DD246461A3 - Axialpumpen mit kleiner durchmesserzahl in parallelschaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Anwendung von Axialpumpen in Parallelschaltung, wobei im Interesse spezifisch kleiner Abmessungen der Pumpen, gekennzeichnet durch eine kleine Durchmesserkennzahl angewendet werden. Das Ziel und die Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen Aufbau und Betriebsweise der parallelgeschalteten Axialpumpen mit einer Durchmesserkennzahl von 0,8 bis 1,3 bei einer Lieferzahl von 0,4 bis 0,5 zu schaffen, dass ein zuverlaessiger Betrieb bei maximalen Wirkungsgrad und minimalen Abmessungen der Pumpen sowie des sie umhuellenden Stroemungskanales realisiert werden koennen. Das soll durch eine geeignete Anordnung der Pumpen in dem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt des Stroemungskanales und gleiche Volumenstroeme und Nutzfoerderhoehen der Pumpen in einem grossen Foerderstrombereich erreicht werden. Es werden dazu Pumpen mit Duesen und Diffusoren einer Laenge L1 von 0,4 bis 0,7 bzw. L2 von 1,5 bis 2,5 des lichten Pumpengehaeusedurchmessers d, die den Stroemungsquerschnitt von quadratischen auf kreisrunden und wieder auf quadratischen Querschnitt ueberfuehren verwendet. Die Pumpen sind in einem Querschnitt angeordnet, dessen Laenge und Breite gleich dem Vielfachen des aeusseren Pumpengehaeusedurchmessers sind und mit einer diskret ansteuerbaren Kupplung und einer Regeleinrichtung wirkungsverbunden. Wobei die Pumpen durch eine stufenlos regelbare Arbeitsmaschine angetrieben werden. Mit einer solchen Anordnung werden ein stabiler, ruhiger und kavitationsfreier Betrieb und kleine Abmessungen der Pumpen und des Stroemungskanales erreicht. Die vorgeschlagene Anordnung der Axialpumpen in Parallelschaltung eignet sich in besonderer Weise fuer grosse Wasserumlaufkanaele.

Description

-2- 246 461 Charakteristik des Wesens der erfindungsgemäßen Lösung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für parallelgeschaltete Pumpen mit parallelen Achsen eine Anordnung in einem annähernd quadratischen oder rechteckigen Querschnitt zu finden, die möglichst kleine Durchmesser und axiale Baulängen der Pumpen, hohe Wirkungsgrade und gleiche Volumenströme und Nutzförderhöhen in einem möglichst großen Drehzahlbereich zulassen, wobei die Abweichung der Volumenströme bei gleicher Nutzförderhöhe 2% nicht überschreiten sollen. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die Axialpumpen 8 mit kleiner Durchmesserkennzahl in Parallelschaltung mit Düsen 4 einer Länge Li von 0,4 bis 0,7 des lichten Pumpengehäusedurchmessers d, die die Strömung von etwa quadratischen und kreisrunden Querschnitt beschleunigen und Diffusoren 5 einer Länge L₂ von 1,5 bis 2,5 des lichten Pumpengehäusedurchmessers d die den Strömungsquerschnitt wieder auf quadratischen Querschnitt verzögert, ausgestattet und in einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt angeordnet sind, dessen Länge und Breite gleich dem Vielfachen des äußeren Gehäusedurchmessers d sind. Bei den in Strömungskanälen auftretenden großen Reynoldszahlen sind damit größere Längen als bei Diffusoren für Luftströmung anzuwenden. Diese konstruktiven Maßnahmen garantieren, daß sich die Kennlinien der Pumpen einschließlich der Düsen und Diffusoren bei gleicher Geometrie nur wenig unterscheiden, bei der Aufteilung des Gesamtvolumenstromes in die der Pumpenanzahl entsprechenden Teilstöme nur wenig zusätzliche und in jedem Strang gleiche Verluste hervorgerufen werden und infolge der Volumenstromaufteilung nur ein kleiner zusätzlicher Wirkungsgradabfall der Pumpen entsteht. Die vollständige Lösung der Aufgabe wird dadurch erreicht, daß durch die Anordnung einer direkt ansteuerbaren Kupplung und einer stufenlos regelbaren Arbeitsmaschine wirkungsverbunden über eine Regeleinrichtung die Möglichkeit gegeben ist, alle Axialpumpen gleichzeitig auf die gleiche Nutzförderhöhe und den gleichen Volumenstrom zu bringen. Das sichert, daß alle Pumpen bei gleichem Volumenstrom und gleicher Nutzförderhöhe arbeiten und daß eine Abweichung der Volumenströme bei gleicher Nutzförderhöhe von 2% nicht überschritten wird. Als Meßgrößen können die Drehzahlen der Pumpen verwendet werden. Eventuell vorhandene Unterschiede in den Kennlinien werden nach Vergleich der dynamischen Drücke bei konstantem Gesamtdruck hinter den Pumpen korrigiert. Die erfindungsgemäße Anordnung der Pumpen und die Verwendung der mit den Pumpenaggregaten und der direkt ansteuerbaren Kupplung gestatten, daß die Axialpumpen parallelarbeitend ausgeführt werden können, ohne daß Kavitation, Schwingungen oder Rückströmen eintritt. Das ermöglicht extrem kleine Abmessungen der Pumpen und des Strömungskanales. Die Regeleinrichtung, verbunden mit einer Auslegung im Bestpunkt, gestattet maximale Wirkungsgrade der Gesamtordnung.

Ausführungsbeispiei

Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: einen Wasserumlaufkanal im vertikalen Schnitt,

Fig.2: das Pumpenaggregat im Schnitt,

Fig. 3: übereinander angeordnete Pumpenaggregate im Wasserumlaufkanal, Fig. 4: nebeneinander angeordnete Pumpenaggregate im Wasserumlaufkanal.

In der zwischen dem Eintritt 10 und Austritt 11 der Meßstrecke eines Wasserumlaufkanales herrscht schießende Strömung in der Meßstrecke. Für den Verlustbeiwert wurde ein Wert von etwa 1 ermittelt. In der rechten unteren Ecke des Kanales sind mehrere Axialpumpen 8 siehe Fig. 2 mit parallelen horizontalen Wellen angeordnet. Die Pumpen werden von geregelten Antriebsaggregaten 9 über die direkt ansteuerbare z. B. Magnetkupplung 7 angetrieben. Die Antriebsaggregate werden so geregelt, daß in Abhängigkeit von der Drehzahl unter Berücksichtigung einer Korrektur für eventuell vorhandene Unterschiede in den Nutzförderhöhen in Abhängigkeit vom Volumenstrom, die Förderströme bei gleicher Nutzförderhöhe der parallelgeschalteten Pumpen maximal um 2% voneinander abweichen. Die Querschnittsflächen der Strömung in der Meßstrecke 10,11 und am Pumpenlaufrad 1 sind etwa gleich. Vordem Laufrad ist die Düse 4 angeordnet, die den Strömungsquerschnitt auf einer Länge L| von 0,4 bis 0,7 des lichten Pumpengehäusedurchmessers d von quadratischen auf kreisrunden Querschnitt überführt. Hinter dem Leitrad 2 befindet sich der Diffusor 5 mit der Länge L₂ von 1,5 bis 2,5 des Pumpengehäusedurchmessers d, der den Kreisquerschnitt, wieder auf quadratischen Querschnitt überführt. Vordem Laufrad ist ein Stabilisierungsring angeordnet, der bei den verwendeten schnelläufigen Axialpumpen eine stabile, d. h., monoton abfallende Kennlinie garantiert. Auf jeder Pumpenwelle 3 sitzt eine diskret ansteuerbare Kupplung 7 die als Magnetkupplung ausgeführt ist. Die Pumpen können sowohl übereinanderliegend Fig. 3 als auch nebeneinanderliegend angeordnet werden, wobei sie einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt des Strömungskanales ausfüllen, dessen Länge und Breite gleich dem Vielfachen des äußeren Pumpengehäusedurchmessers D ist. Für die Anwendung in Strömungskanälen ist aus Gründen der Gleichmäßigkeit der Strömung häufig eine ungerade Pumpenanzahl in horizontaler Anordnung anzustreben. Mit der vorgeschlagenen Lösung sind somit eine wesentliche Verringerung der Querschnittsfläche bzw. des Durchmessers der Pumpen sowie der Abmessungen des Strömungskanales, ein hoher Wirkungsgrad, zuverlässiger, schwingungsarmer und kavitationsfreier Betrieb sowie hohe Standzeiten der Pumpen möglich

Literatur: Firmenschriften

(1) Kreiselpumpen KAEA, KAEC und Axial- (Propeller-) Pumpen Typ PI, VEB Pumpenwerk Halle

(2) Pumpen für Flüssigkeiten und Gase, Verlag Technik Berlin, 1984, S. 206

(3) Doge, K. Teillastverhalten von Spaltgitterventilatoren Maschinenbautechnik 28, Heft 2, S.85-90

(4) DE-PS 1428077

(5) DE-PS 2142568

Claims (3)

Erfindungsanspruch:

1. Axialpumpen mit kleiner Durchmesserkennzahl in Parallelschaltung mit Düsen und Diffusoren, die die Strömung von etwa quadratischen und kreisrunden Querschnitt und umgekehrt überführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (4) mit einer Länge L₁ von 0,4 bis 0,7 und die Diffusoren (5) mit einer Länge L₂ von 1,5 bis 2,5 des lichten Pumpengehäusedurchmessersd ausgeführt sind und, daß die Pumpenaggregate (8) und die direkt ansteuerbaren Kupplungen (7) über eine Regeleinrichtung wirkungsverbunden sind.

2. Axialpumpen mit kleiner Durchmesserkennzahl in Parallelschaltung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anordnung einer direkt ansteuerbaren Kupplung (7) und einer stufenlos regelbaren Arbeitsmaschine (9) wirkungsverbunden über eine Regeleinrichtung die Möglichkeit gegeben ist, alle Axialpumpen gleichzeitig so auf die gleiche Nutzförderhöhe und den gleichen Volumenstrom zu bringen, daß die Abweichung der Volumenströme bei gleicher Nutzförderhöhe 2% nicht überschreitet.

3. Axialpumpen mit kleiner Durchmesserkennzahl in Parallelschaltung nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungerade Zahl von Axialpumpen (8) nebeneinander liegend oder übereinander angeordnet sind.

Hierzu 2.Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Anwendung von Axialpumpen zur Förderung von sauberen oder leicht verschmutzten Wasser in Parallelschaltung, wobei im Interesse spezifisch kleiner Abmessungen Pumpen mit kleinem Durchmesser, gekennzeichnet durch eine kleine Durchmesserkennzahl, angewendet werden. Diese Pumpen werden z.B. eingesetzt in großen Wasserumlaufkanälen, zur Förderung großer Volumenströme in rechteckigen Querschnitten großer Breite.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, zur Förderung von großen Volumenströmen eine große oder mehrere parallelgeschaltete kleinere Axialpumpen oder Diagonalpumpsn zu verwenden (1), (5). Dabei ist es erforderlich, für jede der parallelgeschalteten Pumpen aufwendige separate Kanäle zu verwenden (5). Die Pumpen haben für die, die Pumpenauslegung charakterisierende Kennzahl, Druckzahl durch Quadrat der Lieferzahl, Werte von 2 bis 20 und eine Geschwindigkeit im Druckstutzen von 2,2 bis 3 m/s (1). Daraus ergeben sich wesentlich größere Flächen für die Pumpenquerschnitte. Aus Gründen der Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit werden die großen Werte bevorzugt, denn je kleiner die Kennzahl, Druckzahl durch Quadrat der Lieferzahl wird, um so wahrscheinlicher hat die Pumpenkennlinie eine Einsattelung (Instabilität) und um so näher liegen die Punkte maximaler Förderhöhe und maximalen Wirkungsgrades (Bestpunkt) zusammen. Das hat zur Folge, daß bei eingesattelter (instabiler) Kennlinie keine eindeutigen Betriebszustände im gesamten Kennlinienbereich und häufig, auch beim Betrieb im Bestpunkt möglich ist. Deshalb werden entweder Auslegungen mit kleinen Druckzahlen und Lieferzahlen oder mit speziellen Stabilisierungseinrichtungen (3), (4) verwendet. Diese Stabilisierungsvorrichtungen wurden bisher nur für Axialventilatoren und Axialverdichter angewendet und bewirken bei Normallast eine glatte Durchströmung und bei Teillast eine Rezirkulationsströmung vor dem Laufrad, die ihrerseits die Abreißerscheinungen mildert und die Einsattelung beseitigt. Die von den vorausgehenden Bauteilen bewirkten Wirbel und die Rezirkulationsströmung ergeben eine hohe mechanische Belastung und Schwingungserregung der Pumpenschaufeln. Die vorgeschlagene Konstruktion erfordert außerdem einen um 30 % größeren Querschnitt als den Gehäusequerschnitt. Aber selbst für stabile Pumpenkennlinien ergeben sich bei diesen Auslegungen mit der Druckzahl von 0,2 bis 0,3 und der Lieferzahl von 0,4 bis 0,5 Schwierigkeiten bei der Parallelschaltung, weil die Betriebspunkte mit maximaler Förderhöhe und maximalen Wirkungsgrad eng beieinander liegen. Diese bestehen darin, daß es, wenn sich die Kennlinien infolge von Fertigungs- und Drehzahlunterschieden etwas unterscheiden, zu einer wesentlichen Verschiebung des Arbeitspunktes der Pumpe mit der niedrigliegenden Kennlinie zu kleinerem Volumenstrom oder gar zum Rückströmen kommt. Das ist verbunden mit einer z.T. starken Absenkung der Wirkungsgrade der Pumpen, teilweise abgerissener Strömung und hohen mechanischen Belastungen der Lauf- und Leitschaufeln. Deshalb wurden bisher diese Auslegungen mit kleiner Durchmesserkennzahl gemieden. Aus dem bei strömungstechnisch günstigen großen Wasserumlaufkanälen erreichten (mit dem Staudruck in der Meßstrecke gebildeten) Verlustbeiwert von 0,8 bis 1,3 und der Kennzahl, Druckzahl durch Quadrat der Lieferzahl, der eingesetzten Pumpen folgt aber auch, daß bei Strömungskanälen die Strömungsquerschnittsfläche von der Meßstrecke bis zum Laufradquerschnitt auf das λ/2 bis V20fache vergrößert werden muß, damit die Pumpen in ihrem Bestpunkt arbeiten. Mit Rücksicht auf die großen Antriebsleistungen und die Kavitationsgefahr der Pumpen muß bei der Auslegung der Bestpunkt zugrundegelegt werden. Die Auslegung von Pumpen mit kleinen Durchmesserkennzahlen von 0,8 bis 1,3 stellt aber andererseits außerordentlich hohe Anforderungen an die strömungstechnische Gestaltung der Pumpen, denn die Erhöhung des Verlustbeiwertes ist proportional zum Wirkungsgradabfall. Parallelgeschaltete Pumpen üblicher Auslegungen z. B. bei Schöpfwerken werden nacheinander eingeschaltet-um den maximalen Strom so klein wie möglich zu halten. Für den Betrieb ergeben sich wegen der bei bisher üblichen Durchmesserkennzahlen vorliegenden Kennlinien, der Verwendung von Drosseleinrichtungen (Schiebern) hinter und vor jeder Pumpe oder von Überläufen keine Schwierigkeiten. Es ist jedoch wünschenswert, Schieber und Überläufe einzusparen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist, den Aufbau und die Betriebsweise von Axialpumpen kleiner Durchmesserkennzahl von 0,8 bis 1,3 in Parallelschaltung so zu gestalten, daß ein zuverlässiger Betrieb bei maximalem Wirkungsgrad und minimalen Abmessungen der Pumpen und des anschließenden Zuström- und Abströmkanales realisiert werden können.