DE4421888A1 - Einrichtung zum Axialschubausgleich bei Kreiselpumpen - Google Patents
Einrichtung zum Axialschubausgleich bei KreiselpumpenInfo
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Description
Für den hydraulischen Axialschubausgleich bei Kreiselpumpen
stehen sehr unterschiedliche Maßnahmen und Elemente zur
Verfügung. Eine wesentliche Gemeinsamkeit der Mehrzahl der
hierfür verwendeten Einrichtungen besteht darin, daß sie für
die Bewerkstelligung des hydraulischen Ausgleichs einer in
einem Drosselspalt erzeugten Druckdifferenz bedürfen. Da die
durch einen Drosselspalt zu erzielende Druckdifferenz aber
proportional der Förderhöhe der Kreiselpumpe ist, kann es bei
kleineren Förderhöhen, beispielsweise im Überlastbereich der
Kreiselpumpe, zu einem Versagen der Ausgleichseinrichtung, also
zu einem Anstreifen des Laufrades an einem feststehenden Teil
der Kreiselpumpe kommen. Um dies zu verhindern, sah man noch
ein Axiallager vor, das den von der hydraulisch wirkenden
Ausgleichseinrichtung nicht bewältigten Restschub aufzunehmen
vermochte.
Durch die DE 40 26 905 A1 ist eine Einrichtung zum
vollständigen Ausgleich des Axialschubes bei Kreiselpumpen
bekannt, die neben einem in herkömmlicher Weise arbeitenden
hydraulischen Axialschubausgleich ein zweites, ebenfalls
hydraulisch wirkendes Ausgleichssystem besitzt. Dieses zweite
System stützt sich auf Mittel, die eine Druckerhöhung im
druckseitigen Seitenraum des Laufrades bei einer unter einen
vorgegebenen Wert absinkenden Förderhöhe bewirken. Da es somit
nicht auf die Pumpenförderhöhe als Wirkparameter angewiesen
ist, kann es auch bei kleinen Förderhöhen selbständig einen
vollständigen Ausgleich der Axialkräfte erreichen.
Auch die vorliegende Erfindung bezweckt einen vollständigen
hydraulischen Ausgleich des Axialschubes. Sie geht allerdings
einen anderen Weg als die oben geschilderte Einrichtung.
Genau gesagt, handelt es sich bei der Erfindung um eine
Einrichtung zum vollständigen Ausgleich des Axialschubes bei
Kreiselpumpen, insbesondere bei Kreiselpumpen mit einer
spezifischen Drehzahl von mehr als 15 min-1, wobei folgende
miteinander im Wirkzusammenhang stehende Merkmale am Laufrad
und der das Laufrad umgebenden Gehäusewand der Kreiselpumpe
vorhanden sind:
- a) ein zwischen dem Laufradhals und der Gehäusewand gebildeter veränderlicher Dichtspalt;
- b) mehrere auf der Druckseite des Laufrades angeordnete radial verlaufende Gehäuserippen;
- c) ein oder mehrere, auf größerem Durchmesser als die Gehäuserippen angeordnete radiale Dichtspalte, die zwischen kreisringförmig und konzentrisch zur Laufradachse verlaufenden Absätzen gebildet werden, welche an der druckseitigen Deckscheibe des Laufrades und der Gehäusewand angeordnet sind;
- d) mehrere in Nähe der Laufradnabe angeordnete Entlastungsbohrungen;
- e) ein auf einem zwischen den Gehäuserippen und den Entlastungsbohrungen gelegenen, konzentrisch zur Laufradachse verlaufenden Kreisring angeordneter veränderlicher Axialspalt zwischen der druckseitigen Deckscheibe des Laufrades und der Gehäusewand, wobei der Axialspalt zwischen einem an der Deckscheibe oder der Gehäusewand angeordneten Absatz und der ebenen oder ebenfalls mit einem Absatz versehenen Gegenfläche gebildet wird.
Der veränderliche, Regelverhalten besitzende Dichtspalt wird
gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung durch einen
Axialspalt zwischen der saugseitigen Stirnfläche des Laufrades
und der Gehäusewand gebildet. Empfehlenswert, aber nicht
Bedingung, ist ein zusätzlicher, zwischen dem Laufradhals und
der Gehäusewand gebildeter Radialspalt, so daß beide Spalte
zusammen einen Winkelspalt formen.
Eine hierzu alternative Ausgestaltung sieht einen als
Diagonalspalt ausgebildeten veränderlichen Dichtspalt vor.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die
Gehäuserippen und die diesen jeweils nächstgelegenen Absätze an
der Gehäusewand unmittelbar aneinander angrenzend gestaltet.
Die Einzelmerkmale der Erfindung sind zwar grundsätzlich
bekannt. Allerdings wurden sie bisher in anderen Kombinationen
als der erfindungsgemäßen eingesetzt, wobei jeweils noch ein
zumindest als Notlager dienendes Axiallager erforderlich war.
Die Erfindung macht ein Axiallager entbehrlich, weil der
Läufer, also die aus dem Laufrad, der Welle und dem Rotor des
antreibenden Elektromotors gebildete Einheit, axial
berührungsfrei fixiert ist und bei einer Auslenkung aus dieser
so eingenommenen Gleichgewichtslage durch hohe Rückstellkräfte
wieder in seine axialkraftfreie Ursprungslage zurückgebracht
wird.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele soll dies näher erläutert
werden. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Kreiselpumpengehäuse mit
einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum
Axialschubausgleich, in
Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Ausschnitt aus einer
Variante des erfindungsgemäßen Axialschubausgleichs, in
Fig. 3 ein Diagramm, welches das Zusammenwirken der am Laufrad
der Fig. 1 angreifenden Kräfte zeigt, in
Fig. 4 ein entsprechendes Diagramm für die Ausführung der Fig.
2, und in
Fig. 5 einen der Fig. 1 entsprechenden Ausschnitt einer
weiteren Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Bei der mit einem Gehäuse 1 und einem Laufrad 2 ausgestatteten
Kreiselpumpe der Fig. 1 wirken verschiedene saug- und
druckseitig plazierte Elemente zur Erreichung eines
vollständigen Axialschubausgleichs zusammen.
Auf der Saugseite befindet sich ein winkelförmiger Dichtspalt,
der aus einem veränderlichen Axialspalt 3 zwischen der
Stirnfläche 4 des Laufrades 2 und der dieser
gegenüberliegenden Gehäusewand 5 und einem Radialspalt 6
unveränderlicher Weite zwischen dem Laufradhals 7 und der
diesen umschließenden Gehäusewand 5 gebildet wird.
Auf der Druckseite sind mehrere, auf unterschiedlichen
Durchmessern angeordnete Elemente vorgesehen. In einer vom
größeren zum kleineren Durchmesser reichenden Reihenfolge sind
dies:
Radiale Dichtspalte 8 und 9, die zwischen einem kreisringförmig
und konzentrisch zur Achse des Laufrades 2 verlaufenden Absatz
10 an der druckseitigen Deckscheibe 11 des Laufrades 2 und
Absätzen 12 und 13 an der gegenüberliegenden Gehäusewand 5
gebildet werden;
mehrere radial verlaufende, gleichmäßig über den Umfang verteilte Gehäuserippen 14, welche radial begrenzt werden durch den auf größerem Durchmesser angeordneten Absatz 13 und einen auf kleinerem Durchmesser vorgesehen Absatz 15;
ein veränderlicher Axialspalt 16, der zwischen dem Absatz 15 und der druckseitigen Deckscheibe 11 gebildet wird.
mehrere radial verlaufende, gleichmäßig über den Umfang verteilte Gehäuserippen 14, welche radial begrenzt werden durch den auf größerem Durchmesser angeordneten Absatz 13 und einen auf kleinerem Durchmesser vorgesehen Absatz 15;
ein veränderlicher Axialspalt 16, der zwischen dem Absatz 15 und der druckseitigen Deckscheibe 11 gebildet wird.
Schließlich sind noch mehrere Entlastungsbohrungen 17
vorgesehen, die in der Nähe der Nabe des Laufrades 2 angeordnet
sind.
Die in der Fig. 2 dargestellte Variante stimmt im wesentlichen
mit der Ausführung der Fig. 1 überein, einen Unterschied bildet
allein der saugseitige Dichtspalt, der bei der Einrichtung der
Fig. 2 als Diagonalspalt 18 gestaltet ist. Der Vorteil des
Diagonalspaltes 18 gegenüber dem aus Axialspalt 3 und
Radialspalt 6 bestehenden Winkelspalt liegt in seinem besseren
Regelverhalten, wie sich auch anhand der Diagramme der Fig.
3 und 4 erkennen läßt. Der Nachteil liegt in der aufwendigeren
Fertigung eines Diagonalspaltes.
Die bereits angesprochenen Fig. 3 und 4 zeigen die dem
axialen Bewegungsweg s des Laufrades 2 zugeordneten variablen
Kräfte, wobei die Kraft F₂ auf die Druckseite und die Kraft F₁
auf die Saugseite des Laufrades 2 wirkt. Der axiale
Bewegungsweg s wird begrenzt durch eine Anlage der Stirnfläche
4 an der Gehäusewand 5 (s = 0) und einer Anlage der
druckseitigen Deckscheibe 11 am Absatz 15 (smax). Der maximale
Bewegungsweg smax sollte zwischen 0,8 und 1,2 mm betragen.
Durch eine die verschiedenen Einflußparameter berücksichtigende
Abstimmung der Elemente des Axialschubausgleichs aufeinander,
also Lage und Spiel der Dichtspalte 3, 6, 8, 9, 16, 18 sowie
Lage und Größe der Gehäuserippen 14 und der
Entlastungsbohrungen 17, stellt sich eine stabile
Gleichgewichtslage des Läufers ein. Hierdurch wird der Läufer
während der Rotation axial berührungsfrei fixiert. Bei einer
Auslenkung aus der Gleichgewichtslage sorgen relativ hohe
Rückstellkräfte dafür, daß der Läufer wieder in seine
axialkraftfreie Ursprungslage zurückkehrt.
Ursächlich hierfür ist, daß die axial wirkende Kraftkomponente
auf die saugseitige Laufraddeckwand über der Spaltweite stark
degressiv verläuft, während die entgegengesetzt wirkende
Kraftkomponente auf die druckseitige Laufraddeckwand einen
progressiven Verlauf besitzt.
Mit dem Grad der Steilheit der den Diagrammen entnehmbaren
Kurve des Kraftverlaufs steigern sich bei einer Auslenkung aus
der axialkraftfreien Gleichgewichtslage des Läufers die wirksam
werdenden Rückstellkräfte. Daher ist es, wie auch die Fig. 4
belegt, der saugseitige Diagonalspalt 18 der Kombination aus
Axialspalt 3 und Radialspalt 6 in seinem auf den
Axialschubausgleich wirkenden Regelverhalten überlegen.
In der Fig. 5 ist eine Ausführung der erfindungsgemäßen
Einrichtung dargestellt, bei welcher die im Merkmal 1c des
Anspruches 1 genannten Absätze 19 bis 21 so angeordnet sind,
daß diagonale Dichtspalte 22, 23 zwischen ihnen gebildet
werden. Auf ein Diagramm der am Laufrad 2 angreifender Kräfte
F₁ und F₂ wurde bei dieser Ausführung verzichtet.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch mit einer
Kombination von radialen (8, 9) und diagonalen (22, 23)
Dichtspalten verwirklicht werden. Ebenso können jeweils mehr
als zwei solcher Dichtspalte (8, 9; 22, 23) auf der Druckseite
des Laufrades (2) vorgesehen werden.
Die Gehäuserippen 14 der Ausführungsbeispiele sind durch
Ausfräsen der freien Räume zwischen den Rippen entstanden.
Hierdurch wurden gleichzeitig die den freien Raum begrenzenden
Flächen der Absätze 13 und 15 geschaffen. Es ist zu erwähnen,
daß sich durch das Ausfräsen mit einem Fingerfräser jeweils ein
bogenförmiger Übergang der Gehäuserippen 14 zu den Wänden der
Absätze 13, 15 ergibt. In einem für kurze Gehäuserippen
geltenden Grenzfall kann die Außenkontur einer Rippe auf beiden
Seiten halbkreisförmig konkav sein. Dies hat auf das
Regelverhalten der Gehäuserippen keinen negativen Einfluß.
Claims (5)
1. Einrichtung zum vollständigen Ausgleich des Axialschubes
bei Kreiselpumpen, insbesondere bei Kreiselpumpen mit einer
spezifischen Drehzahl von mehr als 15 min-1, wobei folgende
miteinander im Wirkzusammenhang stehende Merkmale am
Laufrad (2) und der das Laufrad (2) umgebenden Gehäusewand
(5) der Kreiselpumpe vorhanden sind:
- a) ein zwischen dem Laufradhals (7) und der Gehäusewand (5) gebildeter veränderlicher Dichtspalt (3, 6; 18);
- b) mehrere auf der Druckseite des Laufrades (2) angeordnete radial verlaufende Gehäuserippen (14);
- c) ein oder mehrere, auf größerem Durchmesser als die Gehäuserippen (14) angeordnete radiale und/oder diagonale Dichtspalte (8, 9; 22, 23), die zwischen kreisringförmig und konzentrisch zur Laufradachse verlaufenden Absätzen (10, 12, 13; 19, 20, 21) gebildet werden, welche an der druckseitigen Deckscheibe (11) des Laufrades (2) und der Gehäusewand (5) angeordnet sind;
- d) mehrere in Nähe der Laufradnabe angeordnete Entlastungsbohrungen (17);
- e) ein auf einem zwischen den Gehäuserippen (14) und den Entlastungsbohrungen (17) gelegenen, konzentrisch zur Laufradachse verlaufenden Kreisring angeordneter veränderlicher Axialspalt (16) zwischen der druckseitigen Deckscheibe (11) des Laufrades (2) und der Gehäusewand (5), wobei der Axialspalt (16) zwischen einem an der Deckscheibe (11) oder der Gehäusewand (5) angeordneten Absatz (15) und der ebenen oder ebenfalls mit einem Absatz versehenen Gegenfläche gebildet wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der zwischen dem
Laufradhals (7) und der Gehäusewand (5) gebildete
veränderliche Dichtspalt aus einem Axialspalt (3) zwischen
der saugseitigen Stirnfläche (4) des Laufrades (2) und dem
Gehäuse (1) besteht.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei welcher dem Axialspalt (3)
ein zwischen dem Laufradhals (7) und der Gehäusewand (5)
gebildeter Radialspalt (6) zugeordnet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der zwischen dem
Laufradhals (4) und der Gehäusewand (5) gebildete
veränderliche Dichtspalt als Diagonalspalt (18) gestaltet
ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gehäuserippen
(14) der auf größerem Durchmesser als die Gehäuserippen
(14) an der Gehäusewand (5) angeordnete Absatz (13)
und/oder ein auf kleinerem Durchmesser als die
Gehäuserippen (14) an der Gehäusewand (5) angeordneter
Absatz (15) unmittelbar aneinander angrenzen.
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