DE1728005A1 - Rotationspumpe - Google Patents

Description

DR. MÜLLER - BORi ülPL.-ΙΝβ. 3RALFS 1728005

DIPL.-PHYS. DR. MANlTZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL

PATENTANWÄLTE

Bol/Hu - R 3 1 8

München, den 12. August 1968

HOIiS-ROXOE LIMITED Moor Lane, Derby, England

Rotationspumpe

Die Erfindung betrifft eine Rotationspumpe des Zentrifugal- oder Kreiseltyps zum Pumpen von Flüssigkeiten oder einer Flüssigkeits-Gasmischung (im folgenden als "Flüssigkeit" bezeichnet). Die Pumpe soll betrieben werden mit einem kleinen Strömungseinlaßwinkel, z.e. weniger als 3° oder ^°, und mit einem niedrigen Saugdruck; der letztere kann beispielsweise in der Größenordnung von etwa 0,0? oder Ο,ΙΛ kg/cm (1 oder 2 pounds per square inch) über dem Dampfdruck der Flüssigkeit sein. Derartige Betriebsbedingungen können nicht leicht erreicht werden durch Anordnung eines beschaufelten Ladelaufrades stromauf des Pumpenlaufrades, welches die übliche Anordnung ist, da die Schaufel-

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winkel, welche in dom Ladelaufrad erforderlich sind, zu klein sein würden, und eine Herstellung unpraktisch sein würde oder die Strömung dahindurch vernachläseIgbar sein würde.

Bei einem üblichen Zentrifugal· oder Kreisellaufrad führt der Betrieb bei sehvhiedrigen Saughöhen zu der Bildung von dampf gefüllten Bereichen in dem Laufradeinlauf. Diese Bereiche treten willkürlich auf und bewirk«! eine Verringerung oder Abnahme der Strömung und eine Instabilst. Diese Bedingungen werden häufig erschwert duroh das Vorhandensein einer Vorturbulenz oder eines Vorwirbels.

\ Bin Ziel der Erfindung besteht darin, Einrichtungen zu . schaffen, um die Bildung dieser Bereiche zu verhindern oder abzuschwächen und außerdem die Neigung zu verringern, daö eine Verwirbelung oder Vor turbulenz in der Pumpe eintritt.

Bin Läuferkörper, der koaxial an einem Laufrad einer derartigen Kreiselpumpe an dem Stromauf ende derselben angebracht 1st, kennzeichnet sich erfindungsgemäfl durch mehrere am Umfang Im Abstand angeordnete steile Vorsprung (bluff projections), welche sich von diesem in den Bin-

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laufkansl der Pumpe erstrecken.

Beim Drehen des Laufrades würden die steilen Vorsprünge jeweils nachlaufende Hohlräume wendeiförmiger Gestalt erzeugen, die am Umfang und stromab der Ebene der Vorsprünge ineinander übergeheri oder sich vereinigen und einen riagförmigen Hohlraum bilden, der üas oder Dampf enthält. Durch die Anwesenheit derartiger Hohlräume wird die Neigung zu einer Vorwiroelung oder Vor turbulenz verringert durch Erzeugung einer "Sperre" (barrier) eines Strömungsmittels mit niedrigerer Viskosität als die gepumdte Flüssigkeit, wodurch der Kückfluß in einer Stromaufrichtung der flüssigkeit von dem Laufrad verhindert wird. Die Hohlräume üben außerdem einen stabilisierenden Einfluß auf die Strömung durch das Laufrad aus. Weiterhin wird durch die Anwesenheit der Hohlräume die Leistungsfähigkeit der Pumpe für das Einführen einer Mischung aus flüssigkeit und Gas oaer Daapf verbessert.

ι etui die Hohlräume sich gebildet haben, kann die Pumpe betrieben weraen mit einem Verhältnis von EinlaSgeschwindigkeit/iellendrehzahl, die beträchtlich niedriger ist als das, welches bei üblichen beschaufelten Pumpen möglich ist, und somit kann eine Pumpe, welche einen erfindungsß:emä:3en Läuferkörper aufweist, bei extrem niedrigen -ertea einer positiven iutaansaughöhe betrieben werden.

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Die steilen Vorsprünge können Irgendeine Querschnittsform haben mit einem flachen oder stumpfen Vorderprofil in der Richtung ihrer Umfangsbewegung; vorzugsweise sind sie Stifte mit einem kreisförmigen Querschnitt. Die Anzahl der verwendeten Vorsprünge muß ausreichend sein, um zu bewirken, MmA die von ihnen erzeugten nachlaufenden Hohlräume zu einem im wesentlichen vollständigen Bingraum zu verschmelzen oder sich zu einem derartigen zu vereinigen. Vier Stifte mit enem kreisförmigen Querschnitt, welche in Abständen von 90° um den Rotorkörper herum angeordnet wurden, haben sich als geeignet herausgestellt.

Die Vorsprünge werden zweckmäßig erweise normal zu den Tangenten der Umfangsflache des Rotorkörpers angeordnet. Sie können jedoch in alternativer Weise entweder in axialer oder !Anfangsrichtung oder in beiden Richtungen geneigt sein, je nach der Form oder Gestalt des Profiles des Rotorkörpers und des erforderlichen Hohlraumes.

Das Ausmaß des Hohlraumes in der Strömungsrichtung durch das Laufrad kann gesteuert werden durch Einstellung der radialen Länge der Vorsprünge oder der Neigung der Vorsprünge zur Normalen. Zum Beispiel, falls zylindrische Stifte benutzt werden, können diese« einstellbar gemacht

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werden in jeder dieser Hinsicht oder in beiden.

Der Rotorkörper kann die Form eines Stromauf-Nasenteiles haben, das an dem Stromauf ende des Pumpenlaufrades oder einer '//eile für diesen angebracht ist. In alternativer Weise kann der Hotorkörper eine einstückige StromaufVerlängerung des Pumpenlaufrades sein.

Die Erfindung umfaßt weiterhin eine Kreiselpumpe mit einem Botorkörper, der koaxial und stromauf ihres Laufrades angeordnet ist und mit diesem drehbar ist, wie es bereits beschrieben wurde.

Die Strömung durch die Pumpe kann in irgendeiner der folgenden Art und Weise verändert werden:

a) durch Anordnung einer Irisblendeneinrichtung stromauf des Rotorkörpers oder in der Ebene von dessen Vorsprüngen, wodurch der Bereich der Strömung an den Vorsprüngen vorbei geändert werden kann,

b) durch Zuführen von Flüssigkeit, welche von der Pumpenförderung abgeleitet wurde, in die Strömungs-

_r . bahn, welche zu dem Rotorkörper führt in einer

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Momentenaustausch stattfindet zwischen der Flüssigkeit, welche zu dem Botorkörper strömt, und der Flüssigkeit, welche von der Pumpenförderung zugeführt wird, oder

c) durch Zuführen einer 'Flüssigkeit,, welche von der . Pumpenförderung abgeleitet wird, in die Strömungsbahn, welche zu dem Eotorkörper führt, nahe der Grenze der Strömungsbahn, um den wirksamen Strömungsbereich zu verringern, der zu dem Rotorkörper führt.

Nachfolgend wird beispielsweise eine Kreiselpumpe, welche mit einem kleinen Strömungseinlaflwinkei, z.-i. weniger als 3° oderΛ⁰ und mit einer niedrigen Saughöhe betrieben werden soll, und einen Ro tor körper gemäß der Erfindung aufweist, anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine Axialschnittansicht der Pumpe,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht des

Rotorkörpers vom Stromauf^ ia der die üildung der nachlaufenden Hohlräume durch die steilen Vorsprünge dargestellt sind, welche an dem Rotorkörper angebracht sind,

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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Hotorkörpers

und Laufrades von deren Stromauf ende in der eine Irisblendenvorrichtung gezeigt ist zur Steuerung der Strömung durch das Laufrad,

Pig. ^ eine axiale Schnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Pumpe, in der außerdem teilweise geschnitten Einrichtungen gezeigt sind zum Zuführen einer Flüssigkeit, die von der Pumpenförderung abgeleitet wurde, in die Strömungsbahn stromauf des Rotorkörpers, um die Strömung durch die Pumpe zu steuern, und

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich der Fig. 4, in der teilweise im Schnitt alternative Einrichtungen gezeigt sind zum Zuführen einer Flüssigkeit, die von der Pumpen» förderung abgeleitet wurde, in lie Strömungsbahn stromauf des Rotorkörpers, um die Strömung durch die Pumpe zu steuern.

^!iach Fig. 1 ist das Laufrad 1 der Pumpe an einer Welle 2 angebracht, die in überhängender Weise in einem Lager 3 gelagert ist. Des Laufrad ist in einem Gehäuse 4 angeordnet, und erhält die Flüssigkeit von einem Einlaß 5 und entleert die Flüssigkeit in einen Auslaufrann 6. Die

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Jeile 2 erstreckt sich über die Einlaßendflache des Laufrades 1 hinaus und ist mit einem Zapfen versehen, der einen im allgemeinen zylindrischen Block 7 trägt.

Der Block 7 trägt eine nasenartige Kappe 91 welche eng auf dem Block sitzt und daran axial befestigt ist durch eine federnd nachgiebig verformbare ringförmige Lippe 10 an dem Ende der Kappe 9 nahe dem Laufrad. Die Lippe faßt in einem Schnappsitz über eine Ringförmige Hippe 12 an den Block 7. Nahe der Hippe 12 bildet der Block 7 zusammen mit der Kappe 9 mehrere Taschen, die im gleichen Abstand um den Umfang des Blockes 7 angeordnet sind und jeweils einen Kopf 13 eines zylindrischen Stiftes oder Bolzens I^ aufnimmt; die Stifte oder Bolzen stellen die bereits erwähnten steilen oder stumpfen Vorsprünge dar. Die Schäfte der Stifte oder Bolzen 14 erstrecken sich in den Einlauf kam. stroi»uf des Einlauf bereichs 15 des Laufrades 1 und gehen durch Löcher in der Kappe 9 hindurch. Die Köpfe 13 der Stifte sind größer als die Löcher in der Kappe 9» ßo daß, wenn die Kappe 9 zusammen mit den Stiften I** an dem Block 7 angebracht ist und die Lipne 10 3n ihre Stellung eingeschnappt ist, die Stifte J^ gegen eine Radialbewegung gehalten sind. Es sind beispielsweise vier Stifte lh vorgesehen, von denen nur zwei in '.'¹Jg. 1. £-('ZPi,H·' sind; selbstverständlich können 'auch

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eine andere Anzahl Stift-e vorgesehen sein. Der Block 7_t die Kappe 9 und die Stifte oder Bolzen 14 bilden den Rotorkörper.

Nach Fig. 1 können die Stifte 14 sich im'wesentlichen normal zu den Tangenten des Außenumfangs der Kappe 9 erstrecken, d.h^:. radial zur Rotationsachse. Sie können natürlich auch in alternativer Weise geneigt sein in axialer oder Umfangsrichtung oder in beiden Richtungen. Die Stifte 14 haben zweckmäßigerweise eine Länge von wenigstens 30 % des Abstandes über den Strömungskanal in ihrer Anbringungsebene. Außerdem ist das Verhältnis ihrer Länge zum Durchmesser vorzugsweise zwischen 1 und 6.

Wenn sich das Laufrad 1 dreht und der Saugdruck ausreichend niedrig ist, z.B., in der Größenordnung von etwa 0,07 oder 0,14 kg/cm (1 oder 2 pounds per square inch) über dem Dampfdruck der zu pumpenden Flüssigkeit, werden die Stifte 14 jeweils einen nachlaufenden Hohlraum 16 erzeugen, der Dampf oder Gas enthält, wie es in Fig. 2 gozei.e;t ist. Die Hohlräume werden eine schraubenförmige oder wendelförmife Form haben und werden sich verflechten stromab' der Ebene der Stifte 14 und werden schlieiSlich ineinander übersehen oder su:h vereinigen, und einen ri-i.s;-förmigen Hohlraum bpi. 17 bilden, der sich stromau wrrif;-r, kens in den El ti iiinorpLch 15 do» Laufrades I nrstre \>:l.

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Der Hohlraum 17 ermöglicht es, daß die Pumpe stabil arbeitet oder betrieben werden kann, und außerdem bildet der Hohlraum eine »Sperre" mit niedrigerer Viskosität als die gepumpte Flüssigkeit, wodurch eine Rückkopplung in einer Stromaufrichtung des Strömungsmittels von dem Laufrad verhindert wird, welches eine Vorturbulenz oder eine Vorwirbelung hervorrufen würde,

tfie bereits erwähnt, kann die Strömung durch die Pumpe auf drei verschiedene Arten und /eisen verändert werden. Die erste besteht darin, eine Irisblendeneinrichtung stromauf des Botorkörpers vorzusehen. Eine derartige Einrichtung ist bei 19 in Fig. 3 gezeigt. Bs ist eine Steuereinrichtung 20 vorgesehen, um die Blendenplatten ZX der Irisblenden einrichtung in bekannter Weise zu Öffnen oder zu schließen, um den Strömungsbereich an den Stiften ib νorbei-2u-verändern.

Die zweite Eiarichtung zur Veränderung der Strömung durch die Pumpe ist in Fig. ^ dargestellt und besteht darin, Flüssigkeit, welche von der Pumpe von der Auslaufkammer 6 gefördert wird, durch ein Steuerventil 22 zuruckzuleifcen zu einer '/erteilungsleitung 2), welche den Purapeneinlaufkanal 5 umgibt. Die Verteilerleitung 23 Lei tee die Flüssigkeit durch Düsen Zk zu, welche in eine''Strom-

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aufrichtung gerichtet sind, um einen MomentenauBtausch zwischen der Flüssigkeit, welche zu der Pumpe strömt, und der Flüssigkeit zu erzeugen, welche von der Auslaufkammer zurückgeleitet wurde.

Die dritte Einrichtung zur Veränderung der Strömung durch die Pumpe ist in Fig. 5 dargestellt. In diesem Fall wird Flüssigkeit, welche von der Pumpe gefördert wird, von der Auslauf kammer 6 durch ein Steuerventil 22 zu einer Verteilerleitung 25 zurückgeleitet, Vielehe eine Öffnung 26 hat, die sich am Umfang um den Pumpeneinlaßkanal 5 erstreckt. Die Flüssigkeit, welche durch die Verteilerleitung 25 und die Öffnung 26 zugeführt wird, bewirkt, daß eine Grenzschicht einer Flüssigkeit gebildet wird, welche eine geringere oder negative Geschwindigkeit hat, verglichen mit der Flüssigkeit, welche zu dem Pumpeneinlauf strömt. Die Grenzschicht hat die Wirkung, daß sie den wirksamen Ströraungsbereich verringert, der 2u dein Rotorkörper und dem Laufrad führt.

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Claims (9)

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Patentansprüche

Π.7) Rotorkörper, der koaxial und stromauf an einem Laufrad einer Kreiselpumpe angebracht 1st zur Drehung mit dem Laufrad, wobei die Pumpe betrieben werden soll mit einem niedrigen Strömungseinlaßwinkel und einem niedrigen Saugdruck, dadurch g e k e η η -ζ ei ch η et, dad der Botorkörper (8, 9} mehrere am Umfang im Abstand angeordnete steile oder stumpfe Vorsprünge (1*0 aufweist, die sich von diesem in den Einlaökanal (5) der Pumpe erstrecken.

2. Botorkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steilen Vorsprünge (1*0 zylindrische Stifte oder Bolzen sind.

3. Rotorkörper nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η -zeichnet, daß jeder Stift (14) eine Länge von wenigstens 30 % des Abstand es quer über den Strömungskanal an seiner Anbringungsebene hat.

4. Rotorkörper nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß jeder Stift (14) ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von zwischen 1 und 6 aufweist.

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5. Rotorkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromauf-Nasenteil (9) an dem Laufrad oder dessen v/eile angebracht ist, und daß die steilen Vorsprünge (1Λ) sich nach außen von dem Körper in den Einlaßkanal der Pumpe erstrecken.

6. Rotorkörper nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Stromauf-Nasenteil (9) eine Lippe aus einem federnd nachgiebigem verformbaren Material aufweist, welche so angeordnet ist, daß sie über eine hinters chnit ten e ringförmige Rippe (12) an dem Laufrad oder der Laufradwelle einschnappt.

7. Rotorkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die steilen Vorsprünge (14) zylindrische Stifte oder Bolzen sind, die sich nach außen von dem dasenteil (9) durch darin befindliche Löcher erstrecken, und durch Wurzel- oder Pußteile (13) befestigt sind, welche zwischen dem Nasenteil (9) und dem Laufrad oder der Laufradwelle angeordnet sind.

8. Rotorkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß die steilen

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Vorsprünge (14) im wesentlichen normal zu einer Tangente der Umfangsflache des Rotorkörpers liegen.

9. Rotorkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g ekennz ei chn et , daß die wirksame Länge eines jeden steilen Vorsprung« (.14) der sich von dem Rotorkörper in den Einlaßkanal der Pumpe erstreckt, einstellbar ist.

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