Axialschub-Ausgleichsvorrichtung für Flüssigkeitspumpe

Abstract

 In der fest mit dem Gehäuse (1) verbundener Büchse (5) sind Kanäle (51, 52) vorhanden, über die dem Spalt (56) zwischen Büchse (5) und Entlastungs­kolben (6) Arbeitsflüssigkeit zugeführt wird. Der Flüssig­keitsstrom (Q) teilt sich in der Mündung (53) zum Spalt (56) in zwei Stauströme (Q₁, Q₂) Der Staustrom (Q₂) ver­hindert das Eindringen von Arbeitsflüssigkeit mit Vorro­tation am pumpenradseitigen Ende des Spalts (56) voll­ständig. Damit wird die Neigung des Pumpenrotors zu Eigen­schwingungen im Grenzlastbereich vermindert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialschub-Ausgleichs­vorrichtung für eine Flüssigkeitspumpe, welche im wesent­lichen aus einer feststehenden Büchse und einem in dieser Büchse drehenden, mit der Pumpenradwelle fest verbundenen Entlastungskolben besteht.

[0002] Derartige Vorrichtungen werden in Flüssigkeitspumpen, ins­besondere in mehrstufigen Hochleistungs-Radialpumpen einge­setzt und haben den Zweck und die Aufgabe, grosse axiale Schubkräfte zu neutralisieren oder zu mindern. Eine derartige Vorrichtung besteht aus einem mit dem Pumpenlaufrad fest ver­bundenen, mitdrehenden Druckausgleichs- oder Entlastungskolben, der in einer feststehenden Büchse berührungsfrei läuft. Die Büch­se kann als eigener, fest mit dem Gehäuse verbundener Teil aber auch als direkt dem Pumpengehäuse angearbeiteter Teil, ausgebildet sein. Der Entlastungskolben selbst kann
als Teil der Pumpenrotorwelle ausgebildet oder als separater Teil mit der Rotorwelle starr verbunden sein. Die Axialschub-Ausgleichsvorrichtung ist in Richtung der sich folgenden Pumpenstufen der letzten Stufe nachge­ordnet.

[0003] Die Druckverhältnisse im Bereich der Axialschub-Ausgleichs­vorrichtung sind in der Flüssigkeit derart, dass im Be­triebszustand ständig Arbeitsflüssigkeit vom Pumpenrad-­Seitenraum zum und durch den Spalt zwischen Büchse und Entlastungskolben fliesst. Diese Flüssigkeit wird im Pumpenrad-Seitenraum in Rotation versetzt, deren Intensi­tät mit der Durchflussmenge durch den Spalt steigt. Das Arbeitsmedium tritt demnach mit einer Umfangskomponente in den Spalt ein. Diese Rotation des Arbeitsmittels kann die maximale Leistung der Pumpe störend beeinflussen, in­dem die Neigung des Rotors zu Eigenschwingungen zunimmt.

[0004] Bisher bekannte Lösungen versuchen die Rotationsbewegung des Arbeitsmittels im Pumpenrad-Seitenraum durch Schikanen wie Rippen, Nuten und ähnliches zu vermindern. Die pum­penradseitig in den Spalt eindringende Flüssigkeit hat aber immer eine, wenn auch verminderte Rotationskomponen­te, eine sogenannte Vorrotation.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, das pumpenradseitige Ein­dringen von Flüssigkeit mit Vorrotation in den Spalt voll­ständig zu unterbinden und dem Spalt vorrotationsfreie Flüssigkeit ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen zuzufüh­ren. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeich­net ist, löst diese Aufgabe mit Hilfe des fliessenden Teilstromes aus dem Spalt in den Pumpenrad-Seitenraum. Da dem Spalt über die Kanäle nur noch vorrotationsfreie Flüssigkeit zugeführt wird, ist die Rotationsbewegung der Flüssigkeit durch den Spalt in den vom Pumpenrad abgewen­dete Spaltraum herabgesetzt, was wiederum die Neigung des Pumpenrotors zu Eigenschwingungen im Grenzlastbereich verringert und damit bei gleichen Dimensionen der Pumpen­rotorwelle höhere Pumpenleistungen zulässt.

[0006] Besondere Vorteile bringt eine Vorrichtung nach der Er­findung für mehrstufige, schnellaufende Hochdruck-Radial­pumpen wie z.B. Kesselspeisepumpen.

[0007] Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0008] Die Figur zeigt schematisch im Schnitt einen Teil der letzten zwei Stufen einer Radialpumpe mit einer Axial­schub-Ausgleichsvorrichtung.

[0009] Der schematische Schnitt durch Gehäuse und Rotor der letzten zwei Stufen einer Radialpumpe zeigt das ein- oder mehrteilige, feststehende Pumpengehäuse 1 sowie die beiden Pumpenräder 2, 3, welches starr mit der Pumpenradwelle 4 verbunden sind. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit in den Kanälen 22, 23 der Pumpenräder 2, 3, in den Pumpen­rad-Nebenräumen 12, 21, 31 sowie in den Hauptstromkanälen 11 ist mit Pfeilen angezeigt. Die Axialschub-Ausgleichs­vorrichtung besteht aus der fest mit dem Gehäuse verbun­denen Büchse 5 und dem mit der Rotorwelle 4 starr ver­bundenen Entlastungskolben 6, der in der Büchse 5 dreht.

[0010] Die Büchse 5 weist Bohrungen 51 auf, von denen nur eine gezeigt ist, welche in eine Innennute 52 münden, die ihrerseits in den Spalt 56 zwischen Büchse 5 und Ent­lastungskolben 6 mündet. Auf der Aussenseite der Büchse 5 sind die Bohrungen in unserem Beispiel in der Ausnehmung 15 mit dem Radseitenraum 31 verbunden. Bei entsprechender Dimensionierung und Anordnung der Bohrungen 51 und Nute 52, der Aussen- und Innendurchmesser (D₂, D₁) der Büchse 5 so­wie des Aussendurchmessers (D₃) des Entlastungskolbens 6 sind die Strömungsverhältnisse in diesem Bereich wie mit den Pfeilen eingezeichnet. Die für einen bestimmten Pumpen­typ geeignete Ausführung der Erfindung kann von einem Pum­penfachmann problemlos bestimmt werden.

[0011] Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Anordnung der Kanäle 51 und 52 in der Büchse 5 ist die folgende:

[0012] Im Betrieb fliesst die Arbeitsflüssigkeit in einem Neben­strom vom Pumpenrad 32 in den Radseitenraum 31. Beim Fehlen der in unserem Beispiel gezeigten Ausnehmung 15, Kanäle 51 und Nute 52 fliesst die Arbeitsflüssigkeit im Pumpenrad-­Seitenraum 31 radial zur pumpenradseitigen Oeffnung des Spalts 56 zwischen Büchse 5 und Entlastungskolben 6 der Axialschub-Ausgleichsvorrichtung 5, 6. Die Arbeitsflüssig­keit erfährt dabei im Radseitenraum 31 eine Rotationsbe­wegung in Drehrichtung des Pumpenrads 3, eine sogenannte Vor rotation. Die Vorrotation wird um so kräftiger, je grösser die Flüssigkeitsmenge, die zum Spalt 56 fliesst, ist.

[0013] Im gezeigten Beispiel wird nun das Zufliessen von Arbeits­flüssigkeit mit Vorrotation zum pumpenradseitigen Ende des Spaltes 56 dadurch vollständig eliminiert, dass über die
Radialbohrungen 51 und Nute 52 vor­rotationsfreie Arbeitsflüssigkeit dem Spalt 56 zwischen den beiden Spaltenden zugeführt wird. Ein Teil der durch Bohrungen 51 und Nute 52 strömenden Flüssigkeit (Q₂) fliesst über den Spalt 56 in den Pumpenrad-Seitenraum zu­rück und bewirkt damit eine vollständige Sperrwirkung, so dass keine Flüssigkeit mit Vorrotation in den Spalt 56 eindringen kann. Da es Ziel der Erfindung ist, die Rotation der Flüssigkeit im Spalt 56 zu reduzieren, ist es auch denkbar, dass die Bohrungen 51 nicht Radialbohrungen, son­dern gegen die Drehrichtung der Pumpe gerichtet angeordnet sind, womit zusätzlich die im Spalt 56 erfolgende Rotation der Arbeitsflüssigkeit vermindert wird.

[0014] Die Nute 52 hat die Aufgabe, die Arbeitsflüssigkeit über den Umfang des Ausgleichskolbens 6 dem Spalt 56 gleich­mässig zuzuführen und damit über den Umfang gesehen, mög­lichst ausgeglichene Druckverhältnisse zu schaffen. Es ist aber auch denkbar, dass die Nute 52 vollständig fehlt und die Bohrungen 51 direkt in den Spalt 56 münden.

[0015] Im Beispiel wird die Arbeitsflüssigkeit den Bohrungen 51 über die Ausnehmung 15 zugeführt. Es ist aber auch denkbar, dass die Ausnehmung 15 fehlt und die Bohrungen 51 direkt durch hier nicht gezeichnete seitliche Bohrung in der Büch­se 5 oder Schrägbohrungen im Gehäuse 1 mit dem Pumpenrad-­Seitenraum 31 verbunden sind.

[0016] Die Strömung über Ausnehmung 15, Bohrungen 51 und Nute 52 zum Spalt 56 und teilweise wieder zurück zum pumpenradsei­tigen Spaltende in den Pumpenrad-Nebenraum 31 kommt wie folgt zustande:

[0017] Die Rotation des Pumpenrades 3 erzeugt im Radseitenraum 31 eine Rotationsströmung der Arbeitsflüssigkeit und damit einen nach aussen gerichteten radialen Druckgradienten. Die Verhältnisse müssen nun so gewählt werden, dass im Be­triebszustand der radiale Druckunterschied im Seitenraum 31 zwischen Büchsenaussen- und Innendurchmesser (D₂, D₁) grösser ist, als der Druckverlust in den Bohrungen 51 und Nute 52 bei einer Durchflussmenge (Q₁) allein, d.h. jenem Teil der Strömung (Q), der im Spalt 56 zum dem Pumpenrad abgekehrten Ende des Spalts 56 fliesst. Wenn diese Be­dingung erfüllt ist, fliesst von der Mündung zum pumpen­radseitigen Spaltende in den Radseitenraum 31 ein Staustrom (Q₂), der gleichzeitig das Eindringen von Arbeitsflüssig­keit mit Vorrotation in den Spalt 56 vollständig verhin­dert.

[0018] Günstige Verhältnisse in einer schnellaufenden, mehrstufi­gen Hochdruckradialpumpe erreicht man beispielsweise, wenn das Verhältnis von Aussen- zu Innendurchmesser der Büchse (D₂/D₁) kleiner oder gleich 1,25 ist, und die Summe der Querschnitte der Radialbohrungen 51 mindestens dreimal grösser als der Querschnitt des Spaltes 56 ist, und wenn die Radialbohrungen 51 im Abstand von nur einigen Milli­metern, nahe der Stirnfläche 50 angebracht sind.

Ansprüche

1. Axialschub-Ausgleichsvorrichtung für eine Flüssigkeits­pumpe, welche im wesentlichen aus einer feststehenden Büchse und einem in dieser Büchse drehenden, mit der Pumpenradwelle fest verbundenen Entlastungskolben be­steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Büchse (5) Kanäle (51, 52) zur Führung einer in Rich­tung Entlastungskolben (6) gerichteten Strömung (Q) von Arbeitsflüssigkeit aus dem an die Axialschub-Ausgleichs­vorrichtung grenzenden Radseitenraum (31) aufweist, welche sich in der Mündung (53) der Kanäle in den Spalt (56) zwischen Büchse (5) und Entlastungskolben (6) in zu den beiden Spaltenden gerichtete Strömungen (Q₁, Q₂) teilt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle in der Büchse Bohrungen (51) im Büchsen­mantel sind, welche gleichmässig über den Umfang der Büchse (5) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (51) in der Büchse gleichmässig ange­ordnete Bohrungen im Büchsenmantel (5) und eine Nute (52) sind, wobei die Bohrungen (51) in die Nute (52) münden, die ihrerseits in den Spaltraum (56) mün­det.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­net, dass die Bohrungen (51) im Mantel der Büchse (5) Radialbohrungen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­zeichnet, dass die Bohrungen (51) in einem Winkel gegen den Drehsinn der Pumpenradwelle (4) gerichtet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrie­achsen der Bohrungen (51) in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Achse der Pumpenradwelle (4) steht und die Nute einer Umfangsnute (52) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­net, dass der Quotient von äusserem und innerem Durchmesser der Büchse (D₁/D₂) grösser oder gleich 1,25 und das Verhältnis der Summe der Bohrungsquerschnitte zum Spalt­querschnitt grösser oder gleich 3 ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­net, dass die Büchse (5) 24 gleichmässig über den Büchsen­umfang im Radialwinkelabstand von 15° angeordnete Ra­dialbohrungen (51) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­kennzeichnet, dass die Kanäle (51, 52) in der Nähe der pumpenradseitigen Stirnfläche (50) der Büchse (5) an­geordnet sind.

10. Verwendung einer Axialschub-Ausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer mehrstufigen, schnellaufenden Flüssigkeits-Hochdruckradialpumpe.

Zeichnung