EP0480261A1

EP0480261A1 - Leiteinrichtung

Info

Publication number: EP0480261A1
Application number: EP91116503A
Authority: EP
Inventors: Jörg Urban
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 1990-10-09
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1992-04-15
Anticipated expiration: 2011-09-27
Also published as: DE59107613D1; DE4031936A1; US5207560A; ATE136098T1; EP0480261B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrteilige und aus unterschiedlichen Materialien bestehende Leiteinrichtung für Kreiselpumpen. Entsprechend der Anwendung findenden Materialien ergeben sich bei Wärmebelastungen unterschiedliche Ausdehnungsverhalten. Von den in radialer Richtung wirksamen Passungsstellen (11,12,13) der Leiteinrichtung trägt in Abhängigkeit von der jeweiligen Temperatur immer nur eine Passungsstelle. Im kalten Betriebszustand ist es die auf kleinerem Durchmesser befindliche Passungsstelle (11), während es im warmen Betriebszustand die auf größerem Durchmesser befindliche Passungsstelle (13) ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitrad für Kreiselpumpen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE-C 689 618 ist eine Vorrichtung zum Ausgleich von Wärmeausdehnungen zwischen gegeneinander unbeweglichen und verschieden stark erwärmten Maschinenteilen bekannt. Insbesondere bei mehrstufigen Kreiselpumpen kann bei der Förderung heißer Medien die axiale Wärmeausdehnung der Leiträder zu einem Problem werden. Bedingt durch die unterschiedliche Temperatur der einzelnen Pumpenteile können durch eine ungleiche Erwärmung in den Bauteilen zusätzliche Spannungen entstehen. Zum Ausgleich der axialen Wärmeausdehnungen werden an den Leiträdern formänderungsfähige Vorsprünge angebracht, mit denen die sich stärker ausdehnenden Pumpenteile in axialer Richtung an ihren Nachbarteilen anliegen. Durch eine Formänderung der Vorsprünge wird die Wärmedehnung kompensiert. Bei zu erwartenden starken Formänderungen sind zusätzliche Bauteile - als Federn ausgebildete Zwischenkörper - vorgesehen. Dadurch soll auch bei starken Temperaturschwankungen die Anlage der Vorsprünge und ein Entstehen von Spaltverlusten vermieden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Kreiselpumpen, die Temperaturwechseln ausgesetzt sind, eine hoch belastbare Leiteinrichtung zu entwickeln, wobei ein Anlaufen der Pumpenwelle und unzulässige Materialspannungen verhindert sowie die Dichtheit gewährleistet wird. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches.
Die Verwendung von zwei verschiedenen Materialien innerhalb der Leiteinrichtung mag auf den ersten Anschein nachteilig erscheinen, zumal der aus austenitischem Material bestehende strömungsführende Einsatz einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der druckbelastete, aus ferritischem Material bestehende Gehäuseteil. Der vermeintliche Nachteil, ein sich schnell erwärmender strömungsführender Einsatz, welcher noch zusätzlich einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, kehrt sich bei erfindungsgemäßer Gestaltung in das Gegenteil um. Infolge der Anordnung der Passungsstellen zwischen innerem Einsatz und äußerem Gehäuseteil auf unterschiedlichen Durchmessern und der Bedingung, daß der innere Einsatz in Abhängigkeit von der Temperatur immer nur an einer Passungsstelle anliegt, ist ein genau definierbares Verhalten der Leiteinrichtung möglich. Dadurch, daß der innere Einsatz in Abhängigkeit von der Temperatur immer nur an einer Passungsstelle anliegt, werden Verspannungen zwischen den Bauteilen und damit Materialüberlastungen wirkungsvoll vermieden. Zudem weist ein austenitischer Werkstoff eine höhere Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit auf, weshalb dessen Verwendung für den strömungsführenden Einsatz eine hohe Lebensdauer sicherstellt.
Die in den Ansprüchen 2 und 3 beschriebenen Ausgestaltungen beschreiben das Verhalten des Einsatzes bei unterschiedlichen Temperaturen. Prinzipiell liegt der strömungsführende Einsatz innerhalb des strömungsführenden Gehäuses bzw. zwischen den strömungsführenden Gehäusen immer nur an einer Passungsstelle an. Im kalten Betriebszustand ist es die auf kleinem Durchmesser angeordnete Passungsstelle, während es im warmen bzw. heißen Betriebszustand die auf größerem Durchmesser befindliche Passungsstelle ist. Diese Maßnahme verhindert während der Anfahrphase, d. h. also beim Übergang vom kalten Betriebszustand in den warmen bzw. heißen Betriebszustand und umgekehrt, ein Anlaufen der Pumpenwelle an den Lagerstellen bzw. den Dichtbuchsen durch Verspannungen des Pumpengehäuses. Des weiteren wird vermieden, daß durch ungünstige Wärmeausdehnungen der strömungsführende Einsatz ohne Führung innerhalb des druckbelasteten Gehäuseteiles ist und somit gewissermaßen durchfällt und damit wieder eine Berührung zwischen stillstehendem und drehendem Teil erfolgt. Dies verhindert gleichzeitig eine Exzentrizität zwischen Laufrad und Leitrad, wodurch das Entstehen von erhöhten hydraulischen Radialkräften auf das Laufrad unterbunden wird.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß im warmen Betriebszustand die Paßflächen der auf größerem Durchmesser befindlichen Passungsstelle den strömungsführenden Einsatz innerhalb des druckbelasteten Teiles zentrieren. Entsprechend der jeweils vorhandenen Betriebstemperatur übernimmt immer nur eine Passungsstelle die Zentrierung des strömungsführenden Einsatzes innerhalb des druckbelasteten Gehäuseteiles. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die auf größerem Durchmesser befindlichen Paßflächen als Kegelmantelflächen ausgebildet. Damit wird bei einer Anlage der Paßflächen erreicht, daß in Abhängigkeit von dem Kegelwinkel Kräfte sowohl in radialer als auch in axialer Richtung weitergeleitet werden. Eine dünne Beschichtung ist auf einer Kegelfläche (möglichst am austenitischen Teil) zur Verhinderung von Haftverschleiß und zur Minimierung der Reibung aufgebracht.
Zur Vermeidung unbeeinflußbarer Spannungen innerhalb der Bauteile sieht eine andere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die auf größerem Durchmesser befindliche Paßfläche des strömungsführenden Einsatzes an einem elastisch nachgiebigen Bestandteil angebracht ist. Damit wird gewährleistet, daß der Paßflächenteil, der Bestandteil des elastisch nachgiebigen, strömungsführenden und austenitischen Einsatzes ist, bei Erwärmung an der damit zusammenwirkenden gegenüberliegenden Paßfläche des ferritischen druckbelasteten Gehäuseteiles elastisch nachgiebig anliegt. In Verbindung mit der als Kegelmantelfläche ausgebildeten Passungsstelle kann die elastisch nachgiebig angeordnete Paßfläche auf der gegenüberliegenden Paßfläche federnd nachgiebig entlanggleiten. Während einer gewissen Übergangsphase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur der Bauteile wird somit eine sichere Führung des strömungsführenden Einsatzes gewährleistet und eine durch Wärmespannung hervorgerufene Überbelastung des Gehäuseteiles vermieden.
Die Wirkungsweise der Erfindung läßt sich wie folgt darstellen. Die Passungsstellen, die gewöhnlich aus zwei übereinander geschobenen Kreisringflächen bestehen, weisen hierbei eine ganz bestimmte Konfiguration auf. Im kalten Betriebszustand, unter dem man gewöhnlich eine Raum- und Aggregattemperatur von ungefähr 20 °C ansieht, ist der strömungsführende Einsatz nur an einer Passungsstelle geführt, und zwar liegt er dann an der auf dem kleineren Durchmesser befindlichen Passungsstelle am druckbelasteten Gehäuseteil an. Die Passung weist hierbei ein Toleranzfeld auf, demzufolge die Abmaße eine Übergangspassung ergeben. Übergangspassungen liegen bekanntlich zwischen den Spielpassungen und Preßpassungen. In praxi bedeutet dies, daß bei der Montage und im kalten Betriebszustand kein Radialspalt zwischen den Paßflächen besteht. Die auf größerem Durchmesser befindliche Passungsstelle weist im kalten Betriebszustand einen Radialspalt auf. Bei zunehmender Erwärmung der Kreiselpumpe, welche durch entsprechend temperiertes sowie durchströmendes Fördermedium bedingt sein kann, dehnen sich die mit dem Fördermedium in Berührung kommenden Teile aus. Durch die Verwendung eines austenitischen Werkstoffes wird sich der dem Fördermedium vollständig ausgesetzte strömungsführende Einsatz schneller und stärker ausdehnen als das aus ferritischem Werkstoff bestehende druckbelastete Gehäuse. Gewissermaßen erfolgt somit ein Wachsen der Radialspalte an den Passungsstellen. Die auf kleinerem Durchmesser befindlichen Paßflächen wachsen auseinander und bilden einen Radialspalt, während die auf größerem Durchmesser befindlichen Paßflächen gewissermaßen zuwachsen und den bestehenden Spalt schließen. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien bekannt sind, kann durch entsprechende Spaltbemessung sowie Spaltkonfiguration genau bestimmt werden, bei welcher Temperatur der auf größerem Durchmesser befindliche Radialspalt der Passungsstelle gegen Null geht bzw. wann in diesem Bereich eine elastische Verformung stattfindet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt die

Fig. 1: einen Ausschnitt aus einer mehrstufigen Kreiselpumpe, die
Fig. 2: einen Verlauf der Radialspaltentwicklung in Bezug auf die jeweilige Temperatur am Beispiel der auf größerem Durchmesser befindlichen Passungsstelle und die
Fig. 3: entsprechend zur Fig. 2 den Verlauf des Radialspaltes der auf kleinerem Durchmesser befindlichen Passungsstelle.

Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch eine mehrstufige Kreiselpumpe. Auf einer Welle (1) sind mit Hilfe einer Nut-Feder-Verbindung (2) Laufräder (3, 4) befestigt. Das aus dem Laufrad (3) austretende Fördermedium strömt in den strömungsführenden Einsatz (5), und zwar zuerst in die Leitkanäle (6), gelangt danach in einen Ringraum (7), der nach außen von dem druckbelasteten Gehäuse (8) begrenzt wird und strömt von dort durch die Rückführpartie (9) einem nachgeschalteten Laufrad (4) zu. Der strömungsführende Einsatz (5) ist hier zweiteilig ausgebildet, wobei die Rückführpartie (9) und die Leitkanäle (6) ein Teil bilden und ein Deckelteil (10) die Leitkanäle (6) in axialer Richtung verschließen. Der Deckelteil (10) und der strömungsführende Einsatz (5) bestehen aus dem gleichen austenitischen Werkstoff, so daß eine evtl. zwischen diesen Teilen befindliche Passungsstelle bei Temperaturschwankungen ohne Einfluß bleibt. Bei Bedarf können der Deckelteil (10) und der strömungsführende Einsatz miteinander verlötet oder verschweißt werden. Der hier zweiteilig ausgebildete strömungsführende Einsatz (5) kann auch als einteiliges Bauteil gestaltet sein. Innerhalb des druckbelasteten Gehäuses (8) ist der strömungsführende Einsatz (5) an der auf kleinerem Durchmesser befindlichen Passungsstelle (11) oder (12) zentriert sowie an einer auf größerem Durchmesser befindlichen Passungsstelle (13). Die Passungsstellen sind hier durch strichpunktierte Linien als Einzelheiten X bis Z markiert. Die Passungsstellen, welche aus zwei zusammenwirkenden Paßflächen bestehen, sind in vergrößerter Darstellung Bestandteil der Fig. 2 und 3. Ein Bolzen (14) dient hier zur Verdrehsicherung des Deckelteiles (10) bzw. des strömungsführenden Einsatzes (5).
Die Fig. 2 zeigt das Verhalten der Passungsstelle (13) unter Temperatureinfluß. Die in Fig. 1 eingekreiste Einzelheit Y ist hier in vergrößerter Darstellung und bei drei verschiedenen Betriebstemperaturen oberhalb eines Koordinatendiagramms eingezeichnet. Bei diesem Beispiel ist auf der Abszisse die Systemtemperatur von 0 bis 200 °C und auf der Ordinate die Spaltgröße in Millimetern angegeben. Die Darstellung der Passungsstelle (13) ziegt einen elastisch nachgiebigen Bestandteil (15) des Deckelteiles (10). Dessen Paßfläche (16) ist ebenso wie die an dem druckbelasteten Gehäuse (8) angebrachte und damit zusammenwirkende Paßfläche (17) als Kegelmantelfläche ausgebildet. Im Montagezustand bzw. im kalten Betriebszustand, welcher im allgemeinen bei ungefähr 20 °C angenommen wird, besteht zwischen den Paßflächen (16,17) ein in radialer Richtung meßbarer Spalt, der im Beispiel 0,1 mm beträgt. Der radiale Abstand zwischen einer zylindrischen Umfangsfläche (20) des strömungsführenden Einsatzes (5) sowie der gegenüberliegenden Wandfläche (21) des druckbelasteten Gehäuses (8) beträgt hier 0,25 mm. Mit steigender Temperatur dehnt sich der aus einem austenitischen Werkstoff bestehende elastisch nachgiebige Bestandteil (15) in radialer Richtung aus, wodurch der Spalt zwischen den Paßflächen (16, 17) kleiner wird. Bei einer Systemtemperatur von ungefähr 100 °C ist der Spalt gegen Null gegangen und die Paßflächen liegen aneinander (vgl. mittlere Darstellung von Fig. 2). Mit steigender Temperatur erfolgt eine weitere Ausdehnung des Einsatzes (5) und des Deckelteiles (10), wodurch - bedingt durch die auf Kegelmantelflächen angeordneten Paßflächen sowie des elastisch nachgiebigen Bestandteiles (15) - die Paßfläche (16) auf der Paßfläche (17) gemäß der zeichnerischen Darstellung schräg nach oben rechts entlang gleiten kann. Die Paßfläche (16) ist zur Verminderung von Reibung und Verhinderung von Haftverschleiß mit einer dünnen Beschichtung versehen. In der rechten Darstellung der Fig. 2 ist dies durch eine strichpunktierte Kontur des elastisch nachgiebigen Bestandteiles (15) dargestellt. Zwischen den Temperaturen von 100 bis 200 °C wird der elastisch nachgiebige Bestandteil (15) auf Biegung belastet. Die hier als Endtemperatur in der Abszisse angegebenen 200 °C stellen keinen Grenzwert für den Erfindungsgegenstand dar. Entsprechend den gewählten Abmesssungen und Spaltgrößen sowie der Verwendung findenden Werkstoffe kann der Erfindungsgegenstand ohne weiteres bei Systemtemperaturen erheblich über 200 °C Anwendung finden. Es stellt dann eine Optimierungsaufgabe dar, bei welchen Temperaturen und welchen Spaltweiten die günstigsten Belastungswerte ermittelt werden. In der Fig. 3, welche einer vergrößerten Darstellung der Passungsstelle (11), Einzelheit X von Fig. 1 entspricht, ist das Wachstum der auf kleinerem Durchmesser befindlichen Passungsstelle (11) gezeigt. Der hier beschriebene Ablauf muß im zeitlichen Zusammenhang mit dem in Fig. 2 gezeigten und beschriebenen Ablauf gesehen werden. Das Vergrößern und Verkleinern der Spalte läuft zeitlich gleichzeitig ab. Wird die Passungsstelle (12), entsprechend Einzelheit Z, anstelle der Passungsstelle (11) gewählt, dann gilt das nachstehend Beschriebene in gleicher Weise. Im kalten Zustand liegt die Paßfläche (18) des Deckelteiles (10) und die Paßfläche (19) des zur vorhergehenden Pumpenstufe gehörenden druckbelasteten Gehäuses (8) ohne Radialspalt aneinander. Dies wird erreicht, indem bei der Bearbeitung der Paßflächen Toleranzfelder gewählt werden, die eine Übergangspassung ergeben, welche bekanntlich zwischen den Spiel- und den Preßpassungen liegen. Mit steigender Systemtemperatur dehnt sich das hier aus austenitischem Material bestehende Deckelteil (10) in radialer Richtung weiter aus als das aus ferritischem Material bestehende druckbelastete Gehäuse (8). Die auf der Abszisse bei 20° beginnende, nach rechts oben ansteigende Gerade zeigt die Spaltgröße in Abhängigkeit von der Temperatur auf. Bei der für dieses Beispiel gewählten Grenztemperatur von 200 °C entsteht dann ein Radialspalt von 0,1728 mm. Die 200 °C stellen keinen absoluten Grenzwert dar, sondern sind nur als Beispiel zu verstehen. Höhere Temperaturen können ohne weiteres bei dem Erfindungsgegenstand Anwendung finden. Dadurch, daß die Leiteinrichtung quasi immer nur von einer Passungsstelle geführt wird, können Verspannungen wirkungsvoll verhindert werden.
Wie bereits vorstehend erwähnt, entspricht die in der Fig. 1 als Einzelheit Z eingekreiste Passungsstelle (12) in ihrem Verhalten weitgehend der Passungsstelle (11). Sie kann alternativ zur Passungsstelle (11) Anwendung finden. Wesentlich für die Erfindung ist die Tatsache, daß innerhalb des Stufengehäuses nur zwei auf unterschiedlichen Durchmessern befindliche Passungsstellen Anwendung finden. Bei dem hier gezeigten Beispiel können dies also die Passungsstellen (12) und (13) oder aber die Passungsstellen (11) und (13) sein.

Claims

Leiteinrichtung für Wärmebelastungen ausgesetzten Kreiselpumpen ein- oder mehrstufiger Bauart, wobei jede Leiteinrichtung aus einem druckbelasteten äußeren Gehäuseteil und einem strömungsführenden inneren Einsatz besteht, dadurch gekennzeichnet, daß
- das äußere Gehäuseteil (8) aus einem ferritischen Werkstoff und der strömungsführende Einsatz (5) aus einem austenitischen Werkstoff besteht;

- der Einsatz (5) an auf unterschiedlichen Durchmessern angeordneten Passungsstellen (12, 13; 11, 13) im und/oder am äußeren Gehäuseteil (8) anlegbar ist;

- der innere Einsatz (5) temperaturabhängig an einer Passungsstelle anliegt.
Leiteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im kalten Betriebszustand die Paßflächen (18, 19) von der auf kleinerem Durchmesser angeordneten Passungsstelle (11 oder 12) aneinanderliegen und zwischen den Paßflächen (16, 17) der auf größerem Durchmesser angeordneten Passungsstelle (13) ein Spalt ausgebildet ist.
Leiteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im warmen Betriebszustand die Paßflächen (18, 19) von der auf kleinerem Durchmesser angeordneten Passungsstelle (11 oder 12) einen mit steigender Temperatur größer werdenden Spalt bilden und die Paßflächen (16, 17) der auf größerem Durchmesser befindlichen Passungsstelle (13) einen mit steigender Temperatur bis zu einer Anlage kleiner werdenden Spalt aufweisen.
Leiteinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im warmen Betriebszustand die Paßflächen (16, 17) der auf größerem Durchmesser befindlichen Passungsstelle (13) den Einsatz (5) innerhalb des druckbelasteten Gehäuses (8) zentrieren.
Leiteinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf größerem Durchmesser befindlichen Paßflächen (16, 17) als Kegelmantelflächen ausgebildet sind.
Leiteinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf größerem Durchmesser befindliche Paßflächen (16) an einem elastisch nachgiebigen Bestandteil (15) des strömungsführenden Einsatzes (5) angebracht ist.
Leiteinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) als ein- oder mehrteiliges austenitisches Bauteil ausgebildet ist.
Leiteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der strömungsführende Einsatz (5) mit einem Leitkanäle in axialer Richtung seitlich begrenzenden Deckelteil (10) und daran angebrachter, auf größtem Durchmesser befindlicher Passungsstelle (16, 17) versehen ist.
Leiteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kegelmantelflächen (16, 17) mit einer dünnen Beschichtung versehen ist.