Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wie sie aus der
Die Kreiselpumpen mit Magnetkupplung stellen eine wichtige Art industriell verwendeter Maschinen zur Förderung von Flüssigkeiten dar. Gegenüber den einfacheren Kreiselpumpen mit Gleitringdichtung weisen sie den Vorteil einer hermetischen Abdichtung des Pumpenraumes auf. Dies lässt sie insbesondere zur Förderung aggressiver oder giftiger Flüssigkeiten günstig erscheinen.
In den meisten ausgeführten Fällen kommen koaxiale Drehkupplungen mit radialer Anordnung der Magnete und entsprechend radialen magnetischen Wirklinien zur Anwendung. Nur diese Bauart wird im Folgenden weiter betrachtet und ist auch Gegenstand der Anmeldung.
Der Hintergrund der Erfindung wird nachfolgend anhand von
Vorbemerkung 1: Alle Zeichnungen zeigen einen axialen Längsschnitt durch die Pumpe. Die dabei zumeist geschnittenen Rotationskörper wurden - mit der Ausnahme von Wellen - der Übersichtlichkeit halber ohne umlaufende Kanten dargestellt.
Vorbemerkung 2: Aus Gründen der Montierbarkeit und der verschiedenen verwendeten Werkstoffe muss das im nachfolgenden als Pumpengehäuse (1) bezeichnete Bauteil in der Praxis aus mehreren Teilen aufgebaut sein. Einige davon sind von der zu fördernden Flüssigkeit benetzt und müssen entsprechend abgedichtet sein, andere nicht. Aus Gründen der einfacheren Darstellung ist das Pumpengehäuse (1) hier jedoch einteilig dargestellt.
Eine erste bekannte Pumpe in üblicher Ausführung ist in
Im Pumpengehäuse (1') ist ein drehendes Pumpen-Laufrad (4') angeordnet, das die zu fördernde Flüssigkeit über den Saugstutzen (2') zugeführt bekommt und über den Druckstutzen (3') wieder unter Druckaufbau auswirft.
Die radiale Lagerung des Pumpen-Laufrades (4') erfolgt vermittels einer Laufradwelle (5') üblicherweise in Gleitlagern (9', 10'), deren feststehende Teile in einem Lagereinsatz (11') aufgenommen werden. Die Schmierung und Kühlung der Gleitlager (9'; 10') erfolgt durch die zu fördernde Flüssigkeit selbst.
Die axiale Lagerung des Pumpen-Laufrades (4') und der übrigen damit verbundenen und drehenden Teile wird hier und im Folgenden nicht weiter betrachtet. Es sei hier nur angedeutet, dass neben einer mechanischen Lagerung mit Anlaufscheiben auch hydraulische Wirkprinzipien, die auf Druckdifferenzen basieren, wie auch eine magnetische Lagerung in Frage kommen können.
Der Teil der Drehkupplung, der das antreibende Drehmoment durch eine Trennwand, die üblicherweise als dünnwandiger Spalttopf (12') ausgeführt wird, hindurch aufnimmt und über die Laufradwelle (5') an das Pumpen-Laufrad (4') weiterleitet, wird als Magnetrotor (6') bezeichnet. Dieser ist mit Permanentmagneten (7') bestückt, die wiederum vor dem korrosiven und evtl. auch abrasiven Angriff der Förderflüssigkeit mit einem zylinderförmigen Schutzmantel (8') flüssigkeitsdicht umgeben sein müssen. Es sei hier nur am Rande erwähnt, dass es erforderlich sein kann, einen etwa metallisch, sprich ferromagnetisch, ausgeführten Magnetrotor (6') auch vor Korrosion zu schützen ebenso wie die Welle (5').
Der Teil der Drehkupplung, der das antreibende Drehmoment des Motors über die Antriebswelle (15') aufnimmt und weitergibt, wird üblich als Magnettreiber (13') bezeichnet. Auch er ist entsprechend mit Permanentmagneten (14') bestückt, die jedoch in Luft drehen und daher keinem besonderen Angriff unterliegen. Die radiale und axiale Lagerung des Magnettreibers erfolgt in handelsüblichen Wälzlagern (16').
Eine weitere übliche Ausführung, insbesondere für kleinere Pumpen, zeigt
Bei dieser Konstruktion kann ein Lagereinsatz (11') kostengünstig entfallen. Das Pumpen-Laufrad (4') wird mit dem Magnetrotor (6'), den Permanentmagneten (7') und dem Schutzmantel (8') zu einem Teil zusammengefasst. Dieses drehende Laufrad-Magnetrotor-Einheit (19')wird hier auf einer feststehenden Achse (17') gleitend gelagert. Die Achse (17') selbst wird auf der einen Seite über Strömungsrippen (18') im Saugstutzen (2') befestigt, auf der anderen Seite in dem speziell ausgeformten Spalttopf (12') abgestützt.
Die in
Des Weiteren erleichtert diese Bauweise insbesondere eine großzügig axial beabstandete radiale Lagerung des Pumpen-Laufrades (4'), was aufgrund der hohen hydraulischen Kräfte innerhalb der Pumpe stets anzustreben ist.
Seltener werden hingegen Magnetkupplungspumpen mit einem radial außen gelegenen Magnetrotor (6'), der ja flüssigkeitsberührt ist, und einem innen liegendem Magnetreiber (13') ausgeführt. Diese Ausführung sei als Bauart B bezeichnet.
Solche Pumpen der Bauart B, die z.B. in der
Ein wichtiger Problembereich beim Betrieb der bisher vorgestellten Magnetpumpen, die also mit Gleitlagerungen versehen sind und das zu pumpende Medium selbst als deren Kühl- und Schmiermedium nutzen, ist das weitgehende oder völlige Ausbleiben eben dieser Flüssigkeit. Eine solche Mangelschmierung tritt dann auf, wenn sich höhere Gasanteile in der Flüssigkeit ansammeln, z.B. durch Kavitation vor der Pumpe, Trombeneintrag oder auch bei Schlürfbetrieb. Diese Gasanteile sammeln sich durch die Zentrifugalwirkung in der Pumpe in den radial innen gelegenen Hohlräumen des Pumpenkörpers an. Bei der herkömmlichen Bauweise It.
Einen technisch anderen und sehr sinnvollen Weg, nämlich die gefährdete Gleitlagerung radial möglichst weit nach außen zu verlegen, weist der Lösungsansatz einer "wellenlosen" Magnetpumpe wie in [4] beschrieben auf, welcher in
Dennoch bleibt der Vorschlag aus [4] technisch beschränkt. So findet die radiale Gleitlagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit (19') im Spalttopf (12') selbst statt, der aber gerade an dieser Stelle als sehr dünnwandiges Bauteil ausgeführt werden muss. Darauf wird auch in [4] hingewiesen und es kann dort daher auch nicht auf stabilere zusätzliche Anfahr- bzw. Notlager (37') verzichtet werden, die nachteilig teils immer noch durch den Spalttopf (12') gebildet werden müssen. Weiterhin gestattet die Abstützung der Lagerung im dünnwandigen Spalttopf keine äußere Kühlung oder einen einfachen äußeren Zugang, etwa zur Lagertemperaturüberwachung oder zur Zwangsspülung.
Es bleibt festzustellen, dass im Falle einer Betriebsstörung, z.B. bei Kavitation vor der Pumpe, Trombeneintrag oder auch bei Schlürfbetrieb, eine Kreiselpumpe mit deutlich erhöhten Gasanteilen in der zu fördernden Flüssigkeit beaufschlagt wird. Diese Gasanteile sammeln sich durch die Zentrifugalwirkung in der Pumpe in den radial innen gelegenen Hohlräumen des Pumpenkörpers an. Bei herkömmlich ausgeführten Magnetkupplungspumpen befinden sich dort die Gleitlagerungen, die dann trocken fallen und dadurch häufig zerstört werden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die radiale Lagerung im Bereich der Magnetkupplung einer gattungsgemäßen Kreiselpumpe zu verbessern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 3 vorgeschlagen.
Durch die Erfindung, welche die einleitend beschriebenen Unvollkommenheiten nach dem Stand der Technik überwindet und bei der die radiale Lagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit soweit wie möglich nach außen verlagert ist, werden u.a. folgende Vorteile erreicht:
Wenn der feststehende Teil der Gleitlagerung insgesamt auf der innenseitigen Wandfläche des Pumpengehäuses angeordnet ist oder durch die Gehäusewand oder Abschnitte der Gehäusewand des Pumpengehäuses selbstständig gebildet wird, können dadurch auf großer axialer Länge insgesamt hohe radiale Lagerkräfte übertragen werden und ein ruhiger Gleichlauf der Laufrad-Magnetrotor-Einheit erzielt werden. Im Falle mehrerer axial beabstandeter Gleitlagerabschnitte befinden sich diese vorzugsweise etwa auf dem gleichen radialen Niveau, um die Gleichlaufeigenschaften und die Trockenlauffähigkeit der Lagerung weiter zu verbessern. Grundsätzlich ist es im Sinne der Erfindung möglich, auch das Pumpen-Laufrad als solches zu lagern, und zwar insbesondere zur Aufnahme axialer Lagerkräfte. Es können zusätzlich auch radiale Lagerkräfte am Pumpenlaufrad aufgenommen werden, z.B. um eine Verbesserung von Notlauf- und/oder Anfahreigenschaften zu erzielen. Beste Gleichlaufbedingungen werden allerdings erreicht, wenn das Pumpen-Laufrad radial berührungs- oder zwangsfrei rotierbar ist.
Wenn ein Flüssigkeitsrückhalteraum im Bereich der Gleitlagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit vorgesehen wird, wird dadurch die Trockenlaufgefahr verringert).
Wenn die Gleitlagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit in ihrem rotierenden Teil als durchgehende Hülse, gegebenenfalls in Gestalt einer Formmasse ausgeführt wird, können dadurch bestmögliche Materialpaarungen und ein Schutz der Permanentmagnete des Magnetrotors verbessert bzw. vereinfacht werden.
Wenn der rotierende Teil der Gleitlagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit auf seinem Außenumfang Ausnehmungen oder Erhöhungen aufweist, können dadurch die Gleiteigenschaften verbessernde Flüssigkeitsbewegungen erzeugt werden.
Wenn die außenseitige Wandung des Pumpengehäuses im Bereich des feststehenden Teils der Gleitlagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit mit Kühlrippen oder einem Kühlmantel versehen ist, können überhitzungsbedingte Lagerschäden vermieden werden.
Wenn in der Wandung des Pumpengehäuses im Bereich des feststehenden Teils der Gleitlagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit Zugänge für externe Schmiermittel oder Überwachungssensoren vorgesehen sind, kann hierdurch eine Schmierung oder Notschmierung bzw. eine Verschleißkontrolle dieser Gleitlagerung erreicht werden.
Wenn die Pumpengehäusewandung mehrschichtig aufgebaut ist und die innerste Materialschicht aus einem korrosions- oder abrasionsbeständigen Werkstoff besteht, wird hiermit die Langlebigkeit auch bei schwierigen Fördermedien verbessert.
Die vorerwähnten Ausgestaltungen einer Kreiselpumpe sind auch unabhängig vom Anspruch 1 von eigenständiger erfinderischer Bedeutung.
Wenn der Magnettreiber über mindestens ein im Bereich des Innenraumes der Laufrad-Magnetrotor-Einheit angeordnetes Lager verfügt, kann dadurch die Pumpenbaulänge trotz eigenständiger Lagerung des Magnettreibers innerhalb der Pumpe erheblich verkürzt werden. Für die Magnettreiber-Lagerung werden bevorzugt Wälzlager verwendet. Die Wälzlagerung des Magnettreibers bleibt von der Förderflüssigkeit unberührt. Hierzu dient vorzugsweise ein ansich bekannter, zwischen dem Magnetrotor und dem Magnettreiber angeordneter Spalttopf. Der Magnettreiber weist vorzugsweise eine zur Antriebsseite hin offene Topfform auf, um das mindestens eine Lager des Magnetrotors innerhalb des Pumpengehäuses aufzunehmen. Eine besonders vorteilhafte Lagerung des Magnettreibers wird durch einen durchgehend hohlen Kragzapfen erreicht, durch den die Antriebswelle des Magnettreibers geführt ist, und der vorzugsweise an mindestens einer inneren oder äußeren Fläche an mindestens einem seiner Endbereiche ein Lager für den Magnettreiber trägt. Verjüngungen in diesen Endbereichen erleichtern die Unterbringung derartiger Lager auf kleinem Raum. Wenn die Verjüngung von der Wurzel des Kragzapfens ausgehend erfolgt, können bei leichter Bauweise hohe Lagerkräfte aufgenommen werden.
Die zumindest teilweise Lagerung des Magnettreibers innerhalb des von der Laufrad-Magnetrotor-Einheit aufgespannten Raumes sowie die Ausgestaltungen einer derartigen Lagerung sind von eigenständiger erfinderischer Bedeutung.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung einer Kreiselpumpe mit koaxialer Magnetkupplung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
Den Ausführungsformen ist gemeinsam, dass sie ein einen Saugstutzen 2 und einen Druckstutzen 3 aufweisendes Pumpengehäuse 1 aufweisen, wobei ein Pumpen-Laufrad 4 koaxial zum Saugstutzen gelagert ist und in radialer Richtung mit dem Druckstutzen 3 fluidisch verbunden ist. Das Pumpen-Laufrad 4 weist antriebsseitig einen Magnetrotor 6 auf, mit dem es zusammen eine zur Antriebsseite hin offene Laufrad-Magnetrotor-Einheit bildet. Diese weist auf ihrem Außenumfang den rotierenden Teil 9 einer Gleitlagerung auf, während der feststehende Teil 10 dieser Gleitlagerung an der Innenwand 20 des Pumpengehäuses 1 angeordnet ist. Auf der radialen Innenseite trägt der Magnetrotor 6 Permanentmagnete 7. Diese stehen Permanentmagneten 14 mit radialem Abstand gegenüber, welche auf der Außenfläche eines etwa topfförmigen Magnettreibers 13 angeordnet sind. Zwischen dem Magnetrotor und dem Magnettreiber ist in allen Ausführungsbeispielen eine Trennwand, ggf. in Gestalt eines so genannten Spalttopfes 12, zwischengefügt, welche/r den Magnettreiber gegenüber dem flüssigkeitsbenetzten Inneren der Pumpe trocken hält. Der Magnettreiber 13 ist an zwei axial beabstandeten Stellen über Wälzlager 16a und 16b gelagert. Diese Lagerung findet bei allen Ausführungsbeispielen - wenn auch nicht zwingend - jeweils gegenüber dem Pumpengehäuse 1 statt, wobei diese Lagerung bei den Ausführungsformen nach
Der äußere Umfang der Laufrad-Magnetrotor-Einheit 19 kann nun - bei völliger Gestaltungsfreiheit und in großzügiger axialer Ausdehnung - zur Aufnahme des rotierenden Teils 9 der Gleitlagerung genutzt werden (
Da alle Teile der koaxialen Magnetkupplung radial weiter innen gelegen sind, kann der feststehende Teil 10 der Gleitlagerung ohne weiteres direkt an die stabile innere Gehäusewandung 20 des Pumpengehäuses 1 herangeführt werden (
Für eine wirksame Gleitlagerung ist es dabei unerheblich, ob In zwei expliziten Lagerstellen 9,10a und 9,10b gelagert wird (
Eine Anordnung gemäß Anspruch 1 bietet nicht nur erhebliche technologische Vorteile, sondern führt auch zu einem äußerst einfachen Aufbau der gesamten Pumpe.
Im Falle einer - in der Praxis häufigen - Betriebsstörung der Pumpe über massiven Gaseintrag (Luft oder verdampfte Förderflüssigkeit in Folge Kavitation) wird sich die in der Pumpe verbleibende Restflüssigkeit als abgeschleuderter Ring am äußeren Umfang im Pumpengehäuse 1 sammeln. Bei einer entsprechenden Pumpe ist genau hier nun die Gleitlagerung 9,10 angeordnet, die mit der Restflüssigkeit bei ausreichender Kühlung beliebig lange betrieben werden kann. Es ist allerdings bei sehr geringen Restmengen, die sich tendenziell bei großen Förderhöhen der Pumpe und geringem statischen Gegendruck einstellen, nicht auszuschließen, dass diese axial entweichen können, um sich auf noch höhere radiale Niveaus im Laufrad zu begeben. Dies kann über eine Sperre in Form eines Umlaufringes 21 verhindert werden, in
Die Erfindung kann auch dazu ausgenutzt werden, die axiale Ausdehnung der Pumpe erheblich zu verkürzen. Dies ist möglich, indem der Magnettreiber 13 nicht im Pumpengehäuse 1 gelagert wird, sondern direkt auf den Wellenzapfen der Antriebsmaschine gesetzt wird, also letztlich durch die Antriebsmaschine gelagert wird. Dies ist in aller Regel ein Elektromotor. Dabei wird der Elektromotor direkt an die Pumpe geflanscht, was als "Blockbauweise" bekannt ist.
Vorteil dieser Konstruktion ist neben dem Effekt der axialen Verkürzung die Ersparnis der beiden Wälzlager 16. Nachteil dieser Konstruktion ist, dass der Magnettreiber 13 nicht mehr zur Pumpe gehörig ist und damit eine vollständige Montage der Pumpe erst dann erfolgen kann, wenn auch der antreibende Motor vorhanden ist. Dessen Baugröße ist aber zumindest bei industriellen Pumpen zunächst eine unbekannte Größe und wird erst aufgrund der Kundenangaben bestimmbar. Damit wird der Zeitpunkt der Endmontage der Pumpe zwingend hinter diesen Zeitpunkt verlegt und wird zudem noch zu einer individuellen Montage mit den bekannten wirtschaftlichen Nachteilen.
Auf dem Wege zu einer besseren Lösung wird gemäß
Das Wellenende 25 bei einer solchen axial verkürzten Bauweise kann vorteilhaft gemäß
Der rotierende Teil 9 der Gleitlagerung muss nicht notwendigerweise aus zwei definierten Lagerhülsen a und b bestehen oder aus dem Magnetrotor 6 selbst, sondern kann
Dies bietet wirtschaftliche Vorteile, insbesondere dann, wenn diese Bauteile gemäß
Der angestrebten völlig kontaktfreien und damit verschleißfreien und reibungsarmen Gleitung des Laufrad-Magnetrotor-Systems 19 im Pumpengehäuse 1 kommt die hohe Umfangsgeschwindigkeit dieser Anordnung entgegen. Durch zusätzliche grübchenartige Ausnehmungen oder Erhöhungen auf der Oberfläche der rotierenden Gleitlagerung 9, z.B. also auf der Hülse 29 oder der Formmasse 30 können so genannte Taylor-Wirbel im Gleitspalt und im angrenzenden Rotationsraum der Flüssigkeit erzeugt werden, die zur Stabilisierung und zur Kontaktfreiheit der Gleitlagerung beitragen. Diese Ausnehmungen oder Erhöhungen werden mit
Insbesondere wenn in der Pumpe im Falle einer Betriebsstörung nur noch ein Flüssigkeitsring 23 rotiert und ein Strom an frischer Schmierflüssigkeit ausbleibt, wird sich diese Restflüssigkeit in der Gleitlagerung aufgrund von Reibung soweit erhitzen, bis ein Wärmetransportgleichgewicht mit dem Pumpengehäuse 1 erreicht ist. Aufgrund des direkten Kontaktes der Gleitlagerung 9, 10 mit dem Pumpengehäuse 1 besteht hier durch Anbringung von äußeren Kühlrippen 32, wie sie in
Um die Mangelschmierung der Gleitlagerung 9, 10 auch im Falle einer entsprechenden Betriebsstörung zu verhindern, wird die Versorgung mit externer Schmierflüssigkeit laut
Viele ausgeführte Magnetkupplungspumpen, die aufgrund der hermetischen Abdichtung des Pumpeninneren gerade zur Förderung aggressiver, abrasiver und gefährlicher Flüssigkeiten besonders geeignet sind, sind im benetzten Bereich des Pumpengehäuses 1 mit etwa einer Kunststoffschicht ausgekleidet oder aus mehreren - in der Regel zwei - Werkstoffschalen aufgebaut. Letztlich muss dann die innerste Materialschicht 35 die gewünschten Eigenschaften gegenüber der Flüssigkeit aufweisen, während die äußeren Schalen eher der Formgebung und Stabilität gegenüber dem Innendruck der Pumpe dienen.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.