DE19617425C2 - Abwasser- und Fäkalienpumpe mit einem Antriebsmotor und einer Pumpeneinrichtung - Google Patents
Abwasser- und Fäkalienpumpe mit einem Antriebsmotor und einer PumpeneinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Abwasser- und Fäkalienpumpe mit einem Antriebsmotor
gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Pumpen sind aus Tesch K. "Konstruktiver Aufbau von modernen Abwas
ser- und Klärschlammpumpen - Verwendungszweck und anlagentechnische Er
kenntnisse", Sonderdruck aus Z, Städtereinigung - Internationale Theorie und Pra
xis, H. 1/1965 bekannt und müssen geeignet sein, Pumpmedien von unterschiedli
cher Viskosität und Konsistenz bis hin zu festen, schwebenden Gegenständen in den
Abwässern und Fäkalien zu fördern, wobei eine hohe Förderhöhe und ein großes
Fördervolumen pro Zeiteinheit mit möglichst geringer Elektromotorleistung zu er
reichen ist.
Bei handelsüblichen Pumpen ist die Dauerlast durch die begrenzte Wärmeabfuhr
der Elektromotoren über das Elektromotorgehäuse an die Umgebung im Trockenbe
trieb oder an das stehende zu pumpende Medium im Tauchbetrieb äußerst begrenzt.
Besonders bei Dauertests im Schaltzyklusbetrieb, bei dem in kurzen Abständen von
wenigen Sekunden die Pumpe angefahren und wieder abgeschaltet wird, erwärmt
sich die Ölfüllung im Elektromotor stetig, so daß es zu unzulässigen Aufheizungen
der Motorwicklungen bis zur Zerstörung des Antriebs kommen kann.
Wesentlich aufwendigere Konstruktionen vermeiden diese Selbstzerstörung des
Pumpenaggregats bei Dauertests im Schaltzyklusbetrieb durch äußerst aufwendige
Konstruktionen, wie aus Heumann, A: "Technik und Anwendung moderner Tauch
motorpumpen", KSB Technische Berichte 23, 1988, Seiten 18 bis 27 bekannt. Da
bei wird mit einer direkten aktiven Flüssigkeitskühlung des Elektromotorgehäuses
durch Abzweigung, Aufbereitung, wie zum Beispiel Filterung, und
Zuführung eines Teils des gepumpten Mediums in eine Umspülungseinrichtung für das
Elektromotorgehäuse gearbeitet. Derartige Lösungen haben nicht nur den Nachteil des
konstruktiven Aufwands, sondern sind auch anfälliger und wartungsintensiver, da die
Aufbereitung, insbesondere in Form von Filterung des abgezweigten Teils des gepump
ten Mediums ständig überwacht und instandgehalten werden muß.
Ein genereller Nachteil bekannter Pumpenaggregate ist es, daß die Laufräder, die üb
licherweise für Abwasser- und Fäkalienpumpen als archimedische Spirale ausgebildet
sind, sich relativ schnell mit Ablagerungen zusetzen, korrodieren oder erodieren, da
teilweise Pumpmedieninhalte an der Laufradoberfläche haften bleiben oder verkrusten.
Dieses geschieht in besonderem Maße dann, wenn die Oberfläche der Laufräder durch
aggressive Pumpmedien bereits korrodiert oder erodiert ist. Mit zunehmender Ablage
rung, Korrosion und Erosion am Laufrad ist ein Abfall der Förderleistung verbunden. In
vielen Fällen führt das dazu, daß beim Räumen einer Fäkaliengrube mit derartig vorbe
lasteten Pumpenaggregaten mehrfach das Laufrad von Ablagerungen bei gleichzeitiger
Unterbrechung des Räumens befreit werden muß oder durch Überhitzung des Antriebs
motors der Pumpvorgang unterbrochen werden muß. Geeignete thermische Überwach
ungssensoren mit nachgeschalteter Sicherheitsabschaltung von Pumpvorgängen sind in
modernen Pumpaggregaten üblich.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und
eine gattungsgemäße Abwasser- und Fäkalienpumpe anzugeben, die verbesserte Kühl
eigenschaften aufweist, eine einfache wartungsarme Konstruktion beibehält und sich bei
hohen Belastungen im Dauertest mittels Schaltzyklusbetrieb auf einer zulässigen Be
triebstemperatur der Ölfüllung des Antriebsmotors stabilisiert.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Mit dieser Lösung ist der Vorteil verbunden, daß als Wärmesenke ein bewegtes Medium
zur Verfügung steht, das die dem Pumpmedium zugewandte große Oberfläche des Lauf
rades kühlt, und über die Wärmeübertragungsfläche der Anflanschung und die An
triebswelle unmittelbar das Innere des Elektromotors kühlt, ohne daß eine Abzweigung,
Aufbereitung, wie zum Beispiel Filterung und Zuführung eines Teils des gepumpten
Mediums in eine Umspülungseinrichtung des Elektromotorgehäuses erforderlich wird.
Die Wirkung dieser Kühlung ist eher intensiver verglichen mit der äußeren aufwendigen
Kühlung im Stand der Technik, weil sie direkt das Innere des Elektromotors kühlt und
weil die Wärmesenke von dem Gesamtdurchsatz des Pumpmediums gebildet wird.
Gegenüber der Kühlung im Tauchbetrieb ergibt sich der Vorteil, daß die erfindungs
gemäße Kühlung über die Pumpoberfläche eines wärmeleitenden Laufrades eine
Kühlung mittels zwangsbewegtem Kühlmedium ist, während eine Tauchkühlung nur
über den Wärmeaustausch mit einem stehenden Medium erfolgen kann.
Dessen ungeachtet kann vorteilhafterweise die erfindungsgemäße Pumpe auch im Tauch
betrieb eingesetzt werden, so daß der Elektromotor sowohl über sein Gehäuse durch ste
hendes Medium als auch über seine Welle mittels eines zwangsbewegten Mediums, das
am Laufrad vorbeifließt, gekühlt wird. Dazu verfügt der Elektromotor über ein druck
dichtes geschlossenes Gehäuse, wie es bei einfachen Antrieben für unkomplizierte Ab
wasser- und Fäkalienpumpen bekannt ist.
In einer Ausführung der Erfindung ist der Antriebsflansch als Steckflansch ausgebildet,
der eine Paßfedernut aufweist und in einer paßgenauen zentralen Bohrung des Laufrades
steckt, wobei über eine Paßfeder eine formschlüssige Verbindung hergestellt wird. Damit
ist der Vorteil verbunden, daß die Laufradmasse den Steckansatz der Antriebswelle voll
umschließt und eine große für die Wärmeübertragung optimierte Wärmeübertra
gungsfläche zwischen Laufrad und Antriebswelle realisiert werden kann. Entsprechend
werden Länge und Durchmesser des Steckflansches und Länge und Durchmesser der
zentralen Bohrung im Laufrad optimiert, so daß der Antriebsflansch eine Wärmeübertra
gungsfläche mit einem minimierten Wärmeübergangswiderstand zwischen An
triebsflansch und Laufrad aufweist.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Antriebsflansch als konischer Steck
flansch ausgebildet, wobei paßgenau die zentrale Bohrung als konisches Gegenstück gefer
tigt ist. Derartig konisch ausgebildete Kupplungen haben den Vorteil, daß sie eine kraft
schlüssige Verbindung zwischen Laufrad und Antriebswelle herstellen können und aufgrund
des Kraftschlusses einen noch innigeren Wärmeverbund ausbilden, so daß der Wärme
übergangswiderstand weiter minimiert wird. Ferner hat der konische Steckflansch Notlauf
eigenschaften.
Das Laufrad besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen Wärmeleitzahl größer als
100 W/(mK), vorzugsweise zwischen 150 und 400 W/(mK) ist. Die Einschränkung nach unten
schließt alle konventionell im Fäkalienpumpenbau eingesetzten Eisenbasislegierungen, wie
Kohlenstoffstähle, Gußeisen oder hochlegierte nichtrostende Chromnickelstähle usw. aus.
Die Einschränkung nach oben im bevorzugten Bereich schließt die Anwendung von reinem
Silber als Laufradwerkstoff aus, dessen Wärmeleitzahl über 400 W/(mK) ist. Vorteilhafter
weise sind alle Nichteisenmetalle einbezogen, die als Elemente oder als Legierungsbestand
teile eine hohe Wärmeleitzahl und ein möglichst vermindertes spezifisches Gewicht in Be
zug auf die konventionell im Fäkalienpumpenbau verwendeten Eisenbasislegierungen auf
weisen.
Besonders bevorzugte Legierungen für das Laufrad sind zinnfreie Kupferlegierungen mit
über 70% Kupferanteil. Zinnbronzen, die auch einen hohen Kupfergehalt aufweisen, sind
ungeeignet, da die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers von bis zu 396 W/(mK) durch das
Legierungselement Zinn auf einen Wert im Bereich des Graugusses vermindert wird. Vor
teilhafterweise erreichen Messinglegierungen mit über 70% Kupferanteil, Rest Zink, durch
aus brauchbare Wärmeleitzahlen über 100 W/(mK).
Ein hoher Zinkanteil hat jedoch den Nachteil, daß Ablagerungen aus dem Pumpmedium auf
der Oberfläche des Laufrades haften bleiben und damit die Förderleistung beeinträchtigen.
Deshalb besteht das Laufrad vorteilhafterweise aus einem Werkstoff, der keine Ablagerun
gen bindet und damit einen minimalen Zinkanteil aufweist.
Das Laufrad ist vorteilhafterweise erosions- und korrosionsfest, um aggressive Pumpme
dien zu fördern, ohne die Laufradoberfläche zu schädigen. Ein bevorzugter Legierungs
satz, der eine Kupfer/Zink-Legierung korrosionsfest und erosionsfest macht, ist Alumini
um, da es in oxidierender Umgebung, wie Luft, ein schützendes Aluminiumoxid bildet,
das relativ inert gegenüber aggressiven Medien bleibt, so daß auch die ätzende Wirkung
von Laugen und Säuren vermindert wird.
Vorzugsweise besteht das Laufrad aus einer Aluminiumbronze, die darüber hinaus den
Vorteil aufweist, daß sie das spezifische Gewicht des Laufradwerkstoffs gegenüber Zinn
bronzen erheblich um etwa 15% vermindert. Gleichzeitig wird eine hohe Brinellhärte für
das Laufrad verglichen mit Messing oder Zinnbronzen erreicht, so daß die Erosion des
Laufrades insbesondere durch sandige Partikel im Pumpmedium gering bleibt. Dauertests
zeigen, daß Laufräder aus Aluminiumbronze auch nach mehr als 1000 Betriebsstunden
sauber, unverkrustet und metallisch glänzend dem erfindungsgemäßen Pumpenaggregat
entnommen werden konnten.
Aluminiumbronzen mit einem Zusatz von Mangan und/oder Nickel sind nicht nur lau
gen-, säure- und salzwasserfest, sondern auch in ihren Festigkeitseigenschaften vorteilhaf
terweise Kohlenstoffstählen ebenbürtig. Vorteilhafterweise besteht deshalb das Laufrad
aus einem Nichteisenmetall, das Festigkeitseigenschaften in Bezug auf Streckgrenze und
Zugfestigkeit im Bereich hochfester Kohlenstoffstähle aufweist. Womit die Erfindung
auch Nichteisenmetalle umfaßt, die nicht unter dem Begriff Aluminiumbronze zusam
mengefaßt werden können.
In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung besteht das Laufrad aus einer Legierung
aus 0,13 bis 0,15 Zn, 3,5 bis 4% Ni, 2 bis 3% Fe, 0,7 bis 0,9% Mn, 9 bis 9,5% Al, Rest
Cu. Eine derartige Legierung hat den Vorteil, daß sie als Werkstoff die hohen Anforde
rungen die die erfindungsgemäße Abwasser- und Fäkalienpumpe an den Laufradwerk
stoff stellt, voll erfüllt und mit dem kostengünstigen Kokillengußverfahren vorzugsweise
zu Pumpenlaufrädern in der erfindungsgemäßen Gestalt vergossen werden kann.
Beim Kokillenguß des Laufrades werden vorzugsweise Ausgleichsmassen für das Lauf
rad mit eingegossen, so daß vorteilhaft ein nahezu unwuchtfreies Laufrad gefertigt wer
den kann, das präzise im Pumpengehäuse rotiert.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeich
nung erläutert, wobei mit der einzigen anliegenden Figur ein Längsschnitt durch eine er
findungsgemäße Abwasser- und Fäkalienpumpe gezeigt wird.
Die Figur zeigt eine Abwasser- und Fäkalienpumpe 1 mit einem vollständig gekapselten
Drehstrommotor als Antriebsmotor 14 und einer Pumpeneinrichtung 1, wobei der An
triebsmotor 14 mit einer Ölfüllung 23 zur Dauerschmierung der Lager 8 und 12 ausge
stattet ist, und eine Antriebswelle 9 aufweist, die in ein Pumpengehäuse 30, das in dieser
Ausführungsform als Spiralgehäuse ausgebildet ist, hineinragt und ein Laufrad 31 direkt
antreibt. Das Laufrad 31 ist als wärmeleitendes Bauteil ausgebildet und derart mittels
einer Anflanschung 27 mit der Antriebswelle verbunden, daß die Verlustwärme der Mo
torwicklungen 10 und 11 über die Ölfüllung 23, die Antriebswelle 9, eine Wärmeübertra
gungsfläche 29 der Anflanschung 27 und über das Laufrad 31 als Wärmeableiter an die
Umgebung oder das Pumpenmedium als Wärmesenke abgegeben wird.
Der Elektromotor hat in dieser Ausführungsform eine Leistungsaufnahme von 3 KW von
der ein Teil entsprechend seinem Wirkungsgrad und dem Wirkungsgrad der Pumpenein
richtung 1 in Förderleistung und ein erheblicher Anteil in eine Erwärmung der Wicklun
gen 10 und 11 umgesetzt wird. Diese Erwärmung der Wicklungen 10 und 11 kann bei
nicht ausreichender Kühlung zur Zerstörung des Elektromotors 14 führen. Mit Hilfe ent
sprechender Thermofühler 15 wird deshalb die Temperatur der Statorwicklung 11 über
wacht und bei Bedarf der Pumpvorgang durch Abschaltung der Drehstromversorgung
über die Zuleitung 17 unterbrochen.
Die Antriebswelle 9 wird mittels Gleitringdichtungen 7 gegenüber dem Pumpenmedium
abgedichtet. Als weiteren Schutz des Motors ist eine Kammer 24 zwischen Pumpenein
richtung 1 und Antriebsmotor 14 angeordnet, die mit Öl gefüllt ist. Der hohe elektrische
Widerstand der Ölfüllung der Kammer wird mittels des Sensors 5 überwacht und bei Ab
fall des Widerstands, beispielsweise verursacht durch Eindringen von Pumpmedium in
die Kammer 24 oder bei extremer Konsistenz oder Viskositätsänderung der Ölfüllung in
der Kammer wird der Pumpvorgang unterbrochen und die Pumpe kann gewartet werden,
ohne daß der Elektromotor beschädigt wurde.
In dieser Ausführungsform ist die Anflanschung 27 als Steckflansch ausgebildet. Er weist
eine Paßfedernut auf und steckt in einer paßgenauen zentralen Bohrung des Laufrades 31,
so daß das Laufradmaterial den Steckflansch vollständig umschließt und eine angepaßte
Wärmeübertragungsfläche ausbildet. Eine Paßfeder stellt schließlich eine formschlüssige
Verbindung zwischen Antriebswelle 9 und Laufrad 31, das in diesem Beispiel als archi
medische Spirale ausgebildet ist, her.
Um einen optimalen Wärmefluß von der Wärmequelle, den Elektromotorwicklungen 10
und 11 zu der Wärmesenke, dem Pumpmedium herzustellen, wird das Laufrad aus
hochwärmeleitender Aluminiumbronze in diesem Ausführungsbeispiel ausgeführt. Die
hier eingesetzte Aluminiumbronze besteht im wesentlichen aus folgenden Legierungs
komponenten
0,137 Gew.-% Zn
2,30 Gew.-% Fe
9,02 Gew.-% Al
0,735 Gew.-% Mn
3,91 Gew.-% Ni
Rest Cu
und weist eine Brinellhärte von über 125 auf. Die Zugfestigkeit liegt bei 600 N/mm², die Bruchdehnung liegt bei 20% und die Dichte ist 7,5 g/cm³.
0,137 Gew.-% Zn
2,30 Gew.-% Fe
9,02 Gew.-% Al
0,735 Gew.-% Mn
3,91 Gew.-% Ni
Rest Cu
und weist eine Brinellhärte von über 125 auf. Die Zugfestigkeit liegt bei 600 N/mm², die Bruchdehnung liegt bei 20% und die Dichte ist 7,5 g/cm³.
Das Laufrad 31 der Pumpeinrichtung wurde im Kokillengußverfahren hergestellt und
beim Kokillenguß wurden Ausgleichsmassen mit eingegossen, so daß nach dem Gießen
ohne Nachbearbeitung das Laufrad 31 eine Auswuchtgenauigkeit von +/-20 g aufweist
und mittels Nachbearbeitung das Laufrad 31 auf eine Auswuchtgenauigkeit von unter
+/-3 g verbessert wird. Diese konstruktiven Merkmale gewährleisten eine hohe Laufruhe
des Pumpenaggregats beim Pumpbetrieb.
Die Ausführungsform wurde einem Dauertest mit bis zu 100 000 Schaltzyklen unterwor
fen. Dazu wird eine Förderhöhe von 9 Metern und eine Förderstrom von 35 m³ während
der gesamten Prüfphase eingestellt. Der Dauertest wurde über drei Monate mit einer Fä
kalienmischung als Pumpmedium durchgeführt. Da die höchsten thermischen Belastun
gen in der Anlaufphase eines Motors auftreten, wurde die Pumpe im Zyklusbetrieb für
jeweils 15 Sekunden eingeschaltet, hochgefahren und für weitere 25 Sekunden ausge
schaltet. Bei diesem Dauertest hat sich der neue Werkstoff für das Laufrad 31 bewährt.
Die erfindungsgemäße Laufradwärmeableitkonstruktion erlaubt eine hohe Garantielauf
zeit, da alle Eckdaten der erfindungsgemäßen Pumpe wie gleichbleibende Stromaufnahme
von 4,3 A, Abweichung vom Rundlauf am äußeren Ende des Kanalrades von maximal
0,15 mm und Durchbiegung der Antriebswelle von unter 0,2 mm, auch nach Abschluß
des Dauertestes unverändert blieben und die Pumphöhe und der Förderstrom unverändert
eingehalten wurde und sich bei dem Dauertest mit Schaltzyklusbetrieb die Temperatur
der Ölfüllung gleichbleibend auf unter 75°C stabilisierte.
Eine visuelle Kontrolle des Laufrades nach dem Dauertest ergab eine völlige Ablage
rungsfreiheit und keine Korrosions- oder Erosionsspuren. Die an das Pumpmedium wär
meübertragende Oberfläche des Laufrades 31 war metallisch glänzend und frei von Ver
krustungen.
Claims (5)
1. Abwasser- und Fäkalienpumpe mit einem Antriebsmotor (14) und einer Pum
peneinrichtung (1), wobei der Antriebsmotor (14) ein Elektromotor mit Ölfül
lung zur Dauerschmierung der Lager (8, 12) ist und eine Antriebswelle (9)
aufweist, die in ein Pumpengehäuse (30) hineinragt und ein Laufrad (31) di
rekt antreibt, wobei die Verlustwärme der Motorwicklungen (10, 11) über die
Ölfüllung (23) teilweise an das Gehäuse und teilweise an das Pumpenmedium
als Wärmesenke über die Antriebswelle (9), eine Wärmeübertragungsfläche
(29) einer Anflanschung (27) und über das Laufrad (31) abgegeben wird, da
durch gekennzeichnet, daß das Laufrad (31) als wärmeleitendes Bauteil aus ei
ner zinnfreien Kupferlegierung besteht.
2. Abwasser- und Fäkalienpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die zinnfreie Kupferlegierung einen Kupferanteil von über 70% aufweist.
3. Abwasser- und Fäkalienpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die zinnfreie Kupferlegierung eine Aluminiumbronze ist.
4. Abwasser- und Fäkalienpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Aluminiumbronze aus 0,13 bis 0,15 Zn, 3,5 bis 4% Ni, 2 bis 3% Fe, 0,7
bis 0,9% Mn, 9 bis 9,5% Al, Rest Cu besteht.
5. Abwasser- und Fäkalienpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Laufrad (31) ein Kokillengußteil mit eingegossenen
Ausgleichsmassen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19617425A DE19617425C2 (de) | 1996-05-01 | 1996-05-01 | Abwasser- und Fäkalienpumpe mit einem Antriebsmotor und einer Pumpeneinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19617425A DE19617425C2 (de) | 1996-05-01 | 1996-05-01 | Abwasser- und Fäkalienpumpe mit einem Antriebsmotor und einer Pumpeneinrichtung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19617425A1 DE19617425A1 (de) | 1997-11-06 |
DE19617425C2 true DE19617425C2 (de) | 1998-03-19 |
Family
ID=7792980
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19617425A Expired - Lifetime DE19617425C2 (de) | 1996-05-01 | 1996-05-01 | Abwasser- und Fäkalienpumpe mit einem Antriebsmotor und einer Pumpeneinrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
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- 1996-05-01 DE DE19617425A patent/DE19617425C2/de not_active Expired - Lifetime
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DE19617425A1 (de) | 1997-11-06 |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
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D2 | Grant after examination | ||
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R071 | Expiry of right |