DE1930839A1 - Einrichtung zum Ausgleichen der Axialkraefte an Wellen von als Pumpe oder als Motor wirkenden Rotationsmaschinen - Google Patents

Einrichtung zum Ausgleichen der Axialkraefte an Wellen von als Pumpe oder als Motor wirkenden Rotationsmaschinen

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DE1930839A1
DE1930839A1 DE19691930839 DE1930839A DE1930839A1 DE 1930839 A1 DE1930839 A1 DE 1930839A1 DE 19691930839 DE19691930839 DE 19691930839 DE 1930839 A DE1930839 A DE 1930839A DE 1930839 A1 DE1930839 A1 DE 1930839A1
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piston
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shafts
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DE19691930839
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Josef Pirmin
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Allweiler GmbH
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Allweiler AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C15/00Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F04C15/0042Systems for the equilibration of forces acting on the machines or pump

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)

Description

  • Bezeichnung: Einrichtung zum Ausgleichen der Axialkräfte an Wellen von als Pumpe oder als Motor wirkenden Rotationsmaschinen Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Ausgleichen der Axialkräfte an Wellen vonals Pumpe oder als Motor wirkenden Rotationsmaschinen, die einerseits aus der Maschine herausgeführt sind und andererseits innerhalb der Maschine von nicht konstanten axial entgegenwirkenden, ungleichen Drücken beaufschlagt werden.
  • Bekannte Einrichtungen zum Ausgleichen der Axialkräfte an als Pumpe oder Motor wirkenden Rotationsmaschinen bestehen in der Regel aus einem Ausgleichskolben. Die Fläche dieses Ausgleichskolbens ist bei Wellen, die nur vom Zulauf- und- Ablaufdruck beaufschlagt werden, gleich der wirksamen Flächen an der die Differenz der beiden Drücke angreift. Bei einer mit einem solchen Ausgleichskolben versehenen Welle entstehen keinerlei hydraulische Axialkräfte. Es sind lediglich mechanische Axialkräfte vorhanden, die durch geeignete mechanische Mittel abgefangen werden können.
  • Anders ist es bei Wellen, die einerseits aus der Maschine herausgeführt sind, beispielsweise Antriebswellen. Bei diesen können die hydraulischen Axialkräfte nur bedingt aufgeglichen werden, da neben dem Zulauf- und dem Ablaufdruck im Innern der laschine ein weiterer Druck, beispielsweise der Atmosphärendruck am herausgeführten Wellenende angreift. Ein vollkommener Axialkräfteausgleich der Welle ist nur möglich, wenn alle diese Drücke konstant bleiben und der Ausgleichs kolben für diese Drücke speziell bemessen ist. Da in der Praxis diese Drücke nicht konstant bleiben, sind immer hydraulische Axialkräfte vorh-anden. Außerdem sind bei vielen Rotationsmaschinen mechanische Axialkräfte zu berücksichtigen, die bei senkrechter Aufstellung durch das Eigengewicht der Welle oder durch Kupplung oder etwa bei Schraubenspindelpumpen durch die Leistungsübertragung über die-Schrägverzahnung von der Antriebswelle auf die Laufspindel entstehen.
  • Treffen die hydraulischen und mechanischen Axialkräfte ungünstig zusammen, so sind zum Auffangen dieser Kräfte Axiallager nötig, die insbesondere bei großen Druckschwankungen stark dimensioniert sein müssen, wodurch die Rotationsmaschinen erheblich im Aufbau verkompliziert und verteuert werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Einrichtung an Rotationsmaschinen zu schaffen, mit der die gesamten Axialkräfte an einerseits aus der iwIaschine herausgeführten Wellen ausgeglichen werden und durch die die Anbringung eines Axiallagers entfällt.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß zwei durch konstante Drosselst ellen mit dem einen Druckraum der Rotationsmaschine verbundene Räume durch einen an den axial beweglichen Wellen angebrachten Kolben getrennt sind, dessen Länge größer ist als die Breite einer in der den Kolben mit engem Spiel umgebenden Bohrung angebrachten Ausflußöffnung, die mit dem anderen Druckraum -verbunden ist.
  • Bei mit der erfindungsgemäßen Einrichtung versehenen Rotationsmaschinen wird durch eine in axialer Richtung einwirkende mechanische und/oder eine hydraulische Kraft die einerseits aus der Maschine herausgeführte Welle axial verschoben. Durch diese Verschiebung wird von dem an der Welle angebrachten Kolben ein Spalt zu der Ausflußöffnung verändert oder geöffnet, der einen der beiden durch konstante Drosselstellen an den einen Druckraum der Rotationsmaschine angeschlossenen und durch den Kolben voneinander getrennten Räume mit dem anderz Druckraum der Rotationsmaschine verbindet. Während in dem nicht geöffneten Raum der volle Druck des über die konstante Drosselstelle angeschlossenen Druckraumes -auf den Kolben einwirkt, beaufschlagt in dem durch den Spalt geöffneten Raum ein Differenzdruck die gegenüberliegende Seite des Kolbens. Die axiale Bewegung der Welle erfolgt solange, bis der durch den Spalt gesteuerte Differenzdruck eine solche Größe annimmt, daß die durch die uaterschiealiche Druckbeaufschagung der Kolbenflächen entstehende Gegenkraft gleich der ist, die die Bewegung der Welle veranlaßte. Die axiale Bewegung der Welle wird auf ein Kleinstmaß begrenzt, wenn, wie weiter erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, die in der den Kolben umgebenden Bohrung angebrachte Ausflußöffnung als Ringnut ausgebildet ist.
  • Die Abmessung des Kolbens richtet sich nach den Betriebsverhältnissen. Sein Durchmesser muß beispielsweise groß sein, wenn der Druckunterschied zwischen dem Zulauf- und dem Ablauf der itotationsmaschine veAiältnismäßig gering ist und gleichzeitig die mechanischen Axialkräfte groß sind. Liegen umgekehrte Betriebsverhältnisse vor, wie etwa großer Druckunterschied zwischem dem Zulauf und dem Ablauf der Maschine bei gleichzeitig geringen mechanischen Axialkräften, so kann der Kolben mit einem kleinen Durchmesser ausgeführt sein. Um die Herstellungskosten der Welle niedrig zu halten wird weiter erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Kolben als Schrumpfteil ausgebildet ist. Dadurch wird es ermöglicht, die Welle als solche in größeren Stückzahlen anzufertigen, wobei der Kolben individuell unter Berücksichtigung der Betriebsverhältnisse ausgebildet werden kann, Die erfindungsge, näße Einrichtung kann auch zusätzlich an Wellen angebracht werden, die schon mit einem Ausgleichskolben versehen sind. In diesem Falle werden die von dem Ausgleichskolben nicht erfaßten Restaxialkräfte durch die erfindungsgemäße Einrichtung ausgeglichen. Diese Ausführungsart ist vorteilhaft dort anzuwenden, wo aus Platzmangel der Durchmesser des Kolbens der erfindungsgemäßen Einrichtung begrenzt ist, oder wo sich aus dem konstruktiven Aufbau der maschine infolge von Wellenabsätzen, die beispielsweise der radialen Lagerung dienen, ausgleichskolbenartige Elemente ausbilden.
  • Die Zeichnung zeigt eine als Schraubenspindelpumpe ausgeführte Rotationsmaschine, die mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung versehen ist.
  • Bei dieser Schraubenspindelpumpe umschließt das Gehäuse 1 den aus der als AntriebsspindeI ausgebildeten, einseitig aus der maschine herausgeführten, Welle 2 und aus den Laufspindeln 3 und 4 bestehenden -Spindelsatz. Bei Rechtsdrehung der Welle 2 wird das Fördermedium durch den Gewindeanschluß 5 angesaugt und durch den Gewindeanschluß 6 wieder abgegeben. An der Saugseite verschließt ein mit Schrauben 7 befestigter Deckel 8 das Pumpengehäuse 1. Die andere Seite des Pumpengehäuses ist ebenfalls durch einen Deckel 9 verschlossen, an dessen Vorderseite ein Stopfbuchsgehäuse lo angebracht ist. Der Deckel 9 und das Stopfbuchsgehäuse lo sind mit Sclirauben 11 am Pumpengehäuse befestigt. Die Welle 2 durchdringt einerseits den Deckel 9 und das Stopfbuchsgenäuse 1o und ist zum Einleiten des Drehmomentes mit einem Kupplungszapfen 12 versehen. Das andere Ende 13 der Welle 2 ragt in den Druckraum 14 der Pumpe und wird hier vollstandig an der Stirnseite mit dem Saugdruck beaufschlagt. Im weiteren Druckraum 15 beaufschlagt der Förderdruck axial die von der Schrägverzahnung 16 gebildete Stirnfläche. Weiter beaufschlagt der Atmosphärendruck axial die am Kupplungszapfen ausgebildeten Stirnflächen 17 und 18. Je nach Größe der die Welle axial beaufschlagenden Drücke entsteht eine Gesamtaxialkraft, die die Welle entweder nach der einen oder nach der anderen Seite zu verschieben versucht, Neben dieser genannten Axialkraft tritt noch eine weitere auf, die aus der Leistungsübertragung über die Schrägverzahnung 16 der Welle 2 auf die Laufspindeln 3 und 4 entsteht. Bei vertikaler Aufstellung der Pumpe entstehen auRerdem noch weitere Axialkräfte durch das Eigengewicht der Welle 2 und durch das Gewicht der nicht dargestellten Kupplung. Die Welle 2 ist an dem Zapfen 19 radial gelagert. Als Lagerbüchse dient ein von dem Deckel 9 zentrierter Ring 2oder gleicbzeitig das Stopfbüchsgehäuse 1o zentriert. Der Raum 21 ist über die Kanäle 22 mit dem Druckraum 14 verbunden. Da der Durchmesser des Zapfens 19 größer ist als der Durchmesser der Welle 2 im Bereich des Druckraumes 151 wirkt der Zapfen gleichzeitig als Ausgleichskolben, der ein Teil der Axialkräfte ausgleicht, die aus der axialen Druckbeaufschlagung der Verzahnung 16 entstehen.
  • Erfindungsgemäß ist die Welle 2 mit einem Kolben 23 versehen, der zwei Raume 24 und 25 voneinander trennt. Der Raum 24 ist leber eine oder mehrere als Bohrungen ausgeführte Drosselstelle 26 mit dem Druckraum 15 verbunden. Ebenso verbindet eine andere unveränderliche Drosselstelle 27, die durch ein Ringspalt zwischen dem Deckel 9 und einem Bund 23 der Welle 2 gebildet wird, den Raum 25 mit dem Druckraum 15. Der Kolben 23 wird von der Bohrung 29 des Deckels 9 mit engem Spiel umschlossen. In dieser Bohrung ist auf halber Länge eine AusflußÖffnung 30 angebracht, die in den Kanal 22 milndet. Die Ausflußöffnung ist am Schnittpunkt mit der Bohrung 29 als Ringnut 31 ausgebildet, deren Länge kleiner ist als die Breite des Kolbens T3. Da die Welle keine axiale Lagerung besitzt, kann sie sich beim Einwirken einer Axialkraft axial verschieben. Je nach Richtung dieser Verschiebung bildet sich zwischen dem Kolben 23 und der Ringnut 31 ein Spalt aus, der einen der beiden Räume 24, 25 über die Ausflußöffnung 3G mit dem Druckraum 14 verbindet. Da die Räume 24 und 25 durch konstante Drosselstellen 26 und 27 mit dem Druckraum 15 in Verbindung stehen, stellt sich in dem Raum, der durch den Spalt zwischen dem Kolben 23 und der Ringnut 31 mit dem Druckraum 14 verbunden ist ein Differenzdruck ein, dessen Größe zwischen den Druckwerten liegt, die in den Räumen 14 und 15 vorliegen. In dem anderen Raum, der geschlossen ist, herrscht der gleiche Druck wie im Druckraum 15. Die Verschiebung der Welle 2 erfolgt solange, bis durch die unterschiedliche Druckbeaufschlagung der Kolbenflächen 32 und 33 ein Gleichgewichtszustand eintritt.
  • Die Laufspindeln 3 und 4 besitzen keine Einrichtung zum Ausgleichen der Axialkräfte. Je nach Druckverhältnissen und Größe der mechanischen Kräfte laufen sie entweder mit den Stirnfldchen 34 und 35 am Deckel 8 oder mit den Stirnflächen 36 und 37 am Deckel 9 an.
  • Nicht dargestellt sind weitere Rotationsmaschinen, die ebenfalls mit der erfindungsgemäßen Einrichtung versehen werden können. So könnte beispielsweise bei- Kreiselpumpen die Welle 2 anstelle der Verzahnung 16 ein Laufrad tragen, wenn man von dem übrigen unterschiedlichen Aufbau einer Schraubenspindelpumpe absieht.

Claims (4)

-S chut zans prüche -
1. Einrichtung zum Ausgleichen der Axialkräfte an Wellen von als Pumpe oder rotor wirkenden Rotationsmaschinen, die einerseits aus der Maschine herausgeführt sind und andererseits innerhalb der maschine von nicht konstanten, aixal entgegenwirkenden, ungleichen Drücken beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei durch konstante Drosselstellen (26,27) mit dem einen Druckraum (15) der Rotationsmaschine verbundene Räume (24,25) durch einen an den axial beweglichen Wellen (2) angebrachten Kolben (23) getrennt sind, dessen Länge größer ist als die Breite einer in der den Kolben mit engem Spiel umgebenden Bohrung (29) angebrachten Ausflußöffnung t3Q), die mit dem anderen Druckraum (14) verbunden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausflußöffnung (30) im Bereich der Bohrung (29) als Ringnut (31) ausgebildet ist.
3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (23) ein an der Welle (2) angebrachtes Schrumpfteil ist.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1-4 dadurch gelcennzeichnet, daß zusätzliche mittel vorhanden sind, beispielsweise ein dem Schubausgleich dienender Zapfen (19), die ein Teil der Axialkräfte ausgleichen.
L e e r s e i t e
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2349752A1 (fr) * 1976-04-27 1977-11-25 Imo Industri Ab Machine hydraulique a vis sans fin
EP0168366A1 (de) * 1984-06-20 1986-01-15 Imo Ab Einrichtung zur Förderung von Öl
FR2567568A1 (fr) * 1984-07-16 1986-01-17 Worthington Turbodyne Machine tournante a piston rotatif d'equilibrage et de precharge
EP0959250A3 (de) * 1998-05-18 2001-01-10 Carrier Corporation Rotierender Schraubenverdichter mit Axialschubausgleich

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