Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum vollständigen Ausgleich des Axialschubs bei Kreiselpumpen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für den hydraulischen Axialschubausgleich bei Kreiselpumpen stehen dem Fachmann sehr unterschiedliche Maßnahmen und Elemente zur Verfügung. Neben dem Axialschubausgleich mit einer Entlastungseinrichtung, die im wesentlichen aus einer Entlastungsscheibe mit Gegenscheibe, einem Entlastungskolben oder einem Doppelkolben besteht, sind auch solche Einrichtungen zum Ausgleich bzw. zur Absenkung des Axialschubes geläufig, die mit Hilfe einer drosselnden Wirkung (druckseitiger Dichtring in Kombination mit Entlastungsbohrungen) oder einer dynamischen Wirkung (Rückenschaufeln am Laufrad oder Entlastungsbohrungen allein) am einzelnen Laufrad zustande kommen (vgl. KSB Kreiselpumpenlexikon, 3. Auflage, 1989, Seite 32 bis 37).
Die bekannten Einrichtungen für den hydraulischen Axialschubausgleich sind, soweit ihre Wirkung von einem Druckunterschied zwischen der Pumpensaug- und der -druckseite abhängig ist, nur so lange zu einer einwandfreien Arbeit imstande, wie eine ausreichende Druckdifferenz zur Verfügung steht. Dies gilt vor allem bei einstufigen, spezifisch schnelläufigen Pumpen, denen infolge geringer Förderhöhen nur geringe Druckdifferenzen zum Ausgleich der Axialkräfte zur Verfügung stehen. Wird nämlich die Förderhöhe mit steigendem Förderstrom immer geringer, so kann es bereits unterhalb einer maximal möglichen Förderhöhe zu einem Anstreifen des Laufrades an einem feststehenden Teil der Kreiselpumpe kommen.
Um die Ursache dieses Problems zu erfassen, sei kurz auf die Wirkungsweise eines hydraulischen Axialschubausgleichs eingegangen. Beispielhaft ist hier ein Ausgleich durch einen Entlastungskolben, dessen Funktion auch von dem Laufrad einer Kreiselpumpe übernommen werden kann:
Der hydraulische Axialschubausgleich beruht im wesentlichen darauf, daß die Kraft, die auf einer Seite des Ausgleichkolbens wirkt, in einem bestimmten Betriebspunkt der Kreiselpumpe praktisch konstant bleibt, während die auf die andere Seite des Ausgleichkolbens wirkende Kraft durch axiale Verstellung des Kolbens verändert wird. Diese Veränderung wird dadurch erzeugt, daß der auf dem Ausgleichkolben lastende Druck durch eine von seiner axialen Stellung abhängige Drosselung in einem veränderlichen Spalt variiert wird. Weil aber die Drosselwirkung in Spalten sehr stark von der zur Verfügung stehenden Druckdifferenz abhängig ist, wird bei kleinen Druckdifferenzen die Regelung immer schlechter. Da die Druckdifferenz am Drosselspalt der Förderhöhe der Pumpe proportional ist, treten die genannten Probleme vor allem im Überlastbereich, also oberhalb einer optimalen Fördermenge auf.
Um einen vollständigen Ausgleich des Axialschubs zu erreichen, bedarf eine solchermaßen gefährdete Kreiselpumpe einer zweiten Einrichtung, die den von der ersten, hydraulisch wirkenden Einrichtung nicht bewältigten Axialschub aufnimmt. Dies geschieht bei bekannten Einrichtungen zum vollständigen Ausgleich des Axialschubs durch ein Axiallager, das auch als Notlager bezeichnet wird. Wesentlicher Nachteil dieses zusätzlich aufzuwendenden Teils ist der durch berührende Wirkung verursachte Verschleiß, der eine Überwachung und temporären Ersatz notwendig macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, die ohne ein berührend wirkendes Lager auskommt.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale.
Die Unteransprüche nennen vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird neben einen in bekannter Weise arbeitenden, hydraulischen Axialschubausgleich ein zweites, ebenfalls hydraulisch wirkendes Ausgleichssystem gesetzt, das nicht auf die Pumpenförderhöhe als Wirkkraft angewiesen und daher in der Lage ist, bei kleinen Pumpenförderhöhen selbständig einen vollständigen Ausgleich der Axialkräfte zu erreichen.
Die Druckerhöhung im druckseitigen Seitenraum des Laufrades kann auf unterschiedliche Weise bewerkstelligt werden. Unter der Voraussetzung, daß die saugseitig zwischen Dichtring und Außendurchmesser des Laufrades gebildete Ringfläche kleiner ist als die auf der Druckseite zur Verfügung stehende Fläche, kann bereits eine durch die Oberflächenrauhigkeit des Laufrads verursachte Förderung eine entsprechende Druckerhöhung bewirken. Diese Wirkung läßt sich noch steigern, wenn die Rauhigkeit der saugseitigen Laufradwand geringer ist als die der druckseitigen Laufradwand. Vor allem aber vermögen Rückenschaufeln oder ähnliche Fördermittel die notwendige Drucksteigerung ohne weiteres zu erzielen.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Hierbei wird ausgegangen von der Schilderung einer bekannten Einrichtung zum Ausgleich des Axialschubs, die in der Fig. 3 in einer Schnittdarstellung einer Kreiselpumpe zu sehen ist. Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm der verschiedenen auf die Seitenwände des Laufrads dieser Pumpe wirkenden Kräfte in Abhängigkeit des Regelspaltes.
Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zum hydraulischen Ausgleich des Axialschubes im Zusammenhang mit einer ausschnittsweise dargestellten Kreiselpumpe. Ein diesem Axialschubausgleich entsprechendes Diagramm ist in der Fig. 2 dargestellt.
Die in der Fig. 3 dargestellte Kreiselpumpe mit einer Axialschubausgleichseinrichtung bekannter Bauart besitzt ein in einem Gehäuse (1) angeordnetes Laufrad (2). Zwischen dem Gehäuse (1) und dem Laufrad (2) werden zwei dem Axialschubausgleich dienende Spalte S₁ und S₂ gebildet. Die Weite des Spaltes S₁ ändert sich mit der axialen Stellung des Laufrades (2), die Weite des Spaltes S₂ bleibt auch bei einer Verschiebung des Laufrades 2 konstant.
Durch das Gehäuse (1), das Laufrad (2) und die Spalte S₁ und S₂ werden verschiedene, voneinander zu unterscheidende Räume gebildet: ein vor dem Laufrad (2) gelegener Raum (3), in dem ein Druck P₁ herrscht; ein hinter dem Laufrad (2) gelegener Raum (4), der über einen durch die Förderwirkung des Laufrades (2) erhöhten Druck P₂ verfügt, und einen zwischen den Spalten S₁ und S₂ gelegenen Raum (5), in dem ein Zwischendruck P₃ herrscht.
Auf die Seitenwände des Laufrades (2) wirken mit einander gegengesetzter Richtung Axialkräfte F₁ und F₂. Die Kraft F₂ ist proportional dem Druck P₂, der seinerseits abhängig ist von der Förderhöhe. Die Kraft F₁ dagegen ist abhängig vom veränderlichen Spalt S₁.
Infolge der Differenz zwischen den Drücken P₁ und P₂ ergibt sich eine vom Raum (4) kommende, über den konstanten Spalt S₂, den Raum (5) und den veränderlichen Spalt S₁ in den Raum (3) führende Strömung. Mit größer werdendem Spalt S₁ vergrößert sich auch die Menge der in den Raum (3) strömenden Flüssigkeit. Hierdurch bedingt,erhöht sich der Druckabfall im Spalt S₂, d.h. die Differenz zwischen den Drücken P₂ und P₃ wird größer, die Kraft F₁, die dem Druck P₃ proportional ist, wird kleiner. Bei richtiger geometrischer Auslegung bringt die kurzzeitig größere Kraft, die hier F₂ ist, in anderem Fall aber F₁ sein kann, das Laufrad (2) durch axiale Verschiebung in eine vorgegebene Gleichgewichtsposition.
Im Diagramm der Fig. 4, das die Beziehung der beiden Kräfte F₁ und F₂ zueinander darstellt, stellt der Schnittpunkt der beiden Linien den Punkt des Gleichgewichts dar.
Mit kleiner werdender Differenz zwischen den Drücken P₁ und P₂ verflacht die Kurve für die Kraft F₁. Im Extremfall kann sich deren Steigung sogar umdrehen. Dies ist der Fall, wenn der im Radseitenraum aufgebaute Druck infolge der Rotation des Laufrades (2) größer wird als die Förderhöhe des Laufrades (2).
Wie das Diagramm der Fig. 4 zeigt, verläuft aber die von der Kraft F₂ beschriebene Linie nahezu horizontal, so daß es bei flacher werdender Kurve F₁ immer schwieriger wird, einen Schnittpunkt der beiden Linien zu erreichen. In der Praxis ist dies bei einer im Überlastbereich laufenden Kreiselpumpe der Fall. Da nun ein Gleichgewichtszustand nicht mehr hergestellt werden kann, kommt es, sofern kein den Schub auffangendes Axiallager vorgesehen ist,zu einem Anlaufen des Laufrades (2) am Gehäuse (1).
Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Ausführung verfügt über eine erste Ausgleichseinrichtung, die der in der Fig. 3 dargestellten Einrichtung entspricht. Sie besitzt also auch Spalte S₁ und S₂ und einen von diesen begrenzten Raum (5), ohne daß diese Einzelheiten in der Fig. 1 sämtlich aufgeführt sind. Auch die Wirkung dieser ersten Ausgleichseinrichtung ist die gleiche wie die der Einrichtung der Fig.3.
Neben der ersten, im Normalbetrieb arbeitenden Ausgleichseinrichtung besitzt die Ausführung der Fig. 1 eine zweite, im Überlastbereich der Kreiselpumpe zum Einsatz kommende hydraulische Ausgleichseinrichtung. Die Elemente dieser zweiten Einrichtung sind: ein druckseitig am Umfang des Laufrades (7) angeordneter Bund (8), Öffnungen (9), die den Einlauf (10) des Laufrades (7) mit dem druckseitigen Seitenraum (11) verbinden, und Rückenschaufeln (12).
Das Laufrad (7) bildet mit dem Pumpengehäuse 1 zwei veränderliche Spalte: den Spalt S₁ am Laufradeintritt und den Spalt S₃ am Bund (8). Vergleichbar mit entsprechenden Parametern der vorbekannten Ausführung der Fig. 3 sind die Drücke P₁ und P₂ sowie die Kraft F₁. Da der zwischen der druckseitigen Deckscheibe des Laufrades (7) und dem Pumpengehäuse (1) gebildete Seitenraum (11) durch den Bund (8) und den Spalt S₃ gegenüber dem druckseitigen Raum (4) abgegrenzt ist, stellt sich hier ein eigener Druck P₄ ein. Proportional dem Druck P₄ ist eine Kraft F′₂, die der Kraft F₁ entgegengerichtet ist.
Im Normalbetrieb der Kreiselpumpe, wenn die Laufradförderhöhe wesentlich größer ist als die Förderhöhe der Rückenschaufeln (12), erfolgt eine Strömung, die aus dem Raum (4) über den Spalt S₃, den Seitenraum (11) und die Öffnungen (9) in den Einlauf (10) des Laufrades (7) führt. Der sich im Seitenraum (11) einstellende Druck P₄ liegt, bedingt durch den Druckabfall im Spalt S₃, unter dem Druck P₂ im Raum (4). Die vom Druck P₄ abhängige Kraft F′₂, die Kraft F₁ befinden sich im Gleichgewicht.
Ab einem von der jeweiligen Kreiselpumpe abhängigen Betriebspunkt, der meist im Überlastbereich liegt, beginnt die Förderhöhe der Rückenschaufeln (12) die Laufradförderhöhe zu übersteigen. Hierdurch wird eine Strömung vom Einlauf (10) über die Öffnungen (9), den Raum (11) und den Bund (8) zum druckseitigen Raum (4) eingeleitet. Der sich im Raum (11) einstellende Druck P₄ wird nun um so größer, je kleiner der Spalt S₃ wird. Die Differenz zwischen den Drücken P₄ und P₂ wächst ebenfalls mit kleiner werdendem Spalt S₃. Die Kraft F′₂ steigt an und bewegt das Laufrad (7), bevor es am Pumpengehäuse (1) anlaufen kann, zurück in eine Gleichgewichtsposition.
Die Kraft F′₂ ist also nicht mehr unabhängig vom Spalt S₁, wie es die Kraft F₂ in der vorbekannten Ausführung der Fig. 3 war. Sie verändert sich mit dem Spalt S₃, der sich wiederum in spiegelbildlicher Umkehr zum Spalt S₁ verändert. Daraus resultiert, daß die Kraft F′₂, die ab einer bestimmten Spaltweite ansteigt, einen Verlauf besitzt, der mit Sicherheit einen Schnittpunkt mit dem Verlauf der Kraft F₁ ergibt. Das in der Fig. 2 dargestellte Diagramm verdeutlicht dies.
Die erfindungsgemäβe Ausführung der Fig. 1 stellt eine Einrichtung zum vollständigen Ausgleich des Axialschubs dar, die neben ein erstes Ausgleichssystem, das der Ausgleichseinrichtung der Fig. 3 entspricht, ein zweites, berührungsfrei arbeitendes Ausgleichssystem setzt. Die beiden gemeinsam verwendeten Systeme führen in ihrem Zusammenwirken zu einer neuen, eigenständigen Ausgleichseinrichtung. Der hier als zweites Ausgleichssystem bezeichnete Teil kann aber auch mit einem anders gearteten System, welches den Axialschubausgleich für den außerhalb des Überlastbereichs liegenden Normalbetrieb der Kreiselpumpe übernimmt, zusammenfaßt werden.