Die Erfindung betrifft eine vertikale Kreiselpumpe für Naß- und Trockeneinbau, deren, das Laufrad tragende Wellenende, überkritisch umläuft.The invention relates to a vertical centrifugal pump for wet and dry installation, the shaft end of which, which carries the impeller, rotates supercritically.
Zur Förderung aus Gruben, Behältern und Brunnen werden vertikale Kreiselpumpen sowohl mit Spiralgehäusen als auch mit Leitringgehäusen eingesetzt. Diese können trocken oder naß eingebaut werden, sie können ein- oder mehrstufig sein, mit konzentrischem, im Druckrohr liegendem Wellenführungsrohr oder parallel zum Druckrohr liegendem Wellenführungsrohr, mit einem nur die Welle umgebenden Wellenführungsrohr bei beliebigem Abgang der Druckleitung oder auch in den genannten Bauformen ohne Wellenführungsrohr ausgeführt sein. Charakteristisch für alle diese Pumpen ist aber, daß das, das Laufrad tragende Wellenende (nicht in jedem Fall ein zwischen zwei Lagerstellen liegendes Wellenstück) unterhalb der für dieses Pumpenteil kritischen Drehzahl umläuft. Dies bedingt einen verhältnismäßig kurzen Abstand des Laufrades von dem ihm am nächsten liegenden Lager, oder, bei einer zusätzlichen Lagerung im Saugstutzen, der ihm am nächsten liegenden Lagerstellen. Diese Lagerstellen sind meist Gleitlager, seltener Wälzlager, sofern die Förderflüssigkeit aus irgend einem Grund an die Lagerstelle gelangen kann. Die Schmierung dieser Lager erfolgt auf verschiedene Art. Durch das Fördergut selbst, wenn dieses die erforderliche Schmierfähigkeit und mechanische Sauberkeit aufweist, falls letzteres nicht der Fall ist, entweder durch einen mechanisch gereinigten Teilstrom des Fördergutes oder durch Zufuhr des gleichen Fördergutes in mechanisch gereinigter Form
von außerhalb. Dieser Teilstrom kann dem Förderstrom wieder zugesetzt oder aber getrennt zurückgeführt werden, um die Aufarbeitung zu Schmierzwecken günstiger zu gestalten. Bei schlecht schmierenden Fördergütern wird ein Schmiermittel, das mit dem Fördergut verträglich ist, verwendet. Dies wird, wenn das Fördergut mit dem Schmiermittel verunreinigt werden darf, dem Fördergut zugeführt, falls keine Verunreinigung in stärkerem Ausmaß erfolgen darf, wird das Schmiermittel wieder von den Lagern abgeführt. Hierbei wird durch geeignete Abdichtungen dem Schmiermittel der Zutritt zum Fördergut verwehrt. Bei sehr heißen oder sehr kalten Fördermedien wird, falls es die Schmiereigenschaft des Schmiermittels notwendig macht, zusätzlich eine Heizung oder Kühlung zwischengeschaltet und im übrigen, so wie bereits erwähnt, mit dem Schmiermittel verfahren. Eine weitere Art zur Schmierung ist die Verwendung selbstschmierender Lagerwerkstoffe, bestehen sie nun aus Kunststoffen oder aus Sintermetallen, denen ein Schmiermittel zugegeben ist. Bei dieser Art der Schmierung kann auf eine Zuführung von zusätzlichen Schmiermitteln verzichtet werden, nicht aber in jedem Fall auf eine geeignete Abdichtung des Lagers gegen das Fördergut und in keinem Fall auf eine ausreichende Kühlung des Lagers. Um die aufgeführten Maßnahmen zur Schmierung der Lagerstellen die immer zu Lasten der Betriebssicherheit und den Sauberkeitsanforderungen des Fördergutes gehen, nicht durchführen zu müssen und um in vielen Fällen Schmiermittelfördereinrichtungen oder Einrichtungen zur Kühlung, Heizung oder Aufbereitung des Schmiermittels, nicht verwenden zu müssen oder um ganz auf Nachschmiermöglichkeiten verzichten zu können, sowie aus Verschleißgründen, legt man die Lagerstellen so, daß sie dem Fördergut entzogen sind, daß also weder eine Verunreinigung des Fördergutes durch die Lager oder deren Schmiermittel
erfolgen kann, noch der umgekehrte Fall eintritt. Dies bedeutet, daß die Pumpe, ohne Lagerstellen im Fördergut oder in einem diesem zugänglichen Raum arbeitet, also fliegende Laufradanordnung. Da für das, das Laufrad in freifliegender Anordnung tragende Wellenteil die Forderung gestellt wird unterkritisch zu laufen aus Gründen der Spaltabdichtung, also indirekt aus Verschleißgründen, der auftretenden Radialkräfte bei Teillastbetrieb und des "Laufens" der Welle bzw. des Rades um die Drehachse, ist die Tauchtiefe einer derartigen Pumpe begrenzt und zwar durch den Abstand der Lagerstellen, den Wellendurchmesser, das Gewicht der Welle und des Laufrades, und auftretende Achsschübe, sowie die erforderlich werdende Drehzahl.Vertical centrifugal pumps with volute casings as well as guide ring casings are used for pumping out of pits, tanks and wells. These can be installed dry or wet, they can be single or multi-stage, with a concentric shaft guide tube lying in the pressure pipe or a shaft guide tube lying parallel to the pressure pipe, with a shaft guide tube only surrounding the shaft with any outlet from the pressure line or in the above-mentioned designs without a shaft guide tube be executed. However, it is characteristic of all these pumps that the shaft end carrying the impeller (not in every case a shaft piece located between two bearing points) rotates below the critical speed for this pump part. This requires a relatively short distance between the impeller and the bearing closest to it, or, in the case of additional storage in the suction nozzle, the bearing points closest to it. These bearing points are mostly plain bearings, less often roller bearings, provided that the conveyed liquid can get to the bearing point for whatever reason. These bearings are lubricated in different ways. By the conveyed material itself, if it has the required lubricity and mechanical cleanliness, if the latter is not the case, either by a mechanically cleaned partial flow of the conveyed material or by supplying the same conveyed material in mechanically cleaned form
from outside. This partial flow can be added again to the delivery flow or returned separately in order to make the work-up for lubrication purposes more favorable. In the case of poorly lubricating goods to be conveyed, a lubricant that is compatible with the goods to be conveyed is used. If the conveyed material is allowed to be contaminated with the lubricant, this is added to the conveyed material; if no contamination is allowed to occur to a greater extent, the lubricant is discharged again from the bearings. Appropriate seals prevent the lubricant from accessing the conveyed material. In the case of very hot or very cold pumping media, if the lubricating properties of the lubricant make it necessary, heating or cooling is also interposed and, as already mentioned, the lubricant is used. Another type of lubrication is the use of self-lubricating bearing materials, they now consist of plastics or sintered metals to which a lubricant has been added. With this type of lubrication, the supply of additional lubricants can be dispensed with, but not in every case a suitable sealing of the bearing against the conveyed material and in no case sufficient cooling of the bearing. In order not to have to carry out the listed measures for the lubrication of the bearing points, which are always at the expense of operational safety and the cleanliness requirements of the conveyed goods, and in many cases not to have to use lubricant delivery devices or devices for cooling, heating or processing the lubricant or to completely open To be able to dispense with relubrication options, as well as for reasons of wear, the bearing points are placed in such a way that they are withdrawn from the conveyed material, so that neither the conveyed material is contaminated by the bearings or their lubricants
can take place, nor the reverse case occurs. This means that the pump works without bearing points in the material to be conveyed or in a space accessible to it, i.e. a floating impeller arrangement. Since for the shaft part carrying the impeller in a free-floating arrangement, the requirement is made to run subcritically for reasons of gap sealing, i.e. indirectly for reasons of wear, the radial forces occurring during partial load operation and the "running" of the shaft or the wheel around the axis of rotation The immersion depth of such a pump is limited by the distance between the bearing points, the shaft diameter, the weight of the shaft and the impeller, and any axial thrusts that occur, as well as the required speed.
Sinn der Erfindung ist es, den Bau einer Vertikalpumpe zu ermöglichen, die zumindest gleiche, wenn nicht bessere Wirkungsgrade (Entfallen der Lagerreibung und Leistungsverluste durch Zusatzaggregate) aufweist, als die der herkömmlichen Bauart, aber deren Betriebsunsicherheit, bei Förderung mechanisch stark verunreinigter, schlecht schmierender, korrodierender, kalter oder heißer Medien, bedingt durch Zusatzaggregate, Einrichtungen und Lager bzw. durch deren Schmierung und Abdichtung, ausschließt. Einer Pumpe also, die die Einsatzmöglichkeit der beschriebenen Ausführung mit freifliegender Welle und dem Fördergut entzogenen Lagern hat, aber ohne eine Beschränkung der Tauchtiefe, bei geringsten Abmessungen der Welle und der Lagerabstände, beliebigen Betriebs-Drehzahlen und Laufradgewichten. Dies läßt sich aber nur erreichen, wenn das, das Laufrad tragende Wellenteil eine Drehzahl aufweist, die über der kritischen liegt und zwar durch Wahl des Abstandes der Lager, des Wellendurchmessers und der sich auf der Welle
befindlichen Gewichte unter Berücksichtigung des Wellenwerkstoffes und des Achsschubs. Beim Betrieb dieser Pumpe erfolgt die Rotation nicht mehr um die Drehachse des Rotors, sondern um seine Massenachse. Sämtliche auftretenden radialen Kräfte auf den Rotor, der praktisch als Kreisel wirkt, erzeugen eine der Rotorbewegung überlagerte Präzessionsbewegung. Um diese Präzessionsbewegung in engen Grenzen zu halten, da ja das rotierende Element im Betrieb keinesfalls an ein feststehendes Bauteil anlaufen darf, muß dafür Sorge getragen werden, daß Kräfte, die Präzessionsbewegungen verursachen, ausgeschaltet, so dies nicht voll möglich ist, minimal gehalten werden. Es muß durch dynamisches Auswuchten des rotierenden Teiles dafür Sorge getragen werden, daß die Drehachse weitgehend mit der Massenachse übereinstimmt. Weiterhin muß dafür gesorgt werden, daß Biegemomente, denen die Welle unterworfen ist, und die eine Präzession verursachen, auf ein Minimum reduziert werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Welle zwischen der Lagerung und dem Laufrad eine Verjüngung aufweist, also so ausgelegt wird, daß sie nur ein Minimum an Biegemomenten übertragen kann. Dieser Effekt läßt sich auch dadurch erreichen, daß die Welle zwischen Laufrad und unterer Lagerung und zwar nahe der Lagerstellen geteilt und ein kardanisches Gelenk eingebaut wird, und zwar derart, daß überhaupt keine Biegemomente übertragen werden. Schließlich muß dafür gesorgt werden, daß auf das rotierende System unterhalb des Gelenks bzw. der Verjüngung nur geringste Kräfte wirken. Da aber bei Spiralgehäusepumpen, sofern sie in einem Punkt unterhalb oder oberhalb des Auslegepunktes betrieben werden, auf das Laufrad radiale Kräfte wirken, muß dafür gesorgt werden, daß diese weitgehend ausgeglichen werden. Dies wird dadurch erreicht, daß das Gehäuse zumindest als Doppelspiralgehäuse, besser noch als Vielfachspiralgehäuse, Leitrad- oder Leitringgehäuse ausgebildet wird, in dem sich die entstehendenThe purpose of the invention is to enable the construction of a vertical pump that has at least the same, if not better efficiency (elimination of bearing friction and power losses due to additional units) than that of the conventional design, but its operational uncertainty when pumping mechanically heavily contaminated, poorly lubricating , corrosive, cold or hot media, due to additional units, equipment and bearings or their lubrication and sealing. A pump that can be used with the described design with a free-floating shaft and bearings removed from the conveyed material, but without any restriction of the immersion depth, with the smallest dimensions of the shaft and the bearing spacing, any operating speeds and impeller weights. This can only be achieved, however, if the shaft part carrying the impeller has a speed which is above the critical one, namely by choosing the distance between the bearings, the shaft diameter and that on the shaft
existing weights taking into account the shaft material and the axial thrust. When this pump is operated, the rotation no longer takes place around the axis of rotation of the rotor, but around its axis of mass. All radial forces that occur on the rotor, which practically acts as a top, generate a precession movement that is superimposed on the rotor movement. In order to keep this precession movement within narrow limits, since the rotating element must never run into a stationary component during operation, care must be taken that forces that cause precession movements are switched off, if this is not fully possible, kept to a minimum. Dynamic balancing of the rotating part must ensure that the axis of rotation largely coincides with the axis of mass. Furthermore, care must be taken that bending moments to which the shaft is subjected and which cause precession are reduced to a minimum. This is achieved in that the shaft has a taper between the bearing and the impeller, that is to say is designed in such a way that it can only transmit a minimum of bending moments. This effect can also be achieved by dividing the shaft between the impeller and the lower bearing, namely close to the bearing points, and installing a cardanic joint in such a way that no bending moments at all are transmitted. Finally, it must be ensured that only the slightest forces act on the rotating system below the joint or the taper. Since, however, in volute casing pumps, if they are operated at a point below or above the design point, radial forces act on the impeller, care must be taken to ensure that these are largely balanced. This is achieved in that the housing is designed at least as a double spiral housing, better still as a multiple spiral housing, stator or guide ring housing, in which the resulting
Radialkräfte weitgehend gegenseitig aufheben. Trotz weitgehender Ausschaltung der äußeren Kräfte läßt sich aber eine Präzession, sei es durch Gußungenauigkeiten oder hydraulisch bedingte Unwuchten nicht ganz ausschließen, ebenso kann eine Rotation des drehenden Systems um die Drehachse nie exakt erreicht werden. Aus diesem Grund ist es unmöglich, die Spaltverluste der Pumpe in der herkömmlichen Art durch enge Drosselspalte in Achsrichtung zu mildern. Es muß also eine Abdichtung geschaffen werden, die eine radiale Verschiebung des Läufers zum Gehäuse erlaubt, also Vor- und Rückschaufeln, die aber wiederum so ausgebildet werden müssen, daß bei einer Präzessionsbewegung des Rotors kein Anlaufen am Gehäuse, Leitrad oder Deckel erfolgt.Radial forces largely cancel each other out. In spite of the extensive elimination of the external forces, however, a precession, be it due to inaccuracies in the casting or hydraulic imbalances, can never be completely ruled out, and a rotation of the rotating system around the axis of rotation can never be achieved exactly. For this reason it is impossible to mitigate the gap losses of the pump in the conventional way by means of narrow throttle gaps in the axial direction. A seal must therefore be created that allows radial displacement of the rotor relative to the housing, i.e. forward and reverse blades, which in turn have to be designed so that the housing, stator or cover does not run into contact with a precession movement of the rotor.
Im Nachfolgenden die Beschreibung. Das Laufrad (1) ist freifliegend auf der Welle (2) befestigt. Die Welle weist bei (3) einen geringeren Durchmesser auf als im übrigen Bereich. Die Lager (4 und 5) sind in einem derartigen Abstand angeordnet, daß die Welle (2) an ihrem, das Laufrad (1) tragenden Ende mit Sicherheit überkritisch läuft. Das mit Vor- und Rückschaufeln zur Achsschubentlastung und zur Unterbindung von Rückströmungen ausgerüstete Laufrad (1) läuft im Gehäuse (6) bzw. im Leitrad (7) und im Saugdeckel (8). Dieses Gehäuse ist als Leitradgehäuse ausgebildet um auch dann radiale Kräfte auf das Laufrad weitgehendst auszuschalten, wenn die Pumpe im Teillastgebiet arbeitet. Das Laufrad (1) ist in seinen Abmessungen dem Gehäuse (6), Deckel (8) und Leitrad (7) so angepaßt, daß weder bei Drehung um die Drehachse des Rotors, noch bei Drehung um dessen Massenachse noch durch seine Präzessionsbewegung eine Berührung mit diesen Teilen entsteht. Das Pumpengehäuse ist über das Druck- und Wellenschutzrohr (9), über das Abzweigstück (10), das die Aufgabe hat, die durch die Förderstromteilung im Gehäuse entstehenden Teilströme
zusammenzufassen und in das Druckrohr überzuleiten, mit dem Auflageflansch (11) verbunden. Der Überlauf (12) dient zur Abführung des zum evtl. Beheizen der Welle an dieser hochgeführten Förderguts. Er wird bei Trockenaufstellung der Pumpe in den Saugraum zurückgeführt. Die Stopfbüchse (13) wird nicht mehr vom Fördergut berührt und hat lediglich die Funktion eines Gasdichtungseinsatzes.The following is a description. The impeller (1) is fastened freely on the shaft (2). The shaft has a smaller diameter at (3) than in the rest of the area. The bearings (4 and 5) are arranged at such a distance that the shaft (2) at its end carrying the impeller (1) is sure to run supercritically. The impeller (1), which is equipped with forward and reverse blades to relieve axial thrust and prevent backflows, runs in the housing (6) or in the stator (7) and in the suction cover (8). This housing is designed as a stator housing in order to largely eliminate radial forces on the impeller when the pump is working in the partial load area. The dimensions of the impeller (1) are matched to the housing (6), cover (8) and stator (7) so that it does not come into contact with the rotor when it rotates about the axis of rotation of the rotor, or when it rotates about its axis of mass, or due to its precessional movement these parts arise. The pump housing is connected via the pressure and shaft protection tube (9), via the branch piece (10), which has the task of controlling the partial flows that arise in the housing as a result of the flow division
summarize and transfer into the pressure pipe, connected to the support flange (11). The overflow (12) is used to discharge the conveyed material, which may have to be heated up on the shaft. If the pump is installed dry, it is returned to the suction chamber. The stuffing box (13) is no longer in contact with the conveyed material and only has the function of a gas seal insert.