SLIDING CONTACT BEARING FOR A PUMP ROTOR

Abstract: 1. Rotor (3/16) and bearing of a pump, in particular of a centrifugal pump or of a positive-displacement pump, the rotor (3/16) of which is connected directly to the inner rotor (3) of a magnetic drive sealed off by a split tube or a split pot (19), and the bearing of which consists of a single radial bearing (1/6) and in each case neighbouring axial bearings (4/6), the bearing material for the respective stationary and rotating bearing part consisting of a hard, oxide ceramic material such as Al2 O3 or ZrO2 and/or non oxide ceramic material such as SiC, Si3 N4 or the like, characterized in that the rotor (3/16) has, in the operating state, an axial thrust, bringing the one axial bearing (4/6) into effect, of a size which is sufficient for the substantially axial-parallel alignment of the rotor (3/16) with respect to the radial bearing (1/6) against hydraulic, gravity-induced and magnetic deflection forces out of this position.

Description: Bezeichnung: Gleitlager für den Läufer einer Pumpe Die Erfindung betrifft ein Gleitlager für den Läufer einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe oder einer Verdrängerpumpe, der direkt mit dem Innenmagnetrotor einer durch ein Spaltrohr hermetisch abgedichteten Permanent magne?tkupplung verbunden ist, bestehend aus mindestens einem Radiallager und zwei Axiallagern, von denen das Radiallager im wesentlichen das Eigengewicht des Läufers sowie magnetische Kräfte und die Axiallager im wesentlichen einen Axialschub des Läufers während des Betriebes aufnehmen. Derartige Pumpen werden in grosser Zahl in der chemischen, petrochemischen und anderen Industrien verwendet, wenn es darauf ankommt, die Gefahr eines Leckes durch die Verwendung eines stopfbuchslosen Aggregates einzuschränken. Die Lagerung des Läufers, also des Laufrades bzw. des Verdrängungskörpers und des direkt damit gekoppelten Innenmagnetrotors ist allerdings dadurch einer Schmierung beispielsweise durch Mineralöl entzogen, so dass das ge förderte Medium als Schmiermittel herangezogen wird. Gegebenenfalls müssen Einbussen in der Standzeit der Lagerung hingenommen werden, wenn z.B. das geförderte Medium stark verunreinigt, abrasiv oder in sonstiger Weise für eine Lageraufgabe schlecht geeignet ist. In Extremfällen kann diesen Schwierigkeiten dadurch begegnet werden, dass in den Antriebsteil einschliesslich der Lagerung eine gereinigte Flüssigkeit eindosiert wird, die in den Förderraum der Pumpe austritt und so eine stetige Reinigung der Lager und Kühlflächen der Permanentmagnetkupplung herbeiführt. Die Reinigung mit einer derartigen Spülflüssigkeit versagt jedoch, wenn sich Magnetpartikel vom Innenmagnetrotor der Permanentmagnetkupplung gelöst und an den ferromagnetischen Lagerteilen festgesetzt haben; deren Fortspülung hat sich als äusserst schwierig erwiesen. Ihre in der Regel grosse Härte sorgt dann für eine relativ rasche Zerstörung des Lagers, so dass das gesamte Pumpenaggregat in absehbarer Zeit ausfällt. Eine weitere Schwierigkeit bei den genannten Pumpen besteht darin, dass für eine Vielzahl von Anwendungsfällen aus Gründen einer rationalen Fertigung nur eine beschränkte Zahl von Pumpentypen vorhanden ist. Unter diesen Umständen kann z.B. der Axialschub des Pumpenläufers nur selten so weit hydraulisch reduziert werden, dass die Axialbelastung der Axiallager gering ist. Oftmals ist deshalb die gesonderte Bereitstellung eines Schubausgleichsmechanismus erforderlich, was die Baukosten negativ beeinflusst. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein betriebssicheres Gleitlager für den Läufer einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe oder einer Verdrängerpumpe zu schaffen, das gegenüber Veränderungen der möglichen Betriebsparameter, wie Drehzahl, Achsschub, Betriebstemperatur, Kühlmittel usw. weitgehend unabhängig ist und bei dem eine Beschädigung oder Zerstörung infolge magnetischer Fremikörper im Lagerbereich so gut wie ausgeschlossen ist. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass jeweils der in Ruhe befindliche und der umlaufende Lagerteil aus einem unmagnetisierbaren, harten, oxidkeramischen, wie Aluminiumoxid oder Zirkonoxid und/oder nichtoxidkeramischen Werkstoff wie Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder dergleichen besteht. Die Erfindung gibt also die bisherige Lagerpraxis auf, nach der der eine Lagerteil aus Stahl mit einer grossen Oberflächengüte und der andere Teil aus einem sogenannten Lagerwerkstoff herzustellen ist, dessen Eigenschaften so gewählt sein müssen, dass z.B. eine Mischreibung nur einen unwesentlichen Verschleiss herbeiführt, keinesfalls jedoch die Zerstörung des Lagers nach sich zieht. Stattdessen werden extrem harte, gleichartige Werkstoffe miteinander gepaart, die zum einen Magnetpartikeln keine Möglichkeit der Anziehung bieten und zum anderen extrem hoch belastbar sind, so dass durch das Lager hindurchtretende Fremdkörper während der Verweilzeit den Lageroberflächen so gut wie keine Schäden zufügen können. Bei den bisher üblichen Lagerkörpern aus Kunstkohle war die Verletzlichkeit besonders gross. Als Belastungsgrenze für bisherige Lager, insbesondere für die Axiallager, ist ein Richtwert für den Konstrukteur vorhanden, der sich aus dem Produkt des spezifischen Flächendruckes sowie der Umfangsgeschwindigkeit zusammensetzt. Bei den Kunstkohle-Stahllagern beträgt dieser Richt-Grenzwert 1.000 Nm/cm2s, wobei die spezifische Lagerbelastung 50 N/cm2 nicht überschreiten darf. Obwohl an einer ausgeführten Lagerung nach diesen Werten theoretisch ein Achsschub von 2.250 N bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 20 m/s theoretisch verwirklichbar ist, zeigt die Praxis, dass betriebssichere Verhältnisse an derselben Lagerung nur bis zu Achsschüben von max. 1.000 Nerreichbar sind. Das bedeutet, dass dieser Grenzwert von 1.000 N für den Achsschub in den Anwendungsfällen zu berücksichtigen ist, die aufgrund der vorhandenen Parameter gerade einen maximalen Achsschub erzeugen. Alle übrigen Anwendungsfälle erzeugen dann weniger Achsschub, wobei die Beeinflussung des Achsschubes in der Regel durch hydraulische Massnahmen erfolgt. Dabei liegt ein grosser Teil von Anwendungsfällen in einem Bereich, in dem der Achsschub aufgrund der hydraulischen Massnahmen, die zur Einhaltung einer Maximalgrenze erforderlich sind, fast bei o lieg#,was insbesondere bei Pumpen mit einem einzigen Radialgleitlager aus folgenden Gründen unerwünscht ist. Aufgrund eines statischen Ungleichgewichtes an dem Läufer der Pumpe liegt der sich drehende Teil auf der einen Seite auf der unteren und auf der gegenüberliegenden Seite an der oberen Kante des stillstehenden Lagerteils an, mit anderen Worten, die Lagerung ist leicht gekippt. Durch das Anlaufen des Läufers wird dieser Zustand allein aus dem Radiallager heraus nicht beseitigt, es sei denn, es tritt die richtende Kraft des Axiallagers hinzu. Bei kräftiger Schubausbildung richtet das Axiallager den Läufer auf, so dass er im Radiallagerbereich seine Kantenlage verliert1 und stattdessen eine optimale Flächenberührung eintritt. Wenn dieser Aufrichteffekt für nahezu alle Betriebsbereiche einer Pumpe eintreten soll, muss dafür Sorge getragen werden, dass in den Bereichen, in denen ein extremer Axialschub auftritt, keine Beschädigung oder Zerstörung der Axiallager vorkommen kann. Aufgrund der Werkstoffwahl der Lagerbestandteile gemäss der Erfindung werden hier ideale Voraussetzungen geschaffen. Statt der bisher zu respektierenden Richtwerte von ca. 1.000 Nm/cm2s für das P.V-Produkt können Werte bis zu 10.000 Nm/cm2s zugelassenwerden. Damit kann erreicht werden, dass mit einer einzigen Lagerkonstruktion eine bisher nicht gekannte Vielfalt von Bautypen und Baugrössen jeglicher Art von Pumpen ausgestattet werden kann, ohne jemals an die Grenzen der Be lastbarkeit insbesondere der Axiallager zu gelangen. Es können also geschlossene oder offene Laufräder, mehrstufige Pumpen, Niederdruck- oder Hochdruckpumpen in unterschiedlicher Grösse und Leistung mit einer einzigen Lagertype und auch Lagerabmessung ausgestattet werden. Die Betriebssicherheit wird insgesamt verbessert, da die Wirkung des Axiallagers zum Aufrichten des Läufers insgesamt das Lagerverhalten verbessert und Zerstörungen durch festgesetzte Magnetpartikel ebenfalls ausgeschlossen sind. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert; in der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel der er findungsgemässen Lagerung, Fig. 2 eine Längsschnittansicht gemäss Fig. 1 eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit doppelter Lagerung, Fig. 3 eine Querschnittsansicht ausschliess lich durch die Lagerteile einer Lagerung gemäss der Erfindung und Fig. 4 eine Längsschnittansicht sowie eine Draufsicht auf eine Axiallagerscheibe einer Lagerung gemäss der Erfindung. In der Fig. 1 ist im Ausschnitt als Schnittansicht im wesentlichen der Läufer eines Pumpenaggregates dargestellt, der an seinem einen Ende durch ein Laufrad 16 und seinem anderen Ende durch den Innenmagnetrotor 3 einer Permanentmagnetkupplung gebildet ist, wobei zwischen diesen beiden Bauteilen ein Tragzapfen 2 zur Aufnahme einer Lagerhülse 1 angeordnet ist. An ihren Stirnseiten liegen Axialscheiben 4 an, die mit Hilfe eines Gewindebolzens 21 über das Laufrad 16 auf dem Tragzapfen 2 festgespannt sind. Die Axialscheiben 4 sowie die Lagerhülse 1 drehen sich demnach mit dem Läufer des Pumpenaggregates. Da der Tragzapfen 2 und die Lagerhülse 1 bzw. die Axialscheiben 4 unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen und ein Temperatureinsatz bis 4000c und deutlich unter 0 C möglich ist, werden zwischen den sich ungleich ausdehnenden Teilen Ringe oder Scheiben 5 vorzugsweise aus Graphit eingelegt, die eventuelle Druckspannungen auf die relativ empfindlichen Axialscheiben 4 und die Lagerhülse 1 eliminieren. In einen Lagerträger 7, der als Trennwand zwischen dem Pumpenraum und dem Kupplungsraum dient, ist eine feststehende Lagerbüchse 6 eingedrückt, die sich in ihrer funktionsgemässen Lage zwischen den Axiallagerscheiben 4 und ausserhalb der Lagerhülse 1 befindet. Die Axiallagerscheiben 4, die Lagerhülse 1 und die Lagerbüchse 6 bestehen aus Aluminiumoxid(Al303)oder aus Zirkonoxid (Zr02), also aus oxidkeramischen Werkstoffen. Diesem Werkstoff gleichwertig ist Siliziumkarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si3N4) oder ähnliche Werkstoffe, die ebenfalls für die genannten Bauteile mit vorteilhafter Wirkung verwendet werden können. Für die Schmierung des Radial- und Axiallagers und auch zur Kühlung im Falle einer thermisch hochbeanspruchten Pumpe wird gegebenenfalls gefiltertes oder gekühltes Fördermedium 10 über eine Radialbohrung 8 in der Lagerbüchse 6 dem Radiallager zugeführt, von wo es sich seitlich zu den Axiallagerscheiben 4 verteilt. Dabei ist eine Schmiertasche 9 innerhalb der Lagerbüchse 6 (Fig. 3) dienlich, die einen Teil der Schmier- und Xühlflüssigkeit in Längsrichtung des Radiallagers verteilt. Der andere Teil gelangt in den Schmierspalt 11 und von dort ebenfalls nach und nach zu den Radiallagerrändern. An den Stirnseiten der Lagerbüchse 6 liegen die Axiallagerscheiben 4 mit Laufspiel an, mit anderen Worten, die Länge der Lagerhülse 1 ist so gewählt, dass unter Berücksichtigung einer Fertigungstoleranz bezüglich der Axiallagerscheiben 4 gegenüber der Lagerbüchse 6 das erforderliche Betriebsspiel vorhanden ist. Die so gebildeten Axiallager werden von der Schmier- und Kühlflüssigkeit gespeist, die aus der Schmiertasche 9 und aus dem Schmierspalt 11 seitlich austreten. Diese Teilströme gelangen in eine Umfangsnut 15 (Fig. 4), die den Grund eines Spaltes 13 für jedes Axiallager bildet. Ein-Teil der in die Axiallager gelangten Flüssigkeit wird über radiale Bohrungen 14 ohne weitere Schmieraufgabe nach Art eines Hilfslaufrades aus dem Lager herausgeschleudert, so dass eine gute Durchflutung des gesamten Lagers vorhanden ist. Die anderen in die umlaufende Nut 15 gelangenden Flüssigkeitsteile dienen zur Schmierung des Axiallagers, dessen Anlageflächen aus einzelnen Segmenten zwischen den radialen Nuten 14 besteht. Die Segmente sind in sich völlig eben und feststehend, wodurch sichergestellt ist, dass das Lager für beide Drehrichtungen verwendbar ist. Die starke Durchflutung der Axiallager infolge der radialen Nuten 14 in den Axiallagerscheiben 4 und vor allen Dingen die erfindungsgemässe Werkstoffwahl sorgt dafür, dass insbesondere die Axiallager sehr hoch belastbar sind. Dazu trägt auch ihr hoher Selbstreinigungseffekt bei, der wiederum unter anderem von der hohen Durchflutung abhängig ist. Die hohe Belastbarkeit ist quasi der Schlüssel für einen störungsfreien Betrieb des gesamten Lagers für annähernd jeden Anwendungsfall. Das Pumpenaggregat ist nämlich insgesamt so ausgelegt, dass ein relativ grosser Axialschub vorhanden ist, der eines der Axiallager - in der Regel das dem Innenmagnetrotor 3 zugewandte - schon bei geringer Drehzahl zur Anlage bringt, allerdings unter Beibehaltung eines tragfähigen Schmierfilmes. Diese Reaktionskraft aufgrund des Axiallagers führt zu einer Ausrichtung des gesamten Pumpenläufers aus einer möglicherweise gekippten Lage heraus, in der die Mittelachse des' Läufers nicht vollständig parallel zur Mittelachse der Lagerbüchse 6 ausgerichtet ist. Diese Kipplage rührt von einer statischen Ungleichgewichtslage des Läufers innerhalb des Lagers her. Diese Ausrichtkraft infolge des aufgefangenen Axialschubes führt bei schon niedrigen Drehzahlen zu einer achsparallelen Lage des Pumpenläufers zu der zugeordneten Lagerbüchse 6, wodurch das Radiallager stark geschont wird und die unerwünschte Kantenlauflage vermieden wird. Im übrigen können sich an keiner Stelle des Lagerbereiches Magnetpartikel festsetzen, da keiner der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Lagerwerkstoffe ferromagnetisierbar f. ist, so dass Magnetpartikel daran nicht haften. Obwohl die Axiallagerscheiben 4 und die Lagerhülse 1 aufgrund des gewählten Materials relativ bruchempfindlich sind, kann ein gewisser Druck auf diese Bauteile ausge übt werden, so dass sie kraftschlüssig ohne Mitnehmerstifte und dergleichen auf dem Tragzapfen 2 festgespannt werden können. Dazu dient der Gewindebolzen 21, der das Laufrad 16 stirnseitig gegen den Tragzapfen 18 zieht und dabei über eine entsprechende Ausnehmung in dem Laufrad 16 die Lagerteile mit verspannt. Die auf der dem Innenmagnetrotor 3 zugewandten Seite des Lagers austretende Schmier- und Kühlflüssigkeit fliesst auf der Aussenseite des Rotors 3 innerhalb des zu der permanentmagnetischen Kupplung gehörenden Spalttopfes 19 entlang und gelangt von dort über den Innenraum des Innenmagnetrotors 3 zu einer Bohrung 17 innerhalb des Gewindebolzens 21 zur Saugseite des Laufrades. Abweichend davon kann der Kopf des Gewindebolzens 21 geschlossen sein, wobei dann die Schmier- und Kühlflüssigkeit durch radiale Bohrungen 17a auf der Rückseite des Laufrades unter einem Hilfsförderradeffekt austritt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 2 ist der Läufer mit Hilfe eines zusätzlichen, von den Abmessungen her identischen Lagers geführt. Allerdings sind hierbei die Axiallagerscheiben 4 sowie die Lagerhülse 1 feststehend angeordnet, nämlich auf einem Tragzapfen 18 festgespannt, der auf der Innenseite des Spalttopfbodens angebracht ist. Stattdessen läuft die Lagerbüchse 6 um, in die auch die Einführung des Schmiermittels über entsprechende Bohrungen 20 erfolgt. Gegebenenfalls kann auf die Axiallagerscheiben 4 verzichtet werden, in besonderen Anw#endungsfällen ist jedoch gerade die doppelte Axiallagerausführung wünschenswert, um die bewusst herbeigeführten hoben Axialschübe aufzunehmen. Denn auch bei einer doppelten radialen Lagerung, deren Abstand nicht besonders gross ist, kann es zu der gefürchteten Kipplage kommen, insbesondere wenn nach längeren Betriebsperioden schon das Betriebsspiel infolge Verschleisses stark vergrössert ist. Bezüglich des Schmier- und Kühlstromverlaufes gilt ähnliches wie für das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1, es kommt lediglich eine weitere Lagerdurchströmung hinzu.

Claims: Patentansprüche 1. Gleitlager für den Läufer einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe oder einer Verdrängerpumpe, der direkt mit dem Innenmagnetrotor einer durch ein Spalt rohr hermetisch abgedichteten Permanentmagnetkupplung verbunden ist, bestehend aus mindestens einem Radial lager und zwei Axiallagern, von denen das Radiallager im wesentlichen das Eigengewicht des Läufers sowie magnetische Kräfte und die Axiallager im wesentlichen einen Axialschub des Läufers während des Betriebes aufnehmen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass je weils der in Ruhe befindliche und der umlaufende Lager teil (7, 6, 4) aus einem unmagnetisierbaren, harten, oxidkeramischen, wie Al203 oder Zr02 und/oder nicht oxidkeramischen Werkstoff wie SiC, Si3N4 oder der gleichen besteht. 2. Lager nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Radiallager durch die Zylinderflächen einer an einem feststehenden Pumpen- oder Kupplungsteil gehaltenen Lagerbüchse (6) und einer Lagerhülse (1) und die Axiallager durch die Stirnseiten der Lagerbüchse (6) und durch Axiallagerscheiben (4) gebildet werden, und dass die Axiallagerscheiben und die Lagerhülse auf einem Tragzapfen (2) des Läufers festgespannt sind. 3. Lager nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen dem Tragzapfen (2) und der Lager hülse (1) und gegebenenfalls den Axiallagerscheiben (4) Ringe oder Scheiben (5) vorzugsweise aus Graphit angeordnet sind. 4. Lager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Lauf seite jeder Axiallager scheibe (4) mit mindestens einer konzentrischen Nut (15) und mehreren Radialnuten (14) versehen ist. 5. Lager nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Lagerbüchse (6) mit mindestens einer radialen Zulaufbohrung (8) und mit einer zugehörigen Schmiertasche (9) versehen ist. 6. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass an der dem Spalttopf (19) zugewandten Seite des Läufers zumindest ein weiteres Radiallager angeordnet ist. 7. Lager nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Bestandteile des zusätzlichen Lagers dieselben Abmessungen haben wie das andere Lager, dass sich jedoch die Axiallagerscheiben (4) und die Lager hülse (1) in Ruhe befinden und die Lagerbüchse (6) mit dem Innenrotor (3) umläuft. 8. Lager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das zusätzliche Lager von einem feststehenden Tragzapfen (18) gestützt ist, der auf der Innenseite des Spalttopfbodens angebracht ist. 9. Lager nach einem der Ansprüche 6-- 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass in dem Innenmagnetrotor' (3) Bohrungen (20) für die Zuführung des Schmiermittels in Form eines Teilstromes, der an einer Stelle er höhten Druckes entnommen ist, zu dem zusätzlichen Lager vorhanden sind. 10. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn-' n e t, dass der Innenraum innerhalb des Innenmagnetrotors (3) mit der Saugseite des Pumpenrades (16) oder mit radialen Bohrungen (17a) auf der Rückseite des Pumpenrades verbunden sind.

Inventors: KNORR, MANFRED
Applicants: FRANZ KLAUS  UNION ARMATUREN PUMPEN GMBH & CO.
Application year: 1984
Main classification: F16C33
IPC codes: F04D29, F16C17, F16C33