EP1305525A1 - Axial thrust compensation device - Google Patents
Axial thrust compensation deviceInfo
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- EP1305525A1 EP1305525A1 EP01984492A EP01984492A EP1305525A1 EP 1305525 A1 EP1305525 A1 EP 1305525A1 EP 01984492 A EP01984492 A EP 01984492A EP 01984492 A EP01984492 A EP 01984492A EP 1305525 A1 EP1305525 A1 EP 1305525A1
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- EP
- European Patent Office
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- ring element
- gap
- compensation device
- axial thrust
- thrust compensation
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- Granted
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
- F04D29/041—Axial thrust balancing
- F04D29/0416—Axial thrust balancing balancing pistons
Definitions
- a relief device in the form of a double piston shows the solution according to US Pat. No. 2,221,225.
- Its double piston is of multi-part design, an annular element with stepped outer diameters being arranged axially displaceably between two flange-shaped outer parts.
- This ring element called the leakage control ring, is not arranged to rotate during normal operation. The rotation during normal operation prevents a sealant like a piston ring.
- Such narrow piston rings usually consist of spring steel and are compressed against the spring action, in order to then expand under the action of a spring in the installed state and to constantly rest against a cylindrical wall surface under spring force.
- Relief piston rotates.
- the cross section of the remaining gap separating the ring element is many times smaller than the circular gap of a conventional relief piston.
- a gap current now only flows through the gap in the ring element itself and through the ring gaps that exist between the axial end faces of the ring element and the opposite lateral boundary walls of the groove. This is mainly where the gap volume flow is throttled.
- FIG. 1 shows a detail from a turbomachine with an axial thrust compensation device according to the invention
- 6 and 7 a ring element according to the invention with axial bores
- 8 and 9 a further alternative of the ring element according to the invention.
- the gap separating the ring element can also be further improved in terms of reducing the leakage.
- 4 and 5 show examples of this.
- Both the wave-shaped gap 12 in the ring element 13 of FIG. 4 and the meandering gap 14 in the ring element 15 of FIG. 5 increase the gap length available for throttling and thus the throttling effect.
- an additional throttling effect results from the deflection of the leakage current occurring within a gap 12 or 14.
- other designs such as a serrated gap profile or any combination of different lines, are also possible.
- 6 and 7 as an alternative, a ring element 16 is shown, which is provided with axially extending bores 17.
- the bores 17 conduct liquid from the side of higher pressure to the side of lower pressure of the ring element 16.
- the liquid emerging at the end face there acts as a lubricating film between this end face and the adjacent groove wall (not shown here).
Abstract
The invention relates to an axial thrust compensation device consisting of a balance piston rotating by means of a shaft, comprising a groove which is arranged on the outer circumference of the balance piston, and a ring element which is arranged in said groove. The ring element is arranged in a movable manner in the groove, having low end play during the formation of a gap between the axial front sides thereof and the lateral defining walls lying opposite said front sides. The balance piston is guided in an opening pertaining to a housing. The aim of the invention is to improve the efficiency of the axial thrust compensation device and to reduce leakage. In order to achieve this, the ring element (7) is split by a gap (9), and a pressure difference between the axial front sides of the ring element (7) expands the ring element (7) in a flexible manner and positions it in a sealed manner on the inner wall of the opening.
Description
Axialschubausgleichseinrichtung Axial thrust
Die Erfindung betrifft eine Axialschubausgleichseinrichtung, bestehend aus einem mit einer Welle rotierenden Entlastungskolben, mit einer am Außenumfang des Entlastungskoibens angeordneten Nut und einem darin angeordnetenThe invention relates to an axial thrust compensation device, consisting of a relief piston rotating with a shaft, with a groove arranged on the outer circumference of the relief piston and one arranged therein
Ringelement, wobei das Ringelement mit geringem Axialspiel bei Bildung eines Spaltes zwischen seinen axialen Stirnseiten und den diesen gegenüberliegenden seitlichen Begrenzungswänden in der Nut verschieblich angeordnet und der Entlastungskolben in einer Öffnung eines Gehäuses geführt ist.Ring element, wherein the ring element with a small axial play in the formation of a gap between its axial end faces and the lateral boundary walls opposite them is arranged displaceably in the groove and the relief piston is guided in an opening in a housing.
In dem KSB-Kreiselpumpen-Lexikon, aktualisierte 3. Auflage, 1989, wird ab Seite 32 der Ausgleich eines Axialschubes bei Kreiselpumpen behandelt. Neben den verschiedenen Möglichkeiten der Axialschubentlastung werden auf Seite 36 in den Bildern 12 und 13 Entlastungseinrichtungen mit Entlastungskolben gezeigt und im zugehörigen Text beschrieben. Nachteilig bei solchen Entlastungskolben ist der durch die Abführung eines Entlastungsstromes bedingte Wirkungsgradabfall einer solchermaßen ausgestatteten Kreiselpumpe, der durch die relativ großen Spaltweiten der bekannten Entlastungseinrichtungen mit Entlastungskolben verursacht wird.In the KSB centrifugal pump lexicon, updated 3rd edition, 1989, page 32 deals with the compensation of an axial thrust in centrifugal pumps. In addition to the various options for axial thrust relief, figures 12 and 13 show relief devices with relief pistons on page 36 and describe them in the accompanying text. A disadvantage of such relief pistons is the drop in efficiency caused by the discharge of a relief current of a centrifugal pump equipped in this way, which is caused by the relatively large gap widths of the known relief devices with relief pistons.
In dem Prospekt der Firma Ahlstrom Pumps „High Pressure Multistage Pumps Type HPP, Prospekt Nr. P009 e (1) 1500 10.96/TM" ist ein Entlastungskolben gezeigt, der gleichzeitig die Funktion eines radialen Gleitlagers besitzt. Die im Gehäuse angeordnete Lagerbuchse besteht aus Siliziumkarbid. Ebenfalls aus Siliziumkarbid besteht die am Entlastungskolben befestigte Lagerhülse. Solche Lagerpaarungen aus Siliziumcarbid erlauben zwar geringe Spaltweiten, es fließt aber dennoch ein hoher, zur Saugseite der Pumpe zurückgeführter Spaltstrom durch die Entlastungseinrichtung. Zur Kompensation von Wärmedehnungen der
Lagerbuchse und der rotierenden Lagerhülse dienen O-Ringe, mit deren Hilfe die beiden Bauteile elastisch nachgiebig befestigt sind.In the Ahlstrom Pumps brochure "High Pressure Multistage Pumps Type HPP, Brochure No. P009 e (1) 1500 10.96 / TM", a relief piston is shown, which at the same time has the function of a radial plain bearing. The bearing bush arranged in the housing consists of silicon carbide The bearing sleeve attached to the relief piston is also made of silicon carbide. Such bearing pairings made of silicon carbide allow small gap widths, but nevertheless a high gap current which is returned to the suction side of the pump flows through the relief device. To compensate for thermal expansion of the Bearing bush and the rotating bearing sleeve serve O-rings, with the help of which the two components are fastened elastically compliant.
Eine Entlastungseinrichtung in Form eines Doppelkolbens zeigt die Lösung gemäß der US-A 2 221 225. Deren Doppelkolben ist mehrteilig ausgebildet, wobei zwischen zwei flanschartig gestalteten Außenteilen ein Ringelement mit gestuften Außendurchmessern axial verschieblich angeordnet ist. Dieses als Leckage- Kontrollring bezeichnete Ringelement ist während des normalen Betriebes nicht rotierend angeordnet. Die Rotation während des Normalbetriebes verhindert ein Dichtungsmittel nach Art eines Kolbenringes. Solche schmalen Kolbenringe bestehen gewöhnlich aus Federstahl und werden entgegen der Federwirkung zusammengedrückt, um sich dann im Einbauzustand unter Federeinwirkung aufzuweiten und ständig unter Federkraft an einer zylindrischen Wandfläche anzuliegen. Der Kolbenring muß also mit einer sehr engen Passung in der Wandung des den Stufenkolben bildenden Leckage-Kontrollring angeordnet sein, damit er dessen Rotation verhindert. Der Leckage-Kontrollring führt zum Ausgleich des Axialschubes nur leichte Verschiebebewegungen in axialer Richtung aus. Dadurch bedingte Änderungen der Spaltweiten zwischen den Stirnseiten des Leckage-Kontrollringes und der ihn haltenden flanschartigen Außenteile bewirken den Ausgleich des Axialschubes durch Steuerung der Durchflußmenge und des sich im Bereich der stirnseitigen Spalte einstellenden Druckes. Nur in Ausnahmesituationen, bei extremen axialen Belastungen, rotiert der Leckage- Kontrollring mit den anderen Bauteilen dieser Doppelkolben- Entlastungseinrichtung. Der in dieser Schrift genannte Vorteil der Reduzierung der Entlastungswassermenge auf ein 1/3 bis 1/4 ist nicht ausschließlich durch das zusätzliche Dichtungsmittel in Form eines Kolbenringes bedingt. Der zitierte Vergleich ist im übrigen unangemessen, da die Entlastungswassermenge des Doppelkolbens mit der Entlastungsmenge eines Einfachkolbens verglichen wird.A relief device in the form of a double piston shows the solution according to US Pat. No. 2,221,225. Its double piston is of multi-part design, an annular element with stepped outer diameters being arranged axially displaceably between two flange-shaped outer parts. This ring element, called the leakage control ring, is not arranged to rotate during normal operation. The rotation during normal operation prevents a sealant like a piston ring. Such narrow piston rings usually consist of spring steel and are compressed against the spring action, in order to then expand under the action of a spring in the installed state and to constantly rest against a cylindrical wall surface under spring force. The piston ring must therefore be arranged with a very close fit in the wall of the leakage control ring forming the stepped piston so that it prevents its rotation. The leakage control ring only carries out slight sliding movements in the axial direction to compensate for the axial thrust. This causes changes in the gap widths between the end faces of the leakage control ring and the flange-like outer parts holding it to compensate for the axial thrust by controlling the flow rate and the pressure occurring in the area of the end gap. The leakage control ring rotates with the other components of this double piston relief device only in exceptional situations, with extreme axial loads. The advantage mentioned in this document of reducing the amount of relief water to 1/3 to 1/4 is not solely due to the additional sealant in the form of a piston ring. The comparison cited is otherwise inadequate since the amount of relief water from the double piston is compared with the amount of relief from a single piston.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entlastungseinrichtung mit einem Entlastungskolben für eine hydraulische Strömungsmaschine zu schaffen, welche gegenüber den Einrichtungen mit einem üblichen Entlastungskolben eine Verringerung des Entlastungsstromes und somit eine Steigerung des Wirkungsgrades eines damit ausgerüsteten Aggregates erbringt.
Die Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß das Ringelement durch einen Spalt aufgetrennt ist und daß eine zwischen den axialen Stirnseiten des Ringelementes anstehende Druckdifferenz das Ringelement aufweitet und in der Öffnung dichtend festlegt. Begünstigt wird dies, wenn der Spalt zwischen axialen Stirnflächen des Ringelementes eine fluidführende Verbindung minimaler Weite bildet.The invention has for its object to provide a relief device with a relief piston for a hydraulic fluid machine, which brings about a reduction in the relief current and thus an increase in the efficiency of a unit equipped with a conventional relief piston compared to the devices. The solution to this problem provides that the ring element is separated by a gap and that a pressure difference between the axial end faces of the ring element expands the ring element and seals it in the opening. This is favored if the gap between the axial end faces of the ring element forms a fluid-carrying connection of minimal width.
Der Entlastungskolben weist eine umlaufende Nut auf, in die das durch einen Spalt aufgetrennte Ringelement eingesetzt wird. Dies ist durch die elastischen Ringeigenschaften möglich. Der Außendurchmesser des Ringelementes ist geringfügig größer als der Bohrungsdurchmesser der Gehäuseöffnung, in die der Ausgleichskolben eingeführt wird. Bei der Montage des Kolbens wird der Ring leicht zusammengedrückt, so daß die äußere Ringmantelfläche im Einbauzustand unter leichter Vorspannung an der Bohrungswand anliegt.The relief piston has a circumferential groove into which the ring element separated by a gap is inserted. This is possible due to the elastic ring properties. The outer diameter of the ring element is slightly larger than the bore diameter of the housing opening into which the compensating piston is inserted. When assembling the piston, the ring is compressed slightly so that the outer surface of the ring lies against the wall of the bore under slight prestress in the installed state.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung ergibt sich der Vorteil, daß bei einer am Ringelement anstehenden Druckdifferenz ein Teil des höheren Druckes in dem Raum zwischen Ringelement und Entlastungskolben wirkt und das Ringelement gegen die umgebende Öffnung andrückt. Dadurch wird das Ringelement in der Öffnung dichtend festgelegt, so daß während des Betriebes nur derThe design according to the invention has the advantage that when there is a pressure difference at the ring element, part of the higher pressure acts in the space between the ring element and relief piston and presses the ring element against the surrounding opening. As a result, the ring element is sealed in the opening, so that only the
Entlastungskolben rotiert. Der bei den bekannten Ausführungen durchströmte ringförmige Spaltquerschnitt zwischen dem Entlastungskolben und der Öffnung des Gehäuses wird nun durch das in der Öffnung anliegende Ringelement versperrt. Der Querschnitt des verbleibenden, das Ringelement auftrennenden Spalts ist um ein Vielfaches kleiner als der kreisringförmige Spalt eines herkömmlichen Entlastungskolben. Ein Spaltstrom fließt jetzt nur noch durch den Spalt im Ringelement selbst und durch die Ringspalte, die zwischen den axialen Stirnflächen des Ringelementes und den gegenüberliegenden seitlichen Begrenzungswänden der Nut bestehen. Hier findet vornehmlich die Drosselung des Spaltvolumenstromes statt.Relief piston rotates. The annular gap cross section through which the relief piston and the opening of the housing flow, in the known designs, is now blocked by the ring element lying in the opening. The cross section of the remaining gap separating the ring element is many times smaller than the circular gap of a conventional relief piston. A gap current now only flows through the gap in the ring element itself and through the ring gaps that exist between the axial end faces of the ring element and the opposite lateral boundary walls of the groove. This is mainly where the gap volume flow is throttled.
Durch die unterschiedlichen Drücke, die in den Ringspalten zwischen den axialen Stirnflächen des Ringelementes und den gegenüberliegenden seitlichen Begrenzungswänden der Nut zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite bestehen, entsteht eine auf das Ringelement wirkende Axialkraft. Diese Axialkraft
verschiebt das Ringelement in Richtung Saugseite, wodurch die Weite des dortigen Ringspaltes reduziert und dessen Drosselwirkung erhöht wird.The different pressures that exist in the annular gaps between the axial end faces of the ring element and the opposite lateral boundary walls of the groove between the high-pressure and the low-pressure side result in an axial force acting on the ring element. This axial force moves the ring element towards the suction side, reducing the width of the annular gap there and increasing its throttling effect.
Das tribologische Verhalten ist abhängig von der gewählten Werkstoffpaarung zwischen Ringelement und Entlastungskolben sowie von der resultierenden Axialkraft, die die Stirnseite des Ringelementes gegen die Nutflanke des Kolben drückt. Bei geeigneter Wahl der Ringgeometrie (Verhältnis der Ringlänge I zum inneren bzw. äußeren Ringdurchmesser dι bzw. da) ist es möglich, die resultierende Axialkraft Fax so weit zu reduzieren, daß die spaltvermindernde Drosselwirkung erhalten bleibt, ohne daß zwischen Ringstirn- und Nutflankenfläche Abrieb durch Mischreibung entsteht, daß also ein hydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut wird und erhalten bleibt. Aufgrund der wirkenden Kräfteverhältnisse ist das Ringelement selbsteinstellend. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Teil der Axialkraft durch die Haftreibungskraft, die durch das Anpressen der äußeren Ringmantelfläche an die Bohrungsinnenwand entsteht, unter Berücksichtigung des vorhandenen Haftreibungskoeffizienten μ, kompensiert wird.The tribological behavior depends on the material pairing chosen between the ring element and the relief piston and on the resulting axial force that presses the end face of the ring element against the groove flank of the piston. With a suitable choice of the ring geometry (ratio of the ring length I to the inner or outer ring diameter d or d a ), it is possible to reduce the resulting axial force F ax to such an extent that the gap-reducing throttling effect is maintained without the ring end face and groove flank surface Abrasion due to mixed friction results in a hydrodynamic lubricating film being built up and retained. The ring element is self-adjusting due to the force balance. This is achieved in that a part of the axial force is compensated for by the static friction force, which arises from the pressing of the outer annular surface against the bore inner wall, taking into account the existing static friction coefficient μ.
Dies ist gegeben, wenn die Ringelementgeometrie gemäß der FormelThis is the case if the ring element geometry is according to the formula
gewählt wird.is chosen.
Der Aufbau und der Erhalt des hydrodynamischen Schmierfilms wird durch in die Stirnoberfläche eingebrachte regelmäßige oder unregelmäßige Strukturen (Rillen, Nuten, Vertiefungen) begünstigt. Längsbohrungen, die die axialen Stirnflächen verbinden, erhöhen die Schmierfilmbildung und verbessern die selbsteinstellende Wirkung des Ringelementes.The build-up and maintenance of the hydrodynamic lubricating film is favored by regular or irregular structures (grooves, grooves, depressions) introduced into the front surface. Longitudinal bores, which connect the axial end faces, increase the lubrication film formation and improve the self-adjusting effect of the ring element.
Durch das Ringelement, welches die äußere Umfangsfläche des Entlastungskolbens bildet und welches sich unter der Wirkung eines auf die innere Umfangsfläche einwirkenden Druckes radial nach außen aufweitet und dabei gleichzeitig den niederdruckseitg wirkenden radialen Drosselspalt minimiert, ergibt sich
gegenüber den bekannten Ausführungen von Axialschubausgleichseinrichtungen mit massiven Entlastungskolben eine Reduzierung der Entlastungswassermenge auf weniger als 1 % der bisherigen Entlastungswassermenge.The ring element, which forms the outer circumferential surface of the relief piston and which expands radially outwards under the action of a pressure acting on the inner circumferential surface and at the same time minimizes the radial throttle gap acting on the low-pressure side, results compared to the known designs of axial thrust compensation devices with massive relief pistons, a reduction in the amount of relief water to less than 1% of the previous amount of relief water.
Praktische Versuche haben ergeben, daß durch eine solche Ausbildung eines Entlastungskolbens einer Axialschubausgleichseinrichtung eine derart deutliche Reduzierung der Entlastungswassermenge auftritt, daß, je nach Anteil des ursprünglichen Entlastungswasserstromes am Hauptvolumenstrom, Wirkungsgradsteigerungen von mehr als 5% erzielt wurden.Practical tests have shown that such a relief piston design of an axial thrust compensation device results in such a significant reduction in the amount of relief water that, depending on the proportion of the original relief water flow in the main volume flow, efficiency increases of more than 5% were achieved.
Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich durch eine einfachere Fertigung, da gegenüber den bisherigen Bearbeitungstoleranzen von Entlastungskolben und zugehöriger Buchse eine Entfeinerung und somit eine Reduzierung der Fertigungszeit möglich ist.An additional advantage results from a simpler production, since compared to the previous machining tolerances of the relief piston and the associated bushing, a refinement and thus a reduction in the production time is possible.
Der in einem Ringelement angeordnete Spalt weist nach einer Ausgestaltung der Erfindung eine die Spaltlänge vergrößernde Verlaufsform auf. Bei einer Draufsicht auf eine Abwicklung von der Oberfläche eines Ringelementes verläuft der Spalt nicht geradlinig auf kürzestem Wege zwischen den Stirnseiten, sondern er weist einen schrägen, einen wellenförmigen, einen gebogenen einen mäanderförmigen, einen zickzackförmigen oder einen beliebigen anderen, von einer Geraden abweichenden Verlauf auf. Eine solche Form des Spaltes erlaubt eine Beeinflussung der drosselnden Wirkung innerhalb des Spaltes.According to one embodiment of the invention, the gap arranged in a ring element has a shape that increases the gap length. In the case of a plan view of a development from the surface of a ring element, the gap does not run in a straight line along the shortest route between the end faces, but rather has an oblique, a wave-shaped, a curved a meandering, a zigzag-shaped or any other course deviating from a straight line , Such a shape of the gap allows the throttling effect within the gap to be influenced.
Um die drosselnde Wirkung des Spaltes noch zu steigern, kann in den Spalt ein Abstandshalter aus elastischem Material eingefügt werden. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann aber auch der den Ring auftrennende Spalt nach der Montage in die Kolbennut durch Einbringen eines elastisch verformbaren Materials dichtend verschlossen werden. Dabei ist zu beachten, daß die Möglichkeit der Ringaufweitung durch den anstehenden Druck durch eine solche Maßnahme nicht beeinträchtigt werden darf.In order to further increase the throttling effect of the gap, a spacer made of elastic material can be inserted into the gap. According to another embodiment of the invention, the gap separating the ring can also be sealed in a sealed manner after installation in the piston groove by introducing an elastically deformable material. It should be noted that the possibility of ring expansion due to the pressure present must not be impaired by such a measure.
Die Ausführungsformen sind nicht auf rechteckige Ringquerschnitte beschränkt. Vielmehr gilt die Wirkungsweise auch für Winkel- oder Trapezringausführungen.
Die gleiche Wirkung wird durch eine Serienanordnung mehrerer Ringe erreicht. Eine integrierte Serienanordnung ergibt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß der Nutgrund und die Ringinnenkontur durch gerade oder anders geformte Einstiche ausgebildet sind und somit miteinander verbundene Einzelringe darstellen.The embodiments are not limited to rectangular ring cross sections. Rather, the mode of operation also applies to angle or trapezoidal ring designs. The same effect is achieved by arranging several rings in series. An integrated series arrangement results in a further embodiment of the invention in that the groove base and the inner ring contour are formed by straight or differently shaped recesses and thus represent interconnected individual rings.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt dieAn embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below. It shows the
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Strömungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Axialschubausgleichseinrichtung; Fig. 2 bis 5 erfindungsgemäße Ringelemente mit verschiedenen Spaltformen; Fig. 6 und 7 ein erfindungsgemäßes Ringelement mit axialen Bohrungen; Fig. 8 und 9 eine weitere Alternative des erfindungsgemäßen Ringelementes.1 shows a detail from a turbomachine with an axial thrust compensation device according to the invention; 2 to 5 ring elements according to the invention with different gap shapes; 6 and 7 a ring element according to the invention with axial bores; 8 and 9 a further alternative of the ring element according to the invention.
Bei der in der Fig. 1 dargestellten Strömungsmaschine handelt es sich um eine mehrstufige Kreiselpumpe. Erkennbar ist der die Axialschubausgleichseinrichtung umschließende Teil des Pumpengehäuses 1 mit seinem Druckstutzen 2. Zu sehen sind auch die Laufräder 3 der beiden letzten Pumpenstufen. Die Laufräder 3 sind auf einer Welle 4 angeordnet, die neben verschiedenen weiteren Elementen als rotierenden Teil der Axialschubausgleichseinrichtung einen Entlastungskolben 5 trägt. Der feststehende Teil der Axialschubausgleichseinrichtung, eine den Entlastungskolben 5 umschließende Büchse 6, ist im Pumpengehäuse 1 angeordnet.The turbomachine shown in FIG. 1 is a multi-stage centrifugal pump. The part of the pump housing 1 enclosing the axial thrust compensation device with its pressure port 2 can be seen. The impellers 3 of the last two pump stages can also be seen. The impellers 3 are arranged on a shaft 4 which, in addition to various other elements, carries a relief piston 5 as a rotating part of the axial thrust compensation device. The fixed part of the axial thrust compensation device, a bushing 6 enclosing the relief piston 5, is arranged in the pump housing 1.
Ein wesentlicher Teil des Entlastungskolbens 5 wird durch ein Ringelement 7 gebildet, welches am Umfang des Entlastungskolben 5 in einer Nut 8 so angeordnet ist, daß es sich innerhalb der Nut 8 in einem geringen Maße axial verschieben und in radialer Richtung zu dehnen vermag. Eine solche Dehnung wird ermöglicht durch einen das Ringelement 7 auftrennenden Spalt 9. Der axial bewegliche Entlastungskolben 5 trennt einen im Pumpeninneren gelegenen Raum 10, der einen höheren Druck besitzt, von einem äußeren Raum 11 , der einen geringeren Druck besitzt.
In den Fig. 2 und 3 ist ein Ringelement 7 in seiner einfachsten Ausführung in zwei Ansichten dargestellt. Hier besitzt das Ringelement 7 einen gerade verlaufenden Spalt 9. Der Spalt 9 erlaubt es, das Ringelement 7 um ein solches Maß aufzuweiten, daß es über den Rand des Entlastungskolbens 5 geschoben werden kann, bis es schließlich in die Nut 8 einrastet. Der Spalt 9 stellt eine gedrosselte Verbindung zwischen den Räumen 10 und 11 dar. Da das Ringelement 7 durch die zwischen den Räumen 10 und 11 anstehende, über den Spalt zwischen dem Ringelement 7 und der dieses aufnehmenden Nut 8 wirkende Druckdifferenz aufgeweitet wird, legt es sich dichtend an die Innenwand der Büchse 6 an. Somit verbleiben einem zwischen den Räumen 10 und 11 fließenden Leckstrom nur noch zwei Wege mit einer insgesamt geringen Weite. Dies sind der Spalt 9 im Ringelement 7 und der Spalt zwischen dem Ringelement 7 und der Nut 8.A substantial part of the relief piston 5 is formed by a ring element 7, which is arranged on the circumference of the relief piston 5 in a groove 8 so that it can move axially within the groove 8 to a small extent and expand in the radial direction. Such an expansion is made possible by a gap 9 separating the ring element 7. The axially movable relief piston 5 separates a space 10 located inside the pump, which has a higher pressure, from an outer space 11, which has a lower pressure. 2 and 3, a ring element 7 is shown in its simplest embodiment in two views. Here, the ring element 7 has a straight gap 9. The gap 9 allows the ring element 7 to be widened to such an extent that it can be pushed over the edge of the relief piston 5 until it finally engages in the groove 8. The gap 9 represents a throttled connection between the spaces 10 and 11. Since the ring element 7 is widened by the pressure difference between the spaces 10 and 11, which acts across the gap between the ring element 7 and the groove 8 receiving it, it settles sealing against the inner wall of the sleeve 6. This leaves a leakage current flowing between rooms 10 and 11 only two paths with an overall small width. These are the gap 9 in the ring element 7 and the gap between the ring element 7 and the groove 8.
Der zwischen den Stirnflächen des Ringelementes 7 und den seitlichen Begrenzungswänden der Nut 8 gelegene Spalt wird aufgrund des im Raum 10 herrschenden höheren Druckes in Richtung des Raumes 11 verschoben, wodurch sich der auf der Seite geringeren Druckes gelegene Spaltbereich verengt, also den Leckstrom vermindert.The gap located between the end faces of the ring element 7 and the lateral boundary walls of the groove 8 is displaced in the direction of the space 11 due to the higher pressure prevailing in the space 10, as a result of which the gap area located on the lower pressure side is narrowed, that is to say the leakage current is reduced.
Zu einer auf die Optimierung des tribologischen Verhaltens zielenden Bemessung des Ringelementes und der dieses aufnehmenden Nut werden weiter oben genaue Angaben gemacht.Precise information is given above regarding the dimensioning of the ring element and the groove receiving it, which is aimed at optimizing the tribological behavior.
Auch der das Ringelement auftrennende Spalt läßt sich im Sinne einer Verminderung der Leckage weiter verbessern. Die Fig. 4 und 5 zeigen Beispiele hierfür. Sowohl der wellenförmig verlaufende Spalt 12 im Ringelement 13 der Fig. 4 als auch der mäandernde Spalt 14 im Ringelement 15 der Fig. 5 vergrößern die für die Drosselung verfügbare Spaltlänge und damit die Drosselwirkung. Im übrigen ergibt sich eine zusätzliche Drosselwirkung durch die innerhalb eines Spaltes 12 bzw. 14 erfolgende Umlenkung des Leckstroms. Neben den dargestellten Spaltformen sind auch andere Ausführungen, wie ein gezackter Spaltverlauf oder beliebige Kombinationen verschiedener Linienführungen, möglich.
In den Fig. 6 und 7 ist als Alternative ein Ringelement 16 dargestellt, welches mit axial verlaufenden Bohrungen 17 versehen ist. Die Bohrungen 17 leiten Flüssigkeit von der Seite höheren Druckes auf die Seite geringeren Druckes des Ringelementes 16. Die an der dortigen Stirnseite austretende Flüssigkeit wirkt als Schmierfilm zwischen dieser Stirnseite und der benachbarten - hier nicht dargestellten - Nutwand.The gap separating the ring element can also be further improved in terms of reducing the leakage. 4 and 5 show examples of this. Both the wave-shaped gap 12 in the ring element 13 of FIG. 4 and the meandering gap 14 in the ring element 15 of FIG. 5 increase the gap length available for throttling and thus the throttling effect. Moreover, an additional throttling effect results from the deflection of the leakage current occurring within a gap 12 or 14. In addition to the gap shapes shown, other designs, such as a serrated gap profile or any combination of different lines, are also possible. 6 and 7, as an alternative, a ring element 16 is shown, which is provided with axially extending bores 17. The bores 17 conduct liquid from the side of higher pressure to the side of lower pressure of the ring element 16. The liquid emerging at the end face there acts as a lubricating film between this end face and the adjacent groove wall (not shown here).
In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere alternative Gestaltung des Ringelementes dargestellt. Dieses Ringelement 18 ist mit Einstichen 19 versehen, in welche ringförmigen Erhebungen innerhalb der Nut des Ringelementes eingreifen (nicht dargestellt).8 and 9 show a further alternative design of the ring element. This ring element 18 is provided with recesses 19, in which annular elevations engage within the groove of the ring element (not shown).
In der Zeichnung nicht dargestellt sind solche Ausführungen, bei denen der das Ringelement auftrennende Spalt durch ein zusätzlich einzubringendes Dichtmittel verschlossen wird. Ein solches Dichtmittel kann z.B. durch eine flexible Einlage im Spalt gebildet werden, welches bei der Einbringung des Ringelementes in das Gehäuse bzw. die dort angebrachte Büchse kurzzeitig verdichtet wird, um nach der folgenden Aufweitung des Ringelementes den Spalt auszufüllen. Es kann aber auch ein nach der Montage des Ringelementes in den Spalt eingebrachtes, bei der Verarbeitung fließfähiges Dichtmittel sein, welches den Spalt im Betriebszustand ausfüllt.
Such designs are not shown in the drawing, in which the gap separating the ring element is closed by an additional sealant to be introduced. Such a sealant can e.g. are formed by a flexible insert in the gap, which is briefly compressed when the ring element is introduced into the housing or the sleeve attached there, in order to fill the gap after the subsequent expansion of the ring element. However, it can also be a sealant which is introduced into the gap after the ring element has been installed and is flowable during processing and which fills the gap in the operating state.
Claims
Patentansprücheclaims
1. Axialschubausgleichseinrichtung, bestehend aus einem mit einer Welle rotierenden Entlastungskolben, mit einer am Außenumfang des Entlastungs- kolbens angeordneten Nut und einem darin angeordneten Ringelement, wobei das Ringelement mit geringem Axialspiel bei Bildung eines Spaltes zwischen seinen axialen Stirnseiten und den diesen gegenüberliegenden seitlichen Begrenzungswänden in der Nut verschieblich angeordnet und der Entlastungskolben in einer Öffnung eines Gehäuses geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (7; 13; 15; 16; 18) durch einen Spalt1. Axial thrust compensation device, consisting of a relief piston rotating with a shaft, with a groove arranged on the outer circumference of the relief piston and a ring element arranged therein, the ring element having a small axial clearance with formation of a gap between its axial end faces and the lateral boundary walls opposite them the groove is arranged displaceably and the relief piston is guided in an opening of a housing, characterized in that the ring element (7; 13; 15; 16; 18) through a gap
(9; 12; 14) aufgetrennt ist, wobei eine zwischen den axialen Stirnseiten des Ringelementes (7; 13; 15; 16; 18) anstehende Druckdifferenz das Ringelement (7; 13; 15; 16; 18) elastisch nachgiebig aufweitet und dichtend an die Innenwand der Öffnung anlegt.(9; 12; 14) is separated, wherein a pressure difference between the axial end faces of the ring element (7; 13; 15; 16; 18) expands and seals the ring element (7; 13; 15; 16; 18) elastically creates the inner wall of the opening.
Axialschubausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der das Ringelement (7; 13; 15; 16; 18) auftrennende Spalt (9; 12; 14) eine fluidführende, druckübertragende Verbindung zwischen den Stirnseiten des Ringelementes (7; 13; 15; 16; 18) bildet.Axial thrust compensation device according to claim 1, characterized in that the gap (9; 13; 15; 16; 18) separating the ring element (7; 13; 15; 16) provides a fluid-carrying, pressure-transmitting connection between the end faces of the ring element (7; 13; 15; 16 ; 18) forms.
Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Abmessungen des Ringelementes (7; 13; 15; 16; 18) der BedingungAxial thrust compensation device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the geometric dimensions of the ring element (7; 13; 15; 16; 18) of the condition
genügen, wobeisuffice, whereby
da der äußere Durchmesser des Ringelementes, dj der innere Durchmesser des Ringelementes, μ der Haftreibungskoeffizient undd a the outer diameter of the ring element, dj the inner diameter of the ring element, μ the static friction coefficient and
I die Länge des Ringelementes ist.
I is the length of the ring element.
4. Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der niederdruckseitige radial durchflossene Dichtspalt durch die hier wirkende resultierende Axialkraft auf einen Minimalwert eingestellt wird.4. Axial thrust compensation device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sealing gap on the low-pressure side, through which there is a radial flow, is set to a minimum value by the resulting axial force acting here.
5. Axialschubausgleichseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der druckübertragende Spalt (9; 12; 14) eine die Spaltlänge vergrößernde Verlaufsform aufweist.5. axial thrust compensation device according to claim 2, characterized in that the pressure-transmitting gap (9; 12; 14) has a shape increasing the gap length.
6. Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement mit axialen, die Stirnseiten verbindenden Bohrungen (17) versehen ist.6. Axial thrust compensation device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ring element is provided with axial bores (17) connecting the end faces.
7. Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den das Ringelement (7; 13; 15; 16; 18) auftrennenden Spalt (9; 12; 14) ein Dichtmittel eingefügt ist.7. axial thrust compensation device according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the ring element (7; 13; 15; 16; 18) separating gap (9; 12; 14) a sealant is inserted.
8. Axialschubausgleichseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dichtstreifen aus einem elastisch nachgiebigen Material in den Spalt (9; 12; 14) eingefügt ist.8. axial thrust compensation device according to claim 7, characterized in that a sealing strip made of an elastically resilient material is inserted into the gap (9; 12; 14).
9. Axialschubausgleichseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein während seiner Verarbeitung fließfähiges, den Spalt (9; 12; 14) im Betriebszustand verschließendes Dichtmittel eingefügt ist.9. axial thrust compensation device according to claim 7, characterized in that a flowable during its processing, the gap (9; 12; 14) in the operating state sealing sealant is inserted.
10. Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen des Ringelementes (7; 13; 15; 16; 18) mit einer Profilierung oder mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Strukturen, wie Rillen, Nuten oder Vertiefungen, versehen sind.10. axial thrust compensation device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the end faces of the ring element (7; 13; 15; 16; 18) are provided with a profile or with regular or irregular structures such as grooves, grooves or depressions.
11. Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringelement (7; 13; 15; 16; 18) oder Teile hiervon aus einem druckfesten elastischen Material bestehen.
11. Axial thrust compensation device according to one of claims 1 to 10, characterized in that an annular element (7; 13; 15; 16; 18) or parts thereof consist of a pressure-resistant elastic material.
12. Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement einen von der rechteckigen Form abweichenden Querschnitt, wie eine Winkel- oder Trapezform, besitzt.12. Axial thrust compensation device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the ring element has a cross-section deviating from the rectangular shape, such as an angular or trapezoidal shape.
13. Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutgrund und die Innenkontur des Ringelementes (7; 13; 15; 16; 18) durch gerade oder anders geformte Einstiche (19) ausgebildet sind.
13. Axial thrust compensation device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the groove base and the inner contour of the ring element (7; 13; 15; 16; 18) are formed by straight or differently shaped recesses (19).
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