seiner Länge auch skalierbar.
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Aufgrund der Hohlwellengestaltung weist die erfinderische Ausführung ein wesentlich geringeres Eigengewicht auf, was zum einen die Handhabung für Fertigung, Transport und Montage vereinfacht, aber auch eine kostengünstigere Dimensionierung der Lager zulässt.
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Durch die Ausgestaltung als gleichdicke Welle können ein oder mehrere Rührorgane an beliebiger Stelle angeordnet werden.
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Die Enden der Antriebswelle, die einen polygonartigen Querschnitt aufweisen, müssen nicht besonders ausgestaltet werden, da sie ebenfalls geeignet sind, Wellenzapfen zur Lagerung einfach aufzunehmen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Ansprüchen hervor.
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Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Teilquerschnittes durch einen Rührbehälter zur Demonstration der Verwendung eines Rührwerks mit einer Antriebswelle;
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2 einen Querschnitt durch das Profil der erfindungsgemässen Antriebswelle;
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3 einen Querschnitt durch die erfindungsgemässe Antriebswellen-Naben-Verbindung zur Übertragung des Drehmomentes auf ein Rührorgan in der Ausbildung eines Propellers;
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4 eine Seitenansicht auf die Antriebswellen-Naben-Verbindung der Antriebswelle gemäss 3.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Nachfolgend werden die erfinderische Vorrichtung sowie die Verwendung einer solchen Antriebswelle für einen Fermenter einer Biogasanlage beschrieben. Grundsätzlich ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Vielmehr sind die Vorrichtung und die Verwendung gleichdicker Antriebswellen für Rührwerke in Biogasanlage, in der Klärtechnik sowie in der industriellen Verfahrenstechnik vorgesehen.
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In 1 ist ein Fermenter F für eine Biogasanlage gezeigt. Dieser Fermenter F besteht aus einer Rührbehälter 2, in dem als Medium ein Substrat S gelagert wird. Das Rührwerk 1 besteht aus einer Antriebseinheit 3 und einer Antriebswelle 4. Auf der Antriebswelle 4 sind zwei Propeller als Rührorgane 5 angeordnet. Diese sind in bestimmten Abständen zum Boden, zum Füllstand im Rührbehälter und zueinander auf der Antriebswelle 4 fest fixiert.
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Die Antriebswelle 4 sieht an ihren freien Enden entsprechende Lagerungen vor. Zum einen wird die erste Lagerung 6 im Bereich der Antriebseinheit 3 des Rührbehälters 2 vorgenommen. Die weitere Lagerung befindet sich im Ausführungsbeispiel am unteren Ende der Antriebswelle 4 und ist in einer Bodenlagerkonsole 7 vorgesehen, die auf dem Boden 8 des Rührbehälters 2 angeordnet ist. Die Antriebswelle 4 ist in und gegen Pfeilrichtung 9 verdrehbar.
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In 2 ist ein Querschnitt der Antriebswelle 4 gezeigt. Es handelt sich um ein im Wesentlichen dreieckiges Polygonprofil, welches nach DIN 32711 gestaltet ist. Es ist gleichdick und weist eine definierte Wandstärke W auf. Bei dem hier vorliegenden Beispiel handelt es sich um ein Hohlprofil, das durch Umformung hergestellt wird.
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In den 3 ist ein Querschnitt und in 4 eine Seitenansicht einer Antriebswellen-Naben-Verbindung zwischen einer Antriebswelle 4 und Fixierungselementen 10 dargestellt.
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Das im Wesentliche dreieckige Polygonprofil der Antriebswelle 4 wird an definierten Bereichen von Fixierungselementen 10 umfasst, wobei diese Fixierungselemente 10 bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel halbschalenartig ausgestaltet sind und deren Innenwandung 11 komplementär zur Außenwandung 12 der Antriebswelle 4 gestaltet ist. Dies bedeutet, dass sich die Innenwandung 11 an die Außenwandung 12 anlegt. Die Fixierungselemente 10 dienen dazu, die in 1 gezeigten Rührorgane 5 (hier Propeller) auf der Antriebswelle 4 aufzunehmen. Spannelemente 13 sorgen dafür, dass eine lagegerechte Fixierung der Fixierungselemente 10 auf der Antriebswelle 4 erfolgt.
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Aufgrund dessen, dass die erfindungsgemässe Antriebswelle 4 des Rührwerks 1 für den Fermenter einer Biogasanlage eine Polygonstruktur aufweist, die vorzugsweise dreieckig ist und der DIN 32711 entspricht, wird ein gleichdickes Profil bereitgestellt, das zum Vergleich zum Stand der Technik wesentlich leichter ist und auch hinsichtlich der Widerstandsmomente die gewünschten verbesserten Eigenschaften aufweist.
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Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch nicht auf dreieckige Polygonprofile beschränkt. Vielmehr sind jegliche Polygonprofile, auch beispielsweise diejenigen nach DIN 32712 geeignet, als Antriebswelle 4 für ein Rührwerks 1 einzusetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rührwerk
- 2
- Rührbehälter
- 3
- Antriebseinheit
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Rührorgan
- 6
- Lagerung
- 7
- Bodenlagerkonsole
- 8
- Boden
- 9
- Pfeil
- 10
- Fixierungselemente
- 11
- Innenwandung
- 12
- Aussenwandung
- 13
- Spannelemente
- 14
- Aussenkontur
- F
- Fermenter
- W
- Wandstärke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 32711 [0016]
- DIN 32711 [0032]
- DIN 32711 [0035]
- DIN 32712 [0036]
