DE29722288U1

DE29722288U1 - Mehrstufige Unterwasserpumpe

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Publication number: DE29722288U1
Application number: DE29722288U
Authority: DE
Original assignee: Grundfos AS
Current assignee: Grundfos AS
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2007-12-18

Description

Anmelderin:Grundfos a/s

Poul Due Vej 7 - 11
DK - 8850 Bjerringbro

Mehrstufige Unterwasserpumpe

Die Erfindung geht aus von einer mehrstufigen Unterwasserpumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung betrifft jenen Typ der mehrstufigen Unterwasserpumpe, der von einem hochtourigen Elektromotor, der mit der Pumpenwelle starr gekuppelt ist, angetrieben wird und bei dem die Axialdruckkräfte der fördernden Pumpenlaufräder auf den Leitapparat der einzelnen Pumpenstufen übertragen werden, so daß der Elektromotor von diesen Axialkräften entlastet oder im wesentlichen entlastet ist. Vorwiegend wird eine solche Pumpe in Bohrlöchern oder Brunnen zur Wasserförderung eingesetzt.

Aus den bekannten Modellgesetzen für Kreiselpumpen folgt, daß hochtourige Pumpen im Durchmesser kleiner und mit geringerer Stufenzahl hergestellt werden können, was zwar zu einer höheren Belastung der Pumpenstufen führt, aber die Vorteile geringerer Material- und Herstellungskosten hat. Um eine lange Betriebsdauer und einen hohen Gesamtwirkungsgrad der Unterwasserpumpe zu gewährleisten, ist es wichtig, daß neben einer motorentlastenden Aufnahme der erwähnten Axialdruckkräfte auch eine dauerhaft sehr gute Abdichtung sowohl der Laufräder zur Pumpenwelle als auch im Saugmundbereich der Laufräder gegeben ist. Die Probleme der Axialdruckkräfte und der Abdichtungen bei langer Leistung, hoher Be-

triebsdauer und hohem Gesamtwirkungsgrad von Unterwasserpumpen der hier in Rede stehenden Art sind bei Pumpen, die mit Drehzahlen bis zu 3.000 U/min betrieben werden, im allgemeinen zufriedenstellend gelöst. Diese Probleme bereiten jedoch Schwierigkeiten bei Drehzahlen im Bereich von 5.000 bis 20.000 U/min, wobei derartige Unterwasserpumpen einen Durchmesser von etwa 45 bis 75 mm aufweisen und die energieübertragenden Bauteile der Pumpenstufen wesentlich höher belastet sind. Ursache hierfür sind unter anderem die mit den geringer werdenden Durchmesserabmessungen auch kleiner werdenden Spiele und Herstellungstoleranzen der Pumpenbauteile, wenn Leistungsfähigkeit, Betriebsdauer und der Gesamtwirkungsgrad sämtlich auf hohem Niveau erhalten bleiben sollen.

Beispielsweise ist eine schnellaufende, mehrstufige Unterwasserpumpe der hier fraglichen Art in der US-Patentschrift 5 133 639 beschrieben. Bei dieser Pumpe wird mit Ausnahme des ersten Pumpenrades die Axialdruckkraft aller anderen fördernden Pumpenlaufräder über jeweils ein wellennahes Axialdrucklager auf die zugehörigen Leitapparate der Pumpe übertragen. Hierzu besitzt das vordere Ende der Nabe jedes Laufrades einen relativ weichen Lagerring, der an einem stationären, aus Keramik bestehenden und jeweils in dem zugehörigen Leitapparat befestigten Lagerring anliegt. Diese Axialdrucklager dienen auch als wellennahe Dichtung. Im Saugmundbereich jedes Laufrades ist eine axiale Berührungsdichtungsausbildung vorgesehen, die aus einem sich radial erstreckenden und im Leitapparat stationär angeordneten, metallenen Dichtungsring besteht, gegen dessen inneren Randbereich der Saugmund des Laufrades dichtend anliegt. Die Laufräder sind auf der gemeinsamen Pumpenwelle axial beweglich angeordnet. Bei dieser Pumpe ist zum Beispiel nicht gewährleistet, daß sie von Anfang an mit einem optimalen Gesamtwirkungsgrad arbeitet, weil aufgrund sich gegenseitig beeinflußender Fertigungstoleranzen entweder im Bereich der wellennahen, axial belasteten Drucklager

oder im Bereich der wellenfernen, ebenfalls axial wirkenden Abdichtungen am Saugmundbereich keine optimale Abdichtung erreicht werden kann. Dies wird erst nach einer gewissen Einlaufzeit erreicht, wenn sich die beiden Abdichtungen durch Abnutzung eingeschliffen haben , so daß an beiden Abdichtungsstellen eine etwa gleichbleibende Anlage der Reibungspartner gegeben ist. Dann jedoch werden die wellennahen Axialdrucklager in ihrer Druckbelastung entlastet, weil die Saugmundabdichtung ebenfalls axiale Druckkräfte überträgt. Dies wiederum führt zu einer schnellen Abnutzung dieser Abdichtungsstelle mit der Folge, daß auch die Lebensdauer der Unterwasserpumpen begrenzt ist. Um diese in annehmbaren Grenzen zu halten, können solche Pumpen verschleißbedingt nicht mit sehr hoher hoher Drehzahl betrieben werden.

Aus der weiteren US-Patentschrift 4 511 307 ist es bekannt, die Axialdruckkräfte der Laufräder mittels jeweils eines aus zwei harten Lagerringteilen bestehenden Drucklagers ausschließlich auf den zugehörigen Leitapparat der jeweiligen Pumpenstufe zu übertragen, wobei jedes Drucklager am Saugmund der Laufräder vorgesehen ist.

Die Leitapparate für die Laufräder besitzen ferner einen hülsenförmigen Nabenteil, der die Nabe jedes Laufrades mit Spiel umgibt und zwischen dessen hinterem Ende und der hinteren Deckscheibe jedes Laufrades ein axialer Dichtungsring vorgesehen ist. Bei diesen Pumpen wird die Axialdruckkraft der Laufräder nicht wellennah, sondern wellenfern durch jedes Drucklager am Saugmund der Laufräder in den jeweils zugehörigen Leitapparat eingeleitet. Dies bedingt im Durchmesser größere und somit teurere Lagerringe für jedes Drucklager, das auch eine Abdichtungsfunktion im Saugmundbereich hat. Ferner besteht auch bei diesen Laufrädern das Problem aufgrund sich addierender Fertigüngstoleranzen, daß, wenn die wellennahen, axialen Dichtungsringe toleranzbedingt dicker hergestellt worden sind, die Axialdruckkräfte der Laufräder zunächst von den wellennahen Dich-

tungsringen aufgenommen werden müssen, die daher anfangs stärker belastet sind und somsit schneller verschleißen, wobei die zunächst nicht belasteten Axialdrucklager im Saugmundbereich einen relativ hohen Leckverluststrom zulassen. Die Fertigungstoleranzen der Drucklager im Saugmundbereich und der wellennahen, axialen Dichtungsringe beeinflußen sich somit auch hier gegenseitig und können insbesondere den volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpenstufen beeinträchtigen. Desweiteren können die Drucklager im Saugmundbereich der Laufräder auch so ausgebildet sein, daß sie eine radiale Lagerfunktion ausüben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit in der Verbesserung einer hochtourigen, mehrstufigen Unterwasserpumpe der einleitend angeführten Art dahingehend, daß die Pumpe, im Vergleich zu bekannten Unterwasserpumpen, bei im Durchmesser kleiner und überwiegend auf der Verwendung von Kunststoffen beruhender Bauweise sowie hoher Leistung eine längere Betriebsdauer bei gleichbleibend hohem Gesamtwirkungsgrad aufweist.

Die Lösung der Aufgabe ist in dem Kennzeichen des Anspruchs 1 angeführt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung sind die beiden Dichtungsstellen an den Laufrädern jeder Pumpenstufe voneinander entkoppelt,

d. h. sie beeinflußen sich nicht gegenseitig. Die axiale Abdichtung der Laufräder, die durch deren an der Laufradnabe vorgesehene, axiale Drucklager in Form eines Gleitlagers erfolgt, hat keinen Einfluß auf die saugmundseitige, in Form einer radialen Spaltdichtung ausgeführten Abdichtung der Laufräder, so daß die Fertigungstoleranz und der Verschleiß an der jeweiligen axialen Abdichtungsstelle sich nicht auf die saugmundseitige Abdichtungsstelle auswirken kann. Durch Wahl eines engen Dichtungsspaltes im Saugmundbereich wird

ein hoher volumeterischer Wirkungsgrad erzielt und während der gesamten Betriebsdauer der Pumpe beibehalten. Weil im Saugmundbereich der Laufräder keine Reibung herrscht und die Reibung in deren axialem Drucklager aufgrund des kleineren Lagerdurchmessers und der besseren Reibungskoeffizienten der harten Reibungspartner der axialen Drucklager einen kleineren Wert hat, ist auch der mechanische Verlust jeder Pumpenstufe klein, so daß insgesamt ein hoher Gesamtwirkungsgrad gegeben ist, der während der Betriebsdauer der Pumpe im wesentlichen erhalten bleibt. Ein weiterer Vorteil der voneinander entkoppelten Dichtungsstellen liegt in der billigeren Herstellung der betreffenden Lagerteile, weil die Herstellungstoleranzen größer gewählt werden können, gleichwohl aber jeweils eine sichere Gesamtabdichtung von Anfang an erreicht wird. Dies ist insbesondere dann ein bedeutsamer Vorteil, wenn die Pumpendurchmesser sehr klein sind, z. B. etwa 45 mm betragen. Desweiteren ist gewährleistet, daß die Axialdruckkräfte der Pumpenlaufräder ausschließlich und dauerhaft über ihr wellennahes Axialdrucklager übertragen werden, indem die beiden Lagerringe der Axialdrucklager aus hartem Material bestehen, d. h. aus einem Material, das härter als Sand ist, welcher in dem zu fördernden Medium enthalten sein kann.

Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Pumpe auch deren Betriebsdauer im Verhältnis zu vergleichbaren Pumpen verlängert. Ein noch weiterer Vorteil besteht darin, daß neben der axialen Beweglichkeit der Laufräder auf der Pumpenwelle auch ihre bessere radiale Beweglichkeit auf der Welle aufgrund eines relativ großen Spieles zwischen der Welle und jeder Laufradnabe verbessert ist, so daß sich die Laufräder optimal auf der Pumpenwelle einstellen können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Unterwasserpumpe ist das radiale Spiel zwischen der Pumpenwelle und der Nabe der Pumpenlaufräder größer als das Radialspiel des Dichtspaltes

der Spaltdichtungsausbildung im Saugmundbereich der Laufräder. Das Verhältnis der Länge des Dichtspaltes jeder Spaltdichtungsausbildung zu dem mittleren Durchmesser des Dichtspaltes liegt vorteilhaft im Bereich von 0,1 bis 0,2. Hierdurch wird eine sichere Selbsteinstellung der Laufräder auf der Pumpenwelle erreicht, wobei die Leckverluste des Dichtspaltes auf einem Minimum gehalten werden.

Desweiteren kann die Spaltdichtungsausbildung im Saugmundbereiches jedes Laufrades auch so ausgeführt sein, daß die Spaltdichtungsausbildung auch eine Radiallagerfunktion übernimmt. Hierdurch wird eine sehr gute radiale Führung der Pumpenlaufräder bei relativ großem Spiel zwischen der Nabe der Laufräder und der Pumpenwelle erzielt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der anliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in einem Axialschnitt den erfindungswesentlichen Bereich der Umwälzpumpe mit mehreren Pumpenstufen.

Die in der Zeichnung gezeigte mehrstufige Unterwasserpumpe wird von einem vorzugsweise als Naßläufer ausgebildeten Elektromotor (nicht gezeigt) mit hoher Drehzahl angetrieben, wobei die Drehzahlen einen Wert von bis zu etwa 20.000 U/min haben können. Der grundsätzliche Aufbau einer solchen Pumpe ist allgemein bekannt, so daß hier nur diejenigen Bauteile erläutert sind, die in Verbindung mit der Erfindung wesentlich sind.

In einem Außenmantel 1, dessen unterer Abschnitt als Ansaugsieb 2 ausgebildet ist, befinden sich die einzelnen Pumpenstufen in erforderlicher Anzahl mit ihren Leitapparaten 3, 4 und 5 und den zugehörigen Pumpenlaufrädern 6, 7 bzw. 8, wobei die Pumpenlaufräder auf einer gemeinsamen Pumpenwelle 9 beweglich angeordnet sind. Diese

Beweglichkeit der Pumpenlaufräder ist nicht nur in axialer Wellenrichtung gegeben, sondern auch radial zu der Welle 9. Das Unterende der Pumpenwelle ist starr mit dem andreibenden Elektromotor verbunden.
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Im dargestellten Fall ist an der Pumpenwelle 9 im Einlaufbereich der ersten Pumpenstufe ein Stützring 10 befestigt, an dem das erste Pumpenlaufrad 6 im Betrieb der Pumpe axial anliegt, so daß die Axialkraft dieses Laufrades über die Pumpenwelle 9 auf die Motorwelle und damit auf dessen Axialdrucklager übertragen wird. Somit wird die Axialkraft des ersten Pumpenlaufrades auf den Motor übertragen. Die Axialkraft der übrigen Pumpenstufen bzw. Pumpenlaufräder wird auf die zugehörigen Leitapparate übertragen, wie noch klar wird. Jedoch kann auch so vorgegangen werden, daß bei entsprechender Ausbildung der ersten Pumpenstufe die Axialkraft auch des ersten Pumpenlaufrades 6 von einem Bauteil dieser Pumpenstufe aufgefangen wird, so daß der antreibende Elektromotor in einem solchen Fall vollständig von den Axialkräften der Unterwasserpumpe entlastet ist.

Die Leitapparate 3, 4 und 5 besitzen innere Leitteile 11, 12 bzw. 13, deren wellennaher Bereich mit einem drehfesten Lagerring 14 versehen ist, der aus einem harten Werkstoff besteht. Dieser Werkstoff ist härter als Sand, der in dem zu fördernden Medium enthalten sein kann, und besteht vorzugsweise aus Keramik. Auf den Lagerring 14 jedes Leitapparates wirkt in bekannter Weise die Axialkraft des Pumpenlaufrades der jeweils nächstfolgenden Pumpenstufe. Die Pumpenlaufräder sitzen mit ihrer Nabe 15 auf der Pumpenwelle 9, und die Nabe 15 der zweiten und jeder folgenden Pumpenstufe besitzt an ihrem Vorderende ebenfalls einen Lagerring 16, der mit der Nabe starr verbunden ist und somit zusammen mit der Nabe rotiert. Der Lagerring 16 jedes Pumpenlaufrades besteht aus einem harten Material, das härter ist als Sand, z.B. Hartmetall. Die Lagerringe 14 und 16

bilden das axiale Drucklager jeder Pumpenstufe und üben gleichzeitig auch eine Dichtungsfunktion aus, so daß an dieser Stelle kein Anteil des Fördermediums zur Pumpenwelle und zur jeweils vorangehenden Pumpenstufe gelangen kann. Es ist klar, daß bei dem hier gezeigten Beispiel die Axialkraft des Pumpenlaufrades der zweiten und jeder folgenden Pumpenstufe auf den Leitapparat der jeweils vorangehenden Pumpenstufe übertragen wird, so daß der die Pumpe antreibende Elektromotor von diesen Axialkräften entlastet ist.

Die Pumpenlaufräder 6, 7, 8 sind geschlossene Laufräder, d. h. sie besitzen wenigstens einen die Nabe 15 mit radialem Abstand umgebenden Ringteil 17, der zusammen mit der Nabe den Saugmund jedes Pumpenlaufrades bildet. Im Saugmundbereich der Laufräder ist eine mit den hier befindlichen Teilen der Leitapparate zusammenwirkende Dichtungsausbildung vorgesehen, um die bekannten Leckverluste in diesem Laufradbereich auf ein Minimum zu reduzieren.

Die genannte Dichtungsausbildung ist als Spaltdichtungsausbildung 18 gestaltet, die sich parallel zur Pumpenwelle 9 erstreckt. Die Abmessungen jeder Spaltdichtungsausbildung 18 sind so vorgesehen, daß das Verhältnis der Länge L des Dichtspaltes zu dem mittleren Durchmesser D des Dichtspaltes im Bereich von 0,1 bis 0,2 liegt. Desweiteren ist jede Spaltdichtungsausbildung so gestaltet, daß sie einen glatten, axial durchgehenden und zylindrischen Dichtspalt aufweist.

Desweiteren können die Spaltdichtungsausbildungen 18 auch so gestaltet sein, daß sie gleichzeitig auch eine Radiallagerfunktion übernehmen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das radiale Spiel zwischen der Pumpenwelle 9 und der Nabe 15 der Pumpenlaufräder größer ist als das Radialspiel des Dichtspaltes der Spaltdichtungsausbildungen. In diesem Fall werden die Laufräder bezüglich ihrer radialen Führung im wesentlichen durch die Radiallager-

funktion der Spaltdichtungsausbildungen geführt. Da die Pumpenstufen im allgemeinen aus Kunststoff hergestellt sind, ist es vorteilhaft, die Saugmundringteile 17 jedes Pumpenlaufrades mit einer Lagerhülse 19 zu versehen, die am Außenumfang des Saugmundes jedes Pumpenlaufrades aufgebracht ist und beispielsweise aus Chrom-Nikkel-Stahl besteht. Den Lagerhülsen 19 liegt außen jeweils ein Ringteil 20 gegenüber, der den jeweiligen Dichtspalt von der Leitapparatseite her begrenzt und beispielsweise aus Kunststoff besteht.

Claims

&iacgr;&ogr; Ansprüche

1. Mehrstufige Unterwasserpumpe, die mit hoher Drehzahl von einem Elektromotor antreibbar ist, umfassend mehrerere, auf der Pumpenwelle (9) axial beweglich angeordnete Pumpenlaufräder (6, 7,8) mit einem Saugmundbereich und mit zugehörigen Leitapparaten (3, 4,5), wobei die Axialkraft der einer Förderbelastung unterworfenen Laufräder jeweils über ein gleichzeitig eine Dichtungsfunktion ausübendes Drucklager übertragen wird, das einen rotierenden Lagerring (16) an dem Nabenvorderende der Laufräder und einen harten, drehfesten Lagerring (14) in den Leitapparaten umfaßt, und wobei im Saugmundbereich der Laufräder eine mit den Leitapparaten zusammenwirkende Dichtungsausbildung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Nabe (15) der Laufräder (6, 7, 8) befestigte Lagerring (16) aus einem harten Werkstoff besteht und daß die Dichtungsausbildung im Saugmundbereich der Laufräder aus einer sich parallel zur Pumpenwelle (9) erstreckenden Spaltdichtungsausbildung (18) besteht.

2, Unterwasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Nabe (15) der Pumpenlaufräder befestigte Lagerring (16) aus Hartmetall besteht.

3. Unterwasserpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge (L) des Dichtspaltes der Spaltdichtungsausbildung (18) zu dem mittleren Durchmesser (D) des Dichtspaltes im Bereich von 0,1 bis 0,2 liegt.

4. Unterwasserpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltdichtungsausbildung (18) einen glatten, axialdurchgehenden zylindrischne Dichtspalt aufweist.

5. Unterwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, daß das radiale Spiel zwischen der Pumpenwelle (9) und der Nabe (15) der Pumpenlaufräder größer ist als das Radialspiel des Dichtspaltes der Spaltdichtungsausbildung (18) im Saugmundbereich der Laufräder.
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6. Unterwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltdichtungsausbildung (18) als Radiallagerkonstruktion ausgestaltet ist.

7. Unterwasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenstufen aus Kunststoff bestehen und daß der Außenumfang des Saugmundes jedes Pumpenlaufrades (6, 7, 8) mit einer Lagerhülse (19) aus Cr-Ni-Stahl ummantelt ist.