Gegen die Umwelt abgedichtet

Dipl.-Ing. Holger Kremer

Die Einsatzgrenzen von Magnetkupplungen für Pumpen werden zum einen durch die Viskosität des zu fördernden Mediums und zum anderen durch die Betriebstemperatur bestimmt. Bei der Konstruktion einer magnetgekuppelten Zahnradpumpe für die Förderung von stark abrasivem Medium bei einer Betriebstemperatur von 350 °C galt es daher für den Pumpenhersteller Witte, mehrere Probleme zu lösen, insbesondere da das Fördermedium stark feststoffhaltig war. Das maximal von den Magneten übertragbare Drehmoment ist stark temperaturabhängig und sinkt mit steigender Temperatur. Bezogen auf 20 °C, kann mit Magneten aus Samarium-Kobalt bei 300 °C beispielsweise nur noch rund 70 % des ursprünglichen Drehmoments übertragen werden. Bei der Auswahl eines geeigneten Werkstoffs für die Magnete ist ferner auch die Langzeitstabilität zu berücksichtigen. Für Magnete aus Samarium-Kobalt (SmCo) liegt die maximale Temperatur bei 350 °C. Für höhere Betriebstemperaturen bieten sich Legierungen wie z.B. Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo) an, mit denen etwa 450 °C und mehr im Dauerbetrieb realisiert werden können.

Der Aufbau des Gesamtaggregats der für den vorangehend beschriebenen Anwendungsfall entwickelten Chem-Magnet-Zahnradpumpen ist daher stark von der hohen Betriebstemperatur beeinflusst. Besonders auffällig ist in diesem Zusammenhang das zusätzliche Zwischenstück zwischen Magnetkupplung und Antrieb. Die große Masse des inneren Magnetrotors in Kombination mit dem relativ langen Hebelarm führt zu einem nicht zu vernachlässigenden Biegemoment an der Antriebswelle. Beim Betrachten der Schnittzeichnung fällt auf, dass die Magnetkupplung über eine separate Lagerung im Bereich des Rotors verfügt. Diese Ausführung stellt sicher, dass ausschließlich Drehmoment über die Antriebswelle übertragen wird. Andernfalls würde die große Masse des inneren Magnetrotors in Kombination mit dem relativ langen Hebelarm zu einem nicht zu vernachlässigenden Biegemoment an der Antriebswelle und entsprechendem Verschleiß an Wellen und Gleitlagern führen. Der doppelwandige Spalttopf wird ebenso wie das Pumpengehäuse mittels Wärmeträgeröl beheizt.

Abweichend von der Standardausführung, ist der äußere Magnetrotor nicht direkt auf der Antriebswelle montiert. Eine zusätzliche Kühleinrichtung verhindert ein unzulässiges Aufheizen des Antriebs. Die Wärmeabfuhr erfolgt dabei über das Ölbad an die Motorlaterne des Zwischenstücks. Kühlrippen sorgen für eine effektive Wärmeableitung an die Umgebung. Das Fördergewinde auf der Welle sorgt für eine gleichmäßige Zirkulation des Öls. Durch die Bohrung in der Welle fließt das Öl in Richtung der Magnetkupplung, wobei die Zentrifugalkraft dafür sorgt, dass das Öl nach außen gedrückt wird. Das Gewinde fördert das Öl zurück in Richtung des Antriebs. Neben einer guten Durchmischung wird so auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Öl erreicht. Der Magnetraum wird kontinuierlich mit dem Fördermedium gespült, um durch Wirbelstromverluste entstandene Wärme abführen zu können.

Um die stark feststoffhaltigen Fördermedien ohne Ausfall fördern zu können, kam der Auslegung der Betriebsspiele in der Pumpe eine besonders große Bedeutung zu. Damit sich der mechanische Verschleiß gering halten lässt, sollten die Spiele zwischen Gehäuse, Lager und Wellen größer als die maximale Partikelgröße ausgeführt werden. Andererseits bewirkt eine Vergrößerung der Betriebsspiele ein Absinken des Wirkungsgrades. Als Gehäusewerkstoff wurde der warmfeste Edelstahl 1.4313 eingesetzt. Neben einer 3 mal höheren 0,2%-Dehngrenze wirkt sich bei 300 °C vor allem die im Vergleich zu 1.4571 um 36 % geringere Wärmeausdehnung positiv auf den Wirkungsgrad der Pumpe aus. Da die im Fördermedium enthaltenen Partikel mit 250 bis 300 µm für Zahnradpumpen relativ groß sind – üblicherweise sind die Betriebsspiele von Standardpumpen dieser Größe wesentlich kleiner – musste auf eine sehr harte Werkstoffpaarung bei Wellen und Lagern zurückgegriffen werden. Die Wellen sind aus Ferro Titanit gefertigt. Bei diesem Werkstoff sind Titankarbide in einer martensitischen Gefügematrix eingelagert. Die Gebrauchshärten von ca. 67 HRC liegen deutlich über denen der normalerweise eingesetzten martensitischen Edelstählen (ca. 54 bis 56 HRC). Der Chromgehalt von 13,5 % sorgt zusätzlich für eine hohe chemische Beständigkeit. Aufgrund der sehr großen Härte und der hohen Oberflächengüte eignete sich Siliziumkarbid (SiC) ausgezeichnet als Gleitlagerwerkstoff für die geforderte Anwendung. Diese Nichtoxidkeramik verfügt über sehr gute Wärmeleiteigenschaften, so dass auch bei starker Wärmeentwicklung in den Lagern die Bildung von thermischen Spannungsrissen verhindert wird.

Um den überaus kritischen Betriebsbedingungen gerecht zu werden, waren neben dem Einsatz von Sonderwerkstoffen auch konstruktive Sonderlösungen unumgänglich. Die Erfahrungen im Betrieb zeigen, dass die Anforderungen hinsichtlich Förderleistung und Verfügbarkeit voll und ganz erfüllt werden. Selbstverständlich dürfen bei der Bewertung des Verschleißes die kritischen Betriebsparameter nicht vernachlässigt werden, so dass insgesamt von einer hohen Zuverlässigkeit gesprochen werden kann. Durch die beschriebenen Maßnahmen konnte die Standzeit deutlich erhöht werden.

cav 401

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