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Schnelläufige, in zwei Drehrichtungen antreibbare Propellerpumpe Beim
Betrieb von Flüssigkeitspumpen sind neben der sekundlichen Fördermenge der vorgeschriebene
Druck und die Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit, die beide voneinander abhängig
sind, zu beachten, weil wegen der Betriebssicherheit Verdampfung vermieden werden
muß. Die Abhängigkeit des Druckes von der Verdampfungstemperatur ist bekanntlich
bei jeder pumpbaren Flüssigkeit vorhanden, d. h., es gehört zu jeder Temperatur
ein bestimmter Verdampfungsdruck, und umgekehrt. Bei Überschreiten der Verdampfungstemperatur
und Unterschreiten des dazugehörigen Verdampfungsdruckes setzt sofort die Verdampfung
ein und damit infolge Dampfbildung in der Flüssigkeit eine Unsicherheit der Förderung.
Zur Erhaltung eines einwandfreien Betriebes muß deshalb der Druck im Zufluß entsprechend
der zugehörigen Temperatur gesichert sein. Liegt dieser Druck unter Beachtung der
im Zufluß entstehenden Widerstandsverluste und der Geschwindigkeitshöhe
unter dem atmosphärischen Druck, so bestehen strömungstechnisch keine Bedenken,
weil die für diesen Druck bestehende Temperaturgrenze nicht überschritten ist. Bei
höherer Temperatur und dementsprechend höherem Druck bedarf es eines zusätzlichen
Pumpwerkes, das den Flüssigkeitsdruck zunächst so weit erhöht, daß dieTemperaturerhöhung
durch Zufuhr von Wärme mittels Dampf oder Heißwasser ohne Verdampfungsgefahr erfolgen
kann. Dieses zusätzliche Pumpwerk erfordert dann einen besonderen Antrieb, wenn
es aus betrieblichen oder anderen Gründen mit einer anderen Drehzahl betrieben wird
wie das Hauptpumpwerk, was bei Kesselspeisepumpen der Fall ist.
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Anders verhält es sich, wenn es sich nicht um eine Kesselspeisung,
sondern um eine Versorgung anderer Art, z. B. mit chemischen Mitteln oder Farbflüssigkeiten,
handelt, die in verhältnismäßig geringen Mengen der Hauptflüssigkeit hinzugefügt
werden sollen, und wenn wegen der besseren Wirksamkeit des Verfahrens erhöhte Temperatur
und damit erhöhter Druck erforderlich sind.
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In solchen Fällen handelt es sich bei den Hauptpumpen um Umwälzpumpen,
die den Kesselinhalt oder Bottichinhalt dauernd umpumpen, damit die Hauptflüssigkeit
in ausreichender Weise mit der Zusatzflüssigkeit innig gemischt wird. Diese letztere
Flüssigkeit muß an der Stelle in den Kreislauf der Hauptflüssigkeit zugeführt werden,
wo sich der niedrigste Druck befindet. Die Wärmezufuhr kann irgendwo im Kreislauf
durch Dampf oder Heißwasser erfolgen. Es sind dann zwei Pumpwerke notwendig, nämlich
eine Hauptpumpe für die Versorgung des Kesselinhalts, gegebenenfalls durch mehrfaches
Umpumpen, sowie eine Hilfspumpe zur Erhaltung der Betriebssicherheit durch Druckerhöhung.
Diese Druckerhöhung muß so bemessen sein, daß eine Verdampfung auf jeden Fall durch
eine Sicherheit von etwa 150/, mehr vermieden wird.
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Die Hilfspumpe wird in Fällen, in denen es sich um die Versorgung
mit geringen Mengen chemischer Art oder mit Farblösungen handelt, wo also die Hauptpumpe
wesentlich zur Umwälzung des'Kesselinhalts dient, nur verhältnismäßig kleine Mengen-
fördern. Sie hat zugleich alle Leck- bzw. Undichtigkeitsverluste, z. B. an Stopfbüchsen,
Ventilen, Abflüssen usw., zu ersetzen. Diese Verluste lassen sich in bekannter Weise
geringfügig halten. Gegebenenfalls könnten für diesen Zweck auch statt besonderer
Pumpen andere Einrichtungen, wie z. B: Preßluftbehälter, Akkumulatoren u. dgl.,
ausreichen, die jedoch zusätzliche Regelungen und ausreichende Abmessungen erfordern,
um auf alle Fälle betriebssicher zu sein.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Hauptpumpe mit einer
Hilfspumpe zu einem gemeinsam angetriebenen Maschinensatz zu vereinigen. Die Hauptförderung
für große Fördermengen auf kleine Förderhöhen übernimmt dabei eine schnelläufige
Propellerpumpe, während eine mit dieser zusammengebaute, mit niedrigerer Umfangsgeschwindigkeit
laufende Kreiselpumpe für kleine Fördermengen die Druckerhöhung auf verhältnismäßig
große Förderhöhe übernimmt.
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An sich ist bei einer Schaltung von Kreiselpumpen (Zentrifugalpumpen)
mit Ventilatoren seit langem bekannt, einen schnell laufenden Kreisel von einem
langsam laufenden Kreisel mit Turbine und Vorpumpe zu umgeben, wodurch Verluste
durch Flüssigkeitsreibung beschränkt werden sollen.
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Weiter hat man bei Zentrifugalpumpen zur Vermeidung von Verdampfungen
schon vorgeschlagen, dem Fördern
Strom von der Laufradnabe aus Luft
zuzuführen. Schließlich sind bei Zentrifugalpumpen Hilfsbeschaufelungen beiderseits
des Laufrades zur Anwendung gelangt.
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Bei der Erfindung besteht das Neue in konstruktiver Hinsicht im wesentlichen
darin, daß das auf der Antriebswelle sitzende, die axial fördernden Propellerschaufeln
am Außenumfang tragende Laufrad als Hohlkörper ausgebildet ist, dessen Hohlraum
sich radial erstreckende Rippen aufweist und durch einen in axialer Verlängerung
der Antriebswelle angeschlossenen Kanal für Zusatzflüssigkeit speisbar ist, wobei
durch die Rippen nach Art von Zentrifugalpumpen geförderte Flüssigkeit zu Bohrungen
am Laufradaußenumfang strömt, die entweder unmittelbar in den Strömungskanal der
Schaufeln münden oder über z. B. mit den Schaufeln verschweißte Rohrstücke mit der
Außenzone desselben in Verbindung stehen.
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Mit Hilfe einer solchen Pumpe kann man einem Flüssigkeitsk reislauf
in besonders einfacher und sicherer Weise weitere Flüssigkeit in verhältnismäßig
geringer Menge hinzufügen und zugleich eine erhebliche Druckerhöhung im Kreislauf
erzielen, vor allem dann, wenn unter Temperatur- und Druckverhältnissen gearbeitet
werden muß, die die Gefahr von Verdampfung mit sich bringen. Dies gilt z. B. bei
Flüssigkeitskreisläufen in Anlagen zum Färben von Textilgut, bei denen die Flotte
in Behandlungsbehältern umgewälzt wird. Dabei ist für die dazu notwendigen Pumpen
die Fördermenge durch den Verbrauch an Umwälzflüssigkeit, die Förderhöhe durch die
in den Behältern zu erwartenden Widerstände bestimmt. Schließlich wird in solchen
Fällen oft die Möglichkeit zur Umkehr der Strömungsrichtung gefordert.
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Zur Erfüllung der letztgenannten Forderung eignen sich insbesondere
reine Axialpumpen, wie Schrauben-oder Propellerpumpen. Diese können so eingerichtet
werden, daß sie in der einen und/oder anderen Strömungsrichtung bestimmte vorgeschriebene
Leistungen vollbringen. Dabei ist es nicht notwendig, daß sie in beiden Strömungsrichtungen
für die gleiche Leistung eingerichtet werden, sondern gegebenenfalls und je nach
Bedarf andere Mengen fördern bzw. Förderhöhen in der einen oder anderen Strömungsrichtung
überwinden.
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Mit den üblichen Bauarten von Propeller- und Schraubenpumpen lassen
sich, wenn man den an die Wirtschaftlichkeit zu stellenden Anforderungen gerecht
werden will, nur Drücke von verhältnismäßig geringer Höhe erzeugen.
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Für hydrodynamische Maschinen ist die Schnellläufigkeit ein Kriterium,
das anzeigt, wie groß die Geschwindigkeit des Flüssigkeitselementes gegenüber der
Geschwindigkeit der Laufradflächen ist, die der Flüssigkeit Energie in Gestalt von
statischem Druck und Geschwindigkeit erteilt.
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Die Schnelläufigkeit wird (»Strömungsmaschinen« von C. Pfleiderer,
1952, S.55, und »Betriebshütte«, 1954, Bd.II, S.313) im wesentlichen nach folgender
Formel errechnet
worin n, die spezifische Drehzahl, das ist das Kennzeichen der Schnelläufigkeit,
n die minutliche Drehzahl, H die Förderhöhe oder den statischen Druck
in m Flüssigkeitssäule, Q die sekundliche Fördermenge in m3/sec und k einen gleichbleibenden
Beiwert bedeutet.
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Je größer die Schnelläufigkeit, also na ist, um so empfindlicher ist
die Pumpe gegen zunehmende Fördermenge und Temperatur, d. h. empfindlich gegen zunehmende
Geschwindigkeit und -abnehmenden Zulaufdruck. Die vorstehende Darlegung gilt nur
für normale Druck- und Temperaturverhältnisse, die nicht in unmittelbarer Nähe einer
Verdampfung oder Vergasung liegen.
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Das Bild ändert sich sofort, wenn mit höheren Temperaturen, als den
normalen Druckverhältnissen entspricht, oder entsprechend niederen Drücken gearbeitet
werden muß. Die spezifischen Gewichte und die sonstigen Eigenschaften der Betriebsflüssigkeit
verändern sich dann derart, daß normale Berechnungen zur Bestimmung der Ergebnisse
nicht ausreichen. In solchen Fällen ist es notwendig, das Druckniveau so zu ändern,
daß derartige Berechnungen wieder anwendbar sind. Die Änderung des Druckniveaus
geschieht durch Verschiebung der Maschine i n eine andere Höhenlage, also nach abwärts,
wodurch das Druckniveau gesteigert wird, bzw. durch einen zusätzlichen, auf die
Flüssigkeit wirkenden Gas- oder Luftdruck oder durch eine besondere Druckerhöhungspumpe,
die zweckmäßig an eine Stelle niedrigsten Druckes in der Anlage angeschlossen wird,
so daß der Pumpendruck den niedrigeren Druck in der Anlage ersetzt. Die Druckerhöhung
entspricht dann dem Differenzbetrag der beiden Drücke und erhöht entsprechend das
gesamte Druckniveau.
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Der von der Druckerhöhungspumpe erzeugte Druck ist von der Menge der
geförderten Flüssigkeit stark abhängig, weil diese Pumpe für eine kleine Fördermenge
ausgelegt ist.
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Die Verluststellen sind vor allem die Stopfbüchsen und andere Undichtigkeiten.
Dazu tritt noch eine notwendige Rückführung von Betriebsflüssigkeit zu dem Zulaufbehälter
zwecks Aufrechterhaltung eines Umlaufes, der wegen der mitgeführten Wärme auf die
Zulauftemperatur herabzukühlen ist. Die Druckerhöhungspumpen haben wegen des geringen
Kraftbedarfs verhältnismäßig geringe Abmessungen und sind deswegen bei Steigerung
der Fördermengen stark druckempfindlich. Es muß deshalb angestrebt werden, die erwähnten
Verluste an Menge so niedrig wie möglich zu halten.
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Für die Druckerhöhungspumpe besteht die Vorschrift, den Flüssigkeitsdruck
stets so hoch zu halten, daß an der Stelle niedrigsten Druckes in der Anlage der
Vergasungs-bzw. Verdampfungsdruck niemals unterschritten wird. Es ist im Gegenteil
darauf hinzuwirken, daß eine gewisse Sicherheit von etwa 15 % gegen zu Störungen
führende Zufälligkeiten eingerechnet ist. Der Druck errechnet sich nach folgenden
Überlegungen: Entsprechend der vorgeschriebenen Temperatur ergibt sich der theoretische
Mindestdruck P1, der abhängig ist vom Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit und bei
sein müßte, da mit einer Umsetzung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in Druck unter
den hier bestehenden Verhältnissen im allgemeinen nicht zu rechnen ist. Demnach
ergibt sich
Aus der Kennlinie der Druckerhöhungspumpe ergibt sich die Abhängigkeit der Fördermenge
von dem Förderdruck und damit der bei einer bestimmten Menge anzunehmende Druckverlust.
Die Fördermenge ist jedoch nicht genau errechenbar, da Zufälligkeiten von Einfluß
sind, sondern ist auf Grund der Erfahrungen mit diesen Pumpen abzuschätzen. Man
tut gut, einen gewissen Sicherheitszuschlag einzurechnen. Damit kommt man dann auf
Werte von a = 20 bis 25, je nach der Art der Flüssigkeitsführung. Vergleicht man
diese Werte mit
denjenigen bei der Förderung mittels schnelläufiger
Pumpen, so liegen dort die Werte in der obigen Formel
im allgemeinen bei a = 80 bis 180. Das Verhältnis der mit der Druckerhöhungspumpe
erzeugten Drücke zu den für die Förderung mit schnelläufigen Pumpen benötigten Drücken
ist demnach etwa das Vier- bis Achtbis Zwölffache.
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Die Erfindung ist ferner demgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die
von der Propellerpumpe erzeugten Drücke wesentlich niedriger gehalten sind als diejenigen
der im Innern des Laufrades mittels der der Erhöhung des Druckniveaus bei höheren
Temperaturen dienenden Kreiselpumpe zugeführten Flüssigkeitsmassen, die mithin die
Druckerhöhung durch Überlagerung dieses Druckes über den Förderdruck der Propellerpumpe
an der Verbindungsbohrung der beiden Räume, nämlich zwischen dem Raum für die Druckerhöhung
und dem Raum für die Propellerpumpe übernehmen, die entsprechend der theoretischen
Bestimmung der Förderhöhen nach der Formel
ausgeführt ist, wobei für die Propellerförderung der Hauptpumpe a = 80 bis 180 und
für die Kreiselpumpenförderung der inneren Flüssigkeitsmasse a = 20 bis 25 ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung und Einzelheiten der durch dieselbe
erzielten Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der auf der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
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Fig. 1 zeigt einen Hauptlängsschnitt durch das neue Pumpenaggregat
parallel zur Achse mit radial angeordnetem Druckstutzen; Fig. 2 zeigt bei einem
etwas abgewandelten Aggregat den Hauptlängsschnitt parallel zur Achse mit ebenfalls
radial angeordnetem Druckstutzen; Fig. 3 zeigt bei einer weiteren Abwandlung den
Hauptlängsschnitt parallel zur Achse mit beiden Stutzen in Achsenrichtung konzentrisch
zur Mittelachse; Fig. 4 zeigt den Hauptquerschnitt zu Fig. 1 und 2. Der Strom der
Hauptpumpe geht von 1 nach 2 oder umgekehrt, geht also nicht auf einen anderen Durchmesser
über. Die Förderhöhe wird hauptsächlich durch die Umlenkung des Stromes erzeugt.
Der Strom der Hilfspumpe geht von der unabhängigen Rohrleitung 3
über
7 durch 5 an 6 vorbei und steht entweder über die Bohrungen
13 mit den Laufradkanälen oder über die eingeschweißten Rohre 12 mit den äußeren
Zonen der Laufradkanäle in Verbindung. In diesem letzteren Fall, unter Benutzung
der eingeschweißten Rohre 12, sind die der Strömung aufgezwungenen Drücke
erheblich höher als bei der Benutzung der direkten Bohrungen 13.
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Die Temperatur der von der Druckerhöhungspumpe geförderten Flüssigkeit
wird möglichst gleichbleibend unterhalb des Verdampfungs- oder Vergasungspunktes
gehalten, bis diese Flüssigkeit von der Betriebsflüssigkeit aufgenommen wird. Deshalb
muß die Druckerhöhungsflüssigkeit gegen Wärmeaufnahme, vor allen Dingen von der
Betriebsflüssigkeit her, gesichert werden, gegebenenfalls durch Luftisolation (s.
Fig. 1 und 3).
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Die Anordnung des Pumpenlaufrades nach Fig. 1 mit Zuströmung aus dem
äußeren Raum nach innen zu hat eine Druckabnahme zur Folge und entsprechend eine
Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Die Auswirkung dieser Erscheinung
ist deshalb günstig, weil der Kraftbedarf der schnelläufigen Pumpen bei geringer
Fördermenge nicht so stark zunimmt, wie sonst bei derartigen Pumpen üblich, sondern
eher-abnimmt, wohingegen der Druck ansteigt.
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Die Einströmung kann je nach dem Verwendungszweck bei 1 oder 2 erfolgen,
und dementsprechend ist die Strömungsrichtung und Drehrichtung. Normalerweis würde
die Strömung in der Richtung von 1 nach 2 vor sich gehen, und dabei würde der Gehäuseraum
2 eine von der Art der Schaufeln abhängige Druckerhöhung erhalten.
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Die vorgesehene Druckerhöhungseinrichtung besteht aus einem Zulaufrohr
3 und dem inneren Hohlraum 5 des Laufrades 4, der mit dem Zuführungsrohr 3 durch
die Öffnung 7 verbunden ist. Innerhalb des inneren Hohlraumes sind Rippen 6 vorgesehen,
die die Rotation des Laufrades 4 auf die Flüssigkeitsmasse übertragen und damit
eine Drucksteigerung von dem Einlaufrohr 3 bis zum Außendurchmesser des Laufrades
4 bewirken.
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Die Flüssigkeit tritt bei 8 in Pfeilrichtung in das Gehäuse
ein und fließt bei 1 in das Laufrad 4 mit den Schaufeln 9 und tritt bei 2 in den
Gehäusedruckraum ein und fließt bei 10 in die Druckleitung ab. Die Schaufeln
9 übertragen die Leistung von der Antriebswelle 11 auf die Flüssigkeit und
geben ihr außer einem statischen Druck auch noch eine gewisse Geschwindigkeit, die
sich in dem Raum 2 ebenfalls in gewissem Maße in Druck umsetzt.
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Die Bohrungen bzw. Rohre 12 in den Schaufeln tragen mit dazu bei,
den Druck der Druckerhöhungspumpe auf das erforderliche Maß zu erhöhen, jedoch nur
dann, wenn besondere Ansprüche an die Druckerhöhung gestellt werden, während normalerweise
die Druckerhöhung schon an der Außenbohrung der Nabe bei 13 erreicht ist.
Im umgekehrten Falle fließt die Flüssigkeit von 10 nach 2
und dann
durch die Schaufelkanäle 9 nach 1 und dann wieder durch das Außenrohr bzw. den Stutzen
8 ab.
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Die zusätzliche Schaufelung auf der Einlaufseite des Laufrades ist
bei 14 dargestellt. Der Zulauf zu dieser zusätzlichen Schaufelung erfolgt bei 15,
der Eintritt in dieses Schaufelrad bei 16. Die Schaufeln sind, wie aus der Fig.4
hervorgeht, der Einfachheit halber in radialer Anordnung gezeichnet.
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Auf der anderen Seite des Laufrades, gegenüber von der Zusatzschaufelung
14, die dem Zweck dient, eine Zusatzflüssigkeit in die Pumpe zu fördern, ist eine
weitere Schaufelung 18 vorgesehen, die aus radialen Rippen mit geringer Höhe, also
etwa 3 mm hoch, besteht und dem Zweck dient, zu verhindern, daß Druckflüssigkeit
aus dem Druckraum der Pumpe durch den Dichtungsspalt 17 in den Hohlraum 5 der Druckerhöhungspumpe
zurücktritt.