DE3011688A1 - Axialschlammpumpe - Google Patents

Description

1A-3136
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 C_m 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(U_m) 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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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.

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Claims (18)

1. Patentansprüche

   Axialschlammpumpe, gekennzeichnet durch

   ein 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; und

   eine mit der Antriebswelle verbundene Antriebseinrichtung für den Antrieb der Axialpumpe.
2. 2. Axialpumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Niederdruckstufe und mindestens eine stromab davon angeordnete Hochdruckstufe.

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3. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 9. Axialpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator in Längsrichtung unterteilt ist, so

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   daß der Stator aus der Axialpumpe entnommen werden kann und der Rotorabschnitt freigelegt werden kann.
10. 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. 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. 12. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln und die Statorschaufeln aus erosionsfestem Material bestehen.
13. 13. Axialpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln und die Statorschaufeln aus Wolframcarbid bestehen.
14. 14. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz der Pumpe etwa 18 000 gpm beträgt.
15. 15. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden Innenflächen der Pumpe einen Oberflächenbelag aus hartem Material aufweisen.
16. 16. Axialpumpe nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß das harte Material aus Steint besteht.

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17. 17. Axialpumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, daß das harte Material Wolframcarbid ist.
18. 18. Axialpumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das harte Material eine Boridisierungsschicht ist.

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