EP0209099B1 - Stator for a helical gear pump - Google Patents
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- F04C2/1071—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type
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- F04C2/1075—Construction of the stationary member
Definitions
- the rigid tubular jacket is circular-cylindrical inside and out, and accordingly the outer surface of the lining is circular-cylindrical.
- the inner surface of the lining is double-threaded and has an essentially oval cross-section with two sections close to the axis and two semicircular arches which connect the sections near the axis to one another.
- the two sections close to the axis are slightly convex, that is to say they are curved towards the central longitudinal axis of the stator; this is intended to achieve a better seal between the stator and a rotor, which has a circular cross section and is coiled in a catchy manner.
- the particularly thick zones of the elastic lining which form the sections near the axis, are more deformable at the pressure of a conveying medium occurring during operation and are less able to dissipate heat loss to the tubular jacket than the thin zones of the lining .
- the thickness maxima are therefore no longer in the central region of each of the sections near the axis in which the sliding speed of the rotor has a maximum, but rather the thickness maxima of the lining are laid on the edges of the near-axis sections or even in the initial areas of the adjacent concave arches, with the result that the lining in the middle of each of its near-axis sections has a thickness which is less than the maximum thickness.
- the result of this is that the rotor can roll over the bulge that has built up in front of it more easily at the entry into one of the concave arches of the inner surface than in known stators of the generic type, thereby protecting the lining.
- a single-start rotor 34 of circular cross section with radial preload is inserted into the lining 20.
- the rotor 34 rotates in the direction of the arrow; its greatest sliding speed vg occurs at point VII.
- This sliding speed vg is composed of the translation of the rotor 34 at the speed v t and the rotation of the rotor about its own axis.
- the lining 20 has a double-helical inner surface 22, 28 which as such corresponds to that shown in FIG. 1.
- this inner surface 22, 28 is not twisted with respect to the inner surface of the jacket 10, which is also coiled with two threads, and is not geometrically similar.
- the inner surface of the jacket 10, against which the outer surface of the lining 20 rests without gaps, has two opposing convex regions 12 of approximately sinusoidal shape and two concave arches 18 which are approximately semicircular, but are somewhat flattened in the region of the main axis 14.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Stator für Exzenterschneckenpumpen mit einem starren rohrförmigen Mantel, dessen Innenfläche ein mehrgängiges Gewinde bildet, und einer elastischen Auskleidung, die am Mantel über die ganze axiale Länge anliegt, in bezug auf die Mittellängsachse des Stators symmetrisch ist und eine Innenfläche aufweist, welche ebenfalls ein mehrgängiges Gewinde bildet, im Querschnitt aus einer der Gangzahl des Gewindes gleichen Anzahl achsnaher Abschnitte sowie einer ebenso großen Anzahl konkaver Bogen besteht, die sich mit stetigen Übergängen an die achsnahen Abschnitte anschließen, wobei die Auskleidung an den konkaven Bogen je ein Dickenminimum aufweist.The invention relates to a stator for eccentric screw pumps with a rigid tubular jacket, the inner surface of which forms a multi-start thread, and an elastic lining which bears against the jacket over the entire axial length, is symmetrical with respect to the central longitudinal axis of the stator and has an inner surface which also forms a multi-start thread, in cross-section consists of a number of sections near the axis that is equal to the number of threads of the thread and an equally large number of concave bends that connect to the sections near the axis with continuous transitions, the lining of the concave bends each having a minimum thickness.
Bei einem bekannten Stator (DE-PS 2 017 620), der eine Vorstufe dieser Gattung darstellt, ist der starre rohrförmige Mantel innen wie außen kreiszylindrisch, und dementsprechend ist auch die Außenfläche der Auskleidung kreiszylindrisch. Die Innenfläche der Auskleidung ist zweigängig und hat einen im wesentlichen ovalen Querschnitt mit zwei achsnahen Abschnitten und zwei halbkreisförmigen Bogen, welche die achsnahen Abschnitte miteinander verbinden. Die beiden achsnahen Abschnitte sind leicht konvex, also zur Mittellängsachse des Stators hin gewölbt; dadurch soll eine bessere Abdichtung zwischen dem Stator und einem Rotor erzielt werden, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und eingängig gewendelt ist. Dabei ist es jedoch nachteilig, daß die besonders dicken Zonen der elastischen Auskleidung, die deren achsnahe Abschnitte bilden, bei dem im Betrieb auftretenden Druck eines Fördermediums stärker verformbar sind und weniger gut imstande sind, Verlustwärme an den rohrförmigen Mantel abzuleiten als die dünnen Zonen der Auskleidung.In a known stator (DE-PS 2 017 620), which is a preliminary stage of this type, the rigid tubular jacket is circular-cylindrical inside and out, and accordingly the outer surface of the lining is circular-cylindrical. The inner surface of the lining is double-threaded and has an essentially oval cross-section with two sections close to the axis and two semicircular arches which connect the sections near the axis to one another. The two sections close to the axis are slightly convex, that is to say they are curved towards the central longitudinal axis of the stator; this is intended to achieve a better seal between the stator and a rotor, which has a circular cross section and is coiled in a catchy manner. However, it is disadvantageous that the particularly thick zones of the elastic lining, which form the sections near the axis, are more deformable at the pressure of a conveying medium occurring during operation and are less able to dissipate heat loss to the tubular jacket than the thin zones of the lining .
Deshalb haben bei einem anderen bekannten Stator (DE-PS 2 709 502), der die eingangs beschriebene Gattung bildet, die Innenfläche des starren rohrförmigen Mantels und die Außenfläche der elastischen Auskleidung eine Form, die ungefähr der zweigängig gewendelten Innenfläche der Auskleidung entspricht, wobei aber die achsnahen Abschnitte der Innenfläche der Auskleidung, dort wo die größten Gleitgeschwindigkeiten des zugehörigen Rotors auftreten, wiederum konvex nach innen gewölbte Erhebungen aufweisen und die Auskleidung an diesen achsnahen Abschnitten auch radial nach außen vorspringende Erhebungen aufweist, deren Dicke in der Größenordnung einer Zehnerpotenz größer als die Dicke der inneren Erhebungen ist. Die äußeren Erhebungen der Auskleidung sind in entsprechenden Aushöhlungen an der Innenseite des starren rohrförmigen Mantels aufgenommen. Daraus soll sich eine gleichmäßigere Einspannung des Rotors im Stator ergeben und ein besserer Wirkungsgrad sowie gleichzeitig eine längere Lebensdauer erreicht werden.Therefore, in another known stator (DE-PS 2 709 502), which forms the type described in the introduction, the inner surface of the rigid tubular jacket and the outer surface of the elastic lining have a shape which corresponds approximately to the double-coiled inner surface of the lining, but with the near-axis sections of the inner surface of the lining, where the greatest sliding speeds of the associated rotor occur, in turn have convexly curved elevations and the lining on these near-axis sections also has radially outwardly projecting elevations, the thickness of which is of the order of magnitude greater than that Thickness of the inner elevations is. The outer elevations of the lining are received in corresponding cavities on the inside of the rigid tubular jacket. This should result in a more uniform clamping of the rotor in the stator and a better efficiency and at the same time a longer service life.
Ein weiterer bekannter Stator (DE-OS 2 817 280) hat eine elastische Auskleidung, deren Innenwand ebenfalls zweigängig gewendelt ist und deren Außenwand einer entsprechenden zweigängigen Wendel angenähert, jedoch in mehrere axial nebeneinanderliegende Abschnitte unterteilt ist, die in ihrer axialen Erstreckung je einem Achtel einer vollen Wendel entsprechen und je eine Zylinderfläche mit ovalem Grundriß bilden. Schneidet man einen solchen Statorabschnitt in einer zur Mittellängsachse des Stators normalen Ebene, die in der Mitte des betreffenden Abschnittes liegt, so erstrecken sich die geradlinigen Abschnitte ihrer ovalen Außenfläche parallel zu den geradlinigen Abschnitten der Innenfläche. Schneidet man einen solchen Statorabschnitt dagegen in einer zur Längsmittelachse des Stators normalen Ebene mit Abstand von der genannten Mittelebene, so ist das Oval der Außenkontur eines solchen Schnittes gegen das Oval von dessen Innenkontur um die Mittellängsachse in der einen oder anderen Richtung verdreht, je nachdem auf welcher Seite der achsnormalen Mittelebene des betreffenden Statorabschnittes die Schnittebene liegt. In der Mittelebene sind in jeden der Statorabschnitte von außen her zwei Tangentialnuten einander diametral gegenüberliegend eingearbeitet, die sich parallel zu den geraden, achsnahen Abschnitten der Innenfläche erstrecken. Die Tangentialnuten bilden Freiräume, welche die Anlagekraft zwischen den achsnahmen Bereichen der Innenwand der elastischen Auskleidung und dem zugehörigen Rotor herabsetzen und dadurch die Reibung vermindern.Another known stator (DE-OS 2 817 280) has an elastic lining, the inner wall of which is also double-threaded and the outer wall approximates a corresponding double-helix, but is divided into several axially adjacent sections, the axial extension of which is one eighth one full helix and each form a cylindrical surface with an oval plan. If one cuts such a stator section in a plane normal to the central longitudinal axis of the stator, which lies in the middle of the section in question, the straight-line sections of its oval outer surface extend parallel to the straight-line sections of the inner surface. If, on the other hand, such a stator section is cut in a plane normal to the longitudinal central axis of the stator at a distance from said central plane, the oval of the outer contour of such a cut against the oval of its inner contour is rotated in one direction or the other about the central longitudinal axis, depending on which side of the axis-normal center plane of the stator section in question lies the cutting plane. In the middle plane, two tangential grooves are machined diametrically opposite each other from the outside in each of the stator sections, which extend parallel to the straight, near-axis sections of the inner surface. The tangential grooves form free spaces which reduce the contact force between the axial areas of the inner wall of the elastic lining and the associated rotor and thereby reduce the friction.
Es ist ferner bekannt (Druckschrift «Wirkungsweise von Exzenterschneckenpumpen» der Firma Bornemann Pumpen, D-3063 Obernkirchen), daß wegen der zur Abdichtung zwischen Rotor und Stator erforderlichen elastischen Vorspannung, mit der die Auskleidung den Rotor umschließt, und infolge der Relativbewegung zwischen Rotor und Stator, die Auskleidung im Betrieb in den Zonen größter Gleitgeschwindigkeiten des Rotors Wulste bildet, die dem Rotor voranlaufen. Der Rotor überrollt diese Wulste jeweils in dem Maß, in dem er in einen der konkaven Bogen der Auskleidung eindringt; anschließend bilden sich neue Wulste, die dem Rotor voraneilen in dem Maß, in dem er sich aus dem konkaven Bogen entfernt.It is also known (publication "How eccentric screw pumps work" from Bornemann Pumpen, D-3063 Obernkirchen) that because of the elastic pretension required for sealing between the rotor and stator, with which the lining encloses the rotor, and as a result of the relative movement between the rotor and Stator, the lining forms during operation in the zones of the highest sliding speeds of the rotor beads that lead the rotor. The rotor rolls over these beads to the extent that it penetrates into one of the concave arches of the lining; then new beads are formed which lead the rotor to the extent that it moves away from the concave arc.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein erheblicher Teil des an der Auskleidung auftretenden Verschleißes mit dem ständig wiederkehrenden Entstehen und Überrollen dieser Wulste zusammenhängt.The invention is based on the knowledge that a considerable part of the wear occurring on the lining is related to the constantly recurring formation and rolling over of these beads.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, diese Art des Verschleißes und die dadurch entstehenden Undichtigkeiten zu vermindern.It is therefore an object of the invention to reduce this type of wear and the resulting leaks.
Diese Aufgabe ist bei einem Stator der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dicke der Auskleidung jeweils in der Richtung, in der sich die Rotations- und Translationsbewegung des zugehörigen Rotors addieren, mindestens von der Mitte des achsnahen Abschnitts bis zu einem Dickenmaximum am Übergang in den konkaven Bogen kontinuierlich zunimmt und bis zum Dickenminimum im Bereich des konkaven Bogens kontinuierlich abnimmt.This object is achieved according to the invention in a stator of the type described in the introduction in that the thickness of the lining in each case in the direction in which the rotational and translational movement of the associated rotor add up, at least from the center of the section close to the axis to a maximum thickness at the transition increases continuously in the concave arc and decreases continuously up to the minimum thickness in the area of the concave arc.
Erfindungsgemäß liegen also die Dickenmaxima nicht mehr im mittleren Bereich jedes der achsnahen Abschnitte, in denen die Gleitgeschwindigkeit des Rotors ein Maximum hat, sondern die Dickenmaxima der Auskleidung sind an die Ränder der achsnahen Abschnitte oder sogar in die Anfangsbereiche der angrenzenden konkaven Bogen verlegt mit der Folge, daß die Auskleidung in der Mitte jedes ihrer achsnahen Abschnitte eine Dicke hat, die geringer als die maximale Dicke ist. Damit wird erreicht, daß der Rotor den Wulst, der sich vor ihm aufgebaut hat, jeweils am Eintritt in einen der konkaven Bogen der Innenfläche leichter als bei bekannten gattungsgemäßen Statoren überrollen kann, wodurch die Auskleidung geschont wird.According to the invention, the thickness maxima are therefore no longer in the central region of each of the sections near the axis in which the sliding speed of the rotor has a maximum, but rather the thickness maxima of the lining are laid on the edges of the near-axis sections or even in the initial areas of the adjacent concave arches, with the result that the lining in the middle of each of its near-axis sections has a thickness which is less than the maximum thickness. The result of this is that the rotor can roll over the bulge that has built up in front of it more easily at the entry into one of the concave arches of the inner surface than in known stators of the generic type, thereby protecting the lining.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Innenfläche des Mantels und die Innenfläche der Auskleidung einander geometrisch ähnlich, jedoch um die Mittellängsachse um 5 bis 15° gegeneinander verdreht. In diesem Fall hat die Auskleidung nur an einem Ende jedes achsnahen Abschnittes ein Dickenmaximum; demzufolge darf sich der Rotor nur in einer bestimmten Richtung drehen, damit er den sich vor ihm bildenden Wulst der Auskleidung jeweils an einem Dickenmaximum überrollen kann. Die Festlegung auf eine bestimmte Drehrichtung ist jedoch bei Exzenterschneckenpumpen nicht ungewöhnlich und begrenzt deren Einsatzmöglichkeit nicht.In one embodiment of the invention, the inner surface of the casing and the inner surface of the lining are geometrically similar to one another, but are rotated by 5 to 15 ° relative to one another about the central longitudinal axis. In this case the lining has a maximum thickness only at one end of each section close to the axis; consequently, the rotor may only rotate in a certain direction so that it can roll over the bead of the lining which is forming in front of it at a maximum thickness. However, the definition of a certain direction of rotation is not unusual for eccentric screw pumps and does not limit their possible use.
Für Fälle, in denen eine Festlegung auf eine bestimmte Drehrichtung vermieden werden soll, ist bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Dicke der Auskleidung in der Mitte ihrer konkaven Bogen je ein Minimum und in der Mitte jedes achsnahen Abschnitts ein zusätzliches Minimum hat. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, daß der Wulst der Auskleidung, der sich vor dem Rotor bildet, bei jeder der beiden möglichen Drehrichtungen des Rotors jeweils bei dessen Eintritt in einen konkaven Bogen verdrängt wird, ohne daß unnötige Walkarbeit und Erwärmung entstehen.For cases in which a definition of a certain direction of rotation is to be avoided, it is provided in another embodiment of the invention that the thickness of the lining has a minimum in the middle of its concave arches and an additional minimum in the middle of each section close to the axis. In this way it is ensured that the bulge of the lining that forms in front of the rotor is displaced in each of the two possible directions of rotation of the rotor when it enters a concave arc, without unnecessary flexing work and heating occurring.
Diese Ausführungsform der Erfindung kann dadurch weitergebildet sein, daß die Dicke der Auskleidung an den zusätzlichen Minima nicht größer als an den Minima in der Mitte der konkaven Bogen ist.This embodiment of the invention can be further developed in that the thickness of the lining at the additional minima is not greater than at the minima in the middle of the concave arches.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand je einer schematischen Zeichnung mit weiteren Einzelheiten erläutert. Fig. 1 und 2 zeigen je einen axialen Schnitt einer Exzenterschneckenpumpe.Two exemplary embodiments of the invention are explained below with the aid of a schematic drawing, each with further details. 1 and 2 each show an axial section of an eccentric screw pump.
In Fig. 1 ist ein rohrförmiger Mantel 10 dargestellt, der aus starrem Werkstoff, beispielsweise Stahl- oder Aluminiumguß, besteht. Der Mantel 10 ist insgesamt symmetrisch in bezug auf eine Mittellängsachse A, ist außen zylindrisch und hat eine Innenfläche, die zweigängig gewendelt und somit in jedem beliebigen Querschnitt oval ist. Zur Innenfläche gehören zwei gerade, achsnahe Abschnitte 12, die sich parallel zu einer Hauptachse 14 zwischen zwei Querachsen 16 erstrecken und durch Halbkreisbogen 18 miteinander verbunden sind.In Fig. 1, a
Der Mantel 10 umschließt eine Auskleidung 20 aus einem Elastomer, deren Außenfläche lückenlos an der Innenfläche 12, 18 des Mantels 10 anliegt, also ebenso wie diese Innenfläche zweigängig gewendelt und somit in jedem beliebigen Querschnitt oval ist. Die Auskleidung 20 hat eine Innenfläche, die ebenfalls in jedem beliebigen Querschnitt oval ist und zwei gerade achsnahe Abschnitte 22 aufweist, die sich parallel zu einer Hauptachse 24 erstrecken. Die achsnahen Abschnitte 22 könnten auch leicht konvex sein. Die Hauptachse 24 schneidet ebenso wie die Hauptachse 14 die Mittellängsachse A unter einem rechten Winkel; außerdem schneiden die Hauptachsen 14 und 24 einander unter einem Winkel von im dargestellten Beispiel 10°. Die beiden geraden achsnahen Abschnitte 22 sind durch zwei Querachsen 26 begrenzt und durch zwei Halbkreisbogen 28 miteinander verbunden. Jede der Querachsen 26 schneidet die benachbarte Querachse 16 unter einem Winkel von ebenfalls 10°.The
Die Innenfläche 22, 28 der Auskleidung 20 hat im dargestellten wie in jedem anderen Querschnitt zwei Scheitel und V, in denen sie von der Hauptachse 24 geschnitten wird, sowie vier Übergänge II, IV, VI und VIII, in denen sie von den Querachsen 26 geschnitten wird. Die achsnahen Abschnitte 22 erstrecken sich zwischen den Übergängen II und IV bzw. VI und VIII und haben je einen Mittelpunkt III bzw. VII. Die konkaven Bogen 28 erstrecken sich zwischen den Übergängen VIII und II bzw. IV und VI und haben je einen der Scheitel 1 bzw. V als Mittelpunkt.The
Außen- und Innenfläche der Auskleidung 20 sind einander geometrisch ähnlich, begrenzen aber wegen der Verdrehung der Hauptachsen 14 und 24 Zonen unterschiedlicher Dicke. Die Auskleidung 20 hat zwei Dickenminima 30, die - bei einem Umlauf im Uhrzeigersinn betrachtet - kurz vor den Scheitelpunkten und V liegen, sowie zwei Dickenmaxima 32, die kurz hinter den Übergängen VI bzw. 11 jeweils zwischen den Querachsen 16 und 26 liegen.The outer and inner surfaces of the
In die Auskleidung 20 ist ein eingängiger Rotor 34 von kreisförmigem Querschnitt mit radialer Vorspannung eingesetzt. Der Rotor 34 dreht sich in Richtung des eingezeichneten Pfeils; dabei tritt seine größte Gleitgeschwindigkeit vg am Punkt VII auf. Diese Gleitgeschwindigkeit vg setzt sich zusammen aus der Translation des Rotors 34 mit der Geschwindigkeit vt und der Drehung des Rotors um seine eigene Achse.A single-
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Auskleidung 20 eine zweigängig gewendelte Innenfläche 22, 28, die als solche mit der in Fig. 1 dargestellten übereinstimmt. Diese Innenfläche 22, 28 ist jedoch gegenüber der ebenfalls zweigängig gewendelten Innenfläche des Mantels 10 nicht verdreht und ist dieser geometrisch nicht ähnlich. Die Innenfläche des Mantels 10, an der die Auskleidung 20 mit ihrer Außenfläche lückenlos anliegt, hat zwei einander gegenüberliegende konvexe achsnahe Bereiche 12 von ungefähr sinusförmigem Verlauf und zwei konkave Bogen 18, die annähernd halbkreisförmig sind, im Bereich der Hauptachse 14 jedoch etwas abgeflacht sind. Die elastische Auskleidung 20 hat zwei Dickenminima 30, die auf den zusammenfallenden Hauptachsen 14 und 24 liegen, vier Dickenmaxima 32, die paarweise auf den ebenfalls zusammenfallenden Querachsen 16 und 26 liegen, sowie zwei zusätzliche Dickenminima 36 an den Mittelpunkten 111 und VII der achsnahen Bereiche 22.In the embodiment shown in FIG. 2, the
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Querschnittsprofil der elastischen Auskleidung 20 ist es gleichgültig, ob der Rotor 34 sich in Richtung des eingezeichneten Pfeils oder in entgegengesetzter Richtung dreht.In the cross-sectional profile of the
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