DE2733631A1

DE2733631A1 - Kreiselpumpe

Info

Publication number: DE2733631A1
Application number: DE19772733631
Authority: DE
Inventors: Roland Dr Rer Nat Kraemer
Original assignee: HERMETIC PUMPEN GmbH
Current assignee: HERMETIC PUMPEN GmbH
Priority date: 1977-07-26
Filing date: 1977-07-26
Publication date: 1979-02-08

Description

Kreiselpumpe

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, deren Pumpenrotor zumindest ein wenigstens teilweise radial orientiertes Laufrad aufweist, das mit seinem Radialteil den ihn umgebenden Radraum des Pumpengehäuses in zwei im wesentlichen voneinander getrennte Rad-Seitenräume aufteilt.

An Laufrädern von Kreiselpumpen treten bekanntermaßen Axialkräfte auf, die u.a. von der unterschiedlichen Druckbeaufschlagung der Laufraddeckscheiben sowie von der Umlenkung des Förderstromes von der axialen in die radiale Richtung herrühren. Zum Ausgleich dieses Axialschubes hat man z.B. bereits druck- und saugseitige Dichtringe sowie Entlastungsbohrungen bei diesen Laufrädern vorgesehen.

In der Praxis hat es sich gezeigt, daß die auftretenden Axialschübe dieser Pumpen häufig stark variieren, wobei als Einflußgrössen insbesondere die Radseitenraumgeometrie, die radiale Radseitenraumströmung, die Spalte zwischen Peripherie des Laufrades und dem Pumpengehäuse, sowie die Axiallage des Laufrades gegenüber dem Pumpengehäuse eine wesentliche Rolle spielen.

Außerdem ist bekannt, daß geringe axiale Verschiebungen des Laufrades im Gehäuse den Axialschub/beeinflussen. Toleranzen in den Schleifringen sowie unterschiedliche Wandrauigkeiten des Pumpengehäuses beeinflussen die Winkelgeschwindigkeit des Radseitenraumwirbels und somit den auf die Laufraddeckscheibe lastenden statischen Druck. Die vorerwähnten Störgrößen können insbesondere bei mehrstufigen Pumpen zu erheblichen Axialschüben führen, die durch

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entsprechend dimensionierte Axiallager aufgenommen werden müssen. Maßnahmen dieser Art führen in nachteiliger Weise zu einem vergleichsweise großen konstruktiven Aufwand und damit zu einer Verteuerung der Pumpe insgesamt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche die vorerwähnten Nachteile vermeidet und bei der insbesondere auch durch einen vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand ein wirkungsvoller Axialschubausgleich innerhalb der Pumpe selbst möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere vorgeschlagen, daß wenigstens die zu einem Laufrad des axial verschiebbar gelagerten Pumpenrotors gehörigen Radseitenräume

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als mit dessen Radialteil zusammenwirkender Axialschub-Ausgleichsraum ausgebiüet ist, der sich an seinem radial äusseren Ende mit dem benachbarten Druckstutzen in Flüssigkeitsverbindung befindet und dessen radial inneres Ende in einer, im Sinne eines Axialschubausgleiche mittels der Axialver Schiebung des Pumpenrotors gesteuerten Flüssigkeitsverbindung mit dem Schaufelkanal steht.

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme kann auch bei unter schiedlichen Betriebsbedingungen und auf einfache Weise ein wirksamer Axialschubausgleich erreicht werden. Dabei ist auch vorteilhaft, daß der Axialschubausgleich innerhalb der Pumpe selbst erfolgt, so daß man in der Wahl des Antriebsmotors frei ist. Auch bei mehrstufigen Kreiselpumpen kann durch die erfindungsgemSße Einrichtung der dabei auftretende Axialschub ausgeglichen werden, wobei in Anpassung an die auftretenden'Schubkräfte auch mehrere, gegebenenfalls alle Schaufelräder eine erfindungsgemäße Schubausgleichseinrichtung aufweisen können.

Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Radseitenräume etwa von der druckseitigen Mündung des Laufrades bis in die Nähe der Nabe, wobei vorzugsweise unmittelbar neben der Nabe als Verbin dung zu einem Bereich niedrigeren Druckes Verbindungslöcher zu dem inneren Schaufelkanal vorgesehen sind. Die zwischen den bei der druckspitigen Mündung des Laufrades vorgesehenen Flüs sigkeitsverbindungen und den nabenseitigen Verbindungslöchern befindlichen Seitenflächen des Laufrades stehen somit für einen Axialschubausgleich zur Verfügung. Durch diese vergleichsweise großenDruckausgleichsflächen genügen bereits geringe Druckdifferenzen um relativ große Rückstellkräfte zu erzeugen.

In weiterer Ausbildung er Erfindung sind die Verbindungslöcher etwa axial angeordnet und stehen mit ihren äußeren Mündungen etwa parallel zu deren Mündungsebene verlaufenden Gehäuseflächen gegenüber, welche die Mündungen zumindest mit geringem Abstand überdecken. Bei einer axialen Verschiebung des Pumpenro-

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tors verändert sich der Abstand der Mündungsebenen zu den gegenüberstehenden Gehäuseflächen, so daß die Mündung der Verbindungslöcher mehr oder weniger verdeckt wird. Daraus resultiert eine von der Pumpenrotorlage abhängige Drosselfunktion für die von der Druckseite über die Radseitenräu me und die Verbindungslöcher in den Laufradkanal strömende Flüssigkeit. Eine entsprechende Druckveränderung in den Radseitenräumen ist die Folge davon.

Vorteilhafterweise Ht die Verbindung des Radseitenraumes jeweils zu dem Druckraum durch einen Drossel-Spalt zwischen der äusseren Laufradstirnseite und einem diesem gegenüberliegenden, etwa axial orientierten Gehäuseabsatz gebildet. Durch eine derartig ausgebildete Flüssigkeitsverbindung wird bei einer axialen Verschiebung des Pumpenrotors eine wesentliche Veränderung des druckseitigen Zutrittsquerschnittes in die Radseitenräume vermieden, so daß eine unerwünschte Druckbeeinflussung in diesem Bereich unterbleibt.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Eine zum Teil im Längsschnitt gehaltene, mehrstufige Kreiselpumpe mit Antriebsmotor,

Fig. 2 eine einstufige Kreiselpumpe im Längsschnitt und

Fig. 2a

und 2b Druckdiagramme der beiden Radseitenräume.

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Ein in Fig. 1 gezeigtes Motor-Pumpenaggregat 1 weist eine mehrstufige Kreiselpumpe 2 sowie einen Antriebsmotor 3 auf. Der Pumpeneinlaß äst dabei mit ¹I und der Pumpenauslaß mit 5 bezeichnet. In dem Pumpengehäuse 6 kann ein oder, wie im Ausführungsbeispiel,mehrere Pumpenlaufräder 8 angeordnet sein, die zusammen mit der Welle 7 den Pumpenrotor 9 bilden. Der Pumpenrotor 9 weist in an sich bekannter Weise ein Axialspiel auf. Durch die Trennlinien zwischen den beiden Laufrädern 8,8a ist angedeutet, daß sich zwischen diesen dargestellten Laufrädern noch weitere Laufräder befinden können.

Die Laufräder 8 weisen einen etwa radial orientierten Teil 10 mit einer zu dem Druckstutzen 12 gewandten Mündung 13 auf, der den ihn umgebenden Radraum des Pumpengehäuses 6 in zwei im wesentlichen voneinander getrennte Radseitenräume 11 und 11a aufteilt. Diese Radseitenräume 11, 11a sind erfindungsgemäß als Axialschub-Ausgleichsraum I¹J ausgebildet, der mit dem entsprechenden Radialteil 10 des Pumpenlaufrades 8 zusammenwirkt.

Dazu sind an den beiden nabenseitigen,inneren Enden 15 der Radseitenräume 11, 11a Flüssigkeitsverbindungen zu dem Schaufelkanal 16 und an der druckseitigen Mündung 13 des Laufrades 8 eine Flüssigkeitsverbindung zu dem Druckstutzen 12 vorgesehen. Die nabenseitige Flüssigkeitsverbindung ist dabei durch die axiale Lage des Laufrades steuerbar, indem deren aktiver Querschnitt entsprechend verändert wird. Bei einer Axialverschiebung des Laufrades tritt dabei eine Druckerhöhung in einem Radseitenraum z.B.11 bei gleichzeitiger Druckverminderung in dem anderen zugehörigen Radseitenraum 11a ein. Die wirksame Fläche der Radseitenräume 11a, 11 ist durch den Abstand der Flüssigkeitsverbindungen einerseits zu dem Druckstutzen 12 und andererseits zu einem Bereich reduzierten Druckes gegeben. Dadurch steht praktisch der ge-

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samte sich von der druckseitigen Mündung 13 bis in die Nähe der bei der Nabe 17 vorgesehenen Schleifringe 21 erstreckende Radseitenraum für den Axialschubausgleich zur Verfugung. Der nabenseitige, hintere Radseitenraum 22 ist in an sich bekannter Weise durch Entlastungsbohrungen 27 druckentlastet.

Als Flüssigkeitsverbindung in Nabennähe bzw. Schleifringnähe zu dem inneren Schaufelkanal 16 dienen etwa axiale Verbindungslöcher 18, deren äußere Mündungen 19 etwa parallel zu der Mündungsebene verlaufenden Gehäuseflächen gegenüberstehen. Diese Gehäuseflächen überdecken die Mündungen 19 mit geringem Abstand. Zweckmäßigerweise ist dabei der Abstand der Mündungen 19 von den entsprechenden Gehäuseflächen und das mögliche Axialspiel des Pumpenrotors 9 derart aufeinander abgestimmt, daß eine direkte Berührung der Mündungen 19 mit den Gehäuseflächen vermieden wird. Dementsprechend ist die Summe der Abstände jeweils von den Mündungen 19 zweier zu einem Schaufelrad gehörenden Verbindungslöcher 18 zu den benachbarten Gehäuseflächen ein wenig größer als das Axialspiel des Pumpenrotors 9.

Fig. 1 und 2 lassen erkennen, daß das Laufrad 8 im Bereich der Verbindungslöcher 18 axial nach außen sich erstreckende Absätze 2o aufweist, deren Länge auf den Abstand zu den benachbarten Gehäuseflächen abgestimmt ist.

Als Abschluß der Radseitenräume 11, 11a dienen die vergleichsweise nahe bei den Verbindungslöchern 18 angeordnete Schleifringe 21. Diese verhindern einen Flüssigkeitsdurchtritt zu dem hinteren Nabenraum 22 und vermeiden somit auch störende Einflüsse auf die Druckverhältnisse in den Radseitenräumen 11, 11a.

Die Flüssigkeitsverbindung der Radseitenräume 11, 11a zu dem Druckraum ist durch einen Spalt 23 zwischen der äußeren

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Laufradstirnseite 24 und einem diesem gegenüberliegenden, etwa axial orientierten Gehäuseabsatz 25 gebildet. Daboi weist diese druckseitige Mündung 13 des Schaufelrades 8 einen axial nach außen verbreiterten Rand 26 auf, dessen axiales Außenmaß b1 größer ist als die lichte axiale Weite b2 der Eintrittsöffnung des Druckstutzens, wobei sich die jeweils gegenüberliegenden Stirnseitenwandungen auch bei axialer Verschiebung des Pumpenrotors überdecken. Der Durchtrittsquerschnitt dieser druckseitigen Flüssigkeitsverbindung bleibt dadurch auch bei einer axialen Verschiebung des Pumpenrotors 9 etwa gleich, so daß eine in diesem Bereich unerwünschte Steuerfunktion vermieden wird.

Bei einer axialen Verschiebung des Pumpenrotors 9 und damit auch des Pumpenlaufrades z.B. in Richtung des Pfeiles Pf (Fig. 2).vergrößern sich die Spalte Sp1 der Radseitenräume 11a zwischen der Mündung 19 der Verbindungslöcher 18 und den jeweils gegenüberliegenden Gehäuseflächen, während die Spalte Sp2 der Radseitenräume 11 kleiner werden. Dies hat zur Folge, daß durch die erhöhte Drosselwirkung der sich verengenden Spalte Sp2 in den Radseitenräumen 11 eine Druckerhöhung des darin befindlichen Fördermediums eintritt, während gleichzeitig der Druck in den saugseitenfernen Radseitenräumen 11a durch die vergrößerten Spalte Sp1 und die dadurch verringerte Drosselwirkung abnimmt. Dem auftretenden Axialschub (Pf1) und der daraus resultierenden Axialverschiebung wird somit durch entsprechende Druckanspannung in den Radseitenräumen begegnet, bi-S ein Gleichgewichtszustand zwischen dem Axialschub des Pumpenrotors und dem diesen kompensierenden Ausgleichsdruck in den Radseitenräumen 11, 11a, die insgesamt den Axialschub-Ausgleichsraum bilden, eintritt. Tritt umgekehrt ein Axialschub auf, der dem Pfeil Pf1 (Fig. 2) entgegengesetzt ist, so ergeben sich entsprechend umgekehrte Druckverhältnisse in den Radseitenräumen 11, 11a, wobei der Druck in dem Radseitenraum 11 zunimmt und in

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dem Radseitenraum 11a abnimmt, bis wiederum ein Gleichgewichtszustand zwischen den axialen Kräften eintritt.

In Fig. 2a und 2b sind die Drücke im Bereich der Radseitenräume 11 bzw. 11a schematisiert wiedergegeben. Dabei ist auf der Ordinate der Drück P und auf der Abszisse die radiale Erstreckung R jeweils eines Radseitenraum-Bereiches aufgetragen. Am druckseitigen Ende der Radseitenräume 11, 11a herrscht ein Druck P2 bzw. P2'jder um den in dem Drossel-Spalt 23 auftretenden Druckabfall kleiner ist als der Druck PT in dem Druckstutzen 12. Die sich in den Diagrammen (Fig. 2a, 2b) anschließenden schrägen Geraden geben ills Druckgefälle von der Druckseite zu den nabenseitigen Verbindungslöchern 18 bzw. zu den Spalten Sp1 und Sp2 wieder. Dort tritt wiederum ein Druckabfall auf, der von der jeweiligen Axial-Lage des Laufrades abhängt. In den Fig. 2a, 2b sind zur Verdeutlichung strichliniert noch sich bei einer anderen Axiallage des Laufrades einstellende Druckverhältnisse dargestellt. Bei einer Axialverschiebung des Laufrades gemäß dem Pfeil Pf1 und den dabei sich verändernden Spalten Sp1 und Sp2 erhöht sich in den Radseitenräumen 11 der Druck, so daß sich eine der strichlinierte Linie entsprechende Druckverteilung mit insgesamt erhöhtem Druck einstellt (Fig. 2b). Gleichzeitig nimmt der Druck in dem Radseitenraum 11a ab. Dies ist in Fig. 2a durch die strichlinierte Linie wiedergegeben. Bei umgekehrten Axialschubverhältnissen stellen sich auch entsprechend umgekehrte Druckverhältnisse in den Radseitenräumen 11, 11a ein.

Bei den vorerwähnten Druckveränderungen zum Axialschubausgleich ist zu beachten, daß der Druck P1 praktisch etwa gleich bleibt. Dies wird durch die schon vorbeschriebene¹ Ausbildung der druckseitigen, auch bei einer Axialverschiebung des Pumpenrotors im Durchtrittsquerschnitt etwa gleichbleibenden Flüssigkeitsverbindung erreicht.

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Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Axialschubausgleichseinrichtung, daß keine nachteilige Beeinflussung des NPSH-Wertes (Net positive suction head) auftritt, da die gesteuerten Flüssigkeitsverbindungen des Axialschub-Ausgleichsraumes 14 nicht in den Saugmund des Laufrades, sondern in einen Bereich höheren Druckniveaus geführt werden.

Neben den schon vorbeschriebenen Vorteilen ist weiterhin noch vorteilhaft, daß die erfindurigsgemäße Axialschubausgleichsvorrichtung kompakt aufgebaut und fertigungstechnisch einfach herstellbar ist. Sie läßt sich vorteilhaft bei mehrstufigen Pumpen an einem oder mehreren Pumpenlauf-.rädern einsetzen.

Insbesondere kann die erfindungsgemäße Pumpe bei Spaltrohr-Motor-Pumpenaggregaten eingesetzt werden.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

- Patentansprüche -

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Le e rs e i t e

Claims

Patentansprüche

Γ 1J Kreiselpumpe, deren Pumpenrotor zumindest ein wenigstens teilweise radial orientiertes Laufrad aufweist, das mit seinem Radialteil den ihn umgebenden Radraum des Pumpengehäuses in zwei im wesentlichen voneinander getrennte Radseitenräume aufteilt, dadurch gekenn -zeichnet, daß wenigstens die zu einem Laufrad (8) des axial verschiebbar gelagerten Pumpenrotors (9) gehörigen Radseitenräume (11,11a) als mit dessen Radialteil (10) zusammenwirkender Axialschub-Ausgleichsraum (I¹I) ausgebildet ist, der sich an seinem radial äußeren Ende mit dem benachbarten Druckstutzen (12) in FlUssigkeitsverbindung befindet und dessen radial inneres Ende in einer, i» Sinne eines Axialschubausgleiche mittels der Axialverschiebung des Pumpenrotors (9) gesteuerten Flüssigkeitsverbindung mit dem Schaufelkanal (16) steht.
2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden nabenseitigen Enden (15) jedes gemeinsam einen Axialschub-Ausgleichsraum (I¹I) bildenden Radseitenraum (11, Ha) eine Flüssigkeitsverbindung vorgesehen ist, deren aktiver Querschnitt von der Axiallage des Pumpenrotors (9) abhängt, derart, daß bei einer Axialverschiebung des Laufrades (8) eine Druckerhöhung in einem Radseitenraum (z.B.11) bei gleichzeitiger Druckverminderung in dem anderen zugehörigen Radseitenraum (Ha) eintritt.

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3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Radseitenräume (11,11a) etwa von der «"rückseitigen Mündung (13) des Laufrades (8) bis in die Nähe der Nabe (17) erstrecken und daß vorzugsweise unmittelbar neben der Nabe (17) als Verbindung zu einem Bereich niedrigeren Druckes Verbindungslöcher (18) zu dem inneren Schaufelkanal (16) vorgesehen sind.
¹I. Kreiselpumpe nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslöcher (18) etwa axial angeordnet sind und daß ihre äußeren Mündungen (19) etwa parallel zu der Mündungsebene verlaufenden Gehäuseflächen gegenüberstehen, welche die Mündungen (19) zumindest mit geringem Abstand überdecken.
5. Kreiselpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis Ί, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Abstände jeweils von den Mündungen (19) zweier zu einem Laufrad (8) gehörenden Verbindungslöcher (18) zu den benachbarten Gehäuseflächen ein wenig größer ist als das Axialspi*l des Pumpenrotore (9).
6. Kreiselpumpe nach einem oder mehreren der Anspruch« 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (8) im Bereich der Verbindungslöcher (18) axial nach außen sich eretrekkende Absätze (20) aufweist, deren Läng· auf den Abstand zu den benachbarten Gehüusefltchen abgestimmt ist.
7. Kreiselpumpe nach einem oder mehreren der Anspruch· 1 fei·

6, dadurch gekennzeichnet, da* an der Radnabe (17) inefe·- sondere nahe bei den Verbindungelöchern (18) Schleifring·

(21) vorgesehen sind.

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8. Kreiselpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Radseitenraumes (11,11a) zu dem Druckstutzen (12) durch einen Spalt (23) zwischen der äußeren Laufradstirnseite (24) und einem diesem gegenüberliegenden, etwa axial orientierten Gehäuseabsatz (25) gebildet ist.
9. Kreiselpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß die druckseitige Mündung (13) des Laufrades (8,8a) einen axial nach außen verbreiterten Rand (26) aufweist, dessen axiales Außenmaß (bl) größer ist als die lichte axiale Weite (b2) der 'Eintrittsöffnung des Druckstutzens (12) und daß sich die jeweils gegenüberliegenden Stirnseitenwandungen auch bei axialer Verschiebung des Pumpenrotors (9) überdecken.
10. Kreiselpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das saugseitenfernste Laufrad (8a) in seinem axial-radialen ümlenkbe -reich eine Druckausgleichsverbindung (27) von dem äußeren Nabenraum (22) zu dem Schaufelkanal (16) aufweist.
11. Kreiselpumpe nach einem oder meherern der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Flüssigkeitsverbindung des Axialschubausgleichsraumes (14) in einen Bereich mit gegenüber der Saugseite des jeweiligen Laufrades höherem Druckniveau mündet.

(H. Schmitt) . Patentanwalt Patentanwalt

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