DE19822923A1 - Leiteinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leiteinrichtung mit mehreren Leitschaufeln in mehrteiliger Bauart, insbesondere für Kreiselpumpen mit Laufrädern radialer und/oder halbaxialer Bauart, wobei die Leiteinrichtung aus einem Stufengehäuse und einem daran angeordneten beschaufelten Leitradteil besteht. Ein Ringkolbenteil, welches zwischen Stufengehäusewand und Leitradteil angeordnet ist, preßt ein Leitradteil dichtend an ein Stufengehäuse.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiteinrichtung mit mehreren Leitschaufeln, in mehrteiliger Bauart, insbesondere für Kreiselpumpen mit Laufrädern radialer und/oder halbaxialer Bauart, wobei die Leiteinrichtung aus einem Stufengehäuse und einem darin angeordneten beschaufelten Leitradteil besteht, Mittel zur Halterung der Teile vorgesehen sind und ein innerhalb der Leiteinrichtung vorhandener Druck anpressend auf die Teile wirkt.

Leiteinrichtungen für Kreiselpumpen dienen zur Energieumwandlung, wobei ein aus einem Laufrad austretendes, energiereiches Medium in eine Leiteinrichtung einströmt und darin die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umgesetzt wird. Bei einstufigen Pumpen finden häufig dem Laufrad nachgeordnete Spiralräume Verwendung, während bei mehrstufigen Pumpenkonstruktionen in den Stufengehäusen bevorzugt sogenannte Leiträder Verwendung finden. Ein Leitrad weist mehrere, diffusorartig erweiternde Strömungskanäle auf, in denen die Energieumwandlung stattfindet. Gewöhnlich wird hinter dem Leitrad das Fördermedium umgelenkt und strömt durch eine sogenannte Rückführpartie zurück in Richtung Pumpenwelle, um dort mit Hilfe einer weiteren Umlenkung in ein nachfolgendes Laufrad einer weiteren Pumpenstufe oder in eine Förderleitung einzutreten.

Derartige Leiteinrichtungen können ein- oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei sich bei Kreiselpumpen, die einen hohen Gesamtwirkungsgrad aufweisen sollen, die mehrteilige Bauart durchgesetzt hat. Zu diesem Zweck wird innerhalb eines Stufengehäuses, welches primär die Funktion der flüssigkeitsdichten Abschirmung nach außen aufweist, ein strömungsführendes Leitradteil eingesetzt. Das Leitradteil dient der Energieumwandlung und weist bei mehrteiliger Bauart ganz oder teilweise offen ausgebildete Strömungskanäle auf. Die offene Bauart ermöglicht eine einfachere Herstellung oder leichtere spanabhebende Bearbeitung der Leitradkanäle. Solche Leitradeinsätze werden durch Klemmen, mit Schraub­ elementen oder durch stoffschlüssige Verbindungen mit dem Stufengehäuse verbunden. Aufgrund der innerhalb eines Pumpengehäuses auftretenden Belastungen besteht bei ungünstigen Einflüssen die Gefahr des Lösens der Verbindungen. Die Folge wären Vibrationen, die zu Beschädigungen des Stufengehäuses oder der Leiteinrichtung führen könnten.

Die EP-B-0 588 258 zeigt eine mehrstufige Pumpenkonstruktion, bei der ein mit offenen Leitrad- und Rückführkanälen versehenes Leitradteil mit einem ringförmigen Vorsprung zwischen äußeren Stufengehäuseringen eingeklemmt und somit in seiner Lage genau positioniert ist. Eine als Blechformteil ausgebildete Trennwand bewirkt eine räumliche Trennung zwischen den Druckräumen der einzelnen Pumpenstufen. Im Bereich der Leitradkanäle leiten in der als Blechformteil aufgebauten mehrteiligen Trennwand angeordnete Druckausgleichsöffnungen den höheren Druck einer nachfolgenden Pumpenstufe in einen Zwischenraum der mehrteiligen Trennwand. Dadurch wird eine Wandfläche der mehrteiligen Trennwand durch den höheren Druck dichtend gegen die Rückführkanäle des in Strömungsrichtung davor befindlichen Leitradteiles gepreßt. Bei unsachgemäßem Betrieb einer solchen Pumpe, beispielsweise wenn innerhalb der Pumpe die Entstehung von Dampf zugelassen wird, wirkt ein sich innerhalb der Trennwand ansammelndes Dampfvolumen als kompressibles Medium. Plötzlich auftretende Änderungen der Druckverhältnisse können Druckschwankungen auslösen. Als Folge davon kann ein in die Pumpe einströmendes inkompressibles Medium die Trennwand beschädigen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, solche Schadensmöglichkeiten bei Kreiselpumpen mit mehrteilig aufgebauten Pumpenstufen zu verhindern, ohne dabei den Herstellungs- und Montageaufwand einer damit ausgerüsteten Pumpe zu behindern.

Die Lösung dieses Problems erfolgt mit den Merkmalen des Hauptanspruches. Die zwischen Leitradteil und Stufengehäuse erfolgende Anordnung eines Ringkolbenteiles, auf das ein oder mehrere im Stufengehäuse angeordnete Öffnungen einen höheren Druck einer nachfolgenden Pumpenstufe übertragen, gewährleisten auf kleinstem Raum im Betrieb eine selbständige und sichere Anpressung des Leitradteiles. Mit Hilfe der Öffnungen ist ein Druck, beispielsweise aus einem Radseitenraum eines Laufrades, auf die Fläche des Ringkolbenteiles übertragbar, wodurch dieses eine Anpreßkraft auf das Leitradteil ausübt. Die abdichtenden Mittel zwischen dem Ringkolbenteil und der Stufengehäusewand verhindern einen Druckerlust am Ringkolbenteil. Damit bleibt dessen Anpreßwirkung erhalten und Wirkungsgradverluste durch zurückströmendes Medium werden verhindert. Durch den sehr klein ausgebildeten Raum am Ringkolbenteil wird verhindert, daß sich darin eventuell ansammelnde kleine Dampfvolumina bei Druckschwankungen negativ auswirken können.

Das Ringkolbenteil kann als Einzelteil ausgebildet sein, beispielsweise als Blechformteil und ist bei einer Montage der Pumpe jeweils zwischen Stufengehäuse und Leitradteil einzusetzen. Es ist auch möglich, daß das Ringkolbenteil mit dem Leitradteil einteilig ausgebildet ist. Offen ausgebildete Leitradkanäle weisen dann eine beispielsweise angegossene Ringfläche auf, die unter dem Einfluß eines darauf wirkenden Druckes als Kolbenfläche eines Ringkolbens wirkt.

Die Kontur des Leitradteiles weist eine Durchmessergestaltung auf, die mittels aufeinander abgestimmter Passungen von ineinander liegenden Durchmessern eine radiale Festlegung im Stufengehäuse gewährleistet. Nach der Montage verfügt ein Leitradteil relativ zum umgebenden Stufengehäuse über ein geringes axiales Spiel. Die Größe eines solchen Spieles ist abhängig vom Einsatzgebiet einer damit ausgerüsteten Pumpenkonstruktion. Wenn eine solche Pumpe nur mit kalten Fördermedien in Berührung kommt, ist ein derartiges Axialspiel des Leitradteiles kleiner ausgebildet, als bei einer beispielsweise heiße Medien fördernden Speisepumpe von Kraftwerksanlagen. Das relativ zum Stufengehäuse messbare axiale Spaltspiel eines Leitradteiles liegt im Größenbereich von 0,3 mm und größer.

Je nach Ausbildung des Ringkolbenteiles oder der Stufengehäusewand ist zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Ringkolbenteiles und der Stufengehäusewand ein Raum ausgebildet, in den hinein mit Hilfe der Öffnungen der Druck aus einem Radseitenraum mit höherem Druck übertragen wird. Die Größe des Druckes, multipliziert mit der Größe der druckbelasteten Fläche, ergibt eine auf das Ringkolbenteil und ebenso auf das Leitradteil einwirkende Anpreßkraft. Durch diese wird ein Leitradteil dichtend und lagegesichert gegen ein anderes Stufengehäuse anpreßt.

Zur Aufrechterhaltung des Druckes am Ringkolbenteil sind verschiedene Lösungen möglich. Das Ringkolbenteil kann mit seinem Außendurchmesser und/oder mit einem Spaltringabschnitt dichtend in der Stufengehäusewand geführt sein. Eine vorteilhafte einfache Ausgestaltung sieht ein Dichtungselement, beispielsweise einen O-Ring vor, der auf einem größeren Durchmesser als die Öffnungen zwischen Dichtungselement und Stufengehäuse angeordnet ist. Somit kann der Druck aus einer nachfolgenden Pumpenstufe, beispielsweise aus dem Radseitenraum, mit Hilfe der Öffnungen auf das Ringkolbenteil einer vorangestellten Pumpenstufe übertragen werden. Zur Anpressung wird ein Druck verwendet, der größer ist als der Druck in demjenigen Leitradteil, welches in seiner Position zu halten ist. Durch eine einfache spanabhebende Bearbeitung ist in der Stufengehäusewand oder im Ringkolbenteil ein mit dem höheren Druck belasteter Druckraum geschaffen.

Das Ringkolbenteil ist in einfachster Weise als Blechformteil ausgebildet und kann sehr einfach gestaltet sein, beispielsweise als Ringscheibe oder als im Querschnitt L-förmiger Winkelring ausgebildet sein. Je nach Aufbau kann das Ringkolbenteil selbst als Teil einer Spaltringdichtung oder als Spaltring für ein damit zusammenwirkendes Laufrad dienen oder die Funktion eines Halters für einen Spaltring übernehmen.

Bei Ausbildung des Leitradteiles als geschlossenes, teilweise offenes oder offenes Leitrad kann dieses mit Hilfe der vom Ringkolbenteil ausgeübten Anpreßkraft im Stufengehäuse gehalten werden. Findet ein dünnwandiges Ringkolbenteil Verwendung, so wird dieses bei einer Anlage an offenen Strömungskanälen des Leitradteiles an den Schaufeln an liegen und unter der Druckwirkung geringfügig in die Schaufelkanäle hineingebogen. Damit wird gleichzeitig eine formschlüssige Verdrehsicherung für das Ringkolbenteil erlangt.

In denjenigen Anwendungsfällen, bei denen das Ringkolbenteil einteilig mit dem Leitradteil verbunden ist, beispielsweise indem es darin gußtechnisch integriert ist, wird der Übergang zwischen Stufengehäusewand und Ringkolbenteil strömungsgünstig gestaltet, um Strömungsverluste zu vermeiden. Dichtungselemente sind an jeder Ausführungsform eines Ringkolbenteiles so angeordnet, daß ein Flüssigkeitsaustritt nur in den Raum erfolgen kann, von dem aus die Druckbelastung stattfindet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur als eine Querschnittszeichnung einer mehrstufigen Pumpe gezeigt und wird im folgenden näher beschrieben.

Von einer mehrstufigen Kreiselpumpe sind in Form eines Ausschnittes vier Pumpenstufen dargestellt. In den Stufengehäusen 1.1-1.4 der Pumpenstufen sind vier Laufräder 2 bzw. 2.1 rotierend angeordnet. Aus Richtung eines Pfeiles A strömt ein Fördermedium einem ersten Laufrad 2 zu und erfährt dadurch eine Druckerhöhung. Dem Laufrad 2 nachgeordnet ist ein Leitradteil 3, mit dessen Leitradschaufeln 4 die Geschwindigkeitenergie des vom Laufrad 2 überströmenden Fördermediums in Druckenergie umgewandelt wird. Auch lenkt das Leitradteil 3 das Fördermedium in seiner Strömungsrichtung um. Dazu verfügt das Leitradteil 3 über Rückführschaufeln 5, die die Zuströmung zu einem nachfolgenden, hier dem zweiten Laufrad 2.1, verbessern. Die Drehbewegung der Laufräder 2, 2.1 bewirkt eine Welle 6. Mit Hilfe des Laufrades 2.1 erhält das Fördermedium eine weitere Druckerhöhung. Dieser höhere Druck der in Strömungsrichtung nachgeordneten Pumpenstufe mit dem Stufengehäuse 1.2 existiert in etwa auch in den Radseitenräumen 7, 8 des Laufrades 2.1. Analog verhält es sich bei den anderen Pumpenstufen.

In dem gezeigten Beispiel übertragen Öffnungen 9, die in den die Leitradteile 3 aufnehmenden Stufengehäusen 1.1-1.4 angeordnet sind, den in einem Radseitenraum 7 herrschenden Druck auf ein Ringkolbenteil 10. Diese Öffnungen 9 können als Bohrungen oder Nuten ausgebildet sein. Das Ringkolbenteil 10 kann zwecks einfacher Herstellung vorzugsweise scheibenförmig oder winkelförmig ausgebildet sein. Ein beim Stufengehäuse 1.2 eingezeichnetes und auf größerem Durchmesser angeordnetes Dichtungselement 11, welches beispielsweise als O- Ring ausgebildet sein kann, dient zur Abdichtung eines an dem Ringkolbenteil 10 angrenzenden Druckraumes 12. Der Druckraum 12 ist zwischen einer Stufengehäusewand 13 und dem Ringkolbenteil 10 angeordnet und weist eine in Bruchteilen eines Millimeters meßbare Höhe auf. Er kann in einfacher Weise durch spanabhebende Bearbeitung des Stufengehäuses 1.1 und/oder auch des Ringkolbenteiles 10 hergestellt werden. Die Dichtungselemente 11 und die damit zusammenwirkenden Teile sind so ausgebildet, daß in axialer Richtung vorhandene, sehr geringe Toleranzen durch einen Höhenausgleich der Dichtungen 11 kompensiert werden. Druckverluste infolge der axialen Anpreßbewegung werden damit im Druckraum 12 vermieden.

Der in dem Druckraum 12 herrschende Druck wirkt auf eine Fläche des Ringkolben­ teiles 10. Eine Multiplikation von der Größe der Fläche mit der Größe des Druckes ergibt eine Kraft F, mit welcher das Ringkolbenteil 10 gegen das Leitradteil 3 gepreßt wird. Diese Kraft F drückt wiederum das Leitradteil 3 im Bereich der hier offen dargestellten Leitkanäle 14 dichtend und verdrehsichernd an eine Fläche 15 der die Leitradkanäle 14 verschließenden Stufengehäusewand 13.

In der Figur sind drei verschiedene Bauformen eines Ringkolbenteiles 10 gezeigt. In der Pumpenstufe mit dem Stufengehäuse 1.3 ist das Ringkolbenteil 10 als ebenes, ringförmiges Bauteil ausgebildet. Zwei Dichtungselemente 11, auf kleinerem und größerem Durchmesser liegende Ringdichtungen, wie O-Ringe oder dergleichen, bilden die Abdichtung für den Druckraum 12, der an das Ringkolbenteil 10 angrenzt. Das Ringkolbenteil 10 ist hier als eigenständiges Bauteil ausgebildet. Die Stufengehäusewand 13 weist eine Öffnung auf, in die ein Laufradhals 16 eintaucht, wobei die Stufengehäusewand 13 des Stufengehäuses 1.3 und ein Laufradhals 16 eine Spaltdichtung ausbilden.

Die Ausführungsform des Ringkolbenteiles 10 in dem Stufengehäuse 1.4 unterscheidet sich von der Ausführungsform vom Stufengehäuse 1.3 dadurch, daß das Ringkolbenteil 10 fester Bestandteil des Leitradteiles 3 ist. Beispielsweise bei dessen Ausbildung als Gußteil kann es zusammen mit den Rückführschaufeln 5 gegossen werden. Ein in der Stufengehäusewand 13 angeordneter Spaltring 17 dient zur statischen Abdichtung dieser Pumpenstufe gegenüber dem Laufrad.

Die Darstellung in der Pumpenstufe mit dem hier ersten Laufrad 2, in dem Ausführungsbeispiel ganz rechts, zeigt ein Ringkolbenteil 10, welches durch einen angeformten Abschnitt 10.1 gleichzeitig die Funktion eines Spaltringes übernimmt. Die Stufengehäusewand 13 weist dazu im Bereich der Öffnung für einen Laufradhals 16 eine Führung 18 auf, um die Spaltringfunktion im Abschnitt 10.1 des Ringkolbenteiles 10 zu gewährleisten. Bei entsprechender Wahl des Spaltspieles zwischen der Führung 18 und dem Abschnitt 10.1 des Ringkolbenteiles 10, kann der dazwischen bestehende Ringspalt als Druck übertragende Öffnung 9 für den Druckraum 12 dienen.

Bei entsprechend dünnwandiger Ausbildung des Ringkolbenteiles 10 wird sich dieser unter der Wirkung der Anpreßkraft F im Bereich zwischen den einzelnen Rückführschaufeln 5 geringfügig verformen. Diese Verformung reicht aus, um gleichzeitig als Verdrehsicherung für das Ringkolbenteil 10 zu dienen. Damit wird eine Rotation desselben während des Pumpenbetriebes verhindert. Aufgrund der Führung 18 ist der als Spaltring ausgebildete Ringkolbenteil 10, 10.1, unter der Wirkung der Anpreßkraft F im Rahmen der Toleranzen axial verschiebbar und überträgt damit die in axialer Richtung wirkende Kraft F auf das Leitrad 3. Diese Kraft bewirkt in jedem Fall eine so hohe Anpreßkraft im Bereich der Leitschaufeln 4, daß auf eine weitere mechanische Verdrehsicherung für das Leitradteil 3 verzichtet werden kann.

Zwischen den Stufengehäusen 1.1 bis 1.4 angeordnete Dichtungselemente 19 verhindern einen Flüssigkeitsaustritt nach außen. Die Leitradteile 3 sind mit ihren Außendurchmessern in den Stufengehäusen radial geführt. Die Stufengehäuse 1.1- 1.4 können durch bekannte Mittel zusammengehalten werden, beispielsweise durch äußere Spannelemente, Verschraubungen, Flansche oder auch durch ein weiteres Gehäuse.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die in der Darstellung gezeigten Ausführungsform beschränkt. Sie kann auch bei anderen Strömungsmaschinen radialer oder halbaxialer Bauart mit mehrteilig aufgebauten Leiteinrichtungen Anwendung finden.

Claims (13)

1. Leiteinrichtung mit mehreren Leitschaufeln, in mehrteiliger Bauart, insbesondere für Kreiselpumpen mit Laufrädern (2, 2.1) radialer und/oder halbaxialer Bauart, wobei eine Leiteinrichtung aus einem Stufengehäuse (1.1- 4) und einem darin angeordneten beschaufelten Leitradteil (3) besteht, Mittel zur Halterung der Teile vorgesehen sind und ein innerhalb der Leiteinrichtung vorhandener Druck anpressend auf die Teile wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringkolbenteil (10, 10.1) zwischen Leitradteil (3) und Stufengehäuse (1.1-1.4) angeordnet ist, daß ein oder mehrere, einen Druck auf das Ringkolbenteil (10, 10.1) übertragende Öffnungen (9) in einer Stufengehäusewand (13) angeordnet sind, daß Dichtungselemente (11) zwischen Stufengehäusewand (13) und Ringkolbenteil (10) angeordnet sind und daß das Ringkolbenteil (10) eine Anpreßkraft (F) auf das Leitradteil (3) überträgt.

2. Leiteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringkolbenteil (10) als Einzelteil ausgebildet ist.

3. Leiteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringkolbenteil (10) mit dem Leitradteil (3) einteilig ausgebildet ist.

4. Leiteinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Dichtungselement (11) zwischen Stufengehäuse (1.1-1.4) und Ringkolbenteil (10) angeordnet ist.

5. Leiteinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (9) aus einem Radseitenraum (7) eines Laufrades (2, 2.1) einen Druck übertragen.

6. Leiteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ringkolbenteil (10) und Stufengehäusewand (13) ein Druckraum (12) angeordnet ist.

7. Leiteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringkolbenteil (10, 10.1) als Blechformteil ausgebildet ist.

8. Leiteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringkolbenteil (10) als Teil einer Spaltringdichtung oder als Spaltring (10.1) ausgebildet ist.

9. Leiteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringkolbenteil (10) eine Anpreßkraft (F) auf das Leitradteil (3) ausübt.

10. Leiteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle in dem Leitradteil (3) als offene oder teilweise offene Kanäle (14) ausgebildet sind.

11. Leiteinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringkolbenteil (10) offene Strömungskanäle ganz oder teilweise abdeckt.

12. Leiteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das an den Rückführschaufeln (5) anliegende Ringkolbenteil (10,10.1) formschlüssig gegen Verdrehung gesichert ist.

13. Leiteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringkolbenteil (10) mit seinem Außendurchmesser und/oder einem Spaltringabschnitt (10.1) in der Stufengehäusewand (13) geführt ist.