DE102019001120A1

DE102019001120A1 - Entlastungseinrichtung

Info

Publication number: DE102019001120A1
Application number: DE102019001120.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Pittroff
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-08-20
Also published as: CN113396287B; WO2020165046A1; CN113396287A; EP3924628A1; EP3924628C0; EP3924628B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Entlastungseinrichtung zur Kompensation des Axialschubs einer Strömungsmaschine. Die Entlastungseinrichtung weist ein Element (4) auf, das drehfest mit einer Welle (2) verbunden ist. Zusammen mit einem feststehenden Gegenelement (5) wird mindestens ein Spalt (6, 7, 8) gebildet. Zwischen dem Element (4) und dem Gegenelement (5) ist zumindest bereichsweise eine Kohlenstoffschicht (10) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Entlastungseinrichtung zur Kompensation des Axialschubs einer Strömungsmaschine mit einem Entlastungselement, das drehfest mit einer Welle verbunden ist und zusammen mit einem gehäusefesten Gegenelement einen Spalt bildet.
Der Axialschub ist die Resultierende aller auf den Läufer einer Strömungsmaschine wirkenden Axialkräfte. Man unterscheidet verschiedene Arten des Axialschubausgleichs.
Zur Aufnahme des Axialschubes sind im Wesentlichen drei Arten von Entlastungseinrichtungen bekannt: Entlastungsscheibe, Einfachkolben und Doppelkolben. Allen drei Ausführungen ist ein über Spalte geführter Entlastungsstrom gemeinsam. Der meist zum Einlauf der Kreiselpumpe zurückgeführte Entlastungsstrom stellt einen Leckverlust dar, den man durch möglichst geringe Spaltweiten zu minimieren versucht.
Ziel ist es, eine für alle Betriebszustände der Strömungsmaschine kontrollierte Lage des Läufers zu erreichen, um einen störungsfreien Betrieb der Strömungsmaschine zu gewährleisten. Im Betrieb der Kreiselpumpe sollte ein Anstreifen von bewegten an feststehenden Teilen möglichst vermieden werden.
Im Betrieb einer Strömungsmaschine mit Entlastungsscheibe führt die Druckdifferenz, die zwischen zwei Seiten des Entlastungselements wirkt, zu einer Entlastungskraft, die dem Axialschub entgegengerichtet ist. Die Entlastungskraft ist dabei im Idealfall gerade so groß wie der Axialschub. Es besteht ein Kräftegleichgewicht am Läufer.
Bei An- und Abfahrvorgängen ist diese Druckdifferenz noch nicht aufgebaut, so dass es ohne entsprechende Gegenmaßnahmen zum Kontakt zwischen dem Entlastungselement und dem Gegenelement kommt. Mithilfe von Federpaketen versucht man ein Anlaufen der radialen Spaltflächen zu verhindern.
In der DE 102 54 041 A1 ist eine mehrstufige Kreiselpumpe dargestellt. Auf einer Welle ist der Doppelkolben einer Entlastungseinrichtung befestigt. Der Doppelkolben wird umgeben von einem Gehäuseteil, mit dem er radiale Spalte bildet. Zwischen den radialen Spalten befindet sich ein axialer Spalt. Der axiale Spalt hat eine veränderliche Weite s.
Die DE 199 27 135 A1 beschreibt eine Entlastungseinrichtung für mehrstufige Kreiselpumpen, bei der ein kardanischer Ring zum Einsatz kommt. Der kardanische Ring ist so dimensioniert, dass er durch den Restschub elastisch verformt wird. Der kardanische Ring ist in einem separaten abgedichteten Raum angeordnet.
In der DE 1 745 898 U wird eine Vorrichtung zur Begrenzung des Axialschubes des Pumpenläufers einer Kreiselmaschine beschrieben. Ein Anlaufen des Entlastungselements am Gegenelement wird dadurch verhindert, dass ein frei bewegliches Axiallager und ein äußerer Lagerring durch Federkraft an einem Traglagerflansch begrenzend anliegen. Für diese Konstruktion ist eine Ölschmierung erforderlich. Bei dieser Konstruktion verlängert sich die Baulänge der Maschine um ein entsprechendes Wellenstück, dort wo das entsprechende Gehäuse gegen das Fördermedium abgedichtet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Entlastungseinrichtung zur Kompensation des Axialschubs einer Strömungsmaschine anzugeben, bei der eine dauerhafte Beschädigung der Bauteile wirksam verhindert wird. Die Maßnahme soll nicht zu einer zusätzlichen Baulänge der Strömungsmaschine führen. Auch sollen ein eigenes Gehäuse sowie der Einsatz eines zusätzlichen Schmiermittels vermieden werden. Zudem soll die Entlastungseinrichtung einen möglichst geringen Leckagestrom gewährleisten und eine lange Lebensdauer aufweisen. Die Entlastungseinrichtung soll sich durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnen. Sie soll zudem eine einfache Montage gewährleisten, sowie für Wartungsarbeiten gut zugänglich sein. Weiterhin soll sich die Entlastungseinrichtung durch möglichst geringe Herstellungskosten auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Entlastungseinrichtung ist zwischen dem Element, das drehfest mit einer Welle verbunden ist und dem feststehenden Gegenelement zumindest bereichsweise eine Kohlenstoffschicht angeordnet.
Das Element kann beispielsweise als Entlastungsscheibe und das Gegenelement als Gegenscheibe ausgebildet sein. Auch eine Ausführung des Elements als Entlastungskolben oder als Doppelkolben ist möglich. Die Kohlenstoffschicht verhindert wirksam eine Beschädigung der Bauteile im Falle eines Anstreifen von Element und Gegenelement, insbesondere bei An- oder Abfahrvorgängen.
Unter den Kohlenstoffschichten werden Schichten verstanden, in denen Kohlenstoff der überwiegende Bestandteil ist. Die Kohlenstoffschicht kann beispielsweise mit einer PVD- (engl. Physical Vapor Deposition), einer physikalischen Gasphasenabscheidung etwa durch Verdampfen oder Sputtern) oder einem CVD-(engl. Chemical Vapor Deposition; Chemische Gasphasenabscheidung) Verfahren aufgebracht werden.
Vorzugsweise wird die Schicht auf das als Entlastungsscheibe, Entlastungskolben oder Doppelkolben ausgeführte Element aufgebracht, insbesondere an möglichen Berührungsflächen von Element und Gegenelement. Ergänzend oder alternativ kann auch das Gegenelement, das beispielsweise als Gehäuseteil ausgeführt ist, mit der Kohlenstoffschicht beschichtet werden.
Vorzugsweise handelt es sich um eine amorphe Kohlenstoffschicht, insbesondere eine tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht, die auch als ta-C Schicht bezeichnet wird. Die dem Kristallgitter von Graphit zugehörigen Atombindungen (insgesamt jeweils 3) kennzeichnet man mit der Bezeichnung „sp2“. Dabei liegt eine sp2-Hybridisierung vor.
Beim Diamant bildet jedes Kohlenstoffatom mit vier benachbarten Atomen eine tetraederförmige Anordnung. Bei dieser räumlichen Anordnung sind alle Atomabstände gleich gering. Es wirken daher sehr hohe Bindungskräfte zwischen den Atomen, und zwar in allen Raumrichtungen. Daraus resultiert die hohe Festigkeit und die extreme Härte des Diamanten. Die dem Kristallgitter von Diamant zugehörigen Atombindungen, insgesamt jeweils vier, kennzeichnet man mit der Bezeichnung „sp3“. Somit liegt eine sp3-Hybridisierung vor.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung besteht die Kohlenstoffschicht aus einer Mischung von sp3- und sp2-hybridisiertem Kohlenstoff. Diese Schicht ist durch eine amorphe Struktur gekennzeichnet. In dieses Kohlenstoffnetzwerk können auch Fremdatome wie Wasserstoff, Silizium, Wolfram oder Fluor eingebaut sein.
Die erfindungsgemäße Anordnung einer Kohlenstoffschicht führt zu einer erheblichen Reduzierung des Abtrags von einander reibenden Bauteilen. Durch die Kohlenstoffschicht wird die Gleitfähigkeit so weit gesteigert, dass selbst bei einem Anstreifen eine Beschädigung von Element und das Gegenelement wirksam verhindert wird.
Die Erfindung ermöglicht eine Verwirklichung von sehr kleinen Spaltmaßen. Dadurch wird der Leckagestrom minimiert und somit der Wirkungsgrad der Kreiselpumpe gesteigert. Aufwendige Wartungsarbeiten entfallen. Dies senkt die Betriebskosten.
Durch die Anordnung einer Kohlenstoffschicht zwischen dem Element und dem Gegenelement wird eine extrem glatte axiale Oberfläche mit Antihafteigenschaften geschaffen, ohne dass eine aufwendige mechanische Nachbearbeitung der Bauteile erforderlich ist. Somit zeichnet sich die erfindungsgemäße Entlastungseinrichtung durch verhältnismäßig geringe Herstellungskosten aus.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung wird die Kohlenstoffschicht als Beschichtung auf das Element und/oder das Gegenelement aufgebracht. Die Dicke der Schicht beträgt vorteilhaft mehr als 0,3 µm, vorzugsweise mehr als 0,6 µm, insbesondere mehr als 0,9 µm. Weiterhin erweist es sich als günstig, wenn die Dicke der Schicht weniger als 30 µm, vorzugsweise weniger als 25 µm, insbesondere weniger als 20 µm beträgt.
Bei einer Variante der Erfindung wird das Element bzw. Gegenelement mittels einer einfachen Maskierungsvorrichtung abgedeckt, um nur den gewünschten Beschichtungsbereich frei zu lassen. Dabei können auch mehrere Elemente bzw. Gegenelemente gleichzeitig in den Beschichtungsreaktor, der vorzugsweise als Vakuumkammer ausgeführt ist, eingebracht werden, wobei bei mäßiger thermischer Belastung, die ta-C Beschichtung aufgebracht wird.
Das Element bzw. Gegenelement ist nach dem Beschichtungsvorgang sofort ohne jegliche Nacharbeit einsatzbereit. Die ta-C-Beschichtung weist einen sehr geringen Reibbeiwert bei gleichzeitig sehr guter chemischer Beständigkeit auf. Die Härte der Beschichtung kommt der Härte von Diamant sehr nahe, wobei die Härte vorzugsweise mehr als 20 GPa, vorzugsweise mehr als 30 GPa, insbesondere mehr als 40 GPa beträgt aber weniger als 120 GPa, vorzugsweise weniger als 110 GPa, insbesondere weniger als 100 GPa.
Vorzugsweise wird die Kohlenstoffschicht nicht unmittelbar auf das Element bzw. Gegenelement aufgebracht, sondern es wird zunächst eine Haftvermittlerschicht vorgesehen. Diese besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff bestehen, der sowohl gut an Stahl haftet als auch eine Kohlenstoffdiffusion verhindert, z. B. durch die Bildung stabiler Carbide. Als Haftvermittlungsschichten, die diese Anforderungen erfüllen, kommen vorzugsweise dünne Schichten aus Chrom, Titan oder Silizium zum Einsatz. Insbesondere haben sich Chrom und Wolframcarbid als Haftvermittler bewährt.
Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Beschichtung eine Haftvermittlerschicht auf, die vorzugsweise einen Chromwerkstoff beinhaltet. Vorzugsweise besteht die Haftvermittlerschicht zu mehr als 30 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 60 Gew.-%, insbesondere mehr als 90 Gew.-% aus Chrom.
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dicke der Haftvermittlerschicht mehr als 0,03 µm, vorzugsweise mehr als 0,06 µm, insbesondere mehr als 0,09 µm beträgt und/oder weniger als 0,21 µm, vorzugsweise weniger als 0,18 µm, insbesondere weniger als 0,15 µm beträgt.
Bei der erfindungsgemäßen ta-C Beschichtung handelt es sich um ein einfaches, schnelles und wirtschaftliches Verfahren. Die erfindungsgemäße Beschichtung weist neben einer sehr großen Härte auch hervorragende Gleiteigenschaften und eine gute chemische Beständigkeit auf.
Zudem ermöglicht die Erfindung auch eine Beschichtung von dünnwandigen Elementen bzw. Gegenelementen mit kleineren Abmessungen, was mit herkömmlichen Beschichtungen nur sehr schwer realisierbar wäre.
Der Vorteil der höheren Härte durch die ta-C Beschichtung liegt zum einen darin begründet, dass sich kleine Feststoffpartikel, die oft in den Medien enthalten sind, in dem Bereich zwischen Element und Gegenelement ansammeln. Durch die Bewegung wirken diese Feststoffteilchen wie ein Schleifmittel und arbeiten sich so in die Oberfläche des Elements ein. Dies führt dazu, dass auf der Oberfläche von herkömmlichen Elementen Riefen entstehen können, die zum Verschleiß beider Teile und einer Leckage führen.
Idealerweise werden zur Beschichtung PVD Verfahren eingesetzt. Diese Verfahren sind relativ einfach und weisen eine niedrige Prozesstemperatur auf. Diese Technologie führt zu Schichten, in die je nach Bedarf auch Fremdatome eingebaut sein können. Die Abscheidetemperaturen liegen typisch deutlich unter 500 °C. Die Prozessführung erfolgt vorzugsweise so, dass Gefüge- und Dimensionsänderungen der zu beschichtenden Werkstoffe (metallisch, hoch- und niedrig legierte Edelstähle, etc.) ausgeschlossen sind.
Alternativ können zur Beschichtung PECVD/PACVD-Verfahren eingesetzt werden. Dabei erfolgt eine Plasmaanregung der Gasphase durch die Einkopplung von gepulster Gleichspannung („pulsed DC“), mittelfrequenter (KHz-Bereich) oder hochfrequenter (MHz-Bereich) Leistung. Aus Gründen einer maximierten Prozessvariabilität bei unterschiedlichen Werkstückgeometrien und Beladungsdichten hat sich zudem die Einkopplung von gepulster Gleichspannung bewährt.
Erfindungsgemäß können mit dem Verfahren normale standardmäßige Serienteile wie Entlastungsscheibe, Entlastungskolbens, Entlastungsdoppelkolben bzw. Gehäuseteile mit ta-C an den möglichen Berührungsflächen beschichtet werden. Dadurch wird ein enorm verbessertes Verschleiß- und Gleitverhalten erreicht.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Anführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt

1 einen Ausschnitt einer im Schnitt dargestellten mehrstufigen Kreiselpumpe,
2 eine schematische Darstellung einer Entlastungseinrichtung.

1 zeigt eine Kreiselpumpe mit einem Gehäuse 1 und einer Welle 2, die mehrere Laufräder 3 trägt. In der Zeichnung sind exemplarisch nur zwei der Laufräder 3 dargestellt. Auf der Welle 2 ist auch ein Element 4 einer Entlastungseinrichtung, das im Ausführungsbeispiel als Doppelkolben ausgeführt ist. Das Element 4 wird von einem Gegenelement 5 umgeben, das im Ausführungsbeispiel von einem Gehäuseteil gebildet wird. Element 4 bildet mit dem Gegenelement 5 zwei radiale Spalte 6 und 7. Zwischen den radialen Spalten 6 und 7 befindet sich ein axialer Spalt 8. Der axiale Spalt 8 hat eine veränderliche Weite s. Am druckseitigen Ende der Kreiselpumpe ist ein hydrodynamisches Axiallager 9 angeordnet.
Die Entlastungseinrichtung ist so ausgelegt, dass sich nach Möglichkeit in allen Betriebszuständen der Kreiselpumpe ein Restschub ergibt, der in Richtung der Saugseite wirkt. Ausgehend von einer maximalen Weite s des axialen Spaltes 8 im Ruhezustand der Kreiselpumpe wird beispielsweise durch eine elastische Verformung, vorzugsweise eines kardanischen Ringes der Spalt 8 unter Betriebsbedingungen bis auf eine vorgegebene Minimalweite geschlossen, bei welcher eine Berührung der den Spalt 8 begrenzenden Flächen des Doppelkolbens 4 und des Gehäuseteils 5 nach Möglichkeit vermieden wird. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführung besitzt der axiale Spalt 8 eine selbstregelnde Funktion. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Element 4 und dem Gegenelement 5 zumindest bereichsweise eine Kohlenstoffschicht 10 angeordnet ist, die in 2 gezeigt wird.
2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer als Doppelkolben ausgeführten Entlastungseinrichtung mit einem Element 4, das drehfest mit einer Welle 2 verbunden ist und zusammen mit einem feststehenden Gegenelement 4 zwei radiale Spalte 6 und 7 und einen axialen Spalt 8 bildet. Der axiale Spalt 8 hat eine veränderliche Weite s. Zwischen dem Element 4 und dem Gegenelement 5 ist zumindest bereichsweise eine Kohlenstoffschicht 10 angeordnet ist. Das Element 4 ist mit der Kohlenstoffschicht beschichtet. Es handelt sich um eine amorphe Kohlenstoffschicht 10, die als ta-C Beschichtung des Elements 4 in die Entlastungseinrichtung eingebracht ist. Die Dicke der Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 20 µm, wobei die Beschichtung eine chromhaltige 0,1 µm dicke Haftvermittlerschicht zwischen dem Element 11 und der Kohlenstoffschicht 14 aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10254041 A1 [0007]
DE 19927135 A1 [0008]
DE 1745898 U [0009]

Claims

Entlastungseinrichtung zur Kompensation des Axialschubs einer Strömungsmaschine mit einem Element (4), das drehfest mit einer Welle (2) verbunden ist und zusammen mit einem feststehenden Gegenelement (5) mindestens einen Spalt (6, 7, 8) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Element (4) und dem Gegenelement (5) zumindest bereichsweise eine Kohlenstoffschicht (10) angeordnet ist.
Entlastungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine amorphe Kohlenstoffschicht (10) handelt.
Entlastungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht (10) handelt.
Entlastungseinrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht (10) als Beschichtung auf dem Element (4) und/oder dem Gegenelement (5) aufgebracht ist.
Entlastungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Haftvermittlerschicht aufweist.
Entlastungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht zu mehr als 30 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 60 Gew.-%, insbesondere mehr als 90 Gew.-% aus Chrom besteht.
Entlastungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Haftvermittlerschicht mehr als 0,03 µm, vorzugsweise mehr als 0,06 µm, insbesondere mehr als 0,09 µm beträgt und/oder weniger als 0,21 µm, vorzugsweise weniger als 0,18 µm, insbesondere weniger als 0,15 µm beträgt.
Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenhärte des Elements (4) und/oder des Gegenelements (5) mit der Kohlenstoffschicht (10) mehr als 20 GPa, vorzugsweise mehr als 30 GPa, insbesondere mehr als 40 GPa beträgt und/oder weniger als 120 GPa, vorzugsweise weniger als 110 GPa, insbesondere weniger als 100 GPa beträgt.
Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kohlenstoffschicht (10) mehr als 0,3 µm, vorzugsweise mehr als 0,6 µm, insbesondere mehr als 0,9 µm beträgt und/oder weniger als 30 µm, vorzugsweise weniger als 25 µm, insbesondere weniger als 20 µm beträgt.
Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) als Entlastungsscheibe ausgebildet ist.
Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) als Entlastungskolben ausgebildet ist.
Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) Entlastungsdoppelkolben ausgebildet ist.
Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (5) als Gehäuseteil ausgebildet ist.