DE1811430A1 - Hydraulic flow machine - Google Patents
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Description
Hydraulische Strömungsmaschine Die Erfindung betrifft eine hydraulische Strömungsmaschine, insbesondere Wasserturbine oder -pumpe. Bei derartigen ilaschinen ist zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse mindestens ein Dichtungsspalt vorhanden, der von der Flüssigkeit infolge des Druckgefälles zwischen Laufradeintritts- und Austrittsseite axial durchströmt wird. Hydraulic turbo machine The invention relates to a hydraulic machine Turbo machine, in particular a water turbine or pump. With such machines there is at least one sealing gap between the impeller and the housing, from the liquid due to the pressure drop between the impeller inlet and Flow is axially through the outlet side.
Es ist andererseits bekannt, die Wellen von Strömungsmaschinen in wassergeschmierten Lagerschalen aus Gummi oder einem anderen gummielastischen Werkstoff zu lagern. Hierbei muß jedoch für die Zufuhr des zur Schmierung und Kühlung erforderlichen Wassers zum Lager eine besondere Einrichtung,.z; B, eine Schmiermittelpumpe vorgesehen sein.On the other hand, it is known that the shafts of fluid flow machines in water-lubricated bearing shells made of rubber or another rubber-elastic material to store. However, this must be necessary for the supply of the lubrication and cooling Water to the camp a special facility, .z; B, a lubricant pump is provided be.
Erfindungsgemäß wird nun bei einer Strömungsmaschine der eingangs genannten Gattung mit mindestens einem Dichtungsspalt zwischen Laufrad und Gehäuse eine der Flächen des Dichtungsspaltes mit einer Schicht aus gummielastischem Werkstoff belegt, die damit zur unmittelbaren Lagerung des Laufrades dient.According to the invention, in the case of a turbomachine, the initially introduced mentioned type with at least one sealing gap between the impeller and the housing one of the faces of the Sealing gap with a layer of rubber-elastic Material that is used to directly support the impeller.
Dieser Lagerung wird das zur Schmierung und Kühlung dienende Wasser selbsttätig durch das ohnehin zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite des Laufrades und damit auch zwischen den beiden Enden des Dichtungsspaltes bestehende Druckgefälle zugeführt, so daß die sonst hierfür erforderliche zusätzliche Einrichtung entfällt.This storage is used for lubrication and cooling water automatically through the anyway between the entry side and the exit side of the impeller and thus also existing between the two ends of the sealing gap Pressure gradient supplied, so that the additional equipment otherwise required for this not applicable.
Außerdem wird hierbei mindestens eine der sonst erforderlichen zwei Lagerstellen der Welle des Laufrades eingespart, wodurch sich weiterhin die Möglichkeit ergibt, die Baulänge der Maschine erheblich zu verringern.In addition, at least one of the otherwise required two is required here Bearing points of the shaft of the impeller saved, which continues the possibility results in significantly reducing the overall length of the machine.
Infolge der unmittelbaren Lagerung des Laufrades selbst im Gehäuse, ohne Zwischenschaltung einer auf Biegung beanspruchten Welle, kann die biegekritische Drehzahl des Laufrades weit über die Betriebsdrehzahl gelegt werden, was vor allen Dingen bei mehrstufigen Pumpen zu betrieblichen Vorteilen führt. Auch bei hoher Betriebsdrehzahl braucht die kritische Drehzahl nicht durchlaufen zu werden.As a result of the immediate storage of the impeller itself in the housing, without the interposition of a shaft that is subject to bending stress, the critical Speed of the impeller can be placed well above the operating speed, which is above all Things with multi-stage pumps leads to operational benefits. Even at high Operating speed does not need to be passed through the critical speed.
Zudem wirkt die gummielastische Lagerschicht an sich schon schwingungsdämpfend.In addition, the rubber-elastic bearing layer itself already has a vibration-damping effect.
Es ist zweckmäßig, wenn die gummielastische Schicht im Gehäuse angeordnet ista entweder unmittelbar oder mittels einer Tragbuchse, da es dann möglich ist, in der im übrigen vollwandige, d. h. ohne die sonst üblichen z. B. achsparallelen Nuten, ausgebildeten Schicht an deren am geringsten belasteten Stelle ihres Innenumfanges eine etwa achsparallele Nut vorzusehen, in der zwischen Laufrad und Schicht eingedrungene Festkörpers z. B, Sand, durch die den Dichtungsspalt axial durchströmende Flüssigkeit herausgespült wird.It is useful if the rubber-elastic layer is arranged in the housing ista either directly or by means of a support bushing, as it is then possible in the otherwise full-walled, d. H. without the usual z. B. axially parallel Grooves, formed layer at the least stressed point on its inner circumference to provide an approximately axially parallel groove in which penetrated between the impeller and the layer Solid z. B, sand, through the liquid flowing axially through the sealing gap is flushed out.
Der Spaltverlust im Dichtungsspalt wird durchdiese Nut, die nur eng zu sein braucht, nur unwesentlich erhöht, Die Anlaufkante, d. h. die in Drehrichtung des Laufrades vorn liegende kante, der Nut soll abgeflacht seine um hier ein Abstreifen des Flüssigkeitsfilms zu vermeiden.The gap loss in the sealing gap is due to this groove, which is only narrow needs to be increased only insignificantly, the leading edge, d. H. the one in the direction of rotation the front edge of the impeller, the groove should be flattened to allow stripping to avoid the liquid film.
Als brauchbar hat sich eine gummielastische Schicht erwiese1i, deren Stärke bei einer Shore-A-Härte von 3c bis So Grad, vorzugsweise t Cad is 55 Grad, etwa 2 m. beträgt. Die Lagerbreite beträgt dabei zweckmäßig etwa 15 bis 25 . des Lagerdurchmessers und das relative Lagerspiel etwa o,l bis o,2 @.A rubber-elastic layer has proven to be useful Strength with a Shore A hardness of 3c to So degrees, preferably t Cad is 55 degrees, about 2 m. The bearing width is expediently about 15 to 25. of Bearing diameter and the relative bearing play about 0.1 to 0.2 @.
Genestand einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist eine Wasserpumpe, insbesondere Umwälzpumpe, bei der ein mit dem Laufrad unmittelbar verbundener Motoranker im Pumpengehäuse umläuft und in diesem auf der dem mittels der gummielastischen Schicht gelagertem Laufrad abgewandten Seite ebenfalls mittels einer vom Wasser überströmten Schicht im Pumpengehäuse gelagert ist, wobei der innerhalb des Umfangs dieser. Schicht liegende Teil der Strinfläche des Motorankers mit der Eintrittsseite des Laufrades über mindestens eine Ausgleichsbohrung verbunden ist.Genestand a further embodiment of the invention is a water pump, in particular a circulation pump with a motor armature directly connected to the impeller circulates in the pump housing and in this on the by means of the rubber-elastic Layer mounted impeller facing away from the water also by means of a overflow layer is stored in the pump housing, the within the circumference this. Layer lying part of the outer surface of the motor armature with the entry side of the impeller is connected via at least one compensating bore.
Auch an dieser unmittelbaren Lagerstelle des Ankers wird der Schmiermittelfluß durch das im Laufrad aufgebaute Flüssigkeitsdruckgefälle bewirkt.The flow of lubricant is also at this immediate bearing point of the armature caused by the pressure gradient built up in the impeller.
Die erfindungsgemäse Ausbildung der Strömungsmaschine eignet sich auch für andere niedrigviskose Flüssigkeiten, wobei selbstverständlich der Werkstoff der gummielastischen Schicht gegenüber der Flüssigkeit beständig sein muß.The design of the turbomachine according to the invention is suitable also for other low-viscosity liquids, whereby of course the material the rubber-elastic layer must be resistant to the liquid.
Die Erfindung ist an einigen Ausführungsbeispielen und in weiteren Einzelheiten in der Zeichnung erläutert, Es zeigt Fig. 1 in Seitenansicht im Schnitt eine doppelflutige Kreiselpumpe, Fig. la in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch eine Lagerstelle des Laufrades dieser Kreiselpumpe, Fig. 2 im Schnitt eine Teilansicht einer Francis-Turbine, Fig. 2a einen Schnitt A-A gemäß Fig. 2 durch eine Lagerstelle des Laufrades dieser Turbine, Fig. 3 im Schnitt eine halbaxiale Kreiselpumpe, Fig. 4 im Schnitt eine Umwälzpumpe Fig. 4a einen Schnitt B-B gemäß Fig. 4 dUrch eine axiale Lagerstelle dieser Pumpe Die in Fig. 1 gezeigte doppelflutige Kreiselpumpe besteht aus dem aus den beiden Teilen 1 und 2 zusammengesetzten Gehäusen, an dessen Unterem Teil 2 im Lagerbock 3 angesetzt ist, in dem mittels eines Pendelkugellagers 4 die Welle 5 gelagert ist, Das Pendelkugellager stützt die Welle 5 axial und an seinem Sitz auch radial ab, so daß die beispielsweise vom Antriebsflansch 6 angeleiteten Kräfte die Welle 5 nicht wesentlich verlagern können. Das flüssige Medium tritt durch die beiden seitlichen Zulaufkanäle 9 auf der Welle 5 befestigten doppelflutigen Laufrad, 8 zu und verläßt es über den Spiralkanal 10.The invention is in some embodiments and in others Details are explained in the drawing, it shows Fig. 1 in side view in section a double-flow centrifugal pump, Fig. La on an enlarged scale a section through a bearing point of the impeller of this centrifugal pump, FIG. 2 shows a partial view in section a Francis turbine, FIG. 2a shows a section A-A according to FIG. 2 through a bearing point of the impeller of this turbine, Fig. 3 in section a semi-axial centrifugal pump, Fig. 4 a circulating pump in section; FIG. 4a a section B-B according to FIG. 4 through a axial bearing of this pump The double-flow centrifugal pump shown in Fig. 1 consists of the housing composed of the two parts 1 and 2, at which The lower part 2 is set in the bearing block 3, in which by means of a self-aligning ball bearing 4 the shaft 5 is mounted, the self-aligning ball bearing supports the shaft 5 axially and on its seat also radially, so that the guided for example from the drive flange 6 Forces the shaft 5 can not move significantly. The liquid medium occurs through the two lateral inlet channels 9 attached to the shaft 5 double-flow Impeller, 8 closes and leaves it via spiral duct 10.
Nahe dem äußeren Ümfang des Eintritts der Schaufelkanäle im Laufrad 8 sind beidseitig die Dichtungsspalte vorgesehen, die das umlaufende Laufrad 8 gegen das Gehäuse 1, 2 derart abdichten, daß zwischen Eintritt und Austritt kein Druckausgleich stattfinden kann. Da jedoch diese Dichtungsspalte berührungsfreie Dichtungen darstellen, ist hier ein gewisser Leckstrom des Mediums unvermeidbar, Dieser Leckstrom 15 wird nun zur Schmierung und Kühlung der den Dichtungsspalt 14 begrenzenden Flächen, die als Lagerflächen für das Laufrad 8 dienen, ausgenutzt1 indem z, B. die gehäuseseitige Fläche. - Fig. 1 zeigt - von einer Gummischicht 12 gebildet wird, die vorzugsweise mittels eines anvulkanisierten Stützringes 11 in das Gehäuse 1, 2 eingesetzt ist unc? auf der das Laufrad 8 mittels eines Laufringes 13 gleitend gelagert ist.Near the outer circumference of the inlet of the blade channels in the impeller 8, the sealing gaps are provided on both sides, which the rotating impeller 8 against the housing 1, 2 such seal that between inlet and outlet no pressure equalization can take place. However, since this sealing gap is non-contact Represent seals, a certain leakage current of the medium is unavoidable here, This leakage flow 15 is now used to lubricate and cool the sealing gap 14 delimiting surfaces that serve as bearing surfaces for the impeller 8, exploited 1 by, for example, the surface on the housing side. 1 shows a rubber layer 12 is formed, which is preferably by means of a vulcanized support ring 11 in the housing 1, 2 is inserted unc? on which the impeller 8 by means of a raceway 13 is slidably mounted.
Der Laufring 13 ist entbehrlich, wenn der Werkstoff des Laufrades 8 selbst gute Laufeigenschaften gegen Gummi aufweist.The race 13 is unnecessary if the material of the impeller 8 itself has good running properties against rubber.
Während des Betriebes sind jedoch die Laufflächen durch hydrodynamische Flüssigkeitsschmierung, die sich insbesondere infolge der gummielastischen Eigenschaften der einen Lagerfläche in günstiger Weise ausbildet, voneinander getrennt. Beim An-und Auslauf sind dagegen gute Laufeigenschaften der Geçenfläche wichtig.During operation, however, the running surfaces are hydrodynamic Liquid lubrication, which is due in particular to the rubber-elastic properties which forms a storage area in a favorable manner, separated from one another. When on and On the other hand, good running properties of the geçe surface are important.
Die Abdichtung der Welle 5 gegenüber dem Gehäuse nach au3en hin erfolgt über eine weiche Stopfbuchsenpackung 7, an deren Stelle jedoch eine Gleitringdichtung mit radialen Dichtflächen wegen ihrer besserenradialen Nachgiebigkeit Vorteile bietet, da die Lagerung des Laufrades in gummielastischem Werkstoff eine gewisse radiale i-Tachgiebigkeit des Laufrades bedingt, wodurch wiederum gewisse Fluchtungsfehler in der gesatten Lagerung unschädlich bleiben.The sealing of the shaft 5 with respect to the housing takes place towards the outside Via a soft gland packing 7, but in its place a mechanical seal with radial sealing surfaces offers advantages because of their better radial compliance, because the bearing of the impeller in rubber elastic material has a certain radial i-Tachgiebigkeit the impeller, which in turn causes certain misalignments remain harmless in the full storage.
Wie leicht zu ersehen ist die Baulänge der erfindungsgemäßen Pumpe infolge Wegfalls der zweiten äu,3eren starren Lagerung erheblich geringer als bei den bisher bekannten Ausführungen.The overall length of the pump according to the invention is easy to see as a result of the omission of the second outer, rigid bearing, considerably less than with the previously known designs.
Infolge der unmittelbaren Lagerung des Laufrades 8 im Gehäuse erfährt die Welle 5 vom Laufrad 8 her keine Biegebeanspruchungen, was die bereits oben angeführten Vorteile mit sich bringen. Darüber hinaus ist ein gummielastischer Werkstoff weniger durch Einwirkungen der Kavitation gefährdet.As a result of the immediate storage of the impeller 8 in the housing experiences the shaft 5 from the impeller 8 has no bending stresses, what the bring advantages already mentioned above. In addition, is a rubber elastic Material less endangered by the effects of cavitation.
Durch Anformen einer Umlenknase 16 an die gummielastische Schicht 12 können an den gezeigten Stellen Kavitationserscheinungen vermieden werden.By molding a deflecting nose 16 onto the rubber-elastic layer 12 cavitation phenomena can be avoided at the points shown.
Bei der in Fig, 2 gezeigten Francis-Turbine strömt das Druckwasser vom äußeren Ringkanal 17 her über die verstellbaren Leitschaufeln 19 zum Laufrad 18. Ein geringer Teil 20 des Druckwassers strömt jedoch über den Dichtungsspalt 14 am Laufrad vorbei, Dieser Leckstrom 20 dient jedoch wiederum zur Schmierung und Kühlung der in gleicher Weise, wie Fig, 1 und la gezeigt, ausgebildeten Lagerstelle zwischen Laufrad 18 und Gehäuse 1.In the Francis turbine shown in FIG. 2, the pressurized water flows from the outer ring channel 17 via the adjustable guide vanes 19 to the impeller 18. However, a small part 20 of the pressurized water flows over the sealing gap 14 past the impeller, however, this leakage current 20 is again used for lubrication and Cooling of the bearing point formed in the same way as shown in FIGS. 1 and la between impeller 18 and housing 1.
Um einen axialen Druckausgleich auf beiden Seiten des Laufrades 18 zu erzielen, ist auf der der Abströmseite des Laufrades 18 abgewandten Seite des Laufrades ein in den Abmessungen gleiches gummielastisches Lager vorzusehen, das ebenfalls von einem Leckstrom durchströmt wird. Das Laufrad 18 ist außerdem mit einer Ausgleichsbohrung versehen, die Druckgleichheit zwischen beiden Seiten des Laufrades herbeiführt, In entsprechender Weise kann auch bei einer Kreiselpumpe gemäß Fig. 1, jedoch in einflutiger Ausführung, ein Axialschub vermieden werden.To achieve an axial pressure equalization on both sides of the impeller 18 is to be achieved on the side facing away from the downstream side of the impeller 18 Impeller to provide a rubber-elastic bearing of the same dimensions that is also traversed by a leakage current. The impeller 18 is also with provided a compensating hole, the pressure equality between both sides of the Impeller brings about, in a corresponding way can also with a centrifugal pump 1, but in a single-flow design, an axial thrust can be avoided.
In Fig, 2a ist gezeigt, wie durch Anordnung einer schmalen Nut 29 mit abgeschrägten Kanten in der g'ummielastischen Schicht 12 die Selbstreinigung des Lagers von etwa in den Spalt geratenen Festkörpern, z, B. Sand, bewirkt werden kann.In FIG. 2a it is shown how by arranging a narrow groove 29 self-cleaning with beveled edges in the rubber-elastic layer 12 of the bearing of any solids that have got into the gap, e.g. sand can.
In Fig. 3 ist eine halbaxiale } reiselpumpe gezeIgt. Vom unteren Ende des Außenrohres 22 strömt das Wasser in Richtung 24 dem am unteren Ende der lotrechten Welle 25 befestigen Laufrad 28 zu. Die Lagerung des unteren Endes der Welle 25 erfolgt mittels des ar. unteren Ende des Kopfstückes 26 des Innenrohres 27 im Laufrad 28 angeordneten Lagers, das aus der Gummischicht 12 und ae Laufring 13 besteht.A semi-axial travel pump is shown in FIG. 3. From the bottom of the outer tube 22, the water flows in the direction 24 that at the lower end of the vertical Shaft 25 fasten impeller 28 to. The lower end of the shaft 25 is supported by means of the ar. lower end of the head piece 26 of the inner tube 27 in the impeller 28 arranged bearing, which consists of the rubber layer 12 and ae race 13.
Die im Laufrad 28 vorgesehenen Ausgleichsbohrungen 21 ermöglichen die erforderliche Durchströmung des Dichtungsspaltes zwischen Laufrad 28 und Kopfstück 26, der von der gummielastischen Schicht 12 und dem Laufring 13, die auch in ihrer gegenseitigen Anordnung vertauscht werden können, begrenzt ist Die Welle 25 ist an ihren oberen Enden axial und radial unnachgiebig gelagert.The compensating bores 21 provided in the impeller 28 enable the required flow through the sealing gap between impeller 28 and head piece 26, of the rubber elastic layer 12 and the race 13, which are also in their mutual arrangement can be interchanged, the shaft 25 is limited mounted rigidly axially and radially at their upper ends.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Umwälzpumpe ist das Laufrad 30 unmittelbar an der einen Stirnfläche eines Ankers 31 eines Elektromotors befestigt und zusammen mit dem Anker 31 im Pumpengehäuse gelagert. Die Lagerung erfolgt sowohl auf der Laufradseite als auch auf der dem Laufrad 30 abgewandten Seiten in der in den zuvor gezeigten Beispielen dargestellten Weise mittels die Dichtungsspalte begrenzender Schichten »2 aus gummielastischem Werkstoff und Laufringen 12. Um eine Durchströmung auch des an der dem Laufrad 30 abgewandten Ende des Ankers 31 als Lager vorgesehenen Dichtungsspaltes und zugleich einen axialen Druckausgleich zu erzielen, sind in Anker 3; Ausgleichsbohrungen 21 vorgesehen, Diese Umwälzpumpe weist keine äußeren Lager auf. Auch der Stator 32 des Motors ist in das Pumpengehäuse mit einbezogen und kann durch ein Spaltrohr 33 gegenüber den inneren der Pumpe abgeschlossen sein.In the circulating pump shown in FIG. 4, the impeller 30 is direct attached to one end face of an armature 31 of an electric motor and together stored with the armature 31 in the pump housing. Storage takes place on both the Impeller side and on the side facing away from the impeller 30 in the previously Examples shown by means of the sealing gaps limiting Layers »2 made of rubber-elastic material and race rings 12. Around a flow also the end of the armature 31 facing away from the impeller 30 is provided as a bearing Sealing gap and at the same time achieving axial pressure equalization are in Anchor 3; Compensating bores 21 provided, this circulation pump has no external Stock up. The stator 32 of the motor is also included in the pump housing and can be closed off from the inside of the pump by a can 33.
Zur axialen Abstützung des Laufrades 3o und Ankers 31 im Pumpengehäuse sind, wie Fig. 4a zeigt, in diesem radial sich erstreckende und durch Zwischenräume 37 voneinander getrennte und mit abgeflachten Anlaufkanten versehene gummielastische Sehichten 36 vorgesehen, die an planen Laufringen 38 des Laufrades 3c bzw. Ankers 31 gleiten und ebenfalls durch die die Dichtungsspalte durchströmende Flüssigkeit geschmiert werden.For axial support of the impeller 3o and armature 31 in the pump housing are, as Fig. 4a shows, in this radially extending and through spaces 37 separate rubber-elastic strips with flattened leading edges Sections 36 are provided, which are attached to planar races 38 of the impeller 3c or armature 31 slide and also through the liquid flowing through the sealing gap be lubricated.
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