DE1528717B2

DE1528717B2 - Vorrichtung zum ausgleich des axialschubes bei mehrstufigen kreiselpumpen

Info

Publication number: DE1528717B2
Application number: DE19651528717
Authority: DE
Inventors: Wolfram 6700 Ludwigshafen Ewert
Original assignee: Halberg Maschinenbau Gmbh & Co, 6700 Ludwigshafen
Priority date: 1965-06-30
Filing date: 1965-06-30
Publication date: 1976-04-15
Also published as: DE1528717A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ausgleich des Axialschubes bei mehrstufigen V reiselpumpen, bei der nach der letzten Stufe, zwischen ei nem mit dem Rotor verbundenen Entlastungsk ) ben und dem Stator axiale und radiale Drossels:recken vorgesehen sind.

Bei Kreiselpumpen üblicher Bauart, also Hintereinanderanordnung der Laufräder, wird der durch die Lauf räder entstehende Axialschub durch eine hydraulische Entlastungseinrichtung, allein oder in Verbindung mit einem Querlager, aufgenommen.

Bekannte Entlastungsvorrichtungen bestehen z. B. aus einem zylindrischen Entlastungskolben und einer entsprechenden Kolbenbuchse (vergleiche z. B. Handbuch von J. Karassik, Centrifugal Pumps, 1960, S. 60 bis 66, insbesondere Fig. 6.1, S. 61). Solche Ausführungen gleichen in der Regel den Axialschub der Laufräder nur in einem Lastpunkt voll aus. Bei anderen Lastpiinktcn muß ein mit dem Rotor (Pumpe.iwelle) verbundenes Axiallager zum Teil erhebliche Restschübe aufnehmen. Nachteilig ist bei dieser Ausführung, daß neben dem erforderlichen großen Axiallager noch die Entlastungswassermenge, eine Verlustmenge, relativ groß ist und bei normalen Kolbenlängen und Drosselspaltweiten etwa 8 bis 10% der Pumpenfördermenge betragen kann. Abhilfe würde ein verlängerter Kolben schaffen, das läßt sich aber nicht ohne neue, zusätzliche Nachteile, wie z. B. vergrößerte Achsabstände usw., realisieren. Deshalb wurde vorgeschlagen (vgl. vorerwähntes Handbuch, S. 62, Fig. 6.2), den Kolben mit Buchse in Labyrinthform auszuführen, also die Drosselstrecken ineinander zu legen. Dieser Labyrinthkolben hat, wie im Text erwähnt, eine Länge von etwa 190 mm (T¹I₂ Zoll) und dabei den gleichen Drosseleffekt wie ein normaler Kolben von etwa 460 mm (18 Zoll) Länge. Nachteilig ist bei dieser Ausführung, daß man Kolben und Buchse wegen den komplizierten Raumformen nicht in den erforderlichen verschleißunempfindlichen Werkstoffen fertigen kann; hierbei ist zu bedenken, daß zwischen Kolben und Buchse nur Spalte von 0,1 bis 0,3 mm vorhanden sein dürfen.

Bekannt ist weiterhin eine Scheibenentlastung (vgl. vorerwähntes Handbuch S. 62, Fig. 6.3), die aus der auf dem Rotor befestigten Entlastungsscheibe und der stationären Gegenscheibe besteht. Modernen Scheibenentlastungen ist gewöhnlich eine Vordrossel vorgeschaltet, durch welche die benötigte Entlastungswassermenge auf 2 bis 3% der Pumpenfördermenge verkleinert und der Pumpenwirkungsgrad entsprechend erhöht wird. Kritisch für das Betreiben solcher Pumpen mit Entlastungsscheiben sind die geringen Spaltweiten zwischen beiden Scheiben von nur einigen Vioo^mm· Dies bringt die Gefahr des Reißens des Wasserfilms zwischen Scheibe und Gegenscheibe durch Verdampfen des Wassers mit, gefolgt von metallischem Berühren beider Scheiben und sofortigem Ausfallen der Pumpe.

Man hat deshalb auch Entlastungsvorrichtungen konstruiert, die Kombinationen von Entlastungskolben und Entlastungsscheiben darstellen (vgl. Fig. 6.4 und 6.6 des vorerwähnten Handbuches). Bei Verwendung dieser Konstruktion steigt die erforderliche Entlastungswassermenge wieder an.

Eine weitere Bauart von Entlastungsvorrichtungen ist als sogenannte Einzelradentlastung bekannt (vgl. Handbuch Fuchslocher/Schulz, Die Pumpen, 1963, S„ 138 bis 141). Diese Vorrichtung kann an jedem einzelnen Laufrad angebracht werden. Sie besteht aus beiderseits an Laufrad liegenden Dichtungsspalten und Bohrungen (Durchbrechungen) in der Radscheibe. Glatte Dichtungsspalte sind aus der Abb. 109 oder US-PS 11 65 739, Labyrinthspalte oder stufenförmige Spalte aus der US-PS 10 20 699 bekannt. Solche Einzelradentlastungen lassen sich nur bei niedertourigen Pumpen und bei kleinen Stufenzahlen einsetzen, da die relativ kurzen Spaltdichtungen und die Entlastungsbohrungen erfahrungsgemäß sehr verschleißempfindlich sind und nach Verschleiß unkontrollierbare Axialschübe auftreten. Nachteilig ist auch die starke Verminderung des Wirkungsgrades von Kreiselpumpen mit Einzelentlastungen.

Schließlich ist aus der DT-PS 5 39 225 eine Scheibenentlastung bekannt, die aus einer stufenförmigen Entlastungsscheibe mit entsprechender Gegenscheibe und zwischenliegenden Berührungsräumen besteht.

Ziel in der Weiterentwicklung von Entlastungsvorrichtungen für Kreiselpumpen ist die Erhöhung der

Betriebssicherheit der Pumpen, speziell der großen Kesselspeisepumpen und die Vermeidung von Entlastungsschäden bei gleichzeitiger Verbesserung des Wirkungsgrades der Pumpen. Pumpen mit reinen Scheibenentlastungen haben zwar gute Wirkungsgrade, können aber zur Vermeidung von Entlastungsschäden nicht mit zusätzlichen Axiallagern ausgerüstet werden, weil die betriebsbedingten Spaltweiten zwischen Scheibe und Gegenscheibe zu klein sind und

gesehen. Gemeinsam mit der Kolbenbuchse 3 bilden diese Drosselspalte vier axial verlaufende Drosselspalte 10, 12, 14 und 16 und zwischen diesen liegend drei radial verlaufende Drosselspalte 11, 13 und 15. Der Kolben 2 hat dementsprechend vier zylindrische Außenflächen 20, 22, 24 und 26 und die Buchse 3 vier zylindrische Innenflächen 21, 23, 25 und 27. Die radial verlaufenden jDrosselspalte bilden Stirnflächen an Kolben und Buchse. In den radial verlaufenden

sich die thermischen und mechanischen Deforma- io Drosselspalten können noch Verengungen wie 17 tionen zwischen Welle und Gehäuse während des und/oder 18 als zusätzliche Drosselstellen vorgesehen Betriebes entgegengesetzt auswirken. werden. Ein nicht dargestelltes Axiallager 5 hält die

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schubentlastungs- Pumpenwelle 28 in einer vorbestimmten Lage fest, vorrichtung für große Kreiselpumpen, insbesondere Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Schubentfür Kesselspeisepumpen im Hoch- und Höchstdruck- 15 lastungsvorrichtung wird das Entlastungswasser nach bereich, bereitzustellen, welche der Kreiselpumpe er- der letzten Stufe 1 entnommen. Es strömt durch die in höhte Betriebssicherheit und zugleich optimale Pum- Reihe geschalteten axial und radial angeordneten penwirkungsgrade verleiht. Drosselspalte 10 bis 16, tritt nach dem Kolben in

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß der im einen nicht näher bezeichneten Sammelraum ein, der kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten 20 über dem Entlastungswasseraustritt beispielsweise mit Merkmale. dem Pumpenzulauf verbunden ist. Hier wirkt dann als

Eine weitere erfindungsgemäße Bauform sieht vor, Gegendruck für den Entlastungskolben etwa der Zudaß die Neigung der Stirnflächen des Kolbens von laufdruck. Radiale Spalte können auch, wie in F i g. 4 Durchmesser zu Durchmesser, kleiner, gleich oder dargestellt, mit einem Leitungsabschluß 19 versehen größer als 90° sind. Dadurch kann man, je nach den 25 sein und so mit anderen Räumen, oder auch mit einer jeweiligen Bedürfnissen, eine Änderung der Umlenk- Pumpenzwischenstufe, in Verbindung stehen.
Verluste herbeiführen. Am Spalteintritt des Spaltes 10 herrscht ein Druck,

Erfindungsgemäß kann man die Pumpenwelle zum der in Folge von Verlusten im druckseitigen Radseiten-Einhalten von radialen Spalten zwischen Kolben und raum der letzten Stufe etwas kleiner ist als der Pumpen-Kolbenbuchse in an sich bekannter Weise durch ein 30 enddruck H der Kreiselpumpe. Dieser Druck wird Axiallager festlegen. nun über die in Reihe geschalteten Drosselspalte 10

Eine weitere erfindungsgemäße Bauform besteht bis 16 auf den Pumpenzulaufdruck abgebaut. Mit darin, daß zwischen Entlastungskolben und Kolben- größer werdender Last fällt der Enddruck, dabei wird buchse eine, gegebenenfalls mehrere hintereinander- auch der Differenzdruck über dem Kolben kleiner, geschaltete Verengungen als Drosselstellen angebracht 35 Zwischen den Kolbenstirnflächen und den entsind, sprechenden Flächen der Buchse stellen sich dement-Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Vorschlag sprechend mit veränderter Last veränderte Zwischenkann man so vorgehen, daß mindestens eine der drücke ein, z. B. in Spalt 11 p_zwi, in Spalt 13 p_zl02 und radialen Drosselstellen mit anderen Räumen, in denen so fort. Diese verhalten sich wie p_zm > p_zm >p_ZW3. ein konstanter, gegebenenfalls einstellbarer Druck 4° Diese, auf die Stirnflächen wirkenden Zwischendrücke, herrscht, verbunden ist. Erfindungsgemäß kann ergeben Teilschübe A_ai, A_a2 usw. in Richtung Saugmindestens eine der radialen Drosselstellen mit einer seite 8. Mit veränderter Last ändern sich diese Zwi-Pumpenzwischenstufe verbunden sein. Durch solche schendrücke entsprechend.

hinter einem oder mehreren Durchmessersprüngen Zur Auslegung der erfindungsgemäßen Entlastungs-

angeordneten Leitungsverbindungen kann dem Ver- 45 vorrichtung wird ihr erster Kolbendurchmesser DK₁ schleiß entgegengewirkt werden, denn dieser verändert
die einzelnen Druckniveaus und damit die Ausgleichskräfte am Kolben und der Kolbenbuchse.

An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigt, in schematischen Skizzen, F i g. 1 einen Entlastungskolben nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 und 3 die Ausbildung zusätzlicher radialer Drosselstellen und

F i g. 4 eine Ausführungsform eines Entlüftungskolbens, bei der eine radiale Drosselstelle an einen zusätzlichen Raum angeschlossen ist, und

F i g. 5 ein Diagramm mit Pumpenkennlinie H und diversen Restschubkurven für den erfindungsgemäßen Entlastungskolben im Vergleich mit bekannten Vorrichtungen.

Nach der letzten Stufe 1 der Kreiselpumpe ist auf
der Pumpenwelle 28 gleichachsig ein Entlastungskolben 2 angeordnet, der stufenförmig in Richtung 65 messer zu Durchmesser nicht nur unter einem rechten druckseitigem Lager verminderte Durchmesser auf- Winkel, wie in F i g. 1 dargestellt, ausgeführt, sonweist. In Fig. l~sind vier derartige Durchmesser- dem größer oder kleiner als ein rechter Winkel,
abstufungen, nämlich DK₁, DK,, DK₃ und DK₄, vor- Wie in den F i g. 2 und 3 gezeigt, besteht z. B. auch

so gewählt, daß an der letzten Stufe Teilschübe AaH in Richtung Druckseite 9 entstehen, die im ganzen Lastbereich größer als die jeweilige Summe der Radschübe ΣΑ_Ρ sein müssen. Danach werden die Zahl und Größe der Kolbensprünge bzw. der Kolbenstirnflächen so gewählt, daß diese zusammen mit den dort vorhandenen Zwischendrücken die fehlenden Teilschübe Ad so erzeugen, daß der Restschub gegen 0 geht.

Mit einer Anzahl von Durchmessersprüngen am Entlastungskolben ist zu erreichen, daß in jedem Fördermengenpunkt der Restschub fast 0 wird, entsprechend

Ar = ΣΑ_Ρ — AaH + ΣΑ_α' = 0 kp.

Die Anzahl der Fk hängt hauptsächlich von der Kennlinie und den verwendeten Einbauten ab.

Die Umlenkverluste können_ auch noch dadurch verändert werden, daß man die Übergänge von Durch-

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noch die Möglichkeit, bei den radialen Drosselstellen eine Änderung der Spaltquerschnitte herbeizuführen. In F i g. 2 ist gezeigt, daß beim Übergang von dem axialen Spalt 12 zu dem radialen Spalt 13 ein kurzes Stück als Verengung 17 folgt. In F i g. 3 ist eine Bauform gezeigt, bei der vor dem axialen Spalt 14 eine Verengung 18 in radialer Richtung vorgesehen ist.

Wenn man bestimmte Drücke, also z. B. konstante Drücke, hinter einem oder mehreren Durchmessersprüngen einhalten will, dann kann man, wie in F i g. 4 gezeigt, den radialen Spalt 13 über einen Leitungsanschluß 19 mit anderen Räumen verbinden. Diese Verbindung kann nun mit Räumen konstanten Druckes hergestellt werden, wobei der Druck in diesen Räumen einstellbar sein kann. Man kann auch eine oder mehrere der radialen Drosselstellen mit einer Pumpenzwischenstufe verbinden. Auf diese Art sind auch bestimmte Druckverläufe hinter einem oder mehreren Durchmessersprüngen einzuhalten.

In F i g. 5 sind vergleichsweise für eine Kreiselpumpe vier Restschubverläufe, nämlich Ar_x, Ar,,, Ar., und AR_neu, neben der Pumpenkennlinie H dargestellt. Die Verläufe Ar_x, Ar_v und Ar₁ ergeben sich bei bekannten Kolbenentlastungen mit zylindrischen Kolben aber unterschiedlichen Kolbendurchmessern, wie DK_x, DKy und DK_Z und der Restschubverlauf ÄR_neu bei der erfindungsgemäßen Kolbenentlastung, die einen Stufenkolben aufweist.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren Vorteile bestehen hauptsächlich darin, daß damit ausgerüstete Kreiselpumpen äußerst betriebssicher arbeiten und, falls erwünscht, mit einem sehr kleinen Axiallager auskommen. Wie durch Versuche erwiesen, wird die Funktion durch Verdampfen des Wassers innerhalb der Spalte nicht beeinträchtigt. Kolben und Buchse lassen sich aus den verschleißärmsten Werkstoffen fertigen, da alle Konturen mit normalen Werkzeugen gut zugänglich sind. Außerdem geht die benötigte Entlastungswassermenge gegenüber vergleichbaren bekannten Kolbenausführungen stark zurück, wozu die Querschnittsverkleinerungen von Durchmessersprung zu Durchmessersprung und die Umlenkverluste an den Übergängen von axialen in radiale Spalte usf. beitragen.

Die gemessenen Entlastungswassermengen dieser

ίο neuen Ausführung entsprechen etwa denen einer optimal ausgelegten Scheibenentlastung mit zusätzlicher Vordrossel.

Ein weiterer Vorteil dieser neuen Entlastungsvorrichtung ist, daß ihre Funktion nahezu unabhängig von der radialen Spaltweite ist. Stellt man z. B. den Läufer so ein, daß ein radialer Spalt zwischen Kolben und Buchse von 2 mm entsteht, also das 30- bis 40fache des Spaltes einer Scheibenentlastung, so ergibt sich bei einer Änderung des radialen Spiels um ±0,5 mm (also ί = 1,5 bis 2,5 mm) nur eine Restschubveränderung um 8 bis 10 kp. Die wirksame Drosselspaltlänge wird dadurch nur unwesentlich beeinflußt. Die 2fachen Umlenkverluste an den Durchmessersprüngen bleiben erhalten, die radialen Drossel-Verluste sind bei den großen Spielen (1,5 bis 2,5 mm) ohnehin nicht nennenswert, bzw. bleiben konstant, sie verändern sich erst bei wesentlich kleineren Spielen stärker. Deshalb bleiben in diesem Bereich der Spaltweitenänderungen die einzelnen Zwischendrücke (pzw) annähernd konstant und somit auch die Ausgleichskräfte [Aa).

Ein großer Vorteil der Entlastungsvorrichtung nach der Erfindung ist die erhebliche Reduzierung der Menge des benötigten Entlastungswassers, bedingt durch Umlenkverluste und Verkleinerung der Spaltquerschnitte zu kleineren Kolbendurchmesser hin.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Ausgleich des Axialschubes bei mehrstufigen Kreiselpumpen, bei der nach der letzten Stufe zwischen einem mit dem Rotor verbundenen Entlastungskolben und dem Stator axiale und radiale Drosselstrecken vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungskolben (2) als Stufenkolben mit außenliegenden zylindrischen Flächen (20, 22, 24 und 26) ausgeführt ist und mindestens zwei verschiedene Durchmesser (DK₁, DK₂) oder mehr aufweist, die, beginnend von der letzten Stufe, kleiner werden und die Kolbenbuchse (3) innenliegende zylindrische Flächen (21, 23, 25 und 27) aufweist, die gemeinsam mit dem Kolben axial verlaufende Drosselstrecken (10, 12, 14 und 16) bilden und die Stirnflächen zwischen Kolben und Buchse mit den jeweiligen Zwischendrücken Teilschübe nach der Saugseite der Pumpe ergeben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Stirnflächen des Kolbens (2) und der Kolbenbuchse (3) von Durchmesser zu Durchmesser, kleiner, gleich oder größer als 90° sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor zum Einhalten von radialen Spalten zwischen Kolben (2) und Kolbenbuchse (3) durch Festlegen in an sich bekannter Weise mittels Axiallage' fixiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Entlastungskolben (2) und Kolbenbuchse (3) stirnseitig eine oder mehrere Verengungen (17 und 18) als Drosselstellen angebracht sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der radialen Drosselspalte (11,13 und 15) mit anderen Räumen, in denen ein konstanter, gegebenenfalls auch einstellbarer Druck herrscht, verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der radialen Drosselspalte (11, 13 und 15) mit einer Pumpenzwischenstufe verbunden ist.

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