DE2807876C2

DE2807876C2 - Vorrichtung mit einem Elektromotor zugeordneter Pumpe

Info

Publication number: DE2807876C2
Application number: DE2807876A
Authority: DE
Inventors: Alexander Ivanoff; Victor Greenwich Conn. Ivanoff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1978-02-24
Publication date: 1984-08-02
Also published as: GB1553062A; CA1076418A; SE7800645L; JPS53106902A; CH618503A5; IT1089272B; DE2807876A1; NL7801676A; FR2381924A1; US4084924A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit koaxial einem Elektromotor zugeordneter Pumpe für einen Kühlmittelkreislauf, insbesondere in einer Anlage mit Temperaturüberführung bzw. Wärmeübertragung, und einem auf der Welle drehbar innerhalb eines Gehäuses dazu in Abstand gelagerten Mantel.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der US-PS 60 034 bekannt, welche einen lungekühlten — weder hermetisch geschlossen noch leckagefreien — Motor für Kernreaktorpumpen wiedergibt. Beim Gegenstar J jener Patentschrift ist das Schwungrad aul die Welle aufgeschrumpft, an der zudem drehbar eine topfförmi^ ^Λ.πίί·ιπ?:- und Zentriervorrichtung rincrebnicht ist: cii-j· '_■ '■.!!•-Mi z.ini ijiif;;;u:en des Scr..vii::gt\K.k;s. ■·>·'. r^ri .": ■ >' der Zentrifugalkraft herrührende Dehnung die Verbindung Schwungrad-Welle unterbricht

Für vorgenanntes Einsatzgebiet gibt es auch wellenabdichtungslose Motor-Pumpen-Aggregate. Diese haben gegenüber anderen Pumpentypen einige Vorteile, beispielsweise die Leckagefreiheit und geringeren Instandhaltungsaufwand. Gleichwohl müssen in Systemen, in denen beispielsweise ein Wärmetransport erforderlich bzw. unerläßlich ist bestimmte wesentliche Sicherheitsvorkehrungen beachtet werden. Wenn der Λιπι-penmotor — beispielsweise infolge Energiemangels — ausfällt, können in dem durch das umlaufende Kühlmittel zu kühlenden System gefährliche Temperaturerhöhungen entstehen.

Es ist aus der US-PS 39 60 034 bekannt an der Antriebswelle des Pumpenmotors ein Schwungrad zu befestigen und dessen Trägheitsvermögen zu benutzen, die Kühlmittelzirkulation im Falle eines Energie- oder Kraftausfalles oder eines Abreißens des Motors --venigstens so lange aufrechtzuerhalten, bis das zu kühlende System abgestellt ist Eine derartige Konstruktion birgt dann keine Schwierigkeiten in sich, wenn ein trockener Elektromotor mit Wellendichtung verwendet wird. Bei einem wellenabdichtungslosen Motor-Pumpen-Aggregat jedoch, wo sowohl die Pumpe als auch der Antriebsmotor im gleichen — mit dem umlaufenden. Kühlmittel gefüllten — Druckgehäuse untergebracht sind, ergibt sich der Nachteil, daß sin auf die Antriebswelle dieses Motors aufgebrachtes Schwungrad infolge des hydrodynamischen Reibungswiderstandes, welcher durch die Drehung des Schwungrades im Kühlmittel — etwa Wasser — erzeugt wird, einen großen Kraftverlust bedingt Dies vermindert den Gesamtwirkungsgrad von Pumpe, Motor und Schwungrad erheblich. Infolgedessen haben sich wellenabdichtungslose Pumpen in Systemen, in weichen die ständige Zirkulation eines Kühlungsmittels zur Vermeidung gefährlicher Oberhitzungen unerläßlich ist, als nicht verwendungsfähig erwiesen.

Angesichts dieser Gegebenheiten ki* sich der Erfinder das Ziel gesetzt, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art unter Meidung der erkannten Mängel so zu verbessern, daß in Pumpeneinheiten mit kühlmittelgefülltem Motor zur Zirkulation des Kühlmittels, beispielsweise von Wasser, in einem Kühlsystem auch bei Stillstand des Motors oder einem Energieausfall für den die Pumpe treibenden Motor die Zirkulation des Kühlmittels für eine Zeitdauer aufrecht erhalten bleibt die ausreicht, das System bzw. die Anlage störungsfrei stillzusetzen, zudem soll nach dem Aussetzen der Antriebs-Kraft oder einem Aussetzen des Motors eine Zunahme des Kraftbedarfes des Motors verhindert werden, die beispielsweise dadurch entsteht, daß auf die Welle des Motors bei dessen Umdrehung ein Schwungrad aufgebracht wird. Diese Vorrichtung soll in Anlagen eingesetzt werden können, in welchen Wärme transportiert wird und bereits kurz nach dem Aussetzen der Kühlmittelzirkulation gefährliche Überhitzungen entstehen können.

Zur Lösung der Aufgabe führt, daß der Elektromotor im wesentlichen leckagefrei angeordnet und der drehbare Mantel mit Durchlaßorganen zum Eintritt und Austritt von Flüssigkeit in einen bzw. aus einem Zwischenraum 2vvischen Mantel und Schwungrad versehen

b5 ist. wobei die Flüssigkeit das den Motor, das Schwungrad und den Mantel umgebende Gehäuse ausfüllt. Dazu hn: fs stcii als besonders günstig erwiesen, zumindest ■ --Ti :'-■.■■' : ι :'■■-■ :i Mantci vor/'js'jhen, vvel-

eher den benachbarten inneren Mantel in Abstand umgibt und an der Welle frei sowie relativ zu dieser, zum inneren Mantel und dem Schwungrad drehbar ist

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung soll der äußere Mantel Durchlaßorgane, beispielsweise Bohrungen, für den Eintritt und den Austritt der Flüssigkeit in einen bzw. aus einem Zwischenraum zwischen dem äußeren Mantel und dem inneren Mantel aufweisen. Diese Mantel sind erfindungsgemäß von Freilauflagern getragen, die eine Relativbewegung sowohl zwischen den Mänteln selbst als auch zwischen diesen und dem Schwungrad erlauben.

Als günstig hat es sich erwiesen, die Lagerung für den Mantel mit wenigstens einem Axialdrucklager und/oder einem Querlager zu versehen; im Rahmen der Erfindung kann jeder der beiden Mantel durch Querlager und Axialdrucklager getragen sein, welche die Welle umgeber-

In vorteilhafter Weise ist der Mantel bevorzugt aus Metall — insbesondere aus Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl — geformt

Wie auch nachfolgend geschildert, wirkt der Mantel mit dem Schwungrad so zusammen, daß der auf das Schwungrad wirkende, durch Reibung zwischen dem sich drehenden Schwungrad und der Kühlflüssigkeit erzeugte Widerstand bemerkenswert reduziert wird.

Demzufolge wird der Energie- oder Kraftaufwand des Motors während des Pumpenbetriebes erheblich vermindert und mit ihm das Betriebskostenaufkommen für die Pumpe. Nunmehr erst können wellenabdichtungslose Motor-Pumpen-Einheiten auch mit Schwungrad ökonomisch eingesetzt werden.

Einrichtungen zur Verminderung der Reibungsverluste bei in Gasen oder Flüssigkeiten rotierenden Körpern sind z. B. aus DE-PS 1 70 447 und DE-PS 1 63 111 bekannt

Nachfolgend wird die Erfindung und ihre Einzelheiten an bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 eiren Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig.2 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Motor-Pumpen-Einheit ohne Wellenabdichtung;

F i g. 3 einen der F i g. 1 ähnlichen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispie! einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Das Schwungrad 1 der Vorrichtung nach F i g. 1 weist den Durchmesser W und die Breite D auf. Das Schwungrad 1 ist in einem freilaufenden Mantel 4 angeordnet, welcher weder irit dem Schwungrad 1 noch mit dem Gehäuse 3 Kontakt hat Dieser Mantel 4 besteht vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl, und enthält Bohrungen 40, welche den Eintritt von Kühlflüssigkeit in den zwischen Schwungrad 1 und Mantel 4 vorhandenen Zwischenraum A ermöglichen sowie auch den Austritt des Kühlmittels.

Der Mantel oder Hohlkörper 4 ist mit eigenen Lagern versehen, beispielsweise mit konventionellen Querlagern 6 und Axialdrucklagern 5, welche um die Antriebswelle 2 bzw. am Gehäuse 3 angeordnet sind und dem Mantel 4 ermöglichen, sich frei zu drehen; dabei wird er lediglich durch die Strömung bzw. den Wirbel des als Kühlmittel dienenden Wassers betätigt. Obwohl die Verwendung derartiger Lager 5, 6 für den Mantel 4 zumeist vorzuziehen sein wird, kann letzterer auch so angeordnet sein, daß er unmittelbar auf der Oberfläche des Schwungrades 1 mittels eines Flüssigkeitsfilms gleitet, welcher zwischen Mantel 4 und Schwungrad 1 vorhanden ist und dabei die notwendige Schmierung erzeugt; er läßt somit Lager 5,6 überflüssig werden.

Wenn das Schwungrad 1 sich zu drehen beginnt, wird sein Widerstand die Flüssigkeit um es herum in eine Drehbewegung versetzen und zwar im Zwischenraum A zwischen Schwungrad 1 und Mantel 4; diese sich drehende Flüssigkeit wird den Mantel 4 mit sich nehmen und seinen Freilauf verursachen.

ίο Die Flüssigkeit im Zwischenraum B zwischen Mantel 4 und Gehäuse 3 erzeugt ein Bremsmoment an der Außenseite des Mantels 4 und dieser wird sich mit einer gewissen Zwischengeschwindigkeit drehen, bei welcher das Antriebsmoment dank der drehenden Flüssigkeit im inneren Zwischenraum A dem Bremsmoment entsprechen wird, welches durch die Reibung der Flüssigkeit im äußeren Zwischenraum .8entsteht.

Unter turbulenten Bedingungen ist in einem flüssigkeitsgefüllten Gehäuse wie im Gehäuse 3, die Leistung.

welche durch die Reibung der Flüssigkeit an einem Rotationskörper verlorengeht, propoi uonal der 3. Potenz der relativen Winkelgeschwindigkeit beider genannter Oberflächen. Hieraus folgt, daß dann, wenn die Winkelgeschwindigkeit des freilaufenden Mantels 4 behpielsweise die Hälfte der Winkelgeschwindigkeit des Schwui.grades 1 mißt, auch die in der Flüssigkeit zwischen dem Schwungrad 1 und dem Mantel 4 aufgewendete Leistung auf (V2)³ reduziert wird, d. h. auf ein Achtel der in der Flüssigkeit für ein nicht ummanteltes Schwungrad aufzubringenden Leistung. Wenn sich der Mantel 4 mit der halben Winkelgeschwindigkeit des Schwungrades 1 dreht, dann fällt die in der Flüssigkeit außerhalb des Mantels 4 aufzubringende Leistung ebenfalls auf ein Achtel der für ein nicht ummanteltes Schwungrad aufzubringenden Leistung. Hieraus resultiert, daß die gesamte aufgewendete Kraft bei einem ummantelten Schwungrad

der bei einem nicht ummantelten Schwungrad aufzubringenden Kraft beträgt. Einfachheitshalber v/urden in der vorstehenden Schätzung die dadurch entstehenden Unterschiede vernachlässigt, daß die äußeren Dimensionen des Mantels 4 geringfügig größer sind als die des Schwungrades 1.

Diese Verringerung der Reibungsleistung führt zu einer beachtenswerten Verringerung des Leistungsbedarfes des Motors 11 und infolgedessen zu einer Verminderung der Betriebskosten. Die in Fig.2 gezeigte erfindungsgemäße Pumpen-Motor-Einheit ist im wesentlichen konventionell mit Ausnahme des Bohrungen 40 aufweisenden Mantels 4, dessen Funktion jener zu F i g. 1 beschriebenen entspricht. Der Mantel 4 in F ■ g. 2 wird durch Querlager 6 und Axiallager 5 getragen: Mantel 4 und Lager 5, 6 sind in F i g. 2 — gegenüber Fig. 1 — verkleinert. Es können übliche Lager verwendet werden, wesiip'b hier auf deren Beschreibung verziehtet wird. Entsprechend vorstehender Beschreibung kann unter den dort geschilderten Umständen auch auf die Lager verzichtet werden.

Die Antriebswelle 2, auf die das Schwungrad 1 aufgekeilt ist, wird durch einen Motor 11 angetrieben und durch konventionell.· Hauptmotorlager 17 und 18 gehalten. Am Fußende des Motors ist ein Lager 12 üblicher Bauweise vorgesehen, welches die Motorwelie trägt und den Axialschub der Pumpe 10 aufnimmt. Der

Motor 11 selbst, das Schwungrad 1 und der Mantel 4 sind in einem mit Wasser oder einer entsprechenden Flüssigkeit gefüllten Gehäuse 21 untergebracht.

F i g. 4 zeigt zwei Mäntel 4 und 4, statt des einzelnen Mantels 4 der Fig. 1 und 2. Der innere Mantel 4 umschließt das Schwungrad 1, während ein äußerer Mantel 4_a den Innenmantel 4 umgibt und so dimensioniert ist, daß zwischen der Außenseite des Innenmantels 4 und der Innenseite des Außenmantels 4_a einerseits sowie zwischen der Außenseite des Außenmantels 4_a und dem Gehäuse 3 anderseits Zwischenräume verbleiben. Der innere Mantel 4 wird durch Querlager 6 und Axiallager 5 geführt, während der Bohrungen 40_a aufweisende Außenmantel 4j durch Querlager 6₃ und Axiallager 5_a gehalten wird. Hierzu können die unterschiedlichsten Arten konventioneller Lager Verwendung finden.

Die beiden frei gelagerten Mäntel 4, 4_a drehen sich relativ zueinander und ebenfalls relativ zum Schwungrad 1, wie vorab bereits beschrieben. Unter der Voraussetzung, daß sich die Grobe des Schwungrades 1 entsprechend der Definition in Verbindung mit F i g. 1 nicht ändert, reduziert die Verwendung des Außenmantels 4_a die Verluste auf einen Wert in der Größenordnung von einem Neuntel der Leistung, die für ein nicht ummanteltes Schwungrad benötigt würde.

Ein zweiter Mantei 4_a — oder möglicherweise noch mehr Mäntel, welche wie die beiden in F i g. 3 gezeigten zueinander angeordnet sind — kann naheliegenderweise auch in der Pumpen-Motor-Einheit nach der Fig. 2 Verwendung finden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung mit koaxial einem Elektromotor zugeordneter Pumpe für einen Kühlmittelkreislauf, insbesondere in einer Anlage mit Temperaturüberführung bzw. Wärmeübertragung, und einem auf der Welle des Motors vorgesehenen Schwungrad in einem auf der Welle drehbar innerhalb eines Gehäuses dazu in Abstand gelagerten Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (11, Ha) im wesentlichen leckagefrei angeordnet und der drehbare Mantel (4) mit Durchlaßorganen (40) zum Eintritt und Austritt von Flüssigkeit in einen bzw. aus einem Zwischenraum (A) zwischen Mantel und Schwungrad (1) versehen ist, wobei die Flüssigkeit das den Motor, das Schwungrad und den Mantel umgebende Gehäuse (3) ausfüllt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest einen weiteren frei laufenden Mantel (4_a), welcher den benachbarten inneren Mantel (4) in Abstand umgibt und an der Welle (2) frei sowie relativ zu dieser, zum inneren Mantel und dem Schwungrad (1) drehbar ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der äußere Mantel (4_a) Durchlaßorgane (40_a) für den Eintritt und den Austritt in einen bzw. aus einem Zwischenraum zwischen dem äußeren Mantel und dem inneren Mantel (4) aufweist

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantel (4, 4_a) von Freilauflagern getragen und durch diese in einer Relativbewegung zwischen den Mänteln und dem Schwungrad (i) einerseits sowie zwischen den Mänteln anderseits drehbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung für den Mantel (4 oder 4_a) wenigstens ein Axiallager (5) und/oder ein Querlager (6) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß jeder der beiden Mäntel (4,4_a) durch Querlager (6) und Axiallager (5) getragen ist, welche die Welle (2) umgeben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (4) aus Metall geformt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Mantel (4) aus Kohlenstoffstahl.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Mantel (4) aus rostfreiem Stahl.