EP2466149A1 - Strömungsmaschine für ein Fluid mit einem radialen Dichtspalt und einem stationären Verschleissring - Google Patents

Strömungsmaschine für ein Fluid mit einem radialen Dichtspalt und einem stationären Verschleissring Download PDF

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EP2466149A1
EP2466149A1 EP11192033A EP11192033A EP2466149A1 EP 2466149 A1 EP2466149 A1 EP 2466149A1 EP 11192033 A EP11192033 A EP 11192033A EP 11192033 A EP11192033 A EP 11192033A EP 2466149 A1 EP2466149 A1 EP 2466149A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wear ring
turbomachine
radial
impeller
stator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11192033A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Üre Villoria
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sulzer Management AG
Original Assignee
Sulzer Pumpen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sulzer Pumpen AG filed Critical Sulzer Pumpen AG
Priority to EP11192033A priority Critical patent/EP2466149A1/de
Publication of EP2466149A1 publication Critical patent/EP2466149A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/165—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps
    • F04D29/167—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps of a centrifugal flow wheel
    • 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
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/10—Shaft sealings
    • F04D29/12—Shaft sealings using sealing-rings
    • 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
    • F04D29/046—Bearings
    • F04D29/0465—Ceramic bearing designs

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine for a fluid with a radial sealing gap and a stationary wear ring according to the preamble of claim 1 and a wear ring for such a turbomachine according to the preamble of claim 8.
  • radial sealing gaps are provided between the impellers and the stator parts, which are normally designed to be narrow in order to keep the leakage currents small.
  • the stator parts are subject to bending stress, and in particular in the first and second stage noticeable deformations the stator parts can occur.
  • the deformation of the stator parts usually causes the radial sealing gaps are narrowed in operation, and the gap width of the radial sealing gaps at the narrowest point is reduced to a fraction of the original size.
  • the object of the invention is to provide a flow machine for a fluid which comprises a radial sealing gap between stator parts and an impeller, and which can be used for operating pressures of 500 bar and higher, without it being premature due to the operating pressure Broadening of the sealing gap comes.
  • Another object of the invention is to provide a wear ring for such a turbomachine.
  • the flow machine according to the invention for a fluid contains a radial sealing gap which is formed between stator parts and a closed impeller of the turbomachine, wherein at least one stationary wear ring is provided at the sealing gap with an inner side facing the impeller, an outer side and two axially spaced lateral surfaces.
  • a concentric recess in the form of a radial gap or a radial incision is formed, wherein the recess, extending from one of the lateral surfaces in the axial direction over more than one-fifth of the axial length of the wear ring, and wherein the wear ring Metal, carbide or ceramic material is made. Under the axial length of the wear ring is always understood the axial total length of the wear ring.
  • the turbomachine may, for example, be a pump, a centrifugal pump or a radial pump or a turbine, wherein the turbomachine or pump or turbine may, if required, be designed for an operating pressure of more than 240 bar or more than 360 bar.
  • the wear ring may, for example, be connected to the stator part by means of a shrink fit or weld connection or solder connection or screw connection or a combination of these connections.
  • the outer side of the wear ring is connected on one side with the stator, while on the other side in the axial direction of the wear ring between this and the stator a radial gap is formed whose axial length is greater than a quarter or greater than one third of the axial length of the wear ring.
  • the depression in the wear ring starts from the side on which the wear ring is externally connected to the stator part.
  • the wear ring and thus typically also the depression in the wear ring, are arranged at the inlet of the impeller, wherein the wear ring encloses the impeller at this point.
  • the invention further comprises a wear ring for a fluid flow machine, which has a radial sealing gap which is formed between stator parts and a closed impeller, wherein the wear ring has an inner side facing the impeller, an outer side and two axially spaced lateral surfaces in use is provided in use for stationary arrangement on the sealing gap.
  • a concentric recess in the form of a radial gap or a radial incision is formed, wherein the recess, extending from one of the lateral surfaces in the axial direction over more than one-fifth of the axial length of the wear ring, and wherein the wear ring Metal, carbide or ceramic material is made.
  • the wear ring is made of one piece.
  • the wear ring is rotationally symmetrical.
  • the wear ring is cylindrical on the inside and / or on the outside.
  • the inside of the wear ring has a surface structure, for example in the form of circumferentially running grooves or knurls or honeycomb structures, and / or the inside of the wear ring is ground or polished.
  • the recess may extend in the axial direction over more than a third or more than half the axial length of the wear ring.
  • the recess is rounded in cross section at the end, for example in the form of a round arch or semicircle.
  • the wear ring has a reduced length on the outside.
  • the wear ring material has a coefficient of thermal expansion ⁇ of less than 15 x 10 -6 / ° C.
  • the turbomachine and the wear ring according to the present invention have the advantage that thanks to the recess formed in the wear ring, the elastic behavior thereof can be improved.
  • This is particularly advantageous when the wear ring is made of a relatively less elastic material such as cemented carbide or a ceramic material. Thanks to the improved elastic behavior of the wear ring radial and axial deformation phenomena are compensated during operation, so that the sealing gap are designed comparatively narrow without the deformation of the stator at an operating pressure of more than 300 bar causes the stator and / or the impeller prematurely worn or even damaged. Furthermore, instabilities of the turbomachinery characteristics which occur as a result of the radial and axial deformations of the stator parts can be reduced by the design of the wear rings according to the invention.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through an embodiment of a turbomachine 10 according to the present invention.
  • the illustrated turbomachine 10 for a fluid contains a radial sealing gap 9 which is formed between stator parts 4a, 4b and a closed impeller 3 of the turbomachine, wherein at least one stationarily arranged wear ring 5, 5 'is provided on the sealing gap 9 with an inner side facing the impeller , an outside and two axially spaced lateral surfaces.
  • the wear ring 5, 5 ' is a concentric recess 6 in the form of a radial gap or a radial incision, wherein the recess 6, starting from one of the lateral surfaces, extends in the axial direction over more than one fifth of the axial length of the wear ring , and wherein the wear ring 5, 5 'made of metal, hard metal or ceramic material.
  • the turbomachine 10 may also include, as needed, one or more of the following components: A housing 1, for example, as in FIG Fig. 1 shown, a pot housing, a stage housing 1 ', guide elements following the flow channels of the impeller 3, a crossover channel between two successive stages, a shaft 2, on which the impeller or the wheels are arranged, and which are rotatably mounted in the housing is, seals (in Fig. 1 not shown) to seal the shaft 2 with respect to the housing 1, a pump inlet or a pump outlet.
  • a housing 1 for example, as in FIG Fig. 1 shown, a pot housing, a stage housing 1 ', guide elements following the flow channels of the impeller 3, a crossover channel between two successive stages, a shaft 2, on which the impeller or the wheels are arranged, and which are rotatably mounted in the housing is, seals (in Fig. 1 not shown) to seal the shaft 2 with respect to the housing 1, a pump inlet or a pump outlet.
  • the turbomachine 10 may, for example, a pump, in particular, as in Fig. 1 shown, a multi-stage pump, centrifugal pump or radial pump or a turbine, wherein the turbomachine or pump or turbine can be designed if necessary for an operating pressure of more than 240 bar or more than 360 bar.
  • the wear ring 5, 5 ' can be connected to the stator part 4a, 4b, for example, by means of a shrink fit or welded connection or solder connection or screw connection or a combination of these connections.
  • the wear ring 5, 5 ' and thus typically the recess 6 in the wear ring, arranged at the inlet of the impeller 3, wherein the wear ring encloses the impeller at this point.
  • turbomachine 10 Further advantageous embodiments of the turbomachine 10 are described below in connection with the description of Fig. 2 explained. Possible embodiments of the wear ring 5, 5 'is in connection with the description of Fig. 3 received.
  • Fig. 2 shows a detailed view of an embodiment of a turbomachine 10 according to the present invention.
  • the fluid-flow machine shown in the detailed view contains a radial sealing gap 9 which is formed between stator parts 4a, 4b and a closed impeller 3 of the turbomachine, wherein at least one stationary wear ring 5 is provided on the sealing gap 9 with an inner side facing the impeller, an outside and two axially spaced side surfaces.
  • a concentric recess 6 is formed in the form of a radial gap or a radial incision, wherein the recess 6, extending from one of the lateral surfaces in the axial direction over more than one-fifth of the axial length of the wear ring, and wherein the wear ring 5 is made of metal, hard metal or ceramic material.
  • the turbomachine 10 may also contain, if necessary, one or more of the following components: A housing 1, for example a pot housing, a stage housing 1 ', a shaft 2, on which the impeller or wheels are arranged, and which is rotatably mounted in the housing , or seals (in Fig. 2 not shown) to seal the shaft 2 with respect to the housing 1.
  • a housing 1 for example a pot housing, a stage housing 1 ', a shaft 2, on which the impeller or wheels are arranged, and which is rotatably mounted in the housing , or seals (in Fig. 2 not shown) to seal the shaft 2 with respect to the housing 1.
  • the turbomachine 10 may, for example, a pump, in particular, as in Fig. 2 shown to be a multi-stage pump, centrifugal pump or radial pump, the turbomachine or pump can be designed if necessary for an operating pressure of more than 240 bar or more than 360 bar.
  • the wear ring 5 may, for example, be connected to the stator part 4a, 4b by means of a shrink fit or welded connection or solder connection or screw connection or a combination of these connections.
  • the outer side 7 of the wear ring 5 is connected on one side with the stator 4a, 4b, while on the other side in the axial direction of the wear ring between this and the stator a radial gap 8 is formed, the axial Length is greater than a quarter or greater than one third of the axial length of the wear ring.
  • the depression 6 in the wear ring 5 starts from the side on which the wear ring is externally connected to the stator part.
  • an abrasion-resistant protective layer can be provided on the cover disk of the impeller, which forms the sealing gap 9 together with the wear ring 5 or, if the fluid to be conveyed contains, for example abrasive solids, a wear ring, which is attached to the impeller.
  • the recess 6 of the wear ring 5 is at least partially covered by the stator 4a, 4b.
  • Fig. 3 shows a detailed view of an embodiment of a wear ring according to the present invention in the installed state.
  • the inventive wear ring 5 for a fluid flow machine which has a radial sealing gap 9 which is formed between stator 4 and a closed impeller 3, has an inner side facing the impeller in use, an outer side and two axially spaced lateral surfaces and is in Insert for stationary arrangement provided on the sealing gap 9.
  • a concentric recess 6 is formed in the form of a radial gap or a radial incision, wherein the recess 6, extending from one of the lateral surfaces in the axial direction over more than one-fifth of the axial length of the wear ring, and wherein the wear ring 5 is made of metal, hard metal or ceramic material, for example of a wear-resistant material, such as nitrided cast steel or a ceramic material which may contain, for example, metal oxides, tungsten carbide or silicon carbide.
  • the wear ring material has a coefficient of thermal expansion ⁇ of less than 15 x 10 -6 / ° C.
  • the wear ring 5 is made of one piece.
  • the wear ring 5 is typically rotationally symmetrical.
  • the wear ring 5 is cylindrical on the inside and / or on the outside.
  • the inside of the wear ring 5 has a surface structure, for example in the form of circumferentially running grooves or knurls or honeycomb structures, and / or the inside of the wear ring 5 is ground or polished.
  • the recess 6 may extend in the axial direction over more than a third or more than half the axial length of the wear ring.
  • the recess 6 usually has an inner and an outer wall, which may for example extend parallel to the axis of the wear ring.
  • the recess 6 is rounded in cross-section at the end, for example in the form of a round arch or semicircle.
  • the wear ring 5 on the outside 7 is shorter than on the inside.

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Abstract

Eine Strömungsmaschine (10) für ein Fluid enthält einen radialen Dichtspalt (9), der zwischen Statorteilen (4, 4a, 4b) und einem geschlossenen Laufrad (3) der Strömungsmaschine ausgebildet ist, wobei am Dichtspalt mindestens ein stationär angeordneter Verschleissring (5) vorgesehen ist mit einer dem Laufrad zugewandten Innenseite, einer Aussenseite und zwei axial beabstandeten seitlichen Oberflächen. Im Verschleissring (5) ist eine konzentrisch verlaufende Vertiefung (6) in Form eines radialen Spaltes oder eines radialen Einschnittes ausgebildet, wobei sich die Vertiefung (6), ausgehend von einer der seitlichen Oberflächen, in axialer Richtung über mehr als ein Fünftel der axialen Länge des Verschleissringes erstreckt, und wobei der Verschleissring (5) aus Metall, Hartmetall oder keramischem Werkstoff gefertigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine für ein Fluid mit einem radialen Dichtspalt und einem stationär angeordneten Verschleissring gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Verschleissring für eine derartige Strömungsmaschine gemäss Oberbegriff von Anspruch 8.
  • In Strömungsmaschinen für Fluide sind zwischen den Laufrädern und den Statorteilen radiale Dichtspalte vorgesehen, die normalerweise eng ausgelegt werden, um die Verlustströme klein zu halten. In Anwendungen mit einem Betriebsdruck von 500 bar und höher kommt es wegen des aussen am Stufengehäuse anliegenden Druckes und/oder bestehenden axialen Druckdifferenzen zwischen den einzelnen Stufengehäusen zu Gehäusedeformationen, wobei die Statorteile einer Biegebelastung unterliegen, und wobei insbesondere in der ersten und zweiten Stufe merkliche Verformungen der Statorteile auftreten können. Im Eintrittsbereich der Laufräder und in der Nähe der Pumpenwelle führt die Verformung der Statorteile in der Regel dazu, dass die radialen Dichtspalte im Betrieb verengt sind, und die Spaltbreite der radialen Dichtspalte an der engsten Stelle auf einen Bruchteil der ursprünglichen Grösse verkleinert wird.
  • Wenn sich Laufrad und Statorteile in bestimmten Betriebszuständen, wie beispielsweise beim Anfahren der Strömungsmaschine, berühren, kann dies zu einer vorzeitigen Abnützung der Statorteile und/oder des Laufrades und zu einer unerwünschten Verbreiterung der Dichtspalte führen. Falls das Fluid Feststoffe enthält, kann dies ebenfalls zu einem erhöhten Verschleiss in den engen Dichtspalten führen. Sich hierdurch vergrössernde Dichtspalte verschlechtern den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine in einem wesentlichen, nicht tolerierbaren Masse. Entsprechend stellt auch eine vorbeugende Verbreiterung der Dichtspalte keine wirtschaftliche Lösung dar.
  • Treten je nach Ausführungsform der Strömungsmaschine vorwiegend axiale Verformungserscheinungen und damit Biegebelastungen des Statorteils auf, entsteht in axialer Richtung des Spaltes ein sich verbreiterndes oder verkleinerndes Spiel. Dies kann durch sich einstellende Düseneffekte zu unerwünschten Strömungserscheinungen führen, die ebenfalls eine Wirkungsgradverschlechterung mit sich bringen. Als weitere negativen Effekte können Instabilitäten der Strömungsmaschinen-Kennlinien auftreten.
  • Um einer unerwünschten Verbreiterung der Dichtspalte entgegenzuwirken, werden deshalb in den Dichtspalten Schutzschichten und/oder selbsttragende Verschleissringe aus verschleissfesten Werkstoffen eingesetzt. Derartige Verschleissringe weisen zwar eine hohe Verschleissfestigkeit auf, sie sind jedoch wegen ihrer Verschleissfestigkeit nur in einfachen Formen herstellbar. Ein weiterer Nachteil ist die geringe Elastizität derartiger Verschleissringe. Bei hohen Drücken kann die Verformung der Statorteile dazu führen, dass der enge Dichtspalt unter ein zulässiges Mass schrumpft oder gar überbrückt wird, was trotz Verschleissring zu einer vorzeitigen Verbreiterung der Dichtspalte oder gar zu einer Beschädigung der Strömungsmaschine führen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine für ein Fluid zur Verfügung zu stellen, die einen radialen Dichtspalt zwischen Statorteilen und einem Laufrad umfasst, und die für Betriebsdrücken von 500 bar und höher eingesetzt werden kann, ohne dass es in Folge des Betriebsdruckes zu einer vorzeitigen Verbreiterung der Dichtspalte kommt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verschleissring für eine derartige Strömungsmaschine zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in Anspruch 1 definierte Strömungsmaschine und den in Anspruch 8 definierten Verschleissring gelöst.
  • Die erfindungsgemässe Strömungsmaschine für ein Fluid enthält einen radialen Dichtspalt, der zwischen Statorteilen und einem geschlossenen Laufrad der Strömungsmaschine ausgebildet ist, wobei am Dichtspalt mindestens ein stationär angeordneter Verschleissring vorgesehen ist mit einer dem Laufrad zugewandten Innenseite, einer Aussenseite und zwei axial beabstandeten seitlichen Oberflächen. Im Verschleissring ist eine konzentrisch verlaufende Vertiefung in Form eines radialen Spaltes oder eines radialen Einschnittes ausgebildet, wobei sich die Vertiefung, ausgehend von einer der seitlichen Oberflächen, in axialer Richtung über mehr als ein Fünftel der axialen Länge des Verschleissringes erstreckt, und wobei der Verschleissring aus Metall, Hartmetall oder keramischem Werkstoff gefertigt ist. Unter der axialen Länge des Verschleissringes wird dabei stets die axiale Gesamtlänge des Verschleissringes verstanden.
  • Die Strömungsmaschine kann beispielsweise eine Pumpe, Kreiselpumpe oder Radialpumpe oder eine Turbine sein, wobei die Strömungsmaschine oder Pumpe oder Turbine bei Bedarf für einen Betriebsdruck von mehr als 240 bar oder mehr als 360 bar ausgebildet sein kann.
  • Der Verschleissring kann zum Beispiel mittels Schrumpfsitz oder Schweissverbindung oder Lötverbindung oder Schraubverbindung oder einer Kombination dieser Verbindungen mit dem Statorteil verbunden sein.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Strömungsmaschine ist die Aussenseite des Verschleissringes auf der einen Seite mit dem Statorteil verbunden, während auf der in axialer Richtung anderen Seite des Verschleissringes zwischen diesem und dem Statorteil ein radialer Spalt ausgebildet ist, dessen axiale Länge grösser als ein Viertel oder grösser als ein Drittel der axialen Länge des Verschleissringes ist. Typisch geht die Vertiefung im Verschleissring von der Seite aus, auf welcher der Verschleissring aussen mit dem Statorteil verbunden ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Strömungsmaschine sind der Verschleissring, und damit typisch auch die Vertiefung im Verschleissring, am Einlass des Laufrades angeordnet, wobei der Verschleissring das Laufrad an dieser Stelle umschliesst.
  • Weiter umfasst die Erfindung einen Verschleissring für eine Strömungsmaschine für ein Fluid, die einen radialen Dichtspalt aufweist, welcher zwischen Statorteilen und einem geschlossenes Laufrad ausgebildet ist, wobei der Verschleissring eine im Einsatz dem Laufrad zugewandte Innenseite, eine Aussenseite und zwei axial beabstandete seitliche Oberflächen hat und im Einsatz zur stationären Anordnung am Dichtspalt vorgesehen ist. Im Verschleissring ist eine konzentrisch verlaufende Vertiefung in Form eines radialen Spaltes oder eines radialen Einschnittes ausgebildet, wobei sich die Vertiefung, ausgehend von einer der seitlichen Oberflächen, in axialer Richtung über mehr als ein Fünftel der axialen Länge des Verschleissringes erstreckt, und wobei der Verschleissring aus Metall, Hartmetall oder keramischem Werkstoff gefertigt ist. Unter der axialen Länge des Verschleissringes wird dabei stets die axiale Gesamtlänge des Verschleissringes verstanden. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Verschleissring aus einem Stück gefertigt.
  • Typisch ist der Verschleissring rotationssymmetrisch ausgebildet. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Verschleissring auf der Innenseite und/oder auf der Aussenseite zylindrisch ausgebildet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante weist die Innenseite des Verschleissringes eine Oberflächenstruktur auf, beispielsweise in Form von umfänglich ausgeführten Rillen oder Rändelungen oder Wabenstrukturen, und/oder die Innenseite des Verschleissringes ist geschliffen oder poliert.
  • Weiter kann sich die Vertiefung in axialer Richtung über mehr als ein Drittel oder mehr als die Hälfte der axialen Länge des Verschleissringes erstrecken. Typisch ist die Vertiefung im Querschnitt am Ende abgerundet, beispielsweise in Form eines Rundbogens oder Halbkreises. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante weist der Verschleissring auf der Aussenseite eine reduzierte Länge aufweist.
  • Typisch weist das Material des Verschleissringes einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von weniger als 15 x 10-6/°C auf.
  • Die Strömungsmaschine und der Verschleissring gemäss vorliegender Erfindung haben den Vorteil, dass dank der im Verschleissring ausgebildeten Vertiefung das elastische Verhalten desselben verbessert werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Verschleissring aus einem vergleichsweise wenig elastischen Material wie beispielsweise Hartmetall oder einem keramischen Material gefertigt ist. Dank des verbesserten elastischen Verhaltens des Verschleissringes werden radiale und axiale Verformungserscheinungen im Betrieb kompensiert, so dass der Dichtspalt vergleichsweise eng ausgelegt werden, ohne dass die Verformung der Statorteile bei einem Betriebsdruck von mehr als 300 bar dazu führt, dass die Statorteile und/oder das Laufrad vorzeitig abgenützt oder gar beschädigt werden. Weiter können Instabilitäten der Strömungsmaschinen-Kennlinien, die als Folge der radialen und axialen Verformungen der Statorteile auftreten, durch die erfindungsgemässe Ausführung der Verschleissringe verringert werden.
  • Die obige Beschreibung von Ausführungsformen dient lediglich als Beispiel. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Ansprüchen und der Zeichnung hervor. Darüber hinaus können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch einzelne Merkmale aus den beschriebenen oder gezeigten Ausführungsformen und -varianten miteinander kombiniert werden, um neue Ausführungsformen zu bilden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele und an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiels einer Strömungsmaschine gemäss vorliegender Erfindung,
    Fig. 2
    eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels einer Strömungsmaschine gemäss vorliegender Erfindung, und
    Fig. 3
    eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verschleissringes gemäss vorliegender Erfindung.
  • Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiels einer Strömungsmaschine 10 gemäss vorliegender Erfindung. Die gezeigte Strömungsmaschine 10 für ein Fluid enthält einen radialen Dichtspalt 9, der zwischen Statorteilen 4a, 4b und einem geschlossenen Laufrad 3 der Strömungsmaschine ausgebildet ist, wobei am Dichtspalt 9 mindestens ein stationär angeordneter Verschleissring 5, 5' vorgesehen ist mit einer dem Laufrad zugewandten Innenseite, einer Aussenseite und zwei axial beabstandeten seitlichen Oberflächen. Im Verschleissring 5, 5' ist eine konzentrisch verlaufende Vertiefung 6 in Form eines radialen Spaltes oder eines radialen Einschnittes ausgebildet, wobei sich die Vertiefung 6, ausgehend von einer der seitlichen Oberflächen, in axialer Richtung über mehr als ein Fünftel der axialen Länge des Verschleissringes erstreckt, und wobei der Verschleissring 5, 5' aus Metall, Hartmetall oder keramischem Werkstoff gefertigt ist.
  • Die Strömungsmaschine 10 kann zudem bei Bedarf eine oder mehrere der folgenden Komponenten enthalten: Ein Gehäuse 1, beispielsweise, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Topfgehäuse, ein Stufengehäuse 1', Leitelemente im Anschluss an die Strömungskanäle des Laufrades 3, einen Crossover-Kanal zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen, eine Welle 2, auf der das Laufrad bzw. die Laufräder angeordnet sind, und die im Gehäuse drehbar gelagert ist, Dichtungen (in Fig. 1 nicht gezeigt), um die Welle 2 gegenüber dem Gehäuse 1 abzudichten, einen Pumpeneinlass oder einen Pumpenauslass.
  • Die Strömungsmaschine 10 kann beispielsweise eine Pumpe, insbesondere, wie in Fig. 1 gezeigt, eine mehrstufige Pumpe, Kreiselpumpe oder Radialpumpe oder eine Turbine sein, wobei die Strömungsmaschine oder Pumpe oder Turbine bei Bedarf für einen Betriebsdruck von mehr als 240 bar oder mehr als 360 bar ausgebildet sein kann.
  • Der Verschleissring 5, 5' kann zum Beispiel mittels Schrumpfsitz oder Schweissverbindung oder Lötverbindung oder Schraubverbindung oder einer Kombination dieser Verbindungen mit dem Statorteil 4a, 4b verbunden sein.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Strömungsmaschine 10 sind der Verschleissring 5, 5', und damit typisch auch die Vertiefung 6 im Verschleissring, am Einlass des Laufrades 3 angeordnet, wobei der Verschleissring das Laufrad an dieser Stelle umschliesst.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Strömungsmaschine 10 werden nachstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 2 erläutert. Auf mögliche Ausführungsvarianten des Verschleissringes 5, 5' wird im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 3 eingegangen.
  • Fig. 2 zeigt eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels einer Strömungsmaschine 10 gemäss vorliegender Erfindung. Die in der Detailansicht gezeigten Strömungsmaschine für ein Fluid enthält einen radialen Dichtspalt 9, der zwischen Statorteilen 4a, 4b und einem geschlossenen Laufrad 3 der Strömungsmaschine ausgebildet ist, wobei am Dichtspalt 9 mindestens ein stationär angeordneter Verschleissring 5 vorgesehen ist mit einer dem Laufrad zugewandten Innenseite, einer Aussenseite und zwei axial beabstandeten seitlichen Oberflächen. Im Verschleissring 5 ist eine konzentrisch verlaufende Vertiefung 6 in Form eines radialen Spaltes oder eines radialen Einschnittes ausgebildet, wobei sich die Vertiefung 6, ausgehend von einer der seitlichen Oberflächen, in axialer Richtung über mehr als ein Fünftel der axialen Länge des Verschleissringes erstreckt, und wobei der Verschleissring 5 aus Metall, Hartmetall oder keramischem Werkstoff gefertigt ist.
  • Die Strömungsmaschine 10 kann zudem bei Bedarf eine oder mehrere der folgenden Komponenten enthalten: Ein Gehäuse 1, beispielsweise ein Topfgehäuse, ein Stufengehäuse 1', eine Welle 2, auf der das Laufrad bzw. die Laufräder angeordnet sind, und die im Gehäuse drehbar gelagert ist, oder Dichtungen (in Fig. 2 nicht gezeigt), um die Welle 2 gegenüber dem Gehäuse 1 abzudichten.
  • Die Strömungsmaschine 10 kann beispielsweise eine Pumpe, insbesondere, wie in Fig. 2 gezeigt, eine mehrstufige Pumpe, Kreiselpumpe oder Radialpumpe sein, wobei die Strömungsmaschine oder Pumpe bei Bedarf für einen Betriebsdruck von mehr als 240 bar oder mehr als 360 bar ausgebildet sein kann.
  • Der Verschleissring 5 kann zum Beispiel mittels Schrumpfsitz oder Schweissverbindung oder Lötverbindung oder Schraubverbindung oder einer Kombination dieser Verbindungen mit dem Statorteil 4a, 4b verbunden sein.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Strömungsmaschine 10 ist die Aussenseite 7 des Verschleissringes 5 auf der einen Seite mit dem Statorteil 4a, 4b verbunden, während auf der in axialer Richtung anderen Seite des Verschleissringes zwischen diesem und dem Statorteil ein radialer Spalt 8 ausgebildet ist, dessen axiale Länge grösser als ein Viertel oder grösser als ein Drittel der axialen Länge des Verschleissringes ist. Typisch geht die Vertiefung 6 im Verschleissring 5 von der Seite aus, auf welcher der Verschleissring aussen mit dem Statorteil verbunden ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Strömungsmaschine 10 sind der Verschleissring 5, und damit typisch auch die Vertiefung 6 im Verschleissring, am Einlass des Laufrades 3 angeordnet, wobei der Verschleissring das Laufrad an dieser Stelle umschliesst. Bei Bedarf kann auf der Deckscheibe des Laufrades, die zusammen mit dem Verschleissring 5 den Dichtspalt 9 bildet, eine abriebfeste Schutzschicht vorgesehen werden oder, falls das zu fördernde Fluid zum Beispiel abrasive Feststoffe enthält, ein Verschleissring, der am Laufrad befestigt ist.
  • Vorteilhafterweise wird die Vertiefung 6 des Verschleissringes 5 durch den Statorteil 4a, 4b mindestens teilweise abgedeckt.
  • Auf mögliche Ausführungsvarianten des Verschleissringes 5 wird nachstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 3 eingegangen.
  • Fig. 3 zeigt eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verschleissringes gemäss vorliegender Erfindung in eingebautem Zustand. Der erfindungsgemässe Verschleissring 5 für eine Strömungsmaschine für ein Fluid, die einen radialen Dichtspalt 9 aufweist, welcher zwischen Statorteilen 4 und einem geschlossenes Laufrad 3 ausgebildet ist, hat eine im Einsatz dem Laufrad zugewandte Innenseite, eine Aussenseite und zwei axial beabstandete seitliche Oberflächen und ist im Einsatz zur stationären Anordnung am Dichtspalt 9 vorgesehen. Im Verschleissring 5 ist eine konzentrisch verlaufende Vertiefung 6 in Form eines radialen Spaltes oder eines radialen Einschnittes ausgebildet, wobei sich die Vertiefung 6, ausgehend von einer der seitlichen Oberflächen, in axialer Richtung über mehr als ein Fünftel der axialen Länge des Verschleissringes erstreckt, und wobei der Verschleissring 5 aus Metall, Hartmetall oder keramischem Werkstoff gefertigt ist, beispielsweise aus einem verschleissfesten Werkstoff, wie zum Beispiel nitriergehärtetem Stahlguss oder einem keramischen Werkstoff, der zum Beispiel Metalloxide, Wolframkarbid oder Siliziumkarbid enthalten kann. Typisch weist das Material des Verschleissringes einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von weniger als 15 x 10-6/°C auf. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Verschleissring 5 aus einem Stück gefertigt.
  • Der Verschleissring 5 ist typisch rotationssymmetrisch ausgebildet. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Verschleissring 5 auf der Innenseite und/oder auf der Aussenseite zylindrisch ausgebildet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante weist die Innenseite des Verschleissringes 5 eine Oberflächenstruktur auf, beispielsweise in Form von umfänglich ausgeführten Rillen oder Rändelungen oder Wabenstrukturen, und/oder die Innenseite des Verschleissringes 5 ist geschliffen oder poliert.
  • Weiter kann sich die Vertiefung 6 in axialer Richtung über mehr als ein Drittel oder mehr als die Hälfte der axialen Länge des Verschleissringes erstrecken. Die Vertiefung 6 hat üblicherweise eine innere und eine äussere Wandung, die beispielsweise parallel zur Achse des Verschleissringes verlaufen können. Typisch ist die Vertiefung 6 im Querschnitt am Ende abgerundet, beispielsweise in Form eines Rundbogens oder Halbkreises. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Verschleissring 5 auf der Aussenseite 7 kürzer als auf der Innenseite.
  • Dank der im Verschleissring ausgebildeten Vertiefung wird das elastische Verhalten desselben verbessert, und der Dichtspalt zwischen dem stationär angeordneten Verschleissring und dem Laufrad kann demzufolge enger ausgelegt werden, als dies ohne Vertiefung möglich wäre. Damit ist es möglich, die Dichtspalte für einen optimalen Wirkungsgrad auszulegen und eine wirtschaftliche Strömungsmaschine zur Verfügung zu stellen, in welcher die Abnützung des Laufrades und/oder Statorteile bzw. des Verschleissringes bei einem Betriebsdruck von mehr als 300 bar geringer ist als in herkömmlichen Strömungsmaschinen für diesen Druckbereich.

Claims (15)

  1. Strömungsmaschine (10) für ein Fluid mit einem radialen Dichtspalt (9), der zwischen Statorteilen (4, 4a, 4b) und einem geschlossenen Laufrad (3) ausgebildet ist, wobei am Dichtspalt (9) mindestens ein stationär angeordneter Verschleissring (5, 5') vorgesehen ist mit einer dem Laufrad (3) zugewandten Innenseite, einer Aussenseite und zwei axial beabstandeten seitlichen Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass im Verschleissring (5, 5') eine konzentrisch verlaufende Vertiefung (6) in Form eines radialen Spaltes oder eines radialen Einschnittes ausgebildet ist, dass sich die Vertiefung (6), ausgehend von einer der seitlichen Oberflächen, in axialer Richtung über mehr als ein Fünftel der axialen Länge des Verschleissringes erstreckt, und dass der Verschleissring (5, 5') aus Metall, Hartmetall oder keramischem Werkstoff gefertigt ist.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Strömungsmaschine (10) eine Pumpe oder eine Kreiselpumpe oder eine Radialpumpe ist.
  3. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Strömungsmaschine (10) oder Pumpe für einen Betriebsruck von mehr als 240 bar oder mehr als 360 bar ausgebildet ist.
  4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Verschleissring (5, 5') mittels Schrumpfsitz und/oder Schweissverbindung und/oder Lötverbindung und/oder Schraubverbindung mit dem Statorteil (4, 4a, 4b) verbunden ist.
  5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Aussenseite (7) des Verschleissringes (5, 5') auf der einen Seite mit dem Statorteil (4, 4a, 4b) verbunden ist und auf der in axialer Richtung anderen Seite des Verschleissringes zwischen diesem und dem Statorteil (4, 4a, 4b) ein radialer Spalt (8) ausgebildet ist, dessen axiale Länge grösser als ein Viertel oder grösser als ein Drittel der axialen Länge des Verschleissringes ist.
  6. Strömungsmaschine nach Anspruch 5, wobei die Vertiefung (6) im Verschleissring (5, 5') von der Seite ausgeht, auf welcher der Verschleissring aussen mit dem Statorteil (4, 4a, 4b) verbunden ist.
  7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Verschleissring (5, 5') am Einlass des Laufrades (3) angeordnet ist und dasselbe an dieser Stelle umschliesst.
  8. Verschleissring (5, 5') für eine Strömungsmaschine für ein Fluid, die einen radialen Dichtspalt (9) hat, welcher zwischen Statorteilen (4, 4a, 4b) und einem geschlossenes Laufrad (3) ausgebildet ist, wobei der Verschleissring (5, 5') eine im Einsatz dem Laufrad zugewandte Innenseite, eine Aussenseite und zwei axial beabstandete seitliche Oberflächen hat und im Einsatz zur stationären Anordnung am Dichtspalt (9) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Verschleissring (5, 5') eine konzentrisch verlaufende Vertiefung (6) in Form eines radialen Spaltes oder eines radialen Einschnittes ausgebildet ist, dass sich die Vertiefung (6), ausgehend von einer der seitlichen Oberflächen, in axialer Richtung über mehr als ein Fünftel der axialen Länge des Verschleissringes erstreckt, und dass der Verschleissring (5, 5') aus Metall, Hartmetall oder keramischem Werkstoff gefertigt ist.
  9. Verschleissring nach Anspruch 8, wobei der Verschleissring (5, 5') aus einem Stück gefertigt ist.
  10. Verschleissring nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der Verschleissring (5, 5') rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
  11. Verschleissring nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Verschleissring (5, 5') auf der Innenseite und/oder auf der Aussenseite zylindrisch ausgebildet ist.
  12. Verschleissring nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei sich die Vertiefung (6) in axialer Richtung über mehr als ein Drittel oder mehr als die Hälfte der axialen Länge des Verschleissringes erstreckt.
  13. Verschleissring nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Verschleissring (5, 5') auf der Aussenseite (7) eine reduzierte Länge aufweist.
  14. Verschleissring nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Innenseite des Verschleissringes (5, 5') eine Oberflächenstruktur aufweist, insbesondere in Form von umfänglich ausgeführten Rillen oder Rändelungen oder Wabenstrukturen, und/oder wobei die Innenseite des Verschleissringes (5, 5') geschliffen oder poliert ist.
  15. Verschleissring nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das Material des Verschleissringes (5, 5') einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α von weniger als 15 x 10-6/°C aufweist.
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