DE3011688A1 - Axialschlammpumpe - Google Patents
AxialschlammpumpeInfo
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Description
1A-3136
75R55-A
75R55-A
ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA
Axialschlammpumpe
Die Erfindung betrifft das Gebiet des hydraulischen Transports von Kohleaufschlämmungen oder Mineralaufschlämmungen
in großen Rohrleitungen und unter hohen Drucken über lange Entfernungen. Insbesondere betrifft die Erfindung
den Transport von Kohleaufschlämmungen mit Hilfe von Pipelines unter hohen Drucken über lange Entfernungen, und
zwar unter Verwendung von äußerst effizienten Axialpumpen, welche in die Pipeline eingebaut sind.
Zum Transport von Feststoffe in Suspension (Aufschlämmung) enthaltenden Flüssigkeiten werden verschiedenste Schlamm- '
pumpen verwendet. Axialpumpen wurden bisher zu diesem Zweck nicht eingesetzt. Die meisten Schlammpumpen für
Pipelines sind Verdrängungspumpen vom Kolbentyp oder Zentrifugenpumpen. Herkömmliche Kolbenpumpen bieten einen
hohen Druck, sie haben jedoch eine geringe Kapazität und eine Vielzahl von Pumpen muß parallelgeschaltet werden.
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dies gilt insbesondere auf dem Gebiet des hydraulischen Transports von hohen Tonnage Kohle durch große Pipelines
zur Deckung des Energiebedarfs. Es wird derzeit angenommen,
daß in nächster Zukunft jährlich etwa 25 bis 30 Millionen Tonnen Kohle benötigt werden. Zentrifugalpumpen haben eine
höhere Kapazität, sie bieten jedoch einen geringeren Druck. Daher muß man zur Erfüllung der vorerwähnten Erfordernisse
eine Vielzahl solcher Pumpen hintereinanderschalten. Bei den Kolbenpumpen besteht somit der Nachteil einer geringen
Kapazität, obwohl der Pumpendruck hoch ist. Zum Transport hoher Aufschlämmungsvolumina über lange Entfernungen
müssen daher viele Pumpen parallelgeechaltet werden. Ferner haben Hochleistungskolbenpumpen große Abmessungen, und
es ist schwierig, diese in bestehende Pipelines einzubauen. Zentrifugalpumpen haben zwar eine höhere Kapazität, sie
führen jedoch zu einem nur geringen Druck, so daß eine Vielzahl von Pumpen in Reihe geschaltet werden muß, um
große Aufschlämmungsvolumina über lange Entfernungen zu transportieren.
Erfindungsgemäß wird eine Axialpumpe hoher Kapazität für
hohen Druck geschaffen, welche relativ geringe Abmessungen hat und in bestehende Pipelines eingebaut werden kann.
Mit diesen Pumpen gelingt der hydraulische Transport von Kohleaufschlämmungen oder dergl. über lange Entfernungen
auf äußerst effiziente Weise. Die Kohle kann somit auch aus weit entfernten Bergbaugebieten zu primären oder sekundären
Verwendungsstatten geführt werden, z.B. zu Kraftwerken, Anlagen für die Gewinnung von synthetischem Treibstoff
und zu chemischen Anlagen. Axialpumpen sind vorzüglich zum Pumpen von suspendierte Feststoffe enthaltenden
Flüssigkeiten, z.B. von Kohleaufschlämmungen oder Mineralaufs
chlämmungen, geeignet. Axialpumpen haben charakteristischerweise den höchsten Durchsatz pro Einheitsströmungsflache
am Einlaß. Daher haben diese Pumpen bei einem
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■bestimmten Durchsatz den geringsten Pumpendurchmesser. Die
Axialpumpe hat die höchste hydraulische Effizienz unter allen mit Schaufeln bestückten, rotierenden Pumpen. Dies beruht
auf der geradlinigen, einfachen hydraulischen Strömungsgeometrie, welche zu minimalen Strömungsverlusten
führt.
Eine Axialpumpe zum Transport von Feststoffe enthaltenden Flüssigkeiten umfaßt ein langgestrecktes, zylindrisches
Gehäuse sowie am Einlaß ein Rohrknie. Eine Antriebswelle ist konzentrisch in dem zylindrischen Gehäuse angeordnet.
Sie erstreckt sich in das zylindrische Gehäuse durch eine Antriebswellenhalterung mit einem Lager und einer Dichtung.
Letztere ist an einer Außenwandung des Rohrknies vorgesehen. Stromauf befindet sich ein Vorlaufradabschnitt mit
Tandemschaufeln sowie mindestens ein Niederdruck-Rotor/ Stator-Abschnitt. Beide sind auf der konzentrischen Antriebswelle
innerhalb des zylindrischen Gehäuses angeordnet. Gegebenenfalls kann zusätzlich mindestens ein Hochdruck-Rotor/Stator-Abschnitt
auf der Antriebswelle angeordnet sein. Zwischen dem Niederdruck-Rotor/Stator-Abschnitt
und dem Hochdruck-Rotor/Stator-Abschnitt ist mittig ein mit Wasser geschmiertes, der Lagerung der Antriebswelle
dienendes Lager vorgesehen. Dieses Lager wird durch das zylindrische Gehäuse unterstützt. Stromab schließt sich
ein auf der Antriebswelle befestigter Strömungsleitkörper an zur Verbesserung der hydraulischen Strömung vor dem
Eintritt der Flüssigkeit in das Knie am Auslaß des zylindrischen Gehäuses. Die konzentrisch im Gehäuse angeordnete
Antriebswelle tritt durch eine am Auslaßrohrknie angeordnete Stirnwand aus. Hier ist die Antriebswelle durch eine
zweite Lager/ Dichtungs-Anordnung außerhalb der Stirnwandung
gelagert. Die Antriebswelle ist mit einer Antriebsvorrichtung verbunden, welche die Axialpumpe antreibt.
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Eine kompakte Axialpumpe hoher Kapazität eignet sich z.B. für eine Kohleaufschlämmungs-Pipeline mit einer Länge von
1600 km, einem Durchmesser von 38 Zoll und einem Durchsat
von etwa 18 000 gpm. Zur Überwindung der Gesamtlänge dieser Pipeline wurden zwölf Axialpumpen benötigt. Die Pumpe
umfaßt ein Vorlaufrad, einen zehnstufigen Niederdruckabschnitt
und einen zehnstufigen Hochdruckabschnitt zur Entwicklung eines Gesamtdrucks von 1000 psi (69 bar). Die
einzelnen Pumpenabschnitte befinden sich vollständig im Inneren der Pumpe und diese ist äußerst kompakt und einfach.
Eine solche Pumpe kann z.B. durch einen 11 500 PS Elektromotor mit etwa 600 U/miri angetrieben werden, und
zwar über eine Welle, welche sich durch das Einlaßrohrknie in das Pumpengehäuse erstreckt. Die Pumpe kann aber
auch durch gesonderte Motoren am Einlaßrohrknie und am Auslaßrohrknie angetrieben werden. Ein weiterer Pumpenabschnitt
kann zur Erzielung eines höheren Drucks hinzugefügt werden. Ein Wirkungsgrad von etwa 9096 ist für Axialpumpen
dieser Konstruktion charakteristisch.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Inline-Axialpumpe für große Pipelines für den Transport von Feststoffe
enthaltenden Flüssigkeiten (Aufschlämmungen) unter hohem Druck bei hoher Kapazität über lange Entfernungen
zu schaffen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Axialpumpe gegenüber Kolbenpumpen besteht in der großen Pumpenkapazität
und der geringen Abmessungen der Axialpumpe im Vergleich zu den Kolbenpumpen. Mit einer solchen Axialpumpe
kann eine Vielzahl von Kolbenpumpen ersetzt werden. Ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Zentrifugalpumpen
besteht in der hohen Druckentwicklung einer vielstufigen Inline-Axialpumpe, während Zentrifugalpumpen
bei mäßiger Kapazität nur einen geringen Druck entwickeln. Ein weiterer Vorteil sowohl im Vergleich zu Kolbenpumpen
als auch im Vergleich zu Zentrifugalpumpen besteht in der
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Steigerung des Drucks der Aufschlämmung bei deren Vorwärtsbewegung
durch die vielstufige Axialpumpe.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Axialschlammpumpe;
Fig. 2 den Einlaßbereich der erfindungsgemäßen Axialschlammpumpe, wobei Teile herausgeschnitten sind,
zur Veranschaulichung der Lageranordnung und der mechanischen Dichtungsanordnung;
Fig. 3 einen Schnitt in Fortsetzung des Schnittes gemäß Fig. 2 zur Veranschaulichung des Vorlaufrad-Einlaßbereichs
und des Niederdruckabschnitts sowie eines Teils des Hochdruckabschnitts stromab vom Niederdruckabschnitt;
Fig. 4a eine perspektivische Ansicht des Vorlaufrads
mit Tandemschaufelreihen;
Fig. 4b eine schematische Seitenansicht des Vorlaufrads mit Tandemschaufelreihen;
Fig. 4c ein symmetrisches Geschwindigkeitsdiagramm der Axialpumpe;
Fig. 4d ein Diagramm zur Veranschaulichung der Bewegung eines Feststoffteilchens durch eine zehnstufige
Axialpumpe;
Fig. 4e einen Schnitt der Fig. 4d; und
Fig. 5 einen Schnitt in Fortsetzung der Schnittdarstellung der Fig. 3 zur Veranschaulichung des Endbereichs
des Hochdruckpumpenabschnitts und des Auslaßrohrknies der Pumpe.
Im folgenden wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Diese zeigt eine Axialschlammpumpe 10 mit einem Pumpengehäuse
mit einem Einlaßrohrknie 14 und einem Auslaßrohrknie 16
an beiden Enden der Pumpe. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Pumpengehäuse 12 einen Niederdruck-
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pumpenabschnitt 18 und einen Hochdruckpumpenabschnitt 20. Der Niederdruckpumpenabschnitt und der Hochdruckpumpenabschnitt
sind mittig durch einen sich in radialer Richtung erstreckenden Flansch 26 und Pumpenhalterungsbeine 30 abgestützt.
Jeder Pumpenabschnitt 18 und 20 umfaßt in Längsrichtung geteilte Mantelhälften 22 und 24. Die Mantelhälften
sind entlang longitudinaler Plansche 28 getrennt sowie entlang radialer Flansche 26.
Das Vorlaufrad sowie die zwanzig Stufen der Axialpumpe 10
mit zwei Abschnitten werden normalerweise über eine Welle 34 vom Einlaßrohrknie 14 her angetrieben. Die Welle 34 ist
mit einer beliebigen Antriebsvorrichtung, z.B. eiiem Elektromotor,
verbunden. Sie ist durch eine Lageranordnung 32
unterstützt. Die Lageranordnung 32 ist mit einem Dichtungsgehäuse 35 verbunden, welches eine doppelte mechanische
Abdichtungsanordnung enthält. Am entgegengesetzten Ende der Axialpumpe mit zwei Pumpenabschnitten befindet sich
eine identische Lageranordnung 32 sowie ein identisches
Dichtungsgehäuse 35 für die Abdichtung der. Axialpumpe und
für die Unterstützung der Drehwelle am entgegengesetzten Ende. Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann die
Axialpumpe von beiden Enden her angetrieben werden, derart, daß je ein Elektromotor am Einlaßende und am Auslaßende
der Pumpe vorgesehen ist.
Einzelheiten der Axialschlammpumpe sind in Fig. 2 gezeigt. Die Welle 34 ist mit einem nichtgezeigten Elektromotor
über einen Keil 64 verbunden. Die Lageranordnung 32 enthält ein Paar identischer Lager 56, welche zur Übertragung
oder Abstützung axialer Belastungen der Welle 34 geeignet sind. Die Lager 56 werden über einen öleinlaß 62 geschmiert.
Das Innenlaufrad des Lagers 56 ist mit einer Hülse 52 verbunden, während das Außenlaufrad am Gehäuse 36 der Lageranordnung
32 anliegt. Eine Dichtung 58 verhindert den Aus-
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tritt von Öl über die Hülse 52 hinaus. Die Lageranordnung 32 ist mit Hilfe eines Flansches 33 mit einer allgemein
mit 35 bezeichneten doppelten mechanischen Abdichtungsanordnung verbunden. Die Dichtung im Gehäuseabschnitt 35 umfaßt
ein Paar Wolframcarbidringe 38, welche als anfängliche
Barriere gegen das durch das Rohrknie 14 der Pipeline eintretende Aufschlämmungsmaterial dienen. Hinter jedem
"Wolframcarbidring sind Entleerungsbohrungen 40 ausgebildet,
durch die Material austreten kann, welches durch den Spalt zwischen den Ringen eintritt. Einwärts von den Wolfraracarbidringen
ist ein Paar federbeaufschlagte Dichtungen angeordnet. Die Stirnflächen der Federdichtungen 44 ruhen
auf Ringen 45. Diese Ringe 45 und die Wolframcarbidringe
38 sitzen auf einer Hülse 46 oder sind mit dieser verbunden. Diese Hülse 46 ist mit Hilfe einer Mutter 48 mit der
Welle 34 verriegelt. Ferner ist der Feder-Dichtungs-Mechanismus mit einem Ring 47 verbunden, welcher wiederum am
Gehäuse 37 mit Hilfe einer Mutter 48 verriegelt ist. Eine Einlaßöffnung 42 für Frischwasser dient der Zufuhr von
frischem Wasser oder "klarem" Wasser zu den federbeaufschlagten Dichtungen 44 und ferner zu einem Innenverteilerkanal
31 der Welle 34. Das klare Wasser dient zum Herausspülen von Aufschlämmungsmaterial, welches über die Wolframcarbidringe
hinausgelangt. Die hohle Welle 34 dient als Leitung für die Zufuhr von klarem Spülwasser zum Pumpenrotor
stromab vom Einlaßrohrknie 14.
Im folgenden soll auf Fig. 3 Bezug genommen werden. Diese bildet die Fortsetzung der Fig. 2. Die Welle 34 dient zum
Antrieb eines axialen Vorlaufrades 70 mit einer Tandemschaufelreihe
für hohen Wasserdruck (inducer section). Stromab von diesem Vorlaufrad 70 befindet sich ein vielstufiger
Niederdruckabschnitt 18 der Axialpumpe 10. Zwischen dem Rotor 78 und dem Vorlaufrad 70 befindet sich eine Halterung
72, welche eine Dichtung 74 vom statischen Typ auf-
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weist. Die Halterung 72 bildet einen Stator zur Führung der Bewegung der Aufschlämmung vom Vorlaufrad 70 in den
Niederdruckpumpenabschnitt 18. Eine feine von Führungsschaufeln
71 bildet den Statorabschnitt und führt die Aufschlämmung in die erste Stufe der Niederdruck-Axialpumpe 10. Der
Rotor 78 des Niederdruck-Axialpumpenabschnitts 18 ist stromab vom Vorlaufrad 70 angeordnet und durch ein mit
Wasser geschmiertes, hinteres Lager 92 gelagert. Das Wasserlager 92 ist in einem Hülsenabschnitt 94 untergebracht.
Das mit Wasser geschmierte, hintere Lager weist
eine Reihe von sich in Längsrichtung erstreckenden Nuten in einem gummiartigen Material auf. Die Nuten dienen zur
Ausbildung eines Durchlasses für den Durchtritt des der Schmierung dienenden, klaren Wassers. Der Kanal 31 in der
Antriebswelle 34 führt das Wasser durch eine oder mehrere öffnungen 110 und durch eine Öffnung 112 sowie durch die
Nuten 98 in einen Hohlraum 101 des Gehäuses 77. Hier wird das Wasser in einem Rücklaufsumpf 108 gesammelt. Ferner
wird klares Wasser durch einen gekrümmten Strömungskanal 100 zwischen dem Rotor 78 und dem Rotorhalterungsgehäuse
77 geleitet. Dieser gekrümmte Strömungskanal 100 für das klare Wasser verhindert den Eintritt von Aufschlämmungsmaterial
in das mit Wasser geschmierte, hintere Lager. Das klare Wasser tritt in den Aufschlämmungsdurchlaß zwischen
der äußeren Gehäusewandung und dem Rotor 78 ein. Der Druck des klaren Wassers in der Antriebswelle 34 wird derart hoch
gehalten, daß er den Druck der durch die Pumpe geförderten Aufschlämmung übersteigt. Hierdurch werden die abradierend
wirkenden Aufschlämmungsteilchen daran gehindert,
in die verschiedenen Lageranordnungen anzudringen.
Eine Hülse 96 ist auf der Außenfläche der Welle 34 mit Hilfe einer Mutter 97 befestigt. Die Hülse 96 ist mit einem
Material vom Keramiktyp beschichtet. Dieses weist eine äußerst große Beständigkeit gegen abradierend wirken-
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des Aufschlämmungsmaterial der Pipeline auf. Das hintere,
mit Wasser geschmierte Lager ist innerhalb der Hülse 94 vorgesehen. Letztere ist im Wellenhalterungsabschnitt 77
untergebracht. Die Hülse 94 ist mit Hilfe eines Bolzens an dem Wellenhalterungsabschnitt 77 befestigt.
Der 'Rotorkörper 78 trägt eine Reihe von Ringen 80 von
in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Schaufelsegmenten. Jeder dieser Ringe 80 auf dem Rotorkörper 78 bildet
eine Hälfte einer Stufe des Niederdruck-Axialpumpenabschnitts 18. Jeder Rotorschaufelsegmentring 80 umfaßt einen
Ring mit einer Vielzahl von sich radial erstreckenden Schaufeln 81. Die Rotorschaufelsegmentringe 80 am Rotor
sind mittels einer Verschlußhülse 82 befestigt, die mit dem Rotorkörper 78 verbunden ist. Das zweite Element
jeder Stufe umfaßt ein Statorsegment 86 mit einer Vielzahl von sich radial einwärts erstreckenden Schaufeln 83,
die mit jedem der Rotorschaufelsegmente 80 zusammenwirken.
Der Niederdruckabschnitt oder der Hochdruckabschnitt kann dadurch zerlegt werden, daß man zunächst die Bolzen jeweils
an den Flanschen 26 und 28 entfernt. Nun kann die obere Gehäusehälfte 24 entfernt werden, und zwar entweder
im Niederdruckabschnitt oder im Hochdruckabschnitt. Hierdurch wird der Statorabschnitt freigelegt. Der Statorabschnitt
kann nun wiederum in ähnlicher Weise ausgebaut werden. Hierzu muß lediglich jedes Statorsegment in zwei
Hälften unterteilt werden, ähnlich wie das Pumpengehäuse 24. Nun können die Statorabschnittshälften 88 herausgehoben
werden. Sodann liegt die gesamte Rotoranordnung frei und kann leicht gewartet werden. Die untere Hälfte des
Stators 90 verbleibt im unteren Teil 22 des Pumpengehäuses. Für Wartungszwecke kann jeweils die untere Hälfte 90 des
Stators herausgedreht werden. Somit besteht das Gehäuse
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der erfindungsgemäßen Axialschlammpumpe aus einem äußeren Gehäusemantel 24 und einem inneren Statormantel.
Dieser ist konzentrisch im Gehäuse untergebracht und allgemein mit 84 bezeichnet. Der Statorabschnitt enthält
alle sich einwärts erstreckende Statorschaufein 83, welche
mit den nichtgezeigten Ringen 86 verbunden sind. Diese bilden obere und untere Mantelhälften 88 und 90 des Stators,
Der Niederdruckabschnitt, welcher zehn Stufen umfaßt, ist mit einem nichtgezeigten, identischen Hochdruckabschnitt
verbunden. Der Hochdruckabschnitt ist mit Hilfe einer Übertragungshülse 108 sowie einer Antriebskupplung 104 innerhalb
des Gehäuses 77 angekoppelt. Eine Schlammdichtung 102 verhindert den Eintritt von abradierend wirkendem Aufschlämmungsmaterial
in den im Gehäuse 77 ausgebildeten Hohlraum 101 für das klare Wasser.
Im folgenden soll auf Fig. 4a Bezug genommen werden. Diese zeigt das axiale Vorlaufrad 70 mit einer Tandemschaufelreihe
für die Axialpumpe 10. Das Axialvorlaufrad 70 ist derart ausgelegt, daß schon im Niederdruckbereich 18 der
Axialpumpe 10 ein hoher Druck vorliegt. Dieses Vorlaufrad
umfaßt eine erste Schaufelreihe mit einem kleinen Nabenverhältnis (ξ ) und einem hohen Auffüllungsgrad (<5*) sowie
eine zweite Schaufelreihe mit einem hohen Nabenverhältnis ( ξ ) und einem geringen Auffüllungsgrad (^). Dies ist
deutlich in Fig. 4b erkennbar. Diese zeigt in schematischer
Darstellung das Axialvorlaufrad 70 mit einer Tandemanordnung
von zwei Schaufelreihen. Auf dieses Vorlaufrad 70 folgt eine Statorschaufelreihe 71. Diese bildet zusammen
mit dem Axialvorlaufrad 70 die Einlaßstufe der Axialpumpe 10. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Vorlaufrades
70 umfaßt die erste Schaufelreihe vier Vollschaufeln 120 und vier Partialschaufeln 122. Die vier Vollschaufeln
120 haben einen hohen Spitzenauffüllungsgrad von etwa drei
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sowie einen flachen Schaufelwinkel ß relativ zur Drehebene von etwa 10° . Der Anstellwinkel beträgt etwa 4°. Es
muß bemerkt werden, daß der Schaufelwinkel sich von der Nabe bis zur Spitze ändert, und zwar gemäß r (Tangens ß) =
a (konstant), wobei r den Radius bedeutet. Die Partialschaufeln 122 unterteilen die Strömungsfläche der vier
Vollschaufeln 120 in gleiche Teile. Hierdurch wird der durch die erste Schaufelreihe entwickelte Druck erhöht.
Ferner wird hierdurch am Auslaß 124 der Schaufeln oder am Einlaß der zweiten Schaufelreihe eine in radialer Richtung
gleichförmige Meridionalgeschwindigkeitsverteilung erreicht.
Die erste Schaufelreihe entwickelt etwa 4096 des
Drucks der Einlaßstufe. Die zweite Schaufelreihe der Einlaßstufe umfaßt 16 Schaufeln 126 und entwickelt etwa 60%
des Drucks des Vorlaufrades 70. Es muß ferner bemerkt werden, daß die zweite Schaufelreihe am Auslaß des Vorlaufrades
eine radiale Verteilung der tangentialen Geschwindigkeit gemäß einem freien Wirbel erzeugt. Es muß ferner
betont werden, daß bei einer bevorzugten Schaufelausbildung die erste Schaufelreihe vier Vollschaufeln und vier
Partialschaufeln umfaßt, während die zweite Schaufelreihe sechzehn Schaufeln umfaßt. Die spezielle Ausbildung wird
jedoch durch die jeweiligen besonderen Gegebenheiten der jeweiligen Pumpensituation bestimmt. Somit ist die Anzahl
der Schaufeln nicht so kritisch wie die Tatsache, daß das Einlaßvorlaufrad zwei Schaufelreihen aufweisen muß. Die
Nabe 128 des Vorlaufrades zeigt eine kegelstumpfförmige
Geometrie. Sie bildet einen konvergierenden Strömungsquerschnitt
vom Axialpumpeneinlaß zum Auslaß des Vorlaufrades 70. Das Einlaßnabenverhältnis des Vorlaufrades 70 (Nabenradius,
dividiert durch den Spitzenradius) beträgt etwa 0,40. Das Nabenverhältnis am Auslaß beträgt etwa 0,85.
Die Meridionalgeschwindigkeit Cm steigt aufgrund dieser
Faktoren auf das etwa 5fache. Der Stator 71 am Auslaß 130
des Vorlaufrades 70 bildet eine wirbelfreie, radiale Ver-
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teilung der Tangentialgeschwindigkeit. Ferner erreicht man hierdurch einen höheren Strömungskoeffizienten. Diese Faktoren
bilden die Einlaßbedingungen der ersten Axialstufe der mehrstufigen Pumpe. Diese Einlaßbedingungen werden
konstant gehalten und in allen nachfolgenden Axialstufen der mehrstufigen Pumpe wiederholt. Das Vorlaufrad 70 ist
derart ausgebildet, daß die Strömung allmählich rotiert. Hierdurch wird ein Druck aufgebaut. Ferner kommt es zu
einer allmählichen Steigerung der Meridionalgeschwindigkeit, so daß eine Erosionsabnutzung durch die Aufschlämmung
vermieden wird. Die Vorlaufradschaufeln 120, 122 und 126 zeigen über den gesamten Radius eine abgerundete
Vorderkante. Sie werden mit geringem Flüssigkeitseintrittswinkel betrieben, und zwar bei maximaler Lebensdauer.
Jede Axialstufe der mehrstufigen Pumpe 10 umfaßt Rotoren 81 und Statoren 83 mit einem konstanten, hohen Nabenverhältnis
(I) von etwa 0,85. Alle diese Axialstufen der Pumpe sind identisch und jede entwickelt etwa 50 psi
( 3,4 bar) Druckanstieg. Die Spitzengeschwindigkeit(Um)
des Rotors beträgt etwa 22,5 m/sec. Dies entspricht etwa der Spitzengeschwindigkeit herkömmlicher Zentrifugalaufschlämmungspumpen.
Bisher ist keine Axialaufschlämmungspumpe bekannt, welche eine solche Spitzengeschwindigkeit
liefert. Jede Axialstufe liefert ein symmetrisches Geschwindigkeitsdiagramm gemäß Fig. 4c. Bei einem mittleren
Radius erhält man jeweils den gleichen statischen Druckanstieg für den Rotor und den Stator sowie eine gleichförmige
Verteilung des Drucks entlang des Schaufelradius. Dies führt zu einem konstanten Wert der Meridionalgeschwindigkeit
von der Wurzel bis zur Spitze der Rotorschaufeln und der Statorschaufeln, sowie zu einer konstanten
Meridionalgeschwindigkeit über jede Stufe der Pumpe. Das symmetrische Geschwindigkeitsdiagramm der Fig. 4c sowie
die konstante Meridionalgeschwindigkeit erzeugen eine
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gleichförmige axiale Verteilung des Druckanstiegs über die gesamte Pumpe, identische Pumpendurchmesser und Nabenspitzendurchmesser
und jeweils den niedrigsten Strömungsgeschwindigkeitswert an der Spitze und an der Wurzel der
Schaufeln sowohl des Rotors als auch des Stators.
Die erfindungsgemäße Axialpumpe führt zu einer allmählichen Rotation der Flüssigkeit. Es sind keine drastischen
Krümraungen des Strömungsverlaufs vorgesehen, welche dazu führen könnten, daß Feststoffteilchen vom Strömungsverlauf
abweichen könnten und auf die Strömungsflächen auftreffen könnten. Bei einem zehnstufigen Axialpumpenabschnitt
vollführen die Feststoffteilchen vom Eintritt in das Pumpenvorlaufrad 70 am Einlaß bis zum Austritt aus
der zehnten Axialstufe eine Drehbewegung oder Spiralbewegung
über nur etwa 3/4 des Umfangs der Pumpe (Fig.4d und 4e). Dieser kurze Strömungsweg durch die Pumpe führt
zu einer verringerten Erosion der Innenbauteile der Pumpe und dessen Gehäuse und somit zu einer erhöhten Lebensdauer
der Pumpe.
Im folgenden soll auf Fig. 5 Bezug genommen werden. Diese zeigt den Endabschnitt 114 mit einem Strömungsführungskörper.
Dieser ist am Ende des Hochdruckabschnitts angeordnet und dient der Führung der beschleunigten Aufschlämmung
zum Pumpenauslaß 16.
Während des Pumpenbetriebs tritt klares Wasser in den inneren Verteilungskanal der Drehwelle 34 ein. Es gelangt
von hier in die doppelte mechanische Dichtungsanordnung 35 sowie über die Öffnung 101 und die Leitung 112 in das
mit Wasser geschmierte, hintere Lager. Das klare Wasser strömt sodann durch die Nuten 98 innerhalb des mit Wasser
geschmierten Lagers 92 und schließlich in den Hohlraum 101 des Gehäuses 77. Sodann fließt das Wasser in den Was-
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-4t-
serrücklaufsumpf 108 ab. Von hier wird es zurückgeführt.
Es gelangt sodann wiederum zur doppelten mechanischen Dichtungsanordnung. Das in den Niederdruck- und in den
Hochdruckpumpenabschnitt gepumpte Aufschlämmungsmaterial wird daran gehindert, in das hintere und vordere Lager
92 einzutreten, da das klare Wasser mit einem erhöhten Druck durch die Leitung 100 eintritt. Eine kleine Menge
des klaren Wassers tritt somit ständig in den Strom der Aufschlämmung ein, und zwar über den gekrümmten Strömungsweg 100. Man erkennt somit, daß das abradierend wirkende
Aufschlämmungsmaterial daran gehindert wird, in die Lageranordnung des Rotors 78 einzudringen.
Die erfindungsgemäßen Axialpumpen mit einer Niederdruckstufe und einer Hochdruckstufe entwickeln einen Druck von
etwa 1000 psi (69 bar). Jede der zwanzig Stufen entwickelt bei diesem Beispiel etwa 50 psi (3,4 bar). Eine Axialschlammpumpe
zur Entwicklung eines solchen Druckes kann z.B. in eine Pipeline mit einem Durchmesser von 38 Zoll
für Kohleaufschlämmungen eingebaut werden. Der Durchsatz beträgt etwa 18 000 gpm. Die Pumpenstufen sind ausschließlich
im Inneren angeordnet. Die Pumpe wird durch eine Antriebseinrichtungen angetrieben, welche etwa 11 500 PS
entwickeln. Der Pumpenrotor dreht sich mit etwa 600 U/min. Natürlich kann die Pumpe auch von beiden Enden her angetrieben
werden, d. h. sowohl vom Einlaßknie 14 her als auch vom Auslaßknie 16 her. Sodann kann jede einzelne
Antriebseinrichtung an den beiden entgegengesetzten Enden des Pumpengehäuses etwa 6000 PS entwickeln, und zwar bei
einer Drehzahl von etwa 600 U/min.
Man erkennt, daß die erfindungsgemäße Pumpe in hohem Maße flexibel ist. Das Pumpengehäuse kann leicht und rasch entfernt
werden, und jeder Pumpenabschnitt kann in kürzester Zeit repariert werden. Eines der Pumpensegmente kann ent-
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fernt werden, ohne daß das gesamte Pumpengehäuse entfernt werden muß. Falls die auszutauschenden Rotorschaufeln auf
gesonderten Ringen angeordnet sind, kann man einzelne oder alle Stufen der Rotoranordnung für Reparaturzwecke austauschen.
Das Statorgehäuse kann in zwei Hälften unterteilt sein, so daß der Rotor für Reparaturzwecke leicht zugänglich
ist. Ferner können auch die einzelnen, sich einwärts erstreckenden Statorschaufein leicht ausgetauscht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind jede einzelne Schaufel und jeder einzelne Ring gesondert austauschbar. Anstelle
des Austausches jeweils eines gesamten Rings mit seinen Schaufeln kann auch ein einzelner Austausch der
einzelnen Schaufeln erfolgen, und zwar entweder innerhalb der Statorringe oder innerhalb der Rotorringe. Hierdurch
wird die Reparatur der Pumpe noch weiter erleichtert. Die Schaufeln können aus verschiedensten, abriebfesten Materialien
hergestellt werden, z.B. aus Wolframcarbid, aus Matrixverbundwerkstoffen, aus Steinten oder dergl..
Die Innenpumpenkanäle, z.B. das Einlaßknie und das Auslaßknie, sowie das Statorgehäuse sind gegen abradierende Erosion
durch Beschichtung mit harten Materialien geschützt. Diese Beschichtung ist auf den von der Aufschlämmung benetzten
Flächen vorgesehen. Es handelt sich z.B. um eine Stellit-Beschichtung, um eine Beschichtung mit Wolframcarbid,
um eine Dampfabscheidung oder um eine Boridisierung.
030040/0859
Claims (18)
- PatentansprücheAxialschlammpumpe, gekennzeichnet durchein langgestrecktes, zylindrisches Gehäuse mit einem Einlaßrohrknie;eine konzentrisch innerhalb des zylindrischen Gehäuses untergebrachte Drehwelle, welche über eine erste Lageranordnung in einer Außenwandung des Einlaßrohrknies eintritt;ein Vorlaufrad zur Drucksteigerung und zur Einführung der Strömung in die Axialpumpe mit einer Tandemanordnung von Schaufelreihen, wobei das Vorlaufrad koaxial auf der Antriebswelle angeordnet ist und wobei sich stromab ein Stator anschließt, der an der Wandung der zylindrischen Rohrleitung befestigt ist;mindestens eine Druckstufe mit einem koaxial auf der Antriebswelle angeordneten Rotor und einem stromab von diesem stationär an der Innenwandung der zylindrischen Rohrleitung befestigten Stator zur Drucksteigerung;einen Strömungsführungskörper, welcher koaxial auf der Antriebswelle stromab von der Druckstufe angeordnet ist und der Verbesserung der Flüssigkeitsströmung dient;ein Auslaßrohrknie am Ende des zylindrischen Gehäuses, wobei sich die Antriebswelle konzentrisch durch das Gehäuse erstreckt und durch eine Stirnwand des Auslaßrohrknies austritt und hier durch eine zweite Lageranordnung außerhalb der Stirnwand gelagert ist; undeine mit der Antriebswelle verbundene Antriebseinrichtung für den Antrieb der Axialpumpe.
- 2. Axialpumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Niederdruckstufe und mindestens eine stromab davon angeordnete Hochdruckstufe.030040/0859-S-
- 3· Axialpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckabschnitt und der Hochdruckabschnitt der Pumpe zwanzig Stufen umfassen, wobei jede Stufe etwa 50 psi (3,4 bar) entwickelt, so daß die Axialpumpe etwa 1000 psi (69 bar) entwickelt.
- 4. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein koaxial am hinteren Ende der Antriebswelle angeordnetes Wasserlager zur Verhinderung des Eintritts der Aufschlämmung in Bereiche hoher Abnutzung.
- 5. Axialpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Wasserlager höher ist als der Druck in der Axialpumpe, so daß die Aufschlämmung daran gehindert wird, in das Wasserlager einzudringen.
- 6. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor eine Vielzahl von sich nach außen erstreckenden Rotorschaufeln umfaßt, welche einstückig mit dem Ring ausgebildet sind.
- 7. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotor eine Vielzahl von austauschbaren, sich nach außen erstreckenden Rotorschaufeln umfaßt.
- 8. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Gehäuse entlang einer Längsebene unterteilt ist, so daß die obere Gehäusehälfte des zylindrischen Gehäuses zur Wartung und Reparatur der Axialpumpe abgenommen werden kann.
- 9. Axialpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator in Längsrichtung unterteilt ist, so03QCH0/Q859daß der Stator aus der Axialpumpe entnommen werden kann und der Rotorabschnitt freigelegt werden kann.
- 10. Axialpumpe nach Anspruch 9» dadurch gekennzeid> net, daß jeder Stator eine obere Ringhälfte und eine untere Ringhälfte mit jeweils einstückigen, sich radial nach innen erstreckenden Statorschaufeln umfaßt.
- 11. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stator eine obere Ringhälfte und eine untere Ringhälfte mit daran befestigten, gesonderten, austauschbaren Statorschaufeln umfaßt.
- 12. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln und die Statorschaufeln aus erosionsfestem Material bestehen.
- 13. Axialpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln und die Statorschaufeln aus Wolframcarbid bestehen.
- 14. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz der Pumpe etwa 18 000 gpm beträgt.
- 15. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden Innenflächen der Pumpe einen Oberflächenbelag aus hartem Material aufweisen.
- 16. Axialpumpe nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß das harte Material aus Steint besteht.030040/0859
- 17. Axialpumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß das harte Material Wolframcarbid ist.
- 18. Axialpumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das harte Material eine Boridisierungsschicht ist.030040/0859
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