DE202006005189U1

DE202006005189U1 - Kreiselpumpe mit koaxialer Magnetkupplung

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Publication number: DE202006005189U1
Application number: DE202006005189U
Authority: DE
Original assignee: H Wernert and Co OHG
Current assignee: H Wernert and Co OHG
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2016-04-01
Also published as: JP2009531589A; DE502007002031D1; ES2335946T3; EP2002126B1; KR101410628B1; EP1965081B1; JP5461172B2; ATE472060T1; US20100028176A1; WO2007112938A2; EP2002126A2; EP1965081A1; CN101415950B; WO2007112938A3; KR20080108150A; ATE449263T1; CN101415950A; US8162630B2; DE502007004191D1

Abstract

Kreiselpumpe
– mit einer statischen und geschlossenen Einfassung der Förderflüssigkeit im Inneren der Pumpe in Gestalt eines Gehäuses (1),
– mit einer berührungslosen, permanentmagnetischen koaxialen Drehkupplung (6, 7; 13 ,14) zur Übertragung eines Antriebsmomentes in das Innere des Pumpengehäuses
– mit einem Pumpen-Laufrad (4), das zusammen mit einem, Permanentmagnete (7) tragenden, Magnetrotor (6) eine topfförmige Baueinheit (Laufrad-Magnetrotor-Einheit 19) bildet,
– mit einer radialen Lagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit (19) im Innenraum der Pumpe, die als Gleitlagerung (9, 10) ausgeführt ist,
und bei der die magnetischen Wirklinien des antreibenden Teils der Drehkupplung (Magnettreiber 13 und Permanentmagnete 14) radial nach außen weisen und die magnetischen Wirklinien des mit dem Pumpen-Laufrad (4) verbundenen Teils der Drehkupplung (Magnetrotor 6 und Permanentmagnete 7) radial nach innen weisen,
dadurch gekennzeichnet, dass
– der rotierende Teil (9; 9a, 9b) der Gleitlagerung mit dem Magnetrotor (6) an dessen Außenumfang (38) fest verbunden ist...

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wie sie aus der EP-B1-0171515 bekannt ist.
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 1 bis 4 zu den nach dem Stand der Technik bekannten Lösungen erläutert.
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 1 dargestellt und wird z.B. in der Broschüre [1] beworben.
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 (T) 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 2. Eine solche Pumpe wird z.B. in [2] beworben.
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 1 und 2 beschriebene und heute weitgehend übliche Bauweise (hier als Bauart A bezeichnet) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Magnettreiber (13') radial außen über dem weiter innen liegenden Magnetrotor (6') angeordnet ist. Diese Bauweise hat den Vorteil, dass das hohe Massenträgheitsmoment des außen gelegenen Magnettreibers (13') dem allzu schnellen Hochfahren des antreibenden Motors entgegenwirkt und somit das Abreißen der Magnetkupplung günstiger verhindert werden kann.
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 DE 01453760 , EP 0171514 oder EP 0171515 beschrieben sind und in 3 dargestellt sind, müssen sorgfältig so ausgelegt werden, dass beim schnellen Hochfahren die Magnetkupplung nicht abreißt, was hier aufgrund des außen liegenden Magnetrotors (6') droht. Des Weiteren behindert der radial innen liegende Magnettreiber (13') eine axial auseinander gezogene innen liegende Gleitlagerung des Laufrad-Magnetrotor-Einheit (19'), wenn nicht der Spalttopf (12'), der mit seiner eigentlichen Öffnung bei der Bauart B der Antriebsseite der Pumpe zugewandt sein muss, nachteilig recht verwunden ausgeführt wird. Eine ausgeführte Pumpe der Bauart B wird in [3] beworben und diente als Vorlage für die 3. Dass hier im Gegensatz zur Konstruktion entspr. 2 die Achse (17') ausschließlich durch die Strömungsrippen (18') festgehalten wird, hat bei der ausgeführten Pumpe den Vorteil eines durchgängig dünnwandigen Spalttopfes (12'), der nur mit dem Innendruck der Pumpe, jedoch nicht durch Lagerkräfte belastet wird.
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 lt. 1 bis 3 befinden sich aber genau dort die Gleitlagerungen, die dann trocken fallen und dadurch häufig zerstört werden. Es sind daher viele Vorschläge gemacht worden, diesem Problem zu begegnen. Diese Lösungen bleiben jedoch oft der Tribologie der Reibpartner verhaftet – gepaart mit dem Versuch, die Reibleistung der Lager bei Mangelschmierung zu vermindern und somit die thermische Zerstörung zu vermeiden.
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 4 dargestellt ist. Diese Konstruktion ist der Bauart A zuzuordnen. Es gelingt hier zu einer wellen- und achsenlosen Konstruktion zu gelangen, indem als feststehender Teil (10') der Gleitlagerung ein Abschnitt des Spalttopfes (12') verwendet wird und der rotierende Teil (9') der Gleitlagerung durch einen Abschnitt des Schutzmantels (8') gebildet wird. Das Pumpen-Laufrad (4') wird mit dem Magnetrotor (6'), den Permanentmagneten (7') und dem Schutzmantel (8') zu einem hohlen Laufrad-Magnetrotor-Einheit (19') verbunden.
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 10 vorgeschlagen.
Durch die Erfindung, welche die einleitend beschriebenen Unvollkommenheiten nach dem Stand der Technik überwindet und und bei der die radiale Lagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit soweit wie möglich nach außen verlagert ist, werden u.a. folgende Vorteile erreicht:

– die Lagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit wird im Falle einer gaseintragenden Betriebsstörung außerhalb des gefährdeten Innenbereiches sicher weiterbetreiben, wobei auch das Abschleudern von Restflüssigkeit nach außen, die dann zur Lagerschmierung dient, günstig ausgenutzt wird;
– die Lagerung befindet sich nahe an der äußeren Gehäusewand, wo durch Kühlrippen die sich etwa erhitzende, nach außen abgeschleuderte Restflüssigkeit wirksam gekühlt werden kann;
– es wird eine vergleichsweise hohe Gleitgeschwindigkeit in den Lagern erzielt, so dass die Lagerung trotz der üblichen niedrigen Pumpendrehzahlen (in der Regel nur 1000 1/min bis 3000 1/min) auch bei niedrigen Fördermediumsviskositäten (oft wasserähnlich) in den Zustand der berührungsfreien Gleitung gelangen kann und damit das Mischreibungsgebiet herkömmlicher Gleitlagerungen in Magnetkupplungspumpen vermieden wird;
– es wird ein einfacher äußerer Zugang zu den Gleitlagern möglich und damit die Möglichkeit einer extern versorgten Lagerschmierung und/oder einer sensorischen Überwachung der Lager geschaffen;
– der Spalttopf findet nicht mehr als abstützendes Bauteil Verwendung, so dass er
– sich der magnetischen Momentenübertragung unterordnend – stets dünnwandig ausgeführt werden kann und dennoch die Gefahr einer Überlastung und Deformation nicht besteht;
– des Weiteren werden Anlauf- und Notlager verzichtbar.

Wenn ein Flüssigkeitsrückhalteraum im Bereich der Gleitlagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit vorgesehen wird, wird dadurch die Trockenlaufgefahr verringert (Anspruch 2).
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 (Anspruch 3).
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 (Anspruch 5).
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 (Anspruch 6).
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 (Ansprüche 7 und/oder 8).
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 (Anspruch 9).
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:
5 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kreiselpumpe im Axialschnitt – schematisiert;
6 eine zweite Ausführungsform;
7 eine dritte Ausführungsform;
8 eine vierte Ausführungsform;
9 eine fünfte Ausführungsform;
10 eine sechste Ausführungsform;
11 eine siebte Ausführungsform;
12 eine achte Ausführungsform;
13 eine neunte Ausführungsform;
14 eine zehnte Ausführungsform sowie
15 eine elfte Ausführungsform.
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 7 bis 15 zumindest pumpenseitig innerhalb des von der Laufrad-Magnetrotor-Einheit 19 gebildeten Raumes erfolgt. Hierzu steht ein durchgehend hohler Kragzapfen 39 von der antriebsseitigen Gehäusestirnwand zur Pumpenseite hin ab und weist eine sich verjüngende Bauform 39a, 39b auf, wobei an seinem antriebsseitigen Endbereich die ihn durchdringende Antriebswelle 15 der Pumpe wälzgelagert ist, während ein zweites Wälzlager im gegenüberliegenden Endbereich auf seiner Außenseite die Antriebswelle 15 indirekt, nämlich über den Magnettreiber 13 lagert. Letzterer weist hierzu eine antriebsseitig offene Topfform auf.
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 (5, obere Hälfte) und muss nicht wie beim Stand der Technik nach 4 der aus wirtschaftlichen Gründen möglichst dünnwandige Schutzmantel 8 sein. Auch dies hatte ja in [4] zur Notwendigkeit weiterer radialer Anlauf- und Notlager 37 geführt, die hier in keiner Weise mehr benötigt werden. Es wird sogar möglich, bei geeigneter Wahl des Werkstoffes und bei entsprechender Formgebung, dass Teile der Magnetrotors 6 selbst zum rotierenden Teil 9 der Gleitlagerung werden können (5, untere Hälfte). Ist der Magnetrotor 6 dazu jedoch nicht geeignet, da sein Werkstoff in der Regel ferromagnetisch sein muss, dann wird mit den Ansprüchen 3 und 4 wie noch zu sehen ist eine geeignete technische Lösung angeboten. Diese ist dem Anspruch 1 unterzuordnen, da der eingeführte Schutz (Hülse 29 oder Formmasse 30) für den Magnetrotor 6 letztlich auch Teil des Laufrad-Magnetrotor-Einheit 19 wird.
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 (5, obere Hälfte) und muss nicht mehr nachteilig die prinzipiell dünne Wandung des Spalttopfes 12 sein, wie in [4] beschrieben. Es wird sogar möglich, bei geeigneter Wahl des Werkstoffes und bei entsprechender Formgebung, dass Teile der Gehäusewandung 20 des Pumpengehäuses 1 selbst zum feststehenden Teil der Gleitlagerung 10 werden können (5, untere Hälfte), evtl. auch erst durch eine mehrschichtige Ausführung wie später in Anspruch 9 dargelegt.
Für eine wirksame Gleitlagerung ist es dabei unerheblich, ob in zwei expliziten Lagerstellen 9, 10a und 9, 10b gelagert wird (5, obere Hälfte), oder ob die gesamte Gleitlagerung zu einer einzigen axial erstreckten "Lagertrommel" auseinander gezogen wird (5, untere Hälfte). Auch sind Kombinationen denkbar, also explizite rotierende Lagerung 9a und b gegen feststehende Lagerung 10 als axial erstreckte Trommel und umgekehrt.
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 Pumpe entsprechend Anspruch 1 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, wie der Anspruch 2 sie einführt und in 6 dargestellt ist. Wird der Innendurchmesser des Umlaufringes 21 kleiner als der Kontaktdurchmesser zwischen den Gleitlagerhälften 9 und 10 gewählt, so wird der eingeschlossene und rotierende Flüssigkeitsring 23 stets die Gleitlagerung 9, 10 benetzen (6, obere Hälfte). Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ergibt sich im Stillstand der Pumpe, wenn nämlich der Umlaufring 21 eine völlige Entleerung der Pumpe im Bereich der Gleitlagerung 9, 10 verhindert. Wird die Pumpe dann erneut angefahren, ohne dass eine Flüssigkeit am Saugstutzen 2 ansteht, was ebenfalls ein häufiger Betriebsfehler ist, dann wird die Gleitlagerung 9, 10 immer noch mit der im Flüssigkeitsrückhalteraum (22) verbliebenen Flüssigkeitsvorlage (6, untere Hälfte) ausreichend geschmiert und deren axiales Entweichen bei Rotation ebenfalls durch die Sperre verhindert.
Die Erfindung nach Anspruch 1 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 Endmon tage 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 Anspruch 10 (7) zunächst ein, vorzugsweise lösbarer, Spalttopf 12 eingeführt, wie er bei industriellen Pumpen stets Verwendung findet. In der Praxis sind diese Spalttöpfe am Umfang sehr dünnwandig ausgeführt, um einen möglichst geringen radialen Spalt zwischen Magnetrotor 6 und Magnettreiber 13 verwirklichen zu können. Aufgrund der Bauart nach Anspruch 1 kann der Spalttopf 12 mit einer glatten Abschlusswand ausgeführt werden und muss mit seiner größeren Öffnung in Richtung der Antriebsseite weisen. Zwar sollte der Spalttopf 12 wegen seiner Dünnwandigkeit selbst nicht zur Abstützung einer Wälzlagerung herangezogen werden, bietet nun aber gemäß Anspruch 10 (7) in seinem Innenbereich 24 ausreichend Platz für eine axial großzügig bemessene Wälzlagerung 16 des Magnettreibers 13. Damit kann das axiale Baumass der Pumpe auf das der herkömmlichen Blockbauweise verkürzt werden, jedoch bleibt hier der Magnettreiber 13 Bestandteil der Pumpe, was eine vollständige Serienmontage und Vorratshaltung der Pumpe erlaubt.
Das Wellenende 25 bei einer solchen axial verkürzten Bauweise kann vorteilhaft gemäß Anspruch 15 oder 16 (8) so ausgeführt werden, dass wahlweise über eine herkömmliche Pumpenkupplung (dargestellt ist nur das Zapfenteil 27 der Pumpenkupplung) der direkte Anschluss eines Motors möglich wird (der über einen Zwischenring auch direkt an die Pumpe angeflanscht werden könnte) oder ein Wellenzapfen 28 wieder zur konventionellen Pumpe mit freiem Wellenende führt (z.B. um vorgegebene Normmaße einzuhalten). Auch sollte ein solches Wellenende 25 die Möglichkeit bieten, eine zusätzliche Schwungmasse 26 zu befestigen, um den erwähnten Nachteil der hier gewählten Bauart B beim Anfahren der Pumpe kompensieren zu können. Alles dies wäre Bestandteil der Endmontage des Pumpenaggregates (die auch beim Anwender der Pumpen selbst durchführbar wäre) und würde dennoch eine weitgehende Serienmontage und günstige Vorratshaltung der Pumpe beim Hersteller wie oben beschrieben ermöglichen.
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 gemäß Anspruch 3 (9) auch als axial durchgängige Hülse 29 (9, obere Hälfte) oder Formmasse 30 (9, untere Hälfte) ausgeführt werden.
Dies bietet wirtschaftliche Vorteile, insbesondere dann, wenn diese Bauteile gemäß Anspruch 4 (10) auch noch zum Schutz und zur Abdichtung des radial tiefer gelegenen Magnetrotors 6 und der Permanentmagnete 7 dienen. Es ist nämlich je nach Anwendungsgebiet der Pumpe durchaus üblich, dass auch der Magnetrotor 6 als ferromagnetischer Träger der Permanentmagnete 7 vor dem Angriff der zu fördernden Flüssigkeit geschützt werden muss und nicht etwa wie das Pumpen-Laufrad (4) mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen darf. Die nun angenommene Unterschiedlichkeit der Werkstoffe zwischen Pumpen-Laufrad (4) und Magnetrotor 6 kommt in einer unterschiedlichen Schraffur zum Ausdruck 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 Anspruch 5 (11) eingeführt.
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 Anspruch 6 (12) einge führt werden, eine direkt wirksame Möglichkeit einer erhöhten konvektiven Wärmeabfuhr und damit der Verringerung der stationären Temperatur des Flüssigkeitsringes 23 bei einer länger andauernden Betriebsstörung. In der oberen Hälfte von 12 ist eine Querverrippung dargestellt, in der unteren eine Längsverrippung. Diese letztere dürfte in der Praxis sinnvoller sein, da hiermit günstig der ohnehin vorhandene Kühlluftstrom des antreibenden Elektromotors ausgenutzt werden kann, der immer in Richtung zur Pumpe hin erfolgt.
Um die Mangelschmierung der Gleitlagerung 9, 10 auch im Falle einer entsprechenden Betriebsstörung zu verhindern, wird die Versorgung mit externer Schmierflüssigkeit laut Anspruch 7 (13) und/oder eine sensorische Überwachung (z.B. Temperatur, Vibration, Körperschall) der Gleitlagerung 9, 10 laut Anspruch 8 (14) vorgeschlagen. Hier wirkt sich die Nähe der Gleitlagerung 9, 10 zum Pumpengehäuse 1 so aus, dass dieser Zugang denkbar einfach erfolgen kann.
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. Anspruch 9 (15) macht diese Bauweise auch für die vorliegende Erfindung geltend. Da insbesondere die erwähnten Kunststoffwerkstoffe (z.B. PTFE oder PE) ganz hervorragend als Gleitlagerwerkstoff auch im Mischreibungsgebiet eingesetzt werden können, wird eine Konstruktion vorgeschlagen, wie sie 15 in der unteren Hälfte zeigt. Ist hingegen der Werkstoff der innersten Materialschicht 35 nicht für Gleitlager geeignet, ist auf die Konstruktion in der oberen Hälfte von 15 zurückzugreifen.
LITERATUR

[1] Broschüre der Firma WERNERT-PUMPEN GMBH D-45476 Mülheim an der Ruhr Chemienormpumpe aus Kunststoff mit Magnetkupplung – Typenreihe NM Ausgabe 687/02
[2] Broschüre der Firma IWAKI Pumpen Iwaki magnetgetriebene Pumpen – Serie MDM printed in Japan 99.11.ITN
[3] Broschüre der Firma CP-Pumpen AG CH-4800 Zofingen: Magnetkupplungspumpe MKP, metallisch
[4] Robert Neumaier: Hermetische Pumpen Verlag und Bildarchiv W.H. Faragallah, 1994 ISBN-3-929682-05-2 Kapitel 3.7.12 Wellenlose Magnetkupplungs-Kreiselpumpen S. 356 ff

1: Pumpengehäuse
2: Saugstutzen
3: Druckstutzen
4: Pumpen-Laufrad
5: Laufradwelle
6: Magnetrotor
7: Permanentmagnet (Rotor)
8: Schutzmantel
9: rotierendes Gleitlager
9a: rotierendes Gleitlager, laufradseitig
9b: rotierendes Gleitlager, antriebsseitig
10: feststehendes Gleitlager
10a: feststehendes Gleitlager, laufradseitig
10b: feststehendes Gleitlager, antriebsseitig
11: Lagereinsatz
12: Spalttopf
13: Magnettreiber
14: Permanentmagnet (Treiber)
15: Antriebswelle
16a: Wälzlager, laufradseitig
16a: Wälzlager, antriebsseitig
17: Achse
18: Strömungsrippen
19: Laufrad-Magnetrotor-Einheit
20: Innenseitige Wand des Pumpengehäuses
21: Umlaufring
22: Flüssigkeitsrückhalteraum
23: rotierende Menge von Restflüssigkeit
24: Innenbereich des Spalttopfes
25: Wellenende
26: Schwungmasse
27: Zapfenteil einer Pumpenkupplung
28: Wellenzapfen
29: Hülse
30: Formmasse
31: Ausnehmungen
32: Kühlrippen
33: Zugang für Schmierflüssigkeit
34: Zugang für Sensoren
35: Innerste Materialschicht
36: Dichtmittel
37: Anfahr- bzw. Notlager
38: Außenumfang des Laufrad-Magnetrotor-Systems
39: Kragzapfen
39a: Verjüngung
39b: Verjüngung

Claims

Kreiselpumpe – mit einer statischen und geschlossenen Einfassung der Förderflüssigkeit im Inneren der Pumpe in Gestalt eines Gehäuses (1), – mit einer berührungslosen, permanentmagnetischen koaxialen Drehkupplung (6, 7; 13 ,14) zur Übertragung eines Antriebsmomentes in das Innere des Pumpengehäuses – mit einem Pumpen-Laufrad (4), das zusammen mit einem, Permanentmagnete (7) tragenden, Magnetrotor (6) eine topfförmige Baueinheit (Laufrad-Magnetrotor-Einheit 19) bildet, – mit einer radialen Lagerung der Laufrad-Magnetrotor-Einheit (19) im Innenraum der Pumpe, die als Gleitlagerung (9, 10) ausgeführt ist, und bei der die magnetischen Wirklinien des antreibenden Teils der Drehkupplung (Magnettreiber 13 und Permanentmagnete 14) radial nach außen weisen und die magnetischen Wirklinien des mit dem Pumpen-Laufrad (4) verbundenen Teils der Drehkupplung (Magnetrotor 6 und Permanentmagnete 7) radial nach innen weisen, dadurch gekennzeichnet, dass – der rotierende Teil (9; 9a, 9b) der Gleitlagerung mit dem Magnetrotor (6) an dessen Außenumfang (38) fest verbunden ist oder durch Abschnitte des Außenumfanges (38) des Magnetrotors (6) selbst gebildet wird und – der feststehende Teil (10; 10a, 10b) der Gleitlagerung auf der innenseitigen Wand (20) des Pumpengehäuses (1) angeordnet ist oder durch Abschnitte der innenseitigen Wand (20) des Pumpengehäuses (1) selbst gebildet wird.
Kreiselpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Pumpen-Laufrad (4) und der Gleitlagerung (9, 10) ein umlaufender Ring (21) oder Bund so angeordnet ist, dass dessen Innenabmessung kleiner ist als der Kontaktdurchmesser der Gleitlagerung (9, 10) und dadurch ein Flüssigkeitsrückhalteraum (22) im Bereich der Gleitlagerung (9, 10) sowohl bei Rotation als auch bei Stillstand des Pumpen-Laufrades (4) erhalten wird.
Kreiselpumpe, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Teil (9; 9a, 9b) der Gleitlagerung als eine axial durchgängige Hülse (29) oder axial durchgängige gegossene oder gepresste Formmasse (30) ausgeführt ist.
Kreiselpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (29) oder die Formmasse (30) so aufgebracht, geformt oder mit Dichtmitteln (36) abgedichtet sind oder werden, dass sie Teil eines Schutzmantels (8) für die Permanentmagnete (7) und/oder den Magnetrotor (6) werden.
Kreiselpumpe, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Teil (9; 9a, 9b) der Gleitlagerung an seinem Außenumfang mit einer Vielzahl von lokalen Ausnehmungen (31) oder Erhöhungen versehen ist, die die Entstehung von stabilisierenden Strömungswirbeln in der Gleitlagerung begünstigen.
Kreiselpumpe, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die außenseitige Wandung des Pumpengehäuses (1) im Bereich des feststehenden Teils (10) der Gleitlagerung mit Kühlrippen (32) versehen ist.
Kreiselpumpe, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende Teil (10) der Gleitlagerung durch eine oder mehrere Zugänge (33) in der Wandung des Pumpengehäuses (1) mit externem Schmiermittel versorgt werden kann.
Kreiselpumpe, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende Teil (10) der Gleitlagerung durch eine oder meh rere Zugänge (34) in der Wandung des Pumpengehäuses (1) sensorisch überwacht werden kann.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Pumpengehäuses (1) aus mehreren Materialschichten aufgebaut ist und die innerste Materialschicht (35) aus einem korrosions- und/oder abrasionsbeständigem Werkstoff besteht.
Kreiselpumpe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der zwischen dem Magnetrotor (6) und Magnettreiber (13) eine Trennwand angeordnet ist, die mit ihrer Öffnung der Antriebsseite der Pumpe zugewandt ist und die Flüssigkeit im Inneren der Pumpe vom Magnettreiber (13) trennt, dadurch gekennzeichnet, dass – der Magnettreiber (13) in mindestens einem Lager, wie einem Wälzlager (16) gelagert ist, das mit der Pumpe verbunden ist, – die Lagerung des Magnettreibers (13) ohne Kontakt zu der Trennwand erfolgt, sich jedoch mindestens ein laufradseitiges Lager, wie ein Wälzlager (16a), im Innenbereich (24) des Pumpengehäuses befindet.
Kreiselpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vom laufradseitigen Lager der Innenring festgesetzt ist und der zugehörige Außenring mit dem gelagerten Magnetreiber (13) rotiert.
Kreiselpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein antriebsseitiges Lager, wie Wälzlager (16b) vorgesehen ist, dessen Innenring mit der gelagerten Antriebswelle (15) rotiert und der zugehörige Außenring festgesetzt ist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass ein durchgehend hohler, in das Pumpengehäuse (1) von der Antriebsseite her hineinragender Kragzapfen (39) zur Aufnahme der Antriebswelle (15) vorgesehen und mit dem Pumpengehäuse verbunden oder verbindbar ist.
Kreiselpumpe nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Kragzapfen (39) zumindest in einem seiner Endbereiche ein Verjüngung (39a; 39b) aufweist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des antriebsseitigen Endes (25) der Antriebswelle (15) so ausgebildet ist, dass er eine Schwungmasse (26) aufweist oder damit versehbar ist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des antriebseitigen Endes (25) der Antriebswelle (15) so ausgebildet ist, dass er wahlweise mit einer Schwungmasse (26), einem Zapfenteil (27) einer Pumpenkupplung und/oder einem Wellenzapfen (28) lösbar verbindbar ist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass der Magnettreiber (13) eine zur Antriebsseite hin offene Topfform aufweist.