EP0628725A2

EP0628725A2 - Zahnradpumpe

Info

Publication number: EP0628725A2
Application number: EP94113865A
Authority: EP
Inventors: Peter Blume; Roger Stehr
Original assignee: Maag Pump Systems AG
Current assignee: Maag Pump Systems AG
Priority date: 1994-09-05
Filing date: 1994-09-05
Publication date: 1994-12-14
Also published as: EP0628725A3

Abstract

Um bei fördermediumgeschmierten, gleitgelagerten Wellen das Schmiermedium mit geringstmöglichem Strömungswiderstand in den niederdruckseitigen Hauptförderstrom rückzuführen, wird im oder am Lagerkörper (7', 7'') mindestens ein Rückführkanal (71a-71d) eingearbeitet, derart, dass das Schmiermedium, axial vom Förderraum abgewandt aus dem Gleitlager austretend, mit minimalem Strömungsweg rückströmen kann. Dies ermöglicht, den Druck hinter dem Gleitlager minimal zu halten und trotzdem eine Schmiermedium-Rückströmung aufrechtzuerhalten, was wiederum, insbesondere bei nach aussen durchgeführten Wellen, die Anforderungen an deren Dichtungen gegen die Umgebung reduziert. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Es ist bekannt, bei Zahnradpumpen der genannten Art, ein Kanalsystem vorzusehen, welches den Lagerleckstrom axial hinter dem Gleitlager, also auf der dem Förderraum mit den kämmenden Zahnrädern abgekehrten Seite, zur Saugseite bzw. Niederdruckseite der Pumpe rückführt. Aufgrund des hohen Druckes im druckseitigen Förderraum wird vom Hauptstrom des geförderten Mediums ein Schmierstrom entlang dem Gleitlager der Rotorwelle abgezweigt, fliesst im wesentlichen druckgetrieben axial nach aussen, um nach Durchströmen des Gleitlagers, weiterhin druckgetrieben, auf die Niederdruckseite der Pumpe zurückzufliessen. Dabei ist der Schmiermediumsdruck axial hinter dem Gleitlager immer noch hoher als der saugseitige Druck im Fördermedium-Hauptstrom.
Hierzu ist es bekannt, bei Vorsehen der genannten Gleitlagerungen an gleichseitig zwei Rotorwellen, zwei V-förmig zusammenlaufende Nuten im betrachteten Pumpendeckel vorzusehen, welche die axial aus den beiden Gleitlagern austretende Leckagestromvolumina sammeln, die, über eine axiale Rückführbohrung im Pumpengehäuse, auf die Saugseite der Pumpe rückströmen. Dadurch wird durch den Lagerspalt, den Raum hinter den Gleitlagern und die erwähnte Rückführbohrung ein Verbindungssystem geschaffen, über dem der Differenzdruck zwischen Druck- und Saugseite der Pumpe anliegt.
Insbesondere bei aus dem Gehäuse herausgeführter Rotorwelle, beispielsweise zur Kopplung an ein Antriebsaggregat, ist es ein Bestreben, axial hinter dem Gleitlager den Absolutdruck im Schmiermedium auf möglichst niedrigem Niveau zu halten, um den Dichtungsaufwand für die herausgeführte Welle möglichst gering halten zu können. Anderseits ist aber der Strömungswiderstand für das Schmiermedium, vom Bereich hinter dem Gleitlager zurück in den Saugbereich der Pumpe, mindestens wesentlich dafür massgebend, welcher Absolutdruck sich hinter dem Gleitlager einstellen muss, um die Rückströmung zu gewährleisten.
Unter diesem Aspekt ist das bekannte Vorsehen von Rückführbohrungen im Pumpengehäuse insofern nachteilig, als sich damit - auf Grund der langen Fliesswege - relativ hohe Strömungswiderstände ergeben, betrachtet zwischen Austritt des Schmiermediums aus dem Gleitlager und Eintritt des rückgeführten Schmiermediums in den Fördermedium-Hauptstrom. Zudem bedingt das Vorsehen der bekannten Rückführbohrungen im Gehäuse an letzterem, d.h. einem oft voluminösen, schwer zu handhabenden Teil, das Einbringen von eigens vorzusehenden Axialbohrungen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, primär den erwähnten Nachteil relativ hohen Strömungswiderstandes zu beheben und sekundär die Notwendigkeit von Rückführkanal-bedingten, zusätzlichen Bearbeitungsschritten am Pumpengehäuse und gegebenenfalls an den Pumpendeckeln zu umgehen.
Dies wird bei einer Zahnradpumpe eingangs genannter Art erreicht, welche sich durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 auszeichnet.
Dadurch, dass im oder am Lagerkörper des Gleitlagers mindestens ein Kanal, in Axialrichtung durchgehend, den Gleitlagerabschluss mit der Saugseite der Pumpe verbindet, wird der hinter dem Gleitlager vom Schmiermedium bis zum Erreichen der dortigen Kanaleinmündung sich ergebende Strömungsweg, und damit der Strömungswiderstand für das Schmiermedium, wesentlich verringert, weil der Kanal unmittelbar am Lagerkörper angeordnet ist oder gar im Lagerkörper selbst.
Um die im wesentlichen ringförmig den Lagerspalt verlassende Leckage an den Rückführbohrungen zu leiten, werden vom Lagerspalt zu den Rückführbohrungen radiale Verbindungen vorgesehen vorzugsweise in Form von Einfräsungen in die Förderraum-abgewandten Stirnflächen des Lagerkörpers.
in Form von Einfräsungen in die Förderraum-abgewandten Stirnflächen des Lagerkörpers.
Obwohl die obgenannte Aufgabe der Strömungswiderstandverringerung auch dann gelöst wird, wenn zwischen Förderraum und Lagerkörper-Stirnseite ein Gehäuseabschnitt vorhanden ist mit einem auf den Kanal im oder am Lagerkörper ausgerichteten Kanalabschnitt, wird die Fertigung des erwähnten Kanals dann wesentlich vereinfacht, wenn, dem Wortlaut von Anspruch 2 folgend, die eine Lagerkörper-Stirnfläche den Förderraum der Pumpe mitbegrenzt, d.h. der erwähnte Kanal ausschliesslich entlang oder im Lagerkörper geführt wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist, dem Wortlaut von Anspruch 3 folgend, der Lagerkörper saugseitig der Pumpe an seiner Stirnfläche eine Quetschnut auf, und der Kanal mündet darin aus. Dadurch wird erzielt, dass der im Bereich der niederdruck- oder saugseitigen Quetschnut vorliegende lokale Unterdruck zur weiteren Herabsetzbarkeit des Druckes axial hinter dem Gleitlager beiträgt, zusätzlich zur Herabsetzbarkeit durch verringerten Strömungswiderstand.
Dem Wortlaut von Anspruch 4 folgend, kann dabei der Kanal durch eine axiale Bohrung ganzheitlich im Lagerkörper realisiert werden oder durch eine axial verlaufende Nut an der Aussenfläche des Lagerkörpers, welche dann mit der Innenfläche der gehäuseseitigen Aufnahmebohrung für den Lagerkörper den Kanal bildet, oder kann durch eine axiale Nut an der Innenfläche der den Lagerkörper aufnehmenden Aufnahmebohrung und die Aussenfläche des Lagerkörpers gebildet sein, oder durch azimutal aufeinander ausgerichtete Nuten je an der Oberfläche des Lagerkörpers und der Oberfläche der Aufnahmebohrung für den Lagerkörper am Gehäuse.
Selbstverständlich können je nach Erfordernissen an ein und demselben Gleitlager nicht nur ein Kanal, sondern mehrere Kanäle vorgesehen sein, kombiniert in den angegebenen Ausführungsformen oder gleich realisiert.
Obwohl an einer erfindungsgemässen Zahnradpumpe durchaus nur ein Gleitlager erfindungsgemäss ausgebildet sein kann, beispielsweise das Lager einer aus dem Gehäuse herausgeführten Welle, werden vorteilhafterweise mindestens einseitig beide Rotorwellen erfindungsgemäss gelagert.
Werden, dem Wortlaut von Anspruch 5 folgend, gleichseitig zwei der gleitgelagerten Rotorwellen, bei der die Lagerkörper der beiden Wellen an je einer Fläche aneinanderliegen, vorgesehen, so kann der Kanal selbstverständlich in jedem Lagerkörper, wie vorbeschrieben, vorgesehen werden oder aber durch eine Nut in der einen und/oder anderen der genannten Lagerkörperflächen.
Dem Wortlaut von Anspruch 6 folgend, wird die Anzahl vorzusehender Rückführkanäle bei einer Zahnradpumpe mit gleichseitig zwei der gleitgelagerten Rotorwellen dadurch reduziert, dass der mindestens eine Kanal die Gleitlagerabschlüsse beider Gleitlager mit der Saugseite der Pumpe verbindet.
Wie bereits angetönt, ist das Gleitlager an der Zahnradpumpe nach Anspruch 1 vorzugsweise das Gleitlager einer aus dem Gehäuse herausgeführten Welle.
Dem Wortlaut von Anspruch 8 folgend, ist es im weiteren einfach möglich, ein Verstellorgan für den Rückströmungswiderstand im Kanal vorzusehen, beispielsweise eine gehäuseseitige, axial gerichtete Stellschraube, mittels welcher der Ausmündungsquerschnitt des Kanals hinter das Gleitlager verstellt wird.
In Anspruch 9 ist ein Lagerkörper für eine erfindungsgemässe Zahnradpumpe spezifiziert, mit bevorzugter Ausführungsvariante in Anspruch 10.
Durch die Verlegung des mindestens einen Rückführkanals in den Lagerkörper oder an den Lagerkörper ergeben sich folgende Vorteile:

Verkürzung des Rückströmungsweges des Schmiermediums nach Durchströmen des Gleitlagers, damit Verringerung des Strömungswiderstandes und Verringerung des für die Rückströmung notwendigen Absolutdruckes hinter dem Gleitlager, damit Verringerung des Dichtungsaufwandes bei nach aussen geführter Rotorwelle,
Vergrösserungsmöglichkeit des Rückströmungs-Querschnittes durch einfaches Vorsehen mehrerer Einzelkanäle oder von Kanälen mit relativ grossem Querschnitt,
Ausnutzung des relativ zum saugseitigen Druck der Pumpe niedrigen Druckes in Zahnnähe beim Oeffnen der Zahnlückenvolumina, insbesondere bei Ausnützung von Quetschnuten für die Einmündung des Kanals in den saugseitigen Förderraum,
Ausnutzung der in der Regel gegenüber Gehäusetemperatur höheren Temperatur des Lagerkörpers, womit die Viskosität des als Schmiermedium eingesetzten Fördermediums dort verringert wird, was wiederum ermöglicht, den notwendigen Druck hinter dem Gleitlager möglichst gering zu halten.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1a und 1b: schematisch im Längsschnitt (Fig. 1a) und in Aufsicht gemäss Linie I-I, gemäss Fig. 1a, eine erste Ausbildungsvariante der erfindungsgemässen Pumpe;
Fig. 2: an einer Zahnradpumpe gemäss den Fig. 1, zwei weitere Ausbildungsvarianten des Rückführungskanals;
Fig. 3: in Darstellung analog zu Fig. 2, eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäss vorgesehenen Rückströmungskanals;
Fig. 4: einen Teil einer bevorzugten Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Zahnradpumpe mit nicht nach aussen geführter Rotorwelle im Längsschnitt;
Fig. 5: in Darstellung analog zu Fig. 4, die bevorzugte Ausführung der Lagerung einer aus dem Gehäuse herausgeführten Rotorwelle an einer erfindungsgemässen Zahnradpumpe;
Fig. 6: ausgehend von einer Zahnradpumpe nach einer der Fig. 1 bis 5, schematisch das Vorsehen einer Einstellmöglichkeit für den Rückströmungs-Querschnitt am erfindungsgemäss vorgesehenen Kanal;
Fig. 7: in Querschnittdarstellung, die bevorzugte Anordnung der erfindungsgemässen Rückströmkanäle, an einer saugseitigen Quetschnut.

Fig. 1a und 1b zeigen schematisch eine erste Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Zahnradpumpe.
Vor der betrachteten Bildebene von Fig. 1b liegt der gestrichelt dargestellte Förderraum 3 der Zahnradpumpe mit saugseitigem Einlass 5_n und druckseitigem Auslass 5_h bei der eingetragenen Drehrichtung der Rotorzahnräder. Die Welle 1 eines der Rotoren ist mindestens einseitig in einem Lagerkörper 7 gleitgelagert, welch letzterer in bekannter Art und Weise drehfest im Gehäuse 9 der Zahnradpumpe sitzt. In der in den Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die betrachtete Welle nicht aus dem Gehäuse herausgeführt, und zudem ist der Lagerkörper 7 vom Förderraum 3 durch einen Gehäuseabschnitt 9_a getrennt. Im oder am Lagerkörper 7 ist ein axial verlaufender Kanal vorgesehen, bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 1, indem in die Aussenfläche 7_a des Lagerkörpers 7 eine Nut 11 eingelassen ist, welche, gemeinsam mit der Innenfläche 9_i der Aufnahmebohrung im Gehäuse 9 für den Lagerkörper 7, den erwähnten axialen Kanal bildet. Eine Einfräsung 12 ermöglicht die Radialströmung vom Lagerspalt 14 zum axialen Kanal.
Der Kanal ist, wie in Fig. 1a dargestellt, im Gehäuseabschnitt 9_a in den Förderraum 3 weitergeführt, derart, dass er den Bereich 13 hinter dem Lagerkörper 7 mit dem Förderraum saugseitig verbindet. Die Strömung des als Schmiermedium wirkenden Fördermediums ist mit S in Fig. 1a angedeutet. Das Schmiermedium fliesst axial im Lagerspalt 14 nach aussen zum Abschnitt 13, darin zum Einlass des Kanals 11 und von letzterem axial durch den Kanal 11 auf die Saugseite im Förderraum, vorzugsweise in den Bereich der sich trennenden Zahnradzähne. Dort ist aufgrund des Saugdruckes die Druckdifferenz zwischen Ausmündung des Kanals 11 und Abschnitt 13 besonders hoch.
Weil der Kanal 11 sich in unmittelbarer Nähe des Lagerspaltes 14 befindet, sind die Fliesswege im Abschnitt 13 hin zur Einmündung des Kanals 11 in diesen Abschnitt minimal. Wie gestrichelt bei 11a dargestellt, ist es ohne weiteres möglich, mehr als einen Kanal in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform vorzusehen.
In Fig. 2, welche nur einen Ausschnitt gemäss Fig. 1b zeigt und worin dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet sind, ist der axial vorgesehene Rückführkanal entweder, wie bei 21 dargestellt, durch eine Axialnut an der Innenfläche 9_i der den Lagerkörper 7 aufnehmenden Bohrung im Gehäuse 9 ausgebildet, zusammenwirkend mit der Aussenfläche 7_a des Lagerkörpers, oder es sind sowohl in der Aussenfläche 7_a des Lagerkörpers 7 wie auch, und darauf ausgerichtet, an der Innenfläche 9_i der Lagerkörper-Aufnahmebohrung im Gehäuse 9 je eine Nut eingearbeitet, wie gestrichelt dargestellt.
Auch hier können mehrere Rückführkanäle vorgesehen werden, gegebenenfalls kombiniert mit solchen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.
In Fig. 3, eine analoge Darstellung zu Fig. 2, ist der Rückführkanal 31 vollständig als Axialbohrung im Lagerkörper 7 eingearbeitet. Auch hier können mehrere solche Kanäle vorgesehen sein und/oder kombiniert mit Kanälen der in den Fig. 2 und 1 dargestellten Ausführungsform.
In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Zahnradpumpe dargestellt, wobei der oder die Rückführkanäle ausgebildet sind in einer oder, kombiniert, in mehreren Ausführungsformen gemäss den Fig. 1 bis 3. Bei dieser Ausführungsform bildet die Stirnfläche 7_s des Lagerkörpers 7 Begrenzungsfläche des Förderraumes 3 mit den kämmenden Zahnrädern, wovon eines bei 17 angedeutet ist. Damit ergibt sich die Möglichkeit, den Rückführkanal, insbesondere in der Ausführungsform gemäss Fig. 1 oder 3, vollständig in den relativ kleinen Lagerkörper 7 einzuarbeiten.
Wie erwähnt wurde, ergibt sich durch die erfindungsgemäss verkürzten Fliesswege für das niederdruckseitig in den Hauptförderstrom rückgeführte, als Schmiermedium abgezweigte Fördermedium die Möglichkeit, das Lager so auszulegen, dass im Bereich 13, hinter dem Gleitlager, ein relativ tiefer Absolutdruck ausreicht, um die Rückströmung zu gewährleisten.
Dies ist insbesondere vorteilhaft beim Einsatz gemäss Fig. 5, wo die bevorzugte Ausführungsform gemäss Fig. 4 an einer durch das Gehäuse 9 nach aussen geführten Welle 1_a dargestellt ist. Aufgrund des reduzierten Druckes im Abschnitt 13 werden die Anforderungen an die Dichtung in einem Dichtungsabschnitt 19 zwischen dem Abschnitt 13 und der Umgebung wesentlich reduziert. Selbstverständlich ist auch eine Ausführungsform gemäss den Fig. 1 bis 3 insbesondere an einer nach aussen durchgeführten Welle geeignet.
In Fig. 6, die wiederum von einer Ausführungsform gemäss den Fig. 4 für nichtdurchgeführte oder Fig. 5 für durchgeführte Welle ausgeht, ist der wie auch immer gemäss den Fig. 1 bis 3 ausgebildete Kanal 61, hier dargestellt in der in Fig. 3 dargestellten Bauweise, bezüglich seines Strömungsquerschnittes verstellbar, indem, wie schematisch dargestellt ist, mittels einer Stellschraube 21 im Gehäuse 9 die dem Abschnitt 13 zugewandte Einlassöffnung in den Kanal 61 verstellt wird. Dadurch wird es möglich, beispielsweise beim Hochfahren einer Pumpe, die sich ändernden rheologischen Eigenschaften des Fördermediums zu berücksichtigen, insbesondere dessen abnehmende Viskosität, oder, generell, unterschiedliche rheologische Eigenschaften geförderter Medien zu berücksichtigen.
In Fig. 7 ist schematisch eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Zahnradpumpe dargestellt. Wiederum sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
Der Lagerkörper 7' einer oberen Welle 1' und der Lagerkörper 7'' einer unteren Welle 1'' liegen entlang zugeordneter Flächen 10' bzw. 10'' bündig aufeinander. Niederdruckseitig, d.h. dem Einlasskanal 5_n zugewandt, sind in beiden Lagerkörpern 7, wie bekannt, Nuten eingearbeitet, welche gemeinsam die niederdruckseitige Quetschnut 23 bilden. Bekanntlich herrscht im Pumpenbetrieb dort Unterdruck gegenüber dem Saugdruck im Kanal 5_n, welcher die Rückströmung des als Schmiermedium verwendeten Fördermediums durch den in die Nut 23 einmündenden Kanal 71_a bzw. 71_b fördert. Anstelle für jedes der Gleitlager mit den Körpern 7' und 7'' je einen Kanal 71_a bzw. 71_b vorzusehen, wird in bevorzugter Ausführungsform entweder durch Nuteinarbeitung in die Flächen 10' bzw. 10'' ein für beide Lager gemeinsamer Kanal 71_c vorgesehen oder, wie bei 71_d gestrichelt eingetragen, es wird im Gehäuse 9 die V-Ausformung für die Aufnahme der Lagerkörper im Bereich ihrer gemeinsamen Flächen 10', 10'' ausgenommen, so dass der dargestellte Rückführkanal 71_d mit im wesentlichen Dreieck-Querschnitt für beide Lager gebildet wird.
Auch hier ist es ohne weiteres möglich, mehr als einen Rückführkanal vorzusehen. Bevorzugterweise wird mindestens die durchgeführte Welle erfindungsgemäss gelagert, zur Entlastung der Durchführdichtung 19 gemäss Fig. 5, oder es werden alle vier Wellen wie beschrieben gelagert.

Claims

Zahnradpumpe mit einer mindestens einseitig in einem gehäuseseitigen drehfesten Lagerkörper fördermediumgeschmierten, gleitgelagerten Rotorwelle (1), wobei der axial aussenliegende Gleitlagerabschluss (13) mit der Niederdruckseite (5_n) der Pumpe kommuniziert, um eine Rückströmung des Schmiermediums in den Fördermedium-Hauptstrom zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Lagerkörper (7) mindestens ein Kanal (11, 11_a, 21, 31, 61) in Axialrichtung durchgehend den Gleitlagerabschluss (13) mit der Niederdruckseite (5_n) der Pumpe verbindet.
Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerkörper-Stirnfläche (7_s) den Förderraum (3) der Pumpe mitbegrenzt.
Zahnradpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkörper (7) niederdruckseitig an der Stirnfläche (7_s) eine Quetschnut (23) aufweist und der Kanal (71_a, 71_c, 71_d) daran oder darin ausmündet.
Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal gebildet ist durch
- eine Axialbohrung (31) im Lagerkörper (7) oder

- eine axiale Nut (11) an der Aussenfläche (7_a) des Lagerkörpers sowie die Innenfläche (9_i) der Aufnahmebohrung für den Lagerkörper (7) im Gehäuse (9) oder

- eine Axialnut (21) an der Innenfläche (9_i) der Aufnahmebohrung für den Lagerkörper (7) im Gehäuse (9) und die Aussenfläche (7_a) des Lagerkörpers (7) oder

- aufeinander azimutal ausgerichtete Nuten sowohl an der Aussenfläche (7_a) des Lagerkörpers (7) wie auch an der Innenfläche (9_i) der den Lagerkörper (7) aufnehmenden Gehäusebohrung.
Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit gleichseitig zwei der gleitgelagerten Rotorwellen, bei der die Lagerkörper (7', 7'') der beiden Wellen (1', 1'') an je einer Fläche (10', 10'') aneinanderliegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal durch eine Nut mindestens in der einen der beiden Flächen (10', 10'') gebildet ist.
Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit gleichseitig zwei der gleitgelagerten Rotorwellen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal die Gleitlagerabschlüsse (13) beider Gleitlager mit der Niederdruckseite (5_n) der Pumpe verbindet.
Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle eine nach aussen durch das Gehäuse der Pumpe herausgeführte Welle (1_a) ist.
Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstellorgan (21) für den Strömungsquerschnitt des Kanals (61) vorgesehen ist.
Lagerkörper für eine Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine durchgehende, exzentrisch achsparallele Bohrung und/oder mindestens eine durchgehende Nut in seiner Aussenfläche aufweist.
Lagerkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal an einer in die Stirnfläche (7_s) des Körpers eingearbeitete Quetschnut (23) einmündet.