DE4316735A1 - Pumpverfahren zum Betreiben einer Multiphasen-Schraubenspindelpumpe und Pumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Pumpverfahren zum Betreiben einer Multiphasen-Schraubenspindelpumpe mit zumindest einer Förder­ schraube, die von einem Gehäuse umschlossen ist, das zumindest einen Saugstutzen und zumindest einen Druckstutzen aufweist, wobei das angesaugte Medium in einem pulsationsarmen kontinu­ ierlichen Förderstrom parallel zu der Schraubenwelle fortbe­ wegt und im Druckstutzen kontinuierlich ausgestoßen wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Multiphasen-Schraubenspin­ delpumpe mit zumindest einer Förderschraube, die von einem Gehäuse umschlossen ist, das zumindest einen Saugstutzen und zumindest einen Druckstutzen aufweist, wobei der Saugstutzen mit einem der Förderschraube vorgeschalteten Saugraum und der Druckstutzen mit einem der Förderschraube nachgeordneten Druckraum in Verbindung stehen.

Unter "Multiphase" ist ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch zu verste­ hen. Beim Multiphasentransport, insbesondere mit hohen Gasra­ ten oder Trockenlauf wird üblicherweise die Flüssigkeit voll­ ständig ausgetragen. Die Förderelemente laufen dann ohne spaltabdichtende Flüssigkeit um; die Pumpe kann nicht mehr den vollen Druck aufbauen, was zum Zusammenbruch der Förderung führt. Die durch die Verdichtung der Gasphase entstehende Kom­ pressionswärme kann nicht mehr ausreichend abgeführt werden.

Dies führt zu einer Überhitzung der Förderelemente und zu ih­ rer Wärmeausdehnung, was eine Zerstörung der Pumpe durch Ge­ häuseanlauf zur Folge haben kann.

Ferner tritt bei hohen Gas raten oder Trockenlauf an den Wel­ lendichtungen eine Mangelschmierung auf, die zu einer Überhit­ zung an den Wellenabdichtungen und damit zu deren Zerstörung führen kann. Denn wenn sich der einlaßseitige Restflüssig­ keitsstand auf die Unterkante der Förderschrauben einstellt, liegen die Wellendichtungen trocken; das durch das Fördermedi­ um gebildete Schmiermittel verdampft; die Reibwärme wird nicht mehr abgeführt und führt zur Zerstörung der Wellenabdichtung. Diesem Problem wird derzeit durch Permanentschmierung und -kühlung mit Hilfe eines externen Sperrölaggregates begegnet. Diese Aggregate sind jedoch kostenintensiv und störungsanfäl­ lig und beeinträchtigen daher die Wirtschaftlichkeit der in Rede stehenden Pumpen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs be­ schriebene Pumpverfahren sowie die eingangs beschriebene Mul­ tiphasen-Schraubenspindelpumpe so zu verbessern, daß weder extrem hoher Gasgehalt noch längere Trockenlaufphasen zu einer Unterbrechung der Förderung oder zu Schäden führen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Pumpverfahrens erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß druckseitig ein Teil-Flüssig­ keitsvolumenstrom (Flüssigkeitsumlauf) separiert und dosiert in den Ansaugbereich zurückgeführt und so in Umlauf gehalten wird.

Hinsichtlich der Pumpe wird die genannte Aufgabe erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß an einem unteren Abschnitt des Druckraumes eine Flüssigkeits-Kurzschlußleitung angeschlossen ist, die mit dem Saugraum in Verbindung steht.

Gemäß dem wesentlichen Erfindungsgedanken soll also sicherge­ stellt werden, daß in der Pumpe auch bei hohen Gasraten oder zeitlich begrenztem Trockenlauf ausreichend Flüssigkeit zur sicheren Funktionserfüllung in der Pumpe verbleibt und nicht ausgetragen wird. Dabei soll diese im Pumpengehäuse verblei­ bende Flüssigkeit die Wellenabdichtungen - ggf. in Nebelform - permanent ausreichend benetzen.

Der zur Lösung der genannten Aufgabe erforderliche Separa­ tionsgrad bzw. die im Umlauf zu haltende Flüssigkeitsmenge lassen sich anhand der Gehäuse- und Strömungskonfiguration bestimmen. Dabei kann die Dosierung des Flüssigkeitsumlaufs in Abhängigkeit von dem Pumpendifferenzdruck erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, in die Flüssigkeits-Kurzschlußleitung eine Dosierpumpe oder aber ein temperaturgesteuertes Ventil zu schalten. Dabei ist es vorteilhaft, wenn etwa 3% des normalen Förderstromes im Flüssigkeitsumlauf gehalten wird.

Um im Druckraum eine Separierung der Flüssigkeitsphase von der Gasphase des geförderten Mediums zu erleichtern, ist es vor­ teilhaft, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des druckseitig aus der Förderschraube austretenden Mediums reduziert wird. Dies kann vorrichtungsmäßig dadurch geschehen, daß der Druck­ raum einen sich in Durchströmrichtung des Mediums gesehen ver­ größernden Querschnitt aufweist. Ferner können im Druckraum Strömungsleiteinrichtungen vorgesehen sein, die die Separation unterstützen und/oder die aus der Förderschraube aus tretende Flüssigkeitsphase des Mediums gegen die zugeordnete Wellen­ dichtung und nachfolgend dem Anschlußbereich der Flüssigkeits- Kurzschlußleitung zuführen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen und werden in Verbindung mit einem Ausführungsbei­ spiel näher erläutert.

In der Zeichnung sind zwei als Beispiele dienende Ausführungs­ formen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schraubenspindelpumpe im Längsschnitt;

Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch ein Pumpengehäuse abgewandelter Bauart und

Fig. 3 in einer Darstellung gemäß Fig. 2 einen Quer­ schnitt durch ein vorbekanntes Pumpengehäuse (Stand der Technik).

Die in Fig. 1 abgebildete Schraubenspindelpumpe besitzt als Förderelemente zwei berührungslos ineinanderkämmende, gegen­ läufige Förderschraubenpaare, die jeweils eine rechtsgängige Förderschraube 1 sowie eine linksgängige Förderschraube 2 um­ fassen. Durch diese zweiströmige Anordnung ist der Axialschub ausgeglichen. Die ineinandergreifenden Förderschrauben bilden zusammen mit dem sie umschließenden Gehäuse 3 einzeln abge­ schlossene Förderkammern. Bei Drehung über eine Antriebswelle 7 bewegen sich diese Kammern kontinuierlich und parallel zu den Wellen 7, 8 von der Saug- zur Druckseite. Dabei bestimmt die Drehrichtung der Antriebswelle 7 die Fortbewegungseinrich­ tung der Förderkammern.

Die Drehmomentübertragung von der Antriebs- auf die getriebene Welle erfolgt durch ein außerhalb des Pumpengehäuses 3 ange­ ordnetes Zahnradgetriebe 4, dessen Einstellung den berührungs­ freien Lauf der Förderelemente gewährleistet.

Das Pumpengehäuse 3 weist einen Saugstutzen 5 sowie einen Druckstutzen 6 auf. Letzterer kann vorzugsweise auf der Ober­ seite des Pumpengehäuses 3 vorgesehen sein. In diesem Fall zeigt die Zeichnung einen lotrechten Mittelschnitt durch die Schraubenspindelpumpe. Die Darstellung kann jedoch auch ein Horizontalschnitt sein, bei dem sich Saug- und Druckstutzen 5, 6 seitlich gegenüberliegen, während die beiden Wellen 7, 8 in einer gemeinsamen Horizontalebene nebeneinander angeordnet sind.

Das der Pumpe durch den Saugstutzen 5 zufließende Medium 9 wird im Pumpengehäuse 3 in zwei Teilströmen dem jeweils mit­ tigen Saugraum 10 zugeführt, der der zugeordneten Förder­ schraube 1 bzw. 2 vorgeschaltet ist. Diesen Förderschrauben 1, 2 nachgeschaltet ist jeweils ein Druckraum 11, der axial nach außen durch jeweils eine Wellendichtung 12 abgeschlossen ist, die zur Abdichtung der Außenlagerung 13 dient. Der Druck­ raum 11 weist einen sich in Durchströmrichtung des Mediums 9 gesehen vergrößernden Querschnitt auf.

Geht man davon aus, daß die Zeichnung einen lotrechten Längs­ mittelschnitt zeigt, dann ist am tiefsten Punkt des Druckrau­ mes 11 eine Flüssigkeits-Kurzschlußleitung 14 angeschlossen, die mit dem Saugraum 10 in Verbindung steht. Der druckseitig aus dem geförderten Flüssigkeits-Gas-Gemisch separierte und dosiert in den Ansaugbereich zurückgeführte Teil-Flüssigkeits­ volumenstrom ist mit dem Pfeil 15 gekennzeichnet und wird als Flüssigkeitsumlauf wieder vom Saugraum 10 in den Druckraum 11 gefördert.

Aus der Zeichnung wird deutlich, daß die aus der Förderschrau­ be 1, 2 austretende Flüssigkeitsphase des Mediums 9 gegen die zugeordnete Wellendichtung 12 geführt wird und dann aufgrund der Schwerkraft in den Anschlußbereich der Flüssigkeits-Kurz­ schlußleitung 14 gelangt. Durch die Vergrößerung des Strö­ mungsquerschnitts des Druckraumes 11 wird die Strömungsge­ schwindigkeit des austretenden Mediums verringert, wodurch die Separierung der Flüssigkeitsphase aus dem geförderten Gemisch begünstigt wird. Die Zuführung der Flüssigkeitsphase in den Anschlußbereich der Flüssigkeits-Kurzschlußleitung 14 kann durch in der Zeichnung nur schematisch dargestellte Strömungs­ leiteinrichtungen 17 begünstigt werden, die auch zur Unter­ stützung der Separation sowie zur Regelung des Flüssigkeits­ standes im Druckraum 11 dienen können.

Der Anschluß der Flüssigkeits-Kurzschlußleitung 14 am Druck­ raum 11 sollte so tief angeordnet sein, daß permanenter Flüs­ sigkeitsumlauf (unter Vermeidung von Gaseintritt) gewährlei­ stet ist. Dieser Separationsgrad läßt sich anhand der Gehäuse- und Strömungskonfiguration bestimmen. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, etwa 3% des normalen Förderstromes im Flüssigkeitsumlauf zu halten. Der dadurch im Pumpengehäuse 3 bzw. im Druckraum 11 sichergestellte Flüssigkeitspegel kann in der Regel unterhalb der Wellen 7, 8 liegen. Die Benetzung der Wellendichtungen 12 in Folge der direkten Anströmung reicht in der Regel für eine ausreichende Schmierung der Wellendichtun­ gen 12 aus. Nur bei besonders empfindlichen Dichtungsmateria­ lien ist eine permanente Umspülung der Wellendichtungen 12 erforderlich. In diesem Fall empfiehlt sich eine horizontale Anordnung der beiden Wellen 7, 8 nebeneinander und ein entspre­ chend höherer Flüssigkeitspegel im Druckraum 11.

Ein Umlauf der Förderelemente mit ausreichend spaltabdichten­ der Flüssigkeit ist aufgrund der erfindungsgemäßen Flüssig­ keits-Kurzschlußleitung 14 auch dann gewährleistet, wenn die beiden Wellen 7, 8 in einer lotrechten Ebene übereinanderlie­ gen. Denn die am Zahnkopf der unteren Förderschraube anhaften­ de Flüssigkeit wird in den Zahngrund der oberen Förderschraube geschleudert und wandert dann aufgrund der Fliehkraft an deren Flanken entlang zum Zahnkopf. Eingriff und Zahnkopf bleiben dadurch permanent benetzt. Diese Minimalbenetzung der schädli­ chen Spalte reicht bereits zur Aufrechterhaltung der Förderung aus.

Zur Dosierung des Flüssigkeitsumlaufes kann in die Flüssig­ keits-Kurzschlußleitung 14 eine entsprechend dimensionierte Blende 18 geschaltet sein.

Da der erfindungsgemäß vorgesehene Flüssigkeitsumlauf nur dann vorteilhaft ist, wenn die Flüssigkeitsphase des zu fördernden Mediums nicht ausreicht, kann dieser Flüssigkeitsumlauf ggf. bei Bedarf zuschaltbar sein, beispielsweise durch eine Tempe­ ratursteuerung.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch ein konventionelles Pumpengehäuse, das ebenfalls zum Einbau von zwei gegenläufigen Förderschraubenpaaren gemäß Fig. 1 bestimmt ist. Hier erfolgt die Flüssigkeitsförderung axial gesehen jeweils von außen zur Pumpenmitte in einen den Förderschrauben jeweils unmittelbar nachgeschalteten Druckraum 11, der in einen etwa mittig im Pumpengehäuse angeordneten Druckschlitz 16 übergeht. Die Strömungsgeschwindigkeit im Druckraum 11 und Druckschlitz 16 in der Pumpenmitte liegt bei derartigen Ausführungsformen bei etwa 3 bis 8 m/s. Bei Gasför­ derung wird die Restflüssigkeit im Druckraum 11 durch Mitrei­ ßen im Gas und Verdampfung durch Kompressions- und Reibungs­ wärme in kurzer Zeit ausgetragen.

Demgegenüber zeigt die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemä­ ße Konstruktion, daß sich der Druckraum 11 im Pumpengehäuse 3 auch unterhalb der Förderschraubenpaare bzw. der von ihnen zusammen mit dem sie umschließenden Gehäuse gebildeten Förder­ kammern erstreckt. Der Druckraum 11 ist somit so gestaltet, daß in seinem unteren Teil die Strömungsgeschwindigkeit des druckseitig aus der Förderschraube austretenden Förderstroms gegen Null geht. Hierdurch erfolgt aufgrund der Dichtediffe­ renz eine Trennung der Flüssigkeits- von der Gasphase.

Die in Fig. 2 dargestellte Konfiguration ist sowohl bei mit­ tigem als auch seitlichem Druckraum möglich.

Claims (17)

1. Pumpverfahren zum Betreiben einer Multiphasen-Schrauben­ spindelpumpe mit zumindest einer Förderschraube, die von einem Gehäuse umschlossen ist, das zumindest einen Saug­ stutzen und zumindest einen Druckstutzen aufweist, wobei das angesaugte Medium in einem pulsationsarmen kontinu­ ierlichen Förderstrom parallel zu der Schraubenwelle fortbewegt und im Druckstutzen kontinuierlich ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß druckseitig ein Teil- Flüssigkeitsvolumenstrom (Flüssigkeitsumlauf) separiert und dosiert in den Ansaugbereich zurückgeführt und so in Umlauf gehalten wird.

2. Pumpverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierung des Flüssigkeitsumlaufs in Abhängigkeit von dem Pumpendifferenzdruck erfolgt.

3. Pumpverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß etwa 3% des normalen Förderstromes im Flüssigkeitsumlauf gehalten wird.

4. Pumpverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des drucksei­ tig aus der Förderschraube austretenden Mediums reduziert wird.

5. Pumpverfahren zum Betreiben einer Multiphasen-Schrauben­ spindelpumpe mit doppelflutig angeordneten Förderelemen­ ten mit Außenlagerung, nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teil­ ströme von der jeweiligen Saugseite in entgegengesetzten, voneinander weggerichteten Förderrichtungen zur Drucksei­ te und von dort in Richtung der zugeordneten Wellendich­ tung gefördert werden.

6. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe mit zumindest einer Förderschraube (1, 2), die von einem Gehäuse (3) umschlos­ sen ist, das zumindest einen Saugstutzen (5) und zumin­ dest einen Druckstutzen (6) aufweist, wobei der Saugstut­ zen (5) mit einem der Förderschraube (1, 2) vorgeschalte­ ten Saugraum (10) und der Druckstutzen (6) mit einem der Förderschraube (1, 2) nachgeordneten Druckraum (11) in Verbindung stehen, insbesondere zur Ausübung eines Ver­ fahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem unteren Abschnitt des Druck­ raumes (11) eine Flüssigkeits-Kurzschlußleitung (14) an­ geschlossen ist, die mit dem Saugraum (10) in Verbindung steht.

7. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits-Kurzschlußlei­ tung (14) einen in Abhängigkeit vom Pumpendifferenzdruck dimensionierten Strömungsquerschnitt aufweist.

8. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in die Flüssigkeits-Kurzschluß­ leitung (14) eine Dosierpumpe geschaltet ist.

9. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in die Flüssigkeits-Kurzschluß­ leitung (14) ein temperaturgesteuertes Ventil geschaltet ist.

10. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe nach einem der Ansprü­ che 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstutzen (6) auf der Oberseite des Gehäuses (3) angeordnet ist.

11. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe nach einem der Ansprü­ che 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig­ keits-Kurzschlußleitung (14) am tiefsten Punkt des Druck­ raumes (11) angeschlossen ist.

12. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe mit zwei parallel zu­ einander angeordneten Wellen (7, 8), die mit je zwei ein­ ander gegenläufigen Förderschrauben (1, 2) bestückt sind und jeweils eine Außenlagerung (13) aufweisen, wobei das der Pumpe durch den Saugstutzen (5) zufließende Medium (9) im Pumpengehäuse (3) in zwei Teilströmen den beiden Saugräumen (10) zugeführt wird, nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugräume (10) mittig liegen und die Druckräume (11) axial nach außen durch jeweils eine Wellendichtung (12) abgeschlossen sind.

13. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe nach einem der Ansprü­ che 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (11) einen sich in Durchströmrichtung des Mediums (9) gesehen vergrößernden Querschnitt aufweist.

14. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe nach einem der Ansprü­ che 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Druckraum (11) Strömungsleiteinrichtungen (17) vorgesehen sind, die die aus der Förderschraube (1, 2) austretende Flüssig­ keitsphase des Mediums (9) gegen die zugeordnete Wellen­ dichtung (12) und nachfolgend dem Anschlußbereich der Flüssigkeits-Kurzschlußleitung (14) zuführen.

15. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe nach einem der Ansprü­ che 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstüt­ zung der Separation im Druckraum (11) Strömungsleitein­ richtungen (17) vorgesehen sind.

16. Multiphasen-Schraubenspindelpumpe nach einem der Ansprü­ che 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Flüssigkeitsstandes im Druckraum (11) Strömungsleit­ einrichtungen (17) vorgesehen sind.

17. Multiphasenschraubenspindelpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dosierung des Flüssigkeitsumlaufes in die Flüssigkeits-Kurzschlußlei­ tung (14) eine entsprechend dimensionierte Blende (18) geschaltet ist.