DE3347471A1

DE3347471A1 - Hochdruckrotationspumpe niedriger kapazitaet

Info

Publication number: DE3347471A1
Application number: DE19833347471
Authority: DE
Inventors: Izhak Dr. Haifa Etsion
Original assignee: Technion Research and Development Foundation Ltd
Current assignee: Technion Research and Development Foundation Ltd
Priority date: 1983-12-29
Filing date: 1983-12-29
Publication date: 1985-07-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckrotationspumpe niedriger Kapazität, bei der die rotierenden und stationären Bauteile sich nicht berühren.

Pumpen, die so ausgelegt sind, damit sie kleine Flüssigkeitsvolumina auf einen hohen Druck bringen, sind im allgemeinen von Zwangsbauart oder positiver Bauart (of the positive kind), da Zentrifugalpumpen für diese Art Leistungen entweder sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten mit den dabei auftretenden Kavitationseffekten erfordern, oder es handelt sich notwendigerweise um mehrstufige Pumpen, die teuer in der Herstellung, schwierig zu reinigen und einer Zerstörung ausgesetzt sind. Positive Pumpen oder Zwangspumpen für hohe Drücke oder Pumpen mit niedrigem Durchsatz sind entweder von der reziprokierenden Bauart wie Kolben, Plunger oder Membranpumpen oder es handelt sich um RotationsVerdrängungspumpen, für die unterschiedlichste Bauarten existieren. Hauptnachteile solcher reziprokierender Pumpen sind in den Anforderungen an Einlaß- und Auslaßventile, den Verschleiß- und Reißbeanspruchungen sich bewegender im reibenden Kontakt stehender Teile zu sehen. Verdrängerpumpen dagegen arbeiten gewöhnlich ohne, daß Ventile notwendig werden; das Lecken zwischen den Hochdruck- und den Niederdruckbereichen ist jedoch gewöhnlich hoch und macht diese für hohe Druckunterschiede ungeeignet.

Ein sämtlichen Pumpen mit beweglichen Teilen mit kontaktierenden Flächen gemeinsamer Nachteil ist in der Gefahr zu sehen, daß Abriebpartikel in den Fluidstrom treten; dies muß bei sämtlichen auf dem Gebiet der Chirurgie verwendeten Pumpen, wie Blutpumpen und bei solchen auf dem Gebiet der chemischen Laboratorien und Anlagen sowie der NahrungsmittelIndustrie,vermieden werden, wo Reinheit

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-δ-der Produkte oberstes Gebot ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel- oder Hochdruckpumpen relativ kleiner Kapazität anzugeben, wo die rotierenden und stationären Teile sich nicht-kontaktieren, Weiterhin soll die Pumpe von einfachen Auslegungskriterien und niedrigen Kosten sein. Eine solche Pumpe soll sich darüber hinaus schnell auseinanderbauen und reinigen lassen.

Die Erfindung geht hierzu aus von einer hydraulischen Rotationspumpe zum Fördern eines Fluids aus einer Niederdruckzone in eine Hochdruckzone mit einem stationären Gehäuse und einem hierin drehbaren Rotor, wobei der Rotor über eine glatte vorzugsweise planare Kreisfläche vergügt; wobei das Gehäuse mit einer Statorfläche versehen ist, die die Hochdruckzone von der Niederdruckzone trennt, in Form eines flachköpfigen über die umgebende Fläche des Gehäuses hochgezogenen Steg, wobei der Steg in Form einer geschlossenen der Rotorfläche unter kurzem Abstand gegenüberstehenden Kurve ausgebildet ist und der Steg von fester Breite und fester Höhe mit Innenseite und Außenseite ist, wobei das Gehäuse mit einer ersten Fluidöffnung innerhalb der Statorfläche und einer zweiten Fluidöffnung außerhalb der Statorfläche versehen ist.

Die Erfindung zeichnet sich überraschend dadurch aus, daß durch eine Tangente an jeden Punkt dieser geschlossenen Kurve, die einen spitzen positiven oder negativen Winkel mit dem zugehörigen Geschwindigkeits ektor bildet, der durch diesen Punkt geht oder hiermit zusammenfällt; und daß an allen Punkten dieser Kurve, wo der relative Geschwindigkeitsvektor von der Zone hohen Drucks gegen die Zone niedrigen Drucks gerichtet ist, die Breite des Spaltes zwischen den sich gegenüberstehenden Flächen geringer ist als er anden Punkten ist, wo der Geschwindigkeitsvektor von der Zone niedrigen Drucks gegen die Zone hohen Drucks gerichtet ist.

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Die Pumpe nach der Erfindung besteht also aus einem stationären Gehäuse mit einer ersten und einer zweiten Öffnung, wobei diese Öffnungen jeweils als Fluideinlaß und Fluidauslaß dienen. Ein Rotor ist drehbar im Gehäuse gelagert und verfügt über eine glatte vorzugsweise planare Fläche, die einer mit dem Gehäuse integralen Statorfläche gegenüberliegt, wobei die beiden Flächen durch einen schmalen Spalt wenigstens zweier Breitengrößenordnungen getrennt sind.

Die Statorfläche hat die Ausbildung eines flachkopfigen Stegs oder einer solchen Rippe, die über den im wesentlichen flachen Umgebungsteil des Stators hochgezogen ist; der Steg hat die Form einer geschlossenen Kurve, die eine der beiden Öffnungen umschließt; die zweite Öffnung ist im Gehäuse auf der Außenseite des Stegs angeordnet. Im Folgenden wird der Ausdruck "Innenseite" verwendet, um den Bereich und das Volumen, das zwischen Rotor und von dem Steg eingeschlossenen Stator gebildet ist, zu beschreiben, während der Ausdruck "außerhalb" sämtliche anderen Teile des Gehäuses, ausgenommen diese "Innenseite", bezeichnet.

Dreht der Rotor sich bei vorbestimmter Drehgeschwindigkeit, so durchläuft seine Oberfläche jeden Punkt des Stator-Stegs bei einer Geschwindigkeit, die proportional der Entfernung des fraglichen Punkts von der Drehmitte des Rotors ist und überquert den Steg von außen nach innen - oder umgekehrt - unter einem durch die Form der Kurve bestimmten Winkel. Die Kurve ist erfindungsgemäß so gestaltet, daß eine Tangente an irgend einen Punkt der Kurve einen spitzen positiven oder negativen Winkel mit dem durch diesen Punkt gehenden Geschwindigkeitsvektor des Rotors bildet. Um eine Fluidströmung unter Druck von der Innenseite des Stegs zur Außenseite zu erhalten, ist der Spalt zwischen dem Kopf des Stegs und dem Steg sowie der Rotorfläche von minimaler Breite an allen Stellen der Kurve, an denen der Rotorgeschwindigkeitsvektor von außen nach innen geht, während der Spalt von bestimmter größerer Breite

an allen Punkten der Kurve ist, an denen der Rotorgeschwindigkeitsvektor von der Innenseite zur Außenseite zeigt.

Bei Umkehr des Rotordrehsinns wird eine Fluidströmung gleicher Druck- und Volumenbedingungen von der Außenseite des Stegs gegen die Innenseite erreicht, d.h. das Fluid wird in die Pumpe durch die Öffnung außerhalb des Steges gesaugt und durch die Öffnung innerhalb des Steges ausgedrückt, was einen Zentripetaleffekt simuliert.

Die Erfindung basiert auf folgendem Prinzip:

Ein Fluid in einem Spalt von der Weite h zwischen einer stationären und einer sich bewegenden Fläche wird durch die sich bewegende Fläche in Richtung des Geschwindigkeitsvektors ν geschleppt; die Fluidströmung Q, pro Längeneinheit, ausgedrückt durch die Gleichung

(1) Q₁ = v.h/2.

Wandert die sich bewegende Fläche von der Niederdruckzone zu einer Hochdruckzone (P₉ bzw. P,), so ergibt sich eine druckinduzierte Strömung Q„ in entgegengesetzter Richtung, auszudrücken durch die Gleichung

(2) Q₉ = -γκ—— . -Λρ —

² 12.p. L

wobei L die Länge des Spaltes in Richtung von hohem zu niedrigem Druck und μ die Viskosität des Fluids ist.

Unter der Annahme, daß die Pumpe nach der Erfindung als Saugpumpe betrieben werden soll, d.h., daß das Fluid von der Außenseite zur Innenseite des die Kurve verwirklichenden flachköpfigen Stegsgegen einen Druckunterschied gepumpt werden soll, dann muß mehr Fluid über den Steg über dessen gesamte Länge gegen die Innenseite durch Bewegen des Rotors bewegt werden als über den Steg gegen die Außenseite strömt, und zwar aufgrund des Druckunterschiedes. An jeder Stelle der Kurve werden diese Bedingungen ausgedrückt durch die Gleichung

-δ-(3) Q₁ - Q₂ = Q_T = ν.h/2 - h³ .(P₁ -p₂)/12.jj.L.

Es ist klar, daß an allen Stellen, an denen der Vektor ν von der Hochdruckseite innen zur Niederdruckseite außen gerichtet ist, die beiden Elemente der Gleichung sich insgesamt zu einer Auswärtsströmung ergänzen. Um diese Auswärtsströmung auf ein Minimum zu reduzieren, wird die Spaltbreite an allen diesen Punkten auf einem mechanisch brauchbaren Minimum, beispielsweise h = 0,01 mm, gehalten.

-,Q Andererseits ist an allen Punkten, an denen der Vektor ν von der Außenseite gegen die Innenseite des Stegs gerichtet ist, die Differenz zwischen dem ersten und zweiten Element positiv, da die durch das erste Element dargestellte Einwärtsströmung größer als die Auswärtsströmung, die durch

-,c das zweite Element verdeutlicht wird, ist, wenn Fluid gegen die Hochdruckseite gepumpt werden soll. Erreicht . wird dies dadurch, daß der Spalt H an diesen Punkten breiter als der Minimumspalt gemacht wird. Aus der Gleichung (3) geht hervor, daß der Geschwindigkeitsvektor ν ausreichend groß sein muß, ein Postulat, welches die notwendige Rotorgeschwindigkeit definiert, welche in direktem Verhältnis zum Druckdifferential zunehmen muß, wobei sämtliche anderen Faktoren konstant bleiben.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden; diese zeigen in

einen Schnitt durch eine Zentripetalpumpe; ein Diagramm, welches die Strömungsgeometrie zwischen Rotor und Stator verdeutlicht; einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2; eine Draufsicht auf einen Statorsteg in der der Gestalt einer axial-symmetrischen Kurve mit fünf Punkten; und

eine Draufsicht auf einen Statorsteg oder eine Statorrippe in Gestalt einer axialsymmetrischen Kurve mit sechs Lappen.

	Fig.	1
30	Fig.	2
	Fig.	3
	Fig.	4
35
	Fig.	5

Die in Fig. 1 dargestellte Pumpe umfaßt ein Pumpengehäuse 1, welches mit einem Frontdeckel 2 verschlossen ist, einen integral mit der Welle 4 ausgebildeten Rotor und zwei Kugellagern 5, welche die Rotorwelle im Gehäuse lagern. Das Gehäuse ist mit einem zylindrischen Hohlraum 10 und mit einer Einlaßöffnung 11 versehen, welche in den Hohlraum von außen führt. Die Rückseite des Gehäuses ist so formgebend bearbeitet, daß ein zweiter zylindrischer Hohlraum 12 gebildet wird, der die beiden Kugellager 5 aufnimmt, -^q die voneinander durch eine Büchse 6 getrennt sind. Eine hintere Abdeckung 7 schließt den Raum der Kugellager und ist mit einem Ölrückhalteelement 8 um das Wellenende herum versehen.

■^5 Die Innenseite des dem Rotor gegenüberstehenden stirnseitigen Deckels ist so ausgebildet, daß eine kreisförmige Statorfläche in Form einer hochgezogenen Rippe oder eines hochgezogenen Stegs 21 gebildet wird, der exzentrisch bezogen auf die Wellenmitte ist und mit Bezug ^auf die Figuren 2 und 3 näher beschrieben werden wird.

Der Rest der Frontabdeckung ist im wesentlichen flach und eng mit dem Gehäuse über eine Anzahl von Bolzen 20 verbunden. Die Deckelmitte ist durchbohrt und mit Gewinde versehen und bildet eine Auslaßöffnung 22.

Der Rotor 3 in Form einer planen Scheibe verfügt über eine glatte Stirnfläche in einem Abstand vom Stator 21, der einen geringen Spalt ausmacht. Der Rotor bildet den Vorderteil der Welle 4, der mechanisch so bearbeitet ist, daß die beiden Kugellager angebracht werden können. Letztere werden gegen eine Schulter 40 auf der Welle mittels einer flachen Mutter 21 verspannt, die auf einem Schraubgewindeteil 42 der Welle angebracht ist. Das rückwärtige Ende der Welle (in der Zeichnung abgeschnitten) ist mit einem Elektromotor über Kupplungseinrichtungen oder einen Riementrieb verbunden. Eine Drehung des Rotors drückt die Flüssigkeit in den vom erfüllten Steg umgebenen Raum, wodurch die Flüssigkeit in die Pumpe durch die Ein-

-ιοί laßöffnung 11 gesaugt und durch die Auslaßöffnung 22 ausgetrieben wird.

Die tatsächliche Arbeitsweise der Pumpe wird nun rait Bec zug auf die Figuren 2 und 3 erläutert. Ein Rotor 3 wird an einer Maschinenwelle 4 befestigt und dreht sich (angegeben durch den Pfeil f) im Uhrzeigersinn; er wird von einem Stator 21 durch eine Kappe von einer Breite h über den halben Umfang und von einer Breite H über den anderen _ halben Umfang getrennt. Der Stator 21 hat die Gestalt einer Ringfläche von einem mittleren Radius R und der Breite L. Die Statormitte ist zur Rotormitte um einen Abstand e exzentrisch; die Mitten von Rotor und Stator liegen auf einer (Winkel)halbierungslinie A-A. Betrachtet man die obere , ,. Hälfte der Fig. 2, d.h. den Teil oberhalb der Balbierungslinie A-A und insbesondere den Punkt D auf dem Stator, so sieht man, daß jeder Punkt des Rotors unter einem Radius R eine Geschwindigkeit ν von der Innenseite zur Außenseite der Statorfläche aufweist. Als Ergebnis wird 2Q das Fluid im Spalt über die Breite des Stators bei einer Geschwindigkeit ν bewegt, wobei ν die Komponente der Geschwindigkeit ν in Richtung des Statorradius R ist.

Ebenfalls ergibt sich, daß an jeder Stelle in der oberen 2j- Hälfte, oberhalb des Halbierungssektors ein nach außen gerichteter Geschwindigkeitsvektor vorgesehen ist, der auf null bei Annährung an"die Halbierungslinie abnimmt. Von dem Teil des den Punkt D' enthaltenden Diagramms (unterhalb der Winkelhalbierungslinie) geht hervor, daß QQ an jedem Punkt des Rotors in dessen unteren Hälfte der Geschwindigkeitsvektor v¹ nach innen gerichtet ist bzw. von der Außenseite gegen die Innenseite der Statorfläche. Indem man den Spalt H auf der Innenseite oberhalb des Winkelhalbierungssektors größer als den Spalt h untergr halb dieses Halbierungssektors macht, wird ein größeres Fluidvolumen nach außen als nach innen an jeweils zwei entsprechenden Punkten bewegt, die symmetrisch zueinander zu beiden Seiten des Halbierungssektors positioniert sind.

CXDPY

Analytisch läßt sich dies aus Gleichung (1) herleiten, wobei die Auswärtsströmung an zwei symmetrischen Punkten, induziert durch die Rotorgeschwindigkeit, sich ergibt zu

(3) dQ_s = ClQ₁ - ClQ₁ = 2 .ir.dR. v/2 . (H - h) =Tr.dR.v.(H - h) oder, integriert für den Gesamtumfang des Stators

(4) Q= w.e.R.(H - h),

worin w die Rotorgeschwindigkeit ist.

-,Ο Im vorliegenden Fall soll das Fluid von der Innenseite des erhaben ausgebildeten Randteils unter einem Druck P» zur Außenseite unter einem Druck P-. gepumpt werden. Bei Stillstand führt das Druckdifferential zu einer Fluideinwärtsströmung durch den Spalt H und h, ausgebe drückt durch die Gleichung (2):

(5) Q =tr.R.(H³ + h³) · (P₁ - P₂)/12.^.L.

Die gesamte Auswärtsströmung ergibt sich also zu:

(6) Q = Q - Q = w.e.R(H - h) -TT.R.(H³ + h³)-(P, - P₉

Um die Gesamtpumpauswärtsleistung Q für eine gegebene Druckhöhe (P, -P-) zu erhalten, muß der Wert der variablen Komponenten entsprechend gewählt werden. Bei eingehender Prüfung der Gleichung (6) sieht man, daß die Spalte H und h sehr klein sein müssen, tatsächlich so klein wie technisch möglich, daß jedoch deren Differenz (H - h) vergleichsweise groß sein soll. Der Radius des Statorsteges R sollte so groß sein, wie der Rotordurchmesser es zuläßt; das gleiche gilt für die Entfernung e zwischen den Mitten von Rotor und Stator.

Die Gleichung zeigt auch, daß die Breite des Steges L breit, jedoch nicht zu breit ausgebildet werden soll, um die hydraulischen Reibungsverluste auf einem Minimum zu halten. Schließlich steigt das gepumpte Volumen Q in indirektem Verhältnis mit der Rotorgeschwindigkeit, so daß für einen geforderten hohen Druckunterschied die Pumpumdrehungen proportional hoch sein müssen.

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BAD ORiGINAL

Die vorstehende Beschreibung bezog sich nur auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, d.h. einen glattflächigen Rotor sowie eine Statorfläche in der Gestalt einer geschlossenen Kurve. Das gleiche Ergebnis wird jedoch erhalten, indem man die Funktionen der drehenden und stationären Teile austauscht, da die hier beschriebenen Effekte auf die relativen Geschwindigkeiten von Stator und Rotor zurückzuführen sind. Bei der alternativen Konstruktion hat der Stator daher eine glatte plane Fläche, während der Rotor mit einer hochstehenden geschlossenen Rippe versehen ist.

Beschreibung und Diagramm machen klar, daß bei Umkehr der Drehrichtung die Zone hohen Drucks innerhalb der Statorrippe bleibt, während die Niederdruckzone sich außerhalb der Statorrippe befinden wird. Somit wird Fluid in die Pumpe durch die Öffnung 11 gesaugt und dann durch die Öffnung 22 nach außen (siehe Fig. 1) abgegeben.

Vorstehend wurde nur eine Ausführungsform der Statorfläche beschrieben; viele andere Arten von Kurven können jedoch für den gleichen Zweck Verwendung finden; die Bedingung erfindungsgemäß lautet, daß alternative Strecken (stretches) vorgesehen sind, in denen die Geschwindigkeitsvektoren jeweils gegen die Innen- und die Außenseite der Kurve gerichtet sind. Die Kurve muß nicht notwendigerweise symmetrisch sein, noch bezüglich der Rotorachse; selbstverständlich belastet andererseits eine symmetrische Kurve den Rotor symmetrisch, was vorteilhaft für den Ausgleich der sich drehenden Teile ist. Beispiele solcher Kurven sind in den Fig. 5 und 6 gezeigt.

Anstelle von gleichförmigen Spaltbreiten H und h kann zusammen mit einem vollständigen Bogen der geschlossenen Kurve die Breite allmählich entsprechend den Änderungen in der Geschwindigkeitskomponente ν (Fig. 2) zu- und abnehmen.

Claims

Patentanwälte · Euiopean Patent Attorneys Dr. w. Müllei-Boie t Di. Paul Deufei DipL-Chem., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Dr. Alfired Schön Dipl.-Chem. Werner Hertei Dipl.-Phys. Dr. Müller-Born und Partner ■ FOB 260247 ■ D-BOOO München 26 Dietrich Lewald Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Dieter Otto T 1572 Lw/Ge Dipl.-Ing. Technion Research & Development Foundation Ltd. Senate House, Technion City, HAIFA, Israel, 32000 Hochdruckrotationspumpe niedriger Kapazität PATENTANSPRÜCHE

1. Hydraulische Rotationspumpe zum Fördern eines Fluids aus einer Niederdruckzone in eine Hochdruckzone mit einem stationären Gehäuse und einem hierin drehbaren Rotor, wobei der Rotor über eine glatte vorzugsweise planare Kreisfläche verfügt; wobei das Gehäuse mit einer Statorfläche versehen ist, die die Hochdruckzone von der Niederdruckzone trennt, in Form eines flachköpf igen über die umgebende Fläche des Gehäuses hochgezogenen Steg, wobei der Steg in Form einer geschlossenen der Rotorfläche unter kurzem Abstand gegenüberstehenden Kurve ausgebildet ist und der Steg von fester Breite und fester Höhe mit Innenseite und Außenseite ist, wobei das Gehäuse mit einer ersten Fluidöffnung innerhalb der Statorfläche und einer zweiten Fluidöffnung außerhalb der Statorfläche versehen ist, gekennzeichnet durch eine Tangente an jeden Punkt dieser ge-

D-8000 München 2 POB 26 02 47 Kabel: Telefon Telecopier Infotec 6400 B Telex

Isartorplatz 6 D-8000 München 26 Muebopat 089/2214 83-7 GII+ 111 (089)2296 43 5-24

schlossenen Kurve, die einen spitzen positiven oder negativen Winkel mit dem zugehörigen Geschwindigkeitsvektor bildet, der durch diesen Punkt geht oder hiermit zusammenfällt; und daß an allen Punkten dieser Kurve, wo der relative Geschwindigkeitsvektor von der Zone

hohen Drucks gegen die Zone niedrigen Drucks gerichtet ist, die Breite des Spaltes zwischen den sich gegenüberstehenden Flächen geringer ist als er an den Punkten ist, wo der Geschwindigkeitsvektor von der Zone niedrigen IQ Drucks gegen die Zone hohen Drucks gerichtet ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Rotors glatt und planar ist.

3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorfläche die Gestalt einer kreisförmigen Kurve gleichförmiger Breite aufweist, wobei die Mitte dieses Kreises unter einem Abstand zur Achse der Rotorfläche sich befindet und die Statorfläche gegen die Rotorfläche unter einem durch einen engen Spalt gebildeten Abstand von einer Breite h an sämtlichen Punkten entfernt ist, die auf einer Seite einer imaginären durch die Mitten des Rotors und des Kreises gezogenen Linie liegen und durch einen breiteren Spalt der Breite H an sämtlichen Punkten getrennt ist, die auf der anderen Seite dieser imaginären Linie liegen.

4. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor die Gestalt einer flachen Scheibe aufweist.

5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor integral mit der Pumpenwelle ausgebildet ist.

6. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das stationäre Gehäuse mit einem diese Rotorscheibe umschließenden Hohlraum und mit einem flachen Deckel,

-3-

der dazu dient, diesen Hohlraum zu verschließen, versehen ist, wobei die Innenseite des Deckels zur Bildung dieses hochgezogenen Randes ausgebildet ist.

7. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorfläche die Gestalt einer axial-symmetrischen Kurve mit einer Vielzahl von nach außen sich erstreckenden sog. Lappen aufweist.