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Bezeichnung: Stopfbüchsloses Pumpenaggregat
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Die Erfindung betrifft ein aus Antriebsmotor und Schraubenspindelpumpe
bestehendes stopftüchsloses Pumpenaggregat, bei dem die Motorwelle und die Pumpenantriebsspindel
hintereinander geschaltet und vorzugsweise aus einem Stück sind.
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Ein derartiges stopfbüchsloses Pumpenaggregat ist aus der Patentschrift
20 44 335 bekannt. Dieses Pumpenaggregat ist so ausgebildet, daß der Elektromotor
im Druckraum der Pumpe liegt. Damit wird der gesamte Elektromotor einschließlich
des diesen umschließenden Gehäuseabschnitts mit der Förderflüssigkeit unter dem
vollen Förderdruck beaufschlagt.-Diese Anordnung hat zwei entscheidende Nachteile:
Da
es sich um einen sogenannten Naßläufermotor handelt, können nur solche Medien gefördert
werden, die die Wicklungsisolation und die Kabeldurchführung nicht angreifen. Weiter
muß das Gehäuse entsprechend dem Förderdruck starkwandig ausgeführt sein und es
muß eine aufwendige Kabeldurchführung verwendet werden, die dem Druck mit ausreichender
Sicherheit standhält. Das Pumpenaggregat ist daher nicht zur Förderung von aggressiven,
giftigen, radioaktivverseuchten oder sonstigen gefährlichen Flüssigkeiten anwendbar,
außerdem für nicht unter diese Rubrik fallende, als harmlos anzusehende Flüssigkelten
im Hochdruckbereich unwirtschaftlich.
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Ein weiterer Nachteil bei dem bekannten Pumpenaggregat ist, daß zur
axialen Fixierung der Motor- Pumpenantriebswelle ein Kugellager verwendet wird.
Dadurch wird die Auswahl der Flüssigkeiten noch weiter eingeschränkt, nämlich dahingehend,
daß nur gut schmierende Förderflüssigkeiten, z. B. Schmieröle,gepumpt werden können.
DUnne oder schlechtschmierende Fltssigkeiten können somit nicht gefördert werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Pumpenaggregat der eingangs
erwähnten Art auszubilden, das weitgehendst unempfindlich gegen das zu fördernde
Medium ist und das auch bei hohen Förderdrücken wirtschaftlich einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Antriebsmotor
ein Spaltrohrmotor ist, dessen Rotorraum durch Verbindung mit dem Saugraum vom Förderdruck
entlastet ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch diese erfindungsgemäße Lösung ergibt sich bei dem Pumpenaggregat
der eingangs erwähnten Art der Vorteil, daß durch den Spaltrohrmotor nahezu alle
Flüssigkeiten, auch aggressive, giftige, radioaktivverseuchte und sonstige gefährliche
Flüssigkeiten gefördert werden könne, da auf die Elektromotorwerkstoffe, wie Wicklung,
deren Isolation, Eisenkern, Nutverschlüsse, Kabeldurchführung, Bandagen usw. keine
Rücksicht genommen werden muß. Es muß lediglich ein gegen das Fördermedium beständiges
Spaltrohr verwendet werden, dessen Auswahl relativ ein fach ist. Da der Motor vom
Förderdruck entlastet ist, entfallen hier starkwandige Konstruktionen für das Motorgehäuse
und die Kabeldurchführung. Das Pumpenaggregat ist daher also auch wirtschaftlich
herstellbar.
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Insbesondere durch die Merkmale der Ansprüche 4 bis 7 wird ein automatischer,
sogenannter "schwimmender9Axialschubausgleich für die Motorwelle und Pumpenantriebswelle
geschaffen, mit dem Vorteil, daß ein axial fixierendes Lager, welches gut geschmiert
werden muß, nicht mehr benötigt wird.
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Das Pumpenaggregat ist daher auch zur Förderung von dünnen oder schlecht
schmierenden Flüssigkeiten geeignet.
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Die Anordnung der Motorwelle und Pumpenantriebsspindel ist dabei vorzugsweise
senkrecht, damit die Radiallager vom Eigengewicht der Motorwelle und der Pumpenantriebsspindel
entlastet sind.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemaßen Pumpenaggregates
dargestellt.
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F i g u r 1 zeigt eine Ausführung, bei der der Spaltrohrmotor auf
der Saugseite der Schraubenspindelpumpe angeordnet ist F i g u r 2 zeigt eine Ausführung,
bei der Spaltrohrmotor an der Druckseite der Pumpe liegt.
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Das Pumpenaggregat gemäß Figur 1 besteht im wesentlichen aus der Schraubenspindelpumpe
1 und dem Spaltrohrmotor 2. Die Schraubenspindelpumpe beinhaltet in dem Gehäuse
3 die Antriebsspindel 4 und zwei dazu seitlich angeordnete Laufspindeln 5 und 6.
Die Fördergewinde der Spindeln sind nur schematisch dargestellt. Der Saugraum 7
der Schraubenspindelpvmpe liegt an der dem Spaltrohrmotor zugekehrten Seite, während
der Druckraum 8 an der dem Spaltrohrmotor abgewandten Seite liegt und mit einem
deckelartigen Gehäuseteil 9 verschlossen ist. Zur Anbringung der Flüssigkeitsleitung
sind die Anschldsse
10 und 11 vorgesehen. Die Laufspindeln 5 und
6 sind in ihrer Lage axial fixiert, einerseits durch Anlaufen der druckseitigen
Zapfen 12 am Gehäuseteil 9 und andererseits durch Anlaufen der saugseitigen Stirnfläche
an dem Zwischenring 13. Über die Anlaufflächen werden an den Laufspindeln angreifende
hydraulische Schubkräfte und mechanische Schubkräfte, z. B. der Verzahnungsschub,
abgefangen.
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Der Motor wird im wesentlichen gebildet durch die Motorwelle 14, die
hier im Ausführungsbeispiel zusammen mit der Antriebsspindel 4 der Schraubenspindelpumpe
aus einem Stück gefertigt ist, dem auf der Motorwelle aufgesetzten Rotor 15, dem
Spaltrohr 18, das in die Bohrung der Flansche 19 und 20 des Motorgehäuses 21 eingeschoben
ist und dem Abschlußdeckel 22, in dem die Motorenwelle 14 in dem Lager 23 radial
gelagert ist. Die Schraubenspindelpumpe 1 und der Spaltrohrmotor 2 sind senkrecht
stehend mit dem Motor nach unten angeordnet, zur Befestigung des Motorpumpenaggregates
dient ein Rundfuß 24. Um das Spaltrohr 18 möglichst dünnwandig gestalten zu können,
sind die Zwischenräume zwischen dem Stator 16 und den Flanschen 19 und 20 mit den
Rohrmänteln 25, 26 überbrückt.
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Dadurch, daß der Rotorraum 27 des Spaltrohrmotors in direkter Verbindung
mit dem Saugraum 7 der Schraubenspindelpumpe steht, treten in dem Spaltrohrmotor
keine hohe Drücke auf und es entstehen keinerlei Schwierigkeiten bei der Dimensionierung
des
Spaltrohres und der Teile, auf denen sich das Spaltrohr abstützt,
wie insbesondere die Rohrmäntel 25, 26 der Stator 16 und das Motorgehäuse 21. Bei
einer Anordnung auf der Druckseite der Pumpe wären hier erhebliche Schwierigkeiten
zu erwarten, wenn man bedenkt, daß Schraubenspindelpumpen für Förderdrücke bis ca.
200 bar eingesetzt werden. Da bei dem Spaltrohrmotor die Wicklung 17 des Stators
16 trockenliegt, bereitet die Kabeldurchführung 28 keine Schwierigkeiten, es genügt
hier eine einfache Bohrung im Motorgehäuse 211 durch die die Kabel gesteckt werden.
Die Kabel sind hier lediglich vor mechanischen Beschädigungen zu schützen, beispielsweise
durch Aufschieben eines Gummischlauches oder durch Verwendung einer Gummitülle.
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An der Antriebsspindel 4 und der Motorwelle 14, die für die weitere
Betrachtung einteilig als Motorpumpenwelle 29 beinçnt wird, greifen folgende Axialschübe
an: Fh = hydraulischer Axialschub, verursacht durch Druckbeaufschlagung der Stirnfläche
der Antriebsspindel F z = Axialkraft, verursacht durch die Schrägverzahnung der
Spindeln F = Eigengewicht der Motorpumpenwelle g Um ein Axiallager bei dem erfindungsgemäßen
Pumpenaggregat den zu vermeiden sind Vorkehrungen getroffen1 um aus den einzelnen
Schubkräften
resultierenden Gesamtaxialschub auszugleichen.
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Hierzu ist der Rotor 15 als Ausgleichskolben ausgebildet, indem er
mit engem radialem Spiel in dem Spaltrohr umläuft und der vor dem Rotor liegende
Rotorraumabschnitt 27a über einen Kanal 30 im Deckel 22 und/oder eine Nut 31 im
Lager 23 sowie einem Längskanal 32 in der Motorpumpenwelle mit dem Druckraum 8 der
Schraubenspindelpumpe verbunden ist. Der Längskanal 32 in der Motorpumpenwelle endet
jedoch nicht frei in den Druckraum 8 ein. Dadurch, daß die Motorpumpenwelle mit
ihrem pumpenseitigen Ende an der Stirnfläche 33 des Gehäuseteils 9 anlaufen kann,
wird ein Regelspalt 34 ausgebildet, dessen Weite von der axialen Lage der Motorpumpenwelle
abhängt. Die Spaltweite wird sich dabei so einstellen, daß durch den Regelspalt
34, den Längskanal 32 in der Motorpumpenwelle 29 und durch die Kanäle 30 und/oder
31 gerade soviel Flüssigkeit von der Druckseite her in den Rotorraumabschnitt 27a
einfließen und einen Druck in der Größe aufbauen kann, daß am Rotor eine dem Axialschub
entgegengerichtete jedoch gleichgroße Gegenkraft entsteht und somit die Motorpumpenwelle
im Kräftegleichgewicht gehalten wird.
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Diese Ausbildung des Axialschubausgleichs ist eine sogenannte schwimmende
Anordnung, wobei der Läufer in jedem Betriebszustand im Gleichgewicht gehalten wird,
denn bei einer Gleichgewichtsstörung, beispielsweise durch einen plötzlichen Druckaufbau
im Druckraum der Pumpe wird die Motorpumpenwelle für einen Moment nach unten gedrückt
werden, dadurch vergrößert
sich die Weite des Regelspaltes, wodurch
dem Rotorraumabschnitt 27a mehr Druckflüssigkeit zufließt. Als Folge hiervon steigt
hier der Druck an und hebt die Motorpumpenwelle wieder an und verengt den Regelspalt
und zwar so lange, bis die durch den Regelspalt zufließende Flüssigkeitsmenge der
durch den Drosselspalt zwischen dem Rotor 15 und dem Spaltrohr 18 aus dem Rotorraumabschnitt
27 abfließenden Flüssigkeitsmenge entspricht.
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Umgekehrt wird bei einem plötzlichen Druckabfall im Druckraum 8 die
Motorpumpenwelle kurz angehoben werdentum den Regelspalt zu verengen und auf eine
Weite einzustellen, die für das Kräftegleichgewicht erforderlich ist. Gibt man den
nach unten gerichteten Kräften ein negatives Vorzeichen und den nach oben gerichteten
Kräften ein positives Vorzeichen, so läßt sich für den Axialschubausleich nachstehende
Gleichung aufstellen: Pd y Ps A2-Ps .A3+Pr #AL+Pr #A5-FG-Fz = 0 und hieraus -Pd
#A1+Ps (A2-A3)+Pr# (A4+A5)-F6-Fz = 0
Hierin bedeuten: Pd P Förderdruck
im Druck raum der Pumpe Ps = Förderdruck im Saugraum der Pumpe Pr = sich am Regelspalt
einstellender Druck A1 - vom Förderdruck beaufschlagte Stirnfläche der Antriebs
spindel A2 s vom Saugdruck beaufschlagte Stirnfläche der Antriebsspindel A3 = vom
Saugdruck beaufschlagte Stirnfläche des Rotors A4 = vom Regelspaltdruck beaufschlagte
Stirnfläche des Rotors im Rotorraum A5 = vom Regelspaltdruck beaufschlagte Stirnfläche
der Motorwelle am Lager In der Gleichung ist nicht berücksichtigt, daß in der Praxis
der Druck Pr auf der langen Strecke des Längskanals 32 und in den Kanälen 30, 31
etwas abfallen kann. In der Praxis ist dies auch bedeutungslos, da sich der Druck
automatisch regelt.
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Durch genügend große Dimensionierung der Stirnflächen A3 und A4, also
durch große Dimensionierung des Rotors des Spaltrohrmotors wird selbst bei großen
Förderdrücken der Druck Pr im Rotorraumabschnitt 27a gegenüber dem Saugdruck nicht
allzu hoch sein, so daß auch hier keine Dimensionierungsschwierigkeiten für das
Spaltrohr 18 zu erwarten sind.
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Das ebenfalls erfindungsgemäß ausgeführte Pumpenaggregat gemäß Figur
2 unterscheidet sich in der Hauptsache von dem Pumpenaggregat gemäß von Figur 1
dadurch, daß die Schraubenspindelpumpe 41 mit dem Druckraum 42 an den Spaltrohrmotor
43 angrenzt. Damit der Spaltrohrmotor nicht mit dem Förderdruck der Schraubenspindelpume
41 beaufschlagt wird, ist zwischen dem Rotorraum 44 und dem Druckraum 42 der Schraubenspindelpumpe
ein Drosselspalt 45 zwischen vorzugsweise einem Bund 62 an der Motorpumpenwelle
46 und einer Trennwand 47 ausgebildet. Der Aufbau des Spaltrohrmotors in Bezug auf
Rotor, Spaltrohr und Stator entspricht dem gemäß Figur 1. Auch die Schraubenspindelpumpe
entspricht in ihrem Aufbau weitgehend dem des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1,
wenn man von der umgekehrten Anordnung der Laufspindeln 48, 49 und der umgekehrten
Förderrichtung absieht, durch die jetzt das das Pumpengehäuse 50 abschließende Gehäuseteil
51 den Saugraum 52 beinhaltet. Entsprechend der umgekehrten Förderrichtung ist in
dem Gehäuseteil 51 der Anschluß 53 für die Saugleitung und im Pumpengehäuse 50 der
Anschluß 54 für die Druckleitung vorgesehen.
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Der Rotorraum 44 mit dem unteren Rotorraumabschnitt 44a ist über den
Längskanal 54 in der Motorpumpenwelle 46 sowie den Kanal 55 im Deckel 56 und/oder
den Kanal 57 im Lager 58 mit dem Saugraum 52 der Schraubenspindelpumpe verbunden.
Durch den Rotorraum 44 des Spaltrohrmotors 43 findet deshalb ein
Flüssigkeitsdurchfluß
statt. Der Weg dieses Flüssigkeitsdurchflusses geht über den Drosselspalt 45, den
oberen Teil des Rotorraumes 44, durch den Spalt 59 zwischen dem Rotor 60 und dem
Spaltrohr 61, den unteren Rotorraumabschnitt 44a, den Kanal 55 und/oder 57 und über
den Längskanal 54 in der Motorpumpenwelle in den Saugraum 52 der Pumpe.
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Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 tritt an der Motorpumpenwelle
46 ein Axialschub auf, der sich aus den Teilkomponenten Fh = hydraulischer Axialschub
Fz - Axialschub aus der Schrägverzahnung Fg = Eigengewicht der Rotorpumpenwelle
46 zusammengesetzt. Entsprechend der umgekehrten Förderrichtung der Schraubenspindelpumpe
41 sind die Wirkrichtungen gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 für Fz
und Fh umgekehrt. Der resultierende Axialschub wird dadurch ausgeglichen, daß der
Rotor 60 des Spaltrohrmotors und gegebenenfalls, wie im Beispiel dargestellt, der
Bund 62 der Motorpumpenwelle, als Ausgleichskolben dienen und der Druck im Rotorraum
44, insbesondere im unteren Rotorraumabschnitt 44a.über den zwischen der motorseitigen
Stirnseite der Motorpumpenwelle und der Stirnfläche 63 des Pumpendeckels 56 ausgebildeten
Regelspalt 64 abgebaut wird. Durch das Fehlen eines Axiallagers entsteht hier wie
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 eine schwimmende Anordnung der Motorpumpenwelle,
bei der sich durch den Regelspalt 64 automatisch der für den Axialschubausgleich
erforderliche
Druck im Rotorraum 44 und Rotorraumabschnitt 44a einstellt. Dadurch, daß der Rotor
60 mit seinem relativ großen Durchmesser als Ausgleichskolben zur Verfügung steht,
können die Drücke im Rotorraum 44 und Rotorraumabschnitt 44a gering gehalten werden,
so daß auch bei dieser Ausführung bei der Auslegung des Spaltrohres, auch bei hohen
Förderdrücken der Pumpe, keine Schwierigkeiten zu erwarten sind.
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Für den Axialschubausgleich ist nachstehende Gleichung anzuwenden:
Pd AlPd Als #A2+P44 #A7-P44 #A3 +Pr #A4 +Pr #A5 +Fz - FG = 0 hieraus ergibt sich
Pd#(A1-A6)- Ps'A2+P44(A7A3)+Pr (A4+A5)+ Fz -FG = 0 Als neu hinzugekommen bedeuten:
p44 = Druck im Rotorraum 44 A6 = pumpenseitige Stirnfläche des Bundes 62 A7 = motorseitige
Stirnfläche des Bundes 62
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