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Mehrstufige Pumpe zum Fördern von siedenden oder nahezu siedenden
Flüssigkeiten bzw. verflüssigten Gasen Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Pumpe
zum Fördern von Flüssigkeiten, deren Temperatur nahezu oder tatsächlich den Siedepunkt
erreicht, bzw. von verflüssigten Gasen.
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Eine Flüssigkeit, die sich am Siedepunkt befindet, ist in einem Zustand,
bei dem eine geringe Steigerung der Temperatur oder eine geringe Herabsetzung des
Drucks zu einem aktiven Sieden führt, bei dem Dampf erzeugt wird. Es liegt auf der
Hand, daß es unmöglich ist, eine derartige Flüssigkeit von einem niedrigeren Niveau
zu der Pumpe zu »heben«. Nicht so offensichtlich ist jedoch die Tatsache, daß es
selbst beim Vorhandensein einer statischen Saughöhe schwierig ist, in diesem Zustand
befindliche Flüssigkeiten zu pumpen, wenn die Saughöhe nicht so hoch ist, daß ein
Sieden der Flüssigkeit innerhalb der Pumpe verhindert wird. Unter manchen Bedingungen
müssen diese Saughöhen so groß sein, daß ihre praktische Anwendung unmöglich ist.
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Es sind selbstansaugende Pumpen bekannt, mit denen gas- oder lufthaltige
Flüssigkeiten gefördert werden können. Dabei kommt es darauf an, auch bei der Förderung
solcher gashaltigen Flüssigkeiten einen möglichst guten Wirkungsgrad bei ausreichendem
Enddruck zu erzielen. Man verwendet daher meistens wenigstens zwei Pumpenstufen,
und zwar eine Ansaugpumpenstufe und wenigstens eine dieser Stufe nachgeschaltete
Hochdruckpumpenstufe. Bei einer bekannten Pumpenanordnung zum Fördern gashaltiger
Flüssigkeiten ist in der Ansaugstufe eine Seitenkanalpumpe vorgesehen, die sowohl
Gase als auch Flüssigkeiten zu fördern imstande ist. Diese Seitenkanalpumpe dient
dazu, stets einen guten Füllungsgrad der auf der gleichen Welle angeordneten, als
Schleuderpumpen ausgebildeten Druckpumpenstufen zu gewährleisten. Auf der Druckseite
der Pumpenanordnung erfolgt dann eine Scheidung von Gas und Flüssigkeit.
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Zum Fördern von siedenden oder nahezu siedenden Flüssigkeiten ist
diese bekannte Pumpenanordnung nicht geeignet. Einmal würde die in die Kanäle der
Seitenkanalpumpe eintretende Flüssigkeit wenigstens teilweise verdampfen. Wegen
der starken Durchwirbelung in den Seitenkanälen ist auch kaum eine der Verdampfung
entgegenwirkende, ausreichende Verdichtung in dieser Stufe zu erreichen. Auch bei
vorgeschalteter Druckstufe in Form von üblichen Schleuderpumpen kann eine ausreichende
Verdichtung siedender Flüssigkeiten normalerweise nicht erzielt werden, da in der
Regel das Fördervolumen solcher Druckstufen zu klein ist, so daß die Flüssigkeit
durchgewirbelt und damit weiter erwärmt wird, so daß statt einer Verdichtung eine
weitere Verdampfung eintreten würde.
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Es ist weiter bekannt, daß in Hochdruckanlagen die zur Erzeugung des
hohen Druckes dienenden, schnellaufenden Kreiselpumpen nicht mehr in der Lage sind,
die zu fördernde Flüssigkeit selbst anzusaugen. Man hat daher solchen schnellaufenden
Kreiselpumpen schon eine weitere Kreiselpumpe als Zubringerpumpe vorgeschaltet,
die mit wesentlich geringerer Drehzahl angetrieben wird und daher die Flüssigkeit
selbst ansaugen kann. Bei der Verwendung von Seitenkanalpumpen als Ansaugpumpen
tritt dieses Problem nicht auf, da diese bei praktisch allen Drehzahlen selbstansaugend
sind.
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Während sich die erwähnten, bekannten Pumpenanordnungen entweder mit
dem Problem des Selbstansaugens bei Hochdruckaggregaten oder aber mit der Erzielung
eines guten Wirkungsgrades bei der Förderung gashaltiger Flüssigkeiten befassen,
ist eine andere bekannte Kreiselpumpe speziell zu dem Zweck geschaffen worden, die
Gefahr der Kavitationsbildung infolge tiefer, dem Verdampfungsdruck der Flüssigkeit
sich nähernder Unterdrücke bei schnellaufenden Kreiselpumpen zu vermindern. Zu diesem
Zweck wird bei dieser bekannten Kreiselpumpe neben der Verwendung entsprechend großer
Durchflußquerschnitte zusätzlich Luft an kavitationsgefährdete Stellen der Kreiselpumpe
eingeleitet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine mehrstufige Pumpe der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit
der die Kavitationsgefahr beim Fördern.
von siedenden oder nahezu siedenden Flüssigkeiten bzw. verflüssigten Gasen praktisch
vollständig beseitigt wird, ohne daß zusätzliche Gase in die Pumpe eingeführt werden
müssen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Kombination folgender
Merkmale gelöst, nach denen a) als Hochdruckstufe eine Seitenkanalpumpe dient, deren
Läufer an seinen Stirnseiten durch eine ringförmige Mittelrippe getrennte und seitlich
und zum Umfang hin offene Förderzellen aufweist und deren beide Seitenkanäle sich
zwischen der Eintrittsöffnung von der Druckseite der Ansaugstufe und der durch eine
Trennwand von dieser getrennten radialen Austrittsöffnung über einen Winkelbereich
von mehr als 270° erstrecken, und b) als Ansaugpumpenstufe eine Schleuderpumpe mit
einer rohrförmigen axialen Ansaugöffnung dient, deren Querschnitt im Verhältnis
zum Durchmesser des Schleuderpumpenrotors groß ist.
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Es ist zwar an sich bereits eine Seitenkanalpumpe mit einem Förderkanal
bekannt, der sich über einen Winkelbereich von mehr als 270° erstreckt. Es fehlt
jedoch bei dieser bekannten Pumpe die erfindungsgemäße, der Lösung einer speziellen
Aufgabe dienende Kombination der angegebenen Merkmale. Das gleiche gilt für andere
bekannte Pumpenanordnungen, z. B. mit einer Vorpumpe mit großem Saugmund bzw. einer
Pumpe mit geschlossenem Läufer mit rohrförmiger Ansaugseite oder einer Pumpe mit
einem Saugmund, der größer als der halbe Läuferdurchmesser ist.
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Mit der neuen Pumpe ist es möglich, eine Gas-oder Dampfbildung bei
den in Frage stehenden Flüssigkeiten von vornherein zu unterdrücken. Eine nachträgliche
Trennung von Flüssigkeit und Gas bzw. Dampf ist trotz der großen Neigung der Flüssigkeit
zur Dampfbildung nicht erforderlich. Die Pumpe gestattet die Förderung der in Frage
stehenden Flüssigkeiten vor allem auch dann, wenn auf der Saugseite der Pumpe nur
ein geringer statischer Druck herrscht. Dies wird einmal dadurch erreicht, daß die
erste Stufe so ausgebildet ist, daß sie große Mengen der Flüssigkeit bei nur geringer
Drucksteigerung der Druckstufe zufördern kann, und zwar in glatter Strömung ohne
wesentliche innere Reibung. Die Seitenkanalpumpe läuft daher stets voll in Flüssigkeit.
Der Vordruck braucht dabei nur so groß zu sein, daß Flüssigkeit, die von den Flügeln
der Seitenkanalpumpe in den Ansaugraum mitgerissen wird, dort nicht schlagartig
verdampfen kann. Die Seitenkanalpumpe der neuen Kombination weist einen sehr großen
Wirkungsgrad auf, der durch die Eigenschaften der Vorpumpe erst voll zur Wirkung
kommt, indem eine Gas- oder Dampfbildung innerhalb der Pumpe vollständig vermieden
wird. Bereits geringe Dampfmengen vermögen den Wirkungsgrad einer Seitenkanalpumpe
sehr stark herabzusetzen, indem z. B. die Dampfmengen das Eintreten von Flüssigkeit
in die Zellen der Pumpe wirksam verhindern.
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Weitere Erfindungsmerkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Fig. 1 ist ein Längsschnitt, der im wesentlichen der Linie 1-1
in Fig. 2 folgt; Fig. 2 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1; Fig.
3 ist ein Querschnitt des Schleuderpumpenläufers längs der Linie 3-3 in Fig. 1;
Fig. 4 zeigt im Ausschnitt einen Längsschnitt, der eine andere Anordnung zum Abdichten
gegen die unter einem verhältnismäßig hohen Druck stehende Flüssigkeit an der Mitte
der Seitenkanalpumpenstufe zeigt, um zu verhindern, daß diese Flüssigkeit in die
unter einem niedrigeren Druck stehende Schleuderpumpenstufe entweicht.
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Das Pumpengehäuse 1 umfaßt ein Gehäuseteil 2,
zwei Gehäuseteile
3 und 4 sowie einen Dichtungsring bzw. ein ringförmiges Gehäuseteil 5, das
die zylindrischen Flächen 6 und 7 der Gehäuseteile 3 und 4 fest umschließt.
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Die Pumpenwelle 8 erstreckt sich durch das Pumpengehäuseteil
4, das eine Stopfbuchse 9 aufweist; ferner erstreckt sich die Pumpenwelle
durch das Gehäuseteil 3 hindurch bis in das Gehäuseteil 2. Die Welle 8 trägt den
Läufer einer Seitenkanalpumpe, der mit der Welle 8 durch einen Keil 12 verbunden
ist. Ferner trägt die Welle 8 einen in einem axialen Abstand von dem Seitenkanalläufer
11 angeordneten Schleuderpumpenläufer 13, der mit Hilfe eines Keils
14 mit der Welle verbunden ist.
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Der Seitenkanalläufer 11 trägt an seinem äußeren Umfang zwei Sätze
von Schaufeln, die durch das Einschneiden von Zellen 15 in. die beiden Stirnseiten
des Läufers entstanden sind. Einer der Schaufelsätze ist von der einen Seitenfläche
des äußeren Randabschnitts des Läufers 11 weg gerichtet, und die Schaufeln
des anderen Satzes ragen von der anderen Seite des äußeren Laufradabschnitts weg.
Beide Schaufelsätze enden radial am äußeren Umfang des Läufers 11, und beide
Schaufelsätze arbeiten bei einer Drehbewegung des Läufers in einem ringförmigen
Flüssigkeitskanal 16.
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Die Gehäuseteile 3 und 4 tragen einander zugewandte, allgemein ringförmige
Rippen oder Flansche 17, zwischen denen der Läufer 11 genau eingepaßt ist bzw. die
mit den entsprechenden Seitenflächen des Läufers zusammenarbeiten, um Dichtungsflächen
18
zu bilden, die den größten Teil der unter Druck stehenden Flüssigkeit daran
hindern, aus dem Austritt des ringförmigen Kanals 16 radial nach innen zwischen
den Gehäuseteilen 3 und 4 und den betreffenden Flächen des Läufers 11 zu
entweichen. Der Flüssigkeitskanal 16 ist durch Sperren 19, die jeweils mit den Gehäuseteilen
3 und 4 aus einem Stück bestehen können, teilweise unterbrochen, und diese Sperren
verhindern, daß die unter Druck stehende Flüssigkeit vom Auslaß des ringförmigen
Kanals 16 aus zur Saugseite der Seitenkanalpumpe entweicht.
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Der Schleuderpumpenläufer 13 ist vorzugsweise an den Seiten abgeschlossen,
wie es aus Fig. 1 und 3 hervorgeht. Der Läufer 13 besitzt eine ringförmige Nabe
20, die mit der Seitenwand 21 aus einem Stück besteht, sowie eine
rohrförmige Nabe 22, die an die andere Seitenwand 23 angearbeitet ist. Die Nabe
20 bildet den Saugeinlaß 24 der Schleuderpumpenstufe, und man erkennt, daß
die Größe der Saugeinlaßöffnung 24 bei der beschriebenen Konstruktion nicht begrenzt
ist, sondern beliebig groß gewählt werden kann. Hierin liegt ein bedeutender praktischer
Vorteil,
denn die Ansaugöffnung soll bei einer Pumpe dieser Art
vorzugsweise ungewöhnlich groß sein, damit ausreichende Flüssigkeits- und Dampfmengen
verarbeitet werden können.
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Die Nabe 20 dreht sich in einer Buchse 25, mit der das innere Ende
der Öffnung in dem nebenförmigen Teil 26 des Gehäuseteils 2 ausgekleidet ist. Diese
Buchse 25 trägt eine die Ansaugöffnung 24 umgebende Dichtungsfläche, die verhindert,
daß Flüssigkeit aus dem Auslaß des schneckenförmigen Kanals 27 zu der Ansaugöffnung
24 der Schleuderpumpenstufe entweicht. Die Nabe 22 des Schleuderpumpenläufers 13
dreht sich zusammen mit der Nabe 28 des Seitenkanalläufers 11 in einer Lagerbuchse
30, die verhindert, daß die an der Mitte der Seitenkanalpumpe vorhandene, unter
verhältnismäßig hohem Druck stehende Flüssigkeit zu dem unter niedrigerem Druck
stehenden Auslaß der Schleuderpumpenstufe entweicht.
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Zum Abdichten gegenüber dem verhältnismäßig hohen Flüssigkeitsdruck
an der Mitte der Seitenkanalpumpe und gegenüber dem unter niedrigerem Druck stehenden
Auslaß der Schleuderpumpenstufe kann nach Fig. 4 die Welle 8' ihrerseits durch eine
Öffnung bzw. eine Lagerbuchse 30' zwischen den beiden Pumpenstufen hindurchragen,
um ein Entweichen von unter hohem Druck stehender Flüssigkeit zu einem unter niedrigerem
Druck stehenden Teil der Pumpe zu verhindern. In Fig.4 sind diejenigen weiteren
Teile, die den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Teilen ähneln, mit den gleichen Bezugsziffern
bezeichnet, denen jedoch jeweils ein Kennstrich beigefügt ist.
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Die Ansaugöffnung 24 der Schleuderpumpenstufe mündet in die Räume
zwischen den Wänden 21 und 23 und den von diesen Wänden umschlossenen Schaufeln
32 des Läufers 13, und diese Räume münden nach außen radial in den Schneckenkanal
27. Der Schneckenkanal 27 mündet seinerseits in die Ansaugöffnung 34 (Fig.
2) der Seitenkanalpumpe. Der Auslaß des Ringkanals 16 dieser Pumpe gibt die unter
Druck gesetzte Flüssigkeit an den Pumpenauslaß 35 ab, der die Fortsetzung des Auslasses
des Ringkanals 16 bildet.
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Das Gehäuseteil s, das, wie bereits erwähnt, die Gehäuseteile 3 und
4 umgibt bzw. umschließt, ist zwischen einem Flansch 38 des Gehäuseteils 2 und einem
Flansch 40 des Gehäuseteils 4 eingepaßt.
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Während des Betriebes der Pumpe tritt die Flüssigkeit in die Ansaugöffnung
24 des Schleuderpumpenläufers 13 ein, und sie wird am Umfang dieses Läufers unter
erhöhtem Druck und mit gesteigerter Geschwindigkeit an den Schneckenkanal
27 abgegeben. Unter dem innerhalb der ersten Pumpenstufe erzeugten Druck
strömt die Flüssigkeit durch die Ansaugöffnung 34 in den ringförmigen Flüssigkeitskanal
16 der Seitenkanalpumpe ein. Die Pumpenwirkung des Läufers dieser Pumpe erzeugt
einen Druck, der ausreicht, um die Flüssigkeit zum Auslaßstutzen 35 der Seitenkanalpumpe
zu fördern, und zwar geschieht dies durch fortwährendes Umwälzen der Flüssigkeit
durch die Läuferschaufeln und den Ringkanal 16.
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Man erkennt aus der vorstehenden Beschreibung, daß die erfindungsgemäße
kombinierte Pumpe die charakteristischen Merkmale der beiden Pumpenbauarten gleichzeitig
ausnutzt und daß die Anordnung derart getroffen ist, daß kein unmittelbarer Flüssigkeitsdurchtritt
zwischen Gebieten erfolgen kann, zwischen denen ein Druckunterschied besteht, der
ausreicht, um eine Außerbetriebsetzung der Pumpe durch Dampfbildung zu veranlassen.
Die aus der zweiten Stufe austretende und unter hohem Druck stehende Flüssigkeit
wird zuerst längs radialer Bahnen durch die Dichtungsflächen 18 und die diesen
gegenüberliegenden Seitenflächen des Seitenkanalläufers 11, die innerhalb der Schaufeln
15 liegen, zurückgehalten. Sämtliche möglicherweise an den Dichtungsflächen
18 durchtretende Flüssigkeit wird durch die Dichtungsfläche an den Naben 22 und
28 des Schleuderpumpenläufers 13 sowie des Läufers 11 und durch die Dichtungsflächen
zwischen den Naben 22 und 28 sowie der Lagerbuchse 30 (Fig. 1) bzw. zwischen der
Welle 8' und der Lagerbuchse 30' (Fig. 4) daran gehindert, in die Sehleuderpumpenstufe
überzutreten. Selbst wenn derartige Flüssigkeit ihren Weg zu der Schleuderpumpenstufe
findet, steht sie immer noch unter dem Förderdruck der Schleuderpumpenstufe, wodurch
wirkam verhindert wird, daß diese Flüssigkeit schlagartig verdampft.
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In die Ansaugöffnung 24 der Schleuderpumpenstufe kann lediglich diejenige
Leckflüssigkeit gelangen, die von der Förderseite der Schleuderpumpenstufe aus längs
der Dichtungsfläche am Umfang der Nabe des Schleuderpumpenläufers 13 und somit längs
der Buchse 25 durchtritt. Da die in der Schleuderpumpenstufe erzeugten Differentialdrücke
im Vergleich zur Fördermenge bzw. Förderleistung klein sind und da der Schleuderpumpenläufer
13 der Flüssigkeit nur wenig Wärme zuführt, besteht in der Schleuderpumpenstufe
nur eine minimale Gefahr der Außerbetriebsetzung durch Verdampfung, und es tritt
eine solche Verdampfung nur unter extremen Bedingungen auf, die im praktischen Betrieb
gewöhnlich nicht gegeben sind, d. h. nur dann, wenn man versucht, die Pumpe beim
End- oder Absperrdruck zu betreiben, während eine siedende Flüssigkeit gepumpt wird.
Es können auch zwei oder mehr Turbinenpumpenstufen in Reihe oder in Tandemanordnung
vorgesehen sein.