EP1518055B1

EP1518055B1 - Flüssigkeitsringpumpe

Info

Publication number: EP1518055B1
Application number: EP03740369A
Authority: EP
Inventors: Pierre Hähre
Original assignee: Speck Pumpen Walter Speck & Co KG GmbH
Current assignee: Speck Pumpen Walter Speck & Co KG GmbH
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: DE20210003U1; CN100398830C; CN1671965A; ATE315725T1; DE50302194D1; EP1518055A1; AU2003279806A1; WO2004003388A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsringpumpe. Derartige Flüssigkeitsringpumpen oder -kompressoren sind seit langem bekannt und werden in den verschiedensten verfahrenstechnischen Prozessen eingesetzt. Beispielhaft seien hier der Einsatz in Anlagen zur Kunststoff- oder Arzneimittelherstellung, zur Getränkeabfüllung und zur Papierherstellung genannt.
Flüssigkeitsringpumpen oder -kompressoren arbeiten nach dem Verdrängerprinzip, wobei - in der am weitesten verbreiteten Bauweise - ein motorbetriebenes, mit Schaufeln versehenes Laufrad exzentrisch in einem Pumpengehäuse angeordnet ist, das einen Innenraum mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt aufweist. In dem Pumpengehäuse befindet sich eine Betriebsflüssigkeit, beispielsweise Wasser, die durch die Drehung des Laufrades in Rotation versetzt wird und einen Flüssigkeitsring ausbildet. Benachbarte Schaufeln des Laufrades definieren mit dem Flüssigkeitsring und der Nabe des Laufrades Kammern, die aufgrund der exzentrischen Lagerung des Laufrades ein von der Winkelposition der Kammer abhängiges Volumen besitzen, wobei der Flüssigkeitsring mehr oder weniger tief in die Kammer eindringt und dabei wie ein Verdrängerkolben wirkt. Außerdem sind Steuermittel vorgesehen, in denen Öffnungen, sogenannte Saug- und Drucköffnungen, ausgespart sind, über welche die Kammern mit dem Ein- bzw. Ausgang der Pumpe kommunizieren. Dabei befindet sich die Saugöffnung in dem Winkelbereich, in welchem eine Vergrößerung des Kammervolumens stattfindet, während die Drucköffnung in dem Winkelbereich mit sich verringerndem Kammervolumen angeordnet ist. Flüssigkeitsringpumpen sind insbesondere zur Förderung von Gasen und Dämpfen geeignet. Jedoch können in gewissem Umfang auch Flüssigkeitsströme mitgefördert werden. Konstruktionsbedingt wird beim Betrieb einer Flüssigkeitsringpumpe stets ein gewisser Anteil an aus dem Flüssigkeitsring stammender Betriebsflüssigkeit mitgefördert.
Die Betriebsflüssigkeit der Pumpe hat im wesentlichen drei Funktionen. Zum einen wirkt sie, wie oben erläutert, als Kolben der Verdrängungspumpe. Außerdem dichtet sie die einzelnen Kammern des Laufrades gegeneinander ab, so daß eine ölfreie Förderung des zu fördernden Fluides möglich ist. Die stetige Mitförderung eines Teils der Betriebsflüssigkeit erlaubt es außerdem, die im Betrieb auftretende Verdichtungswärme abzuführen. Es muß daher fortlaufend Betriebsflüssigkeit zugeführt werden, damit der Flüssigkeitsring auf konstantem Niveau gehalten wird.
Durch diesen prinzipiellen Aufbau ist die Flüssigkeitsringpumpe äußert verschleißarm, weist eine hohe Betriebssicherheit auf und erzeugt nur sehr geringe Eigengeräusche.
Man kann Flüssigkeitsringpumpen nach Art der Beaufschlagung mit dem zu fördernden Fluid in zwei Gruppen unterteilen. Am weitesten verbreitet sind sogenannte axial beaufschlagte Pumpen. Dabei wird das Laufrad in axialer Richtung durch drehfest im Pumpenraum angeordnete Steuerscheiben begrenzt, in welchen die Saug- und Drucköffnungen ausgespart sind. Die Strömungsrichtung des in das Laufrad eintretenden und das Laufrad verlassenden Fluids ist axial, d.h. parallel zur Achse der Pumpenwelle, auf der das Laufrad sitzt. Beispiele solcher axial beaufschlagter Flüssigkeitsringpumpen, beispielsweise Pumpen in Lagerträgerbauweise, in Blockbauweise oder in Form einer an einem Lagerträger befestigten Blockpumpe, sind in dem deutschen Gebrauchsmuster DE 298 09 258.1 U der Anmelderin beschrieben. Daneben gibt es sogenannte radial beaufschlagte Pumpen, die Steuemaben aufweisen, in denen die Druck- und Saugöffnungen ausgespart sind. Das Ein- und Ausströmen des zu fördernden Fluids in und aus den Kammern des Laufrades erfolgt bei derartigen Pumpen radial durch die Steuernabe. Das Laufrad ist üblicherweise seitlich durch Deckscheiben geschlossen und gleitet mit möglichst geringem Spiel über die herkömmlicherweise drehfest am Gehäusedeckel der Pumpe angeschraubte, angegossene oder angeschweißte Steuernabe. Die Steuernabe weist außerdem meist axial orientierte Ein- bzw. Austrittsöffnung für das zu fördernde Fluid auf, die mit dem Ein- bzw. Ausgang der Pumpe kommunizieren. Die Steuernabe kann eine im wesentlichen zylindrische Allgemeinform besitzen, wie dies beispielsweise bei den in den Patenten US 3,894,812 und US 5,803,713 beschriebenen Flüssigkeitsringpumpen der Fall ist.
Beispielsweise aus dem US-Patent 3,712,764 sind auch Pumpen mit konischen Steuernaben bekannt.
Axial beaufschlagte Flüssigkeitsringpumpen haben insbesondere aufgrund ihres gegenüber radial beaufschlagten Pumpen vergleichsweise einfachen Aufbaus und der einfacheren und kostengünstigeren Herstellung weite Verbreitung gefunden. So ist im Normalfall eine Steuerscheibe einfacher herstellbar als die Steuernabe einer radial beaufschlagten Pumpe. Auch das Laufrad einer radial beaufschlagten Pumpe erfordert einen größeren Herstellungsaufwand, da in der Nabe des Laufrades für jede durch die Laufradschaufeln definierte Kammer Öffnungen ausgespart werden müssen, durch die das zu fördernde Fluid ein- bzw. ausströmen kann.
Diesen Nachteilen von radial beaufschlagten Flüssigkeitsringpumpen stehen aber spezifische Vorteile gegenüber. So sind die Strömungsgeschwindigkeiten an den Druck- bzw. Saugöffnungen bei radial beaufschlagten Pumpen im allgemeinen geringer als bei axial beaufschlagten Pumpen, so daß auch entsprechend geringere Drosselverluste auftreten. Darüber hinaus erfolgt das Ein- und Ausströmen des zu fördernden Fluides in und aus den Kammern des Laufrades in einer gleichmäßiger verteilten Form als bei axial beaufschlagten Pumpen. Ein besonderer Vorteil der radial beaufschlagten Pumpen ist aber in deren Fähigkeit zu sehen, große Flüssigkeitsmengen mitfördern zu können. Bestimmte Varianten von radial beaufschlagten Pumpen können sogar ohne Gefahr einer Beschädigung in geflutetem Zustand angefahren werden.
In dem deutschen Gebrauchsmuster DE 200 15 709 U1 der Anmelderin wird eine verbesserte radial beaufschlagte Flüssigkeitsringpumpe mit Steuernabe beschrieben. Zur Verringerung von Drosselverlusten und um die Pumpe bei unterschiedlichsten Druckverhältnissen mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben zu können, sind die Drucköffnungen der Steuernabe der bekannten Pumpe zumindest teilweise mit Ventilen versehen, so dass ein druckabhängiges Abdecken bzw. Freigeben von Drucköffnungen ermöglicht wird.
Übliche Flüssigkeitsringpumpen, und zwar sowohl radial als auch axial beaufschlagte Pumpen, werden häufig direkt an einen Antriebsmotor angeflanscht und bestehen im wesentlichen aus einem ersten antriebseitigen Gehäuseteil und einem zweiten stirnseitigen Gehäuseteil, die über eine Nut/Feder-Anordnung miteinander verbunden sind und einen Arbeitsraum umgeben. Die beiden Gehäuseteile werden üblicherweise durch Schraubverbindungen miteinander fixiert. In dem Arbeitsraum ist ein vom Motor angetriebenes Schaufellaufrad drehbar angeordnet. Ferner sind Steuermittel vorgesehen, die im Inneren der Pumpe einen Druck- und einen Saugraum definieren. Auf Grund der Funktionsweise der Flüssigkeitsringpumpe ist das Laufrad exzentrisch im Arbeitsraum angeordnet, so dass üblicherweise auch die beiden Gehäuseteile, die man auch als Druck- bzw. Sauggehäuse bezeichnen kann, bezüglich der Drehachse des Laufrades welche die Pumpenachse definiert, exzentrisch eingefedert sind. Die Einfederung erfolgt dabei üblicherweise auf einem großen Durchmesser am Außenumfang der Pumpe, wie dies beispielsweise aus den Figuren 1 und 2 in dem oben genannten Gebrauchsmusters DE 200 15 709 U1 hervorgeht. Eine derartige Konstruktion ist aber sowohl in der Herstellung als auch bei der Montage der Pumpe sehr aufwändig, da zwei Excenter präzise aneinander angepasst werden müssen. Diese Problematik macht sich insbesondere bei radial beaufschlagten Pumpen mit Nabensteuerung bemerkbar, da für den leichten Lauf des Laufrades eine exakte Anpassung der drehfesten Steuernabe und des die Steuernabe umgreifenden Laufrades erforderlich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zu Grunde, eine verbesserte Flüssigkeitsringpumpe, insbesondere eine verbesserte Flüssigkeitsringpumpe mit Nabensteuerung bereit zu stellen, die eine einfachere und kostengünstigere Herstellung und Montage erlaubt.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Bereitstellung der Flüssigkeitsringpumpe mit den in den beigefügten Ansprüchen beschriebenen Merkmalen gelöst.
Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist demnach eine Flüssigkeitsringpumpe zum Fördern von Fluiden, die einen ersten, antriebsseitigen Gehäuseteil und einen zweiten stirnseitigen Gehäuseteil, die über eine Nut/Feder-Anordnung miteinander verbunden sind und einen Arbeitsraum umgeben, und wenigstens ein in dem Arbeitsraum drehbar angeordnete, mit Schaufeln versehenes Laufrad umfassen. Die Pumpe umfasst ferner Steuermittel, die im Inneren der Pumpe einen Saug- und einen Druckraum definieren. Die erfindungsgemäße Flüssigkeitsringpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nut/Feder-Anordnung zentrisch zu der Drehachse des Laufrades ausgebildet ist. und die zentrische Nut/Feder-Anordnung umfasst mindestens eine zur Drehachse des Laufrades konzentrische, in einem der beiden Gehäuseteile ausgesparte Nut und wenigstens eine, zur Drehachse des Laufrades konzentrische, in dem anderen Gehäuseteil vorgesehene Federn. Durch die zentrische Einfederung der beiden Gehäuseteile verringert sich der Herstellungs- und Montageaufwand beträchtlich, da die Anpassung von zwei Excentern entfällt. Vorteilhaft werden die Gehäuseteile auf einem Durchmesser eingefedert, der kleiner als der Innendurchmesser des Arbeitsraumgehäuses ist und vorzugsweise weniger als 90 % des Innendurchmessers des Arbeitsraumgehäuses beträgt.
Es versteht sich, dass Nut und Feder im wesentlichen komplementär zueinander ausgebildet sind und gegebenenfalls Dichtmaterial, wie beispielsweise Dichtringe enthalten können. Die beiden Gehäuseteile werden durch mehrere am Außenumfang des Gehäuses angeordnete Schraubverbindungen miteinander fixiert.
Die zentrische Einfederung der beiden Gehäuseteile eignet sich insbesondere für radial beaufschlagte Flüssigkeitsringpumpen mit Steuernabe, da mit der erfindungsgemäßen Konstruktion eine präzise Anpassung von Laufrad und Steuernabe möglich ist. Gegenstand einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist demnach eine Flüssigkeitsringpumpe, bei der die Steuermittel zumindest eine im Inneren der Pumpe drehfest angeordnete Steuernabe umfassen, die mindestens eine Saugöffnung und/oder mindestens eine Drucköffnung aufweist.
Bevorzugt weist die Pumpe sowohl eine Saugöffnung als auch eine Drucköffnung auf. Zentrisch eingefederte Gehäuseteile lassen sich jedoch auch bei Pumpen realisieren, bei denen die Steuernabe beispielsweise lediglich eine Drucköffnung aufweist und die Saugöffnung in einer herkömmlichen senkrecht zur Laufraddrehachse orientierten Steuerscheibe ausgespart ist. Eine derartige kombinierte axial und radial beaufschlagte Flüssigkeitsringpumpe ist - allerdings ohne das hier vorgeschlagene Merkmal der zentrischen Einfederung der beiden Gehäuseteile - in Figur 1 des Gebrauchsmusters DE 200 15 709 U1 dargestellt. Ebenso lässt sich die Erfindung bei herkömmlichen axial beaufschlagten Flüssigkeitsringpumpen realisieren, bei denen Saug- und Drucköffnungen in einer oder zwei Steuerscheibe ausgespart sind.
Bei der radial beaufschlagten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsringpumpe versieht man vorteilhaft die Drucköffnungen der Steuernabe zumindest teilweise mit Ventilen. Die Ventile können, wie beispielsweise wiederum in der DE 200 15 709 U1 detaillierter beschrieben ist, Ventilklappen oder Ventilkörper aufweisen.
Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Flüssigkeitsringpumpe mit einer einzigen verschließbaren Entleerungsöffnung versehen, über die sowohl der Druckraum als auch der Saugraum entleert werden können. Wenn beispielsweise der motorseitige Gehäuseteil den Druckraum umschließt und die Entleerungsöffnung im stirnseitigen Gehäuseteil, der den Arbeitsraum umschließt, angeordnet ist, so ist vorteilhaft vorgesehen, dass der untere Bereich des Druckraums geodätisch im wesentlichen auf Höhe von Durchlässen liegt, die in dem Laufrad ausgespart sind und die gewährleisten, dass der Druckbereich des Arbeitsraums mit dem Druckraum kommunizieren kann. Beim Stillstand der Pumpe kann dann die gegebenenfalls im Druckraum noch vorhandene Flüssigkeit über die Durchlässe in den unteren Bereich des Arbeitsraum abfließen, in welchem die Entleerungsöffnung angeordnet ist. Eine entsprechende Anordnung kann man selbstverständlich auch dann vorsehen, wenn sich beispielsweise der Saugraum im antriebsseitigen Gehäuseteil befindet.
Die erfindungsgemäße Pumpe lässt sich besonders vorteilhaft in den in dem Gebrauchmuster DE 200 15 709 U1 beschriebenen Varianten realisieren, das heißt die Pumpe kann beispielsweise auch einen nachgeschalteten Abscheider mit gegebenenfalls angeschlossenem Wärmetauscher aufweisen.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:

Figur 1: einen schematischen Querschnitt durch eine Flüssigkeitsringpumpe des Standes der Technik, bei der die beiden Gehäuseteile exzentrisch eingefedert sind; und
Figur 2: einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsringpumpe mit zentrisch einfederten Gehäuseteilen.

Bezugnehmend auf Figur 1 erkennt man eine Flüssigkeitsringpumpe 10 gemäß Stand der Technik, die als Blockpumpe ausgebildet ist. Die Pumpe 10 weist ein erstes, antriebsseitiges Gehäuseteil 11 und ein zweites, stirnseitiges Gehäuseteil 12 auf. Das stirnseitige Gehäuseteil 12 ist als topfartiger Gehäusedeckel ausgebildet, der auf der Pumpenlängsachse 13 einen Saugstutzen 14 aufweist, über den das zu fördernde Fluid angesaugt wird. Die beiden Gehäuseteile 11, 12 definieren einen Arbeitsraum 15, in welchem ein Laufrad 16 drehbar gelagert ist. Das Gehäuseteil 11, das einen Druckstutzen 17 aufweist, ist an einem (nur teilweise dargestellten) Antriebsmotor 18 angeflanscht, dessen Antriebswelle 19 über eine Gleitringdichtung 20 dicht in die Pumpe geführt wird. Das Laufrad 16 ist über eine Laufradnabe 21 drehfest mit der Antriebswelle 19 verbunden. Als Steuermittel ist in der dargestellten Ausführungsform eine Steuernabe 22 vorgesehen, die wenigstens eine Drucköffnung 23 und wenigstens eine Saugöffnung 24 aufweist. Das zu fördernde Fluid wird über den axial angeordneten Saugstutzen 14 in den Saugraum 25, durch eine axiale Eintrittsöffnung 26 in die Steuernabe 22 gesaugt und durchströmt schließlich in radialer Richtung die Saugöffnung 24 der Steuernabe, um im Arbeitsraum 15 in die zwischen den Schaufeln 27 des Laufrades 16 gebildeten Kammern zu gelangen. Nach Kompression des Fluids in den Kammern aufgrund der exzentrischen Anordnung des Laufrades in dem durch die Betriebsflüssigkeit gebildeten Flüssigkeitsrings strömt das wiederum in radialer Richtung durch die von Klappenventilen 28 beaufschlagten Drucköffnungen 23 in den Druckraum 29 der Pumpe und gelangt nach entsprechender Umlenkung durch die im vorliegenden Fall ringförmig ausgebildete Austrittsöffnung 30 der Steuernabe 22 und durch entsprechende ringförmig angeordnete Durchlässe 31 im Laufrad 16 zu dem Druckstutzen 17. In der Steuernabe 22 sind der Saugraum 25 und der Druckraum 29 durch eine Trennwand 32 voneinander getrennt. Das Laufrad weist seitliche Deckscheiben 33, 34 auf, deren axialer Abstand sich bei Annäherung an die Steuernabe 22 verringert. Wie man bei der Pumpe des Standes der Technik gemäß Figur 1 erkennt, sind die beiden Gehäuseteile über eine exzentrische Nut/Feder-Anordnungen 35 miteinander verbunden, die am Außenumfang des Pumpengehäuses verläuft. Schließlich weist die Bekannte Pumpe jeweils eine Entleerungsöffnung 36, 37 für den Arbeitsraum 15 bzw. den Druckraum 29 auf.
In Figur 2 ist nun eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsringpumpe dargestellt. Bauelemente der Pumpe der Figur 2, die Bauelementen der Pumpe der Figur 1 entsprechen oder die eine vergleichbare Funktion erfüllen sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und werden im folgenden nicht mehr ausführlicher erläutert. Bei der in Figur 2 dargestellten Variante ist der Übersichtlichkeit halber der Antriebsmotor (Bezugsziffer 18 in Figur 1) und die in die Laufradnabe eingreifende Antriebswelle (Bezugsziffer 19 in Figur 1) nicht dargestellt.
Man erkennt, dass bei ansonsten weitgehend ähnlichem Aufbau, die beiden Gehäuseteile 11, 12 auf einem umlaufenden Kranz 38 konzentrisch zur Drehachse des Laufrades eingefedert sind. Dazu ist dem ersten Gehäuseteil 11 eine zur Pumpen längsachse 13, die der Drehachse des Laufrads 16 entspricht, konzentrische Feder 39 ausgebildet, die in eine entsprechende, in dem zweiten Gehäuseteil 12 ausgesparte, konzentrische Nut 40 eingreift. Damit ist ein präziser Zusammenbau der Gehäuseteile und insbesondere eine präzise Anpassung der drehfesten Steuernabe 22 und des die Steuernabe umgreifenden drehbaren Laufrades 16 gewährleistet. Der Durchmesser des Einfederungskranzes ist wesentlich kleiner als der Innendurchmesser des Arbeitsraumgehäuses 15.
Man erkennt ferner, dass der Bodenbereich 41 des Druckraum 29 bei der erfindungsgemäßen Pumpe geodätisch höher als bei der bekannten Pumpe der Figur 1, nämlich etwa auf Höhe der Durchlässe 31 im Laufrad 16 endet. Bei Stillstand der Pumpe kann daher gegebenenfalls im Druckraum vorhandene Flüssigkeit über einen oder mehrere der Durchlässe 31 in den Arbeitsraum 15 abfließen und über die beispielsweise durch eine Dichtungsschraube verschließbare Öffnung 42 abgelassen werden. Es ist daher keine separate Auslassöffnung für den Druckraum erforderlich, was die Herstellungskosten weiter verringert.

Claims

Flüssigkeitsringpumpe (10) zum Fördern von Fluiden mit
einem ersten, antriebseitigen Gehäuseteil (11) und einem zweiten, stirnseitigen Gehäuseteil (12), die über eine Nut/Feder-Anordnung (38) miteinander verbunden sind und einen Arbeitsraum (15) umgeben;
wenigstens einem exzentrisch in dem Arbeitsraum (15) um eine Pumpenlängsachse (13) drehbar angeordneten, mit Schaufeln (27) versehenen Laufrad (16),
Steuermitteln (22), die im Inneren der Pumpe einen Saug- und einen Druckraum (25,29) definieren, wobei die Steuermittel zumindest eine im Inneren der Pumpe drehfest angeordnete Steuernabe (22) umfassen, die mindestens eine durch das zu fördernde Fluid in radialer Richtung durchströmte Saugöffnung (24), die mit einem auf der Pumpenlängsachse (13) angeordneten Saugstutzen (14) kommuniziert, und/oder mindestens eine Drucköffnung (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut/Feder-Anordnung (38) zentrisch zu der, der Drehachse des Laufrades (16) entsprechenden Pumpenlängsachse (13) ausgebildet ist und wenigstens eine zu der Pumpenlängsachse (13) konzentrische, in einem der beiden Gehäuseteil (11,12) vorgesehene Federn (39) und wenigstens eine zur Drehachse (13) des Laufrades (16) konzentrische, in dem anderen Gehäuseteil (12,11) ausgesparte Nut (40) umfasst.
Flüssigkeitsringpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrische Nut/Feder-Anordnung (38) auf einem Durchmesser erfolgt, der kleiner als der Innendurchmesser des Arbeitsraumgehäuses ist.
Flüssigkeitsringpumpe gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der zentrischen Nut/Feder-Anordnung (38) weniger als 90% des Innendurchmessers des Arbeitsraumgehäuses beträgt.
Flüssigkeitsringpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucköffnungen (23) der Steuernabe (22) zumindest teilweise mit Ventilen (28) versehen sind.
Flüssigkeitsringpumpe gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (28) Ventilklappen oder Ventilkörper aufweisen.
Flüssigkeitsringpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe eine einzelne verschließbare Entleerungsöffnung (42) aufweist, über die der Druckraum (29) und Saugraum (25) entleert werden können.
Flüssigkeitsringpumpe gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bereich (41) des Druckraums (29) geodätisch im wesentlichen auf Höhe von Durchlässen (31) liegt, die in dem Laufrad (16) ausgespart sind.