EP0731280A1 - Centrifugal pump assembly with integrated heat barrier - Google Patents
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- F04D7/02—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts of centrifugal type
- F04D7/06—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts of centrifugal type the fluids being hot or corrosive, e.g. liquid metals
Definitions
- the invention relates to a centrifugal pump, as described with the features of the preamble of claim 1.
- the heat barrier designed here as a kit represents a component which has a large axial extent and has two flange surfaces, one of which is arranged on the pump side and the other on the motor side. In the area of a shaft driving a pump impeller, the heat barrier has a pressure-tight connection.
- Various inserts are arranged between the flanges. They serve for the transfer of forces between the flange surfaces and at the same time with their heat-radiating surfaces for cooling.
- this construction principle which is good in terms of its heat-insulating effect, has the disadvantage that it has a large axial extension and can therefore adversely affect the vibration behavior of the entire pump unit.
- the exchangeable, heat-insulating elements of the heat barrier are located on a considerably smaller diameter than the force-transmitting connecting elements between the pump and motor parts. This type of construction can also have an unfavorable influence on the vibration behavior of the pump unit given the pump capacities which are considerably higher nowadays.
- the invention is based on the problem of developing a heat barrier which, without an additional external and internal cooling device, enables a rigid construction of a centrifugal pump unit.
- This object is achieved with the features of claim 1.
- a very rigid construction can be realized by ensuring a straight flow of force between the pump and motor parts.
- the power flow is provided in the immediate vicinity of the connecting elements.
- the necessary force-transmitting system between the pump and motor part is interrupted by an insulating ceramic element located between them. Since there is a linear flow of force between the parts to be connected, the ceramic element is only loaded with compressive forces.
- the space between the ceramic element and the shaft passage of the heat barrier is filled with an insulating material, preferably on a ceramic basis, but which has no force-transmitting effects. This ensures that heat transfer through heat radiation to components 2, 5 and 8 and the liquid-filled spaces is prevented.
- a ceramic fiber mat has proven to be advantageous.
- the ceramic element can be formed in one or more parts, with a multi-part ceramic element allowing greater structural freedom.
- the ceramic element can then be formed by a plurality of section-shaped ring elements which, with the appropriate shape, can also be used with different sizes. It is also possible, for example, to form a multi-part annular ceramic element by stringing together small, disc-shaped, individual ceramic elements.
- the disk-shaped small ceramic elements can have a contour which enables simple manufacture and, when arranged in a row, permits the formation of a ring shape in a structurally predetermined area.
- a heat barrier is shown as a section of a motor pump unit.
- a heat barrier 3 is arranged between a pump part 1 and a motor part 2.
- Fastening means 4, which in the exemplary embodiment are designed as tie rods with a fastening nut, serve to hold the parts together.
- the heat barrier 3 should, for. B. protect the windings 5 of the motor part 2 from thermal stresses that may emanate from the hot pump part 1.
- the heat barrier parts 7, 8, which can be designed as metallic flange elements and have an insulating area between them, serve to protect the ceramic element 5 from mechanical damage.
- the heat barrier parts 7, 8 are only heat-conducting to one another in the area of the shaft 9, where they form a pressure-tight, thin-walled shaft passage 10.
- the dimensions of the shaft passage 10 are designed in accordance with the mechanical loads and for minimal heat transfer.
- the two heat barrier parts 7, 8 fitted into one another are connected to one another in a liquid-tight and gas-tight manner by a weld seam.
- a ceramic insulating compound 12 fills the space 12.1 between the insulating, force-transmitting ceramic element 5 and the shaft passage 10. This prevents that under the influence of temperature Additional stresses arise in the heat barrier 3 and heat transfer through heat radiation to the components 2, 5 and 8 and the spaces filled with liquid is prevented.
- the heat barrier part 7 covers the ceramic element 5 and thus holds it in its position.
- a gap 13 between the two heat barrier parts 7, 8 prevents direct heat conduction between the parts.
- the half of the image of the section of a motor pump unit designated as FIG. 2 shows a different design of the ceramic element 5.
- the ceramic element is provided with openings 14, which are used to carry out the connecting elements 4.
- the contact surface between the heat barrier parts 7, 8 and the ceramic element 5 can thus be made larger.
- the dimensions of the openings 14 are such that there is no contact between the ceramic element 5 and the fastening means 4, so that the ceramic element is only loaded with compressive forces.
- Adjacent surfaces of the ceramic element are provided with corresponding transition radii in order to avoid impermissible edge pressures.
- the ceramic element 5 is designed as a circular ring that is easy to manufacture.
- the use of a one-piece ceramic part 5 requires a two-part design of the heat barrier.
- the ceramic element can also be formed in several parts.
- a segmented structure, for example, would allow the use of a one-piece heat barrier design.
- the appropriate ceramic element can be put together for different sizes of heat barriers. Due to the very high insulating effect of the ceramic element 5, its axial extent can be reduced to a minimum. This results in a short overall length, which in turn has a positive effect on the dynamic behavior of a shaft 9 passed through the heat barrier 3 and components connected to it.
- FIG. 3 shows a variant of a multi-part design of a ceramic element 5.
- a reduction in the production costs can be achieved by a large number of individual small ceramic elements 5.1, which are kept free of play in one of the heat-blocking parts 7, 8.
- the shape of the ceramic elements 5.1 is chosen so that their dense and uniform arrangement is possible at the installation site. For this purpose, the outer dimensions of the ceramic elements 5.1 and the diameter at the installation location of the ceramic elements are coordinated.
- FIGS. 4-6 various types of ceramic elements 5.1-5.3 can also be combined.
- the designs shown round and crescent are only examples and other designs such as trapezoidal or linear can also be used, which allow the formation of an annular ceramic element 5 in a multi-part design. Examples are shown in Figs. 4-6.
- diameter ranges or ring-shaped the subject matter of the invention is not restricted to circular arrangements.
- the shape of the circumference of an annular, one-part or multi-part ceramic element can of course also deviate from a circular shape and be shaped or arranged in an elliptical, angular, polygonal or other way.
- a ring-shaped, multi-part ceramic element 5 can also be created by stringing together small ceramic elements 5.1 - 5.3 of different contours be formed. As shown in FIGS. 4 and 5, the small ceramic elements 5.1-5.3 are preferably arranged on diameter ranges that are smaller than the diameter range in which the fastening means 4 are located. By suitable selection and arrangement of small ceramic elements 5.1 - 5.3, the multi-part ceramic element 5 can also be arranged on a larger diameter. 6, this is possible, for example, by arranging crescent-shaped small ceramic elements 5.2 on both sides of the fastening means 4. In order to obtain a large-scale installation of ceramic elements, ceramic elements 5.3 that act as compensating parts and are designed to be biconcave or biconvex can be integrated into a ceramic element 5 designed in several parts.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, wie sie mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 beschrieben ist.The invention relates to a centrifugal pump, as described with the features of the preamble of
Eine derartige Wärmesperre ist beispielsweise in der DE-C 30 16 681 beschrieben. Die hier als Bausatz ausgebildete Wärmesperre stellt ein Bauteil dar, welches eine große axiale Erstreckung aufweist und über zwei Flanschflächen verfügt, von denen die eine pumpenseitig und die andere motorseitig angeordnet ist. Im Bereich einer ein Pumpenlaufrad antreibenden Welle verfügt die Wärmesperre über eine druckdichte Verbindung. Zwischen den Flanschen sind verschiedene Einsätze angeordnet. Sie dienen zur Kräfteübertragung zwischen den Flanschflächen und gleichzeitig mit ihren wärmeabstrahlenden Flächen zur Kühlung. Dieses von ihrer wärmedämmenden Wirkung her gute Bauprinzip hat jedoch den Nachteil, daß es eine große axiale Erstreckung aufweist und damit das Schwingungsverhalten des gesamten Pumpenaggregates ungünstig beeinflussen kann. Die auswechselbaren, wärmedämmenden Elemente der Wärmesperre befinden sich auf erheblich kleinerem Durchmesser, als die kräfteübertragenden Verbindungselemente zwischen Pumpen- und Motorteilen. Diese Bauart kann bei den heutzutage erheblich größeren Pumpenleistungen ebenfalls einen ungünstigen Einfluß auf das Schwingungsverhalten des Pumpenaggregates ausüben.Such a heat barrier is described for example in DE-C 30 16 681. The heat barrier designed here as a kit represents a component which has a large axial extent and has two flange surfaces, one of which is arranged on the pump side and the other on the motor side. In the area of a shaft driving a pump impeller, the heat barrier has a pressure-tight connection. Various inserts are arranged between the flanges. They serve for the transfer of forces between the flange surfaces and at the same time with their heat-radiating surfaces for cooling. However, this construction principle, which is good in terms of its heat-insulating effect, has the disadvantage that it has a large axial extension and can therefore adversely affect the vibration behavior of the entire pump unit. The exchangeable, heat-insulating elements of the heat barrier are located on a considerably smaller diameter than the force-transmitting connecting elements between the pump and motor parts. This type of construction can also have an unfavorable influence on the vibration behavior of the pump unit given the pump capacities which are considerably higher nowadays.
Eine andere Lösung ist durch die GB-A 936 727 bekannt. Bei dieser Bauart sind Saug- und Druckstutzen des Pumpenaggregates in unmittelbarer Nähe der Wärmesperre angeordnet und in die Trennwand zwischen Pumpen- und Motorteil integriert. Dadurch ergeben sich große metallische Anlageflächen zwischen dem zu verbindenden Pumpen- und Motorteil sowie einem dazwischen eingespanntem Lagerschild des Motors. In einem scheibenförmigen Raum der Saug- und Druckstutzen aufweisenden Trennwand ist zwar eine Isolierung angeordnet und als Wärmesperre bezeichnet, jedoch aufgrund der großflächigen metallischen Anlageflächen und der dadurch zwangsläufig entstehenden direkten Wärmeleitung ist diese Wärmesperrenbauart von einer zusätzlichen Flüssigkeitskühlung abhängig.Another solution is known from GB-A 936 727. With this design, suction and discharge ports of the pump unit are arranged in the immediate vicinity of the heat barrier and integrated in the partition between the pump and motor parts. This results in large metallic contact surfaces between the pump and motor part to be connected and a motor end shield clamped between them. In a disk-shaped space of the partition having suction and pressure ports, insulation is arranged and as Thermal barrier, but due to the large metallic contact surfaces and the inevitable direct heat conduction, this type of thermal barrier is dependent on additional liquid cooling.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Wärmesperre zu entwickeln, die unter Verzicht auf eine zusätzliche externe und interne Kühleinrichtung eine steife Bauart eines Kreiselpumpenaggregates ermöglicht. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruches 1. Durch die Gewährleistung eines gradlinigen Kraftflusses zwischen Pumpen- und Motorteil kann eine sehr steife Konstruktion verwirklicht werden. Der Kraftfluß ist hierbei in unmittelbarer Nähe der Verbindungselemente vorgesehen. Die hierzu notwendige kräfteübertragende Anlage zwischen Pumpen- und Motorteil wird unterbrochen durch ein dazwischen befindliches isolierendes Keramikelement. Da ein gradliniger Kraftfluß zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen besteht, wird das Keramikelement nur mit Druckkräften belastet. Der Raum zwischen Keramikelement und Wellendurchgang der Wärmesperre ist mit einem Isoliermaterial gefüllt, vorzugsweise auf keramischer Basis, welches aber keine kräfteübertragenden Wirkungen aufweist. Somit wird gewährleistet, daß ein Wärmeübergang durch Wärmestrahlung auf die Bauteile 2, 5 und 8 und die mit Flüssigkeit gefüllten Räume unterbunden wird. Bei dem hier Verwendung findenden Isoliermaterial hat sich eine Keramikfasermatte als vorteilhaft herausgestellt.The invention is based on the problem of developing a heat barrier which, without an additional external and internal cooling device, enables a rigid construction of a centrifugal pump unit. This object is achieved with the features of
Das Keramikelement kann ein- oder mehrteilig ausgebildet werden, wobei ein mehrteiliges Keramikelement einen größeren konstruktiven Freiraum ermöglicht. Das Keramikelement kann dann durch mehrere sektionsförmige Ringelemente gebildet werden, die mit entsprechender Formgebung auch bei unterschiedlichen Baugrößen verwendbar sind. Es ist auch möglich, beispielsweise durch das Aneinanderreihen von kleinen, scheibenförmigen, einzelnen Keramikelementen ein mehrteiliges ringförmiges Keramikelement zu bilden. Die scheibenförmigen kleinen Keramikelemente können dabei eine Kontur aufweisen, die eine einfache Herstellung ermöglicht und bei einer Aneinanderreihung die Bildung einer Ringform in einem konstruktiv vorgegebenen Bereich zuläßt.The ceramic element can be formed in one or more parts, with a multi-part ceramic element allowing greater structural freedom. The ceramic element can then be formed by a plurality of section-shaped ring elements which, with the appropriate shape, can also be used with different sizes. It is also possible, for example, to form a multi-part annular ceramic element by stringing together small, disc-shaped, individual ceramic elements. The disk-shaped small ceramic elements can have a contour which enables simple manufacture and, when arranged in a row, permits the formation of a ring shape in a structurally predetermined area.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Further refinements of the invention are described in the subclaims.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
- Fig. 1
- eine Wärmesperre mit außerhalb der Befestigungsmittel befindlichem Keramikelement, die
- Fig. 2
- eine Wärmesperre, deren Befestigungsmittel das Keramikelement durchdringen, die
- Fig. 3
- zeigt den Aufbau eines mehrteiligen Keramikelementes und die
- Fig. 4 - 6
- verschiedene Bauformen der Einzelteile eines mehrteiligen Keramikelementes.
- Fig. 1
- a heat barrier with ceramic element located outside the fastening means, the
- Fig. 2
- a heat barrier, the fasteners penetrate the ceramic element, the
- Fig. 3
- shows the structure of a multi-part ceramic element and the
- 4 - 6
- Different designs of the individual parts of a multi-part ceramic element.
In der Fig. 1 ist als Ausschnitt aus einem Motorpumpenaggregat eine Wärmesperre dargestellt. Zwischen einen Pumpenteil 1 und einem Motorteil 2 ist eine Wärmesperre 3 angeordnet. Befestigungsmittel 4, die im Ausführungsbeispiel als Zuganker mit Befestigungsmutter ausgebildet sind, dienen dem Zusammenhalt der Teile. Die Wärmesperre 3 soll z. B. die Wicklungen 5 des Motorteiles 2 vor Temperaturbelastungen schützen, die vom heißen Pumpenteil 1 ausgehen können.In Fig. 1, a heat barrier is shown as a section of a motor pump unit. A
In der Fig. 1 ist eine Wärmesperre mit gekammertem Keramikelement 5 gezeigt. Es liegt im geradlinigen Kraftfluß 6 zwischen Pumpenteil 1 und Motorteil 2 und überträgt Kräfte zwischen diesen beiden Teilen. Dem Schutz des Keramikelementes 5 vor mechanischen Beschädigungen dienen die Wärmesperrenteile 7, 8, die als metallische Flanschelemente ausgebildet sein können und zwischen sich einen isolierenden Bereich aufweisen. Die Wärmesperrenteile 7, 8 liegen nur im Bereich der Welle 9 wärmeleitend aneinander, wo sie einen druckdichten dünnwandigen Wellendurchgang 10 bilden. Die Abmessungen des Wellendurchganges 10 sind entsprechend den mechanischen Belastungen und für minimalen Wärmeübergang ausgebildet. Im Bereich des Wellendurchganges 10 sind die beiden ineinander gepaßten Wärmesperrenteile 7, 8 durch eine Schweißnaht flüssigkeits- und gasdicht miteinander verbunden. Eine keramische Isoliermasse 12 füllt den Raum 12.1 zwischen dem isolierenden, kräfteübertragenden Keramikelement 5 und dem Wellendurchgang 10 aus. Dadurch wird verhindert, daß unter Temperatureinfluß zusätzliche Spannungen in die Wärmesperre 3 entstehen und ein Wärmeübergang durch Wärmestrahlung auf die Bauteile 2, 5 und 8 und die mit Flüssigkeit gefüllten Räume unterbunden wird. Im Bereich der Verbindungselemente 4 überdeckt das Wärmesperrenteil 7 das Keramikelement 5 und hält es damit in seiner Position. Ein Spalt 13 zwischen den beiden Wärmesperrenteilen 7, 8 verhindert eine direkte Wärmeleitung zwischen den Teilen.1 shows a heat barrier with a chambered
Die als Fig. 2 bezeichnete Bildhälfte des Ausschnittes eines Motorpumpenaggregates zeigt eine andere Bauform des Keramikelementes 5. Hier ist das Keramikelement mit Öffnungen 14 versehen, die zur Durchführung der Verbindungselemente 4 dienen. Die Anlagefläche zwischen den Wärmesperrenteilen 7, 8 und dem Keramikelement 5 kann somit größer ausgebildet werden. Die Öffnungen 14 sind in ihren Abmessungen so gestaltet, daß keine Berührungen zwischen dem Keramikelement 5 und den Befestigungsmitteln 4 stattfindet, so daß das Keramikelement nur mit Druckkräften belastet wird. Aneinandergrenzende Flächen des Keramikelementes sind mit entsprechenden Übergangsradien versehen, um unzulässige Kantenpressungen zu vermeiden.The half of the image of the section of a motor pump unit designated as FIG. 2 shows a different design of the
In seiner einfachsten Form ist das Keramikelement 5 als Kreisring ausgebildet, der leicht herzustellen ist. Die Verwendung eines einteiligen Keramikteiles 5 erfordert eine zweiteilige Bauart der Wärmesperre. Das Keramikelement kann auch mehrteilig ausgebildet sein. Ein segmentförmiger Aufbau würde beispielsweise die Verwendung einer einteiligen Wärmesperrenbauart ermöglichen. Durch geeignete Wahl der Form und der Größe der einzelnen Segmente kann für unterschiedliche Baugrößen von Wärmesperren das jeweils passende Keramikelement zusammengesetzt werden. Durch die sehr hohe Isolationswirkung des Keramikelementes 5 kann dessen axiale Erstreckung auf ein Minimum reduziert werden. Daraus resuliert eine kurze Baulänge, die sich wiederum positiv auf das dynamische Verhalten einer durch die Wärmesperre 3 hindurchgeführten Welle 9 und damit verbundener Bauteile auswirkt. Ein auf der Welle 9 fliegend gelagertes - hier nicht dargestelltes - Laufrad erreicht durch den kurzen Wellenüberhang ein wesentlich besseres Laufverhalten. Unter Umständen kann damit ein gegebenenfalls erforderliches drittes Radiallager eingespart werden. Die Anordnung des isolierenden Keramikelementes 5 im geradlinigen Kraftfluß 6 zwischen den miteinander verbundenen Bauteilen gewährleistet bei verbesserter Isolationswirkung eine steifere Bauart des gesamten Pumpenaggregates. Die günstigsten Spannungsverhältnisse haben sich ergeben, wenn ein Keramikelement Verwendung findet, welches in die Gruppe der Zirkonoxide gehört. Da deren Ausdehnungskoeffizent vergleichbar mit dem der Eisenwerkstoffe der Wärmesperrenteile ist, sind durch unterschiedliches Ausdehnungsverhalten bedingte Bauteil-Spannungen sehr gering. Selbstverständlich sind auch andere Keramikmaterialien verwendbar, wobei dann bekannte konstruktive Maßnahmen zur Kompensation unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens zu treffen sind.In its simplest form, the
In der Fig. 3 ist eine Variante einer mehrteiligen Ausbildung eines Keramikelementes 5 gezeigt. Durch eine Vielzahl von einzelnen kleinen Keramikelementen 5.1, die in einem der Wärmesperrenteile 7, 8 spielfrei gehalten sind, kann eine Reduzierung der Herstellungskosten erlangt werden. Die Form der Keramikelemente 5.1 wird dabei so gewählt, daß am Einbauort deren dichte und gleichmäßige Anordnung möglich ist. Dazu sind die Außenabmessungen der Keramikelemente 5.1 und der Durchmesser am Einbauort der Keramikelemente aufeinander abgestimmt.3 shows a variant of a multi-part design of a
Dies ermöglicht es, mit einer geringen Anzahl von Bauformen der Keramikelemente 5.1 eine große Anzahl von Durchmesserbereichen auszufüllen. Dazu können auch, wie in den Fig. 4 - 6 dargestellt, verschiedene Bauformen von Keramikelementen 5.1 - 5.3 miteinkombiniert werden. Die gezeigten Bauformen rund und sichelförmig sind nur Beispiele und es können auch andere Bauformen wie trapezförmig oder linienförmig Verwendung finden, die die Bildung eines ringförmigen Keramikelementes 5 in mehrteiliger Bauart zulassen. Beispiele sind in den Fig. 4 - 6 gezeigt. Es ist eine einfache Optimierung, durch welche Bauform und Größe eines Keramikelementes 5.1 - 5.3, welche Durchmesserbereiche zur Bildung eines mehrteiligen Keramikelementes 5 abgedeckt werden sollen. Mit dem Begriff Durchmesserbereiche bzw. ringförmig ist der Erfindungsgegenstand jedoch nicht auf kreisförmige Anordnungen beschränkt. Die Form des Umfanges eines ringförmigen, ein- oder mehrteiligen Keramikelementes kann selbstverständlich auch von einer Kreisform abweichen und elliptisch, eckig, polygonal oder anders geformt bzw. angeordnet sein.This makes it possible to fill a large number of diameter ranges with a small number of designs of the ceramic elements 5.1. For this purpose, as shown in FIGS. 4-6, various types of ceramic elements 5.1-5.3 can also be combined. The designs shown round and crescent are only examples and other designs such as trapezoidal or linear can also be used, which allow the formation of an annular
Ein ringförmiges, mehrteiliges Keramikelement 5 kann auch durch die Aneinanderreihung von kleinen Keramikelementen 5.1 - 5.3 unterschiedlicher Kontur gebildet werden. Wie die Fig. 4 und 5 zeigen sind die kleinen Keramikelemente 5.1 - 5.3 bevorzugt auf Durchmesserbereichen angeordnet, die kleiner sind als der Durchmesserbereich, in dem die Befestigungsmittel 4 befindlich sind. Durch geeignete Auswahl und Anordnung von kleinen Keramikelementen 5.1 - 5.3 kann das mehrteilige Keramikelement 5 auch auf größerem Durchmesser angeordnet sein. Gemäß Fig. 6 ist dies beispielsweise durch Anordnung von sichelförmigen kleinen Keramikelementen 5.2 beiderseits der Befestigungsmittel 4 möglich. Um eine großflächige Anlage von Keramikelementen zu erhalten, können als Ausgleichsteile wirkende, bikonkav oder bikonvex gestaltete Keramikelemente 5.3 in ein mehrteilig gestaltetes Keramikelement 5 integriert werden.A ring-shaped, multi-part
Claims (8)
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