EP0060993B1

EP0060993B1 - Magnetischer Antrieb einer Flüssigkeitspumpe

Info

Publication number: EP0060993B1
Application number: EP82101047A
Authority: EP
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Weber
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1981-03-21
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1985-10-09
Also published as: EP0060993A2; EP0060993A3; DE3111212A1; DE3266733D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitspumpe mit vollständig gekapseltem Pumpengehäuse, mit unmagnetischer Außenwand und mit berührungslosem magnetischen Drehfeldantrieb des zumindest teilweise magnetisierbaren Pumpenläufers durch einen fremdgetriebenen magnetisierten Rotor, der das Pumpengehäuse mit einer innenzylindrischen Ausnehmung koaxial umgibt und an seiner Zylinderfläche dauermagnetisch polarisiert ist.
Aus der DE-PS-2 058 062 ist eine Anordnung bekannt, bei der eine berührungsfreie Lagerung des Rotos durch die Wechselwirkung zwischen magnetischen und hydrodynamischen Kräften zustande kommt. Hierdurch ist eine besondere sphärische Gestaltung des Pumpenrades bzw. eine Trennung von Pumpenrad und Antriebsläufer bedingt. Insbesondere zur Erzeugung des hydrodynamischen Lagerfilms sind zudem baulich aufwendige Maßnahmen erforderlich.
Aus der DE-B-1 051 123 ist eine Pumpe der gattungsgemäßen Bauart bekannt, bei der die dem Schaufelrad zugeordneten Magnete in den Förderschaufeln angeordnet sind, wodurch eine Beschränkung auf bestimmte Schaufelformen vorgegeben ist. Die gewählte doppelte Lagerung erzeugt dabei Hindernisse im Strömungsweg der Pumpe, was den Pumpenwirkungsgrad negativ beeinflußt. In der FR-A-1 339 539 ist eine Pumpe mit Magnetfeldantrieb offenbart, bei dem die Magnete in verschiedenen radialen Ebenen angeordnet sind, die sich - axial gesehen - gegenüberliegen. Dies hat eine vergrößerte Baulänge zur Folge. Der Pumpenläufer selbst ist ebenfalls zweiseitig gelagert, was sich konstruktiv und strömungstechnisch in negativer Weise bemerkbar macht. In der DE-A-2 058 062 ist eine Pumpe beschrieben, bei der die Lagerung des Pumpenlä-' ufers ausschließlich über einen hydrodynamischen Fluidfilm erfolgt, der innnerhalb des Luftspaltes eines Magnetfeldantriebes ausgebildet wird. Hieraus ergibt sich der Nachteil, daß zusätzliche Mittel zur Zuführung von unter Druck stehendem Fluid zwingend erforderlich sind. Der Luftspalt hat dabei stets sphärische oder kegelige Gestalt, was sich insbesondere auch auf die Herstellung erschwerend auswirkt. Zudem sind hier die magnetisierbaren Teile des Läufers und die Beschaufelung funktionell getrennt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den an sich bekannten Antrieb durch ein magnetisches Drehfeld in einer Flüssigkeitspumpe auf das äußerste zu vereinfachen. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Pumpenläufer mit seiner Beschaufelung einstückig ist und eine geschlossene zylindrische Außenfläche aufweist und einseitig in einem einzigen Lager axial und radial abgestützt ist. Die einfachen Grundformen des antreibenden Rotors, des Gehäuses und des Pumpenläufers und die einfache, im wesentlichen der axialen Abstützung dienende Lagerung ermöglichen es, eine vollständig gekapselte Flüssigkeitspumpe mit einem äußerst geringen Aufwand herzustellen, die für einen sehr weiten Drehzahlbereich geeignet ist. Ein wesentlicher Vorteil liegt zudem in den äußerst geringen Einbaumaßen, die sie insbesondere auch für die Nutzung in der Nabe eines Gasturbinenrotors geeignet macht. In einfachster Ausführung wird ein aus ferromagnetischem Metall bestehender Pumpenläufer durch einfache, in der Zylinderfläche des Rotors eingelassene Dauermagneten angetrieben. Günstig ist es auch, wenn der Pumpenläufer und/oder der Rotor in sektorieller, insbesondere einander entsprechender Verteilung im Grundmaterial dauermagnetisiert sind. Zwischen den Sektoren unterschiedlicher Polarität können dabei in günstiger Weise radiale Nuten angebracht werden. Ein geeigneter Werkstoff für den Pumpenläufer ist Kobaltsamarium, das als Sintermaterial verarbeitet werden kann.
Die axiale Abstützung und gleichzeitige Zentrierung des Pumpenläufers, der bevorzugt mit radialer Beschaufelung oder einfachen radialen Kanälen ausgebildet ist, kann bevorzugt durch eine zentrisch angeordnete Kugel erfolgen. Zur Erhöhung der Tragfähigkeit des Kugelkalottenlagers kann erforderlichenfalls die Kugeloberfläche mit eingeätzten Spiralrillen versehen sein. Das Pumpengehäuse, das zur Kleinhaltung des Luftspaltes besonders dünnwandig ausgeführt sein sollte, besteht bevorzugt aus Silizium-Nitrit-Keramik.
Die erfindungsgemäße Flüssigkeitspumpe läßt sich besonders vorteilhaft als Gasturbinenhilfsaggregat in Gasturbinentriebwerken nutzen, z. B. als Brennstoffpumpe für leicht und kostengünstig hergestellte Gasturbinentriebwerke kurzer Lebensdauer, wie sie z. B. für Einflugkörper benutzt werden. Bei der Ausgestaltung als Gasturbinenhilfsaggregat, insbesondere als Gasturbinenbrennstoffpumpe, besteht eine bevorzugte Anordnung darin, daß das Pumpengehäuse in der Nase des Lufteintrittsbereiches an mehreren Streben aufgehängt ist, wobei letztere zugleich als Teile eines Vorleitrades dienen können und in inneren Kanälen die Ansaug- und Förderleitung für die Pumpe enthalten.
Die Zeichnung zeigt einen Schnitt durch das vordere Ende eines Gasturbinenrotors mit einer erfindungsgemäßen Pumpenausführung.
Es ist ein gebauter Gasturbinenläufer oder Rotor 1 mit einer ersten Verdichterbeschaufelung 2 gezeigt. Am Gasturbinengehäuse 3 sind Streben 4 und 5 angebracht, die eine strömungsgünstige Nase 6 im Einlauf der Gasturbine tragen, an der über eine Verschraubung 7 das Pumpengehäuse 8 befestigt ist. Eine Abdichtung erfolgt durch einen Dichtring 9. Die unten dargestellte Strebe 5 enthält eine Ansaugleitung 10, die in einen zentralen Kanal 11 in der Nase 6 mündet, der in den axialen Eintritt des Pumpenläufers 13 übergeht. Der Pumpenläufer 13 ist einstückig mit einer im wesentlichen radialen Beschaufelung 14 versehen, die jedoch einen axialen Austritt hat, der mit einem koaxialen Ringraum 15 in der Nase 6 verbunden ist. Dieser Ringraum hängt wiederum zusammen mit einer Förderleitung 16 in der oben dargestellten Strebe 4 und geht in einen Kanal 17 an der Außenseite des Gasturbinengehäuses 3 über. Der Pumpenläufer 13 stützt sich über eine zentrische Kugel 18 an einem Lagerkörper 19 im Pumpengehäuse 8 ab. Auf der Gegenseite zum Lager 18, 19 erfolgt die Abdichtung zwischen Saug- und Druckseite und die axiale Fixierung des Pumpenläufers 13 durch einen Dichtring 20, auf dem sich ein Gleitring 21 federnd abstützt. Das an der Außenseite dünnwandige zylindrische Pumpengehäuse 8 bildet mit einer inneren Zylinderfläche 22 im Gasturbinenläufer 1 einen engen Luftspalt 12, wobei im Überdeckungsbereich Dauermagnete 23 in die Zylinderfläche 22 des Gasturbinenläufers 1 eingelassen sind.

Claims

1. Flüssigkeitspumpe mit vollständig gekapseltem Pumpengehäuse (8), mit unmagnetischer Außenwand und mit berührungslosem magnetischen Drehfeldantrieb des zumindest teilweise magnetisierbaren Pumpenläufers (13) durch einen fremdgetriebenen magnetisierten Rotor (1), der das Pumpengehäuse (8) mit einer innenzylindrischen Ausnehmung koaxial umgibt und an seiner Zylinderfläche (22) dauermagnetisch polarisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenläufer (13) mit seiner Beschaufelung (14) einstückig ist und eine geschlossene zylindrische Außenfläche (24) aufweist und einseitig in einem einzigen Lager (18, 19) axial und radial abgestützt ist.

2. Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) an seiner Zylinderfläche (22) eingelassene Dauermagneten (23) aufweist.

3. Flüssigkeitspumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenläufer (13) und/oder der Rotor (1) in sektorieller Verteilung dauermagnetisiert ist.

4. Flüssigkeitspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenläufer (13) und/oder der Rotor (1) zur Verstärkung der sektoriellen Magnetisierung radiale Nuten zwischen den Sektoren unterschiedlicher Polarität aufweist.

5. Flüssigkeitspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenläufer (13) aus Kobaltsamarium, insbesondere als Sinterwerkstoff, besteht.

6. Flüssigkeitspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit im wesentlichen radial durchströmtem Pumpenläufer (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe senkrecht zur Achse gelegene Dicht- und Gleitflächen (20, 21) zwischen Saugseite und Druckseite und ein zentrierendes Lager (18, 19) zur Abstützung auf der Gegenseite aufweist.

7. Flüssigkeitspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse aus Silizium-Nitrit-Keramik besteht.

8. Verwendung einer Flüssigkeitspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Hilfsaggregat in einer Gasturbine bzw. einem Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse (8) koaxial feststehend im Nabenbereich der Gasturbine angeordnet ist und daß der antreibende Rotor (1) mit einem beschaufelten Gasturbinenläufer verbunden ist.

9. Verwendung einer Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse (8) an mehreren mit strömungsgünstigem Profil versehenen, insbesondere in ihrer Gesamtheit als Vorleitrad ausgebildeten Streben (4, 5) am Gasturbinengehäuse (3) befestigt ist, von denen zumindest einzelne Ansaug-und Förderleitungen (10, 16) enthalten.