DE69105211T2 - Kreiselpumpe mit integriertem motor. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die Erfindung betrifft im wesentlichen elektrisch angetriebene Fluidpumpen und insbesondere elektrisch angetriebene Zentrifugalpumpen, die keine Wellendichtungen benötigen.
• Zentrifugalpumpen sind auf dem Gebiet der Hydraulik und der Pneumatik gut bekannt. Sie bestehen im allgemeinen aus einem Motor, um eine Welle anzutreiben, auf der ein Fluidlaufrad montiert ist. Im allgemeinen liefert die Fluideingangsöffnung oder der Sauganschluß Fluid in die Mitte oder zur Nabe des Laufrads. Eine Anzahl von Laufradschaufeln ragt im allgemeinen von der Nabe in spiralförmigem Verlauf nach außen und wird zwischen Abschirmungen getragen, die zusammen mit den Schaufeln Pumpkanäle definieren. Der Rotor ist von einem Gehäuse umgeben, das das Arbeitsfluid von der Eingangsöffnung zur Nabe oder zum Einlaufkranz leitet, wo es in die Pumpkanäle zwischen den Schaufeln und den Abschirmungen geführt wird. Die zentrifugale Bewegung des Laufrads treibt das Arbeitsfluid nach außen zu einem Diffusor im Umgebungsbereich der Laufradscheibe, wo es einen schneckenförmigen Spiraldiffusor erreicht und von dort zur Ausgangsöffnung der Pumpe geführt wird.
• Die Motorwelle, die das Laufrad trägt, benötigt Lager, die manchmal vom Arbeitsfluid geschmiert werden, in vielen Fällen jedoch benötigen sie aufgrund der Inkompatibilität des Arbeitsfluids eine separate Schmierung. In allen Fällen werden Dichtungen benötigt um ein Lecken des Arbeitsfluids um die Laufradwelle, an der Stelle, an der es das Pumpengehäuse betritt, zu vermeiden. Nach einer gewissen Betriebszeit können sich die Lager so verschlechtern, daß sie eine gewisse Radialbewegung der rotierenden Welle erlauben. Dies bewirkt beschleunigten Verschleiß und die Verschlechterung der Wellendichtung und resultiert im Lecken des Arbeitsfluids aus dem Pumpengehäuse.
• Das eben Gesagte erläutert die bekannten Nachteile, die bei aktuellen Zentrifugalpumpen herrschen. Damit liegt es auf der Hand, daß es von Vorteil wäre, eine Alternative zu schaffen, um einen oder mehrere der eben genannten Nachteile zu beheben. Dementsprechend wird eine zweckmäßige Alternative, deren Merkmale im folgenden genauer offenbart werden, beschrieben.
• Die FR-A-591,315 offenbart eine Ausgleichsvorrichtung für Zentrifugalpumpen, die zwei Ausgleichskammern aufweist, die auf je einer Seite der Wangen eines Laufrads angeformt und mit einer Leitung verbunden sind. Beispielsweise als Ergebnis von Ungleichheiten in den Spielen, die auf einer Seite des Laufrades herrschen, stellen sich in den Ausgleichskammern unterschiedliche Drücke ein. Damit fließt Fluid durch die Leitung, um den Druckausgleich wiederherzustellen.
• Die US-A-2,700,343 offenbart eine Motorpumpeneinheit, die eine Zentrifugalpumpe ist, die ein Gehäuse mit separaten Pumpenkammern mit getrennten Fluideinlauf- und -auslaufanschlüssen hat. Es ist hier in jeder Kammer ein Laufrad drehbar befestigt, wobei jedes Laufrad einen Nabenbereich mit wenigstens einer scheibenförrnigen Abschirmung aufweist, die Rotorwicklungen zur Bildung einer Laufrad-Rotoreinheit enthält. Eine Mehrzahl von Pumpenkanälen, die durch eine Mehrzahl von Laufradschaufeln des Laufrades definiert sind, ragt aus dem Nabenbereich nach außen und ist an einer Fläche der Abschirmung befestigt. Ein Stator arbeitet mit dem Rotor zusammen, und die Statorwindungen sind von dem angesaugten Fluid isoliert.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Zentrifugalpumpe vorgesehen,
• - mit einem Gehäuse mit einer inneren Kammer mit einer Einlaß- und einer Auslaßöffnung,
• - mit einem Laufrad, das in der Kammer zur Rotation um eine Achse gelagert ist, wobei das Laufrad einen Nabenbereich hat; mit wenigstens einer scheibenförmigen Abschirmung, die Permanentmagnete enthält; mit einer Mehrzahl von Pumpenkanälen, die von einer Mehrzahl von Laufradschaufeln, die vom Nabenbereich nach außen ragen und auf einer Fläche der Abschirmung befestigt sind, definiert werden; und mit Einrichtungen zum Liefern von Fluid zu den Pumpenkanälen, wobei die Einrichtungen wenigstens eine Öffnung zwischen dem Nabenbereich und der Abschirmung aufweisen; gekennzeichnet durch einen oder mehrere in der Öffnung angeordnete Einlaufkränze, wobei die Einlaufkränze Pumpenelemente aufweisen, die von den Laufradschaufeln getrennt sind, und wobei bei dem oder jedem Einlaufkranz ein Rezirkulationsdurchgang angeordnet ist.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird nun beispielsweise auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen.
• Fig. 1 ist eine schematische Aufriß-Schnittansicht, die ein Ausführungsbeispiel einer Zentrifugalpumpe zeigt.
• Fig. 2 ist eine schematische Aufriß-Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Pumpe.
• Fig. 3 ist eine Teilansicht entlang der Linie 3-3 der in Fig. 1 gezeigten Pumpe.
Detaillierte Beschreibung
• Fig. 1 ist eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform der Pumpe der vorliegenden Erfindung, die achsensymmetrisch zur vertikalen Mittelebene, die mit der Mittellinie von Fig. 1 angedeutet ist, zu sehen ist. Das Gehäuse 10 hat eine Einlaßöffnung 11 und eine Auslaßöffnung 12, die durch eine Einlaufkranzanordnung 18, Laufradabschirmungen 15, einen schaufelradfreien Diffusor 24 und einen Diffusor 13 verbunden werden. Das Pumpenfluid tritt bei der Einlaßöffnung 11 ein, teilt sich und geht auf die beiden Seiten der Einlaufkranzanordnung 18, geht zwischen den beiden Laufradabschirmungen 15 durch die Pumpenkanäle 55 (gezeigt in Fig. 3) hindurch, die durch die Räume, die zwischen benachbarten Laufradschaufeln 21 und den Laufradabschirmungen 15, zwischen denen die Laufradschaufeln 21 angeordnet sind, definiert sind, geht durch den sich drehenden schaufellosen Diffusor 24 hindurch, geht dann durch den Diffusor 13 durch und zur Auslaßöffnung 12. Zwischen dem Diffusor 24 und dem Diffusor 13 fließt ein kleiner Teil des Hochdruckfluids durch axiale Druckausgleichsdurchgänge 45 zurück. Diese engen Durchgänge bilden den Spalt, der zur Drehung der Laufradabschirmungen 15 zwischen den Statoren 14 notwendig ist und schaffen bei Eintritt des Rücklauffluids einen hydrodynamischen Ausgleich, um jeglichem Axialdruck des Rotors 15 entgegenzuwirken, so daß dieser zwischen den Statoren 14 zentriert bleibt. Axialdruckausgleichsringe 16 sind in dem Ausgleichsdurchgang 45 entweder auf der Oberfläche des Statorbehälters 17 oder einem Vorsprung des Gehäuses 10 angeordnet. Durch Verengen des axialen Spalts zwischen den Laufradabschirmungen 15 und den Statorbehältern 17 oder dem Gehäuse 10 bewirken diese Ringe eine Steigerung des Fluiddruckes im Ausgleichsdurchgang 45, was die Durchführung des axialen Druckausgleiches verbessert.
• Die für den Einsatz der axialen Druckausgleichsringe 16 vorgesehene Alternative wird deshalb benötigt, da in manchen Fällen die Statoren 14 nicht von Behältern aufgenommen oder gekapselt sind. In diesen Fällen ist es notwendig, die axialen Druckausgleichsringe 16 auf Vorsprüngen des Gehäuses 10 anzuordnen. Jede Hälfte des Gehäuses 10 hat eine torusförmige Ausnehmung 33, in der ein Stator 14 befestigt ist. Zusätzlich sind Rezirkulationsdurchgänge 20 vorgesehen, um einen weichen Einlaufkranzbetrieb bei konstruktiv nicht vorgesehenen Durchsätzen zu garantieren.
• Die Rotoranordnung, die eine Einlaufkranzanordnung 18, Abschirmungen 15, Laufradschaufeln 21 und einen rotierenden Diffusor 24 aufweist, wird auf Wellenzapfen, die auf der Außenseite der rohrförmigen axialen Ausdehnungen der Abschirmungen 15 angeordnet sind in magnetischen Radiallagern 35 und Hilfslagern 40 gelagert. Während des Betriebes wird der Rotor von den magnetischen Radiallagern 35 getragen, die einen ausreichend großen Freiraum haben, um eine berührungslose Lagerung für den Rotor zu bieten. Für den Fall, daß die magnetischen Lager 35 beim Tragen des Rotors versagen, sind Hilfslager 40 nur für den folgenden Notauslauf des Rotors vorgesehen, und diese haben einen kleineren Freiraum als die magnetischen Lager 35.
• Die Laufradabschirmungen 15 tragen alle eine am Umfang liegende Gruppe von Permanentmagneten, die für einen Rotor in einem bürstenlosen Gleichstrommotor benötigt werden, wenn er in Verbindung mit Statoren 14 verwendet wird, die Windungen und elektrische Verbindungen, die zum Betrieb als Motor benötigt werden, enthalten. Da die Laufradabschirmungen 15 Permanentmagnete enthalten, und da die Abschirmungen 15 in magnetischen Radiallagern 35 und Hilfslagern 40 getragen werden, besteht keine Notwendigkeit für irgendeine Welle, die das Gehäuse 10 durchdringt und deshalb werden keine Drehwellendichtungen benötigt, die einen Verschleiß der Welle verursachen können und eventuell lecken würden.
• Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Pumpe der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist das Gehäuse 10 aus verschiedenen Abschnitten zusammengesetzt und hat zwei Eingänge 11. Sonst sind die Pumpen in allen anderen Aspekten funktional identisch. Aus diesem Grund wurde die Numerierung der einzelnen Komponenten, die mit den in Fig. 1 verwendeten übereinstimmen weggelassen.
• Fig. 3 zeigt abgebrochen dargestellt eine schematische Schnittansicht des Rotors und des Gehäuses entlang der Linie 3-3 von Fig. 1. Schaufeln 21 sind an der Abschirmung 15 befestigt. Eine Einlaufkranzanordnung 18 liefert Fluid zu den Laufradschaufeln, die es radial nach außen durch die Pumpenkanäle 55, die durch die Schaufeln 21 und die Abschirmungen 15 definiert sind, pumpen. Durch den Raum zwischen den beiden Abschirmungen 15 radial außerhalb des von den Schaufeln 21 besetzten Raumes ist ein Diffusor 24 festgelegt. Unter Druck gesetztes Fluid wird von dem Diffusor 24 durch den Spiraldiffusor 13 wegbefördert.
• Die einzelnen Konstruktionsparameter für eine vorgegebene Pumpenanwendung werden durch Druck- und Durchsatzanforderungen, Raumbeschränkungen, Arbeitsfluideigenschaften und die gewünschte Orientierung von Einlaß- und Auslaßöffnungen bestimmt. Dies sind Überlegungen, die den Durchmesser der Laufradabschirmungen 15, den Raum zwischen den Laufradabschirmungen und infolgedessen die Breite der Laufradschaufeln 21, die Größe des Diffusors 24, wenn dieser benötigt wird, die Größe der Einlaufkranzanordnung 18 und die Größe und Form des Pumpengehäuses 10 sowie der Rezirkulationsdurchgänge 20 festlegen, die vorgesehen sind, um einen weichen Einlaufkranzbetrieb bei konstruktionsmäßig nicht berücksichtigten Durchflußwerten sicherzustellen. Statoren 14 und Laufradabschirmungen 15 sind entsprechend den Anforderungen an die Pumpenleistung aufeinander abgestimmt. Die Statoren 14 können in Behältern 17 gekapselt sein oder nicht, abhängig davon, ob das Arbeitsfluid mit den Statoren kompatibel ist oder nicht.
• Diese Erfindung sieht eine integrierte Zentrifugalpumpe und einen Motor vor, die die Vorteile einer kompakten Bauweise, die Fähigkeit, elektronisch bei verschiedenen Geschwindigkeiten zu arbeiten, eines wellenlosen Rotors, der keine Dichtungen benötigt, der berührungslosen Radiallagerung während des Betriebs und des hydrodynamischen Axialdruckausgleichs für den Rotor aufweist. Diese Vorteile werden erreicht, ob kompressible oder inkompressible Fluide gepumpt werden.

Claims (11)

1. Zentrifugalpumpe mit einem Gehäuse (10), das eine innere Kammer mit Einlaß- (11) und Auslaßöffnung (12) aufweist, mit einem Laufrad, das in der Kammer zur Rotation um eine Achse gelagert ist, wobei das Laufrad einen Nabenbereich hat; mit wenigstens einer scheibenförmigen Abschirmung (15), die Permanentmagnete enthält; mit einer Mehrzahl von Pumpenkanälen (55), die von einer Mehrzahl von Laufradschaufeln, die vom Nabenbereich nach außen ragen und auf einer Fläche der Abschirmung befestigt sind, definiert werden; und mit Einrichtungen zum Liefern von Fluid zu den Pumpenkanälen, wobei die Einrichtungen wenigstens eine Öffnung zwischen dem Nabenbereich und der Abschirmung aufweisen, gekennzeichnet durch einen oder mehrere, in der Öffnung angeordnete Einlaufkränze (18), wobei die Einlaufkränze Pumpenelemente aufweisen, die von den Laufradschaufeln getrennt sind, und wobei bei dem oder jedem Einlaufkranz ein Rezirkulationsdurchgang angeordnet ist.

2. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1, wobei das Laufrad eine zweite scheibenförmige Abschirmung (15) aufweist, wobei die Laufradschaufeln (21) zwischen der ersten und der zweiten Abschirmung angeordnet sind.

3. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 2, wobei die zweite scheibenförmige Abschirmung (15) eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist und wobei eine Statorwicklung (14) neben der zweiten Abschirmung angeordnet ist.

4. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 3, wobei die erste und zweite scheibenförmige Abschirmung (15) von dem Nabenbereich getragen werden, und wobei die Laufradschaufeln (21) in einer gemeinsamen Ebene zwischen der ersten und der zweiten Abschirmung so liegen, daß sie in einer gemeinsamen Ebene normal zur Achse rotieren, wobei die Statorwicklung so neben den Abschirmungen (15) angeordnet ist, daß sie einen Spalt zwischen der Statorwicklung und der Abschirmung bildet, um eine geringe Menge von gepumptem Arbeitsfluid aufzunehmen, und mit einer Einrichtung zum axialen hydrodynamischen Ausgleichen des Laufrades, wobei die Einrichtungen einen Ring (16) aufweisen, der in dem Spalt zum Beschränken des Stroms der kleinen Menge gepumpten Arbeitsfluids angeordnet ist.

5. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 3 oder 4, wobei die zweite Abschirmung eine zweite Zentralöffnung aufweist, die koaxial mit der Zentralöffnung in der ersten Abschirmung liegt, und wobei die Statorwicklung eine weitere darin angeordnete Zentralöffnung aufweist, und mit einer zweiten Strömungsleiteinrichtung zum Steuern der Fluidströmung von der Einlaßöffnung zu den Pumpenkanälen (55) durch die Öffnungen in der zweiten Abschirmung und der Statorwicklung.

6 Zentrifugalpumpe nach Anspruch 5, wobei die erste und zweite Strömungsleiteinrichtung Einlaufkränze (18) zum Einführen der Strömung in eine Richtung durch die Zentralöffnung in der ersten Abschirmung und in entgegengesetzte Richtung durch die Zentralöffnung in der zweiten Abschirmung aufweist.

7. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 6, wobei das Gehäuse eine erste und eine zweite Einlaßöffnung hat, und wobei die erste und die zweite Strömungsleiteinrichtung Mittel zum Führen des Fluidstromes von der ersten und der zweiten Einlaßöffnung durch die Zentralöffnungen in der ersten und zweiten Abschirmung aufweisen.

8. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei die zweite Strömungsleiteinrichtung einen Spiraldiffusor (13) aufweist, wobei wenigstens ein Abschnitt davon innerhalb der inneren Kammer angeordnet ist.

9. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 8, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnung, der Spiraldiffusor und die Pumpenkanäle in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.

10. Zentrifugalpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 9, die eine zweite Statorwicklung (14) aufweist, wobei die erste und zweite Strömungsleiteinrichtung erste und zweite Strömungskanäle aufweisen, die zwischen dem Gehäuse und den Statorwicklungen angeordnet sind.

11. Zentrifugalpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die oder jede Statorwicklung gekapselt ist, um einen Kontakt mit dem Fluid zu verhindern.