DE102021101111A1

DE102021101111A1 - Schraubenspindelpumpe

Info

Publication number: DE102021101111A1
Application number: DE102021101111.6A
Authority: DE
Inventors: Eduardo Nuss
Original assignee: Netzsch Pumpen and Systeme GmbH
Current assignee: Netzsch Pumpen and Systeme GmbH
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2022-07-21
Also published as: US20240084798A1; CN117062965A; EP4359647A1; WO2022156949A1

Abstract

Die Erfindung offenbart eine Schraubenspindelpumpe mit einem Pumpengehäuse , in dem eine Pumpenspindel unter Beteiligung eines hydrostatischen Axiallagers zur Aufnahme des im Betrieb an der Spindel entstehenden Axialschubs drehbar gelagert ist, wobei das hydrostatische Axiallager durch eine gehäusefeste Lagerfläche gebildet wird, gegen die sich eine stirnseitige, spindelfeste Lagerfläche der Pumpenspindel mittelbar abstützt, indem die gehäusefeste und die spindelfeste Lagerfläche zwischen sich einen Lagerspalt bilden, der in seinem Zentralbereich mit einem Druckfluid gespeist wird, das in radialer Richtung durch den Lagerspalt - bevorzugt in den Ansaugbereich - abfließt und dessen hydrostatischer Druck dem Axialschub entgegenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubenspindelpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Schraubenspindelpumpen sind leistungsstarke Verdrängerpumpen, mit denen eine pulsationsarme Förderung von Flüssigkeiten oder Feststoffen ermöglicht wird. Das grundlegende Prinzip einer Schraubenspindelpumpe soll zunächst anhand der 1 erklärt werden.
In 1 wird beispielhaft eine Schraubenspindelpumpe 1 im Halbschnitt gezeigt. Dabei werden nur der Bereich des Pumpengehäuses 2 und die darin befindlichen Spindeln 3,4 dargestellt. Auf eine Darstellung des Antriebs der Antriebsspindel 3 wurde verzichtet.
Die Antriebsspindel 3 wird an ihrem aus dem Pumpengehäuse 2 ragenden Ende von einem Antrieb angetrieben. Die im Pumpengehäuse 2 parallel zu der Antriebsspindel 3 angeordnete Laufspindel 4, welche nicht mit einem eigenen Antrieb ausgestattet ist, wird über die Antriebsspindel 3 angetrieben. In der in 1 gezeigten Schraubenspindelpumpe 1 befindet sich nur eine Laufspindel 4 im Pumpengehäuse 2, es ist jedoch auch denkbar, eine zentrale Antriebsspindel 3 mit mehreren Laufspindeln 4 zu verbauen.
Die Drehmomentübertragung von der Antriebsspindel 3 auf die Laufspindel 4 erfolgt in der Regel über einen hydrodynamischen Schmierfilm, sodass ein direkter Kontakt von Antriebsspindel 3 und Laufspindel 4 vermieden wird. Im Falle der Förderung von Feststoffen erfolgt die Drehmomentübertragung mangels hydrodynamischen Schmierfilmes über ein zusätzliches Getriebe. Da die vorliegende Erfindung sich jedoch auf eine Schraubenspindelpumpe für die Förderung von Fluiden bezieht, wird auf den Aufbau einer für die Feststoffförderung geeigneten Schraubenspindelpumpe nicht näher eingegangen.
Im Betrieb der Schraubenspindel 1 bilden sich Förderkammern zwischen der Antriebsspindel 3, der Laufspindel 4 und dem Pumpengehäuse 2. Diese bewegen sich aufgrund der Rotation der beiden Spindeln 3, 4 kontinuierlich von der Saugseite im Bereich des Zulaufs 5 hin zur Druckseite im Bereich des Ablaufs 6. Dabei entsteht ein Unterdruck, der ein Ansaugen des zu fördernden Mediums bewirkt.
Ausgehend vom Einlass, welcher aufgrund der Schnittdarstellung nicht zu erkennen ist, fließt das zu fördernde Fluid über den Zulauf 5 in das Pumpengehäuse 2. Dort kommt es mit den Spindeln 3, 4 in Kontakt und gelangt in die sich in Richtung zum Ablauf 6 bewegenden Förderkammern. Über die Förderkammern wird das Fluid in den gewindelosen Bereich der Spindeln 3, 4 transportiert und sammelt sich dort an. Aufgrund der kontinuierlichen Förderung wird das Fluid schließlich über den Ablauf 6 in Richtung des Auslasses 7 gepumpt.
Infolge der Drucksteigerung während des Pumpvorgangs wirken unter anderem Axialkräfte auf die Spindeln 3, 4.
STAND DER TECHNIK
Um diese auf die Spindeln wirkenden Axialkräfte abzustützen, sind entsprechende Axiallager erforderlich. In Schraubenspindelpumpen, die zur Förderung von Fluiden eingesetzt werden, kommen üblicherweise hydrostatische Axiallager zum Einsatz. Dabei muss das Axiallager so ausgelegt und gestaltet sein, dass die auf die Spindel wirkenden Axialkräfte möglichst nur über einen Schmierfilm auf das Axiallager übertragen werden. Festkörperreibung bzw. Mischreibung zwischen der Spindel und dem Axiallager soll im Betrieb der Schraubenspindelpumpe vermieden werden.
Zur Vermeidung von Festkörperreibung und Mischreibung muss immer ein ausreichend dicker Schmierfilm im Axiallager vorhanden sein. Dies wird durch eine kontinuierliche Beaufschlagung des Axiallagers mit einem entsprechenden Schmiermittel erreicht. Der Einsatz von Axialdrucklagern geht also mit einem hohen Schmiermittelverbrauch einher.
Als Schmiermittel wird deshalb typischerweise das zu fördernde Fluid selbst verwendet. Dies hat auch Vorteile, wenn Schraubenspindelpumpen in Bereichen wie beispielsweise der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden, in denen der Einsatz von Schmierstoffen, die vom zu fördernden Fluid abweichen, eine intolerable Kontaminationsgefahr zur Folge hätte. Durch den Einsatz des zu fördernden Fluids als Schmiermittel für das Axiallager wird die Kontaminationsgefahr bzw. der konstruktive Aufwand zur Vermeidung einer solchen Kontaminationsgefahr eliminiert.
Dies führt jedoch wiederum zu Problemen, wenn eine Schraubenspindelpumpe für die Förderung verschiedener Fluide mit verschiedener Viskosität eingesetzt werden soll. Wird das Axiallager beispielsweise für eine hochviskose Flüssigkeit ausgelegt, entweicht das Schmiermittel dann, wenn ein niedrigviskoses Fluid gefördert werden soll, unter Umständen zu schnell aus der Schmierstelle. Im Falle der Auslegung des Lagers für niedrigviskose Fluide hingegen hat die Förderung hochviskoser Fluide unter Umständen eine zu hohe Reibung im Lager zur Folge, da der Schmierstoff zu langsam aus der Schmierstelle entweicht. Beides hat einen erhöhten Verschleiß am Lager oder an der Spindel und somit eine Reduzierung der Lebensdauer der Spindel bzw. eine Verkürzung der erforderlichen Wartungsintervalle zur Folge.
DAS DER ERFINDUNG ZUGRUNDE LIEGENDE PROBLEM
Angesichts dessen ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Schraubenspindelpumpe anzugeben, bei der der Einfluss der Viskosität des zu fördernden Mediums auf die Lebensdauer der Schraubenspindelpumpe reduziert wird.
DIE ERFINDUNGSGEMÄSSE LÖSUNG
Erfindungsgemäß wird dieses Problem mit den Merkmalen des auf die Schraubenspindelpumpe gerichteten Hauptanspruchs gelöst.
Dementsprechend erfolgt die Lösung des Problems mit einer Schraubenspindelpumpe mit einem Pumpengehäuse, in dem eine Pumpenspindel unter Beteiligung eines hydrostatischen Axiallagers gelagert ist. Das Axiallager dient der Aufnahme des im Betrieb an der Spindel entstehenden Axialschubs. Es wird durch eine gehäusefeste Lagerfläche gebildet, gegen die sich eine stirnseitige, spindelfeste Lagerfläche der Pumpenspindel mittelbar abstützt. Die Abstützung erfolgt, indem die gehäusefeste und die spindelfeste Lagerfläche zwischen sich einen Lagerspalt bilden, der in seinem Zentralbereich mit einem Druckfluid gespeist wird, dessen hydrostatischer Druck dem Axialschub entgegenwirkt. Das Druckfluid fließt in radialer Richtung durch den Lagerspalt ab. Bevorzugt fließt es dabei in den Ansaugbereich der Schraubenspindelpumpe. Die Schraubenspindelpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass die Pumpenspindel ein Betätigungsorgan umfasst. Durch das Betätigungsorgan wird ein Ventil, das den Zufluss von Druckfluid in den Lagerspalt steuert, in Abhängigkeit von der aktuellen Axialposition der Spindel mechanisch geöffnet oder geschlossen.
Die während des Betriebs der Schraubenspindelpumpe auf die Spindel wirkenden Axialkräfte drücken die Spindel in Richtung des Axiallagers. Dabei drückt die spindelfeste Lagerfläche gegen das im Lagerspalt befindliche Druckfluid. Weist nun das Druckfluid eine niedrige Viskosität auf und fließt relativ schnell aus dem Lagerspalt ab, stellt sich in dem Druckfluid im Lagerspalt kein hinreichend hoher statischer Druck ein, also kein Druck, der ausreicht, um die Spindel in ihrer aktuellen Axialposition zu halten. Die Spindel bewegt sich dann in Richtung des Axiallagers und die Höhe des mit Druckfluid gefüllten Lagerspalts zwischen der spindelfesten Lagerfläche und der gehäusefesten Lagerfläche wird kleiner.
Ausgehend von einer Anfangsposition der Spindel, in der das Ventil geschlossen ist, führt nun die axiale Verschiebung der Spindel dazu, dass mittels des Betätigungsorgans das Ventil geöffnet wird. Die Öffnungs- und Schließbewegung des Ventils erfolgt vorzugsweise kontinuierlich.
Durch die Öffnung des Ventils kann dann ein Volumenstrom an Druckfluid in den Lagerspalt nachfließen. Sobald dieser gleich dem Volumenstrom des aus dem Lagerspalt abfließenden Druckfluids ist, stellt sich im Lagerspalt ein Kräftegleichgewicht ein. Die aus dem Druck der Flüssigkeit im Lagerspalt resultierende Kraft ist betragsmäßig genauso groß wie die aus dem Axialschub, dem die Spindel ausgesetzt ist, resultierende Axialkraft, die in umgekehrter Richtung wirkt. Somit wird die Bewegung der Spindel in axialer Richtung gestoppt.
Um den im vorangehenden Abschnitt beschriebenen Vorgang zu realisieren, müssen das Axiallager, das Ventil und das Betätigungsorgan so aufeinander abgestimmt sein, dass sich ein die axiale Spindelbewegung stoppendes Kräftegleichgewicht einstellt, bevor die Spindel teilweise an der gehäusefesten Lagerfläche des Axiallagers anliegt. Das teilweise Anliegen der Spindel an der gehäusefesten Lagerfläche hätte zur Folge, dass die Krafteinleitung unmittelbar erfolgt und nicht mehr mittelbar über das Druckfluid, was Verschleiß induziert. Dies lässt sich bewerkstelligen, indem die für die vollständige Öffnung des Ventils erforderliche Spindelstellung früher erreicht wird als die Spindelstellung, in der die Spindel am Axiallager anliegt, sodass es auch unter Berücksichtigung der dynamischen Komponente der Spindelbewegung nicht zu einem Anliegen der Spindel an der gehäusefesten Lagerfläche kommen kann. Lässt sich nicht vollständig ausschließen, dass es doch einmal zu einem zeitweiligen Anliegen der Spindel an der gehäusefesten Lagerfläche kommen kann, ist es vorteilhaft, einen entsprechenden Anlaufring an der gehäusefesten Lagerfläche vorzusehen, der am besten aus einem Lagermetall besteht, das Festkörper- oder Mischreibung erträgt, jedenfalls zeitweilig.
Für den Fall, dass mithilfe des Axiallagers auch eine Gegenbewegung der Spindel - weg vom Axiallager - erzeugt werden soll, wenn die Spindel bereits eng an der gehäusefesten Lagerfläche anliegt, kann das Druckfluid mittels einer zusätzlichen Pumpe mit erhöhtem Druck in den Lagerspalt gepresst werden, um ein initiales Abheben der Spindel von der gehäusefesten Lagerfläche zu erzwingen. Zu diesem Zweck sollten die spindelfeste Lagerfläche und die gehäusefeste Lagerfläche des Axiallagers auch dann einen Spalt zwischen sich aufweisen, wenn die Spindel an der gehäusefesten Lagerfläche anliegt.
Der Begriff „Pumpenspindel“ bezeichnet vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, eine Laufspindel. Es ist auch denkbar, dass unter der hier genannten „Pumpenspindel“ die Antriebsspindel zu verstehen ist.
Entgegen des oben stehenden Wortlauts, wonach „eine“ Pumpenspindel in dem Pumpengehäuse unter Beteiligung eines hydrostatischen Axiallagers gelagert ist, bezieht sich die Erfindung auch auf eine Schraubenspindelpumpe mit einer Antriebsspindel und einer oder mehreren Laufspindeln, von denen eine, mehrere oder alle unter Beteiligung eines hydrostatischen Axiallagers gelagert ist.
Die Bezeichnung „in radialer Richtung“, in welche das im Lagerspalt befindliche Druckfluid abfließt, beschreibt, dass das Druckfluid ausgehend vom zentralen Bereich des Lagerspalts, in den es eingespeist wird, zunächst radial nach außen in den Randbereich des Lagerspalts abfließt. Es ist jedoch durchaus denkbar, dass das Druckfluid im Randbereich des Lagerspalts umgelenkt wird und dann in eine andere Richtung abfließt.
Der „Ansaugbereich“ der Schraubenspindelpumpe ist der Bereich, in dem sich das zu pumpende Fluid befindet, welches noch nicht in die Förderkammern gelangt ist.
BEVORZUGTE AUSGESTALTUNGSMÖGLICHKEITEN
Es besteht eine Reihe von Möglichkeiten, um die Erfindung so auszugestalten, dass ihre Wirksamkeit oder Brauchbarkeit noch weiter verbessert wird.
So ist es besonders bevorzugt, dass das Ventil als Drosselventil betrieben wird, dessen Öffnungsgrad den hydrostatischen Druck im Lagerspalt steuert.
Da die Öffnung des Ventils in Abhängigkeit von der Axialposition der Spindel erfolgt, findet dann in Folge der Verschiebung der Spindel in Richtung des Axiallagers nicht nur eine kontinuierliche Öffnung des Ventils statt, sondern das Druckfluid strömt dem Lagerspalt auch mit höherem Druck zu, weshalb sich der hydrostatische Druck im Lagerspalt augenblicklich erhöht. Sobald sich der dem Lagerspalt zuströmende Volumenstrom und der aus dem Lagerspalt abströmende Volumenstrom des Druckfluids im Gleichgewicht befinden, stellt sich ein im Wesentlichen hydrostatischer Spannungszustand im Druckfluid ein. Dieser hat wiederum ein Kräftegleichgewicht der im Axiallager wirkenden Axialkräfte zur Folge und die axiale Spindelbewegung stoppt. Die Ventilstellung bleibt dann solange konstant, bis die auf die Spindel wirkende Axialkraft in Folge des Fördervorgangs entweder steigt oder sinkt. Im Fall einer steigenden Axialkraft bewegt sich die Spindel weiter in Richtung Axiallager, das Ventil wird weiter geöffnet und es stellt sich in Folge der bereits beschriebenen Vorgänge wieder ein die axiale Spindelbewegung stoppendes Kräftegleichgewicht ein. Im Fall einer sinkenden Axialkraft auf die Spindel bewegt sich die Spindel in Richtung weg vom Axiallager, sodass der Öffnungsgrad des Ventils sinkt und sich ebenfalls wieder ein Kräftegleichgewicht einstellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Betätigungsorgan ein Stift. Sobald der Lagerspalt aufgrund einer axialen Verlagerung der Pumpenspindel eine bestimmte Spalthöhe unterschreitet, öffnet der Stift das Ventil oder öffnet es weiter.
Der Stift ist vorzugsweise mit der spindelfesten Lagerfläche der Pumpenspindel verbunden und ragt durch den Lagerspalt hindurch in Richtung des Ventils. Durch eine entsprechende Bewegung der Pumpenspindel in Richtung des Lagerspalts wird dann das Ventil durch den Stift betätigt.
Vorzugsweise besteht das Ventil aus einer Ventilkugel, die durch das Druckfluid auf einen ihr zugeordneten Ventilsitz gedrückt wird. Die Ventilkugel versperrt dann die im Zentrum des Ventilsitzes liegende Zuflussöffnung, die zum Lagerspalt führt. Bedarfsweise wird die Ventilkugel durch den Stift, der die Zuflussöffnung durchgreift, von ihrem Ventilsitz abgehoben oder weiter von ihrem Ventilsitz abgehoben.
Der Bereich, in den die Ventilkugel durch den Stift bzw. das Betätigungsorgan bewegt wird, wenn das Ventil geöffnet wurde, ist dabei vorzugsweise so gestaltet, dass das durch das Ventil strömende Druckfluid um die Ventilkugel herum strömt. Sobald die Spindel sich in Richtung weg von dem Axiallager bewegt und die Ventilkugel nicht mehr von dem Betätigungsorgan auf Abstand zum Ventilsitz gehalten wird, sorgt die Strömung dafür, dass die Ventilkugel wieder zurück auf den Ventilsitz gedrückt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die gehäusefeste Lagerfläche am Boden eines Lagertopfes ausgebildet. In den Lagertopf greift ein endseitiger, stirnseitig eine spindelfeste Lagerfläche bildender Lagerzapfen der Pumpenspindel ein. Der Lagerzapfen greift derart in den Lagertopf ein, dass die Außenumfangsfläche des Lagerzapfens und die Innenumfangsfläche des Lagertopfes eine Ringspaltdichtung bilden. Über die Ringspaltdichtung fließt das Druckfluid aus dem Lagerspalt gedrosselt ab. Bevorzugt fließt es dabei in den Ansaugbereich.
Der Lagerzapfen wird idealerweise von einem Bereich der Spindel gebildet, dessen Durchmesser in Folge eines Wellenabsatzes geringer ist als der daran angrenzende Abschnitt der Spindel.
Die dem Axiallager zugewandte Stirnfläche des Lagerzapfens stellt dann die spindelfeste Lagerfläche dar, die zusammen mit der Bodenfläche des Lagertopfes das Axiallager bildet.
Aufgrund der Ringspaltdichtung wird der aus dem Lagerspalt abfließende Volumenstrom des Druckfluids relativ gering gehalten. Dadurch ist der für die Entstehung des nötigen Drucks des im Lagerspalt befindlichen Druckfluids erforderliche, dem Lagerspalt zufließende Volumenstrom ebenfalls relativ gering.
Ausgehend von dem Ansaugbereich, in den das Druckfluid über die Ringspaltdichtung aus dem Lagerspalt fließt, wird es mit dem der Schraubenspindelpumpe zugeführten zu fördernden Fluid vermengt.
Der Begriff „Lagertopf“ beschreibt einen zylindrischen, einseitig geöffneten Hohlkörper, wobei die der geöffneten Seite gegenüberliegende Seite des Hohlkörpers einen geschlossenen Boden aufweist. Im Boden (vorzugsweise in dessen Zentrum) des Lagertopfes befindet sich eine Bohrung (ein Loch, ein Ausschnitt) durch die der Stift bzw. das Betätigungsorgan durchgreift.
Idealerweise liegt der Lagertopf axial gegen eine Wand des Pumpengehäuses an, ist aber in radialer Richtung nicht formschlüssig gegenüber dem Pumpengehäuse fixiert.
Die im Axiallager abgestützte, in Folge des Fördervorgangs auf die Spindel wirkende Axialkraft presst den Lagertopf unmittelbar oder mittelbar gegen das Pumpengehäuse. In Folge der daraus resultierenden Haftreibung zwischen dem Lagertopf und dem Pumpengehäuse oder dem zwischen Pumpengehäuse und Lagertopf befindlichen Element ist der Lagertopf ausreichend gegen Verrutschen gesichert.
Dass der Lagertopf axial gegen „eine Wand des Pumpengehäuses“ anliegt, schließt nicht aus, dass sich zwischen dem Pumpengehäuse und dem Lagertopf ein weiteres Element, in welches der Ventilsitz der oben beschriebenen Ventilkugel eingebracht ist, befindet. Das zusätzliche Element ist in diesem Fall als Bestandteil des Pumpengehäuses anzusehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der Lagertopf axial gegen eine Wand des Pumpengehäuses an und ist in radialer Richtung formschlüssig gegenüber dem Pumpengehäuse fixiert. Die formschlüssige Fixierung in radialer Richtung erfolgt etwa durch Stifte oder Schrauben.
Dadurch wird die Gefahr eines Verrutschens des Axiallagers zusätzlich reduziert. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Druckfluid eine hohe Viskosität hat. Bei hochviskosen Druckfluiden entstehen unter Umständen Schubspannungen im an die spindelfeste Lagerfläche angrenzenden Bereich des im Lagerspalt befindlichen Druckfluids. Dies kann im ungünstigen Fall zu einer Strömung innerhalb des im Lagerspalt befindlichen Druckfluids führen, welche aufgrund von Flüssigkeitsreibung im Bereich zwischen der gehäusefesten Lagerfläche und dem Druckfluid zu einer Rotationsbewegung des Lagertopfes führt. Durch eine formschlüssige Fixierung des Lagertopfes am Pumpengehäuse wird dies verhindert.
Die formschlüssige Fixierung des Lagertopfes gegenüber „dem Pumpengehäuse“ schließt nicht aus, dass zwischen dem Pumpengehäuse und dem Axiallager ein zusätzliches Element, wie beispielsweise eine die Ventilsitze des Ventils beinhaltende Platte, vorgesehen ist. Das zusätzliche Element ist in diesem Fall als Bestandteil des Pumpengehäuses anzusehen.
Vorzugsweise bildet die Außenumfangsfläche des Lagerzapfens und die Innenumfangsfläche des Lagertopfes ein hydrodynamisches Radiallager.
Das über den Spalt zwischen der Außenumfangsfläche des Lagerzapfens und der Innenumfangsfläche des Lagertopfes aus dem Lagerspalt abfließende Druckfluid bildet dabei den erforderlichen Schmierfilm für die Vermeidung von Festkörper- bzw. Mischreibung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Druckfluid das von der Schraubenspindelpumpe gepumpte Fluid, welches von der Druckseite der Schraubenspindelpumpe abgenommen wird.
Ein Teil des unter Druck stehenden Fluids aus dem Bereich der Druckseite der Schraubenspindelpumpe wird hierfür idealerweise über einen Kanal im Pumpengehäuse zurück in Richtung der Saugseite geführt. Dort wird es - nachdem es das Ventil durchströmt hat - dem Lagerspalt zugeführt.
Vorzugsweise weist der Lagerzapfen gegenüber dem sich unmittelbar anschließenden Pumpenspindelbereich einen verringerten Durchmesser auf.
Dies ermöglicht zum einen, dass die Spindel in dem ungünstigen Fall, dass sie mit dem Axiallager in Kontakt tritt, mit dem Wellenabsatz zwischen dem Lagerzapfen und dem restlichen Spindelbereich am Axiallager anliegt. Dadurch wird sichergestellt, dass die gehäusefeste und die spindelfeste Lagerfläche des Axiallagers nie aneinander anliegen und sich verschleißen. Zudem wird so immer ein gewisser Lagerspalt offen gehalten, in den das Druckfluid einströmen kann.
Zudem lässt sich über den gewählten Durchmesser des Lagerzapfens das Ansprechverhalten des Axiallagers einstellen.
Weitere optionale Wirkungsweisen, Vorteile und Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels anhand der Figuren.
Figurenliste

1 zeigt eine gattungsgemäße Schraubenspindelpumpe im Halbschnitt.
2 zeigt den Bereich des Axiallagers in der Schnittansicht, wobei die Spindel noch nicht mit einer Axialkraft beaufschlagt ist.
3 zeigt den Bereich des Axiallagers in der Schnittansicht, wobei die Spindel mit einer Axialkraft beaufschlagt ist.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die grundlegende Funktionsweise der gattungsgemäßen Schraubenspindelpumpen ist bereits eingangs anhand der 1 erläutert worden, hierauf wird verwiesen.
Die erfindungsgemäße Weiterentwicklung der Schraubenspindelpumpe wird beispielhaft anhand der 2 und 3 erläutert, aber auch mit Seitenblick auf die den Ausgangspunkt bildende 1.
Zunächst sei ganz allgemein das Prinzip des erfindungsgemäßen Axiallagers 8 sowie des Ventils 15 erläutert.
Im Betrieb der Schraubenspindelpumpe 1 entsteht auf der Druckseite der Schraubenspindelpumpe 1 ein auf das zu fördernde Fluid wirkender Druck. Daraus resultiert eine auf die Laufspindel 4 wirkende Axialkraft, die diese, in 2 von rechts nach links, in Richtung des Axiallagers 8 drückt.
Das Axiallager 8 umfasst eine gehäusefeste Lagerfläche 9 und eine spindelfeste Lagerfläche 10.
Die gehäusefeste Lagerfläche 9 wird hier vom Boden eines Lagertopfes 12 gebildet. Die spindelfeste Lagerfläche 10 wird meist von der Stirnfläche eines Lagerzapfens 13 gebildet. Zwischen den beiden Lagerflächen 9 und 10 befindet sich hier stets ein Lagerspalt 11. Selbst wenn die Spindel 4 mit ihrem Absatz 25 am Axiallager 8 anliegen würde, was im fehlerfreien Betrieb der Schraubenspindelpumpe 1 gewöhnlich nicht der Fall ist, liegen die beiden Lagerflächen 9 und 10 im Regelfall nicht aneinander an.
In den Lagerspalt 11 strömt über den Rückführkanal 23 sowie die Kammer 24 und die Zuflussöffnung 18 des Ventils 15 ein Druckfluid ein, welches bei diesem Ausführungsbeispiel ein Teil des auf der Druckseite der Schraubenspindelpumpe 1 befindlichen zu fördernden Fluids ist.
Gleichzeitig strömt das im Lagerspalt 11 befindliche Druckfluid zunächst radial nach außen. Anschließend strömt es über den Spalt zwischen dem Lagertopf 12 und dem Lagerzapfen 13 aus dem Lagerspalt 11 ab.
Solange der in den Lagerspalt 11 einströmende und der aus dem Lagerspalt 11 ausströmende Volumenstrom gleich groß sind, stellt sich - wenn die Laufspindel 4 in Folge des auf der Druckseite der Schraubenspindelpumpe 1 herrschenden Drucks Axialschub erfährt und dadurch in Richtung des Axiallagers 8 gedrückt wird - zumindest im zentralen Bereich des Lagerspalts 11 ein zumindest annähernd hydrostatischer Spannungszustand im Druckfluid ein. Die spindelfeste Lagerfläche 10 kann sich dann mittelbar über das Druckfluid an der gehäusefesten Lagerfläche 9 abstützen.
Ohne das Betätigungselement in Form des Stiftes 14 würde die Ventilkugel 16 von dem durch die Kammer 24 strömenden Druckfluid in Richtung des Ventilsitzes 17 bewegt werden und die Zuflussöffnung 18 des Ventils 15 verschließen. Sobald der in den Lagerspalt 11 nachfließende Volumenstrom aufgrund der sich dem Ventilsitz 17 nähernden Ventilkugel 16 reduziert wird, fließt mehr Druckfluid aus dem Lagerspalt 11 ab, als ihm zufließt.
Dies hat in Kombination mit der auf die Spindel 4 wirkenden Axialkraft eine Bewegung der Spindel 4 in Richtung des Axiallagers 8 und demzufolge eine Reduzierung des Abstandes zwischen den Lagerflächen 9 und 10 zur Folge. Dabei wird jedoch auch das an der spindelfesten Lagerfläche 10 befindliche Betätigungsorgan in Form des Stiftes 14 zusammen mit der Spindel 4 in Richtung der Ventilkugel 16 bewegt. Im Verlauf dessen kommt der Stift 14 irgendwann mit der Ventilkugel 16 in Kontakt und verhindert ein vollständiges Verschließen der Zuflussöffnungen 18 durch die Ventilkugel 16 bzw. schiebt die Ventilkugel 16 weiter in die Kammer 24.
Die Bewegung der Spindel 4 und des Stiftes 14 in Folge des Druckes auf der Druckseite der Schraubenspindelpumpe 1 in Richtung des Axiallagers 8 setzt sich solange fort, bis die Ventilkugel 16 von dem Stift 14 so weit in die Kammer 24 geschoben wurde, dass der dem Lagerspalt 11 zufließende und der aus dem Lagerspalt 11 abfließende Volumenstrom sich im Gleichgewicht befinden. Dann stellt sich in dem im Lagerspalt 11 befindlichen Druckfluid wieder annähernd ein hydrostatischer Zustand ein und die spindelfeste Lagerfläche 10 stützt sich mittelbar über das Druckfluid an der gehäusefesten Lagerfläche 9 ab. Die Bewegung der Spindel 4 in Richtung des Axiallagers wird dadurch gestoppt.
Der in den Lagerspalt 11 zufließende Volumenstrom stellt sich also stets selbsttätig in Abhängigkeit des auf der Druckseite der Schraubenspindelpumpe 1 herrschenden Druckes sowie der Position der Spindel 4 so ein, dass ein Gleichgewichtszustand entsteht.
In 2 wird ein Zustand der Schraubenspindelpumpe 1 dargestellt, in dem auf der Druckseite noch kein Druck auf das durch die Schraubenspindelpumpe 1 gepumpte Fluid ausgeübt wird. Daher wirkt auch noch keine die Laufspindel 4 in Richtung des Axiallagers 8 schiebende Axialkraft auf die Laufspindel 4. Zudem steht das im Rückführkanal 23 befindliche Fluid noch nicht unter Druck. Solange noch keine Axialkraft auf die Laufspindel 4 wirkt, ist der Abstand zwischen dem Lagertopf 12 des Axiallagers 8 und dem Wellenabsatz 25 am Übergang zwischen dem Lagerzapfen 13 und der restlichen Laufspindel 4 noch verhältnismäßig groß. Zudem ist das als Stift 14 ausgeführte Betätigungselement noch nicht mit der Ventilkugel 16 des Ventils 15 in Kontakt. Da keine Strömung in dem Rückführkanal 23 und der Kammer 24 herrscht, liegt die Ventilkugel 16 aufgrund der Schwerkraft am Boden der Kammer 24 und nicht am Ventilsitz 17 des Ventils an.
In 3 wird der Zustand der Spindelpumpe 1 gezeigt, in dem die Spindel 4 bereits in Folge eines auf der Druckseite der Spindelpumpe 1 herrschenden Druckes in Richtung des Axiallagers 8 bewegt wurde. Dabei befindet sich zwischen dem Wellenabsatz 25 und dem Lagertopf 12 nur noch ein minimaler Spalt, der in 3 nicht zu erkennen ist. Der Stift 14 steht bereits mit der Ventilkugel 16 in Kontakt und hebt diese vom Ventilsitz 17 ab.
Der Ventilsitz 17 des Ventils 15 sowie die Zuflussöffnung 18 sind in ein Wandelement 19 eingebracht, welches sich zwischen dem restlichen Pumpengehäuse 2 und dem Lagertopf 12 befindet. Der Lagertopf 12 ist über einen Stift 20 gegen ein Verrutschen oder Verdrehen entlang des Wandelements 19 gesichert. Eine axiale Sicherung des Lagertopfes 12 gegenüber dem Wandelement 19 ist nicht erforderlich, da die am Axiallager 8 resultierenden Kräfte den Lagertopf 12 stets in Richtung des Wandelements 19 drücken. Zwischen dem Wandelement 19 und dem restlichen Pumpengehäuse befindet sich eine O-Ring-Dichtung 22.
Der Lagertopf 12 und der Lagerzapfen 13 bilden im Zusammenspiel mit dem Druckfluid, welches durch den Spalt zwischen dem Lagertopf 12 und dem Lagerzapfen 13 aus dem Lagerspalt 11 abfließt, ein hydrodynamisches Radiallager 21 für die Spindel 4.
Bezugszeichenliste

1: Schraubenspindelpumpe
2: Pumpengehäuse
3: Antriebsspindel
4: Laufspindel
5: Zulauf
6: Ablauf
7: Auslass
8: Axiallager
9: Gehäusefeste Lagerfläche
10: Spindelfeste Lagerfläche
11: Lagerspalt
12: Lagertopf
13: Lagerzapfen
14: Betätigungsorgan/Stift
15: Ventil
16: Ventilkugel
17: Ventilsitz
18: Zuflussöffnung
19: Wandelement des Pumpengehäuses
20: Stift zur Befestigung des Lagertopfes
21: Radiallager
22: O-Ring
23: Rückführkanal
24: Kammer
25: Wellenabsatz

Claims

Schraubenspindelpumpe (1) mit einem Pumpengehäuse (2), in dem eine Pumpenspindel (3, 4) unter Beteiligung eines hydrostatischen Axiallagers (8) zur Aufnahme des im Betrieb an der Spindel (3, 4) entstehenden Axialschubs drehbar gelagert ist, wobei das hydrostatische Axiallager (8) durch eine gehäusefeste Lagerfläche (9) gebildet wird, gegen die sich eine stirnseitige, spindelfeste Lagerfläche (10) der Pumpenspindel (3, 4) mittelbar abstützt, indem die gehäusefeste (9) und die spindelfeste Lagerfläche (10) zwischen sich einen Lagerspalt (11) bilden, der in seinem Zentralbereich mit einem Druckfluid gespeist wird, das in radialer Richtung durch den Lagerspalt (11) - bevorzugt in den Ansaugbereich - abfließt und dessen hydrostatischer Druck dem Axialschub entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenspindel (3, 4) ein Betätigungsorgan (14) umfasst, das in Abhängigkeit von der aktuellen Axialposition der Spindel (3, 4) mechanisch ein Ventil (15) öffnet oder schließt, das den Zufluss von Druckfluid in den Lagerspalt (11) steuert.
Schraubenspindelpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (15) als Drosselventil betrieben wird, dessen Öffnungsgrad den hydrostatischen Druck im Lagerspalt (11) steuert.
Schraubenspindelpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestätigungsorgan (14) ein Stift ist, der das besagte Ventil (15) öffnet oder weiter öffnet, sobald der Lagerspalt (11) aufgrund einer axialen Verlagerung der Pumpenspindel (3, 4) eine bestimmte Spalthöhe unterschreitet.
Schraubenspindelpumpe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (15) aus einer Ventilkugel (16) besteht, die durch das Druckfluid auf einen ihr zugeordneten Ventilsitz (17) gedrückt wird und dann die im Zentrum des Ventilsitzes (17) liegende Zuflussöffnung (18) versperrt, die zum Lagerspalt (11) führt und die bedarfsweise durch den Stift (14), der die Zuflussöffnung (18) durchgreift, von ihrem Ventilsitz (17) abgehoben oder weiter von ihrem Ventilsitz (17) abgehoben wird.
Schraubenspindelpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäusefeste Lagerfläche (9) am Boden eines Lagertopfes (12) ausgebildet ist, in den ein endseitiger, stirnseitig eine spindelfeste Lagerfläche (10) bildender Lagerzapfen (13) der Pumpenspindel (3, 4) eingreift, derart, dass die Außenumfangsfläche des Lagerzapfens (13) und die Innenumfangsfläche des Lagertopfes (12) eine Ringspaltdichtung bilden, über die das Druckfluid aus dem Lagerspalt (11) gedrosselt - bevorzugt in den Ansaugbereich - abfließt.
Schraubenspindelpumpe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagertopf (12) axial gegen eine Wand (19) des Pumpengehäuses (2) anliegt, aber in radialer Richtung nicht formschlüssig gegenüber dem Pumpengehäuse (2) fixiert ist.
Schraubenspindelpumpe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagertopf (12) axial gegen eine Wand (19) des Pumpengehäuses (2) anliegt und in radialer Richtung formschlüssig gegenüber dem Pumpengehäuse (2) fixiert ist, etwa durch Stifte (20) oder Schrauben.
Schraubenspindelpumpe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenumfangsfläche des Lagerzapfens (13) und die Innenumfangsfläche des Lagertopfes (12) ein hydrodynamisches Radiallager (21) bilden.
Schraubenspindelpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckfluid das von der Schraubenspindelpumpe (1) gepumpte Fluid ist, das von der Druckseite der Schraubenspindelpumpe (1) abgenommen wird.
Schraubenspindelpumpe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerzapfen (13) gegenüber dem sich unmittelbar anschließenden Pumpenspindelbereich einen verringerten Durchmesser aufweist.