DE69105211T2

DE69105211T2 - CENTRIFUGAL PUMP WITH INTEGRATED MOTOR.

Info

Publication number: DE69105211T2
Application number: DE69105211T
Authority: DE
Inventors: Lee Bulson; Paul Box Cooper
Original assignee: Ingersoll Dresser Pump Co
Current assignee: Flowserve Management Co
Priority date: 1990-10-04
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1995-06-01
Anticipated expiration: 2011-09-28
Also published as: AU8907591A; EP0551435B1; WO1992006301A1; JP2546943B2; CA2092438C; CN1022504C; KR0171871B1; JPH06502470A; DE69105211D1; CA2092438A1; AU651399B2; KR930702619A; ZA917488B; CN1061836A; EP0551435A1

Description

Background of the invention

Die Erfindung betrifft im wesentlichen elektrisch angetriebene Fluidpumpen und insbesondere elektrisch angetriebene Zentrifugalpumpen, die keine Wellendichtungen benötigen.The invention relates essentially to electrically driven fluid pumps and in particular to electrically driven centrifugal pumps which do not require shaft seals.

Zentrifugalpumpen sind auf dem Gebiet der Hydraulik und der Pneumatik gut bekannt. Sie bestehen im allgemeinen aus einem Motor, um eine Welle anzutreiben, auf der ein Fluidlaufrad montiert ist. Im allgemeinen liefert die Fluideingangsöffnung oder der Sauganschluß Fluid in die Mitte oder zur Nabe des Laufrads. Eine Anzahl von Laufradschaufeln ragt im allgemeinen von der Nabe in spiralförmigem Verlauf nach außen und wird zwischen Abschirmungen getragen, die zusammen mit den Schaufeln Pumpkanäle definieren. Der Rotor ist von einem Gehäuse umgeben, das das Arbeitsfluid von der Eingangsöffnung zur Nabe oder zum Einlaufkranz leitet, wo es in die Pumpkanäle zwischen den Schaufeln und den Abschirmungen geführt wird. Die zentrifugale Bewegung des Laufrads treibt das Arbeitsfluid nach außen zu einem Diffusor im Umgebungsbereich der Laufradscheibe, wo es einen schneckenförmigen Spiraldiffusor erreicht und von dort zur Ausgangsöffnung der Pumpe geführt wird.Centrifugal pumps are well known in the hydraulic and pneumatic fields. They generally consist of a motor to drive a shaft on which a fluid impeller is mounted. Generally, the fluid inlet port or suction port delivers fluid to the center or hub of the impeller. A number of impeller blades generally project outward from the hub in a spiral pattern and are supported between shields which, together with the blades, define pumping channels. The rotor is surrounded by a casing which directs the working fluid from the inlet port to the hub or inlet ring where it is fed into the pumping channels between the blades and the shields. The centrifugal motion of the impeller drives the working fluid outward to a diffuser in the surrounding area of the impeller disk where it reaches a helical spiral diffuser and from there is directed to the outlet port of the pump.

Die Motorwelle, die das Laufrad trägt, benötigt Lager, die manchmal vom Arbeitsfluid geschmiert werden, in vielen Fällen jedoch benötigen sie aufgrund der Inkompatibilität des Arbeitsfluids eine separate Schmierung. In allen Fällen werden Dichtungen benötigt um ein Lecken des Arbeitsfluids um die Laufradwelle, an der Stelle, an der es das Pumpengehäuse betritt, zu vermeiden. Nach einer gewissen Betriebszeit können sich die Lager so verschlechtern, daß sie eine gewisse Radialbewegung der rotierenden Welle erlauben. Dies bewirkt beschleunigten Verschleiß und die Verschlechterung der Wellendichtung und resultiert im Lecken des Arbeitsfluids aus dem Pumpengehäuse.The motor shaft carrying the impeller requires bearings which are sometimes lubricated by the working fluid, but in many cases require separate lubrication due to working fluid incompatibility. In all cases, seals are required to prevent leakage of the working fluid around the impeller shaft where it enters the pump housing. After a period of operation, the bearings may deteriorate to the point where they allow some radial movement of the rotating shaft. This causes accelerated wear and deterioration of the shaft seal, resulting in leakage of the working fluid from the pump housing.

Das eben Gesagte erläutert die bekannten Nachteile, die bei aktuellen Zentrifugalpumpen herrschen. Damit liegt es auf der Hand, daß es von Vorteil wäre, eine Alternative zu schaffen, um einen oder mehrere der eben genannten Nachteile zu beheben. Dementsprechend wird eine zweckmäßige Alternative, deren Merkmale im folgenden genauer offenbart werden, beschrieben.The foregoing explains the known disadvantages that prevail in current centrifugal pumps. It is therefore obvious that it would be advantageous to create an alternative to eliminate one or more of the disadvantages just mentioned. Accordingly, a suitable alternative, the features of which are disclosed in more detail below, is described.

Die FR-A-591,315 offenbart eine Ausgleichsvorrichtung für Zentrifugalpumpen, die zwei Ausgleichskammern aufweist, die auf je einer Seite der Wangen eines Laufrads angeformt und mit einer Leitung verbunden sind. Beispielsweise als Ergebnis von Ungleichheiten in den Spielen, die auf einer Seite des Laufrades herrschen, stellen sich in den Ausgleichskammern unterschiedliche Drücke ein. Damit fließt Fluid durch die Leitung, um den Druckausgleich wiederherzustellen.FR-A-591,315 discloses a balancing device for centrifugal pumps, which has two balancing chambers, each formed on one side of the cheeks of an impeller, and connected to a line. For example, as a result of inequalities in the clearances that exist on one side of the impeller, different pressures arise in the balancing chambers. Fluid therefore flows through the line to restore pressure balance.

Die US-A-2,700,343 offenbart eine Motorpumpeneinheit, die eine Zentrifugalpumpe ist, die ein Gehäuse mit separaten Pumpenkammern mit getrennten Fluideinlauf- und -auslaufanschlüssen hat. Es ist hier in jeder Kammer ein Laufrad drehbar befestigt, wobei jedes Laufrad einen Nabenbereich mit wenigstens einer scheibenförrnigen Abschirmung aufweist, die Rotorwicklungen zur Bildung einer Laufrad-Rotoreinheit enthält. Eine Mehrzahl von Pumpenkanälen, die durch eine Mehrzahl von Laufradschaufeln des Laufrades definiert sind, ragt aus dem Nabenbereich nach außen und ist an einer Fläche der Abschirmung befestigt. Ein Stator arbeitet mit dem Rotor zusammen, und die Statorwindungen sind von dem angesaugten Fluid isoliert.US-A-2,700,343 discloses a motor pump unit which is a centrifugal pump having a housing with separate pump chambers with separate fluid inlet and outlet connections. An impeller is rotatably mounted in each chamber, each impeller having a hub portion with at least one disk-shaped shield containing rotor windings to form an impeller-rotor unit. A plurality of pump channels defined by a plurality of impeller blades of the impeller project outwardly from the hub portion and are secured to a surface of the shield. A stator cooperates with the rotor and the stator windings are isolated from the fluid being drawn in.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Zentrifugalpumpe vorgesehen,According to the present invention, a centrifugal pump is provided,

- mit einem Gehäuse mit einer inneren Kammer mit einer Einlaß- und einer Auslaßöffnung,- with a housing with an inner chamber with an inlet and an outlet opening,

- mit einem Laufrad, das in der Kammer zur Rotation um eine Achse gelagert ist, wobei das Laufrad einen Nabenbereich hat; mit wenigstens einer scheibenförmigen Abschirmung, die Permanentmagnete enthält; mit einer Mehrzahl von Pumpenkanälen, die von einer Mehrzahl von Laufradschaufeln, die vom Nabenbereich nach außen ragen und auf einer Fläche der Abschirmung befestigt sind, definiert werden; und mit Einrichtungen zum Liefern von Fluid zu den Pumpenkanälen, wobei die Einrichtungen wenigstens eine Öffnung zwischen dem Nabenbereich und der Abschirmung aufweisen; gekennzeichnet durch einen oder mehrere in der Öffnung angeordnete Einlaufkränze, wobei die Einlaufkränze Pumpenelemente aufweisen, die von den Laufradschaufeln getrennt sind, und wobei bei dem oder jedem Einlaufkranz ein Rezirkulationsdurchgang angeordnet ist.- with an impeller mounted in the chamber for rotation about an axis, the impeller having a hub portion; with at least one disc-shaped shield containing permanent magnets; with a plurality of pump channels defined by a plurality of impeller blades projecting outwardly from the hub portion and secured to a surface of the shield; and with means for supplying fluid to the pump channels, the means having at least one opening between the hub portion and the shield; characterized by one or more inlet rings arranged in the opening, wherein the inlet rings have pump elements which are separate from the impeller blades, and wherein a recirculation passage is arranged at the or each inlet ring.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird nun beispielsweise auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen.For a better understanding of the invention and to show how it can be carried out, reference is now made, for example, to the accompanying drawings.

Fig. 1 ist eine schematische Aufriß-Schnittansicht, die ein Ausführungsbeispiel einer Zentrifugalpumpe zeigt.Fig. 1 is a schematic elevational sectional view showing an embodiment of a centrifugal pump.

Fig. 2 ist eine schematische Aufriß-Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Pumpe.Fig. 2 is a schematic elevational sectional view of another embodiment of the pump.

Fig. 3 ist eine Teilansicht entlang der Linie 3-3 der in Fig. 1 gezeigten Pumpe.Fig. 3 is a partial view taken along line 3-3 of the pump shown in Fig. 1.

Detailed description

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform der Pumpe der vorliegenden Erfindung, die achsensymmetrisch zur vertikalen Mittelebene, die mit der Mittellinie von Fig. 1 angedeutet ist, zu sehen ist. Das Gehäuse 10 hat eine Einlaßöffnung 11 und eine Auslaßöffnung 12, die durch eine Einlaufkranzanordnung 18, Laufradabschirmungen 15, einen schaufelradfreien Diffusor 24 und einen Diffusor 13 verbunden werden. Das Pumpenfluid tritt bei der Einlaßöffnung 11 ein, teilt sich und geht auf die beiden Seiten der Einlaufkranzanordnung 18, geht zwischen den beiden Laufradabschirmungen 15 durch die Pumpenkanäle 55 (gezeigt in Fig. 3) hindurch, die durch die Räume, die zwischen benachbarten Laufradschaufeln 21 und den Laufradabschirmungen 15, zwischen denen die Laufradschaufeln 21 angeordnet sind, definiert sind, geht durch den sich drehenden schaufellosen Diffusor 24 hindurch, geht dann durch den Diffusor 13 durch und zur Auslaßöffnung 12. Zwischen dem Diffusor 24 und dem Diffusor 13 fließt ein kleiner Teil des Hochdruckfluids durch axiale Druckausgleichsdurchgänge 45 zurück. Diese engen Durchgänge bilden den Spalt, der zur Drehung der Laufradabschirmungen 15 zwischen den Statoren 14 notwendig ist und schaffen bei Eintritt des Rücklauffluids einen hydrodynamischen Ausgleich, um jeglichem Axialdruck des Rotors 15 entgegenzuwirken, so daß dieser zwischen den Statoren 14 zentriert bleibt. Axialdruckausgleichsringe 16 sind in dem Ausgleichsdurchgang 45 entweder auf der Oberfläche des Statorbehälters 17 oder einem Vorsprung des Gehäuses 10 angeordnet. Durch Verengen des axialen Spalts zwischen den Laufradabschirmungen 15 und den Statorbehältern 17 oder dem Gehäuse 10 bewirken diese Ringe eine Steigerung des Fluiddruckes im Ausgleichsdurchgang 45, was die Durchführung des axialen Druckausgleiches verbessert.Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of the pump of the present invention viewed axisymmetrically about the vertical center plane indicated by the centerline of Fig. 1. The housing 10 has an inlet port 11 and an outlet port 12 connected by an inlet shroud assembly 18, impeller shields 15, a vaneless diffuser 24 and a diffuser 13. The pump fluid enters at the inlet port 11, splits and passes to either side of the inlet shroud assembly 18, passes between the two impeller shields 15 through the pump channels 55 (shown in Fig. 3) defined by the spaces defined between adjacent impeller blades 21 and the impeller shields 15 between which the impeller blades 21 are disposed, passes through the rotating vaneless diffuser 24, then passes through the diffuser 13 and to the outlet port 12. Between the diffuser 24 and the diffuser 13, a small portion of the high pressure fluid flows back through axial pressure equalization passages 45. These narrow passages form the gap necessary for rotation of the impeller shields 15 between the stators 14 and create a hydrodynamic balance upon entry of the return fluid to counteract any axial thrust of the rotor 15 so that it remains centered between the stators 14. Axial pressure equalization rings 16 are arranged in the equalization passage 45 either on the surface of the stator container 17 or a projection of the housing 10. By narrowing the axial gap between the impeller shields 15 and the stator containers 17 or the housing 10, these rings cause an increase in the fluid pressure in the equalization passage 45, which improves the implementation of the axial pressure equalization.

Die für den Einsatz der axialen Druckausgleichsringe 16 vorgesehene Alternative wird deshalb benötigt, da in manchen Fällen die Statoren 14 nicht von Behältern aufgenommen oder gekapselt sind. In diesen Fällen ist es notwendig, die axialen Druckausgleichsringe 16 auf Vorsprüngen des Gehäuses 10 anzuordnen. Jede Hälfte des Gehäuses 10 hat eine torusförmige Ausnehmung 33, in der ein Stator 14 befestigt ist. Zusätzlich sind Rezirkulationsdurchgänge 20 vorgesehen, um einen weichen Einlaufkranzbetrieb bei konstruktiv nicht vorgesehenen Durchsätzen zu garantieren.The alternative provided for the use of the axial pressure equalization rings 16 is required because in some cases the stators 14 are not accommodated or encapsulated by containers. In these cases it is necessary to arrange the axial pressure equalization rings 16 on projections of the housing 10. Each half of the housing 10 has a toroidal recess 33 in which a stator 14 is fastened. In addition, recirculation passages 20 are provided in order to guarantee smooth inlet ring operation at flow rates not provided for in the design.

Die Rotoranordnung, die eine Einlaufkranzanordnung 18, Abschirmungen 15, Laufradschaufeln 21 und einen rotierenden Diffusor 24 aufweist, wird auf Wellenzapfen, die auf der Außenseite der rohrförmigen axialen Ausdehnungen der Abschirmungen 15 angeordnet sind in magnetischen Radiallagern 35 und Hilfslagern 40 gelagert. Während des Betriebes wird der Rotor von den magnetischen Radiallagern 35 getragen, die einen ausreichend großen Freiraum haben, um eine berührungslose Lagerung für den Rotor zu bieten. Für den Fall, daß die magnetischen Lager 35 beim Tragen des Rotors versagen, sind Hilfslager 40 nur für den folgenden Notauslauf des Rotors vorgesehen, und diese haben einen kleineren Freiraum als die magnetischen Lager 35.The rotor assembly, which includes an inlet ring assembly 18, shields 15, impeller blades 21 and a rotating diffuser 24, is supported on shaft journals located on the outside of the tubular axial extensions of the shields 15 in magnetic radial bearings 35 and auxiliary bearings 40. During operation, the rotor is supported by the magnetic radial bearings 35, which have sufficient clearance to provide non-contact support for the rotor. In the event that the magnetic bearings 35 fail while supporting the rotor, auxiliary bearings 40 are provided only for the subsequent emergency stop of the rotor and these have a smaller clearance than the magnetic bearings 35.

Die Laufradabschirmungen 15 tragen alle eine am Umfang liegende Gruppe von Permanentmagneten, die für einen Rotor in einem bürstenlosen Gleichstrommotor benötigt werden, wenn er in Verbindung mit Statoren 14 verwendet wird, die Windungen und elektrische Verbindungen, die zum Betrieb als Motor benötigt werden, enthalten. Da die Laufradabschirmungen 15 Permanentmagnete enthalten, und da die Abschirmungen 15 in magnetischen Radiallagern 35 und Hilfslagern 40 getragen werden, besteht keine Notwendigkeit für irgendeine Welle, die das Gehäuse 10 durchdringt und deshalb werden keine Drehwellendichtungen benötigt, die einen Verschleiß der Welle verursachen können und eventuell lecken würden.The impeller shields 15 each carry a circumferential array of permanent magnets required for a rotor in a brushless DC motor when used in conjunction with stators 14 containing windings and electrical connections required for operation as a motor. Since the impeller shields 15 contain permanent magnets, and since the shields 15 are supported in magnetic radial bearings 35 and auxiliary bearings 40, there is no need for any shaft penetrating the housing 10 and therefore no rotary shaft seals are required which can cause shaft wear and eventually leak.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Pumpe der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist das Gehäuse 10 aus verschiedenen Abschnitten zusammengesetzt und hat zwei Eingänge 11. Sonst sind die Pumpen in allen anderen Aspekten funktional identisch. Aus diesem Grund wurde die Numerierung der einzelnen Komponenten, die mit den in Fig. 1 verwendeten übereinstimmen weggelassen.Fig. 2 shows another embodiment of the pump of the present invention. In this case, the housing 10 is composed of different sections and has two inlets 11. Otherwise, the pumps are functionally identical in all other aspects. For this reason, the numbering of the individual components, which correspond to those used in Fig. 1, has been omitted.

Fig. 3 zeigt abgebrochen dargestellt eine schematische Schnittansicht des Rotors und des Gehäuses entlang der Linie 3-3 von Fig. 1. Schaufeln 21 sind an der Abschirmung 15 befestigt. Eine Einlaufkranzanordnung 18 liefert Fluid zu den Laufradschaufeln, die es radial nach außen durch die Pumpenkanäle 55, die durch die Schaufeln 21 und die Abschirmungen 15 definiert sind, pumpen. Durch den Raum zwischen den beiden Abschirmungen 15 radial außerhalb des von den Schaufeln 21 besetzten Raumes ist ein Diffusor 24 festgelegt. Unter Druck gesetztes Fluid wird von dem Diffusor 24 durch den Spiraldiffusor 13 wegbefördert.Fig. 3 shows a schematic sectional view, in fragmentary form, of the rotor and casing taken along line 3-3 of Fig. 1. Blades 21 are attached to the shield 15. An inlet shroud assembly 18 supplies fluid to the impeller blades which pump it radially outward through the pump channels 55 defined by the blades 21 and the shields 15. A diffuser 24 is defined through the space between the two shields 15 radially outside the space occupied by the blades 21. Pressurized fluid is conveyed away from the diffuser 24 through the spiral diffuser 13.

Die einzelnen Konstruktionsparameter für eine vorgegebene Pumpenanwendung werden durch Druck- und Durchsatzanforderungen, Raumbeschränkungen, Arbeitsfluideigenschaften und die gewünschte Orientierung von Einlaß- und Auslaßöffnungen bestimmt. Dies sind Überlegungen, die den Durchmesser der Laufradabschirmungen 15, den Raum zwischen den Laufradabschirmungen und infolgedessen die Breite der Laufradschaufeln 21, die Größe des Diffusors 24, wenn dieser benötigt wird, die Größe der Einlaufkranzanordnung 18 und die Größe und Form des Pumpengehäuses 10 sowie der Rezirkulationsdurchgänge 20 festlegen, die vorgesehen sind, um einen weichen Einlaufkranzbetrieb bei konstruktionsmäßig nicht berücksichtigten Durchflußwerten sicherzustellen. Statoren 14 und Laufradabschirmungen 15 sind entsprechend den Anforderungen an die Pumpenleistung aufeinander abgestimmt. Die Statoren 14 können in Behältern 17 gekapselt sein oder nicht, abhängig davon, ob das Arbeitsfluid mit den Statoren kompatibel ist oder nicht.The individual design parameters for a given pump application are determined by pressure and flow requirements, space constraints, working fluid properties, and the desired orientation of inlet and outlet ports. These are considerations that determine the diameter of the impeller shields 15, the space between the impeller shields and, consequently, the width of the impeller blades 21, the size of the diffuser 24 if required, the size of the inlet shroud assembly 18, and the size and shape of the pump casing 10 and recirculation passages 20 provided to ensure smooth inlet shroud operation at flow rates not considered in the design. Stators 14 and impeller shields 15 are matched to the pump performance requirements. The stators 14 may or may not be encapsulated in vessels 17, depending on whether or not the working fluid is compatible with the stators.

Diese Erfindung sieht eine integrierte Zentrifugalpumpe und einen Motor vor, die die Vorteile einer kompakten Bauweise, die Fähigkeit, elektronisch bei verschiedenen Geschwindigkeiten zu arbeiten, eines wellenlosen Rotors, der keine Dichtungen benötigt, der berührungslosen Radiallagerung während des Betriebs und des hydrodynamischen Axialdruckausgleichs für den Rotor aufweist. Diese Vorteile werden erreicht, ob kompressible oder inkompressible Fluide gepumpt werden.This invention provides an integrated centrifugal pump and motor having the advantages of a compact design, the ability to operate electronically at various speeds, a shaftless rotor requiring no seals, non-contacting radial bearings during operation, and hydrodynamic axial pressure balancing for the rotor. These advantages are achieved whether compressible or incompressible fluids are pumped.

Claims

1. A centrifugal pump comprising a housing (10) having an inner chamber with inlet (11) and outlet openings (12), an impeller mounted in the chamber for rotation about an axis, the impeller having a hub portion; at least one disc-shaped shield (15) containing permanent magnets; a plurality of pump channels (55) defined by a plurality of impeller blades projecting outwardly from the hub portion and secured to a surface of the shield; and means for supplying fluid to the pump channels, the means comprising at least one opening between the hub portion and the shield, characterized by one or more inlet rings (18) arranged in the opening, the inlet rings comprising pump elements separate from the impeller blades, and a recirculation passage being arranged at the or each inlet ring.

2. Centrifugal pump according to claim 1, wherein the impeller has a second disk-shaped shield (15), the impeller blades (21) being arranged between the first and second shields.

3. Centrifugal pump according to claim 2, wherein the second disc-shaped shield (15) has a plurality of permanent magnets and wherein a stator winding (14) is arranged adjacent to the second shield.

4. A centrifugal pump according to claim 3, wherein the first and second disc-shaped shields (15) are carried by the hub portion, and wherein the impeller blades (21) lie in a common plane between the first and second shields so as to rotate in a common plane normal to the axis, the stator winding being arranged adjacent the shields (15) so as to form a gap between the stator winding and the shield to provide a small quantity of pumped working fluid, and means for axially hydrodynamically balancing the impeller, the means comprising a ring (16) arranged in the gap for restricting the flow of the small quantity of pumped working fluid.

5. Centrifugal pump according to claim 3 or 4, wherein the second shield has a second central opening which is coaxial with the central opening in the first shield, and wherein the stator winding has a further central opening arranged therein, and with a second flow directing device for controlling the flow of fluid from the inlet opening to the pump channels (55) through the openings in the second shield and the stator winding.

6 Centrifugal pump according to claim 5, wherein the first and second flow directing means comprise inlet rings (18) for introducing the flow in one direction through the central opening in the first shield and in the opposite direction through the central opening in the second shield.

7. A centrifugal pump according to claim 6, wherein the housing has a first and a second inlet opening, and wherein the first and second flow directing means comprise means for directing the fluid flow from the first and second inlet openings through the central openings in the first and second shields.

8. A centrifugal pump according to claim 5, 6 or 7, wherein the second flow directing means comprises a spiral diffuser (13), at least a portion of which is disposed within the inner chamber.

9. Centrifugal pump according to claim 8, wherein the inlet and outlet openings, the spiral diffuser and the pump channels are arranged in a common plane.

10. Centrifugal pump according to one of claims 5 to 9, which has a second stator winding (14), wherein the first and second flow guide devices have first and second flow channels which are arranged between the housing and the stator windings.

11. A centrifugal pump according to any one of claims 3 to 10, wherein the or each stator winding is encapsulated to prevent contact with the fluid.