DE3901167A1 - Spaltminimierung - Google Patents

Spaltminimierung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Einhaltung kleinster Spaltweiten zwischen Rotor und Gehäuse einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Kreiselpumpe.
Ein wesentlicher Verlustfaktor in Pumpen ist durch die Leckströme, die durch die konstruktiv bedingten Dichtspalte hindurchtreten, gegeben. Um diese Leckströme möglichst gering zu halten, werden die Dichtspalte so klein wie möglich gemacht und die Pumpengehäusewand im Dichtspaltbereich die Flüssigkeitsreibung erhöhend ausgebildet. Diese Minimierung des Dichtspaltes wird bei herkömmlichen Pumpen durch zwei Sachverhalte bestimmt, die ein Unterschreiten der Spaltweite unter einen bestimmten Wert nicht erlauben.
Zum einen dürfen die Schwingungen der Pumpenwelle nicht zu einem Berühren und Festfressen mit der stehenden Pumpengehäusewand führen; die Spaltweite muß also größer als die Schwingungsamplitude gewählt werden.
Der andere Sachverhalt liegt in der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Pumpenwelle und feststehender Pumpen­ gehäusewand. Wird die Pumpe mit einem heißen Fördermedium betrieben, wie es z.B. in Kraftwerken der Fall ist, so erwärmen sich zuerst die rotierenden, vom Fördermedium umspülten Teile und dehnen sich aus. Bei den stehenden Gehäuseteilen erfolgt die Erwärmung und somit auch die Ausdehnung langsamer. Der Dichtspalt wird sich also bei der Inbetriebnahme in der Aufwärmphase erst einmal verkleinern und dann bis zum Erreichen einer gleichmäßigen Betriebstemperatur wieder erweitern, bis er einen relativ konstanten Wert annimmt. In der Abschaltphase der Pumpe läuft dieser Vorgang in entgegengesetzter Richtung ab. Der Dichtspalt muß also so groß gewählt werden, daß es beim Anfahren und Abschalten der Pumpe nicht zu einer Berührung von Pumpenwelle und Gehäusewand aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit deren Hilfe die Spaltweite zwischen einem rotierenden und einem stillstehenden Teil minimiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die den Spalt umgebenden Gehäusewandungen mit Einrichtungen zum Beheizen versehen sind und daß die die Spaltweite begrenzende Wandfläche nachgebend gestaltet ist.
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß der Spalt sehr klein, im Extremfall sogar Null sein kann, da bei einer Berührung zwischen der Pumpenwelle und der Wandfläche die letztere nachgibt. Während der Anlauf- und Abschaltphase der Pumpe kommt es durch die Beheizung der den Dichtspalt umgebenden Gehäusewand zu einer gleichmäßigen Wärmeausdehnung von Gehäusewand und Pumpenwelle und damit des Spaltes. Hat sich eine gleichmäßige Betriebstemperatur eingestellt, so kann auf die Heizung verzichtet werden. Die bei gleichmäßigen Betriebszuständen auftretenden Wellenschwingungen führen nicht zu einem nennenswerten Aufschleifen des Spaltes, da sie von der nachgebenden Wandfläche aufgefangen werden. Wird die Pumpe in einen anderen Betriebszustand gebracht, so ist dies mit verhältnismäßig starken Schwingungen der Pumpenwelle verbunden. Um hierbei eine Schädigung des Spaltes zu vermeiden, wird der Spalt durch die Heizung aufgeweitet und stellt somit den Schwingungen den nötigen Raum zur Verfügung. Bei erneutem stationärem Betrieb kann die Heizung wieder abgestellt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Wandfläche als nachgebende Gitterstruktur mit dünnwandigen Stegen auszubilden. Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften eignet sich hierzu besonders ein dünnwandiges Wabengitter. Die der Wellenoberfläche zugekehrten Waben, welche unterschiedliche Formen aufweisen können, bilden gleichzeitig Taschen für die Aufnahme der jeweiligen Schmier­ flüssigkeit, so daß sich zum einen während des Betriebs ein hydrodynamischer Schmierkeil ausbilden kann und zum anderen bei einem Ausfall der Schmierung in den Taschen ausreichende, Notlaufeigenschaften sichernde Schmiermittelmengen erhalten bleiben. Überdies weisen die die Wabenform bildenden metallischen Stege eine Wandstärke auf, welche infolge ihrer geringen Stärke über eine hohe Nachgiebigkeit verfügen, wodurch bei einem eventuellen Anlaufen keine Zerstörungen der Lageroberfläche auftreten.
Vorteilhaft ist in den Ansprüchen 3 und 4 weiterhin vorgesehen, daß eine dem Spalt zugekehrte Gehäusefläche mit einem eigenständigen, nachgebenden oder eine nachgebende, dünnwandige Gitterstruktur aufweisenden Bauteil versehen ist. Dadurch wird erreicht, daß für die verschiedensten Wellendurchmesser in einfachster Weise durch Wahl eines entsprechenden Einsatzes eine leichte Anpassung gewährleistet werden kann.
Die Ansprüche 5 und 6 beschreiben verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, wobei es je nach Einsatzort der Pumpe, z.B. in explosionsgefährdeter Umgebung, von Vorteil sein kann, die Gehäusewand nicht durch eine elektrische Heizeinrichtung, sondern durch ein gasförmiges oder flüssiges Medium zu beheizen.
Der Anspruch 7 beschreibt eine andere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabenstellung. Hierbei werden alle Schwingungen der Pumpenwelle sowie die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen durch das die Gitterstruktur aufweisende Bauteil und einer elastisch nachgebenden Einrichtung zwischen Bauteil und Gehäusefläche kompensiert. Die Beheizung der Gehäusewand kann somit entfallen.
Die Ansprüche 8 und 9 nennen vorteilhafte Ausgestaltungen des Anspruches 7.
Anhand der folgenden Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen die
Fig. 1 eine elektrisch beheizte Gehäusewand mit einem eigenständigen, eine dünnwandige Gitterstruktur aufweisenden Bauteil, die
Fig. 2 eine von einer Flüssigkeit beheizte Gehäusewand mit einer als Gitterstruktur ausgebildeten Wandfläche und die
Fig. 3 eine zwischen dem eine Gitterstruktur aufweisenden Bauteil und der Gehäusefläche angeordnete elastisch nachgebende Einrichtung.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist eine Gehäusewand (1), deren Einrichtung (2) zur Beheizung elektrisch betrieben wird, im Bereich der dem Spalt (3) zugekehrten Gehäusefläche (6) mit einem eine Gitterstruktur (8) mit dünnwandigen Stegen (10) aufweisenden Bauteil (4) ausgekleidet. Während eines gleichmäßigen Betriebszustandes der Pumpe kann der zwischen Pumpenwelle (5) und Bauteil (4) existierende Spalt (3) sehr klein oder aufgrund der Nachgiebigkeit des Bauteils (4) auch Null sein, wodurch natürlich auch die durch den von der Hochdruckseite (P H ) zur Niederdruckseite (P N ) strömenden Leckstrom (Q L ) bedingten Verluste geringer werden oder ganz verschwinden. Wird die Pumpe in einen anderen Betriebszustand gebracht, so wird über die Einrichtung (2) zur Beheizung der Spalt (3) aufgeweitet, damit die auftretenden Übergangsschwingungen der Pumpenwelle (5) nicht zu einer Schädigung führen. Ebenso wird bei Inbetriebnahme der Pumpe durch ein Aufheizen der Gehäusewand (1) dafür gesorgt, daß sich Pumpenwelle (5) und Gehäusewand (1) gleichmäßig ausdehnen und ein Anlaufen zwischen Pumpenwelle (5) und Bauteil (3) vermieden wird. Nach Einstellen eines gleichmäßigen Betriebszustandes kann die Beheizung abgeschaltet werden, wodurch sich der Spalt (3) minimiert. Die restlichen Schwingungen der Pumpenwelle (5) werden von dem nachgebenden Bauteil (4) aufgefangen.
In der Fig. 2 ist eine Gehäusewand (1), deren Einrichtung (2) zum Beheizen mit einem flüssigen Medium beaufschlagt ist, dargestellt. Die die Spaltweite begrenzende Wandfläche (7) ist mit einer nachgebenden Gitterstruktur (8) versehen. Die Funktionsweise dieser Einrichtung ist analog der Einrichtung der Fig. 1.
Die Fig. 3 zeigt eine Gehäusewand (1) und eine zwischen der dem Spalt (3) zugekehrten Gehäusefläche (6) und dem eine nachgebende Gitterstruktur (8) aufweisenden Bauteil (4) angeordnete elastische Einrichtung (9). Die elastische Einrichtung (9) und das Bauteil (4) kompensieren alle Schwingungen der Pumpenwelle (5) sowie die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen. Hierbei kann es sich um ein federnd nachgiebiges Ringelement handeln, welches offen ausgebildet ist. Der im Bereich der Ringenden bestehende Stoß ermöglicht die Nachgiebigkeit.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Einhaltung kleinster Spaltweiten zwischen und Gehäuse einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Kreiselpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spalt (3) umgebenden Gehäusewandungen (1) mit Einrichtungen (2) zum Beheizen versehen sind und daß die die Spaltweite begrenzende Wandfläche (7) nachgebend gestaltet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandfläche (7) als nachgebende Gitterstruktur (8) mit dünnwandigen Stegen (10) ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Spalt (3) zugekehrte Gehäusefläche (6) mit einem eigenständigen nachgebenden Bauteil versehen ist.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Spalt (3) zugekehrte Gehäusefläche (6) mit einem eigenständigen, eine nachgebende, dünnwandige Gitterstruktur (8) aufweisenden Bauteil (4) versehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (2) zum Beheizen durch ein gasförmiges oder flüssiges Medium beaufschlagt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (2) zum Beheizen elektrisch ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Spalt (3) zugekehrte Gehäusefläche (6) mit einem eigenständigen, eine nachgebende, dünnwandige Gitterstruktur (8) aufweisenden Bauteil (4) versehen ist, wobei zwischen dem Bauteil (4) und der Gehäusefläche (6) eine elastisch nachgebende Einrichtung (9) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (9) als Federring ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (9) als hydraulischer Dämpfer ausgebildet ist.
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