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Einrichtung zur Verringerung der Axialkraft von Zentrifugalpumpen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verringerung der Axialkraft von Zentrifugalpumpen, insbesondere derjenigen, deren Laufräder einen zweiseitigen Eintritt aufweisen, und zur Verringerung der Pulsierungen, vorwiegend bei Hochleistungspumpen.
Gemäss Literaturangaben und derallgemein eingebürgerten Praxis zählen Zentrifugalpumpen, deren Laufräder einen zweiseitigen Eintritt aufweisen, als axial ausgeglichen. Eine solche Anordnung wird bei mehrstufigen Zentrifugalpumpen mit gerader Laufradzahl als eine der Methoden zur Ausgleichung der Axialkraft direkt empfohlen. Die vorgenommenen Messungen haben jedoch gezeigt, dass bei Laufrädern mit zweiseitigem Eintritt bedeutende Axialkräfte, insbesondere im Bereich von 0,5 Q max auftreten, wobei Q max die maximale Schluckfähigkeit des gesamten Laufrades bei einer Förderhöhe von H > 0 ist. Im Bereich von 0 < Q < 0,5 Q max wird sodann der Gang der Pumpe unruhig und es entsteht eine Axialkraft, welche bei 0,5 Q max den maximalen statischen Wert erreicht. Diese Tatsache wurde auch durch Messungen am Pumpenmodell bestätigt.
Die bisherigen Meinungen über das Entstehen dieser Kraft als einer Paraboloidänderung zwischen den Scheiben des Laufrades und dem Stator wurden als der Wirklichkeit widersprechend widerlegt, denn die Axialkraft wurde bei den Versuchen mit der Umlaufleitung und den Dichtungsringen auf dem Scheibenumkreis des Laufrades ebenfalls festgestellt und gemessen.
Ausserdem ist bekannt, dass der Strömungscharakter der Zentrifugal-Hochleistungspumpen einen primären Einfluss auf die Pulsierungen innerhalb dieser Pumpen hat, welche gleichfalls eine unerwünschte Erscheinung darstellen. Weder die bisherigen Konstruktionsadaptierungen, noch die verschiedensten Zusatzeinrichtungen konnten eine grundsätzliche Verringerung dieser Pulsierungen herbeiführen.
So entstand das Problem, eine geeignete Einrichtung zu schaffen, welche imstande wäre, eine grundsätzliche Verringerung der Axialkraft bei Zentrifugalpumpen, deren Laufräder einen zweiseitigen Eintritt aufweisen, zu sichern, und die gleichzeitig auch für andere Hochleistungs-Zentrifugalpumpen zur Verringerung deren Pulsierungen Verwendung finden könnte.
Die Erfindung löst dieses Problem und beseitigt die angeführten Mängel und Nachteile bekannter Ausführungen.
Der Gegenstand der Erfindung besteht darin, dass die Einrichtung aus mindestens einer, in jede Eintrittsöffnung der Pumpe mündende Tangentialdüse besteht und diese in an sich bekannter Weise über eine Zuleitung an die Quelle der Druckflüssigkeit angeschlossen ist, wobei in dieser Zuleitung eine von Impulsen aus der Druckleitung der Pumpe gesteuerte Regelanlage angeordnet ist.
Theoretisch ist das Laufrad mit zweiseitigem Eintritt gewöhnlich während der Arbeit im Betriebspunkt ausgeglichen, in der Praxis entsteht infolge geometrischer Abweichungen des Laufrades nur noch eine geringe Axialkraft. Deshalb erweisen sich in diesem Punkt jegliche Sondermassnahmen zum Einfangen der Axialkraft als überflüssig. Bei der Ingangsetzung und beim Abstellen der Pumpe kam es jedoch zur einseitigen Überflutung des Laufrades, was eine bedeutende Axialkraft hervorruft. Deshalb
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mussten Pumpen hinsichtlich dieser Übergangsphasen mit Axiallagern von bedeutender Tragkraft verse- hen werden. So z. B. musste für eine Fördermenge von zirka 22 m3 /sec und eine Förderhöhe von 120 m ein Axiallager für 180 t bemessen werden.
Die Erfindung beseitigt das bisher notwendige Axiallager für solche maximalen Belastungen und ersetzt es durch ein Axiallager zum Einfangen der geringen, infolge der geometrischen Unwucht des Laufrades entstehenden Restkraft. Für das aufgezeichnete Beispiel genügt ein für 1 - 2 t bemessenes Lager.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie zusätzlich bei allen bereits im Betrieb stehenden Pumpen verwendet werden kann.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung kann in verschiedenen Ausführungen hergestellt werden. Neben dem bereits aufgezeichneten Ausführungsbeispiel, wo die Tangentialdüsen von der der Druckleitung der Pumpe vor deren Hauptverschluss entnommenen Druckflüssigkeit gespeist werden, kann die Enrich- tung auch so hergestellt werden, dass die Tangentialdüsen aus einer fremden Druckflüssigkeitsquelle ge- speist werden, wobei die Impulse für die Funktion der Regeleinrichtung dem Hauptverschluss der Druck- leitung der Pumpe, oder einer andern Stelle der für die Impulsentnahme hergerichteten Druckleitung entnommen werden.
Als Hauptverschluss der Druckleitung kann beispielsweise ein Ringverschluss, ein
Eckventil od. ähnl. Armaturen dienen, denen Impulse entnommen werden können, welche bei Förder- mengenänderungen in der Druckleitung bzw. direkt in dem Pumpenaustritt entstehen. Wie bereits er- wähnt, können diese Impulse entweder hydraulisch über eine Nebenleitung oder mechanisch, beispiels- weise über einen Mechanismus mit Hebelverschluss und Kulisse an die Regeleinrichtung weitergeleitet werden.
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass diese bei geschilderter Aufstellung automa- tisch, unabhängig von der Bedienung arbeitet. Dabei ist die Herstellung dieser Einrichtung unkompli- ziert und nicht kostspielig.
Die Zeichnung beinhaltet ein schematisches Anordnungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichi tung, welcher eine Zentrifugalpumpe angeschlossen ist, deren Laufrad einen zweiseitigen Eintritt auf- weist.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung besteht aus Tangentialdüsenpaaren --11--, welche an gegen- überliegenden Seiten des linken Eintrittes --12-- und des rechten Eintrittes --13-- der Zentrifugal- pumpe --14-- angeordnet sind. Je nach Situation, Grösse der Pumpe und deren Konstruktionslösung kann auch eine einzelne Tangentialdüse --11-- vor jedem Eintritt bzw. eine grössere Anzahl von Düsen ver- wendet werden. Gemäss des in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels sind die erwähnten
Tangentialdüsen --11-- mit Hilfe des Zuleitungsrohres --15-- an die Druckleitung --16-- der Pumpe --14-- vor deren Hauptverschluss --17-- von bekannter Ausführung angeschlossen.
Der Impuls für die
Funktion der Tangentialdüsen --11-- ist von diesem Hauptverschluss --17-- abgeleitet, durch den die gesamte von der Pumpe --14-- geförderte Flüssigkeitsmenge durchfliesst und in dem sich demzufolge auch alle Druck- und Geschwindigkeitsänderungen der geförderten Flüssigkeit, insbesondere zu Beginn und am Schluss des Prozesses äussern. Die von diesen Veränderungen abgeleiteten Impulse werden dann über eine Nebenleitung --18-- bzw. über einen andern Mechanismus, beispielsweise einen Kulissen- mechanismus, zu der Regeleinrichtung-19--, beispielsweise einem Regelventil, weitergeleitet, das an der Zuleitung --15-- angebracht ist und die Funktion der Tangentialdüsen --11-- sichert.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung funktioniert folgendermassen : Die aus der Druckleitung --16--
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--19-- angeführt, die aus den Tangentialdüsen --11-- in die linke Eintrittsöffnung --12-- und in die rechte Ein- trittsofmung--13-der Pumpe-14-so eintritt, daB sie hier die Vorrotation der geschöpften Flüssig- keit vor dem Laufrad ändert. Durch die Beeinflussung der Vorrotation wird erreicht, dass die EintrittsMeridiangeschwindigkeiten und somit auch die Schluckfähigkeit beider Eintrittsöffnungen --12, 13-des Laufrades gleich sind, so dass im Bereich vor 0,5 Q max, d. h. im Bereich der theoretisch maximalen von der Pumpe --14-- geförderten Menge, keinerlei Axialkraft entsteht.
Dabei sichert die in die Zuleitung --15-- eingebaute und hydraulisch oder mechanisch, beispielsweise über den angeführten Kulissenmechanismus vom HauptverschluB--17--aus gesteuette Regeleinrichtung-19-, eine automatische Versorgung der Tangentialdüsen --11-- mit Druckflüssigkeit. Nach der Ingangsetzung der Pumpe-14-- beeinflusstder in die Tangentialdüsen --11-- zurückgeführte Teil der geförderten Flüssigkeit die Vorrotation an beiden Eintrittsöffnungen --12, 13-- und somit auch die Leistung der Pumpe - -14--, wobei sich die Axialkraft bis zum Betriebspunkt der Pumpe, d. h. so lange, bis die Pumpe - den Bereich der optimalen Leistung erreicht hat, eliminiert.
So wird dafür Sorge getragen, dass keine Verschlechterung der volumetrischen Leistung während des Betriebes der Pumpe --14-- im Bereich
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deren Betriebspunktes auftritt.
Mit Hilfe der Tangentialdüsen --11-- kann nicht nur der Potentialwirbel und sogleich dessen Kern bei der Überflutung beider Eintrittsöffnungen --12, 13-- der Pumpe --14--, deren Laufräder einen zweiseitigen Eintritt aufweisen, gleichgerichtet werden ; diese können ausserdem bei allen andern Zentrifu- gal- u. ähnl. Pumpen zur Verringerung der während der Förderung entstehenden Pulsierungen verwendet werden. Dies gilt besonders für Hochleistungspumpen, u. zw. deshalb, weil der Strömungscharakter dieser Pumpen primären Einfluss auf die Pulsierungen hat, und weil durch die Verwendung von Tangentialdüsen die Strömung günstig beeinflusst und die Pulsierung herabgesetzt wird.