WO2024022850A1 - Centrifugal pump with rotary seal for sealing off the impeller gap, and method for producing a pump impeller - Google Patents

Centrifugal pump with rotary seal for sealing off the impeller gap, and method for producing a pump impeller Download PDF

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David KRILL
Patrick Hauck
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KSB SE & Co. KGaA
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Abstract

The invention relates to a centrifugal pump comprising at least one pump impeller and at least one rotary seal arranged between the pump impeller and the pump housing for sealing off the impeller gap between the suction side and the pressure side of the centrifugal pump, characterized in that the sliding surfaces of the rotary seal are arranged one on top of the other in the axial direction, as a result of which the rotary seal functions as an axial bearing for the pump impeller.

Description

Kreiselpumpe mit Gleitringdichtung zur Abdichtung des Laufradspaltes sowie Verfahren zur Herstellung eines Pumpenlaufrades Centrifugal pump with mechanical seal for sealing the impeller gap and method for producing a pump impeller
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit wenigstens einem Pumpenlaufrad und mit wenigstens einer zwischen dem Pumpenlaufrad unter dem Pumpengehäuse angeordneten Gleitringdichtung zur Abdichtung des Laufradspaltes zwischen der Saug- und Druckseite der Kreiselpumpe, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Pumpenlaufrades für eine solche Kreiselpumpe. The invention relates to a centrifugal pump with at least one pump impeller and with at least one mechanical seal arranged between the pump impeller under the pump housing for sealing the impeller gap between the suction and pressure sides of the centrifugal pump, as well as a method for producing a pump impeller for such a centrifugal pump.
Kreiselpumpen weisen konstruktionsbedingt einen Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse auf. Einerseits besteht zwar die Notwendigkeit ausreichend Freiraum zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse bereitzustellen, um einen gewissen Achsversatz ohne drohende Schäden durch Auslenkung der Welle bzw. des Laufrades zu vermeiden, andererseits besteht jedoch der Wunsch, den Spalt möglichst klein zu dimensionieren, um die durch ihn hervorgerufenen hydraulischen Verluste zu minimieren. Letztere entstehen durch die Rückströmung des Fördermediums von der Druckseite des Laufrades über den Spalt zur Saugseite. Erschwerend kommt hinzu, dass die Spaltweite im Betrieb durch Materialabtrag kontinuierlich zunehmen kann. Due to their design, centrifugal pumps have a gap between the impeller and the housing. On the one hand, there is a need to provide sufficient space between the impeller and the housing in order to avoid a certain axial offset without threatening damage due to deflection of the shaft or the impeller, but on the other hand, there is a desire to dimension the gap as small as possible in order to avoid the damage caused by it to minimize the hydraulic losses caused. The latter arise from the backflow of the pumped medium from the pressure side of the impeller through the gap to the suction side. What makes matters worse is that the gap width can continuously increase during operation due to material removal.
In gängigen Kreiselpumpen wird ein Spaltring eingesetzt, um den radialen Spalt zwischen Laufrad und Pumpengehäuse zu reduzieren und den möglichen Achsversatz zwischen Laufrad und Pumpengehäuse auszugleichen. Jedoch treten auch bei dieser Lösung hydraulische Verluste durch den Bypass am Spaltring auf. In common centrifugal pumps, a wear ring is used to reduce the radial gap between the impeller and the pump housing and the possible axial offset between impeller and pump housing. However, even with this solution, hydraulic losses occur due to the bypass on the wear ring.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Abdichtung des Laufradspaltes dahingehend zu optimieren, dass die auftretenden hydraulischen Verluste durch den Strom von der Druckseite zur Saugseite minimiert werden. The object of the present invention is to optimize the sealing of the impeller gap in such a way that the hydraulic losses that occur due to the flow from the pressure side to the suction side are minimized.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Kreiselpumpe durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 . Entsprechend wird vorgeschlagen, eine Gleitringdichtung zur Abdichtung des Laufradspaltes einzusetzen, deren Gleitflächen in Axialrichtung der Kreiselpumpe gegenüberliegend angeordnet sind. Die Gleitringdichtung umfasst eine rotierende Komponente, die zusammen mit dem Laufrad um die Drehachse der Pumpe rotiert. Eine stationäre Komponente der Gleitringdichtung ist drehfest innerhalb des Pumpengehäuses angeordnet. Die Gleitflächen der beiden Komponenten verlaufen idealerweise orthogonal zur Axialrichtung bzw. Rotationsachse der Pumpe. Durch den Druckunterschied zwischen Saug- und Druckseite wird das Pumpenlaufrad und somit die rotierende Komponente der Gleitringdichtung in axialer Richtung auf die stationäre Komponente bewegt, wodurch eine optimale Abdichtung erzwungen wird und die eingesetzte Gleitringdichtung gleichermaßen als Axiallager für das Pumpenlaufrad wirkt. This task is solved in a generic centrifugal pump by the features of the characterizing part of claim 1. Accordingly, it is proposed to use a mechanical seal to seal the impeller gap, the sliding surfaces of which are arranged opposite each other in the axial direction of the centrifugal pump. The mechanical seal includes a rotating component that rotates together with the impeller around the pump's axis of rotation. A stationary component of the mechanical seal is arranged in a rotationally fixed manner within the pump housing. The sliding surfaces of the two components ideally run orthogonally to the axial direction or rotation axis of the pump. Due to the pressure difference between the suction and pressure sides, the pump impeller and thus the rotating component of the mechanical seal is moved in the axial direction towards the stationary component, which ensures optimal sealing and the mechanical seal used also acts as an axial bearing for the pump impeller.
Durch die erzielte axiale Dichtung können die über den Laufradspalt bei einer radialen Abdichtung auftretenden hydraulischen Verluste reduziert werden. The axial seal achieved allows the hydraulic losses that occur across the impeller gap with a radial seal to be reduced.
Die eingesetzte Gleitringdichtung besteht aus einer stationären sowie einer rotierenden Komponente. Zumindest die jeweiligen Gleitflächen der Komponenten bestehen oder umfassen Keramik und/oder einen Kohlenstoffwerkstoff, insbesondere Graphit, und/oder einen Kohlenstoffverbundwerkstoff, wie bspw. Siliziumcarbid. Dabei können beide Gleitflächen aus identischen oder unterschiedlichen Materialarten gefertigt sein. The mechanical seal used consists of a stationary and a rotating component. At least the respective sliding surfaces of the components consist of or include ceramic and/or a carbon material, in particular graphite, and/or a carbon composite material, such as silicon carbide. Both sliding surfaces can be made from identical or different types of material.
Die rotierende Komponente der Gleitringdichtung kann ein rotierender Lagerring sein oder einen solchen umfassen, der mit dem Pumpenlaufrad bzw. einem Bauteil des Pumpenlaufrades rotationsfest verbunden ist. Der Lagerring kann auf einer axialen Stirnkante des Pumpenlaufrades im Bereich um seinen Saugmund angeordnet sein, d.h. der Lagerung verläuft um den Saugmund des Laufrades. Das Pumpenlaufrad kann mehrteilig ausgestaltet sein, wobei die Befestigung des rotierenden Lagerrings an der Deckscheibe des Laufrades erfolgen kann. The rotating component of the mechanical seal can be or include a rotating bearing ring which is connected in a rotationally fixed manner to the pump impeller or a component of the pump impeller. The bearing ring can be on an axial Front edge of the pump impeller can be arranged in the area around its suction mouth, ie the bearing runs around the suction mouth of the impeller. The pump impeller can be designed in several parts, with the rotating bearing ring being able to be attached to the cover plate of the impeller.
Die rotierende Komponente, insbesondere der rotierende Lagerring, umfasst eine Gleitfläche, insbesondere ringförmige Gleitfläche. Wie bereits vorstehend angedeutet wurde, verläuft die Gleitfläche senkrecht zur Rotationsachse bzw. Axialachse der Pumpe. Vorstellbar ist es, dass die Gleitfläche eine durchgängige Fläche ist, insbesondere eine durchgängige Ringfläche ist. Da die Gleitringdichtung im Betrieb vom Fördermedium der Pumpe umströmt wird, ist eine ausreichende Schmierung der Gleitringdichtung sichergestellt. Optional kann jedoch vorgesehen sein, dass die Gleitfläche der rotierenden Komponente ein oder mehrere Schmiemuten aufweist, bei der Ausführung als Lagerring in Form von Radialnuten. Die Ausbildung von Schmiemuten verbessert die Schmierfilmbildung zwischen den Gleitflächen der Gleitringdichtung. Die Ausbildung der Schmiemuten an der rotierenden Komponente der Gleitringdichtung kann jedoch noch einen weiteren technischen Vorteil aufweisen. Sind die Schmiemuten als Radialnuten auf einer ringförmigen Gleitfläche der rotierenden Komponente ausgebildet, so stellt sich durch die Rotation der Komponente eine Pumpwirkung ein, wodurch ein Förderstrom entgegengesetzt zum druckbedingten Volumenstrom durch den Spalt entsteht. Idealerweise wird dadurch der druckbedingte Volumenstrom weiter reduziert, so dass eine weitere Minimierung der hydraulischen Verluste durch den Spalt erzielt werden kann. Es spricht jedoch nichts dagegen, die Gleitfläche der stationären Komponente der Gleitringdichtung ebenfalls oder alternativ mit Schmiemuten auszustatten. The rotating component, in particular the rotating bearing ring, comprises a sliding surface, in particular an annular sliding surface. As already indicated above, the sliding surface runs perpendicular to the rotation axis or axial axis of the pump. It is conceivable that the sliding surface is a continuous surface, in particular a continuous annular surface. Since the pump's fluid flows around the mechanical seal during operation, sufficient lubrication of the mechanical seal is ensured. However, it can optionally be provided that the sliding surface of the rotating component has one or more worm grooves, in the form of a bearing ring in the form of radial grooves. The formation of lubricating grooves improves the formation of a lubricating film between the sliding surfaces of the mechanical seal. However, the formation of the locating grooves on the rotating component of the mechanical seal can have another technical advantage. If the oscillating grooves are designed as radial grooves on an annular sliding surface of the rotating component, the rotation of the component creates a pumping effect, which creates a delivery flow that is opposite to the pressure-related volume flow through the gap. Ideally, this further reduces the pressure-related volume flow so that a further minimization of hydraulic losses through the gap can be achieved. However, there is no reason why the sliding surface of the stationary component of the mechanical seal should also or alternatively be equipped with lubricating grooves.
Der Lagerring bzw. die rotierende Komponente der Gleitringdichtung kann auf dem Laufrad bzw. einer entsprechende Laufraddeckscheibe nach deren Fertigung aufgesteckt und mechanisch befestigt sein. Vorstellbar ist es ebenso, dass der Lagerring bzw. die rotierende Komponente während des Herstellungsprozesses des Laufrades befestigt wird. Vorstellbar ist es beispielsweise, dass Laufrad bzw. zumindest das den Lagerring tragende Bauteil des Laufrades per Spritzguss aus Kunststoff herzustellen. In diesem Fall bietet es sich an, die rotierende Komponente, restriktive den rotierenden Lagerring direkt während des Spritzgiessens des Laufrades in selbiges einzuspritzen. The bearing ring or the rotating component of the mechanical seal can be attached to the impeller or a corresponding impeller cover disk after its manufacture and secured mechanically. It is also conceivable that the bearing ring or the rotating component is attached during the manufacturing process of the impeller. It is conceivable, for example, that the impeller or at least the component of the impeller that carries the bearing ring can be manufactured from plastic by injection molding. In this case it makes sense to use the rotating component, restrictively inject the rotating bearing ring directly into the impeller during injection molding.
Vorstellbar ist es beispielsweise, dass die rotierende Komponente wenigstens eine Hinterschneidung aufweist, die durch das Spritzgussmaterial des Pumpenlaufrades zumindest teilweise umschlossen wird, wodurch die rotierende Komponente in Axialrichtung am Pumpenlaufrad fixiert ist. Eine geeignete Hinterschneidung kann durch eine Variation des Außendurchmessers der rotierenden Komponente bzw. des Lagerrings erreicht werden. Von besonderem Vorteil ist insbesondere eine stufenartige Durchmesseränderung am Aussenumfang des Lagerrings. Vorteilhafterweise ist der Bereich des Lagerrings mit dem größeren Aussendurchmesser laufradnah montiert, während der Bereich mit verringerten Aussendurchmesser am laufradfernen Ende des Lagerrings ausgebildet ist. It is conceivable, for example, that the rotating component has at least one undercut, which is at least partially enclosed by the injection molding material of the pump impeller, whereby the rotating component is fixed in the axial direction on the pump impeller. A suitable undercut can be achieved by varying the outer diameter of the rotating component or the bearing ring. A step-like change in diameter on the outer circumference of the bearing ring is particularly advantageous. Advantageously, the area of the bearing ring with the larger outside diameter is mounted close to the impeller, while the area with a reduced outside diameter is formed at the end of the bearing ring remote from the impeller.
Die Montage und drehfeste Festlegung der stationären Komponente der Gleitringdichtung erfolgt unmittelbar oder mittelbar am Pumpengehäuse, insbesondere im Saugkanal des Pumpengehäuses. Die Lagerung der stationären Komponente an der Gehäusewand kann nachgiebig sein, um etwaige Abweichungen von der Planparallelität der aufeinander laufenden Gleitflächen der Gleitringdichtung ausgleichen zu können. Eine nachgiebige Lagerung der stationären Komponente kann mittels Elastomer, insbesondere einem O-Ring, erfolgen, mittels diesem die Komponente auf einer Fläche des Pumpengehäuses gelagert ist. Eine gewisse Nachgiebigkeit der stationären Komponente wird demzufolge in Kompressionsrichtung des Elastomers erreicht. Vorstellbar ist es beispielsweise, dass hierdurch eine gewisse axiale Bewegung oder Verkippung der stationären Komponente vom Laufrad weg möglich ist. Bevorzugt weist der Saugkanal an seiner Innenwand eine geeignete, insbesondere ringförmige Anschlagsfläche auf, die senkrecht zur Rotationsachse bzw. Axialachse verläuft. Auf dieser Anschlagsfläche kann die stationäre Komponente nachgiebig gelagert sein, insbesondere liegt die stationäre Komponente in Axialrichtung zwischen Anschlagsfläche und Laufrad. The stationary component of the mechanical seal is mounted and fixed in a rotationally fixed manner directly or indirectly on the pump housing, in particular in the suction channel of the pump housing. The mounting of the stationary component on the housing wall can be flexible in order to be able to compensate for any deviations from the plane parallelism of the sliding surfaces of the mechanical seal running on one another. A flexible mounting of the stationary component can be carried out using an elastomer, in particular an O-ring, by means of which the component is mounted on a surface of the pump housing. A certain flexibility of the stationary component is therefore achieved in the compression direction of the elastomer. It is conceivable, for example, that a certain axial movement or tilting of the stationary component away from the impeller is possible. The suction channel preferably has a suitable, in particular annular, stop surface on its inner wall, which runs perpendicular to the axis of rotation or axial axis. The stationary component can be flexibly mounted on this stop surface; in particular, the stationary component lies in the axial direction between the stop surface and the impeller.
Mittels eines Dichtungsträgers kann die Axialbewegung der stationären Komponente in Richtung des Laufrades begrenzt werden, wodurch die stationäre Komponente in einem gebildeten Raum zwischen Gehäusewand, insbesondere der vorgenannten Anschlagsfläche, und Dichtungsträger gesichert ist. Der Dichtungsträger ist dabei an der Gehäusewand fixiert, insbesondere drehfest fixiert. Ferner kann der Dichtungsträger ringförmig ausgeführt sein, wobei sein Innendurchmesser größer als der Aussenumfang des Saugmundes des Laufrades dimensioniert ist, so dass letzterer zumindest geringfügig innerhalb der Bohrung des Dichtungsträgers aufnehmbar ist. By means of a seal carrier, the axial movement of the stationary component in the direction of the impeller can be limited, whereby the stationary component is in a space formed between the housing wall, in particular the aforementioned one Stop surface and seal carrier are secured. The seal carrier is fixed to the housing wall, in particular fixed in a rotationally fixed manner. Furthermore, the seal carrier can be designed annularly, with its inner diameter being dimensioned larger than the outer circumference of the suction mouth of the impeller, so that the latter can be accommodated at least slightly within the bore of the seal carrier.
Idealerweise sind die stationäre Komponente als auch der Lagerträger ringartig ausgebildet, wobei der stationäre Lagerring und der Lagerträger koaxial angeordnet sind. Der Innendurchmesser der Bohrung des Lagerträgers ist größer dimensioniert als der Innendurchmesser des Lagerrings, wodurch die Gleitfläche des stationären Lagerrings für den Kontakt zur Gleitfläche des rotierenden Lagerrings freigelegt wird. Ideally, the stationary component and the bearing carrier are designed like a ring, with the stationary bearing ring and the bearing carrier being arranged coaxially. The inner diameter of the bore of the bearing carrier is dimensioned larger than the inner diameter of the bearing ring, whereby the sliding surface of the stationary bearing ring is exposed for contact with the sliding surface of the rotating bearing ring.
Die stationäre Komponente wird bevorzugt über eine mechanische Verbindung mit dem Dichtungsträger gegen Rotation um die Axialachse gesichert. Denkbar ist es, dass ein oder mehrere in Axialrichtung auskragende Elemente der stationären Komponente ausgebildet sind, die in entsprechende komplementäre Nuten des Lagerträgers eingreifen und somit eine drehfeste Verbindung ermöglichen. The stationary component is preferably secured against rotation about the axial axis via a mechanical connection to the seal carrier. It is conceivable that one or more elements of the stationary component that project in the axial direction are formed, which engage in corresponding complementary grooves in the bearing carrier and thus enable a rotation-proof connection.
Neben der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Pumpenlaufrades für eine Kreiselpumpe, insbesondere für eine Kreiselpumpe gemäß der vorstehend erläuterten Erfindung. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 12 aus, wonach das Pumpenlaufrad oder zumindest ein Teil des Pumpenlaufrades per Spritzgussverfahren hergestellt wird und die rotierende Komponente der Gleitringdichtung beim Spritzgiessen des Pumpenlaufrads zumindest teilweise umspritzt wird. In addition to the centrifugal pump according to the invention, the present invention relates to a method for producing a pump impeller for a centrifugal pump, in particular for a centrifugal pump according to the invention explained above. According to the invention, the method is characterized by the features of claim 12, according to which the pump impeller or at least part of the pump impeller is manufactured by injection molding and the rotating component of the mechanical seal is at least partially encapsulated during injection molding of the pump impeller.
Die rotierende Komponente und/oder die stationäre Komponente bzw. deren Gleitflächen umfassen vorzugsweise Keramik und/oder einen Kohlenstoffwerkstoff und/oder einen Kohlenstoffverbundwerkstoff. Die rotierende Komponente ist insbesondere ringförmig als Lagerring ausgestaltet. Die Komponente wird beim Spritzgiessen des Laufrades in oder an der Spritzgussform derart angebracht, sodass die rotierende Komponente im Bereich des Saugmundes des Laufrads um- bzw. hinterspritzt wird. Bei Ausführung der rotierenden Komponente als Lagerung ist bevorzugt an dessen Ringumfang eine stufenartige Außendurchmesservergrößerung vorgesehen, die beim Spritzgiessen des Laufrades eine Hinterschneidung bildet, die durch das Spritzgussmaterial hinterspritzt wird. Im Ergebnis ist diese Hinterschneidung durch das Laufradmaterial umschlossen, so dass der Lagerring axial am Saugmund fixiert ist. The rotating component and/or the stationary component or their sliding surfaces preferably comprise ceramic and/or a carbon material and/or a carbon composite material. The rotating component is designed in particular as a ring-shaped bearing ring. During the injection molding of the impeller, the component is attached in or on the injection mold in such a way that the rotating component is injected around or behind the impeller in the area of the suction mouth of the impeller. When the rotating component is designed as a bearing, a step-like outer diameter increase is preferably provided on its ring circumference, which forms an undercut when the impeller is injection molded, which is back-injected by the injection molding material. As a result, this undercut is enclosed by the impeller material, so that the bearing ring is axially fixed to the suction mouth.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Stufe ein oder mehrere sich in axialer Richtung durch die Stufe erstreckende Nuten aufweist. Durch diese Nuten kann das Spritzgussmaterial durch die Nuten hinter die Hinterschneidung fliessen. Zudem wird durch die befüllten Nuten des Lagerrings eine drehfeste Fixierung am Pumpenlaufrad erreicht. Furthermore, it can be provided that the step has one or more grooves extending in the axial direction through the step. These grooves allow the injection molding material to flow through the grooves behind the undercut. In addition, the filled grooves in the bearing ring ensure a rotation-proof fixation on the pump impeller.
Das Pumpenlaufrad kann mehrteilig gefertigt werden, bspw. bestehend aus einer Deckscheibe und einer Tragscheibe. Zumindest die Deckscheibe wird per Spritzguss produziert, wobei im Bereich insbesondere um den Saugmund der Deckscheibe die rotierende Komponente der Gleitringdichtung eingespritzt wird. Die Tragscheibe kann vorzugsweise ebenfalls per Spritzguss herstellbar sein. Beide Teile des Laufrades können aus Kunststoff bestehen. In einem nachgelagerten Schritt können Deck- und Tragscheibe verbunden werden, insbesondere verschweißt werden, bevorzugt mittels Ultraschallschweißen. The pump impeller can be manufactured in several parts, for example consisting of a cover disk and a support disk. At least the cover disk is produced by injection molding, with the rotating component of the mechanical seal being injected in the area particularly around the suction mouth of the cover disk. The support disk can preferably also be produced by injection molding. Both parts of the impeller can be made of plastic. In a subsequent step, the cover and support disk can be connected, in particular welded, preferably by means of ultrasonic welding.
Vorstellbar ist es ebenso, dass die rotierende Komponente, sprich der Lagerring, erst nach Erstellung des Pumpenlaufrades und Einspritzen am Pumpenlaufrad mittels materialabtragendem Verfahren auf sein Endmaß gefertigt wird. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Gleitfläche der rotierenden Dichtungskomponente möglichst genau auf Planparallelität mit dem komplementären stationären Dichtungsteil zu bearbeiten. It is also conceivable that the rotating component, i.e. the bearing ring, is only manufactured to its final size using a material-removing process after the pump impeller has been created and injected into the pump impeller. This measure makes it possible to machine the sliding surface of the rotating sealing component as precisely as possible to ensure plane parallelism with the complementary stationary sealing part.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen: Further advantages and properties of the invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the figures. Show it:
Fig. 1 : eine perspektivische Darstellung des Laufrades einer erfindungsgemäßen Kreiselpumpe, Fig. 2: eine Draufsicht auf das Laufrad gemäß Fig. 1 , 1: a perspective view of the impeller of a centrifugal pump according to the invention, Fig. 2: a top view of the impeller according to Fig. 1,
Fig. 3a, 3b: Schnittdarstellungen des Laufrades entlang der Schnittachsen A-A und B-B, Fig. 3a, 3b: Sectional views of the impeller along the section axes AA and BB,
Fig. 4: eine Einzeldarstellung des rotierenden Lagerrings der Gleitringdichtung, Fig. 4: an individual representation of the rotating bearing ring of the mechanical seal,
Fig. 5: Eine perspektivische Draufsicht auf das Gehäuse der Kreiselpumpe mit entnommenem Laufrad, Fig. 5: A perspective top view of the housing of the centrifugal pump with the impeller removed,
Fig. 6: eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Kreiselpumpe, 6: a sectional view through the centrifugal pump according to the invention,
Fig. 7: eine Prinzipskizze des Spritzgusswerkzeuges für die Herstellung des Pumpenlaufrades und Fig. 7: a schematic sketch of the injection molding tool for producing the pump impeller and
Fig. 8: eine alternative Ausführung des rotierenden Lagerrings für das Pumpenlaufrad. Fig. 8: an alternative version of the rotating bearing ring for the pump impeller.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf das Pumpenlaufrad 1 einer erfindungsgemäßen Kreiselpumpe. Das Pumpenlaufrad 1 ist mehrteilig ausgestaltet und setzt sich aus einer Deckscheibe 2 und einer Tragscheibe 3 zusammen. Zumindest die Deckscheibe 2 wird aus Kunststoff per Spritzgussverfahren hergestellt. Deckscheibe 2 und Tragscheibe 3 werden mittels Ultraschallschweißen verbunden. Figure 1 shows a perspective top view of the pump impeller 1 of a centrifugal pump according to the invention. The pump impeller 1 is designed in several parts and is composed of a cover disk 2 and a support disk 3. At least the cover plate 2 is made of plastic using an injection molding process. Cover disk 2 and support disk 3 are connected using ultrasonic welding.
Das Laufrad 1 umfasst eine koaxial zur Rotationsachse liegende Säugöffnung 4, die durch eine zylindrische Auskragung 4a der Deckscheibe 2 gebildet ist. Am stirnseitigen äusseren Ende der Auskragung 4a ist der mit dem Laufrad 1 rotierende Lagerring 10 der Gleitringdichtung angeordnet. Die aussen liegende Ringfläche 10a stellt die rotierende Gleitfläche der Gleitringdichtung dar und ist im in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als durchgängige Ringfläche ausgestaltet. Eine dazu alternative Ausführungsform des Lagerrings 10 zeigt die Ausführung der Fig. 8, auf die später nochmals eingegangen wird. Die Deckscheibe 2 des Laufrades 1 wir per Spritzgussverfahren aus Kunststoff gefertigt. Der aus Keramik und/oder einem Kohlenstoffwerkstoff und/oder einem Kohlenstoffverbundwerkstoff bestehende Lagerring 10 wird erfindungsgemäß beim Spritzgiessen der Deckscheibe 2 eingespritzt, so dass dieser in Axialrichtung der Pumpe am Saugmund 4 fixiert ist. Die Axialfixierung wird durch eine Hinterspritzung 11 des Lagerrings 10 erreicht. Die dazu benötigte Formgebung des Lagerrings 10 soll nachfolgend anhand der Detaildarstellung der Figur 4 aufgezeigt werden. The impeller 1 includes a suction opening 4, which is coaxial with the axis of rotation and is formed by a cylindrical projection 4a of the cover disk 2. The bearing ring 10 of the mechanical seal rotating with the impeller 1 is arranged at the front outer end of the projection 4a. The external annular surface 10a represents the rotating sliding surface of the mechanical seal and is designed as a continuous annular surface in the exemplary embodiment shown in FIG. An alternative embodiment of the bearing ring 10 is shown in the embodiment of FIG. 8, which will be discussed again later. The cover plate 2 of the impeller 1 is made of plastic using an injection molding process. According to the invention, the bearing ring 10, which is made of ceramic and/or a carbon material and/or a carbon composite material, is injected during the injection molding of the cover plate 2, so that it is fixed to the suction mouth 4 in the axial direction of the pump. The axial fixation is achieved by back-injection 11 of the bearing ring 10. The shape of the bearing ring 10 required for this will be shown below using the detailed illustration in FIG.
Die perspektivische Ansicht des Lagerrings 10 zeigt die stufenartige Kontur des Aussenumfangs. Dabei ist der Innendurchmesser über die axiale Länge konstant, der Aussenumfang umfasst jedoch einen Teilbereich 12a mit größerem Aussendurchmesser und einen Teilbereich 12b mit reduziertem Aussendurchmesser. Der Teilbereich 12a mit größeren Aussendurchmesser liegt am Saugmund 4 des Laufrades 1 an. Durch die stufenartige Durchmesserreduzierung wird eine Hinterschneidung 11 des Lagerrings 10 gebildet, die beim Spritzgiessen der Deckscheibe 2 hinterspritzt werden kann, um die angesprochene axiale Fixierung zu erreichen. The perspective view of the bearing ring 10 shows the step-like contour of the outer circumference. The inside diameter is constant over the axial length, but the outer circumference includes a portion 12a with a larger outside diameter and a portion 12b with a reduced outside diameter. The partial area 12a with a larger outside diameter rests on the suction mouth 4 of the impeller 1. The step-like diameter reduction forms an undercut 11 of the bearing ring 10, which can be back-injected when the cover disk 2 is injection molded in order to achieve the axial fixation mentioned.
Der Bereich 12a mit größerem Außendurchmesser ist zudem mit axial verlaufenden Nuten bzw. Ausnehmungen 13 versehen, die sich in axialer Richtung vollständig durch den Teilbereich 120a erstrecken. Beim Spritzgießen der Deckscheibe 2 kann das Spritzgussmaterial insbesondere auch durch die Nuten 13 zum Bereich 12b mit reduziertem Durchmesser fliessen, wodurch die Stufe 11 durch das Material der Deckscheibe 2 vollständig umschlossen wird. Erkennbar ist dies in der Schnittdarstellung entlang der Schnittachse B-B der Figur 3, die eine vollständige Umschliessung des Teilbereichs 12a durch das Material 2a der Deckscheibe 2 zeigt. Im Schnitt A-A der Figur 3a verläuft die Schnittebene im Bereich einer Nut 13, weshalb der Aussendurchmesser des Teilbereichs 12a im Gegensatz zur Figur 3b kleiner ausfällt. Die Tatsache, dass die Nuten 13 mit dem Material der Deckscheibe 2 gefüllt sind, hilft auch das Drehmoment der Pumpenwelle über das Laufrad 1 auf den Lagerring 10 zu übertragen. Ohne die Nuten 13 bestünde die Gefahr einer relativen Verdrehung des Lagerrings 10 zum Laufrad 1. Für das Spritzgiessen der Deckscheibe 2 des Laufrades 1 können beispielswiese die in Figur 7 skizzierten Werkzeuge 20, 21 verwendet werden. Das Werkzeug 21 bildet die Form für die Aussenkontur des Deckscheibe 2, während das Werkzeug 20 die Form für die Innenkontur der Deckscheibe 2 darstellt. Für die Herstellung wird zunächst das Werkzeug 21 auf einem Dorn aufgespannt und der Lagerring 10 eingelegt. Nach dem Aufsetzen des zweiten Werkzeuges 20 wird der gebildete Hohlraum zwischen den Werkzeugen 20, 21 ausgespritzt, sodass die Deckscheibe mit dem hinterspritzten Lagerring 10 am Saugmund 4 entsteht. The area 12a with a larger outer diameter is also provided with axially extending grooves or recesses 13 which extend completely through the partial area 120a in the axial direction. When injection molding the cover disk 2, the injection molding material can flow in particular through the grooves 13 to the area 12b with a reduced diameter, whereby the step 11 is completely enclosed by the material of the cover disk 2. This can be seen in the sectional view along the sectional axis BB of Figure 3, which shows a complete enclosure of the partial area 12a by the material 2a of the cover plate 2. In section AA of Figure 3a, the cutting plane runs in the area of a groove 13, which is why the outer diameter of the partial area 12a is smaller in contrast to Figure 3b. The fact that the grooves 13 are filled with the material of the cover plate 2 also helps to transmit the torque of the pump shaft via the impeller 1 to the bearing ring 10. Without the grooves 13 there would be a risk of the bearing ring 10 rotating relative to the impeller 1. For example, the tools 20, 21 outlined in Figure 7 can be used for the injection molding of the cover plate 2 of the impeller 1. The tool 21 forms the shape for the outer contour of the cover disk 2, while the tool 20 represents the shape for the inner contour of the cover disk 2. For production, the tool 21 is first clamped on a mandrel and the bearing ring 10 is inserted. After placing the second tool 20, the cavity formed between the tools 20, 21 is sprayed out, so that the cover plate with the back-injected bearing ring 10 is created at the suction mouth 4.
Der stationäre Teil der Gleitringdichtung besteht aus dem stationären Lagerring 30, der mittels eines Lagerringträgers 31 in axialer Richtung festgelegt wird. Der Schnittdarstellung der Figur 6 ist der Saugkanal 40 im Pumpengehäuse 50 zu entnehmen. Der Saugkanal weist hierbei eine Doppelstufe mit dem ersten Absatz 41 und dem zweiten, näher am Laufrad befindlichen Absatz 42 auf, die jeweils durch eine stufige Durchmesservergrößerung des Saugkanals 40 gebildet sind. The stationary part of the mechanical seal consists of the stationary bearing ring 30, which is fixed in the axial direction by means of a bearing ring carrier 31. The sectional view in Figure 6 shows the suction channel 40 in the pump housing 50. The suction channel has a double stage with the first shoulder 41 and the second shoulder 42, which is located closer to the impeller, each of which is formed by a step increase in the diameter of the suction channel 40.
Auf der ersten Stufe 41 wird der stationäre Lagerring 30 auf einem O-Ring 32 gelagert, wodurch der Lagerring 30 geringfügig vom Laufrad wegbewegt werden kann, um etwaige Abweichungen von der Planparallelität der Gleitflächen 10a, 30a ausgleichen zu können. Auf der nächsten Stufe 42 wird dann der Lagerringträger 31 aufgesetzt und am Gehäuse 50 drehfest sowie in axialer Richtung unbeweglich fixiert. Der Lagerring 30 liegt also in Axialrichtung zwischen Laufrad 1 und Pumpengehäuse 50. On the first stage 41, the stationary bearing ring 30 is mounted on an O-ring 32, whereby the bearing ring 30 can be moved slightly away from the impeller in order to be able to compensate for any deviations from the plane parallelism of the sliding surfaces 10a, 30a. At the next stage 42, the bearing ring carrier 31 is then placed and fixed to the housing 50 in a rotationally fixed manner and immovably in the axial direction. The bearing ring 30 lies in the axial direction between the impeller 1 and the pump housing 50.
Sowohl Lagerringträger 31 als auch Lagerring 30 haben kreisrunde Öffnungen, die koaxial zueinander liegen. Der Innendurchmesser des Lagerringträgers 31 ist größer gewählt, so dass die Gleitfläche 30a des Lagerrings 30 freigelegt wird (siehe Figur 5). Ferner ist der Innendurchmesser des Lagerringträgers 31 größer als der Aussendurchmesser des zylindrischen Saugmundes 4 des Laufrades 1 gewählt, so dass die zylindrische Auskragung 4a des Laufrades im Innendurchmesser des Lagerringträgers 31 aufgenommen werden kann. Both bearing ring carrier 31 and bearing ring 30 have circular openings that are coaxial with one another. The inner diameter of the bearing ring carrier 31 is chosen to be larger, so that the sliding surface 30a of the bearing ring 30 is exposed (see Figure 5). Furthermore, the inner diameter of the bearing ring carrier 31 is selected to be larger than the outer diameter of the cylindrical suction mouth 4 of the impeller 1, so that the cylindrical projection 4a of the impeller can be accommodated in the inner diameter of the bearing ring carrier 31.
Die Fig. 5 zeigt zudem, dass der Lagerringträger 31 mit axialen Nuten 33 versehen ist, die sich in Axialrichtung zum Laufrad 1 hin erstreckende komplementäre Auskragungen 34 des Lagerrings 30 eingreifen. Durch diesen mechanischen Formschluss wird eine drehfeste Verbindung zwischen Lagerring 30 und Lagerringträger 31 geschaffen. 5 also shows that the bearing ring carrier 31 is provided with axial grooves 33 which engage complementary projections 34 of the bearing ring 30 extending in the axial direction towards the impeller 1. Through this mechanical A positive connection creates a non-rotatable connection between the bearing ring 30 and the bearing ring carrier 31.
Die Gleitfläche 10a des rotierenden Lagerrings 10 kann entweder als durchgängige Ringfläche 10 gestaltet sein (Figur 1 ), alternativ kann die Gleitfläche 100a des Lagerrings 100 auch mit mehreren Radialnuten 110 versehen sein, die als Schmiemuten für eine ausreichende Schmierung der aufeinander gleitenden Flächen 100a und 30a sorgen. Die Ausbildung der Schmiemuten 110 am Lagerring 100 hat jedoch noch einen weiteren technischen Vorteil. Durch die Rotation des Lagerrings 100 setzt aufgrund der Radialnuten 110 eine Pumpwirkung ein, wodurch ein Förderstrom entsteht, der dem druckbedingten Volumenstrom durch den Spalt entgegenwirkt. Idealerweise wird dadurch der druckbedingte Volumenstrom reduziert, so dass etwaige hydraulische Verluste durch den Spalt weiter minimiert werden können. The sliding surface 10a of the rotating bearing ring 10 can either be designed as a continuous annular surface 10 (FIG. 1), alternatively the sliding surface 100a of the bearing ring 100 can also be provided with several radial grooves 110, which act as oscillating grooves for sufficient lubrication of the surfaces 100a and 30a sliding on one another care for. However, the formation of the locating grooves 110 on the bearing ring 100 has another technical advantage. The rotation of the bearing ring 100 causes a pumping effect due to the radial grooves 110, which creates a delivery flow that counteracts the pressure-related volume flow through the gap. Ideally, this reduces the pressure-related volume flow so that any hydraulic losses through the gap can be further minimized.

Claims

Ansprüche Kreiselpumpe mit wenigstens einem Pumpenlaufrad (1 ) und wenigstens einer zwischen dem Pumpenlaufrad (1 ) und dem Pumpengehäuse (50) angeordneten Gleitringdichtung (10, 30) zur Abdichtung des Laufradspaltes zwischen der Saug- und Druckseite der Kreiselpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitflächen (10a, 100a, 30a) der Gleitringdichtung in Axialrichtung gegenüberliegend angeordnet sind, wodurch die Gleitringdichtung als Axiallager für das Pumpenlaufrad (1 ) wirkt. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre und/oder oder die rotierende Komponente (10, 100, 30) der Gleitringdichtung aus Keramik und/oder einem Kohlestoffwerkstoff und/oder einem Kohlestoffverbundwerkstoff bestehen oder diesen umfassen. Kreiselpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Komponente der Gleitringdichtung ein mit dem Laufrad (1 ) rotierender Lagerring (10) ist, der auf einer axialen Stirnkante des Saugmundes (4) des Pumpenlaufrades (1 ), insbesondere auf der Deckscheibe (2) des Pumpenlaufrades (1 ) fixiert ist. Kreiselpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (100a) der rotierenden Komponente, insbesondere des rotierenden Lagerrings (100), mit ein oder mehreren Schmiernuten (110) ausgeführt ist. Kreiselpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (10a) der rotierenden Komponente, insbesondere des rotierenden Lagerrings (10), eine durchgängige Ringfläche ist. Kreiselpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Komponente bzw. der rotierende Lagerring (10, 100) wenigstens eine Hinterschneidung (11 ) aufweist, die durch das Material des Pumpenlaufrades (1 ), insbesondere der Laufraddeckscheibe (2) zumindest teilweise umschlossen ist, wodurch eine axiale Fixierung der rotierenden Komponente (10, 100) am Pumpenlaufrad (1 ) sichergestellt ist. Kreiselpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Hinterschneidung (11 ) am Außenumfang des rotierenden Lagerrings (10, 100) ausgebildet ist, insbesondere durch eine stufenartige Änderung des Aussendurchmessers am Aussemumfang des rotierenden Lagerrings (10, 100). Kreiselpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Komponente der Gleitringdichtung, insbesondere in Form eines stationären Lagerrings (30), nachgiebig am Pumpengehäuse (50) gelagert ist, insbesondere mittels wenigstens einem Elastomer, bevorzugt einem O-Ring (32). Kreiselpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Komponente (30) mittels wenigstens eines Dichtungsträgers (31 ) gegen axiale Verschiebung in Richtung des Pumpenlaufrads (1 ) hin gesichert ist. Kreiselpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lagerträger (31 ) und stationärer Komponente bzw. stationärem Lagerring (30) eine drehfeste Verbindung besteht, insbesondere durch ein oder mehrere in Axialrichtung auskragende Elemente (34) der stationären Komponente (30), die in komplementäre Nuten (33) des Lagerträgers (31 ) eingreifen. Kreiselpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Komponente als Lagerring (30) und der Lagerträger (31 ) ringartig ausgebildet sind, die koaxial innerhalb des Gehäuses (50) montiert sind, wobei der Innendurchmesser des Lagerträgers (31 ) größer dimensioniert ist, um die Gleitfläche (30a) des stationären Lagerrings (30) für den Kontakt zur Gleitfläche (10a, 100a) des rotierenden Lagerrings (10, 100) freizulegen. Verfahren zur Herstellung eines Pumpenlaufrades (1 ) für eine Kreiselpumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Laufradspalt zwischen Saug- und Druckseite der Kreiselpumpe durch eine Gleitringdichtung (10, 30) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenlaufrad (1 ) oder zumindest ein Teil des Pumpenlaufrades (1 ) per Spritzgussverfahren hergestellt wird, wobei die rotierende Komponente (10, 100) der Gleitringdichtung beim Spritzgiessen des Pumpenlaufrads (1 ) umspritzt wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die rotieren Komponente ein mit dem Laufrad (1 ) rotierender Lagerring (10, 100) ist, dessen Außenumfang eine stufenartige Außendurchmesservergrößerung aufweist, die beim Spritzgiessen des Pumpenlaufrades (1 ) hinterspritzt wird. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe (11 ) ein oder mehrere, sich in axialer Richtung durch die Stufe (11 ) erstreckende Nuten (13) aufweist, die beim Spritzgiessen des Laufrades (1 ) durch das Spritzgussmaterial gefüllt werden, so dass eine rotationsfeste Verbindung des rotierenden Lagerrings (10, 100) mit dem Pumpenlaufrad (1 ) sichergestellt wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenlaufrad (1 ) mehrteilig ausgebildet wird und zumindest aus einer Deckscheibe (2) sowie einer Tragscheibe (3) besteht, wobei zumindest die Deckscheibe (2) per Spritzgussverfahren hergestellt wird und die rotierende Komponente (10, 100) der Gleitringdichtung beim Spritzgiessen der Deckscheibe (2) eingespritzt wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Komponente (10, 100), insbesondere die Gleitfläche (10a, 100a), erst nach dem Spritzgiessen des Pumpenlaufrades (1 ) mittels materialabtragendem Verfahren auf Endmaß gefertigt wird. Claims Centrifugal pump with at least one pump impeller (1) and at least one mechanical seal (10, 30) arranged between the pump impeller (1) and the pump housing (50) for sealing the impeller gap between the suction and pressure sides of the centrifugal pump, characterized in that the sliding surfaces (10a, 100a, 30a) are arranged opposite the mechanical seal in the axial direction, whereby the mechanical seal acts as an axial bearing for the pump impeller (1). Centrifugal pump according to claim 1, characterized in that the stationary and/or the rotating component (10, 100, 30) of the mechanical seal consists of or includes ceramic and/or a carbon material and/or a carbon composite material. Centrifugal pump according to one of the preceding claims, characterized in that the rotating component of the mechanical seal is a bearing ring (10) which rotates with the impeller (1) and which is located on an axial end edge of the suction mouth (4) of the pump impeller (1), in particular on the cover plate (2) of the pump impeller (1) is fixed. Centrifugal pump according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding surface (100a) of the rotating component, in particular of the rotating bearing ring (100), is designed with one or more lubrication grooves (110). Centrifugal pump according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the sliding surface (10a) of the rotating component, in particular of the rotating bearing ring (10), is a continuous annular surface. Centrifugal pump according to one of the preceding claims, characterized in that the rotating component or the rotating bearing ring (10, 100) has at least one undercut (11) which is at least partially through the material of the pump impeller (1), in particular the impeller cover disk (2). is enclosed, which ensures axial fixation of the rotating component (10, 100) on the pump impeller (1). Centrifugal pump according to claim 6, characterized in that the at least one undercut (11) is formed on the outer circumference of the rotating bearing ring (10, 100), in particular by a step-like change in the outer diameter on the outer circumference of the rotating bearing ring (10, 100). Centrifugal pump according to one of the preceding claims, characterized in that the stationary component of the mechanical seal, in particular in the form of a stationary bearing ring (30), is resiliently mounted on the pump housing (50), in particular by means of at least one elastomer, preferably an O-ring (32) . Centrifugal pump according to one of the preceding claims, characterized in that the stationary component (30) is secured against axial displacement in the direction of the pump impeller (1) by means of at least one seal carrier (31). Centrifugal pump according to claim 9, characterized in that there is a rotation-proof connection between the bearing carrier (31) and the stationary component or stationary bearing ring (30), in particular through one or more axially projecting elements (34) of the stationary component (30), which in complementary grooves (33) of the bearing carrier (31) engage. Centrifugal pump according to one of the preceding claims 9 or 10, characterized in that the stationary component is designed as a bearing ring (30) and the bearing carrier (31) is ring-like, which are mounted coaxially within the housing (50), the inner diameter of the bearing carrier (31 ) is dimensioned larger in order to expose the sliding surface (30a) of the stationary bearing ring (30) for contact with the sliding surface (10a, 100a) of the rotating bearing ring (10, 100). Method for producing a pump impeller (1) for a centrifugal pump, in particular a centrifugal pump according to one of the preceding claims, wherein the impeller gap between the suction and pressure sides of the centrifugal pump is sealed by a mechanical seal (10, 30), characterized in that the pump impeller (1 ) or at least part of the pump impeller (1) is produced by injection molding, the rotating component (10, 100) of the mechanical seal being overmolded during injection molding of the pump impeller (1). Method according to claim 12, characterized in that the rotating component is a bearing ring (10, 100) rotating with the impeller (1), the outer circumference of which has a step-like outer diameter increase, which is back-injected during injection molding of the pump impeller (1). Method according to claim 13, characterized in that the step (11) has one or more grooves (13) extending in the axial direction through the step (11), which are filled by the injection molding material when the impeller (1) is injection molded, so that a rotation-proof connection of the rotating bearing ring (10, 100) to the pump impeller (1) is ensured. Method according to one of the preceding claims 12 to 14, characterized in that the pump impeller (1) is designed in several parts and at least consists of a cover disk (2) and a support disk (3), at least the cover disk (2) being produced by injection molding and the rotating component (10, 100) of the mechanical seal being injected during the injection molding of the cover disk (2). Method according to one of the preceding claims 12 to 15, characterized in that the rotating component (10, 100), in particular the sliding surface (10a, 100a), is only manufactured to final size after the pump impeller (1) has been injection molded using a material-removing process.
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