DE3538504A1

DE3538504A1 - Elektromotoren-pumpeneinheit mit koaxialer durchstroemung

Info

Publication number: DE3538504A1
Application number: DE19853538504
Authority: DE
Inventors: Karsten Dipl.-Ing. 7148 Remseck Laing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-11-02
Filing date: 1985-10-30
Publication date: 1986-06-12
Anticipated expiration: 2005-10-31
Also published as: GB2182392B; GB8526800D0; DE3538504C2; GB2182392A

Description

Elektromotoren-Pumpeneinheit mit koaxialer Durchströmung

Die Erfindung bezieht sich auf Pumpen, die mit dem Antriebsmotor eine Baueinheit bilden und bei denen der Läufer des Elektromotors mit dem Schaufelrad eine umlaufende wellenlose Einheit bildet.

Es sind Pumpen bekannt geworden, bei denen der Förderstrom einen Elektromotor parallel zur Rotationsachse durchsetzt. Der Nachteil dieser Pumpen liegt darin begründet, daß der Durchmesser des rotodynamischen Förderelementes (in der Regel ein Axialläufer) durch den Bohrungsdurchmesser des Elektromotorenläufers vorgegeben ist, so daß das Pumpenlaufrad im Verhältnis zum Elektromotorenläufer viel zu klein ist. Es sind auch Pumpen beschrieben worden, bei denen eine Rotor-Laufradeinheit auf einem hydrodynamischen Polster betrieben wird. Diese Pumpen haben in der Praxis keinen Eingang gefunden, da selbst die kleinsten Verunreinigungen bereits dazu führen, daß die hydrodynamische Druckpolsterbildung ausbleibt. Außerdem ist das erforderliche Losbrechmoment zur Überwindung der Haftreibung in der Regel so groß, daß derartige Pumpen überhaupt nicht ohne Starthilfe anlaufen.

Eine andere Art von Pumpen, sogenannte Sphärο-Pumpen, werden inzwischen in sechsstelligen Stückzahlen jährlich gebaut. Bei diesen Pumpen verläuft der magnetische Luftspalt zwischen dem Stator und dem Läufer auf einer sphärischen Fläche, Wellen und Lagerbuchsen entfallen. Der Nachteil dieser Pumpen besteht darin, daß der hydraulische Rotorschub dem magnetischen Schub entgegengesetzt gerichtet ist, daß aber der magnetische Schub den Rotor auf eine Kugel pressen muß, damit eine kontrollierte Lagerung gesichert ist. Sobald aber die elektrische Versorgung abgeschaltet wird, entfällt der Magnetschub, damit bleibt allein der Rotorschub, der dann dazu führt, daß diese Rotoren sich von der feststehenden Lagerkugel abheben, was zur Zerstörung führen kann. Ein weiterer Nachteil aller sphärischen Pumpen besteht darin, daß sich beim Verschwenken der Läufer-Laufradeinheit um eine Taumelachse gleichzeitig der Dichtspalt zwischen dem umlaufenden und dem feststehenden Teil der Pumpe in seiner Spalt-

weite verändert, was zur Leistungsminderung und zu instabilem Lauf führt. Außerdem wird bei allen sphärischen Pumpen der im wesentlichen axial sich erstreckende Spalt zwischen dem Pumpengehäuse zunehmend größer, wenn die Lagerschale Abtrag durch Verschleiß erfährt.

Die Erfindung hat das Ziel, die Vorteile der koaxialen Durchströmung, die insbesondere in der außerordentlich einfachen Gehäuseform der Pumpe liegt, mit den Vorteilen der Sphäropumpen zu kombinieren und gleichzeitig die beschriebenen Nachteile heutiger Sphäropumpen zu beseitigen.

Gemäß der Erfindung wird der Läufer, der mit dem Stator einen Magnetspalt bildet, der auf einer sphärischen Fläche verläuft, durch eine Kugel abgestützt, die über ein Unterstützungselement mit dem Ansaugrohr des Pumpengehäuses verbunden ist. Die Ansaugung erfolgt durch den Stator hindurch, wobei die Wicklung aus Spulen zusammengesetzt wird, die über einen Teil des Umfanges am Ansaugrohr liegen. Hierdurch ist eine vorteilhafte Kühlung der Spulen sichergestellt. Der Läufer ist zur Ansaugseite hin verjüngt ausgebildet, so daß sich ein magnetischer Axialschub ausbildet, der in der gleichen Richtung wirkt, wie der hydraulische Axialschub. Die Laufradläufereinheit kann deshalb auch nach dem Abschalten des Motors nicht von der Kugel abheben, so daß durch diese Maßnahme eine stabile Lagerung gewährleistet ist. Sofern feststoffhaltige Fördermittel gefördert werden sollen, sieht die Erfindung Abdichtelement vor, durch die ein Eindringen von Feststoff in den sphärischen Magnetspalt ausgeschlossen wird. Dieses Abdichtelement besteht darin, daß ansaugseitig ein Rohrstutzen bis in die Rotationsebene ragt. In der Rotationsebene, in der der Kugelmittelpunkt liegt, bildet der Rohrstutzen einen engen Spalt mit der inneren Peripherie des Läufers. Durch diese Anordnung liegt der Spalt zwischen Druckseite und Saugseite der Pumpe auf einer Zylinderfläche, so daß ein Lagerverschleiß keinen Einfluß auf die Spaltweite hat. Die Pumpe erfährt deshalb mit zunehmendem Verschleiß der Lagerkappe keine Minderleistung, wie dies bei bekannten sphärischen Pumpen der Fall ist.

Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Sphäre—Pumpen liegt darin begründet, daß die Strömung in den Spiralgehäusen radiale Kräfte auf den Rotor ausüben, wodurch in Abhängigkeit vom Drosselgrad eine Schrägstellung der Rotor-Laufradeinheit verursacht wird, die zu einer Verschlechterung sowohl des elektrischen Wirkungsgrades als auch des hydraulischen Wirkungsgrades führt. Durch die Erfindung wird sichergestellt, daß die Abströmung über den Umfang des Laufrades gleichmäßig erfolgt, so daß die gefürchtete Schrägstellung des Laufrades, die im Grenzfalle zum Anschlag oder zur Berührung umlaufende Teile mit feststehenden Teilen und damit zu ernsten Maschinenschäden führen kann, nicht mehr auftritt.

Zusätzlich kann ein weiterer Schutz vor Eindringen von Schmutzteilen dadurch erzielt werden, daß zwischen dem Läufer und dem Pumpenlaufrad ein stationärer Abdeckring angeordnet wird, der dann mit einer zwischen dem Läufer und dem Laufrad der Pumpe angeordneten Kugelfläche einen engen Spalt bildet.

Die Erfindung soll anhand der Figuren erläutert werden:

Figur 1 stellt einen in der Achse liegenden Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe dar.

Figur 2 zeigt einen Schnitt gemäß Schnittlinie II-II der Figur 1.

Figur 3 zeigt die Ausbildung einer Kreiselpumpe mit radial verlaufenden Zähnen.

Der Läufer (3) bildet mit dem Schaufelrad (2) eine Einheit. Im Ansaugbereich (1) ist ein Rohr (1a) angeordnet über welches das Schaufelrad (2) mit dem Läufer (3) fest verbunden ist.

Die Ansaugung erfolgt durch das Ansaugrohr (9), welches in die Kalotte (9a) übergeht, die den Pumpenraum vom Elektromotorenraum hermetisch trennt und dem magnetischen Luftspalt (9b) folgt. Im Ansaugrohr (9) ist ein weiteres Rohr (10) angeordnet, welches in der Aquatorial-Ebene (12) einen Kragen aufweist,

Ir

der mit dem Rohr (Ta) einen Dichtspalt (11) bildet. Ein weiteres mit dem Ansaugrohr (9) verbundenes Teil ist die Lagersäule (13), die die feststehend angeordnete Kugel (6) trägt. Die Durchbrüche (13a) bis (13c) sind so groß gewählt, daß der Förderstrom keinen nennenswerten Widerstand erfährt.

Das Schaufelrad (2) weist einen ringförmigen sphärischen Bereich (2a) mit dem Kugelmittelpunkt (6a) auf, der mit dem Abdeckring (9c) einen Spalt (11a) bildet. Das Schaufelrad (2) weist einen weiteren konzentrischen Ringbereich (2b) auf, dessen äußere Peripherie ebenfalls auf einer sphärischen Fläche verläuft, die mit einem feststehenden Leitrad (26) einen Spalt (2c) bildet. Auch die Peripherie der Laufradwandung (24) ist sphärisch ausgebildet und bildet mit dem Leitrad (26) einen Spalt (2e). Das Leitrad (26) trägt Schaufeln (15), die ein Zusammenwirken mit den Schaufeln (15a) den Austrittsdrall der Strömung in Druck umsetzen und die Durchsatzströmung dem Austrittsbereich (21) zuführen. Die Wandstärke des rotatxonssymetrischen Gehäuses (14) ist so gering gemessen, daß eine durch Wärmeeinfluß verursachte Längenausdehnung des anschließenden Rohrsystemes durch axiale Verformung des Gehäuses (14) ausgeglichen wird. An die Trennwand (9a) schließen Zähne (20) an, die die Wicklung (8) durchsetzen und durch das Joch (20a) magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Diese Zähne (20) werden durch das Ringgehäuse (17), das formschlüssig in eine Nut (20b) eingreift, gegen die Trennwand (9a) gepreßt, wodurch die dünnwandig ausgebildete Trennwand (9a) keine Verformung unter dem Einfluß des Druckes im Pumpengehäuse (14) erleidet.

Das saugseitige Pumpengehäuse wird durch das rotationssymetrische Formteil (14a) gebildet, welches über Ausnehmungen (20c) der Zähne (20) mit diesen verkrallt ist. Die durch die anschließenden Rohrleitungen ausgeübten Kräfte werden damit vom Gehäuse (14) auf das Ringgehäuse (17), von diesem auf den Kranz der Zähne (20) und von diesem auf das saugseitige Pumpengehäuse (14a) übertragen.

Der Wicklungsbereich mit den Spulen (8) ist mit einem aus Isolierstoff bestehenden Gehäuse (16) und (16a) umschlossen. Die beiden

Gehäuseschalen (16) und (16 ) weisen plane Flächen (16b) und (16c) auf, auf welche der Anschlußkasten (16d) aufgeschoben wird.

Figur 2 zeigt einen Schnitt gemäß der Schnittlinie II-II gernäß der Figur 1, wobei der Aufbau der Zähne (20) am Zahn (2Od) dargestellt ist. Dieser besteht aus jeweils zwei außenliegenden Blechstreifen (2Oe), die die gleiche Form haben, wie die Blechstreifen (2Of). Zwischen diesen Blechstreifen sind solche von geringerer radial nach innen gerichteter Erstreckung eingeschlossen. Die Spulen (8a) weisen Bereich (8b) auf, die der Außenkontur des isolierten Ansaugrohres (9) folgen. Zwischen benachbarten Spulen ist eine Kupferscheibe (9d) sichtbar in Figur 1, angeordnet, die die Wärme der Spulen (8c) zum Rohr (9) trägt.

Figur 3 zeigt eine Motor-Pumpeneinheit, die pumpenseitig im wesentlichen den gleichen Aufbau aufweist, wie die Pumpe in Figur 1, wobei auch die Positionen die gleichen Bezeichnungen tragen wie in den vorangegangenen Figuren. Im Unterschied zur eben beschriebenen Ausführungsform wird die Trennwand (9a) bis zur. Punapenf lansch (3 0)weitergeführt. Die Wicklung (31) ist in konventioneller Weise aufgebaut, das Statoreisen besteht aus den Zähnen (32) und dem Rückschlußring (33). Die Kühlung der Wicklung (31) erfolgt über den Ringbereich (34a), an dem die Wickelköpfe (31a) gut wärmeleitend anliegen, durch die Förderflüssigkeit. Die Lagerschale (35) weist auf der dem Lagerspalt (36) abgewandten Oberfläche (37) konzentrische sphärische Konfiguration auf. Der Stift (38), der mit dem Leitrad (26) eine Einheit bildet, bildet betriebsmäßig einen Spalt (39), der so weit gewählt ist, daß eine Berührung der relativ zueinander rotierenden Teile nur dann eintreten kann, wenn die Läufer-Schaufelradeinheit (2-3) sich von der Kugel (6) abhebt.

Claims

Patentansprüche -■- ■ orroocn/

Anspruch 1:

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe, die mit einem Elektromotor mit sphärischem Magnetspalt eine Einheit bildet, wobei der Läufer des Motors eine umlaufende Einheit mit dem Schaufelrad der Pumpe bildet und als Ring ausgebildet ist, dessen äußere Oberfläche in einer gedachten Kugelschale liegt, wobei die axiale Erstreckung des Läufers durch zwei radiärsymetrische Ringflächen begrenzt wird und die Läufer-Schaufelrad-Einheit durch ein sphärisches Lager axial abgestützt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (3) den Ansaugbereich (1) des Schaufelrades (2) umschließt und daß die sphärische Lagerung mit der Lagerpfanne (5) und dem konvexen Gleitpartner (6) innerhalb des Ansaugbereiches (1) angeordnet ist.

Anspruch 2:

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche (8b) der Wicklungen (8) mit dem Ansaugrohr (9) gut wärmeleitend verbunden sind.

Anspruch 3: *

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche (8b) der Spulen der Wicklung (8) dem Außenmantel des Ansaugrohres (9) folgen.

Anspruch 4:

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Ansaugrohr (9) kommunizierender Rohrstutzen (10) in Ansaugbereich (1) hineinragt und mit der inneren Peripherie des Läufers (3) einen engen Dichtspalt (11) bildet, der in der Äguatorebene (12) liegt.

Anspruch 5:

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Gleitpartner (6) von einer mit dem Ansaugrohr (9) verbundenen Lagersäule (13) getragen wird, die von der Strömung durchsetzt wird und gegenüber der Strömung einen geringen Querschnitt aufweist.

Anspruch 6:

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrisch geformte druckseitige Gehäusehälfte (14) so dünnwandig ausgebildet ist, daß sie betriebsmäßig eine Verformung zuläßt, durch die die Axialwege der thermischen Ausdehnung der anschließenden Rohrleitungen ausgeglichen werden.

Anspurch 7:

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schaufelrad (2) nachgeschalteten Leitelemente (15, 15a) mit dem inneren Peripheriebereich des Pumpengehäuses fest verbunden sind.

Anspruch 8:

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe nach Anspruch 1 mit einem Kranz von zwischen zwei gedachten Zylindern axial verlaufenden Zähnen, dadurch gekennzeichnet, daß das druckseitige Gehäuse (14) über einen Ring (17) mit nach innen vorspringendem Rand (18) in Nuten (20b) der Zähne (20) eingreift und die Axialkräfte in den Kranz der Zähne (20) einleitet, wodurch diesem eine statische Funktion aufgeprägt wird.

Anspruch 9:

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (2) an der dem Ansaugbereich (21) zugewandten Laufradwandung (24) einen konvexen Ringbereich (2b) mit sphärischer, zum Kugelmittelpunkt konzentrischer Oberfläche aufweist, der mit einem konkaven Ringbereich (2b) einen engen sphärischen Spalt (2c) bildet, wobei ferner die Laufradwandung (24) Perforationen (25) im nabennahen Bereich aufweist.

Anspurch 10:

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitapparat (26) einen Stift (27) trägt, der mit dem sphärischen Rückenbereich (28) der Lagerschale (5) einen Spalt bildet.

Anspruch 11:

Koaxial durchströmte Kreiselpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der sphärische Rückenbereich (28) von einem ringförmigen Bereich (29) umschlossen ist, der mit dem Stift (27) einen Ringspalt solcher Weise bildet, daß ein vorgegebener Taumelwinkel nicht überschritten werden kann.