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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, mit einem an einer Welle drehfest angeordneten Flügelrad und einem Gehäuse, welches gegenüber einem umgebenden Fluid mittels eines Wellendichtringes, insbesondere mittels eines Radialwellendichtringes, abgedichtet ist, sowie mit einer an der Welle drehfest und kraftschlüssig fixierbaren Wellenhülse umfassend einen auf der Welle festlegbaren hohlzylindrischen Abschnitt und einen mit diesem einteilig verbundenen, gegenüber diesem radial erweiterten Flansch. Weiterhin betrifft die Erfindung eine an einer Welle einer derartigen Strömungsmaschine fixierbare Wellenhülse.
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Die
DE 10 2004 030 475 A1 beschreibt bereits eine Pumpe für eine Getriebeölversorgung mit einem Pumpengehäuse, in dem eine Welle gelagert ist und in einer Ausnehmung um die Welle ein Radialwellendichtring angeordnet ist, welcher die Welle zur Umgebung hin radial am Pumpengehäuse abdichtet.
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Die
EP 1 468 189 B1 betrifft eine Pumpe mit einem in einem Gehäuse angeordneten Antrieb sowie einem außerhalb des Wellenlagers der Welle angeordneten, Schaufeln aufweisenden Pumpenlaufrad. Auf der Welle ist eine den Wellendichtringen zugeordnete Wellenschutzhülse angeordnet.
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Ganz allgemein beruht die Dichtwirkung des Radialwellendichtringes im Stillstand der Welle auf der radialen Anpressung der Dichtlippe auf die Wellenoberfläche, sodass die Verformung der elastomeren Dichtkante die geringen Oberflächenrauheiten der Welle ausgleicht und den Spalt verschließt. Die Anpressung der Dichtlippe wird durch Vorspannung erreicht und durch eine Zugfeder unterstützt.
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Die Dichtungswirkung des Wellendichtringes beruht darauf, dass sich an der Berührungsfläche bereits nach kurzer Anlaufzeit eine „Vorzugsstruktur“ an der Kontaktfläche ausbildet, die eine Förderwirkung von der Atmosphärenseite zur Mediumsseite bewirkt. Dieser Rückfördereffekt entsteht durch die asymmetrische Anpressdruckverteilung in der Kontaktzone, welche durch die unterschiedlich großen Dichtkantenwinkel der Dichtlippe zur Wellenoberfläche und durch die Verschiebung der Zugfeder zur Atmosphärenseite hin erreicht wird.
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Um diesem Fördereffekt nicht entgegenzuwirken, muss die Welle im Laufflächenbereich der Dichtkante drallfrei sein, weil die korrekte Oberfläche eine wichtige Voraussetzung für die Dichtfunktion darstellt. Diese erforderliche Oberflächenqualität kann durch den Einsatz von Wellenschutzhülsen erzielt werden. Die Wellenschutzhülse dient als Lauffläche für Radialwellendichtringe und ist aus höherwertigen, reibungsarmen und verschleißfesten Werkstoffen. Sie besteht aus einem dünnwandigen, zylindrischen Rohr mit einem Montageflansch. Der Flansch kann eine Sollbruchstelle aufweisen, sodass dieser bedarfsweise abgetrennt werden kann. Die dünnwandigen Hülsen werden über die Welle aufgeschoben und bilden so einen einfachen Ersatz für aufwendig herzustellende oder verschlissene Gleitflächen. Die drallfrei geschliffene Oberfläche der Wellenschutzhülse ist dadurch als Gegenlauffläche für Radialwellendichtringe optimiert.
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Bei der Rotationsbewegung der Welle tritt ein hydrodynamischer Effekt auf, der dazu führt, dass die Dichtlippe auf dem durch das abzudichtende Medium gebildeten Schmierfilm aufschwimmt. Dies verhindert frühzeitigen Verschleiß und eine thermische Zerstörung der Dichtlippe.
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Der Schmierfilm und somit die verschleißmindernde Wirkung hängen jedoch neben der Bauform der Strömungsmaschine wesentlich auch von dem umgebenden Fluid ab. So bildet sich bei Ölpumpen ein wirksamer Schmierfilm aus, während der Schmierfilm bei Wasserpumpen oftmals zusätzliche Maßnahmen erfordert.
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Hierzu ist es in der Praxis bereits bekannt, durch eine entsprechende Gestaltung des Flügelrades eine Anströmung des Wellendichtringes zu erreichen, um so reibungsbedingte Erwärmung durch eine stetige Anströmung zu vermeiden.
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Beispielsweise ist es in der Praxis bekannt, an dem Flügelrad Bohrungen anzubringen, die zu einer Unterspülung des Flügelrades und somit zu einer Umströmung der Wellendichtung führen. Als nachteilig erweist sich bei einer derartigen Gestaltung allerdings die damit einhergehende Reduzierung der hydraulischen Leistung des Flügelrades. Zudem lässt sich auf diese Weise oftmals keine optimale Strömung erzielen, sodass der Wirkungsgrad insgesamt gering ist.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen geringen Verschleiß und somit eine zuverlässige Dichtungswirkung im Bereich des Wellendichtringes sicherzustellen, ohne dass hierzu an dem Flügelrad entsprechende Mittel zur Strömungserzeugung oder Umlenkung in Richtung des Wellendichtringes erforderlich sind.
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Erfindungsgemäß ist also eine Strömungsmaschine vorgesehen, bei welcher der Flansch mehrere zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung nebeneinander oder beabstandet angeordnete Segmente aufweist, die zumindest abschnittsweise derart gegenüber einer Querschnittsebene zu der Welle geneigt angeordnet sind, dass diese eine Steigung gegenüber der Rotationsachse der Welle aufweisen. Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise eine auf den Wellendichtring gerichtete Strömung mittels der als Flügel wirkenden Segmente erreicht, wodurch eine gezielte Anströmung des Wellendichtringes und somit auch eine schnelle und zuverlässige Wärmeabfuhr erreicht werden. Anders als beim Stand der Technik wird zudem eine gerichtete, in Bezug auf die Welle axiale Strömung unabhängig von dem Flügelrad der Strömungsmaschine erzeugt. Spezielle Ausformungen und damit verbundene Wirkungsgradeinschränkungen sind somit entbehrlich. Die Segmente bilden entsprechend ihrer Steigung gegenüber der Rotationsachse Flügel oder Schaufeln, die bei einer Rotation eine in axialer Richtung wirkende Strömung des umgebenden Fluides erzeugen. Aufgrund der einfachen Bauform können diese problemlos auch bei bereits vorhandenen Strömungsmaschinen nachgerüstet werden.
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Dabei hat es sich bereits als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Wellenhülse als eine Wellenschutzhülse, eine Wellenreparaturhülse und/oder eine Montagehülse ausgeführt ist, mit einer an dem hohlzylindrischen Abschnitt gebildeten Gegenlauffläche, gegen die der Wellendichtring anliegt. Somit erfüllt die Wellenhülse eine Doppelfunktion, nämlich im Bereich der Mantelfläche des hohlzylindrischen, hülsenförmigen Abschnittes als Gegenfläche für den anliegenden Wellendichtring einerseits und durch die Segmente des Flansches als Flügelrad die Funktion der Strömungserzeugung andererseits. Insbesondere können somit auch an sich vorhandene Konstruktionen einer Strömungsmaschine ohne konstruktive Änderungen weiterhin eingesetzt werden, wobei lediglich der Flansch einer entsprechenden Nachbehandlung zur Erzeugung der Segmente, insbesondere durch das Einbringen von entsprechenden Einschnitten, zugeführt werden muss oder alternativ die Wellenhülse ausgetauscht wird.
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Dabei eignet sich die erfindungsgemäße Strömungsmaschine für vielfältige Einsatzzwecke gleichermaßen. Besonders vorteilhaft erweist sich jedoch eine Variante, bei welcher die Strömungsmaschine als eine Wasserpumpe zum Einbau in ein mit einer Brennkraftmaschine ausgestattetes Kraftfahrzeug ausgeführt ist und bei welcher aufgrund der eingeschränkten Ausprägung des Schmierfilmes eine erhöhte Wärmeentwicklung zu erwarten ist. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung gewinnbringend auch bei solchen Strömungsmaschinen eingesetzt werden, die in einer thermisch hoch belasteten Umgebung verwendet werden und bei denen das Fluid zur Wärmeabfuhr genutzt wird.
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Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Wellenhülse innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, wenn dieses beispielsweise mit einem Fluid gefüllt ist, um so beispielsweise bei einer äußeren thermischen Einwirkung im Bereich des Flügelrades eine ausreichende Umströmung des Wellendichtringes sicherzustellen. In der Praxis hat es sich zudem auch bereits als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der Flansch außerhalb des Gehäuses zwischen einem Flügelrad der Strömungsmaschine und einem in dem Gehäuse gehaltenen Radiallager für die Welle angeordnet ist und somit der Beaufschlagung der Wellendichtung mit dem zu fördernden oder das Flügelrad antreibenden Fluid dient.
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Die Segmente können plastisch verformbar ausgeführt sein, um die Steigung den jeweiligen Anforderungen durch eine schnelle Verformung anpassen zu können. Besonders empfehlenswert ist es zudem, wenn die Segmente eine übereinstimmende Fläche und/oder Steigung aufweisen, sodass der so erzeugte Fluidstrom ein homogenes Querschnittsprofil über den vollen Umfang der Welle aufweist. Zudem werden so dynamische Unwuchten vermieden, die anderenfalls durch einen pulsierenden Fluidstrom verursacht werden können.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin noch gelöst durch eine an einer Welle einer Strömungsmaschine drehfest und kraftschlüssig fixierbare Wellenhülse mit einem auf der Welle festlegbaren hohlzylindrischen Abschnitt und einem mit diesem einteilig verbundenen, gegenüber diesem radial erweiterten Flansch, wobei der Flansch mehrere zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung nebeneinander oder beabstandet angeordnete Segmente aufweist, die zumindest abschnittsweise derart gegenüber einer Querschnittsebene zu der Welle geneigt angeordnet sind, dass diese eine Steigung gegenüber der Rotationsachse aufweisen. Die Erfindung geht dabei von der überraschend einfachen Erkenntnis aus, dass eine zuverlässige und insbesondere ausreichende Fluidströmung, die beispielsweise zur Ableitung entstehender Wärme erforderlich ist, dadurch erzeugt werden kann, dass die Wellenhülse flügelartige Segmente mit einer Steigung aufweist. Dadurch wird bei der einsetzenden Rotation der Welle durch das umgebende Fluid, welches eine sowohl innerhalb als auch außerhalb des Gehäuses vorhandene Flüssigkeit oder ein Gas sein kann, eine parallel zur Rotationsachse der Welle gerichtete Strömung erzeugt. Diese wirkt unabhängig von der durch das Flügelrad erzeugten oder durch das zugeführte Fluid bewirkten Strömung, sodass hier eine unerwünschte Rückwirkung auf das Arbeitsfluid zuverlässig ausgeschlossen werden kann.
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Weiterhin hat es sich bereits als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Wellenhülse als eine Wellenschutzhülse, eine Wellenreparaturhülse und/oder eine Montagehülse ausgeführt ist und eine an dem hohlzylindrischen Abschnitt gebildete Gegenlauffläche für den Wellendichtring aufweist. Hierdurch ist die erfindungsgemäß ausgestaltete Hülse zugleich mit der Gegenlauffläche für den Wellendichtring ausgestattet, sodass die Erfindung ohne zusätzlichen Platzaufwand in einfacher Weise selbst bei an sich bekannten konstruktiven Ausführungen derartiger Strömungsmaschinen problemlos realisierbar ist. Insbesondere unterscheidet sich die erfindungsgemäße Hülse demnach lediglich durch ihren Flansch von einer an sich bekannten Wellenschutzhülse.
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Die Segmente können eben oder zumindest abschnittsweise gewölbt ausgeführt sein. Weiterhin können auch lediglich einzelne Segmente eine Steigung gegenüber der Querschnittsebene zur Rotationsachse aufweisen, während die übrigen Segmente in der Querschnittsebene liegen. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn die Segmente über den Umfang gleichverteilt angeordnet sind. Hierdurch wird im Betrieb eine gleichmäßige Strömung über den gesamten Umfang der erzeugten Strömung sichergestellt, sodass insbesondere unerwünschte Druckdifferenzen über den Strömungsquerschnitt vermieden werden können.
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Hierzu hat es sich bereits als besonders praxisnah erwiesen, wenn die Segmente eine übereinstimmende Fläche und/oder Steigung aufweisen und zudem benachbarte Segmente so angeordnet sind, dass die eine Steigung aufweisenden Segmente benachbart, nur durch einen Spalt voneinander getrennt in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Dabei können die jeweiligen radial äußeren Bereiche einzelner oder aller Segmente in axialer Richtung eine Abwinkelung oder Biegung oder sonstige, die Strömung optimierende, insbesondere homogenisierende Ausprägungen aufweisen.
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Vorzugsweise weist dabei der Flansch eine kreisförmige Umfangslinie auf, deren Durchmesser den äußeren Durchmesser des Wellendichtringes, insbesondere den Durchmesser der Zugfeder des Wellendichtringes nicht übersteigt.
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Selbstverständlich kann die Hülse aus einem an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepassten Material bestehen, wobei sich unterschiedliche Metalle eignen. Obwohl dabei eine unterschiedliche Materialzusammensetzung des hohlzylindrischen Abschnittes gegenüber dem Flansch nicht ausgeschlossen ist und sich in Einzelfällen auch als vorteilhaft erweisen kann, weist bevorzugt zumindest der Flansch der Wellenhülse als wesentlichen Materialanteil ein Metall mit übereinstimmenden Eigenschaften des hohlzylindrischen Abschnittes und des Flansches auf.
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Bei einer anderen Erfolg versprechenden Ausgestaltung der Erfindung sind die Segmente durch mehrere an dem Flansch radial verlaufende Sollbruchstellen unterteilt, sodass die Segmente bedarfsweise von benachbarten Segmenten oder Abschnitten des Flansches getrennt und mit einer Steigung versehen werden können.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer teilweise geschnittenen Ansicht in
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1 eine perspektivische Darstellung einer ausschnittsweise dargestellten Strömungsmaschine;
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2 eine Wellenhülse der in 1 gezeigten Strömungsmaschine mit einem Flansch in einer Seitenansicht;
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3 die in 2 gezeigte Wellenhülse in einer Vorderansicht;
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4 eine Detaildarstellung des mehrere Segmente aufweisenden Flansches der in 2 gezeigten Wellenhülse;
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5 eine Variante des in 4 gezeigten Flansches mit profilierten Segmenten.
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In 1 ist lediglich ausschnittsweise eine als Wasserpumpe für ein Kraftfahrzeug ausgeführte Strömungsmaschine 1 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Die Strömungsmaschine 1 hat eine von einem nicht gezeigten Antrieb rotationsbeweglich antreibbare Welle 2, die mittels einer Spannhülse 3 mit einem Flügelrad 4 drehfest verbunden ist. Weiterhin hat die Strömungsmaschine 1 ein Gehäuse 5, welches gegenüber der den Bereich des Flügelrades 4 im Betrieb durchströmenden Flüssigkeit mittels eines Wellendichtringes 6 abgedichtet ist, sodass das Eindringen der Flüssigkeit von der flüssigkeitsdurchströmten Medienseite in das Innere des Gehäuses 5 zuverlässig ausgeschlossen werden kann. Der als Radialwellendichtring ausgeführte Wellendichtring 6 entspricht seiner Bauform nach der DIN 3760. Als Gegenlauffläche dient eine auf der Welle 2 drehfest fixierte, als Wellenschutzhülse ausgeführte Wellenhülse 7, die im Laufflächenbereich einer Dichtkante des Wellendichtringes 6 die erforderliche Oberflächenqualität bereitstellt.
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Wie insbesondere in den 2 bis 4 erkennbar hat die Wellenhülse 7 einen auf der in 1 gezeigten Welle 2 festlegbaren hohlzylindrischen Abschnitt 8 und einen mit diesem einteilig verbundenen, gegenüber diesem radial erweiterten Flansch 9. Dabei hat der Flansch 9 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander, durch einen Spalt beabstandet angeordneten Segmenten 10 mit übereinstimmender Fläche und Steigung. Diese sind derart gegenüber einer Querschnittsebene zu der Welle 2 geneigt angeordnet, dass diese eine Steigung gegenüber einer Rotationsachse 11 der Welle 2 aufweisen und dadurch Flügel bilden, die bei einer Rotation eine in axialer Richtung S wirkende Strömung der umgebenden Flüssigkeit erzeugen. Aufgrund des im Betrieb gemeinsam mit der Welle 2 rotierenden Flansches 9 wird eine zuverlässige und insbesondere ausreichende Flüssigkeitsströmung erzeugt, die beispielsweise zur Ableitung entstehender Wärme erforderlich ist und parallel zur Rotationsachse 11 der Welle 2 verläuft. Diese wirkt unabhängig von der durch das Flügelrad 4 oder durch die zugeführte Flüssigkeit erzeugten Strömung, sodass hier eine unerwünschte Rückwirkung auf das Arbeitsfluid zuverlässig ausgeschlossen und zudem der Wirkungsgrad der Förderwirkung des Flügelrades 4 der Strömungsmaschine 1 verbessert werden kann.
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Ergänzend zeigt die 5 noch eine Variante des Flansches 9. Hierbei sind die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Segmente 10 jeweils mit einer Profilierung versehen, sodass sich eine konkav bzw. konvex geformte flügelartige Fläche der einzelnen Segmente 10 ergibt. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad weiter verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungsmaschine
- 2
- Welle
- 3
- Spannhülse
- 4
- Flügelrad
- 5
- Gehäuse
- 6
- Wellendichtring
- 7
- Wellenhülse
- 8
- Abschnitt
- 9
- Flansch
- 10
- Segment
- 11
- Rotationsachse
- S
- Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004030475 A1 [0002]
- EP 1468189 B1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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