DE20200839U1

DE20200839U1 - Zweistufige Flüssigkeitsringpumpe in Blockbauweise

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Publication number: DE20200839U1
Application number: DE20200839U
Authority: DE
Original assignee: SPECK PUMPENFABRIK WALTER SPEC
Current assignee: SPECK PUMPENFABRIK WALTER SPEC
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2012-01-22

Description

Speck-Pumpen, Roth .··. .: ,··, .· .··..·· M/43003

Zweistufige Flüssigkeitsringpumpe in Blockbauweise

Die vorliegende Erfindung betrifft eine zweistufige Flüssigkeitsringpumpe in Blockbauweise.
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Flüssigkeitsringpumpen oder-kompressoren sind seit langem bekannt und werden in den verschiedensten verfahrenstechnischen Prozessen eingesetzt. Beispielhaft seien hier der Einsatz in Anlagen zur Kunststoff- oder Arzneimittelherstellung, zur Getränkeabfüllung und zur Papierherstellung genannt.

Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen oder -Kompressoren arbeiten nach dem Verdrängerprinzip, wobei - in der am weitesten verbreiteten Bauweise - ein motorbetriebenes, mit Schaufeln versehenes Laufrad exzentrisch in einem Pumpengehäuse angeordnet ist, das einen Innenraum mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt aufweist. In dem Pumpengehäuse befindet sich eine Betriebsflüssigkeit, beispielsweise Wasser, die durch die Drehung des Laufrades in Rotation versetzt wird und einen Flüssigkeitsring ausbildet. Benachbarte Schaufeln des Laufrades definieren mit dem Flüssigkeitsring und der Nabe des Laufrades Kammern, die aufgrund der exzentrischen Lagerung des Laufrades ein von der Winkelposition der Kammer abhängiges Volumen besitzen, wobei der Flüssigkeitsring mehr oder weniger tief in die Kammer eindringt und dabei wie ein Verdrängerkolben wirkt. Außerdem sind Steuermittel vorgesehen, in denen Öffnungen, sogenannte Saug- und Drucköffnungen, ausgespart sind, über welche die Kammern mit dem Ein- bzw. Ausgang der Pumpe kommunizieren. Dabei befindet sich die Saugöffnung in dem Winkelbereich, in welchem eine Vergrößerung des Kammervolumens stattfindet, während die Drucköffnung in dem Winkelbereich mit sich verringerndem Kammervolumen angeordnet ist. Flüssigkeitsringpumpen sind insbesondere zur Förderung von Gasen und Dämpfen geeignet. Jedoch können in gewissem Umfang auch Flüssigkeitsströme mitgefördert werden. Prinzipbedingt wird beim Betrieb einer Flüssigkeitsringpumpe stets ein gewisser Anteil an aus dem Flüssigkeitsring stammender Betriebsflüssigkeit ausgetragen.

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Die Betriebsflüssigkeit der Pumpe hat im wesentlichen drei Funktionen. Zum einen wirkt sie, wie oben erläutert, als Kolben der Verdrängungspumpe. Außerdem dichtet sie die einzelnen Kammern des Laufrades gegeneinander ab, so daß eine ölfreie Förderung des zu fördernden Fluides möglich ist. Die stetige Mitförderung eines Teils der Betriebsflüssigkeit erlaubt es außerdem, die im Betrieb auftretende Verdichtungswärme abzuführen. Es muß daher fortlaufend Betriebsflüssigkeit zugeführt werden, damit der Flüssigkeitsring auf konstantem Niveau gehalten wird.

Durch diesen prinzipiellen Aufbau ist die Flüssigkeitsringpumpe äußert verschleißarm, weist eine hohe Betriebssicherheit auf und erzeugt nur sehr geringe Eigengeräusche.

Am weitesten verbreitet sind sogenannte axial beaufschlagte Pumpen. Dabei wird das Laufrad in axialer Richtung durch drehfest im Pumpenraum angeordnete Steuerscheiben begrenzt, in welchen die Saug- und Drucköffnungen ausgespart sind. Die Strömungsrichtung des in das Laufrad eintretenden und das Laufrad verlassenden Fluids ist axial, d.h. parallel zur Achse der Pumpenwelle, auf der das Laufrad sitzt. Beispiele solcher axial beaufschlagter Flüssigkeitsringpumpen, beispielsweise Pumpen in Lagerträgerbauweise, in Blockbauweise oder in Form einer an einem Lagerträger befestigten Blockpumpe, sind in dem deutschen Gebrauchsmuster DE 298 09 258.1 U der Anmelderin beschrieben.

Flüssigkeitsringpumpen sind in ein- oder zweistufiger Ausführung weit verbreitet. Zweistufige Flüssigkeitsringpumpen werden in Anwendungen benutzt, die relativ hohe Vakua erfordern. Die zweistufige Flüssigkeitsringpumpe kann Enddrücke erreichen, die typischerweise zwischen 150-25 mm Hg liegen.

Bislang sind zweistufige Flüssigkeitsringpumpen oder -kompressoren bekannt geworden, die in sog. Lageträgerbauweise ausgeführt sind, d.h. die Antriebswelle ist auf beiden Seiten des Pumpengehäuses in Lagerträgern drehbar gelagert. Der typische Aufbau einer solchen Pumpe ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE-A 34 276 28 dargestellt. Die dort beschriebene zweistufige

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Flüssigkeitsringpumpe weist ein Pumpengehäuse auf, welches einen ersten Arbeitsraum, in dem ein erstes Laufrad angeordnet ist, und, dem ersten Arbeitsraum in Reihe nachgeschaltet, einen zweiten Arbeitsraum, in dem sich ein zweites Laufrad befindet. Der erste Arbeitsraum kommuniziert über eine erste Steuerscheibe, in der ein erster Saugschlitz ausgespart ist, mit einem Saugraum, in welchen ein Saugstutzen mündet. Der zweite Arbeitsraum kommuniziert über eine zweite Steuerscheibe, in der ein Druckschlitz ausgespart ist, mit einem Druckraum, in welchem ein Druckstutzen mündet. Bei bekannten zweistufigen Flüssigkeitsringpumpen befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsraum ein Verbindungsraum, der gleichzeitig als Druckraum der ersten und als Saugraum der zweiten Stufen dient. Der Verbindungsraum wird zum ersten Arbeitsraum hin von einer dritten Steuerscheibe begrenzt, in welcher ein Druckschlitz der ersten Stufe ausgespart ist, und zum zweiten Arbeitsraum hin von einer vierten Steuerscheibe, in welche ein Saugschlitz der zweiten Stufe ausgespart ist.

Die bekannten zweistufigen Flüssigkeitsringvakuumpumpen und -verdichterweisen den Nachteil auf, dass sie in axialer Richtung relativ lang und schwer sind. Im Betrieb treten aufgrund der beiden rotierenden Flüssigkeitsringe relativ hohe Radialkräfte auf, die von den Lagern der Antriebswelle aufgenommen werden müssen, so dass derartige Pumpen bislang nur in Lagerträgerbauweise realisiert werden konnten. Zudem ist die Geräuschentwicklung solcher Pumpen recht hoch.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine zweistufige Flüssigkeitsringpumpe bereitzustellen, die sich durch eine kompakte Bauweise und eine verringerte Geräuschentwicklung auszeichnet.

Gelöst wird dieses Problem durch eine zweistufige Flüssigkeitsringpumpe mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. 30

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach eine zweistufige Flüssigkeitsringpumpe der eingangs definierten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,

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dass die Flüssigkeitspumpe in Blockbauweise ausgebildet ist, d.h. dass das Pumpengehäuse direkt an einen Antriebsmotor oder einen Lagerbock anflanschbar ist, wie dies von herkömmlichen einstufigen Flüssigkeitsringpumpen bekannt ist. Die Blockbauweise der zweistufigen Flüssigkeitsringpumpe wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass der zweite Arbeitsraum gegenüber dem ersten Arbeitsraum drehversetzt ist. Durch diese Maßnahme werden die durch die exzentrische Anordnung des Laufrades im Pumpengehäuse resultierenden Kräfte gleichmäßiger verteilt, so dass eine weitere Lagerung der Antriebswelle auf der vom Antriebsmotor wegweisenden Seite des Pumpengehäuses nicht mehr erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Pumpe kann daher sehr kompakt realisiert werden. Außerdem ergibt sich aufgrund der optimierten Massenverteilung im Betrieb eine Verbesserung der Laufruhe.

Unter dem Begriff &ldquor;drehversetzt" ist im vorliegenden Zusammenhang folgendes zu verstehen: Die Längsachse der Antriebswelle, auf der die beiden Laufräder drehfest angeordnet sind, ist in beiden Arbeitsräumen identisch. Der zweite Arbeitsraum ist nun so gegenüber dem ersten Arbeitsraum gedreht, dass die jeweiligen Exzentritäten in radialer Richtung verschieden orientiert sind. Im Fall der üblicherweise verwendeten hohlzylindrischen Arbeitsräume bedeutet dies gleichzeitig, dass die Längsachsen der beiden Arbeitsräume gegeneinander versetzt sind.

Vorteilhaft wird man den zweiten Arbeitsraum so gegenüber dem ersten Arbeitsraum verdrehen, dass ein vom Mittelpunkt des ersten Arbeitsraums zum Mittelpunkt der Antriebswelle gerichteter Vektor gegenüber einem vom Mittelpunkt des zweiten Arbeitsraums zum Mittelpunkt der Antriebswelle gerichteten Vektor um einen Winkel zwischen 150° und 220° drehversetzt ist. Für einen möglichst weitgehenden Ausgleich der auf die Welle wirkenden Radialkräfte beträgt der Winkel vorzugsweise etwa 180°.

Überraschend wurde außerdem gefunden, dass sich noch eine wesentlich kompaktere Ausbildung der erfindungsgemäßen zweistufigen Flüssigkeitsringpumpe

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erreichen lässt, wenn der Drehwinkel, um den die beiden Arbeitsräume drehversetzt sind, zwischen 180° und 210° und besonders bevorzugt etwa 195° beträgt. Bei einem solchen Drehversatz der beiden Arbeitsräume kann nämlich auf den bei bekannten zweistufigen Flüssigkeitsringpumpen zwischen den beiden Arbeitsräumen vorgesehenen Verbindungsraum verzichtet werden, so dass der erste Arbeitsraum von dem zweiten Arbeitsraum nur durch eine einzige Steuerscheibe getrennt ist, die in der vorliegenden Nomenklatur als &ldquor;dritte Steuerscheibe" bezeichnet wird, obwohl sie, in Förderrichtung gesehen, zwischen der ersten und zweiten Steuerscheibe angeordnet ist. In dieser dritten Steuerscheibe ist ein Verbindungsschlitz ausgespart, der gleichzeitig als Druckschlitz des ersten Arbeitsraums und als Saugschlitz des zweiten Arbeitsraums wirkt. Für diese Variante der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsringpumpe werden also lediglich drei Steuerscheiben benötigt, während eine herkömmliche zweistufige Flüssigkeitsringpumpe in Lagerträgerbauweise vier Steuerscheiben benötigt. Durch den Wegfall des Verbindungsraums und der vierten Steuerscheibe kann die erfindungsgemäße Flüssigkeitsringpumpe in axialer Richtung auch wesentlich kompakter ausgebildet werden, was die auf die motorseitige einzige Lagerung der Antriebswelle wirkenden Kräfte weiter reduziert und zu einer zusätzlichen Geräuschverminderung beiträgt.

Bevorzugt weist der Verbindungsschlitz in der den ersten von dem zweiten Arbeitsraum trennenden Steuerscheibe im wesentlichen die Geometrie eines herkömmlichen Saugschlitzes auf, d.h. der Schlitz hat zunächst eine geringe Breite, die sich, in Drehrichtung des Laufrades gesehen, langsam vergrößert. Es wurde gefunden, dass eine derartige Geometrie des Verbindungsschlitzes in seiner Eigenschaft als Druckschlitz des ersten Arbeitsraums keine Nachteile mit sich bringt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsringpumpe weisen die zweite und dritte Steuerscheibe keine zusätzlichen Drucköffnungen auf, wie sie von den einstufigen Pumpen her bekannt sind. Trotzdem ist die Förderleistung der erfindungsgemäßen Pumpe auch bei unterschiedlichen Druckverhältnissen zufriedenstellend, so dass weder eine nennenswerte Rückströmung noch eine Überverdichtung bei nicht übermäßigen

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Abweichungen von den optimalen Druckverhältnissen auftreten. Die erfindungsgemäße Pumpe ist daher relativ preisgünstig herstellbar, da aufwendige konstruktive Maßnahmen, wie sie mit ventilbeaufschlagten zusätzlichen Drucköffnungen verbunden sind, entfallen. Vorzugsweise sind die beiden Arbeitsräume im wesentlichen als Hohlzylinder mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. Die Antriebswelle mit den daran drehfest angebrachten Laufrädern wird dann exzentrisch durch die Arbeitsräume geführt. Es ist aber auch möglich, die exzentrische Anordnung des Laufrades durch eine besondere Formgebung des Arbeitsraums, beispielsweise durch eine ellipsoidale Form zu realisieren. Besitzt der Arbeitsraum einen elliptischen Querschnitt, wie dies bei doppelwirkenden Pumpen der Fall ist, so kann der Mittelpunkt der Ellipse auch auf der Achse der Antriebswelle liegen.

Die beiden Arbeitsräume können unterschiedlichste Formen aufweisen. Besonders vorteilhaft besitzt das Pumpengehäuse aber insgesamt eine im wesentlichen zylindrische Allgemeinform und die versetzt angeordneten Arbeitsräume werden in Segmenten des Pumpengehäuses mit identischem Außendurchmesser ausgespart.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen zweistufigen Flüssigkeitsringpumpe in Blockbauweise,

die an einen Antriebsmotor angeflanscht ist; Fig. 2 einen Achsschnitt des ersten Arbeitsraums; Fig. 3 einen Achsschnitt des zweiten Arbeitsraums; Fig. 4 eine Stirnansicht der ersten Arbeitsraums mit schematisch angedeutetem ersten Laufrad;

Fig. 5 eine Stirnansicht des zweiten Arbeitsraums mit schematisch angedeutetem zweiten Laufrad;

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Fig. 6 eine Stirnansicht der ersten Steuerscheibe;
Fig. 7 eine Stirnansicht der dritten Steuerscheibe; und Fig. 8 eine Stirnansicht der zweiten Steuerscheibe.

Bezugnehmend auf Fig. 1 erkennt man eine insgesamt mit Bezugsziffer 10 bezeichnete zweistufige Flüssigkeitsringpumpe in Blockbauweise, die an einen insgesamt mit der Bezugsziffer 40 bezeichneten Antriebsmotor angeflanscht ist. Die Flüssigkeitsringpumpe 10 weist ein Pumpengehäuse 11 auf, das im dargestellten Beispiel aus mehreren Teilsegmenten 12,15 19, 23 zusammengesetzt ist: In einem Gehäusedeckel 12 ist ein Saugraum 13 ausgespart, in den ein in der Zeichnung nur schematisch angedeuteter Saugstutzen 14 mündet. An den Saugraum 13 schließt sich ein erster im wesentlichen hohlzylindrischer Arbeitsraum 15 an, in welchem ein erstes Laufrad 16 exzentrisch angeordnet ist. Der Saugraum 13 und der erste Arbeitsraum 15 werden durch eine erste Steuerscheibe 17 voneinander getrennt, in der ein Saugschlitz 18 ausgespart ist (vgl. insbesondere die in Fig. 6 dargestellte Stirnansicht der ersten Steuerscheibe). Gemäß einer hier nicht dargestellten Variante kann der Saugstutzen auch direkt in den Saugschlitz der Steuerscheiben münden. Dem ersten Arbeitsraum 15 ist ein zweiter Arbeitsraum 19 in Reihe nachgeordnet, in welchem ein zweites Laufrad 20 ebenfalls exzentrisch angeordnet ist. Die beiden Laufräder 16, 20, sind drehfest auf einer gemeinsamen Antriebswelle 21 befestigt. Der zweite Arbeitsraum 19 wird durch eine zweite Steuerscheibe 22 von einem nachgeordneten Druckraum 23 getrennt, in den ein (in der Zeichnung nicht dargestellter) Druckstutzen mündet. In der zweiten Steuerscheibe 22 ist ein Druckschlitz 24 ausgespart (vgl. Stirnansicht der Fig. 8).

Im dargestellten Beispiel haben die beiden Laufräder 16 und 20 den selben Durchmesser, so dass man in der Darstellung der Fig. 1 bereits an der Lage der Freiräume 25 bzw. 26 zwischen Laufradumfang und Innenwand des jeweiligen Arbeitsraums 15 bzw. 19 erkennen kann, dass die beiden Arbeitsräume der erfindungsgemäßen Pumpe gegeneinander drehversetzt sind.

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Dieser Sachverhalt wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 8 detaillierter erläutert:

In Fig. 2 erkennt man einen axialen Längsschnitt des ersten Arbeitsraums 15 und in Fig. 3 einen axialen Längsschnitt des zweiten Arbeitsraums 19. In Fig. 4 ist eine Stirnansicht des Arbeitsraums 15 dargestellt. Ebenso erkennt man den Außenumfang des ersten Laufrades 16. Wie durch den Pfeil angedeutet, rotiert das Laufrad gegen den Uhrzeigersinn. Zwischen dem Mittelpunkt 27 des ersten Arbeitsraums 15 und dem Mittelpunkt 28 des ersten Laufrades 16 ist ein Richtungspfeil 29 eingezeichnet. Der erste Arbeitsraum 15 wird durch die in Fig. 6 dargestellte Steuerscheibe 17 mit Saugschlitz 18 von dem Saugraum 13 getrennt.

Entsprechend zeigt Fig. 5 eine Stirnansicht des zweiten Arbeitsraums 19 mit darin exzentrisch angeordnetem zweiten Laufrad 20. Der zweite Arbeitsraum wird zum Antriebsmotor hin von einer zweiten Steuerscheibe 22 begrenzt, in der ein Druckschlitz 24 ausgespart ist (siehe auch Fig. 8). Vom Mittelpunkt 30 des zweiten Arbeitsraums zum Mittelpunkt 28 des zweiten Laufrades 20 ist ein Richtungsvektor 31 eingezeichnet. Man erkennt durch einen Vergleich der Darstellungen der Figuren 4 und 5, dass die beiden Richtungsvektoren 29 bzw. 32 um einen - gegen den Uhrzeigersinn gemessenen - Drehwinkel von etwa 195° gegeneinander versetzt sind. Durch diese Anordnung wird es möglich, auf einen Verbindungsraum zwischen dem ersten Arbeitsraum 15 und dem zweiten Arbeitsraum 19 zu verzichten.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, werden beide Arbeitsräume lediglich durch eine dritte Steuerscheibe 32 voneinander getrennt, die in Fig. 7 nochmals in der Aufsicht dargestellt ist. In der dritten Steuerscheibe 32 ist ein Verbindungsschlitz 33 ausgespart, der sowohl als Druckschlitz der die ersten Stufe bildenden Anordnung aus erstem Arbeitsraum 15 und erstem Laufrad 16, als auch als Saugschlitz für die die zweite Stufe bildende Anordnung aus zweitem Arbeitsraum 19 und zweitem Laufrad 20 dient. Man erkennt, dass der Verbindungsschlitz 33 im wesentlichen die Form eines herkömmlichen Saugschlitzes aufweist.

Claims

1. Zweistufige Flüssigkeitsringpumpe (10) mit
einem Pumpengehäuse (11), welches einen ersten Arbeitsraum (15), der über eine erste Steuerscheibe (17) mit einem Saugstutzen (14) kommuniziert und in dem ein erstes Laufrad (16) angeordnet ist, und einen zweiten Arbeitsraum (19), der über eine zweite Steuerscheibe (22) mit einem Druckstutzen kommuniziert und in dem ein zweites Laufrad (20) angeordnet ist, umfasst, wobei die Laufräder (16, 20) drehfest auf einer gemeinsamen Antriebswelle (21) angeordnet sind, welche die Arbeitsräume (15, 19) exzentrisch durchsetzt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Flüssigkeitsringpumpe (10) in Blockbauweise ausgebildet ist, wobei das Pumpengehäuse (11) direkt an einen Antriebsmotor (40) oder einen Lagerbock anflanschbar ist, und
dass der zweite Arbeitsraum (19) gegenüber dem ersten Arbeitsraum (15) drehversetzt ist.

2. Flüssigkeitsringpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Mittelpunkt (27) des ersten Arbeitsraums (15) zum Mittelpunkt (28) der Antriebswelle (21) gerichteter Vektor (29) gegenüber einem vom Mittelpunkt (30) des zweiten Arbeitsraums (19) zum Mittelpunkt (31) der Antriebswelle (21) gerichteten Vektor (31) um einen Drehwinkel zwischen 150° und 220° drehversetzt. ist.

3. Flüssigkeitsringpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel zwischen 180° und 210°, vorzugsweise etwa 195° beträgt.

4. Flüssigkeitsringpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Arbeitsraum (15) von dem zweiten Arbeitsraum (19) nur durch eine einzige, dritte Steuerscheibe (32) getrennt ist, in der ein Verbindungsschlitz (33) ausgespart ist, der gleichzeitig als Druckschlitz der ersten Stufe und als Saugschlitz der zweiten Stufe wirkt.

5. Flüssigkeitsringpumpe gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsschlitz (33) die Geometrie eines herkömmlichen Saugschlitzes aufweist.

6. Flüssigkeitsringpumpe gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Steuerscheibe (22, 32) keine zusätzlichen Drucköffnungen aufweisen.

7. Flüssigkeitsringpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsräume (15, 19) im wesentlichen als Hohlzylinder mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet sind.

8. Flüssigkeitsringpumpe gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (11) eine im wesentlichen zylindrische Allgemeinform aufweist.