DE3943273C2 - Horizontal angeordnete Kreiselpumpe mit Spaltrohrmagnetkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine horizontal angeordnete Krei­ selpumpe mit Spaltrohrmagnetkupplung,

• - mit einem zumindest teilweise mit Förderflüssigkeit gefüllten Pumpengehäuse,
• - mit einer im Pumpengehäuse mittels einer Gleitlage­ rung gelagerten Welle, auf der ein Laufrad und zwi­ schen Laufrad und Gleitlagerung ein Schaufelrad an­ geordnet sind.

Derartige Kreiselpumpen sind seit langem bekannt und be­ währt. Nachdem es gelungen ist, besonders widerstands­ fähige Gleitlagerungen aus keramischen Werkstoffen zu entwickeln, wird eine Betriebsdauer erreicht, die an die herkömmlichen Gleitlager heranreicht. Dies ist insofern bemerkenswert, als die Gleitlagerung für den Läufer beina­ he ohne Ausnahme ausschließlich durch das Fördermedium geschmiert wird, das nur selten gute Schmiereigenschaften hat.

In der Regel wird innerhalb einer Kreiselpumpe mit Perma­ nentmagnetantrieb ein Nebenstrom durch die Pumpe geführt, der die Lager schmiert und die Reibwärme der Lager sowie die durch Wirbelströme erzeugte Wärme des Spalttopfes abführt, sofern ein metallischer Spalttopf eingesetzt wird. Bei Spalttöpfen aus einem nicht-metallischen Materi­ al entsteht keine Verlustwärme durch Wirbelströme. Bei entleertem Pumpensystem oder bei einer falschen Drehrich­ tung kann es vorkommen, daß der Teilstrom nicht zustande kommt bzw. nicht ausreichend ist, um die Lagerung aus­ reichend zu benetzen bzw. die entstehende Wärme sicher abzuführen.

Es ist auch möglich, daß die Gleitlagerung einer derarti­ gen Kreiselpumpe beschädigt wird, weil nach einer Entlee­ rung des die Pumpe enthaltenden Systems, nach Montagear­ beiten oder durch sonstige Bedienungsfehler, wie z. B. das Zulassen des Laufes mit falscher Drehrichtung, ein zu langer Trockenlauf eintritt. Die dabei entstehende Reib­ wärme führt zu einer Zerstörung der Gleitlagerung.

Aus DE-PS 34 17 038 ist eine Spaltrohrmotorpumpe zum För­ dern insbesondere von gasbeladenen Flüssigkeiten bekannt. Diese bekannte Spaltrohrmotorpumpe weist neben dem auf einer Welle angeordneten Schaufelrad zur Förderung der bestimmten Flüssigkeit ein Zwischenlaufrad auf. Dieses Zwischenlaufrad ist ebenfalls auf der Welle der Spaltrohr­ motorpumpe angeordnet. Zwischen der für die Welle vor­ gesehenen Gleitlagerung und dem Zwischenlaufrad ist ein weiteres Zwischenlaufrad angeordnet.

Zur Versorgung der Gleitlagerung mit Schmiermittel, das bei der bekannten Einrichtung der Förderflüssigkeit ent­ spricht, sind im Pumpengehäuse labyrinthartige Kanäle vorgesehen, die eine fluidmäßige Verbindung von dem Pum­ penraum über die beiden Zwischenlaufräder zur Gleitlage­ rung herstellen.

Die beiden Zwischenlaufräder sind dafür vorgesehen, eine Flüssigkeitsdichtung aufzubauen, um während des Pumpen­ betriebes zu verhindern, daß die in der Förderflüssigkeit befindlichen Gase in den Motorraum bzw. einen separaten Motor-Rotorkreislauf eindringen, wo Gasanteile unerwünscht sind, weil sie die Lagerschmierung und die Kühlung ver­ schlechtern.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Spaltrohrmotorpum­ pe liegt darin, daß keinerlei Notlaufeigenschaften vor­ gesehen sind, die beispielsweise im Falle einer Entleerung der Pumpe verhindern, daß die Gleitlager trocken laufen und zerstört werden.

Die beiden auf der Welle angeordneten Zwischenlaufräder unterstützen zwar die Förderung der Förderflüssigkeit zu den Gleitlagern während des Pumpenbetriebes; sie können jedoch nicht Förderflüssigkeit zu den Gleitlagern führen, wenn die Pumpe bereits entleert ist, da kein Speicher oder dergleichen vorgesehen ist, der für solche Notlaufeigen­ schaften Förderflüssigkeit in ausreichendem Maße bereit­ hält.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kreiselpumpe der ein­ gangs genannten Art so zu verbessern, daß auch bei un­ vollständig mit Förderflüssigkeit gefülltem System oder bei sonstigen Bedienungsfehlern die Gleitlagerung für eine gewisse Zeitdauer ausreichend benetzt ist und so Schäden vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor,

• - daß im Pumpengehäuse ein vom Schaufelrad, von einem feststehenden Ring und von Pumpengehäuseteilen um­ grenzter Raum ausgebildet ist,
• - daß das Schaufelrad als Bestandteil einer Schöpfein­ richtung in diesen umgrenzten Raum hineinreicht und zur Notschmierung der Gleitlagerung Förderflüssigkeit aus diesem umgrenzten Raum in eine Öffnung im oberen Bereich des Ringes und von dort über einen Kanal zur Gleitlagerung fördert und
• - daß die aus der Gleitlagerung austretende Flüssigkeit in den umgrenzten Raum zurückgeführt wird.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß bei her­ kömmlichen Kreiselpumpen mit einem annähernd horizontalen Saugstutzen auch nach einer Entleerung des angeschlossenen Rohrsystems eine Restmenge an Förderflüssigkeit in der Pumpe verbleibt, die für eine ausreichende Benetzung und Kühlung der Lagerung zur Verfügung steht und genutzt wer­ den kann. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schöpfein­ richtung transportiert die Restflüssigkeit, die sich in dem genannten umgrenzten Raum sammelt, im Kreislauf durch die Lagerung, so daß sich nach einer geringfügigen Erwär­ mung infolge der Lagerreibung im Gleitlager ein stationä­ rer Zustand einstellt, der über eine sehr lange Zeitdauer aufrechterhalten werden kann. In der Regel wird in einer solchen Zeitperiode der Bedienungsfehler entdeckt oder die fehlende Füllung des Systems nachgeholt. In Perioden nor­ malen Betriebes kann die Schöpfeinrichtung ebenfalls die­ sen Kreislauf sicherstellen, es ist jedoch ebenso möglich, in diesen Perioden den üblichen Nebenstrom durch das För­ derrad der Pumpe aufrechtzuerhalten, wobei dann bekannte Wege beschritten werden.

Die Schöpfeinrichtung fördert in eine Öffnung, die mit der Gleitlagerung über einen Kanal verbunden ist. Dabei kann eine Leiteinrichtung vorgesehen sein, die das Einlaufen der geschöpften Förderflüssigkeit in die Öffnung unter­ stützt.

Für die Schöpfförderung wird ein Schaufelrad eingesetzt, das unterschiedlich gestaltet sein kann; bei der Erläute­ rung möglicher Ausführungsbeispiele der Erfindung sind mehrere Ausführungsformen im Detail erläutert.

Zur Sicherstellung eines möglichst verlustlosen Kreislaufs mit der in der Pumpe verbliebenen Restmenge der Förder­ flüssigkeit in einem Notfall ist das Schaufelrad von einem feststehenden Ring umschlossen, so daß die aus der Lage­ rung abtropfende Flüssigkeit in den genannten Raum ge­ langt, der durch diesen feststehenden Ring, das Schaufel­ rad und Pumpengehäuseteilen umgrenzt ist. Jede sich in dem Raum ansammelnde Flüssigkeit wird vom Schaufelrad sofort erfaßt und wieder der Gleitlagerung zugeführt.

Unter Gleitlagerung ist jede Lagerung zu verstehen, die für die Führung des Läufers einer Kreiselpumpe ausreicht, wobei in der Regel ein Radiallager und zwei Axiallager vorgesehen sind. Selbstverständlich können auch mehrere Lager betroffen sein, wenn die Konstruktion der Pumpe eine solche Lagerung vorsieht. Auch umfaßt der Begriff Kreisel­ pumpe alle Pumpen mit einem Läufer, also z. B. auch Seiten­ kanalpumpen oder dergleichen.

Bei allen Pumpen dieser Art ist im vollen Betrieb der Spalttopf in der Regel vollständig mit Förderflüssigkeit gefüllt. Um auch dasjenige Restvolumen für die Aufrecht­ erhaltung der Gleitlagerschmierung in einem Notfall nutz­ bar zu machen, das außerdem in dem Spalttopf zurückgeblie­ ben ist, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vor­ gesehen, daß an der tiefsten Stelle des Spalttopfes eine Verbindung zu dem Pumpengehäuse vorgesehen ist. Die besten Verhältnisse ergeben sich, wenn diese Verbindung in den genannten Raum mündet, der durch den feststehenden Ring, das Schaufelrad und die restlichen Pumpenteile gebildet ist. In dieser Weise ist sichergestellt, daß der größt­ mögliche Anteil an Restmenge der Förderflüssigkeit ohne nennenswerte Verluste für die Notschmierung der Gleit­ lagerung genutzt wird.

Im übrigen wird die Form der Schöpfeinrichtung zur Opti­ mierung der Kreiselpumpe gemäß der Erfindung insbesondere hinsichtlich des Durchmessers so auf das Pumpengehäuse und das Laufrad abgestimmt, daß bei über den Saugstutzen ent­ leertem Pumpengehäuse eine Schöpfwirkung aus der restli­ chen Förderflüssigkeit sichergestellt ist. Bei der her­ kömmlichen Form einer Kreiselpumpe ist das der Fall; gege­ benenfalls muß also die Abstimmung soweit gehen, daß die Pumpe nicht vollständig leerläuft, selbst wenn der Rohr­ anschluß am Saugstutzen vorübergehend entfernt worden ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele, die in der Zeich­ nung dargestellt sind, näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch eine Kreiselpumpe gemäß der Erfindung mit weggelassenem Lagerbock;

Fig. 2-5 Drauf- und Querschnittsansichten unterschiedli­ cher Schöpfräder; und

Fig. 6 eine Ansicht als Ausschnitt auf einen Teil einer Leiteinrichtung, die Bestandteil der Schöpfein­ richtung ist.

In der Fig. 1 ist die Querschnittsansicht einer Kreisel­ pumpe wiedergegeben. Innerhalb eines Pumpengehäuses 1 ist ein Laufrad 2 mit Hilfe einer Welle 3 gelagert, auf der außerdem noch ein Rotor 4 angebracht ist. Der Rotor 4 befindet sich innerhalb eines Spalttopfes 5, der aus einem nicht-ferromagnetischen Lagerwerkstoff besteht, z. B. aus Siliziumkarbid. Glockenartig um den Spalttopf 5 herum ist ein sogenannter Treiber 6 angeordnet, der mit einer nicht näher dargestellten Welle gelagert und mit Hilfe eines Elektromotors angetrieben wird. Sowohl an dem Rotor 4 als auch an dem Treiber 6 sind Permanentmagnete 7 angebracht, so daß der Rotor 4 und der Treiber 6 eine Zentraldrehkupp­ lung bilden, durch deren Luftspalt der Spalttopf 5 hin­ durchgreift.

Zwischen dem Laufrad 2 und dem Rotor 4 befindet sich eine Gleitlagerung 8, die im vorliegenden Fall aus einem Radi­ allager und zwei seitlichen Axiallagern besteht. Auch die Lagerteile bestehen aus einem Lagerwerkstoff, vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, und zwar vorzugsweise einem nicht-oxydkeramischen Werkstoff wie z. B. Silizium­ karbid.

Der Zweck der dargestellten Konstruktion ist die Aufrecht­ erhaltung der Kühlung und Schmierung dieser Gleitlagerung 8. Die Wärmeabfuhr aus dem Bereich des Spalttopfes 5 ist nicht erforderlich, da wegen der fehlenden elektrischen Leitfähigkeit des Keramikwerkstoffs keine Wirbelströme induziert werden und folglich auch keine Verlustwärme infolge der Wirbelströme auftritt.

Zwischen dem Laufrad 2 und der Gleitlagerung 8 ist ein Schaufelrad 12 an dem aus Laufrad 2, Welle 3 und Rotor 4 gebildeten Läufer befestigt, das von einem feststehenden, im übrigen die Gleitlagerung 8 stützenden Ring 13 mit enger Toleranz umgeben ist. Das Schaufelrad 12 und der Ring 13 schließen einen Raum 13a ein, der teilweise der Abtropfraum der Gleitlagerung 8 ist, und im übrigen bei normal fördernder Pumpe unter dem Ausgangsdruck der Krei­ selpumpe steht. Der andere Abtropfraum der Gleitlagerung 8 befindet sich an dem Spalttopf 5. An annähernd der tief­ sten Stelle befindet sich eine Verbindung 14 zwischen dem Spalttopf 5 und diesem beschriebenen Raum 13a zwischen dem Schaufelrad 12 und dem Ring 13.

Wenn durch einen Montagefehler, durch einen Bedienungs­ fehler oder infolge einer falschen Drehrichtung keine funktionsgerechte Förderung des zu fördernden Mediums, das gleichzeitig Schmiermittel ist, zustande kommt und viel­ mehr nur eine Restflüssigkeitsmenge innerhalb des Pumpen­ gehäuses 1 vorhanden ist, tritt das Schaufelrad 12 in Funktion, das wiederum Bestandteil einer Schöpfeinrichtung ist. Es reicht in jedem Fall in den im Pumpengehäuse 1 verbliebenen "Sumpf" hinein und hebt die hier befindliche Restflüssigkeit bis zu einer Öffnung 28 an, die sich im oberen Bereich des Ringes 13 befindet. Von hier aus führt ein Kanal 9, der aus mehreren Bohrungen 9a, 9b besteht, zu der Gleitlagerung 8, so daß trotz der ungenügenden Durch­ flutung des Pumpengehäuses 1 mit Fördermedium die Gleit­ lagerung 8 ausreichend geschmiert und gekühlt ist. Die aus der Gleitlagerung 8 abtropfenden Mengen gelangen wiederum in den Bereich des Schaufelrades 12, so daß sie erneut dem Kreislauf zugeführt werden können. Dieser Notzustand kann eine sehr lange Zeitdauer lang aufrechterhalten werden, ohne daß eine Beschädigung oder Zerstörung der Gleitlage­ rung 8 zu befürchten ist.

In den Fig. 2-5 sind unterschiedliche Typen von Schaufel­ rädern 12 wiedergegeben, während anhand der Fig. 6 ver­ deutlicht wird, in welcher Weise mit Hilfe einer Leitein­ richtung 29 das Einlaufen der geschöpften Förderflüssig­ keit in die Öffnung 28 unterstützt und begünstigt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2, das im übri­ gen auch bei der Kreiselpumpe gemäß der Fig. 1 Verwendung findet, ist eine in sich ebene Scheibe 17 vorhanden, an deren Rand radial verlaufende Schaufeln 18 angeordnet sind. Für einen besseren Wirkungsgrad und aus Abdichtungs­ gründen gegenüber dem Ring 13 sind die Schaufeln 18 an ihrer der Scheibe 17 gegenüberliegenden Seite mit Hilfe eines Ringes 19 verschlossen, so daß ein im Aufbau sehr einfaches und wirkungsvolles Schaufelrad entsteht.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 ist wiederum eine Scheibe 17 als Grundkörper des Schaufelrades 12 vor­ handen, auf der sich Stege 22 befinden, die in ihrem er­ sten Abschnitt 23 radial verlaufen und in einem zweiten Abschnitt 24 in Umfangsrichtung verlaufen, wobei zwischen benachbarten Stegen 22 jeweils ein Fenster 25 für den Ein- und Austritt der zu schöpfenden Förderflüssigkeit vorhan­ den ist. Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 4 und 5 sind ähnlich aufgebaut, lediglich die radial verlaufenden Abschnitte 23 nehmen von der Mitte entweder nach außen in der Breite ab (Fig. 4) oder in der Breite zu. Die Auswahl der jeweiligen Form hängt u. a. von dem zu fördernden Medi­ um ab, insbesondere von seiner Viskosität.

Auf Fig. 6 wurde schon kurz hingewiesen. Es ist deutlich zu erkennen, daß ein Schaufelrad 12 nach einem der Aus­ führungsbeispiele gemäß den Fig. 3 bis 5 gezeigt ist, das innerhalb des feststehenden Ringes 13 rotiert. In dem Ring 13 ist eine Rille eingeformt, die zum Abstreifen der För­ derflüssigkeit vor der Öffnung 28 mit Hilfe der Leitein­ richtung 29 unterbrochen ist. Mit Hilfe des Schaufelrades 12 wird nun die Rille annähernd lückenlos mit Förderflüs­ sigkeit gefüllt, die dann in die Öffnung 28 abfließt. Diese Fließbewegung kommt unter anderem wegen des Mit­ nahmeeffekts an den Außenseiten der in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitte 24 der Stege 25 zustande. Unabhän­ gig von der dargestellten Art der Förderung der Flüssig­ keit in die Gleitlagerung 8 hinein, kann selbstverständ­ lich jede andere Schöpfeinrichtung eingesetzt werden, solange sie bei hohen Drehzahlen zuverlässig arbeitet und geeignet ist, kleine Mengen von Förderflüssigkeit sicher zu erfassen und an der vorgesehenen Stelle wieder abzuge­ ben. Dabei können auch andere Leiteinrichtungen vorgesehen sein, die beispielsweise die an den Grund der Rille in dem Ring 13 geschleuderte Flüssigkeit im oberen Bereich hinter eine Kante lenken, von wo aus dann der Zulauf zu der Gleitlagerung 8 erfolgt. Es kommt lediglich darauf an, daß relativ geringe Mengen sicher in die Gleitlagerung 8 ge­ fördert werden.

Während des normalen Betriebes ist selbstverständlich das Schaufelrad 12 ebenfalls in Funktion, wobei allerdings wegen der allseitigen Füllung eine mehr als reichliche Förderung vorhanden ist, um die Gleitlagerung 8 zu schmie­ ren. Durch die allseits vorhandenen Spalte kommt es im übrigen zu einem genügend großen Austausch zwischen der durch die Lagerung 8 zirkulierenden Flüssigkeitsmenge und der Förderflüssigkeit, so daß die in der Gleitlagerung 8 erzeugte Reibungswärme ohne weiteres abgeführt wird.

Zu beiden Seiten der Magnete 7 an dem Rotor 4 sind noch zwei Ringe 30 und 31 in der Fig. 1 zu erkennen, die ein Notlager für den Fall bilden, daß die Gleitlagerung 8 stark beschädigt oder zerstört ist. Die Ringe 30 und 31 bestehen ebenfalls aus einem Lagermaterial, also z. B. aus Siliziumkarbid oder dergleichen. An dieser Stelle ist also ein Spiel zwischen jedem Ring 30 und 31 einerseits und dem Spalttopf 5 andererseits vorhanden, das wegen seiner Kleinheit als durchgehende Linie dargestellt ist. Eine derartige Not-Gleitlagerung ist Gegenstand der DE-OS 39 41 444 auf die hiermit Bezug genommen wird.

Claims (9)

1. Horizontal angeordnete Kreiselpumpe mit Spaltrohr­ magnetkupplung,

• - mit einem zumindest teilweise mit Förderflüssig­ keit gefüllten Pumpengehäuse,
• - mit einer im Pumpengehäuse mittels einer Gleit­ lagerung gelagerten Welle, auf der ein Laufrad und zwischen Laufrad und Gleitlagerung ein Schaufelrad angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß im Pumpengehäuse (1) ein vom Schaufelrad (12), von einem feststehenden Ring (13) und von Pumpengehäuseteilen umgrenzter Raum (13a) ausge­ bildet ist,
• - daß das Schaufelrad (12) als Bestandteil einer Schöpfeinrichtung in diesen umgrenzten Raum (13a) hineinreicht und zur Notschmierung der Gleitlagerung (8) Förderflüssigkeit aus diesem umgrenzten Raum (13a) in eine Öffnung (28) im oberen Bereich des Ringes (13) und von dort über einen Kanal (9) zur Gleitlagerung (8) fördert und
• - daß die aus der Gleitlagerung (8) austretende Flüssigkeit in den umgrenzten Raum (13a) zurück­ geführt wird.

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schöpfeinrichtung im Bereich der Öffnung (28) eine Leiteinrichtung (29) aufweist.

3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schaufelrad (12) aus einer Scheibe (17) mit radialen Schaufeln (18) besteht.

4. Kreiselpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (18) auf der der Scheibe (17) abge­ wandten Seite mit einem Ring (19) verbunden sind.

5. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Bestandteil des Schaufelrades (12) eine Scheibe (17) ist und daß jede Schaufel als Steg (22) aus einem radial verlaufenden Abschnitt (23) und einem in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt (24) besteht.

6. Kreiselpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder radial verlaufende Abschnitt (23) des Ste­ ges (22) von innen nach außen stetig an Breite zu­ nimmt.

7. Kreiselpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder radial verlaufende Abschnitt (23) des Ste­ ges (22) von innen nach außen stetig an Breite ab­ nimmt.

8. Kreiselpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der tiefsten Stelle des Spalttopfes (5) eine Verbindung (14) zu dem um­ grenzten Raum (13a) im Pumpengehäuse (1) besteht.