EP3460246A1 - Zentrifugalpumpe für kryogene fördermedien - Google Patents

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EP3460246A1
EP3460246A1 EP18192242.8A EP18192242A EP3460246A1 EP 3460246 A1 EP3460246 A1 EP 3460246A1 EP 18192242 A EP18192242 A EP 18192242A EP 3460246 A1 EP3460246 A1 EP 3460246A1
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EP
European Patent Office
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pump
roller bearing
housing
cryogenic
pump housing
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EP18192242.8A
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EP3460246B1 (de
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Stéphane BOEGLIN
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Fives Cryomec AG
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Fives Cryomec AG
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Publication date
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    • F05C2203/0886—Silica

Definitions

  • the present invention describes a centrifugal pump for cryogenic conveying media according to the preamble of the first claim.
  • Such a solution of a pump for cryogenic fluids with unlubricated roller bearings is for example from the Japanese patent document JP 2014/020491 A known.
  • steel races are used, with the steel undergoing a cryogenic hardening.
  • the rolling elements can also be made of steel with cryogenic hardening or ceramic. According to the solution shown in this document, it is therefore intended to try to To increase abrasion resistance of the bearings, thereby avoiding the use of lubricants can.
  • a centrifugal pump for conveying a cryogenic medium comprises a main conveying flow of the cryogenic conveying medium between the inlet side or suction side, and the outlet side or pressure side.
  • centrifugal pump openings are provided in an outlet flange, wherein via these openings a part of the exiting, cryogenic conveying medium diverted from the main flow and out of the pump housing arranged pipes is guided to a connection piece on the pump housing.
  • the connecting piece is located substantially in the same axial position as the upper, ie the pump wheel remote, roller bearing, wherein a hole in an upper housing cover a communicating connection between the connecting piece and the upper roller bearing is created. This achieves lubrication of the upper roller bearing as well as cooling of the upper roller bearing.
  • the pump housing closer or pump housing side, roller bearing is also supplied with the branched portion of the cryogenic pumped medium by sufficient clearance between the roller bearing housing and the shaft is present for the passage of the cryogenic pumped fluid at this point.
  • the diverted part of the cryogenic conveying medium can be returned to the main conveying flow of the cryogenic conveying medium along the motor shaft and via a gap above the impeller designed as an impeller.
  • a one-piece shaft which functions both as a motor shaft and as a pump shaft, points in DE 1 801 864 a extending between the roller bearings bore, which is formed in this region of the shaft, a cavity. There is a communicating connection between the spigot in the cavity in the shaft. Additional holes in the shaft also create a communicating connection between this cavity of the shaft and the roller bearings.
  • centrifugal pumps have the disadvantage that a plurality of pipelines, ie comparatively long ways, are necessary so that the diverted part of the cryogenic pumped medium can reach the roller bearings and back into the main flow of the cryogenic pumped medium.
  • the present invention has for its object to provide a centrifugal pump, which overcomes the disadvantages of the known prior art and in particular keeps the structural design of the centrifugal pump as simple as possible.
  • a first communicating connection in particular a direct connection channel formed for a branched part of the cryogenic conveying medium to the roller bearing, and between the pump housing side roller bearing and the suction side, a second communicating connection is formed for the branched part the cryogenic conveying medium back to the suction side in the pump housing, so that a circulation of the branched portion of the cryogenic conveying medium between the pump housing and the pump housing side roller bearing is ensured.
  • the cryogenic conveying medium branched off for lubrication and cooling can circulate in a comparatively small-scale circle.
  • losses of the branched, cryogenic pumped medium can be kept low.
  • cryogenic conveying medium does not evaporate in the region of the unlubricated, pump housing-side roller bearing, which is preferably made possible by preventing the passage below a certain minimum pressure. Vaporizing the cryogenic medium in the area of the roller bearings can damage the roller bearings.
  • a comparatively small-scale circulation circuit is advantageous because it ensures the maintenance of the necessary minimum pressure through the construction.
  • liquid gases such as liquid hydrocarbons such as liquid methane, liquid nitrogen, etc. may be used as the cryogenic conveying medium.
  • Liquefied gas is understood as meaning a gas liquefied by cooling and compression. It has been shown that just liquid Hydrocarbons have good lubricating properties and are therefore particularly well suited for cryogenic lubrication.
  • an intermediate piece in the form of a housing cover located between the motor housing and the pump housing, wherein the housing cover has a connecting channel in the form of a bore between the pressure side and the pump housing side roller bearing to form the first communicating connection.
  • a sealing element between the pump housing-side housing cover and the shaft is arranged in such a sealing to achieve a barrier between the pump housing and the motor housing.
  • known centrifugal pumps may be the drive motor side in the inventive centrifugal preferably a conventional, lubricated roller bearings.
  • the sealing element serving as a barrier to the cryogenic conveying medium thus advantageously avoids the known problems which occur when the cryogenic conveying medium is brought into contact with lubricated roller bearings, and also forces the diverted part back into the main conveying flow of the cryogenic conveying medium via the second communicating connection.
  • the centrifugal pump according to the invention is designed for use in a horizontal position and thus suitable to be mounted, for example, on a truck (truck).
  • the motor housing in particular at a lowest position when used in a horizontal position during use, an outlet bore, wherein at the outlet bore to the suction side extending pressure equalization line is attachable.
  • an outlet bore with an attached pressure compensation line advantageously allows removal of unwanted present in the motor housing cryogenic fluid, which is for example due to a poor barrier effect, for example, due to damage or wear of the sealing element between the pump housing side housing cover and the shaft passes into the motor housing.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through a preferred embodiment of the inventive centrifugal pump 1.
  • the centrifugal pump 1 has a motor housing for an electric drive motor unit 12 and a pump housing 2 for receiving the pump elements.
  • it is a single-stage impeller pump with only one impeller 5, which may also be a multi-stage impeller pump with multiple pump wheels 5.
  • the drive motor unit 12 has a shaft 11, which in two roller bearings 20; 21 is stored.
  • a drive motor side, i. the impeller 5 or pump housing 2 remotely, roller bearing 20 is in this case mounted in a drive motor-side housing cover 9.
  • the shaft 11 is a one-piece shaft, which functions both as a motor shaft and as a pump shaft.
  • a design of the centrifugal pump 1 with a non-integral shaft is conceivable in which a motor shaft can be connected to a pump shaft via a coupling.
  • a pump wheel 5 and an impeller 6 designed as an impeller 6 are fastened here by means of a fixing screw 7.
  • the impeller 5 is exemplified here as a spiral-shaped conveying blade.
  • a suction flange 4 for the suction of the main flow F H of the cryogenic medium is arranged on the substantially same axial position as the pump housing 2 and substantially at right angles to the inlet side E.
  • the outlet side is arranged here with an outlet flange for the ejection of the main conveying flow F H of the cryogenic conveying medium (not visible in FIG Fig. 1 ).
  • housing cover 15 Between the motor housing 10 and the pump housing 2 is an intermediate piece in the form of a housing cover 15, said housing cover 15 with suitable fixing means establishes a firm connection between the motor housing 10 and the pump housing 2.
  • the housing cover 15 has adapter and separation function.
  • the pump housing side i. the pump housing 2 or impeller 5 closer, roller bearings 21 stored.
  • an insulating washer 19 is preferably arranged between the housing cover 15 and the motor housing 10.
  • a first communicating compound in particular as a direct connection channel 16, formed for a branched part F A1 of the main flow F H of the cryogenic medium.
  • the connecting channel 16 is formed here in the form of a bore in the housing cover 15 and extends here, for example between roller bearings 21 transversely outwards to an outer radial portion of the pump housing 2.
  • Fig.1 only one connecting channel 16 is shown, wherein quite one or more connecting channels 16 may be present as needed.
  • a pressure P 2 on the pressure side D in the outer radial region of the pump housing 2 against a pressure P 1 at the suction side S in an inner radial region of the pump housing 2.
  • the pressure P 2 on the Pressure side D usually corresponds to the pressure to be achieved of the exiting main conveying flow F H of the cryogenic conveying medium.
  • a pressure gradient forms, where: P 2 > P 1 .
  • This pressure gradient causes a branching of a part F A1 from the main flow F H of the cryogenic pumped medium in the direction of the roller bearing 21 and thereby a Flow through or cryogenic lubrication and cooling of the roller bearing 21.
  • a pressure gradient or a pressure difference between P 1 and P 2 can be adjustable from 0.8 to 8 bar, wherein this pressure gradient can be influenced in particular by the pump speed and the diameter of the impeller.
  • a second communicating connection is formed for the return of the branched part F A2 of the cryogenic pumped medium back to the suction side S in the pump housing 2, so that a circulation of the branched part F A1 ; F A2 of the cryogenic conveying medium between the pressure side D in the pump housing 2 via the pump-housing-side roller bearing 21 back to the suction side S is ensured.
  • the second communicating connection in the form of at least one lower opening O 2 of the pump housing-side roller bearing 21 is configured and can thus reach an upper suction side S 1 .
  • the second communicating connection here by way of example includes by dashed lines at least one bore B in the impeller 6, whereby the branched-off part F A2 of the cryogenic pumped medium can pass from an upper suction side S 1 back to the suction side S. It has been shown that between the upper suction side S 1, a slightly higher pressure than the pressure P 1 on the suction side S, whereby the branched part F A2 of the cryogenic medium can get back into the main flow F H of the cryogenic medium.
  • the shaft 11 enclosing seal member 18 is disposed between the housing cover 15 and the shaft 11 so sealingly to a barrier between the pump housing 2 and the motor housing 10 to achieve.
  • This sealing element 18 forces - as in Fig. 1 visible in the direction away from the motor housing 10 - the branched-off part F A2 of the cryogenic pumped medium via the second communicating connection back into the main flow F H of the cryogenic pumped medium.
  • This in Fig. 1 shown, preferred embodiment also has, for example - in addition to the sealing element 18 - a labyrinth seal 17 between the unlubricated roller bearing 21 and the sealing member 18.
  • the inventive centrifugal pump 1 allows through a gap between the labyrinth seal 17 and the roller bearing 21 a flow of the branched part F A1 of the cryogenic medium, so that the branched part F A1 of the cryogenic medium via at least one upper opening O 1 enter the roller bearing 21 and can be lubricated by the cryogenic pumped medium.
  • the centrifugal pump 1 is designed or suitable for being operated in a horizontal position, ie in a horizontally oriented longitudinal axis of the shaft 11, for use, for example, on a truck.
  • the centrifugal pump 1 is preferably designed such that the in Fig.1 shown, outlet bore 13 in the motor housing 10 is aligned and arranged at a lowest point located in the direction of gravity aligned and arranged, whereby undesirable in the motor housing 10, located liquid cryogenic conveying medium can collect at this point.
  • Fig.1 indicated by a dashed line is preferably a pressure equalization line 14 attached to the outlet bore 13 and to a bore 3 in the suction flange 4 of the pump housing 2 sealing.
  • Such a pressure equalization line 14 is advantageous because the liquid, cryogenic pumped medium from the interior of the motor housing 10 in the direction of suction side S at the inlet opening E is forced.
  • Such an outlet bore 13 with an attached pressure equalization line 14 advantageously allows removal of unwanted present in the motor housing 10 liquid cryogenic Conveyor medium which, for example due to a poor barrier effect, for example, due to damage or wear of the sealing element 18 between the pump housing-side housing cover 15 and the shaft 11 has entered the motor housing 10.
  • the unlubricated roller bearing 21 in the housing cover 15 here comprises a plurality of balls 23, an inner race 25 and an outer race 27 each with running surfaces, between which the balls 23 are arranged, in which case the balls 23 may be made of ceramic.
  • the races 25; 27 are preferably made of steel and ideally have a chromium-based coating in the area of the running surfaces.
  • Such an unlubricated roller bearing 21 or ball bearing is also referred to as a hybrid bearing, in which for the races 25; 27 and the balls 23 (also called rolling elements) different materials are used.
  • the most common type is that of the deep groove ball bearing with conventional races 25; 27 made of steel and balls 23 made of a high-strength ceramic, usually silicon nitride.
  • roller bearing 20 in the drive motor-side housing cover 9 may be identical to the roller bearing 21 manufactured, but it can also be advantageous for cost reasons to a conventional, lubricated roller bearings.
  • a cage (not shown in FIG Fig.1 ) ensures that for each ball 23 has a separate chamber.
  • the inner surfaces of the chambers are preferably cylindrical and the cylinder diameter is chosen slightly larger than the diameter of the balls 23, so that the balls can rotate freely in the cage.
  • this cage is made of reinforced PTFE (polytetrafluoroethylene).
  • this cage may also be made of stainless steel, polyetheretherketone (PEEK), brass or any combination thereof.

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Abstract

Bei einer rotierenden direktangetriebenen ein- oder mehrstufigen Zentrifugalpumpe (1) für kryogene Flüssigkeiten, mit einem Pumpengehäuse (2) für die Pumpe (1) und einer elektrischen, als Pumpenantrieb dienenden Antriebsmotoreinheit (12) in einem Motorgehäuse (10), wobei eine Welle (11) der Antriebsmotoreinheit (12) auf zwei Rollenlagern (20; 21) gelagert ist, und wobei zumindest ein Rollenlager (20; 21) ein ungeschmiertes Rollenlager ist, soll der konstruktive Aufbau der Zentrifugalpumpe (1) möglichst einfach gehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) mindestens eine erste kommunizierende Verbindung, insbesondere ein direkter Verbindungskanal (16), ausgebildet ist für einen abgezweigten Teil (FA1) vom Hauptförderstrom (FH) des kryogenen Fördermediums zum Rollenlager (21), und dass zwischen dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) und der Saugseite (S) eine zweite kommunizierende Verbindung ausgebildet ist für den abgezweigten Teil (FA2) des kryogenen Fördermediums zurück zur Saugseite (S) in den Hauptförderstrom (FH) des kryogenen Fördermediums, so dass eine Zirkulation des abgezweigten Teils (FA1; FA2) der kryogenen Fördermediums zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und einzig dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) gewährleistet wird.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Zentrifugalpumpe für kryogene Fördermedien gemäss Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
    • Stand der Technik
  • Bekannt sind aus dem Stand der Technik Pumpen für kryogene Medien. Eine bekannte Schwachstelle gerade bei Zentrifugalpumpen für den Einsatz mit kryogenen Fördermedien liegt bei den üblicherweise verwendeten Rollenlagern, auf welchen eine Motorwelle gelagert ist.
  • Die Einflüsse eines kryogenen Fördermediums auf geschmierte Rollenlager sind an sich bekannt. Es hat sich gezeigt, dass gängige Schmiermittel in der Regel ziemlich rasch durch im Lagerbereich entstehende oder dort eindringende Dämpfe zumindest teilweise aufgelöst werden. Diese Effekte zeigen sich grundsätzlich bei allen bekannten Schmiermitteln für Rollenlager und sie zeigen sich im Laufe der Zeit selbst dann, wenn speziell abgedichtete geschmierte Lager verwendet werden.
  • Aufgrund dieser Schmiermittelproblematik sind deshalb auch Lösungen für Pumpen mit kryogenen Fördermedien entwickelt worden, wobei die Rollenlager nicht geschmiert sind.
  • Eine solche Lösung einer Pumpe für kryogene Fördermedien mit ungeschmierten Rollenlagern ist beispielsweise aus dem japanischen Patentdokument JP 2014/020491 A bekannt. Gemäss diesem Dokument werden Laufringe aus Stahl eingesetzt, wobei der Stahl einer kryogenen Härtung unterzogen wurde. Die Rollkörper können ebenfalls aus Stahl mit kryogener Härtung oder aus Keramik bestehen. Gemäss der in diesem Dokument gezeigten Lösung soll somit versucht werden, die Abrasionsfestigkeit der Lager zu erhöhen, um dadurch auf den Einsatz von Schmiermitteln verzichten zu können.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, dass Materialkombinationen aus Metall und Keramik in ungeschmierten Rollenlagern beziehungsweise Kugellagern (auch allgemein als Wälzlager bezeichnet) in Pumpen, insbesondere Zentrifugalpumpen, keine genügende Ausfallsicherheit bieten. Je mehr die Drehzahl der Motorwelle erhöht wird, desto höher ist die reibungsbedingte Belastung zwischen den einzelnen Komponenten des Rollenlagers.
  • Da die Möglichkeiten hinsichtlich der Optimierung der Materialienpaarungen bzw. Materialkombinationen des ungeschmierten Rollenlagers an Grenzen stösst, sind ebenfalls Lösungen von Pumpen für kryogene Fördermedien mit so genannter kryogener Schmierung der Rollenlager, d.h. eine Schmierung anhand eines Teils des kryogenen Fördermediums, bekannt.
  • Aus der US 3,652,186 ist beispielsweise eine Zentrifugalpumpe zum Fördern eines kryogenen Mediums bekannt. Die Zentrifugalpumpe umfasst einen Hauptförderstrom des kryogenen Fördermediums zwischen der Eintrittsseite beziehungsweise Saugseite, und der Austrittsseite beziehungsweise Druckseite.
  • Im Austrittsbereich, d.h. auf der Druckseite, der in US 3,652,186 gezeigten Zentrifugalpumpe sind Öffnungen in einem Auslassflansch vorgesehen, wobei über diese Öffnungen ein Teil des austretenden, kryogenen Fördermediums vom Hauptförderstrom abgezweigt und über ausserhalb des Pumpengehäuses angeordnete Rohrleitungen an einen Anschlussstutzen am Pumpengehäuse geführt wird.
  • Der Anschlussstutzen befindet sich im Wesentlichen in derselben axialen Position wie das obere, d.h. dem Pumpenrad entferntere, Rollenlager, wobei durch eine Bohrung in einem oberen Gehäusedeckel eine kommunizierende Verbindung zwischen Anschlussstutzen und dem oberen Rollenlager geschaffen wird. Dadurch werden eine Schmierung des oberen Rollenlagers sowie eine Kühlung des oberen Rollenlagers erzielt.
  • Das untere, d.h. dem Pumpengehäuse näher gelegene beziehungsweise pumpengehäuseseitige, Rollenlager wird ebenfalls mit dem abgezweigten Teil des kryogenen Fördermediums versorgt, indem zwischen dem Rollenlagergehäuse und der Welle genügend Spiel vorhanden ist für den Durchtritt des kryogenen Fördermediums an dieser Stelle. An der Austrittsstelle aus dem unteren Rollenlager kann entlang der Motorwelle sowie über einen Spalt oberhalb des als Flügelrad ausgestalteten Laufrads der abgezweigte Teil des kryogenen Fördermediums in den Hauptförderstrom des kryogenen Fördermediums zurückgeführt werden.
  • Im Weiteren ist aus der DE 1 801 864 eine weitere Zentrifugalpumpe zum Fördern eines kryogenen Mediums bekannt, bei welcher auf der Druckseite ein Teil des kryogenen Fördermediums vom Hauptförderstrom abgezweigt wird und über ein ausserhalb der Pumpe sich befindliches Rohrleitungssystem zu einem oberhalb des oberen Rollenlagers sich befindlichen Anschlussstutzen.
  • Eine einstückige Welle, welche sowohl als Motorwelle wie auch als Pumpenwelle fungiert, weist in DE 1 801 864 eine sich zwischen den Rollenlagern erstreckende Bohrung auf, womit in diesem Bereich der Welle ein Hohlraum ausgebildet ist. Zwischen dem Anschlussstutzen in dem Hohlraum in der Welle existiert eine kommunizierende Verbindung. Über zusätzliche Bohrungen in der Welle wird zudem zwischen diesem Hohlraum der Welle und den Rollenlagern eine kommunizierende Verbindung geschaffen.
  • Die aus US 3,652,186 und DE 1 801 864 bekannten Zentrifugalpumpen haben jedoch den Nachteil, dass eine Vielzahl von Rohrleitungen, d.h. vergleichsweise lange Wege, notwendig sind, damit der abgezweigte Teil des kryogenen Fördermediums zu den Rollenlagern und wieder zurück in den Hauptförderstrom des kryogenen Fördermediums gelangen kann.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Zentrifugalpumpe bereitzustellen, welche die Nachteile des bekannten Standes der Technik überwindet und insbesondere den konstruktiven Aufbau der Zentrifugalpumpe möglichst einfach hält.
  • Diese Aufgaben erfüllt eine Zentrifugalpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
  • Erfindungsgemäss ist zwischen der Druckseite im Pumpengehäuse und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager eine erste kommunizierende Verbindung, insbesondere ein direkter Verbindungskanal, ausgebildet für einen abgezweigten Teil des kryogenen Fördermediums zum Rollenlager, und zwischen dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager und der Saugseite ist eine zweite kommunizierende Verbindung ausgebildet für den abgezweigten Teils des kryogenen Fördermediums zurück zur Saugseite im Pumpengehäuse, so dass eine Zirkulation des abgezweigten Teils der kryogenen Fördermediums zwischen Pumpengehäuse und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager gewährleistet wird.
  • Eine solche Zirkulation zwischen der Druckseite und einzig dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager innerhalb der erfindungsgemässen Zentrifugalpumpe hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da sich dadurch eine kryogene Schmierung mit einer einfachen Konstruktion der Pumpe vereinbaren lässt. Beispielsweise kann auf ausserhalb des Pumpengehäuses angeordnete Rohrleitungen - im Gegensatz zu den aus US 3,652,186 und DE 1 801 864 bekannten Zentrifugalpumpen - verzichtet werden, womit das Risiko von Leckverlusten vermieden werden kann.
  • Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einem direkten Verbindungskanal zwischen Druckseite im Pumpengehäuse und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager als erste kommunizierende Verbindung verstanden, dass im Gegensatz zur Zentrifugalpumpe aus der DE 1801864 keine indirekte Verbindung mit dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager über das dem Pumpenrad entferntere, antriebsmotorseitige Rollenlager ausgebildet ist.
  • Gemäss der erfindungsgemässen Lösung einer Zentrifugalpumpe für kryogene Fördermedien kann das zur Schmierung und Kühlung abgezweigte, kryogene Fördermedium in einem vergleichsweise kleinräumigen Kreis zirkulieren. Dadurch können Verluste des abgezweigten, kryogenen Fördermediums gering gehalten werden.
  • Im Weiteren ist es notwendig, dass das kryogene Fördermedium im Bereich des ungeschmierten, pumpengehäuseseitigen Rollenlagers nicht verdampft, was vorzugsweise durch Verhinderung des Unterschreitens eines gewissen Mindestdrucks ermöglicht wird. Ein Verdampfen des kryogenen Fördermediums im Bereich der Rollenlager kann die Rollenlager beschädigen. Ein vergleichsweise kleinräumiger Zirkulationskreis ist vorteilhaft, da hierdurch die Aufrechterhaltung des notwendigen Mindestdrucks durch die Konstruktion gewährleistet ist.
  • Im Sinne der vorliegenden Erfindung können als kryogenes Fördermedium beispielsweise Flüssiggase wie flüssige Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise flüssiges Methan, flüssiger Stickstoff etc. verwendet werden. Unter Flüssiggas wird ein durch Kühlung und Kompression verflüssigtes Gas verstanden. Es hat sich gezeigt, dass gerade flüssige Kohlenwasserstoffe gute Schmiereigenschaften besitzen und sich deshalb für eine kryogene Schmierung besonders gut eignen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Vorzugsweise befindet sich zwischen dem Motorgehäuse und dem Pumpengehäuse ein Zwischenstück in Form eines Gehäusedeckels, wobei der Gehäusedeckel einen Verbindungskanal in Form einer Bohrung zwischen der Druckseite und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager aufweist zur Bildung der ersten kommunizierenden Verbindung.
  • Bevorzugt ist ein Dichtungselement zwischen dem pumpengehäuseseitigen Gehäusedeckel und der Welle derart dichtend angeordnet, um eine Barriere zwischen Pumpengehäuse und dem Motorgehäuse zu erzielen. Im Gegensatz zu den aus US 3,652,186 und DE 1801864 bekannten Zentrifugalpumpen kann es sich beim antriebsmotorseitigen bei der erfindungsgemässen Zentrifugalpumpe vorzugsweise um ein konventionelles, geschmiertes Rollenlager handeln. Das als Barriere für des kryogene Fördermedium dienende Dichtungselement vermeidet damit vorteilhaft die bekannten Probleme, welche bei Inkontaktbringen des kryogenen Fördermediums mit geschmierten Rollenlagern auftreten, und zwingt zudem den abgezweigten Teil über die zweite kommunizierende Verbindung zurück in den Hauptförderstrom des kryogenen Fördermediums.
  • Vorzugsweise ist die erfindungsgemässe Zentrifugalpumpe für den Gebrauch in einer horizontalen Lage ausgelegt und damit geeignet, um beispielsweise an einem Lastkraftwagen (LKW) angebracht zu werden.
  • Bevorzugt weist das Motorgehäuse, insbesondere an einer beim Gebrauch in horizontaler Lage am tiefsten gelegenen Stelle, eine Austrittsbohrung auf, wobei an der Austrittsbohrung eine zur Saugseite verlaufende Druckausgleichsleitung anbringbar ist. Eine solche Austrittsbohrung mit einer daran angebrachten Druckausgleichsleitung erlaubt vorteilhaft ein Entfernen von unerwünscht im Motorgehäuse vorhandenem kryogenem Fördermedium, welches beispielsweise aufgrund einer mangelhaften Barrierewirkung beispielsweise aufgrund einer Beschädigung oder Verschleiss des Dichtungselements zwischen dem pumpengehäuseseitigen Gehäusedeckel und der Welle in das Motorgehäuse gelangt ist.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Zentrifugalpumpe.
    Beschreibung
  • Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Zentrifugalpumpe 1. Die Zentrifugalpumpe 1 hat ein Motorgehäuse für eine elektrische Antriebsmotoreinheit 12 sowie ein Pumpengehäuse 2 zur Aufnahme der Pumpenelemente. Im vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine einstufige Impeller-Pumpe mit nur einem Pumpenrad 5, wobei es sich auch um eine mehrstufige Impeller-Pumpe mit mehreren Pumpenrädern 5 handeln kann.
  • Die Antriebsmotoreinheit 12 hat eine Welle 11, die in zwei Rollenlagern 20; 21 gelagert ist. Ein antriebsmotorseitiges, d.h. dem Pumpenrad 5 beziehungsweise Pumpengehäuse 2 entfernteres, Rollenlager 20 ist hierbei in einem antriebsmotorseitigen Gehäusedeckel 9 gelagert. Im vorliegenden, bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Welle 11 um eine einstückige Welle, welche sowohl als Motorwelle wie auch als Pumpenwelle fungiert. Alternativ ist auch eine Bauform der Zentrifugalpumpe 1 mit einer nicht einstückigen Welle denkbar, bei welcher eine Motorwelle mit einer Pumpenwelle über eine Kupplung verbunden werden kann. An dem dem Pumpengehäuse 2 zugewandten freien Ende der Welle 11 sind hier mittels einer Fixierschraube 7 sowohl ein Pumpenrad 5 wie auch ein als Flügelrad ausgestaltetes Laufrad 6 befestigt. Das Pumpenrad 5 ist hier beispielhaft als eine spiralförmige Förderschaufel ausgebildet.
  • Wie in Fig. 1 ersichtlich ist am Pumpengehäuse 2 auf der Eintrittsöffnung E beziehungsweise Saugseite S ein Saugflansch 4 für die Ansaugung des Hauptförderstroms FH des kryogenen Fördermediums angeordnet. Auf der im Wesentlichen selben axialen Position wie das Pumpengehäuse 2 sowie im Wesentlichen rechtwinklig zur Eintrittsseite E ist hier die Austrittseite mit einem Auslassflansch für den Ausstoss des Hauptförderstroms FH des kryogenen Fördermediums angeordnet (nicht ersichtlich in Fig. 1).
  • Zwischen Motorgehäuse 10 und Pumpengehäuse 2 befindet sich ein Zwischenstück in Form eines Gehäusedeckels 15, wobei dieser Gehäusedeckel 15 mit geeigneten Fixiermitteln eine feste Verbindung zwischen dem Motorgehäuse 10 und dem Pumpengehäuse 2 herstellt. Der Gehäusedeckel 15 hat Adapter- und Trennfunktion. Im Gehäusedeckel 15 ist das pumpengehäuseseitige, d.h. dem Pumpengehäuse 2 beziehungsweise Pumpenrad 5 näher gelegene, Rollenlager 21 gelagert. Gemäss dem hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise zwischen dem Gehäusedeckel 15 und dem Motorgehäuse 10 eine Isolierscheibe 19 angeordnet.
  • Zwischen der Druckseite D im Pumpengehäuse 2 und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager 21 ist eine erste kommunizierende Verbindung insbesondere als ein direkter Verbindungskanal 16, ausgebildet für einen abgezweigten Teil FA1 vom Hauptförderstrom FH des kryogenen Fördermediums. Der Verbindungskanal 16 wird hier in Form einer Bohrung im Gehäusedeckel 15 gebildet und erstreckt sich hier beispielhaft zwischen Rollenlager 21 quer nach aussen bis zu einem äusseren radialen Bereich des Pumpengehäuses 2. In Fig.1 wird nur ein Verbindungskanal 16 gezeigt, wobei durchaus eine oder mehrere Verbindungskanäle 16 je nach Bedarf vorhanden sein können.
  • Während des Betriebs der Zentrifugalpumpe 1 erhöht sich aufgrund der Zentrifugalkräfte ein Druck P2 auf der Druckseite D im äusseren radialen Bereich des Pumpengehäuses 2 gegenüber einem Druck P1 bei der Saugseite S in einem inneren radialen Bereich des Pumpengehäuses 2. Der Druck P2 auf der Druckseite D entspricht üblicherweise dem zu erzielenden Druck des austretenden Hauptförderstroms FH des kryogenen Fördermediums. Mit anderen Worten bildet sich ein Druckgradient, wobei gilt: P2 > P1. Dieser Druckgradient bewirkt ein Abzweigen eines Teils FA1 vom Hauptförderstrom FH des kryogenen Fördermediums in Richtung des Rollenlagers 21 und dadurch ein Durchströmen beziehungsweise eine kryogene Schmierung und Kühlung des Rollenlagers 21. Mit anderen Worten wird die Zirkulation durch den Druckgradienten beziehungsweise die Druckdifferenz zwischen Druckseite D und Saugseite S gewährleistet. Es hat sich gezeigt, dass in der erfindungsgemässen Zentrifugalpumpe 1 ein Druckgradient bzw. eine Druckdifferenz zwischen P1 und P2 von 0,8 bis 8 bar einstellbar sein kann, wobei dieser Druckgradient insbesondere durch die Pumpengeschwindigkeit sowie den Durchmesser des Laufrades beeinflussbar ist.
  • Zwischen dem Rollenlager 21 und der Saugseite S im Pumpengehäuse 2 ist eine zweite kommunizierende Verbindung ausgebildet für die Rückführung des abgezweigten Teils FA2 des kryogenen Fördermediums zurück zur Saugseite S im Pumpengehäuse 2 , so dass eine Zirkulation des abgezweigten Teils FA1; FA2 des kryogenen Fördermediums zwischen der Druckseite D im Pumpengehäuse 2 über das pumpengehäuseseitige Rollenlager 21 zurück zur Saugseite S gewährleistet wird. Gemäss der hier in Fig.1 gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist die zweite kommunizierende Verbindung in Form mindestens einer unteren Öffnung O2 des pumpengehäuseseitigen Rollenlagers 21 ausgestaltet und kann so zu einer oberen Saugseite S1 gelangen. Im Weiteren beinhaltet die zweite kommunizierende Verbindung hier beispielhaft gestrichelt angedeutet mindestens eine Bohrung B im Laufrad 6, wodurch der abgezweigte Teil FA2 des kryogenen Fördermediums von einer oberen Saugseite S1 zurück zur Saugseite S gelangen kann. Es hat sich gezeigt, dass zwischen der oberen Saugseite S1 ein leicht höherer Druck existiert als der Druck P1 auf der Saugseite S, wodurch der abgezweigte Teil FA2 des kryogenen Fördermediums wieder in den Hauptförderstrom FH des kryogenen Fördermediums gelangen kann.
  • Ein ringförmig ausgestaltetes, die Welle 11 umschliessendes Dichtungselement 18 ist zwischen dem Gehäusedeckel 15 und der Welle 11 derart dichtend angeordnet, um eine Barriere zwischen Pumpengehäuse 2 und dem Motorgehäuse 10 zu erzielen. Dieses Dichtungselement 18 zwingt - wie in Fig. 1 ersichtlich in die dem Motorgehäuse 10 abgewandte Richtung - den abgezweigten Teil FA2 des kryogenen Fördermediums über die zweite kommunizierende Verbindung zurück in den Hauptförderstrom FH des kryogenen Fördermediums. Das in Fig. 1 gezeigte, bevorzugte Ausführungsbeispiel weist zudem beispielhaft - zusätzlich zum Dichtungselement 18 - eine Labyrinthdichtung 17 zwischen dem ungeschmierten Rollenlager 21 und dem Dichtungselement 18 auf. Die erfindungsgemässe Zentrifugalpumpe 1 erlaubt durch einen Spalt zwischen der Labyrinthdichtung 17 und dem Rollenlager 21 einen Durchfluss des abgezweigten Teils FA1 des kryogenen Fördermediums, so dass der abgezweigte Teil FA1 des kryogenen Fördermediums über mindestens eine obere Öffnung O1 in das Rollenlager 21 gelangen und anhand des kryogenen Fördermediums geschmiert werden kann.
  • Idealerweise ist die Zentrifugalpumpe 1 ausgelegt beziehungsweise dazu geeignet, um in horizontaler Lage, d.h. bei einer horizontal ausgerichteten Längsachse der Welle 11, für den Gebrauch beispielsweise an einem LKW betrieben zu werden. Beispielsweise ist die Zentrifugalpumpe 1 vorzugweise derart ausgestaltet, so dass die in Fig.1 gezeigte, Austrittsbohrung 13 im Motorgehäuse 10 an einer in Schwerkraftrichtung betrachtet am tiefsten gelegenen Stelle ausgerichtet und angeordnet ist, wodurch unerwünscht sich im Motorgehäuse 10, befindliches flüssiges kryogenes Fördermedium an dieser Stelle sammeln kann. Wie in Fig.1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist bevorzugt eine Druckausgleichsleitung 14 an der Austrittsbohrung 13 sowie an einer Bohrung 3 im Saugflansch 4 des Pumpengehäuses 2 dichtend angebracht. Eine derart angebrachte Druckausgleichsleitung 14 ist vorteilhaft, da das flüssige, kryogene Fördermedium aus dem Inneren des Motorgehäuses 10 in Richtung Saugseite S bei der Eintrittsöffnung E gezwungen wird. Eine solche Austrittsbohrung 13 mit einer daran angebrachten Druckausgleichsleitung 14 erlaubt vorteilhaft ein Entfernen von unerwünscht im Motorgehäuse 10 vorhandenem flüssigem kryogenem Fördermedium, welches beispielsweise aufgrund einer mangelhaften Barrierewirkung beispielsweise aufgrund einer Beschädigung oder Verschleiss des Dichtungselements 18 zwischen dem pumpengehäuseseitigen Gehäusedeckel 15 und der Welle 11 in das Motorgehäuse 10 gelangt ist.
  • Das ungeschmierte Rollenlager 21 im Gehäusedeckel 15 umfasst hier eine Vielzahl von Kugeln 23, einen inneren Laufring 25 sowie einen äusseren Laufring 27 jeweils mit Laufflächen, zwischen denen die Kugeln 23 angeordnet sind, wobei hier die Kugeln 23 aus Keramik gefertigt sein können. Die Laufringe 25; 27 sind bevorzugt aus Stahl gefertigt und weisen idealerweise im Bereich der Laufflächen eine chrombasierte Beschichtung auf.
  • Ein solches ungeschmiertes Rollenlager 21 beziehungsweise Kugellager wird auch als ein Hybridlager bezeichnet, bei dem für die Laufringe 25; 27 und die Kugeln 23 (auch Wälzkörper genannt) unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Die häufigste Bauart ist die des Rillenkugellagers mit herkömmlichen Laufringen 25; 27 aus Stahl und Kugeln 23 aus einer hochfesten Keramik, meistens Siliciumnitrid.
  • Beim Rollenlager 20 im antriebsmotorseitigen Gehäusedeckel 9 kann identisch wie das Rollenlager 21 gefertigt sein, es kann sich aber aus Kostengründen vorteilhaft auch um ein konventionelles, geschmiertes Rollenlager handeln.
  • Der gegenseitige Abstand der Kugeln 23 im ungeschmierten Rollenlager 21 wird durch einen Käfig (nicht gezeigt in Fig.1) gewährleistet, welcher für jede Kugel 23 eine separate Kammer aufweist. Die Innenflächen der Kammern sind vorzugsweise zylindrisch und der Zylinderdurchmesser wird etwas grösser als der Durchmesser der Kugeln 23 gewählt, so dass die Kugeln frei in dem Käfig rotieren können. Bevorzugt ist dieser Käfig aus verstärktem PTFE (Polytetrafluorethylen) gefertigt. Alternativ oder zusätzlich kann dieser Käfig auch aus Edelstahl, Polyetheretherketon (PEEK), Messing oder beliebige Kombinationen hiervon hergestellt sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zentrifugalpumpe
    2
    Pumpengehäuse
    3
    Bohrung (im Pumpengehäuse)
    4
    Saugflansch
    5
    Pumpenrad
    6
    Laufrad
    7
    Fixierschraube
    9
    antriebsmotorseitiger Gehäusedeckel
    10
    Motorgehäuse
    11
    Welle
    12
    Antriebsmotoreinheit
    13
    Austrittsbohrung (im Motorgehäuse)
    14
    Druckausgleichsleitung (zwischen Saugseite und Druckseite)
    15
    pumpengehäuseseitiger Gehäusedeckel
    16
    Verbindungskanal (für abgezweigtes, kryogenes Medium)
    17
    Labyrinthdichtung
    18
    Dichtungselement
    19
    Isolierscheibe
    20
    antriebsmotorseitiges Rollenlager
    21
    pumpengehäuseseitiges Rollenlager
    22
    Kugel (oberes Rollenlager)
    23
    Kugel (unteres Rollenlager)
    24
    innerer Laufring (oberes Rollenlager)
    25
    innerer Laufring (unteres Rollenlager)
    26
    äusserer Laufring (oberes Rollenlager)
    27
    äusserer Laufring (unteres Rollenlager)
    A
    Austrittsöffnung
    B
    Bohrung (im Laufrad)
    D
    Druckseite
    E
    Eintrittsöffnung
    FA1
    Abgezweigtes, kryogenes Fördermedium (Druckseite zum Rollenlager)
    FA2
    Abgezweigtes, kryogenes Fördermedium (Rollenlager zur Druckseite)
    FH
    Hauptförderstrom kryogenes Fördermedium
    L
    Längsachse
    O1
    Obere Öffnung (des pumpengehäuseseitigen Rollenlagers)
    O2
    Untere Öffnung (des pumpengehäuseseitigen Rollenlagers)
    S
    Saugseite
    S1
    Obere Saugseite

Claims (11)

  1. Rotierende direktangetriebene ein- oder mehrstufige Zentrifugalpumpe (1) für kryogene Flüssigkeiten, mit einem Pumpengehäuse (2) für die Pumpe (1) und einer elektrischen, als Pumpenantrieb dienenden Antriebsmotoreinheit (12) in einem Motorgehäuse (10),
    wobei eine Welle (11) der Antriebsmotoreinheit (12) auf zwei Lagern, insbesondere Rollenlagern (20; 21), gelagert ist, und wobei zumindest ein Rollenlager (20; 21) ein ungeschmiertes Rollenlager ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) mindestens eine erste kommunizierende Verbindung, insbesondere ein direkter Verbindungskanal (16), ausgebildet ist für einen abgezweigten Teil (FA1) vom Hauptförderstrom (FH) des kryogenen Fördermediums zum Rollenlager (21), und
    dass zwischen dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) und der Saugseite (S) eine zweite kommunizierende Verbindung ausgebildet ist für den abgezweigten Teil (FA2) des kryogenen Fördermediums zurück zur Saugseite (S) in den Hauptförderstrom (FH) des kryogenen Fördermediums,
    so dass eine Zirkulation des abgezweigten Teils (FA1; FA2) der kryogenen Fördermediums zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und einzig dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) gewährleistet wird.
  2. Pumpe (1) nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen Motorgehäuse (10) und Pumpengehäuse (2) sich ein Zwischenstück in Form eines Gehäusedeckels (15) befindet, wobei der Gehäusedeckel (15) einen Verbindungskanal (16) in Form einer Bohrung zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) aufweist zur Bildung der ersten kommunizierenden Verbindung.
  3. Pumpe (1) nach Patentanspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Dichtungselement (18) zwischen dem Gehäusedeckel (15) und der Welle (11) derart dichtend angeordnet ist, um eine Barriere zwischen Pumpengehäuse (2) und dem Motorgehäuse (10) zu erzielen.
  4. Pumpe (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pumpe (1) für den Gebrauch in einer horizontalen Lage ausgelegt ist.
  5. Pumpe (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Motorgehäuse (10), insbesondere an einer beim Gebrauch in horizontaler Lage in Schwerkraftrichtung am tiefsten gelegenen Stelle, eine Austrittsbohrung (13) aufweist, wobei an der Austrittsbohrung (13) eine Druckausgleichsleitung (14) zwischen dem Motorgehäuse (10) und der Saugseite (S) anbringbar ist.
  6. Pumpe (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest ein Rollenlager (20; 21), insbesondere das pumpengehäuseseitige, ungeschmierte Rollenlager (21), ein Hybridlager aus reibungsarmen Materialien ist.
  7. Pumpe (1) nach Patentanspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    innere und äussere Laufringe (24; 25; 26; 27) der Rollenlager (20; 21), insbesondere des pumpengehäuseseitigen Rollenlagers (21), aus Stahl gefertigt sind und im Bereich der Laufflächen eine chrombasierte Beschichtung aufweisen, sowie die Kugeln (22; 23) der Rollenlager (20; 21), insbesondere des pumpengehäuseseitigen Rollenlagers (21), aus Keramik, insbesondere Siliciumnitrid (Si3N4), gefertigt sind.
  8. Pumpe (1) nach Patentanspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dass die Rollenlager (20; 21), insbesondere das pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21), einen Käfig zur gegenseitigen Beabstandung der Kugeln (22; 23) umfassen, wobei durch den Käfig für jede Kugel (22; 23) eine separate Kammer geschaffen wird, und wobei der Käfig aus verstärktem Polytetrafluorethylen (PTFE), Edelstahl oder Polyetheretherketon (PEEK) oder Messing oder beliebige Kombinationen hiervon gefertigt ist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Pumpe (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche, umfassend zumindest die Verfahrensschritte:
    Inbetriebsetzung der Pumpe (1) zum Fördern eines Hauptförderstroms (FH) des kryogenen Fördermediums von der Eintrittsöffnung (E) zur Austrittsöffnung (A),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    während des Betriebs zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) über mindestens eine erste kommunizierende Verbindung, insbesondere einen direkten Verbindungskanal (16), ein abgezweigter Teil (FA1) vom Hauptförderstrom (FH) des kryogenen Fördermediums zum Rollenlager (21) geführt wird, und
    dass zwischen dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) und
    der Druckseite (D) über eine zweite kommunizierende Verbindung ausgebildet ist der abgezweigte Teil (FA2) des kryogenen Fördermediums zurück zur Saugseite (S) in den Hauptförderstrom (FH) des kryogenen Fördermediums geführt wird,
    so dass eine Zirkulation des abgezweigten Teils (FA1; FA2) der kryogenen Fördermediums zwischen der Druckseite (D) im Pumpengehäuse (2) und einzig dem pumpengehäuseseitigen Rollenlager (21) gewährleistet wird.
  10. Verfahren nach Patentanspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich während des Betriebs der Zentrifugalpumpe (1) aufgrund der Zentrifugalkräfte ein Druck (P2) auf der Druckseite (D) im äusseren radialen Bereich des Pumpengehäuses (2) gegenüber einem Druck (P1) bei dem in einem inneren radialen Bereich des Pumpengehäuses (2) angeordneten Rollenlager (21) erhöht, so dass dieser Druckgradient ein Abzweigen eines Teils (FA1) vom Hauptförderstrom (FH) des kryogenen Fördermediums in Richtung des Rollenlagers (21) über die mindestens eine erste kommunizierende Verbindung und dadurch ein Durchströmen beziehungsweise eine kryogene Schmierung und Kühlung des Rollenlagers (21) bewirkt.
  11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pumpe (1) bei der Inbetriebsetzung in einer horizontalen Lage installiert wird.
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