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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kreiselpumpe zum Transport
eines Fluids, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 spezifiziert. Solch eine
Pumpe ist z.B. aus EP-A-0013942 bekannt, die eine Kreiselpumpe für mit Festkörpern gemischten Flüssigkeiten
offen legt, ein Pumpenlaufrad umfassend, das von einer Lagereinrichtung
in einem darum angebrachten Pumpgehäuse gelagert wird, und einer Antriebswelle,
die positiv mit dem Pumpenlaufrad verbunden ist.
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Das
Ziel der Erfindung ist, eine bedeutende Verbesserung einer motorgesteuerten
Pumpeneinheit zu erhalten, die vorzugsweise eine Kreiselpumpe des
so genannten Einfluttyps ist und einen direkt mit der Pumpe verbundenen
Antriebsmotor aufweist. Die Einheit kann vorzugsweise vom vertikalen
Typ sein, d.h., mit einer vertikalen Drehachse, und so gestaltet sein,
dass die für
die Wartung grundlegenden Pumpenkomponenten ausgebaut werden können, ohne dass
die Leitungen oder der Antriebsmotor entfernt werden müssen.
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Kreiselpumpen,
die in einer Pumpeneinheit dieser Art eingebaut sind, sind in einer
Vielzahl verschiedener Ausführungsformen
bekannt. In der Regel wird eine Welle in zwei Wellenlagern gelagert,
die von einander einige hundert Millimeter beabstandet sind. An
einem der Enden lagert die Welle ein Laufrad, und zudem ist eine
Wellendichtung zwischen dem Laufrad und einem der Lager angebracht.
In dieser Ausführungsform
weist das Laufrad einen wesentlichen Überhang auf, der genauso groß ist wie die
Entfernung zwischen den Lagern. Normalerweise wirkt eine radial
ausgerichtete Kraft einer Größe, die sich
mit dem Fluidfluss durch die Pumpe ändert, auf das Laufrad. Die
Kraft führt
zu einem Knick (Verformung) der Welle, die wiederum einen ausreichend großen Abstand
an den Innendichtungen des Laufrads erfordert, und eine signifikante
Reduzierung der Funktion der Wellendichtung bedingt. Dieser Faktor wird
in Spezifikationen für
die Mindestqualität
von Pumpen behandelt. Die Spezifikationen API 610 (American Petroleum
Institute) und ISO 5199 (International Organization of Standardization)
schreiben beide maximal zulässige
Werte von 0,05 mm für
das Knicken nahe der Wellendichtung vor. In der kommerziellen und
technischen Bewertung wird eine andere Art verwendet, das Ausmaß der Knickung
auszudrücken,
nämlich
der Ausdruck L3/D4.
In diesem Ausdruck steht L für
den Überhang
des Laufrads und D für
den Wellendurchmesser.
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Um
eine Lagerung des Laufrads und des Überhangs zu vermeiden, kann
das Laufrad an jeder Seite mit einem Lager versehen werden. Dies
erfordert aber zwei Wellendichtungen, d.h., je eine pro Seite. Zumindest
eines der Lager kann auch in dem gepumpten Fluid platziert und dadurch
geschmiert und gekühlt
werden. In Spezialfällen,
wie in hermetrisch abgedichteten Pumpen, befinden sich das Lager
und der Antriebsmechanismus mehr oder weniger in dem Fluid. In der
Folge weist diese Ausführungsform
keine Wellendichtung auf.
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Darüber hinaus
kann ein Laufrad direkt auf einer Welle eines Antriebsmotors befestigt
sein, in der Regel ein Elektromotor, oder auf einem Wellenzapfen,
der fest mit der Elektromotorwelle verbunden ist. Herkömmliche
Elektromotoren der Standardkonstruktion, bei Motorleistungen von über 10-30
kW, verfügen
jedoch nicht über
eine ausreichende Lagerstärke
im Wellenlager. Es gibt daher Pumpenausführungen, bei denen der Wellenzapfen
mit mindestens einem Zusatzlager ausgestattet ist.
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Damit
die internen Komponenten der Pumpeneinheit, wie das Laufrad, die
Wellendichtung usw. einfach ausgebaut werden können, ohne dass Leitungen oder
der Antriebsmotor auseinandergebaut werden müssen, kann das Pumpengehäuse entlang der
Pumpenwelle (axiale Teilung) oder quer zur Welle (radiale Teilung)
geteilt werden. In Verbindung mit einer radialen Teilung ist es
derzeit üblich,
eine Öffnung auf
der Seite des Antriebsmotors zu verwenden (so genannter "rückseitiger Auszug"). Der Ausbau wird ermöglicht,
indem zuerst ein Teil der Welle oder ein Teil (Distanzscheibe) der
erweiterten Wellenverbindung ausgebaut wird. In diesem Fall sind
die Teile von solch einer Länge,
dass die internen Komponenten herausgenommen werden können. Bei
dieser Art von Pumpeneinheit gibt es normalerweise eine oder mehrere
verwindungssteife, aber ansonsten elastische Wellenverbindungen,
um eine leichte Abweichung von einer exakt mittigen Aufstellung
der Kreiselpumpe und des Antriebsmotors zu gestatten. Wellenlager
können
dann gemäß dem obigen
Verfahren angeordnet werden, oder wenn eine der Wellenverbindungen
nur winkelelastisch ist, kann eines der Lager auf der Pumpenwelle
angeordnet werden, wobei die restliche Lagerfunktion über das
Antriebsmotorlager ausgeführt
werden kann.
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Gemäß der Erfindung
ist es ein Ziel der neuen Kreiselpumpe, mehrere Nachteile zu vermeiden, die
mit dem Stand der Technik verbunden sind.
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Gemäß der Erfindung
ist die Kreiselpumpe mit den Merkmalen von Anspruch 1 versehen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird eine drehbare Buchse zwischen mindestens einem der Lager und
mindestens einer der Wellendichtungen angeordnet, um jegliche Verluste
der Wellendichtung in die Pumpenumgebungen zu transportieren und/oder
abzulenken, wobei die Buchse den Nabenabschnitt des Laufrads in
zwei Kammern unterteilt, wobei die Kammer, in der sich die Lager
befinden, von dem gepumpten Fluid und/oder von jeglichem aus der
Wellendichtung auftretenden Fluid getrennt ist.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
ist eine Antriebswelle zur Übertragung
des Drehmoments vom Antriebsmotor zum Laufrad an einem Ende mit
mindestens zwei Berührungsflächen in
einer Ausnehmung in der Laufradnabe zur Aufnahme eines Wellenendes,
z. B. über
eine so genannte Nut- oder Keilwellenverbindung befestigt; wobei
die Antriebswelle am anderen Ende zur Verbindung mit der Welle des
Antriebsmotors über
eine Kupplung gefertigt ist. Die Kupplung kann aus einem ersten
Flansch, der an der Antriebswelle befestigt ist oder damit einstückig ausgebildet
ist, und einen zweiten an der Motorwelle befestigten oder einstückig mit
derselben ausgebildeten zweiten Flansch bestehen, wobei der erste
und der zweite Flansch über
Verbindungen von Schrauben und Muttern, durch Kleben, Abscherstifte oder
dergleichen miteinander verbindbar sind.
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Bei
den Lagern in der Lagereinrichtung befinden sich die entsprechenden äußeren Lagerlaufringkörper vorteilhafterweise
in der Laufradnabe und die entsprechenden inneren Lagerlaufringkörper sind mechanisch
mit dem Pumpengehäuse
verbunden.
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Vorteilhafterweise
befindet sich die Wellendichtung in einem ringförmigen Teil der Laufradnabe und
die entsprechenden äußeren Lagerlaufringkörper der
Lager können
auch über
das Laufrad an der Antriebswelle befestigt werden und zusammen damit drehbar
sein.
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Die
Welle der Kreiselpumpe ist vorzugsweise im Wesentlichen vertikal
angeordnet und der Antriebsmotor kann auf einem Gestell montiert
sein, das mit dem Pumpengehäuse
verbunden ist.
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Die
drehbare Buchse ist vorzugsweise mit Doppelwänden und/oder Schaufeln gestaltet,
welche derart ausgebildet sind, dass sie während der Drehung der Buchse
mit dem Laufrad eine Pumpwirkung erzeugen, um jegliches austretende
Fluid aus der Wellendichtung an der Kammer für die Wellendichtungseinrichtung
vorbei und in die Umgebungen der Pumpe hinaus zu befördern.
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Die
Erfindung wird im Folgenden detaillierter mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 einen
Querschnitt durch eine Pumpe darstellt; und 2 und 3 Abschnitte
zweier Varianten darstellen.
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Eines
der besonderen Merkmale der Erfindung ist, dass die Wellenlager 1, 1' und die Wellendichtung
sich in einem Laufrad 3 befinden, das keinen oder nur einen
minimalen Überhang
aufweist. Die Mittelachse des Laufrads wird durch die Referenzziffer 21 bezeichnet.
Die radialen Kräfte
und Momente, die auf das Laufrad einwirken, werden von den Lagern
aufgenommen, ohne dass Neigungs- oder Biegemomente mit begleitenden
Deformationen auftreten. Der Ausdruck L3/D4 ist praktisch gleich null. Die Wellenlager
sind daher mit Lagerlaufringen (Lagerflächen) ausgestattet, die in
mindestens einem Lager eine Funktion aufweisen, die mehreren voneinander
beabstandeten Lagern entsprechen. Die Lager können beispielsweise aus mehreren
ein- oder doppelwinkeligen Kontaktkugellagern gefertigt sein, konischen Kugellagern
oder so genannten Vierpunktlagern. Zumindest eine Wellendichtung 2 für das gepumpte
Medium befindet sich direkt neben oder in einer beschränkten Entfernung
zu einem der Lager 1, und ist davon durch eine drehbare
Teilungsbuchse oder -Pfanne 5 mit geringer Wanddicke getrennt.
Die Buchse 5 teilt einen Bereich in der Laufradnabe in zwei
getrennte Kammern 6, 7. Die axiale Ausrichtung der
Buchse 5 von der Wellendichtung 2 ist als Ergebnis
der Form oder der Drehung ausreichend groß, um jegliches austretende
Fluid von der Wellendichtungskammer 7 in die Umgebungen
der Pumpeneinheit 16 über
eine Öffnung 17 im
Pumpengehäuse
zu transportieren, wodurch vermieden wird, dass ausgetretenes Fluid
in die Kammer 6 eindringt, in der sich die Wellenlager 1,1' befinden. Auf
Grund des begrenzten Raums im Laufradnabenabschnitt für Lager
und Dichtungen wird eine Antriebswelle 8 bei der Übertragung
des Drehmoments auf das Laufrad 4 relativ stark belastet,
und sie ist an einem Ende mit dem Laufrad 3 über eine
positive Verbindung verbunden, indem zumindest zwei Befestigungsvorrichtungen oder
Wellenkeile verwendet werden, vorzugsweise mehrere davon in der
Form so genannter Keilwellen, die in der Zeichnung durch die Referenznummer 9 angegeben
sind. Die Antriebswelle 8 ist zweckmäßigerweise von den gepumpten
Fluid durch die Buchse 5 und zugehörige Teile 19 des
Laufradnabenabschnitts getrennt oder abgedichtet. Die Antriebswelle 8 ist
auch am anderen Ende dauerhaft mit dem Antriebsflansch 10, 10' verbunden oder
besteht damit aus einem Stück,
mit dem eine optionale flexible Wellenkupplung zur Übergabe
des Drehmoments verbunden werden kann. Der Laufradnabenabschnitt kann
auch als Lagerlaufringe 12,14; 12', 14' oder als Lagerschale
für die
Wellenlager 1, 1' ausgebildet sein,
die dann Kräfte
und Momente auf dem Laufrad 3 erzwingt, die sich von den
auf die Lager zu übertragenden
Drehmomente unterscheiden. Dies bedeutet wiederum, dass die Antriebswelle 8 nur
durch das Drehmoment belastet wird und die Gestaltung hierfür optimiert
werden kann. Werden die Wellenlager 1, 1' und die Wellendichtungen
im Laufrad angeordnet, führt
dies zu einer erheblichen Veränderung
in der Gesamtgröße und dem
Gewicht der Pumpeneinheit. Insbesondere bei vertikalen Pumpen, bei
denen der Antriebsmotor (nicht dargestellt) durch ein Gestell (nicht
dargestellt) gelagert wird, das sich auf oder direkt neben dem Pumpengehäuse der
Kreiselpumpe 15, 15', 15'', 15''' befindet, wird
die Gesamthöhe
der Einheit erheblich verringert. Dies führt zu einer Verringerung der
Größe und der
Gefahr normaler Motorvibrationen. Befinden sich die Pumpengehäuse auf einem
Schiff, verringert dies auch die Gefahr von Störbewegungen der Einheit auf
die Bewegung des Schiffes im Meer und Vibrationen, die durch das
Antriebssystem verursacht werden.
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Die äußeren Lagerringe
oder Lagerlaufringe 12, 12' der Wellenlager sind vorzugsweise
mit dem Laufrad 3 drehbar und befinden sich in der Laufradnabe 3'. Dies bietet
den Vorteil, dass nur statische Belastungen auftreten und somit
dynamischen Lasten nicht Ermüdungserscheinungen
verursachen können.
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Das
Lagereinrichtung befindet sich im Wesentlichen auch im Laufrad oder
in direkter Verbindung mit diesem Laufrad. Die axialen Ausdehnungen der
Lagereinrichtung sind daher in der Regel weniger oder annähernd gleich
groß wie
die gesamte axiale Länge
des Laufrads.
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Um
optimale Bedingungen hinsichtlich der Momente zu erzielen, wird
das Laufrad 3 zur Aufnahme der darauf wirkenden Kräfte durch
eine Lagereinrichtung gelagert, die normalerweise aus zwei axial benachbarten
Lagern 1, 1' besteht,
wobei die entsprechenden Lagerlaufringe (12, 12'; 14,14') der Lager
eine kennzeichnende Distanz a bilden, und der Mittelpunkt 4 auf
der Austrittskante 13 des Laufrades 3 axial gesehen
eine Position aufweist, die eine Distanz b vom Mittelpunkt zwischen
den Lagern 1, 1' und in
Richtung von oder vom Einlassende 20 der Pumpe aus aufweist,
wobei die Bedingung b ≤ 2a
erfüllt
sein muss.
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Für das konkrete
Wellenlager bildet die Breite des Lagers, d.h. die axialen Ausdehnungen
des Lagerrings oder mehrerer Lagerringe einen ersten Wert a1 für die kennzeichnende
Distanz a. Ein zweiter Wert a2 ist die Distanz zwischen den Kraftzentren 30, 30' auf der Mittelachse 21 der
Lagereinrichtung. Im Fall beispielsweise paarweise angebrachter,
einwinkeliger Kontaktkugellager in einer Baugruppe mit aufeinanderfolgenden
Komponenten, doppelwinkelige Kontaktkugellager und einem einwinkeligen
Kontaktkugellager des so genannten Vierpunkttyps, wird in den Katalogen
der Kugellagerhersteller der Wert a2 vergeben, und dieser Wert ist
in der Regel zwei oder drei mal größer als a1. Natürlich gelten
analoge Bedingungen für
konische Kugellager und ebenso für andere
Lagertypen. Die Distanz a, die für
die Erfindung kennzeichnend ist, ist der größte der Werte von a1 und a2.
Zweckmäßigerweise
ist die Lagereinrichtung aus Lagern des oben erwähnten Typs gefertigt, wobei
2a größer ist
als a1, damit die Biege- und Neigungsmomente in bestmöglicher
Weise absorbiert werden können.
Eine Ausführungsform
mit einer Distanz a1 kann für
einfachere Strukturen verwendet werden, wenn z. B. nur ein einstufiges
Kugellager verwendet wird.
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Formal
bildet die Distanz a1 eine Definition für die Distanz a in den Fällen, in
denen die Distanz a2 nicht definiert werden kann.
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Die
drehbare Buchse 5 ist zweckmäßigerweise zwischen mindestens
einem der Lager und mindestens der Wellendichtung 2 angeordnet,
um jeglichen Verlust von der Wellendichtung 2 in die Umgebungen 16 der
Pumpe zu transportieren und/oder abzulenken. Die Buchse 5 kann
zweckdienlicherweise den Laufradnabenabschnitt in zwei Kammern 6, 7 teilen,
wobei die Kammer 6, in der sich die Lager 1, 1' befinden, von
dem gepumpten Fluid und/oder jeglichem Fluid, das aus der Wellendichtung 2 austritt, getrennt
ist. Die Flanschverbindung 10, 10' zwischen den Wellen 8 und 18 kann
mit Hilfe einer Verbindung über
Schrauben und Muttern, Kleben oder mit Abscherstiften oder dergleichen
verbunden werden.
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Wie
aus der Zeichnung ersichtlich, sind bei den Lagern 1, 1' die entsprechenden äußeren Lagerlaufringkörper 12, 12' in der Laufradnabe 3' platziert, während die
entsprechenden inneren Lagerlaufringkörper 14, 14' der Lager mechanisch
mit dem Pumpengehäuse 15''' verbunden
sind. Es ist weiterhin ersichtlich, dass sich die ringförmige Wellendichtung 2 auf
dem ringförmigen
Teil 3'' der Laufradnabe
befindet. Darüber
hinaus ist ersichtlich, dass die äußeren Lagerlaufringkörper 12, 12' der Lager über das
Laufrad 3 mit der Antriebswelle 8 verbunden und
zusammen damit drehbar sind.
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Die
drehbare Buchse 5 kann doppelwandig ausgeführt sein
und/oder Schaufeln aufweisen, welche derart ausbildet sind, dass
sie während
der Drehung der Buchse 5 zusammen mit dem Laufrad 3 eine
Pumpwirkung erzeugen, um ausgetretenes Fluid zu befördern, das über die
Wellendichtung 2 nach der Kammer 6 der Wellenlagereinrichtung
und in die Umgebungen 16 der Pumpe über eine Öffnung 17 in das Pumpengehäuse ausgetreten
ist. Dies wird in 2 und 3 gezeigt.
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In 2 wird
gezeigt, wie die Buchse 5 ein Zusatzteil 22 in
Form eines umgebenden Buchsenteils aufweist, das radiale Bohrungen 23 aufweist.
In 3 ist die Buchse mit einem Schaufelring 24 ausgestaltet.