Die Erfindung betrifft ein Leitschaufelgehäuse für eine Kreiselpumpe, das in
Tauchmotorpumpen einbaubar ist. Die Erfindung betrifft auch einstufige oder mehrstufige
Tauchmotorpumpen, wobei jede Pumpenstufe ein Leitschaufelgehäuse aufweist.
Konventionelle Leitschaufelgehäuse von Tauchmotorpumpen sind druckführende Bauteile
und werden zur Auslegung ihrer Festigkeit mit aus der Literatur bekannten
Rechenverfahren für Gusswerkstoffe, wie Grauguss oder Stahlguss, berechnet. Die derzeit
bekannten Leitschaufelgehäuse haben große Wandstärken und hohe Gewichte. Da bei
Tauchmotorpumpen der maximale Außendurchmesser vom Durchmesser des Bohrloches
begrenzt wird, in das die Tauchmotorpumpe eingebracht wird, führt die große Wandstärke
ihrer Leitschaufelgehäuse zu einem verringerten Innendurchmesser und folglich auch zu
einer reduzierten Fluid-Förderleistung in jeder Pumpenstufe. Durch das hohe Gewicht ihrer
Leitschaufelgehäuse sind solche bekannten Tauchmotorpumpen auch schlecht zu
handhaben, insbesondere bei mehrstufigem Aufbau. Weiters stellt der hohe
Materialaufwand für die bekannten Leitschaufelgehäuse einen beträchtlichen Kostenfaktor
dar.
Neben den oben beschriebenen, konventionellen, in Grauguss oder Stahlguss hergestellten
Leitschaufelgehäusen sind auch geschweißte Leitschaufelgehäuse aus legiertem Stahlblech
bekannt, die zwar geringe Wandstärken und geringe Gewichte aufweisen, aber auf Grund
der arbeitsaufwändigen Herstellung und der sehr teuren für die Produktion benötigten
Stanzformen hohe Herstellkosten, insbesondere bei kleineren Stückzahlen, aufweisen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Leitschaufelgehäuse bereitzustellen, bei dem die
Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbesondere soll mit dem
erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuse eine Erhöhung des Fluid-Durchsatzes bei
gegebenem Außendurchmesser sowie ein geringerer Materialaufwand erzielt werden, wobei
die erforderliche Festigkeit des Leitschaufelgehäuses beibehalten wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Leitschaufelgehäuse mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des
erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuses sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Eine erfindungsgemäße, einstufige oder mehrstufige Tauchmotorpumpe weist in jeder
Pumpenstufe ein erfindungsgemäßes Leitschaufelgehäuse auf.
Wesentliches Kennzeichen des erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuses ist, dass
zumindest in einem überwiegenden Bereich einer Umfangswand des Leitschaufelgehäuses,
vorzugsweise aber an der gesamten Umfangswand, das Verhältnis der Wandstärke der
Umfangswand zum maximalen Außendurchmesser des Leitschaufelgehäuses kleiner als
0,03, bevorzugt kleiner als 0,025, ist. Durch die geringe Wandstärke des
Leitschaufelgehäuses ist es möglich, größere Innendurchmesser auszuführen und damit
mehr Fluid-Durchsatz oder Förderhöhe pro Pumpenstufe zu erzielen. Das
erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse hat ein deutlich geringeres Gewicht als
konventionelle Leitschaufelgehäuse. In Summe ergibt sich durch geringere Produktkosten
aufgrund des reduzierten Materialverbrauchs in der Herstellung ein höherer "customer
value" als bei derzeit vorhandenen Produkten.
Wie oben erwähnt, werden bekannte Leitschaufelgehäuse in Grauguss oder Stahlguss
hergestellt. Sowohl bei Grauguss als auch bei Stahlguss sind dabei erhebliche
Mindestwandstärken erforderlich, wobei dies bei Grauguss auf die Materialeigenschaften
zurückzuführen ist und bei Stahlguss im bisher verwendeten Sandgussverfahren begründet
liegt, das nur geringe Dimensionstreue bietet und daher aus Sicherheitsgründen
Dimensionierungen mit großen Sicherheitsreserven erfordert. Erfindungsgemäß ist es
jedoch bevorzugt, das Leitschaufelgehäuse im Feinguss-Verfahren herzustellen. Damit ist
die Herstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen geringen Wandstärken der
Umfangswand des Leitschaufelgehäuses verlässlich möglich. Das erfindungsgemäße
Leitschaufelgehäuse stellt somit eine Weiterentwicklung der bekannten, mittels
Gießverfahren gefertigten Leitschaufelgehäuse dar.
Weiters ist es bevorzugt, das im Feingussverfahren hergestellte erfindungsgemäße
Leitschaufelgehäuse aus Edelstahl, oder legiertem Stahlguss, oder sonstigen hochlegierten
Werkstoffen auszubilden, die sich für das Feingussverfahren besonders gut eignen und mit
denen die erwünschte Festigkeit erzielbar ist. Gestaltungsdetails können vorteilhaft mit
"Finite Elemente"-Analysen ermittelt und ausgeführt werden.
Zur Erhöhung der Druckfestigkeit, Dehnungsfestigkeit und Verwindungsfestigkeit des
erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuses werden die nachfolgenden erfindungsgemäßen
Fortbildungen des Leitschaufelgehäuses vorgeschlagen, die einzeln oder in Kombination
zum gewünschten Resultat führen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuse umfasst sein Fluid-eintrittsseitig
gelegener Gehäuseanschluss zwei dünnwandige Flanschringe. Diese können
zur Erhöhung der Funktionalität und Steifigkeit zumindest zwei Butzen zwischen den
Flanschringen des Fluid-eintrittsseitig gelegenen Gehäuseanschlusses umfassen, die
vorzugsweise versenkt angeordnet sind, wobei die Butzen Befestigungsmittel, wie
Gewindelöcher zur Verschraubung des Leitschaufelgehäuses, aufweisen können.
In weiterer Fortbildung des erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuses ist vorgesehen, seinen
Fluid-austrittsseitig gelegenen Gehäuseanschluss mit einem dünnwandigen Flansch mit
Durchtrittslöchern zu versehen, der im Bereich der Durchtrittslöcher als
Schraubenauflagefläche wirkende Verstärkungen in axialer Richtung aufweist. Weiters
kann das erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse dünnwandige Versteifungsrippen
aufweisen, die außenliegend am Flansch des Fluid-austrittsseitigen Gehäuseanschlusses
angreifen, wobei die Versteifungsrippen auf dem Flansch vorzugsweise innerhalb des
Lochkreisdurchmessers ansetzen. Es erweist sich zur Verhinderung von Winkelverdrehung
weiters als vorteilhaft. wenn der Flansch und/oder ein Zentrierring des Fluid-austrittsseitig
gelegenen Gehäuseanschlusses an seinem/ihrem Übergang auf die Umfangswand durch
zumindest zwei innenliegende Gehäuserippen versteift ist/sind.
Die Erfindung wird nun anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen Fig. 1A und Fig. 1B schematische Schnitt durch das
erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse, wobei Fig. 1A einen Querschnitt darstellt und Fig.
1B einen Längsschnitt entlang der Linie D-D von Fig. 1B darstellt, Fig. 2 und 3 zeigen zwei
verschiedene dreidimensionale Ansichten des erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuses,
wobei Fig. 2 die Ansicht von der Fluid-Eintrittsseite und Fig. 3 die Ansicht von der Fluid-Austrittsseite
zeigt.
Wie in den Figuren 1 bis 3 zu sehen, weist das erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse 1
eine Umfangswand 11 auf, die als druckführende Gehäusewand ausgebildet ist. Die
Wandstärke s der Umfangswand 11 ist so dimensioniert, dass ihr Verhältnis zum
maximalen Außendurchmesser Φd des Leitschaufelgehäuses 1 kleiner als 0,03, bevorzugt
kleiner als 0,025, ist. Durch diese Maßnahme ergibt sich ein großer Innendurchmesser des
Gehäuses, der es ermöglicht, eine Kreiselpumpenstufe, insbesondere eine
Tauchmotorpumpenstufe, mit großer Förderhöhe pro Pumpenstufe zu realisieren. Mit dem
erfindungsgemäßen Leitschaufelgehäuse lassen sich mehrere Pumpenstufe zu einer Pumpe
zusammenschließen. Dazu sind am Fluid-eintrittsseitigen Gehäuseanschluss 7 dünnwandige
Flanschringe 2, 3 ausgebildet, die sich axial und konzentrisch zueinander erstrecken. Der
Flanschring 2 liegt außen und der Flanschring 3 innen, wobei der innere Flanschring 3 die
druckbeaufschlagte Umfangswand 11 fortsetzt. Der äußere Flanschring 2 wird möglichst
tangential in die Umfangswand 11 eingebunden. Die beiden Flanschringe 2, 3 sind durch
mehrere Butzen 9 miteinander verbunden, wobei die Butzen 9 leicht versenkt angeordnet
sind. Die Butzen 9 versteifen radial die beiden Flanschringe 2, 3 und verhindern, dass sich
hohe Verformungen des Leitschaufelgehäuses unter Druck ergeben. Weiters nehmen die
Butzen 9 auch Gewindelöcher 15 für die Verschraubung benachbarter Leitschaufelgehäuse
auf.
Der Fluid-austrittsseitig gelegene Leitschaufelgehäuseanschluss 8 weist einen
dünnwandigen Flansch 4 auf, der sich in radialer Richtung erstreckt und Durchtrittslöcher
16 besitzt, durch die nicht dargestellte Schrauben zur Verschraubung mit den
Gewindelöchern 15 eines benachbarten Leitschaufelgehäuses hindurchführbar sind. Der
Flansch 4 kann in den Bereichen der Durchtrittslöcher 16 wahlweise mit als
Schraubenauflageflächen wirkenden Verstärkungen 10 in axialer Richtung versehen sein.
Weiters sind am Außenumfang der Umfangswand 11 dünnwandige Versteifungsrippen 5
angebracht, die die axiale und radiale Verformung des Leitschaufelgehäuses verhindern.
Diese Rippen 5 setzen innerhalb des Verschraubungs-Lochkreisdurchmessers 14 an und
laufen mit möglichst stumpfem Winkel von der Umfangswand 11 weg hin zum Flansch 4.
Weiters sind mehrere im Fluid-Strömungsraum angeordnete, d.h. innenliegende,
Gehäuserippen 6 vorgesehen, die eine wesentliche Versteifung des Übergangsbereiches
vom radialen Fluid-austrittsseitigen Gehäuseanschluss 8 zur axialen druckführenden
Umfangswand 11 bewirken. Diese Rippen 6 setzen unterhalb des
Stufengehäusezentrierringes 12 an und werden gerade oder schräg bis zum
Dichtleistendurchmesser 13 geführt.
Die beschriebenen Versteifungsmaßnahmen dienen dazu, dass die maximal zulässige
Vergleichsspannung nicht überschritten wird und keine unzulässig hohen Verformungen
des Leitschaufelgehäuses auftreten, die die Funktion einer damit realisierten Pumpe
beeinträchtigen würden. Dabei ist vor allem auf die axiale Dehnung des Gehäuses Bedacht
zu nehmen, die bei höheren Stufenzahlen zu großer Gesamtdehnung des Pumpenkörpers
führen können. Da durch den Innendruck die Pumpenwelle mit Laufrädern auf Druck
beansprucht und damit gestaucht wird, kommt es zu einer Verschiebung der axialen
Position der Laufräder zum Leitschaufelgehäuse. Besonders bei hohen Stufenzahlen kann
dies bis zum Berühren der Laufräder am Leitschaufelgehäuse und damit zum Versagen der
Pumpe führen. Dies wird jedoch gemäß der Erfindung durch die beschriebenen
Versteifungsmaßnahmen verhindert.
Das erfindungsgemäße Leitschaufelgehäuse 1 wird in einem Feingussverfahren aus
Edelstahl, legiertem Stahlguss oder sonstigen hochlegierten Werkstoffen hergestellt. Damit
ist es möglich, die druckbeaufschlagte Wandstärke s der Umfangswand 11 auf die minimal
gießbare Wandstärke zu reduzieren. Das Feingussverfahren umfasst zunächst das Herstellen
einer Wachsspritzform des zu gießenden Leitschaufelgehäuses mit der notwendigen
Oberflächengüte und Maßgenauigkeit, wobei die Wachsspritzform die äußere Form des
Leitschaufelgehäuses festlegt. Anschließend wird mit Spritzmaschinen Wachs in teigigem
Zustand in die Wachsspritzform eingespritzt. Die so erhaltenen Wachsteile werden
anschließend zu einem Wachsaufbau, einem "Baum", zusammengeklebt. Durch
mehrmaliges Tauchen dieses Baumes in flüssigem, keramischem Formschlicker, Besanden
und anschließendem Trocknen, wird eine keramische Schale aus mehreren fest miteinander
verbundenen Schichten aufgebaut. Durch Erhitzen dieser keramischen Schale mittels
heißen Dampfes wird das Wachs ausgeschmolzen und im Anschluss daran die leere Schale
in einem Brennofen gebrannt/gesintert. Auf diese Weise erhält man die Gießform, in die
nun das flüssige Metall gegossen wird, wodurch ein Feingussteil mit geringsten
Wandstärken und feinsten Konturen entsteht. Nach dem Erkalten des Metalls wird die
Keramikschale mechanisch entfernt, die Gussteile, d.h. die Leitschaufelgehäuse, werden
vom "Baum" abgetrennt und die Angussreste abgeschliffen. Durch entsprechende
Wärmebehandlung werden die geforderten Werkstoffeigenschaften eingestellt.