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Die Erfindung betrifft eine Exzenterschneckenpumpe,
bestehend aus einem – gegebenenfalls längs geteilten – zylindrischen
Gehäuse,
bevorzugt aus Metall, einem von diesem aufgenommenen Hohlmantel
(Stator) aus einem fest-elastischem Material mit schneckenfömiger Innenfläche und
einem entsprechend schneckenförmigen
Rotor. Stator und Rotor haben gleichsinnige Steigungen.
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Derartige Pumpen sind für verschiedene
Einsatzbereiche, zum Beispiel als Förderpumpe für Mörtel-Gemische, bekannt. Eine
im technischen Gebrauch gut funktionierende "konische Vorspannung" bei Exzenterschneckenpumpen ist aus
der
DE 33 04 751 C2 (KTO)
bekannt; die Windungsfläche
des Stators verjüngt
sich dabei entlang der axialen Förderstrecke
bis zum Austritt des Stators, so dass ein erhöhter Druck bei zylindrischem
Rotor gebildet wird. Die Verspannungskräfte im Stator vom Eingang der Pumpe
zum Ausgang hin werden kontinuierlich verstärkt. Eine andere Lösung, welche
eine partielle Nachspannung eines Stators erlaubt, verwendet einen
Spalt im Mantel, der an seinen beiden Enden nicht gleich ausgebildet
ist; ein Ende ist gegen Spaltreduzierung gesichert (die Eintrittsseite),
und das andere Ende ist frei verspannbar, beispielsweise durch Spannleisten,
vgl.
DE 102 00 393
A1 (KTO), insbesondere Zusammenfassung sowie
10, Bezugszeichen
20*. Beide
Lösungen
befassen sich mit dem Betrieb. Eine andere Lösung im Stand der Technik, vgl.
DE 195 31 318 (Artemis),
befasst sich auch mit dem Betriebsverhalten einer Exzenterschneckenpumpe,
aber durch Veränderung
der Herstellung, bzw. durch einen herstellungsseitigen Einfluss,
vgl. dort Spalte 1, Zeilen 27–32
sowie 48–56
und die dortige
2 im
Schnitt. Dabei werden zwei verschiedene Lagen von Schichten im Mantel
verwendet; eine Schicht (die äußere) erhält aufgrund
ihrer physikalischen Eigenschaft eine bevorzugte Eignung, Eindrückungen
zu bestimmen, während
die innere Schicht Eigenschaften erhält, die mechanische und/oder chemische
Belastungen der Pumpe vorgeben. Eine Konizität der äußeren Schicht wird ebenso angesprochen
wie eine zylindrische Ausbildung.
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Der Rotor wird bei Betrieb einer "Schneckenpumpe" in einem den Steigungen
entgegengesetztem Sinne rotierend angetrieben. Um den Rotor bei Betrieb
gegenüber
dem Stator in gleicher axialer Stellung zu halten, muss von der
eingangsseitigen Antriebswelle, gegebenenfalls über dem Rotor vorgeschaltete
Geräteteile,
wie Kupplung, Mitnehmer, Mischwerkzeug, eine entsprechend hohe axiale
Haltekraft in Förderrichtung
aufgebracht werden. Die auftretenden Kräfte sind groß, einerseits
durch den sich in der Pumpe bei Betrieb aufbauenden Förderdruck,
andererseits durch die exzentrische Lage des Rotors und dadurch,
dass die relative Drehrichtung des Rotors in Verbindung mit der
gegenläufigen
Steigung der Schneckengänge
bestrebt ist, den Rotor entgegen der Förderrichtung aus dem Stator
axial heraus zu bewegen. Um den Eintritt des zu fördernden
Mediums in die Pumpe zu erleichtern, ist der Mantel (Stator) eintrittsseitig
oft trichterförmig
aufgeweitet.
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Es hat sich gezeigt, dass auf Grund
der hohen Belastungen im Mantelmaterial erhebliche Abnutzungs-Erscheinungen
und Störungen
auftreten können,
oft schon nach relativ kurzer Betriebszeit. So können an den verschiedenen Kraftübertragungs-Stellen
Abnutzungen auftreten, die sogar dazu führen können, dass der Rotor infolge
der auftretenden Kräfte
der Förderrichtung
entgegen im Mantel verschoben wird, sodass die für die optimale Förderleistung
wichtige axiale Zuordnung von Stator und Rotor nicht mehr gegeben
ist.
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Auch kann ein flächiger Verschleiß entlang des
Schraubenganges des Rotors auftraten, also eine generelle Durchmesser-Verringerung, was
die Förderleistung
verringert. Dem kann bei längs
geteilten Gehäusen
durch Nachspannen (Zusammenziehen) der Gehäuseteile entgegengewirkt werden,
wobei eine entsprechende Verringerung der Förderleistung in Kauf genommen
werden muss. Statt dessen kann auch bei einstückigem Gehäuse und bei über die
Pumpenlänge
konstant bleibendem Windungsquerschnitt des Rotors die lichte Querschnittsfläche der
Statorwindungen vom Pumpeneintritt bis zum Pumpenaustritt gezielt
stetig verringert werden, also eine bestimmte Konizität vorgesehen
sein, so dass die Vorspannung zwischen Statormantel und Rotor zum
Austritt hin zunimmt. Dadurch lässt
sich eine Verringerung der Antriebsleistung erzielen und eine annähernd gleich
bleibende Förderleistung über längere Betriebszeiten.
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Es zeigt sich jedoch in der Praxis,
dass selbst bei perfekt ausgebildetem und zusammengepasstem Antriebssystem
und bei Einhaltung der günstigsten
Vorspannung im Mantel durch Nachspannen eines mehrteiligen Gehäuses oder
durch Wahl einer Konizität
im Stator, ein rascher Leistungsabfall und/oder eine Entmischung
(Veränderung
der Konsistenz) des zu fördernden
Mediums auftreten kann und durch die aufgezeigten Schritte nicht
behoben werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier
wirksame Abhilfe zu schaffen, größere Standzeiten
sicher zu stellen und eine Veränderung
der Konsistenz des zu fördernden
Mediums zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Lehre
der Ansprüche
1 bzw. 2 gelöst.
Die Unteransprüche
zeigen Alternativ-Maßnahmen
bzw. vorteilhafte Ergänzungen
auf.
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Entscheidend und Grundlage für das Auffinden
der Lösung
dieser Aufgabe ist die Erkenntnis der Ursache für die aufgezeigten störenden Erscheinungen.
So wurde zunächst
festgestellt, dass sich das Material des Stator-Mantels in Richtung
der Druckzunahme, also zum Austritts-Ende der Pumpe hin bei Betrieb
stark erwärmt,
was die Eigenschaften des Mantelmaterials verändert. Hinzu kommt, dass die
sichelförmige
Kante des austrittsseitigen Stirnendes des Rotors messerartig an
dem Mantelmaterial angreift und dieses einschneidet. Infolge der
erhöhten Temperatur
des Materials wölbt
sich der Mantel nach Innen, d.h. es klappt ein Stück des Gummimaterials entlang
der durch das Stirnende des Rotors eingeschnittenen Kerbe ein.
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Dadurch wird der Austritts-Querschnitt
der Pumpe kleiner. Dies führt
zu einer Konsistenzänderung
des geförderten
Mediums, indem z.B. der Wasseranteil pro Volumen der Mörtelmischung
kleiner wird (Entmischung). Dadurch bilden sich im Stator axiale
Rinnen aus und die Förderleistung
ebenso die Standzeit bis zur Notwendigkeit der Auswechselung der
Pumpenteile nehmen ab.
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Erst aufgrund der Erkenntnisse von
den Ursachen und deren Zusammenwirken konnte nach Abhilfe gesucht
und die erfindungsgemäße Lösung gefunden
werden.
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Diese lässt sich gleichermaßen bei – zur Aufrechterhaltung
der Vorspannung dienenden – mehrteiligen
Gehäusen
bzw. Stator mit vorbestimmter Konizität anwenden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an
Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Ausführungsbeispiele erläutern und
ergänzen
die Erfindung.
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1 zeigt
im Längsschnitt
die Pumpe gemäß der Erfindung.
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2 zeigen
im 2a im Längsschnitt
einen herkömmlichen
Stator für
eine Exzenterschnecken-Pumpe,
im 2b einen Querschnitt
durch diesen Stator.
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3a zeigt
den intakten Kupplungsbereich zwischen dem eintrittsseitigen Ende
des Rotors und einem vorgeschalteten Mischwerkzeug, das selbst nicht
dargestellt ist.
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3b zeigt
den Kupplungsbereich nach betriebs-bedingtem Verschleiß der Eingriffsstellen.
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4a, 5a und 6a zeigen verschiedene Ausführungsformen
des Stators gemäß der Erfindung.
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4b, 5b und 6b zeigen jeweils die entsprechenden
Stirnansichten am Austrittsende MAS der Statoren.
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Die Exzenterschnecken-Pumpe gemäß der Erfindung,
weist, wie aus 1 ersichtlich
ist, ein äußeres zylindrisches
Gehäuse 1 von
vorbestimmtem Durchmesser und vorbestimmter Länge auf. Das Gehäuse kann
z.B. aus Stahl bestehen. In dem Gehäuse ist ein hohlzylindrischer
Mantel, z.B. aus hoch-verschleißfestem
Gummi, fest angebracht, dessen Innenfläche 3 eine schneckenförmige Kontur
aufweist. An der eintrittsseitigen Stirnseite ist der Schneckenkanal
kegelförmig
auf geweitet, wie bei 4 gezeigt, um den Eintritt des zu
fördernden
Mediums zu erleichtern. In den mantelförmigen Stator 2 ist
eine Schnecke 6, z.B. aus Stahl, eingesetzt. Die Steigungsrichtung
ist bei Stator und Rotor gleich. Die Längsachse 11 des Rotors
ist gegenüber
der Mittelachse 10 der Schneckengänge des Stators radial versetzt,
wodurch sich die Exzentrizität 9 ergibt.
Eintrittsseitig ist der Rotor über
das Statorende hinaus verlängert,
um einen Schneckenkopf 17 (3a)
zu bilden, über
den der Rotor in einem der Steigungsrichtung von Stator und Rotor
entgegengesetztem Sinne angetrieben werden kann. Die Austrittsöffnung 23 der
Pumpe ist erfindungsgemäß ausgebildet.
Naheres dazu weiter unten.
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Für
eine optimale Förderleistung
und möglichst
geringen Verschleiß ist
eine genaue Anpassung und Einstellung der Pumpenteile erforderlich. Wichtig
ist, dass die axiale Lage des Rotors gegenüber dem Stator während des
Pumpenbetriebes möglichst
exakt beibehalten wird. Das erfordert im Hinblick auf die sehr hohen,
axial gegen die Förderrichtung
am Rotor wirkenden Kräfte
eine sehr hohe Gegenhaltekraft, die über die Antriebsseite auf den
Rotor aufgebracht werden muß,
was den Verschleiß an den
die Antriebskraft übertragenden
Teilen begünstigt.
Die Folgen sind durch Vergleich der 3a und 3b zu erkennen. Links ist
die intakte Kupplung 17/18 zwischen dem Schneckenkopf
und dem Mitnehmer 16 eines vorgeschalteten Mischwerkzeuges 15 (nur teilweise
dargestellt) gezeigt. Rechts ist die Kupplung im abgenutzten Zustand.
Die Folge ist, dass der Rotor seine Lage gegenüber dem Stator um den Versatz 19 verändert hat,
entgegen der Förderrichtung
in den Stator hineingewandert ist.
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2 zeigt
den Stator in einer üblichen
Ausbildung. Auch ist das Eintrittsende 4 konisch erweitert,
während
der Schneckengang unverändert
bis in die senkrecht zur Achse verlaufende Fläche 22 geht, in der
das austrittsseitige Stirnende 5 des Mantels 2 mündet. Wenn
nun in diesem Mantel ein Rotor, wie der Rotor 6 nach 1 sich in seiner Arbeitslage
befindet und rotierend angetrieben wird, leistet er an dem ihn umgebenden
Mantel eine erhebliche Walkarbeit. An dieser ist entsprechend auch
die Stirnkante 24 der ausgangsseitigen Stirnfläche 25 des
Rotors 6 beteiligt, da bei dem herkömmlichen Mantel gemäß 2 die Schneckengänge unverändert bis
zur Mantelstirn in der Ebene 22 verlaufen. Die sichelförmige Stirnkante 24 arbeitet
sich dabei in das Material des Mantels ein, bildet eine entsprechende
Einkerbung oder gar einen Einschnitt. Diese können bis zu 3 mm und mehr betragen.
Das Mantelgummi wird heiß,
bis zu 60° bis
70° Celsius
und wölbt
sich, klappt ein Stück
weit nach innen, verkleinert die Austrittsfläche für das geförderte Medium. Es konnte festgestellt werden,
dass sich dadurch die Konsistenz des Mediums verändert, der Wasseranteil pro
Volumen kleiner wird. Auch Beschädigungen
des Stators durch sich axial bildende Rinnen können beobachtet werden. Schon
nach kurzer Zeit kann die Pumpe unbrauchbar werden.
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Wie 1 bei 5 zeigt, kann das Auftreten dieser
Schäden
und ihrer Nachteile wirksam vermieden werden, wenn das Austrittsende 23 des
Mantels 2 gegenüber
dem regulären
Schneckenflächen-Verlauf auf geweitet
und damit eine Berührung
der sichelförmigen
Endkante 24 des Rotors mit dem Mantel 2 bei Betrieb
ausgeschlossen wird, vorzugsweise selbst dann, wenn der Rotor wegen
Verschleiß von Teilen
im Antriebsweg (s. 3)
seine vorbestimmte axiale Stellung gegenüber dem Stator entgegen der Förderrichtung
verändert
(sh. Versatz 19 in 3).
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Die Formgebung der Aufweitung des
Endes des Stators kann unterschiedlich sein. In 5a ist sie etwa entsprechend der Aufweitung
am Eintrittsende 4 konisch ausgebildet. Die Draufsicht
auf das aufgeweitete Ende zeigt 5b.
Eine ähnliche Draufsicht
ergibt sich bei der Ausbildung nach 6a,
bei der die Aufweitung stufenartig ausgebildet ist. Die Ausbildung
gemäß 4a entspricht im wesentlichen
der in
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1 gezeigten. 4b zeigt die entsprechende
Draufsicht.
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In axialer Richtung sollte die Freistellung
des Mantels von der Endkante des Rotors mindestens 2%, vorzugsweise
etwa ab 3%, oberhalb von 5% bis 10% einer Stufe der Statorsteigung 7 betragen.
Zum besseren Verständnis
ist in 2 eine solche
Stufe eingezeichnet. Bei einer Stufenlänge von z.B. 110 mm ist die
Untergrenze der Erstreckung 2–3
mm, kann aber auch 5–10
mm und mehr betragen.
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Die dabei auftretende Verringerung
der pumpen-wirksamen Länge
des Stators wird gemäß der Erfindung
von vorne herein durch entsprechende Erhöhung der Vorspannung zwischen
Rotor und Stator kompensiert. Hierzu wird erneut auf 2 verwiesen. dort sind in
der 2b die lichten Hohlmaße in zwei
zueinander senkrechten Richtungen eingezeichnet. Die Veränderung
der Konizität
erfolgt vorteilhafter Weise durch stetige Veränderung des A-Maßes. Die
prozentuale Reduzierung dieses Maßes pro Steigungsstufe sollte
mindestens 0,4% betragen. Zum besseren Verständnis sind nachfolgend noch
einige hier verwendete Definitionen angeführt. So ist die Stufenzahl
des Stators gleich Statorlänge geteilt
durch die Steigung seiner Schneckengänge. Die Konizität der Statorschnecke
ergibt sich aus der Differenz der A-Maße von Eintritt und Austritt,
wobei die Reduzierung gleichmäßig über die
Zahl der Steigungen verteilt ist. Der Mittelwert des A-Maßes pro Stufe
ergibt sich aus dem A-Maß am
Eintritt der Stufe vermindert um das A-Maß am Ende der Stufe. In diesem
Sinne wird hier unter der prozentualen Reduzierung des A-Maßes pro
Stufe der A-Maß-Differenzwert
pro Stufe multipliziert mit 100 und geteilt durch das A-Maß am Eintritt
der Stufe verstanden.
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Wie sich sowohl aus 1 als auch aus den 5a und 6a ergibt,
reduziert sich das A-Maß in Förderrichtung,
also in Richtung zum Stator-Ausgang.
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Mit den aufgezeigten Maßnahmen
werden eine Entmischung, also eine Konsistenzänderung des geförderten
Mediums ebenso wie der Verschleiß der Pumpenteile, auf sehr
einfache Weise und mit der Möglichkeit
vermieden, jede Verringerung der Pumpenleistung zu kompensieren.