DE19617425C2 - Abwasser- und Fäkalienpumpe mit einem Antriebsmotor und einer Pumpeneinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abwasser- und Fäkalienpumpe mit einem Antriebsmotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Pumpen sind aus Tesch K. "Konstruktiver Aufbau von modernen Abwas­ ser- und Klärschlammpumpen - Verwendungszweck und anlagentechnische Er­ kenntnisse", Sonderdruck aus Z, Städtereinigung - Internationale Theorie und Pra­ xis, H. 1/1965 bekannt und müssen geeignet sein, Pumpmedien von unterschiedli­ cher Viskosität und Konsistenz bis hin zu festen, schwebenden Gegenständen in den Abwässern und Fäkalien zu fördern, wobei eine hohe Förderhöhe und ein großes Fördervolumen pro Zeiteinheit mit möglichst geringer Elektromotorleistung zu er­ reichen ist.

Bei handelsüblichen Pumpen ist die Dauerlast durch die begrenzte Wärmeabfuhr der Elektromotoren über das Elektromotorgehäuse an die Umgebung im Trockenbe­ trieb oder an das stehende zu pumpende Medium im Tauchbetrieb äußerst begrenzt. Besonders bei Dauertests im Schaltzyklusbetrieb, bei dem in kurzen Abständen von wenigen Sekunden die Pumpe angefahren und wieder abgeschaltet wird, erwärmt sich die Ölfüllung im Elektromotor stetig, so daß es zu unzulässigen Aufheizungen der Motorwicklungen bis zur Zerstörung des Antriebs kommen kann.

Wesentlich aufwendigere Konstruktionen vermeiden diese Selbstzerstörung des Pumpenaggregats bei Dauertests im Schaltzyklusbetrieb durch äußerst aufwendige Konstruktionen, wie aus Heumann, A: "Technik und Anwendung moderner Tauch­ motorpumpen", KSB Technische Berichte 23, 1988, Seiten 18 bis 27 bekannt. Da­ bei wird mit einer direkten aktiven Flüssigkeitskühlung des Elektromotorgehäuses durch Abzweigung, Aufbereitung, wie zum Beispiel Filterung, und Zuführung eines Teils des gepumpten Mediums in eine Umspülungseinrichtung für das Elektromotorgehäuse gearbeitet. Derartige Lösungen haben nicht nur den Nachteil des konstruktiven Aufwands, sondern sind auch anfälliger und wartungsintensiver, da die Aufbereitung, insbesondere in Form von Filterung des abgezweigten Teils des gepump­ ten Mediums ständig überwacht und instandgehalten werden muß.

Ein genereller Nachteil bekannter Pumpenaggregate ist es, daß die Laufräder, die üb­ licherweise für Abwasser- und Fäkalienpumpen als archimedische Spirale ausgebildet sind, sich relativ schnell mit Ablagerungen zusetzen, korrodieren oder erodieren, da teilweise Pumpmedieninhalte an der Laufradoberfläche haften bleiben oder verkrusten.

Dieses geschieht in besonderem Maße dann, wenn die Oberfläche der Laufräder durch aggressive Pumpmedien bereits korrodiert oder erodiert ist. Mit zunehmender Ablage­ rung, Korrosion und Erosion am Laufrad ist ein Abfall der Förderleistung verbunden. In vielen Fällen führt das dazu, daß beim Räumen einer Fäkaliengrube mit derartig vorbe­ lasteten Pumpenaggregaten mehrfach das Laufrad von Ablagerungen bei gleichzeitiger Unterbrechung des Räumens befreit werden muß oder durch Überhitzung des Antriebs­ motors der Pumpvorgang unterbrochen werden muß. Geeignete thermische Überwach­ ungssensoren mit nachgeschalteter Sicherheitsabschaltung von Pumpvorgängen sind in modernen Pumpaggregaten üblich.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und eine gattungsgemäße Abwasser- und Fäkalienpumpe anzugeben, die verbesserte Kühl­ eigenschaften aufweist, eine einfache wartungsarme Konstruktion beibehält und sich bei hohen Belastungen im Dauertest mittels Schaltzyklusbetrieb auf einer zulässigen Be­ triebstemperatur der Ölfüllung des Antriebsmotors stabilisiert.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Mit dieser Lösung ist der Vorteil verbunden, daß als Wärmesenke ein bewegtes Medium zur Verfügung steht, das die dem Pumpmedium zugewandte große Oberfläche des Lauf­ rades kühlt, und über die Wärmeübertragungsfläche der Anflanschung und die An­ triebswelle unmittelbar das Innere des Elektromotors kühlt, ohne daß eine Abzweigung, Aufbereitung, wie zum Beispiel Filterung und Zuführung eines Teils des gepumpten Mediums in eine Umspülungseinrichtung des Elektromotorgehäuses erforderlich wird. Die Wirkung dieser Kühlung ist eher intensiver verglichen mit der äußeren aufwendigen Kühlung im Stand der Technik, weil sie direkt das Innere des Elektromotors kühlt und weil die Wärmesenke von dem Gesamtdurchsatz des Pumpmediums gebildet wird. Gegenüber der Kühlung im Tauchbetrieb ergibt sich der Vorteil, daß die erfindungs­ gemäße Kühlung über die Pumpoberfläche eines wärmeleitenden Laufrades eine Kühlung mittels zwangsbewegtem Kühlmedium ist, während eine Tauchkühlung nur über den Wärmeaustausch mit einem stehenden Medium erfolgen kann.

Dessen ungeachtet kann vorteilhafterweise die erfindungsgemäße Pumpe auch im Tauch­ betrieb eingesetzt werden, so daß der Elektromotor sowohl über sein Gehäuse durch ste­ hendes Medium als auch über seine Welle mittels eines zwangsbewegten Mediums, das am Laufrad vorbeifließt, gekühlt wird. Dazu verfügt der Elektromotor über ein druck­ dichtes geschlossenes Gehäuse, wie es bei einfachen Antrieben für unkomplizierte Ab­ wasser- und Fäkalienpumpen bekannt ist.

In einer Ausführung der Erfindung ist der Antriebsflansch als Steckflansch ausgebildet, der eine Paßfedernut aufweist und in einer paßgenauen zentralen Bohrung des Laufrades steckt, wobei über eine Paßfeder eine formschlüssige Verbindung hergestellt wird. Damit ist der Vorteil verbunden, daß die Laufradmasse den Steckansatz der Antriebswelle voll umschließt und eine große für die Wärmeübertragung optimierte Wärmeübertra­ gungsfläche zwischen Laufrad und Antriebswelle realisiert werden kann. Entsprechend werden Länge und Durchmesser des Steckflansches und Länge und Durchmesser der zentralen Bohrung im Laufrad optimiert, so daß der Antriebsflansch eine Wärmeübertra­ gungsfläche mit einem minimierten Wärmeübergangswiderstand zwischen An­ triebsflansch und Laufrad aufweist.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Antriebsflansch als konischer Steck­ flansch ausgebildet, wobei paßgenau die zentrale Bohrung als konisches Gegenstück gefer­ tigt ist. Derartig konisch ausgebildete Kupplungen haben den Vorteil, daß sie eine kraft­ schlüssige Verbindung zwischen Laufrad und Antriebswelle herstellen können und aufgrund des Kraftschlusses einen noch innigeren Wärmeverbund ausbilden, so daß der Wärme­ übergangswiderstand weiter minimiert wird. Ferner hat der konische Steckflansch Notlauf­ eigenschaften.

Das Laufrad besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen Wärmeleitzahl größer als 100 W/(mK), vorzugsweise zwischen 150 und 400 W/(mK) ist. Die Einschränkung nach unten schließt alle konventionell im Fäkalienpumpenbau eingesetzten Eisenbasislegierungen, wie Kohlenstoffstähle, Gußeisen oder hochlegierte nichtrostende Chromnickelstähle usw. aus. Die Einschränkung nach oben im bevorzugten Bereich schließt die Anwendung von reinem Silber als Laufradwerkstoff aus, dessen Wärmeleitzahl über 400 W/(mK) ist. Vorteilhafter­ weise sind alle Nichteisenmetalle einbezogen, die als Elemente oder als Legierungsbestand­ teile eine hohe Wärmeleitzahl und ein möglichst vermindertes spezifisches Gewicht in Be­ zug auf die konventionell im Fäkalienpumpenbau verwendeten Eisenbasislegierungen auf­ weisen.

Besonders bevorzugte Legierungen für das Laufrad sind zinnfreie Kupferlegierungen mit über 70% Kupferanteil. Zinnbronzen, die auch einen hohen Kupfergehalt aufweisen, sind ungeeignet, da die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers von bis zu 396 W/(mK) durch das Legierungselement Zinn auf einen Wert im Bereich des Graugusses vermindert wird. Vor­ teilhafterweise erreichen Messinglegierungen mit über 70% Kupferanteil, Rest Zink, durch­ aus brauchbare Wärmeleitzahlen über 100 W/(mK).

Ein hoher Zinkanteil hat jedoch den Nachteil, daß Ablagerungen aus dem Pumpmedium auf der Oberfläche des Laufrades haften bleiben und damit die Förderleistung beeinträchtigen. Deshalb besteht das Laufrad vorteilhafterweise aus einem Werkstoff, der keine Ablagerun­ gen bindet und damit einen minimalen Zinkanteil aufweist.

Das Laufrad ist vorteilhafterweise erosions- und korrosionsfest, um aggressive Pumpme­ dien zu fördern, ohne die Laufradoberfläche zu schädigen. Ein bevorzugter Legierungs­ satz, der eine Kupfer/Zink-Legierung korrosionsfest und erosionsfest macht, ist Alumini­ um, da es in oxidierender Umgebung, wie Luft, ein schützendes Aluminiumoxid bildet, das relativ inert gegenüber aggressiven Medien bleibt, so daß auch die ätzende Wirkung von Laugen und Säuren vermindert wird.

Vorzugsweise besteht das Laufrad aus einer Aluminiumbronze, die darüber hinaus den Vorteil aufweist, daß sie das spezifische Gewicht des Laufradwerkstoffs gegenüber Zinn­ bronzen erheblich um etwa 15% vermindert. Gleichzeitig wird eine hohe Brinellhärte für das Laufrad verglichen mit Messing oder Zinnbronzen erreicht, so daß die Erosion des Laufrades insbesondere durch sandige Partikel im Pumpmedium gering bleibt. Dauertests zeigen, daß Laufräder aus Aluminiumbronze auch nach mehr als 1000 Betriebsstunden sauber, unverkrustet und metallisch glänzend dem erfindungsgemäßen Pumpenaggregat entnommen werden konnten.

Aluminiumbronzen mit einem Zusatz von Mangan und/oder Nickel sind nicht nur lau­ gen-, säure- und salzwasserfest, sondern auch in ihren Festigkeitseigenschaften vorteilhaf­ terweise Kohlenstoffstählen ebenbürtig. Vorteilhafterweise besteht deshalb das Laufrad aus einem Nichteisenmetall, das Festigkeitseigenschaften in Bezug auf Streckgrenze und Zugfestigkeit im Bereich hochfester Kohlenstoffstähle aufweist. Womit die Erfindung auch Nichteisenmetalle umfaßt, die nicht unter dem Begriff Aluminiumbronze zusam­ mengefaßt werden können.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung besteht das Laufrad aus einer Legierung aus 0,13 bis 0,15 Zn, 3,5 bis 4% Ni, 2 bis 3% Fe, 0,7 bis 0,9% Mn, 9 bis 9,5% Al, Rest Cu. Eine derartige Legierung hat den Vorteil, daß sie als Werkstoff die hohen Anforde­ rungen die die erfindungsgemäße Abwasser- und Fäkalienpumpe an den Laufradwerk­ stoff stellt, voll erfüllt und mit dem kostengünstigen Kokillengußverfahren vorzugsweise zu Pumpenlaufrädern in der erfindungsgemäßen Gestalt vergossen werden kann.

Beim Kokillenguß des Laufrades werden vorzugsweise Ausgleichsmassen für das Lauf­ rad mit eingegossen, so daß vorteilhaft ein nahezu unwuchtfreies Laufrad gefertigt wer­ den kann, das präzise im Pumpengehäuse rotiert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeich­ nung erläutert, wobei mit der einzigen anliegenden Figur ein Längsschnitt durch eine er­ findungsgemäße Abwasser- und Fäkalienpumpe gezeigt wird.

Die Figur zeigt eine Abwasser- und Fäkalienpumpe 1 mit einem vollständig gekapselten Drehstrommotor als Antriebsmotor 14 und einer Pumpeneinrichtung 1, wobei der An­ triebsmotor 14 mit einer Ölfüllung 23 zur Dauerschmierung der Lager 8 und 12 ausge­ stattet ist, und eine Antriebswelle 9 aufweist, die in ein Pumpengehäuse 30, das in dieser Ausführungsform als Spiralgehäuse ausgebildet ist, hineinragt und ein Laufrad 31 direkt antreibt. Das Laufrad 31 ist als wärmeleitendes Bauteil ausgebildet und derart mittels einer Anflanschung 27 mit der Antriebswelle verbunden, daß die Verlustwärme der Mo­ torwicklungen 10 und 11 über die Ölfüllung 23, die Antriebswelle 9, eine Wärmeübertra­ gungsfläche 29 der Anflanschung 27 und über das Laufrad 31 als Wärmeableiter an die Umgebung oder das Pumpenmedium als Wärmesenke abgegeben wird.

Der Elektromotor hat in dieser Ausführungsform eine Leistungsaufnahme von 3 KW von der ein Teil entsprechend seinem Wirkungsgrad und dem Wirkungsgrad der Pumpenein­ richtung 1 in Förderleistung und ein erheblicher Anteil in eine Erwärmung der Wicklun­ gen 10 und 11 umgesetzt wird. Diese Erwärmung der Wicklungen 10 und 11 kann bei nicht ausreichender Kühlung zur Zerstörung des Elektromotors 14 führen. Mit Hilfe ent­ sprechender Thermofühler 15 wird deshalb die Temperatur der Statorwicklung 11 über­ wacht und bei Bedarf der Pumpvorgang durch Abschaltung der Drehstromversorgung über die Zuleitung 17 unterbrochen.

Die Antriebswelle 9 wird mittels Gleitringdichtungen 7 gegenüber dem Pumpenmedium abgedichtet. Als weiteren Schutz des Motors ist eine Kammer 24 zwischen Pumpenein­ richtung 1 und Antriebsmotor 14 angeordnet, die mit Öl gefüllt ist. Der hohe elektrische Widerstand der Ölfüllung der Kammer wird mittels des Sensors 5 überwacht und bei Ab­ fall des Widerstands, beispielsweise verursacht durch Eindringen von Pumpmedium in die Kammer 24 oder bei extremer Konsistenz oder Viskositätsänderung der Ölfüllung in der Kammer wird der Pumpvorgang unterbrochen und die Pumpe kann gewartet werden, ohne daß der Elektromotor beschädigt wurde.

In dieser Ausführungsform ist die Anflanschung 27 als Steckflansch ausgebildet. Er weist eine Paßfedernut auf und steckt in einer paßgenauen zentralen Bohrung des Laufrades 31, so daß das Laufradmaterial den Steckflansch vollständig umschließt und eine angepaßte Wärmeübertragungsfläche ausbildet. Eine Paßfeder stellt schließlich eine formschlüssige Verbindung zwischen Antriebswelle 9 und Laufrad 31, das in diesem Beispiel als archi­ medische Spirale ausgebildet ist, her.

Um einen optimalen Wärmefluß von der Wärmequelle, den Elektromotorwicklungen 10 und 11 zu der Wärmesenke, dem Pumpmedium herzustellen, wird das Laufrad aus hochwärmeleitender Aluminiumbronze in diesem Ausführungsbeispiel ausgeführt. Die hier eingesetzte Aluminiumbronze besteht im wesentlichen aus folgenden Legierungs­ komponenten
0,137 Gew.-% Zn
2,30 Gew.-% Fe
9,02 Gew.-% Al
0,735 Gew.-% Mn
3,91 Gew.-% Ni
Rest Cu
und weist eine Brinellhärte von über 125 auf. Die Zugfestigkeit liegt bei 600 N/mm², die Bruchdehnung liegt bei 20% und die Dichte ist 7,5 g/cm³.

Das Laufrad 31 der Pumpeinrichtung wurde im Kokillengußverfahren hergestellt und beim Kokillenguß wurden Ausgleichsmassen mit eingegossen, so daß nach dem Gießen ohne Nachbearbeitung das Laufrad 31 eine Auswuchtgenauigkeit von +/-20 g aufweist und mittels Nachbearbeitung das Laufrad 31 auf eine Auswuchtgenauigkeit von unter +/-3 g verbessert wird. Diese konstruktiven Merkmale gewährleisten eine hohe Laufruhe des Pumpenaggregats beim Pumpbetrieb.

Die Ausführungsform wurde einem Dauertest mit bis zu 100 000 Schaltzyklen unterwor­ fen. Dazu wird eine Förderhöhe von 9 Metern und eine Förderstrom von 35 m³ während der gesamten Prüfphase eingestellt. Der Dauertest wurde über drei Monate mit einer Fä­ kalienmischung als Pumpmedium durchgeführt. Da die höchsten thermischen Belastun­ gen in der Anlaufphase eines Motors auftreten, wurde die Pumpe im Zyklusbetrieb für jeweils 15 Sekunden eingeschaltet, hochgefahren und für weitere 25 Sekunden ausge­ schaltet. Bei diesem Dauertest hat sich der neue Werkstoff für das Laufrad 31 bewährt. Die erfindungsgemäße Laufradwärmeableitkonstruktion erlaubt eine hohe Garantielauf­ zeit, da alle Eckdaten der erfindungsgemäßen Pumpe wie gleichbleibende Stromaufnahme von 4,3 A, Abweichung vom Rundlauf am äußeren Ende des Kanalrades von maximal 0,15 mm und Durchbiegung der Antriebswelle von unter 0,2 mm, auch nach Abschluß des Dauertestes unverändert blieben und die Pumphöhe und der Förderstrom unverändert eingehalten wurde und sich bei dem Dauertest mit Schaltzyklusbetrieb die Temperatur der Ölfüllung gleichbleibend auf unter 75°C stabilisierte.

Eine visuelle Kontrolle des Laufrades nach dem Dauertest ergab eine völlige Ablage­ rungsfreiheit und keine Korrosions- oder Erosionsspuren. Die an das Pumpmedium wär­ meübertragende Oberfläche des Laufrades 31 war metallisch glänzend und frei von Ver­ krustungen.

Claims (5)

1. Abwasser- und Fäkalienpumpe mit einem Antriebsmotor (14) und einer Pum­ peneinrichtung (1), wobei der Antriebsmotor (14) ein Elektromotor mit Ölfül­ lung zur Dauerschmierung der Lager (8, 12) ist und eine Antriebswelle (9) aufweist, die in ein Pumpengehäuse (30) hineinragt und ein Laufrad (31) di­ rekt antreibt, wobei die Verlustwärme der Motorwicklungen (10, 11) über die Ölfüllung (23) teilweise an das Gehäuse und teilweise an das Pumpenmedium als Wärmesenke über die Antriebswelle (9), eine Wärmeübertragungsfläche (29) einer Anflanschung (27) und über das Laufrad (31) abgegeben wird, da­ durch gekennzeichnet, daß das Laufrad (31) als wärmeleitendes Bauteil aus ei­ ner zinnfreien Kupferlegierung besteht.

2. Abwasser- und Fäkalienpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zinnfreie Kupferlegierung einen Kupferanteil von über 70% aufweist.

3. Abwasser- und Fäkalienpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zinnfreie Kupferlegierung eine Aluminiumbronze ist.

4. Abwasser- und Fäkalienpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumbronze aus 0,13 bis 0,15 Zn, 3,5 bis 4% Ni, 2 bis 3% Fe, 0,7 bis 0,9% Mn, 9 bis 9,5% Al, Rest Cu besteht.

5. Abwasser- und Fäkalienpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Laufrad (31) ein Kokillengußteil mit eingegossenen Ausgleichsmassen ist.