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Elektromotorisch angetriebene Kreiselpumpe mit einem Hilfsschaufelrad
im Motorgehäuse und mit Flammensperren Die Erfindung betrifft eine elektromotorisch
angetriebene Pumpe mit einem ein Schaufelrad aufnehmenden Pumpengehäuse, das durch
ein Zwischenstück mit einem Motorgehäuse verbunden ist, welches durch ein Spaltrohr
in eine isolierte äußere Statorkammer und eine innere Rotorkammer unterteilt ist,
in welcher im Abstand angeordnete Lager für eine den Rotor zwischen den Lagern und
ein Hilfsschaufelrad zwischen einem der Lager und dem Rotor innerhalb der Rotorkammer
aufnehmende Welle vorgesehen sind, die sich durch das Zwischenstück in das Pumpengehäuse
erstreckt und das Schaufelrad trägt, wobei zur Vermeidung von Explosionen beim Pumpen
explosiver Flüssigkeiten Flammensperren vorgesehen sind.
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Die Motorpumpe nach der Erfindung soll zur Förderung heißer Flüssigkeiten,
beispielsweise von 500° C oder mehr, sowie feuer- oder explosionsgefährlicher Flüssigkeiten
geeignet sein. Das Problem der Erfindung besteht in der sicheren Beherrschung der
Wärmeverhältnisse, insbesondere in der Verhinderung des Auftretens und der Verbreitung
von Explosionen. Hierzu gehören Einrichtungen zur Kühlung der Flüssigkeit sowie
besondere Sicherungen gegen Explosionen.
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Motorpumpen mit einem die Außenseite des Stators umgebenden Kühlmantel
sind allgemein bekannt. Auch ist es bekannt, den Statorraum durch ein Spaltrohr
vom Rotorraum zu trennen. Hierbei sind jedoch die Lager nicht gekühlt, und es sind
auch keine Flammensperren vorgesehen, so daß diese Pumpen für den Verwendungszweck
gemäß der Erfindung ungeeignet sind.
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Es ist ferner eine Motorpumpe mit einer flüssigkeitsgefüllten Statorkammer
bekannt, bei der die Kühlflüssigkeit durch ein Hilfsschaufelrad, das außerhalb der
Rotorkammer angeordnet ist, in Umlauf versetzt wird, wobei auch die Lager gekühlt
werden. Eine Flammensperre weist auch diese Pumpe nicht auf, so daß sie zum Pumpen
von feuergefährlichen Flüssigkeiten ebenfalls ungeeignet ist.
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Durch die Erfindung wird eine explosionssichere Anordnung für Pumpen
der eingangs erwähnten Art dadurch geschaffen, daß die Flammensperren durch Endverschlußteile
der Rotorkammer gebildet werden, welche mit Vorsprüngen versehen sind, die ein vorbestimmtes
Maß in die Spaltrohrbuchse hineinragen und zur Bildung der Flammensperren einen
Umfangsspalt aufweisen, und daß die Endverschlußteile die Lager für die Welle tragen,
wobei der sich zwischen der Pumpenkammer und dem Rotor erstreckende Wellenabschnitt
sich mit einer vorbestimmten Länge und mit einem Umfangsspalt durch das Endteil
erstreckt, um die Flammensperre zu bilden.
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Die erfindungsgemäß ausgebildeten Flammensperren, bestehend aus Umfangsspalten
vorbestimmter Länge und Breite, lassen eine adiabatische Expansion zu, wobei die
Flamme einen derartigen Spalt nicht passieren kann. Sie wird vielmehr abgekühlt
und erlischt.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen,
daß sich die Endverschlußteile der Rotorkammer mit einer Länge von etwa 10 mm und
mit einem Umfangsspalt von weniger als 0,04 mm zur Bildung der Flammensperre entlang
der Buchse erstreckend und daß die Welle zwischen der Pumpenkammer und dem Rotor
einen Abschnitt aufweist, der zur Bildung der Flammensperre über eine Länge von
etwa 25 mm einen Umfangsspalt von weniger als 0,5 mm hat.
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Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor.
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Fig. 1 ist ein vertikaler Längsschnitt durch die Motorpumpe nach der
Erfindung; Fig. 2 ist ein vertikaler Schnitt nach 2-2 der Fig. 1.
Der
Motorteil der Pumpe enthält zwei innere Endscheiben 10 und 11, die
durch ein äußeres, zylindrisches Gehäuse 12 flüssigkeitsdicht miteinander
verbunden sind. Das zylindrische Gehäuse 12 ist mit den Endscheiben durch die Schweißnähte
13 verbunden. Die Endscheiben 10 und 11 haben Mittelöffnungen 14 bzw. 15.
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Zwischen den Mittelöffnungen 14 und 15 der Endscheiben
10 und 11 ist eine zylindrische Buchse 16 aus nichtmagnetischem Material angeordnet,
das durch die mit ihm in Berührung kommende Flüssigkeit nicht angegriffen wird,
bespielsweise aus rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Material. Die Buchse
16 ist mit den Endscheiben 10 und 11 flüssigkeitsdicht verbunden, beispielsweise
verschweißt; auf diese Weise entsteht eine getrennte und abgedichtete Statorkammer
17 zwischen dem äußeren Gehäuse 12, der Buchse 16 und den Endscheiben
10 und 11.
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Innerhalb der Kammer 17 sind die Statorwicklung 18 und der lamellierte
Statorkern 19 angeordnet. Die Statorwicklung 18 wird durch eine geeignete
Wechselstromquelle über die Leitungen 20 mit Strom gespeist, die mit Hilfe
einer flüssigkeitsdichten Verbindung 21
aus dem Gehäuse herausgeführt sind.
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Bei der Platte 10 wird die Buchse 16 durch ein Endstück
24 abgeschlossen, dessen Flanschteil 25 mit der Endplatte 10 durch
die Schrauben 26 verbunden ist. Die Schrauben 26 greifen in blind endende
Löcher 27 der Platte 10 ein.
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Zwischen die Endplatte 10 und den Flanschteil 25
ist
eine ringförmige Dichtung 28 aus Teflon oder einem anderen geeigneten Material
gelegt, die durch die Schrauben 26 unter Druck gesetzt wird und eine sichere
Abdichtung bewirkt.
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Das Endstück 24 hat einen zylindrischen Vorsprung 29, dessen
äußere Umfangsfläche in vorbestimmter Länge und mit vorherbestimmtem Spiel in das
Innere der Buchse 16 eingreift, wie weiter unten erläutert.
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Das Endstück 24 hat innerhalb des Flanschteiles 25 einen zylindrischen
Lagerring 30 aus Graphit od. dgl. Der Lagerring 30 ist in einem ihn umgebenden
metallischen Haltering 31 angeordnet und hat eine Mehrzahl von in Längsrichtung
angeordneten Nuten 30a für die Flüssigkeitszirkulation (vgl. auch Fig. 2).
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Das Endstück 24 hat einen Pumpenflansch 32, der mit dem Motorflansch
25 durch ein rohrförmiges Zwischenstück 33 von verkleinertem Durchmesser verbunden
ist, um die Wärmeübertragung vom Pumpenflansch 32 zum Motorflansch 25 zu verringern,
wie weiter unten näher beschrieben.
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Zwischen dem Pumpenflansch 32 und dem rohrförmigen Verbindungsstück
33 befindet sich eine Mittelbohrung 34 von vorherbestimmtem Durchmesser und
vorherbestimmter Länge, wie weiter unten erklärt.
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Im Innern des Zwischenstückes 33 befindet sich ein ringförmiger Raum
37, der mit den Nuten 30 a des Lagerringes 30 und über ein Anschlußstück
36 mit einem Rohr 35 in Verbindung steht.
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Eine Kühlkammer 39 umgibt das äußere Statorgehäuse 12. Die Kühlkammer
39 wird begrenzt durch einen Teil des zylindrischen Gehäuses 12 und ein dieses
in einigem Abstand umgebendes, zylindrisches Kühlkammergehäuse 40 sowie durch
die Seitenwandungen 41 und 42, die mit den zylindrischen Wandungen 12 und
40 verschweißt sind. Die Kühlkammer 39 enthält ein Anschlußstück
43,
das mit dem erwähnten Rohr 35 verbunden ist. Ein weiteres Anschlußstück
44 ist mit einem Rohr 54 verbunden. Die Anschlußstücke 43 und
44 stehen über eine Rohrschlange 45 miteinander in Verbindung, die in der
Kühlkammer 39 angeordnet ist und einen geschlossenen Weg für die Flüssigkeit bildet.
Der die Rohrschlange 45 umgebende Teil der Kühlkammer 39 ist mit einem Zuflußrohr
46 und einem Abflußrohr 47 für eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, versehen.
Diese Kühlflüssigkeit umspült die Rohrschlange 45.
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Das andere Ende der Buchse 16 (bei der Endplatte 11) wird durch
ein Verschlußstück 50 verschlossen, welches durch Schrauben 51 mit der Endplatte
11 verbunden ist; die Schrauben 51 greifen in blind endende Löcher
52 der Platte 11 ein.
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Zwischen der Endplatte 11 und dem Verschlußstück
50 ist eine ringförmige Dichtung 49 aus Teflon oder einem anderen
geeigneten Material angeordnet, die durch die Schrauben 51 zusammengedrückt wird
und einen flüssigkeitsdichten Abschluß bewirkt. In der Mitte des Verschlußstückes
50 befindet sich ein Anschlußstück 53, welches über das erwähnte Rohr
54 mit dem Anschlußstück 44 der Kühlschlange 45
verbunden ist.
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Das Endstück 50 hat einen zylindrischen Vorsprung 55, dessen
äußere Umfangsfläche in vorherbestimmter Länge und mit vorherbestimmtem Spiel in
die Buchse 16 hineinragt, wie weiter unten erläutert.
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Im Innern des Endstückes 15 ist ein zylindrischer Lagerring 56 aus
Graphit od. dgl. angeordnet. Der Lagerring 56 befindet sich in einem ihn umgebenden
metallischen Haltering 57; der Lagerring 56 hat mehrere, in Längsrichtung sich erstreckende
Nuten 56a, die über eine Kammer 58 mit dem Anschlußstück 53 und dem
Rohr 54 in Verbindung stehen.
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Im Endstück 50 kann eine Mehrzahl von Entlüftungsschrauben
59 angeordnet sein.
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Der Pumpenflansch 32 trägt mittels eines ringförmigen Vorsprunges
63 und der Schrauben 64 ein Pumpengehäuse 65. Eine ringförmige Dichtung
66
aus Teflon od. dgl. ist zwischen den Pumpenflansch 32 und das Gehäuse 65
gelegt; es wird durch die Schrauben 64 zusammengedrückt, so daß eine flüssigkeitsdichte
Verbindung entsteht.
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Das Pumpengehäuse 65 hat vorzugsweise eine axial angeordnete Einlaßöffnung
67, die mit einer Pumpenkammer 68 in Verbindung steht. Die Pumpenkammer 68 nimmt
den Läufer der Pumpe auf, erweitert sich an dessen Umfang und hat einen in tangentialer
Richtung angeordneten Auslaßstutzen 69.
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Die gemeinsame Welle 70 hat ein verstärktes Stück 70a, welches den
Rotor73 des Motors trägt, der durch den Stator 19 in Drehung versetzt wird. Der
Rotor 73 wird durch Endplatten 74 abgeschlossen, die mit dem Wellenteil 70a flüssigkeitsdicht
verbunden sind, sowie durch ein äußeres, zylindrisches Gehäuse 75, das ebenfalls
mit den Endplatten 74 flüssigkeitsdicht verbunden ist.
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Der Rotor 73 kann in jeder gewünschten Weise ausgebildet sein; ein
lamellierter Kurzschlußläufer kommt vorzugsweise zur Anwendung.
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Die Welle 70 hat rechts ein schwächeres Stück 70 b, das in dem Lagerring
56 angeordnet ist, sowie einen mit ihr verbundenen Druckring 76, der mit dem inneren
Ende des Lagerringes 56 in Eingriff kommt und eine Axialverschiebung der Welle verhindert.
Links
neben dem verstärkten Teil 70a hat die Welle 70 einen schwächeren Teil 70c, der
in dem Lagerring 30 angeordnet ist, sowie einen Druckring 77, der mit dem inneren
Ende des Lagerringes 30 in Eingriff kommt und eine Axialverschiebung der Welle in
der anderen Richtung verhindert.
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Neben dem Druckring 77 ist ein mit der Welle 70 verbundenes Schaufelrad
78 od. dgl. angeordnet, dessen Einlaßraum über die Nuten 30a mit dem Ringraum 37
und dessen Auslaß mit dem Raum innerhalb der Buchse 16 verbunden ist.
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Noch weiter links hat die Welle 70 ein noch schwächeres Stück 70d,
das in die Pumpenkammer 68 hineinragt; dieses Wellenstück trägt ein Schaufelrad
80 od. dgl., das durch eine Feder 81 und eine Mutter 82 auf der Welle gehalten
wird; die Mutter 82
ist auf den Gewindeansatz 70 e der Welle 70 aufgeschraubt.
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Da die Pumpe für Flüssigkeiten verwendet werden soll, die einen explosiven
Charakter haben oder deren Dämpfe zu Explosionen neigen, werden an bestimmten Stellen
schmale Zwischenräume vorgesehen, die innerhalb geringer Toleranzen liegen.
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Einer dieser verengten Wege oder Flammensperren erstreckt sich zwischen
der Innenfläche der Bohrung 34 und der Außenfläche des Wellenteils 70 c; für eine
Pumpe von 3 PS hat er eine axiale Länge in der Größenordnung von 2,5 cm und eine
radiale Weite in der Größenordnung von 0,5 mm. Dieser verengte Kanal ist derart
ausgebildet, daß darin befindliche Dämpfe sich nicht entzünden können. Die geringe
Größe der öfffnung an dieser Stelle bewirkt eine adiabatische Expansion aller durchströmenden
Gase und stellt daher eine Flammensperre dar. Gleichzeitig haben die umgebenden
metallischen Wandungen die Tendenz, die Gase abzukühlen, indem sie Wärme abführen;
eine etwa vorhandene Flamme ist daher nicht imstande, diese Verengung oder diese
Sperre zu passieren.
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In gleicher Weise sind zwischen den Vorsprüngen 29 und 55 und
der Buchse 16 enge Zwischenräume vorgesehen, die für eine Pumpe der angegebenen
Leistung eine axiale Länge in der Größenordnung von 9,5 mm und eine maximale radiale
Weite in der Größenordnung von 0,04 mm haben. Die verengten Zwischenräume dieser
Stellen bilden ebenfalls Flammensperren der beschriebenen Art und verhindern daher
jedes Hindurchtreten von Flammen oder das Auftreten von Explosionen an oder hinter
diesen Stellen.
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Es soll nun die Arbeitsweise der Motorpumpe beschrieben werden.
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Wird die Statorwicklung 18 mit Strom gespeist, so wird der Rotor 73
des Motors in Drehung versetzt. Der Rotor 73 dreht die Welle 70, die in den Lagerringen
30 und 56 gelagert ist und durch die Druckringe 76 und 77 in axialer Richtung gehalten
wird. Die Welle 70 dreht das Schaufelrad 80.
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Die Flüssigkeit tritt durch den Einlaßstutzen 67 ein und wird durch
das Schaufelrad 80 in den Auslaßstutzen 69 gedrückt. Die Temperatur der geförderten
Flüssigkeit kann beispielsweise zwischen 500 und 800° C liegen oder auch noch höher
sein.
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Ein Teil der im Pumpengehäuse 65 befindlichen Flüssigkeit kann durch
den engen Zwischenraum zwischen der Bohrung 34 und dem Wellenteil 70 c in den Raum
innerhalb der Buchse 16 hindurchtreten, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist
und nur wenig Flüssigkeit in der einen oder anderen Richtung hindurchtritt.
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Der Flüssigkeit, die sich innerhalb der Buchse 16 befindet, wird durch
das Schaufelrad 78 ein Druck erteilt, so daß ein Flüssigkeitsstrom entsteht, der
vom Schaufelrad 78 ausgeht, durch den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 75 und der
Buchse 16 an dem Rotor 73 des Motors vorbeiströmt und hierbei vom Rotor 73, der
Buchse 16 und dem Stator Wärme abführt, der dann um den Druckring 76 herumströmt
und durch die Nuten 56 a des Lagerringes 56 hindurch in die Kammer 58 eintritt
und der schließlich durch das Anschlußstück 53, das Rohr 54 und das Anschlußstück
44 in die Rohrschlange 45 eintritt. Die durch das Rohr 46 zugeführte und durch das
Rohr 47 abgeführte, die Kühlkammer 39 durchströmende Flüssigkeit entzieht
der durch die Rohrschlange 45 strömenden Flüssigkeit sowie dem in der Kammer 17
angeordneten Stator Wärme.
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Die durch die Rohrschlange 45 hindurchströmende Flüssigkeit geht dann
durch das Anschlußstück 43,
das Rohr 35 und das Anschlußstück 36 in den Ringraum
37 und erzeugt dadurch eine kühle Flüssigkeitsbarriere im rohrförmigen Teil
33, die den Wärmeübergang von der Pumpe auf den Motor weiter verringert,
insbesondere wenn Flüssigkeiten hoher Temperatur gefördert werden.
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Die im Ringraum 37 befindliche Flüssigkeit geht dann durch die Nuten
30a des Lagerringes 30 zum Schaufelrad 78, wo der Kreislauf sich wiederholt.
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Es ist zu beachten, daß sowohl der Rotor als auch der Stator des Motors
gekühlt werden, so daß eine Überhitzung dieser Teile vermieden wird, insbesondere
wenn Flüssigkeiten sehr hoher Temperatur gefördert werden.
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Gleichzeitig verringern der enge rohrförmige Teil 33 und die Kühlwirkung
des mit Kühlflüssigkeit gefüllten Ringraumes 37 den Übergang der Wärme von der Pumpe
zum Motor.
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Wie bereits erwähnt, ist die beschriebene Anordnung mit vollständig
abgedichteter Statorkammer 17 und mit Flammensperren an den möglichen Ein- oder
Austrittsstellen in die von der Buchse 16 umschlossene Motorkammer oder aus derselben
derart, daß die Möglichkeit des Auftretens von Explosionen beim Fördern explosionsgefährdeter
Flüssigkeiten praktisch ausgeschlossen wird.
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Diese Anordnung ergibt gleichzeitig ausreichend geschmierte und gekühlte
Lager.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das dargestellte und beschriebene
Ausführungsbeispiel, sondern umfaßt auch Abänderungen, die im Rahmen des dargelegten
Erfindungsgedankens liegen.