EP2359009B1

EP2359009B1 - Reduzierbare entlastungsöffnung

Info

Publication number: EP2359009B1
Application number: EP09774627A
Authority: EP
Inventors: Arno Krauss
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: EP2359009A1; WO2010072307A1; DE102008062584A1; DK2359009T3; CN102245904A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe ein- oder mehrstufige Bauart mit im Pumpengehäuse angeordneten, angetriebenem Laufrad oder Laufrädern, einer Wellenabdichtung und wobei an mindestens einer Deckscheibe von mindestens einem Laufrad ein oder mehreren einstellbaren Entlastungsöffnungen angeordnet sind.
Bei Kreiselpumpen wird die Resultierende der auf ein Pumpenlaufrad einwirkenden Axialkräfte als der Axialschub bezeichnet. Deren genaue Ermittlung ist in dem KSB-Kreiselpumpenlexikon, 3. Auflage, unter dem Stichwort "Axialschub" auf den Seiten 32 ff, beschrieben. Bei einstufigen Kreiselpumpen hat sich eine Axialkraftentlastung mit Entlastungsöffnungen in einer druckseitigen Laufraddeckscheibe als die häufige Maßnahme erwiesen. Die Anordnung der Entlastungsöffnungen erfolgt auch in Kombination mit zusätzlichen Dichtspalten und Gehäuserippen oder Laufradschaufeln.
Schwierigkeiten bereitet die Berechnung von dem Durchlassquerschnitt solcher Entlastungsöffnungen, dessen Größe eine hinreichend vollständige Entlastung des Laufrades gewährleistet. Um solche Ungenauigkeiten zu kompensieren ist durch die SU A 383 892 eine Lösung zur nachträglichen Einstellung oder Anpassung solcher Querschnitte bekannt. Dazu findet eine eben ausgebildete, druckseitige Laufraddeckscheibe mit Entlastungsbohrung Verwendung. Um bei diesem Laufrad mit insgesamt 6 Entlastungsöffnungen die Querschnittsfläche auf die jeweiligen Betriebsverhältnisse einzustellen, findet im Eintrittsbereich des Laufrades und auf dessen Nabe eine Art von Drehschieber Verwendung. Dieser besteht aus einer ebenen Blechscheibe mit gleicher Lochanzahl und Anordnung wie beim Laufrad. Durch dessen versetzte Anordnung ist eine ganz oder teilweise Abdeckung der bestehenden Entlastungsöffnungen und damit eine Verkleinerung und Einstellbarkeit derselben erreichbar. Diese aufwändige Lösung bedingt einige Unsicherheiten hinsichtlich der Montage und Betriebssicherheit. Eine vergleichbare Lösung zeigt die SU A 523 994 , bei der eine solche Einstellbarkeit der Entlastungsöffnungen an einem offenen Laufrad, aber auf dessen Rückseite in analoger Weise stattfindet.
Bei Kreiselpumpen, unabhängig davon, ob es sich um einstufige oder mehrstufige Bauarten handelt, sind einem Laufrad oder mehreren Laufrädern, in den meisten Fällen eine Wellenabdichtung und ein Lagerträger nachgeordnet. Zum Schutz der Lager werden die Entlastungsöffnungen für den Axialschub üblicherweise so groß ausgewählt, dass ein verbleibender Rest-Axialschub von den Wellenlagern problemlos aufnehmbar ist. Dessen Größenordnung liegt unterhalb einer zulässigen axialen Lagerbelastung der Lager.
Für Kreiselpumpen mit dem Laufrad oder den Laufrädern nachgeordneten Wellenabdichtungen wird für eine definierte Druckbelastung in einem Dichtungsraum eine zuverlässige und funktionssichere Lösung gesucht. Insbesondere für die so genannten nicht entlasteten Wellendichtungen, wobei es sich auch um Gleitringdichtungen handelt, deren mit der Welle rotierender Gleitring auf eine Belastung durch einen definierten Flüssigkeitsdruck angewiesen ist. Andernfalls besteht die Gefahr, beispielsweise durch betriebsbedingte Druckschwankungen, das in Folge eines zu geringen Druck im Dichtungsraum eine Dichtung öffnet und somit durch externen Lufteintrag und daraus resultierenden Trockenlauf an der GLRD diese zerstört wird.
Die Lösung des Problems sieht vor, dass in einer oder mehreren Entlastungsöffnungen ein oder mehrere hülsenförmige Einsätze angeordnet ist oder sind. Die in den normalen Axialschubausgleichsöffnungen des Laufrades angeordneten hülsenförmigen und durchströmbaren Einsätze besitzen eine kleinere Querschnittsfläche der Durchströmfläche. Damit erfolgt eine genaue Drosselung einer Rückströmung vom Laufradseitenraum zurück in den Saugbereich des Laufrades. In Abhängigkeit von der Größe der gewünschten Drosselung, welche durch die Querschnittsminderung in den Einsätzen entsteht, ergibt sich im Radseitenraum ein Druckanstieg, woraus wiederum eine definierte Anpressung einer Wellendichtung resultiert. So wird Letztere, beispielsweise der Gleitring einer belasteten Gleitringdichtung, auch bei schwankenden Betriebszuständen immer mit einem ausreichend hohen Druck sicher und dichtend an den Gegenring gepresst.
Ausgestaltungen sehen vor, dass der Einsatz als eine Klemmhülse ausgebildet und elastisch verformbar in einer Entlastungsöffnung gehalten ist. Für Kreiselpumpen mit darin angeordneten Blech- und/oder Kunststofflaufrädern haben sich Einsätze als vorteilhaft erwiesen, die mit einem radial vorstehenden Bund ausgestattet sind. Diese hülsenförmigen Einsätze werden nach Art von Hohlnieten bei Bedarf in standardisierte Entlastungsöffnungen eingesetzt und darin durch plastische Verformung oder reibschlüssig gehalten.
Mit diesen Lösungen wird bei Betriebszuständen von Kreiselpumpen, bei denen ein auf die Wellenabdichtung einwirkender Pumpendruck in der Größenordnung des Atmosphärendruckes oder sogar darunter liegt, zuverlässig und in einfachster Weise die nachteilige Folge einer sich öffnenden Wellendichtung und damit Undichtigkeiten verhindert.
Auch bei Kreiselpumpen zur Förderung heißer Fluide, beispielsweise von Wärmeträgerölen und dergleichen, hat sich diese Lösung vorteilhaft bewährt. Hierbei ist dem Pumpengehäuse mit dem darin angeordneten Pumpenlaufrad eine Art von Wärmesperre nachgeordnet. Diese sieht eine längere Welle vor, die innerhalb eines längeren und dünnwandigen Wellengehäuses geführt und in einem beabstandeten Lagerträger mit und zwischen den Lagern angeordneten Gleitringdichtung gehalten ist. Mit dieser Form wird der Wärmeübergang zwischen Pumpengehäuse und Lagerträger reduziert. Durch die zusätzlich in den Entlastungsöffnungen gehaltenen drosselnden Einsätze entsteht hinter dem Laufrad ein höherer Druck. Dieser höhere Druck stellt sich entlang der Welle auch im Dichtungsraum des Lagerträgers ein und bedingt dort immer eine definierte Belastung der Wellenabdichtung. Mehrere Einsätze mit unterschiedlichen Durchmessern können auch ineinander gesteckt angeordnet sein. Mit dieser Maßnahme kann gezielt eine - auch nachträgliche - Anpassung eines Axialschubes oder seines Ausgleiches erreicht werden. Beispielsweise wenn sich für eine Kreiselpumpe die Anlagen-, Betriebsbedingungen- oder Einsatzbedingungen ändern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen die

Figur 1:: ein gegossenes Laufrad im Schnitt mit eingepresster Hülse und die
Figur 2:: ein Blechlaufrad mit eingepresster und umgeformter Hülse.

Die Fig. 1 zeigt ein Kreiselpumpenlaufrad radialer und geschlossener Bauart. Auf die Darstellung eines das Laufrad 1 aufnehmenden Gehäuses, sowie einer das Laufrad 1 über eine Nabe 2 antreibenden Welle und einer Wellenabdichtung wurde aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit verzichtet. Das als ein Gussteil ausgebildete Laufrad 1 verfügt über eine druckseitige Laufraddeckscheibe 3, die im Übergangsbereich zur Nabe 2 mit mehreren, auf einem Durchmesser gleichmäßig verteilt angeordneten Entlastungsöffnungen 4 versehen ist. Diese sind häufig als Bohrungen ausgebildet.
Ein vom Laufrad 1 gefördertes Fluid strömt vom Laufradeintritt 5 durch die von Schaufeln 6 begrenzte Schaufelkanäle 7 zum Laufradaustritt 8 und fließt in den Innenraum eines Gehäuses ab. Innerhalb des Gehäuses wirkt der am Laufradaustritt 8 vorherrschende Druck und übt in axialer Richtung sowohl auf die druckseitige Laufraddeckscheibe 3 als auch auf die gegenüberliegende saugseitige Laufraddeckscheibe 9 eine Kraft aus. Infolge der unterschiedlichen Größe von den Flächen der Laufraddeckscheiben ergibt sich durch den darauf einwirkenden Druck eine resultierende Axialkraft. Bei einer falschen Auslegung der Verhältnisse ergeben sich dadurch negative Auswirkungen auf die Lager von einer das Laufrad antreibenden Welle.
Ein Laufrad 1 ist gewöhnlich mit einer saugseitigen Spaltfläche 10 und druckseitigen Spaltfläche 11 versehen, denen gegenüberliegend stillstehende Gehäuse-Spaltflächen angeordnet sind, um somit Spaltdichtungen zwischen stillstehenden und rotierenden Teilen zu bilden. Auf der Druckseite DRS des Laufrades 1, also im Bereich der druckseitigen Deckscheibe 3, ist beispielhaft eine Spaltfläche 11 für eine Spaltdichtung angeordnet. Ein auf der Druckseite DRS befindliche Fluid fließt durch die Entlastungsöffnungen 4 zurück in den Bereich des Laufradeintritts 5 und den Bereich der Eintrittskanten der Schaufeln 6, wo ein niedriger Zulaufdruck herrscht. Die Summe vom Querschnitt der einzelnen Entlastungsöffnungen 4 ist so groß gewählt, dass diese einen definierten verbleibenden Restaxialschub gewährleistet. Dessen Größe soll bei allen möglichen Betriebszuständen die zulässige Lagerbelastung der in einem Lagerträger angeordneten Wälzlager nicht überschreiten. Die Anzahl der Entlastungsöffnungen 4 ist üblicherweise abhängig von der verwendeten Schaufelanzahl eines Laufrades 1 und den dadurch bedingten Anzahl der Schaufelkanäle.
In der Figur 1 ist eine von diesen Entlastungsöffnungen 4 im Schnitt dargestellt und befindet sich oberhalb der Nabe 2. Die Entlastungsbohrung 4 entspricht vom Querschnitt und Anzahl her einem Auslegungszustand der Pumpe. Um in einfacher Weise eine Anpassung an verschiedene oder geänderte Auslegungsbedingungen oder Betriebsverhältnisse zu ermöglichen, wird in einer oder in mehreren Entlastungsöffnungen 4 mindestens ein den Querschnitt vermindernder, hülsenförmiger Einsatz 12 angeordnet. Dies kann eine eingepresste Buchse oder eine elastisch verformbare Klemmhülse, Spannhülse, Spannstift oder ein analog wirkendes Maschinenelement sein.
Ein solcher drosselnder Einsatz kann bei einer Endmontage der Pumpe in einem Herstellerwerk angebracht werden, wenn die genauen Einsatzbedingungen für ein zu förderndes Fluid der Pumpe bekannt sind. Ebenso kann an einem späteren Einbauort der Pumpe eine Axialschubanpassung durch nachträglich Montage oder auch Demontage von ein oder mehreren Einsätzen 12 problemlos stattfinden. Als sehr gut geeignet für drosselnde Einsätze 12 haben sich federnd ausgebildete Spannhülsen erwiesen, die sich in einfachster Weise in vorhandene Entlastungsöffnungen 4 einsetzen lassen. Aufgrund der elastischen Formänderung der Einsätze 12 werden sie bei einer Montage elastisch im Durchmesser verkleinert und durch ihre Eigenspannung sicher in der Entlastungsbohrung 4 gehalten. Der somit verringerte Durchströmquerschnitt übt eine Drosselwirkung auf das hindurch- und abströmende Fluid aus, woraus im Radseitenraum auf der Pumpendruckseite DRS eine geringe Druckerhöhung resultiert. Mit dieser Druckerhöhung wird eine gezielte Druckbelastung für eine Wellenabdichtung erzeugt und damit deren unzulässiges Öffnen bei eventuellen Druckschwankungen vom Fluid erreicht. Ebenso ist damit eine genaue Einstellung einer axialen Lagerbelastung möglich.
Die Fig. 2 zeigt ein ähnliches, aber als ein Blechbauteil ausgebildetes Laufrad 1. In dessen Entlastungsöffnungen 4 plastisch formbare Hülsen 13 eingesetzt sind. Für diese dünnwandig ausgebildeten Laufräder 1 haben sich mit einem Bund 14 versehene Hülsen 13 als vorteilhaft erwiesen, da sie in solchen Entlastungsöffnungen einfach eingesetzt und vom Bund 14 gehalten werden. Mit einem einfachen Werkzeug kann das andere Hülsenende 15 aufgeweitet und somit die Hülse 13 im Laufrad 1 sicher fixiert werden. Dies kann mit Hilfe eines Niet- oder Bördelwerkzeuges erfolgen, womit eines oder beiden Enden der Hülse 13 umgeformt werden. In eine solche Hülse 13 kann auch eine elastische verformbare Hülse 12, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, zusätzlich angeordnet werden, um somit den Durchflussquerschnitt weiter zu drosseln.

Claims

Kreiselpumpe ein- oder mehrstufiger Bauart, mit im Pumpengehäuse angeordneten, angetriebenem Laufrad oder Laufrädern, einer Wellenabdichtung und wobei an mindestens einer Deckscheibe von mindestens einem Laufrad ein oder mehreren einstellbaren Entlastungsöffnungen angeordnet sind
dadurch gekennzeichnet, dass
dass in einer oder mehreren Entlastungsöffnungen (4) ein oder mehrere hülsenförmige Einsätze (12, 13) angeordnet ist oder sind.
Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (12) als eine Klemmhülse ausgebildet und elastisch verformbar in einer Entlastungsöffnung (4) gehalten ist.
Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Kreiselpumpen mit Blech- und/oder Kunststofflaufrädern (4) mit mindestens einem radial vorstehenden Bund (14) ausgestattete Hülsen als Einsätze (13) angeordnet sind.
Kreiselpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze (13) plastisch verformbar gehalten sind.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einsätze (12, 13) ineinander gesteckt angeordnet sind.