CN117062965A - 螺杆泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺杆泵，其具有泵壳，泵主轴在流体静力轴向轴承的参与下可旋转地安装在泵壳中，所述轴向轴承用于吸收运行期间在主轴处产生的轴向推力，其中，流体静力轴向轴承由壳体固定的轴承表面形成，位于泵主轴的端面的、主轴固定的轴承表面间接地支撑在壳体固定的轴承表面上，其中，壳体固定的轴承表面与主轴固定的轴承表面之间形成轴承间隙，该轴承间隙在其中心区域中被供给压力流体，压力流体在径向方向上通过轴承间隙流出，优选流入吸入区域，并且压力流体的流体静压力抵消轴向推力。

Description

螺杆泵

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的螺杆泵。

技术背景

螺杆泵是高性能容积泵能够低脉动地泵送液体或固体。首先，参照图1对螺杆泵的基本原理进行说明。

在图1中，作为示例以半剖面示出了螺杆泵1。在此仅示出了泵壳2的区域和位于其中的主轴3、4。而省略了驱动轴3的驱动装置的表示。

驱动轴3在其从泵壳2突出的端部处由驱动器驱动。转轴4通过驱动轴3被驱动，该转轴4平行于驱动轴3布置在泵壳2中并且没有配备其自身的驱动器。在图1所示的螺杆泵1中，在泵壳2中只有一个转轴4，但也可以考虑安装具有多个转轴4的中心驱动轴3。

扭矩通常通过流体动力润滑膜(Schmierfilm)从驱动轴3传递到转轴4，从而避免在驱动轴3和转轴4之间的直接接触。当输送固体时，由于缺乏流体动力润滑膜，扭矩通过附加的齿轮传递。然而，由于本发明涉及用于输送流体的螺杆泵，因此不详细讨论适合于输送固体的螺杆泵的结构。

当螺杆1工作时，在驱动轴3、转轴4和泵壳2之间形成输送腔。由于两个主轴3、4的旋转，这些输送腔从位于进口5的区域中的吸入侧连续地移动到位于排出口6的区域中的压力侧。在此产生了负压，其导致被泵送的介质被吸入。

待泵送的流体从入口(该入口由于截面图无法看到)开始，经由进口5流入泵壳2。在泵壳2中，流体与主轴3、4接触，并到达沿排出口6的方向移动的输送腔。流体经由输送腔传送到主轴3、4的无螺纹区域并在该处聚集。由于连续的输送，流体最终经由排出口6沿出口7的方向被泵送。

由于在泵送过程中压力的增加，有轴向力等作用在主轴3、4上。

现有技术

需要相应的轴向轴承(Axiallager)来支撑作用在主轴上的这些轴向力。流体静力轴向轴承通常被用于输送流体的螺杆泵。在此，轴向轴承必须被设计成，使得作用在主轴上的轴向力尽可能仅经由润滑膜传递到轴向轴承。在螺杆泵的运行中应避免在主轴与轴向轴承之间的固体摩擦或混合摩擦。

为了避免固体摩擦和混合摩擦，轴向轴承内必须始终有足够厚的润滑膜。这是通过向轴向轴承持续施加相应的润滑剂来实现的。因此，轴向轴承的使用与高的润滑剂消耗相关。

因此，待输送的流体本身通常可用作润滑剂。当螺杆泵用于例如食品工业领域时，这也具有优势，因为在食品工业等领域使用与待输送的流体不同的润滑剂会导致无法忍受的污染风险。通过使用待输送的流体作为轴向轴承的润滑剂消除了污染风险以及用于避免这种污染风险的结构性成本。

然而，当螺杆泵用于输送具有不同粘度的不同流体时，又会导致问题。例如，如果一轴向轴承被设计用于高粘度流体，则当其输送低粘度流体时，润滑剂可能会过快地从润滑点逸出。另一方面，如果一轴承被设计用于低粘度流体，则当其输送高粘度流体可能会导致轴承中产生过度摩擦，因为润滑剂从润滑点逸出得太慢。这两种情况都会导致轴承或主轴的磨损增加，从而降低主轴的使用寿命并缩短所需的维护间隔。

本发明的根本问题

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种螺杆泵，其能够降低待输送介质的粘度对螺杆泵的使用寿命的影响。

根据本发明的解决方案

根据本发明，该问题通过关于螺杆泵的独立权利要求的特征来解决。

因此，该问题通过具有泵壳的螺杆泵来解决，在该泵壳中安装泵主轴，并且有流体静力轴向轴承的参与。轴向轴承用于吸收主轴运转时产生的轴向推力。其由壳体固定的轴承表面形成，位于泵主轴的端面的、轴固定的轴承表面间接支撑在该轴承表面上。通过壳体固定的轴承表面与主轴固定的轴承表面在它们之间形成轴承间隙来提供支撑，轴承间隙在其中心区域中被供给压力流体，该压力流体的流体静压力以抵消轴向推力。压力流体通过轴承间隙沿径向流出。在此，压力流体优选流入螺杆泵的吸入区域。该螺杆泵的特征在于，泵主轴包括执行机构。根据主轴的当前轴向位置，由执行机构机械地打开或关闭用于控制压力流体流入轴承间隙的阀。

在螺杆泵运行期间，作用在主轴上的轴向力沿轴向轴承的方向推动主轴。在此，主轴固定的轴承表面在位于轴承间隙中的压力流体上施加压力。如果压力流体现在具有低粘度并且相对较快地从轴承间隙流出，则轴承间隙中的压力流体不具有足够高的静压力，即没有足以将主轴保持在其当前轴向位置的压力。然后，主轴沿轴向轴承的方向移动，并且在主轴固定的轴承表面与壳体固定的轴承表面之间填充有压力流体的轴承间隙的高度变得更小。

从阀关闭的主轴的初始位置开始，主轴的轴向位移现在导致阀借助于执行机构被打开。阀的打开和关闭运动优选为连续地发生。

然后，一定体积流的压力流体可以通过阀的开口流入轴承间隙。一旦其等于流出轴承间隙的压力流体的体积流，则在轴承间隙中建立力平衡。轴承间隙中液体的压力产生的力的大小与主轴受到的轴向推力产生的轴向力完全相同，但作用方向相反。由此，主轴在轴向方向上的移动停止。

为了实现上一节中描述的过程，轴向轴承、阀和执行机构必须彼此配合，以便在主轴部分地抵靠在轴向轴承的、壳体固定的轴承表面上之前，建立阻止主轴发生轴向运动的力平衡。主轴在壳体固定的轴承表面上的部分抵靠将导致直接的力传递，而不再经由压力流体的间接的力传递，这会引起磨损。可以通过使阀完全打开所需的主轴位置早于使主轴与轴向轴承抵靠的主轴位置解决，使得即使考虑到主轴运动的动态分量，主轴也不能与壳体固定的轴承表面抵靠。如果不能完全排除主轴与壳体固定的轴承表面暂时抵靠的可能性，则有利的是在壳体固定的轴承表面上提供相应的止推环，该止推环最好由能够至少暂时承受固态摩擦或混合摩擦的轴承金属构成。

当主轴已经与壳体固定的轴承表面紧密抵靠时，在借助于轴向轴承还应当产生主轴远离轴向轴承的反向运动的情况下，可以借助具有更高压力的附加泵将压力流体压入轴承间隙，以便迫使主轴从壳体固定的轴承表面开始提升。为此，当主轴抵靠在壳体固定的轴承表面上时，轴向轴承的主轴固定的轴承表面和壳体固定的轴承表面之间也应具有间隙。

术语“泵主轴”优选但不排他地表示转轴。还可以想到的是，这里提到的“泵主轴”指的是驱动轴。

与上述措辞——即在泵壳中安装“一个”泵主轴，并且有流体静力轴向轴承的参与——相反，本发明还涉及一种具有驱动轴和一个或多个转轴的螺杆泵，其中的一个、多个或全部在流体静力轴向轴承的参与下安装。

轴承间隙中的压力流体流出的术语“沿径向方向”描述了压力流体从其所进入的轴承间隙的中心区域开始，首先径向向外流出到轴承间隙的边缘区域中。然而，完全可以想象，压力流体在轴承间隙的边缘区域发生偏转，然后沿不同方向流出。

螺杆泵的“吸入区域”是指待泵送的流体尚未到达输送腔的区域。

优选的设计方案

可以通过多种方式来设计本发明以进一步增强其有效性或实用性。

特别优选的是，该阀作为扼流阀操作，其开度控制在轴承间隙中的流体静压力。

由于阀的开度取决于主轴的轴向位置，因此主轴沿轴向轴承方向的位移不仅会使阀持续打开，而且压力流体还会以较高的压力流向轴承间隙，这就是在轴承间隙中的流体静压力会瞬间增大的原因。一旦流入轴承间隙的体积流和流出轴承间隙的压力流体的体积流达到平衡，则在压力流体中建立基本上流体静力的应力状态。这又导致作用在轴向轴承中的轴向力达到力平衡，并且轴向的主轴运动停止。然后，阀位置保持恒定，直到作用在主轴上的轴向力由于输送过程而增加或减少。在轴向力增加的情况下，主轴沿轴向轴承的方向进一步移动，阀进一步打开，并且由于已经描述的过程，停止轴向主轴运动的力平衡再次建立。在作用在主轴上的轴向力减小的情况下，主轴沿远离轴向轴承的方向移动，使得阀的开度减小并且力平衡也再次建立。

在另一优选实施方式中，执行机构是销。一旦由于泵主轴的轴向位移而导致轴承间隙低于一定的间隙高度，销就会打开阀或进一步打开阀。

销优选地与泵主轴的主轴固定的轴承表面连接并且沿阀的方向突出穿过轴承间隙。然后，通过泵主轴沿轴承间隙方向的相应运动，由销致动阀。

阀优选地由阀球组成，阀球被压力流体压到分配给其的阀座上。然后，阀球堵塞位于阀座中心的流入口，流入口造成轴承间隙。如果需要，通过与流入口接合的销将阀球从其阀座提起或者进一步从其阀座提起。

当阀已经打开时，阀球被销或执行机构移动到的区域优选地被设计成使得流经阀的压力流体围绕阀球流动。一旦主轴沿远离轴向轴承的方向移动并且阀球不再通过执行机构与阀座保持间隔，则所述流会导致阀球再次被压回到阀座上。

在进一步优选的实施方式中，壳体固定的轴承表面形成在轴承套(Lagertopf)的底部上。泵主轴端部的轴承轴颈(Lagerzapf)接合在轴承套中，该轴承轴颈在端面形成主轴固定的轴承表面。轴承轴颈接合在轴承套中，使得轴承轴颈的外周表面和轴承套的内周表面形成环形间隙密封。压力流体经由该环形间隙密封以扼流方式(gedrosselt)从轴承间隙流出。压力流体优选地流入吸入区域。

轴承轴颈理想地由主轴的一个区域形成，由于轴肩，该主轴的直径小于主轴的邻接轴肩的部分。

轴承轴颈的面向轴向轴承的端面则代表主轴固定的轴承表面，轴承表面与轴承套的底面一起形成轴向轴承。

由于环形间隙密封，压力流体的从轴承间隙流出的体积流保持相对较低。由此流入轴承间隙的体积流也相对较小，该体积流是产生位于轴承间隙中的压力流体的必要压力所必需的。

从吸入区域开始，压力流体从轴承间隙经由环形间隙密封件流入该吸入区域，并与供应至螺杆泵的待泵送的流体混合。

术语“轴承套”描述了一侧开口的圆柱形中空体，其中，该中空体的与开口侧相对置的一侧具有封闭的底部。在轴承套的底部(优选地在其中心)有一个孔(孔口、切口)，销或执行机构穿过该孔。

理想地，轴承套轴向地抵靠在泵壳的壁上，但在径向方向上不以形状配合的方式相对于泵壳固定。

在轴向轴承中支撑并由于输送过程作用在主轴上的轴向力将轴承套直接或间接地压在泵壳上。由于在轴承套和泵壳或者在位于泵壳和轴承套之间的元件之间所产生的静摩擦，轴承套被充分地固定以防止滑动。

轴承套轴向地抵靠“泵壳的壁”的事实并不排除另一元件位于泵壳和轴承套之间的可能性，其中引入上述阀球的阀座。在这种情况下，附加元件被视为泵壳的组成部分。

在另一优选实施方式中，轴承套轴向地抵靠在泵壳的壁上，并且在径向方向上相对于泵壳以形状配合的方式固定。例如通过销或螺钉进行径向方向上的形状配合的固定。

由此进一步降低了轴向轴承滑动的风险。当压力流体具有高粘度时，这是特别有利的。在高粘度压力流体的情况下，在位于轴承间隙中的压力流体的邻近主轴固定的轴承表面的区域中可能会产生剪切应力。在最不利的情况下，这会导致位于轴承间隙中的压力流体内的流动，由于在壳体固定的轴承表面和压力流体之间的区域中的液体摩擦，这导致轴承套的旋转运动。通过将轴承套以形状配合的方式固定到泵壳上可以防止这种情况发生。

轴承套相对于“泵壳”的形状配合的固定并不排除在泵壳和轴向轴承之间设置附加的元件，例如包含阀的阀座的板。在这种情况下，附加的元件被视为泵壳的组成部分。

轴承轴颈的外周表面和轴承套的内周表面优选地形成流体动力径向轴承。

经由在轴承轴颈的外周表面与轴承套的内周表面之间的间隙流出轴承间隙的压力流体，其在此形成必要的润滑膜，以避免固态或混合摩擦。

在另一优选实施方式中，压力流体是由螺杆泵泵送的流体，其取自螺杆泵的压力侧。

来自螺杆泵压力侧的区域的一部分在压力下产生的流体理想地经由泵壳中的通道沿吸入侧的方向流回。在该流体流过阀后，其被输送到轴承间隙。

与直接邻接的泵主轴区域相比，轴承轴颈优选地具有减小的直径。

一方面，在主轴与轴向轴承接触的不利情况下，主轴可以抵靠在轴向轴承上，并且轴肩位于轴承轴颈与其余的主轴区域之间。由此确保了轴向轴承的壳体固定的轴承表面和主轴固定的轴承表面永远不会互相抵靠和磨损。此外，一定的轴承间隙始终保持打开，压力流体可以流入其中。

此外，可以经由轴承轴颈的选定的直径来调整轴向轴承的响应行为。

参考附图，进一步可选的作用模式、优点和设计可能性由对实施例的描述得出。

附图说明

图1以半剖面图示出了通用的螺杆泵。

图2以剖面图示出了轴向轴承的区域，其中主轴尚未受到轴向力。

图3以剖面图示出了轴向轴承的区域，其中主轴受到轴向力。

具体实施方式

通用的螺杆泵的基本操作模式已经在开头参考图1进行了解释；请参考该图。

根据本发明的对螺杆泵的进一步改进通过参考图2和图3的示例的方式以及作为出发点的图1的侧视图来解释。

首先，将以非常通用性的术语解释根据本发明的轴向轴承8和阀15的原理。

当螺杆泵1运行时，作用在待输送的流体上的压力出现在螺杆泵1的压力侧。由此导致作用在转轴4上的轴向力，该轴向力在图2中从右到左将其沿轴向轴承8的方向挤压。

轴向轴承8包括壳体固定的轴承表面9和主轴固定的轴承表面10。

壳体固定的轴承表面9在此由轴承套12的底部形成。主轴固定的轴承表面10通常由轴承轴颈13的端面形成。在两个轴承表面9和10之间总是存在轴承间隙11。即使主轴4以其肩部25抵靠在轴向轴承8上(当螺杆泵1正确操作时通常不是这种情况)，两个轴承表面9和10通常也不会彼此抵靠。

压力流体经由返回通道23和腔24以及阀15的流入口18流入轴承间隙11中，在该实施例中，压力流体是位于螺杆泵1的压力侧上的待输送的流体的一部分。

同时，位于轴承间隙11中的压力流体首先径向向外流动。然后该压力流体经由在轴承套12与轴承轴颈13之间的间隙流出轴承间隙11。

如果转轴4由于在螺杆泵1的压力侧上存在的压力而受到轴向推力，并由此沿轴向轴承8的方向受压，只要流入轴承间隙11的体积流和流出轴承间隙11的体积流相等，则至少在轴承间隙11的中心区域中，在压力流体中出现至少近似流体静力的应力状态。然后，主轴固定的轴承表面10可以经由压力流体间接支撑在壳体固定的轴承表面9上。

在没有销14形式的执行元件的情况下，阀球16将被流过腔24的压力流体沿阀座17的方向移动，并且将关闭阀15的流入口18。一旦流入轴承间隙11的体积流由于阀球16接近阀座17而减少，流出轴承间隙11的压力流体就会多于流入轴承间隙11的压力流体。

与作用在主轴4上的轴向力结合，这导致主轴4在轴向轴承8的方向上移动，并且因此导致轴承表面9和轴承表面10之间的距离减小。然而，位于主轴固定的轴承表面10上的、销14形式的执行机构也与主轴4一起沿阀球16的方向移动。在此过程中，销14在某一时间与阀球16接触并防止流入口18被阀球16完全关闭或将阀球16进一步推入腔24中。

由于螺杆泵1的压力侧上的压力而导致的主轴4和销14在轴向轴承8的方向上的移动持续，直到阀球16被销14推入腔24中，使得流入轴承间隙11的体积流和流出轴承间隙11的体积流处于平衡。然后，位于轴承间隙11中的压力流体再次近似处于流体静力状态，并且主轴固定的轴承表面10经由壳体固定的轴承表面9上的压力流体间接支撑。主轴4沿轴向轴承方向的移动由此停止。

因此，流入轴承间隙11的体积流总是根据在螺杆泵1的压力侧上存在的压力和主轴4的位置自动调整，从而产生平衡状态。

图2示出了螺杆泵1的状态，其中在压力侧上，压力尚未施加在由螺杆泵1泵送的流体上。因此，没有沿轴向轴承8的方向推动转轴4的轴向力作用在转轴4上。另外，位于返回通道23中的流体尚未处于压力下。只要没有轴向力作用在转轴4上，在轴承轴颈13与其余的转轴4之间的过渡处，轴向轴承8的轴承套12与轴肩25之间的距离仍然相对较大。此外，设计为销14的执行元件尚未与阀15的阀球16接触。由于返回通道23和腔24中没有产生流动，因此阀球16由于重力而抵靠在腔24的底部上而不是抵靠在阀的阀座17上。

图3示出了主轴泵1的状态，其中，由于在主轴泵1的压力侧上存在的压力，主轴4已经在轴向轴承8的方向上移动。在此，轴肩25与轴承套12之间仅存在最小的间隙，这在图3中看不到。销14已经与阀球16接触并将其从阀座17提起。

阀15的阀座17和流入口18被引入到位于其余的泵壳2与轴承套12之间的壁元件19中。轴承套12经由销20固定以防止沿着壁元件19滑动或扭转。不需要轴承套12相对于壁元件19的轴向固定，因为在轴向轴承8处产生的力总是沿壁元件19的方向挤压轴承套12。在壁元件19与其余的泵壳之间存在O形环密封件22。

轴承套12和轴承轴颈13与压力流体相互作用形成用于主轴4的流体动力径向轴承21，压力流体通过在轴承套12与轴承轴颈13之间的间隙从轴承间隙11流出。

附图标记列表

1螺杆泵

2泵壳

3驱动轴

4转轴

5进口

6排出口

7出口

8轴向轴承

9壳体固定的轴承表面

10主轴固定的轴承表面

11轴承间隙

12轴承套

13轴承轴颈

14执行机构/销

15阀

16阀球

17阀座

18流入口

19泵壳的壁元件

20用于固定轴承套的销

21径向轴承

22 O形环

23回流通道

24腔

25轴肩

Claims (10)

1.一种螺杆泵(1)，其具有泵壳(2)，泵主轴(3、4)在流体静力的轴向轴承(8)的参与下能旋转地安装在所述泵壳(2)中，所述轴向轴承(8)用于吸收运行期间在所述主轴(3、4)处产生的轴向推力，其中，流体静力的所述轴向轴承(8)由壳体固定的轴承表面(9)形成，位于所述泵主轴(3、4)的端面的、主轴固定的轴承表面(10)间接地支撑在所述壳体固定的轴承表面(9)上，其中所述壳体固定的轴承表面(9)与所述主轴固定的轴承表面(10)之间形成轴承间隙(11)，所述轴承间隙(11)在其中心区域被供给压力流体，所述压力流体沿径向方向通过所述轴承间隙(11)流出，优选流入吸入区域，并且所述压力流体的流体静压力抵消所述轴向推力，其特征在于，所述泵主轴(3、4)包括执行机构(14)，所述执行机构(14)根据所述主轴(3、4)的当前轴向位置机械地打开或关闭阀(15)，所述阀(15)控制所述压力流体流入所述轴承间隙(11)。

2.根据权利要求1所述的螺杆泵(1)，其特征在于，所述阀(15)作为扼流阀操作，其开度控制所述轴承间隙(11)中的流体静压力。

3.根据权利要求1或2所述的螺杆泵(1)，其特征在于，所述执行机构(14)是销，一旦所述轴承间隙(11)由于泵主轴(3、4)的轴向位移而下降到低于特定的间隙高度，所述销就打开或进一步打开所述阀(15)。

4.根据权利要求3所述的螺杆泵(1)，其特征在于，所述阀(15)由阀球(16)组成，所述阀球(16)被所述压力流体压到分配给其的阀座(17)上，然后堵塞位于所述阀座(17)中心的流入口(18)，所述流入口(18)通向所述轴承间隙(11)，并且如果需要，通过与所述流入口(18)接合的销(14)将所述阀球(16)从其阀座(17)提起或进一步从其阀座(17)提起。

5.根据前述权利要求中任一项所述的螺杆泵(1)，其特征在于，所述壳体固定的轴承表面(9)形成在轴承套(12)的底部上，位于泵主轴(3、4)的端部的、在端面形成主轴固定的轴承表面(10)的轴承轴颈(13)接合在所述轴承套(12)中，使得所述轴承轴颈(13)的外周表面和所述轴承套(12)的内周表面形成环形间隙密封，所述压力流体经由所述环形间隙密封以扼流方式从所述轴承间隙(11)流出，所述压力流体优选地流入吸入区域。

6.根据权利要求5所述的螺杆泵(1)，其特征在于，所述轴承套(12)轴向抵靠在所述泵壳(2)的壁(19)上，但在径向方向上不以形状配合的方式相对于所述泵壳(2)固定。

7.根据权利要求5所述的螺杆泵(1)，其特征在于，所述轴承套(12)轴向抵靠在所述泵壳(2)的壁(19)上，并且例如通过销(20)或螺钉，以形状配合的方式在径向方向上相对于所述泵壳(2)固定。

8.根据权利要求7所述的螺杆泵(1)，其特征在于，所述轴承轴颈(13)的外周表面和所述轴承套(12)的内周表面形成流体动力径向轴承(21)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的螺杆泵(1)，其特征在于，所述压力流体为由所述螺杆泵(1)泵送的流体，所述流体取自所述螺杆泵(1)的压力侧。

10.根据权利要求5所述的螺杆泵(1)，其特征在于，与直接相邻的泵主轴区域相比，所述轴承轴颈(13)的直径减小。