DE4026905A1 - Axialschubausgleich fuer kreiselpumpen - Google Patents
Axialschubausgleich fuer kreiselpumpenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum vollständigen
Ausgleich des Axialschubs bei Kreiselpumpen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für den hydraulischen Axialschubausgleich bei Kreiselpumpen
stehen dem Fachmann sehr unterschiedliche Maßnahmen und
Elemente zur Verfügung. Neben dem Axialschubausgleich mit
einer Entlastungseinrichtung, die im wesentlichen aus einer
Entlastungsscheibe mit Gegenscheibe, einem Entlastungskolben
oder einem Doppelkolben besteht, sind auch solche Einrich
tungen zum Ausgleich bzw. zur Absenkung des Axialschubes
geläufig, die mit Hilfe einer drosselnden Wirkung (druck
seitiger Dichtring in Kombination mit Entlastungsbohrungen)
oder einer dynamischen Wirkung (Rückenschaufeln am Laufrad
oder Entlastungsbohrungen allein) am einzelnen Laufrad
zustande kommen (vgl. KSB Kreiselpumpenlexikon, 3. Auflage,
1989, Seite 32 bis 37).
Die bekannten Einrichtungen für den hydraulischen Axialschub
ausgleich sind, soweit ihre Wirkung von einem Druckunterschied
zwischen der Pumpensaug- und der -druckseite abhängig ist, nur
so lange zu einer einwandfreien Arbeit imstande, wie eine
ausreichende Druckdifferenz zur Verfügung steht. Dies gilt vor
allem bei einstufigen, spezifisch schnelläufigen Pumpen, denen
infolge geringer Förderhöhen nur geringe Druckdifferenzen zum
Ausgleich der Axialkräfte zur Verfügung stehen. Wird nämlich
die Förderhöhe mit steigendem Förderstrom immer geringer, so
kann es bereits unterhalb einer maximal möglichen Förderhöhe
zu einem Anstreifen des Laufrades an einem feststehenden Teil
der Kreiselpumpe kommen.
Um die Ursache dieses Problems zu erfassen, sei kurz auf die
Wirkungsweise eines hydraulischen Axialschubausgleichs
eingegangen. Beispielhaft ist hier ein Ausgleich durch einen
Entlastungskolben, dessen Funktion auch von dem Laufrad einer
Kreiselpumpe übernommen werden kann:
Der hydraulische Axialschubausgleich beruht im wesentlichen
darauf, daß die Kraft, die auf einer Seite des Ausgleich
kolbens wirkt, in einem bestimmten Betriebspunkt der Kreisel
pumpe praktisch konstant bleibt, während die auf die andere
Seite des Ausgleichkolbens wirkende Kraft durch axiale
Verstellung des Kolbens verändert wird. Diese Veränderung
wird dadurch erzeugt, daß der auf dem Ausgleichkolben lastende
Druck durch eine von seiner axialen Stellung abhängige
Drosselung in einem veränderlichen Spalt variiert wird. Weil
aber die Drosselwirkung in Spalten sehr stark von der zur
Verfügung stehenden Druckdifferenz abhängig ist, wird bei
kleinen Druckdifferenzen die Regelung immer schlechter. Da
die Druckdifferenz am Drosselspalt der Förderhöhe der Pumpe
proportional ist, treten die genannten Probleme vor allem im
Überlastbereich, also oberhalb einer optimalen Fördermenge
auf.
Um einen vollständigen Ausgleich des Axialschubs zu erreichen,
bedarf eine solchermaßen gefährdete Kreiselpumpe einer zweiten
Einrichtung, die den von der ersten, hydraulisch wirkenden
Einrichtung nicht bewältigten Axialschub aufnimmt. Dies
geschieht bei bekannten Einrichtungen zum vollständigen
Ausgleich des Axialschubs durch ein Axiallager, das auch als
Notlager bezeichnet wird. Wesentlicher Nachteil dieses
zusätzlich aufzuwendenden Teils ist der durch berührende
Wirkung verursachte Verschleiß, der eine Überwachung und
temporären Ersatz notwendig macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der
im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, die
ohne ein berührend wirkendes Lager auskommt.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale.
Die Unteransprüche nennen vorteilhafte Ausgestaltungen des
Erfindungsgegenstandes.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird neben einen in
bekannter Weise arbeitenden, hydraulischen Axialschubausgleich
ein zweites, ebenfalls hydraulisch wirkendes Ausgleichssystem
gesetzt, das nicht auf die Pumpenförderhöhe als Wirkkraft
angewiesen und daher in der Lage ist, bei kleinen Pumpen
förderhöhen selbständig einen vollständigen Ausgleich der
Axialkräfte zu erreichen.
Die Druckerhöhung im druckseitigen Seitenraum des Laufrades
kann auf unterschiedliche Weise bewerkstelligt werden. Unter
der Voraussetzung, daß die saugseitig zwischen Dichtring und
Außendurchmesser des Laufrades gebildete Ringfläche kleiner
ist als die auf der Druckseite zur Verfügung stehende Fläche,
kann bereits eine durch die Oberflächenrauhigkeit des Laufrads
verursachte Förderung eine entsprechende Druckerhöhung
bewirken. Diese Wirkung läßt sich noch steigern, wenn die
Rauhigkeit der saugseitigen Laufradwand geringer ist als
die der druckseitigen Laufradwand. Vor allem aber vermögen
Rückenschaufeln oder ähnliche Fördermittel die notwendige
Drucksteigerung ohne weiteres zu erzielen.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher
erläutert. Hierbei wird ausgegangen von der Schilderung einer
bekannten Einrichtung zum Ausgleich des Axialschubs, die in
der Fig. 3 in einer Schnittdarstellung einer Kreiselpumpe zu
sehen ist. Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm der verschiedenen auf
die Seitenwände des Laufrads dieser Pumpe wirkenden Kräfte in
Abhängigkeit des Regelspaltes.
Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zum
hydraulischen Ausgleich des Axialschubes im Zusammenhang mit
einer ausschnittsweise dargestellten Kreiselpumpe. Ein diesem
Axialschubausgleich entsprechendes Diagramm ist in der Fig. 2
dargestellt.
Die in der Fig. 3 dargestellte Kreiselpumpe mit einer Axial
schubausgleichseinrichtung bekannter Bauart besitzt ein in
einem Gehäuse (1) angeordnetes Laufrad (2). Zwischen dem
Gehäuse (1) und dem Laufrad (2) werden zwei dem Axialschub
ausgleich dienende Spalte S1 und S2 gebildet. Die Weite des
Spaltes S1 ändert sich mit der axialen Stellung des Laufrades
(2), die Weite des Spaltes S2 bleibt auch bei einer
Verschiebung des Laufrades 2 konstant.
Durch das Gehäuse (1), das Laufrad (2) und die Spalte S1 und
S2 werden verschiedene, voneinander zu unterscheidende Räume
gebildet: ein vor dem Laufrad (2) gelegener Raum (3), in dem
ein Druck P1 herrscht; ein hinter dem Laufrad (2) gelegener
Raum (4), der über einen durch die Förderwirkung des Laufrades
(2) erhöhten Druck P2 verfügt, und einen zwischen den Spalten
S1 und S2 gelegenen Raum (5), in dem ein Zwischendruck P3
herrscht.
Auf die Seitenwände des Laufrades (2) wirken mit einander
gegengesetzter Richtung Axialkräfte F1 und F2. Die Kraft F2
ist proportional dem Druck P2, der seinerseits abhängig ist
von der Förderhöhe. Die Kraft F₁ dagegen ist abhängig vom
veränderlichen Spalt S1.
Infolge der Differenz zwischen den Drücken P1 und P2 ergibt
sich eine vom Raum (4) kommende, über den konstanten Spalt S2,
den Raum (5) und den veränderlichen Spalt S1 in den Raum (3)
führende Strömung. Mit größer werdendem Spalt S1 vergrößert
sich auch die Menge der in den Raum (3) strömenden
Flüssigkeit. Hierdurch bedingt, erhöht sich der Druckabfall im
Spalt S2, d. h. die Differenz zwischen den Drücken P2 und P3
wird größer, die Kraft F1, die dem Druck P3 proportional ist,
wird kleiner. Bei richtiger geometrischer Auslegung bringt die
kurzzeitig größere Kraft, die hier F2 ist, in anderem Fall
aber F1 sein kann, das Laufrad (2) durch axiale Verschiebung
in eine vorgegebene Gleichgewichtsposition.
Im Diagramm der Fig. 4, das die Beziehung der beiden Kräfte F1
und F2 zueinander darstellt, stellt der Schnittpunkt der
beiden Linien den Punkt des Gleichgewichts dar.
Mit kleiner werdender Differenz zwischen den Drücken P1 und P2
verflacht die Kurve für die Kraft F1. Im Extremfall kann sich
deren Steigung sogar umdrehen. Dies ist der Fall, wenn der im
Radseitenraum aufgebaute Druck infolge der Rotation des Lauf
rades (2) größer wird als die Förderhöhe des Laufrades (2).
Wie das Diagramm der Fig. 4 zeigt, verläuft aber die von der
Kraft F2 beschriebene Linie nahezu horizontal, so daß es bei
flacher werdender Kurve F1 immer schwieriger wird, einen
Schnittpunkt der beiden Linien zu erreichen. In der Praxis ist
dies bei einer im Überlastbereich laufenden Kreiselpumpe der
Fall. Da nun ein Gleichgewichtszustand nicht mehr hergestellt
werden kann, kommt es, sofern kein den Schub auffangendes
Axiallager vorgesehen ist, zu einem Anlaufen des Laufrades (2)
am Gehäuse (1).
Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Ausführung
verfügt über eine erste Ausgleichseinrichtung, die der in der
Fig. 3 dargestellten Einrichtung entspricht. Sie besitzt also
auch Spalte S1 und S2 und einen von diesen begrenzten Raum
(5), ohne daß diese Einzelheiten in der Fig. 1 sämtlich
aufgeführt sind. Auch die Wirkung dieser ersten Ausgleichs
einrichtung ist die gleiche wie die der Einrichtung der Fig. 3.
Neben der ersten, im Normalbetrieb arbeitenden Ausgleichs
einrichtung besitzt die Ausführung der Fig. 1 eine zweite,
im Überlastbereich der Kreiselpumpe zum Einsatz kommende
hydraulische Ausgleichseinrichtung. Die Elemente dieser
zweiten Einrichtung sind: ein druckseitig am Umfang des
Laufrades (7) angeordneter Bund (8), Öffnungen (9), die
den Einlauf (10) des Laufrades (7) mit dem druckseitigen
Seitenraum (11) verbinden, und Rückenschaufeln (12).
Das Laufrad (7) bildet mit dem Pumpengehäuse 1 zwei
veränderliche Spalte: den Spalt S1 am Laufradeintritt und
den Spalt S3 am Bund (8). Vergleichbar mit entsprechenden
Parametern der vorbekannten Ausführung der Fig. 3 sind die
Drücke P1 und P2 sowie die Kraft F1. Da der zwischen der
druckseitigen Deckscheibe des Laufrades (7) und dem Pumpen
gehäuse (1) gebildete Seitenraum (11) durch den Bund (8) und
den Spalt S3 gegenüber dem druckseitigen Raum (4) abgegrenzt
ist, stellt sich hier ein eigener Druck P4 ein. Proportional
dem Druck P4 ist eine Kraft F′2, die der Kraft F1 entgegen
gerichtet ist.
Im Normalbetrieb der Kreiselpumpe, wenn die Laufradförderhöhe
wesentlich größer ist als die Förderhöhe der Rückenschaufeln
(12), erfolgt eine Strömung, die aus dem Raum (4) über den
Spalt S3, den Seitenraum (11) und die Öffnungen (9) in den
Einlauf (10) des Laufrades (7) führt. Der sich im Seitenraum
(11) einstellende Druck P4 liegt, bedingt durch den Druck
abfall im Spalt S3, unter dem Druck P2 im Raum (4). Die vom
Druck P4 abhängige Kraft F′2, die Kraft F1 befinden sich im
Gleichgewicht.
Ab einem von der jeweiligen Kreiselpumpe abhängigen Betriebs
punkt, der meist im Überlastbereich liegt, beginnt die
Förderhöhe der Rückenschaufeln (12) die Laufradförderhöhe zu
übersteigen. Hierdurch wird eine Strömung vom Einlauf (10)
über die Öffnungen (9), den Raum (11) und den Bund (8) zum
druckseitigen Raum (4) eingeleitet. Der sich im Raum (11)
einstellende Druck P4 wird nun um so größer, je kleiner der
Spalt S3 wird. Die Differenz zwischen den Drücken P4 und P2
wächst ebenfalls mit kleiner werdendem Spalt S3. Die Kraft F′2
steigt an und bewegt das Laufrad (7), bevor es am Pumpen
gehäuse (1) anlaufen kann, zurück in eine Gleichgewichts
position.
Die Kraft F′2 ist also nicht mehr unabhängig vom Spalt S1, wie
es die Kraft F2 in der vorbekannten Ausführung der Fig. 3 war.
Sie verändert sich mit dem Spalt S3, der sich wiederum in
spiegelbildlicher Umkehr zum Spalt S1 verändert. Daraus
resultiert, daß die Kraft F′2, die ab einer bestimmten
Spaltweite ansteigt, einen Verlauf besitzt, der mit Sicherheit
einen Schnittpunkt mit dem Verlauf der Kraft F1 ergibt. Das in
der Fig. 2 dargestellte Diagramm verdeutlicht dies.
Die erfindungsgemäße Ausführung der Fig. 1 stellt eine
Einrichtung zum vollständigen Ausgleich des Axialschubs dar,
die neben ein erstes Ausgleichssystem, das der Ausgleichs
einrichtung der Fig. 3 entspricht, ein zweites, berührungsfrei
arbeitendes Ausgleichssystem setzt. Die beiden gemeinsam
verwendeten Systeme führen in ihrem Zusammenwirken zu einer
neuen, eigenständigen Ausgleichseinrichtung. Der hier als
zweites Ausgleichssystem bezeichnete Teil kann aber auch mit
einem anders gearteten System, welches den Axialschubausgleich
für den außerhalb des Überlastbereichs liegenden Normalbetrieb
der Kreiselpumpe übernimmt, zusammenfaßt werden.
Claims (7)
1. Einrichtung zum vollständigen Ausgleich des Axialschubs
bei Kreiselpumpen, mit einer ersten Einrichtung, die einen
hydraulischen Ausgleich des Axialschubs mit Hilfe der vom
Laufrad der Kreiselpumpe erzeugten Druckdifferenz bewirkt,
und einer zweiten Einrichtung, die den bei einer für die
Funktion der ersten Einrichtung nicht mehr ausreichenden
Förderhöhe entstehenden Axialschub aufnimmt, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung durch eine
ebenfalls hydraulisch wirkende Ausgleichseinrichtung
gebildet wird, wobei Mittel vorgesehen sind, die eine
Druckerhöhung im druckseitigen Seitenraum (11) des
Laufrades (7) bei einer unter einen vorgegebenen Wert
absinkenden Förderhöhe bewirken.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Ausgleichseinrichtung ausgestattet ist mit
einem im druckseitigen Umfangsbereich des Laufrades (7)
angeordneten, in Abhängigkeit einer Verschiebung des
Laufrades (7) in seiner Weite veränderbaren Spalt (S3).
3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein mit
Rückenschaufeln (12) versehenes Laufrad (7) .
4. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen
mit zwei Spalten zwischen Laufrad (7) und Pumpengehäuse
(1) arbeitenden Axialschubausgleich, dessen erster,
saugseitig angeordneter Spalt (S1) den Axialschubausgleich
im Bereich hoher Druckdifferenzen zwischen Laufradeintritt
(3) und -austritt (4) dient, während der druckseitig
angeordnete Spalt (S3) den Axialschubausgleich im Bereich
geringer Druckdifferenzen zwischen Laufradeintritt (3) und
-austritt (4) übernimmt.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der druckseitige Spalt (S3) zwischen
einem im Umfangsbereich am Laufrad (7) angeordneten Bund
(8) und dem Pumpengehäuse (1) gebildet wird.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der druckseitige Spalt (S3) zwischen
einem im Umfangsbereich des Laufrades im Gehäuse
angeordneten Bund (8) und dem Laufrad (7) gebildet wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der
folgenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Einlauf (10)
des Laufrades (7) mit dessen druckseitigem Seitenraum (11)
verbindende Öffnungen (9).
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