EP0731280B1 - Wärmesperre für ein Kreiselpumpenaggregat - Google Patents

Wärmesperre für ein Kreiselpumpenaggregat Download PDF

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EP0731280B1
EP0731280B1 EP96102056A EP96102056A EP0731280B1 EP 0731280 B1 EP0731280 B1 EP 0731280B1 EP 96102056 A EP96102056 A EP 96102056A EP 96102056 A EP96102056 A EP 96102056A EP 0731280 B1 EP0731280 B1 EP 0731280B1
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EP
European Patent Office
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heat barrier
ceramic element
ceramic
pump
shaft
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Hans-Joachim Dr. Franke
Harald Hartmann
Roland Lachmayer
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KSB AG
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KSB AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/586—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for liquid pumps
    • F04D29/5893—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for liquid pumps heat insulation or conduction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D7/00—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • 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 heat barrier for a centrifugal pump unit, as with the features of The preamble of claim 1 is described.
  • the heat barrier designed here as a kit represents a component which is a has a large axial extent and has two flange surfaces, one of which one is arranged on the pump side and the other on the motor side.
  • a pump impeller driving shaft In the area of one a pump impeller driving shaft has a heat barrier pressure-tight connection.
  • the good thermal insulation effect has the disadvantage that it has a large axial extent and thus the vibration behavior of the can adversely affect the entire pump set.
  • the interchangeable, Thermal insulation elements of the thermal barrier are located on considerably smaller diameter than the force-transmitting connecting elements between pump and motor parts. This type of construction can be significant in today's world larger pump capacities also have an unfavorable influence on the Exercise the vibration behavior of the pump set.
  • the invention is based on the problem of developing a heat barrier that without an additional external and internal cooling device, a rigid one Design of a centrifugal pump unit enables.
  • the solution to this task takes place with the features of claim 1.
  • the power flow is in the immediate vicinity of the Fasteners provided.
  • the necessary power transfer System between pump and motor part is interrupted by an in between insulating ceramic element. Because a straight line of force flows between the parts to be joined together, the ceramic element is only with Pressure forces.
  • the space between the ceramic element and the shaft passage the heat barrier is filled with an insulating material, preferably ceramic Basis, but which has no force-transmitting effects. Thus ensures that heat transfer to the components 2, 5 by heat radiation and 8 and the liquid-filled spaces are prevented. With this one A ceramic fiber mat has been used as the insulating material emphasized advantageous.
  • the ceramic element can be formed in one or more parts, one multi-part ceramic element allows greater structural freedom.
  • the ceramic element can then by several section-shaped ring elements are formed with the appropriate shape even with different Sizes can be used. It is also possible, for example, through the String together small, disc-shaped, individual ceramic elements to form multi-part annular ceramic element.
  • the disc-shaped little ones Ceramic elements can have a contour that is simple Production enables and with a string together the formation of a ring shape in a constructionally specified area.
  • Fig. 1 is a section of a motor pump unit, a heat barrier shown. Between a pump part 1 and a motor part 2 is one Thermal barrier 3 arranged.
  • Fastening means 4 which in the exemplary embodiment Tie rods are designed with a fastening nut, serve to hold the Parts.
  • the heat barrier 3 should, for. B. the windings 15 of the motor part 2 before Protect temperature loads that can arise from hot pump part 1.
  • the heat barrier parts 7, 8 serve as mechanical damage metallic flange elements can be formed and one between them isolating area.
  • the heat barrier parts 7, 8 are only in the area the shaft 9 thermally conductive to each other, where they have a pressure-tight thin-walled Form shaft passage 10. The dimensions of the shaft passage 10 are according to the mechanical loads and for minimal heat transfer educated. In the area of the shaft passage 10, the two are one inside the other fitted heat barrier parts 7, 8 by a weld 11 liquid and connected gastight.
  • a ceramic insulating compound 12 fills the room 12.1 between the insulating, force-transmitting ceramic element 5 and the Shaft passage 10 out. This prevents that under the influence of temperature additional stresses arise in the heat barrier 3 and a heat transfer by heat radiation on components 2, 5 and 8 and those filled with liquid Rooms is prevented. This covers in the area of the connecting elements 4 Heat barrier part 7, the ceramic element 5 and thus holds it in position. A Gap 13 between the two heat barrier parts 7, 8 prevents a direct Heat conduction between the parts.
  • the designated half of the image of a section of a Motor pump unit shows a different design of the ceramic element 5.
  • the ceramic element is provided with openings 14 for carrying out the Connection elements 4 serve.
  • the contact surface between the Heat barrier parts 7, 8 and the ceramic element 5 can thus be made larger become.
  • the openings 14 are designed in their dimensions so that none Touches between the ceramic element 5 and the fastening means 4 takes place so that the ceramic element is only loaded with compressive forces. Adjacent surfaces of the ceramic element are covered with corresponding Provide transition radii to avoid impermissible edge pressures.
  • the ceramic element 5 is designed as a circular ring 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 consist of several parts be trained.
  • a segmented structure would, for example Allow use of a one-piece heat barrier design.
  • suitable Choice of shape and size of each segment can be different Sizes of heat barriers the appropriate ceramic element be put together. Due to the very high insulation effect of the Ceramic element 5 can reduce its axial extent to a minimum become. 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 associated components.
  • One flying on wave 9 stored - not shown here - reached by the short Wave overhang a much better running behavior.
  • 3 is a variant of a multi-part design of a ceramic element 5 shown.
  • the shape of the ceramic elements 5.1 chosen so that their dense and uniform arrangement at the installation site is possible.
  • FIGS. 4-6 different designs of ceramic elements 5.1 - 5.3 can be combined.
  • the designs shown are round and crescent-shaped only examples and other designs such as trapezoidal or find linear use that form the formation of a ring Allow ceramic element 5 in multi-part design. Examples are in Figs. 4-6 shown. It is a simple optimization through which design and size of a Ceramic element 5.1 - 5.3, which diameter ranges to form a multi-part ceramic element 5 to be covered.
  • the subject matter of the invention is not of diameter ranges or annular circular arrangements limited.
  • the shape of the circumference of an annular, one-piece or multi-part ceramic element can of course also from one Deviate from a circular shape and are elliptical, angular, polygonal or differently shaped or be arranged.
  • An annular, multi-part ceramic element 5 can also by Stringing together small ceramic elements 5.1 - 5.3 of different contours be formed. 4 and 5 show the small ceramic elements 5.1 - 5.3 preferably arranged on diameter ranges that are smaller than that Diameter range in which the fastening means 4 are located. By suitable selection and arrangement of small ceramic elements 5.1 - 5.3 can the multi-part ceramic element 5 is also arranged on a larger diameter be. 6, this is for example by arranging sickle-shaped small ceramic elements 5.2 possible on both sides of the fastening means 4. To one Obtaining large areas of ceramic elements can be used as compensating parts acting, biconcave or biconvex ceramic elements 5.3 in a multi-part designed ceramic element 5 are integrated.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmesperre für ein Kreiselpumpenaggregat, wie sie mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 beschrieben ist.
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.
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.
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.
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.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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.
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 15 des Motorteiles 2 vor Temperaturbelastungen schützen, die vom heißen Pumpenteil 1 ausgehen können.
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 11 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.
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.
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 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.
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.
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.

Claims (8)

  1. Wärmesperre, die zwischen einem heißen Medien fördernden Pumpenteil (1) und einem Motorteil (2) angeordnet ist, wobei Befestigungsmittel (4) den Pumpenteil (1) und Motorteil (2) zusammenhalten, dadurch gekennzeichnet, daß in dem von den Befestigungsmitteln (4) erzeugten Kraftfluß zwischen Pumpenteil (1) und Motorteil (2) ein geradliniger Kraftfluß (6) in der Wärmesperre (3) besteht und daß im geradlinigen Kraftfluß (6) der Wärmesperre (3) ein kräfteübertragendes sowie isolierendes Keramikelement (5) angeordnet ist.
  2. Wärmesperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikelement (5) ein- oder mehrteilig ausgebildet ist.
  3. Wärmesperre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikelement (5) ringförmig ausgebildet ist.
  4. Wärmesperre nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer den Pumpen- und Motorteil (1; 2) verbindenden Welle (9) und dem Keramikelement (5) ein mit einem keramischen Isoliermaterial (12) gefüllter Raum (12.1) befindlich ist.
  5. Wärmesperre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Raum (12.1) und Welle (9) die Wärmesperre (3) in an sich bekannter Weise mit einem dünnwandigen, druckfesten und gasdichten Wellendurchgang (10) zwischen einem motorseitigen und pumpenseitigen Wärmesperrenteil (7, 8) versehen ist.
  6. Wärmesperre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikelement (5) mit in Wellenrichtung verlaufenden Durchdringungen (14) zur Aufnahme von Befestigungsmitteln (4) versehen ist.
  7. Wärmesperre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine wärmeleitende, metallische Verbindung der Wärmesperre (3) nur im Bereich des Wellendurchganges (10) besteht.
  8. Wärmesperre nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ein- oder mehrteilige Keramikelement (5) von einer Keramik aus der Gruppe der Zirkonoxide gebildet ist.
EP96102056A 1995-03-09 1996-02-13 Wärmesperre für ein Kreiselpumpenaggregat Expired - Lifetime EP0731280B1 (de)

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EP0731280A1 EP0731280A1 (de) 1996-09-11
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