DE3720250A1 - Pumpe zum transport gasfoermiger medien, insbesondere fuer einen gaslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe zum Transport gas­ förmiger Medien, insbesondere in einem Unterdrucksystem, mit einem schnellaufenden elektrischen Antriebsmotor für ein Verdichterrad, das drehfest auf einem aus einem Gehäuse des Antriebsmotors austretenden freien Ende einer Antriebswelle angeordnet ist und ein Gas in einem Gasfördersystem fördert, wobei im Bereich des Durch­ tritts des freien Endes der Antriebswelle durch das Gehäuse eine Dichtung vorgesehen ist sowie Lager für die Lagerung des Motors auf der Antriebswelle vorgesehen sind.

In der Gasfördertechnik müssen oftmals vergleichsweise große Gasmengen pro Zeiteinheit gefördert werden. Als Förderelement nimmt man hierzu in aller Regel Radial­ turbinenräder, wobei Drehzahlen im Bereich von 18 000 bis 25 000 U/min vergleichsweise gut beherrschbar sind. Wenn die Leistung solcher bekannter Gasförderpumpen bei Vorgabe beengter Raumverhältnisse gesteigert werden soll, bleibt als konstruktiver Ausweg nur eine weitere Anhebung der Drehzahl, da gemäß Voraussetzung die Ab­ messungen des Radialverdichterrades nicht nennenswert vergrößert werden können. Dies gilt insbesondere im Falle von Förderpumpen für Lasergas von Lasergeräten oder Lasern.

Bisher sind keine Förderpumpen für gasförmige Medien bekannt, die im Langzeitbetrieb mit Drehzahlen über ca. 25 000 U/min bis etwa 50 000 U/min einsetzbar sind und die die weitere Forderung erfüllten, daß zuverlässig vermieden werden muß, daß Öl aus dem Schmier­ mittelsystem der Pumpe in das Gasfördersystem eindringt, wobei dieses insbesondere auch noch ein Unterdrucksystem sein kann.

Schleifspindeln von Metallbearbeitungsmachinen können an sich elektromotorisch mit Drehzahlen von 90 000 bis 18 000 U/min angetrieben werden. Diese Spindeln können aber praktisch ungehindert allseitig mit Schmiermittel versorgt werden. Sie arbeiten teilweise sogar in einem Ölnebel. Dies ist der Grund, warum sie in Gasförder­ systemen der oben beschriebenen Art, bei welchem es auf quasi absolute Reinhaltung des zu fördernden Gases an­ kommt, nicht zur Anwendung gelangen können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Pumpe zur Förderung gasförmiger Medien der eingangs genannten Art zu schaffen, die im Langzeitbetrieb prak­ tisch wartungsfrei betrieben werden kann und die zuver­ lässig eine Reinhaltung des zu fördernden Gases vom Schmiermittel der Pumpe gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Lager schwingungsgedämpft sind und daß im Bereich der Dichtung ein Ringraum ausgebildet ist, in dem ein Druck herrscht, der niedriger ist als der Druck im Gasfördersystem.

Jedwede Gase, die aus dem Gasfördersystem in den Ring­ raum eindringen, werden somit durch den dort herrschenden Druck mit Sicherheit abgesaugt, so daß keinerlei Gase oder Partikel aus dem dahinter befindlichen Antriebs­ system mitsamt der Dichtung des Antriebssystems (Schmiermittel) in das Gasfördersystem gelangen können. Weiterhin wird durch die schwingungsgedämpfte Lagerung des Motors erreicht, daß alle Resonanzfrequenzen, die das Antriebssystem zwischen Stillstand und maximaler Drehzahl durchläuft, fühlbar bedämpft werden. Das be­ deutet, daß die Amplituden der Auslenkung des Antriebs­ systems, gemessen über der Drehfrequenz des Antriebs­ systems fühlbar verringert werden. Dies gilt naturgemäß insbesondere für die hier kritischen Resonanzspitzen, und wiederum insbesondere für die zweite Resonanzfre­ quenz. Die zweite Resonanzfrequenz ist in umgedämpftem Zustand nämlich sehr breit und macht es praktisch unmöglich, den Bereich zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz als Arbeitsbereich auszunutzen. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird aber die hier besonders kritische zweite Resonanzfrequenz eben­ falls fühlbar bedämpft und auf einen Frequenzbereich reduziert, der dieser zweiten Resonanzfrequenz verhält­ nismäßig eng benachbart ist. Durch diese Maßnahme wird also zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz ein Bereich ausgebildet, der praktisch frei von Reso­ nanzen ist und dieser Bereich kann dann als Arbeitsbe­ reich des Antriebssystems und damit der erfindungsge­ mäßen Pumpe benutzt werden, weil in diesem Drehbereich praktisch keine störenden Schwingungen mehr auftreten. Beim Hochfahren des Antriebssystems muß man daher nur die erste Resonanzfrequenz durchfahren und kann dann ungestört im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz arbeiten. Dieser Arbeitsbereich liegt, zumindest bei der erprobten Pumpe, ausreichend beabstandet zwischen der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz, wobei die erste Resonanzfrequenz bei etwa 20 000 U/min auftritt und die zweite Resonanzfrequenz bei etwa 50 000 U/min.

Durch die Maßnahme nach Patentanspruch 2 wird erreicht, daß auch die Dichtung bedämpft wird. Weil die Dichtung aber eine fühlbar geringere Masse hat als der Antriebs­ motor, ist hier eine Bedämpfung nicht so wichtig wie die Dämpfung des Lagers des Antriebsmotors. Außerdem wird angegeben, durch welche konstruktiven Maßnahmen dem vorderen Lager des Antriebsmotors Öl zur Schmierung zugeführt werden kann, welches Öl dann auch für die Wärme­ abfuhr aus dem Antriebsmotor benutzt wird. Schließlich wird durch diese Maßnahmen der Ringraum definiert, in dem ein Druck herrscht, der niedriger ist als der Druck im Gasfördersystem. Die Gleitringdichtung sorgt für die Abdichtung zwischen dem Ölfördersystem und der eigentlichen Dichtung und ermöglicht gleichzeitig ein Gleiten auf dem Gegenring, und zwar durch entsprechend plan bearbeitete Oberflächen.

Die Schwingungsdämpfung der Lager wird durch eine ent­ sprechende konstruktive Ausgestaltung dieser Lager er­ reicht, wobei im allgemeinen das vordere, dem Verdichter­ rad benachbarte Lager stärker schwingungsgedämpft wird als das hintere Lager. Nach Patentanspruch 3 können die Lager zusätzlich mit Öl beaufschlagt werden, wodurch die Lager zusätzlich schwingungsgedämpft werden.

Um einen guten Transport des Öls durch dessen Förderwege zu gewährleisten, wird es bevorzugt, wenn dem Öl zur Bildung einer Emulsion Luft beigemischt wird.

Da die Spaltringdichtung bei hoher Drehzahl dazu neigt, sich axial zu bewegen, ist es vorteilhaft, wenn sie mittels einer Scheibenfeder in Richtung auf das Dämpfungssystem vorge­ spannt ist.

Zweckmäßigerweise wird als Dämpfungssystem ein Metallfalten­ balg eingesetzt, der von einem Dämpfungsglied umgeben ist. Um eine laufende Schmierung des Gleitringes zu gewährlei­ sten, wird nach der Erfindung weiterhin vorgeschlagen, den Gegenring mit Ausnehmungen zu versehen, die eine Verbindung zwischen einem Ölzufuhrkanal, den Wellenlagern und dem Inne­ ren der Welle herstellen.

Der freie Raum zwischen Spaltringdichtung und Dämpfungs­ system wird nach der Erfindung durch die Gleitringdichtung abgedichtet, indem der Gleitring unter Vorspannung durch den Metallfaltenbalg dichtend an dem mit der Motorachsenwelle rotierenden Gegenring anliegt.

Aus baulichen Gründen ist es vorteilhaft, daß die Spaltring­ dichtung in einer Andruckplatte gelagert ist, die eine auf die Spaltringdichtung wirkende Feder aufweist.

Um eventuelle Ölspuren im freien Raum abzusaugen und dort einen niedrigeren Unterdruck zu halten als im Unterdruck­ system, weist das Lagergehäuse der Gleitringdichtung einen Absaugkanal auf, an den eine separate Vakuumeinrichtung an­ schließbar ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie an Hand der schematischen Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Axialschnitt einer Gaspumpe nach der Erfindung

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt des Dichtungs­ und Dämpfungssystems der erfindungsgemäßen Gaspumpe nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein Diagramm, wobei über die Drehfrequenz die Auslenkung aufgetragen ist.

Fig. 1 zeigt eine als Baueinheit ausgebildete Pumpe oder Gaspumpe 1 mit einem in einem Gehäuse 2 untergebrachten Elektromotor 3, der auf einem freien Ende seiner Antriebs­ welle 4 ein Verdichterrad in Form eines Radialverdichter­ rades 5 trägt. Der Motor läuft oberhalb der kritischen Dreh­ zahl mit mindestens 42 000 U/min und fördert wegen der hohen Drehzahl große Gasmengen, die größer als 1000 m³/Stunde sein können.

Der Motor 3 weist einen Rotor 6 und einen Stator 7 auf. Seine Antriebswelle 4 ist in Kugellagern 8 gelagert und ge­ führt. Die Kugellager können auch als Gleitlager ausgebildet sein. Unterhalb des Verdichterrades 5 ist ein Dichtungs- und Dämpfungssystem 9 angeordnet, das durch eine nicht darge­ stellte Vakuumpumpe unter Unterdruck steht und in einem La­ gerdeckel 10 gelagert ist. Die Gaspumpe 1 wird über den Lagerdeckel 10 an einem gasführenden Unterdrucksystem ab­ dichtend befestigt.

Das untere Ende des Gehäuses ist durch einen Längenaus­ gleichskörper 11 öldicht abgeschlossen. Über den rohr­ förmigen Ansatz 12 wird das Elektroanschlußkabel für den Elektromotor 3 zugeführt.

Aus Fig. 2 ist das Dichtungs- und Dämpfungssystem 9 näher zu erkennen. Es besteht aus einer gepanzerten Spaltringdich­ tung 13, die mit der Oberfläche 14 der Achsenwelle 4 des Motors 3 zusammenwirkt. Die Oberfläche 14 der Achsenwelle ist außerdem mit der Oberfläche 15 der Spaltringdichtung 13 paßgenau abgestimmt. Eine Feder 16 verhindert eine axiale Bewegung der Spaltringdichtung 13. Sie ist in einer Andruck­ platte 17 gehalten, die im Lagerdeckel 10 untergebracht und mittels O-Ringen 18 abgedichtet ist. Die Spaltring­ dichtung 13 hat zur Achsenwelle ein minimales Spiel und kann sich den radialen Schwingungen der Motorwelle an­ passen.

An die Andruckplatte 17 schließt sich ein Lagergehäuse 19 an, das eine Gleitringdichtung 20 aufweist, die in einem Gleitringkörper 21 gelagert ist. Im Lagergehäuse 19 sitzt außerdem ein Balgträger 22 mit einem Metallfaltenbalg 23, der seinerseits an dem Gleitringkörper 21 anliegt und an seinem Umfang mit einem Dämpfungsglied 24 versehen ist. Der freie Raum 25, auch als Isolierraum bezeichnet, zwischen Spaltringdichtung 13 und Gleitringdichtung 20 wird über einen Absaugkanal 26 unter einen Vakuum gehalten, das größer ist als das Vakuum in dem Unterdrucksystem im Bereich des Radialverdichterrades, wodurch beim Absaugen des Schmiermit­ tels auch Gas aus dem Unterdrucksystem abgezogen werden kann. Die Gleitringdichtung 20 dichtet den Isolierraum 25 durch Zusammenwirken mit dem Gegenring 27 ab. Der Gegenring 27 ist auf der Motorenwelle 4 preßsatt aufgesetzt. Durch das Dämpfungsglied 24 werden Radialschwingungen der Achsenwelle aufgefangen. Das Lagergehäuse 19 ist durch einen weiteren O- Ring 28 im Motorengehäuse 19 abgedichtet. Die Spaltringdi­ chtung 13 und der Gleitring 20 sind beispielsweise aus gebrannten Graphitringen hergestellt.

Der Gegenring 27 weist außerdem Schmiermittelzuführbohrungen 29 auf, durch die das unter Hochdruck, z. B. mindestens 40 bar, stehende Schmiermittel zur Schmierung der Achsen­ welle und der Lager 8 eingespritzt wird. Das Schmiermittel verteilt sich als Ölnebel auf die Lager und wird an­ schließend durch Druckluft über einen Zuführkanal 30 im Ge­ häuse 2 und den Rückführkanal 31 zu einem nicht dargestell­ ten Kühlaggregat geführt und danach getrennt im Kreislauf wieder zugeführt. Im freien Isolierraum 25 auftretendes Öl wird über den Absaugkanal 26 abgesaugt. Die Gaspumpe wird außerdem durch eine übliche Wasserkühlung im Achswellenbe­ reich gekühlt.

Das im Bereich des Radialverdichterrades 5 angeordnete Dich­ tungs- und Dämpfungssystem 9 verhindert, daß das für die Schmierung der Gaspumpe erforderliche Schmiermittel in das Unterdrucksystem des Transportgases gelangen kann. Durch den Metallfaltenbalg mit Dämpfungsglied wird erreicht, daß die Achsenwelle des mit hoher Drehzahl laufenden Elektromotors nach der Anlaufphase ruhig und vibrationsfrei läuft, so daß auf ein Unterdrucksystem keine nachteiligen Vibrations­ schwingungen übertragen werden, wenn die Gaspumpe nach der Erfindung in das Unterdrucksystem eingebaut wird. Das Dicht- und Dämpfungssystem kann als Baueinheit ausgeführt sein und ist deshalb komplett austauschbar. Die Gleitringdichtung 20 mit dem Metallfaltenbalg dichtet bei der hohen Drehzahl des Motors den Isolierraum 25 sicher ab. Die Gaspumpe gewährleistet deshalb einen wartungsarmen und störungsfreien Langzeitbetrieb.

In Fig. 3 ist über der Drehfrequent Omega die Auslenkung A aufgetragen, und zwar mit durchgezogenen Linien bei der erfindungsgemäßen Pumpe, die also schwingungsgedämpft ist und gestrichelt die ungedämpfte Pumpe. Es ist ersichtlich, daß die zweite Resonanz 32 ungedämpft sehr breit ist und durch die Schwingungsdämpfung wird die zweite Resonanz viel schmaler. Außerdem geht der absolute Betrag der Auslenkung zurück. Der Arbeitsbereich des Antriebssystems der erfindungsgemäßen Pumpe wird also so gewählt, daß dieser zwischen der ersten Resonanz 33 und der zweiten Resonanz 32 liegt, d.h. im Bereich 34.

Ein die Dämpfung des vorderen Lagers 8 bewirkender soge­ nannter Käfig besteht aus zwei parallelen Ringen, die über achsparallele Stege miteinander verbunden sind. Die Stege sind die eigentlichen Dämpfungselemente. Dieser Käfig wird über das Kugellager des Lagers 8 geschoben und mit Öl beaufschlagt.

Das hintere, ebenfalls schwingungsgedämpfte Lager ist kon­ struktiv einfacher ausgebildet. Es besteht aus mehreren voneinander beabstandeten Ringen aus elastischem Material, die um das hintere Kugellager gelegt sind. Auch hier kann zur Erhöhung der Schwingungsdämpfung zusätzlich eine Beaufschlagung mit Öl vorgesehen sein.

Claims (12)

1. Pumpe zum Transport gasförmiger Medien, insbesondere in einem Unterdrucksystem, mit einem schnellaufenden elektrischen Antriebsmotor für ein Verdichterrad, das drehfest auf einem aus einem Gehäuse des Antriebs­ motors austretenden freien Ende einer Antriebswelle angeordnet ist und ein Gas in einem Gasfördersystem fördert, wobei im Bereich des Durchtritts des freien Endes der Antriebswelle durch das Gehäuse eine Dichtung vorgesehen ist sowie Lager für die Lagerung des Motors auf der Antriebswelle vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (8) schwingungsgedämpft sind und daß im Bereich der Dichtung ein Ringraum ausgebildet ist, in dem ein Druck herrscht, der niedriger ist als der Druck im Gasfördersystem.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung eine Spaltringdichtung (13) aufweist, die im Bereich eines Radialschwingungen der Welle aufnehmenden Dämpfungssystem (9) angeordnet ist, das seinerseits mit einer Gleitringdichtung (20) vorge­ sehen ist, die an einem auf der Welle (4) angeordneten Gegenring (27) zusammenwirkt, und daß der Ringraum zwischen der Spaltringdichtung (13) und den Dämpfungs­ system (9) vorgesehen ist und daß der Gegenring (27) an eine Ölversorgung angeschlossen ist.

3. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager mit Öl beaufschlagt sind.

4. Pumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Öl zur Bildung einer Emulsion Luft beige­ mischt wird.

5. Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltringdichtung mittels einer Scheiben­ feder (16) in Richtung auf das Dämpfungssystem vor­ gespannt ist.

6. Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungssystem ein Metallfaltenbalg (9) ist, der von einem Dämpfungsglied (24) umgeben ist.

7. Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenring (27) mit Ausnehmungen (29) versehen ist, die eine Verbindung zwischen einem Ölzufuhr­ kanal, den Wellenlagern und dem Inneren der Welle (4) herstellen.

8. Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitring (2) unter Vorspannung durch den Metallfaltenbalg (9) dichtend an den mit der Motor­ achsenwelle rotierenden Gegenring (27) anliegt und den freien Raum (25) abdichtet.

9. Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltringdichtung (13) in einer Andruckplatte (17) gelagert ist, die eine auf die Spaltringdichtung (13) wirkende Feder (16) aufweist.

10. Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (19) der Gleitringdichtung (20, 27) einen Absaugkanal (26) aufweist.

11. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichterrad im Radialverdichterrad (5) ist.

12. Verwendung der Pumpe nach den Ansprüche 1 bis 11 als Gasförderpumpe in einen Gaslaser.