DE19620901C1 - Tauchmotor zum Antrieb einer Kreiselpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Tauchmotor zum Antrieb einer vertikal über dem Motor angeordneten Kreiselpumpe, wobei der Motor gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 ausgebildet ist.

Ein derartiger Tauchmotor ist beispielsweise in der EP-A- 0 346 730 dargestellt und beschrieben. Er treibt eine mehrstufige Kreiselpumpe an und bildet zusammen mit dieser ein Tauchpum­ penaggregat. Der Tauchmotor ist von der Spaltrohrmotorbauart, in dessen Spaltrohrtopf der Rotor auf einer gemeinsamen Welle befestigt ist, auf der auch die Laufradgruppe der Kreiselpumpe montiert ist. Der Rotorraum ist durch einen Lagerschild, der das pumpenseitige Radiallager des Motors für die Abstützung der gemeinsamen Welle trägt, und durch eine Dichtungsausbildung gegenüber dem Pumpensaugraum abgedichtet. Die Dichtungsaus­ bildung umfaßt eine an der Welle anliegende Berührungsdichtung, zum Beispiel eine Lippendichtung, und Volumenausgleichsmittel, zum Beispiel eine Membran, für die im Rotorraum befindliche Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit, die in der Regel ein Glykol-Wasser- Gemisch ist und zur Abfuhr der Motorwärme wie auch als Schmiermittel für die Motorlager dient, läuft in einem geschlosse­ nen Kreislauf um, der aus dem Rotorraum des Motors und dem Hohlraum der gemeinsamen Welle besteht. Derartige Tauchpum­ penaggregate werden häufig in Tiefbrunnen und oft mit hoher Drehzahl betrieben.

Da eine dynamische Dichtung (Berührungsdichtung) nie absolut dichtet, muß im Lauf der Betriebszeit des Tauchpumpenaggregates mit einem Austausch der Flüssigkeit aus dem Rotorraum gegen einen Anteil des Förderstromes gerechnet werden. Dieser Verlust an Flüssigkeit aus dem Rotorraum ist dann nicht nachteilig, wenn Förderflüssigkeit dafür in den Rotorraum gelangt. Wenn jedoch Flüssigkeiten mit darin gelösten Gasen gefördert werden und dann Anteile davon unter Verdrängung der Rotorraumflüssigkeit in den Rotorraum eindringen, ergeben sich Probleme, die größer werden, je mehr das Aggregat im Teillastbereich betrieben wird.

Obwohl das vorstehend beschriebene Tauchpumpenaggregat sich im allgemeinen bewährt hat, führen die Probleme bei der Förde­ rung von Flüssigkeiten, die einen relativ hohen Gasanteil auf­ weisen und insbesondere mit hoher Drehzahl gefördert werden, zu Lagerschäden an dem Tauchmotor, die einen vorzeitigen Ausfall des Tauchpumpenaggregates zur Folge haben. Das Eindringen einer erheblichen Gasmenge, die aus dem Förderstrom im Pum­ pensaugraum frei geworden und zu der Dichtungsstelle an der Motorwelle gedrängt worden ist, in den Rotorraum des Motors unter Verdrängung von Flüssigkeit aus dem Rotorraum scheint die Ursache dafür zu sein.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Tauchmotor der einleitend angeführten Art dahingehend zu verbessern, daß ein Verdrängen der Flüssigkeit aus dem Rotorraum des Motors, ins­ besondere wenn dieser mit hoher Drehzahl betrieben wird, im wesentlichen vermieden ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem Kennzeichen des Patent­ anspruches 1 angegeben.

Es ist überraschenderweise festgestellt worden, daß durch das Vorsehen einer Trennwand zwischen der pumpenseitigen Dich­ tungsausbildung und dem Rotor des Antriebsmotors der Kreisel­ pumpe die Flüssigkeit im Rotorraum im wesentlichen nicht mehr aus diesem Raum entweicht. Dadurch ist ein frühzeitiges Versagen des Motors, welches auf ein Entweichen von Flüssigkeit aus dem Rotorraum und Ersetzen durch einen eingedrungenen Gasanteil aus dem Förderstrom zurückgeführt wird, vermieden. Eine Er­ klärung für diese überraschende Wirkung kann darin gesehen werden, daß durch die Trennwand vor der Dichtungsausbildung ein mit Flüssigkeit aus dem Rotorraum gefüllter Beruhigungsraum geschaffen ist, in dem sich, falls ein gewisser Gasanteil in diesen Beruhigungsraum eingedrungen sein sollte, aufgrund der üblichen senkrechten Einbaulage des Motorpumpenaggregates vor der Dichtungslippe der Dichtungsausbildung unter Mitwirkung der Restflüssigkeit in dem Beruhigungsraum eine Sperre ausbildet. Diese Sperre verhindert, daß die sich in dem Beruhigungsraum befindende Restflüssigkeit, die einer wesentlich geringeren Rota­ tionsgeschwindigkeit unterworfen ist als die Flüssigkeit in dem übrigen Rotorraum des Motors, da sie nur der Drehwirkung der Motorwelle ausgesetzt ist und sich daher unten in dem Beruhi­ gungsraum sammelt, nicht aus dem Beruhigungsraum nach oben entweicht. Die kühlende Flüssigkeit in dem übrigen Rotorraum ist durch die wesentlich stärkere Rotation des Rotors einer Rotation mit hoher Fliehkraftwirkung unterworfen, wodurch sie auch einem entsprechend hohen Verdrängungsdruck aufweist, der jedoch wegen der Trennwand nicht auf die Dichtungsausbildung im Mo­ torwellenbereich wirken kann. Die ständige Schmierung insbeson­ dere des oberen Motorwellenlagers ist dadurch gewährleistet, daß die bekannte Zirkulierung der Flüssigkeit im Rotorraum und in der mit diesem Raum kommunizierenden hohlen Motorwelle zwecks Abführung von Motorwärme aufgrund ausreichend vorhan­ dener Flüssigkeit gesichert ist. Die Motorwelle hat im Bereich des oberen Motorlagers einen Durchbruch, aus dem Spritzflüssigkeit zu diesem Lager gelangt.

Eine bevorzugte Ausbildung der Trennwand besteht darin, daß sie nach Art eines Trichters ausgebildet ist, der sich in Richtung zum Rotor des Motors verjüngt. Hierdurch wird die Tendenz, daß sich die Restflüssigkeit im Betrieb des Tauchmotors im unteren Be­ reich des Beruhigungsraumes sammelt, verstärkt, so daß die vor­ erwähnte Sperrwirkung zum Vermeiden von Flüssigkeitsaustritt aus dem Beruhigungsraum nach oben erleichtert ist.

Ein weiterer Vorteil der Trichterform der Trennwand besteht darin, daß sie eine Gasabscheidewirkung entfaltet. Sollte eine mit Gasanteilen versehene Flüssigkeit in den Beruhigungsraum gelan­ gen, z. B. die Spritzflüssigkeit für die Schmierung des oberen Lagers des Motors, wird der Gasanteil durch die Zyklonwirkung an der geneigten Trichterwand wieder ausgeschieden.

Ein weiteres Ausgestaltungsmerkmal besteht darin, daß der wel­ lenseitige Umfangsbereich der Trennwand einen axialen, rotorsei­ tigen, hülsenförmigen Fortsatz aufweist. Hierdurch wird das Ein­ treten von Flüssigkeit aus dem Rotorraum in den Beruhigungs­ raum erschwert.

Ein noch weiteres Ausgestaltungsmerkmal besteht darin, daß die Trennwand am pumpenseitigen Lagerschild des Motors befestigt ist. Alternativ kann die Trennwand mit dem Lagerschild auch aus einem Stück bestehen. Dadurch ist zusammen mit dem Lagerschild und der genannten, gesamten Dichtungsausbildung eine Baueinheit geschaffen, die montagemäßige Vorteile bietet, da die Trennwand zusammen mit dem Lagerschild und der Dichtungsausbildung in einem Arbeitsgang an dem Motor montiert werden kann.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der anliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen teilweisen Axialschnitt durch ein Tauchmotorpumpenaggregat.

Das in der einzigen Figur nur teilweise dargestellte und allgemein mit 1 bezeichnete Tauchpumpenaggregat ist hauptsächlich so aufgebaut, wie es in der eingangs genannten Druckschrift darge­ stellt und beschrieben ist, so daß zum besseren Verständnis des grundsätzlichen Aufbaues des Aggregates hierauf Bezug genom­ men ist. Vorliegend ist nur eine mit einer Vielzahl von Durch­ brechungen versehene Gehäusewand 2 des Ansaugraumes 3 der Kreiselpumpe 4 gezeigt. An das Gehäuse 2 schließt sich unten ein teilweise dargestellter Tauchmotor 5 an, der in seinem Gehäuse 6 den elektrischen Stator 7 sowie den elektrischen Rotor 8 enthält. Der Rotor 8 ist gegenüber dem Stator 7 durch einen Spaltrohrtopf 9 abgeschirmt. Der durch den Spaltrohrtopf 9 umschlossene Raum 10 ist gegenüber dem Pumpenansaugraum 3 durch eine Dichtungs­ ausbildung 11 abgeschlossen. Die Dichtungsausbildung 11, welche von einer Hohlwelle 12 des Aggregates 1 zentral durchdrungen wird, ist ihrerseits an einem Lagerschild 13 befestigt, der einen radialen Lageraufbau 14 für die Welle 12 trägt und seinerseits pumpenseitig an dem Spaltrohrtopf 9 in geeigneter Weise befestigt ist. Die hohle Pumpenwelle 12 ist in ihrem Inneren in bekannter Weise mit einem zusätzlichen Strömungskanal 15 versehen. Der Rotorraum 10 sowie der Kanal 15 und der übrige Hohlraum der Welle 12 sind mit einer geeigneten Flüssigkeit gefüllt, um zum einen die Motorwärme im Betrieb des Tauchmotors abzuführen und den Lageraufbau 14 sowie das untere, nicht gezeigte Lager des Motors 5 zu schmieren. Hierzu zirkuliert die Flüssigkeit in bekannter Weise gemäß den angegebenen Pfeilen, so daß die Flüssigkeit aus dem Raum 10 über den Kanal 15 in den Kreisel­ pumpenbereich gelangt, dort abgekühlt wird und durch die Hohl­ welle 12 zurück in den Raum 10 strömt.

Die Dichtungsausbildung 11 umfaßt eine Membran 16, die zentral von der Welle 12 durchdrungen wird und am wellenseitigen Um­ fangsrandbereich mit einer Dichtungslippe 17 versehen ist, die mittels einer Ringfeder 18 gegen ein Hülsenverschleißteil 19 der Welle 12 gedrückt wird, um den Ansaugraum 3 der Kreiselpumpe gegenüber dem Rotorraum 10 abzudichten. Die Membran 16 sorgt in üblicher Weise für einen Volumenausgleich, wenn sich die Flüssigkeit in dem Rotorraum 10 erwärmt hat. Hierzu weist der Lagerschild 13 wenigstens eine Durchbrechung 20 auf. Um mecha­ nische Beschädigungen von der Membran 16 fernzuhalten, ist eine Abdeckkappe 21 vorgesehen, die den äußeren Umfangsrand der Membran zusätzlich fest an den Lagerschild 13 anpreßt.

Beispielsweise mit dem Lagerschild 13 ist eine vorzugsweise ge­ schlossenwandige, stationäre, die Motorwelle durchlassende Trenn­ wand 22 verbunden. Hierdurch wird im Rotorraum 10 zusätzlich ein Beruhigungsraum 23 ausgebildet, der sich zwischen dem La­ gerschild 13 und dem Rotor 8 des Motors 5 befindet.

Im gezeigten Beispiel ist die Trennwand 22 nach Art eines Trich­ ters ausgebildet, der sich in Richtung zum Rotor 8 hin verjüngt. Hierdurch ist u. a. eine Zyklonwirkung mit Gasabscheiderwirkung gegeben. Zwischen der hohlen Motorwelle 12 und der Trennwand 22 ist ein gewisses Spiel gelassen, damit u. a. bei der Montage der Trennwand Flüssigkeit aus dem Rotorraum in den Beruhigungs­ raum 23 gelangen kann. Dieses Spiel zwischen der Motorwelle und der Trennwand beträgt etwa das 0,1- bis 0,5fache des äußeren Durchmessers der Motorwelle 12.

Es ist verständlich, daß die Flüssigkeit in dem Rotorraum 10 infolge des rotierenden Rotors 8 mit wesentlich höherer Umfangs­ geschwindigkeit rotiert als diejenige Flüssigkeit, die sich in dem Beruhigungsraum 23 befindet. Die Flüssigkeit in dem Raum 23 ist nur der Rotationsursache der Motorwelle 12 ausgesetzt, die eine wesentlich geringere radiale Ausdehnung aufweist als der Rotor 8. Sollte bei Förderung einer Flüssigkeit mit gelöstem Gasgehalt ein gewisser Anteil des freigewordenen Gasanteiles unter Überwin­ dung der Lippendichtung 17 in den Beruhigungsraum 23 einge­ drungen sein, so wird sich eine Gasblase im oberen Teil des Beruhigungsraumes ausbilden, durch die hindurch keine weitere Flüssigkeit aus dem Beruhigungsraum 23 nach oben herausgedrüc­ kt wird. Der Grund dafür wird darin gesehen, daß die Schwer­ kraftwirkung der in dem Beruhigungsraum 23 verbleibenden Flüs­ sigkeit aufgrund deren relativ geringer Rotationsgeschwindigkeit einer nach oben gerichteten Kraft überwiegt. Dadurch ist ein weiteres Entweichen von Flüssigkeit aus dem Beruhigungsraum 23 nach oben durch die Dichtungsausbildung 11 hindurch vermieden. Somit bleibt die sichere Kühlung des Motors 5 wie auch die Schmierung des unteren Motorlagers und des oberen Motorlagers 14 gesichert. Eine Durchbrechung 24 in der Motorwelle 12 in Höhe des radialen Lagers 14 sorgt für eine ausreichende Spritz­ schmierung des Lagers 14, wenn sich in diesem Bereich eine Luftblase gebildet haben sollte.

Um das Einströmen von Flüssigkeit aus dem verbleibenden Rotor­ raum 10 in den Beruhigungsraum 23 im Betrieb des Aggregates zu erschweren, weist der wellenseitige Umfangsrandbereich der Trennwand einen axialen, rotorseitigen und hülsenförmigen Fort­ satz 25 auf, der zum Rotor 8 hinweist. Hierdurch wird die Ten­ denz gefördert, daß die Flüssigkeit durch die relativ schnelle Rotation des Rotors 8 in den Rotorraum 10 verbleibt. Diese Tendenz ist dann besonders wirksam, wenn der Rotor 8 den Fort­ satz 25 in axialer Richtung wenigstens teilweise überlappt, wie es gezeigt ist.

Im dargestellten Fall ist die Trennwand 22 mit dem Lagerschild 13 fest verbunden. Beide Teile bilden somit eine Baueinheit, durch welche die Montage der Trennwand 22 in dem Rotorraum 10 erleichtert ist. Diese Baueinheit kann auch die Dichtungsaus­ bildung 11 zusammen mit der Abdeckkappe 21 umfassen. Somit ergibt sich insgesamt eine Baueinheit, die sich schnell und kosten­ günstig montieren läßt.

Alternativ kann auch so vorgegangen sein, daß die Trennwand 22 als separates Teil mit dem Spaltrohrtopf 9 verbunden ist. Bei­ spielsweise dadurch, daß die Trennwand 22 pumpenseitig einen radialen Flansch aufweist, der in einen Rezeß des Spaltrohrtopfes 9 eingepaßt ist. Diese Ausbildung ist nicht gezeigt.

Zur Erzielung einer Baueinheit kann auch so vorgegangen werden, daß die Trennwand 22 und der Lagerschild 13 aus einem Stück bestehen.

Vorteilhaft ist der elektrische Antriebsmotor 5 für die Kreisel­ pumpe 4 ein Tauchmotor der Spaltrohrbauart, der vorzugsweise mit hoher Drehzahl betrieben werden kann. Es ist jedoch auch möglich, einen elektrischen Antriebsmotor zu verwenden, der mit einer inneren Flüssigkeitskühlung betrieben wird, wobei dieser Motor jedoch kein Spaltrohr oder keinen Spaltrohrtopf aufweist, so daß in diesem Fall auch der Stator 7 zum größten Teil mit einer Kühlflüssigkeit umspült ist.

Claims (7)

1. Tauchmotor zum Antrieb einer vertikal über dem Motor angeordneten Kreiselpumpe, wobei der Motor in seinem Rotorraum mit einer Flüssigkeit gefüllt und der Rotorraum pumpenseitig mittels einer von der den Rotor des Motors tragenden Motorwelle durchdrungenen Dichtungsausbil­ dung abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotorraum (10) zwischen der Dichtungsausbildung (11) und dem Rotor (8) eine stationäre, die Motorwelle durchlassende Trennwand (22) zur Bildung eines Beruhigungsraumes (23) vor der Dichtungsausbil­ dung vorgesehen ist.

2. Tauchmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (22) nach Art eines Trichters ausgebildet ist, der sich in Richtung zum Rotor (8) des Motors (5) verjüngt.

3. Tauchmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der wellenseitige Umfangsrandbereich der Trennwand (22) einen axialen, rotorseitigen, hülsenförmigen Fortsatz (25) auf­ weist.

4. Tauchmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Spiel zwischen der Motorwelle (12) und der Trennwand (22) das 0,1- bis 0,5fache des Durchmessers der Mo­ torwelle (12) beträgt.

5. Tauchmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (22) am pumpenseitigen Lagerschild (13) des Motors (5) befestigt ist.

6. Tauchmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (22) und der Lagerschild (13) aus einem Stück bestehen.

7. Tauchmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ein mit hoher Drehzahl betreibbarer Spalt­ rohrmotor (5) ist.