DE3002503A1

DE3002503A1 - Kreiselpumpe mit konstanter auslasstroemung

Info

Publication number: DE3002503A1
Application number: DE19803002503
Authority: DE
Inventors: Charles W Grennan
Original assignee: Chandler Evans Inc
Current assignee: Chandler Evans Inc
Priority date: 1979-02-01
Filing date: 1980-01-24
Publication date: 1980-08-14
Also published as: JPS55128691A; CA1133322A; JPH0519040B2; GB2042094A; GB2042094B; FR2448056B1; US4213735A; FR2448056A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kreisel- oder Zentrifugalpumpe mit konstanter Auslasströmung.

In der US-Patentschrift 3 918 831 wird eine Kreiselpumpe mit konstanter Strömung beschrieben, bei der zwei teleskopartig ineinander greifende spiegelbildliche Schaufelradabschnitte durch eine Spannfeder zusammengedrückt werden; die Spannfeder wirkt zusätzlich wie ein Pumpeneinlaufkranz. Obschon die in der vorgenannten Patentschrift gezeigte Pumpe in wirksamer Weise ihre Geometrie oder Lagebeziehung der Teile bei sich ändernden Gegendrücken zur Schaffung eines konstanten Durchsatzes verändern kann, besteht ein mit der Konstruktion der Feder verbundenes Problem bei extrem hohe Drücke (z.B.

2
70 kp/cm ) erzeugendem Anwendungsfälle extrem kräftig ausgelegt werden muss.

70 kp/cm ) erzeugende!Anwendungsfällen, da hierbei die Feder

Durch die Erfindung wird eine Pumpe geschaffen, die ähnlich wie die Pumpe in der vorerwähnten Patentschrift aufgebaut ist, jedoch abbiegbare Teller vorsieht, die bei extrem hohen Drücken die notwendige Federkraft erzeugen. Ferner ist eine auf den Durchsatz ansprechende Servosteuereinrichtung in der Pumpe eingebaut, um den Druck auf die Rückseite der Teller , die ähnlich wie sog. Belleville- oder Tellerfedern wirken, verändern zu können, so dass der Durchsatz genau gesteuert werden kann. Bei einer erfindungsgemässen Pumpe sind die Naben der Teller im Pumpengehäuse so gehalten, dass sie stets bei laufender Pumpe in einer festen axialen Beziehung zueinander stehen'.

Ein Hauptziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer Hochdruckkreiselpumpe zur Abgabe einer im wesentlichen konstanten Strömung bei sich ändernden Gegendruckverhältnissen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Kreiselpumpe mit konstanter Strömung und einer Schaufelradanordnung, deren Geometrie durch Abbiegung von wenigstens einem Teller verändert

Q3Q033/0597 . -

werden kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Hochdruckkreiselpumpe mit konstantem Strömungsverhalten und einer Schaufelradanordnung, die durch zwei ineinander greifende Schaufelabschnitte gebildet ist, wobei die Teller der Schaufelradabschnitte in Richtung aufeinanderzu und weg voneinander sich bei ändernden Gegendrücken abbiegen können, so dass die Abstandsweite der Schaufelradanordnung und damit der Durchsatz Änderungen erfahren.

Zusammengefasst wird durch die Erfindung eine Hochdruckkreiselpumpe mit einer Schaufelradanordnung geschaffen, die zwei ineinander greifende Schaufelradabschnitte umfasst. Jeder Schaufelradabschnitt wird durch einen Teller gebildet, der Schaufeln mit feststehender Geometrie aufweist. Die Schaufelradabschnitte sind auf einer drehbaren Welle ortsfest gehalten und haben eine derartige Ausbildung, dass der zwischen den Schaufelradabschnitten herrschende Druck zu einer Abbiegung der Abschnitte in Richtung weg voneinander hervorruft, so dass die Abstandsweite der Schaufelradanordnung verändert wird. Eine Servosteuereinrichtung kann weiter den Druck hinter den Tellern verändern, so dass die Pumpe unter sich ändernden Gegendrücken eine konstante Strömung abgibt.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 eine längsgeschnittene Ansicht einer erfindungsgemäss aufgebauten Kreiselpumpe sowie einer zugehörigen Servosteuereinrichtung,

Fig. 2 perspektivische Ansichten von Schaufelradabschnitten ^un mit spiegelbildlich ausgebildeten Schaufelflächen,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Schaufelrad= Ordnung,

030033/0597

Fig. 5 eine übertrieben dargestellte geschnittene Ansicht der Schaufelradanordnung nach wesentlicher Abbiegung der betreffenden Teller der Anordnung,

Fig. 6 eine grafische Darstellung bezüglich des Zusammenhanges zwischen Durchsatz und Druck für zwei Pumpen nach der Erfindung.

Fig. 1 ist eine Ausführung von einer erfindungsgemäss aufgebauten Pumpe zur Abgabe einer im wesentlichen konstanten Auslasströmung unter sich ändernden Gegendrücken, die relativ hoch sein können. Eine Hauptantriebswelle 10, die in nicht gezeigten geeigneten Lagern gehalten ist, steht über einen Federkeil 13 in Antriebsyerbindung mit einer Pumpentreibwelle 12. Der Federkeil liegt in den zugewandten Nuten in den Wellen 10 und 12. Die durch die Wellen 10 und 12 gebildete Treibwellenanordnung ist? in einem Pumpengehäuse 14 untergebracht. Das Pumpengehäuse 14 umfasst eine Einlassleitung 16 und eine Auslassleitung 18, die in Fluidverbindung mit einer Pumpausnehmung 2G im Gehäuse stehen.

Auf der Treibwelle 12 ist sich mit dieser drehend eine das allgemeine Bezugszeichen 22 tragende Schaufelradanordnung befestigt, die einen ersten Schaufelradabschnitt 24 und einen zweiten Schaufelradabschnitt 26, der in teleskopartiger Beziehung zum ersten steht, umfasst. Der Schaufelradabschnitt 24 wird durch einen Teller 24a mit einer Vielzahl von daran angeformten Schaufeln 24b mit dazwischen befindlichen Ausnehmungen oder Nuten 24c gebildet. Die Dicke des. Tellers 24a nimmt in Radialrichtung nach aussen allmählich ab, um eine geeignete Abbiegung des Tellers zu ermöglichen und zu den Wänden der Ausnehmung 20 einen geeigneten freien Abstand vorzusehen. Der Schaufelradäbschnitt 26 umfasst einen ähnlichen Teller 26a mit entsprechenden Schaufeln 26b und Ausnehmungen oder Nuten 26c ι Wie in Fig. 1 gezeigt, stehen die Schaufelradabschnitte in einer solchen teleskopartigen Beziehung zueinander, dass die Abbiegung der Teller die Strömungsfläche (freiliegende Schaufelfläche) der Anordnung verändert. Q30033/0 5 97 _₇_

Die betreffenden Nabenbereiche 24d und 26d der Schaufelradabschnitte 24 und 26 sind auf der Pumpentreibwelle 12 befestigt, so dass mit Ausnahme der Abbiebung der Teller 24a und 26a die Schaufelradabschnitte 24 und 26 in einer feststehenden axialen Beziehung zur Treibwelle 12 stehen. Das linke Ende des Nabenbereiches 24d liegt an einem Absatz 12a an der Treibwelle 12 an. Die Innenwand des Nabenbereiches 26d ist so ausgebildet, dass sie gegen eine konische Fläche 12b der Treibwelle 12 drückt. Ein Klemmring 28 und eine Kontermutter 30, die in Tandembeziehung zueinander stehen, halten die Schaufelradanordnung 22 an der Treibwelle 12. Ein in gegenüberliegenden Nuten in der Welle 12 und der Nabe 26d aufgenommener Federkeil 32 überträgt das Drehmoment von der Treibwelle 12 auf den Schaufelradabschnitt 26, um diesen in Drehbewegung zu versetzen. Die Drehbewegung wird auf den ScHaufelradabschnitt 24 durch die Schaufeli 26b des Schaufelradabschnittes 26 übertragen; und daher können die Schaufelradabschnitte 26 und 24 als Treibschaufelrad bzw. getriebenes Schaufelrad bezeichnet werden.

Die Strömung gelangt in die Einlasspassage 12c in der Treibwelle 12 und fliesst dann zu einer Passage 12d mit vergrössertem Durchmesser. Eine Vielzahl von radialen Einlassöffnungen 12e erstreckt sich durch die Welle 12 und leitet das Fluid aus der Passage 12d zu den Eingangsstellen der Strömungausnehmungen nahe dem Auge der Schaufelradanordnung 22. Eine O-Ringdichtung 30 in einer Ringnut in der Haupttreibwelle 10 verhindert einen Leckaustritt des Einlasstluides längs der Wellen 10 und 12.

Die Welle 12 und die Schaufelradnabe 24d tragen betreffende Dichtflächen 34 und 36, die gegen Absätze an der Treibwelle 12 und der Nabe 24d durch eine dazwischen angeordnete Distanzbüchs.e 38 gedrückt werden... Kohlenstoff beschichtete Dichtungen 40 und 42, die an einem Dichtungshalter 44 befestigt sind, stehen in gleitendem Eingriff mit den Dichtflächen 34 und 36, um die Rückseite des Pumpengehäuse 14 weiter abzudichten. Der Ringraum 46 nahe der kohlenstoffbeschichteten Dichtung 42

0 3 0 0 3 3/0597

und der Dichtfläche 36 steht durch eine Leitung 48 unter dem Einlassdruck Pi', um den Druck so klein wie möglich zu halten, dem die Dichtungsanordnung ausgesetzt ist.

Der Druck Pa in der Pumpausnehmung 20, der aufgrund der verbindenden Passage 49 hinter jedem Teller der gleiche ist, wird vorzugsweise so moduliert, dass über einen weiten Bereich von Gegendrücken eine konstante Ausgangsströmung im wesentlichen beibehalten wird. Der Druck, dem die Rückseiten der Teller ausgesetzt sind, ist natürlich massgebend für die Abbiegung der Teller und daher für die Strömungsfläche der Schaufelradanordnung 22 bei einem bestimmten Auslassdruck. Eine auf die Strömung ansprechendes Servoventil, wie es z.B. allgemein bei 50 gezeigt ist, eignet_%sich ideal für eine derartige Anwendung, wie dies nachfolgend näher erläutert wird. Für den Fachmann versteht es sich jedoch, dass eine Servosteuerung gänzlich weggelassen werden kann, wenn bei dem betr. speziellen Anwendungsfall für die Pumpe eine genaue Strömungssteuerung nicht erforderlich ist.

Die Schaufelradanordnung 22 gibt das Fluid aus der Pumpnehmung 20 in einen im Gehäuse 14 ausgebildeten ringförmigen Sammelraum 52 ab. Diese Abgabe in den Sammelraum 52 kann, wenn erwünscht, über einen Diffusor erfolgen. Der Umfang der Schaufelradanordirang 22 ist dann einem Auslassdrück Pc ausgesetzt. Dichtungsringe 54 und 56 sind nahe den äusseren Umfangen der Teller 24 und und 26 am Gehäuse befestigt. Weitere Dichtungsringe 58 und 60 sind am Gehäuse 14 nahe den äusseren Umfangen der Naben 24d und 26d befestigt. Die Dichtungsringe 54 und 56 bilden zwei in paralleler Strömungsbeziehung stehende 'zuführende Drosselöffnungen, die beide mit den Kammern 20a und 20b in Verbindung stehen, die durch die Teller und die benachbarten Wände der Ausnehmung 20 gebildet sind. In gleicher Weise schaffen die Dichtungsringe 58 und 60 zwei in paralleler Strömungsbeziehung zueinander stehende ablassende Drosselöffnungen, die · beide mit den Kammern und der Einlassleitung 16 in Verbindung

0 30033/0597

stehen. Durch eine geeignete Bemessung der durch die Dichtungen 54, 56, 58 und 60 gebildeten ortsfesten Durchlassöffnungen kann der Druck Pa so beeinflusst werden, dass er einen gewünschten Zwischenwert zwischen dem Auslassdruck und Einlassdruck annimmt, wenn kein Einfluss seitens des Servosteuerventiles 50 vorliegt.

Das Servoventil 50 umfasst ein Gehäuse 62 mit drei Steueröffnungen 64, 66 und 68. Ein im Gehäuse 62 verschiebbarer Schieber 70 hat drei Kolben 72, 74 und 76. Das Ventil 50 ist so ausgelegt, dass der Druck Pc stets zwischen den Kolben 72 und 74 und der Druck Pi stets zwischen den Kolben 74 und 76 unabhängig von der Stellung des Schiebers 70 relativ zum Gehäuse 72 anliegt. Der Kolben 74, der normalerweise die öffnung 60 bei veranschlagter Strömung abdeckt, kann so positioniert werden, dass er eine variable Bereichsöffnung vorsieht, an der entweder der Druck Pc oder der Druck Pi^! anliegt. Aus Fig. 1 ist zu entnehmen, dass die Öffnung 66 in Verbindung mit den Kammern 20a und 20b steht und dass der darin befindliche Druck durch eine Verstellung des Schiebers 70 moduliert werden kann.

Der Schieber 70 erstreckt sich in einen unteren Raum 78, wo der Schieber in Verbindung mit einer Membran 80 steht, die den Raum 78 aufteilt und die durch eine Druckfeder 82 nach oben federbelastet ist. Die Membran 80 ist in geeigneter Weise an der Wand des Raumes 78 befestigt, so dass der obere Teil des Raumes gegenüber dem unteren Teil abgedichtet ist. Die obere und untere Fläche der Membran 80 sind dem Druck aufstromseitig bzw. abstromseitig von einem konvergierenden Abschnitt 84 der Einlassleitung 16 ausgesetzt. Der Druckunterschied über der Membran 80 ist natürlich kennzeichnend für den Durchsatz - durch die Pumpe. Bei einer

Zunahme der Strömung wird der Schieber 70 nach unten bewegt, während bei einer-Abnahme der Strömung der Schieber 70 eine Bewegung nach oben erfährt. Eine nach oben gerichtete Verlagerung des Kolbens 66 öffnet einen anderen Strömungsweg

030Ό33/0597 " ■'' -

von den Kammern 20a und 20b zum Einlassdruck Pi¹. Eine Abwärtsbewegung des Schiebers 66 wird in gleicher Weise einen anderen Strömungsweg vom Sammelraum 52 zu den Kammern 20a und 20b freigeben. Eine Bewegung des Schiebers 70 in beiden Richtungen kommt natürlich zum Stillstand, wenn sich der ursprünglich aufgegebene Differentialdruck längs der Membran 80 wieder einstellt, d.h. die Kraft der Feder 82 ins Gleichgewicht gesetzt wird.

Fig. 2 und 3 zeigen die Geometrie der Schaufelradabschnitte 24 und 26. Wie zuvor erwähnt, stehen die betreffenden innenliegenden schaufeltragenden Stirnflächen der Schaufelradabschnitte 24 und 26 in einer teleskopartig ineinander greifenden Beziehung. Zu diesem Zweck ist die Schaufelfläche des Schaufelradabschnittes 24 das Spiegelbild der Schaufelfläche des anderen Abschnittes 26. Natürlich gilt dies auch umgekehrt. Wie dargestellt, haben die gekrümmten Strömungsausnehmungen oder Nuten und die gekrümmten Schaufeln von jedem Schaufelradabschnitt eine konstante Krümmung vom Einlassende (am inneren Umfang) zum Auslassende (äusserem Umfang). Die Schaufel- und Strömungskanäle nehmen ferner vom Einlassende zum Auslassende an Breite stetig zu. Die Schaufel von einem Schaufelradabschnitt sind vorzugsweise so bemessen, dass sie in einem engen Gleitsitz zu den Strömungskanälen des anderen Schaufelradabschnittes unter Berücksichtigung der maximalen Tellerabbiegung und der Fertigungsgenauigkeit treten können. Darauf hinzuweisen ist jedoch, dass, wenn die Strömungskanäle beträchtlich grosser als die darin aufgenommenen Schaufel sind, ein Pumpenbetrieb weiterhin stattfindet, jedoch das Ausmass der Steuerung begrenzt ist.

Fig. 4 zeigt die in teleskopartiger Eingriffnahme befindlichen Schaufelradabschnitte 24 und 26.in der Stellung bei minimaler Strömung ohne Abbiegung. Aus Fig. 4 geht hervor, dass die sich drehende Schaufelradanordnung 22 die Entstehung von

- 11 -

030033/0.5 97

pulsierenden Auslassdrücken verhindert, da jede Stelle längs des Umfanges der Anordnung von einer Strömungskanal-Auslasszone eingenommen wird. Des weiteren weist die dargestellte Schaufelradkonstruktion annähernd einen optimalen hydraulischen Radius auf, so dass nur minimale Reibungsverluste entstehen. Da der gezeigte Sammelraum 52 keine strömungshindernde Steller aufweist, führt er weder direkt noch indirekt zu Druckpulsationen«

Während des Betriebs wirkt der Druck in der Schaufelradanordnung 22 dergestalt, dass er die Teller 24a und 26a abbiegen will. Da der Gegendruck Pc im Sammelraum 52 für diesen Druck bestimmend ist, ist die Abstandsweite der Schaufelräder direkt abhängig von dem Gegendruck. In Fig. 5 sind die Teller bei wesentlicher Abbiegung dargestellt.

Jedes Schaufelrad erzeugt eine Durchsatzmenge (Q), die direkt proportional zur Schaufel- oder Durchlassfläche (S) und zur Umfangsgeschwindigkeit (V) und umgekehrt proportional zum Gegendruck (P) ist. Dieser Zusammenhang kann durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt werden;

Q = KV²S/P

Der Faktor K in dieser Gleichung ist eine Konstante. Bei der Pumpe nach der Erfindung bleibt wie bei der Pumpe nach der eingangs erwähnten Patentschrift der Wert {S/P} im wesentlichen konstant (wegen der sich bei der Erfindung abbiegenden Teller). Bei einer bestimmten Drehzahl ist daher die Pumpenausgangsströmung im wesentlichen konstant, vgl. die in Fig. S einge= tragene Kurve für den Verlauf der Abstandsweite bei fehlender Servosteuerung.

- 12 -

130033/0597

Es versteht sich, dass die Erfindung auch mit nur einem Schaufelrad ausgeführt sein kann, indem dessen Schaufeln in den Nuten in einer Scheibe aufgenommen sind, wie dies z.B. in Fig. 1 der britischen Patentschrift 326 909 gezeigt ist. Die wiedergegebene Ausführung wird jedoch bevorzugt .

6300 3 3/059

Claims

PATSNTANWALTE

A. GRÜNECKER

DiPL-ING

H. KINKELDEY

W. STOCKMAIR

OR-ING ■ AeE(CALTECH)

K. SCHUMANN

DR RER MAT OCPL-PHVS

P. H. JAKOB

KPL-INQ

G. BEZOLD

OR RER NAT - DPLCHEM.

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE *3

24. Jan. 1980 P 14 677

CHA]H)EER EVUiS TJTC Charter Oak Boulevard

West Hartford, Connecticut 06101, USA

Kreiselpumpe mit konstanter Auslasströmung

PATENTANSPRUCH- E

.J Kreiselpumpe mit veränderlicher Lagebeziehung der Schaufelräder zur Schaffung einer konstanten Auslasströmung unter sich ändernden Gegendrücken mit einem Pumpengehäuse, das eine Einlassleitung, eine Auslassleitung, eine Pumpausnehmung und einen Sammelraum aufweist, wobei die Einlassleitung in Fluidverbindung mit der Pumpausnehmung und der Sammelraum in Fluidverbindung mit der Pumpausnehmung und der Auslassleitung steht, mit einem Schaufelradabschnitt, der drehbar im Gehäuse angeordnet ist, um das Fluid in den Sammelraum zu pumpen, wobei der Schaufelradabschnitt eine

030033/059 7

TELEFON (OBB) 22 2862

TELEX Οβ-2β38Ο

TELEOBAMME MONAPAT

TELEKOPIERER

Nabe und eine Vielzahl von Schaufeln mit ersten dazwischen ausgebildeten Nuten trägt^und mit einer drehbar im Gehäuse gehaltenen Anordnung, die eine Nabe und eine Vielzahl von zweiten Nuten aufweist, in denen die Nuten des Sdhaufelradabschnittes aufgenommen sind, gekennzeichnet durch

einen mit der Nabe des ersten Schaufelradabschnittes (24) verbundenen und die Schaufeln (24b) tragenden Teller (24a), der eine solche Dicke hat, dass er nach Art einer Tellerfeder abbiegbar ist, wobei der Teller mit der benachbarten Wand der Pumpausnehmung (20) eine Kammer (20a) bildet;

eine Einrichtung zur Befestigung der Naben von Schaufelradabschnitt und besagter Anordnung in einer feststehenden axialen Beziehung zueinander, so dass die Abbiebung des Tellers zu einer Änderung der exponierten Fläche der Schaufeln führt;

eine zuführende Drosseleinrichtung (54), die einen Fluidwiderstand in der Verbindung zwischen dem Sammelraum (22) und der Kammer (20a) schafft;und

eine ablassende Drosseleinrichtung (58), die einen Fluidwiderstand in der Verbindung zwischen der Kammer (20a) und der Einlassleitung (16) schafft.
2. Pumpe nach Anspruch 1, gekennzeichne' durch eine auf den Pumpendurchsatz ansprechende Servosteuereinrichtung (50) zur Änderung des Druckes in der Kammer (20a), um einen im wesentlichen konstanten Durchsatz beizubehalten.
3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Servosteuereinrichtung aufweist: ein in Fluidverbindung mit der Kammer (20a), dem Sammelraum (52) und der Einlassleitung (16) stehendes Servoventil (50), das in der Fluidverbindung zwischen dem Sammelraum und der Kammer und in der Fluidverbindung zwischen der Kammer und der Einlassleitung einen variablen Fluidwiderstand vorsieht, und eine Einrichtung (78, 80, 82), die auf den Durchsatz durch die Pumpe zur Verstellung des Ventiles anspricht.

030033/0597
4. Pumpe nach Anspruch 1, bei der die besagte Anordnung einen weiteren Schaufelradabschnitt mit einer Vielzahl von Schaufeln mit dazwischen ausgebildeten zweiten Nuten darstellt, wobei die Schaufeln des zweiten Schaufelradabschnittes in den ersten Nuten aufgenommen sind, gekennz eichn e t durch

einen mit der Nabe des zweiten Schaufelradabschnittes (26) verbundenen und die Schaufeln (26b) des zweiten Schaufelradabschnittes tragenden Teller (26a), der eine solche Dicke hat, dass er nach Art einer Tellerfeder abbiegbar ist, wobei der Teller mit der benachbarten Wand der Ausnehmung (20) eine Kammer (20b) bildet;

eine zuführende Drosseleinrichtung (56), die in der Verbindung zwischen dem Sammelraum (52) und der zweiten Kammer (20b) einen Fluidwiderstand schafft;

eine ablassende Drosseleinrichtung (60), die in der Verbindung zwischen der zweiten Kammer (20b) und der Einlassleitung (16) einen Fluidwiderstand schafft; und

eine Einrichtung (49) zur Fluidverbindung der ersten und zweiten Kammer (20a, 20b), um die darin herrschenden Drücke zu egalisieren.

-A-030033/0 59 7