-
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.