DE69108250T2 - Zentrifugalmotorpumpe. - Google Patents

Zentrifugalmotorpumpe.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zentrifugal- Motorpumpe.
  • In einem Haushaltsgerät dient eine Zentrifugal-Motorpumpe oft als Umwälzpumpe für Flüssigkeiten sowie als Abwasserpumpe. Eine Zentrifugal-Motorpumpe enthält gewöhnlich eine Zentrifugalpumpe und einen elektrischen Antriebsmotor. Dieser elektrische Motor kann ein Synchronmotor, Aysnchronmotor, Universalmotor oder ein elektrischer Motor eines anderen bekannten Typs sein. Handelt es sich um einen Synchronmotor wie z.B. einen solchen mit Dauermagnet, dann ist sein Anlauf-Antriebsmoment relativ schwach oder praktisch unbedeutend, und eine von einem solchen Motor angetriebene Zentrifugalpumpe kann im allgemeinen unter Last nicht anlaufen, selbst wenn diese Last verhältnismäßig gering ist. Daher wird in einer von einem elektrischen Synchronmotor angetriebenen Zentrifugal- Motorpumpe das Schaufelrad der Pumpe meist in Drehrichtung innerhalb gewisser Grenzen beweglich auf einem Ende der Welle des synchronen Antriebsmotors montiert, damit der Motor frei und ohne Last anlaufen kann und ein gewisses Motormoment entwickeln kann, ehe das Schaufelrad der Pumpe erfaßt und angetrieben wird.
  • Manche bekannte Zentrifugal-Motorpumpen besitzen ein zylindrisches Ende mit einer axialen Endnase, die an einem Ende der Welle des synchronen Antriebsmotors starr befestigt ist, sowie eine Nabe des beweglichen Schaufelrads, die auf diesem zylindrischen Ende derart montiert ist, daß ein torusförmiger Hohlraum dieses Endes, der von einem Anschlag unterbrochen ist, mit der Nase dieses Endes zusammenwirkt.
  • Beim Starten dieser Motorpumpen dreht die Nase des Endes, die von der Welle des Antriebsmotors getragen wird, frei in dem torusförmigen Hohlraum der Nabe und stößt im weiteren Verlauf auf den Anschlag, worauf sie das Schaufelrad mitnimmt. Der Stoß zwischen der Nase und dem Anschlag ist oft sehr heftig. Ein solches System ist in der europäischen Patentanmeldung 320 060 von Philips beschrieben, wobei die Nase sehr geringe Abmessungen besitzt.
  • Um zu vermeiden, daß die Nase allzu zerbrechlich ist, kann man den Querschnitt der Nase vergrößern, indem sie winkelmäßig erweitert wird. Je größer man jedoch winkelmäßig die Nase macht, umso kürzer wird die frei verlaufende Strecke dieser Nase im torusförmigen Hohlraum der Nabe und umso kürzer wird auch die Zeit für die Motorwelle, um ein ausreichendes Antriebsmoment aufzubauen, da die Nase sich strukturbedingt in der Nähe der Drehachse der Motorwelle befindet und damit der Hebelarm für den Antrieb durch diese Nase gering ist, was ungünstig ist, um ein gutes Motormoment rasch aufbauen zu können, und da der torusförmige Hohlraum auch in unmittelbarer Nähe der Achse des Schaufelrads liegt und nicht relativ lang ausgebildet sein kann, um der Nase beim Starten des Motors eine lange Freilaufstrecke zu verschaffen. Daraus folgt, daß in diesen bekannten Motorpumpen die Nase für den Antrieb des Schaufelrads zerbrechlich ist und das Anlaufen des Antriebsmotors ungewiß und wenig zuverlässig bleibt, selbst wenn die Last bedeutungslos gering ist. Ein solches System ist in der europäischen Patentanmeldung 287 984 von Askoll beschrieben.
  • Um den Betrieb dieser bekannten Motorpumpen leiser zu gestalten, wird oft ein dämpfendes Schmiermittel in den Raum zwischen den torusförmigen Hohlraum der Nabe des Schaufelrads und die Nase am zylindrischen Ende eingefügt, das auf der Welle des Antriebsmotors befestigt ist.
  • Da der freie Weg der Nase im torusförmigen Hohlraum gering ist, ist die Stoßdämpfungsstrecke aufgrund des Schmiermittels zwischen der Nase und den Enden des Hohlraums gering und ergibt nur eine unbedeutende oder wenig wirksame Dämpfung.
  • In diesen bekannten Motorpumpen wird oft ein Dichtungsring, der ein Austreten des dämpfenden Schmiermittels verhindern soll, zwischen dem zentralen zylindrischen Ende und der hohlen Nabe des Schaufelrads montiert. Dieser Dichtungsring ist größer als eine Wellendichtung und verbraucht sich schneller als diese.
  • Gemäß einer anderen bekannten Realisierung enthalten die Zentrifugal-Motorpumpen einerseits in ihrem Schaufelrad eine Nabe, die an ihrem dem Antriebsmotor zugewandten Ende einen axialen zylindrischen Wulst aufweisen, der eine flachen zylindrischen Hohlraum bildet, und einen an der Peripherie dieses Hohlraums neben diesem Wulst liegenden radialen Vorsprung, und andererseits auf dem Teil der Welle des Antriebsmotors, der die Nabe aufnimmt und von diesem Hohlraum umgeben ist, eine zentrale flache Nocke, die mit dem Anschlag im Hohlraum der Nabe zusammenwirkt, um die Grenzen für eine freie Drehung der Motorwelle im Hohlraum der Nabe zu definieren. Beim Anlaufen der Motorpumpe ist der Stoß zwischen der flachen zentralen Nocke und dem Anschlag im allgemeinen heftig. Es ist jedoch kein Mittel in diesen Pumpen vorgesehen, um diesen Stoß zu dämpfen. Ein solches System ist in der europäischen Patentanmeldung 207 430 von Easthorpe beschrieben.
  • Im Betrieb sind diese Motorpumpen daher sehr laut.
  • Die vorliegende Erfindung, die die oben erwähnten Nachteile beseitigen soll, führt zu einer Zentrifugal-Motorpumpe, die wirtschaftlich und geräuscharm im Betrieb ist und beim Anlaufen ein gutes Motormoment entwickelt, das den Betrieb der Motorpumpe zuverlässig macht, insbesondere wenn der Antriebsmotor ein elektrischer Synchronmotor ist.
  • Genauer betrachtet ist Gegenstand der Erfindung eine Motorpumpe, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun ein Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
  • Figur 1 zeigt schematisch und teilweise im Schnitt eine Zentrifugal-Motorpumpe mit einer Zentrifugalpumpe, deren Schaufelrad von einem elektrischen Synchronmotor mit Dauermagneten angetrieben wird.
  • Figur 2 zeigt schematisch und teilweise im Querschnitt entlang der Ebene II-II durch die Motorpumpe aus Figur 1 ein System zur Verzögerung der Übertragung der Bewegung zwischen der Welle des Antriebsmotors und dem Schaufelrad der Pumpe.
  • Figur 3 zeigt schematisch von vorne das Schaufelrad der Motorpumpe aus Figur 1.
  • Figur 4 zeigt teilweise und im Schnitt entlang einer Ebene IV-IV das Schaufelrad aus Figur 3.
  • Figur 5 zeigt schematisch von vorne einen kreisförmigen Antriebsring des Schaufelrads aus Figur 3, der auf einem Ende der Welle des Antriebsmotors der Motorpumpe aus Figur 1 montiert werden soll.
  • Figur 6 zeigt schematisch und teilweise den kreisförmigen Antriebsring aus Figur 5 im Schnitt entlang der Ebene VI-VI.
  • Figur 7 zeigt schematisch im Axialschnitt einen Verschlußdeckel für die Nabe des Schaufelrads aus Figur 3.
  • Figur 8 zeigt schematisch im Axialschnitt eine dichten Lagerträger der Welle des Antriebsmotors der Motorpumpe aus Figur 1 neben der Pumpe.
  • In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine Zentrifugal-Motorpumpe 1 eine Zentrifugalpumpe 2, einen elektrischen Antriebsmotor 3 und ein gemeinsames Gehäuse 4, das aus zwei Teilen besteht, nämlich einem Hohlkörper 5, der eine Rotorkammer 6 des Antriebsmotors 3 und eine Pumpenplatte 7 bildet, und andererseits aus einem Deckel 9, der eine Pumpkammer 10 bildet und eine Eingangsöffnung 11, eine Ausgangsöffnung 12 und einen Dichtungsring 13 aufweist.
  • Der elektrische Antriebsmotor 3 ist ein Synchronmotor mit einem Rotor, der Permanentmagnete 15 aufweist und in der Rotorkammer 6 sitzt, und mit einem Stator 16, der um diese Rotorkammer 6 herum befestigt ist und von einer Haube 17 geschützt wird. Die Welle 20 des Rotors 15 wird frei drehend von zwei Traglagern gehalten, nämlich einem rückwärtigen Traglager 21, das im Boden der Rotorkammer befestigt ist, und einem vorderen Traglager 24 in der Nähe der Pumpe, das auch als eine dichte Mitteltrennwand zwischen der Rotorkammer 6 und der Pumpenkammer 10 dient.
  • Eines der Enden 25 der Welle 20 des Rotors 15, das durch das vordere Traglager 24 dringt, trägt ein Schaufelrad 27 der Zentrifugalpumpe 2 und treibt dieses in der Pumpenkammer 10 an. Das Schaufelrad 27 ist mit einer beschränkten Beweglichkeit in Drehrichtung um das Ende 25 der Welle 20 des Rotors 15 herum montiert.
  • Erfindungsgemäß enthält eine Zentrifugal -Motorpumpe, die ein als Pumpe wirkendes Schaufelrad besitzt, welches in Drehrichtung mit begrenzter Mobilität auf einem Ende einer Welle des Rotors eines elektrischen Antriebsmotors montiert ist, zwischen der Welle des Rotors des Antriebsmotors und dem Schaufelrad ein System zur Verzögerung der Bewegungsübertragung mit einerseits einem kreisförmigen Antriebsring, der auf einem Ende der Welle des Rotors befestigt ist, und andererseits einem axialen Zapfen, der mit der Nabe dieses Schaufelrads fest verbunden ist, über eine Zone mit großem Radius um diesen kreisförmigen Ring schwenkt und eine freie Bewegungsstrecke vor dem Kraftschluß mit diesem Ring realisiert.
  • In dem dargestellten Beispiel enthält die Zentrifugal-Motorpumpe 1 zwischen der Welle 20 des Rotors 15 des Antriebsmotors 3 und dem Schaufelrad 27 ein System zur Verzögerung der Bewegungsübertragung 30 mit einerseits einem auf dem Ende 25 der Welle 20 des Rotors befestigten kreisförmigen Antriebsring 31 und andererseits einem axialen Zapfen 36, der mit der Nabe 37 des Schaufelrads 27 fest verbunden ist.
  • Der kreisförmige Antriebsring 31 enthält (siehe die Figuren 1, 5, 6) eine Kreisscheibe mit zentralem Loch 32, über der sich ein rohrförmiger, zylindrischer, konzentrischer Kragen 33 erhebt und die in einer radialen Zone mit großem Radius ihrer Oberfläche eine konzentrische axiale Rinne 34 mit einem mittleren Radius R aufweist, deren Enden nicht ineinanderlaufen, sondern durch eine radiale Rippe 35 voneinander getrennt sind. Der kreisförmige Antriebsring 31 ist auf dem Ende 25 der Welle 20 des Rotors 15 montiert, und zwar durch Verschraubung, durch Aufschrumpfen, Aufspannen, Verschweißen oder durch eine beliebige andere bekannte Befestigungsart.
  • Das Schaufelrad 27 enthält (siehe Figuren 1, 3 und 4) eine hohle Nabe 37 und auf ihrem Umfang Turbinenschaufeln 38 sowie in ihrem Hohlraum 39, der ein analoges Profil wie der kreisförmige Antriebsring 31 besitzt, einen axialen sektorförmigen Zapfen 36, der in einer Zone im Abstand von der Achse 40 der Nabe 37 mit einem radialen mittleren Abstand R liegt, der gleich dem mittleren Radius R der axialen konzentrischen Rinne 34 des kreisförmigen Antriebsrings 31 ist.
  • In der Motorpumpe 1 ist der kreisförmige Antriebsring 31 beweglich innerhalb des Hohlraums 39 der Nabe 37 im Schaufelrad 27 angeordnet. Der Zapfen 36 der Nabe 37 kann sich frei in der kreisförmigen Rinne 34 verschieben. Die Abmessungen des kreisförmigen Rings 31 und seiner axialen konzentrischen Rinne 34 sowie die des Hohlraums 39 in der Nabe 37 des Schaufelrads 27 sowie von seinem axialen sektoriellen Zapfen 36 sind jeweils so gewählt, daß sich ein sanftes Gleiten bei ihrer Relativbewegung ergibt.
  • Beim Start der Motorpumpe 1 dreht sich der kreisförmige Ring 31, der auf dem Ende 25 der Welle 15 des Antriebsmotors sitzt, frei innerhalb des Hohlraums 39 der Nabe 37 des Schaufelrads 27, ohne irgendeiner Kraft zu unterliegen (siehe Figur 1 und 2), bis die radiale Rippe 35, die die axiale konzentrische Rinne 34 in Querrichtung unterbricht, auf den axialen Zapfen 36 der Nabe 37 des Schaufelrads 27 trifft. Von diesem Augenblick an müssen der kreisförmige Ring 31 und die Welle 20 des Antriebsmotors 3 ein ausreichendes Motordrehmoment liefern, um das Schaufelrad 27 anzutreiben. In diesem System zur Verzögerung der Bewegungsübertragung ermöglicht eine lastfreie Strecke des Rings 31 auf der Welle 20 des Rotors 15, daß dieser Rotor eines elektrischen Synchronmotors ein ausreichendes Motormoment entwickeln und die Motorpumpe 1 anlaufen lassen kann. Wenn diese Strecke ohne Last zu kurz ist, wie dies bei den in einem früheren Absatz angesprochenen bekannten Pumpen der Fall ist, hat der Synchronmotor nicht genug Zeit, um ein ausreichendes Motormoment zu entwickeln und das Schaufelrad 27 anlaufen zu lassen, insbesondere wenn die Pumpe 2 unter Last steht. Der Anlauf der Motorpumpe 1 steht also in Frage.
  • Erfindungsgemäß ermöglicht die Form des Antriebsrings 31 mit Scheibe und Kragen, aufgrund deren sich eine gute räumliche Anordnung der konzentrischen axialen Rinne 34 in einer Zone mit großem Radius auf diesem Ring erreicht wird, eine weite Wahl von Kombinationen von Abmessungen der Elemente des Systems zur Verzögerung der Bewegungsübertragung 30, um einerseits eine relativ große Länge der konzentrischen axialen Rinne 34 gegenüber der Drehachse des Antriebsrings 31 und zugleich eine relativ große Entfernung des axialen Zapfens 36 von der Achse des Schaufelrads 27 zu erreichen und damit einen relativ langen Hebelarm, d.h. ein relativ großes Motorantriebsmoment für den Ring 31.
  • Mit einem solchen System zur Verzögerung der Bewegungsübertragung ist das Anlaufen der Motorpumpe 1 nicht mehr gefährdet und der Betrieb wird zuverlässig.
  • Beim Anlaufen der Motorpumpe 1 trifft die radiale Rippe 35 des kreisförmigen Antriebsrings 31 auf den axialen Zapfen 36 der Nabe 37 des Schaufelrads 27, was eine relativ heftigen und lauten Stoß ergibt. Ein stoßdämpfendes Schmiermittel, das in den zwischen dem kreisförmigen Antriebsring 31 und der Nabe 37 des Schaufelrads 27 eingebracht wird, kann eine wirksame Dämpfung des Stoßes hervorrufen, aber auch der freien Verschiebung des axialen Zapfens 36 in der konzentrischen axialen Rinne 34 einen erheblichen Widerstand entgegensetzen und dabei verhindern, daß der Antriebsring 31 ein ausreichendes Motormoment erhält und damit das Anlaufen der Motorpumpe 1 in Frage stellen.
  • In dem System zur Verzögerung der Bewegungsübertragung 30 erlaubt die relativ große Länge der axialen konzentrischen Rinne 34 des Antriebsrings 31 eine große Auswahl von Viskositätswerten des dämpfenden Schmiermittels, das in dem zwischen dem Antriebsring 31 und der Nabe 37 des Schaufelrads 27 verfügbaren Raum die freie Verschiebung des axialen Zapfens 36 in der axialen konzentrischen Rinne 34 des Antriebsrings 31 nicht mehr behindert und doch eine wirksame Dämpfung des Stoßes zwischen der radialen Rippe 35 des Antriebsrings 31 und dem axialen Zapfen 36 gewährleistet.
  • In der Motorpumpe 1 ist die Nabe 37 (siehe Figuren 1, 3, 4, 7) des Schaufelrads 27, die den kreisförmigen Antriebsring 31 umgibt, der auf dem Ende 25 der Welle 20 des Rotors 17 sitzt und ein dämpfendes Schmiermittel enthält, an der Öffnung 41 des Hohlraums 39 durch einen Deckel 45 hermetisch verschlossen, der beweglich um die Welle 20 zwischen dem Antriebsring 31 und dem vorderen Traglager 24 montiert ist.
  • Der Deckel 45 besitzt eine Kreisform und enthält (siehe Figur 7) einerseits um sein zentrales Loch 46 herum eine konzentrische kreisförmige Erhöhung 47, in dessen Hohlraum 48 ein Wellendichtungsring 49 (Figur 1) angeordnet ist, und andererseits an seiner Peripherie einen umgekehrten Rand 50 mit einer komplementären Form, die der Form der Öffnung 41 des Hohlraums 39 in der Nabe 37 des Schaufelrads 27 angepaßt ist und an ihrer äußeren Oberfläche eine ringförmige Rippe 52 trägt, die in einer entsprechenden ringförmigen Rinne 54 hineinpaßt, die in der Dicke der Öffnung 41 des Hohlraums 39 in der Nabe 37 des Schaufelrads 27 ausgebildet ist, um dort festzusitzen und ohne Dichtungsring den Hohlraum 39 der Nabe 37 abzudichten, wobei die Dichtheit des zentralen Bereichs des Deckels 45 durch den Wellendichtungsring 49 gewährleistet ist. Der Deckel 45 verhindert so wirksam jeden Verlust an dämpfendem Schmiermittel, das in den Hohlraum 39 der Nabe 37 des Schaufelrads 27 eingebracht wurde, und dies mit einem einzigen Wellendichtungsring 49 relativ geringen Durchmessers. Die lineare Reibungsgeschwindigkeit in Höhe der Kontaktfläche zwischen diesem Wellendichtungsring 49 und der Welle 20, die jeweils einen geringen Durchmesser besitzen, ist relativ gering während einer Relativbewegung zwischen der Nabe 37 und dem Antriebsring 31, der auf dieser Welle 20 sitzt. Die Abnutzung des Wellendichtungsrings 49 kleinen Durchmessers, die auf dem Deckel 45 sitzt, ist daher gering oder vernachlässigbar.
  • Gemäß dem dargestellten wirtschaftlichen Ausführungsbeispiel enthält das vordere Traglager 24, das auch als dichte Mitteltrennwand zwischen der Pumpenkammer 10 und der Rotorkammer 6 dient und in seinem mittleren hohlen Bereich 54 (Figuren 1 und 8) einen Wellendichtungsring 55 trägt, an seinem Umfang des Bodens dieses Hohlraums 54 axial Löcher 56 zum Durchlaß für Befestigungsfüße 57 dieses Wellendichtungsrings 55 für das vordere Traglager 24. Die leicht durch Gießen herstellbare Rohrform der Einheit aus Traglager 24 und Wellendichtung 55 ermöglicht die Herstellung aus einem durch ein wirtschaftliches Gießverfahren mit zwei Materialien.
  • In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante können einerseits der Deckel 45 und der Dichtungsring 49, die den Hohlraum 39 der Nabe 37 des Schaufelrads 27 hermetisch verschließen, und andererseits der Deckel 9, der die Pumpenkammer 10 bildet, und der Dichtungsring 13 ebenfalls aus einem Stück durch ein wirtschaftliches Gießverfahren mit zwei Materialien hergestellt werden.

Claims (7)

1. Zentrifugal-Motorpumpe
- mit einem Schaufelrad (27),
- und einem Motor (3), der eine Welle (20) besitzt und das Schaufelrad über ein System zur Verzögerung der Bewegungsübertragung (30) antreibt, wobei dieses System einen Zapfen (36) enthält, der sich parallel zur Achse der Welle erstreckt und in einer Rinne (34) gleitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelrad eine Hohlnabe (37) besitzt und der Zapfen mit dem Schaufelrad fest verbunden ist und innerhalb der Nabe liegt und daß die Motorpumpe außerdem einen kreisförmigen Ring (31) besitzt, der fest mit dem Ende (25) der Welle (20) verbunden ist und in dem die Rinne ausgebildet ist, welche sich im wesentlichen konzentrisch zum Ring über einen vollen Kreis erstreckt, mit Ausnahme einer Rippe (35) der Nabe, während der Ring (31) ein analoges Profil wie die hohle Nabe (37) des Schaufelrads besitzt und in diesem untergebracht ist, wobei ein Schmiermittel in dem zwischen der Nabe, dem Ring, der Rinne und dem Zapfen verbleibenden Raum angebracht ist und die Abmessungen der einander gegenüberstehenden Oberflächen dieser vier letztgenannten Elemente sowie die Viskosität des Schmiermittels so gewählt sind, daß sich ein sanftes Gleiten bei der Relativbewegung der Nabe und des Rings sowie eine Dämpfung des Stoßes ergibt, wenn die Rippe des Rings auf den Zapfen trifft.
2. Motorpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schnitt senkrecht zur Drehachse der Zapfen (36) zwei Seiten in Form eines Kreisbogens in Kontakt mit den Führungsflächen (33, 34) der Rinne (34) besitzt.
3. Motorpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Zapfens (36), die mit der Rippe (35) in Kontakt treten sollen, abgerundet sind.
4. Motorpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (37) des Schaufelrads (27) eine Öffnung (41) ihres Hohlraums (39) besitzt, während ein kreisförmiger Deckel zum hermetischen Verschließen (45) in seinem Zentrum einen Wellendichtungsring (49) und an seiner Peripherie einen umgebördelten Rand mit einer ringförmigen Halterippe (52) besitzt, die in eine entsprechende kreisförmige Rinne (54) der Öffnung (41) der hohlen Nabe (39) eingreifen soll.
5. Motorpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Deckel (45) zum hermetischen Verschluß der Nabe (47) und sein Wellendichtungsring (49) einstückig durch Gießen von zwei Materialien hergestellt sind.
6. Motorpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem ein gemeinsames Gehäuse (4) aufweist, das in eine Rotorkammer (6) des Antriebsmotors und eine Pumpkammer (10) durch ein Traglager (24) geteilt ist, welches mit einem Wellendichtungsring (55) versehen ist und an seinem Umfang des Bodens des Hohlraums (54) seines zentralen Bereichs axiale Löcher (56) zum Durchlaß für Befestigungsfüße (57) des Wellendichtungsrings (55) besitzt, und daß das Traglager (24) und sein Wellendichtungsring (55) aus einem Stück durch Gießen zweier Materialien hergestellt sind.
7. Motorpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (34) sich in einer Zone mit großem Radius des Rings (31) befindet.
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