DE1811430A1 - Hydraulische Stroemungsmaschine - Google Patents

Description

• Hydraulische Strömungsmaschine Die Erfindung betrifft eine hydraulische Strömungsmaschine, insbesondere Wasserturbine oder -pumpe. Bei derartigen ilaschinen ist zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse mindestens ein Dichtungsspalt vorhanden, der von der Flüssigkeit infolge des Druckgefälles zwischen Laufradeintritts- und Austrittsseite axial durchströmt wird.
• Es ist andererseits bekannt, die Wellen von Strömungsmaschinen in wassergeschmierten Lagerschalen aus Gummi oder einem anderen gummielastischen Werkstoff zu lagern. Hierbei muß jedoch für die Zufuhr des zur Schmierung und Kühlung erforderlichen Wassers zum Lager eine besondere Einrichtung,.z; B, eine Schmiermittelpumpe vorgesehen sein.
• Erfindungsgemäß wird nun bei einer Strömungsmaschine der eingangs genannten Gattung mit mindestens einem Dichtungsspalt zwischen Laufrad und Gehäuse eine der Flächen des Dichtungsspaltes mit einer Schicht aus gummielastischem Werkstoff belegt, die damit zur unmittelbaren Lagerung des Laufrades dient.
• Dieser Lagerung wird das zur Schmierung und Kühlung dienende Wasser selbsttätig durch das ohnehin zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite des Laufrades und damit auch zwischen den beiden Enden des Dichtungsspaltes bestehende Druckgefälle zugeführt, so daß die sonst hierfür erforderliche zusätzliche Einrichtung entfällt.
• Außerdem wird hierbei mindestens eine der sonst erforderlichen zwei Lagerstellen der Welle des Laufrades eingespart, wodurch sich weiterhin die Möglichkeit ergibt, die Baulänge der Maschine erheblich zu verringern.
• Infolge der unmittelbaren Lagerung des Laufrades selbst im Gehäuse, ohne Zwischenschaltung einer auf Biegung beanspruchten Welle, kann die biegekritische Drehzahl des Laufrades weit über die Betriebsdrehzahl gelegt werden, was vor allen Dingen bei mehrstufigen Pumpen zu betrieblichen Vorteilen führt. Auch bei hoher Betriebsdrehzahl braucht die kritische Drehzahl nicht durchlaufen zu werden.
• Zudem wirkt die gummielastische Lagerschicht an sich schon schwingungsdämpfend.
• Es ist zweckmäßig, wenn die gummielastische Schicht im Gehäuse angeordnet ista entweder unmittelbar oder mittels einer Tragbuchse, da es dann möglich ist, in der im übrigen vollwandige, d. h. ohne die sonst üblichen z. B. achsparallelen Nuten, ausgebildeten Schicht an deren am geringsten belasteten Stelle ihres Innenumfanges eine etwa achsparallele Nut vorzusehen, in der zwischen Laufrad und Schicht eingedrungene Festkörpers z. B, Sand, durch die den Dichtungsspalt axial durchströmende Flüssigkeit herausgespült wird.
• Der Spaltverlust im Dichtungsspalt wird durchdiese Nut, die nur eng zu sein braucht, nur unwesentlich erhöht, Die Anlaufkante, d. h. die in Drehrichtung des Laufrades vorn liegende kante, der Nut soll abgeflacht seine um hier ein Abstreifen des Flüssigkeitsfilms zu vermeiden.
• Als brauchbar hat sich eine gummielastische Schicht erwiese1i, deren Stärke bei einer Shore-A-Härte von 3c bis So Grad, vorzugsweise t Cad is 55 Grad, etwa 2 m. beträgt. Die Lagerbreite beträgt dabei zweckmäßig etwa 15 bis 25 . des Lagerdurchmessers und das relative Lagerspiel etwa o,l bis o,2 @.
• Genestand einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist eine Wasserpumpe, insbesondere Umwälzpumpe, bei der ein mit dem Laufrad unmittelbar verbundener Motoranker im Pumpengehäuse umläuft und in diesem auf der dem mittels der gummielastischen Schicht gelagertem Laufrad abgewandten Seite ebenfalls mittels einer vom Wasser überströmten Schicht im Pumpengehäuse gelagert ist, wobei der innerhalb des Umfangs dieser. Schicht liegende Teil der Strinfläche des Motorankers mit der Eintrittsseite des Laufrades über mindestens eine Ausgleichsbohrung verbunden ist.
• Auch an dieser unmittelbaren Lagerstelle des Ankers wird der Schmiermittelfluß durch das im Laufrad aufgebaute Flüssigkeitsdruckgefälle bewirkt.
• Die erfindungsgemäse Ausbildung der Strömungsmaschine eignet sich auch für andere niedrigviskose Flüssigkeiten, wobei selbstverständlich der Werkstoff der gummielastischen Schicht gegenüber der Flüssigkeit beständig sein muß.
• Die Erfindung ist an einigen Ausführungsbeispielen und in weiteren Einzelheiten in der Zeichnung erläutert, Es zeigt Fig. 1 in Seitenansicht im Schnitt eine doppelflutige Kreiselpumpe, Fig. la in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch eine Lagerstelle des Laufrades dieser Kreiselpumpe, Fig. 2 im Schnitt eine Teilansicht einer Francis-Turbine, Fig. 2a einen Schnitt A-A gemäß Fig. 2 durch eine Lagerstelle des Laufrades dieser Turbine, Fig. 3 im Schnitt eine halbaxiale Kreiselpumpe, Fig. 4 im Schnitt eine Umwälzpumpe Fig. 4a einen Schnitt B-B gemäß Fig. 4 dUrch eine axiale Lagerstelle dieser Pumpe Die in Fig. 1 gezeigte doppelflutige Kreiselpumpe besteht aus dem aus den beiden Teilen 1 und 2 zusammengesetzten Gehäusen, an dessen Unterem Teil 2 im Lagerbock 3 angesetzt ist, in dem mittels eines Pendelkugellagers 4 die Welle 5 gelagert ist, Das Pendelkugellager stützt die Welle 5 axial und an seinem Sitz auch radial ab, so daß die beispielsweise vom Antriebsflansch 6 angeleiteten Kräfte die Welle 5 nicht wesentlich verlagern können. Das flüssige Medium tritt durch die beiden seitlichen Zulaufkanäle 9 auf der Welle 5 befestigten doppelflutigen Laufrad, 8 zu und verläßt es über den Spiralkanal 10.
• Nahe dem äußeren Ümfang des Eintritts der Schaufelkanäle im Laufrad 8 sind beidseitig die Dichtungsspalte vorgesehen, die das umlaufende Laufrad 8 gegen das Gehäuse 1, 2 derart abdichten, daß zwischen Eintritt und Austritt kein Druckausgleich stattfinden kann. Da jedoch diese Dichtungsspalte berührungsfreie Dichtungen darstellen, ist hier ein gewisser Leckstrom des Mediums unvermeidbar, Dieser Leckstrom 15 wird nun zur Schmierung und Kühlung der den Dichtungsspalt 14 begrenzenden Flächen, die als Lagerflächen für das Laufrad 8 dienen, ausgenutzt1 indem z, B. die gehäuseseitige Fläche. - Fig. 1 zeigt - von einer Gummischicht 12 gebildet wird, die vorzugsweise mittels eines anvulkanisierten Stützringes 11 in das Gehäuse 1, 2 eingesetzt ist unc? auf der das Laufrad 8 mittels eines Laufringes 13 gleitend gelagert ist.
• Der Laufring 13 ist entbehrlich, wenn der Werkstoff des Laufrades 8 selbst gute Laufeigenschaften gegen Gummi aufweist.
• Während des Betriebes sind jedoch die Laufflächen durch hydrodynamische Flüssigkeitsschmierung, die sich insbesondere infolge der gummielastischen Eigenschaften der einen Lagerfläche in günstiger Weise ausbildet, voneinander getrennt. Beim An-und Auslauf sind dagegen gute Laufeigenschaften der Geçenfläche wichtig.
• Die Abdichtung der Welle 5 gegenüber dem Gehäuse nach au3en hin erfolgt über eine weiche Stopfbuchsenpackung 7, an deren Stelle jedoch eine Gleitringdichtung mit radialen Dichtflächen wegen ihrer besserenradialen Nachgiebigkeit Vorteile bietet, da die Lagerung des Laufrades in gummielastischem Werkstoff eine gewisse radiale i-Tachgiebigkeit des Laufrades bedingt, wodurch wiederum gewisse Fluchtungsfehler in der gesatten Lagerung unschädlich bleiben.
• Wie leicht zu ersehen ist die Baulänge der erfindungsgemäßen Pumpe infolge Wegfalls der zweiten äu,3eren starren Lagerung erheblich geringer als bei den bisher bekannten Ausführungen.
• Infolge der unmittelbaren Lagerung des Laufrades 8 im Gehäuse erfährt die Welle 5 vom Laufrad 8 her keine Biegebeanspruchungen, was die bereits oben angeführten Vorteile mit sich bringen. Darüber hinaus ist ein gummielastischer Werkstoff weniger durch Einwirkungen der Kavitation gefährdet.
• Durch Anformen einer Umlenknase 16 an die gummielastische Schicht 12 können an den gezeigten Stellen Kavitationserscheinungen vermieden werden.
• Bei der in Fig, 2 gezeigten Francis-Turbine strömt das Druckwasser vom äußeren Ringkanal 17 her über die verstellbaren Leitschaufeln 19 zum Laufrad 18. Ein geringer Teil 20 des Druckwassers strömt jedoch über den Dichtungsspalt 14 am Laufrad vorbei, Dieser Leckstrom 20 dient jedoch wiederum zur Schmierung und Kühlung der in gleicher Weise, wie Fig, 1 und la gezeigt, ausgebildeten Lagerstelle zwischen Laufrad 18 und Gehäuse 1.
• Um einen axialen Druckausgleich auf beiden Seiten des Laufrades 18 zu erzielen, ist auf der der Abströmseite des Laufrades 18 abgewandten Seite des Laufrades ein in den Abmessungen gleiches gummielastisches Lager vorzusehen, das ebenfalls von einem Leckstrom durchströmt wird. Das Laufrad 18 ist außerdem mit einer Ausgleichsbohrung versehen, die Druckgleichheit zwischen beiden Seiten des Laufrades herbeiführt, In entsprechender Weise kann auch bei einer Kreiselpumpe gemäß Fig. 1, jedoch in einflutiger Ausführung, ein Axialschub vermieden werden.
• In Fig, 2a ist gezeigt, wie durch Anordnung einer schmalen Nut 29 mit abgeschrägten Kanten in der g'ummielastischen Schicht 12 die Selbstreinigung des Lagers von etwa in den Spalt geratenen Festkörpern, z, B. Sand, bewirkt werden kann.
• In Fig. 3 ist eine halbaxiale } reiselpumpe gezeIgt. Vom unteren Ende des Außenrohres 22 strömt das Wasser in Richtung 24 dem am unteren Ende der lotrechten Welle 25 befestigen Laufrad 28 zu. Die Lagerung des unteren Endes der Welle 25 erfolgt mittels des ar. unteren Ende des Kopfstückes 26 des Innenrohres 27 im Laufrad 28 angeordneten Lagers, das aus der Gummischicht 12 und ae Laufring 13 besteht.
• Die im Laufrad 28 vorgesehenen Ausgleichsbohrungen 21 ermöglichen die erforderliche Durchströmung des Dichtungsspaltes zwischen Laufrad 28 und Kopfstück 26, der von der gummielastischen Schicht 12 und dem Laufring 13, die auch in ihrer gegenseitigen Anordnung vertauscht werden können, begrenzt ist Die Welle 25 ist an ihren oberen Enden axial und radial unnachgiebig gelagert.
• Bei der in Fig. 4 gezeigten Umwälzpumpe ist das Laufrad 30 unmittelbar an der einen Stirnfläche eines Ankers 31 eines Elektromotors befestigt und zusammen mit dem Anker 31 im Pumpengehäuse gelagert. Die Lagerung erfolgt sowohl auf der Laufradseite als auch auf der dem Laufrad 30 abgewandten Seiten in der in den zuvor gezeigten Beispielen dargestellten Weise mittels die Dichtungsspalte begrenzender Schichten »2 aus gummielastischem Werkstoff und Laufringen 12. Um eine Durchströmung auch des an der dem Laufrad 30 abgewandten Ende des Ankers 31 als Lager vorgesehenen Dichtungsspaltes und zugleich einen axialen Druckausgleich zu erzielen, sind in Anker 3; Ausgleichsbohrungen 21 vorgesehen, Diese Umwälzpumpe weist keine äußeren Lager auf. Auch der Stator 32 des Motors ist in das Pumpengehäuse mit einbezogen und kann durch ein Spaltrohr 33 gegenüber den inneren der Pumpe abgeschlossen sein.
• Zur axialen Abstützung des Laufrades 3o und Ankers 31 im Pumpengehäuse sind, wie Fig. 4a zeigt, in diesem radial sich erstreckende und durch Zwischenräume 37 voneinander getrennte und mit abgeflachten Anlaufkanten versehene gummielastische Sehichten 36 vorgesehen, die an planen Laufringen 38 des Laufrades 3c bzw. Ankers 31 gleiten und ebenfalls durch die die Dichtungsspalte durchströmende Flüssigkeit geschmiert werden.

Claims (7)

Patentansprüche

1) Hydraulische Strömungsmaschine, insbesondere Wasserturbine oder -pumpe, deren Dichtungsspalt zwischen Laufrad und Gehäuse von der Flüssigkeit durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Flächen des Dichtungsspaltes (14t mit einer Schicht (12) aus gummielastischem Werkstoff belegt ist, die danach zur unmittelbaren Lagerung des Laufrades (8, 18, 28, 30) dient.

2) Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2* dadurch gekennzeichnet daß die gummielastische Schicht (12) im Gehäuse befestigt ist.

3) Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der gummielastischen Schicht (l2) bei einer Shore-A-Härte von etwa 30 bis 80 vorzugsweise 40 bis 55 etwa 2 mm die Lagerbreite etwa 15 bis 25 % des Lagerdurchmessers und das relative Lagerspiel etwa 0,1 % beträgt,

4) Maschine nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß in der gummielastischen Schicht (12) eine etwa achsparallele Nut (29) mit abgeflachter Anlaufkante vorzugsweise an der am geringsten belasteten Stelle des Innenumfangs der Schicht (12) vorgesehen ist.

5) Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem einflutigen Laufrad (18) 28) in an sich bekannter Weise mindestens vom Eintritt des Laufrades (18, 28) zu dessen Rückseite führende Ausgleichsbohrung (21) vorgesehen ist.

6) Wasserpumpe, insbesondere Umwälzpumpe, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Laufrad (30) unmittelbar verbundener Motoranker (31) im Pumpengehäuse (1) umläuft und in diesem auf der dem mittels der gummielastischen Schicht gelagerten Laufrad (30) abgewandten Seite ebenfalls mittels einer vom Wasser überströmten gummielastischen Schicht (12) im Pumpengehäuee gelagert ist wobei die innerhalb des Umfangs dieser Schicht (12) liegende Teil der Strinfläche des Motorankers (31) mit der Eintrittsseite des Laufrades (30) über mindestens eine Ausgleichsbohrung (21) verbunden ist.

7) Wasserpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß zur axialen Lagerung des Motorankers (31) und des Laufrades (30) im Gehäuse radial sich enstreckende und durch Zwischenräume (37) voneinander getrennte mit abgeflachten Anlaufkanten versehene gummielastische Schichten (36) vorgesehen sind, L e e r s e i t e