EP1305525B1

EP1305525B1 - Axialschubausgleichseinrichtung

Info

Publication number: EP1305525B1
Application number: EP01984492A
Authority: EP
Inventors: Stephan Bross; Rüdiger KÖPP
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: EP1305525A1; DE50110632D1; ATE335134T1; DE10038586A1; WO2002012728A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialschubausgleichseinrichtung, bestehend aus einem mit einer Welle rotierenden Entlastungskolben, mit einer am Außenumfang des Entlastungskolbens angeordneten Nut und einem darin angeordneten Ringelement, wobei das Ringelement mit geringem Axialspiel bei Bildung eines Spaltes zwischen seinen axialen Stirnseiten und den diesen gegenüberliegenden seitlichen Begrenzungswänden in der Nut verschieblich angeordnet und der Entlastungskolben in einer Öffnung eines Gehäuses geführt ist. Eine solche Axialschubansgleicheinrichtung ist bekannt aus der EP-4-0 667 456.
In dem KSB-Kreiselpumpen-Lexikon, aktualisierte 3. Auflage, 1989, wird ab Seite 32 der Ausgleich eines Axialschubes bei Kreiselpumpen behandelt. Neben den verschiedenen Möglichkeiten der Axialschubentlastung werden auf Seite 36 in den Bildern 12 und 13 Entlastungseinrichtungen mit Entlastungskolben gezeigt und im zugehörigen Text beschrieben. Nachteilig bei solchen Entlastungskolben ist der durch die Abführung eines Entlastungsstromes bedingte Wirkungsgradabfall einer solchermaßen ausgestatteten Kreiselpumpe, der durch die relativ großen Spaltweiten der bekannten Entlastungseinrichtungen mit Entlastungskolben verursacht wird.
In dem Prospekt der Firma Ahlstrom Pumps "High Pressure Multistage Pumps Type HPP, Prospekt Nr. P009 e (1) 1500 10.96/TM" ist ein Entlastungskolben gezeigt, der gleichzeitig die Funktion eines radialen Gleitlagers besitzt. Die im Gehäuse angeordnete Lagerbuchse besteht aus Siliziumkarbid. Ebenfalls aus Siliziumkarbid besteht die am Entlastungskolben befestigte Lagerhülse. Solche Lagerpaarungen aus Siliziumcarbid erlauben zwar geringe Spaltweiten, es fließt aber dennoch ein hoher, zur Saugseite der Pumpe zurückgeführter Spaltstrom durch die Entlastungseinrichtung. Zur Kompensation von Wärmedehnungen der Lagerbuchse und der rotierenden Lagerhülse dienen O-Ringe, mit deren Hilfe die beiden Bauteile elastisch nachgiebig befestigt sind.
Eine Entlastungseinrichtung in Form eines Doppelkolbens zeigt die Lösung gemäß der US-A 2 221 225. Deren Doppelkolben ist mehrteilig ausgebildet, wobei zwischen zwei flanschartig gestalteten Außenteilen ein Ringelement mit gestuften Außendurchmessern axial verschieblich angeordnet ist. Dieses als Leckage-Kontrollring bezeichnete Ringelement ist während des normalen Betriebes nicht rotierend angeordnet. Die Rotation während des Normalbetriebes verhindert ein Dichtungsmittel nach Art eines Kolbenringes. Solche schmalen Kolbenringe bestehen gewöhnlich aus Federstahl und werden entgegen der Federwirkung zusammengedrückt, um sich dann im Einbauzustand unter Federeinwirkung aufzuweiten und ständig unter Federkraft an einer zylindrischen Wandfläche anzuliegen. Der Kolbenring muß also mit einer sehr engen Passung in der Wandung des den Stufenkolben bildenden Leckage-Kontrollring angeordnet sein, damit er dessen Rotation verhindert. Der Leckage-Kontrollring führt zum Ausgleich des Axialschubes nur leichte Verschiebebewegungen in axialer Richtung aus. Dadurch bedingte Änderungen der Spaltweiten zwischen den Stirnseiten des Leckage-Kontrollringes und der ihn haltenden flanschartigen Außenteile bewirken den Ausgleich des Axialschubes durch Steuerung der Durchflußmenge und des sich im Bereich der stimseitigen Spalte einstellenden Druckes. Nur in Ausnahmesituationen, bei extremen axialen Belastungen, rotiert der Leckage-Kontrollring mit den anderen Bauteilen dieser Doppelkolben-Entlastungseinrichtung. Der in dieser Schrift genannte Vorteil der Reduzierung der Entlastungswassermenge auf ein 1/3 bis 1/4 ist nicht ausschließlich durch das zusätzliche Dichtungsmittel in Form eines Kolbenringes bedingt. Der zitierte Vergleich ist im übrigen unangemessen, da die Entlastungswassermenge des Doppelkolbens mit der Entlastungsmenge eines Einfachkolbens verglichen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entlastungseinrichtung mit einem Entlastungskolben für eine hydraulische Strömungsmaschine zu schaffen, welche gegenüber den Einrichtungen mit einem üblichen Entlastungskolben eine Verringerung des Entlastungsstromes und somit eine Steigerung des Wirkungsgrades eines damit ausgerüsteten Aggregates erbringt.
Die Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß das Ringelement durch einen Spalt aufgetrennt ist und daß eine zwischen den axialen Stirnseiten des Ringelementes anstehende Druckdifferenz das Ringelement aufweitet und in der Öffnung dichtend festlegt. Begünstigt wird dies, wenn der Spalt zwischen axialen Stimflächen des Ringelementes eine fluidführende Verbindung minimaler Weite bildet.
Der Entlastungskolben weist eine umlaufende Nut auf, in die das durch einen Spalt aufgetrennte Ringelement eingesetzt wird. Dies ist durch die elastischen Ringeigenschaften möglich. Der Außendurchmesser des Ringelementes ist geringfügig größer als der Bohrungsdurchmesser der Gehäuseöffnung, in die der Ausgleichskolben eingeführt wird. Bei der Montage des Kolbens wird der Ring leicht zusammengedrückt, so daß die äußere Ringmantelfläche im Einbauzustand unter leichter Vorspannung an der Bohrungswand anliegt.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung ergibt sich der Vorteil, daß bei einer am Ringelement anstehenden Druckdifferenz ein Teil des höheren Druckes in dem Raum zwischen Ringelement und Entlastungskolben wirkt und das Ringelement gegen die umgebende Öffnung andrückt. Dadurch wird das Ringelement in der Öffnung dichtend festgelegt, so daß während des Betriebes nur der Entlastungskolben rotiert. Der bei den bekannten Ausführungen durchströmte ringförmige Spaltquerschnitt zwischen dem Entlastungskolben und der Öffnung des Gehäuses wird nun durch das in der Öffnung anliegende Ringelement versperrt. Der Querschnitt des verbleibenden, das Ringelement auftrennenden Spalts ist um ein Vielfaches kleiner als der kreisringförmige Spalt eines herkömmlichen Entlastungskolben. Ein Spaltstrom fließt jetzt nur noch durch den Spalt im Ringelement selbst und durch die Ringspalte, die zwischen den axialen Stimflächen des Ringelementes und den gegenüberliegenden seitlichen Begrenzungswänden der Nut bestehen. Hier findet vornehmlich die Drosselung des Spaltvolumenstromes statt.
Durch die unterschiedlichen Drücke, die in den Ringspalten zwischen den axialen Stirnflächen des Ringelementes und den gegenüberliegenden seitlichen Begrenzungswänden der Nut zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite bestehen, entsteht eine auf das Ringelement wirkende Axialkraft. Diese Axialkraft verschiebt das Ringelement in Richtung Saugseite, wodurch die Weite des dortigen Ringspaltes reduziert und dessen Drosselwirkung erhöht wird.
Das tribologische Verhalten ist abhängig von der gewählten Werkstoffpaarung zwischen Ringelement und Entlastungskolben sowie von der resultierenden Axialkraft, die die Stirnseite des Ringelementes gegen die Nutflanke des Kolben drückt. Bei geeigneter Wahl der Ringgeometrie (Verhältnis der Ringlänge I zum inneren bzw. äußeren Ringdurchmesser d_i bzw. d_a) ist es möglich, die resultierende Axialkraft F_ax so weit zu reduzieren, daß die spaltvermindernde Drosselwirkung erhalten bleibt, ohne daß zwischen Ringstirn- und Nutflankenfläche Abrieb durch Mischreibung entsteht, daß also ein hydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut wird und erhalten bleibt. Aufgrund der wirkenden Kräfteverhältnisse ist das Ringelement selbsteinstellend. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Teil der Axialkraft durch die Haftreibungskraft, die durch das Anpressen der äußeren Ringmantelfläche an die Bohrungsinnenwand entsteht, unter Berücksichtigung des vorhandenen Haftreibungskoeffizienten µ, kompensiert wird.
Dies ist gegeben, wenn die Ringelementgeometrie gemäß der Formel $\frac{1}{4} (\frac{d_{a}^{2}}{d_{i}^{2}} - 1) < μ \cdot \frac{l}{d_{i}} < \frac{1}{2} (\frac{d_{a}^{2}}{d_{i}^{2}} - 1)$

gewählt wird.
Der Aufbau und der Erhalt des hydrodynamischen Schmierfilms wird durch in die Stirnoberfläche eingebrachte regelmäßige oder unregelmäßige Strukturen (Rillen, Nuten, Vertiefungen) begünstigt. Längsbohrungen, die die axialen Stimflächen verbinden, erhöhen die Schmierfilmbildung und verbessern die selbsteinstellende Wirkung des Ringelementes.
Durch das Ringelement, welches die äußere Umfangsfläche des Entlastungskolbens bildet und welches sich unter der Wirkung eines auf die innere Umfangsfläche einwirkenden Druckes radial nach außen aufweitet und dabei gleichzeitig den niederdruckseitg wirkenden radialen Drosselspalt minimiert, ergibt sich gegenüber den bekannten Ausführungen von Axialschubausgleichseinrichtungen mit massiven Entlastungskolben eine Reduzierung der Entlastungswassermenge auf weniger als 1% der bisherigen Entlastungswassermenge.
Praktische Versuche haben ergeben, daß durch eine solche Ausbildung eines Entlastungskolbens einer Axialschubausgleichseinrichtung eine derart deutliche Reduzierung der Entlastungswassermenge auftritt, daß, je nach Anteil des ursprünglichen Entlastungswasserstromes am Hauptvolumenstrom, Wirkungsgradsteigerungen von mehr als 5% erzielt wurden.
Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich durch eine einfachere Fertigung, da gegenüber den bisherigen Bearbeitungstoleranzen von Entlastungskolben und zugehöriger Buchse eine Entfeinerung und somit eine Reduzierung der Fertigungszeit möglich ist.
Der in einem Ringelement angeordnete Spalt weist nach einer Ausgestaltung der Erfindung eine die Spaltlänge vergrößernde Verlaufsform auf. Bei einer Draufsicht auf eine Abwicklung von der Oberfläche eines Ringelementes verläuft der Spalt nicht geradlinig auf kürzestem Wege zwischen den Stirnseiten, sondem er weist einen schrägen, einen wellenförmigen, einen gebogenen einen mäanderförmigen, einen zickzackförmigen oder einen beliebigen anderen, von einer Geraden abweichenden Verlauf auf. Eine solche Form des Spaltes erlaubt eine Beeinflussung der drosselnden Wirkung innerhalb des Spaltes.
Um die drosselnde Wirkung des Spaltes noch zu steigern, kann in den Spalt ein Abstandshalter aus elastischem Material eingefügt werden. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann aber auch der den Ring auftrennende Spalt nach der Montage in die Kolbennut durch Einbringen eines elastisch verformbaren Materials dichtend verschlossen werden. Dabei ist zu beachten, daß die Möglichkeit der Ringaufweitung durch den anstehenden Druck durch eine solche Maßnahme nicht beeinträchtigt werden darf.
Die Ausführungsformen sind nicht auf rechteckige Ringquerschnitte beschränkt. Vielmehr gilt die Wirkungsweise auch für Winkel- oder Trapezringausführungen.
Die gleiche Wirkung wird durch eine Serienanordnung mehrerer Ringe erreicht. Eine integrierte Serienanordnung ergibt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß der Nutgrund und die Ringinnenkontur durch gerade oder anders geformte Einstiche ausgebildet sind und somit miteinander verbundene Einzelringe darstellen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt die

Fig. 1: einen Ausschnitt aus einer Strömungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Axialschubausgleichseinrichtung;
Fig. 2 bis 5: erfindungsgemäße Ringelemente mit verschiedenen Spaltformen;
Fig. 6 und 7: ein erfindungsgemäßes Ringelement mit axialen Bohrungen;
Fig. 8 und 9: eine weitere Alternative des erfindungsgemäßen Ringelementes.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Strömungsmaschine handelt es sich um eine mehrstufige Kreiselpumpe. Erkennbar ist der die Axialschubausgleichseinrichtung umschließende Teil des Pumpengehäuses 1 mit seinem Druckstutzen 2. Zu sehen sind auch die Laufräder 3 der beiden letzten Pumpenstufen. Die Laufräder 3 sind auf einer Welle 4 angeordnet, die neben verschiedenen weiteren Elementen als rotierenden Teil der Axialschubausgleichseinrichtung einen Entlastungskolben 5 trägt. Der feststehende Teil der Axialschubausgleichseinrichtung, eine den Entlastungskolben 5 umschließende Büchse 6, ist im Pumpengehäuse 1 angeordnet.
Ein wesentlicher Teil des Entlastungskolbens 5 wird durch ein Ringelement 7 gebildet, welches am Umfang des Entlastungskolbens 5 in einer Nut 8 so angeordnet ist, daß es sich innerhalb der Nut 8 in einem geringen Maße axial verschieben und in radialer Richtung zu dehnen vermag. Eine solche Dehnung wird ermöglicht durch einen das Ringelement 7 auftrennenden Spalt 9. Der axial bewegliche Entlastungskolben 5 trennt einen im Pumpeninneren gelegenen Raum 10, der einen höheren Druck besitzt, von einem äußeren Raum 11, der einen geringeren Druck besitzt.
In den Fig. 2 und 3 ist ein Ringelement 7 in seiner einfachsten Ausführung in zwei Ansichten dargestellt. Hier besitzt das Ringelement 7 einen gerade verlaufenden Spalt 9. Der Spalt 9 erlaubt es, das Ringelement 7 um ein solches Maß aufzuweiten, daß es über den Rand des Entlastungskolbens 5 geschoben werden kann, bis es schließlich in die Nut 8 einrastet. Der Spalt 9 stellt eine gedrosselte Verbindung zwischen den Räumen 10 und 11 dar. Da das Ringelement 7 durch die zwischen den Räumen 10 und 11 anstehende, über den Spalt zwischen dem Ringelement 7 und der dieses aufnehmenden Nut 8 wirkende Druckdifferenz aufgeweitet wird, legt es sich dichtend an die Innenwand der Büchse 6 an. Somit verbleiben einem zwischen den Räumen 10 und 11 fließenden Leckstrom nur noch zwei Wege mit einer insgesamt geringen Weite. Dies sind der Spalt 9 im Ringelement 7 und der Spalt zwischen dem Ringelement 7 und der Nut 8.
Der zwischen den Stirnflächen des Ringelementes 7 und den seitlichen Begrenzungswänden der Nut 8 gelegene Spalt wird aufgrund des im Raum 10 herrschenden höheren Druckes in Richtung des Raumes 11 verschoben, wodurch sich der auf der Seite geringeren Druckes gelegene Spaltbereich verengt, also den Leckstrom vermindert.
Zu einer auf die Optimierung des tribologischen Verhaltens zielenden Bemessung des Ringelementes und der dieses aufnehmenden Nut werden weiter oben genaue Angaben gemacht.
Auch der das Ringelement auftrennende Spalt läßt sich im Sinne einer Verminderung der Leckage weiter verbessern. Die Fig. 4 und 5 zeigen Beispiele hierfür. Sowohl der wellenförmig verlaufende Spalt 12 im Ringelement 13 der Fig. 4 als auch der mäandemde Spalt 14 im Ringelement 15 der Fig. 5 vergrößern die für die Drosselung verfügbare Spaltlänge und damit die Drosselwirkung. Im übrigen ergibt sich eine zusätzliche Drosselwirkung durch die innerhalb eines Spaltes 12 bzw. 14 erfolgende Umlenkung des Leckstroms. Neben den dargestellten Spaltformen sind auch andere Ausführungen, wie ein gezackter Spaltverlauf oder beliebige Kombinationen verschiedener Linienführungen, möglich.
In den Fig. 6 und 7 ist als Alternative ein Ringelement 16 dargestellt, welches mit axial verlaufenden Bohrungen 17 versehen ist. Die Bohrungen 17 leiten Flüssigkeit von der Seite höheren Druckes auf die Seite geringeren Druckes des Ringelementes 16. Die an der dortigen Stirnseite austretende Flüssigkeit wirkt als Schmierfilm zwischen dieser Stirnseite und der benachbarten - hier nicht dargestellten - Nutwand.
In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere alternative Gestaltung des Ringelementes dargestellt. Dieses Ringelement 18 ist mit Einstichen 19 versehen, in welche ringförmigen Erhebungen innerhalb der Nut des Ringelementes eingreifen (nicht dargestellt).
In der Zeichnung nicht dargestellt sind solche Ausführungen, bei denen der das Ringelement auftrennende Spalt durch ein zusätzlich einzubringendes Dichtmittel verschlossen wird. Ein solches Dichtmittel kann z.B. durch eine flexible Einlage im Spalt gebildet werden, welches bei der Einbringung des Ringelementes in das Gehäuse bzw. die dort angebrachte Büchse kurzzeitig verdichtet wird, um nach der folgenden Aufweitung des Ringelementes den Spalt auszufüllen. Es kann aber auch ein nach der Montage des Ringelementes in den Spalt eingebrachtes, bei der Verarbeitung fließfähiges Dichtmittel sein, welches den Spalt im Betriebszustand ausfüllt.

Claims

Axialschubausgleichseinrichtung, bestehend aus einem mit einer Welle rotierenden Entlastungskolben (5), mit einer am Außenumfang des Entlastungskolbens angeordneten Nut (8) und einem darin angeordneten Ringelement (7),
wobei das Ringelement (7) mit geringem Axialspiel bei Bildung eines Spaltes zwischen seinen axialen Stirnseiten und den diesen gegenüberliegenden seitlichen Begrenzungswänden in der Nut (8) verschieblich angeordnet und der Entlastungskolben (5) in einer Öffnung eines Gehäuses geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (7; 13; 15; 16; 18) durch einen Spalt (9; 12; 14) aufgetrennt ist, wobei eine zwischen den axialen Stirnseiten des Ringelementes (7; 13; 15; 16; 18) anstehende Druckdifferenz das Ringelement (7; 13; 15; 16; 18) elastisch nachgiebig aufweitet und dichtend an die Innenwand der Öffnung anlegt.
Axialschubausgleichseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der das Ringelement (7; 13; 15; 16; 18) auftrennende Spalt (9; 12; 14) eine fluidführende, druckübertragende Verbindung zwischen den Stirnseiten des Ringelementes (7; 13; 15; 16; 18) bildet.
Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Abmessungen des Ringelementes (7; 13; 15; 16; 18) der Bedingung $\frac{1}{4} (\frac{d_{a}^{2}}{d_{i}^{2}} - 1) < μ \cdot \frac{l}{d_{i}} < \frac{1}{2} (\frac{d_{a}^{2}}{d_{i}^{2}} - 1)$

genügen, wobei
d_a der äußere Durchmesser des Ringelementes,

d_i der innere Durchmesser des Ringelementes,

µ der Haftreibungskoeffizient und

l die Länge des Ringelementes ist.
Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der niederdruckseitige radial durchflossene Dichtspalt durch die hier wirkende resultierende Axialkraft auf einen Minimalwert eingestellt wird.
Axialschubausgleichseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der druckübertragende Spalt (9; 12; 14) eine die Spaltlänge vergrößernde Verlaufsform aufweist.
Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement mit axialen, die Stirnseiten verbindenden Bohrungen (17) versehen ist.
Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den das Ringelement (7; 13; 15; 16; 18) auftrennenden Spalt (9; 12; 14) ein Dichtmittel eingefügt ist.
Axialschubausgleichseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dichtstreifen aus einem elastisch nachgiebigen Material in den Spalt (9; 12; 14) eingefügt ist.
Axialschubausgleichseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein während seiner Verarbeitung fließfähiges, den Spalt (9; 12; 14) im Betriebszustand verschließendes Dichtmittel eingefügt ist.
Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen des Ringelementes (7; 13; 15; 16; 18) mit einer Profilierung oder mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Strukturen, wie Rillen, Nuten oder Vertiefungen, versehen sind.
Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringelement (7; 13; 15; 16; 18) oder Teile hiervon aus einem druckfesten elastischen Material bestehen.
Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement einen von der rechteckigen Form abweichenden Querschnitt, wie eine Winkel- oder Trapezform, besitzt.
Axialschubausgleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Nutgrund und die Innenkontur des Ringelementes (7; 13; 15; 16; 18) durch gerade oder anders geformte Einstiche (19) ausgebildet sind.