DE4005923C2 - Kreiselpumpe mit Laufrädern unterschiedlicher Drehzahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Zur Erzielung günstiger Förderleistungen bei gleichzeitig minimalem Energiebedarf sind Pumpenaggregate bekannt, bei denen innerhalb eines Pumpengehäuses die Laufräder nicht mit einer einheitlichen Drehzahl betrieben werden, sondern unterschiedliche Drehzahlen aufweisen können. So zeigt die DE-OS 29 12 958 Pumpenkonstruktionen, bei denen sowohl zwei Motoren hintereinander als auch unter Zwischenschaltung eines Pumpengehäuses einander gegenüberliegend angeordnet sein können. Bei der Ausführungsform mit den einander gegenüberliegenden Motoren ragen deren Notorwellenenden bzw. ein Getriebewellenende in das Gehäuse hinein und sind mit je einem Pumpenlaufrad ausgestattet. Die Lagerung dieser Laufräder erfolgt fliegend, wobei zwischen den Laufrädern eine räumliche Trennung durch eine Gehäusewandfläche erfolgt. Diese Lösung erlaubt zwar eine individuelle Drehzahlregelung der Saugstufe, es sind jedoch aufgrund der fliegenden Laufradlagerung erhebliche Schwingungs- und Stabilitäts­ probleme zu erwarten. Denn die Lagerung der Pumpenwellen erfolgt vom Laufrad weit entfernt in den Motorlagern.

Eine andere Lösung zeigt die DD-PS 56 172, bei der die sogenannten Sauglaufräder, d. h. die Laufräder der ersten Pumpenstufe, freilaufend auf der Antriebswelle der verbleibenden Laufräder angeordnet sind und von einem Turbinenrad angetrieben werden. Die Energie für dieses Turbinenrad kann von dem Fördermedium der Pumpe abgezweigt bzw. intern in die Pumpe eingeleitet werden.

Eine Konstruktion, bei der man nur noch sehr bedingt von Pumpe reden kann, zeigt die DE-OS 14 03 859. Diese weist ein Förderaggregat mit Zu- und Ablaufstutzen auf, in dessen Gehäuse von beiden Seiten verschiedene Fördereinrichtungen eingebaut sind und in unabhängiger Weise voneinander betrieben werden können. Im konkreten Beispiel handelt es sich hier um eine Förderschnecke, welche eine zu fördernde Masse einem als Schrägscheibenpumpe bekannten Förderelement zuführt. Dadurch, daß die beiden Fördereinrichtungen durch voneinander unabhängige sowie einander gegenüberliegende Antriebsmotoren betrieben werden, kann die Geschwindigkeit der Förderschnecke und damit deren Leistung der Schrägscheibenpumpe angepaßt werden. Die eigentlichen Förderelemente sind innerhalb des Gehäuses fliegend gelagert und sollen damit eine bessere Durchmischung der zu fördernden Masse bewirken.

In der Kraftwerks- sowie der Offshore-Technik mit ihrem Trend zu ständig höheren Leistungen werden in heutiger Zeit die einzelnen Anlagenkomponenten immer mehr optimiert. Zur Erlangung hoher Wirkungsgrade finden Kreiselpumpen hoher Drehzahl und kleiner Abmessungen Anwendung, wodurch Wirkungsgradsteigerungen und Materialeinsparungen möglich sind. Da derartige Aggregate anlagenseitig aber nur kleine Zulaufdrücke zur Verfügung gestellt bekommen (NPSH-Werte), ist es erforderlich, zusätzliche Vor-, Zubringer- oder sogenannte Booster-Pumpen mit kleinerer Drehzahl den eigentlichen Hauptpumpen vorzuschalten. Deren Aufgabe besteht darin, der eigentlichen Hauptpumpe eine ausreichende Zulaufhöhe zur Verfügung zu stellen, um somit Kavitationsschäden mit Sicherheit auszuschließen. Die durch die Verwendung einer Vorpumpe bedingten zusätzlichen Aufwendungen sind kalkulierbar im Hinblick auf die Energieeinsparungen, welche durch eine mit sehr hohem Wirkungsgrad betreibbaren Hauptpumpe erlangbar sind. Da die Vor- und Hauptpumpe getrennt angetrieben werden oder bei Verwendung von nur einer Antriebsmaschine ein entsprechendes Getriebe zwischenzuschalten ist, um die erforderlichen unterschiedlichen Drehzahlen zur Verfügung zu stellen, ergibt sich ein großer Raumbedarf. Zudem hat die getrennte Aufstellung den Nachteil, daß die Vor- und Hauptpumpe über Rohrleitungen miteinander zu verbinden sind und für notwendige Wartungsarbeiten ein zusätzlicher Platzbedarf einzukalkulieren ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine aus Vor- und Hauptpumpe bestehende Fördereinrichtung eine wenig aufwendige und Platz sparende Bauart zu entwickeln. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches.

Durch die Teilung der Antriebswelle im Bereich zwischen den mit unterschiedlichen Drehzahl zu betreibenden Pumpenstufen ergeben sich gravierende Vorteile. Anstelle der bisher bekannten aufwendigen Hohlwellen oder fliegend gelagerten Wellen können nun normale und vor allen Dingen kurze sowie steife Wellen Anwendung finden. Dies hat zur Folge, daß bei einem Betrieb mit hohen Drehzahlen das Schwingungsverhalten des gesamten Systems merklich reduziert werden kann. Des weiteren können somit Vor- und Hauptpumpe innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet werden, wodurch sich eine gravierende Einsparung an Stellfläche ergibt. Als Gehäuse kann beispielsweise ein Gehäuse einer mehrstufigen Kreiselpumpe benutzt werden, in welches andere Innenteile eingesetzt werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung der Erfindung herausgestellt, nach der von den im Bereich des Zwischenstückes gelagerten Wellenenden eines mit einem Zapfen innerhalb einer Ausnehmung des gegenüberliegenden Wellenendes gelagert sind. Somit ergibt sich eine weitere Verkürzung. Als zusätzlicher Nebeneffekt ergibt sich auch eine reduzierte Lagergleitgeschwindigkeitsbelastung, da durch die ineinander gelagerten Wellenenden kleinere Lager mit geringen Umfangsgeschwindigkeiten Anwendung finden können und durch die gleiche Drehrichtung der beiden Wellen nur die Differenzdrehzahl zwischen Haupt- und Vorpumpenwelle am Lager wirksam wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung, nach der das Zwischenstück mit Durchströmöffnungen für das Fördermedium versehen ist, ergibt eine Möglichkeit zur internen, rohrleitungslosen Verbindung zwischen Vor- und Hauptpumpe. Da im Zwischenstück die Lagerung der Wellenenden von Vor- und Hauptpumpe stattfindet, ergeben sich für jede Pumpe äußerst kurze und steife Wellenlagerungen. Als Lager können hierbei die bekannten Lagerelemente Anwendung finden.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß die im Bereich der Stirnseiten des Pumpengehäuses angebrachte Lagereinheiten Axial- und Radiallagerkräfte aufnehmen und einen Axialschub der Pumpe ausgleichen. Dies dient ebenfalls der Verwirklichung einer kompakten Bauweise. Je nach Anordnung und Ausbildung dieser Lagereinheiten können dieselben mit Fremd- oder Mediumschmierung versehen sein.

Auch ist es möglich, daß Motorwellenenden die Pumpenwelle bilden und mit ihren Enden ineinander und/oder im Zwischenstück gelagert sind. Somit könnte beispielsweise ein direkt an die saugseitige Gehäusestirnseite angeflanschter Blockmotor die Laufräder der Vorpumpe direkt antreiben. Die Vorpumpe kann hierbei in bekannter Weise in ein- oder zweiströmiger Bauart ausgebildet sein.

Als vorteilhaft hat es sich auch herausgestellt, wenn an den Lagerstellen Hartmetall- oder Keramiklager Verwendung finden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Die

Fig. 1 und 2 zeigen verschiedene Antriebskonfigurationen, die

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Pumpe mit einströmiger Vorpumpe und die

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Pumpe mit zweiströmiger Vorpumpe.

In der Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Pumpen­ gehäuse 1 gezeigt, innerhalb dessen eine saugseitig angeordnete Vorpumpe mit einem Antriebsmotor 2 verbunden ist. Die der Vorpumpe nachgeordnete, der Druckseite zugeordnete Hauptpumpe ist unter Zwischenschaltung eines Getriebes 3 mit einem Antriebsmotor 4 verbunden. Das Getriebe 3 dient hier zur Drehzahlregelung bzw. Drehzahlanpassung der Hauptpumpe. Der Strömungsübergang zwischen Vor- und Hauptpumpe erfolgt innerhalb des Pumpen­ gehäuses 1.

In der Fig. 2 bildet eine drehzahlregelbare Turbine dem Antriebsmotors 4 für die Hauptpumpe. Dadurch kann ein Getriebe eingespart werden. Für eine leichtere Zugänglichkeit bei Wartungsarbeiten kann die Wellenkupplung zwischen Turbine und Hauptpumpe mit einer entsprechend langen Ausbauwelle versehen sein. Der Antriebsmotor 2 ist hier als Blockaggregat ausgebildet und direkt an das Pumpengehäuse 1 angeflanscht. Kombinationen dieser Bauarten sind möglich.

Die Fig. 3 zeigt eine Kreiselpumpe im Schnitt. Das hier benutzte Ausführungsbeispiel stellt ein Konstruktionsprinzip dar, bei dem eine sogenannte Topfbauweise Anwendung findet. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, die erfindungsgemäße Lösung auch bei anderen mehrstufigen Pumpenbauarten Anwendung finden zu lassen, z. B. reine Gliederpumpen ohne Mantelgehäuse oder dgl.

Das Pumpengehäuse 1 weist einen Saugstutzen 5 sowie einen Druckstutzen 6 auf und enthält mehrere Pumpenstufen 7-10. Durch den Saugstutzen 5 strömt das zu fördernde Medium der hier einströmig und zweistufig dargestellten Vorpumpe zu, welche aus den Laufräder und Leiteinrichtungen umfassenden Pumpenstufen 7, 8 besteht. Das Fördermedium strömt nach Verlassen der zweiten Stufe 8 der Vorpumpe zu einem Zwischenstück 11, welches in diesem Ausführungsbeispiel am Stufengehäuse der zweiten Stufe 8 der Vorpumpe befestigt ist und Durchströmöffnungen 23 aufweist. Letztere stellen für das Fördermedium eine Verbindung zwischen Vorpumpe und Hauptpumpe dar. Es ist ohne weiteres möglich, dieses Zwischenstück 11 als eigenständiges Bauteil auszubilden oder am Stufengehäuse der ersten Stufe 9 der Hauptpumpe zu befestigen. Die von den Pumpstufen 9, 10 gebildete Hauptpumpe ist hier ebenfalls in einströmiger und zweistufiger Bauart erstellt und fördert in einen Druckraum 12, von dem aus das Medium durch den Druckstutzen 6 abfließt.

Die durch das Sauggehäuse 13 der Vorpumpe geführte zugehörige Pumpenwelle 14 ist innerhalb eines am Sauggehäuse befestigten Lagers 15 festgelegt. Das Lager 16 für die Welle 17 der Hauptpumpe befindet sich am oder außerhalb des Druckdeckels 18 der Hauptpumpe. Das Ausführungsbeispiel zeigt im Bereich des Zwischenstückes 11 eine Lagerung 19 der Pumpenwellen, wobei die Welle 14 der Vorpumpe im Bereich ihres Endes mit einem Zapfen 20 versehen ist, welcher unter Zwischenschaltung von Elementen des Lagers 19 in eine Ausnehmung 21 des Wellenendes 22 der Hauptpumpe eingreift. Das zwischengeschaltete Lager 19 besteht vorzugsweise aus Keramik, Hartmetall oder in entsprechender Weise gepanzerten Elementen, um ein Höchstmaß an Funktionalität zu gewährleisten. Am Außenumfang können die beiden Wellenenden 22, 23 in einem hydrostatischen Lager 24 des Zwischenstückes 11 fixiert werden. Es ist auch ohne weiteres möglich, die Pumpenwellen einzig und allein im Zwischenstück zu lagern, jedoch erfordert dies eine längere Ausbildung desselben und somit auch eine Vergrößerung der Pumpenbaulänge.

Da jede Pumpenwelle 14, 17 mit einem weiteren fluidgeschmierten Radial- und Axialkräfte aufnehmenden Lager 15, 16 ausgestattet ist, können die beiden Pumpeneinheiten auch unabhängig voneinander betrieben werden.

Die Fig. 4 zeigt die gleiche Anordnung von Vor- und Hauptpumpe in einem gemeinsamen Gehäuse, wobei hier die Vorpumpe als zweiströmige, einstufige Ausführung konzipiert ist.

Anstelle der hier gezeigten Ausführung in Mantelbauart ist es auch ohne weiteres möglich, die Pumpe in der klassischen Gliederbauart zu erstellen. Dabei werden das den Einlauf­ stutzen aufweisende Sauggehäuse, die einzelnen Stufen und das mit dem Druckstutzen versehene Druckgehäuse durch eine entsprechende Anzahl von Zugankern zusammengehalten. Bei dem Einsatz im Bereich der Höchstdruckpumpen müssen dann jedoch die einzelnen Stufengehäuse wesentlich stärker dimensioniert werden.

Dieses neu entwickelte Konstruktionsprinzip ermöglicht den Wegfall eines kompletten Fundamentes für eine sonst üblicherweise getrennt aufgestellte Vorpumpe. Des weiteren kann auf die zwischen Vor- und Hauptpumpe bestehende Verbindungsrohrleitungen verzichtet werden und insbesondere der Wirkungsgrad des gesamten Aggregates erheblich verbessert werden. Zudem ist es möglich, zwei Wellenabdichtungen einzusparen und neben der wirtschaftlichen Verbesserung eine Erhöhung der Betriebssicherheit zu gewährleisten. Auch ergibt sich eine erhebliche Reduzierung im Hinblick auf die Überwachungs- und Versorgungseinrichtung der Lager.

Claims (5)

1. Kreiselpumpe mehrstufiger Bauart, deren innerhalb eines Pumpengehäuses angeordnete Laufräder von zwei beiderseits des Pumpengehäuses angeordneten und unabhängigen Antriebsmotoren mit unterschiedlichen Drehzahlen antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine an den Pumpengehäusestirnseiten gelagerte Pumpenwelle (14, 17) zweiteilig ausgebildet ist, wobei deren Teilebene im Bereich zwischen den Pumpenstufen (7, 8; 9, 10) unterschiedlicher Drehzahl angeordnet ist und die in der Teilebene befindlichen Wellenenden (22, 23) in einem Zwischenstück (11) gelagert sind.

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den im Bereich des Zwischenstückes (11) gelagerten Wellenenden (22, 23) eines mit einem Zapfen (20) innerhalb einer Ausnehmung (21) des gegenüberliegenden Wellenendes (22) gelagert sind.

3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (11) mit Durchströmöffnungen (25) für das Fördermedium versehen ist.

4. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Bereich der Stirnseiten des Pumpengehäuses (1) angebrachte Lagereinheiten (15, 16) Axial- und Radiallagerkräfte aufnehmen und einen Axialschub der Pumpe ausgleichen.

5. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Motorwellenenden die Pumpenwelle bilden und mit ihren Enden ineinander und/oder im Zwischenstück gelagert sind.