DE2249626A1 - Zentrifugalpumpe mit entlastungseinrichtung fuer veraenderliche thermische ausdehnung - Google Patents

Description

Dr. Hans-Heinrich Willrath d ~ β2 Wiesbaden ί. okt. 1072

Dr. Dieter Weber p^^tszi

Giut*v-Fr«]rt>j-Stn.S· B Dipl.-Phys. Klaus SeifFert * ^¹*" PATENTANWÄLTE

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Clarkson Industries, Inc. 107 Fourth Avenue New York, N.Y. T0003

Zentrifugalpumpe mit Entlastungseinrichtung für veränderliche thermische Ausdehnung

Priorität; 22. Oktober 1971 in Serial No. 191 863

Die Erfindung bezieht sich auf Zentrifugalpumpen und betrifft insbesondere eine Einrichtung sur Entlastung von Axialhoanspruchungen infolge veränderlicher thermischer Ausdehnung der Laufräder einer solchen Pumpe und der Antriebsweile, auf der sie für die Drehung befestigt sind. Während die Erfindung auf alle Arten von Zentrifugalpumpen einschließlich Flüssigkeltspumpen, Zentrifugalgebläsen und Zentrifuge!kompressoron anwendbar ist,

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wird zur besseren Darstellung anhand eines typischen Zentrifugalgebläses beschrieben.

Kehrstufige Zentrifugalgebläse weisen im allgemeinen ein Gehäuse anit Einlaß- und Auslassöffnungen auf und haben eine Antriebswelle, dio zur horizontalen Drehung in Lagern im Gehäuse gehaltert ist» Auf der Antriebswelle ist zur Drehung mit dieser eine

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Reihe von Laufradom angebracht, die radiale Durchgänge darin habon, welche mit in dem Gehüuso gebildoten Übcrgangsleitungen für die Überführung dos gepumpten Fließmittols von Stufo zu Stufo des Gebläses zusammenarbeiten. Die Nabonteilo der Laufräder können direkt aneinander anstoßen oder können durch Abstanderingo beabstandot sein, die einen vorbestimmten Abstand zwischen den Laurädorn halten. Die Laufräder - entweder mit oder ohne Abstandszwischenringo versehen - sind gegen eine Axialbewegung relativ zur Antriebswelle durch eine geeignete Sperrvorrichtung, z.B. Kreuzlochschrauben auf dor Antriebswolle, zusammen festgelegt.

Es ist üblich, die Laufräder und die Antriebswollo aus unterschiedlichen Materialien herzustellen. Beispielsweise kann die Antriebswelle aua Stahl hergestellt sein, ura die gewünschte strukturelle Festigkeit und Biegefestigkeit zu erreichon, während die Laufräder aus Aluminium hergestellt sein können, tun ihr Gewicht zu reduzieren. Ia Betrieb erffefcgt das (!«blase infolge der Kompression, der Umwälzung des Gases und der Scheibonreibung Värme. Da Aluminium einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Stahl hat, neigt die während des Betriebes des Gebläses ansteigende Temperatur dazu, eine Kompressionsbeanspruchiing in den Nabenteilen der Laufräder zu erzeugen.

Infolge Mängeln beim Botrieb der Maschine sind die gegeneinander gestellten Oberflächen benachbarter Laufrädornaben kaum genau rechtwinklig zur Achse der Antriebsvolle, wenn überhaupt, auf der sie befestigt sind. Infolgedessen neigen die Druokbeanspru-

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chungen innerhalb der Laufrädernaben und zwischen diesen dazu, die Welle leicht zu verbiegen, und die sich ergebende Beschädigung der Welle ruft Vibrationen bei der Betriebegeschwindigkeit dee Gebläses hervor und kann in extremen Fällen einen mechanischen Fohler des Gebläses hervorrufen.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zentrifugalpumpe mit einer einfachen und wirksamen Einrichtung zur Entlastung der Druckbeanspruchungen vorzusehen, die in den Nabenteilen der Laufrfcder der Pumpe während deren Betriebes erzeugt werden können« In vorteilhafter ¥eiterbildung der Erfindung wird ein mehrstufiges Zentrifugalgebläse mit einer Einrichtung zur Beseitigung seiner Rotorvibration geschaffen, die von der Deformation der Antriebswelle herrührt, welche durch in den Nabenteilen der Rotorlaufräder erzeugten Axialbesmspruchung erzeugt ist. Vorteilhaft iat auch die Schaffung einer Einrichtung, um ein Teil der Nabe von zumindest eine« Laufrad eines solchen Kompressors elastisch bewegbar zu machen und die in den Habenteilen Λβτ Lftüßräder erzeugten Axialbeanspruchungen Xu entlasten odor eich an diese anzupassen«

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungemöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichemragert. Es zeigen:

Fig. 1 «in» Seitenansicht eines dreistufigen ZontrifugalgehläsoB, teilweise im Schnitt, iur Darstellung der Anordnung djr Lauf radar av»f dei" Antriebswelle und der Druclcentlastungskanäle in (ton Naben dor LnufrKdor und

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Fig, 2 einen vergrößerton Schnitt einer der Laufradnaben unter Darstellung des darin befindlichen Druclcentlastungskanals.

Das allgemein mit 10 bezeichnete übliche dreistufige Zentrifugalgebläse weist einen Einlaß 12, einon Auslaß Ik und eino horizontale Antriebswelle 16 auf, die von einem nicht dargestellten geeigneten Antrieb bawegt wird. In Pig, 1 ist der untere Teil des Oebläsegehäusos fortgebrochen, um die Anordnung der Laufräder und der darin befindlichen Üborführungsleitungen darzustellen. Auf der Volle ^6 aind drei Lnufräder befestigt, nämlich ein Laufrad 18 für die ersto Stufe, oin Laufrad 20 für die zweite Stufe und ein Laufrad 22 für die dritte Ctufe. Das Laufrad 18 ist an der Volle 1# zur Drehung rait dieser durch einen Ceil Zh befestigt. Die Laufrüder £0 und 22 sind in ähnlicher Voise an der »eile 16" verkeilt, aber die Keile sind in Fig, 1 nicht gozeigt. Die Laufräder 18 bis 22 haben die gewöhnlichen radialen Durchgänge 18a, 20a und 22a, die dmin gebildet sind, sowie Nabenteile 18b, 20b und 22b neben der Welle 16,

Vie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die Naben der Laufräder duroh Abstandsringe voneinander getrennt, die gleitbar auf der Volle 16 bofostigt sind. Insbesondere befindet sich dort ein Abstandsring 26, dor go^i dio linke oder vordere Fläche der Nabo des Laufrades 22 anschlägt und rechts oder an der rückwärtigen Flächo der Nabe des Lnufrados 20, In ähnlicher Woise befindet sich dort ein AbstandßTialter 28, der eogen O.lo vordere Fläche

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der Nabe dos Laufrades 20 und die rückwärtige Fläche der Nabe des Laufrades 18 anstößt. Ein dritter Abstandsring 30 stößt an einen Endo an die VordeAächo der Nabe des Laufrades 18 un^d an seinem anderen Ende gegen eine Schultor 32, die von einem vergrößerten Teil 3'i der Vello 16 gebildet ist. Die Abstandsteile und Laufrädernabon sind gegen Axinlbcvfegung rolativ asur ¥olle 16 durch die Schulter 32' einem Ende dor Abstandsnabenanordnung und durch eine Kreuzlochschraubö 36, die auf die Welle 16 geschraubt ist, am anderen Ende der Anordnung festgelegt. Wie bekannt, werden die Laufradnaben in einigen Fällen so ausgebildet, daß sie ohne dazwischenliegende Abstandsringe aneinander anstoßen.

Die insofern beschriebene Konstruktion ist bekannt, wie auch der allgemeine Betrieb des Gebläses bekannt ist« Der Luftstrom durch das Gebläse ist durch die Pfeile in Tig. 1 geneigt. Auf Drehung der Welle 16 und der Laufräder 18, 20 und 22 wird Luft oder ein anderes gepumptes Flleßeittel durch den Einlaß 12 zu den radialen Durchlaß 18a des Laufrades 18 der ersten Stufe gezogen, in der es nach außen gedrückt und durch Zentrifugalkraft zum Umfangeteil des Gehäuses gedrückt wird* Die

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aus dem 18a ausgetragene Luft wird von einer Übertragungsleitung 38, die im Gebläsegehäuse gebildet ist, zum Einlaß dos Radialdurchlasses 20a des Laufrades 20 geführt. Die Luft wird ferner komprimiert, wann sie durch den Durchlaß 20a des Laufrades 20 der zweiten Stufe streicht und vird dann von der Üborgangsleitung ko zum Einlaß dos Radialdnrchgangcs 22a des Laufrades 22 der dritten Stufe geführt« Nachdem die Luft im

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Durchgang 22a weiter komprimiert ist, strömt sie durch eine Leitung hZ zum Gebläseauslaß ~\k.

Vie oben erwähnt, ist es üblich, die Vellc 16 und die Laufräder 18, 20 und 22 aus unterschiedlichen Materialien herzustellen« Beispielsweise kann dio Vellc aus Stahl hergestellt sein, und die Laufräder können aus Aluminiumguß odor Bronze sein, die andero thermische Atisdehnungskooffizienten haben. Während des Betriebes des Gebläses wird durch die Repression des Gases und durch andere Paktoren Varme erzeugt* Sobald sich dio Volle und die Laufräder orwärmen, worden axiale Druckbeanspruchungen in den Naben erzeugt, die dazu neigen, die Antriebswelle zu verbiegen oder mu verwerfen und unerwünschte Vibrationen der Rotoranordnung hervorzurufen, Erfindungsgemäß werden diese Beanspruchungen dadurch entlastet, daß man einen Teil der Naben zumindest eines Laufrades elastisch verformbar macht,

Fig. 2 ist eine sehr vergrößerte Ansicht der Nabe 20b des Laufrade· 20« Aa inneren Umfang der Nabe tat ein scheibenförmiger Kanal hh gebildet, der sich radial nach außen In dio Nabe 20b erstreckt* Der Kanal hk ist relativ nah an der rückseitigen Fläche H6 der Nabe angeordnet* Venn somit der Teil der Nabe in der Nähe der Welle 16 Druckbeanspruchungen der oben genannten Art ausgesetzt ist, wird das Toll h8 der Nabe zwischen dem Kanal hh und der hinteren Fläche h6 dor Nabe elastisch verformbar, um derartige Beanspruchungen zu

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antlnsten, und die Vellenverkrümnrang infolge derartigor Beanspruchungen wird verraiedon,

In einigen Fällen, z.B. wenn die differen %Lale thermische Ausdehnung der Laufrädornaben und der Wollo relativ klein ist, braucht nur ein Laufrad m±t einen Kanal für die Entlastung der Beanspruchungen vorgesehen zu soin. Wenn andererseits die Betriebsbedingungen des G«*lt?9e3 derart sind, daß die differonftiale thermische Ausdehnung der l*ufräder und der Vellc relativ groß ist, ist es erwünscht, daß jedes Laufrad mit einem Entla- «tungskanal für die Beanspruchungen, wie in Fig. 1 gezeigt, vorgesehen ist.

Aus der obigen Beschreibung ersieht man, daß die Erfindung eine Konstruktion schafft, mit der die eingangs -erwähnten Schwierigkeiten überwunden verden. Venn sich axiale Druckbeanspruchungen in den Laufradnaben und den Abstandsringen infolgo der veränderlichen thermischen Ausdphming aufbauen, ermöglichen di« Kanäle hh es, daß die zentralen rückwärtigen Teile der Laufräder nach innen elastisch ausgebogen oder abgelenkt werden, um derartige Beanspruchungen zu entlasten· Somit werden die Vellenverbiegung und die daraus folgende unerwünschte Vibration des Rotore vermieden.

Auch können wie oben erwähnt als Erg-ofcnis von Maschinenf ehlern. dio Oberflächen dor Laufradnaben nicht gcTiau senkrecht zu der Achse der Welle vorlaufen, und Beanspruchungen» dio zum Verbiegen dor Welle neigen, können infolgo dioser Maschinenfehlor erzeugt v/erdar« Derartißo Biogebeantsprtxchurigon können sogitr auf-

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treten, wenn keine veränderliche oder differen%inlo Wärmeausdehnung der Laufradanordnung und Wello vorhanden ist. Solche Beanspruchungen i;erdcn auch durch dio in den Laufradnaben genäß der Erfindung Gebildeten Kanäle entlastet·

Es versteht sich, daß die- Wello und die Laufräder aus anderen Metallen hergestellt sein können, als jene, die spezioll beschrieben wurden, und die vorliegende Konstruktion schafft eine Entlastungsfunktion für Beanspruchungen, die unerwünschten Wirkungen der differenfcialen oder veränderlichen Wärmeausdehnung solcher anderer Metalle auszuschalten oder wesentlich zu reduzieren«

O S S17 / O7 I 9

Claims (1)

1. - 9 Patentansprüche:

   (jι 1 *J Zentrifugalpumpe mit einem Gehäuse, einer drehbar in dom Gehäuse angeordneten Welle, zumindest einem in dam Gehäuse angeordneten Laufrad mit einer Nabe, die auf der Welle for Drehung mit dieser angeordnet ist, und mit einer Sperreinrichtung zum Festlegon der Laufradnabe gegen Axialbewegung bezüglich der Welle, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradnabe (i8b, 20b, 22b) einen inneren Umfangskanal (kk) aufweist, der in der Nabe neben der Welle (16) zur Entlastung axialer und Biegebeanspruchungen gebildet ist, die in dem ICabentoil (i8b, 20b, 22b) dos Laufrades (18, 20, 22) gebildet sind*

   2*) Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laufräder (18,20,22) Neben (i8b,20b,22b) auf der Welle (l6) angebracht und befostigt aufweisen und die Laufräder aus einem Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Welle hergestellt sind.

   3·) Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradnabe eine Vorderfläche mit einer darin gebildeten Einlaßöffnung und eine im wesentlichen zu der Wello (16) senkrechte rückwärtige Fläche aufweist und daß der innere Umfanga&ial (kh) scheibenförmig ist und dicht an der rückwärtigen Fläche der Nabe gebildet ist, wodurch der Teil der Nabo zwischen dem Kanal (hh) und der rückwärtigen Fläche der Nabo zur Entlastung axialer und Biegebeanspruchungen elastisch ver-

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   -10-

   I?

   formbar ist, dio In dem Nabentoil dos Laufrados erzeugt wird,

   h») Zentrifugalpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jode Laufradnabe mit einem der Umfangskanälo versehen ist·

   5·) Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal sich radial In dio Nabo in einer Richtung erstreckt, dio im wesentlichen sffkrocht zur Drehachse der Volle (i6) liegt.

   6.) Zentrifugalpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abatandsringo (26,28,30) auf der Volle (16) ■wischen den Laufradnaben angeordnet sind, um oinon vorbestimmten Abstand zu den Naben zu halten.

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