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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Förderung heißer Flüssigkeiten mit einer Kreiselpumpe, die ein Laufrad aufweist, das von einer um eine Drehachse drehbar antreibbaren Welle in Rotation versetzt wird, wobei die Welle von mindestens einem radialen Gleitlager gestützt wird und das Gleitlager eine erste Hülse aufweist.
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Dies betrifft bevorzugt Kreiselpumpen, die zur Förderung von Salzen und Metallen im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden. Diese Salz- und Metallschmelze dient zugleich auch als Schmiermedium im Gleitlager, das in das Fördermedium eingetaucht ist, sodass viele Teile der Pumpe den besonders hohen Temperaturen chemisch aggressiver Stoffe des Fördermediums ausgesetzt sind.
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Um die Standzeit für Gleitlager zu erhöhen, werden meist verschleißarme Lagerwerkstoffe eingesetzt. Diese sind häufig empfindlich gegenüber Zugspannung.
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Das Gleitlager ist ein im Kreiselpumpenbau häufig verwendetes Element, bei dem ein bewegtes in einem feststehenden Teil gleitet. Beim Radialgleitlager ist der bewegte Teil der Zapfen der Welle; der feststehende Teil die Lagerschale. Das Gleitlager dient zur Beherrschung des dynamischen Betriebsverhaltens von Kreiselpumpenrotoren. Federungs- und Dämpfungseigenschaften der Lagerung bestimmen das Schwingungsverhalten gleitgelagerter Rotoren mit. Durch eine geeignete Gestaltung der Rotorlagerung können Querschwingungen des Rotors entweder ganz verhindert oder auf einen für den mechanischen Lauf der Maschine zulässigen Wert begrenzt werden, sodass größtmögliche Stabilität erreicht wird.
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Bei Hochtemperaturkreiselpumpen werden mediumsgeschmierte Gleitlager benötigt, da die hauptsächlichen Kräfte aus dem Laufrad (ggfs. auch mehrere) vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Laufrads an Gehäuseteile übertragen werden sollen. Dadurch können die Belastungen im allen Bauteilen minimiert werden. Diese Vorgehensweise erlaubt aufgrund der Temperatur keine konventionellen öl- oder fettgeschmierten Gleit- oder Wälzager.
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Da das Gleitlager stets vom Fördermedium durchströmt wird und das Einsatzgebiet der Pumpe den Kontakt mit ausgesprochen heißen Flüssigkeiten bedingt, macht sich die unterschiedliche Reaktion der Werkstoffe auf die Temperatur nachteilig bemerkbar. Welle und Wellenhülse sind drehfest miteinander verbunden. Da Wellen- und Hülsenwerkstoff gegebenenfalls sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise bei Metall und Keramik, aufweisen, reagieren sie auf die hohe Temperatur bzw. die Temperaturunterschiede unterschiedlich, was zu unterschiedlicher radialer bzw. axialer Ausdehnung von Welle und Hülse führt. Hierbei wird sich die aus z.B. einem metallischen Werkstoff hergestellte Welle bei hoher Temperatur stärker ausdehnen als die aus einem beispielsweise keramischen Werkstoff hergestellte Hülse.
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Die Hülse soll axial mittels eines verschieblichen Elements verspannt und über mindestens einen Kegelsitz zentriert werden. In radialer Richtung führt das relativ stärkere Wachstum der Welle zu einer Erhöhung der Flächenpressung im Kegelsitz. In axialer Richtung führt das relativ stärkere Wachstum zu einer Reduktion der Flächenpressung im Kegelsitz. Wird der die Anschrägung definierende Winkel in einer bestimmten Relation zu den Abmessungen der Welle bzw. der Hülse gewählt, heben sich die beiden Effekte auf und es kommt zu keiner Änderung der Flächenpressung im Kegelsitz. Bei der Wahl des Winkels muss zudem zwischen isotropen und anisotropen Werkstoffen unterschieden werden.
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Eine entsprechende Verspannung soll auch für stationäre Bauteile eines Gleitlagers gelten, da diese ebenfalls in das Medium eingetaucht sind bzw. durchströmt werden.
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In der
EP 07 71 956 A1 wird eine Gleitlagerung für eine Maschinenwelle, insb. für die Laufradwelle einer Magnetkupplungspumpe, beschrieben. Dieses Gleitlager zeichnet sich durch zwei Lagerhülsen aus, die jeweils mit einer Lagerbuchse ein Radiallager bilden und deren Stirnflächen als nach außen gerichtete Konusflächen ausgebildet sind, wobei eine axiale und radiale Zentrierung der Lagerhülsen durch radial auf der Welle zentrierte axial verschieblich angeordnete Halteringe erfolgt, die die Konusflächen jeweils mit hierzu komplementären Flächen umgreifen. Fixiert werden sie durch mindestens ein in axialer Richtung wirkendes Federelement.
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Die bisher eingesetzten Federelemente (z.B. Toleranzhülsen), die die Differenzdehnung elastisch aufnehmen, und der Einsatz von hochfesten Werkstoffen (z.B. Faserkeramik) sind nicht ausreichend, um die Differenzdehnung der Materialien beim Einsatz von Kreiselpumpen in sehr heißen Medien (Metall- und Salzschmelze) auszugleichen. Diese Hochtemperaturanwendungen (> 400 Grad Celsius) überfordern die Materialeigenschaften der Bauteile. Die Verwendung elastischer Federelemente ist bei höheren Temperaturen aufgrund Kriechens nur noch eingeschränkt möglich. Die Auswahl von hochfesten Stahlwerkstoffen ist aus Korrosionsgründen begrenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gleitlager zu konstruieren, das optimal unter den thermischen Belastungen arbeitet, die aus den besonderen Bedingungen des Einsatzgebietes von Kreiselpumpen bei der Metall- und Salzschmelze resultieren. Besonderes Augenmerk wird auf die Minimierung der negativen Auswirkungen (Spannungen) der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Werkstoffe gelegt. Ziel der Erfindung ist es, den negativen Auswirkungen dieser Ausdehnungen entgegenzuwirken. Die entstehenden Veränderungen der Spannungen können eine mangelhafte Zentrierung der Welle, eine Beschädigung der Werkstücke oder eine Positionsveränderung der Bauteile innerhalb des Gleitlagers zur Folge haben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Um diesen temperaturbedingten Materialausdehnungen entgegenzuwirken, wird eine neue Art der Befestigung vorgeschlagen.
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Dabei wirkt wenigstens eine Hülse, die an mindestens einem Ende bzw. einer Stirnseite eine Schrägfläche mit einem zwischen der Schrägfläche und der Drehachse eingeschlossenen Winkel aufweist, auf eine korrespondierende Schrägfläche.
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Zur Förderung heißer Flüssigkeiten werden meist Kreiselpumpen eingesetzt. Da das Laufrad von einer Welle in Rotation versetzt wird, müssen Gleitlager die dabei entstehende Bewegung abfedern und abdämpfen. Um die Welle vor Verschleiß zu schützen, ist auf der Welle eine drehfest mit ihr verbundene Hülse aufgebracht. Zur Fixierung des Gleitlagers soll die die Welle umgebende Hülse an mindestens einem Ende angeschrägt sein und auf eine korrespondierende Gegenfläche wirken.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anordnung eine stationär in einem Gehäuse angeordnet Hülse. Sind beide Hülsen vorhanden umgibt die stationär im Gehäuse angeordnete Hülse die auf der Welle angeordnete Hülse.
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Technisch soll die Pressung gegen die Schrägfläche mittels eines verschieblichen Elements erfolgen. Bei einer Variante der Erfindung ist dieses verschiebliche Element als Wellenmutter ausgeführt.
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Der durch das verschiebliche Element erzeugte Druck kann entweder auf die Hülse direkt oder indirekt auf sie über ein keilförmiges Element, insbesondere keilförmige Ringelement, ausgeübt werden. Am anderen Ende trifft die Hülse auf die Welle oder ein weiteres keilförmiges Ringelement.
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Die Fixierung der jeweiligen Hülse gelingt am besten, wenn sie an beiden Seiten angeschrägt ist, da dann eine geringere Spannung auftritt. Die Winkel der Schrägflächen sollten idealerweise so gewählt werden, dass sich ihre Verlängerungen in einem Punkt mittig auf der Welle, d.h. auf der Drehachse, treffen.
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Die Stabilisierung und die Funktionsfähigkeit (z.B. Abrolleigenschaften) des Gleitlagers können weiterhin dadurch optimiert werden, dass die Welle an der Seite angeschrägt ist, auf die die Hülse trifft. Die Welle weist dazu einen Bereich mit vergrößertem Außendurchmesser und einen Bereich mit vermindertem Außendurchmesser auf. Die Schrägfläche bildet den Übergang vom Bereich der Welle mit vermindertem zum Bereich mit vergrößertem Außendurchmesser. Der Winkel der Schrägflächen der Welle korrespondiert mit dem Winkel der Schrägflächen der Hülse. Anstelle eines Bereichs mit vergrößertem Durchmesser kann auf der Welle ein an der Welle befestigter Ring mit einer entsprechenden Schrägfläche vorgesehen sein.
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Durch die Wahl zweier unterschiedlicher Werkstoffe für Hülse und Welle können die Funktionsfähigkeit und die Lebensdauer des Gleitlagers verbessert werden. So schützt die hochfeste bzw. verschleißbeständige Keramikhülse mit dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten die aus Metall gefertigte korrosionsgefährdetere bzw. weniger verschleißbeständige Welle bzw. das Gehäuse, die jeweils einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
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Die mit der Welle verbundene Hülse bzw. die stationär im Gehäuse zu dessen Schutz angeordnete Hülse sichern die Stabilität des Gleitlagers. Diese Stabilisierung gelingt besonders gut, wenn die jeweilige Hülse an mindestens einem Ende eine Schrägfläche mit einem zwischen der Schrägfläche und der Drehachse eingeschlossenen Winkel aufweist. Diese Schrägflächen der Hülse sollen jeweils auf eine Gegenfläche wirken, die korrespondierende Schrägflächen aufweist.
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Die Gleitlager bei Hochtemperaturpumpen werden stets vom Fördermedium zwangsdurchströmt. Dies garantiert ihre hydrostatische Stabilität, stellt aber gleichzeitig extreme Anforderungen an das Material.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt
- 1 einen Querschnitt durch eine Anordnung zur Förderung heißer Flüssigkeiten mit einer Kreiselpumpe,
- 2 eine Welle mit einer drehfest verbundenen Hülse,
- 3 ein Gleitlager mit einer inneren und einer äußeren Hülse,
- 4 ein Gleitlager mit einer äußeren angeschrägten Hülse,
- 5 eine alternative Konstruktion mit unterschiedlich ausgerichteten Schrägflächen,
- 6 eine alternative Konstruktion mit unterschiedlichen Winkeln an beiden Seiten.
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1 zeigt eine Pumpenanordnung 1 zur Förderung heißer Flüssigkeiten. Diese Anordnung ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als vertikale, quergeteilte Wellentauchpumpe, insbesondere Kreiselpumpe, mit einem Spiralgehäuse ausgeführt.
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Sie ist in einen auf der Abbildung nicht dargestellten Behälter von oben vertikal eingesetzt, in dem sich die zu fördernde Flüssigkeit befindet. Die Kreiselpumpe 1 verfügt über ein Laufrad 2, das von einer durch mindestens ein Gleitlager 4 abgestützten, um eine Drehachse A rotierenden Welle 3 angetrieben wird. Die Flüssigkeit tritt durch einen Saugstutzen 5 in das Laufrad 2 ein, um dann durch einen Druckstutzen 6 aus dem Behälter heraustransportiert zu werden. Die Kreiselpumpe 1 taucht in eine heiße Flüssigkeit ein. Das Gleitlager 4 ist daher auch von diesem heißen Medium umgeben. Das Gleitlager 4 ist in einem Gehäuse 26 angeordnet.
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2 zeigt einen Ausschnitt des Gleitlagers 4 der Kreiselpumpe 1 ohne das Gehäuse 26.
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Auf der Welle 3 ist eine Hülse 7 aufgebracht. Diese Hülse 7 weist an mindestens einem Ende bzw. auf mindestens einer Stirnseite eine Schrägfläche 8 auf. In der 2 weist die Hülse 7 auf beiden Seiten eine Schrägfläche 8 auf. Die Schrägflächen 8 weisen zur Welle 3, insbesondere zur Drehachse A, hin. Der Winkel zwischen einer Schrägfläche 8 bzw. deren Verlängerung und der Drehachse A ist mit β gekennzeichnet. Während eine korrespondierende Schrägfläche 11a an der Welle 3, die an einem Übergang von einem Bereich mit vermindertem Durchmesser zu einem Bereich mit vergrößertem Durchmesser gebildet wird, und eine Schrägfläche 11b eines auf die Welle 3 aufgeschobenen kegelförmigen Elements 12 von der Welle 3 bzw. der Drehachse A abgewandt sind.
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Die Hülse 7 zusammen mit dem Element 12 kann mittels eines verschieblich auf der Welle 3 aufgeschobenen Elements 9 axial auf der Welle 3 verschoben werden. Die Hülse 7, insbesondere die Schrägfläche 8, wird gegen die Schrägfläche 11a der Welle 3 gepresst.
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Das verschiebliche Element 9 wirkt über das Element 12 auf die Hülse 7. Das als keilförmiger Ring ausgebildete Element 12 presst die Hülse 7 gegen die von der Welle 3 gebildete Schrägfläche 11a.
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Zwischen dem zylindrischen Teil der Hülse 7 und der Welle 3 tritt ein Spalt 13 auf. Bei einer Temperaturerwärmung wächst die Welle 3 sowohl radial als auch axial stärker als die Hülse 7. In radialer Richtung führt relatives Wachstum der Welle 3 zu einer Erhöhung der Flächenpressung im durch die Schrägflächen 8, 11a und 11b gebildeten Kegelsitz.
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In axialer Richtung führt relatives Wachstum der Welle 3 zu einer Reduktion der Flächenpressung im Kegelsitz.
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In 2 ist bezüglich der Drehachse A der Anschrägungswinkel β, das heißt der Winkel β zwischen Drehachse A und der Schrägfläche 8 bzw. 11 a oder 11b so gewählt, dass sich die gedachten Fortsetzungen der Mantellinien des von den Schrägflächen 8, 11a und 11b gebildeten Kegels auf der Drehachse A in einem Punkt 15 auf der Welle 3 treffen. Der Punkt 15 liegt in dieser Variante axial und radial in der Mitte der Hülse 7.
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3 zeigt die vereinfachte Darstellung des Gleitlagers 4. Zusätzlich zu der inneren Hülse 7, die drehfest mit der Welle 3 verbunden ist, ist eine weitere, äußere Hülse 16 stationär im Gehäuse angeordnet, die an mindestens einer Seite angeschrägt ist - hier in 3 an beiden Seiten. Sie umgibt die Hülse 7. Diese stationäre Hülse 16 ist an beiden Enden bzw. Stirnseiten mit einer Schrägfläche 17 versehen. Diese, meist keramische, Hülse 16 wird durch, vorzugsweise metallische, Bauteile, hier in der Form von Klemmringen 18 und 19 dargestellt, mit korrespondierenden Schrägflächen 20 bzw. 21 fixiert.
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Die Winkel β' zwischen den Schrägflächen 17 und der Drehachse A sind analog zu 2 so gewählt, dass die Schrägflächen 17 zur Welle 3, insbesondere zur Drehachse A, hinweisen und sich die gedachten Verlängerungen in der Mitte der Welle 3 treffen, während die korrespondierenden Schrägflächen 20 und 21 der Bauteile 18 und 19 von der Welle 3 bzw. von der Drehachse A wegweisen. Der Punkt, an dem sich die gedachten Verlängerungen in der Mitte der Welle 3 treffen entspricht dem in der 4 gezeigten Punkt 15 und liegt axial und radial in der Mitte der Hülse 16.
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Zwischen äußerer Hülse 16 und innerer Hülse 7 ist ein Spalt 22, in dem sich auch das Fördermedium der Pumpe befindet. Die Materialien sind so gewählt, dass sie optimal aufeinander abrollen.
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Die äußere Hülse 16 wird radial nach außen gedrückt.
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4 zeigt die Position des Gleitlagers 4 im Gehäuse 26 mit den Schrägflächen 17 der äußeren Hülse 16.
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In 4 ist im Gegensatz zu 3 die innere Hülse 7 an ihren Enden nicht angeschrägt. Nur die stationär im Gehäuse 26 angeordnete Hülse 16 ist mit mindestens einer Schrägfläche 17 versehen. In 4 ist die stationäre Hülse 16 an beiden Seiten mit einer Schrägfläche 17 versehen. Die Fixierung der Hülse 16 und der Bauteile 18 und 19 sowie die Winkel β' zwischen den Schrägflächen 17, 20, 21 und der Drehachse A sind analog zur 3 gewählt.
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Bezüglich der Drehachse A ist der Anschrägungswinkel β', das heißt der Winkel zwischen Drehachse A und der Schrägfläche 17 bzw. 11a oder 11b so gewählt, dass sich die gedachten Fortsetzungen der Mantellinien des von den Schrägflächen 8, 11a und 11 b gebildeten Kegels auf der Drehachse A in einem Punkt 15 auf der Welle 3 treffen. Der Punkt 15 liegt in dieser Variante axial und radial in der Mitte der Hülse 7.
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5 zeigt eine im Verhältnis zu 2 umgekehrte Anschrägung der Schrägfläche 25 einer Hülse 23 im Gleitlager 4.
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In dieser abgewandelten Form ist der Kegelsitz umgekehrt angeordnet. Das kegelförmige Element wird von einem Element 24 fixiert, sodass es nicht durch den Druck der Pressung nach oben verschoben werden kann.
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Die Hülse 23 weist eine Schrägfläche 25 auf, die von der Welle 3 bzw. der Drehachse A wegweist und deren Winkel γ in Bezug auf die Drehachse A immer kleiner als 90° ist.
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6 zeigt eine alternative Konstruktion, bei der die Schrägflächen 17a und 17b an beiden Enden bzw. Stirnseiten der Hülse 16 bezüglich der Drehachse A unterschiedliche Winkel aufweisen, die mit β1' und β2' gekennzeichnet sind.
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In 6 ist wie in 4 aber im Gegensatz zu 3 die innere Hülse 7 nicht angeschrägt. Nur die stationär im Gehäuse angeordnete Hülse 16 ist mit mindestens einer Schrägfläche versehen. In 6 ist die stationäre Hülse 16 an beiden Seiten mit einer Schrägfläche 17a bzw. 17b versehen. Im Gegensatz zu 4 sind die Winkel β1' und β2' zwischen den Schrägflächen 17a und 17b und der Drehachse A nicht symmetrisch, aber doch so ausgebildet, dass sich die Verlängerungen der Schrägflächen im Punkt 15 auf der Drehachse A treffen. Der Punkt 15 verschiebt sich axial in Richtung Ende oder Stirnseite der Hülse 16, deren Schrägfläche mit der Drehachse A den größeren der beiden Winkel β1' und β2' einschließt. In 6 ist dies der Winkel β2' bzw. die Schrägfläche 17b. So befindet sich der Punkt 15 näher an der weniger stark angeschrägten Schrägfläche 17b als an der flacheren, also der stärker angeschrägten Schrägfläche 17a.
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Es versteht sich, dass bei einer Variante der in den 4 und 6 gezeigten Ausführungsformen die innere Hülse 7 ebenfalls mit Schrägflächen versehen ist, wobei die Schrägflächen an beiden Enden oder Stirnseiten der inneren Hülse 7 bezüglich der Drehachse A entweder gleiche oder unterschiedliche Winkel aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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