DE3939156A1 - Zusammengesetztes laufrad fuer eine kreiselpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem zusammengesetzten Laufrad für eine insbesondere mehrstufige Kreiselpumpe, bestehend aus einer Metallnabe, aus einer hinteren metallischen Deck­ scheibe, wenigstens einer vorderen Deckscheibe und aus zwischen den Deckscheiben angeordneten Schaufeln.

Derartige Laufräder, die aus überwiegend spanlos aus Stahl­ blechmaterial hergestellten Einzelbauteilen bestehen, werden in vielstufigen, bei der Wasserversorgung eingesetzten Krei­ selpumpen verwendet und haben sich dort wegen ihrer Ero­ sionsfestigkeit und Korrosionsfestigkeit bewährt.

In der Erdölförderung eingesetzte, vielstufige Kreiselpum­ pen arbeiten in großen Tiefen, z. B. in 3000 Meter Tiefe, so daß in diesen Pumpen ein hoher Druck herrscht, dem auch die Laufräder ausgesetzt sind. Die für diese Pumpen verwendeten Laufräder sind gegossene Laufräder und bestehen aus Grauguß­ material. Sie stützen sich über zwischengelagerte, axial be­ lastete Dichtringe an nichtdrehenden Teilen der Pumpen, z. B. an Gehäuseteilen, ab. Wenn diese Dichtringe, die eben­ falls wie die Grauguß-Laufräder aufgrund des aggressiven Fördermediums Erdöl und des hohen Druckes in der Pumpe einem schnellen Verschleiß unterliegen, aufgerieben worden sind, müssen die Pumpen ausgewechselt werden, weil die gegossenen Laufräder dann an den nichtdrehenden, aus Gußeisen bestehenden Gehäuseteilen der Kreiselpumpe reiben und die Notlaufeigen­ schaften des Graugußmaterials begrenzt sind. Weil das Aus­ wechseln der Kreiselpumpe viel Zeit in Anspruch nimmt, be­ deutet dies einen beträchtlichen Förderverlust. Da jedoch die Laufräder aus dem Gußeisenmaterial dem aggressiven und gleichzeitig unter hohem Druck stehenden Fördermedium Erdöl, bei dem beispielsweise der Sandgehalt ein erheblicher Ver­ schleißfaktor ist, ebenfalls nicht lange standhalten, müssen auch sie nach relativ kurzen Betriebsintervallen ausgewechselt werden. Ein weiterer Nachteil der gegossenen Laufräder be­ steht darin, daß sie nach dem Gießvorgang einer spangebenden Bearbeitung unterzogen werden müssen, wodurch eine erhebliche Erhöhung der Herstellungskosten der Laufräder bedingt ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines zusammengesetzten Laufrades für insbesondere mehrstufige Kreiselpumpen, das wirtschaftlicher herstellbar ist und dessen in seinem Ansaugbereich befindliche Abdichtung ge­ genüber dem Pumpengehäuse eine verlängerte Lebensdauer hat, so daß die Kreiselpumpe bei gutem Wirkungsgrad länger als bisher ohne Unterbrechung in Betrieb sein kann.

Die Lösung dieser Aufgabe geht von dem einleitend angeführten zusammengesetzten Laufrad aus und kennzeichnet sich weiter dadurch, daß die vordere, den Schaufeln zugekehrte Deck­ scheibe zumindest in ihrem Einströmbereich aus einem Material mit Gleiteigenschaften gegen insbesondere Stahl besteht.

Eine einfache Ausführungsform eines solchen Laufrades be­ steht darin, daß die vordere Deckscheibe aus einem Buntme­ tall, z. B. aus Bronzematerial, besteht, die mit dem übrigen, aus Stahlblechmaterial hergestellten Laufrad verbunden ist. Da die Deckscheibe in ihrem Einströmbereich den üblichen Einlaufstutzen aufweist, kann der in Rede stehende Dicht­ ring darauf gelagert sein.

Eine andere Ausführungsform besteht darin, daß der vordere Abdeckaufbau des Laufrades aus zwei Deckscheiben besteht, nämlich aus einer inneren Deckscheibe, die aus dem Material mit den Gleiteigenschaften besteht und den Schaufeln un­ mittelbar zugekehrt ist, und aus einer weiteren, äußeren Deckscheibe, die vorzugsweise aus Stahlblech besteht. Die innere Deckscheibe besitzt Löcher, durch die hindurch die äußere Deckscheibe mit den Schaufeln oder mit der hinteren, aus Stahl bestehenden Deckscheibe verbunden ist, vorzugs­ weise durch Schweißen. Die äußere Deckscheibe ist dabei vorteilhaft so gestaltet, daß sie gleichzeitig auch mit als Halterung des erwähnten Dichtringes dient, der das Laufrad gegenüber dem Pumpengehäuse dichtend axial abstützt.

Eine weitere Ausführungsform besteht darin, daß der vordere Deckscheibenaufbau aus zwei koaxial in einer gemeinsamen Ebene angeordneten, miteinander drehfest verbundenen Ring­ scheiben besteht, daß die radial äußere Ringscheibe mit den Schaufeln des Laufrades verbunden ist und daß die radial innere Ringscheibe aus dem Material mit den Gleiteigen­ schaften besteht und den erwähnten Dichtring aus nicht­ metallischem Werkstoff trägt.

Durch diese Lösung des Abdichtungsbereiches in dem Ein­ strömbereich des zusammengesetzten Laufrades ist es mög­ lich, aus hochfesten Stahlbauteilen bestehende, zusammen­ gesetzte Laufräder in Kreiselpumpen für die Förderung aggressiver Medien, insbesondere Erdöl, einzusetzen, so daß daraus eine beträchtlich verlängerte Betriebsdauer des Laufrades und der Kreiselpumpe zwischen den Austauschzyklen resultiert. Insbesondere wenn die mit den erfindungsgemäßen Laufrädern versehenen Kreiselpumpen in der Erdölförderung eingesetzt werden, ist dies von großem Vorteil, da die er­ wähnten Dichtringe sehr schnell durch Reibverschleiß aufge­ zehrt werden. Die innere, das heißt die den Schaufeln zuge­ kehrte Deckscheibe besteht zumindest in ihrem radialinneren Bereich aus dem Material mit den guten Gleit- bzw. Notlauf­ eigenschaften, so daß das Laufrad und damit die Pumpe noch eine relativ lange Zeit weiterlaufen kann, ehe ein Versagen der Pumpe eintritt. Es hängt von der Dicke der inneren Deck­ scheibe in dem Reibungsbereich ab, wie lange das betreffende Laufrad nach verschlissenem Dichtring noch weiter in Betrieb sein kann; theoretisch kann das so lange dauern, bis die Deckscheibe in diesem Bereich durchgerieben ist. Im übrigen besteht das Laufrad im wesentlichen aus gewalzten und span­ los verformten Stahlblechteilen, die durch Schweißen mitein­ ander verbunden sind. Diese Bauteile, die gegenüber starken Verschleiß verursachenden Fördermedien sehr widerstands­ fähig sind, können durch die überwiegend spanlose Ferti­ gung wirtschaftlicher gefertigt werden, so daß daraus be­ stehende Laufräder billiger herstellbar sind als Laufräder aus Graugußmaterial, die zur Erreichung der endgültigen Dimensionen spangebend weiterbearbeitet werden müssen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand mehrerer, in den an­ liegenden Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in teilweiser Darstellung und im Axialschnitt,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel in teilweiser Darstellung und im Axialschnitt,

Fig. 2a eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 2 im Teilschnitt,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel in teilweiser Darstellung und im Axialschnitt,

Fig. 4 eine teilweise Darstellung eines Laufrades in Aufsicht mit besonders geformten Schaufeln zur Verwendung bei dem Beispiel nach Fig. 3.

Das Laufrad nach Fig. 1 sitzt auf einer teilweise ge­ zeigten Welle 1 einer nicht dargestellten Kreiselpumpe und wird mittels einer üblichen Nut-Feder-Verbindung 2 von der Welle angetrieben. Das Laufrad selbst ist aus mehreren Ein­ zelbauteilen zusammengesetzt, nämlich aus einer auf der Welle 1 sitzenden Nabe 3, einer mit der Nabe verbundenen hinteren Deckscheibe 4, einer ersten vorderen, axial innen­ liegenden Deckscheibe 5, einer weiteren vorderen, axial außen­ liegenden Deckscheibe 6 und aus den üblichen, zwischen der hinteren Deckscheibe und der vorderen Deckscheibe ange­ ordneten Schaufeln 7, die mit den Deckscheiben verbunden sind. Die erste vordere Deckscheibe 5 weist an ihrem Innen­ ende einen axialen Stutzen 8 auf, auf dem ein Dichtring 9 sitzt, der andererseits im Betrieb der Pumpe gegen ein nicht­ drehendes Teil der Pumpe, z. B. ein Gehäuseteil, in üblicher Weise axial dichtend anliegt.

Während die Bauteile 3, 4, 6 und 7 des zusammengesetzten Lauf­ rades aus Stahlblechmaterial überwiegend spanlos gefertigt sind, vorzugsweise aus Chromnickelstahl, besteht die erste vordere Deckscheibe 5 aus einem Material mit Gleiteigen­ schaften, um nach verschleißbedingter Auflösung des Dicht­ ringes 9 noch für eine lange Zeit Notlaufqualität des Lauf­ rades zur Verfügung zu stellen. Ein solches Material ist z. B. ein sogenanntes Buntmetall, beispielsweise ein Bronze­ material. Die weitere vordere Deckscheibe 6 besteht vorzugs­ weise wieder aus Stahl, kann aber auch in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall aus einem anderen Material be­ stehen. Diese Deckscheibe 6 weist einen Kragen 10 auf, so daß zwischen dem Stutzen 8 und dem Kragen 10 ein Ringraum ausgebildet ist, in dem der Dichtring 9 sicher eingeklemmt gehalten ist.

Die Befestigung der ersten vorderen Deckscheibe 5 an den Schaufeln 7 ist derart, daß die Schaufeln Vorsprünge 11 auf­ weisen, die durch Löcher 12 in der ersten vorderen Deck­ scheibe hindurchgreifen und mit der weiteren vorderen Deck­ scheibe 6 verbunden sind, vorzugsweise durch Schweißen, wie es mit den Punkten 13 angedeutet ist.

Für gewisse Anwendungsfälle kann eine Änderung des vor­ stehend beschriebenen Laufrades darin bestehen, daß die weitere vordere Deckscheibe 6 entfällt und die erste vor­ dere Deckscheibe 5 auf geeignete Weise mit den Schaufeln 7 verbunden ist. Der Dichtring 9 wird dann allein vom Stutzen 8 getragen. Eine weitere Abänderung kann darin bestehen, daß zwischen den Schaufeln 7 und der ersten vorderen Deck­ scheibe 5 eine Zwischenscheibe (nicht gezeigt) eingefügt ist, die aus einem Material besteht, das gegen ein aggressi­ ves Fördermedium besonders resistent ist, z. B. Chromnickel­ stahl. Diese Ausführung soll vom Schutz miterfaßt sein, ob­ wohl in diesem Fall die Deckscheibe 5 mit den erwähnten Gleit- bzw. Notlaufeigenschaften nicht unmittelbar den Schaufeln 7 zugekehrt ist, sondern mittelbar.

Bei dem zusammengesetzten Laufrad nach Fig. 2 ist ein anderer Aufbau der vorderen Schaufelabdeckung gezeigt. Die vordere Schaufelabdeckung besteht hier aus einer radial äußeren Ringscheibe 14 und aus einer radial inneren Ring­ scheibe 15, und beide Ringscheiben sind zueinander koaxial in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Während die radial äußere Ringscheibe 14 aus vorzugsweise Stahl, z. B. Chrom­ nickelstahl, besteht und mit den Schaufeln 7 verschweißt ist, die ihrerseits mit der hinteren Deckscheibe 4 verschweißt sind, besteht die radial innere Ringscheibe 15 aus dem Ma­ terial mit den Gleiteigenschaften, so daß in diesem Fall das Laufrad nur in seinem Einströmbereich, das heißt ein­ schließlich des Bereiches, der auch den Dichtring 9 ein­ schließt, die Notlaufeigenschaften aufweist. Die innere Ring­ scheibe 15 hat einen oberen Kragen 16, so daß wieder zu­ sammen mit dem Stutzen 8 ein Ringraum ausgebildet ist, in dem der Dichtring 9 fest sitzt. Die äußere Ringscheibe 14 hat den Kragen 10, dessen freies Ende radial nach innen zum Kragen 16 hin umgebördelt ist, so daß die innere Ring­ scheibe zwischen dieser Umbördelung 17 und den Schaufeln 7 befestigt ist. Zusätzlich oder alternativ kann die innere Ringscheibe mit ihrem Kragen 16 auch mit Festsitz in dem Kragen 10 der äußeren Ringscheibe befestigt sein.

Fig. 2a zeigt eine abgewandelte Verbindung der inneren radialen Ringscheibe 15 mit der äußeren radialen Ringscheibe 14. Der Unterschied besteht darin, daß die Umbördelung 17 des Kragens 10 den inneren Kragen 16 untergreift, wodurch eine noch festere Verbindung zwischen diesen Scheiben erreicht ist.

Der wesentliche Unterschied des zusammengesetzten Lauf­ rades nach Fig. 3 zu den vorstehend beschriebenen Lauf­ rädern besteht darin, daß die innere vordere Deckscheibe 18 einschließlich ihres vorderen Stutzens 8 zusammen mit den Schaufeln 20 aus einem Stück bestehen. Auch in diesem Fall können die Teile 8, 18 und 20 aus einem Buntmaterial bestehen; es ist aber auch möglich, für gewisse Anwendungs­ fälle diese Teile aus einem Kunststoffmaterial herzustellen, wobei dieses Material gegebenenfalls durch Fasern verstärkt sein kann. Einer der Gründe, weshalb die Schaufeln 20 und die innere vordere Deckscheibe 18 aus einem Stück bestehen, kann darin liegen, daß die Schaufeln eine bestimmte Form aufweisen, z. B. sich in ihrer Dicke verändern. Derartige Schaufeln sind z. B. besser aus Fig. 4 zu erkennen, wo die Schaufeln im Radialschnitt gezeigt sind. Es handelt sich bei den hier gezeigten Schaufeln 20 um sogenannte profilierte Schaufeln. Gemäß Fig. 4 weisen diese Schaufeln einen Hohl­ raum 21 auf, der dazu benutzt wird, daß die innere vordere Deckscheibe 18 sicher zwischen den äußeren Deckscheiben 4 und 6 befestigt werden kann. Hierzu sind in der inneren vorderen Deckscheibe 18 umfangsmäßig mehrere, größere Löcher 22 vorgesehen, durch die hindurch die beiden äußeren Deck­ scheiben 4 und 6 miteinander verbunden sind, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die beiden äußeren Deckscheiben 4 und 6 be­ sitzen hierzu eingeprägte Nasen 23, die an ihren nach innen gerichteten Spitzen miteinander verschweißt sind. Die äußere vordere Deckscheibe 6 besitzt ebenfalls den Kragen 10, der zusammen mit dem Stutzen 8 einen Ringraum ausbildet, in dem der Dichtring 9 fest gehaltert ist. Auch in diesem Fall be­ sitzt die innere vordere Deckscheibe 18 gute Notlaufeigen­ schaften, so daß das Laufrad nach Fig. 3 auch dann noch eine gewisse Zeit weiter in Betrieb sein kann, wenn der Dichtring 9 durch Reibverschleiß aufgelöst worden ist.

Für die inneren vorderen Deckscheiben 5, 15 und 18 wird vorteilhaft auch ein solcher Werkstoff gewählt, der neben den Gleit- bzw. Notlaufeigenschaften im Betrieb der Pumpe auch funkenfrei arbeitet. Dies hat den Vorteil, daß die vorstehend beschriebenen Laufräder auch in Bereichen einge­ setzt werden können, die besonderen Explosionsschutzvor­ schriften unterliegen.

Das Material des Dichtringes 9 besteht aus einem nicht­ metallischen Werkstoff. Dies kann z. B. ein Kunststoff oder ein Keramikmaterial sein, wobei es vorteilhaft ist, daß dieses Material gegenüber insbesondere legierten Stählen gute Gleiteigenschaften aufweist.

Da es wichtig ist, daß sich der axial dichtende Dichtring 9 zusammen mit der ersten vorderen Deckscheibe 5, 15 und 18 immer optimal dichtend an einem nichtdrehenden Stützteil der Kreiselpumpe während deren Betriebes anliegt, muß Sorge dafür getragen werden, daß sich das Laufrad entsprechend einstellen kann. Hierzu ist gemäß Fig. 2 ein besonderer Aufbau der Metallnabe des Laufrades vorgesehen. Im gezeigten Fall ist eine auf der Welle sitzende Mitnehmerhülse 25 vor­ gesehen, die in Axialrichtung doppelkonisch ausgebildet ist, derart, daß etwa in der Längsmitte der Mitnehmerhülse der engste Durchmesser vorhanden ist. So kann sich das Lauf­ rad um die Stelle dieses engsten Querschnittes der Nabe ein wenig verschwenken und so die richtige Lage im Betrieb ein­ nehmen. Die gezeigte Konizität der Mitnehmerhülse ist in Fig. 2 der besseren Darstellung wegen vergrößert gezeich­ net. Anstatt die gezeigte Doppelkonizität zu wählen, ist es auch möglich, die Mitnehmerhülse 25 nur mit einer ein­ zigen Konizität auszubilden, die die gesamte Länge der Mitnehmerhülse oder nur eine Teillänge erfassen kann. Die Mitnehmerhülse 25 ist in einen zentralen Durchbruch der hinteren Deckscheibe 4 eingesetzt, z. B. durch Pressen.

Die Mitnehmerhülse 25, die mit der Nut-Feder-Verbindung 2 zusammenarbeitet, steht gegenüber der Rückseite der hin­ teren Deckscheibe in rückwärtiger Richtung vor. Dieser rückwärtig vorstehende Abschnitt der Hülse 25 wird von einer Lagerhülse 26 umgeben, die einerseits an ihrem vor­ deren Außenende mit dem Rand der Mitnehmerhülse 25 verbun­ den ist, vorzugsweise durch Laserschweißen, und deren Flansch 26a mit der hinteren Deckscheibe 4 vorzugsweise durch Schweißen verbunden ist, wobei auch hier das Laser­ schweißen angewendet werden kann. Die Lagerhülse 26 greift in an sich bekannter Weise in die Lagerbohrung eines nicht­ drehenden Teiles, z. B. eines Rückführapparates, der Pumpe ein und dient somit auch zur Lagerung des Laufrades.

Auch der Nabenaufbau 24 besteht aus überwiegend spanlos gefertigten Stahlbauteilen. Insgesamt ist das vorstehend beschriebene, zusammengesetzte Laufrad mit Ausnahme seiner Teile, die aus den erwähnten Gründen Notlaufeigenschaften aufweisen müssen, vorteilhaft aus Stahl hergestellt, wobei für besonders aggressive Fördermedien, wie es z. B. Rohöl ist, Chromnickelstahlmaterial verwendet wird. Laufräder, die in der Erdölförderung eingesetzt werden, sind aufgrund der großen Fördertiefe einer hohen mechanischen Druckbe­ lastung ausgesetzt, so daß deren Bestandteile dementsprech­ end kräftig dimensioniert werden müssen. Da es möglich ist, auch dickere Blechteile aus Chromnickelstahl durch spanlose Formung in die gewünschte Gestalt zu bringen, ist es durch die erfindungsgemäße Ausbildung des vorstehend beschriebenen Laufrades möglich, zusammengesetzte Laufräder in Kreisel­ pumpen für die Erdölförderung besonders vorteilhaft einzu­ setzen.

Claims (12)

1. Zusammengesetztes Laufrad für eine insbesondere mehrstufige Kreiselpumpe, bestehend aus einer Metallnabe, aus einer hinteren metallischen Deckscheibe, wenigstens einer vor­ deren Deckscheibe und aus zwischen den Deckscheiben ange­ ordneten Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die vor­ dere, den Schaufeln (7) zugekehrte Deckscheibe (5) zumindest eine in ihrem Einströmbereich aus einem Material mit Gleit­ eigenschaften gegen insbesondere Stahl besteht.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Deckscheibe (5) aus einem Buntmetall, insbesondere Bronze, besteht.

3. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Deckscheibe (5) aus einem Kunststoffmaterial be­ steht, das gegebenenfalls faserverstärkt ist.

4. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Deckscheibe (5; 18) mit den vorzugsweise profiliert ausgebildeten Schaufeln (7; 20) ein einstückiges Bauteil bildet.

5. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der vorderen Deckscheibe (5) die Eigenschaft der Funkenfreiheit im Betrieb des Laufrades besitzt.

6. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine weitere vordere Deckscheibe (6), die außen auf der ersten vorderen Deckscheibe (5) angeordnet ist, als Befestigungselement für wenigstens die erste vor­ dere Deckscheibe vorgesehen ist und daß die erste vordere Deckscheibe (5) mehrere Löcher (12; 22) aufweist, durch die hindurch die weitere vordere Deckscheibe (6) mit den Schau­ feln (7; 20) des Laufrades und/oder der hinteren Deckscheibe (4) vorzugsweise durch Schweißen verbunden ist.

7. Laufrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere vordere Deckscheibe (6) mittels eines Kragens (10) zusätzlich als Halterung für einen axial belastbaren Dicht­ ring (9) ausgebildet ist.

8. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Deckscheibe aus zwei koaxial in einer gemeinsamen Ebene angeordneten, miteinander drehfest verbundenen Ring­ scheiben (14, 15) besteht, daß die radial äußere Ringschei­ be (14) mit den Schaufeln (7) des Laufrades verbunden ist und daß die radial innere Ringscheibe aus dem Material mit den Gleiteigenschaften besteht.

9. Laufrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der radial inneren Ringscheibe (15) ein äußerer, axial belastbarer Dichtring (9) aus nichtmetallischem Werkstoff gehaltert ist.

10. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das die Antriebswelle der Kreiselpumpe auf­ nehmende Loch der Metallnabe (24) des Laufrades wenigstens in einer Axialrichtung konisch ausgebildet ist.

11. Laufrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallnabe (24) eine Mitnehmerhülse (25), die in ein zen­ trales Loch der hinteren Deckscheibe (4) des Laufrades eingepeßt ist und gegenüber dieser Deckscheibe rückwärtig vorsteht, und eine den rückwärtig vorstehenden Ab­ schnitt der Metallnabe umgebende, mit der hinteren Deck­ scheibe (4) verbundene Lagerhülse (26) umfaßt und daß die beiden Hülsen (25, 26) an ihrem Außenende vorzugsweise durch Laserschweißen miteinander verbunden sind.

12. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß außer dem Bereich der vorderen Deckscheibe, der aus dem Material mit den Gleiteigenschaften besteht, alle anderen Bauteile des Laufrades aus formgepreßtem Blechmaterial aus insbesondere Chromnickelstahl bestehen.