DE8915546U1 - Kreiselpumpe mit trockenlaufgeeigneten Keramikgleitflächen - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe nach dem Oberbegriff des Anpruchs 1.

Kreiselpumpen dieser Art sind z. B. aus den DE-OS en 36 36 404 und 36 36 405 bekannt. Diese Pumpen haben flüssigkeitsgeschmierte massige Keramikgleitflächen, die aus harten, chemisch hoch beständigen mas-iven Keramiken sind. Die Keramikgleitflächfei; kab*im Betrieb einen niedrigen Beibungskoeffizienten v; ca. 0,05 und haben daher keir.'n oder nur einen geringen Verschleiß. Metallische Gleitflächen köai>sr nicht verwendet werben, da diese die geforderte hohe chemische Beständigkeit nicht erfüllen. Die keramischen Gieitflächen können als Gleitlager oder Gleitringdichtungen ausgelegt sein. Bei Gleitlagern werden meist hydrodynamische Gleitlager verwendet, in denen durch Ausbildung eines Schmierflüssigkeit zwischen der Welle und der Lagerschale nur eine Flüssigkeitsreibung auftritt. Dies gilt auch für Gleitringdichtungen, durch die ständig eine geringfügige Menge an gepumpten Medium j hindurchtritt, oder die von der Motorraumseite her

mit einem Neutralmedium das unter höherem Druck als

das gepumpte Medium steht, geschmiert wird. Bei langsam laufenden Gleitlagern und -ringdichtungen tritt eine Mischreibung auf, bei der keine

[ vollständige Trennung der Gleitflächen vorliegt.

Hierbei tritt ein Verschleiß ein, der jedoch durch

< entsprechende Auslegung der Gleitflächen genügend

&igr; gering gehalten werden kann. Das gepumpte Medium

dient hierbei nicht nur als Schmiermittel, sondern auch zum Abführen der Reibungswärme. Bleibt aus irgend einem Grunde das kühlende gepumpte Medium aus, d.h. die Pumpe und-damit die auf einander lautenden .Glaitf.Lächen laufen

trocken, so können die keramischen Gleitflächen im Gegensatz zu metallischen Gleitflächen die entstehende Reibungswärme nicht genügend abführen, so daß sich die Gleitflächen überhitzen und dadurch zerstört werden. Zerstörte Lager odei Jleitringdichtungen müssen auseinander gebaut wer-;?sn, was nicht nur zeitaufwSsy.lig, sondern auch teuer ist. Durch Restflüssigkeiten in den Zuleitungen und Toträumen der Pumpe können ümweltbelästigungen und Gesundheitsgefährdungen auftreten.

Deshalb wurden bei bekannten Ausführungsformen von Pumpen umfangreiche Trockenlaufsicherungen verbunden mit Anzeigevorrichtungen in den Schmierkreislauf integriert. Zum Beispiel wurden Vorrichtungen zum Flüssigkeitsstand- und/oder

Fließgeschwindigkeitsüberwachung, gekoppelt an akustische (z. B. Hupe) oder optische Signaleinrichtungen (z. b. Warnleuchten) sowie Motorwächter und Drucküberwachungsvorrichtungen (z. B. Druckschalter) zum automatischen Abstellen der Pumpen verwendet. Wegen der sehr kurzen Trockenlaufzeit bis zurr. Defektwerden der Lager bzw. Gleitringdichtungen u. dergl. erforderten diese Schutzvorrichtungen einen hohen Aufwand. Dennoch kam es ^selbst dann häufig zu einer Zerstörung der Keramikgleitflächen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kreiselpumpe mit trockenlaufgeeigneten Keramikgleitflächen zv schaffen, die eine längere Trockenlaufzeit gewährleisten.

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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Nach der Erfindung sind die Keramikgleitflächen, d.h. die Keramikgleitlager bzw.

Keramikgleitringdichtunge.·) zumindest einseitig, vorzugsweise aber auf beiden aufeinander gleitenden Flächen mit einer Beschichtung aus einem diamantähnlichen Kohlenstoff beschichtet. Es hat sich herausgestellt, daß diese Beschichtung gegenüber den üblicherweise verwendeten organischen Lösungsmitteln, Säuren oder Basen inert ist, und daß sie ähnlich wie die überlicherwei.se für die Gleitflächen verwendeten Keramiket.· eine hohe Härte bis über 3500 HV (Vickers-Härte) und ebenfalls einen relativ niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist. Es zeigte sich auch, daß die Beschichtung genügend porenfrei ist, um als Gleitfläche in flüssigkeitsgeschmierten Keramikgleitflächen in Kreiselpumpen verwendet werden zu können. Messungen ergaben, daß mit der diamantähnlichen Beschichtung ein Reibungskoeffizient um 0,02 erzielt werden kann. Es zeigte sich, daß die beschichteten Keramikgleitflächen sich beim Trockenlauf nur langsam erhitzen und. somit auch längere Trockenlaufzeiten, je nach Ausführung von 1 bis 10 Min., möglich sind. Beste Ergebnisse wurden erzielt, wenn beide aufeinander gleitende Keramikgleitflächen beschichtet sind. Die Beschichtung selbst wird im Gegensatz zu Trockenschmierstoffen (wie z.B. MoS-) während des Laufens nicht abgebaut, obwohl auf die Beschichtung eine relativ hohe Belastung wirken kann.

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Die Beschichtung kann in einfacher Weise nach dem |ü

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IC-Verfahren (Ion-assisted carbon coating) über einen PACVD-Prozeß (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) oder PECVD-Prozeß (Plasma Enhanced Chemical Vapour D2position) aufgebracht werden. Mit diesen Verfahren kann eine gleichmäßige Abscheidung der Kohlenstoff teilchen auf der Oberfläche und eine Anordnung des Kohlenstoff atoms in einem Netzwerk erzielt werden, in dem im Mittel auf ein C-Atom eine freie Bindung kommt, die vüLäugsweise von Wasserstoff abgesättigt wird. Die Beschichtung stellt somit eine Keramik dar, die angenährt mit der Formel C H wiede^egeben werden kann. Die neuen Gleitflächen sind somit keramikbeschichtete massive Keramikgleitflächen.

Die Aufbringung der Beschichtung erfolgt ungerichtet (isotrop) und vorzugsweise unter geringer Erwärmung, wobei auch komplizierte Oberflächengestaltungen beschichtet werden können. Rundumbeschichtungen sind möglich, wobei die Fläche, mit der das Werkstück bei der Beschichtung gerade aufliegt, in einem zweiten Arbeitsgang beschichtet v?irä = An äe-&tgr;? Übergangsstellen von erster und zweiter Beschichtung sind Schwierigkeiten wegen der isotropen Aufbringung nicht zu erwarten. Bei der Erfindung genügt in der Reg^el schon eine Schichtdicke von wenigen um, um die tribologische Wirksamkeit voll zu gewährleisten. Für die Erfüllung der erfindungsaemäßen Bedingungen genügt eine Schichtdicke von 3-5 Jim. Dies bietet zusätzlich den Vorteil, daß die Abmessungen der Lagerung unverändert beibehalten werden können.

Derart beschichtete Keramikgleitlager und Keramikgleitringdichtungen machen die oben

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beschriebenen umfangreichen Trockenlaufsicherungen weit-gehend überflüssig. Eine höhere Betriebs- und Umr'eltsicherheit ist damit gewährleistet.

Es zeigte sich, daß die beschichteten Keramikgleitflächen außerordentlich robust sind und auch bei hohen Kraft- bzw. Leistungsübertragungen kein Abblättern oder sonstige Zerstörung der Beschichtung erfolgt. So können mit beschichteten Keiafiiikyleitlagern, die einsn Durchmesser von 20 bis 100 mm, vorzugsweise 30-80 mm aufweisen, Leistungen von 0,5 bis 200 kW, üblicherweise 3 bis 60 kW übertragen werden. Die Lager können Belastungen für Pumpen mit Förderhöhen zwischen 40 und 500 rr. (wässriges Medium) aufnehmen, entsprechend einem Druck von 40 bis 5000 kPa. Der bevorzugte

Förderdruck liegt bei 100 bis 1600 kPa.

Die beschichteten Lager können ein verhältnismäßig großes Spiel und Schmiernuten aufweisen und sind für rauen Chemiebetrieb geeignet. Die übliche Drehzahl 'i der Keramikgleitflächen liegt bei 1500 bis 3600 Upm,

ü wnhei üblicherweise eine Drehzahl von 1500, 1750,

j* 3000 ider 3600 Upm fest eingestellt ist. Trotz

dieser widrigen Bedingungen widerstehen die

% beschichteten Keramikgleitflächen einem

* Trqckenlaufen, d.h. einer fehlenden Schmierung und

^ fehlenden Kühlung, über mehrere Minuten. Die

S Verwendung der diamantähnlichen

Kohlenstoffbeschichtung auf insbesondere hochbelasteten flüssigkeitsgeschmierten

jp Keramikgleitflächen, sozusagen eine spezielle

A Keramikbeschichtung auf einer Keramik, brachte

überraschenderweise eine außerordentlich hohe

if Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der

a Keramikgleitflächen. Insbesondere die Verwendung der

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diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtung auf Keramikgleitlagern bzw. Keramikgleitringdichtungen, insbesondere in chemisch hochbeständigen Kreiselpumpen, erwies sich als besonders vorteilhafter Schutz gegen Zerstörung beim Trockenlaufen, d.h. Ausfall des Schmier- und Kühlmittels. Die erfindungsgemäße keramische Beschichtung einer massiven Keramikgleitfläche, d.h. eines mindestens 3 mm starken, vorzugsweise mindestens 5-10 mm starken Keramikkörpers, bringt einen deutlichen Anstieg der Betriebs- und Umweltsicherheit sowie hohe wirtschaftliche Vorteile, insbesondere da die Kosten der Beschichtung sehr niedrig liegen im Vergleich zu den Kosten der massiven Keramikgleitflächen.

Beschichtet werden können prinzipiell alle massiven Keramikgleitflächen, für chemiefeste Kreiselpumpen werden vorzugsweise Si/SiC- oder SiC-Keramiken verwendet. Auch andere harte Keramiken, wie z. B. ZrO-, Al-O-, BN, WC, BC, usw. können beschichtet werden. Vorzugsweise werden n.3ssive Kerarnikyleitflächen aus harter, chemisch hochbeständigen Keramiken oder Oxidkeramiken beschichtet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen an je einem Ausführungsbeisp⁴°" erläutert. Die Pfeile deuten die Strömungsrichtung des zu pumpenden Mediums an.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine magnetisch angetriebene Kreiselpumpe ohne Dichtung eines sich drehenden Teils nach außen;

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Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine Kreiselpumpe mit einer Keramikgleitringdichtung.

Nach Figur 1 stömt ein Fördermedium im Hauptstrom über einen Saugstutzen 1 durch Führungskanäle 2 und tritt über einen Druckstutzen 3 wieder aus. Über einen Zwangsnebenstrom wird das Fördermedium durch Schmiernuten 4 zu Keramikgleitlagern (7, 8, 10, 11) und wieder zurück geleitet. Der zirkulierende Fördermediumstrom stellt sich automatisch ein, da ein Laufrad 5 an seiner hinteren Seite mit Rückschaufeln 6 versehei. ist, die diesen Kreislauf fördern. Die Keramikgleitlager weisen innere, an einer Welle befestigte Teile 7, 8, die sich mit der Welle drehen und äußere, in feststehende, am Gehäuse befestigte Lagerträger 9 eingelegte Lagerschaler. 10, 11 auf. Zwischen den inneren und äußeren Lagerteilen befinden sich die mit diamantähnlichem Kohlenstoff beschichteten Gleitflächen 12, wobei die beschichteten Flächen der Lagerteile größer als die Gleitflächen 12 sein können.

Durch das Beschichten aller Keramikgleitflächen mit dem diamantähnlichen Kohlenstoff kann die dargestellte Magnetkreiselpumpe mehrere Minuten trockenlaufen, ohne Schaden zu nehmen. Die Lagerteile sind massiv ausgebildet, und können hohe Leistungen für Drücke bis 5000 kPa übertragen.

Die Kreiselpumpe nach Figur 2 weist im Pumpraum 19 einen ähnlichen Aufbau wie die Magnetkreiselpumpe nach Figur 1 auf, mit einem Saugstutzen 1, Führungskanälen 2, Druckstutzen 3, Schmiernuten 4 und einem Laufrad 5. Im Gegensatz zur Magnetkreiselpumpe werden zur Lagerung einer Welle 16 statt Keramikgleitlagern Kugellager 17 verwendet, die

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nicht mit dem Fördermedium in Kontakt kommen dürfen. Die Kugellager 17 befinden sich deshalb in einem Gehäuseteil 18, der mittels einer Keramikgleitringdichtung (13, 14) vom Pumpraum 19 getrennt ist. Die Dichtung weist einen mit der rotierenden Walle 16 fest verbundenen Gleitring 14 auf, der axial gegen einen im Pumpgehäuse 20 elastisch gelagerten; ruhenden Dichtring 13 läuft.

Die Keramikgleitringdichtung (13, 14) weist zwischen beide Teilen Gleitflächen 15 auf, die erfinäungsgensäB mit diamantähnlichem Kohlenstoff beschichtet sind. Die Beschichtung kann über die Gleitfläche 15 auch hinausgehen.

Bei der Keramikgleitringdichtung können die Gleitflächen 15 wesentlich kleiner ausgelegt sein, als die Gleitflächen 12 bei dem Keramikgleitlager, da auf diese Fläche wesentlich geringere Kräfte wirken.

Die Beschichtung der Gleitflächen 15 kann genauso wie bei den Gleitflächen 12 sehr dünn sein, d.h. ca. 3 bis 5 um stark. Im Normalbetrieb unterliegen die Gleitflächen 15 praktisch keinem Verschleiß, da sich zwischen ihnen ein Flüssigkeitsfilm aus Fördermedium ausbaut und somit praktisch nur eine Flüssigkeitsreibung vorliegt. Mit einer (nicht dargestellten) zweiten Gleitringdichtung und einem sich zwischen diesen Dichtungen befindlichen Neutralmedium, das unter höherem Druck steht als das Fördermediu, läßt sich ein Fördermediumdurchtritt zwischen den Gleitflächen 15 völlig verhindern. Zwischen den Gleitflächen 15 gefindet sich dann ein Flüssigkeitsf ilm im wesentlichen aus Neutra!medium.

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Die Keramikgleitlager (7, 8, 10, 11) bzw. die Keramikgleitringdichtung (13, 14) sind aus dem bevorzugten Keramikmaterialien Si/SiC oder SiC gefertigt. Diese Materialien sind besonders hart und chemiefest.

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Claims (4)

** ITIIit a· »· Ansprüche

1. Kreiselpumpe mit aufeinanderlaufenden flüssigkeitsgeschmierten massiven Keramikgleitflächen, dauer-,;, gekennzeichnet, daß die Keramikgleitflächen mit einer Beschichtung aus eiam~ntahnliehen; Kohlenstoff überzogen sind.

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 .dadurch gekennzeichne;;, daß die Keramikgleitflächen Keramikgleitlager sind.

3. Kreiselpumpe nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Magnetkreiselpumpe ist.

4. Kreiselpumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikgleitflächen Keramikgleitringdichtungen sind.

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