DE2361328C2 - Zentrifugalpumpe mit Gasabführung aus dem Laufrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kreiselpumpen sind normalerweise nicht in der Lage. Flüssigkeiten und Gase gleichzeitig zu fördern. Die im Kreiselpumpenlaufrad auftretenden starken Zentrifugalkräfte bewirken eine Trennung des nicht homogenen Fördermediurns in Flüssigkeit und Gas. In Nabennähe des Laufrades bildet sich ein Gas- bzw. Schaumkern, der zur Verringerung der Fördermenge der Pumpe führt oder die Förderung der Pumpe ganz aussetzen läßt. Bekannt sind Kreiselpumpen, bei denen durch zusätzliche Turbulenzerzeugung im Laufrad und/oder durch Turbulenzerzeugung vor bzw. nach dem Laufrad, die in das Laufrad hineinwirkt, das sich abscheidende Gas mit der Flüssigkeit immer wieder verwirbelt und so das Gas mit durch das Laufrad gerissen wird. Bekannt sind weiter Kreiselpumpen zur kurzzeitigen Förderung von gashaltigen Flüssigkeiten während des Anfahrens zum Evakuieren der Saugleitung, die mit Strahl-, Seitenkanalrad- oder Verdrängerpumpen so gekoppelt sind, daß der sich im Kreiselpumpenlaufrad ausbildende Gas- bzw. Schaumkern durch nabennahe Bohrungen abgesaugt

ίο wird und das Gas bzw. der Schaum durch die volumetrisch kleinere Strahl-, Seitenkanalrad- oder Verdrängerpumpe meist mit in den Druckstutzen der Kreiselpumpe gefördert wird.
Nach einer anderen bekannten Lösung zur Entlüftüng der Saugleitung und des Laufrades von Kreiselpumpen mit ein- und auskuppelbaren Rilfsansaugvorrichtungen ist das Kreiselpumpenlaufrad ebenfalls mit nabennahen Bohrungen und zusätzlich auf seiner Rückseite mit zentrifugalwirkenden Schaufeln versehen, wobei der Entlüftungskanal zur Hilfsansaugvorrichtung in Nabennähe oder direkt in der Laufradnabe auf der Rückseite des Laufrades beginnt

Dadurch soll gewährleistet werden, daß die mit dem Schaum durch die nabennahen Öffnungen im Laufrad in den Schaufelraum auf der Laufradrückseite eintretenden Schmutzteile dort durch die Zentrifugalkräfte radial abgeschleudert werden und nicht in die empfindlichere Hilfsansaugvorrichtung gelangen können. Hinzu kommt noch, daß die für die Absaugung des Schaumes durch die nabennahen öffnungen im Laufrad eingesetzten Strahl-, Seitenkanal- oder Verdrängerpumpen grundsätzlich einen niedrigen hydraulischen Wirkungsgrad besitzen, da sie für die Förderung eines Zweiphasensystems ausgelegt sein müssen. Durch diesen nicht unerheblichen Leistungsbedarf wird der Gesamtwirkungsgrad dieser kombinierten Förderpumpen weiter verringert. Die beschriebenen Lösungen sind sämtlich nicht in der Lage, die Dispersion Gas-Flüssigkeit effektiv zu trennen.

Aus der DE-OS 20 16 887 ist eine Pumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dort sind konzentrisch in der Nabe des Laufrades zur Rückseite führende Kanäle vorgesehen. Um Gas aus dem Zentrum abströmen zu lassen, sind die Kanäle möglichst nahe an der Nabenachse und nach vorn geneigt angeordnet. Ein als Dichtstufe bezeichnetes Rückschaufelrad fördert die mitgerissene Flüssigkeit über Dichtspalte in den Druckraum der Pumpe zurück. Das Gas entweicht über einen Wellenspalt, Gassammeiraum und Rohrleitung aus der Pumpe. Mit dieser Lösung soll erreicht werden, daß sich ein Gaspolster im Laufrad ausbildet und sich damit die Förderleistung entsprechend der Flüssigkeitszulaufmenge selbständig einreguliert. Bei der Abführung von Schaum durch nabennahe Bohrungen wird zwar der sich in der Nabennähe bildende Schaumkern abgeführt und dadurch eine stabile Förderung der Pumpe gesichert, jedoch scheidet sich das Gas ständig im gesamten Laufradkanal ab und strömt entgegen der Fördereinrichtung im Laufrad zur Laufradnabe zurück. Dabei verstärken sich die Zentrifugalkräfte im Laufrad, die zur Trennung des gashaltigen Fördermediurns führen, quadratisch mit der radialen Ausdehnung des Laufrades. Das gesamte Rückströmen von Gas verringert einmal den Durchtrittsquerschnitt für die Flüssigkeit in den Laufradkanälen, was eine geringere Fördermenge zur Folge hat, und führt zum anderen zu zusätzlichen Turbulenzverlusten im Laufrad, wodurch sich der hydraulische Wirkungsgrad wesentlich verschlechtert.

Diese nachteiligen Wirkungen werden auch nicht durch die aus der DE-PS 4 83 919 bekannten Anordnung von öffnungen über die gesamte Fläche der Nabenscheibe verhindert

Aus der US-PS 11 01 493 ist es bekannt, daß die öffnungen in der Nabenscheibe in der Nähe der Saugseite der Laufradschaufeln angeordnet sind.

Aus der DE-AS 11 26 250 ist es bekannt, daß sich die Querschnitte der Laufradkanäle in Strömungsrichtung gegenüber der Auslegung für reine Flüssigkeitsförderung zusätzlich verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Gasabscheidung im Laufrad durch die Gestaltung und die Lage der öffnungen in der Nabenscheibe im Zusammenwirken mit geeigneter Rückenbeschaufelung und besonderer Maßnahmen der Laufradkanalgestaltung sowie der Gasabführung zu verbessern, um dadurch die Förderung und Trennung von gashaltigen Flüssigkeiten mit einem Gasanteil von mehr als 50% bei einem hohen hydraulischen Wirkungsgrad stabil zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Zentrifugalpumpen mit öffnungen in der Nabenscheibe des Laufrades die öffnungen in der Nabenscheibe in der Nähe der Saugseite der Laufradschaufeln angeordnet sind und sich ihr Querschnitt vom Schaufelanfang bis in die Nähe des Schaufelendes ständig verringert und/oder deren Abstand sich vom Schaufelanfang bis in die Nähe des Schaufelendes ständig vergrößert Weiterhin werden die Kanälquerschnitte im Laufrad in Strömungsrichtung gegenüber der Auslegung für reine Flüssigkeitsförderung entsprechend der Volumenverringerung des gashaltigen Fördermediums durch die Abführung von Schaum aus den Laufradkanälen durch die öffnungen und durch die Verdichtung des noch im Fördermedium verbleibenden Gases zusätzlich verringert.

Dadurch wird gewährleistet, daß das sich im gesamten Laufradkanal aus dem gashaltigen Fördermedium ständig zur Schaufelsaugseite abscheidende Gas durch die öffnunge , die als Drosselstellen wirken, ohne Rückströmung bis zur Laufradnabe entweichen kann und es werden Verzögerungen der Strömung im Laufradkanal durch die Volumenverringerung des Förderstromes, die das Abreißen der Strömung von der Wand und damit größere Strömungsverluste begünstigen, vermieden.

Es werdeü somit durch die erfindi ngsgemäße Ausführung die durch die Schichtung des inhomogenen Mediums i.m Laufradkanal und durch die Volumenverringerung zwangsläufig auftretenden Turbulenzverluste auf ein Minimum reduziert.

Auf der Rückseite der Laufradnabenscheibe sind in an sich bekannter Weise zentrifugal wirkende Schaufeln angeordnet, von denen jedoch zumindest ein Teil im gleichen oder geringeren radialen Achsabstand beginnen als dem der der Achse am nächsten liegenden Öffnungen der Nabenscheibe des Laufrades und alle Schaufeln in einem erheblich größeren radialen Achsabstand enden als die Schaufeln der Nabenscheibenvorderseite. Dadurch wird erreicht, daß der Bereich der Öffnungen auf der Rückseite des Laufrades frei von Förderflüssigkeit bleibt und in diesem Bereich der aus den Laufradöffnungen austretende Schaum durch die auf ihn einwirkenden Prall- und Zentrifugalkräfte getrennt wird in Förderflüssigkeit, die durch die nur für Flüssigkeitsförderiipg ausgelegte Rückbeschaufelung hydraulisch verlustarm in den Druckraum der Pumpe gefördert wird, und in G'js, welches erfindungsgemäß über ein oder mehrere Gasabführungskanäle entfernt wird, die in einem geringeren radialen Achsabstand als

den der der Achse am nächsten liegenden Öffnungen der Nabenscheibe des Laufrades beginnen. Dadurch ist der Gasstrom weitgehendst frei von Förderflüssigkeit

und entweicht entweder mit geringem Überdruck oder es kann eine Absaugvorrichtung eingesetzt werden, die für reine Gasförderung ausgelegt ist und daher das Gas mit gutem hydraulischen Wirkungsgrad absaugt.

Das Rückströmen von Förderflüssigkeit aus dem

ίο Druckraum der Pumpe in die Gasabführungskanäle wird bei einflutigen Pumpen dadurch verhindert daß erfindungsgemäß die bei einflutigen Laufrädern im allgemeinen vorhandene, die Schaufeln auf der Rückseite der Nabenscheibe abdeckende Scheibe in einem größeren radialen Achsabstand endet als die Schaufeln der Nabenscheibenrückseite und diese Scheibe mit dem Pumpengehäuse dort in an sich bekannter Weise einen Drosselspalt bildet und daß zwischen Pumpengehäuse und dem nicht abgedeckten Teil der Schaufeln ein mögliehst geringer Spalt vorhanden ist. Der durch den Drosselspalt dringende Flüssigkeitsstrom , .rd so durch die Rückbeschaufelung des Laufrades wieaer η den Druckraum der Pumpe gefördert
Die Absaugvorrichtung für das sich in der Pumpe abscheidende Gas erfordert einen zusätzlichen maschinentechrrjchen Aufwand und Energiebedarf. Die Absaugvorrichtung kann jedoch vollkommen eingespart werden, wenn erfindungsgemäß der Zulaufdruck zur Pumpe so groß gewählt wird, daß der Druck auf der Nabenscheibenrückseite im Bereich oer Bohrungen größer ist als der Druck in dem Raum, in dem die Gasabführungskanäle aus der Pumpe enden. Zur Anpassung an den jeweiligen Gasgehalt kann ein Drosselorgan in der Gasabführungsleitung vorgesehen werden, wodurch eine Förderung mit maximalem Wirkungsgrad erreicht wird. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß stark gashaltige Flüssigkeiten mit einem Gasanteil bis über 50% weitestgehend entgast und mit hohen hydraulischen Wirkungsgrade!, auch bei sehr verschiedenen Förderbedingungen und schwankenden Gasgehalten sicher gefördert werden können. Es wurden mit Versuchspumpen z. B. bei einer Fördermenge von 2000 mVh hydraulische Wirkungsgrade erreicht, die bei einem Fördermedium mit einem Gasanteil von 40% bei 90 bis 95% des für homogene Flüssigkeiten erreichbaren liegen.

Die erfindungsgemäße Lösung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen nähsr erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

F i g. 1 den Längsschnitt durch eine einstufige Zentrifugalpumpe,

F i g. 2 das Laufrad nach F i g. 1 im Querschnitt,
F i g. 3 den Längsschnitt durch ein doppelflutiges Laufrad,

F i g. 4 das Laufrad nach F i g. 3 im Querschnitt.

Die F i g. 1 zeigt eine einstufige Kreiselpumpe, in der ein zentrifugalwirkendes Laufrad, bestehend aus einer Nabenscheibe 1, den Laufradschaufeln 3, den Schaufeln 5 auf der Nabetifheibenrückseite und der Abdeckscheibe 7 in einem Pumpengehäuse 8 auf einer Antriebswelle 12 angeordnet ist. In der Nabenscheibe Il des Laufrades sind, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, in unmittelbarer Nähe der Saugseite der Laufradschaufeln 3 vom Schaufelanfang beginnend bis in die Nähe des Schaufelendes öffnungen 2 in etwa gleichem Abstand angeordnet, die von Schaufelanfang bis Schaufeiende kleiner werden. Die Querschnitte der Laufradkanäle 4 verringern sich in Strömungsrichtung gegenüber der Auslegung für reine

Flüssigkeitsförderung zusätzlich entsprechend der Volumenverringerung des gashaltigen Mediums durch die Abführung von Schaum aus den Laufradkanälen 4 durch die öffnungen 2 und durch die Verdichtung des noch im Fördermedium verbleibenden Gases.

Von den radial angeordneten Schaufeln 5 auf der Rückseite der Nabenscheibe t beginnen ein Teil in einem geringeren Achsabstand als dem der der Achse am nächsten liegenden öffnungen 2. Alle Schaufeln 5, die Nabenscheibe 1 und die Abdeckscheibe 7 enden in einem erheblich größeren radialen Achsabstand als die Laufradschaufeln 3.

Die Abdeckscheibe 7 beginnt in einem größeren radialen Achsabstand als die Schaufeln 5 auf der Nabenscheibenrückseite und bildet dort mit dem Pumpengehause 8 einen Drosselspalt 9. Zwischen dem nicht abgedeckten Teil der Schaufeln 5 und dem Pumpengehäuse 8 ist nur ein geringer Spalt vorhanden.

!π einem geringeren radialen Achsabstand als dem der der Achse am nächsten liegenden öffnungen 2 in der Nabenscheibe 1 beginnt ein ringförmiger Gasabführungskanal 6, der mit einer Gasabführungsleitung 10 in Verbindung steht. In der Gasabführungsleitung 10 ist ein Drosselorgan 11 angeordnet.

Die F i g. 3 und 4 zeigen die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung bei einem doppelflutigen Laufrad.

Auf der Antriebsweile 12 ist ein doppelflutiges zentrifugalwirkendes Laufrad angeordnet, das aus den Nabenscheiben 1. den Laufradschaufeln 3 und den zwisehen den zwei Nabenscheiben 1 angeordneten Schaufeln 5 besteht. In den Näbenscheiben 1 des Laufrades sind in unmittelbarer Nähe der Saugseite der Laufradschaufeln 3 vom Schaufelanfang beginnend bis in die Nähe des Schaufelendes längliche öffnungen 2 gleicher Größe vorhanden, die von Schaufelanfang in Richtung Schaufeiende in immer größeren Abständen angeordnet sind.

Die Querschnitte der Laufradkanäle 4 verringern sich in Strömungsrichtung gegenüber der Auslegung für reine Flüssigkeitsförderung zusätzlich. Die Schaufeln 5 zwischen den Nabenscheiben 1 sind vorwärtsgekrümmt und beginnen in einem geringeren Achsabstand als dem der der Achse am nächsten liegenden öffnungen 2.

Alle Schaufeln 5 und die Nabenscheiben 1 enden in einem größeren radialen Achsabstand als die Laufradschaufeln 3. In einem geringeren radialen Achsabstand als dem der der Achse am nächsten liegenden öffnungen 2 in der Nabenscheibe 1 beginnen in den Laufradnabenscheiben 1 mehrere Gasabführungskanäle 6, die zu Gasabführungsleitu>igen mit Drosselorganen führen. Bei der Förderung einer gashaltigen Flüssigkeit durch eine Pumpe gemäß F i g. 1 und 2 oder eine Pumpe mit einem Laufrad gemäß F i g. 3 und 4 entweicht das sich im gesamten Laufradkanal 4 auf Grund der Zentrifugalkräfte im Laufrad ständig zur Saugseite der Laufradschaufeln 3 abscheidende Gas in Form von Schaum durch die öffnungen 2 in den Nabenscheiben 1 auf die Nabenscheibenrückseiten. Durch die zusätzliche Verringerung der Querschnitte der Laufradkanäle 4 in Strömungsrichtung gegenüber der Auslegung für reine Flüssigkeitsförderung werden dabei Verzögerungen der Strömung durch die Volumenverringerung des Förderstromes vermieden. Der durch die öffnungen 2 auf die Nabenrückseite tretende Schaum trennt sich unter der es Wirkung der Zentrifugalkräfte in Förderflüssigkeit und Gas.

Der Flüssigkeitsanteil des Schaumes wird durch die Schaufeln 5 auf der Rückseite der Nabenscheiben 1 in den Druckraum der Pumpe gefördert. Durch die größere radiale Ausdehnung der Schaufeln 5 gegenüber den Laufradschaufeln 3 wird dabei erreicht, daß der Bereich der Öffnungen 2 auf der Rückseite der Nabenscheibe 1 frei von Förderflüssigkeit bleibt. Das Gas wird entweder über die Gasabführungskanäle 6, die Gasabführungsleitung 10 und das Drosselorgan 11 durch eine entsprechende Vorrichtung abgesaugt oder entweicht selbständig über diesen Weg.

Mit dem Drosselorgan 11 wird der Gasstrom so eingeregelt, daß durch die öffnungen 2 in den Nabenscheiben 1 nur soviel Schaum aus den Laufradkanälen 4 entweicht, wie sich je nach Gasgehalt des Fördermediums gerade abscheidet.

Das bei einer Pumpe gemäß F i g. 1 und 2 durch den Drosselspalt 9 zwischen der Abdeckscheibe 7 und dem Pümpcngchäuäe 8 aus dem Druckraum der Pumpe in den Bereich der Schaufeln 5 auf der Rückseite de Nabenscheibe 1 tretende Fördermedium wird durch die Schaufeln 5 wieder in den Druckraum der Pumpe gefördert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Zentrifugalpumpe mit Gasabführung aus dem Laufrad zur Förderung von stark gashaltigen Flüssigkeiten, insbesondere für emulgierte Fermentationsmedien, mit öffnungen in der Nabenscheibe des Laufrades am Schaufelanfang beginnend und mit Schaufeln auf der Rückseite der Nabenscheibe, von denen zumindest ein Teil im gleichen radialen Achsabstand beginnen als den der Öffnung in der Nabenscheibe des Laufrades und alle Schaufeln in einem erheblich größeren radialen Achsabstand enden als die Laufradschaufeln und bei der in einem radialen Achsabstand ein oder mehrere Gasabführungskanäle beginnen, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (2) in der Nabenscheibe (1) in der Nähe der Saugseite der Laufradschaufeln (3) angeordnet sind und sich ihr Querschnitt vom Schaufelanfang bis is die Nähe des Schaufelendes ständig verringert um»/oder deren Abstand sich vom Schaufelanfang bis in die Nähe des Schaufelendes ständig vergrößert, daß sich die Querschnitte der Laufradkanäle (4) in Strömungsrichtung gegenüber der Auslegung für reine Flüssigkeitsförderung zusätzlich verringern und daß zumindest ein Teil der Schaufeln (5) auf der Rückseite der Nabenscheibe in einem geringeren radialen Achsabstand beginnen als dem der der Achse am nächsten liegenden öffnungen (2) der Nabenscheibe (1) des Laufrades und daß die Gasabführungskanäle (6) in einem geringeren radialen Achsabstand als dem der der Achse am nächsten liegenden Öffnungen (2) der Nabenscheibe (1) des Laufrades beginnen.

2. Zentrifugalpumpe nach Απ-pruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die bei einflutigen Laufrädern vorhandene, die Schaufeln (5) auf der Rückseite der Nabenscheibe (1) abdeckende Scheibe (7) in einem größeren radialen Achsabstand beginnt als zumindest ein Teil der Schaufeln (5) und diese Abdeckscheibe (7) dort mit dem Pumpengehäuse (8) in an sich bekannter Weise einen Drosselspalt (9) bildet und daß zwischen Pumpengehäuse (8) und dem nicht abgedeckten Teil der Schaufeln (5) nur ein geringer Spalt vorhanden ist.

3. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulaufdruck zur Pumpe so groß gewählt wird, daß der Druck auf der Rückseite der Nabenscheibe (1) im Bereich der Bohrungen größer ist als der Druck in dem Raum, in dem die Gasabführungsleitung (10) aus der Pumpe endet.