DE4118753A1 - Laufradschaltung fuer fluidenergiemaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufradschaltung für Fluidener­ giemaschinen, insbesondere für mehrstufige Strömungsmaschi­ nen wie Pumpen, Verdichter, Turbinen und Motoren, die in einem großen Druckbereich arbeiten. Die Laufradschaltung ist insbesondere in mehrstufigen Kreiselpumpen, Solarpumpen, Tiefsaugepumpen, Bohrlochwellenpumpen oder Druckerhöhungsmo­ dulen für die verschiedensten Einsatzfälle, beispielsweise Wasserversorgungsanlagen, Druckerhöhungsanlagen, Kesselspei­ sung, Wasserhaltung im Tief- und Bergbau, Grundwasserwärme­ pumpenanlagen, Solarpumpensysteme, Steuer- und Regelsysteme oder Druckerhöhungsanlagen in Wohnhäusern anwendbar.

Nimmt der Druck einer Fluidenergiemaschine ab, beispiels­ weise in Filterbrunnen die Förderhöhe während der Betriebs­ zeit, so verringert sich auch der erforderliche Betriebs­ druck der Fluidenergiemaschine. Dieses Verstellen des Be­ triebspunktes kann über Drehzahlregelung oder durch mechani­ sches Eingreifen erfolgen. Bei mehrstufigen Fluidenergiema­ schinen besteht eine Möglichkeit des mechanischen Eingrei­ fens im Trennen bzw. Verbinden von Stufenlaufrädern von bzw. mit der Welle über Muffenkupplungen (DE-OS 24 50 495). Nachteilig dabei ist, daß dieses Zu- und Abschalten der Stufenlaufräder nicht während des Betriebes der Pumpe mög­ lich ist. Nach DE 26 20 502 ist eine Magnetläuferpumpe bekannt. Die Laufradzu- bzw. Laufradabschaltung erfolgt magnetgesteuert. Allerdings treten dabei Führungsprobleme zwischen Laufrad und Achse bei der Rotation durch die zwei Magneten auf.

Betriebsdruckabhängig selbständig schaltende Laufräder während des Betriebes der Energiefluidmaschinen konnten im Stand der Technik nicht ermittelt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum betriebs­ druckabhängigen selbständigen Zu- und Abschalten von Lauf­ körpern auf die Welle vom Wellenbetrieb auf Achsbetrieb und umgekehrt für Energiefluidmaschinen während des Betriebes der Energiefluidmaschinen zu entwickeln, um damit die Gesamt­ kennlinie der Energiefluidmaschine an die Anlagenkennlinie anzugleichen und somit den Wirkungsgrad zu steigern und das billigere Kreiselprinzip hinsichtlich der technischen Ein­ satzmöglichkeiten an das technisch teure Verdrängerprinzip anzupassen.

Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine im Laufrad oder in der Achswelle befindliche Vorrichtung ge­ löst, die aus einem Kolben mit mindestens einer einseitigen Kolbenstange, einem Mitnahmekörper, mindestens einer Gegen­ kraftvorrichtung und mindestens 3 Fluidführungen besteht, wobei die Kolbenstange bzw. die Kolbenstangen form- und/oder kraftschlüssig mit dem Mitnahmekörper verbunden ist bzw. sind, in den die Kolbenstange umgebenden Kolbenraum eine den tiefsten Druck po beaufschlagende Fluidführung angeordnet ist, in den Raum zur Querschnittsfläche der Kolbenstange bzw. in den Räumen zu den Querschnittsflächen der Kolben­ stangen und in den Raum zur Querschnittsfläche des Kolbens, die alle außerhalb des Kolbenraumes liegen, mindestens je eine den Stufendruck ps_i beaufschlagende Fluidführung ange­ ordnet ist.

Der Kolben ist mit der bzw. mit den Kolbenstangen form- und/oder kraftschlüssig verbunden. Die Querschnittsfläche des Differentialkolbens sollte dabei mindestens zehn mal so groß wie die Querschnittsfläche der Kolbenstange bzw. die Summe der Querschnittsflächen der Kolbenstangen gewählt werden.

Die Gegenkraftvorrichtung ist bzw. die Gegenkraftvor­ richtungen sind im kolbenstangenseitigen Kolbenraum angeord­ net und/oder diese Gegenkraftvorrichtung entsteht durch Verlagerung des Schwerpunktes des Differentialkolbens mit­ tels Einlagerung von Schwermetallen oder durch eine entspre­ chende Formgestaltung durch den Einfluß der Fliehkraft. Vorteilhafter Weise besteht die Gegenkraftvorrichtung aus einer Schraubenfeder und/oder aus gegensätzlich gepolten Magneten. Bei mehreren Kolbenstangen sollte dabei die Zahl der Schraubenfedern der Kolbenstangenzahl entsprechen. Die Federkraft der Federvorrichtung kann durch die Wahl einer entsprechenden Feder und/oder durch die Wahl entsprechend starker Magnete eingestellt werden. Auch ist es möglich, den Weg der Feder durch entsprechende Einstellvorrichtungen, beispielsweise durch kreisringförmige Scheiben, zu begren­ zen.

Der Mitnahmekörper ist mit Abstandhaltern und Bohrungen versehen, so daß durch die Fluidführung garantiert ist, daß der Mitnahmekörper vom Stufendruck ps_i umgeben ist und da­ durch der Stufendruck ps_ii nur auf die Querschnittsoberfläche der Kolbenstange bzw. Kolbenstangen wirkt. Die Kolbenstange bzw. die Kolbenstangen und der Differentialkolben sind fluiddicht gelagert. Zur Vermeidung von Klemmerscheinungen können die Gleitflächen durch Spülbohrungen und/oder Spül­ schlitze entlastet werden. Weiterhin können Kolbenringe aus dafür üblichen Materialien Anwendung finden. Die Mitnahmeflä­ che des Mitnahmekörpers sollte zweckmäßigerweise wie bei einer Kupplung mit Reibmitnahme ausgestaltet sein, wenn eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Achse und Laufkörper angestrebt wird.

Da beim Betrieb der Energiefluidmaschine der Ansaugdruck po kleiner als der Stufendruck ps_i ist und die mit dem Stufen­ druck ps_i beaufschlagte Querschnittsfläche des Differential­ kolbens bedeutend größer als die mit dem Stufendruck ps_i beaufschlagte Querschnittsfläche der Kolbenstange bzw. die Summe der Querschnittsflächen der Kolbenstangen ist, wirkt die resultierende Kraft immer in Anschaltrichtung. Dieser resultierenden Kraft wirkt die Gegenkraft der Gegenkraftvor­ richtung entgegen. Die erfindungsgemäße Laufradschaltung erfolgt druckabhängig und selbständig in der Weise, daß ein Druckanstieg bis zum, mittels der Gegenkraft der Gegenkraft­ vorrichtung einstellbarem, Schaltdruck ps das Zuschalten des Laufrades auf die Achswelle bewirkt. Dies erfolgt bei Anord­ nung der Vorrichtung in der Achswelle, indem der Mitnahme­ körper form- und/oder kraftschlüssig mit dem Laufkörper verbunden wird. Bei Anordnung der Vorrichtung im Laufkörper erfolgt die Zuschaltung, indem der Mitnahmekörper form- und/oder kraftschlüssig mit der Achswelle verbunden wird. Das Abschalten erfolgt, wenn sich der Differentialkolben durch den Druckabfall in Verbindung mit der wirkenden Kraft der Federvorrichtung zurückbewegt, so daß sich die form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen Mitnahmekörper und Achswelle bei Anordnung der Vorrichtung im Laufkörper bzw. Mitnahmekörper und Laufkörper bei Anordnung der Vor­ richtung in der Achswelle wieder löst.

Werden bei einer Energiefluidmaschine die Laufkörper mit den erfindungsgemäßen Laufradschaltungen ausgerüstet, wobei über unterschiedlich gewählte Federkräfte, Gegengewichte und Formgestaltung unterschiedliche Schaltdrücke eingestellt werden können, so wird die Gesamtkennlinie der Energiefluid­ maschine an die Anlagenkennlinie angeglichen und somit der Wirkungsgrad gesteigert. Die eingesparte Energie wird in Fig. 1 für Reihenbetrieb und in Fig. 2 für Parallelbe­ trieb, beispielhaft für je eine linear angenommene Anlagen­ kennlinie gezeichnet, durch die schraffierten Flächen her­ vorgehoben.

Die Erfindung soll anhand der folgenden 2 Beispiele näher erläutert werden:

Beispiel 1

In den Fig. 3 und 4 ist die erfindungsgemäß ausgestaltete Laufradschaltung dargestellt.

Die Laufradschaltung besteht aus einem kreisringförmigen Kolben 2, den vier kreiszylindrischen Kolben 1, den vier kreiszylindrischen Führungsräumen 3, dem kreisringförmigen Führungsraum 4, vier Federvorrichtungen 5, der kreisringför­ migen Einstellvorrichtung 6, dem ringförmig ausgeführten und keilförmig angeschrägten Mitnahmekörper 7, der Achsenwelle 8, dem Führungsring 20, den Fluidführungen 9, 10, 11, 12 und 13 in Form von Bohrungen bzw. Spalten. Die vier kreiszy­ lindrischen Kolbenstangen 1 sind mit dem kreisringförmigen Kolben 2 formschlüssig verbunden und bilden einen Differen­ tialkolben, der durch die vier kreiszylindrischen Kolben 1 in den vier kreiszylindrischen Führungsräumen 3 und durch den kreisringförmigen Kolben 2 im kreisringförmigen Füh­ rungsraum 4 axial fluiddicht verschiebbar im Laufkörper 14 gelagert ist. Der Laufkörper 14 entspricht dem Laufrad einer Stufe einer mehrstufigen Kreiselpumpe, und die Achswelle 8 entspricht der Antriebswelle der Pumpe.

Der ringförmig ausgeführte und keilförmig angeschrägte Mit­ nahmekörper 7 ist mit den vier kreiszylindrischen Kolben 1 formschlüssig verbunden und ist mit durchgehenden axialen Bohrungen 15 in den durch den Abstandhalter 16 gebildeten Raum versehen. Die Federvorrichtung 5 besteht aus den gegen­ sätzlich gepolten Magneten 17 und 18 und der Schraubenfe­ der 19.

Der kreisringförmige Führungsraum 4 steht mit der Fluid­ führung 9, die Querschnittsflächen der vier kreiszylindri­ schen Kolben 1 stehen mit den Fluidführungen 10 und die Fläche des kreisringförmigen Kolbens 2 steht mit der Fluid­ führung 11 in Verbindung. Die Fluidführung 9 ist mit der Fluidführung 12 und die Fluidführung 12 ist mit der Fluid­ führung 13 verbunden, wobei die Fluidführungen 12 und 13 in der Achswelle 8 angeordnet sind.

Mittels der Fluidführung 9 wird der kreisringförmige Führungsraum 4 über die Fluidführungen 13, 12 mit dem An­ saugdruck po der Pumpe beaufschlagt. Mittels der Fluid­ führungen 10 und 11 werden die Querschnittsflächen der vier kreiszylindrischen Kolben 1 und die Fläche des kreisringför­ migen Kolbens 2 mit dem Stufendruck ps_i beaufschlagt. Da beim Betrieb der Pumpe po < ps_i ist und die mit ps_i beauf­ schlagte Fläche des kreisringförmigen Kolbens 2 bedeutend größer ist als die mit ps_i beaufschlagten Flächen der vier kreiszylindrischen Kolben 1, wirkt die resultierende Kraft immer in Zuschaltrichtung. Dieser resultierenden Kraft wirkt die Federkraft der vier Federvorrichtungen 5 entgegen. Über unterschiedliche Dicken der kreisringförmigen Einstellvor­ richtung 6 können unterschiedliche Federkräfte und damit unterschiedliche Schaltdrücke ps_i, bei denen ein Zuschalten bzw. Abschalten des Laufkörpers 14 erfolgen soll, einge­ stellt werden.

Die erfindungsgemäße Laufradschaltung erfolgt druckabhängig in der Weise, daß ein Druckanstieg bis zum eingestellten Schaltdruck ps_i das Zuschalten des Laufkörpers 14 auf die Achsenwelle 8 bewirkt, indem der Mitnahmekörper 7 durch Bewegung des aus den vier kreiszylindrischen Kolben 1 und dem kreisringförmigen Kolben 2 gebildeten Differentialkol­ bens kraftschlüssig mit der Achswelle 8 über den Führungs­ ring 20 verbunden wird.

Das Abschalten erfolgt, wenn sich der Differentialkolben durch den Druckabfall in Verbindung mit der wirkenden Kraft der vier Federvorrichtungen 5 zurückbewegt, so daß sich die Verbindung zwischen Achse 8, dem Führungsring 20 und Mit­ nahmekörper 7 wieder löst.

Beispiel 2

In den Fig. 5 und 6 ist eine weitere Möglichkeit der erfindungsgemäß ausgestalteten Laufradschaltung dargestellt. Die Laufradschaltung besteht aus einem kreiszylindrischen Kolben 1, einem bedeutend größeren kreiszylindrischen Kolben 2, aus dem dem kreiszylindrischen Kolben 1 geometrisch ent­ sprechenden Führungsraum 3, aus dem dem kreiszylindrischen Kolben 2 entsprechenden Führungsraum 4, der Gegenkraftvor­ richtung 5, der Einstellvorrichtung 6, dem Mitnahmekörper 7, der Achsenwelle 8, dem Führungsring 20, den Fluidführungen 9, 10, 11 und 12 in Form von Bohrungen.

Die Außenoberfläche des kreiszylindrischen Kolbens 2 ist gewölbt, an die Oberfläche der Achsenwelle 8 angepaßt, ausgeführt. Der kreiszylindrische Kolben 1 ist mit dem kreiszylindrischen Kolben 2 formschlüssig verbunden und bildet einen Differentialkolben, der durch die entsprechen­ den Führungsräume 3 und 4 innerhalb der Achsenwelle 8, bezogen auf die Achsenwelle radial, verschiebbar gelagert ist.

Der Mitnahmekörper 7 ist gewölbt, an die Oberfläche der Achsenwelle 8 angepaßt ausgeführt, mit dem kreiszylindri­ schen Kolben 1 formschlüssig verbunden und mit durchgehenden Bohrungen 15 sowie mit Abstandhalter 16 versehen, die einen Hohlraum erzeugen. Die Gegenkraftvorrichtung 5 besteht aus den gegensätzlich gepolten Magneten 17 und 18 und der Schraubenfeder 19 und aus einem durch eine Schwermetallein­ lage 21 verschobenen Schwerpunkt mit entsprechender Zentri­ fugalkraftwirkung. Wie im Beispiel 1 sind die Fluidführungen so angeordnet, daß der kreiszylindrische Führungsraum 4 mit dem tiefsten Druck po der Pumpe und die Außenflächen der kreiszylindrischen Kolben 1 und 2 mit dem Stufendruck ps_i beaufschlagt werden.

Die erfindungsgemäße Laufradschaltung erfolgt druckabhängig in der Weise, daß ein Druckanstieg bis zum über die Ein­ stellvorrichtung 6 eingestellten Schaltdruck ps_i das Zu­ schalten des Laufkörpers 14 über den Führungsring 20 auf die Achsenwelle 8 bewirkt, indem der Mitnahmekörper 7 durch Bewegung des Differentialkolbens kraft- und formschlüssig mit dem Laufkörper 14 verbunden wird.

Das Abschalten erfolgt, wenn sich der Differentialkolben durch den Druckabfall in Verbindung mit der wirkenden Kraft der Federvorrichtung 5 zurückbewegt, so daß sich die Verbin­ dung zwischen Laufkörper 14, Führungsring 20 und Mitnahme­ körper 7 wieder löst.

Die erfindungsgemäße Laufradschaltung erfolgt auch drehzahl­ abhängig in der Weise, daß ein Drehzahlanstieg bis zur über die Schwermetalleinlage 21 festgelegte Fliehkraft als Gegen­ kraft das Zuschalten des Laufkörpers 14 über den Führungs­ ring 20 auf die Achsenwelle 8 bewirkt, indem der Mitnahme­ körper 7 durch Bewegung des Differentialkolbens kraft- und formschlüssig mit dem Laufkörper 14 verbunden wird. Das Abschalten erfolgt, wenn die Fliehkraftwirkung auf den Differentialkolben durch eine Drehzahlverringerung abnimmt und sich somit der Differentialkolben zurückbewegt und dabei die Verbindung zwischen Laufkörper 14, Führungsring 20 und Mitnahmekörper 7 wieder löst.

Claims (11)

1. Laufradschaltung für Fluidenergiemaschinen, insbesondere für mehrstufige Strömungsmaschinen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - die Laufradschaltung ist im Laufrad (14) oder in der Achswelle (8) angeordnet
• - die Laufradschaltung besteht aus einem Kolben (2) mit mindestens einer einseitigen Kolbenstange (1), einem Mitnahmekörper (7), mindestens einer Gegenkraftvor­ richtung (5) und mindestens 3 Fluidführungen (9, 10, 11),
• - die Kolbenstange (1) ist bzw. die Kolbenstangen (1) sind form- und/oder kraftschlüssig mit dem Mitnahmekör­ per (7) verbunden,
• - der Kolben (2) ist mit der Kolbenstange (1) bzw. mit den Kolbenstangen (1) form- und/oder kraftschlüssig verbunden,
• - die Kolbenstange (1) bzw. die Kolbenstangen (1) und der Kolben (2) sind fluiddicht gelagert,
• - in den die Kolbenstange (1) umgebenden Kolbenraum (4) ist eine den tiefsten Druck po beaufschlagende Fluid­ führung (9) geführt,
• - in den Raum zur Querschnittsfläche der Kolbenstange (1) bzw. in den Räumen zu den Querschnittsflächen der Kol­ benstangen (1) und in den Raum zur Querschnittsfläche des Kolbens (2), die alle außerhalb des Kolbenraumes (4) liegen, ist mindestens je eine den Stufendruck ps_i beaufschlagende Fluidführung (10, 11) angeordnet.

2. Laufradschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Querschnittsfläche des Kolbens (2) mindestens zehn mal so groß wie die Querschnittsfläche der Kolben­ stange (1) bzw. die Summe der Querschnittsflächen der Kolbenstangen (1) ist.

3. Laufradschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Gegenkraftvorrichtung (5) bzw. die Gegenkraftvor­ richtungen (5) im kolbenstangenseitigen Kolbenraum (4) angeordnet sind.

4. Laufradschaltung nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Gegenkraftvorrichtung (5) aus mindestens einer Schraubenfeder (19) und/oder aus gegensätzlich gepolten Magneten (17, 18) besteht.

5. Laufradschaltung nach Anspruch 1, 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Zahl der Schraubenfedern (19) der Kol­ benstangenzahl (1) entspricht.

6. Laufradschaltung nach Anspruch 1, 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Weg der Feder (19) durch Einstellvor­ richtungen (6) begrenzt ist.

7. Laufradschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Anordnung der Laufradschaltung in der Achswelle der Schwerpunkt der Kolbenstange (1) und/oder des Kolbens (2) durch Einlagerung von Schwermetallen (21) bzw. durch eine entsprechende geometrische Gestaltung verlagert ist.

8. Laufradschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Mitnahmekörper (7) mit Abstandhaltern (16) und Bohrungen (15) versehen ist.

9. Laufradschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kolbenstange (1) bzw. die Kolbenstangen (1) und/oder der Kolben (2) mit Kolbenringen aus dafür übli­ chen Materialien versehen sind.

10. Laufradschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Mitnahmefläche des Mitnahmekörpers (7) wie bei einer Kupplung mit Reibmitnahme ausgestaltet ist.

11. Laufradschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die fluiddichtenden Flächen der Kolbenstange (1) bzw. der Kolbenstangen (1) und/oder des Kolbens (2) mit Spül­ bohrungen und/oder Spülschlitzen versehen sind.