DE2217292A1 - Rotodynamische Stromungsmaschine - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KREISLER . DR.-ING. SCHÖNWALD 2217292 DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL.-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLOPSCH DIPL.-ING. SELTING

5 KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

10. April 1972 Sch-DB/1s

Weir Pumps Limited

149 Newlands Rfod, Cathcart, Glasgow S. 4., Schottland

Rotodynamische Strömungsmaschine

Die Erfindung betrifft rotodynamische Strömungsmaschinen, insbesondere rotodynamische Pumpen.

Wenn eine rotodynamische Pumpe mit geringer Last arbeitet, v/erden die LeistungsVerluste in der Pumpe durch einen Wärmeverlust hervorgerufen, der von dem in der Pumpe behandelten Arbeitsfluid absorbiert wird. Eine Besonderheit rotodynamischer Pumpen besteht darin, daß bei niedrigen Belastungen geringe Strömungsveränderungen einen starken Temperaturanstieg zur Folge haben. Wenn der Temperaturanstieg des Arbeitsfluids die absolute S^:ittigungsteniperatur bei speziellem Fluiddruck übersenreitet, kann in der Pumpe aufgrund des "flash-Effektes" des Fluids an den Drosselflächen der Pumpe eine unerwünschte Dampfbildung (Kavitation) eintreten.

Bei einer bekannten Anordnung wird zur Verhinderung der auf einem über das Erlaubte hinausgehenden Temperaturanstieg beruhenden Kavitation in der Pumpe eine

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Rückführleitung vorgesehen. Diese Rückführleitung dient der Rückführung des Austrages der Pumpe an einer Stelle in der Förderleitung stromaufwärts eines Rückschlagdruckventiles zu einem Luftabscheider(oder Heiζsammelbehälter), wobei in die Rückführleitung eine Fluiddruckreduzieröffnung eingeschaltet ist. Das Druckventil weist eine Hand- oder Automatiksteuerung auf, die die Rückführung des Austrages durch die Rückführleitung während der Perioden geringer Belastung oder der Abschaltung gewährleistet. Die Rückführung arbeitet mit kontinuierlichem Rückfluß zum Luftabscheider, wobei die Menge des Bypasses zwischen 5 bis 20 % der Pumpennormalleitung variiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Verhinderung der unerwünschten Dampfbildung in mit geringer Last arbeitenden Pumpen zu schaffen.

Bei einer rotodynamisehen Strömungsmaschine mit einem Gehäuse, das einen Einlaß und einen Auslaß für das Arbeitsfluid aufweist, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man aus dem Gehäuse Leckfluid abzieht, das abgezogene Fluid kühlt und das gekühlte Fluid zum Einlaß der Maschine zurückführt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine rotodynamische Fluidmaschine mit einem einen Einlaß und einen Auslaß für das Arbeüsfluid aufweisenden Gehäuse dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführleitung zur Rückführung des Leckfluids aus dem Gehäuse in den Einlaß vorgesehen ist, und daß in die RUckführleitung Wärmetauscher zur Kühlung des zurückgeführten Fluids eingeschaltet sind.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand in der

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Zeichrung dargestellter Beispiele näher erläutert. Es zeiger,:

Fig. 1 ein' Schema einer rotodynamisehen Pumpenanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Schema einer rotodynamisehen Pumpenanlage einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 Diagramme -der Funktionscharakteristika einer erfindungsgemäßen Pumpenanlage.

Fig. 1 l^:ißt erkennen, daß die nicht gezeichnete Laufrad-'velle einer rotodynami sehen Pumpe 1 senkrecht angeordnet ist, daß ihre Saugseite 2 mit dem Speisefluid, z.B. Wasser, aus einem Luftabscheider 5 senkrecht über der¹ Pumpe gespeist wird, und daß die Verbindungsleitung 4 zwischen dem Luftabscheider j5 ^und ob"¹ Pumpenansaugseite 2 ein Absperrventil 5 aufweist. Die Pumpenlaufradwelle wird von einer Dampfturbine 6 angetrieben; Jedoch kann auch jode andere geeignete Kraftquelle, z.B. ein Elektromotor, verwendet werden. Der Austrag der Pumpe 1 wird durch eine Auslaßleitung 7 über ein Rücksehlagdruckventil 8 dem nicht gezeichneten Empfänger, beispielsweise zur Kespelspeisung, zugeführt. Der Luftabscheider 3 wird über eine Zuführungsleitung 9 von einer nicht gezeichneten geeigneten Quelle, z.B. dem Kondensator einer Dampfturbine, mit Kondensat gespeist.

In der Pumpe treten beispielsweise an ihren Dichtungsund Lagerflächen hydraulische Leckverluste auf und ein Merkmal der vorliegenden Pumpenanordnung besteht darin, diese leckmenge zu sammeln und über eine Rückführleitung IC der An.saugselt-e 2 der Pumpe 1 wieder zuzuführen, um sie mit dem Speisewasser zu mischer.. Außerdem ist in

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die Rückführleitung 10 ein Wärmetauscher 11 eingeschaltet, der der Kühlung des zurückgeführten Leckwassers dient. Sekundärkühlfluid (z.B. Kaltwasser) wird dem Wärmetauscher 11 über eine Einlaßleitung 12 zugeführt und durch eine Austragleitung 13 aus diesem abgezogen. Der Leckstrom durchfließt den Wärmetauscher 11.

Zweck der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung ist es, sicherzustellen, daß die Temperatur des durch die Pumpe 1 hindurchströmenden Wassers sich der absoluten Sättigungstemperatur des Wassers bei dem besonderen Wasserdruck nicht zu sehr nähert, was insbesondere dann wahrscheinlich ist, wenn die Pumpe bei geringer Belastung arbeitet. Daher ist ein Strömungssensor 15 vorgesehen, der die Fördermenge der Pumpe 1 mißt und über eine Signalleitung 16 mit einem Steuerventil 17 in dem Sekundärkühlwasserleitungssystem 12, 13 in Wirkverbindung steht. Das Steuerventil I7 befindet sich in der Austragleitung 13 des Systems. Diese Anordnung ist vorteilhaft, weil sie gewährleistet, daß der Wärmetauscher während des Pumpenbetriebes hinreichend mit Kühlwasser gefüllt ist. Alternativ kann das .Absperrventil jedoch auch in die Einlaßleitung 12 eingeschaltet werden. Die Steuereinrichtung funktioniert so, daß ein Signal von.dem Hauptregelkreis ausgeht, so daß bei unzureichender Austragströmung, insbesondere bei sehr niedrigen Pumpenbelastungen, das Steuerventil I7 von dem Sensor 15 Signale erhält, damit dem Wärmetauscher Kühlfluid zugeführt wird, das das rückströmende Fluid in erforderlichem Maße kühlt. Durch die Beimischung des gekühlten Leckwassers zu dem Speisewasser wird die Temperatur des zu dem Pumpenlaufrad strömenden Speisewassers so reduziert, daß die erreichbare Maximaltemperatur des Wassers in der Pumpe gesteuert werden kann, um Dampfbildungen zu verhindern, die sich aus einem Anstieg der Wassertemperatur über

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die absolute Sättigungstemperatur ergeben.

In dem Beispiel gemäß Fig. 3 wird der Pumpe Beschickungsgut mit 93 psi g bei 320 F zugeführt; bei diesem Druck beträgt die absolute Sättigungstemperatur 333«5°F. Es ist vorgesehen, daß der Anstieg der Wassertemperatur in der Pumpe sich zur Vermeidung des "flashing-Effektes" innerhalb 5 F nicht dieser Sättigungstemperatur nähert. Das zurückgeführte Leckwasser wird daher gekühlt, um sicherzustellen, daß die Wassertemperatür in der Pumpe diesen Sollwert, d.h. 5°F unterhalb der Sättigungstemperatur, nicht überschreitet.

Die zweite in Fig. 2 wiedergegebene Ausführungsform der Erfindung ähnelt derjenigen gemäß Fig. 1 und gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist die ermittelte Kondition die Temperatur des Leckwassers, die die Temperatur in der Pumpe wiedergibt. Daher wird in die Rückführungsleitung vor der Einmündung in den Wärmetauscher ein Temperatursensor 18 eingeschaltet, der die Temperatur des von der Pumpe 1 geförderten Leckwassers ermittelt und der über eine Signalleitung 19 mit dem Steuerventil-17 in der Sekundärkühlfluideinlaßleitung 12 in Wirkverbindung steht. Wenn die Tem-' peratur des Leckfluids ein vorgegebenes Niveau überschreitet, wird das Steuerventil 17 betätigt, so daß dem Wärmetauscher Kühlfluid zufließt, das das rückströmende Fluid in erforderlichem Maße kühlt. Wiederum wird das von dem Wasser in der Pumpe erreichte Temperaturmaximum gesteuert, um Dampfbildung zu verhindern, die sich aus dem Anstieg der Wassertemperatur über die absolute Sättigungstemperatur ergibt.

Die Sollwertgenauigkeit des Sensors 18 liegt inner-

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halb 2⁰P und kann zum Schutz gegen Falscheinstellungen mit einer gesicherten Schutzabdeckung versehen sein. Bei Versagen des Temperatursensors 18 oder Änderung des Zuflusses zum Steuerventil setzt die Kühlung ein, wodurch jeder anormale Temperaturanstieg verhindert wird, d.h. das Kühlventil ist ausfallsicher.

Die erläuterte erfindungsgemäße Pumpenanordnung ist bei allen Betriebsbedingungen geschützt und besitzt gegenüber dem bekannten System folgende Vorteile:

a) IhB Betriebsleistung ist bei geringer Belastung höher.

b) Sie arbeitet leise und erfordert keine Druckabsenkung über eine öffnung.

c) Aufgrund der verringerten notwendigen Fluidkapazität ist die Verwendung von Leitungen geringeren Querschnitts möglich.

d) Die Kosten eines Bypass-Ventiles und einer Rückführleitung zum Luftabscheider werden vermieden, wodurch sich ein beträchtlicher Kostenvorteil ergibt.

e) Die Einrichtung ist selbstschützend ausgebildet.

Bei den beschriebenen erfindungsgemäßen Einrichtungen wird nur die Wärme bei niedrigen Zulaufströmungen beseitigt, die an ihrer Quelle eine gefährliche Überheizung verursachen könnte. Die Einrichtung verbessert die Leistungsfähigkeit des Systems. Dies unterscheidet sich von der Anordnung,bei der beispielsweise die Zuführung vom Luftabscheider zur Pumpensaugseite mittels eines Kühlers in der Speiseleitung gekühlt wird: im Falle der vorliegenden Anordnung kann die Temperatur des Be-

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schickungsgutes so hoch gehalten werden wie die Wärmerückgewinnung des Systems erlaubt, um das gesamte Wärmegleichgewicht des Systems zu verbessern und die Einrichtung hat den Vorteil, daß beim Normalsystem Wärme gewonnen wird, die durch die Strömungsunterschiede und
Strahlungsverluste in den B,■^rpass-Rückführleitungen verlorengegangen ist.

Obwohl bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform der Erfindung die Austragrate des von der Pumpe geförderten Fluids gemessen wurde, könnte man alternativ das Steuerventil mittels anderer Konditionen des geförderten
Fluids betätigen.

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Claims (1)

1. A η s p r ü ehe

   1JVerfahren z\ar Reduzierung der Dampfbildung (Kavitation) ^-^ bei niedrigen Belastungen in einer rotodynamisehen Fluidmaschine mit einem Gehäuse, das einen Einlai3 und einen Auslaß für das Arbeitsfluid aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man aus dem Gehäuse Leckfluid abzieht, das abgezogene Fluid kühlt und das gekühlte Fluid zum Einlaß der Maschine zurückführt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kondition des von der Maschine geförderten Fluids ermittelt und das abgezogene Fluid bei unzureichender Kondition gekühlt wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Fluidausströmung ermittelt wird.

   4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet , daß ma.n die Temperatur des Arbeitsfluids innerhalb des Maschinengehäuses ermittelt und bei unbefriedigender Temperatur das abgezogene Fluid kühlt.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekernzeichnet, daß man die Temperatur des abgezogenen Fluids mißt und es in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur kühlt, die die Temperatur des Arbeitsfluids innerhalb des Maschinengehäuses kennzeichnet.

   6. Rotodynamische Fluidmaschine mit einem einen Ein-BADORIGINAL 209844/1083 "9-

   laß und einen Auslaß für das Arbeitsfluid aufweisenden Gehäuse , dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführleitung (10) zur Rückführung des LeckO-uids aus dem Gehäuse (l) in den Einlaß (2) vorgesehen ist, und daß in die Rückführleitung (10) Wärmetauscher (11) zur Kühlung des zurückgeführten Fluids eingeschaltet sind.

   7· Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Reguliermittel (1?) vorgesehen sind, die die Wärmeübertragungsrate in dem Wärmetauscher (11) und damit die Temperatur des ■ aus dem Wärmetauscher austretenden Leckfluids regeln.·

   8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch g e k ennze i chne.t , daß eine Meßvorrichtung (15) zur Ermittlung der Strömungsmenge' des von der Maschine (l) geförderten Fluids vorhanden ist, und daß die Regulierrnittel zu einem Steuerventil (17) zur Regelung des Kühlflüssigkeitsstromes zum Wärmetauscher (11) gehören, wobei der Strömungsmengenmesser (15) mit dem Steuerventil (17) so in Wirkverbindung steht, daß die Temperatur des zurückgeführten Leckfluids in Abhängigkeit von der Ausströmrate des Arbeitsfluids der Fluidmaschine einstellbar ist.

   9· Maschine nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet ," daß ein Temperaturfühler (18) zur Messung der Temperatur des zurückgeführten LeckfluLds vorgesehen ist, und daß die Reguliermittel zu einem Steuerventil (17) zur Regelung des Kühlflüssigkeitsstromes zum Wärmetauscher (11) gehören, wobei der Temperaturfühler (l8) mit dem Steuerventil (1.7) rs ο in Wirkverbindung steht, daß die Temperatur df);; zuriinkgeführlen Leckfluids in Abhängigkeit von

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   der Temperatur des Leckfluids am Auslaß der· FluidmaG ch ine e i η s te11ba r ist.

   IC. Maschine nach Anspruch '<■ oder 9> d ^a d u i' ^{c rl}

   g e k e π η γ e i c h net, daß das Steuerventil (17) in eine Aur.laßleitung (I3) f"'ir den Austr'ag des Kühlflaids aan dem V/rirmetauscher (11) eingeschaltet ist;.

   11. Maschine: nach Anspruch 8 oder 9> d a d u r c h

   E e k e η η ζ e i c h η e t , daß das Steuerventil (17) in eine ",inlaßleit.mg (12) zur Zuführung des
   i'ühlfluids zum wärmetauscher (11) eingeschaltet ist,

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