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Ausgleichseinrichtung an motorisch angetriebenen Förderpumpen für
strömende Medien Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausgleichseinrichtung zur Kompensation
des hydraulischen Axialschubes an motorisch angetriebenen Förderpumpen mit einseitiger
Durchflußrichtung strömender Medien, bei welchen der Rotor eines Elektromotors mit
einem radiale Kanäle aufweisenden Laufrad mit einem auf der Druckseite desselben
befindlichen Zentralraum zusammengebaut und die Tragwelle für den Rotor als Hohlwelle
für das Laufrad ausgebildet ist, welche durch Radialgleitlager am Einlaßende und
am Laufrad drehbar gelagert ist.
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Das Ziel der Erfindung ist es, die schon verschiedentlich versuchte
Kompensierung des hydraulischen Axialschubes mit einfacheren und wirkungsvolleren
Mitteln als bisher so weit zu vervollkommnen, daß hei allen Betriebszuständen der
Pumpe praktisch überhaupt keine Axialschübe mehr auftreten; das bedeutet, daß etwa
vorhandene Axiallager sich auch im ununterbrochenen Betrieb, wie er beispielsweise
in Zentralheizungsanlagen verlangt wird, nicht abnutzen und keiner Auswechslung
bedürfen, so daß die Lebensdauer der Pumpe bei wartungsfreiem Lauf wesentlich erhöht
wird.
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Den bekannten Ausgleichsvorrichtungen zur Kompensation des hydraulischen
Axialschubes ist eine derartig weitgehende und von den verschiedenen Betriebszuständen
unabhängige Kompensation nicht gelungen, so daß diese Pumpen zur Aufnahme der verschiedentlich
auftretenden und nicht unerheblichen Axialschübe Axialdrucklager benötigen. Auch
die bekanntgewordene Verwendung von Ausgleichsbohrungen hat keine wesentliche Wirkung,
weil das Radiallager sich im Bereich des Antriebsrotors befindet und an der Axialschubkompensation
unbeteiligt ist. Diese Feststellung gilt auch für solche Pumpen, bei denen oberhalb
des radiale Kanäle aufweisenden Laufrades auf der Druckseite desselben ein Zentralraum
mit Ausgleichsbohrungen zur Hochdruckseite hin angeordnet ist, da die Radiallager
der Pumpenwelle innerhalb dieses Hohlraumes angeordnet sind, so daß zwischen der
Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Pumpe ein Druckgefälle je nach der Größe
des zwischen Laufrad und Pumpengehäuse vorhandenen Ringspaltes auftritt.
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Nach der Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß bei
den gattungsgemäßen Pumpen das eine der Radialgleitlager den Zentralraum, der in
an sich bekannter Weise mit dem Hohlwellenraum durch Kanäle in Verbindung steht,
umgibt und gegen den äußeren Hochdruckraum abschließt. Dadurch wird erreicht, daß
die wartungslosen Gleitlager, die durch das Fördermedium geschmiert werden, die
Trennstellen zwischen Hochdruck und Niederdruck des Fördermediums bilden. Zweckmäßig
ist eine solche Ausbildung des einen Radialgleitlagers, daß das Laufrad jenseits
seiner Hohlwelle eine zylindrische Abschlußbüchse trägt, die in zylindrischen Gegenflächen
des im Pumpengehäuse befindlichen zentralen Hohlraumes läuft, wobei die Durchmesser
der beiden Radialgleitlager am Einlaßende und am Laufrad vorteilhaft gleich sind.
Es können auch in an sich. bekannter Weise Kanäle für die Rückführung der durch
die Gleitlager von der Hochdruckseite her dringenden Förderflüssigkeit zur Niederdruckseite
vorgesehen sein.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß sich alle Niederdruckkräfte
kompensieren und daß sich ebenfalls alle Hochdruckkräfte kompensieren. Diese Kompensation
des hydraulischen Axialschubes ist unabhängig von der Spaltbreite zwischen dem Laufrad
und dem Gehäuse und ist für alle Betriebszustände der Pumpe so vollkommen, daß das
Laufrad der Pumpe praktisch keine Axiallager benötigt. Es genügt, dem Laufrad beiderseits
der Radiallager gleichsam als Längsanschläge je einen schmalen stirnseitigen Ringbund
zu geben, der aber eigentliche Lagerdrücke überhaupt nicht aufzunehmen braucht.
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Selbstverständlich ist dieses Grundprinzip der gleichen Lagerdurchmesser
abwandelbar, wenn man, wie es in der Praxis vorkommen kann, hydraulische Axialschubkräfte
im Zusammenwirken mit magnetischen oder statischen Kräften kompensieren muß. Es
ist dann nur noch eine Angelegenheit der zweckmäßigen Wahl des geringen Unterschiedes
der Durchmesser der beiden Radiallager, um neben den hydraulischen
Axialschüben
auch andere Kräfte wie das Eigengewicht von Rotor und Laufrad bei senkrechter Anordnung
der Pumpe und einen magnetischen Axialschub zu kompensieren oder auf einen kleinen
konstanten resultierenden Schub zur Vermeidung von Axialvibrationen zu reduzieren.
Bei der im Prinzip vorhandenen Durchmessergleichheit der Radialgleitlager werden
die variierenden hydraulischen Schübe vollkommen stetig und automatisch ausgeglichen.
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Da das Lagerspiel, wie üblich, bei niedrigviskosen Flüssigkeiten,
beispielsweise Wasser, sehr enge Toleranzen hat, tritt nur sehr wenig Flüssigkeit,
eben so viel, wie für die Flüssigkeitsreibung zur Lagerschmierung notwendig ist,
durch die Lagerspalte hindurch, was sich in einem sehr guten hydraulischen Wirkungsgrad
der Pumpe und in stetiger genauer Axialschubkompensation auswirkt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in einer beispielsweisen Ausführungsform
dargestellt.
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Im Gehäuse, das aus den Teilen 101 und 102 besteht, ist der geblechte
Stator-Eisen-Kern 103 eines Asynchronmotors mit Wicklungen 104 eingebaut. Ein Spaltrohr
105 ist mit Hilfe der Dichtungsringe 106 feststehend in das Gehäuse eingebaut und
schließt den Stator und Wicklungsteil fliissigkeits- und gasdicht vom Innenraum
ab.
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Der mit Kurzschlußringen 108 und eingelegten Käfigstäben versehene
ferromagnetische Rotor 107 besteht mit der Hohlwelle 110 aus einem Stück, die an
ihrem einen Ende als Laufrad 109 mit den Radialkanälen 122 ausgebildet ist. Der
Hohlwellenraum ist mit 121 bezeichnet. Das mit dem Rotor zusammenhängende Laufrad
ist durch an beiden Enden desselben befindliche zylindrische Büchsen 109a und 111a,
die in zylindrischen Gegenflächen des Pumpengehäuses laufen und als radiale Gleitlager
wirken, gelagert. Beide Lagerungen haben gleichen Durchmesser. Die Lagerbüchsen
weisen schmale ringförmige Schulterflächen auf, die zur Begrenzung des axialen Spiels
des Rotors und zum Auffangen etwaiger Restschübe (z. B. vom Eigengewicht des Rotors
oder magnetischen Kräften herrührend) dienen. Selbst bei Hochdruckpumpen können
ihre Abmessungen ohne Gefahr von Verschleiß klein gehalten werden, weil die Kompensation
der großen hydraulischen Schübe, selbst wenn sie variieren, stets vollkommen und
stetig selbsttätig erfolgt.
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Außerdem sind Graphit= oder Nylonlagerbüchsen 111 und 113 für die
radiale Lagerung des Laufteiles der Pumpe vorgesehen, die insbesondere bei großen
Pumpen zweckmäßig sind, um die sonst genügenden Lager 109a und 111a,
die vorzugsweise abdichtende Wirkung haben sollen, zu entlasten. Sonst können an
Stelle der Lagerbüchsen 111 und 113 an dieser Stelle auch Filter eingesetzt werden,
die aber auch an anderer Stelle angeordnet sein können. Die untere Graphit- oder
Nylonlagerbüchse 111 befindet sich in dem Ringraum 111 b, der durch eine zylindrische
Aasdrehung am inneren Ende des in Verlängerung des Eingangskanals 120 liegenden
Gehäuseteiles 102 zwischen diesem und dem Rotor 107 gebildet ist.
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In dem den Ausflußkanal124 aufweisenden Gehäuseteil 101 befinden sich
die feststehenden Leitradkanäle 123, die um den Gehäusekern 112 herumführen, welcher
den Zentralraum 126 enthält, der durch die Lagerbüchse 109a des Laufteiles abgeschlossen
wird. Die Kanäle 111c und 126a können für die Rückführung der durch die Gleitlager
von der Hochdruckseite her dringenden Förderflüssigkeit zur Niederdruckseite vorgesehen
sein. Sie sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Laufteil der Pumpe auf jeder
Seite zwei Radiallager aufweist. Der Zentralraum 126 steht durch die Kanäle oder
Löcher 126 b mit dem eintrittsseitigen Hohlwellenraum 121. welcher der Niederdruckraum
ist, in druckabfalloser Verbindung.
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Der Hochdruck entsteht in den radialen Kanälen 122 des Laufrades 109,
dessen Ringspalte 125a und 125 b ein genügendes Spiel gegenüber dem Gehäuse geben,
welches unterhalb des Laufrades zwischen sich und der Hohlwelle den Ringraum 127
bildet, der durch das Spaltrohr 105 gegen den Stator abgeschlossen ist.
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Die obere Lager- und Abschlußbüchse 109a trägt einen Zahnkranz 114,
mit welchem ein Kegelrad 115 am Ende eines Zapfens 116 dadurch in Eingriff gebracht
werden kann, daß der Zapfen 116 gegen die Kraft der Feder 117 in das Gehäuse hineingedrückt
wird, wonach der Zapfen 116 am Kopf 118 gedreht werden kann. Der "Zapfen 116 ist
gleitbar in einer Hülse 116a und könnte auch schräg zur Achse der Welle 110 eingesetzt
sein. Eine überwurfmutter 119 deckt normalerweise den Kopf 118 dieser Deblockierungsvorrichtung,
die nicht Gegenstand der Erfindung ist, ab und verhindert im Zusammenwirken mit
dem Dichtungsring 119 b ein Austreten von Förderflüssigkeit.
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Im Betrieb wird Flüssigkeit durch den Kanal 120 und den Hohlwellenraum
121 angesaugt und durch die Laufradkanäle 122 des Laufrades 109 nach außen getrieben
und gelangt durch die feststehenden Leitradkanäle 123 zum Ausflußkanal 124. In dem
Hohlwellenraum 121 und dem mit ihm durch die Löcher 126b in Verbindung stehenden
Zentralraum 126 herrscht Niederdruck, so daß sich die Niederdruckkräfte innerhalb
des Querschnittskreises der Gleitlagerdurchmesser gegenseitig kompensieren. Außerhalb
des Ouerschnittskreises der Lagerdurchmesser herrscht Hochdruck, und die hier auftretenden
Hochdruckkräfte kompensieren sich bei gleichem Lagerdurchmesser ebenfalls.
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Die Querschnittskreise der Lagerdurchmesser sind, da das obere Gleitlager
den sich bis in den Laufradteil fortsetzenden Zentralraum 126 umgibt, außergewöhnlich
groß, woraus sich eine geringe spezifische Flächenbelastung der Radialgieitlager
und damit ein sehr geringer Verschleiß und eine erhöhte Lebensdauer ergeben.
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Durch den durch die Kompensation der Axialschübe bedingten Wegfall
der »Spaltverluste« des Fördermediums kann der Ringspalt zwischen dem Laufrad-Außendurchmesser
und dem Gehäuse-Innendurchmesser viel größere Ausmaße als üblich erhalten. Damit
muß die Bearbeitung von Laufrad und Gehäuse nicht mehr so genau wie bisher erfolgen,
wodurch sich die Herstellungskosten vermindern, ohne daß der Wirkungsgrad der Pumpe
beeinträchtigt wird.
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Für das Wesen der Erfindung ist es gleichgültig, ob das Laufrad ein-
oder mehrstufig aufgebaut ist oder ob sie für eine andere Ausführungsform von Pumpe
oder Förderaggregat beliebiger Fördermedien angewandt wird. Die Pumpe kann sowohl
in senkrechter als auch in waagerechter Lage arbeiten.