DE102011103026A1

DE102011103026A1 - Rotormaschine

Info

Publication number: DE102011103026A1
Application number: DE201110103026
Authority: DE
Inventors: Martin Bergmann; Bernward Welschof; Martin Steigerwald; Christian Bergmann
Original assignee: Linde Material Handling GmbH
Current assignee: Linde Hydraulics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2012-12-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotormaschine (R) mit einem in einem Gehäuseinnenraum (2) eines Gehäuses (1) drehbar angeordneten Rotor (4), wobei das Gehäuse (1) zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und wobei der Gehäuseinnendruck (PG) in dem Gehäuseinnenraum (2) der Rotormaschine (R) mittels einer Pumpeneinrichtung zur Erzielung eines 2-Phasen-Bereichs der Flüssigkeit an dem rotierenden Rotor (2) absenkbar ist. Die Aufgabe, eine derartige Rotormaschine zur Verfügung zu stellen, bei der der Gehäuseinnendruck für den jeweiligen Zustand der Flüssigkeit derart eingestellt werden kann, dass sich eine 2-Phasen-Strömung an den rotierenden Flächen des Rotors ausbildet und ein Verschäumen der Flüssigkeit in dem Gehäuseinnenraum wirksam verhindert werden kann, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Pumpeneinrichtung von einem Doppelpumpenaggregat (10) gebildet ist, wobei eine erste Pumpe (11) des Doppelpumpenaggregat (10) mit der Saugseite unter Zwischenschaltung einer Drosseleinrichtung (13) mit dem Gehäuseinnenraum (2) verbunden ist und eine zweite Pumpe (12) des Doppelpumpenaggregat (10) mit der Saugseite mit dem Gehäuseinnenraum (2) verbunden ist, wobei die erste Pumpe (11) stromab der Drosseleinrichtung (13) den Druck bis zum Gaslösedruck (P1) der Flüssigkeit absenkt und der Förderstrom der zweiten Pumpe (12) mittels einer Begrenzungseinrichtung (15) derart gesteuert ist, dass der Gehäuseinnendruck (PG) oberhalb des Gaslösedruckes (P1) der Flüssigkeit ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotormaschine mit einem in einem Gehäuseinnenraum eines Gehäuses drehbar angeordneten Rotor, wobei das Gehäuse zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und wobei der Gehäuseinnendruck in dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine mittels einer Pumpeneinrichtung zur Erzielung eines 2-Phasen-Bereichs der Flüssigkeit an dem rotierenden Rotor absenkbar ist.
Bei Rotormaschinen mit einem in einem Gehäuse in einem Gehäuseinnenraum drehbar gelagerten Rotor verursacht der in der Flüssigkeit rotierende Rotor hohe Verluste, insbesondere bei hohen Drehzahlen. Um die Verluste, insbesondere die Planschverluste, zu verringern, ist es bereits bekannt, den Gehäuseinnendruck im Gehäuseinnenraum der Rotormaschine derart abzusenken, dass die in dem Gehäuse befindliche Flüssigkeit, in der der Rotor rotiert, Gas auslöst und ausscheidet, so dass ein 2-Phasen-Gemisch der Flüssigkeit mit einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase entsteht. Durch das Absenken des Gehäuseinnendrucks im Gehäuseinnenraum und somit des Druckes der Flüssigkeit wird an den rotierenden Oberflächen des Rotors eine 2-Phasen-Strömung erzeugt, die gegenüber einer reinen Flüssigkeit eine verringerte Scherreibung aufweist. Dadurch können die Reibungsverluste durch das Planschen des in der Flüssigkeit bzw. dem 2-Phasen-Gemisch der Flüssigkeit rotierenden Rotors in hohem Maße reduziert werden.
Eine gattungsgemäße Rotormaschine, die als elektrische Maschine oder als hydrostatische Maschine ausgebildet ist, ist aus der DE 10 2005 038 273 A1 bekannt. Zum Absenken des Gehäuseinnendrucks in dem Gehäuseinnenraum ist in der DE 10 2005 038 273 A1 eine Pumpe als Absaugeinrichtung vorgesehen, die mit der Saugseite mit dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine verbunden ist. Mit einer Unterdruckbegrenzungseinrichtung wird die Absenkung des Gehäuseinnendrucks durch die Pumpe begrenzt, um eine Verschäumen der Flüssigkeit in dem Gehäuse der Rotormaschine zu vermeiden.
Bei der aus der DE 10 2005 038 273 A1 bekannten Rotormaschine gestaltetet sich jedoch aufwändig, den Gehäuseinnendruck in der erforderlichen Genauigkeit derart einzustellen, dass sich die gewünschte 2-Phasen-Strömung an den rotierenden Oberflächen des Rotors einstellt. Sofern der Gehäuseinnendruck von der Pumpe in Verbindung mit der Unterdruckbegrenzungseinrichtung der Rotormaschine zu weit abgesenkt wird, wird das aus der Flüssigkeit ausgelöste Gas in dem Gehäuseinnenraum nicht mehr vollständig von der Flüssigkeit zurückgelöst. Hierdurch tritt ein unerwünschtes Verschäumen der Flüssigkeit im gesamten Gehäuseinnenraum auf und gegebenenfalls in dem an die Pumpe angeschlossenen Flüssigkeitskreislauf. Hierdurch kann es zu Undichtigkeiten an Dichtungseinrichtungen, beispielsweise Wellendichtringen, des Rotors der Rotormaschine kommen und an den Lagerungen, beispielsweise Wälzlagern, des Rotors der Rotormaschine zu einer ungenügenden Schmierung kommen. Zudem kann es bei einer Druckerhöhung der Flüssigkeit zu Kavitation und Schäden durch Kavitationserosion an der Rotormaschine kommen.
Der Gaslösedruck, bei dem sich Gas aus der Flüssigkeit auslöst, variiert vom momentanen Zustand der Flüssigkeit. Parameter in Abhängigkeit von denen der Gaslösedruck der Flüssigkeit variiert, sind beispielsweise der Sättigungsgrad und die Temperatur der Flüssigkeit. Bei der DE 10 2005 038 273 A1 , bei der die der Pumpe zugeordnete Unterdruckbegrenzungseinrichtung von einer Federeinrichtung und dem Gehäuseinnendruck gesteuert ist, kann daher bei bestimmten Parametern der Flüssigkeit in dem Gehäuseinnenraum ein Verschäumen der Flüssigkeit in dem Gehäuseinnenraum auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotormaschine der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, bei der der Gehäuseinnendruck für den jeweiligen Zustand der Flüssigkeit derart eingestellt werden kann, dass sich eine 2-Phasen-Strömung an den rotierenden Flächen des Rotors ausbildet und ein Verschäumen der Flüssigkeit in dem Gehäuseinnenraum wirksam verhindert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Pumpeneinrichtung von einem Doppelpumpenaggregat gebildet ist, wobei eine erste Pumpe des Doppelpumpenaggregat mit der Saugseite unter Zwischenschaltung einer Drosseleinrichtung mit dem Gehäuseinnenraum verbunden ist und eine zweite Pumpe des Doppelpumpenaggregat mit der Saugseite mit dem Gehäuseinnenraum verbunden ist, wobei die erste Pumpe stromab der Drosseleinrichtung den Druck bis zum Gaslösedruck der Flüssigkeit absenkt und der Förderstrom der zweiten Pumpe mittels einer Begrenzungseinrichtung derart gesteuert ist, dass der Gehäuseinnendruck oberhalb des Gaslösedruckes der Flüssigkeit ist. Mit dem erfindungsgemäßen, zwei Pumpen aufweisenden Doppelpumpenaggregat als Absaugeinrichtung zum Absenken des Gehäuseinnendrucks der Rotormaschine kann auf wirksame Weise erzielt werden, dass von der ersten Pumpe stromab der Drosseleinrichtung eine derartige Druckabsenkung erzielt wird, dass sich ein Druck einstellt, bei dem eine Gasauslösung aus der Flüssigkeit stattfindet und auftritt. Hierbei tritt stromab der Drosseleinrichtung ein Verschäumen der Flüssigkeit in einem räumlich begrenzten Volumen auf. Mit der die Fördermenge und somit den Förderstrom der zweiten Pumpe steuernden Begrenzungseinrichtung wird erzielt, dass der Gehäuseinnendruck um einen bestimmten Betrag oberhalb des Gaslösedruckes der Flüssigkeit gehalten wird, der von der ersten Pumpe erzeugt wird. Hierdurch wird erzielt, dass durch eine entsprechende Absenkung des Gehäuseinnendrucks in dem Gehäuseinnenraum die gewünschte 2-Phasen-Strömung an den Oberflächen des rotierenden Rotors auftritt und wirksam verhindert, dass in dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine ein Verschäumen der Flüssigkeit auftritt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Fördermenge der ersten Pumpe kleiner als die Fördermenge der zweiten Pumpe. Die erste Pumpe stellt somit eine Nebenpumpe dar, um stromab der Drosseleinrichtung eine Druckabsenkung zur Erzeugung des kritischen Gaslösedruckes der Flüssigkeit zu erzielen. Durch die geringe Fördermenge der als Nebenpumpe dienenden ersten Pumpe wirkt sich das begrenzte Verschäumen der Flüssigkeit stromab der Drosseleinrichtung nicht störend auf das Gesamtsystem aus, da sich das von der ersten Pumpe erzeugte Gas- und Flüssigkeitsgemisch in der Flüssigkeit zurücklösen kann. Die zweite Pumpe bildet eine Hauptpumpe zum Absenken des Gehäuseinnendrucks innerhalb des Gehäuseinnenraums, wobei durch die Begrenzung des Förderstroms der zweiten Pumpe und somit die Steuerung des Gehäuseinnendrucks im Gehäuseinnenraum der Rotormaschine auf eine bestimmte Druckdifferenz oberhalb des kritischen Gaslösedruckes wirksam vermieden wird, dass ein Verschäumen der Flüssigkeit in dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine auftritt.
Zweckmäßigerweise sind die Drosseleinrichtung und die Förderleistung der ersten Pumpe derart ausgelegt, dass im Betrieb stromab der Drosseleinrichtung der Gaslösedruck der Flüssigkeit erreicht wird. Hiermit kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass für alle momentanen Zustände der Flüssigkeit, beispielsweise dem Sättigungsgrad und/oder der Temperatur der Flüssigkeit, ein kritischer Druck erzeugt wird, bei dem eine Gasauslösung aus der Flüssigkeit stattfindet. Das erfindungsgemäße Doppelpumpenaggregat ermöglicht es somit auf einfache Weise, dass der Gehäuseinnendruck in dem Gehäuseinnenraum für den jeweiligen Zustand der Flüssigkeit derart eingestellt werden kann, dass sich eine 2-Phasen-Strömung an den rotierenden Flächen des in dem Gehäuseinnenraum angeordneten Rotors zur Verringerung der Planschverluste unter Vermeidung des Verschäumens der Flüssigkeit in dem Gehäuseinnenraum ausbildet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Begrenzungseinrichtung von einer druckgesteuerten Ventileinrichtung gebildet, die von dem Druck stromab der Drosseleinrichtung und einer Federeinrichtung in Richtung einer Verringerung der Fördermenge der zweiten Pumpe sowie von dem Gehäuseinnendruck in Richtung einer Erhöhung der Fördermenge der zweiten Pumpe beaufschlagt ist. Mit einer derartigen druckgesteuerten Ventileinrichtung als Begrenzungseinrichtung zum Begrenzen des Förderstroms der zweiten Pumpe wird auf einfache Weise erzielt, dass der Gehäuseinnendruck im Gehäuseinnenraum um einen von der Federeinrichtung bestimmten Betrag und somit eine bestimmte Druckdifferenz oberhalb des kritischen Gaslösedrucks der Flüssigkeit stromab der Drosseleinrichtung liegt. Hierdurch kann auf wirksame Weise ein unerwünschtes Verschäumen der Flüssigkeit in dem Gehäuseinnenraum vermieden werden. Durch entsprechende Auslegung der Vorspannung der Federeinrichtung und somit der Druckdifferenz zwischen dem Gehäuseinnendruck und dem kritischen Druck stromab der Drosseleinrichtung kann hierbei auf einfache Weise erzielt werden, dass sich in dem Gehäuseinnenraum einerseits die gewünschte 2-Phasen-Strömung einstellt und andererseits kein Verschäumen der Flüssigkeit in dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine auftritt.
Die Ventileinrichtung kann gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung in einer Ansaugleitung der zweiten Pumpe angeordnet sein und von dem Druck stromab der Drosseleinrichtung und einer Federeinrichtung in Richtung einer Sperrstellung sowie von dem Gehäuseinnendruck in Richtung einer Durchflussstellung beaufschlagt sein.
Die in der Ansaugleitung der zweiten Pumpe angeordnete Ventileinrichtung bildet somit eine Saugdrosselung, mit der die Fördermenge der zweiten Pumpe gesteuert werden kann. Die in Richtung der Sperrstellung der Ventileinrichtung wirkende Federeinrichtung bewirkt hierbei, dass der Gehäuseinnendruck in dem Gehäuseinnenraum oberhalb des kritischen Gaslösedrucks stromab der Drosseleinrichtung gehalten wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Ventileinrichtung in einer Förderleitung der zweiten Pumpe angeordnet und von dem Druck stromab der Drosseleinrichtung und einer Federeinrichtung in Richtung einer Sperrstellung sowie von dem Gehäuseinnendruck in Richtung einer Durchflussstellung beaufschlagt. Hierdurch wird eine Pumpe mit einer druckabhängigen Fördermenge erzielt, bei der der Förderstrom durch eine Drosselung in der Förderleitung gesteuert wird. Die in Richtung der Sperrstellung der Ventileinrichtung wirkende Federeinrichtung bewirkt hierbei, dass der Gehäuseinnendruck in dem Gehäuseinnenraum oberhalb des kritischen Gaslösedrucks stromab der Drosseleinrichtung gehalten wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Ventileinrichtung in einer die Ansaugleitung der zweiten Pumpe mit der Förderleitung der zweiten Pumpe verbindenden Umgehungsleitung angeordnet und von dem Druck stromab der Drosseleinrichtung und einer Federeinrichtung in Richtung einer Durchflussstellung sowie von dem Gehäuseinnendruck in Richtung einer Sperrstellung beaufschlagt. Die Ventileinrichtung ermöglicht somit durch eine Rückstromverbindung von der Förderleitung in die Ansaugleitung der zweiten Pumpe die Steuerung der Fördermenge. Die in Richtung der Durchflussstellung der Ventileinrichtung wirkende Federeinrichtung bewirkt hierbei, dass durch die geöffnete Umgehungsleitung die Fördermenge der zweiten Pumpe verringert wird, so dass der Gehäuseinnendruck in dem Gehäuseinnenraum oberhalb des kritischen Gaslösedrucks stromab der Drosseleinrichtung gehalten wird.
Zum Antrieb der ersten Pumpe und der zweiten Pumpe des Doppelpumpenaggregats können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung jeweils eine Antriebswelle vorgesehen werden, wodurch ein getrennter Antrieb der beiden Pumpen mit zwei Antriebswellen erzielt wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung stehen die erste Pumpe und die zweite Pumpe mit einer gemeinsamen Antriebswelle in Verbindung. Durch den Antrieb der beiden Pumpen des Doppelpumpenaggregats durch eine gemeinsame Antriebswelle ergibt sich einfacher Aufbau mit geringem Bauaufwand.
Die Antriebwelle bzw. die Antriebswellen der beiden Pumpen des Doppelpumpenaggregats können getrennt von der Rotormaschine durch einen eigenen Antrieb angetrieben werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Antriebswelle als Triebwelle der Rotormaschine ausgebildet ist oder die Antriebswelle mit der Triebwelle der Rotormaschine trieblich verbunden ist. Hierdurch kann ein Antrieb der beiden Pumpen des Doppelpumpenaggregats durch die Rotormaschine erzielt werden, wodurch der Bauaufwand weiter verringert werden kann.
Die erste Pumpe und die zweite Pumpe des Doppelpumpenaggregats können in die Rotormaschine integriert oder mit der Rotormaschine zu einer Baueinheit verbunden werden. Hierdurch kann eine platzsparende Integration des Doppelpumpenaggregats in die Rotormaschine erzielt werden bzw. ein Baukastensystem geschaffen werden, bei dem das Doppelpumpenaggregat als eigenständige Einheit an die Rotormaschine zur Gehäusedruckabsenkung angebaut werden kann.
Mit besonderem Vorteil sind gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die erste Pumpe und die zweite Pumpe des Doppelpumpenaggregats als Kreiselpumpen ausgebildet. Kreiselpumpen ermögliche eine Förderung der Flüssigkeit auch bei einer wechselnden Drehrichtung. Mit Kreiselpumpen kann somit mit geringem Bauaufwand bei als Motoren oder Pumpen ausgebildeten Rotormaschinen bzw. bei als Pumpen und Motoren arbeitenden Rotormaschinen die gewünschte Absenkung des Gehäuseinnendrucks in dem Gehäuseinnenraum erzielt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weisen die erste Pumpe und die zweite Pumpe des Doppelpumpenaggregats ein gemeinsames angetriebenes Pumpenrad auf. Hierdurch kann bei einer Ausbildung der beiden Pumpen als Kreiselpumpen der Bauaufwand und Platzbedarf weiter verringert werden, da lediglich ein von einer einzigen Antriebswelle angetriebenes Pumpenrad erforderlich ist, das bei geringem Bauraumbedarf mit den Strömungskanälen für beide Pumpen versehen werden kann.
Besondere Vorteile sind erzielbar, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung das Pumpenrad auf einer Antriebwelle axial verschiebbar angeordnet ist, wobei die Kreiselpumpe als Radialpumpe ausgebildet ist und das Pumpenrad in einem mit dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine in Verbindung stehenden Pumpenraum drehbar angeordnet ist, wobei das Pumpenrad die Funktion der druckgesteuerten Ventileinrichtung aufweist. Das axial verschiebbare und rotierende Pumpenrad des Doppelpumpenrades weist somit weiterhin die Funktion der Ventileinrichtung auf, mit dem die Fördermenge und somit der Förderstrom der zweiten Pumpe gesteuert werden kann, wodurch eine weitere Verringerung des Bauaufwandes erzielbar ist.
Zweckmäßigerweise steht hierbei das Pumpenrad am Außenumfang mit einem förderseitigen, an einem Gehäuse ausgebildeten Auslasskanal in Verbindung, wobei in einer ersten axialen Endstellung des Pumpenrades die Strömungskanäle der ersten Pumpe im Pumpenrad und die Strömungskanäle der zweiten Pumpe im Pumpenrad mit dem Auslasskanal verbunden sind und in einer zweiten axialen Endstellung des Pumpenrades die Strömungskanäle der ersten Pumpe im Pumpenrad mit dem Auslasskanal verbunden sind und die Verbindung der Strömungskanäle der zweiten Pumpe mit dem Auslasskanal abgesperrt ist. Das axial verschiebbare Pumpenrad bildet somit am Außenumfang mit den radial angeordneten Strömungskanälen der zweiten Pumpe die Funktion eines Ventilschiebers und somit die Funktion der Ventileinrichtung, mit der die Fördermenge der zweiten Pumpe durch von der Axialverschiebung des Pumpenrades abhängige Öffnungsschlitze der Strömungskanäle zu dem gehäuseseitigen Auslasskanal gesteuert und verändert werden kann. Die erste axiale Endstellung des Pumpenrades bildet hierbei die Durchflussstellung der Ventileinrichtung und die zweite axiale Endstellung die Sperrstellung der Ventileinrichtung.
Mit besonderem Vorteil sind die Stirnflächen des Pumpenrades als Steuerdruckflächen ausgebildet, wobei eine erste Stirnfläche von dem Gehäuseinnendruck und eine zweite gegenüberliegende Stirnfläche von dem Druck stromab der Drosseleinrichtung beaufschlagt ist, wobei die erste Stirnfläche in dem mit dem Gehäuseinnenraum verbundenen Pumpenraum und die zweite Stirnfläche in einem mit dem Pumpenraum über die Drosseleinrichtung verbundenen Steuerdruckraum angeordnet ist. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Beaufschlagung und Steuerung des die Funktion der Ventileinrichtung aufweisenden, axial verschiebbaren Pumpenrades von dem Gehäuseinnendruck sowie dem stromab der Drosseleinrichtung von der ersten Pumpe erzeugten Gaslösedruck sowie der Federeinrichtung erzielt werden.
Sofern das Pumpenrad mit einem die beiden Stirnflächen verbindenden Verbindungskanal versehen ist, in dem die Drosseleinrichtung angeordnet ist, kann auf einfache Weise in dem Gehäuse des Pumpenrades an der ersten Stirnfläche des Pumpenrades der mit dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine in Verbindung stehende Pumpenraum und an der zweiten, gegenüberliegenden Stirnseite des Pumpenrades der von dem Druck stromab der Drosseleinrichtung beaufschlagte Steuerdruckraum gebildet werden.
Zweckmäßigerweise stehen die Strömungskanäle der zweiten Pumpe im Pumpenrad eingangsseitig mit dem mit dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine in Verbindung stehenden Pumpenraum in Verbindung und sind die Strömungskanäle der ersten Pumpe eingangsseitig mit dem Steuerdruckraum stromab der Drosseleinrichtung verbunden. Hierdurch wird auf einfache Weise erzielt, dass die erste Pumpe saugseitig mit dem über die Drosseleinrichtung mit dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine verbundenen Steuerdruckraum in Verbindung steht und die zweite Pumpe saugseitig direkt mit dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine verbunden ist.
Sofern in dem Steuerdruckraum die Federeinrichtung angeordnet ist, die das Pumpenrad in Richtung der zweiten axialen Endstellung beaufschlagt, ergibt sich für die Anordnung der Federeinrichtung bei dem die Funktion der Ventileinrichtung aufweisenden, axial verschiebbaren Pumpenrad ein geringer Bauaufwand.
Mit besonderem Vorteil ist die Federeinrichtung an einem Federteller abgestützt, der einen Anschlag für die erste axiale Endstellung des Pumpenrades bildet. Mit dem Federteller kann bei geringem Bauaufwand ein axialer Anschlag für die erste Endstellung des Pumpenrades erzielt werden.
Hinsichtlich eines einfachen Bauaufwandes ergeben sich weitere Vorteile, wenn in dem Verbindungskanal des Pumpenrades eine Mitnahmeverzahnung zum Antrieb des Pumpenrades durch die Antriebswelle angeordnet ist, wobei in dem Verbindungskanal eine mit der Drosseleinrichtung versehene Scheibe befestigt ist, die einen Anschlag für die zweite axiale Endstellung des Pumpenrades bildet. An einer in dem Verbindungskanal befestigten Scheibe kann mit geringem Bauaufwand die Drosseleinrichtung ausgebildet werden und in Verbindung mit der Antriebswelle der Anschlag für die zweite axiale Endstellung des Pumpenrades von der Scheibe gebildet werden. Die Anordnung der Mitnahmeverzahnung zum Antrieb des Pumpenrades in dem Verbindungskanal führt zu einer weiteren Verringerung des Bauaufwandes des Pumpenrades. Die Flüssigkeit kann hierbei über die Verzahnungslücken der Mitnahmeverzahnung zwischen der Antriebswelle und dem Pumpenrad von dem mit dem Gehäuseinnenraum verbundenen Pumpenraum zu der mit der Drosseleinrichtung versehenen Scheibe und somit in den Steuerdruckraum strömen.
Die Rotormaschine kann gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung als elektrische Maschine ausgebildet sein, die als Motor und/oder Generator ausgebildet werden kann.
Bei einer als elektrische Maschine ausgebildeten Rotormaschine können gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Pumpen des Doppelpumpenaggregats in den Rotor der elektrischen Maschine integriert werden.
Die Rotormaschine kann gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform der Erfindung als hydrostatische Maschine, insbesondere Axialkolbentriebwerk, ausgebildet sein. Die hydrostatische Maschine, deren drehbare Zylindertrommel den Rotor bildet, kann hierbei als Hydromotor und/oder als Pumpe ausgebildet werden.
Bei einer hydrostatischen Maschine können die Pumpen des Doppelpumpenaggregats gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung in die Steuerbodenaufnahme der hydrostatischen Maschine integriert sein. Hierdurch wird eine einfache Integration der Pumpen des Doppelpumpenaggregats in die hydrostatische Maschine erzielt.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform der Erfindung können die Pumpen des Doppelpumenaggregats in einem Pumpengehäuse angeordnet werden, das an das Gehäuse der hydrostatischen Maschine oder der elektrischen Maschine angebaut ist.
Hierdurch wird auf einfache Weise eine eigenständige Einheit der Pumpen des Doppelpumenaggregats erzielt, die in einem Baukastensystem auf einfache Weise an das Gehäuse der Rotormaschine angebaut werden kann, um die Gehäusedruckabsenkung zu erzielen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotormaschine,
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotormaschine,
3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotormaschine,
4 eine erste Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Rotormaschine
5 eine zweite Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Rotormaschine,
6 eine konstruktive Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotormaschine in einem Längsschnitt,
6a einen Ausschnitt der 6 mit einem Doppelpumpenaggregat in einer vergrößerten Darstellung und
6b und 6c das Doppelpumpenaggregat der 6a in weiteren Betriebszuständen.
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Rotormaschine R, beispielsweise eine elektrische Maschine oder ein hydrostatisches Triebwerk, dargestellt, die ein Gehäuse 1 und ein in einem Gehäuseinnenraum 2 des Gehäuses 1 um eine Drehachse 3 drehbar angeordneten Rotor 4 aufweist. Der Rotor 4 steht weiterhin mit einer Triebwelle 5 in Verbindung. Die Triebwelle 5 kann im dargestellten Ausführungsbeispiel in beide Drehrichtungen betrieben werden.
Das Gehäuse 1 ist zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt, in der der Rotor 4 rotiert. Der Gehäuseinnendruck im Gehäuseinnenraum 2 ist in der 1 mit P_G bezeichnet.
Zum Absenken des Gehäuseinnendrucks P_G im Gehäuseinnenraum 2 ist erfindungsgemäß eine von einem Doppelpumpenaggregat 10 gebildete Pumpeneinrichtung vorgesehen, die in einer von dem Gehäuseinnenraum 2 zu einem Behälter 6 geführten Tankleitung 7 angeordnet ist und Flüssigkeit aus dem Gehäuseinnenraum 2 in den Behälter 6 fördert.
Das erfindungsgemäße Doppelpumpenaggregat 10 weist eine erste Pumpe 11 und eine zweite Pumpe 12 auf, wobei die erste Pumpe 11 eine gegenüber der zweiten Pumpe 12 verringerte Fördermenge aufweist. Die erste Pumpe 11 bildet somit eine Nebenpumpe und die zweite Pumpe 12 eine Hauptpumpe zum Absenken des Gehäuseinnendrucks P_G im Gehäuseinnenraum 2.
Die erste Pumpe 11 Ist an der Saugseite unter Zwischenschaltung einer als Blende oder als Drossel ausgebildeten Drosseleinrichtung 13 mit dem Gehäuseinnenraum 2 der Rotormaschine R verbunden. Die Drosseleinrichtung 13 ist hierbei in einer von der Tankleitung 7 abzweigenden und zu dem Sauganschluss der ersten Pumpe 11 geführten Ansaugleitung 14 angeordnet. Die Drosseleinrichtung 13 und die Fördermenge der ersten Pumpe 11 sind hierbei derart bemessen, dass sich während des Betriebs der ersten Pumpe 11 stromab der Drosseleinrichtung 13 ein mit P1 bezeichneter Druck am Sauganschluss der erste Pumpe 11 einstellt, der einem kritischen Gaslösedruck der Flüssigkeit entspricht, so dass eine Gasauslösung aus der Flüssigkeit stattfindet.
Die zweite Pumpe 12 des Doppelpumpenaggregats 10 steht an der Saugseite direkt mit dem Gehäuseinnenraum 2 der Rotormaschine R in Verbindung. Der zweiten Pumpe 12 ist eine Begrenzungseinrichtung 15 zugeordnet, mit der die Fördermenge und somit der Förderstrom der zweiten Pumpe 12 derart gesteuert werden kann, dass der Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 um einen bestimmten Betrag oberhalb des Gaslösedruckes P1 stromab der Drosseleinrichtung 13 ist. Diese Druckdifferenz ist derart bemessen, dass von der zweiten Pumpe 12 eine Absenkung des Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 erzielt wird, bei der einerseits eine 2-Phasensrömung an den in der Flüssigkeit rotierenden Oberflächen des Rotors 4 zur Verringerung der Reibungsverluste des rotierenden Rotors 4 erzielt wird und andererseits ein Verschäumen der Flüssigkeit im Gehäuseinnenraum 2 vermieden wird.
Die Begrenzungseinrichtung 15 ist von einer Ventileinrichtung 16 gebildet, die von dem Gaslösedruck P1 stromab der Drosseleinrichtung 13 und einer die Druckdifferenz vorgebenden Federeinrichtung 17 in Richtung einer Verringerung der Fördermenge der zweiten Pumpe 12 beaufschlagt ist sowie von dem Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 in Richtung einer Erhöhung der Fördermenge der zweiten Pumpe 12 beaufschlagt ist.
In der 1 ist die Ventileinrichtung 16 in einer von der Tankleitung 7 abzweigenden und zu dem Sauganschluss der zweiten Pumpe 12 geführten Ansaugleitung 18 angeordnet, so dass mit der Ventileinrichtung 16 eine Saugdrosselung zur Steuerung und Begrenzung der Fördermenge und somit des Förderstroms der zweiten Pumpe 12 erzielt wird.
Die Ventileinrichtung 16 ist in Zwischenstellungen drosselnd und weist zur Erhöhung der Fördermenge der zweiten Pumpe 12 eine Durchflussstellung 16a und zur Verringerung der Fördermenge der zweiten Pumpe 12 eine Sperrstellung 16b auf. Der in einer von der Ansaugleitung 18 abzweigenden Steuerleitung 19 anstehende Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 beaufschlagt die Ventileinrichtung 16 in Richtung der Durchflussstellung 16a. Die Steuerleitung 19 ist hierzu an eine entsprechende Steuerdruckfläche 16c der Ventileinrichtung 16 geführt. In Richtung der Sperrstellung 16b ist die Ventileinrichtung 16 von der Feder 17 und dem Gaslösedruck P1 stromab der Drosseleinrichtung 13 beaufschlagt. Hierzu ist eine entsprechende Steuerleitung 20 von der Ansaugleitung 14 zwischen der Drosseleinrichtung 13 und dem Sauganschluss der ersten Pumpe 11 zu einer entsprechenden Steuerdruckfläche 16d der Ventileinrichtung 16 geführt.
In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist zum Antrieb der beiden Pumpen 11, 12 des Doppelpumpenaggregats 10 eine gemeinsame Antriebswelle 25 vorgesehen. Die Antriebswelle 25 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in eine Drehrichtung betreibbar.
In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Gegenüber der 1 ist bei der 2 die von der Ventileinrichtung 16 gebildete Begrenzungseinrichtung 15 in der zu dem Behälter 6 geführten Förderleitung 21 der zweiten Pumpe 12 angeordnet. Mit der der Förderseite der zweiten Pumpe 12 zugeordneten Begrenzungseinrichtung 15 erfolgt eine Drosselung in der Förderleitung zur Steuerung und Begrenzung der Fördermenge und somit des Förderstroms der zweiten Pumpe 12.
Die Ausbildung und Ansteuerung der Ventileinrichtung 16 der 2 ist mit der 1 identisch.
In der 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind.
Die von der Ventileinrichtung 16 gebildete Begrenzungseinrichtung 15 ist in einer die Ansaugleitung 18 mit der Förderleitung 21 der zweiten Pumpe 12 verbindenden Umgehungsleitung 22 angeordnet. Die Ventileinrichtung 16 ist in Zwischenstellungen drosselnd und weist zur Erhöhung der Fördermenge der zweiten Pumpe 12 die Sperrstellung 16b und zur Verringerung der Fördermenge der zweiten Pumpe 12 die Durchflussstellung 16a auf. Der in einer von der Ansaugleitung 18 abzweigenden Steuerleitung 19 anstehende Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 beaufschlagt die Ventileinrichtung 16 in Richtung der Sperrstellung 16b. Die Steuerleitung 19 ist hierzu an die Steuerdruckfläche 16d der Ventileinrichtung 16 geführt. In Richtung der Durchflussstellung 16a ist die Ventileinrichtung 16 von der Feder 17 und dem Gaslösedruck P1 stromab der Drosseleinrichtung 13 beaufschlagt. Hierzu ist die den Gaslösedruck P1 fahrende Steuerleitung 20 zu der Steuerdruckfläche 16c der Ventileinrichtung 16 geführt.
Mit der in der Umgehungsleitung 22 der zweiten Pumpe 12 angeordneten Begrenzungseinrichtung 15 wird zur Steuerung und Begrenzung der Fördermenge und somit des Förderstroms der zweiten Pumpe 12 die Rückströmung der zweiten Pumpe 12 von der Förderleitung 21 in die Ansaugleitung 18 gesteuert.
Bei den Ventileinrichtung 16 der 1 bis 3 bewirkt die Federeinrichtung 17, dass der Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 um die Vorspannung der Federeinrichtung 17 oberhalb des kritischen Gaslösedrucks P1 stromab der Drosseleinrichtung 13 ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Doppelpumpenaggregat 10 stellt sich somit stromab der Drosseleinrichtung 13 durch die Förderwirkung der ersten Pumpe 11 ein Gaslösedruck P1 der Flüssigkeit ein, so dass zwischen der Drosseleinrichtung 13 und dem Sauganschluss der ersten Pumpe 11 in einem begrenzten Volumen ein Verschäumen der Flüssigkeit auftritt. Durch die geringe Fördermenge der ersten Pumpe 11 kann sich das erzeugte Gas-Flüssigkeitsgemisch in dem Gesamtsystem wieder zurücklösen. Mit der der zweiten Pumpe 12 zugeordneten Begrenzungseinrichtung 15 wird durch eine Begrenzung der Fördermenge der zweiten Pumpe 12 der Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 auf den geforderten Wert oberhalb des Gaslösedrucks P1 eingestellt, um die 2-Phasen-Srömung an den Oberflächen des rotierenden Rotors 4 zu erzielen und ein Verschäumen der Flüssigkeit in dem Gehäuseinnenraum 2 der Rotormaschine zu vermeiden.
In der 4 ist eine Ausführung dargestellt, bei die die gemeinsame Antriebswelle 25 der beiden Pumpen 11, 12 des Doppelpumpenaggregats 10 mit der Triebwelle 5 der Rotormaschine R trieblich verbunden ist bzw. die Triebwelle 5 der Rotormaschine R als Antriebswelle 25 der Pumpen 11, 12 ausgebildet ist. Die beiden Pumpen 11, 12 werden somit gemeinsam mit dem Rotor 4 der Rotormaschine R angetrieben. Die Triebwelle 5 bzw. die Antriebswelle 25 kann in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in eine Drehrichtung betrieben werden.
In der 5 ist eine Ausführung dargestellt, bei der die beiden Pumpen 11, 12 des Doppelpumenaggregats 10 mit voneinander unabhängigen Antrieben versehen sind, wobei zum Antrieb der ersten Pumpe 11 eine Antriebswelle 25a und zum Antrieb der zweiten Pumpe 11 eine Antriebswelle 25b vorgesehen ist.
Bei den 4 und 5 ist die Begrenzungseinrichtung 15 gemäß der 1 in der Ansaugleitung der zweiten Pupe 12 angeordnet. Die Antriebsvarianten der beiden Pumpen 11, 12 gemäß den 4 und 5 können jedoch ebenfalls mit einer Anordnung der Begrenzungseinrichtung 15 in der Förderleitung 21 der zweiten Pumpe 12 gemäß der 2 bzw. einer Anordnung der Begrenzungseinrichtung 15 in der Umgehungsleitung 22 der zweiten Pumpe 12 gemäß der 3 verwendet werden.
In der 6 ist eine konstruktive Ausführung einer erfindungsgemäßen Rotormaschine R dargestellt.
Die Rotormaschine R der 6 ist als hydrostatische Maschine ausgebildet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Axialkolbentriebwerk in Schrägscheibenbauweise ausgebildet ist. Das Axialkolbentriebwerk kann als Hydromotor oder als Pumpe ausgebildet sein.
Der um die Drehachse 3 drehbar gelagerte Rotor 4 ist als Zylindertrommel ausgebildet, der mit mehreren konzentrisch zur Drehachse 3 angeordneten Kolbenausnehmungen 30 versehen ist, die bevorzugt von Zylinderbohrungen gebildet sind und in denen jeweils ein Kolben 31 längsverschiebbar gelagert ist.
Die Kolben 31 stützen sich in dem aus der Zylindertrommel herausragenden Bereich mittels jeweils eines Gleitschuhs 32 als Abstützelement auf einer huberzeugenden Laufbahn ab, die von einer Schrägscheibe 33 gebildet ist.
Die Schrägscheibe 33 kann an dem Gehäuse 1 – wie in der 6 dargestellt ist – angeformt oder drehfest befestigt sein, wobei das Axialkolbentriebwerk ein festes Verdrängungsvolumen aufweist.
Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Schrägscheibe 33 in einer Schrägscheibenaufnahme des Gehäuses 1 in der Neigung verstellbar anzuordnen, wodurch das Axialkolbentriebwerk ein veränderbares Verdrängungsvolumen aufweist.
Die Zylindertrommel stützt sich in axialer Richtung an einer Steuerfläche 34 ab. Die Steuerfläche 34 ist mit nierenförmigen Steuerausnehmungen versehen, die die Verbindung eines nicht näher dargestellten Sauganschlusskanals und eines Druckanschlusskanals 35 im Gehäuse 1 mit den Kolbenausnehmungen 30 ermöglichen.
Die Steuerfläche 34 ist von einem Steuerspiegel gebildet, der gemäß der 6 an dem Gehäuse 1, beispielsweise einem eine Steuerbodenaufnahme bildenden Gehäusedeckel 1a des Gehäuses 1 drehfest befestigt ist, in dem der Sauganschlusskanals und der Druckanschlusskanal 35 des Triebwerks ausgebildet sind.
Die Zylindertrommel ist von einer zentrischen Bohrung durchsetzt, durch die die konzentrisch zur Drehachse 3 angeordnete Triebwelle 5 durch die Zylindertrommel geführt ist. Die Triebwelle 5 ist mittels Lagerungen 36a, 36b im Gehäuse 1 und dem Gehäusedeckel 1a drehbar gelagert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Triebwelle 5 in beide Drehrichtungen betreibbar.
Die Zylindertrommel 3 ist mittels einer Mitnahmeverzahnung 37 mit der Triebwelle 21 drehfest verbunden. Weiterhin dargestellt ist eine Anpressfeder 38, die die Zylindertrommel 3 in axialer Richtung an die Steuerfläche 34 anpresst und abstützt.
Das Axialkolbentriebwerk wird im Sauganschlusskanal und Druckanschlusskanal 35 mit einer Betriebsflüssigkeit, beispielsweise Hydrauliköl, betrieben. Im Gehäuseinnenraum 2 zwischen dem Gehäuse 1 und der drehenden Zylindertrommel sammelt sich Lecköl des Triebwerks als Flüssigkeit, in der die Zylindertrommel rotiert.
Bei dem Axialkolbentriebwerk der 6 ist das Doppelpumpenaggregat 10 zur Absenkung des Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 des Gehäuses 1 in das Axialkolbentriebwerk integriert und in dem Gehäusedeckel 1a des Gehäuses 1 eingebaut, der das Pumpengehäuse des Doppelpumpenaggregats 10 bildet.
Die beiden Pumpen 11 und 12 des Doppelpumpenaggregats 10 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Kreiselpumpen ausgebildet, die ein gemeinsames drehbares Pumpenrad 40 als Laufrad aufweisen. Der Aufbau der als Kreiselpumpen ausgebildeten Pumpen 11, 12 des Doppelpumpenaggregats 10 wird in Verbindung mit den 6a bis 6c näher beschrieben.
Das Pumpenrad 40 steht zum Antrieb mit der Triebwelle 5 des Axialkolbentriebwerks in drehfester Verbindung und ist an der Triebwelle 5 axial verschiebbar – wie in der 6 mit dem Pfeil 41 verdeutlicht ist – angeordnet. Hierzu ist zwischen der Triebwelle 5 und dem Pumpenrad 40 eine Verzahnung ausgebildet, die von einem Verzahnungsabschnitt 42 an der Triebwelle 5 und einer Mitnahmeverzahnung 43 an einer zentrischen Durchgangsbohrung 44 des Pumpenrades 40 gebildet ist.
Das Pumpenrad 40 ist in einem Pumpenraum 45 angeordnet, der von einer Ausnehmung des Gehäusedeckels 1a gebildet ist, in dem die Abtriebswelle 5 angeordnet ist. Der Pumpenraum 45 steht mittels eines Verbindungskanals 46 im Gehäusedeckel 1a mit dem Gehäuseinnenraum 2 des Axialkolbentriebwerks in Verbindung. Die den Pumpenraum 45 bildende Ausnehmung des Gehäusedeckels 1a ist mit einem an dem Gehäusedeckel 1a befestigten Abschlussdeckel 47 abgeschlossen. Zwischen dem Gehäusedeckel 1a und dem Abschlussdeckel 47 ist eine Dichtungseinrichtung 48 angeordnet.
Die Kreiselpumpen sind jeweils als Radialkolbenpumpen ausgebildet. Die als Hauptpumpe ausgebildete zweite Pumps 12 ist dem Gehäuse 1 zugewandt an dem Pumpenrad 40 angeordnet und weist radial angeordnete Strömungskanäle 50 auf, die im radial inneren Bereich und somit der Saugseite in die linken Stirnfläche des Pumpenrades 40 münden und an dem radial äußeren Bereich und somit der Förderseite in den Außenumfang des Pumpenrades 40 münden. Die als Nebenpumpe ausgebildete erste Pumpe 11 ist dem Abschlussdeckel 47 zugewandt angeordnet und weist radial angeordnete Strömungskanäle 51 auf, die im radial inneren Bereich und somit mit der Saugseite in die zentrische Durchgangsbohrung 44 des Pumpenrades 40 münden und an dem radial äußeren Bereich und somit der Förderseite in den Außenumfang des Pumpenrades 40 münden. Die Öffnungsschlitze der Strömungskanäle 50, 51 sind am Außenumfang des Pumpenrades 40 in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet.
Das in axialer verschiebbar angeordnete Pumpenrad 40 weist die Funktion der von der Ventileinrichtung 16 gebildeten Begrenzungseinrichtung 15 auf, die gemäß der 2 der Förderseite der zweiten Pumpe 12 zugeordnet ist.
An dem Gehäusedeckel 1a ist hierzu ein ringnutförmiger Auslasskanal 55 der Pumpen 11, 12 ausgebildet, in den die beiden Pumpen 11, 12 fördern und der über einen Anschluss 56 mit dem Behälter 6 verbunden ist.
Zur Bildung der Ventileinrichtung 16 bilden die beiden Stirnflächen des Pumpenrades 40 die Steuerdruckflächen 16c bzw. 16d. Die in den 6 bis 6c linke Stirnfläche des Pumpenrades 40 bildet die in Richtung der Durchflussstellung wirkende Steuerdruckfläche 16c, die von dem in dem Pumpenraum 45 anstehenden Gehäuseinnendruck P_G des Gehäuseinnenraums 2 beaufschlagt ist. In der 6a ist das Pumpenrad 40 in einer die Durchflussstellung der Ventileinrichtung 16 bildenden ersten axialen Endstellung dargestellt, in der die Strömungskanäle 51 der ersten Pumpe 11 und die Strömungskanäle 50 der zweiten Pumpe 12 mit dem förderseitigen Auslasskanal 55 in Verbindung stehen. Die gegenüberliegende, in den 6 bis 6c rechte Stirnfläche des Pumpenrades 40 bildet die in Richtung der Sperrstellung der Ventileinrichtung 16 wirkende Steuerdruckfläche 16d, die von dem Gaslösedruck P1 stromab der Drosseleinrichtung 13 beaufschlagt ist. In der 6c ist das Pumpenrad 40 in einer die Sperrstellung der Ventileinrichtung 16 bildenden zweiten axialen Endstellung dargestellt, in der die Strömungskanäle 51 der ersten Pumpe 11 mit dem förderseitigen Auslasskanal 55 in Verbindung stehen und die Verbindung der Strömungskanäle 50 der zweiten Pumpe 12 mit dem förderseitigen Auslasskanal 55 in Folge der axiale Bewegung des Pumpenrades 40 nach in den 6c links abgesperrt sind.
Zur Beaufschlagung der rechten Stirnfläche des Pumpenrades 40 von dem Gaslösedruck P1 stromab der Drosseleinrichtung 13 ist die das Pumpenrad 40 aufnehmende Ausnehmung des Gehäusedeckels 1a gegenüberliegende zu dem Pumpenraum 45 als Steuerdruckraum 57 ausgebildet, der mit dem Gaslösedruck P1 stromab der Drosseleinrichtung 13 beaufschlagt ist. Die Strömungskanäle 51 der ersten Pumpe 11 münden im radial inneren, saugseitigen Bereich im Bereich des Steuerdruckraums 57 in die zentrische Durchgangsbohrung 44.
Die Durchgangsbohrung 44 des Pumpenrades 40 bildet hierbei eine die beiden Stirnflächen des Pumpenrades 40 verbindenden Verbindungskanal 58, in dem die Drosseleinrichtung 13 angeordnet ist. Die Drosseleinrichtung 13 ist als Blendenbohrung 60 in einer Scheibe 61 ausgebildet, die in der Durchgangsbohrung 44 angeordnet ist und zwischen der Mitnahmeverzahnung 43 des Pumpenrades 40 und einer Befestigungseinrichtung 62, beispielsweise einem in eine Nut des Pumpenrades 40 eingesetzten Sicherungsring, an dem axial verschiebbaren Pumpenrad 40 befestigt ist. Die Scheibe 61 bildet beim Anschlagen an das Wellende der Triebwelle 5 – wie in der 6c dargestellt ist – weiterhin einen Anschlag für die die Sperrstellung der Ventileinrichtung 16 bildende zweite axiale Endstellung des Pumpenrades 40.
In dem Steuerdruckraum 57 ist weiterhin die das Pumpenrad 40 in Richtung der Sperrstellung beaufschlagende Federeinrichtung 17 angeordnet. Die Federeinrichtung 17 ist an einem Federteller 63 abgestützt, der mit einer Stirnseite 64 einen Anschlag für die die Durchflussstellung der Ventileinrichtung 16 bildende erste axiale Endstellung des Pumpenrades 40 bildet.
In der ersten axialen Endstellung ist – wie in der 6a verdeutlicht ist – zwischen der rechten Stirnfläche des Pumpenrades 40 und dem Abschlussdeckel 47 ein Spalt ausgebildet, um die Beaufschlagung der als Steuerdruckfläche 16d dienenden rechten Stirnfläche des Pumpenrades 40 durch den Druck P1 in dem Steuerdruckraum 57 stromab der Drosseleinrichtung 13 sicherzustellen.
Bei dem als Kreiselpumpen ausgebildete Doppelpumpenaggregat 10 sind drei voneinander getrennte Druckräume ausgebildet. Der mit dem Gehäuseinnenraum 2 verbundene und von dem Gehäuseinnendruck P_G beaufschlagte Pumpenraum 45, aus dem die zweite Pumpe 12 mit den Strömungskanälen 50 ansaugt, der stromab der Drosseleinrichtung 13 angeordnete Steuerdruckraum 57, aus dem die erste Pumpe 11 mit den Strömungskanälen 51 ansaugt und der förderseitige Auslasskanal 55 beider Pumpen 11, 12, der mit dem Behälter 6 verbunden ist.
Im Betrieb der Rotormaschine R strömt über die Lücken zwischen dem Verzahnungsabschnitt 42 an der Triebwelle 5 und der Mitnahmeverzahnung 43 an der zentrischen Durchgangsbohrung 44 des Pumpenrades 40 ein kleiner Volumenstrom Q1 von dem mit dem Gehäuseinnenraum 2 verbundenen Pumpenraum 45 über die Drosseleinrichtung 13 in der Scheibe 61 in den Steuerdruckraum 57, wie in den 6a bis 6c mit den Pfeilen verdeutlicht ist. Mit der als Radialpumpe ausgebildeten ersten Pumpe 11 wird diesem Steuerdruckraum 57 soviel Flüssigkeit entzogen, bis der kritische Gaslösedruck P1 der Flüssigkeit erreicht wird und sich in dem Steuerdruckraum 57 ein Gas-Flüssigkeitsgemisch bildet. Dieser stromab der Drosseleinrichtung 13 anstehende kritische Gaslösedruck P1, bei dem Gas aus der Flüssigkeit ausgelöst wird, steht an der als Steuerdruckfläche 16d dienenden Stirnfläche an und beaufschlagt das Pumpenrad 40 zusammen mit der Federeinrichtung 17. An der als Steuerdruckfläche 16c dienenden Stirnfläche des Pumpenrades 40 steht der Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 an.
Ist die durch den Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 im Pumpenraum 45 anstehende Druckkraft an der die Steuerdruckfläche 16c bildenden Stirnfläche des Pumpenrades 40 größer als die Summe aus der Federkraft der Federeinrichtung 17 und der aus dem kritischen Gaslösedruck P1 an der die Steuerdruckfläche 16d bildenden Stirnfläche des Pumpenrades 40 resultierenden Druckkraft, befindet sich das Pumpenrad 40 in der in der 6a dargestellten ersten axialen Endstellung und somit der Durchflussstellung der Ventileinrichtung 16 mit maximaler Fördermenge der zweiten Pumpe 12.
In der 6b ist eine Zwischenstellung des Pumpenrades 40 dargestellt, in der sich das die Funktion der Ventileinrichtung 16 bildende Pumpenrad 40 in einer Abgleichstellung befindet, in der die zweite Pumpe 12 in einem Betriebspunkt arbeitet, in der der Gehäuseinnendruck P_G um den Wert der Vorspannung der Federeinrichtung 17 über dem kritische Gaslösedruck P1 auf einem gewünschten Gehäuseinnendruck gehalten wird, bei dem in dem Gehäuseinnenraum 2 eine 2-Phasen-Strömung an den Oberflächen des Rotors 4 zur Verringerung der Planschverluste erzielt werden kann und ein Verschäumen der Flüssigkeit in dem Gehäuseinnenraum 2 vermieden wird.
Sinkt infolge der Fördermenge der zweiten Pumpe 12 der Gehäuseinnendruck P_G im Gehäuseinnenraum 2 und somit im Pumpenraum 45 zu stark ab, so dass die Druckkraft aus dem Gehäuseinnendruck P_G an der Steuerdruckfläche 16c unter die Summe aus der Federkraft der Federeinrichtung 17 und der aus dem kritischen Gaslösedruck P1 an der die Steuerdruckfläche 16d bildenden Stirnfläche des Pumpenrades 40 resultierenden Druckkraft fällt, wird das Pumpenrad 40 in die in der 6c dargestellte zweite axiale Endstellung mit minimaler Fördermenge der zweiten Pumpe 12 verstellt, in der das Pumpenrad 40 die Sperrstellung der Ventileinrichtung 16 bildet. Durch die abgesperrten Strömungskanäle 50 ist der Förderstrom Q der als Hauptpumpe dienenden zweiten Pumpe 12 solange unterbrochen, bis sich durch Leckage aus der Rotormaschine R in dem Gehäuseinnenraum 2 ein erhöhter Gehäuseinnendruck P_G aufbaut.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Das als Laufrad ausgebildete Pumpenrad 40 kann alternativ in einem separaten Pumpengehäuse angeordnet werden, das an dem Gehäuse 1 bzw. dem Gehäusedeckel 1a der Rotormaschine 1 befestigt werden kann. Dadurch wird ein Baukastensystem erzielt, bei dem das Doppelpumpenaggregat 10 eine eigenständige Baueinheit bildet, die an eine Rotormaschine R für die Gehäusedruckabsenkung angebaut werden kann. Weiterhin kann die Triebwelle 5 des Axialkolbentriebwerks durch das Doppelpumpenaggregat 10 hindurchgeführt werden, um einen Durchtrieb zu erzielen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005038273 A1 [0003, 0003, 0004, 0005]

Claims

Rotormaschine mit einem in einem Gehäuseinnenraum eines Gehäuses drehbar angeordneten Rotor, wobei das Gehäuse zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und wobei der Gehäuseinnendruck in dem Gehäuseinnenraum der Rotormaschine mittels einer Pumpeneinrichtung zur Erzielung eines 2-Phasen-Bereichs der Flüssigkeit an dem rotierenden Rotor absenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeneinrichtung von einem Doppelpumpenaggregat (10) gebildet ist, wobei eine erste Pumpe (11) des Doppelpumpenaggregat (10) mit der Saugseite unter Zwischenschaltung einer Drosseleinrichtung (13) mit dem Gehäuseinnenraum (2) verbunden ist und eine zweite Pumpe (12) des Doppelpumpenaggregat (10) mit der Saugseite mit dem Gehäuseinnenraum (2) verbunden ist, wobei die erste Pumpe (11) stromab der Drosseleinrichtung (13) den Druck bis zum Gaslösedruck (P1) der Flüssigkeit absenkt und der Förderstrom der zweiten Pumpe (12) mittels einer Begrenzungseinrichtung (15) derart gesteuert ist, dass der Gehäuseinnendruck (P_G) oberhalb des Gaslösedruckes (P1) der Flüssigkeit ist.
Rotormaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge der ersten Pumpe (11) kleiner als die Fördermenge der zweiten Pumpe (12) ist.
Rotormaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung (13) und die Förderleistung der ersten Pumpe (11) derart ausgelegt sind, dass im Betrieb stromab der Drosseleinrichtung (13) der Gaslösedruck (P1) der Flüssigkeit erreicht wird.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung (15) von einer druckgesteuerten Ventileinrichtung (16) gebildet, die von dem Druck (P1) stromab der Drosseleinrichtung (13) und einer Federeinrichtung (17) in Richtung einer Verringerung der Fördermenge der zweiten Pumpe (12) sowie von dem Gehäuseinnendruck (P_G) in Richtung einer Erhöhung der Fördermenge der zweiten Pumpe (12) beaufschlagt ist.
Rotormaschine nach einer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (16) in einer Ansaugleitung (18) der zweiten Pumpe (12) angeordnet ist und von dem Druck stromab der Drosseleinrichtung (13) und der Federeinrichtung (17) in Richtung einer Sperrstellung (16b) sowie von dem Gehäuseinnendruck (P_G) in Richtung einer Durchflussstellung (16a) beaufschlagt ist.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (16) in einer Förderleitung (21) der zweiten Pumpe (12) angeordnet ist und von dem Druck (P1) stromab der Drosseleinrichtung (13) und der Federeinrichtung (17) in Richtung einer Sperrstellung (16b) sowie von dem Gehäuseinnendruck (P_G) in Richtung einer Durchflussstellung (16a) beaufschlagt ist.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (16) in einer die Ansaugleitung (18) der zweiten Pumpe (12) mit der Förderleitung (21) der zweiten Pumpe (12) verbindenden Umgehungsleitung (22) angeordnet ist und von dem Druck (P1) stromab der Drosseleinrichtung (13) und der Federeinrichtung (17) in Richtung einer Durchflussstellung (16a) sowie von dem Gehäuseinnendruck (P_G) in Richtung einer Sperrstellung (16b) beaufschlagt ist.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe und die zweite Pumpe jeweils mit einer Antriebswelle (25a, 25b) in Verbindung stehen.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (11) und die zweite Pumpe (12) mit einer gemeinsamen Antriebswelle (25) in Verbindung stehen.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (25) als Triebwelle (5) der Rotormaschine (R) ausgebildet ist oder die Antriebswelle (25) mit der Triebwelle (5) der Rotormaschine (R) trieblich verbunden ist.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (11) und die zweite Pumpe (12) des Doppelpumpenaggregats (10) in die Rotormaschine (R) integriert oder mit der Rotormaschine (R) zu einer Baueinheit verbunden sind.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (11) und die zweite Pumpe (12) des Doppelpumpenaggregats (10) als Kreiselpumpen ausgebildet sind.
Rotormaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass erste Pumpe (11) und die zweite Pumpe (12) des Doppelpumpenaggregats (10) ein gemeinsames angetriebenes Pumpenrad (40) aufweisen.
Rotormaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (40) auf einer Antriebswelle (5; 25) axial verschiebbar angeordnet ist, wobei die Kreiselpumpe als Radialpumpe ausgebildet ist und das Pumpenrad (40) in einem mit dem Gehäuseinnenraum (2) der Rotormaschine (R) in Verbindung stehenden Pumpenraum (45) drehbar angeordnet ist, wobei das Pumpenrad (40) die Funktion der druckgesteuerten Ventileinrichtung (15) aufweist.
Rotormaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (40) am Außenumfang mit einem förderseitigen, an einem Gehäuse (1a) des Doppelpumpenaggregats (10) ausgebildeten Auslasskanal (55) in Verbindung steht, wobei in einer ersten axialen Endstellung des Pumpenrades (40) die Strömungskanäle (51) der ersten Pumpe (11) im Pumpenrad (40) und die Strömungskanäle (50) der zweiten Pumpe (12) im Pumpenrad (40) mit dem Auslasskanal (55) verbunden sind und in einer zweiten axialen Endstellung des Pumpenrades (40) die Strömungskanäle (51) der ersten Pumpe (11) im Pumpenrad (40) mit dem Auslasskanal (55) verbunden sind und die Verbindung der Strömungskanäle (50) der zweiten Pumpe (12) mit dem Auslasskanal (55) abgesperrt ist.
Rotormaschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen des Pumpenrades (40) als Steuerdruckflächen (16c; 16d) ausgebildet sind, wobei eine erste Stirnfläche von dem Gehäuseinnendruck (P_G) und eine zweite gegenüberliegende Stirnfläche von dem Druck (P1) stromab der Drosseleinrichtung (13) beaufschlagt ist, wobei die erste Stirnfläche in dem mit dem Gehäuseinnenraum (2) verbundenen Pumpenraum (45) und die zweite Stirnfläche in einem mit dem Pumpenraum (45) über die Drosseleinrichtung (13) verbundenen Steuerdruckraum (57) angeordnet ist.
Rotormaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (40) mit einem die beiden Stirnflächen verbindenden Verbindungskanal (58) versehen ist, in dem die Drosseleinrichtung (13) angeordnet ist.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (50) der zweiten Pumpe (12) im Pumpenrad (40) eingangsseitig mit dem mit dem Gehäuseinnenraum (2) der Rotormaschine (R) in Verbindung stehenden Pumpenraum (45) verbunden sind und die Strömungskanäle (51) der ersten Pumpe (11) eingangsseitig mit dem Steuerdruckraum (57) stromab der Drosseleinrichtung (13) verbunden sind.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuerdruckraum (57) die Federeinrichtung (17) angeordnet ist, die das Pumpenrad (40) in Richtung der zweiten axialen Endstellung beaufschlagt.
Rotormaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (40) an einem Federteller (63) abgestützt ist, der einen Anschlag (64) für die erste axiale Endstellung des Pumpenrades (40) bildet.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verbindungskanal (58) des Pumpenrades (40) eine Mitnahmeverzahnung (43) zum Antrieb des Pumpenrades (40) durch die Antriebswelle (5; 25) angeordnet ist, wobei in dem Verbindungskanal (58) eine mit der Drosseleinrichtung (13) versehene Scheibe (61) befestigt ist, die einen Anschlag für die zweite axiale Endstellung des Pumpenrades (40) bildet.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotormaschine (R) als elektrische Maschine ausgebildet ist.
Rotormaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen (11, 12) des Doppelpumpenaggregats (10) in den Rotor (4) der elektrischen Maschine integriert sind.
Rotormaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotormaschine (R) als hydrostatische Maschine, insbesondere Axialkolbentriebwerk, ausgebildet ist.
Rotormaschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen (11, 12) des Doppelpumpenaggregats (10) in die Steuerbodenaufnahme der hydrostatischen Maschine integriert ist.
Rotormaschine nach Anspruch 22 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen (11, 12) des Doppelpumenaggregats (10) in einem Gehäuse angeordnet sind, das an das Gehäuse (1; 1a) der hydrostatischen Maschine oder der elektrischen Maschine angebaut ist.