DE3429085A1

DE3429085A1 - Fluessigkeitsringpumpe

Info

Publication number: DE3429085A1
Application number: DE19843429085
Authority: DE
Inventors: Douglas E. Fairfield Conn. Bissell; Charles M. Bridgeport Conn. Jozepaitis
Original assignee: Nash Engineering Co
Current assignee: Gardner Denver Nash LLC
Priority date: 1983-08-08
Filing date: 1984-08-07
Publication date: 1985-02-28
Anticipated expiration: 2004-08-08
Also published as: DE3429085C2; AU562164B2; CA1233148A; FI843121A; FI843121A0; EP0138310B1; ZA845797B; BR8403947A; SE8403918L; SE8403918D0; EP0138310A1; US4498844A; JPH0438918B2; SE456028B; FI76628B; FI76628C; AU3111984A; JPS6060292A

Description

Die Erfindung betrifft Flüssigkeitsringpumpen, insbesondere mit konischem oder zylindrischem Einlaß- oder Auslaßöffnungen.

Eine Flüssigkeitsringpumpe mit konischen Einlaß- und Auslaßöffnungen ist aus der US-PS 3 154 240 bekannt. Die Hauptkomponenten dieser Pumpe sind (1) ein zylindrisches Gehäuse,

(2) eine exzentrisch im Gehäuse angeordnete drehbare Welle,

(3) ein mit Schaufeln versehener Rotor, der auf der Welle starr befestigt ist, (4) zwei mit der Welle koaxiale, kegelstumpfförmige Öffnungen, die sich jeweils in eine ringförmige Aussparung in einem zugehörigen Ende der beiden einander gegenüberliegenden Enden des Rotors und mit Ca) einer Einlaßöffnung zum Einleiten von zu pumpendem Gas, Dxmpf oder einem Gas-Dampf-Gemisch (nachstehend mit dem Oberbegriff "Gas" bezeichnet) zum Rotor und mit (b) einer Auslaßöffnung für komprimiertes Gas aus dem Rotor und (5) ein Kopfstück an jedem Ende der Pumpe zum Befördern von Gas zwischen zugehörigen öffungen und geeigneten Pumpeneinlässen und -auslassen. Obwohl die in der zitierten US-PS dargestellten öffnungen kegelstumpfförmig sind, bezeichnet sie der Fachmann häufig als konisch; diese Terminologie wird auch dementsprechend im Folgenden beibehalten. Die Öffnungen bei der Pumpe gemäß der US-PS müssen jedoch nicht konisch sein, sondern können alternativ auch zylindrisch ausgeführt sein; in diesem Fall würde man die Pumpe als solche mit Zylinderöffnungen bezeichnen.

Bei der Pumpe gemäß der US-PS wird eine Menge an Pumpflüssigkeit (z.B. Wasser) im Gehäuse gehalten. Wenn sich die Welle und der Rotor drehen, wirken die Rotorschaufein mit der Pumpflüssigkeit zusammen und verformen sie zu einem zum Ge-

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häuse konzentrischen Ring. Der Flüssigkeitsring wirkt mit den Rotorschaufeln zusammen und bildet mehrere Gaspumpkammer, die jeweils begrenzt sind durch (1) zwei benachbarte Rotorschaufeln, (2) den benachbarten Abschnitt der Rotornabe oder der konischen Öffnung und (3) den benachbarten Abschnitt der Innenfläche des Flüssigkeitsrings. Da der Rotor exzentrisch zum Gehäuse ist, variiert die Größe der Kammer zyklisch mit der Drehbewegung des Rotors. Auf der Seite der Pumpe, auf der die Rotorschaufeln sich von dem Gehäuse entfernen, vergroßem sich die Pumpkammern. Dies ist die Gaseinlaßzone der Pumpe, und die Einlaßöffnungen liegen daher so, daß sie mit den Pumkammern in dieser kommunizieren. Auf der Seite der Pumpe, auf der die Rotorschaufeln sich an das Gehäuse annähern, verkleinern sich die Pumpkammern. Dies ist die Gas-

¹S kompressionszone der Pumpe, und die Auslaßöffnungen liegen daher so, daß sie mit den Pumpkammern in dieser Zone kommunizieren.

Flussigkeitsringpumpen sind üblicherweise so ausgeführt, daß sie ein bestimmtes Kompressionsverhältnis oder einen relativ schmalen Bereich des Kompressionsverhältnisses über einen relativ langen Zeitraum haben. Wenn eine Flüssigkeitsringpumpe nicht unter normalen Betriebsbedingungen betrieben wird, kann die zum Betrieb der Pumpe erforderliche Leistung erheblich zunehmen. Wenn beispielsweise eine Flüssigkeitsringpumpe in Betrieb gesetzt wird, und das Kompressionsverhältnis geringer als normal ist, so können hohe Drucke in der Kompressionszone der Pumpe vor der Auslaßöffnung auftreten. Diese Überkompression des zu pumpenden Gases erhöht die erforderliche Leistung zum Antrieb der Pumpe, bis das normale Kompressionsverhältnis erreicht wird. Um diese gelegentlich erhöhte Leistungsanforderungen zu erfüllen, muß die Pumpe mit einem größeren Motor als sonst notwendig ausgerüstet sein. Dies ist unwirtschaftlich, und daher ist es erfindungsgemäß wünschenswert, die Zunahme der Leistungsanforderungen der Pumpe unter außernormalen Betriebsbedingungen zu minimalisieren.

Bei der Konstruktion von Flüssigkeitsringpumpen ist ferner zu berücksichtigen, daß, je höher das Kompressionsverhältnis der Pumpe sein soll, die Pumpe umso empfindlicher für außernormale Betriebsbedingungen ist. Wenn z.B. eine Flüssigkeitsringpumpe für ein sehr hohes Kompressionsverhältnis konstruiert worden ist, so ergeben sich ganz erhebliche Überkompressionsprobleme bei Werten unter dem normalen Kompressionsverhältnis. Abgesehen von den Fällen, wo eine Flüssigkeitsringpumpe für ein hohes Kompressionsverhältnis konstruiert ist (wo die Pumpe dann normalerweise mit geringem Wirkungsgrad bei geringeren Kompressionsverhältnxssen arbeitet), erreicht man im allgemeinen überhaupt keine derartig hohen Kompressionsverhältnisse.

Eine andere Eigenschaft der Flüssigkeitsringpumpen, insbesondere solcher für den Betrieb bei relativ geringen Geschwindigkeiten und geringen Kompressionsverhältnissen, besteht darin, . daß derartige Pumpen instabil sein können, was sich durch 'übermäßige Vibrationen und Verlust an Pumpfähigkeit zeigt, wenn höhere Kompressionsverhältnisse als das Konzeptions-Kompressionsverhältnis erreicht werden sollen.. Diese Bedingung kann man verbessern durch Erhöhen der Strömung der Pumpflüssigkeit zur Pumpe. Eine derartige Lösung erhöht jedoch die Betriebskosten der Pumpe und verschiebt den Punkt, an der die Pumpe instabil wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Flüssigkeitsringüumpe zu schaffen, die über einen relativ breiten Bereich des Kompressionsverhältnisses mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird insbesondere mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Bei einer Flüssigkeitsringpumpe mit konischen oder zylindrischen öffnungen, wobei neben den Einlaß- und Auslaßöffnungen der Öffnungsabschnitt eine Entlüftungs-Rückführöffnung aufweist, die nach der Einlaßöffnung und

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vor der Auslaßöffnung in Rotordrehrichtung angeordnet ist. Der Pumpenkopf bildet ferner eine Sumpfkammer, in der normalerweise eine bestimmte Menge an Pumpflüssigkeit zurückgehalten wird. Die Sumpfkammer steht in Verbindung mit dem Gasauslaß der Pumpe an einer Stelle oberhalb des normalen Sumpfflüssigkeitsniveaus. Die Entlüftungs-Rückleitungsöffnung ist verbunden mit der Sumpfkammer an einer Stelle unterhalb des normalen Sumpfflüssigkeitsniveaus.

Eine derartige erfindungsgemäße Flüssigkeitsringpumpe ermöglicht relativ hohe Kompressionsverhältnisse ohne übermäßige Verringerung des Wirkungsgrades bei niedrigeren Kompressionsverhältnissen. Ferner wird die Betriebsstabilität der Flüssigkeitsringpumpe erhöht, ohne dabei die Zufuhrmenge der Pump-

flüssigkeit zur Pumpe erhöhen zu müssen. Die erfindungsgemäße Flüssigkeitsringpumpe ermöglicht die Erhöhung des Wirkungsgrades durch den Betrieb bei niedrigeren Geschwindigkeiten, wobei die Gefahr der Instabilität verringert ist. Ferner

wird der Verbrauch an Pumpflüssigkeit verringert. 20

Wenn die erfindungsgemäße Pumpe bei relativ niedrigen Kompressionsverhältnissen (d.h. bei Kompressionsverhältnissen unterhalb des Konzeptions-Kompressionsverhältnisses für die Auslaßöffnung am Ende), so wirkt die Entlüftungs-Rückführ-

öffnung als Entlüftung oder als zusätzliche Auslaßöffnung,

so daß Gas den Pumpauslaß über die Sumpfkammer erreichen kann. Dies verhindert im wesentlichen eine überkompression des Gases bei niedrigen Kompressionsverhältnissen. Bei mittleren Kompressionsverhältnissen kann die Entlüftungs-Rück-30

führöffnung im wesentlichen außer Betrieb gesetzt werden, indem sie durch die Pumpflüssigkeit in der Sumpfkammer im wesentlichen geschlossen wird. Bei höheren Kompressionsverhältnissen (d.h. beim Konzeptions-Kompressionsverhältnis an der Auslaßöffnung am Ende oder sogar bei noch höheren Kompressions-Verhältnissen), wird die Pumpflüssigkeit aus der Sumpfkammer zurück in den Flüssigkeitsring über die Entlüftungs-Rückführ-

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Öffnung gesaugt, die dann als Rückführkanal wirkt.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: 5

Figur 1 einer Zwillings-Flüssigkeitsringpumpe gemäß der Erfindung,

Figur 2 eine Seitenansicht des linken Endes der Pumpe gemäß Figur 1

Figur 3 eine Teilschnittansicht entlang der Linie 3-3 in Figur 1.

Figur 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des linken Pumpenkopfs gemäß Figur 1,

Figur 5 einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 in Figur 4,
20

Figur 6 eine Seitenansicht der gegenüberliegenden Seite des Kopfes gemäß Figur 4_f

Figur 7 einen Querschnitt entlang der Linie 7-7 in Figur 6, 25

Figur 8 einen Querschnitt entlang der Linie 8-8 in Figur 4, Figur 9 einen Querschnitt entlang der Linie 9-9 in Figur 4,

Figur 10 eine Endansicht des dem Kopf zugeordneten Öffnungsabschnitts gemäß Figur 4 (diese Ansicht ist in der gleichen Richtung aufgenommen wie Figur 4),

Figur 11 einen Querschnitt entlang der Linie 11-11 in Figur 10,

Figur 12 eine Endansicht des gegenüberliegenden Endes des Öffnungsabschnitts gemäß Figur 1O,

Figuren -\ Querschnitte entlang den Linien 13-13 bzw. 14-14 1 3 und 1 4J in Figur 1 O ,

Figur 15 einen Querschnitt entlang der Linie 15-15 in Figur 3, wobei ein Teil der Endhaube des Rotors weggeschnitten ist,
10

Figur 16 eine vereinfachte Querschnittsansicht, des Öffnungsabschnitts ähnlich Figur 10 bei einer anderen Ausführ ungsform,

Figur 17 eine Teilansicht ähnlich Figur 16 eines anderen

möglichen Merkmals der erfindungsgemäßen Pumpe und

Figur 18 eine Ansicht ähnlich Figur 17 mit einem anderen

möglichen Merkmal der erfindungsgemäßen Pumpe. 20

Gemäß den Figuren 1 bis 3, weist die Flüssigkeitsringpumpe 10 ein Zylindergehäuse 12 mit zwei Köpfen 14a und 14b an den beiden einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 12 auf. Da die beiden Enden der Pumpe im wesentlichen spiegel-* bildlich zueinander sind, wird nachstehend lediglich das linke Ende der Pumpe in Figur 1 näher erläutert.

Jeder Kopf 14a, 14b weist einen Pumpeneinlaß 16a bzw. 16b, einen primären Pumpenauslaß 18a bzw. 18b sowie einen alternativen Pumpenauslaß 18x bzw. 18y auf. Im allgemeinen kann jeder Auslaß an jedem Kopf entsprechend den Anforderungen des Benutzers verwendet werden. Der nicht benutzte Auslaß wird mit Hilfe einer Deckplatte abgedeckt. Das zu pumpende Gas wird über nicht dargestellte Leitungen den Einlassen 16 zugeführt. Nach Kompression in der Pumpe tritt das Gas über Auslässe 18 aus und wird über andere, ebenfalls nicht dargestellte Leitungen abgeführt.

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Die Welle 20 ist exzentrisch im Gehäuse 12 drehbar gelagert. D.h., die Drehachse der Welle 20 ist parallel und seitlich versetzt zur Mittelachse des Zylindergehäuses 12..Die Welle 20 erstreckt sich durch jeden Kopf 14 und wird für die Drehbewegung mit Hilfe von Lagern 22 abgestützt, die an den Köpfen befestigt sind. Die Welle 20 wird mit Hilfe eines geeigneten, nicht dargestellten Pumpenmotors in Richtung des Pfeils 50 gedreht.

Auf der Welle 20 innerhalb des Gehäuses 12 ist ein Rotor 30 mit mehreren Schaufeln 32 befestigt, die sich von der Nabe 34 aus radial nach außen .^rstrecken. Der Querschnitt jeder Schaufel sowie der Abstand der Schaufeln um die Rotorwelle in Umfangsrichtung sind beispielhaft in Figur 15 dargestllt. Obwohl die dargestellten Schaufeln 32 nahe ihren freien Enden geringfügig abgewinkelt sind, können sie auch als im wesentlichen eben angesehen werden, wobei die Ebene jeder Schaufel parallel zur Achse der Welle 20 ist.

Die Schaufeln 32 sind im wesentlichen langer parallel zur Welle 20 als zur Nabe 34. Die Schaufeln 32 sind in Längsrichtung halb unterteilt, sowie durch Ringteiler 36 versteift, die sich von der Nabe 34 aus radial nach außen bis zu den äußeren freien Enden der Schaufeln erstrecken. Jede Hälfte jeder Schaufei weist drei Teile in Längsrichtung auf:

ein erstes Teil 32a, wo die Schaufel mit der Nabe 34 verbunden ist, ein zweites Teil 32b, wo die Schaufel gegenüber der Welle 20 radial beabstandet und nicht durch eine Verbindung mit den benachbarten Schaufeln abgestützt ist, sowie ein drittes Teil 32c, wo die Schaufel ebenfalls von der Welle 20 radial beabstandet, jedoch mit der ringförmigen Endhaube 38 verbunden ist. Die ringförmige Endabdeciiung oder Haube 38 ist im wesentlichen eben und toroidförmig oder in Form von Beilagscheiben, die sich von einem inneren Kreis, unmittelbar in der Nähe des Kanals 40 (nachstehend beschrieben) zu einem äußeren Kreis in der Nähe der äußeren freien

Enden der Schaufeln 32 erstreckt. Die Endhaube 38 versteift die anders nicht abgestützten Enden der Schaufeln 32 und verschließt ferner die Enden der Gaspumpkammern-, die zwischen benachbarten Schaufeln gebildet werden. Obwohl in Figur 3 Iediglich das eine Ende des Rotors 30 dargestellt ist, befindet sich auch am anderen Ende des Rotors eine Endhaube 38 oder Endabdeckung.

Da der zweite Abschnitt und der dritte Abschnitt 32b bzw. 32c jeder Schaufel 32 von der Welle 20 radial beabstandet sind, ergibt sich in der Nähe jedes Endes des Rotors um die Welle ein Ringraum. An jedem Kopf 14 ist ein ringförmiger Kanal befestigt, der sich in diesen Ringraum an dem benachbarten Ende des Rotors 30 erstreckt. Somit ist jeder Kanal 40 ringförmig und umgibt den benachbarten Abschnitt der Welle 20.

In dem Gehäuse 12 wird eine bestimmte Menge von Pumpflüssigkeit, wie Wasser aufgenommen. Die während des Betriebs der Pumpe verlorengegangene Pumpflüssigkeit wird durch frische

Pumpflüssigkeit aufgefüllt, die der Pumpe über die Leitung

(vgl. Figur 2) zugeführt wird. Wenn sich der Rotor 30 dreht (in Richtung des Pfeils 50) so ergreifen, die Schaufeln 32 die Pumpflüssigkeit und bewirken die Ausbildung eines im wesentlichen zum Gehäuse 12 konzentrischen Rings. Obwohl der Flüs-25

sigkeitsring normalerweise relativ turbulent ist, so daß seine Innenfläche unregelmäßig ist, so kann die annähernde Lage seiner Innenfläche durch die gestrichelten Linien 52 in Figur 3 dargestellt werden. Da der Rotor 30 zum Gehäuse

exzentrisch ist, erstrecken sich die Rotorschaufeln 32 , die 30

mit dem Flüssigkeitsring bis zu einem gewissen Grade immer in Berührung kommen, auf der einen Seite der Pumpe weiter in den Flüssigkeitsring hinein als auf der anderen Seite. Dies ergibt sich aus Figur 3, wo die nahe dem Boden der Pumpe

sichtbare Rotorschaufel 32 weiter in den Flüssigkeitsring 35

eintaucht als die Rotorschaufel 32 nahe der Oberseite der Pumpe. Daher vergrößern sich die Gaspumpkammern an der oberen

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rechten Seite der Pumpe gemäß Figur 2 in Drehrichtung des Rotors. Dieser Teil ist daher die Gasaufnahmezone der Pumpe. Die Gaspumpkammern auf der unteren linken Seite der Pumpe (in Figur 2) verkleinern sich in Drehrichtung des Rotors; dieser Teil ist daher die Gaskompressionszone der Pumpe.

Gemäß Figur 3 weist jeder Kanal 40 einen Einlaßkanal 42 nahe den Innenrändern der Rotorschaufelabschnitte 32b nahe der Einlaßzone der Pumpe auf. Der Kanal 40 definiert ferner eine Einlaßleitung 44, die mit einer Einlaßleitung 64 des benachbarten Pumpenkopfes 14 verbunden ist. Die Einlaßleitung 64 führt zum zugehörigen Pumpeneinlaß 16. Das dem Pumpeneinlaß 16 zugeführte Gas wird daher in die Einlaßzone der Pumpe über Leitungen 64 und 44 sowie den Einlaßkanal 42 angesaugt.

Gemäß Figur 3 weist jeder Kanal 40 ferner einen Auslaßkanal 46 auf, der nahe den Rändern der Rotorschaufelabschnitte 32b in der Nähe der Kompressionszone der Pumpe angeordnet ist. Der Kanal 40 definiert ferner eine Auslaßleitung 48, die mit einer Auslaßleitung 68 in'den benachbarten. Pumpenkopf 14 verbunden ist. Die Auslaßleitung 68 führt zu dem zugehörigen Pumpenauslaß 18 (vgl. Figur 4). Das durch die Pumpe komprimierte Gas wird daher aus der Kompressionszone der Pumpe über den Auslaßkanal 46 und die Auslaßleitungen 48 und 68 abgegeben.

Die Form des Kanals 40 ist in den Figuren 10 bis 14 detaillierter dargestellt. Figur 10 ist eine Endansicht des linken Kanals 40 gesehen von dem benachbarten Kopf 14a. Die Figur 12 ist eine entgegengesetzte Endansicht des gleichen Kanals. Im Uhrzeigersinn zeigt die Struktur in Figur 10 nacheinander folgende Bestandteile: die Einlaßleitung 44 nimmt etwa die Hälfte des Innenraums des Kanals ein; ein Einlaßkanal 42 überspannt einen Hauptabschnitt der Leitung 44. Der nächste Teil des Kanals 40 ist eine Entlüftungsleitung 70, die mit dem Entlüftungskanal 72 in der konischen Außenfläche des

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Kanals zusammenwirkt. Die Arbeitsweise des Entlüftungskanals 72 wird weiter unten noch näher erläutert, jedoch sollte hier erwähnt werden, daß der Entlüftungskanal 72 nahe den Innenrändern der Rotorschaufelabschnitte 32b in der Nähe eines Anfangsabschnittes der Kompressionszone der Pumpe angeordnet ist. Der nächste Teil des Kanals 40 ist die Entlüftungs-Rückführleitung 74, die mit dem Entlüftungs-Rückführkanal 76 in Verbindung steht. Dieser Kanal 76 liegt nahe den inneren Rändern der Rotorschaufelabschnitte 32b in der Nähe des Mittelab- Schnitts der Kompressionszone der Pumpe. Der nächste Abschnitt des Kanals 40 ist der Auslaßkanal 46 mit der zugehörigen Auslaßleitung 48. Der letzte Abschnitt des Kanals 40 ist die Pumpflüssigkeitsleitung 78 zum Fördern der Pumpflüssigkeit aus der Leitung 24 zu einer Stelle in der Nähe der Rotornabe, zum Auffüllen des Flüssigkeitsrings und zum Bilden einer Gasdichtung an dieser Stelle in der Pumpe.

Jede der Leitungen 44, 70, 74, 48 und 78 ist vollständig unabhängig von den anderen Leitungen in dem Kanal 40. Jede dieser Leitungen kommuniziert jedoch mit einer entsprechenden Leitung in dem benachbarten Kopf 14. Die Figur 6 zeigt die Kanalseite des Kopfes 14a, der mit dem Kanal 40 gemäß den Figuren 10 bis 14 verbunden werden soll. Der mittlere Abschnitt der Konstruktion in Figur 6 zeigt im Uhrzeigersinn nacheinander die folgenden Bestandteile: Eine Einlaßleitung 64 als Verbindung mit der Einlaßleitung 44 im Kanal 40; die Entlüftungsleitung 80 kommuniziert mit der Entlüftungsleitung 70 im Kanal 40. Die Entlüftungs-Rückführleitung 84 kommuniziert mit der Entlüftungs-Rückführleitung 74 im Kanal 40; die Auslaßleitung 68 kommuniziert mit der Auslaßleitung 48 im Kanal 40, und die Pumpflüssigkeitsleitung 88 kommuniziert mit der Pumpflüssigkeitsleitung 78 im Kanal 40.

Nachstehend wird die Anordnung der Leitungen im Kopf 14a erläutert: Gemäß Figur 4 kann die dort gestrichelt eingezeichnete Einlaßleitung 64 eine relativ große halbzylindrische Kam-

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mer sein, die mit dem Pumpeneinlaß 16a an der Oberseite der Pumpe in Verbindung steht (vgl. ebenfalls die Figuren 3 und 8). Die Entlüftungsleitung 80 ist ebenfalls in Figur 4 gestrichelt eingezeichnet, und zwar als Kammer in Form eines abgestumpften Keils, der zu einer Rückschlagventilanordnung führt (vgl. auch die Figuren 7 und 9. Die Rückschlagventilanordnung 90 weist ein Rückschlagkugelventil 92 zwischen der Entlüftungsleitung 80 und der Entlüftungs-Rückführleitung 84 auf. Wenn der Druck in der Leitung 80 größer ist als der in ¹^ Leitung 84, öffnet sich das Rückschlagventil 92, so daß ein Fluid aus der Leitung 80 in die Leitung 84 strömen kann. Wenn der Druck in der Leitung 80 nicht größer ist als der in der Leitung 84, so bleibt das Rückschlagventil 92 geschlossen und bewirkt damit einen Verschluß des Entlüftungskanals Die Rückschlagventilanordnung 90 weist eine bewegliche Abdeckplatte 94 auf, um die Wartung des Rückschlagventils 92 zu erleichtern. Die Rückschlagventil-Kugel wird durch drei parallele Zapfen 96 geführt (lediglich zwei der Zapfen sind in Figur 9 sichtbar) die an der Abdeckplatte 94 angeordnet sind

und sich nach unten von der Abdeckplatte weg zur Wand zwischen den Leitungen 80 und 84 neigt. Ein oder mehrere zusätzliche horizontale Zapfen 98 sind an der Wand zwischen den Leitungen 80 und 84 befestigt, um die Rückschlagventilkugel während der Abnahme oder dem Ersetzen der Abdeckplatte 94 tem-

porär zu halten.

Die Entlüftungs-Rückführleitung 84 ist ebenfalls in Figur 4 gestrichelt eingezeichnet. Der am Kanal 40 am nächsten liegende Abschnitt der Leitung 84 ist ebenfalls eine Kammer in Form

eines abgestumpften Keils, die mit dem unteren Abschnitt der Rückschlagventilanordnung 90 in Verbindung steht (vgl. auch Figur 9). Unterhalb der Rückschlagventilanordnung 90 läuft die Leitung 84 vertikal nach unten und hat gemäß Figur 5 etwa quadratischen Querschnitt (vgl. auch Figur 9). Nahe dem

Pumpenboden knickt die Leitung 84 im rechten Winkel ab und läuft horizontal quer zur Pumpe (vgl. die Figuren 4,5

und 8). An der rechten Seite der Pumpe (vgl. Figur 4) öffnet sich die Leitung 84 in den Boden einer Sumpfkammer 100 im Kopf 14 rechts neben dem Leitblech 102. Die Sumpfkammer 100 steht in Verbindung mit der Auslaßleitung 68 und soll zumindest einen Teil der Pumpflüssigkeit sammeln und rückhalten, die normalerweise aus dem Flüssigkeitsring mit dem kompremierten Gas abgegeben wird. Obwohl die Bedingungen in der Auslaßleitung 68 und der Sumpfkammer 100 normalerweise sehr turbulent sind, so daß die Grenze zwischen der Flüssigkeits- und der Gasphase nur schlecht definiert ist, steht die Leitung 84 mit der Sumpfkammer 100 an einer Stelle in Verbindung, die zumindest nominell unter dem Normalniveau der Pumpflüssigkeit in der Sumpfkammer ist. Das Leitblech 102 erstreckt sich nicht durch die Entlüftungs-Rückführleitung 84.

Die Auslaßleitung 68 ist in Figur 4 sowohl gestrichelt als auch mit durchgezogenen Linien eingezeichnet. Der Abschnitt der Leitung 68 rechts neben dem Leitblech 102 in Figur 4 ist, wie vorstehend ausgeführt, mit der Sumpfkammer 100 verbunden. Links neben dem Leitblech 102 ist die Leitung 68 mit dem Pumpenauslaß 18a und dem alternativen Pumpenauslaß 18x verbunden.

Die Leitung 88 für Pumpflüssigkeit ist ebenfalls in Figur 4 gestrichelt eingezeichnet in Form einer ebenfalls abgestumpften, keilförmigen Kammer, die mit der Versorgungsleitung 24 für Pumpflüssigkeit verbunden ist.

Nachstehend wird die Betriebsweise der Pumpe unter verschiedenen Betriebsbedingungen erläutert. Bei Kompressionverhältnissen unterhalb des Konzeptions-Kompressionsverhältnisses für den letzten Auslaßkanal tritt Gas in die Pumpe über den Pumpeneinlaß 16 ein und strömt durch die Leitungen 64 und 44 in der Einlaßzone der Pumpe in den Rotor 30. Der Ausgleichsstrom von Pumpflüssigkeit strömt aus der Leitung 24, durch die Lei-

tungen 88 und 78, um das kleine Ende des konischen Kanals 40 und in den Flüssigkeitsring über die Gaspumpkammern, die zwischen benachbarten Paaren von Rotorschaufeln 32 gebildet werden. Da das Gesamt-Kompressionsverhältnis als niedrig angenommen ist, erreicht das Gas den Abgabeenddruck der Pumpe bald nach dem Eintritt in die Kompressionszone der Pumpe. Daher verläßt ein Teil des Gases den Rotor über den Entlüftungskanal 72 und strömt durch die Leitungen 70 und 80, durch das Rückschlagventil 92 und in die Leitung 84. Aus der Leitung 84 strömt dieses Gas durch die Sumpfkammer 100 und die Auslaßleitung 68 zum Pumpenauslaß 18. Der Entlüftungskanal 72 und die zugehörigen Leitungen entlasten daher den frühen Aufbau des Gasdrucks in der Kompressionszone der Pumpe bei niedrigen Kompressionsverhältnissen.

Nach dem Durchgang des im Rotor 30 verbliebenen Gases durch den Entlüftungskanal 72 erreicht das Gas den Abgabeenddruck der Pumpe in der Nähe des Entlüftungs.-Rückführkanals 76. Daher tritt ein weiterer Teil des Gases aus dem Rotor über den Entlüftungs-Rückführkanal 76 aus und strömt durch die Leitung 74, um mit der oben erläuterten Gasströmung in der Leitung 84 zusammenzutreffen. Der Entlüftungs-Rückführkanal 76 und die zugehörigen Leitungen entlasten daher ferner den frühen Aufbau des Gasdrucks in der Kompressionszone der Pumpe ° bei niedrigen Kompressionsverhältnissen.

Der letzte Teil des Gases im Rotor 30 erreicht erneut den Abgabeenddruck der Pumpe in der Nähe des Auslaßkanals 46. Daher tritt der letzte Teil des Gases (sowie etwas Pumpflüssigkeit) aus dem Rotor über den Auslaßkanal 46 aus. Dieses Fluid strömt durch die Leitungen 48 und 68 und tritt aus der Pumpe über den Pumpenauslaß 18 aus.

Bei einem etwas höheren, jedoch immer noch "mittleren" Kompressionsverhältnis erreicht das Gas nicht den Abgabeenddruck der Pumpe bis nach dem Durchgang durch den Ent-

lüftungskanal 72. Daher ist der Gasdruck in der Leitung 80 geringer als der in der Leitung 84, und das Rückschlagventil 92 ist geschlossen. Der Entlüftungskanal 72 ist daher zwangsweise geschlossen. Das Gas erreicht den Abgabeenddruck der Pumpe in der Nähe des Entlüftungs-Rückführkanals 76.

Daher tritt ein Teil des Gases aus dem Rotor 30 über den Entlüftungs-Rückführkanal 76 aus. Dieses Gas strömt durch die Leitungen 74 und 84, durch die Sumpfkammer 100 und in die Leitung 68 und damit zum Pumpenauslaß 18. Der Entlüftungs-Rückführkanal 76 sowie die zugehörigen Leitungen wirken daher als Entlüftung zum Entlasten eines frühen Aufbaues des Gasdrucks in der Pumpe, wenn diese bei mittleren Kompressionsverhältnissen betrieben wird.

Das im Rotor 30 nach dem Durchgang des Entlüftungs-Rückführkanals 76 verbliebene Gas erreicht wieder den Abgabeenddruck der Pumpe in der Nähe des Auslaßkanals 46. Daher tritt der Rest des Gases (und etwas Pumpflüssigkeit) aus dem Rotor 30 über den "Auslaßkanal 46 aus. Dieses Fluid strömt zum Pumpenauslaß 18 über die Leitungen 48 und 68.

Bei den höchsten mit der Pumpe erreichbaren.Kompressionsverhältnissen erreicht das Gas im Rotor 30 nicht den Abgabeenddruck der Pumpe bis nach den Durchgang durch den Entlüftungskanal 72 und dem Entlüftungs-Rückführkanal 76. Daher wird das Rückschlagventil 92 erneut geschlossen gehalten, da der Druck in den Leitungen 70 und 80 geringer ist als der in der Leitung 84.

Wenn der Gasdruck im Rotor 30 in der Nähe des Entlüftungs-Rückführkanals 76 nahezu gleich ist dem Abgabeenddruck, so ergibt sich nur geringfügige oder keine Fluidströmung in irgendeine Richtung in den Leitungen 74 und 84. Unter diesen Bedingungen wird die Fluidströmung in diesen Leitungen tendentiell reduziert oder unterbrochen durch einen hohen Anteil von Pumpflüssigkeit in diesen Leitungen und der

Sumpfkammer 100. Wenn andererseits der Gasdruck im Rotor 30 nahe dem Entlüftungs-Rückführerkanal 76 im wesentlichen geringer ist als der Abgabeenddruck, so strömt ein Gemisch von Gas und Pumpflüssigkeit von der Abgabeleitung 68 und der Sumpfkammer 100 zurück in den Rotor 30 über die Leitungen 84 und 74 und den Entlüftungs-Rückführkanal 76. Obwohl die so in der Pumpe induzierte Rückströmung normalerweise etwas Gas enthält, so enthält sie ebenfalls einen erheblichen Anteil an Pumpflüssigkeit und zwar wegen der Verbindung der Leitung 84 zum Boden der Sumpfkammer 100. Daher bewirken der Entlüftungs-Rückführkanal 76 und die zugehörigen Leitungen eine automatische Zunahme des Volumens im Flüssigkeitsring, wenn die Pumpe hohe Kompressionsverhältnisse erreicht. Dadurch wird der Betriebsbereich der Pumpe bis zu Kompressionsverhältnissen ausgedehnt, die wesentlich höher sind als bisher möglich. Die Rückleitung der Pumpflüssigkeit in die Pumpe hat zur Folge, daß keine große Strömung zum Nachfüllen von Pumpflüssigkeit erforderlich ist. Die Tatsache, daß das Gasvolumen in der zurückgeführten Flüssigkeitsströmung durch den erheblichen Anteil an Pumpflüssigkeit in der Strömung reduziert ist, bewirkt eine starke Reduktion der Ineffizienz, die mit der Rückführung von Gas in einer Flüssigkeitsringpumpe zusammenhängt.

■ Die Erfindung vergrößert somit den Bereich der Kompressionsverhältnisse, über den eine Flüssigkeitsringpumpe mit konischen oder zylindrischen Kanälen effizient betrieben werden kann. Bei geringen und mittleren Kompressionsverhältnissen verhindern die Kanäle 73 und 76 eine nachteilige Überkompression des Gases im Rotor der Pumpe, so daß die zum Betrieb der Pumpe erforderliche Leistung bei diesen Kompressionsverhältnissen reduziert wird. Bei höheren Kompressionsverhältnissen ist der Kanal 72 geschlossen und der Kanal 76 ist entweder zwangsweise geschlossen oder ein Fluid mit einem hohen Anteil an Pumpflüssigkeit wird zurückgeführt, so daß der Betriebsbereich der Pumpe bis zu Kompressionsverhältnissen

ausgedehnt wird, die wesentlich höher liegen als bislang möglich.

Die erfindungsgemäßen Flüssigkeitsringpümpen reagieren ferner auf Änderungen der Betriebsbedingungen. Wenn beispielsweise die Gasströmung zur Pumpe plötzlich zunimmt oder wenn ein großer Flüssigkeitsschub plötzlich über den Pumpeneinlaß in die Pumpe eindringt, so wird der Rotor 30 über den Entlüftungskanal 72 und/oder den Entlüftungs-Rückführkanal sofort und automatisch entlüftet, um eine Überkompression in der Pumpe zu verhindern.

Im Rahmen der Erfindung können der Kanal 72 und die zugehörigen Leitungen 70 und 80 sowie die Rückschlagventilan- ^ Ordnung 90 weggelassen werden (vgl. Figur 16). Im übrigen kann die Pumpe der Figur 16 wie oben beschrieben ausgeführt sein mit Ausnahme der frühen Entlüftung mit Hilfe .des Kanals 72 und den zugehörigen Bauteilen.

Der Entlüftungs-Rückführkanal 76 kann düsenförmig ausgeführt sein (Figur 17). Diese Düsenform ist glatt konvergent in Vorzugsrichtung (Einwärtsströmungsrichtung) und ist rechteckig in der nicht bevorzugten Auswärtsströmungsrichtung. Diese Form unterstützt eine Einwärtsströmung (d.h. Entlüftung) und behindert etwas die Auswärtsströmung (d.h. Rückführung). Dies kann wünschenswert sein, so daß der Kanal 76 mit fester Größe ein größeres Volumen der Entlüftungsströmung als der Rückführströmung bietet.

Der Kanal 76 kann relativ zur benachbarten Radialachse der Pumpe abgewinkelt sein (vgl. Figur 18). Insbesondere ist der Kanal 76 in Drehrichtung des Rotors geneigt von der Leitung 74 zum benachbarten Teils des Rotors 30. Dadurch erhält das rückgeführte Fluid, das in den Rotor 30 über den

Kanal 76 wieder eintritt, eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Bewegungsrichtung der benachbarten Rotorschau-

fein 32. Dadurch werden wiederum die Energieverluste in der Pumpe aufgrund der Reorientierung der Strömung des rückgeführten Fluids reduziert, so daß es parallel zur Bewegungsrichtung der benachbarten Rotorschaufeln ist. 5

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Modifikationen möglich, z.B. kann die Pumpe anstelle der vorstehend beschriebenen Zwillingsausführung als "einseitige" Pumpe ausgeildet werden, indem man gegenüber der beschriebenen Zwillingspumpe eine der beiden Hälften wegläßt. Während die Pumpe vorstehend im Zusammenhang mit konischen Kanälen beschrieben worden ist, kann die Pumpe im Rahmen der Erfindung auch mit zylindrischen Kanälen versehen sein.

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Claims

VOSSIUS-VOSSIUS-TAUCHNER ■ HEUNEMA

PATENTANWÄLTE

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

u.Z.: T 188 (He/kä)

Case: 190 7. August 1984

THE NASH ENGINEERING COMPANY

" Flüssigkeitsringpumpe "

Patentans prüche

h). Flüssigkeitsringpumpe mit

a) einem länglichen, ringförmigen Gehäuse (12),

b) einer drehbaren Welle (20) , deren Längsachse parallel zur Längsachse des Gehäuses (12) und zu diesem exzentrisch ist,

c) einem auf der Welle (20) starr befestigten Rotor (30) mit

c1) mehreren Schaufeln (32), die sich von der Welle (20) radial nach außen in Ebenen erstrecken, die im wesentlichen parallel zur Längsachse der Welle

(20) sind, wobei jede Schaufel (32) drei Abschnit

te (32a bis c) aufweist, die in Längsrichtung der Welle (20) voneinander beabstandet sind, und wobei jede Schaufel (32) in der Nähe des ersten Abschnitts (32a) mit der Welle (20) verbunden und in der Nähe der zweiten und dritten Abschnit

te (32b un c) gegenüber der Welle (20) radial beabstandet ist,und mit

c2) einer planaren, toroidförmigen Haube (38), die um die Welle (20) herum angeordnet und zu dieser radial beabstandet ist und die dritten Ab

schnitte (32c) aller Schaufeln (32) verbindet,

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d) einem ringförmigen Kanal (40), der um die Welle (20) herum angeordnet ist und sich in den Ringraum zwischen der Welle (20) und den zweiten und den dritten Abschnitten (32b bzw. c) der Schaufeln (32) er-

^ streckt und drei Öffnungen in der Mähe der zweiten Abschnitte (32b) der Schaufeln (32) bildet, wobei die erste öffnung ein Einlaßkanal zum Einleiten von Gas zum Rotor in einer Einlaßzone der Pumpe, die zweite Öffnung ein Auslaßkanal zur Aufnahme von Gas, das vom Rotor in einer Kompressionszone der Pumpe abgegeben wird, und die dritte öffnung ein Entlüftungs-Rückführkanal ist, der nach dem Einlaßkanal und vor dem Auslaßkanal bezogen auf die Drehrichtung des Rotors angeordnet ist, und mit

e) einem mit dem Ringkanal (40) im Abstand vom Rotor (30) verbundenen Kopf (14), der folgende Bestandteile aufweist i ' el) einen Pumpeneinlaß (16) zum Zuführen des zu pumpenden Gases,

e2) einen Pumpenauslaß (18) zum Abgeben des gepumpten

Gases und

e3) eine Sumpfkammer (100) zum Rückhalten einer Normalmenge an Pumpflüssigkeit in dem Kopf (14),

wobei der Ringkanal (40) und der Kopf (14) gemein-

sam folgende Bestandteile definieren:

e4) eine erste Leitung zwischen dem Pumpeneinlaß und

dem Einlaßkanal,
e5) eine zweite Leitung zwischen dem Auslaßkanal und

dem Pumpenauslaß, die mit der Sumpfkammer (100)

oberhalb des normalen Niveaus der Pumpflüssigkeit in der Sumpfkammer in Verbindung steht, und e6) eine dritte Leitung zwischen dem Entlüftungs-Rückführkanal und einer Stelle in der Sumpfkammer (100) unterhalb des Normalniveaus der Pump-

flüssigkeit in der Sumpfkammer (100).

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2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal eine vierte öffnung in der Nähe der zweiten Abschnitte (32b) der Schaufeln (32) aufweist, die als Entlüftungskanal ausgebildet und nach dem Einlaßkanal und vor dem Entlüftungs-Rückführkanal bezogen

auf die Drehrichtung des Rotors angeordnet ist, und wobei der Ringkanal und der Kopf eine vierte Leitung zwischen dem Entlüftungskanal und der dritten Leitung bilden.
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3. Pumpe nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Rückschlagventil (90) in der vierten Leitung, so daß eine Fluidströmung nur von dem Entlüftungskanal zur dritten Leitung möglich ist.

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4. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlüftungs-Rückführkanal düsenförmig ausgebildet ist, um die Strömung in den Ringkanal aus dem Rotor zu erleichtern und in entgegengesetzter Richtung zu behindern.
5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlüftungs-Rückführkanal einen Winkel zur Bewegungsrichtung des benachbarten Rotorab-Schnitts aufweist.

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