DE2611280A1

DE2611280A1 - Rotationsmaschine mit einer vertikalen transmissionswelle

Info

Publication number: DE2611280A1
Application number: DE19762611280
Authority: DE
Inventors: Joel Guidez; Paul Lecouvreur; Jean Roumailhac
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-03-18
Filing date: 1976-03-17
Publication date: 1976-09-30
Also published as: JPS51116402A; NL178203B; DE2611280C2; GB1505791A; BE839495A; ES446146A1; JPS6213517B2; IT1058617B; NL7602526A; CH596467A5; NL178203C

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, DiPL.-PnYs. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE

29, Rue de la Federation,

75752 Paris / Frankreich

Rotationsmaschine mit einer vertikalen Transmissionswelle

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rotationsmaschine mit einer vertikalen Transmissionswelle, deren oberes Ende frei aufgehängt und an deren unterem Ende ein Schaufelrad vorgesehen ist, und mit einem das Schaufelrad umgebenden Gehäuse, in dem ein Ansaugkanal vorgesehen ist, der feste, einen Teil des Gehäuses bildende Radialschaufeln aufweist.

Insbesondere handelt es sich bei einer derartigen Rotationsmaschine um eine Pumpe großer Leistung, die ein flüssiges Kühlmetall in der Kammer eines Kernreaktors für schnelle Neutronen in Zirkulation versetzt.

Pumpen dieser Art, deren rotierende Welle einen beträchtlichen Durchmesser besitzt, weisen gewöhnlich ein hydrostatisches Lager auf, das über einem Pumpen-Schaufelrad angeordnet ist und über einen axial in der Welle vorgesehenen Kanal mit einem strömenden Auftriebsmedium versorgt wird. Dieser Kanal führt das strömende Medium direkt in einen Bereich, in dem der Druck am größten ist. Der Auslaß, durch

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den das strömende Medium aus dem Lager austritt, führt wenigstens teilweise in die Ansaugzone zurück. Eine solche Auslegung führt im Hinblick auf den hydraulischen Betrieb zu dem Nachteil, daß das gepumpte Gut bei seinem Eintritt in den Bereich des Schaufelrades einerseits durch ringförmige Strahlen, die durch das aus dem Lager austretende strömende Medium gebildet werden, und andererseits durch Wegführen von strömendem Medium durch die Welle selbst beträchtlich gestört wird. Die großen Abmessungen des Lagers und des in der Ansaugzone des Schaufelrades befindlichen Teils der Welle prägen dem angesaugten strömenden Medium eine nicht zu vernachlässigende Tangentialkomponente auf, die das Geschwindigkeitsprofil im Eintrittsbereich des Schaufelrades beträchtlich modifiziert. Der Gesamteinfluß dieser beiden Störungen führt zu weniger guten Funktionseigenschaften und macht die Pumpe für Kavitationsphänomene empfindlicher.

Man hat bereits versucht, die Wirksamkeit solcher Lager zu verbessern. Zu diesem Zweck sind schon mehrere Lösungen vorgeschlagen worden. Unter anderem handelt es sich dabei um die Vergrößerung des Durchmessers, der Länge oder dieser beiden Parameter zusammen. Der erste Vorschlag ist wegen der Nähe des Schaufelrades schwer realisierbar, während bei dem zweiten Vorschlag Abweichungen der Lage der Welle relativ zu den festen Teilen des Lagers in Rechnung zu stellen sind, wobei diese Abweichungen um so größer sind, je länger die Welle ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile durch Formgebung der Welle in der Ansaugzone, wodurch das dynamische Verhalten der Strömung des angesaugten strömenden Mediums verbessert wird, durch Vergrößerung der radialen Tragfähigkeit des Lagers und schließlich durch eine einfachere Möglichkeit

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des Zusammenbaus der Pumpe zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei einer Rotationsmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Welle in einem unter dem Schaufelrad vorgesehenen hydrostatischen Lager drehbar gelagert ist und daß zwischen dem Ansaugkanal und dem Schaufelrad ein die Welle koaxial umgebendes auswechselbares Futter vorgesehen ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Futter einen zylindrischen Ring auf, der durch ein Drehstück mit generell zylindrischem, konischem oder konkavem Profil verlängert ist, das in einer Ausnehmung gleicher Gestalt der Welle eingepaßt ist. Dieses Drehstück ist an die Form des hydraulischen Stroms des strömenden Mediums angepaßt, das durch das Schaufelrad der Pumpe über die festen Schaufeln des Ansaugkanals angesaugt wird.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung weist das Drehstück des Futters radiale Rippen auf, die in der Verlängerung der Schaufeln des Ansaugkanals angeordnet sind..

Gemäß einer weiteren Variante sind die radialen Rippen Teil des Ansaugkanals.

Die vorstehend definierten Merkmale ermögü chen eine wesentliche Verbesserung der hydraulischen Eigenschaften der Maschine. Auf Grund der Anordnung des hydrostatischen Lagers unter dem Schaufelrad der Pumpe stellt das Ende der Welle insofern kein Hindernis mehr dar, als dessen Durchmesser nicht mehr durch das Vorhandensein des Ansaugkanals der Pumpe in diesem Bereich begrenzt ist. Die Tragfähigkeit des Lagers kann auf diese Weise

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ohne Vergrößerung seiner Länge wesentlich vergrößert werden, wodurch Schwingungen der Welle eliminierbar sind, die sich auf Grund möglicher Fehlorientierungen gegen die Achse.des Lagers ergeben.

Dieser Aufbau ermöglicht es u.a., zu vermeiden, daß das aus dem Lager austretende strömende Medium den hydraulischen Strom im Ansaugbereich der Pumpe beeinflußt, was zu Störungen in dieser Zone führen kann. Auf Grund des die Welle umgebenden Futters wird die Tangentialkomponente praktisch vollkommen ausgeschaltet, welche sich auf Grund eines Ansaugens von Strömungsfäden durch die Welle selbst ergibt. Die Form des Futters in Höhe des hydraulischen Stromes und das mögliche Vorhandensein von die Schaufeln des Ansaugkanals verlängernden Rippen stellen eine regelmäßige und fortschreitende Einhüllung des strömenden Mediums ohne Gefahr lokaler Störungen sicher.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Ausführungsform einer Pumpe mit vertikaler Welle;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe mit vertikaler Welle;

Fig. 3 einen teilweise geschnittenen Aufriß eines hydrostatischen Lagers am unteren Ende einer Welle unter einem Schaufelrad der Pumpe; und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Teils des Lagers nach Fig. 3.

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Gemäß Fig. 1 ist ein Schaufelrad 1 einer Pumpe bekannten Typs am Ende einer vertikalen Transmissionswelle 2 montiert, welche sich in zwei Lagern dreht. Eines dieser Lager, das ein oberes Widerlager bildet, ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Ein zweites, als hydrostatisches Lager ausgebildetes Lager 3 ist über dem Schaufelrad 1 im unteren Teil der Welle vorgesehen, um deren Zentrierung sicherzustellen.

Das das Lager 3 speisende strömende Medium entspricht dem durch die Pumpe angesaugten strömenden Medium; die Pumpe dient dabei speziell zur Gewährleistung der Zirkulation eines flüssigen Metalls, beispielsweise Sodium, in der Kammer eines Kernreaktors für schnelle Neutronen. Das strömende Medium wird durch die Bewegung von Schaufeln 1a des Schaufelrades 1 durch einen Ansaugkanal 4 angesaugt, der in einem das Schaufelrad umgebenden festen Gehäuse 5 ausgebildet ist. Der Ansaugkanal umfaßt in gebräuchlicher Weise eine Folge von zweckmäßig ausgebildeten Schaufeln 4a, die radial gegen die sich drehende Welle 2 gerichtet sind. Die Strömungsrichtung des strömenden Mediums im Ansaugkanal 4 und sodann im Schaufelrad 1 der Pumpe ist schematisch durch einen Pfeil F^ angedeutet.

Das Lager 3 wird mittels eines Kanals 2a in der Achse der Welle 2 aus dem Strömungskreis des Schaufelrades 1 der Pumpe mit einem strömenden Medium versorgt, wobei die Strömungsrichtung des Strömungsmediums durch einen Pfeil Fp angedeutet ist. Unter diesen Bedingungen besitzt das aus dem Lager 3 austretende strömende Medium die Form von ringförmigen Strahlen in Richtung der Pfeile F, und F^. Das aus dem unteren Teil des Lagers austretende strömende Medium, das durch den Pfeil F^, bezeichnet ist, erzeugt auf seinem Strömungsweg im hydraulischen Strom eine

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Turbulenz, welche mit zunehmenden Abmessungen der Welle und des Lagers immer größer wird. Darüber hinaus führt die Anordnung des Lagers 3 über dem Schaufelrad notwendigerweise zu einer Begrenzung der diametralen Abmessungen des Lagers, da sich der Ansaugkanal im Bereich dieses Lagers befindet.

Die Anordnung des Lagers unter dem Schaufelrad sowie die Ausgestaltung der Welle im Sinne der Erfindung ermöglichen die Vermeidung der mit der bekannten Technik verbundenen Nachteile. Wie Fig. 2 zeigt, ist die Welle 2 so montiert, daß sich ein Lager 30, in dem sich deren unteres Ende dreht, unter dem Schaufelrad 1 angeordnet ist. Darüber hinaus ist die Welle 2 von einem auswechselbaren Lager

6 umgeben, das zur Erleichterung der Montage aus zwei Teilen bestehen kann. Ein oberer Teil 6a dieses Futters wird durch einen die Welle umgebenden zylindrischen Ring gebildet, während ein diesen zylindrischen Ring nach unten verlängernder Teil 6b durch ein Drehstück gebildet wird, dessen Profil konisch zylindrisch oder konkav ausgebildet ist, so daß sein äußeres die Form der hydraulischen Strömung auf der Ausgangsseite der Schaufeln 4a des Ansaugkanals 4 annimmt. Dabei besitzt auch die Welle 2 im Bereich des .Teils 6b ein gekrümmtes Profil 2b, das gegenüber dem Futter ein begrenztes Spiel

7 besitzt. In vorteilhafter Weise besitzt der Teil 6b des Futters 6 gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung an seiner Außenfläche im Bereich des Ansaugkanals der Pumpe mehrere Rippen 6c, welche in bezug auf die Welle radial angeordnet sind und die Schaufeln 4a des Ansaugkanals verlängert, so daß hinsichtlich dieser Schaufeln im Eintrittsbereich des Schaufelrades der Pumpe eine Kontinuität gewährleistet ist. Die Welle 2 besitzt ebenfalls eine vom rail 6b umgebene kreisförmige Gestalt, wobei die Rippen 6c eine Reduzierung der

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Fehlorientierung der Schaufeln 4a des Ansaugkanals ermöglichen, da diese Schaufeln keinen Angriffspunkt in Längsrichtung der Welle finden. Daraus resultiert eine Erhöhung des Widerstandes dieser Teile gegen Vibrationen. Da die Länge der Rippen 6c des Teils 6b größer als deren Breite ist, gestaltet sich ihre' Realisierbarkeit auch leichter.

Die Anordnung des hydrostatischen Lagers 30 im Sinne der Erfindung unter dem Schaufelrad 1 der Pumpe gewährleistet, daß die Querabmessungen dieses Lagers nicht mehr durch das Vorhandensein des Ansaugkanals begrenzt werden, wie dies bei bekannten Lösungen der Fall ist. Unter diesen Bedingungen ermöglicht der zur Sicherstellung der radialen Tragfähigkeit des Lagers 30 zur Verfügung stehende Druck die Erzeugung eines Drucks auf der Ausgangsseite des Verteilers der Pumpe, dem sich ein zusätzlicher Druck auf Grund eines Zentrifugaleffektes durch das Lager selbst hinzuaddiert, wobei sich das Lager wie eine Zentrifugalpumpe verhält. Dieser Zentrifugaleffekt trägt bei sonst gleichbleibenden Bedingungen als Funktion des Durchmessers des Lagers zu einer Verbesserung der Wirkungsweise bei.

Es sei hier in Erinnerung gerufen, daß die Tragfähigkeit eines hydrostatischen Lagers durch folgende Gleichung gegeben ist:

F = K · P · L . D - e

Darin bedeuten:

P der Speisedruck in Höhe des Lagers, L die Höhe des Lagers, D der Durchmesser des Lagers, e die zulässige Exzentrizität des Lagers und K einen Tragfähigkeitskoeffizienten, welcher von der Geometrie des Lagers abhängt .

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Die vorstehende Formel zeigt, daß die Tragfähigkeit gemäß der Erfindung verbessert werden kann, wenn speziell der Durchmesser und der Druck vergrößert werden.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung trägt diesen Bedingungen Rechnung. Das Lager 30 besitzt einen zylindrischen Rotor 8, welcher mittels einer auf dem Ende der Welle 2 vorgesehenen Zwinge 2c im Gehäuse 5 zentriert ist. Die Anordnung wird durch an sich bekannte Mittel, wie einen Flansch 10, eine Unterlegscheibe 12 und eine Mutter 14 zusammengehalten. Der Rotor 8 besitzt eine Seitenfläche 8a sowie Radialflächen 8b und 8c. Sin einen Teil des Gehäuses 5 bildender Stator 16 ist mit einer eine Lauffläche bildenden Bohrung 16a versehen, welche konzentrisch zur Seitenfläche 8a angeordnet ist, wobei jedoch ein Radialspiel 20 verbleibt. In der Seitenwand des Stators 16 vorgesehene Austrittsöffnungen 22 ermöglichen einen nach oben gerichteten Austritt des strömenden Mediums aus dem Lager durch einen Kanal 28, welcher in den (nicht dargestellten) Unterdruckkreis der Pumpe führt. Das nach unten strömende Medium wird direkt in diesen Kreis eingeleitet.

Der Rotor 8 (Fig. 3 und 4) umfaßt weiterhin ein auswechselbares Zentrifugalrad 24. In diesem Zentrifugalrad sind Kanäle 24a vorgesehen, welche einerseits mit einer axial offenen Kammer 24b und andererseits mit Zellen 24c in Verbindung stehen, welche In gleichen Abständen in der Seitenfläche 8a des Lagers vorgesehen sind. Durch einen zur Öffnung der Kammer 24b zentrierten axialen Kanal 26 wird das strömende Medium aus dem Hochdruckkreis der Pumpe zugeführt. Die Kanäle 24a münden über Düsen 24d In die Zellen 24c, wodurch der optimale Druckwert des strömenden Mediums im freien Raum 20 zwischen dem Rotor 8 und dem Stator 16 einstellbar ist. Die Kanäle 24a sind tangential zur Kammer 24b angeordnet.

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Die Düsen 24d bestimmen wenigstens zum Teil auch den Koeffizienten K der Tragfähigkeit des Lagers. Die Zellen 24c besitzen einen rechteckigen offenen Querschnitt und eine geringe Tiefe, wobei der Koeffizient K und der Minimalwert des strömenden Mediums im Lager ebenfalls durch diese Geometrie der Zellen und der Abmessung von deren Längsrand bestimmt werden.

Die Zellen 24c stehen mit den Radialflächen 8b und 8c des Rotors 8 über zwei Kanäle 24f und 24g in Verbindung, welche in einer Mantellinie der Seitenfläche 8a und jeweils in einem Längsrand des offenen Teils der entsprechenden Zelle angeordnet sind. Die einen Teil des Rotors 8 bildenden Kanäle 24f und 24d münden in die Radialflächen 8b und 8c und erleichtern eine Abführung von festen Teilchen, welche möglicherweise in die Zellen 24c eindringen können.

In der Seitenfläche 8a sind weiterhin Austrittsnuten 24h vorgesehen, welche einen Teil des Austrittsbereiches des Lagers 30 bilden und welche in gleichen Abständen zwischen den Zellen 24c verteilt sind. Bei dem in Rede stehenden Ausführungsbeispiel werden diese Nuten durch einen Kanal 24i mit fast geschlossenem kreisförmigen Querschnitt gebildet, derüber einen Längsspalt 24j in die Seitenfläche 8a mündet. Das unter Druck in die Düsen 24d verteilte strömende Medium ergießt sich daher durch den offenen Teil der Zellen 24c in den Raum 20 und gewährleistet den gewünschten Effekt der radialen Tragfähigkeit zwischen dem Rotor 8 und dem Stator 16. Der Austritt des strömenden Mediums erfolgt aus dem Lager 30 nach oben durch die Austrittsöffnungen 22 und den Kanal 28 in den Niederdruckkreis der Pumpe. Das unter Druck stehende strömende Medium im Raum 20 zentriert das freie Ende der Welle 2 und ver-

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bessert deren Drehverhalten beim Betrieb der Pumpe durch Vermeidung eines Kontaktes zwischen dem Rotor und dem Stator.

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Claims

Patentansprüche

11.)Rotationsmaschine mit einer vertikalen Transmissionswelle, deren oberes Ende frei aufgehängt und an deren unterem Ende ein Schaufelrad vorgesehen ist, und mit einem das Schaufelrad umgebenden Gehäuse, in dem ein Ansaugkanal vorgesehen ist, der feste, einen Teil des Gehäuses bildende Radialschaufeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) in einem unter dem Schaufelrad (1) vorgesehenen hydrostatischen Lager (30) drehbar gelagert ist und daß zwischen dem Ansaugkanal (4) und dem Schaufelrad (1) ein die Welle (2) koaxial umgebendes auswechselbares Futter (6) vorgesehen ist.
2. Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Futter (6) einen zylindrischen Ring (6a) aufweist, der durch ein Drelistücl: ;6b) mit generell zylindrischem, konisches oder konkavem Profil verlängert ist, das in einer Ausnehmung gleicher Gestalt der Welle (2) eingepaßt ist.
3. Rotationsmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehstück (6b) des Futters (6) radiale Rippen (6c) aufweist, die in der Verlängerung der Schaufeln (4a) des Ansaugkanals (4) angeordnet sind.
4. Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Rippen (6c) Teil des Ansaugkanals (4) sind.
5. Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da-, durch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des über dem

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Schaufelrad (1) montierten Lagers (30) größer als der Durchmesser der Welle (2) in Höhe des Futters (6) ist.
6. Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (30) einen Rotor (8) in Form eines Zentrifugalrades besitzt, der axiale Durchlässe bildende Kanäle und in seiner Seitenfläche vorgesehene Zellen besitzt.

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