WO2022129463A1 - Magnetkupplungspumpenanordnung - Google Patents
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- WO2022129463A1 WO2022129463A1 PCT/EP2021/086387 EP2021086387W WO2022129463A1 WO 2022129463 A1 WO2022129463 A1 WO 2022129463A1 EP 2021086387 W EP2021086387 W EP 2021086387W WO 2022129463 A1 WO2022129463 A1 WO 2022129463A1
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Classifications
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D13/00—Pumping installations or systems
- F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
- F04D13/021—Units comprising pumps and their driving means containing a coupling
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- F04D29/588—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for liquid pumps cooling or heating the machine
Definitions
- the invention relates to a magnetic coupling pump arrangement according to the preamble of claim 1 .
- a magnetically coupled pump is a shaft sealless centrifugal pump in which shaft torque is transmitted by magnetic induction with a permanent magnet coupling drive.
- the drive consists of an outer rotor rigidly connected to the motor shaft and an inner rotor connected to the pump shaft. Both rotors are fitted with permanent magnets so that opposite poles face each other. If the outer rotor is driven, the inner rotor runs synchronously and thus rotates the impeller of the pump. Complete sealing is achieved by installing a partition wall in the gap between the outer and inner rotor, the so-called containment shell.
- Centrifugal pumps are based on the principle of energy transfer to a fluid through a change in swirl as a result of a torque that is triggered by a uniformly rotating impeller on the fluid flowing through it. Centrifugal pumps usually have a spiral-shaped housing in which a bladed impeller rotates at high speed.
- Magnetic coupling pumps of this type with improved bearing arrangements and with efficient bearing lubrication are known.
- DE 10 2013 208 460 A1 shows a positioning of an axial bearing arrangement in a magnetic clutch pump, in which the lubrication of the bearing arrangement is improved and the acting radial bearing forces are reduced.
- DE 10 2013 007 849 A1 discloses an auxiliary impeller which is arranged on the inner rotor of a magnetic clutch pump. During operation, this generates a forced circulation of a lubricant flow, which in particular lubricates the bearing arrangement and, moreover, dissipates the heat generated by eddy current losses from the can area.
- a component with bores made on one axial side has been used for positioning the bearing arrangement, which diverts a fluid flow into an axial channel provided in the impeller shaft in the direction of the auxiliary impeller.
- the rotary movement of the pump shaft counteracts the discharge of the fluid flow due to the radial conveying effect of the radial bores, which leads to high hydraulic resistance in the inlet of the auxiliary hydraulics, so that the fluid flow of the auxiliary hydraulics can only be maintained if the pressure of the main hydraulics is sufficiently high.
- the cooling and lubricating flow of the auxiliary hydraulics breaks down because the NPSHa value in front of the auxiliary hydraulics (existing inlet pressure of the auxiliary impeller) is lower than the required NPSHr value (required inlet pressure of the auxiliary impeller).
- the bearing arrangement is not adequately lubricated and the heat from the pump's containment shell is not reliably dissipated.
- the NPSHa is determined by the inlet conditions on the suction side and is the total pressure at the inlet of the auxiliary hydraulics made up of the static pressure and the dynamic losses in the inlet to the auxiliary hydraulics.
- the object of the invention is to specify a magnetic coupling pump arrangement with an auxiliary hydraulic system whose functionality is maintained even under poor inlet conditions for the auxiliary hydraulic system, in order to reliably dissipate the heat generated by eddy current losses in the area of the containment shell and to maintain a sufficient lubricating and cooling flow in the bearing arrangement.
- the magnetic coupling pump should be characterized by high reliability and a long service life and also function safely in the pump's limit areas. It should also ensure easy assembly. Furthermore, the magnetic coupling pump should impress with the lowest possible production costs.
- the component which is designed as a clamping ring, has at least one element for actively conveying the fluid flow to an auxiliary impeller.
- the component is in an operative connection with the bearing arrangement and fulfills the task of fixing and positioning the bearing arrangement, in particular the plain bearing arrangement of the magnetic coupling pump.
- the clamping ring with the elements for promoting the fluid flow which are designed as blades with an essentially axial flow-guiding contour, promotes a fluid flow in the direction of the auxiliary impeller.
- the inventive design of the clamping ring in the inlet section to the auxiliary impeller largely avoids the losses caused by the counterclaim of the radial bores in the prior art and also builds up pressure in the direction of flow through the elements for promoting the fluid flow, in particular blades. This significantly improves the NPSHa and the auxiliary hydraulics can work reliably even at low pressures in the flow chamber.
- the member comprises an inner annular portion and an outer annular portion defining an annular channel therebetween.
- the clamping ring has a large number of elements for promoting the fluid flow.
- the element for promoting the fluid flow is designed in the form of a blade, the flow-guiding contour of which is aligned axially in a region in which the fluid enters the component.
- the clamping ring not only fulfills the function of positioning the bearing arrangement, but is also formed with vane channels, which achieve an excellent conveying effect of the fluid flow, starting from the bearing arrangement to a channel formed in the impeller shaft.
- the clamping ring has spaces for inflow into the channel of the impeller shaft. These spaces are formed on the downstream side of the blades.
- the connecting elements between the inner ring-shaped part and the outer ring-shaped part of the clamping ring form the spaces with these ring-shaped parts.
- the connecting elements are designed as rounded cams in the form of webs. Due to the round design of the connecting elements with rounded transitions, a conveying effect in the radial direction, ie counter to the desired conveying direction, is avoided in particular.
- the connecting elements are designed in such a way that they support and hold the structure of the clamping ring, in particular that of the inner and outer ring-shaped part, and at the same time realize the largest possible free spaces for the fluid flow.
- At least some of the elements for conveying the fluid flow have an axial flow contour.
- the end of the blade facing away from the fluid flow is aligned parallel to the impeller shaft.
- the end of the blade facing the fluid flow extends at an angle of more than 0°, preferably more than 15°, in particular more than 30° to 70°, preferably more than 30°, relative to an imaginary plane perpendicular to the axis of rotation to 65°, especially more than 30° to 60° from the inner annular part to the outer annular part.
- the end of the elements or blades facing away from the fluid flow is at an angle of more than 0°, preferably more than 15°, in particular more than 30°, relative to an imaginary plane perpendicular to the axis of rotation to 70°, preferably more than 30° to 65°, in particular more than 30° to 60° from the inner annular part 56 to the outer annular part 55.
- the two angles can have different angular degrees.
- the elements or blades have a curvature such that the end facing the fluid flow, relative to an imaginary plane coinciding with the axis of rotation A, extends radially away from the plane at an angle, the angle being smaller than 80°, preferably less than 75°, in particular less than 70° but greater than 35°, preferably greater than 40°, in particular greater than 45°.
- the clamping ring has more than 6, preferably more than 12, in particular more than 14 blades.
- the clamping ring is designed as a powerful axial impeller, which can effectively avoid a counter-demand of the cooling and lubricating flow in the radial direction. This contributes in particular to the operational reliability of the magnetic coupling pump, in particular when pumping low-boilers, and thereby increases the range of use of the pump arrangement. Due to the configuration of the clamping ring according to the invention, a break in the lubricating and cooling flow can be avoided even at low speeds of the pump, when pumping fluids with gas inclusions and when pumping evaporating pumped medium.
- the clamping ring has a large number of openings on the side facing the flow between the blades and also on the side facing away from the flow towards the interior of the impeller shaft, so that a smooth entry of the fluid flow is ensured.
- the vanes are curved in a way that they capture the incoming fluid, accelerate it and build up discharge pressure. Due to the pressure built up, the cooling and lubricating flow flows into the bore of the wave in.
- the bearing arrangement is thus reliably lubricated in a particularly advantageous manner and the heat from the eddy current losses is dissipated particularly efficiently.
- the clamping ring in particular the inner and outer annular parts, the blades and the connecting elements are made in one piece.
- the component is advantageously manufactured using a generative or additive process, e.g. selective laser melting and/or a precision casting process.
- the clamping ring has a configuration on its radial outside for throttling a fluid flow. This avoids a short-circuit flow in the area of the containment can.
- the bearing arrangement is designed as a sliding bearing arrangement.
- the component according to the invention is arranged directly on the bearing arrangement for fixing and positioning the bearing arrangement.
- FIG. 2 shows the sectional view of a section of the bearing arrangement and the containment shell from FIG. 1,
- FIG. 4 shows the sectional view of the clamping ring
- Fig. 5 shows the side section of the clamping ring.
- FIG. 7 shows the side section of a further embodiment of the clamping ring.
- the pump arrangement 1 shows a pump arrangement 1 in the form of a magnetic coupling pump arrangement.
- the pump arrangement 1 has a multi-part pump housing 2 of a centrifugal pump, which includes a hydraulic housing 3 designed as a volute housing, a housing cover 4 , a bearing bracket lantern 5 , a bearing bracket 6 and a bearing cover 7 .
- the hydraulic housing 3 has an inlet opening 8 for sucking in a pumped medium and an outlet opening 9 for ejecting the pumped medium.
- the housing cover 4 is arranged on the side of the hydraulic housing 3 opposite the inlet opening 8 .
- the bearing bracket lantern 5 is attached to the side of the housing cover 4 facing away from the hydraulic housing 3 .
- the bearing carrier 6 is attached to the side of the bearing carrier lantern 5 opposite the housing cover 4 .
- the bearing cover 7 is in turn fastened to the side of the bearing carrier 6 facing away from the bearing carrier lantern 5 .
- a containment shell 10 is attached to the side of the housing cover 4 facing away from the hydraulic housing 3 and extends at least partially through an interior space 11 delimited by the pump housing 2 , in particular by the housing cover 4 , by the bearing bracket lantern 5 and by the bearing bracket 6 .
- the containment shell 10 hermetically seals a chamber 12 enclosed by it and the housing cover 4 from the interior 11 .
- An impeller shaft 13 rotatable about an axis of rotation A extends from a flow chamber 14 delimited by means of the hydraulic housing 3 and the housing cover 4 through an opening 15 provided in the housing cover 4 into the chamber 12.
- An an impeller 16 is fastened to a shaft end of the impeller shaft 13 which is within the flow chamber 14 .
- An inner rotor 17 arranged within the chamber 12 is provided at the opposite end of the shaft of the impeller shaft 13, which in the exemplary embodiment shown has two shaft sections 13a, 13b, each with an increasing diameter.
- the inner rotor 17 is equipped with a plurality of magnets 18 which are arranged on the side of the inner rotor 17 facing the can 10 .
- An auxiliary impeller 20 is fastened to the inner rotor 17 by means of screws 19 or other suitable fastening means.
- a bearing arrangement 21 Arranged between the impeller 16 and the inner rotor 17 is a bearing arrangement 21 that is operatively connected to the rotatably drivable impeller shaft 13 .
- a drive motor preferably an electric motor, drives a drive shaft 22 .
- the drive shaft 22 is arranged essentially coaxially with the impeller shaft 13 and can therefore be rotated about the axis of rotation A.
- the drive shaft 22 extends through the bearing cover 7, the bearing bracket 6 and at least partially into the bearing bracket lantern 5.
- the drive shaft 22 is mounted in two ball bearings 23, 24 accommodated in the bearing bracket 6.
- the magnets 25 are arranged on the side of the outer rotor 26 facing the can 10 .
- the outer rotor 26 extends at least partially over the containment shell 10 and interacts with the inner rotor 17 in such a way that the rotating outer rotor 26 also causes the inner rotor 17 and thus the impeller shaft 13 and the impeller 16 to rotate by means of magnetic forces.
- the bearing arrangement 21 shown enlarged in FIG. 2 which is designed as a plain bearing arrangement in the exemplary embodiment, comprises a first retaining ring 27 which is arranged on the impeller shaft 13 and bears against the impeller 16 with one side.
- a first bearing sleeve 28 which is also pushed onto the impeller shaft 13 , rests on the side of the retaining ring 27 opposite the impeller 16 .
- the first bearing sleeve 28 is surrounded by a first bearing bush 29 which is non-rotatably connected to the housing cover 4 .
- the first bearing sleeve 28 close to the impeller 16 and the first bearing bush 29 close to the impeller 16 are arranged completely, at least in part or for the most part in the opening 15 of the housing cover 4 .
- the opening 15 of the housing cover 4 has an opening area 30 with an enlarged diameter, in which a circumferential groove 32 accommodating a tolerance ring 31 is formed, with the bearing bush 29 placed in the opening area 30 being securely connected to the housing cover 4 in a rotationally fixed manner by means of the tolerance ring 31 .
- a second retaining ring 33 pushed onto the impeller shaft 13 rests against the side of the bearing sleeve 28 opposite the retaining ring 27 .
- the retaining ring 33 there is formed a first annular groove 34 which points towards the first bearing bush 29 and in which a first axial bearing ring 35 is arranged.
- First bearing bush 29 and first thrust bearing ring 35 are arranged in such a way that they face each other substantially.
- the retaining ring 33 On the side opposite the first annular groove 34, the retaining ring 33 has a second annular groove 36, in which a second axial bearing ring 37 is accommodated.
- the retaining ring 33 is made in one piece.
- the retaining ring 33 can be made in two parts, with both retaining ring parts each having only one annular groove 34 and 36, respectively.
- the first axial bearing ring 35 is braced in the first annular groove 34 by means of a corrugated spring 38 .
- the second axial bearing ring 37 is braced in the second ring groove 36 by means of a further corrugated spring 39 .
- a second bearing sleeve 40 arranged on the impeller shaft 13 rests on the side of the retaining ring 33 opposite the first bearing sleeve 28 and is surrounded by a second bearing bush 41 .
- the second bearing bush 41 and the second thrust bearing ring 37 are arranged in such a manner that they are substantially opposed to one another.
- a component 42 pushed onto the impeller shaft 13 rests on the side facing away from the retaining ring 33 on the second bearing sleeve 40 .
- This component 42 according to the invention, which rotates with the impeller shaft 13, is designed in the form of a clamping ring and fixes as well as positions the bearing arrangement 21. As can be seen from FIGS.
- a plate spring assembly 43 is arranged between the component 42 and the shaft section 13a and acts on the clamping assembly, consisting of the impeller 16 and a wheel nut that fastens the impeller 16 to the impeller shaft 13 via a washer (not shown).
- Retaining ring 27, first bearing sleeve 28, retaining ring 33, second bearing sleeve 40, component 42 and inner rotor 17 with a spring force such that the clamped assembly, in particular via the inner rotor 17, is held elastically to a certain extent.
- first axial bearing ring 35 comes into contact with the first bearing bush 29, with the first axial bearing ring 35 and the first bearing bush 29 forming a first axial bearing arrangement
- second axial bearing ring 37 comes into contact with the second bearing bush 41 ,
- the second thrust bearing ring 37 and the second bearing bush 41 forming a second thrust bearing arrangement.
- a bearing ring carrier 44 is fixed coaxially to the axis of rotation A by means of a screw connection (not shown) with a flange-like area on the housing cover 4 and extends into the chamber 12. It essentially surrounds the retaining ring 33 with the axial bearing rings 35, 37, the second bearing sleeve 40, the second bearing bush 41 and at least partially the component 42. From the flange-like area to its free end on the side facing away from the pump impeller 16, the outer diameter of the bearing ring carrier 44 is reduced in sections.
- a plurality of through-openings are provided in the housing cover 4 , through-openings 45 and 46 which connect the flow chamber 14 to the chamber 12 essentially enclosed by the can 10 and the housing cover 4 are shown here as examples. Furthermore, similar through-openings, which are not visible in this perspective, are provided, which are offset by approximately 90° to the through-openings 45 and 46 . These allow the medium to be conveyed to flow from the flow chamber 14 into the interior of the bearing ring carrier 44 and thus to the bearing arrangement 21 . At least one bore 47 is formed in the retaining ring 33 and connects the second annular groove 36 to a further annular groove 48 which is formed in the retaining ring 33 in a region facing the impeller shaft 13 . At least one bore, which is not shown in this view, also connects the first annular groove 34 to the annular groove 48. In addition, there is at least one gap running parallel to the axis of rotation A
- pumping medium can be taken from the flow chamber 14 and fed to the axial bearing rings 35, 37 and the associated surfaces of the bearing sleeves 28, 40 and bearing bushes 29, 41.
- the conveying medium is conveyed into the annular groove 48 via the exemplary bore 47 .
- the pumped medium is then fed to the auxiliary impeller 20 via at least one radial bore 51 formed in the impeller shaft 13 in an axial channel 52 extending from the radial bore 51 through the rest of the impeller shaft 13 .
- at least one further radial bore 53 is formed in the impeller shaft near the component 42 or cup spring assembly 43 , which is also connected to the axial passage 52 extending through the impeller shaft 13 . Due to the configuration according to the invention of the component 42 rotating with the impeller shaft 13, the conveyed medium is conveyed from the inner region of the bearing ring carrier 44 to the radial bore 53 and ensures particularly efficient lubrication of the bearing arrangement 21.
- auxiliary impeller 20 conveys the pumped medium from the axial channel 52 into the enclosed chamber 12.
- the pumped medium absorbs the heat Eddy current losses and flows into the flow chamber 14 from.
- the inventive design of the component 42 lubricates the bearing arrangement 21 and the area of the inner rotor 17 particularly efficiently and also in the case of low speeds of the impeller shaft 13 and in the case of a low-boiling conveyed medium.
- Fig. 3 shows the plan view of the component 42, which is designed as a clamping ring in this embodiment.
- the component 42 has an outer annular part 55 and an inner annular part 56 .
- the inner annular part 56 bears against the impeller shaft 13 .
- FIG. 4 shows a sectional view of component 42 along line A-A shown in Figure 3, it can be seen that outer annular portion 55 and inner annular portion 56 define an annular channel 66 therebetween.
- the ring channel extends essentially parallel to the axis of rotation A.
- at least one element 57 for conveying the fluid flow, which is designed in the form of a blade.
- a plurality of elements 57 or blades are preferably provided.
- the at least one element 57 connects the outer annular part 55 to the inner annular part 56.
- the component 42 has a multiplicity of openings 58 for the inflow of a fluid stream.
- the clamping ring 42 has more than 6, preferably more than 12, in particular more than 14 elements 57 or blades for promoting the fluid flow.
- the elements 57 for conveying the conveying medium which are designed as blades at least partially with an axially aligned contour, are arranged between the outer ring-shaped part 55 and the inner ring-shaped part 56 .
- Each blade-like element 57 has an end 59 facing the fluid flow and an end 60 facing away from the fluid flow.
- the end 59 of the elements 57 facing the fluid flow extends at an angle a of more than 0°, preferably more than 15°, in particular more than 30° to 70°, relative to an imaginary plane E which is perpendicular to the axis of rotation A , preferably more than 30° to 65°, in particular more than 30° to 60° from the inner annular part 56 to the outer annular part 55.
- the area of the end 59 close to the inner annular part 56 extends at an angle ⁇ of 0° in the direction of the bearing arrangement 21 just as far as the area close to the outer annular part 55 .
- angle ⁇ greater than 0° the portion of end 59 proximate inner annular portion 56 extends further toward bearing assembly 21 than the portion proximate outer annular portion 55 .
- the end 60 of the elements 57 facing away from the fluid flow extends at an angle a′ of more than 0°, preferably more than 15°, in particular more than 30° to an imaginary plane E′, which is perpendicular to the axis of rotation A 70°, preferably more than 30° to 65°, in particular more than 30° to 60° from the inner annular part 56 to the outer annular part 55.
- the angles a and a' can have different angle degrees.
- the clamping ring 42 has a throttle device 61 on its radial outside.
- the throttle device 61 is formed by a multiplicity of grooves or ribs arranged one behind the other in the axial direction.
- a thread can also be provided.
- each of the ends 60 ends in front of or in a first annular space 62, which adjoins the annular channel 66 in the axial direction.
- the portion of the end 60 proximate the outer annular portion 55 extends at an angle ⁇ ' of 0° just as far forward of or into the first annulus 62 as the portion proximate the inner annular portion 56.
- ⁇ ′ of more than 0°
- the area close to the outer annular part 55 extends further into the first annular space 62 than the area close to the inner annular part 56 .
- At least one opening 63 extends from the first annular space 62 through the inner annular part 56 into a second annular space 64 which is in register with the radial bore 53 shown in FIG.
- connecting elements 65 are provided which support and stabilize the structure of the clamping ring 42 .
- Fig. 5 shows a side sectional view of the component 42 designed as a clamping ring along the line B-B in Fig. 3.
- the bladed elements 57 shown are bent in the direction of rotation and have a curvature such that the end 59 facing the fluid flow is related extends to an imaginary plane E" coinciding with the axis of rotation A at an angle ß radially away from the plane E".
- the angle ⁇ is less than 80°, preferably less than 75°, in particular less than 70°, but greater than 35°, preferably greater than 40°, in particular greater than 45°.
- the end 60 of the blade-like element 57 arranged in the ring channel 66 which faces away from the fluid flow is aligned essentially parallel to the impeller shaft 13 or axis of rotation A.
- Fig. 6 shows the component 42 in a section along the line CC in Fig. 5.
- the connecting elements 65 are essentially cylindrical with a circular cross-section and generate hardly any or almost no flow from the second annular space 64 into the first annular space 62.
- FIG. 7 shows a further embodiment of the component 42 according to the invention.
- the connecting elements 65 shown for example in FIG. 6 are dispensed with.
- the inner annular part 56 and the outer annular part 55 are held at a distance from one another only by the elements 57 arranged in the annular channel 66 .
- the opening 63 is ring-shaped.
- part of the medium to be conveyed is conveyed from the flow chamber 14 to the axial bearing rings 35, 37.
- part of the medium flows via at least one groove (not shown in the figures) running parallel to the axis of rotation A in the bushing 41 to the component 42.
- the medium flows in the axial direction to the rotating component 42 without rotation.
- the medium flowing in the axial direction is caught by the curved ends 59 , which face the fluid flow, of the elements 57 arranged in the annular channel 66 and conveyed further in the axial direction into the first annular space 62 of the component 42 .
- the medium is accelerated and the pressure increased.
- the medium flow is deflected in the first annular space 62 and flows through the openings 63 into the second annular space 64 , which is essentially delimited by the outer lateral surface of the impeller shaft 13 and the inner annular part 56 . Due to the fact that the connecting elements 65 are of cylindrical design or are not present, the medium is deflected in the radial direction towards the axis of rotation A without a conveying effect directed radially away from the axis of rotation A.
- the medium flows from the second annular space 64 via the at least one radial bore 53 into the axial channel 52 and to the auxiliary impeller 20 arranged at the end of the impeller shaft, which conveys the medium into the chamber 12 and then back into the flow chamber 14.
- a small part of the fluid flow can be discharged from the flow chamber 14 via channels in order to lubricate the bearing arrangement 21 and to dissipate the heat from the area of the containment shell 10 .
- the inventive design of the component 42 largely avoids the losses caused by a possible counterclaim of the radial bores, as is known in the case of known clamping rings, and pressure is additionally built up by the blading in the axial direction of flow.
- the NPSHa is thus significantly improved and the auxiliary hydraulic system 20 can also work reliably at low pressures in the flow chamber 14 .
- the design of the component 42 contributes in particular to the fact that this cooling and lubricating flow does not break off under the operating conditions to be assumed, in particular when pumping low-boiling fluids, and the cooling and lubricating task can be carried out safely.
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Abstract
Magnetkupplungspumpenanordnung mit einer Lageranordnung (21), einem Hilfslaufrad (20) zum Erzeugen eines Zwangsumlaufs eines Schmier-/Kühlstroms, der insbesondere die Lageranordnung (21) schmiert und darüber hinaus die durch Wirbelstromverluste erzeugte Wärme aus dem Spalttopfbereich abführt, einem mit der Lageranordnung (21) und dem Hilfslaufrad (20) strömungstechnisch in Wirkverbindung stehenden Bauteil (42), wobei das Bauteil (42) Öffnungen (58, 63) aufweist zur Führung eines Fluidstroms über einen Axialkanal (52) einer Laufradwelle (13) zum Hilfslaufrad (20). Erfindungsgemäß weist dass das Bauteil (42) zur Reduzierung des Durchflusswiderstands in Richtung des Axialkanals (52) der Laufradwelle (13) zumindest ein Element (57) zur aktiven Förderung des Fluidstroms zum Hilfslaufrad (20) auf.
Description
Beschreibung
Magnetkupplungspumpenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Magnetkupplungspumpenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Eine Magnetkupplungspumpe ist eine wellendichtungslose Kreiselpumpe, bei der das Wellendrehmoment mit einem Dauermagnetkupplungsantrieb durch magnetische Induktion übertragen wird. Der Antrieb besteht aus einem starr mit der Motorwelle verbundenem Außenrotor und einem mit der Pumpenwelle verbundenen Innenrotor. Beide Rotoren sind mit Permanentmagneten bestückt, so dass sich ungleichnamige Pole gegenüberstehen. Wird der Außenrotor angetrieben, läuft der Innenrotor synchron mit und rotiert somit das Laufrad der Pumpe. Durch den Einbau einer Trennwand im Spalt zwischen Außen- und Innenrotor, dem sogenannten Spalttopf, wird eine vollständige Abdichtung erreicht.
Kreiselpumpen beruhen auf dem Wirkprinzip der Energieübertragung an ein Fluid durch Dralländerung infolge eines Drehmoments, das von einem gleichförmig rotierenden Laufrad auf das durch dieses strömende Fluid ausgelöst wird. Kreiselpumpen verfügen über ein meist spiralförmiges Gehäuse, in dem ein schaufelbestücktes Laufrad mit hoher Drehzahl rotiert.
Derartige Magnetkupplungspumpen mit verbesserten Lageranordnungen und mit effizienter Lagerschmierung sind bekannt.
Die DE 10 2013 208 460 A1 zeigt eine Positionierung einer Axiallageranordnung in einer Magnetkupplungspumpe, bei der die Schmierung der Lageranordnung verbessert und die wirkenden Radiallagerkräfte reduziert sind.
In der DE 10 2013 007 849 A1 ist ein Hilfslaufrad offenbart, welches am Innenrotor einer Magnetkupplungspumpe angeordnet ist. Dieses erzeugt im Betrieb einen Zwangsumlauf einer Schmierstoffströmung, die insbesondere die Lageranordnung schmiert und darüber hinaus die durch Wirbelstromverluste erzeugte Wärme aus dem Spalttopfbereich abführt.
Bisher wird zur Positionierung der Lageranordnung ein Bauteil mit an einer axialen Seite ausgeführten Bohrungen verwendet, die einen Fluidstrom in einen in der Laufradwelle vorgesehenen Axialkanal in Richtung Hilfslaufrad ableitet. Die Drehbewegung der Pumpenwelle wirkt aufgrund der radialen Förderwirkung der Radialbohrungen der Ableitung des Fluidstroms entgegen, was zu einem großen hydraulischne Widerstand im Zulauf der Hilfshydraulik führt, so dass nur bei ausreichend großem Druck der Haupthydraulik der Fluidsrom der Hilfshydraulik aufrecht erhalten werden kann.
Wenn jedoch die Pumpe (Haupthydraulik) durch eine geringe Förderhöhe und / oder einen geringen Zulaufdurck keinen ausreichend großen Druck zur Verfügung stellen kann, bricht der Kühl- und Schmierstrom der H ilfhydraulik zusammen, da der vor der Hilfshydraulik anstehende NPSHa-Wert (vorhandener Zulaufdruck des Hilfslaufrades) geringer ist als der geforderte NPSHr-Wert (erforderlicher Zulaufdruck des Hilfslaufrades). Dadurch wird weder die Lageranordnung ausreichend geschmiert noch die Wärme aus dem Spalttopf der Pumpe zuverlässig abgeführt. Der NPSHa wird durch die saugseitigen Zulaufbedingungen bestimmt und ist der sich aus dem statischen Druck und den dynamischen Verlusten im Zulauf zur Hilfshydraulik zusammensetzende Totaldruck am Eintritt der Hilfshydraulik. Ist der statische Druck niedrig, beispielsweise bei geringem Zulaufdruck und geringer Förderhöhe aus der Strömungskammer, müssen die dynamischen Verluste möglichst gering sein, damit die Bedingung NPSHa > NPSHr erfüllt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Magnetkupplungspumpenanordnung mit einer Hilfshydraulik anzugeben, deren Funktionsfähigkeit auch bei schlechten Zulaufbedingungen für die Hilfshydraulik aufrecht erhalten bleibt, um die durch Wirbelstromverluste im Bereich des Spalttopfes entstehende Wärme sicher abzuführen und einen ausreichenden Schmier- und Kühlstroms in der Lageranordnung aufrechtzuerhalten. Die Magnetkupplungspumpe soll sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer auszeichnen und auch in Grenzbereichen der Pumpe sicher funktionieren. Sie soll zudem eine einfache Montage gewährleisten. Weiterhin soll die Magnetkupplungspumpe durch möglichst geringe Herstellungskosten überzeugen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Magnetkupplungspumpenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist das Bauteil, das als Spannring ausgebildet ist, zumindest ein Element zur aktiven Förderung des Fluidstroms zu einem Hilfslaufrad auf. Als Spannring steht das Bauteil mit der Lageranordnung in einer Wirkverbindung und erfüllt dabei die Aufgabe der Fixierung und Positionierung der Lageranordnung, insbesondere der Gleitlageranordnung der Magnetkupplungspumpe. Gleichzeitig fördert der Spannring mit den Elementen zur Förderung des Fluidstroms, die als Schaufeln mit im Wesentlichen axialer strömungsführender Kontur ausgebildet sind, einen Fluidstrom in Richtung Hilfslaufrad. Durch die erfinderische Ausgestaltung des Spannrings in der Zulaufstrecke zum Hilfslaufrad hin werden die Verluste durch die Gegenforderung der radialen Bohrungen beim Stand der Technik weitgehend vermieden und zusätzlich durch die Elemente zur Förderung des Fluidstroms, insbesondere Schaufeln, in Strömungsrichtung Druck aufgebaut. Damit wird der NPSHa deutlich verbessert und die Hilfshydraulik kann auch noch bei geringen Drücken in der Strömungskammer zuverlässig arbeiten.
Vorzugsweise umfasst das Bauteil einen inneren ringförmigen Teil und einem äußeren ringförmigen Teil, die zwischen sich einen Ringkanal definieren. Gemäß der Erfindung ist mindestens ein Element zur Förderung des Fluidstroms zwischen dem inneren ringförmigen Teil und dem äußeren ringförmigen Teil des Spannrings, insbesondere im
Ringkanal, angeordnet. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung verfügt der Spannring über eine Vielzahl von Elementen zur Förderung des Fluidstroms.
Idealerweise ist das Element zur Förderung des Fluidstroms in Form einer Schaufel ausgebildet, dessen strömungsführende Kontur in einem Bereich, in dem das Fluid in das Bauteil eintritt, axial ausgerichtet ist. Dadurch erfüllt der Spannring nicht nur die Funktion der Positionierung der Lageranordnung, sondern ist gleichzeitig mit Schaufelkanälen ausgebildet, welche eine hervorragende Förderwirkung des Fluidstroms ausgehend von der Lageranordnung zu einem in der Laufradwelle ausgebildeten Kanal erzielt.
Vorteilhafterweise weist der Spannring Räume zur Zuströmung in den Kanal der Laufradwelle auf. Diese Räume sind auf der strömungsabgewandten Seite der Schaufeln ausgebildet. Dabei bilden die Verbindungselemente zwischen dem inneren ringförmigen Teil und dem äußeren ringförmigen Teil des Spannrings mit diesen ringförmigen Teilen die Räume. Die Verbindungselemente sind als abgerundete Nocken in Form von Stegen ausgebildet. Durch die runde Gestaltung der Verbindungselemente mit abgerundeten Übergängen wird insbesondere eine Förderwirkung in die radiale Richtung, also entgegen der gewünschten Förderrichtung, vermieden. Idealerweise sind die Verbindungselemente derart gestaltet, dass sie die Struktur des Spannrings, insbesondere die des inneren und äußeren ringförmigen Teils stützen sowie halten und gleichzeitig möglichst große Freiräume für die Fluidströmung realisieren.
Die Elemente zur Förderung des Fluidstroms verfügen zumindest teilweise über eine axiale Strömungskontur. Somit ist das dem Fluidstrom abgewandte Ende der Schaufel parallel zur Laufradwelle ausgerichtet. Idealerweise erstreckt sich das dem Fluidstrom zugewandte Ende der Schaufel, bezogen auf eine gedachte, senkrecht zur Drehachse liegende Ebene in einem Winkel von mehr als 0°, vorzugsweise mehr als 15°, insbesondere mehr als 30° bis 70°, vorzugsweise mehr als 30° bis 65°, insbesondere mehr als 30° bis 60° von dem inneren ringförmigen Teil zum äußeren ringförmigen Teil.
Als besonders günstig hat sich erwiesen, wenn sich das dem Fluidstrom abgewandte Ende der Elemente bzw. Schaufeln, bezogen auf eine gedachte, senkrecht zur Drehachse liegende Ebene in einem Winkel von mehr als 0°, vorzugsweise mehr als 15°, insbesondere mehr als 30° bis 70°, vorzugsweise mehr als 30° bis 65°, insbesondere mehr als 30° bis 60° von dem inneren ringförmigen Teil 56 zum äußeren ringförmigen Teil 55 erstreckt.
Dabei können die beiden Winkel unterschiedliche Winkelgrade aufweisen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Elemente bzw. Schaufeln eine Krümmung auf, derart, dass sich das dem Fluidstrom zugewandte Ende, bezogen auf eine gedachte mit der Drehachse A zusammenfallenden Ebene, in einem Winkel radial von der Ebene weg erstreckt, wobei der Winkel kleiner als 80°, vorzugswese kleiner als 75°, insbesondere kleiner als 70° aber größer als 35°, vorzugsweise größer als 40°, insbesondere größer als 45° ist.
Gemäß der Erfindung weist der Spannring mehr als 6, vorzugsweise mehr als 12, insbesondere mehr als 14 Schaufeln auf. Vorteilhafterweise ist der Spannring als leistungsfähiges Axiallaufrad ausgestaltet, das eine Gegenforderung des Kühl- und Schmierstroms in radiale Richtung wirksam vermeiden kann. Dies trägt insbesondere zur Betriebssicherheit der Magnetkupplungspumpe bei, im Besonderen beim Fördern von Leichtsiedern und erhöht dadurch den Einsatzbereich der Pumpenanordnung. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Spannrings kann auch bei niedrigen Drehzahlen der Pumpe, beim Fördern von Fluiden mit Gaseinschlüssen und beim Fördern von verdampfendem Fördermedium ein Abriss des Schmier- und Kühlstroms vermieden werden. Der Spannring weist auf der strömungszugewandten Seite zwischen den Schaufeln und ebenso auf der strömungsabgewandten Seite zum Innenraum der Laufradwelle hin eine Vielzahl von Öffnungen auf, so dass ein stoßfreier Eintritt des Fluidstroms gewährleistet ist. Erfindungsgemäß sind die Schaufeln in der Form gekrümmt, dass sie das zufließende Fluid einfangen, beschleunigen und Förderdruck aufbauen. Durch den aufgebauten Druck strömt der Kühl- und Schmierstrom in die Bohrung der
Welle ein. Somit wird besonders vorteilhaft die Lageranordnung sicher geschmiert und die Wärme der Wirbelstromverluste besonders effizient abgeführt.
Vorteilhafterweise ist der Spannring, insbesondere der innere und äußere ringförmige Teil, die Schaufeln und die Verbindungselemente einstückig ausgebildet. Vorteilhafterweise wird das Bauteil über ein generatives bzw. additives Verfahren z.B. selektives Leserschmelzen und/oder ein Feingussverfahren hergestellt.
Idealerweise weist der Spannring an seiner radialen Außenseite eine Ausbildung zur Drosselung eines Fluidstroms auf. Dadurch lässt sich eine Kurzschlussströmung im Bereich des Spalttopfs vermeiden.
Bei einer besonders zuverlässigen Magnetkupplungspumpenanordnung ist die Lageranordnung als Gleitlageranordnung ausgebildet.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Bauteil unmittelbar an der Lageranordnung zur Fixierung und Positionierung der Lageranordnung angeordnet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt:
Fig. 1 die Schnittdarstellung einer Magnetkupplungspumpe,
Fig. 2 die Schnittdarstellung eines Ausschnitts der Lageranordnung und des Spalttopfes aus Fig. 1 ,
Fig. 3 die Draufansicht des Spannrings,
Fig. 4 die Schnittdarstellung des Spannrings,
Fig. 5 den seitlichen Schnitt des Spannrings.
Fig. 6 eine weitere Schnittdarstellung des Spannrings,
Fig. 7 den seitlichen Schnitt einer weiteren Ausführungsform des Spannrings.
Fig. 1 zeigt eine Pumpenanordnung 1 in Form einer Magnetkupplungspumpenanordnung. Die Pumpenanordnung 1 weist ein mehrteiliges Pumpengehäuse 2 einer Kreiselpumpe auf, das ein als Spiralgehäuse ausgebildetes Hydraulikgehäuse 3, einen Gehäusedeckel 4, eine Lagerträgerlaterne 5, einen Lagerträger 6 und einen Lagerdeckel 7 umfasst.
Das Hydraulikgehäuse 3 weist eine Einlassöffnung 8 zum Ansaugen eines Fördermediums und eine Auslassöffnung 9 zum Ausstößen des Fördermediums auf. Der Gehäusedeckel 4 ist an der der Einlassöffnung 8 gegenüberliegenden Seite des Hydraulikgehäuses 3 angeordnet. An der dem Hydraulikgehäuse 3 abgewandten Seite des Gehäusedeckels 4 ist die Lagerträgerlaterne 5 befestigt. Der Lagerträger 6 ist an der dem Gehäusedeckel 4 gegenüberliegenden Seite der Lagerträgerlaterne 5 angebracht. Der Lagerdeckel 7 ist wiederum an der der Lagerträgerlaterne 5 abgewandten Seite des Lagerträgers 6 befestigt.
Ein Spalttopf 10 ist an der dem Hydraulikgehäuse 3 abgewandten Seite des Gehäusedeckels 4 befestigt und erstreckt sich zumindest teilweise durch einen vom Pumpengehäuse 2, insbesondere vom Gehäusedeckel 4, von der Lagerträgerlaterne 5 und von dem Lagerträger 6 begrenzten Innenraum 11 . Der Spalttopf 10 dichtet eine von ihm und dem Gehäusedeckel 4 umschlossene Kammer 12 hermetisch gegenüber dem Innenraum 11 ab.
Eine um eine Drehachse A drehbare Laufradwelle 13 erstreckt sich von einer mittels des Hydraulikgehäuses 3 und des Gehäusedeckels 4 begrenzten Strömungskammer 14 durch eine in dem Gehäusedeckel 4 vorgesehene Öffnung 15 in die Kammer 12. An
einem innerhalb der Strömungskammer 14 liegenden Wellenende der Laufradwelle 13 ist ein Laufrad 16 befestigt. Am gegenüberliegenden Wellenende der Laufradwelle 13, das in der gezeigten beispielhaften Ausführungsform zwei Wellenabschnitte 13a, 13b mit sich jeweils vergrößernden Durchmessern aufweist, ist ein innerhalb der Kammer 12 angeordneter Innenrotor 17 vorgesehen. Der Innenrotor 17 ist mit mehreren Magneten 18 bestückt, die an der dem Spalttopf 10 zugewandten Seite des Innenrotors 17 angeordnet sind. An dem Innenrotor 17 ist mittels Schrauben 19 oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln ein Hilfslaufrad 20 befestigt.
Zwischen Laufrad 16 und Innenrotor 17 ist eine mit der drehbar antreibbaren Laufradwelle 13 in Wirkverbindung stehende Lageranordnung 21 angeordnet.
Ein nicht dargestellter Antriebsmotor, vorzugsweise ein Elektromotor, treibt eine Antriebswelle 22 an. Die Antriebswelle 22 ist im Wesentlichen koaxial zur Laufradwelle 13 angeordnet und ist somit um die Drehachse A drehbar. Die Antriebswelle 22 erstreckt sich durch den Lagerdeckel 7, den Lagerträger 6 und wenigstens teilweise in die Lager- trägerlaterne 5. Die Antriebswelle 22 ist in zwei in dem Lagerträger 6 untergebrachten Kugellagern 23, 24 gelagert. Am freien Ende der Antriebswelle 22 ist ein mehrere Magnete 25 tragender Außenrotor 26 angeordnet. Die Magnete 25 sind an der dem Spalttopf 10 zugewandten Seite des Außenrotors 26 angeordnet. Der Außenrotor 26 erstreckt sich zumindest teilweise über den Spalttopf 10 und wirkt mit dem Innenrotor 17 zusammen, derart, dass der rotierende Außenrotor 26 mittels magnetischer Kräfte den Innenrotor 17 und somit die Laufradwelle 13 und das Laufrad 16 ebenfalls in eine Rotationsbewegung versetzt.
Die in der Fig. 2 vergrößert dargestellte Lageranordnung 21 , die im Ausführungsbeispiel als Gleitlageranordnung ausgebildet ist, umfasst einen ersten Haltering 27, der auf der Laufradwelle 13 angeordnet ist und mit einer Seite am Laufrad 16 anliegt. An der dem Laufrad 16 entgegengesetzten Seite des Halterings 27 liegt eine ebenfalls auf die Laufradwelle 13 geschobene erste Lagerhülse 28 an. Die erste Lagerhülse 28 ist von einer ersten Lagerbüchse 29 umgeben, die drehfest mit dem Gehäusedeckel 4 verbunden ist.
Die dem Laufrad 16 nahe erste Lagerhülse 28 und die dem Laufrad 16 nahe erste Lagerbüchse 29 sind dabei vollständig, mindestens zu einem Teil bzw. größtenteils in der Öffnung 15 des Gehäusedeckels 4 angeordnet. Die Öffnung 15 des Gehäusedeckels 4 weist einen Öffnungsbereich 30 mit vergrößertem Durchmesser auf, in dem eine einen Toleranzring 31 aufnehmende umlaufende Nut 32 ausgebildet ist, wobei die im Öffnungsbereich 30 platzierte Lagerbüchse 29 mittels des Toleranzringes 31 auf sichere Weise drehfest mit dem Gehäusedeckel 4 verbunden ist.
Ein auf die Laufradwelle 13 aufgeschobener zweiter Haltering 33 liegt an der dem Haltering 27 gegenüberliegenden Seite der Lagerhülse 28 an. In dem Haltering 33 ist eine zur ersten Lagerbüchse 29 weisende erste Ringnut 34 ausgebildet, in der ein erster Axiallagerring 35 angeordnet ist. Erste Lagerbüchse 29 und erster Axiallagerring 35 sind derart angeordnet, dass sie im Wesentlichen einander gegenüberliegen. Der Haltering 33 weist auf der der ersten Ringnut 34 gegenüberliegenden Seite eine zweite Ringnut 36 auf, in der ein zweiter Axiallagerring 37 untergebracht ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Haltering 33 einteilig ausgeführt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Haltering 33 zweiteilig ausgeführt sein, wobei beide Halteringteile jeweils nur eine Ringnut 34 bzw. 36 aufweisen. Der erste Axiallagerring 35 wird mittels einer Wellfeder 38 in der ersten Ringnut 34 verspannt. Auf die gleiche Weise wird der zweite Axiallagerring 37 mittels einer weiteren Wellfeder 39 in der zweiten Ringnut 36 verspannt.
Eine auf der Laufradwelle 13 angeordnete zweite Lagerhülse 40 liegt an der der ersten Lagerhülse 28 gegenüberliegenden Seite des Halterings 33 an und ist von einer zweiten Lagerbüchse 41 umgeben. Zweite Lagerbüchse 41 und zweiter Axiallagerring 37 sind derart angeordnet, dass sie im Wesentlichen einander gegenüberliegen. Ein auf die Laufradwelle 13 geschobenes Bauteil 42 liegt an der dem Haltering 33 abgewandten Seite an der zweiten Lagerhülse 40 an. Dieses erfindungsgemäße mit der Laufradwelle 13 rotierende Bauteil 42 ist in Form eines Spannrings ausgeführt und fixiert als auch positioniert die Lageranordnung 21.
Wie aus den Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich, ist ein Tellerfederpaket 43 zwischen dem Bauteil 42 und dem Wellenabschnitt 13a angeordnet und beaufschlagt den Spannverbund, bestehend aus Laufrad 16, einer das Laufrad 16 über eine nicht dargestellte Scheibe an die Laufradwelle 13 befestigende Lauradmutter, Haltering 27, erste Lagerhülse 28, Haltering 33, zweite Lagerhülse 40, Bauteil 42 und Innenrotor 17 mit einer Federkraft, derart, dass der Spannverbund, insbesondere über den Innenrotor 17 in einem gewissen Maße elastisch gehalten wird.
Durch unterschiedlich wirkende Axialschubkräfte während des Betriebs der Pumpenanordnung 1 gelangt entweder der erste Axiallagerring 35 in Anlage an die erste Lagerbüchse 29, wobei erster Axiallagerring 35 und erste Lagerbüchse 29 eine erste Axiallageranordnung bilden, oder der zweite Axiallagerring 37 kommt in Anlage an die zweite Lagerbüchse 41 , wobei zweiter Axiallagerring 37 und zweite Lagerbüchse 41 eine zweite Axiallageranordnung bilden.
Ein Lagerringträger 44 ist koaxial zur Drehachse A mittels einer nicht dargestellten Schraubverbindung mit einem flanschartigen Bereich an dem Gehäusedeckel 4 befestigt und erstreckt sich in die Kammer 12. Er umgibt dabei im Wesentlichen den Haltering 33 mit den Axiallagerringen 35, 37, die zweite Lagerhülse 40, die zweite Lagerbüchse 41 und zumindest teilweise das Bauteil 42. Vom flanschartigen Bereich bis zu seinem freien Ende auf der dem Pumpenlaufrad 16 abgewandten Seite reduziert sich abschnittsweise der Außendurchmesser des Lagerringträgers 44.
In dem Gehäusedeckel 4 sind mehrere Durchgangsöffnungen vorgesehen, hier exemplarisch dargestellt sind Durchgangsöffnungen 45 und 46, welche die Strömungskammer 14 mit der im Wesentlichen vom Spalttopf 10 und dem Gehäusedeckel 4 umschlossenen Kammer 12 verbinden. Des Weiteren sind ähnliche, jedoch in dieser Perspektive nicht sichtbare Durchgangsöffnungen vorgesehen, die um etwa 90° versetzt zu den Durchgangsöffnungen 45 und 46 angeordnet sind. Diese ermöglichen einen Fluss des zu fördernden Mediums von der Strömungskammer 14 in den Innenbereich des Lagerringträgers 44 und somit zur Lageranordnung 21 .
Im Haltering 33 ist mindestens eine Bohrung 47 ausgebildet, welche die zweite Ringnut 36 mit einer weiteren Ringnut 48, die in einem zur Laufradwelle 13 zugewandten Bereich im Haltering 33 ausgebildet ist, verbindet. Wenigstens eine, jedoch in dieser Ansicht nicht dargestellte Bohrung verbindet die erste Ringnut 34 ebenfalls mit der Ringnut 48. Zusätzlich befindet sich wenigstens ein parallel zur Drehachse A verlaufender Spalt
49 zwischen erster Lagerbüchse 29 und erster Lagerhülse 28 und ein Spalt 50 zwischen der zweiten Lagerbüchse 41 und der zweiten Lagerhülse 40. Die Spalte 49 und
50 sind als ringförmige Räume anzusehen.
Somit kann zur Kühlung und Schmierung der Gleitlageranordnung 21 aus der Strömungskammer 14 Fördermedium entnommen und den Axiallagerringen 35, 37 und den einander zugeordneten Flächen der Lagerhülsen 28, 40 und Lagerbüchsen 29, 41 zugeführt werden. Über die exemplarische Bohrung 47 wird das Fördermedium in die Ringnut 48 gefördert. Über wenigstens eine in der Laufradwelle 13 ausgebildete Radialbohrung 51 wird das Fördermedium in einen, sich von der Radialbohrung 51 durch die restliche Laufradwelle 13 erstreckenden Axialkanal 52 dann dem Hilfslaufrad 20 zugeführt. Zur Schmierung der zweiten Axiallagerung ist wenigstens eine weitere Radialbohrung 53 in der Laufradwelle nahe des Bauteils 42 bzw. Tellerfederpakets 43 ausgebildet, die ebenfalls mit dem sich durch die Laufradwelle 13 erstreckenden Axialkanal 52 in Verbindung steht. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des mit der Laufradwelle 13 rotierenden Bauteils 42 wird das Fördermedium vom Innenbereich des Lagerringträgers 44 zur Radialbohrung 53 gefördert und sorgt für eine besonders effiziente Schmierung der Lageranordnung 21.
Durch die Drehbewegung der Laufradwelle 13 befördert das Hilfslaufrad 20 das Fördermedium aus dem Axialkanal 52 in die umschlossene Kammer 12. Das Fördermedium nimmt in diesem Bereich und in einem sich anschließenden ringförmigen Kanal 54 zwischen den Magneten 18 des Innenrotors 17 und dem Spalttopf 10 die Wärme der Wirbelstromverluste auf und fließt in die Strömungskammer 14 ab. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Bauteils 42 wird besonders effizient und auch im Falle niedriger Drehzahlen der Laufradwelle 13 sowie im Falle eines leichtsiedenden Fördermediums die Lageranordnung 21 geschmiert und der Bereich des Innenrotors 17 gekühlt.
Fig. 3 zeigt die Draufsicht des Bauteils 42, das in diesem Ausführungsbeispiel als Spannring ausgebildet ist. Das Bauteil 42 weist einen äußeren ringförmigen Teil 55 und einem inneren ringförmigen Teil 56 auf. Der innere ringförmige Teil 56 liegt an der Laufradwelle 13 an.
In Verbindung mit Fig. 4, die eine Schnittdarstellung entlang der in der Fig. 3 gezeigten Linie A-A des Bauteils 42 zeigt, ist ersichtlich, dass äußerer ringförmiger Teil 55 und innerer ringförmiger Teil 56 zwischen sich einen Ringkanal 66 definieren. Der Ringkanal erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Drehachse A. In dem Ringkanal 66 ist wenigstens ein Element 57 zur Förderung des Fluidstroms angeordnet, das in der Form einer Schaufel ausgebildet ist. Vorzugsweise sind mehre Elemente 57 bzw. Schaufeln vorgesehen. Das wenigstens eine Element 57 verbindet den äußeren ringförmigen Teil 55 mit dem inneren ringförmigen Teil 56. Zwischen den Schaufeln weist das Bauteil 42 eine Vielzahl von Öffnungen 58 zur Zuströmung eines Fluidstroms auf. Erfindungsgemäß weist der Spannring 42 mehr als 6, vorzugsweise mehr als 12, insbesondere mehr als 14 Elemente 57 bzw. Schaufeln zur Förderung des Fluidstroms auf.
Die Elemente 57 zur Förderung des Fördermediums, die als Schaufeln zumindest teilweise mit axial ausgerichteter Kontur ausgebildet sind, sind zwischen dem äußeren ringförmigen Teil 55 und dem inneren ringförmigen Teil 56 angeordnet. Jedes schaufelartige Element 57 weist ein dem Fluidstrom zugewandtes Ende 59 und ein dem Fluidstrom abgewandtes Ende 60 auf.
Das dem Fluidstrom zugewandte Ende 59 der Elemente 57 erstreckt sich, bezogen auf eine gedachte Ebene E, die senkrecht zur Drehachse A liegt, in einem Winkel a von mehr als 0°, vorzugsweise mehr als 15°, insbesondere mehr als 30° bis 70°, vorzugsweise mehr als 30° bis 65°, insbesondere mehr als 30° bis 60° von dem inneren ringförmigen Teil 56 zum äußeren ringförmigen Teil 55.
Der dem inneren ringförmigen Teil 56 nahe Bereich des Endes 59 erstreckt sich bei einem Winkel a von 0° genauso weit in Richtung Lageranordnung 21 wie der dem äußeren ringförmigen Teil 55 nahe Bereich. Bei einem Winkel a von mehr als 0° erstreckt sich der dem inneren ringförmigen Teil 56 nahe Bereich des Endes 59 weiter in Richtung Lageranordnung 21 als der dem äußeren ringförmigen Teil 55 nahe Bereich.
Das dem Fluidstrom abgewandte Ende 60 der Elemente 57 erstreckt sich, bezogen auf eine gedachte Ebene E‘, die senkrecht zur Drehachse A liegt, in einem Winkel a‘ von mehr als 0°, vorzugsweise mehr als 15°, insbesondere mehr als 30° bis 70°, vorzugsweise mehr als 30° bis 65°, insbesondere mehr als 30° bis 60° von dem inneren ringförmigen Teil 56 zum äußeren ringförmigen Teil 55.
Dabei können die Winkel a und a‘ unterschiedliche Winkelgrade aufweisen.
Für einen Dichtspalt mit dem Ende des Lagerringträgers 44 weist der Spannring 42 an seiner radialen Außenseite eine Drosselvorrichtung 61 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Drosselvorrichtung 61 durch eine Vielzahl von in axialer Richtung hintereinander angeordneten Rillen oder Rippen ausgebildet. Alternativ kann auch ein Gewinde vorgesehen sein.
Je nach Größe des Winkels a‘ endet jedes der Enden 60 vor oder in einem ersten Ringraum 62, der sich in axialer Richtung an den Ringkanal 66 anschließt. Der dem äußeren ringförmigen Teil 55 nahe Bereich des Endes 60 erstreckt sich bei einem Winkel a‘ von 0° genauso weit vor oder in den ersten Ringraum 62 wie der dem inneren ringförmigen Teil 56 nahe Bereich. Bei einem Winkel a‘ von mehr als 0° erstreckt sich der dem äußeren ringförmigen Teil 55 nahe Bereich weiter in den ersten Ringraum 62 als der dem inneren ringförmigen Teil 56 nahe Bereich.
Von dem ersten Ringraum 62 erstreckt sich wenigstens eine Öffnung 63 durch den inneren ringförmigen Teil 56 in einen zweiten Ringraum 64, der in Überdeckung mit dem in der Fig. 2 gezeigten Radialbohrung 53 liegt.
In dem zweiten Ringraum 64 sind Verbindungselemente 65 vorgesehen, die die Struktur des Spannrings 42 stützen und stabilisieren.
Fig. 5 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung des als Spannring ausgeführten Bauteils 42 entlang der Linie B-B in der Fig. 3. Die dargestellten schaufelatigen Elemente 57 sind in Drehrichtung gebogen und weisen eine Krümmung auf, derart, dass sich das dem Fluidstrom zugewandte Ende 59, bezogen auf eine gedachte mit der Drehachse A zusammenfallenden Ebene E“ in einem Winkel ß radial von der Ebene E“ weg erstreckt. Dabei ist der Winkel ß kleiner als 80°, vorzugswese kleiner als 75°, insbesondere kleiner als 70° aber größer als 35°, vorzugsweise größer als 40°, insbesondere größer als 45°. Das dem Fluidstrom abgewandte Ende 60 des in dem Ringkanal 66 angeordneten schaufelartigen Elements 57 ist im Wesentlichen parallel zur Laufradwelle 13 bzw. Drehachse A ausgerichtet.
Die Fig. 6 zeigt das Bauteil 42 in einer Schnitt entlang der Linie C-C in der Fig. 5. Die Verbindungselemente 65 sind im Wesentlichen zylinderförmig mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet und erzeugen kaum oder nahezu keinen Förderstrom vom zweiten Ringraum 64 in den ersten Ringraum 62.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils 42. Bei der gezeigten Ausführungsform wird auf die beispielsweise in der Fig. 6 gezeigten Verbindungselemente 65 verzichtet. Der innere ringförmige Teil 56 und der äußere ringförmige Teil 55 werden lediglich durch die sich im Ringkanal 66 angeordneten Elemente 57 zueinander beabstandet gehalten. Dadurch ist die Öffnung 63 ringförmig ausgebildet.
In Betrieb der Pumpe wird ein Teil des zu fördernden Mediums aus der Strömungskammer 14 zu den Axiallagerringen 35, 37 gefördert. Im Bereich des Spaltes 50 strömt ein Teil des Mediums über wenigstens eine, in den Figuren nicht dargestellte, parallel zur Drehachse A verlaufende Nut in der Buchse 41 zum Bauteil 42. Dabei fließt das Medium ohne Rotation in axialer Richtung dem rotierenden Bauteil 42 zu.
Das in axialer Richtung strömende Medium wird von den gekrümmten, dem Fluidstrom zugewandte Enden 59 der in dem Ringkanal 66 angeordneten Elemente 57 erfasst und weiter in axialer Richtung in den ersten Ringraum 62 des Bauteils 42 gefördert. Dabei wird das Medium beschleunigt und der Druck erhöht. Im ersten Ringraum 62 wird der Mediumfluss umgelenkt und strömt durch die Öffnungen 63 in den zweiten Ringraum 64, der im Wesentlichen von der Außenmantelfläche der Laufradwelle 13 und dem inneren ringförmigen Teil 56 begrenzt wird. Dadurch, dass die Verbindungselemente 65 zylinderförmig ausgebildet sind oder nicht vorhanden sind, erfolgt die Umlenkung des Mediums in radialer Richtung zur Drehachse A hin ohne eine radial von der Drehachse A weg gerichtete Förderwirkung. Vom zweiten Ringraum 64 strömt das Medium über die wenigstens eine Radialbohrung 53 in den Axialkanal 52 und zu dem am Ende der Laufradwelle angeordneten Hilfslaufrad 20, welches das Medium in die Kammer 12 und anschließend zurück in die Strömungskammer 14 fördert.
Durch die besondere Konstruktion des Bauteils 42, das die Wirkung eines Axiallaufrades im Betrieb der Magnetkupplungspumpe erfüllt, kann ein kleiner Teil des Fluidstroms über Kanäle aus der Strömungskammer 14 abgeführt werden, um die Lageranordnung 21 zu schmieren und die Wärme aus dem Bereich des Spalttopfs 10 abzuführen.
Durch die erfinderische Ausgestaltung des Bauteils 42 werden die Verluste durch eine mögliche Gegenforderung der radialen Bohrungen, wie es bei bekannten Spannringen bekannt ist, weitgehend vermieden und zusätzlich durch die Beschaufelung in axialer Strömungsrichtung Druck aufgebaut. Damit wird der NPSHa deutlich verbessert und die Hilfshydraulik 20 kann auch noch bei geringen Drücken in der Strömungskammer 14 zuverlässig arbeiten.
Die Gestaltung des Bauteils 42 trägt im besonderen Maße dazu bei, dass dieser Kühl- und Schmierstrom bei den anzunehmenden Betriebsbedingungen, insbesondere bei der Förderung von leichtsiedenden Fluiden, nicht abreist und die Kühl- als auch Schmieraufgabe sicher ausgeführt werden kann.
Claims
Patentansprüche
Magnetkupplungspumpenanordnung Magnetkupplungspumpenanordnung mit einer Lageranordnung (21 ), einem Hilfslaufrad (20) zum Erzeugen eines Zwangsumlaufs eines Schmier-/Kühl- stroms, der insbesondere die Lageranordnung (21 ) schmiert und darüber hinaus die durch Wirbelstromverluste erzeugte Wärme aus dem Spalttopfbereich abführt, einem mit der Lageranordnung (21 ) und dem Hilfslaufrad (20) strömungstechnisch in Wirkverbindung stehenden Bauteil (42), wobei das Bauteil (42) Öffnungen (58, 63) aufweist zur Führung eines Fluidstroms über einen Axialkanal (52) einer Laufradwelle (13) zum Hilfslaufrad (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (42) zur Reduzierung des Durchflusswiderstands in Richtung des Axialkanals (52) der Laufradwelle (13) zumindest ein Element (57) zur aktiven Förderung des Fluidstroms zum Hilfslaufrad (20) aufweist. Magnetkupplungspumpenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Element (57) zwischen einem inneren ringförmigen Teil (56) und einem äußeren ringförmigen Teil (55) des Bauteils (42) angeordnet ist. Magnetkupplungspumpenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Element (57) in Form einer Schaufel ausgebildet ist, dessen strömungsführende Kontur wenigstens teilweise im Wesentlichen axial ausgerichtet ist.
Magnetkupplungspumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (42) Räume (62, 64) zur Zuströmung in den Axialkanal (52) der Laufradwelle (13) aufweist, die von Verbindungselementen (65) zwischen dem inneren ringförmigen Teil (56) und dem äußeren ringförmigen Teil (55) gebildet werden. Magnetkupplungspumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Fluidstrom abgewandte Ende (60) des Elements (57) im Wesentlichen parallel zur Laufradwelle (13) ausgerichtet ist. Magnetkupplungspumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das dem Fluidstrom zugewandte Ende (59) der Elemente (57), bezogen auf eine gedachte, senkrecht zur Drehachse (A) liegende Ebene (E) in einem Winkel a von mehr als 0°, vorzugsweise mehr als 15°, insbesondere mehr als 30° bis 70°, vorzugsweise mehr als 30° bis 65°, insbesondere mehr als 30° bis 60° von dem inneren ringförmigen Teil (56) zum äußeren ringförmigen Teil (55) erstreckt. Magnetkupplungspumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das dem Fluidstrom abgewandte Ende (60) der Elemente (57), bezogen auf eine gedachte, senkrecht zur Drehachse (A) liegende Ebene (E‘) in einem Winkel a von mehr als 0°, vorzugsweise mehr als 15°, insbesondere mehr als 30° bis 70°, vorzugsweise mehr als 30° bis 65°, insbesondere mehr als 30° bis 60° von dem inneren ringförmigen Teil (56) zum äußeren ringförmigen Teil (55) erstreckt. Magnetkupplungspumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (57) eine Krümmung aufweisen, derart, dass sich das dem Fluidstrom zugewandte Ende (59), bezogen auf eine gedachte mit der Drehachse (A) zusammenfallenden Ebene (E“), in einem Winkel ß radial von
der Ebene (E“) weg erstreckt, wobei der Winkel kleiner als 80°, vorzugswese kleiner als 75°, insbesondere kleiner als 70° aber größer als 35°, vorzugsweise größer als 40°, insbesondere größer als 45° ist. Magnetkupplungspumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (42) mehr als 6, vorzugsweise mehr als 12, insbesondere mehr als 14 Elemente (57) aufweist. Magnetkupplungspumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Element (57) zur Förderung des Fluidstroms, der innere ringförmige Teil (56), der äußere ringförmige Teil (55) und die Verbindungselemente (65) einstückig ausgebildet sind. Magnetkupplungspumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (42) an seiner radialen Außenseite eine Dros- selvorichtung (61 ) zur Drosselung des Fluidstroms aufweist. Magnetkupplungspumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (21 ) als Gleitlageranordnung ausgebildet ist. Magnetkupplungspumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (42) unmittelbar an der Lageranordnung (21 ) zur Fixierung und Positionierung der Lageranordnung (21 ) angeordnet ist.
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