DE112005002761B4

DE112005002761B4 - Kombinationspumpe

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Publication number: DE112005002761B4
Application number: DE112005002761.9T
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2025-10-04
Also published as: US7578663B2; DE112005002761T5; CA2585300A1; CA2585300C; FR2877700B1; WO2006051174A1; FR2877700A1; US20070292287A1

Abstract

Kombinationspumpe (7) umfassend eine Baugruppe aus einem schneckenförmigen Rotor (2) und einem hieran angebrachten rotodynamischen Laufrad (8), wobei die Baugruppe aus Rotor (2) und rotodynamischem Laufrad (8) kontaktlos im Inneren eines schneckenförmigen Stators (3) mit einem Spiel zwischen der Baugruppe aus Rotor (2) und rotodynamischem Laufrad (8) und dem Stator (3) drehbar ist, wobei die Baugruppe aus Rotor (2) und rotodynamischem Laufrad (8) und der genannte Stator (3) dergestalt angeordnet sind, dass Hohlräume (4) zwischen der Baugruppe und dem Stator (3) in einer ersten Richtung von einer Saugseite (5) in Richtung einer Druckseite (6) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das rotodynamische Laufrad (8) dazu ausgestaltet ist, während des Betriebs der Kombinationspumpe eine unter Druck stehende Fluidschicht zwischen der Baugruppe aus Rotor (2) und rotodynamischem Laufrad (8) und dem Stator (3) auszubilden, in der eine durch das Laufrad (8) erzeugte Strömung einer Rückströmung des Fluids gegenüber der ersten Richtung entgegenwirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Pumpenarchitektur, bei der das Konzept der Verdrängerpumpe mit rotodynamischen Laufrädern mit Axialflügeln kombiniert wird. Dieses Konzept stellt insofern eine Kombinationspumpe dar, als es die beiden mechanischen Prinzipien der Pumpenergieerzeugung, volumetrische Kompression und kinetische Energie, kombiniert.
Die traditionellen Architekturen umfassen zwei unterschiedliche Pumpenklassen: Systeme mit volumetrischer Kompression und rotodynamische Systeme (Kreiselpumpen).
Die Architektur der Kombinationspumpe nach der vorliegenden Erfindung kombiniert das Verdrängerrotor-/statorsystem mit einem rotodynamischen Laufrad mit Axialflügeln.
Bei der Darstellung der Architektur der Kombinationspumpe und ihrer Vorteile wird mit der Beschreibung einer traditionellen Exzenterschneckenpumpe (PCP-Pumpe), deren Funktionsprinzip auf Verdrängung basiert, begonnen. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt unter (A) eine schematische Ansicht in teilweiser Längsschnittdarstellung einer traditionellen Verdrängerpumpe vom Typ einer Exzenterschneckenpumpe (progressing cavity pump, PCP), sowie unter (B) ebenfalls eine Darstellung der Druckverteilung entlang der Pumpe im Fall der Förderung einer Flüssigkeit zwischen dem niedrigen Ansaugdruck (P_A) und dem hohen Förderdruck (P_R).
Der Aufbau der PCP Pumpe 1 besteht aus einem metallischen schneckenförmigen Rotor 2, der sich im Inneren eines Stators 3 mit schneckenartiger Innenform dreht, welcher im Allgemeinen aus Elastomer besteht.
Zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 führt der Druckkontakt zu einer Reihe von isolierten Hohlräumen 4 (Zellen, Stufen). Unter diesen Bedingungen bewegen sich die Hohlräume 4 von der Ansaugseite 5 zum Auslass (Druckseite) 6 und werden dabei der Volumenkompression unterzogen; das System überträgt somit den Druck (die potentielle Energie) auf das Fluid.
1 zeigt unter (C) schematisch die Art der Druckübertragung zwischen den sukzessiven Hohlräumen 4. Das zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 zurückströmende Fluid (q, Rückstrommenge) überträgt den Druck von einem Hohlraum auf den anderen, was schlussendlich zur Druckverteilung in den Hohlräumen l, m und n führt. Da die Rückströmung q mit linearen Druckverlusten erfolgt (laminare Strömung), ist die Druckverteilung entlang der Pumpe regelmäßig. 1 zeigt unter (D) die Druckverteilung in den Hohlräumen l (P_l), m (P_m) und n (P_n). Je enger der Kontakt zwischen Rotor 2 und Stator 3 ist, desto höher ist der von der Pumpe gelieferte Druck. Im Gegenzug trägt ein enger Kontakt jedoch zum Verschleiß des Stators 3 bei und führt somit zu einer Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit der Fördermenge der Pumpe.
Die Zuverlässigkeit des Stators 3 aus Elastomer, der in einen engen Kontakt mit dem sich im Inneren des Stators 3 drehenden metallischen Rotor 2 gebracht wird, stellt Somit die Schwäche der PCP-Pumpe dar. In der Praxis stellt man eine hohe Temperaturerhöhung gefolgt von Beschädigungen des Stators 3 fest, wodurch die Lebensdauer der PCP-Pumpe begrenzt wird.
Aus diesem Grund werden PCP-Pumpen 1 in der Industrie im Wesentlichen zur Förderung von viskosen Fluiden mit geringen Fördermengen und hohen Drücken eingesetzt.
Kreiselpumpen mit rotodynamischen Laufrädern mit Axialflügeln verleihen dem Fluid eine Geschwindigkeit (kinetische Energie), die im Stator anschließend in Druck umgewandelt wird (potentielle Energie).
Zwischen Rotor und Stator besteht kein Kontakt, sodass Kreiselpumpen schnell laufen und somit hohe Fördermengen bei einer deutlich höheren Lebensdauer bewältigen können. Bei den Energieumwandlungen kommt es jedoch zu Verlusten, und um hohe Drücke zu erreichen, ist eine hohe Stufenzahl erforderlich.
Somit werden Kreiselpumpen für Fluide mit geringer Viskosität, hohen Fördermengen und mittleren Drücken eingesetzt.
Die GB 400 508 A offenbart Antriebsmechanismen mit einem Stator und einem Rotor, der in dem Stator aufgenommen ist. Der Rotor und der Stator befinden sich in durchgehend engem Kontakt miteinander.
Die JP 2002-364 554 A . betrifft eine Pumpe für ein Fischaquarium, umfassend eine herkömmliche durchgehende Archimedesschraube, die auf einer geraden Welle angebracht ist und sich relativ zu einem zylindrischen Stator dreht.
Die DE 39 22 434 C2 betrifft einen Gasverdichter, der einen zylindrischen Rotor, einen zylindrischen Stator und einen deformierbaren, schraubenförmigen Drehkörper umfasst, der auf dem zylindrischen Rotor befestigt ist. Die Steigung des schraubenförmigen Drehkörpers nimmt zwischen dein Einlass und dem Auslass des Verdichters ab, so dass das Fluid komprimiert wird, während es vom Einlass zum Auslass gelangt. Der schraubenförmige Drehkörper erzeugt durch Deformation einen engen dichten Eingriff zwischen dem Rotor und dem Stator, um das Fluid von dem Einlass zu dem Auslass zu drücken.
Die Kombinationspumpe nach der vorliegenden Erfindung kombiniert die beiden Systeme, Verdrängerprinzip und rotodynamisches Prinzip, wodurch hohe Drücke und hohe Fördermengen erzielt werden können, ohne dass der Nachteil eines engen Kontakts zwischen Rotor und Stator in Kauf genommen werden muss. Der innovative Charakter der Kombinationspumpe beruht auf der Kombination der beiden Prinzipien der Pumpenergieerzeugung: Verdrängerprinzip und rotodynamisches Prinzip.
So umfasst die Kombinationspumpe rotodynamische Laufräder, deren Aufgabe darin besteht, eine unter hohem Druck stehende Fluidschicht zwischen dem Rotor und dem Stator der Verdrängerpumpe herzustellen; diese Fluidschicht ersetzt den engen Kontakt zwischen Rotor und Stator.
Unter diesen Bedingungen weist die Kombinationspumpe einen Aufbau ohne Rotor-/Statorkontakt auf, wodurch der Schutz des Stators, eine verbesserte Zuverlässigkeit des Systems und eine längere Lebensdauer gewährleistet werden. Darüber hinaus kann der Stator der Kombinationspumpe, ohne engen Kontakt mit dem Rotor, starr (zum Beispiel aus Metall) sein und somit eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Da es keinen engen Rotor-/Statorkontakt gibt, kann die Kombinationspumpe außerdem wie eine Kreiselpumpe mit einer hohen Geschwindigkeit laufen; der Pumpendurchsatz steigt, ohne dass der Stator beschädigt wird.
Daher profitiert die Kombinationspumpe von den Vorteilen der volumetrischen Kompression von PCP-Pumpen, ohne die Nachteile des engen Kontakts zwischen Rotor und Stator aufzuweisen.
Die Aufgabe der rotodynamischen Laufräder der Kombinationspumpe entspricht nicht der der Laufräder von Kreiselpumpen (Erzeugung von kinetischer Energie, die anschließend in Druck umgewandelt wird); bei der Kombinationspumpe nach der vorliegenden Erfindung erzeugt das rotodynamische Laufrad eine unter Druck stehende Fluidschicht, in der die durch die Schaufeln des Laufrads erzeugte Gegenströmung den Rückströmungen entgegen wirkt, was so zu einer Dissipation von Rückströmenergie führt (lokale Druckverluste). Unter Berücksichtigung der Auslegung des Laufrads erhält man Förderdrücke, die gegenüber denen von PCP-Pumpen gleichwertig sind.
2 der beigefügten Zeichnungen zeigt unter (A) eine schematische Darstellung im axialen Längsschnitt der Kombinationspumpe, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Der Aufbau der Kombinationspumpe 7 besteht aus einem metallischen schneckenförmigen Rotor 2, umfassend rotodynamische Laufräder 8, wobei die Baugruppe (2 und 8) sich im Inneren eines Stators 3 mit schneckenartiger Innenform dreht. Zwischen den Schaufeln des Laufrads 8 und dem Stator 3 besteht kein Kontakt, wobei das Spiel gegenüber dem in Kreiselpumpen eingesetzten gleichwertig ist und hierzu die Baugruppe aus Rotor 2 und rotodynamischen Laufrädern 8 mittels traditioneller Lager 12 zentriert gehalten wird.
Wie aus 2A ersichtlich, führt die Geometrie von Rotor 2 und Stator 3 zu einer Reihe von Hohlräumen 4 mit konstantem Volumen, wobei die Aufgabe des rotodynamischen Laufrads 8 darin besteht, eine unter hohem Druck stehende Fluidschicht zwischen Rotor 2 und Stator 3 herzustellen.
Wie in 2A und B gezeigt, bewegt der Rotor 2 die Hohlräume 4 von der Saugseite oder dem Einlass 5 (niedriger Ansaugdruck P_A) zur Druckseite oder dem Auslass 6 (hoher Förderdruck P_R), wobei die Druckverteilung entlang der Pumpe regelmäßig ist.
Die 3(A), (B) und (C) beschreiben das Funktionsprinzip der Kombinationspumpe 7, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. 3A ist eine zu 2A analoge Ansicht in größerem Maßstab mit einer Schnittdarstellung der Pumpe nach der Erfindung, anhand der der Pump- und Druckübertragungsmechanismus zwischen zwei sukzessiven Hohlräumen 4 beschrieben werden kann. 3B zeigt in größerem Maßstab eine zu 3A analoge Ansicht, in der die hydraulische Wirkung der Schaufeln (a) des rotodynamischen Laufrads 8 und die Druckübertragung zwischen den Hohlräumen 4 gezeigt werden.
3(A) illustriert als nicht einschränkendes Beispiel den Aufbau der Kombinationspumpe der vorliegenden Erfindung: Die Baugruppe aus Rotor 2 und rotodynamischem Laufrad 8 dreht sich kontaktlos im Inneren des Stators 3 und die Hohlräume 4 bewegen sich in der von der Bewegung des Rotors 2 vorgegebenen Richtung. Der Druck wird zwischen den Hohlräumen 4 durch die Strömung des Fluids zwischen den Schaufeln (a) des rotodynamischen Laufrads 8, das sich kontaktlos im Inneren des Stators 3 dreht, übertragen.
Um die mechanischen Eigenschaften der durch das Laufrad 8 erzeugten Strömung besser analysieren zu können, zeigt 3(B) die Schaufeln (a) und die komplexe Struktur der Strömung, die zur Druckverteilung entlang der Pumpe führt. Als nicht einschränkendes Beispiel sind in 3 (A und B) ein Laufrad 8 mit durchgehender schneckenförmiger Schaufel (a), mit konstanter Ganghöhe (h) und variablem Neigungswinkel (b), dargestellt.
Im Allgemeinen wird das Konzept eines schneckenförmigen Laufrads 8 oder einer schneckenförmigen Schaufel (a) verwendet, um zu zeigen, dass die durch die Rotation des Laufrads 8 und der Schaufel (a) erzeugte Strömung, bezogen auf den Rotor, im Wesentlichen axial ist.
Die schneckenförmige Schaufel ist eine durchgehende Axialschaufel, die um den Rotor herum angeordnet ist, denn ihre Rotation erzeugt eine im Wesentlichen axiale Strömung; nachfolgend werden die Ausdrücke ”schneckenförmige Schaufel”, ”Axialschaufel” und ”schneckenförmiges Laufrad” in diesem Sinne verwendet.
Somit erkennt man auf 3A und B, dass die Rotation des Rotors 2 die schneckenförmige Schaufel (a) des Laufrads 8 in einer Bewegung antreibt, die eine axiale Gegenströmung erzeugt, welche der Rückströmung q entgegen wirkt. 3 (B) zeigt die Bewegung der Schaufeln (a) des Laufrads 8 noch einmal in größerem Maßstab und beschreibt die von ihnen erzeugte Strömung:

– die schneckenförmige Schaufel (a) bewegt das geförderte Fluid mit der Axialgeschwindigkeit V₁ zum Auslass 6. Diese Bewegung erzeugt ein Druckfeld (+) an der Stromabseite der Schaufel (Rückseite) und ein Saugfeld (–) an der Stromaufseite der Schaufel (Vorderseite); das Druckfeld hängt von der Geschwindigkeit der Schaufel V₁ und der Geschwindigkeit der auftreffenden Strömung V₂ ab, die auf die Rückströmung q zwischen der Baugruppe aus Rotor 2 und Laufrad 8 und dem Stator 3 zurückzuführen ist.
– so erzeugt die schneckenförmige Schaufel (a) eine Gegenströmung, die dem Rückstrom q entgegen wirkt; unter dem Einfluss des Druckfelds entsteht beim Aufeinandertreffen der beiden Strömungen eine Wirbelstruktur (t), die eine Energiedissipation bewirkt.

Denn der Weg der Rückströmung q, mit der Geschwindigkeit V₁, wird durch das Ansaugen (–) in Radialrichtung nach innen abgelenkt, wo sie in entgegen gesetzter Richtung auf die von der Schaufel erzeugte Strömung, die Gegenströmung mit der Geschwindigkeit V₁, und das Druckfeld (+) trifft.
Die resultierende Wirbelstruktur (t) bewirkt eine Energiedissipation, was zum lokalen Druckverlust ΔH über die Länge des Weges zwischen den Schaufeln (a) des Laufrads 8 führt (3C). Ist die Geschwindigkeit der Gegenströmung V₁ bezogen auf die Rückströmgeschwindigkeit V₁ groß, wird die Rückstrommenge q aufgrund der entgegen gesetzten Richtung beider Strömungen vernachlässigbar.
Um den Unterschied zwischen der hydraulischen Funktionsweise der Kombinationspumpe, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, und der traditionellen Verdrängerpumpe vom Typ PCP Pumpe zu verdeutlichen, soll die Strömung zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 betrachtet werden, die folgende Größen bestimmt (siehe 1C, D für die PCP-Pumpe 1 und 3A, B, C für die Kombinationspumpe 7):

– die Pumphöhe H, die dem Druckverlust der Strömung zwischen Rotor 2 und Stator 3 entspricht,
– die Rückstrommenge q, als Faktor der Volumenleistung der Pumpe.

Im Allgemeinen wird die folgende Leistung dieser Pumpen angestrebt: eine hohe Pumphöhe (H) und eine geringe Rückstrommenge (q), was einem hohen volumetrischen Wirkungsgrad entspricht.
Zur Charakterisierung der Rückströmung (q, H) und der Geometrie des Systems soll von folgenden Größen ausgegangen werden:

q: Rückstrommenge
H: Pumphöhe
I: Gefällelinie
l: Pumpenlänge
S: Strömungsquerschnitt
P: Druck;
P_A: am Einlass der Pumpe 5
P_R: am Auslass der Pumpe 6
d: hydraulischer Durchmesser
λ: linearer Druckverlustkoeffizient
Ϛ: lokaler Druckverlustkoeffizient
ρ: Dichte des Fluids

Die Fluidrückstrommenge q zwischen Rotor 2 und Stator 3 und die Pumphöhe H können durch die Strömung in einem Kanal mit geringem Querschnitt (S) mithilfe der Masse- und Energieerhaltungssätze beschrieben werden, aus denen sich die folgenden Gleichungen ergeben:
Diese Gleichungen zeigen, dass die Pumphöhe (H) und die Rückstrommenge (q) von den folgenden Größen abhängen:

– lineare Druckverluste, charakterisiert durch den Parameter (λ l / d) lokale Druckverluste, deren lokaler Druckverlustkoeffizient (Ϛ) von den Hindernissen auf dem Weg der Rückströmung q abhängt.

Der Rückstrom q zwischen Rotor 2 und Stator 3 der PCP-Pumpe 1 (1C, D) erfolgt in einer Laminarschicht ohne größere Hindernisse, deren Druckverluste im Wesentlichen linear sind, was zu einem sehr geringen Strömungsquerschnitt S führt, bedingt durch eine hohe Spannung aufgrund des vom Rotor 2 gegen den Stator 3 ausgeübten Drucks.
Im Gegenzug vollzieht sich die Strömung zwischen den Schaufeln (a) des Laufrads 8 der Kombinationspumpe 7 (3A, B, C) mit hohen lokalen Druckverlusten.
Der Einsatz der rotierenden Schaufeln a (3B) bewirkt eine axiale Gegenströmung, die dem Rückstrom q entgegen wirkt, was zur Bildung der Wirbelstrukturen (t) führt, aufgrund derer es zu einer Energiedissipation kommt. Das Druckfeld an der Schaufel hängt von der axialen Geschwindigkeit der Schaufel V₁ und der Rückstromgeschwindigkeit V₁ ab und ist:
und V1, die axiale Geschwindigkeit der Schaufel, bezogen auf die Rotorachse (3B), ist:
wobei:

R: Radius der Schaufel (a)
Ω: Rotationsgeschwindigkeit der Baugruppe Rotor 2 – Laufrad 8
b: Winkel der Schaufel a (3A)

Wenn das durch die Gegenströmung der Schaufeln a gebildete Hindernis (3B) schwierig zu überschreiten ist, ist der lokale Druckverlust (ΔH, 3C) somit hoch und die Pumphöhe H wird wichtig.
Der hydraulische Funktionsmechanismus der traditionellen PCP-Pumpe 1 basiert auf der Strömung einer Laminarschicht zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3, mit einem sehr eingeschränkten Querschnitt (S und d gering), damit die Rückstrommenge (q) gering und die Druckverluste hoch sind; die Druckverluste der Laminarschicht sind im Wesentlichen linear (λ). Somit können eine hohe Pumphöhe (H) und ein geringer Rückstrom (q) nur erzielt werden, wenn der Strömungsquerschnitt zwischen Rotor 2 und Stator 3 sehr gering ist (S und d gering). In der Ausbildung der PCP-Pumpe 1 erfordert die Laminarschicht eine hohe Spannung zwischen Rotor 2 und Stator 3 durch Kompression des Stators (und Reibung zwischen Rotor und Stator), was zu einer verminderten Zuverlässigkeit des Stators 3 führt, wodurch die Rotationsgeschwindigkeit (und die Pumpmenge) reduziert und der Energieverbrauch (des Motors) erhöht werden.
Es wird häufig festgestellt, dass der Rotor 2 den Stator 3 beschädigt und so die Lebensdauer der PCP Pumpe 1 und ihre Betriebszeit verringert.
Wie oben dargelegt und gemäß 3 (A, B, C) unterscheidet sich der Hydraulikmechanismus der Kombinationspumpe 7, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, deutlich von der traditionellen PCP-Pumpe 1. Um den Kontakt zwischen der Baugruppe aus Rotor 2 und Laufrad 8 und dem Stator 3 zu vermeiden, erzeugen die Schaufeln a des Laufrads 8 eine Strömung, deren Druckfeld und Wirbel zu einer Kinematik mit hoher Energiedissipation führen, die hohe lokale Druckverluste bewirkt (nicht lineare Verluste mit hohem Ϛ). Die leichte Erhöhung des Strömungsquerschnitts (S, d) zwischen den Axialschaufeln (a) und dem Stator 3 wird durch die von den Schaufeln (a) des Laufrads 8 erzeugte Gegenströmung kompensiert; die hohen lokalen Druckverluste (Ϛ) führen zu einer geringen Rückstrommenge (q) und einer hohen Pumphöhe (H).
Unter diesen Bedingungen erreicht die Kombinationspumpe 7 die erforderliche Leistung (hohe Pumphöhe H und geringe Rückstrommenge q), ohne eines Kontakts zwischen der Baugruppe aus Rotor 2 und Laufrad 8 und dem Stator 3 zu bedürfen. Unter praktischem Gesichtspunkt entspricht das Spiel zwischen den Schaufeln a des Laufrads 8 und dem Stator 3 dem in Kreiselpumpen eingesetzten.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das Druck- und Geschwindigkeitsfeld der Gegenströmung, das durch das Laufrad 8 der Kombinationspumpe 7 erzeugt wird, eine dissipative Fluidschicht herstellt, welches den engen Kontakt in der traditionellen PCP-Pumpe 1 ersetzt.
In diesem Sinne stellt die Kombinationspumpe 7, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ein neues Konzept dar, bei dem volumetrische Kompression mit einem rotodynamischen Laufrad kombiniert wird.
Da kein Kontakt zwischen Rotor 2 und Stator 3 besteht, weist die Kombinationspumpe 7 zahlreiche Vorteile gegenüber vorhandenen Systemen auf:

– Erhöhung der Pumpmenge und der Förderhöhe H,
– der Stator 3 wird geschützt und kann starr ausgeführt werden (robuste Werkstoffe, Metall)
– erhöhte Zuverlässigkeit und Lebensdauer
– reduzierter Energieverbrauch, da es ohne Kontakt zu keiner Reibung zwischen Rotor 2 und Stator 3 kommt.

Somit ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kombinationspumpe vorzuschlagen, bei der volumetrische Kompression und rotodynamisches Laufrad dergestalt miteinander kombiniert werden, dass die Leistungsfähigkeit erhöht und die Nachteile vorhandener Systeme vermieden werden.
So ist das Funktionsprinzip der Kombinationspumpe 7 nach der vorliegenden Erfindung neu und unterscheidet sich stark von dem der vorhandenen Systeme:
die traditionelle PCP-Pumpe 1, mit einem engen Kontakt zwischen Rotor 2 und Stator 3, liefert eine begrenzte Pumpmenge, beinhaltet die Gefahr von Beschädigungen des Stators 3 und weist einen hohen Energieverbrauch auf

– die Kombinationspumpe 7 nach der vorliegenden Erfindung weist Mittel zur Kompression des ohne Kontakt zwischen Rotor 2 und Stator 3 geförderten Fluids auf, wodurch hohe Pumpmengen erreicht, die Zuverlässigkeit des Stators verbessert, die Lebensdauer der Pumpe erhöht und der Energieverbrauch reduziert werden können.

Die für die Kombinationspumpe 7 vorgeschlagenen Mittel sind vorteilhafterweise ausgebildet, um den engen Kontakt zwischen Rotor 2 und Stator 3, den man bei einer traditionellen PCP-Pumpe 1 findet, durch eine unter Druck stehende Fluidschicht zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 zu ersetzen.
Hierzu ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kombinationspumpe 7 vorzuschlagen, umfassend einen schneckenförmigen Rotor 2, an dem vorteilhafterweise ein rotodynamisches Laufrad 8 montiert wird, wobei sich die Baugruppe aus Rotor 2 und Laufrad 8 kontaktlos im Inneren eines schneckenförmigen Stators 3 dreht, wobei die genannte Baugruppe aus Rotor 2 und Laufrad 8 und der genannte Stator 3 dergestalt angeordnet sind, dass die gebildeten Hohlräume 4 von der Saugseite 5 in Richtung der Druckseite 6 bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der Erfindung ausgebildete Pumpe 7 über das rotodynamische Laufrad 8 die Mittel sicherstellt, die vorteilhafterweise vorgesehen sind, um eine unter Druck stehende Fluidschicht zwischen der genannten Baugruppe aus Rotor 2 und Laufrad 8 und dem genannten Stator 3 unter Bedingungen zu bilden, die es ermöglichen, die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Pumpe 7 zu verbessern.
Gemäß der Erfindung ist die Kombinationspumpe 7 dadurch gekennzeichnet, dass die vom Laufrad 8 sichergestellten Mittel zur Bildung einer Fluidschicht im Raum ohne Kontakt zwischen der Baugruppe aus Rotor 2 und Laufrad 8 und dem Stator 3 vorteilhafterweise ausgebildet sind, um den Druck zwischen den Hohlräumen 4 zu übertragen und um die Energie der Rückströmung zu dissipieren, um eine verbesserte Pumpleistung zu gewährleisten.
Gemäß der Erfindung ist das am Rotor 2 installierte rotodynamische Laufrad 8 über die gesamte Länge des Rotors 2 oder einen Teil davon angeordnet.
Hierzu wird das rotodynamische Laufrad 8 mit Schaufeln, deren Auslegung und Dichte entlang der Pumpe die Bildung einer Fluidschicht mit dissipativer Gegenströmung bezogen auf die Rückströmung zwischen Rotor und Stator gewährleisten, hergestellt. Die Rotation des Rotors 2 treibt das Laufrad 8 an, welches ein der Rückströmung entgegen wirkendes Druck und Geschwindigkeitsfeld erzeugt; so dissipieren die beiden Strömungen die Energie in der Fluidschicht zwischen Rotor und Stator, wobei der Druck zwischen den sukzessiven Hohlräumen übertragen wird. Somit ersetzt die durch das rotodynamische Laufrad 8 hergestellte Fluidschicht den engen Kontakt zwischen Rotor 2 und Stator 3.
Die Sicherstellung der Leistung der Kombinationspumpe 7 geschieht über den Aufbau des rotodynamischen Laufrads 8, und die optimale Auslegung seiner Schaufeln ist dabei der Hauptfaktor: Blattlänge, Ganghöhe (h), Einfallswinkel (b) und Neigungswinkel, Dicke, Dichte der Schaufeln sowie das Spiel zwischen Schaufeln und Stator.
Nach einer ersten besonderen Ausführungsweise der Mittel weist das rotodynamische Laufrad 8 eine schneckenförmige Schaufel auf, die am schneckenförmigen Rotor 2 der Pumpe montiert ist. Die Ganghöhe der Schaufel (h) kann konstant sein, wobei in diesem Fall der Winkel (b) variabel ist, oder die Ganghöhe der Schaufel ist variabel und der Winkel ist konstant. Im Allgemeinen können Ganghöhe und Winkel der Schaufel variabel sein, doch in der Praxis werden bestimmte konstante Parameter angewendet, um die Herstellung zu erleichtern.
Nach einer zweiten besonderen Ausführungsweise der Mittel weist das rotodynamische Laufrad 8 mehrere schneckenförmige Schaufeln auf, die versetzt am schneckenförmigen Rotor montiert sind. Im Allgemeinen können Ganghöhe und Winkel der Schaufeln variabel sein, doch in der Praxis werden bestimmte konstante Parameter angewendet.
Nach einer dritten besonderen Ausführungsweise der Mittel weist das rotodynamische Laufrad eine Reihe unterbrochener Schaufeln auf, die am Rotor montiert sind.
Die drei besonderen Ausführungsweisen können gleichzeitig an derselben Pumpe angewendet werden.
Im Allgemeinen wird durch die Auslegung der Schaufeln (Ein- und Auslasswinkel, Einfallswinkel, Blattlänge, Wölbung, Dicke) die Bildung und Wirksamkeit der Fluidschicht zwischen Rotor und Stator sichergestellt.
Die industriellen Anwendungen der Kombinationspumpe 7 nach der vorliegenden Erfindung decken einen größeren Bereich als die der vorhandenen PCP-Pumpen 1 ab, und das bei deutlich verbesserten Bedingungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Betriebsdauer und Energieverbrauch. Ein Beispiel ist die Förderung von viskosen Fluiden und Mehrphasengemischen (Flüssigkeit, Gase, Feststoffpartikel), die in der petrolchemischen Industrie, der Chemie und der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt werden.
Um den Gegenstand der vorliegenden Erfindung besser zu illustrieren, werden nachfolgend mehrere besondere Ausführungsweisen beschrieben, die lediglich als nicht einschränkende Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angeführt werden, unter denen:
1 die traditionelle PCP-Pumpe (A) mit einer Darstellung der erzeugten Rückströmung zwischen Rotor und Stator (C) und der erzeugten Druckverteilung (B und D) zeigt,
2 unter (A) eine Darstellung der Kombinationspumpe nach der vorliegenden Erfindung und die Druckverteilung (B) zeigt,
3 unter (A) eine zu 2(A) analoge Ansicht, in größerem Maßstab, zeigt sowie den hydraulischen Funktionsmechanismus (B) und die lokalen Druckverluste (C) beschreibt,
4 eine Darstellung des rotodynamischen Laufrads mit schneckenförmiger Schaufel, mit der konstanten Ganghöhe h und dem variablen Winkel b (4A) und mit konstantem Winkel b und variabler Ganghöhe h (4B), ist,
5 eine Darstellung des rotodynamischen Laufrads mit dicker schneckenförmiger Schaufel ist,
6 eine Darstellung des rotodynamischen Laufrads ist, dessen zwei schneckenförmige Schaufeln um 180° versetzt sind, mit konstanter Ganghöhe h und variablem Winkel b,
7 schematisch das rotodynamische Laufrad mit unterbrochenen Axialschaufeln zeigt,
8 eine Darstellung des rotodynamischen Laufrads mit durchgehender schneckenförmiger Schaufel an jedem Hohlraum ist, mit einem Übergang zwischen den Hohlräumen, an dem der Durchmesser des Rotors gleich dem der Schaufeln des Laufrads ist.
Somit zeigen 2 und 4 bis 8 besondere Ausführungsweisen der Kombinationspumpe nach der Erfindung.
2A ist eine Übersicht in axialem Längsschnitt der Kombinationspumpe 7 nach der vorliegenden Erfindung, mit Darstellung des am schneckenförmigen Rotor 2 montierten rotodynamischen Laufrads, wobei die Baugruppe aus Rotor 2 und Laufrad 8 sich im Inneren des schneckenförmigen Stators 3 dreht; da zwischen der Baugruppe aus Rotor 2 und Laufrad 8 und dem Stator 3 kein Kontakt besteht, wird der Rotor 2 durch traditionelle Lager 12 getragen. Die Rotation des Rotors 2 bewegt die Hohlräume 4 mit dem geförderten Fluid von der Saugseite 5 in Richtung der Druckseite 6; die Druckverteilung ist regelmäßig (2B), vom niedrigen Ansaugdruck (PA) zum hohen Förderdruck (PR).
Auf 4A und B besteht das System aus einem schneckenförmigen Rotor 2, an dem ein rotodynamisches Laufrad 8 mit schneckenförmiger Schaufel montiert ist, welche eine axiale Gegenströmung erzeugt, wobei sich die Baugruppe aus Rotor 2 und Laufrad 8 im Inneren des Stators 3 kontaktlos dreht. 4(A) zeigt das rotodynamische Laufrad 8 mit schneckenförmiger Schaufel mit konstanter Ganghöhe (h = ct.) und einem variablen Winkel (b). In 4(B) ist das Laufrad 8 mit schneckenförmiger Schaufel mit konstantem Winkel (b = ct.) und variabler Ganghöhe (h) dargestellt.
5 zeigt eine Variante mit einer dicken Schaufel 9 des in 4(A) beschriebenen rotodynamischen Laufrads 8, mit schneckenförmiger Schaufel mit konstanter Ganghöhe (h).
Auf 6 ist das rotodynamische Laufrad 8 mit zwei schneckenförmigen Schaufeln 10, die am schneckenförmigen Rotor 2 um 180° versetzt montiert sind, dargestellt; die Schaufeln 10 haben eine konstante Ganghöhe (h) und einen variablen Winkel (b).
7 zeigt das rotodynamische Laufrad 8 mit am Rotor 2 montierten unterbrochenen Axialschaufeln 11, wobei die Baugruppe sich im Inneren des Stators 3 dreht.
Auf 8 ist das rotodynamische Laufrad 8 mit durchgehenden schneckenförmigen Schaufeln 13 an jedem Hohlraum 4 dargestellt; zwischen den Hohlräumen besitzt der Rotor 2 über eine begrenzte Länge einen Durchmesser, der mit dem der Schaufeln 13 des Laufrads 8 identisch ist.
Beispiel
Das nachfolgende Beispiel illustriert das Konzept der Kombinationspumpe nach der Erfindung, ohne jedoch ihren Bereich einzuschränken.
Hierzu wird ein Beispiel einer Kombinationspumpe beschrieben, deren hydraulische Leistung der einer PCP-Pumpe entspricht.
Die Referenz-PCP-Pumpe weist die folgenden Eigenschaften auf:
Die Pumpenlänge ist 1–3,5 m, der Rotordurchmesser ist D = 30 mm, der Außendurchmesser der Pumpe ist OD = 90 mm. Die Leistungen der Pumpe bei der Rotationsgeschwindigkeit N = 500 U/min (Umdrehungen pro Minute) sind: Fördermenge Q = 100 m3/Tag, Pumphöhe (Wasser) H = 600 m, und Volumenleistung 0,9, was bedeutet dass die Rückstrommenge zwischen Rotor und Stator q = 10 m/Tag beträgt.
Der Rotor drückt gegen den Stator und der Strömungsquerschnitt zwischen Rotor und Stator ist gering: die Oberfläche ist S = 0,47 cm² und der äquivalente hydraulische Durchmesser ist d = 0,25 mm. Unter diesen Bedingungen beträgt die entsprechende Reynoldszahl Re = 1000, was beweist, dass die Strömung laminar ist. Die Pumphöhe H beträgt:
Nun soll eine Kombinationspumpe, deren Rotor denselben Durchmesser aufweist (D = 30 mm), und an dem ein schneckenförmiges axiales Laufrad mit durchgehender schneckenförmiger Schaufel montiert wird, betrachtet werden (4A). Die konstante Ganghöhe der Schaufel ist h = 5 cm, was bedeutet, dass über die Pumpenlänge (1–3,5 m) 70 vollständige Windungen zur Verfügung stehen. Der Außendurchmesser des Laufrads ist De = 40 mm und die Höhe der Schaufel beträgt somit 5 mm; der Bereich zwischen der Schaufel und dem Stator ist ca. 1 mm breit und entspricht somit dem Raum dieser Art bei Kreiselpumpen. Die Rückströmungsgeschwindigkeit q ist V₁ = 1 m/s, während die Geschwindigkeit der von der Schaufel erzeugten Gegenströmung V₁ – 0,5 m/s ist. Unter diesen Bedingungen kann ein lokaler Druckverlustkoeffizient analog zu den in der Industrie eingesetzten Hydraulikverschlüssen (Stauscheiben, Ventilschütze, Ventile) gewählt werden, woraus sich Ϛ = 75 ergibt. Die Pumphöhe ist somit:
Das rotodynamische Laufrad dieser Pumpe besteht aus einer über die gesamte Pumpenlänge durchgehende Schnecke, deren schneckenförmige Axialschaufel eine konstante Ganghöhe h = 5 cm besitzt, woraus sich 70 vollständige Windungen über die Pumpenlänge ergeben. Aufgrund der Tatsache, dass die Höhe der Schaufel 5 mm und das Spiel zwischen Schaufel und Stator 1 mm beträgt, muss der Stator der Kombinationspumpe um das entsprechende Maß zurückgesetzt sein (12 mm).
Somit besitzt die Kombinationspumpe nach der Erfindung eine hydraulische Leistungsfähigkeit (Fördermenge und Pumphöhe), die gegenüber der der PCP-Pumpe gleichwertig ist.
Allerdings weist die Kombinationspumpe ein Spiel zwischen der Rotor-Laufrad Baugruppe und dem Stator auf, was den Schutz des Stators sicherstellt und zu Energieeinsparungen führt. Ferner können die Rotationsgeschwindigkeit und die Fördermenge gesteigert werden, ohne dass der Stator beschädigt wird. Denn die Fördermenge ist proportional zur Rotationsgeschwindigkeit und bei einer Rotation von N = 1000–2000 U/min wird die Fördermenge um 2–4 multipliziert.

Claims

Kombinationspumpe (7) umfassend eine Baugruppe aus einem schneckenförmigen Rotor (2) und einem hieran angebrachten rotodynamischen Laufrad (8), wobei die Baugruppe aus Rotor (2) und rotodynamischem Laufrad (8) kontaktlos im Inneren eines schneckenförmigen Stators (3) mit einem Spiel zwischen der Baugruppe aus Rotor (2) und rotodynamischem Laufrad (8) und dem Stator (3) drehbar ist, wobei die Baugruppe aus Rotor (2) und rotodynamischem Laufrad (8) und der genannte Stator (3) dergestalt angeordnet sind, dass Hohlräume (4) zwischen der Baugruppe und dem Stator (3) in einer ersten Richtung von einer Saugseite (5) in Richtung einer Druckseite (6) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das rotodynamische Laufrad (8) dazu ausgestaltet ist, während des Betriebs der Kombinationspumpe eine unter Druck stehende Fluidschicht zwischen der Baugruppe aus Rotor (2) und rotodynamischem Laufrad (8) und dem Stator (3) auszubilden, in der eine durch das Laufrad (8) erzeugte Strömung einer Rückströmung des Fluids gegenüber der ersten Richtung entgegenwirkt.
Kombinationspumpe (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rotodynamische Laufrad (8) zur Bildung der Fluidschicht und der Stator (3) so ausgebildet sind, dass eine Energie der Rückströmung abgebaut wird, so dass eine verbesserte Pumpleistung gewährleistet wird.
Kombinationspumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das am Rotor (2) montierte rotodynamische Laufrad (8) über die gesamte Länge des Rotors (2) oder einen Teil davon angeordnet ist.
Kombinationspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das rotodynamische Laufrad (8) eine oder mehrere schneckenförmige Schaufeln aufweist, deren Ganghöhe und Winkel bezogen auf eine zur Achse des Rotors (2) senkrechte Ebene variabel sind.
Kombinationspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das rotodynamische Laufrad (8) eine oder mehrere schneckenförmige Schaufeln aufweist, deren Ganghöhe konstant und deren Winkel bezogen auf eine zur Achse des Rotors (2) senkrechte Ebene variabel ist.
Kombinationspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das rotodynamische Laufrad (8) eine oder mehrere schneckenförmige Schaufeln aufweist, deren Winkel bezogen auf eine zur Achse des Rotors (2) senkrechte Ebene konstant und deren Ganghöhe variabel ist.
Kombinationspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das rotodynamische Laufrad (8) eine Gruppe von unterbrochenen Schaufeln aufweist, die vorteilhafterweise am Rotor (2) angeordnet sind und deren hydrodynamische Eigenschaften die Bildung der Fluidschicht zwischen der Baugruppe aus Rotor (2) und rotodynamischem Laufrad (8) und dem Stator (3) sicherstellen.
Kombinationspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das rotodynamische Laufrad (8) eine Gruppe von durchgehenden Schaufeln aufweist, die vorteilhafterweise über die Länge jedes Hohlraums (4) des Rotors (2) angeordnet sind, wobei der Durchmesser des Rotors (2) zwischen den genannten Hohlräumen gleich dem der Schaufeln des rotodynamischen Laufrads (8) ist.
Kombinationspumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln des rotodynamischen Laufrads (8) dick sind und Kanäle zwischen den genannten dicken Schaufeln und dem Stator (3) bilden.
Anwendung der Kombinationspumpe, wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 definiert, auf das Pumpen von Fluiden, wobei die genannten Fluide Flüssigkeiten, viskose Flüssigkeiten oder Gase sind, und auf das Pumpen von Mehrphasengemischen, bestehend aus Flüssigkeiten und Gasen mit Feststoffpartikeln.