DE102020115389B4

DE102020115389B4 - Mehrstufige Pumpe

Info

Publication number: DE102020115389B4
Application number: DE102020115389.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Nussmüller
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2023-04-06
Anticipated expiration: 2040-06-11
Also published as: DE102020115389A1

Abstract

Pumpe mit wenigstens zwei Stufen und einem Wasserweg durch die Pumpe, wobei die Pumpe ein erstes druckseitig der Pumpe angeordnetes Laufrad (1) und wenigstens ein Pumpenmodul (9) umfasst, wobei das wenigstens eine Pumpenmodul (9) je ein weiteres Laufrad (2) und je ein Wasserwegmodul (8) umfasst, wobei das Wasserwegmodul (8) wenigstens alle Teile umfasst, welche an den Teil des Wasserweges angrenzen, welcher innerhalb des zugehörigen Pumpenmoduls (9) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Pumpenmodul (9) je einen Wellenstummel (3) und je ein wassergeschmiertes Radiallager (4) umfasst, wobei innerhalb eines Pumpenmoduls (9) der Wellenstummel (3) mit dem weiteren Laufrad (2) verbunden ist, und das Radiallager (4) zwischen dem Wellenstummel (3) und dem Wasserwegmodul (8) angeordnet ist, und wobei das druckseitig gelegene Ende des Wellenstummels (3) mit einem druckseitig daran angrenzenden Laufrad (1, 2) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Pumpe, d.h. eine Pumpe mit wenigstens zwei Laufrädern vom Typ Francis. Eine solche Pumpe kann beispielsweise als Speicherpumpe oder Bewässerungspumpe zum Einsatz kommen. Auch ein Einsatz als einfach aufgebaute Turbine oder Pumpturbine ist denkbar.
Solche Pumpen sind aus dem Stand der Technik bekannt (vgl. beispielsweise die DE 1 261 810 B ). Bei einer solchen Pumpe sind die Laufräder auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Die Welle ist beidseitig, d.h. bei einer vertikal angeordneten Welle ober- und unterhalb den Laufrädern radial gelagert. Druckseitig der Laufräder ist ein Spiralgehäuse angeordnet, wobei sich das Spiralgehäuse in radialer Richtung um das druckseitig gelegene Laufrad herum erstreckt. Bei vielen gattungsgemäßen Pumpen wird die Welle außerdem aus einem saugseitig angeordneten Saugrohr herausgeführt, wobei das Radiallager dann außerhalb des Saugrohrs angeordnet ist (vgl. beispielsweise die DE 29 22 254 C2 ). Dadurch ergibt sich ein komplizierter und kostenaufwändiger Aufbau einer solchen Pumpe.
Die Schriften US 2019/0145428 A1 , US 2010/0119363 A1 und WO 2009/051593 A1 offenbaren mehrstufige Pumpen.
Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt eine mehrstufige Pumpe anzugeben, welche einen einfacheren und modularen Aufbau aufweist.
Die WO 2012/129581 A2 offenbart eine kompakte, variabel dimensionierbare Pumpspeicheranlage in modularer Bauweise. Die Ausführungen der genannten Schrift bzgl. der Modularisierung beziehen sich dabei vorwiegend auf die elektrische Maschine und die zugehörige Frequenzumrichtereinheit. Die vorliegende Erfindung ist hingegen auf die hydraulische Maschine gerichtet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine mehrstufige Pumpe entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 Erfindungsgemäße Pumpe

1 zeigt eine erfindungsgemäße Pumpe in stark schematischer Darstellung. Die dargestellte Pumpe hat eine vertikale Drehachse, welche durch die gestrichelte Linie rechts dargestellt wird. Die erfindungsgemäße Pumpe könnte genauso gut eine horizontale Drehachse aufweisen. Eine erfindungsgemäße Pumpe umfasst wenigstens zwei Stufen. Die dargestellte Pumpe umfasst dabei der Übersichtlichkeit halber nur zwei Stufen. Die Pumpe umfasst ein erstes Laufrad, welches mit 1 bezeichnet ist und zur ersten Stufe gehört. Dabei ist die erste Stufe, die Stufe, welche an der Druckseite der Pumpe angeordnet ist.
Das erste Laufrad 1 ist mit der Welle der die Pumpe antreibenden elektrischen Maschine verbunden. Zwischen dem Laufrad 1 und der Welle der elektrischen Maschine könnte aber auch eine sogenannte Zwischenwelle angeordnet sein. Diese mit dem Laufrad 1 bezeichnete Welle wird im Folgenden als Pumpenwelle bezeichnet.
Eine erfindungsgemäße Pumpe umfasst wenigstens eine weitere Stufe, welche saugseitig der ersten Stufe angeordnet ist. Alle weiteren Stufen sind modular aufgebaut, d.h. sie bestehen aus nahezu identischen Teilen. Abweichungen im Aufbau der einzelnen Module ergeben sich z.B. daher, dass jeweils ein Modul die unterste Pumpenstufe darstellt, welches sich von den darüber liegenden Modulen unterscheiden kann. So gibt es beim Laufrad der untersten Stufe keine Verbindung zu einem weiteren Laufrad in Richtung der Saugseite der Pumpe. Außerdem grenzt an die unterste Stufe in der Regel ein sogenanntes Saugrohr an, so dass entsprechende Verbindungsmittel vorgesehen sein können.
Im Folgenden wird ein solches Modul als Pumpenmodul bezeichnet. 1 zeigt ein Pumpenmodul, welches mit 9 bezeichnet ist. Das Pumpenmodul 9 umfasst ein weiteres Laufrad, welche mit 2 bezeichnet ist, einen Wellenstummel, welcher mit 3 bezeichnet ist, ein Radiallager, welches mit 4 bezeichnet ist und ein sogenanntes Wasserwegmodul, welches mit 8 bezeichnet ist. Ein Wasserwegmodul 8 umfasst dabei wenigstens alle Teile, welche an den Wasserweg angrenzen, welcher innerhalb des zugehörigen Pumpenmoduls 9 verläuft. In 1 ist der Wasserweg durch die Pumpe durch die gewundenen gestrichelten Linien auf der linken Seite der Figur angedeutet. Der Wasserweg eines solchen Wasserwegmoduls 8 erstreckt sich dabei von der Druckseite des zugehörigen Laufrades 2 bis zur Saugseite des Laufrades 1, welches entweder zur ersten Stufe gehört, wie in 1 dargestellt, oder welches zu einem ggf. saugseitig angeordneten Pumpenmodul gehört, falls die Pumpe mehr als ein Pumpenmodul umfasst. Das in 1 dargestellte Wasserwegmodul ist stark vereinfacht dargestellt. In der Regel umfasst es mehrere Teilestücke, welche miteinander verbunden sind. Es kann Bauteile umfassen, welche nicht direkt an den Wasserweg angrenzen, wie z.B. Elemente, an denen die feststehenden Teile des Radiallagers 4 befestigt sind, oder Elemente zur Verbindung der Wasserwegmodule untereinander oder zur Befestigung derselben in einem Gehäuse oder einem Bauwerk. In den Teilen des Wasserweges, welche unmittelbar an ein Laufrad angrenzen, d.h. an den Teilen des Wasserweges, welche druckseitig an ein Laufrad angrenzen, können sogenannte Traversen angeordnet sein. Solche Teile des Wasserweges werden gewöhnlich als Traversenring bezeichnet. Ein Wasserwegmodul kann daher einen Traversenring umfassen. Ein Traversenring kann auch Teil der ersten Stufe sein.
Innerhalb eines Pumpenmoduls 9 ist der Wellenstummel 3 mit dem weiteren Laufrad 2 verbunden, und das Radiallager 4 ist zwischen dem Wellenstummel 3 und dem Wasserwegmodul 8 angeordnet. Das weitere Laufrad 2 und der Wellenstummel 3 können dabei vorteilhaft auch aus einem Teil gefertigt sein. Bei dem Radiallager 4 handelt es sich um ein wassergeschmiertes Lager. D.h. als Schmiermittel des Lagers wird das die Pumpe durchströmende Wasser verwendet. Dadurch entfallen aufwendige Leitungen, welche das Lager schmierende Fluide zuführen. Außerdem ist die Pumpe umweltfreundlich, da kein Öl für die Schmierung verwendet wird.
Das druckseitig gelegene Ende des Wellenstummels 3 des dargestellten Pumpenmoduls 9 ist mit dem ersten Laufrad 1 verbunden. Die erfindungsgemäße Pumpe kann dabei durch die Hinzufügung von weiteren Pumpenmodulen beliebig erweitert werden. Die zusätzlichen Pumpenmodule sind dabei saugseitig zum dargestellten Pumpenmodul 9 angeordnet In jedem Pumpenmodul ist das druckseitig gelegene Ende des zugehörigen Wellenstummels 3 desselben Pumpenmoduls mit einem druckseitig daran angrenzenden Laufrad verbunden. Bei dem letztgenannten Laufrad kann es sich dabei um das Laufrad eines anderen Pumpenmoduls handeln, oder um das erste Laufrad 1, d.h. um dasjenige Laufrad der Pumpe, welches an der Druckseite der Pumpe angeordnet ist, und welches zur ersten Stufe gehört und nicht Teil eines Pumpenmoduls ist.
Die Verbindung zwischen einem druckseitig gelegenen Ende eines Wellenstummels 3 eines Pumpenmoduls mit dem angrenzenden Laufrad kann dabei konventionell, d.h. mit Flanschen erfolgen. Besonders vorteilhaft erfolgt die Verbindung jedoch mit Mitteln, welche einen Formschluss zwischen dem druckseitig gelegenen Ende eines Wellenstummels 3 eines Pumpenmoduls mit dem angrenzenden Laufrad erlauben, wobei die Fixierung der Verbindung durch eine axial verlaufende Zentralschraube erfolgt. Eine solche Zentralschraube kann sich vom ersten Laufrad 1 durch alle eventuell dazwischenliegenden Pumpenmodule bis zum Wellenstummel oder dem Laufrad des saugseitig der Pumpe gelegenen Pumpenmoduls erstrecken. In der 1 sind eine solche Zentralschraube gestrichelt und der Formschluss zwischen dem Wellenstummel 3 und dem ersten Laufrad 1 durch eine Zickzacklinie schematisch angedeutet. Es können alle bekannten Mittel zur Erzeugung eines Formschlusses verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Hirth-Verzahnung.
Der druckseitig des ersten Laufrades 1 angeordnete Wasserweg, kann vorteilhaft einen Abschnitt umfassen, welcher den Wasserstrom beim Pumpen so ablenkt, dass der Wasserstrom beim Verlassen dieses Abschnitts axial-tangential ausgerichtet ist. In 1 ist ein solcher Abschnitt mit 6 bezeichnet. Dabei kann der Abschnitt 6 Teil eines Traversenringes sein.
In 1 grenzt an den Abschnitt 6 direkt ein Spiralgehäuse an, welches mit 5 bezeichnet ist. Im Unterschied zu dem, aus dem zitierten Stand der Technik bekannten Spiralgehäuse, erfolgt beim Pumpen die Anströmung desselben nicht in radialtangentialer Richtung sondern in axial-tangentialer Richtung. Das dargestellte Spiralgehäuse 5 ist besonders einfach aufgebaut, indem es eine zylindrische Außenkontur aufweist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe ergibt sich, wenn alle Wasserwegmodule 8 eine zylindrische Außenkontur aufweisen, und wobei die Wasserwegmodule 8 so ausgebildet sind, dass dieselben durch außen liegende Spannbolzen zusammengespannt werden können.
Es ist zu bemerken, dass die Baugruppe, welche alle Bauteile umfasst, welche an den Wasserweg angrenzen, welcher sich druckseitig zum ersten Laufrad 1 erstreckt, anders aufgebaut ist, als die Wasserwegmodule 8, da der Wasserweg, welcher sich an das erste Laufrad 1 druckseitig anschließt, kürzer ist als die Wasserwege, welche sich innerhalb der Pumpenmodule 9 erstrecken. Diese Baugruppe wird im Folgenden als zum ersten Laufrad 1 gehöriges Wasserwegmodul.
Es ist weiter von besonderem Vorteil, wenn das Spiralgehäuses 5 und die Wasserwegmodule 8 so gestaltet sind, dass alle diese Baugruppen durch außen liegende Spannbolzen zusammengespannt werden können.
Optional umfasst eine erfindungsgemäße Pumpe einen sich an der Pumpenwelle abstützenden, gegen das zum ersten Laufrad 1 gehörige Wasserwegmodul abdichtenden Ausgleichskolben, welcher so ausgebildet ist, dass er, mithilfe des innerhalb der Pumpe herrschenden Wasserdrucks, den Achsschubs der Pumpe ausgleichen kann, wodurch ein deutlich verkleinertes Spurlager ermöglicht wird. In 1 ist ein solcher Ausgleichskolben dargestellt und mit 7 bezeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Erstes Laufrad zur ersten Pumpenstufe gehörig
2: Weiteres Laufrad
3: Wellenstummel
4: Radiallager
5: Spiralgehäuse
6: Abschnitt des Wasserweges zur Umlenkung des Wasserflusses
7: Ausgleichskolben
8: Wasserwegmodul
9: Pumpenmodul

Claims

Pumpe mit wenigstens zwei Stufen und einem Wasserweg durch die Pumpe, wobei die Pumpe ein erstes druckseitig der Pumpe angeordnetes Laufrad (1) und wenigstens ein Pumpenmodul (9) umfasst, wobei das wenigstens eine Pumpenmodul (9) je ein weiteres Laufrad (2) und je ein Wasserwegmodul (8) umfasst, wobei das Wasserwegmodul (8) wenigstens alle Teile umfasst, welche an den Teil des Wasserweges angrenzen, welcher innerhalb des zugehörigen Pumpenmoduls (9) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Pumpenmodul (9) je einen Wellenstummel (3) und je ein wassergeschmiertes Radiallager (4) umfasst, wobei innerhalb eines Pumpenmoduls (9) der Wellenstummel (3) mit dem weiteren Laufrad (2) verbunden ist, und das Radiallager (4) zwischen dem Wellenstummel (3) und dem Wasserwegmodul (8) angeordnet ist, und wobei das druckseitig gelegene Ende des Wellenstummels (3) mit einem druckseitig daran angrenzenden Laufrad (1, 2) verbunden ist.
Pumpe nach Anspruch 1, wobei die Verbindung zwischen dem druckseitig gelegenen Ende eines Wellenstummels (3) mit einem Laufrad (1) Mittel umfasst, welche einen Formschluss ermöglichen, und wobei die Fixierung der Verbindung durch eine axial verlaufende Zentralschraube erfolgt.
Pumpe nach Anspruch 2, wobei der Formschluss durch eine Hirth-Verzahnung realisiert ist.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Laufrad (2) und der Wellenstummel (3) eines Pumpenmoduls (9) aus einem Stück gefertigt sind.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Wasserwegmodul (8) einen Traversenring umfasst.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Traversenring druckseitig des ersten Laufrades (1) angeordnet ist.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der druckseitig des ersten Laufrades (1) angeordnete Teil des Wasserweges einen Abschnitt (6) umfasst, welcher den Wasserstrom beim Pumpen so ablenkt, dass der Wasserstrom beim Verlassen dieses Abschnitts (6) axial-tangential ausgerichtet ist.
Pumpe nach Anspruch 7, wobei der Abschnitt (6) Teil eines Traversenrings ist.
Pumpe nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Pumpe ein Spiralgehäuse (5) umfasst, welches an den Abschnitt (6) so angrenzt, dass das Spiralgehäuse (5) beim Pumpen axial-tangential angeströmt wird.
Pumpe nach Anspruch 9, wobei das Spiralgehäuse (5) eine zylindrische Außenkontur aufweist.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei alle Wasserwegmodule (8) eine zylindrische Außenkontur aufweisen, und wobei die Wasserwegmodule (8) so ausgebildet sind, dass dieselben durch außen liegende Spannbolzen zusammengespannt werden können.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Spiralgehäuses (5) und die Wasserwegmodule (8) so gestaltet sind, dass dieselben durch außen liegende Spannbolzen zusammengespannt werden können.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Pumpe einen Ausgleichskolben (7), eine Pumpenwelle und ein zum ersten Laufrad (1) gehöriges Wasserwegmodul umfasst, wobei die Pumpenwelle mit dem ersten Laufrad (1) verbunden ist, und wobei der Ausgleichskolben (7) sich gegen die Pumpenwelle abstützt und gegen das zum ersten Laufrad (1) gehörige Wasserwegmodul abdichtet, und welcher so ausgebildet ist, dass er den Achsschubs der Pumpe mithilfe des innerhalb der Pumpe herrschenden Wasserdrucks ausgleichen kann.