WO2005021971A1 - Exzenterschneckenpumpe mit erosionsfestem rotor - Google Patents

Exzenterschneckenpumpe mit erosionsfestem rotor Download PDF

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WO2005021971A1
WO2005021971A1 PCT/EP2004/009141 EP2004009141W WO2005021971A1 WO 2005021971 A1 WO2005021971 A1 WO 2005021971A1 EP 2004009141 W EP2004009141 W EP 2004009141W WO 2005021971 A1 WO2005021971 A1 WO 2005021971A1
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eccentric screw
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tube
screw motor
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Bruno Kächele
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Wilhelm Kächele GmbH
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    • F04C2/1071—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type
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    • Y10T29/49863—Assembling or joining with prestressing of part
    • Y10T29/49865—Assembling or joining with prestressing of part by temperature differential [e.g., shrink fit]

Definitions

  • the pump or the motor has a stator with a continuous helical opening in which the rotor rolls during operation.
  • the stator is formed by a cylindrical tube, which is provided with an elastomeric lining.
  • the elastomeric lining itself represents the wall of the through opening and acts as a seal against the stator.
  • the stator is composed of a core element and a jacket formed around it.
  • the jacket is cold formed into a helical shape from a cylindrical tube. This gives the originally Lindwitz Rohr not only the helical shape, as required for the rotor, but the tube is also firmly connected to the core element in this way.
  • the threaded valleys of the stator casing lie firmly and frictionally on the core element.
  • the carrier element can also be provided with longitudinal ribs.
  • the known rotor is inexpensive to manufacture in very large quantities. Lengths of up to 6 meters can easily be achieved without the need for machining the surface of the stator.
  • the surface of the rotor is very smooth and sufficiently dimensionally stable.
  • the core element present in the casing prevents the rotor from unwinding when pressure is applied, which would lead to a pitch error between the stator and rotor and the result of corresponding leaks.
  • the steel material previously used for the known rotor is not strong enough for a number of applications with regard to the abrasion that occurs and for some applications it is also not sufficiently corrosion-resistant. In other words, the known rotor does not have sufficient erosion resistance.
  • erosion is not only to be understood as the erosion caused by corrosion, but also the erosion caused by surface grinding of the material being conveyed.
  • the method is characterized by the features of claim 23.
  • the rotor is constructed in a sandwich-like manner. It consists of a radially inner layer and a radially outer layer, the radially outer layer being specially adapted to the higher erosion resistance. It can be more resistant to abrasion or corrosion or both than the radially inner layer. Since, moreover, the more corrosion-resistant materials can be formed with greater wall thickness under certain circumstances and / or are much more expensive than the radially inner layer, the radially inner layer can be selected primarily from the point of view of strength and cost, so that with a very thin radial outer layer the civil is found.
  • a very homogeneous structure of the rotor can be achieved if the inner tube is a seamless tube. This avoids inhomogeneities that would otherwise occur during welding. Such inhomogeneities could continue as outward design errors.
  • a coiled tube as the inner tube.
  • the tube is preferably laser welded to the helical butt joint.
  • the helix should run in the opposite direction to the helix of the outer layer.
  • the inner layer, or the inner tube consists of an easily formable steel that is well suited to dissipating the forces that occur and that can be cold formed in a useful manner.
  • the outer layer can consist of an attached pipe.
  • such a solution is only suitable for rotors with a short overall length.
  • the metal strip is wound up in a butt joint in such a way that the individual turns adjoin one another without a gap.
  • a particularly good arrangement is achieved if the helical butt joint is on before cold forming who butt the turns, is welded.
  • the welding is preferably carried out using a laser.
  • Stainless steel V2A, V4A steel or other abrasion-resistant steels can be used as the outer material. Since these have a much higher specific weight than normal steel, the two-layer structure also means a weight saving compared to a rotor made only of stainless steel. This plays a role in rotors up to 6 meters long.
  • the strength of the rotor can be improved if it has a core element.
  • the rotor can be molded around the core element so that there is a good connection to the core element. With long lengths, the core element prevents the rotor from uncoiling under load. In addition, additional torque can be introduced over the length of the rotor with the aid of the core element.
  • the essentially rotationally symmetrical and not helically deformed core is more suitable for this.
  • the core element can itself be tubular or solid.
  • the space between the tube or jacket of the rotor and the core element can either be left blank or filled with a mass.
  • a cylindrical tube is first provided.
  • the tube is covered with a metal layer, so that a double-walled structure is obtained.
  • the double-walled structure which is still cylindrical, is then screwed over shapes
  • the coating of the cylindrical tube with the outer layer is very simple and can also be easily accomplished because of the simple geometric shape of the tube provided.
  • the outer layer only has to be applied with a smaller wall thickness, because the stability of the rotor may be primarily generated by the inner tube, materials can also be used for the outer layer that would no longer be cold-formed with a large wall thickness ,
  • a seamless tube is advantageously used in the method according to the invention.
  • the seamless tube expediently has a bright metallic surface, so that the connection of the outer layer to the tube is not hindered by oxide residues due to the cold forming.
  • the outer metal layer consists of a metal strip that is wound onto the pipe.
  • the metal strip can be heated immediately before the point of contact before winding. The subsequent cooling ensures a shrinking process that holds the metal strip particularly firmly on the surface of the pipe.
  • the butt joint between adjacent turns is expediently welded to prevent particles from penetrating.
  • the double-walled structure obtained is cold-formed.
  • the outer layer connects, at least selectively, to the inner tube, similarly to the case with leafing. The connection is therefore particularly durable and will not open even when the temperature changes.
  • a core element can be inserted before the coated tube is formed.
  • Fig. 1 is an eccentric screw pump in a perspective view, partially cut
  • Fig. 4 shows a cross section through the rotor of Fig. 3
  • Fig. 5 shows the inventive method for producing the Rotor of the eccentric screw pump or of the eccentric screw motor according to Figure 1 with the process steps symbolized
  • the eccentric screw pump 1 shows, in a schematic, perspective illustration, an eccentric screw pump 1 according to the invention.
  • the eccentric screw pump 1 includes a pump head 2, a stator 3, in which a rotor 4, shown broken off in FIG. 2, rotates, and a connection head 5.
  • the pump head 2 has an essentially cylindrical housing 6, which is provided at one end with an end cover 7, through which a drive shaft 8 is sealed to the outside.
  • the end of the housing 6 remote from the cover 7 is provided with a clamping flange 12, the diameter of which is larger than the diameter of the essentially cylindrical housing 6.
  • the clamping flange 12 contains a stepped bore 13 which is flush with the interior of the housing 6.
  • a non-recognizable contact shoulder is formed in the stepped bore, against which the stator 3 is pressed at one end.
  • connection head 5 has a clamping flange 14 which also interacts with the clamping flange 12 contains a stepped bore in which the other end of the stator 3 is inserted.
  • a pipeline 15 leading away is aligned with the stepped bore.
  • the stator 3 is tightly clamped with the aid of a total of 4 tie rods 16.
  • the two clamping flanges 12 and 14 are each provided with four mutually aligned bores 17 which lie on a pitch circle which is larger than the outer diameter of the housing 6 or the pipe 15. The bores 17 lead through these bores 17 rod-shaped tie rod 16 therethrough.
  • 16 nuts 18 are screwed onto the tie rods 16, with the aid of which the two clamping flanges 12 and 14 are tightened towards one another.
  • the stator 3 consists of a tubular jacket 19 with a constant wall thickness, which surrounds an interior 20.
  • the jacket 19 consists of steel, a steel alloy, light metal or a light metal alloy. It is shaped in such a way that its inner wall 21 takes the form of a multi-start screw. Its outer side 22 has a correspondingly similar shape with a diameter which, in accordance with the wall thickness of the jacket 19, is larger than the diameter of the interior of the jacket 19.
  • the jacket 19 ends at its ends with end faces 23 and 24 which run at right angles with respect to its longitudinal axis 25 ,
  • the longitudinal axis 25 is the axis of the interior 20.
  • the interior 20 has the shape a two-start screw.
  • the cross section surrounded by the outer surface 22, viewed at right angles to the longitudinal axis 25, has the shape of an oval, similar to a racetrack.
  • a closing or reducing ring 26 is seated on the jacket 19 on each end face.
  • the ends can also be shaped into cylindrical tubes.
  • the end ring 26 contains a through opening 27 which corresponds to the course of the outer surface 22 over the length of the end ring 26.
  • the end ring 26 acts in the broadest sense like a nut which is screwed onto the thread which is defined by the jacket 19.
  • the length of the thread corresponds to the thickness of the end ring 26.
  • the end ring 26 is delimited radially outwards by a cylindrical surface 28 which merges in the axial direction into a flat surface 29 which points away from the jacket 19.
  • the jacket 19 is provided with a continuous lining 32 over its entire length.
  • the lining 32 consists of an elastically resilient, preferably elastomeric material, for example natural rubber or synthetic material, and has approximately the same wall thickness at each point.
  • the rotor 4 is composed of a core element 33, a rotor jacket 34 and a coupling head 35.
  • the core element 33 is a thick-walled steel tube with an at least originally cylindrical outer peripheral surface 36 and a continuous cylindrical interior 37.
  • the core element 33 is straight and therefore tubular, because the interior does not make any noteworthy contribution to the strength at issue, but only increases the weight. However, it can also be massive.
  • the core element 33 is provided with a threaded pin 38. At the opposite end, the core element 33 contains a threaded bore 39.
  • the jacket 34 of the rotor 4 is also a tube with an inner wall 40 and an outer surface 41.
  • the outer surface 41 forms a thread that continues over the entire axial length of the jacket 34. It begins at 42 and ends at 43.
  • the number of threads of the thread formed by the outer surface 41 is one less than the number of threads of the through opening 20 in the stator 3.
  • the rotor 4 has a four-start thread in the exemplary embodiment shown, i.e. a total of four strips run helically along the jacket 34. Since the through-opening 20 is accordingly five-thread, the five-thread in the through-hole 20 forms a total of five helically extending strips made of elastomer material.
  • the cross section through the rotor 4 is shown in FIG.
  • the rotor jacket 34 has two layers and consists of an inner layer 44 and an outer layer thereon Layer 45.
  • the inner layer 44 consists of an originally cylindrical steel tube with good deformability and a strength suitable for the application.
  • the outer layer 45 consists of an erosion-resistant material, that is to say a material that little is removed or ground off by the medium to be pumped and / or that is chemically little attacked by the medium to be pumped.
  • a suitable material is, for example, stainless steel such as a V2A or a V4A.
  • the wall thickness of the inner layer 44 is between 1 mm and 5 mm, while the wall thickness of the outer layer 45 can be between 1 mm and also 5 mm. The manufacture of this rotor 4 is explained below with reference to FIG. 5.
  • the jacket 34 is, as already mentioned, tubular, which is why the inner surface 40 follows the outer surface 41 at a constant distance.
  • the dimensions of the cylindrical straight tube from which the jacket 34 is cold-formed are selected such that after the final deformation into the screw-like shape, the jacket 34 with its inner peripheral surface 40 in the area of the threaded troughs 47 (based on the outer contour), the outer peripheral surface 36 of the core element 33 at least touched.
  • the semifinished product from which the jacket 34 is made is a cylindrical tube, the diameter of which is larger than the outer diameter of the core element 33, helical gaps 49 are formed between the core element 33 and the jacket 34.
  • the number of these helical gaps 49 is equal to the number of thread crests 46 which can be seen in the cross-section of the rotor 4 in the circumferential direction.
  • these spaces 49 can either remain empty or be filled with a mass. This mass can e.g. Synthetic resin or synthetic resin filled with light metal powder.
  • a bright drawn, seamless steel tube 51 with a suitable wall thickness and a suitable length of several meters provided.
  • the steel tube 51 is wound on the outside with a metal strip 52, which later forms the outer layer 45.
  • the metal band 52 is a band made of a corresponding stainless steel or other steel.
  • the band 42 is wound onto the outside of the steel tube 51 as a single screw. It forms turns 53 lying side by side, which are separated from one another by a helical butt joint 54.
  • the metal strip 52 is wound in such a way that the butt joint 54 is closed as far as possible.
  • the butt joint 54 is welded during winding or in a separate step using a laser beam 55 and filler material in order to achieve a smooth, homogeneous cylindrical surface. Other welding processes are also possible. It can be welded through in order to connect the band 52 in the area of the butt joint 54 to the support tube 51 in a cohesive manner.
  • the metal strip 52 Immediately before the metal strip 52 hits the tube 51, it is heated, for example by means of a gas flame 56 or inductively. It is thereby achieved that the metal strip 52 generates a considerable tension in the circumferential direction after the winding on the tube 51 and the cooling.
  • the core element 33 is inserted as shown in FIG.
  • the structure is then cold-worked, for example rolling using a large number of rollers, only one of which is indicated at 57, brought into the desired screw shape -
  • the metal strip 52 connects very intimately to the outer surface of the steel tube 51 located underneath.
  • the metal strip 52 forms a second, outer tube on the metal steel tube 51, which sits tightly and frictionally in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the tube 51.
  • the two tubes namely the tube created by winding and the seamless inner steel tube, are so firmly connected to one another after winding that they can no longer be separated.
  • the subsequent rolling process according to FIG. 7 ensures an even more intimate connection which, at least to a certain extent, resembles the plating of a metal layer.
  • the rolling which in itself leads to a stretching of a piece of metal, surprisingly does not separate the outer tube produced by winding from the tube 51 located underneath. Rather, both are formed together into the desired screw shape, with the intimate connection also being formed at the same time the core element 33 is produced.
  • An eccentric screw pump or an eccentric screw motor has a rotor which is formed from an at least two-layer tubular jacket.
  • the outer layer of the jacket is made of a material that is resistant to abrasion and / or corrosion.

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Abstract

Eine Exzenterschneckenpumpe oder ein Exzenterschneckenmotor weist einen Rotor (4) auf, der aus einem wenigstens zweilagigen rohrförmigen Mantel (19) gebildet ist. Die äußere Schicht (45) des Rotormantels besteht aus einem Material, das abrieb- und/oder korrosionsfest ist.

Description

Exzenterschneckenpurαpe mit erosionsfestem Rotor
Aus der DE 198 52 380 AI ist ein Rotor für eine Exzenterschneckenpumpe oder ein Exzenterschneckenmotor bekannt, der durch Kaltumformung hergestellt ist.
Die Pumpe beziehungsweise der Motor weist einen Stator mit einer durchgehenden schraubenförmigen Öffnung auf, in der der Rotor sich beim Verdränge betrieb abwälzt. Den Stator bildet ein zylindrisches Rohr, das mit einer elastome- ren Auskleidung versehen ist. Die elastomere Auskleidung selbst stellt die Wand der Durchgangsöffnung dar und wirkt als Abdichtung gegenüber dem Stator.
Der Stator setzt sich aus einem Kernelement und einem darum geformten Mantel zusammen. Der Mantel wird ausgehend von einem zylindrischen Rohr in die schraubenförmige Gestalt kalt umgeformt. Dadurch erhält das ursprünglich zy- lindrische Rohr nicht nur die schraubenförmige Gestalt, wie sie für den Rotor erforderlich ist, sondern das Rohr wird auf diese Weise auch fest mit dem Kernelement verbunden. Im endgültigen Zustand liegen die Gewindetäler des Mantels des Stators fest und reibschlüssig auf dem Kernelement auf. Zur Verbesserung der Mitnahmewirkung zwischen dem Kernelement und dem Mantel des Stators, kann das Trägerelement noch mit Längsrippen versehen sein.
Der bekannte Rotor ist kostengünstig in sehr großen Mengen herstellbar. Es können ohne weiteres Längen von bis zu 6 Metern erreicht werden, ohne das eine spangebende Nacharbeit der Oberfläche des Stators erforderlich ist. Die Oberfläche des Rotors ist sehr glatt und hinreichend maßhaltig.
Das in dem Mantel vorhandene Kernelement verhindert, dass sich der Rotor bei Druckbeaufschlagung ent- spiralisiert, was zu einem Steigungsfehler zwischen Stator und Rotor und der Folge entsprechender Undichtigkeiten führen würde .
Das bislang für den bekannten Rotor verwendete Stahlmaterial ist für eine Reihe von Anwendungen nicht fest genug hinsichtlich des auftretenden Abriebs und für einige Anwendungsfälle auch nicht hinreichend korrosionsfest. Mit anderen Worten, der bekannte Rotor zeichnet sich nicht durch eine ausreichende Erosionsfestigkeit aus. Dabei soll unter Erosion nicht nur der Abtrag durch Korrosion, sondern auch der Abtrag durch Gleitschleifen des geförderten Materials an der Oberfläche verstanden werden.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, den Stator mit einem Mantel zu versehen, der ebenfalls eine schraubenförmige Gestalt ähnlich einer schraubenförmigen Gestalt der DurchgangsÖffnung zeigt. Die elastomere Auskleidung, die wiederum als Dichtmaterial dient, weist in diesen Fällen praktisch eine nahezu konstante Wandstärke auf. Mit einem solchen Stator lassen sich größere Drücke erzeugen, beziehungsweise größere Drehmomente im Falle eines Exzenterschneckenmotors.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine Exzenterschneckenpumpe oder einen Exzenterschneckenmotor zu schaffen, bei denen der Rotor sich durch eine bessere Erosionsfestigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Exzenterschneckenmotor oder der Exzenterschneckenpumpe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu schaffen, um einen Rotor zu produzieren, der eine größere Erosionsfestigkeit zeigt.
Das Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 23 gekennzeichnet .
Bei der erfindungsgemäßen Exzenterschneckenpumpe beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Exzenterschneckenmotor ist der Rotor sandwichartig aufgebaut. Er besteht aus einer radial inneren Lage und einer radial äußeren Lage, wobei die radial äußere Lage speziell an die höhere Erosionsfestigkeit angepasst ist. Sie kann abriebfester oder korrosionsfester oder beides sein, als die radial innere Lage. Da im Übrigen die korrosionsfestere Materialien sich bei größerer Wandstärke unter Umständen schlechter umformen lassen und/oder sehr viel teurer sind als die radial innere Lage, kann die radial innere Lage primär nach dem Gesichtspunkt der Festigkeit und der Kosten ausgewählt werden, so dass mit einer sehr dünnen radialen äußeren Lage das Auskommen gefunden wird.
Eine sehr homogene Struktur des Rotors lässt sich erreichen, wenn das innere Rohr ein nahtloses Rohr ist. Inhomogenitäten, wie sie sonst beim Schweißen auftreten würden, werden dadurch vermieden. Solche Inhomogenitäten könnten sich als Gestaltsfehler nach außen hin fortsetzen. Es ist jedoch auch möglich ein gewickeltes Rohr als inneres Rohr zu verwenden. An der schraubenförmigen Stoßfuge ist das Rohr vorzugsweise Laser geschweißt. Die Wendel sollte gegenläufig zu der Wendel der äußeren Lage laufen.
Die innere Lage, beziehungsweise das innere Rohr, besteht aus einem leicht umformbaren Stahl, der gut geeignet ist, die auftretenden Kräfte abzuleiten und der sich in brauchbarer Weise kalt umformen lässt.
Die äußere Schicht kann aus einem aufgesteckten Rohr bestehen. Eine solche Lösung eignet sich jedoch nur für Rotoren mit kurzer Baulänge. Bei Rotoren mit großer Baulänge ist es von Vorteil, wenn die äußere Lage von einem aufgewickelten Metallband gebildet wird.
Das Metallband wird auf Stoß aufgewickelt derart, dass die einzelnen Windungen ohne Spalt aneinander angrenzen. Eine besonders gute Anordnung wird erreicht, wenn vor dem Kaltumformen die schraubenförmig verlaufende Stoßstelle, an der die Windungen aneinander stoßen, verschweißt wird. Vorzugsweise erfolgt das Verschweißen mit Hilfe von Laser.
Als äußeres Material kommen unter anderem Edelst hle V2A-, V4A-Stahl oder sonstige abriebfeste Stähle in Frage. Da diese ein sehr viel höheres spezifisches Gewicht als normaler Stahl haben, bedeutet der zweilagige Aufbau auch eine Gewichtsersparnis, verglichen mit einem Rotor nur aus Edelstahl. Dies spielt bei Rotoren mit einer Länge bis zu 6 Metern durchaus eine Rolle.
Die Festigkeit des Rotors kann verbessert werden, wenn er ein Kernelement aufweist. Der Rotor kann um das Kernelement herumgeformt sein, so dass sich eine gute Verbindung mit dem Kernelement ergibt . Das Kernelement verhindert bei großen Längen ein entspiralisieren des Rotors unter Last. Außerdem kann mit Hilfe des Kernelementes zusätzlicher Drehmoment über die Länge des Rotors eingeleitet werden. Hierzu ist der im Wesentlichen rotationssymentrische und nicht schraubenförmig verformte Kern besser geeignet.
Das Kernelement kann selbst rohrförmig sein oder massiv.
Außerdem kann der Zwischenraum zwischen dem Rohr oder Mantel des Rotors und dem Kernelement entweder freigelassen werden oder mit einer Masse gefüllt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein zylindrisches Rohr bereit gestellt. Das Rohr wird mit einer Metallschicht ummantelt, so dass ein doppelwandiges Gebilde erhalten wird. Anschließend wird das doppelwandige Gebilde, das nach wie vor zylindrisch ist, schraubenförmig umge- formt
Die Beschichtung des zylindrischen Rohres mit der äußeren Schicht ist sehr einfach und lässt sich wegen der einfachen geometrischen Gestalt des bereit gestellten Rohres auch einfach bewerkstelligen.
Da die äußere Schicht nur mit einer geringeren Wandstärke aufgetragen werden muss, denn die Stabilität des Rotors wird unter Umständen in erster Linie von dem inneren Rohr erzeugt, können für die äußere Lage auch Materialien verwendet werden, die bei großer Wandstärke nicht mehr kalt zu verformen wären.
Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein nahtloses Rohr verwendet.
Das nahtlose Rohr hat zweckmäßigerweise eine metallisch blanke Oberfläche, so dass die Verbindung der äußeren Lage mit dem Rohr durch das Kaltumformen nicht durch oxyd- rückstände behindert wird.
Die äußere Metallschicht besteht im einfachsten Falle aus einem Metallband, das auf das Rohr aufgewickelt wird. Um die Spannung zu erhöhen, kann das Metallband vor dem Aufwickeln unmittelbar vor der Berührungsstelle erwärmt werden. Das nachfolgende Abkühlen sorgt für einen Schrump- fungsprozess, der das Metallband besonders fest auf der Oberfläche des Rohres hält.
Die Stoßfuge zwischen benachbarten Windungen ist zweckmäßigerweise verschweißt, um ein Eindringen von Partikeln zu verhindern. Das erhaltene doppelwandige Gebilde wird kalt umgeformt. Bei dem Umformvorgang verbindet sich, zumindest punktuell, die äußere Schicht mit dem inneren Rohr, ähnlich wie dies beim Blattieren auch der Fall ist. Die Verbindung ist dadurch besonders haltbar und wird sich auch bei Temperaturwechseln nicht Öffnen.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, kann vor dem Umformen des beschichteten Rohres ein Kernelement eingefügt sein.
Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen. Beim Studium der Ausführungsbeispiele wird auch klar, dass eine Reihe von Abwandlungen möglich sind.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Exzenterschneckenpumpe in einer perspektivischen Darstellung, teilweise geschnitten
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Stator der erfindungsgemäßen Exzenterschneckepumpe,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Rotor der erfindungsgemäßen Exzenterschneckepumpe,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Rotor nach Fig. 3, und
Fig. 5 das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Rotors der Exzenterschneckenpumpe beziehungsweise des Exzenterschneckenmotors nach Figur 1 unter Versinnbildlichung der Verfahrensschritte
Fig. 1 zeigt in einer schematisierten, perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäße Exzenterschneckenpumpe 1. Zu der Exzenterschneckenpumpe 1 gehören ein Pumpenkopf 2, ein Stator 3, in dem sich ein in Fig. 2 abgebrochen veranschaulichter Rotor 4 dreht, sowie ein Anschlusskopf 5.
Der Pumpenkopf 2 weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 6 auf, das an einem Stirnende mit einem Abschlussdeckel 7 versehen ist, durch den abgedichtet eine Antriebswelle 8 nach außen geführt ist. In das Gehäuse 6 mündet radial ein Anschlussstutzen 9, der an einem Befestigungsflansch 11 endet. Im Inneren des Gehäuses 6 befindet sich, wie bei wie bei Exzenterschneckenpumpen üblich, ein Kupplungsstück, um die Antriebswelle 8, die an einen nicht dargestellten Antriebsmotor angeschlossen ist, mit dem Rotor 4 drehfest zu kuppeln.
Das von dem Deckel 7 abliegende Stirnende des Gehäuses 6 ist mit einem Spannflansch 12 versehen, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des im wesentlichen zylindrischen Gehäuses 6. Der Spannflansch 12 enthält eine Stufenbohrung 13, die mit dem Innenraum des Gehäuses 6 fluchtet. In der Stufenbohrung ist eine nicht erkennbare Anlageschulter ausgebildet, gegen die der Stator 3 mit einem Ende angepresst wird.
Der Anschlusskopf 5 verfügt über einen mit dem Spannflansch 12 zusammenwirkenden Spannflansch 14, der ebenfalls eine Stufenbohrung enthält, in der das andere Ende des Stators 3 eingesetzt ist. Mit der Stufenbohrung fluchtet eine wegführende Rohrleitung 15.
Zwischen den beiden Spannflanschen 12 und 14 ist mit Hilfe von insgesamt 4 Zugankern 16 der Stator 3 abgedichtet festgespannt. Zur Aufnahme der insgesamt 4 Zuganker 16 sind die beiden Spannflansche 12 und 14 mit jeweils vier miteinander fluchtenden Bohrungen 17 versehen, die auf einem Teilkreis liegen, der größer ist als der Außendurchmesser des Gehäuses 6 bzw. des Rohres 15. Durch diese Bohrungen 17 führen die stangen-för igen Zuganker 16 hindurch. Auf der von dem gegenüberliegenden Spannflansch 12 bzw. 14 abliegenden Seite sind auf die Zuganker 16 Muttern 18 aufgeschraubt, mit deren Hilfe die beiden Spannflansche 12 und 14 aufeinander zu festgezogen werden.
Der Stator 3 besteht, wie Fig. 2 zeigt aus einen rohr- förmigen Mantel 19 mit konstanter Wandstärke, der einen Innenraum 20 umgibt. Der Mantel 19 besteht aus Stahl, einer Stahllegierung, Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung. Er ist so geformt, dass seine Innenwand 21 die Außengestalt einer mehrgängigen Schraube bekommt. Seine Außenseite 22 hat eine entsprechend ähnliche Gestalt mit einem Durchmesser, der entsprechend der Wandstärke des Mantels 19 größer ist als der Durchmesser des Innenraums des Mantels 19. Der Mantel 19 endet an seinen Stirnenden mit Stirnflächen 23 und 24, die bezüglich seiner Längsachse 25 rechtwinklig verlaufen. Die Längsachse 25 ist die Achse des Innenraums 20.
Im einfachsten Falle hat der Innenraum 20 die Gestalt einer zweigängigen Schraube. Somit hat auch der Querschnitt, der von der Außenfläche 22 umgeben ist, jeweils rechtwinklig zu der Längsachse 25 gesehen, die Gestalt eines Ovals, ähnlich einer Rennbahn. Um diese jeweilige Geometrie an die Stufenbohrung 13 anzupassen, sitzen auf dem Mantel 19 auf jedem Stirnende ein Abschluss- oder Reduzierring 26, Alternativ können die Enden auch zu zylindrischen Rohren geformt sein. Der Abschlussring 26 enthält eine Durchgangsöffnung 27, die mit dem Verlauf der Außenfläche 22 über die Länge des Abschlussrings 26 übereinstimmt. Mit anderen Worten, der Abschlussring 26 wirkt im weitesten Sinne wie eine Mutter, die auf das Gewinde, das durch den Mantel 19 definiert ist, aufgeschraubt ist. Die Länge des Gewindes entspricht der Dicke des Abschlussrings 26.
Radial nach außen wird der Abschlussring 26 von einer Zylinderfläche 28 begrenzt, die in axialer Richtung in eine Planfläche 29 übergeht, die von dem Mantel 19 wegzeigt.
Auf der Innenseite 21 ist der Mantel 19 über seine gesamte Länge mit einer durchgehenden Auskleidung 32 versehen. Die Auskleidung 32 besteht aus einem elastisch nachgiebigen vorzugsweise elastomeren Material, beispielsweise Naturgummi oder synthetischem Material, und weist an jeder Stelle etwa dieselbe Wandstärke auf.
Wie Fig. 3 erkennen lässt, setzt sich der Rotor 4 aus einem Kernelement 33, einem Rotormantel 34 und einem Kupplungskopf 35 zusammen.
Das Kernelement 33 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein dickwandiges Stahlrohr mit einer zumindest ursprünglich zylindrischen Außenumfangsflache 36 und einem durchgehenden zylindrischen Innenraum 37.
Das Kernelement 33 ist gerade und deswegen rohrförmig gestaltet, weil der Innenraum zu der Festigkeit, um die es hier geht, keinen nennenswerten Beitrag liefert, sondern lediglich das Gewicht erhöht. Es kann jedoch auch massiv sein.
An seinem in Fig. 3 rechten Ende ist das Kernelement 33 mit einem Gewindezapfen 38 versehen. An dem gegenüberliegenden Ende enthält das Kernelement 33 eine Gewindebohrung 39.
Der Mantel 34 des Rotors 4 ist ebenfalls ein Rohr mit einer Innenwand 40 und einer Außenfläche 41. Die Außenfläche 41 bildet ein Gewinde, das sich über die gesamte axiale Länge des Mantels 34 fortsetzt. Es beginnt bei 42 und endet bei 43. Die Gangzahl des von der Außenfläche 41 gebildeten Gewindes ist um eins niedriger als die Gangzahl der Durchgangsöffnung 20 in dem Stator 3.
Wie der Querschnitt in Fig. 4 erkennen lässt, weist der Rotor 4 im gezeigten Ausführungsbeispiel ein viergängiges Gewinde auf, d.h. längs dem Mantel 34 verlaufen schraubenförmig insgesamt vier Leisten. Da die Durchgangsöffnung 20 dementsprechend fünfgängig ist, bildet das fünfgängige Gewinde in der Durchgangsöffnung 20 insgesamt fünf schraubenförmig sich erstreckende Leisten aus Elastomermaterial.
In Figur 4 ist der Querschnitt durch den Rotor 4 gezeigt. Der Rotormantel 34 ist zweilagig und besteht aus einer inneren Lage 44 und einer darauf befindlichen äußeren Lage 45. Die innere Lage 44 besteht aus einem ursprünglich zylindrischen Stahlrohr mit guter Verformbarkeit und einer für den Anwendungszweck geeigneten Festigkeit.
Die äußere Lage 45 hingegen besteht aus einem erosionsfesten Material, das heißt einem Material, dass durch das zu pumpende Medium wenig abgetragen oder abgeschliffen wird und/oder das von dem zu pumpenden Medium chemisch wenig angegriffen wird. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Edelstahl wie ein V2A oder ein V4A. Die Wandstärke der inneren Schicht 44 beträgt zwischen 1 mm und 5 mm, während die Wandstärke der äußeren Lage 45 zwischen 1 mm und ebenfalls 5 mm liegen kann. Die Herstellung dieses Rotors 4 ist weiter unten anhand von Figur 5 erläutert.
Der Mantel 34 ist, wie bereits erwähnt, rohrförmig, weshalb die Innenfläche 40 der Außenfläche 41 im konstanten Abstand folgt.
Infolge der schraubenartigen Umformung des Mantels 34 bildet dessen Außenfläche 41 in Längsrichtung gesehen abwechselnd Gewindescheitel 46 und Gewindetäler 47. Zufolge der Mehrgängigkeit erscheinen die Gewindetäler 47 und die Gewindescheitel 46 nicht nur in Längsrichtung, sondern, wie der Querschnitt nach Fig. 4 zeigt, auch in jeder Schnittebene in Umfangsrichtung gesehen.
Die Abmessungen des zylindrischen geraden Rohrs, aus dem der Mantel 34 kaltverformt wird, sind so gewählt, dass nach der endgültigen Verformung zu der schraubenartigen Gestalt der Mantel 34 mit seiner Innenumfangsfläche 40 im Bereich der Gewindetäler 47 (bezogen auf die äußere Kontur) die Außenumfangsfläche 36 des Kernelementes 33 zumindest berührt.
Bei entsprechend stärkerem Verfor en ist es auch möglich, zusätzlich die Außenumfangsfläche 36 des Kernelementes 33 geringfügig mit zu verformen, wodurch die Außenumfangsfläche 36 flache Nuten 48 bekommt, die der Kontur der Gewindetäler 47 folgen. Wenn die Verformung in dieser Weise fortgesetzt wird, entsteht zwischen dem Mantel 34 und dem Kernelement 33 nicht nur eine reibschlüssige, sondern auch eine formschlüssige Verbindung im Bereich der sich zum Inneren des Mantels 34 vorwölbenden Gewindetäler 47 mit dem Kernelement 33. Darüber hinaus kann infolge der Verformung sogar ein Kaltschweißen zwischen dem Mantel 34 und dem Kernelement 33 an den Berührungsstellen erfolgen.
Da das Halbzeug, wie erwähnt, aus dem der Mantel 34 hergestellt ist, ein zylindrisches Rohr ist, dessen Durchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Kernelementes 33, entstehen zwischen dem Kernelement 33 und dem Mantel 34 schraubenförmig verlaufende Zwischenräume 49. Die Anzahl dieser schraubenförmigen Zwischenräume 49 ist gleich der Anzahl von Gewindescheiteln 46, die im Querschnitt des Rotors 4 in Umfangsrichtung zu erkennen sind. Je nach Anwendungsfall können diese Zwischenräume 49 entweder leer bleiben oder mit einer Masse gefüllt werden. Diese Masse kann z.B. Kunstharz oder mit Leichtmetallpulver gefülltes Kunstharz sein.
Das Herstellungsverfahren des aus den Lagen 44 und 45 bestehenden Rotors 4, ist in den Figuren 5 bis 7 stark schematisiert veranschaulicht.
Es wird zunächst ein blank gezogenes, nahtloses Stahl- rohr 51 mit einer geeigneten Wandstärke und einer geeigneten Läge von mehreren Metern bereit gestellt. Das Stahlrohr 51 wird auf der Außenseite mit einem Metallband 52 bewickelt, das später die äußere Lage 45 bildet. Das Metallb- Band 52 ist ein Band aus einem entsprechenden Edelstahl oder einem sonstigen Stahl. Das Band 42 wird, wie Figur 6 erkennen lässt, als eingängige Schraube auf die Außenseite des Stahlrohrs 51 aufgewickelt. Dabei bildet es nebeneinander liegende Windungen 53, die durch jeweils eine schraubenförmig verlaufende Stoßfuge 54 voneinander getrennt sind. Das Aufwickeln des Metallbandes 52 geschieht so, dass die Stoßfuge 54 möglichst geschlossen ist.
Die Stoßfuge 54 wird während des Aufwickeins oder in einem separaten Schritt mit Hilfe eines Laserstrahls 55 und Füllmaterial verschweißt, um eine glatte, homogene zylindrische Oberfläche zu erreichen. Andere Schweißverfahren sind auch möglich. Dabei kann durchgeschweißt werden um das Band 52 im Bereich der Stoßfuge 54 mit dem Trägerrohr 51 stoffschlüssig zu verbinden.
Unmittelbar bevor das Metallband 52 auf das Rohr 51 auftrifft wird es, beispielsweise mittels einer Gasflamme 56 oder induktiv erwärmt. Dadurch wird erreicht, dass das Metallband 52 nach dem Aufwickeln auf das Rohr 51 und dem Erkalten eine erhebliche Spannung in Umfangsrichtung erzeugt.
Nachdem das Band 52 über die gesamte Länge des Rohres 51 aufgewickelt und die Stoßfuge 54 ebenfalls über die gesamte Länge verschweißt ist, wird gemäß Figur 7 das Kernelement 33 eingesteckt. Anschließend wird das Gebilde durch Kaltverformung beispielsweise Walzen mittels einer Vielzahl von Walzen, von denen lediglich eine bei 57 angedeutet ist, in die gewünschte Schraubenform gebracht-
Beim Walzen verbindet sich das Metallband 52 sehr innig mit der Außenfläche des darunter befindlichen Stahlrohres 51.
Das Metallband 52 bildet, nachdem der Verfahrensschritt nach Figur 6 abgeschlossen ist, auf dem Metallstahlrohr 51 ein zweites, äußeres Rohr, das fest und unter Spannung in Umfangsrichtung reibschlüssig auf der Außenumfangsfläche des Rohres 51 sitzt. Die beiden Rohre, nämlich das durch Wickeln entstandene Rohr und das nahtlose, innere Stahlrohr sind so fest miteinander bereits nach dem Wickeln verbunden, dass sie nicht mehr voneinander zu trennen sind.
Der anschließende Walzvorgang gemäß Figur 7, sorgt für eine noch innigere Verbindung, die zumindest bis zu einem gewissen Grad dem Plattieren einer Metallschicht ähnelt.
Durch das Walzen, das an sich zu einem Strecken eines Metallstücks führt, trennt sich überraschenderweise das äußere, durch Wickeln hergestellte Rohr nicht von dem darunter befindlichen Rohr 51. Vielmehr werden beide gemeinsam in die gewünschte Schraubenform umgeformt, wobei gleichzeitig auch noch die innige Verbindung mit dem Kernelement 33 hergestellt wird.
Anstelle von lediglich einem Metallband können auch mehrere Metallbänder als mehrgängige Schraube aufgewickelt werden. Ferner kann der Wickelvorgang wiederholt werden um mehrere Lagen übereinander zu erzeugen. Die Erfindung wurde anhand einer Exzenterschneckenpumpe erläutert. Für den Fachmann ist jedoch ohne weiteres sofort zu erkennen, dass die Erfindung keineswegs auf Exzenterschneckenpumpen beschränkt ist. Vielmehr können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend den Figuren 5 bis 7 auch Rotoren für Exzenterschneckenmotoren oder Mud- motoren hergestellt werden. Im Ergebnis wird jeweils eine Verdrängermaschine erhalten, die einen sehr widerstandfähigen Rotor enthält.
Eine Exzenterschneckenpumpe oder ein Exzenterschneckenmotor weist einen Rotor auf, der aus einem wenigstens zweilagigen rohrförmigen Mantel gebildet ist. Die äußere Schicht des Mantels besteht aus einem Material, das abrieb- und/oder korrosionsfest ist.

Claims

Patentansprüche :
1. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor (1) ,
mit einem Stator (3) , der eine durchgehende Statorbohrung (20) enthält, die eine schraubenförmige Gestalt aufweist,
mit einem an die Statorbohrung (20) angepassten schraubenförmigen Rotor (4) , der ein schraubenförmig verformtes Rohr (34) aufweist, das sich aus einer inneren Lage (44) und wenigstens einer äußeren Lage (45) zusammensetzt, die gemeinsam zu der schraubenförmigen Gestalt umgeformt sind, wobei die äußere Lage (45) aus einem Material besteht, das sich von dem Material der inneren Lage (44) unterscheidet, und
mit einem Kupplungskopf (35), der mit dem Rotor (4) drehfest verbunden ist.
2. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der äußeren Lage (45) abriebfester und/oder korrosionsfester ist als das Material der inneren Lage (44) .
3. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Lage (44) aus einem nahtlosen Rohr (51) besteht.
4. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Lage (44) aus einem Stahl besteht.
5. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Lage (45) aus wenigstens einem Metallband (52) besteht.
6. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Metallband (52) der äußeren Lage (45) schraubenförmig auf die innere Lage (44) aufgewickelt ist.
7. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßstellen (54) zwischen benachbarten Windungen (53) des wenigstens einen aufgewickelten Metallbands (52) verschweißt sind.
8. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßstellen (54) lasergeschweißt sind.
9. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der äußeren Lage (45) von einem korrosionsfesten und/oder hoch abriebfesten Stahl gebildet.
10. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl aus dem Materialien V2A, V4A ausgewählt ist.
11. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) ein Kernelement (33) enthält, das mit dem Rohr (34) reib- und/oder formschlüssig verbunden ist.
12. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (34) mit dem Kernelement (33) im Bereich der Gewindetäler (47) formschlüssig verbunden ist, indem das Kernelement (33) lediglich im Bereich der Gewindetäler (47) des Rohrs (34) unter Bildung wenigstens einer schraubenförmig verlaufenden flachen Nut (48) eingedrückt ist.
13. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kernelement (33) und dem Rohr (34) wenigstens ein schraubenförmig verlaufender Zwischenraum (49) enthalten ist.
14. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (33) rohrförmig ist.
15. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (33) massiv ist.
16. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine schraubenförmig verlaufende Zwischenraum (49) mit einer Masse gefüllt ist.
17. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine schraubenförmig verlaufende Zwischenraum (49) leer ist.
18. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) eine Wandung (32) aufweist, die von einer elastomeren Masse gebildet ist.
19. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) aus einem Mantel (19) mit einer elastomeren Auskleidung (32) gebildet ist.
20. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elastomere Masse über einen großen Teil der Erstreckung des Stators (3) eine im Wesentlichen konstante Wandstärke aufweist.
21. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (19) eine schraubenförmige Gestalt aufweist, die der Statorbohrung (20) ähnlich ist.
22. Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschneckenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (19) eine zylindrische Gestalt und die Auskleidung (32) eine zylindrische Außenumfangsfläche aufweist.
23. Verfahren zum Herstellen eines Rotors einer Exzenterschneckenpumpe oder eines Exzenterschneckenmo- tors mit einem Stator (3) , der eine durchgehende Statorbohrung (20) enthält, die eine schraubenförmige Gestalt aufweist, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: es wird ein zylindrisches Rohr (51) bereit gestellt, das Rohr (51) wird mit einer Metallschicht (52) ummantelt, derart, dass sich eine doppelwandiges Gebilde (51,52) ergibt, das doppelwandige Gebilde (51,52) wird zu der schraubenförmigen Gestalt des Rotors (4) umgeformt.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Rohr (51) ein nahtloses Rohr ist.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Rohr (51) eine metallische blanke Außenumfangsfläche aufweist .
26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht von wenigstens einem Metallband (52) gebildet ist.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (52) auf das innere Rohr (51) derart aufgewickelt ist, dass die Windungen (53) im Wesentlichen ohne Spalt aneinander anstoßen.
28. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßstelle (54) zwischen benachbarten Windungen (53) verschweißt ist.
29. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (52) vor dem Aufwickeln auf das Rohr (51) kontinuierlich erwärmt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelwandige Gebilde (51,52) kalt umgeformt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Kaltumformung in das doppelwandige Gebilde (51,52) ein Kernelement (33) eingefügt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (33) Längsrippen aufweist.
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