DE2163256A1

DE2163256A1 - Stroemungsmaschine, insbesondere turbopumpe, oder durchstroemmengemesseinrichtung fuer ein aggressives, radioaktives oder reinzuhaltendes stroemungsmittel

Info

Publication number: DE2163256A1
Application number: DE2163256A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Phys Dr Rer N Bloch; Gerhard Dipl Phys Dr Isenberg; Wolfgang Dipl Ing Tuzinski
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1971-12-20
Publication date: 1973-07-26
Also published as: GB1413835A; US3938913A; JPS4870103A; IT971852B; FR2165633A5

Description

MASCHINENFABRIK AUGSBUfiG-NÜRNBERG

Aktiengesellschaft 2163258

München, den 17. Dezember 1971

Strömungsmaschine, insbesondere Turbopumpe, oder Durchströmmengenmeßeinrichtung für ein aggressives, radioaktives oder reinzuhaltendes Strömungsmittel

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmaschine, insbesondere Turbopumpe,oder Durchströmmengenmeßeinrichtung mit einem Läufer, der von einem aggressiven, radioaktiven oder reinzuhaltenden Strömungsmittel durchströmbar und im Innenraum des Gehäuses der Maschine radialgelagert ist. Dieser Läufer ist meist über sein radial äußerstes Umfangsgebiet radialgelagert. Bei dem aggressiven Strömungsmittel kann es sich z.B. um eine Säure oder um eines für die chemische oder die Arzneimittel-Industrie handeln, wo oft extrem reine Strömungsmittel gefördert werden müssen.

Es sind Turboarbeitsmaschinen dieser Art bekannt, bei denen der im Betrieb von einem solchen Strömungsmittel durchströmte Durchströmraum der Maschine oder eine mit ihm verbundene Läuferaxialbohrung mit dem Lagerspalt oder den Lagerspalten der Eadialiagerung in Verbindung steht und dieses Strömungsmittel als

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LagerSchmiermittel dient. Nachteilig ist hierbei, daß ein solches Strömungsmittel sehr oft als Lagerschmiermittel schon allgemein nicht, zumindest aber sehr oft für das betreffende Lager oder dessen Laufflächenwerkstoff nicht geeignet ist. Z.B. werden viele Laufflächenwerkstoffe von bestimmten aggressiven Strömungsmitteln angegriffen.

Bekannt ist ferner ein senkrecht angeordneter Rotor, der von einem am oberen Ende desselben angeordneten Zugmagneten gehalten k bzw. axialgelagert ist.

Aufgabe der Erfindung ist, von der Verwendung des genannten Strömungsmittels als Lagerschmiermittel abzukommen, aber auch zu verhindern, daß eine Dichtung zwischen Lagerspalt und genanntem Durchströmraum angeordnet sein muß, um eine gegenseitige Berührung oder Vermischung des Strömungsmittels und eines Lagerschmiermittels oder eine Berührung eines Lager1aufflächenwerkstoffs seitens des genannten Strömungsmittels zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die genannte Kadiallagerung mittels einer magnetischen Vorrichtung berührungsfrei ist. Das genannte Strömungsmittel wird hier nicht als Schmiermittel verwendet. Die Lagereigenschaften sind unabhängig von den Eigenschaften des genannten Strömungsmittels. Lagerschmiermittel, z.B. - flüssigkeit, entfällt überhaupt. Lagerlaufflächenwerkstoff ist, da die Lagerung berührungs-, reibungs- und verschleißfrei ist, nicht vorgesehen, kann also

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vom Strömungsmittel.nicht angegriffen werden. Des weiteren ist eine genannte Dichtung nicht notwendig, so daß diesbezügliche Dichtprobleme entfallen. Eine gegenseitige Berührung oder Vermischung eines genannten Strömungsmittels und eines Lagerschmiermiitels, z.B. eines Lageröls, kann nicht erfolgen; Verunreinigungen eines dieser beiden Medien durch das andere, gegenseitige Verunreinigungen oder gegenseitige chemische !Reaktionen sind nicht möglich. Das aggressive, radioaktive oder reinzuhaltende Strömungsmittel darf im Lagerspalt vorhanden sein oder diesen durchströmen. Es braucht nicht vom Lagerspalt ferngehalten zu werden. Die Lauferlagerung ist auch wartungsfrei,

Das Gehäuse der Maschine kann bis auf die Zuströmung und die Abströmung des aggresiven oder dgl. Strömungsmittels nach außen abgeschlossen sein. Läuferwellendurchführungen durch das Gehäuse zu Außenlagern können entfallen«. Auch diesbezügliche Lichtprobleme treten dann nicht auf. Da eine zentrale Läuferwelle entfallen kann, steht bei läuferaxialer Einströmung in den Läufer ein größerer Einströmquerschnitt zur Verfügung, was insbesondere bei Turboarbeitsmaschinen günstig ist.

Die Strömungsmaschine gemäß der Erfindung ist meist eine Turboar-beitsmaschine, insbesondere eine Turbopumpe, oder eine Turbine. Dabei kann es sich um eine Axialturbomaschine, Teilaxial- oder Teilradialturbomaschine oder Radialturbomaschine handeln.

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Die Strömungsmaschine gemäß der Erfindung kann auch eine Schraubenpumpe sein.

Die Strömungsmaschine gemäß der Erfindung kann auch als Strömungseinrichtung zur Messung der Durchströmmenge eines aggressiven, radioaktiven oder reinzuhaltenden Strömungsmittels über eine insbesondere induktive Messung der Drehzahl des durchströmten Läufers ausgeführt sein. Diese Drehzahl ist ein Maß für diese Durchflußmenge. Hierbei werden ebenfalls die

^ genannten Vorteile erzielt. Außerdem ist die Funktion der Dreh-

zahl unabhängig von einer sich mit der Drehzahl ändernden Lagerreibung, da Lagerreibung nicht vorhanden ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Strömungsmaschine gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt dargestellt. Es handelt sich um eine Axialturbopumpe.

Der horizontal gelegene Läufer Io der Pumpe, der von einem elektrischen Asynchronmotor (Käfigläufermotor) mit einem mit

* dem Läufer 1o umlaufenden Rotor 11 und einem Stator 12 ange-

ist
trieben ist,/von feststehenden Elektromagneten 13 und 14 umgeben. Diese und der Stator 12 sind, was nicht dargestellt ist, von einem läuferkoaxialen, hohl zylindrischen Mittelteil des Gehäuses der Pumpe umgeben, welches Mittelteil sich axial über etwa die ganze Länge des Läufers 1o erstreckt und über seine Axial enden im Außenumfangsbereich von Stirnwänden 15 und 16 eines Einströmstutzens 17 und eines Ausströmstutzens 18 des

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Gehäuses mit diesen Stutzen 17 und 18 axial verschraubt ist. Der Läufer 1o besteht im wesentlichen aus zwei axial aufeinander folgenden, hohlzylindrischen, miteinander axial verspannten Eingteilen 19 und 2o, einem aus Laufschaufeln 21 bestehenden Schaufelkranz und einem !"ührungskörper 22, wobei der Läufer-Ringteil 2o, der iiüirungskörper 22 und die Laufschaufeln 21 miteinander eine feste Einheit bilden, und zwei ringförmigen, koaxialen Blechpaketen 23 und 24-, wobei die Läufer-Ringteile und 2o über diese Blechpakete 23 und 24 und den Rotor 11 mittels zweier SpaSringe 25 und 26 und Axialschrauben 27 miteinander axial verspannt sind. Der Einströmstutzen 17 weist einen aus feststehenden Leitschaufeln 38 bestehenden Schaufelkranz und einen Pührungskörper 39 auf. Die Durchströmrichtung des aggressiven oder dgl. Strömungsmittels durch den Pumpendurchströmraum ist durch den Pfeil 4o gekennzeichnet.

Die Elektromagneten 13 und 14- sind Jeweils über 36o° gleichmäßig verteilt angeordnet, und es sind in diesem Sinne jeweils mindestens drei, insbesondere vier, vorgesehen. Einer oder mehrere davon ist bzw. sind im oberen Bereich vorgesehen, um das Läufergewicht zu halten. Die Elektr©magnete 13 und 14-sind, wie die Sehraffüren 35 und 36 andeuten, im genannten Pumpengehäusemittelteil festgelegt, was auch für den Stator gilt (siehe die Schraffur 37)· Die Elektromagneten 13 und 14 und die Blechpakete 23 und 24- bilden eine magnetische Vorrichtung, mittels der der Läufer 1o berührungsfrei gelagert ist.

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Jeder der Elektromagente 11 und 12 besteht im wesentlichen aus einem u-förmigen Blechpaket 28, wobei die U-Schenkel 29 in Umfangsrichtung aufeinander-folgen, und einer Wicklung 3o um dieses Blechpaket 28. Ein koaxialer, dünnwandiger Hohlzylinder 31, der am Einströmstutzen 17 und am Ausströmstutzen zentriert ist, dient u.a. dem Schutz der Elektromagneten 13 und 14 und des Stators 12 vor dem äggresiven oder dgl. Strömungsmittel. Wie der Pumpenlängsschnitt zeigt, verlaufen die Polschuhflächen 41 bzw. 42, der Hohlzylinder 31 im Bereich der- ^ . selben und der Außenumfang des Blechpaketes 23 bzw. 24 schräg zur Achse 32 des Läufers 1o und parallel zueinander. Die betreffenden Kegelteile des HohlZylinders 31 befinden sich dicht an den Polschuhflächen 41 bzw. 42, und ein zylindrischer Mittelteil des Hohlzylinders 31 befindet sich dicht am Innenumfang des Stators 12.

Zwischen den Kegelteilen und dem zylindrischen Mittelteil des Hohlzylinders 31 einerseits und den Außenumfängen der Blechpakete 23 und 24 und dem dazwischen zylindrischen Außenumfang ™ des Läufers 1o mit Eotor 11 andererseits sind miteinander in Verbindung stehende Ringspalte 33, 34 und 43 und Berührungs-■freiheit vorhanden. Die betreffenden 1auferachssenkrecht en Spaltbreiten liegen z.B. in der Größenordnung von etwa 1 mm. Die berührungsfreie Lagerung, also die Lage des Läufers 1o, in der die genannte Breite des Singspaltes 33 bzw. 34 jeweils über 36o° zumindest etwa überall gleich groß ist, ist dadurch erzielt, daß jede Wicklung der Elektromagneten 13 und 14 für sich

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stromdurchflossen ist und dabei die Wicklungen der im oberen Bereich angeordneten Elektromagneten 13 und 14 stärker stromdurchflossen sind. Durch diese Stromflüsse sind über 36o° gleichmäßig verteilt feststehende elektromagnetische Zugfelder (magnetische Kreise) vorhanden, die den jeweiligen Elektromagneten 13 bzw. 14- und das Blechpaket 23 bzw. 24 durchdringen. Die entsprechenden magnetischen Zugkräfte halten den Läufer 1o in der genannten Lage.

Dadurch, daß die Eingspalte 33 und 34 nicht läuferachsparallel, sondern entgegengesetzt keglig verlaufen, ist der Läufer nicht nur radial festgelegt bzw. -gelagert, sondern auch nach beiden Seiten axial festgelegt bzw. -gelagert, da die magnetischen Kräfte, die senkrecht auf jede PoIschuhflache 41 und 42 wirken, jeweils eine Radialkomponente und eine ibcialkomponente haben und die Axialkomponenten bei den PoIschuhflachen 41 und die bei den Polschuhflächen 42 entgegengesetzt gerichtet sind. Die Größe der Kegelöffnungswinkel hängt vom Verhältnis der radialen zu den axialen Kräften ab (u.a. Läufergewicht und auf den Läufer wirkender, vom Strömungsmittel herrührender Axialschub). Durch Vorsehen eines einzigen kegelig verlaufenden Eingspaltes oder zweier entgegengesetzt kegelig verlaufender Eingspalte (33 iuid 34) ist jede beliebige Lage der Läuferachse (32) im Raum, insbesondere die horizontale Lage, möglich.

Ein genaues Mittighalten und/oder ein Unwuchtausgleich oder dgl. der Läuferachse 32 bzw. des Läufers 1o kann z.B. über eine

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Einrichtung zur induktiven oder kapazitiven, berührungslosen Spaltmessung erfolgen, wobei die Spaltmeßergebnisse in eine Elektronik eingegeben werden, die die Zugkräfte der Elektromagnet e 13 und 14 regelt.

Bei der Strömungsmaschine gemäß der Erfindung sind zwischen Läufer und feststehendem Teil der Pumpe keine elektrischen Zuführungen und Abführungen vorhanden. - Anstelle des genannten Asynchronmotors kann auch ein Hysteresemotor vorgesehen sein, dessen Antrieb z.B. im feststehenden Teil der Pumpe, den Läufer " an einem Ende umgebend, angeordnet ist und dessen Antriebsscheibe als Eing auf diesem Läuferende z.B. in einer radialen Läuferringnut sitzt. - Ein Lagerspalt einer Lagerung gemäß der Erfindung kann bei einer Radial turbomaschine, insbesondere -arbeitsmaschine axial neben einem Laufschaufelaustritt angeordnet sein. - Wenn notwendig, können alle Teile der Maschine, die im Betrieb mit dem aggressiven oder dgl. Strömungsmittel in Berührung kommen, mit einem Schutzüberzug, z.B. aus Teflon, Glas oder dgl. versehen sein.

Der genannte Durchflußmengenmesser kann wie die beschriebene Axialpumpe ausgeführt sein, nur daß der Antriebsmotor (11, 12) wegfält und der Leitschaufelkranz und der zu ihm gehörige Führimgskörper (39) wegfallen kann« Die Laufschaufeln, über die hier der Läufer durch das strömende aggressive oder dgl. Strömungsmittel in Drehung versetzt wird, haben meist eine diesen Verhältnissen entsprechende Form, die enders ist als im Falle der Axialpumpe. 309830/0050

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Claims

München, den 17· Dezember 1971

Patentanspruch

Strömungsmaschine, insbesondere Turbopumpe, oder Durchströmmengenmeßeinrichtung mit einem Läufer, der von einem aggressiven, radioaktiven oder reinzuhaltenden Strömungsmittel durchströmbar und im Innenraum des Gehäuses der Maschine radialgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Radiallagerung mittels einer magnetischen Vorrichtung (11, 23; 12, 24) berührungsfrei ist (Ringspalte 33» 34-).

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