Kreiselpumpe mit Gussbauteil

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Gussbauteit.

Bei Kreiselpumpen kommen häufig Gussbauteile zum Einsatz. Beim Gießen entsteht aus einem flüssigen Werkstoff nach dem Erstarren ein fester Körper in der gewünsch- ten Form. Somit können gezielt die gewünschten Gehäusestrukturen bzw. Laufräder o- der sonstige Bauteile der Kreiselpumpe erzeugt werden.

Diese Verfahren sind auch vorteilhaft für die Massenproduktion von Kreiselpumpenbau- teilen. Einen besonderen Vorteil bietet die Gestaltung von Bauteilen komplizierter Ge- stalt. Hohlräume im Inneren der Bauteile können mit Hilfe von Kernen hergestellt wer- den.

Die Kosten zur Bereitstellung der für den Guss erforderlichen Modelle bzw. Formen sind vergleichsweise hoch, relativieren sich jedoch mit der Anzahl der gegossenen Bauteile.

Gusswerkstoffe im Kreiselpumpenbau sind in der Regel Eisen-Kohlenstoff-Verbindun- gen. Gusseisen ist eine Eisen-Kohlenstoff-Verbindung mit einem hohen Kohlenstoffanteil, der Gusswerkstoff von Stahl unterscheidet. Dabei wird beispielsweise unterschieden zwischen Grauguss, in dem der Kohlenstoff in Form von Graphit Vorkommt, und weißem Gusseisen, in welchem der Kohlenstoff als Carbid in Form von Zementit vorkommt. Insbesondere bei Kreiselpumpen, die zur Förderung von feststoffhaltigen Medien einge- setzt werden, kommt es im Bereich der Bauteile, die mit dem Fördermedium in Kontakt kommen, zu Korrosions- bzw Verschleißerscheinungen.

Die EP 760 019 B1 beschreibt einen korrosions- und verschleißbeständigen Hartguss.

Fertigt man die gesamte Kreiselpumpe aus einem recht kostspieligen Guss bzw. sogar einem teuren Stahl, so kommt es zu vergleichsweise hohen Herstellungskosten und die Kteiselpumpen sind nicht mehr wettbewerbsfähig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe mit mindestens einem Gussbauteil anzugeben, die korrosions- und verschleißbeständig ist und sich zudem durch relativ geringe Herstellungskosten auszeichnet. Weiterhin soll die Kreiselpumpe eine hohe Lebensdauer aufweisen und möglichst flexibel einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist zumindest ein Keramikelement formschlüssig in das Gussbauteil der Kreiselpumpe integriert. Das Keramikelement wird in einer Gussform fixiert. Dann wird der Gusswerkstoff in die Gussform gefüllt. Nach Abkühlung entsteht das erfindungsgemäße Verbundbauteil.

Vorzugsweise wird dabei das Keramikelement so angeordnet, dass es eine strömungsführende Fläche für das Fördermedium der Kreiselpumpe bildet. Das Keramikelement ist gegenüber dem Guss deutlich verschleiß- und korrosionsbeständiger. Somit wird durch das Keramikelement das Guss-Verbundbauteil gegenüber dem Abrieb durch feststoffhaltige Medien geschützt. Weiterhin kann das Keramikelement eine stabilisierende Funktion im Gussbauteil wahmehmen und somit ein tragendes Element bilden. Zur formschlüssigen Integration des Keramikelementes in dem Gussbauteil erweist es sich als besonders günstig, wenn das Keramikelement Ausformungen aufweist. Diese erweitern sich vorzugsweise zur Bildung eines Formschlusses Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung bilden die Ausformungen des Keramikelementes mit dem Guss eine Schwalbenschwanzverbindung Bei der Schwalbenschwanzverbindung sind die Ausformungen des Keramikelementes als Spund ausgebildet. Solche Ausformungen werden manchmal auch als Federn oder Zapfen bezeichnet und erinnern entfernt an die gegabelte Form des Schwanzes einer Schwalbe,

Bei einer Variante der Erfindung bildet das Keramikelement eine Eintrittskante eines Laufrads der Kreiselpumpe. Dadurch ist das Laufrad als stabiles Verbundbauteii ausgebildet, das insbesondere im Bereich von hohen Anströmungen eine hohe Verschleißbe- ständigkeit aufweist.

Ergänzend oder alternativ können Keramikelemente eine Laufradsaustrittskante bilden. Das Medium strömt durch den Saugmund im Laufrad in axialer Richtung zu und strömt die Laufradseintrittskanten an. Das Medium wird dann umgelenkt, beispielsweise um 90°, und verlässt in radialer Richtung entlang der Laufradsaustrittskanten das Laufrad. Vorzugsweise ist das Laufrad der Kreiselpumpe dabei als reines Radiallaufrad ausgebildet. Auch hier dienen die Keramikelemente einer höheren Verschleißbeständigkeit des Laufrads. Durch den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ist es nicht erforderlich, das gesamte Laufrad aus verschleißbeständigem Material zu fertigen, sondern es reicht aus, lediglich die stark beanspruchten Bauteile, wie beispielsweise die Laufradseintrittskante bzw. die Laufradsaustrittskante mit Keramikmaterial zu versehen, wobei erfindungsgemäß die Keramik als Elemente vorliegen, die formschlüssig in das Gussbauteil integriert sind. Bei einer Variante der Erfindung bildet ein Keramikelement zumindest einen Teil eines Pumpensporns. Der Pumpensporn ist ein Bereich des Gehäuses, der ebenfalls sehr stark abrasiven Einflüssen und Verschleißerscheinungen ausgesetzt ist. Er ragt in das Gehäuse hinein und bildet den Übergang vom Spiralgehäuse zum Druckstutzen. Bei einer Variante der Erfindung ist der gesamte Pumpensporn als Keramikelement ausgebildet, wobei dieser Ausformungen aufweist, die als Verankerung im Guss dienen. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Keramikelement in den Bereich des Pumpensporns eingelegt sein, sodass es von Guss umgeben ist und somit lediglich eine Tragfunktion im Pumpensporn wahrnimmt, ohne dass das Keramikelement unmittelbar mit Fördermedium in Kontakt kommt.

Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung bildet das Keramikelement einen Teil einer Spaltringdichtung. Spaltringdichtungen dienen dazu, eine Rückströmung aus dem Druckbereich der Kreiselpumpe in den Saugbereich der Kreiselpumpe auf ein Minimum zu beschränken. Sie umfassen in der Regel einen Laufring, welcher an der radialen Außenseite der Deckscheibe eines Laufrads angeordnet ist und mit dem Laufrad rotiert und einen feststehenden Spaltring, der an einem Gehäuseteil angeordnet ist und das Gegenelement zu dem Laufring bildet. Bei einer Variante der Erfindung bildet das Keramikelement einen Laufring einer Spaltringdichtung. Mithilfe von Verankerungselementen ist das Keramikelement formschlüssig in der Deckscheibe des Laufrades an seiner radialen Außenseite integriert.

Ergänzend oder alternativ kann das Keramikelement auch den Spaltring einer Spaltring dichtung bilden. Dieser Spaltring bildet den Gegenring zu dem Laufring und ist über Verankerungselemente als Keramikbauteil ausgebildet und wird über die Verankerungselemente in einem aus Gusswerkstoff ausgeführten Gehäuseteil formschlüssig integriert.

Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung bildet das Keramikelement ein Segment im Pumpengehäuse. Durch die Aufteilung in Segmente können plattenförmige Keramikelemente eingesetzt werden, um eine gerundete Form an ihrer Oberfläche mit Keramik auszukleiden. Vorteilhafterweise weisen die plattenförmige Keramikelemente eine entsprechende Krümmung auf. Plattenförmige Keramikelemente erweisen sich insbesondere vorteilhaft im Spiralgehäuse einer Kreiselpumpe Das Fördermedium wird in radialer Richtung beschleunigt und trifft auf die Innenwände des Laufradgehäuses. Die Innenwände können mit Keramiksegmenten versehen sein, die plattenförmig ausgeführt sind. Die Segmente sind zueinander leicht gekippt angeordnet und zeichnen somit den Grundinnenraum des Pumpengehäuses aus. Jedes Element verfügt über Ausformungen, die zur Verankerung dienen, um die einzelnen Elemente im Gusswerkstoff des Pumpengehäuses festzulegen.

Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung sind die Keramikelemente aus Siliziumcarbid ausgebildet. Dieser Werkstoff erweist sich gegenüber möglichen Abriebs- bzw. Verschleißerscheinungen als besonders widerstandsfähig. Vorzugsweise umfassen die Keramikelemente gebrannte oder gesinterte Keramik.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils erweist es sich als besonders günstig, wenn das Keramikelement mit einem Kleber in der Gussform fixiert wird, der beim Ausgießen mit dem Gusswerkstoff keine Gase bildet. Dadurch wird eine Hohl- raumbildung im Gusswerkstoff vermieden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.

Dabei zeigt:

Figur 1 eine Schnittdarstellung einer Kreiselpumpe,

Figur 2 eine Schnittdarstellung eines radialen Laufrades,

Figur 3 eine Schnittdarste’lung eines Gehäuseteils,

Figur 4 eine Seitenansicht eines Pumpengehäuses,

Figur 5 eine Schnittdarstellung des Pumpengehäuses gemäß Figur 4 entlang der

Schnittlinie A-A,

Figur 6 eine Vorderansicht eines Pumpengehäuses, Figur 7 eine Schnittdarstellung der Schnittlinie B-B gemäß der Darstellung in Figur 6,

Figur 8 eine Schnittdarstellung eines Pumpengehäuses mit einer ersten Variante eines Pumpensporns,

Figur 9 eine Schnittdarstellung eines Pumpengehäuses mit einer zweiten Ausführung eines Pumpensporns.

Figur 1 zeigt eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad 1. Das Laufrad 1 ist als geschlossenes Radiallaufrad ausgebildet und weist eine Tragscheibe 2 sowie eine Deckscheibe 3 auf. Auf der Tragscheibe 2 sind Schaufeln angeordnet Zwischen der Tragscheibe 2 und der Deckscheibe 3 werden Passagen zum Fördern des Mediums gebildet. Das Laufrad 1 wird von einer Welle 4 angetneben. Das Laufrad 1 ist von einem Gehäuse 5 umgeben. Das Gehäuse 5 bildet einen Saugmund 6, der einstückig mit dem Gehäuse 5 im Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Die Kreiselpumpe weist eine Spaltringdichtungsanordnung 7 auf. Die Spaltringdichtungsanordnung 7 verhindert, dass Fluid aus dem Druckbereich 8 der Kreiselpumpe in den Saugbereich 9 zurück- fließt. Das Laufrad 1 ist als Radiallaufrad ausgebildet. Das Fluid strömt in axialer Rich- tung dem Laufrad zu und wird dann um 90° umgelenkt und tritt in radialer Richtung aus dem Laufrad 1 aus, wobei das Fluid auf die Innenwände des Gehäuses trifft. Durch einen Druckstutzen 10 verlässt das Fluid die Kreiselpumpe. Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein Laufrad 1 einer Kreiselpumpe. Das Laufrad 1 besteht aus einem Verbundwerkstoff, wobei die schraffierten Bereiche einen Guss erk- stoff darstellen und die geschwärzten Bereiche Keramikelemente 11a bis 11c. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist ein Keramikelement 11a in die Deckscheibe 3 des Radiallaufrades 1 an der radialen Außenseite integriert. Dazu weist das Kerami- kelement 11a Ausformungen 12 auf, die der Verankerung des Keramikelementes 11a im Gusswerkstoff des Laufrads dienen. Das Keramikelement 11a bildet den Laufring ei- ner Spaltringdichtungsanordnung entsprechend der Spaltringdichtungsanordnung 7 in Fig. 1 und stellt somit eine strömungsführende Fläche für das Fördermedium der Kreiselpumpe dar. Die Ausformungen 12 des Keramikelementes 11a erweitern sich guss- seitig zur Bildung eines Formschlusses. Im Ausführungsbeispiel sind die Ausformungen 12 des Keramikelementes 11a so ausgebildet, dass sie eine Schwalbenschwanzverbin- düng mit dem Gusswerkstoff eingehen, sodass das Keramikelement 11a fest im Gusswerkstoff durch einen Formschluss integriert ist. Das Keramikelement 11a ist ringartig ausgebildet und weist eine harte, kegelförmige äußere Mantelfläche auf, wobei sich zwischen dieser Außenfläche und der entsprechenden Innenfläche ein Fluidfilm ausbildet. Das Medium tritt gemäß des dargestellten Blockpfeils in axialer Richtung in das Laufrad 1 ein und trifft auf aus Keramikelementen 11b gebildeten Laufradeintrittskanten. Im Laufrad 1 wird das Medium umgelenkt und verlässt das Laufrad in radialer Richtung ge- mäß der dargestellten Blockpfeile, wobei die Laufradsaustrittskanten 11c ebenfalls aus Keramikelementen gebildet werden. Das Laufrad 1 weist eine Nabe 13 zur Montage des Laufrads 1 auf einer Welle auf.

Das Keramikelement 11a bildet den Laufring einer Spaltringdichtungsanordnung, die im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 als Schrägspalt ausgebildet ist.

Figur 3 zeigt das Gegenelement dieser Schrägspaltdichtungsanordnung. Bei dem in Fi- gur 3 dargesteilten Teil des Gehäuses 5 ist ein Keramikelement 1 id über Ausformungen im Gusswerkstoff des Gehäuseteils integriert. Das Keramikelement 1 d bildet den Spaltring einer Spaltringdichtungsanordnung, wobei der in Figur 2 dargestellte Laufring 11a das Gegenelement dazu bildet. Auch hier bilden die Ausformungen 12 Verankerungen für eine formschlüssige Integration des Keramikelementes 11d im Gusswerkstoff des Gehäusefeils.

Figur 4 zeigt eine Seitenansicht des Gehäuses 5 der Kreiselpumpe. Das Gehäuse 5 ist als Spiralgehäuse ausgebildet Über einen Druckstutzen 10 verlässt das Fluid die Krei- selpumpe.

Figur 5 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnitlinie A-A des in Figur 4 dargestellten Pumpengehäuses 5. Die Innenwände des Gehäuses 5 sind mit Keramikelementen 11e ausgekleidet, wobei nur vereinzelte Keramikelemente 11e dargestellt sind. Die Keramikelemente 11e sind als plattenartige Segmente ausgebildet. Dadurch wird das Gehäuse gegen Abriebser- scheinungen geschützt.

Figur 6 zeigt eine Vorderansicht des Gehäuses 5 der Kreiselpumpe von der Seite des Druckstutzens 10 aus.

In Figur 7 ist eine Schnittdarstellung des Gehäuses 5 entlang der Schnittlinie B-B gemäß der Darstellung in Figur 6 gezeigt. Auch bei dieser Darstellung sieht man, dass die Innenwände des Gehäuses mit Keramikelementen 11e ausgekleidet sind, welche die

Innenwand des Gehäuses 5 gegen Abnutzungserscheinungen bzw. aggressive Medien schützen. Der Keramikwerkstoff ist deutlich beständiger gegen Abrieb und aggressiven Medien als der Gusswerkstoff des Gehäuses 5. Erfindungsgemäß muss nicht das ge samte Gehäuse aus Keramik gefertigt werden und es ist auch keine herkömmliche Innenbeschichtung des Gehäuses erforderlich, beispielsweise aus einem Emaille-Werkstoff, sondern es werden einzelne Keramikelemente 11e, die segmentartig ausgebildet sind, über einen Formschluss in den Guss integriert. Dazu weisen die Keramikelemente 11e Ausformungen auf, die als Verankerungen im Gusswerkstoff dienen.

Figur 8 zeigt eine Schnittdarstellung eines Gehäuses 5 mit einem Keramikelement 11e, welches einen Pumpensporn bildet. Das Keramikelement 11g ist hohlzylinderförmig bzw. zylinderförmig ausgeführt und wird in den Guss integriert.

Figur 9 zeigt ein Pumpengehäuse 5 mit einem Keramikelement 11f, das ebenfalls einen Purnpensporn des Gehäuses 5 bildet. Das Keramikelement 11f verfügt über Ausfor mungen 12, welche der Verankerung des Keramikelementes 11f im Gusswerkstoff die- nen.