DE4403618A1 - Kolbenpumpe mit Boosterpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe mit antriebsmäßig zwangsgekoppelter Boosterpumpe zur Erzeugung eines Saug­ überdruckes, durch den andernfalls an den Ventilen und anderen Teilen der Kolbenpumpe auftretende Kavitation vermieden wird, sowie mit einer den Antrieb der Kolben­ pumpe - nach Durchlauf einer Anlaufphase - bei unzu­ reichendem Saugüberdruck automatisch abschaltenden und/oder ein Signal erzeugenden Steuerungs- oder Über­ wachungsvorrichtung.

Insbesondere bei schnell laufenden Kolbenpumpen ist es notwendig, daß das Pumpmedium der Saugseite der Pumpe mit einem gewissen Überdruck, dem sogenannten Saug­ überdruck, zugeführt wird, um Kavitation an den Saug­ ventilen zu vermeiden. Da die Saugventile erst bei einer gewissen Druckdifferenz zwischen ihrer Eingangs- und ihrer Ausgangsseite öffnen und dementsprechend dem durchströmenden Pumpmedium einen gewissen Drossel­ widerstand entgegensetzen, sind Kavitationserscheinungen ohne einen gewissen Saugüberdruck unvermeidbar. Im Hin­ blick auf die Lebensdauer der Ventile, des Plungers sowie der Plungerdichtungen der Kolbenpumpe muß jedoch Kavitation unbedingt vermieden werden.

Deshalb ist es bekannt und üblich, Kolbenpumpen auf ihrer Eingangsseite hydrodynamische Boosterpumpen, beispielsweise in Form von Kreiselpumpen, vorzuschalten, soweit das Pumpmedium nicht ohnehin einen hinreichenden Überdruck hat.

Diese Boosterpumpen sind typischerweise antriebsmäßig mit der Kolbenpumpe zwangsgekoppelt, d. h. zwischen den Drehzahlen bzw. den Laufgeschwindigkeiten der Pumpen besteht ein durch die Zwangskopplung vorgegebenes Ver­ hältnis.

Dementsprechend steigt mit zunehmender Drehzahl bzw. Laufgeschwindigkeit der beiden Pumpen der Druck auf der Druckseite der Boosterpumpe, d. h. der von der Booster­ pumpe erzeugte Saugüberdruck an der Kolbenpumpe, mehr oder weniger stark an.

Die korrekte Arbeit der Boosterpumpe wird bei bisherigen Pumpenanlagen mittels eines Druckschwellwertgebers über­ wacht, der hydraulisch zwischen Boosterpumpe und Kolben­ pumpe angeordnet ist. Sobald der Saugüberdruck unter einen Druckschwellwert absinkt, bei dem der Saugüberdruck nicht mehr ausreicht, bei maximaler Drehzahl bzw. Lauf­ geschwindigkeit der Kolbenpumpe Kaviation sicher zu vermeiden, wird der Antrieb der Kolbenpumpe abgeschaltet.

Aufgrund dieser Betriebsweise mit konstantem Druckschwell­ wert muß also die Boosterpumpe schon bei geringer Dreh­ zahl bzw. Laufgeschwindigkeit den vergleichsweise hohen Druckschwellwert erreichen können, mit der Folge, daß bei maximaler Drehzahl bzw. Laufgeschwindigkeit ein Druck erzeugt wird, der weit höher als notwendig ist.

Damit wird zum Betrieb der Boosterpumpe unangemessen viel Energie verbraucht.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein neues Konzept für Kolbenpumpen mit Boosterpumpen zu schaffen, wobei insbesondere die notwendige Antriebsleistung der Booster­ pumpe vermindert werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerungs- bzw. Überwachungsvorrichtung eingangs­ seitig mit einem Saugdruckmeßaufnehmer, dessen Ausgangs­ signal den jeweiligen Saugüberdruck wiedergibt, sowie einem Meßaufnehmer für die Laufgeschwindigkeit oder Dreh­ zahl einer der Pumpen verbunden ist und den Antrieb bei Unter­ schreitung von variablen Schwellwerten des Saugüberdruckes ausschaltet, die analog oder quasi analog mit dem Quadrat der Laufgeschwindigkeit bzw. Drehzahl ansteigen, und daß der mittels der Boosterpumpe erzeugbare Saugüberdruck bei geringen Laufgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen unter­ halb des bei Höchstdrehzahl bzw. maximaler Laufgeschwin­ digkeit notwendigen Saugüberdruckes liegt.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Boosterpumpe annähernd bedarfsgerecht arbeiten zu lassen, d. h. der von der Boosterpumpe jeweils erzeugte Saugüber­ druck soll den bei der jeweiligen Laufgeschwindigkeit bzw. Drehzahl der Kolbenpumpe benötigten Saugüberdruck nur ver­ gleichsweise mäßig überschreiten.

Dabei nutzt die Erfindung die Tatsache, daß als Booster­ pumpen eingesetzte Kreiselpumpen mit zunehmender Drehzahl einen mit dem Quadrat der Drehzahl ansteigenden Druck erzeugen, welcher auch bei unveränderter Antriebsver­ bindung zwischen Kolben- und Boosterpumpe etwa analog dem für die Kolbenpumpe benötigten Saugüberdruck bei zunehmender Drehzahl bzw. Laufgeschwindigkeit entspricht. Bei entsprechender Bemessung der Boosterpumpe ist daher ein bedarfsgerechter Anstieg des Saugüberdruckes erreichbar.

Durch Erfassung der Drehzahl bzw. Laufgeschwindigkeit der Kolbenpumpe kann dabei der jeweils benötigte Mindestsaug­ druck bzw. ein dazu analoger Schwellwert ermittelt werden. Mittels des Druckmeßaufnehmers läßt sich dann registrieren, ob der Istwert des Saugüberdruckes oberhalb des Mindest- bzw. Schwellwertes liegt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der eine bevorzugte Ausführungsform schema­ tisiert dargestellt ist.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schaltplanmäßige Darstellung einer erfindungs­ gemäßen Pumpenanlage und

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise.

Gemäß Fig. 1 wird eine Kolbenpumpe 1 hoher Leistung gemein­ sam mit einer der Kolbenpumpe 1 saugseitig vorgeschalteten Boosterpumpe 2, welche relativ geringe Leistung aufweist und beispielsweise als einstufige Kreiselpumpe oder sonstige hydrodynamische Pumpe ausgebildet ist, von einem Motor 3 angetrieben, so daß die Kolbenpumpe 1 und die Boosterpumpe 2 mit konstantem Drehzahlverhältnis arbeiten. Die Boosterpumpe 2 fördert Pumpmedium aus einem praktisch drucklosen Reservoir 4 od. dgl. durch ein Feinfilter 8 zur Kolbenpumpe 1, der das Pumpmedium dem­ entsprechend mit einem sogenannten Saugüberdruck zuge­ führt wird. Dadurch soll gewährleistet sein, daß die Kolbenpumpe 1 ohne Kavitation arbeiten kann.

Die Kolbenpumpe 1 fördert das Pumpmedium zu einem nicht dargestellten Verbraucher oder Druckaggregat.

Mittels eines Druckmeßaufnehmers 5 läßt sich ein zum jeweiligen Saugdruck im wesentlichen analoges Signal erzeugen. Mittels eines Meßaufnehmers 6 wird die Drehzahl der Kolbenpumpe 1 ermittelt. Die Meßaufnehmer 5 und 6 sind mit der Eingangsseite einer Steuerungs- und Über­ wachungsvorrichtung 7, die den Motor 3 ausschaltet, wenn beim Pumpbetrieb der von der Boosterpumpe 2 erzeugte Saugüberdruck unterhalb eines drehzahlabhängigen Druck­ schwellwertes, bei dem Kavitation an den Saugventilen der Kolbenpumpe noch sicher vermieden werden kann, fallen sollte.

Im übrigen wird die Betriebsweise näher anhand der Fig. 2 erläutert.

Dort zeigt die Kurve K den zur Vermeidung von Kavitation an den Saugventilen der Kolbenpumpe 1 notwendigen Saug­ überdruck P_S in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl. Die Kurve W zeigt den mittels der Boosterpumpe erreichbaren Druck, ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehzahl. Die Boosterpumpe 2 ist derart ausgelegt, daß der von ihr erzeugbare Druck oberhalb eines sehr niedrigen Drehzahl­ bereiches immer etwas oberhalb des jeweils benötigten Saugdruckes liegt.

Im Bereich sehr niedriger Drehzahlen bleibt zwar der von der Boosterpumpe 2 erzeugbare Druck unterhalb des an sich notwendigen Saugüberdruckes gemäß Kurve K. Jedoch sind bei derartig geringen Drehzahlen, die ohnehin nur in einer Anfahrphase durchlaufen werden, eventuelle Kavitationser­ scheinungen gering und weitestgehend unschädlich.

Innerhalb eines weiten, für die Pumpenarbeit nutzbaren Drehzahlbereiches sind nun Druckschwellwerte entsprechend den Kurven S₁ bzw. S₂ in der Steuerungs- bzw. Überwachungs­ vorrichtung 7 als Drehzahl-Druck-Wertepaare in vorgegebener Weise gespeichert. Diese Wertepaare bzw. die dadurch in Näherung repräsentierten Kurven S₁ und S₂ liegen einer­ seits etwas oberhalb des notwendigen Saugüberdruckes und verbleiben andererseits etwas unterhalb des von der Boosterpumpe 2 erzeugbaren Druckes, so daß diese Schwell­ werte bei störungsfreiem Betrieb der Boosterpumpe 2 sowie ordnungsgemäßer Dichtigkeit der hydraulischen Ver­ bindung zwischen Boosterpumpe 2 und Kolbenpumpe 1 regel­ mäßig überschritten werden.

Bei ungestörtem Betrieb liegen am Druckmeßaufnehmer 5 Drücke nahe der Kurve W vor.

Wenn am Druckmeßaufnehmer 5 Drücke unterhalb der Kurve S₁ bzw. der zugehörigen Wertepaare vorliegen, ist dies regelmäßig ein Anzeichen für Verschmutzungen des Fil­ ters 8, und die Steuerungs- bzw. Überwachungsvorrich­ tung 7 erzeugt ein Signal zum Reinigen des Filters 8.

Wenn am Druckmeßaufnehmer 5 Drücke unterhalb der Kurve S₂ bzw. der zugehörigen Wertepaare vorliegen, ist ein gefähr­ licher Betriebszustand eingetreten, z. B. eine Unterbre­ chung oder Verstopfung der Saugleitung der Boosterpumpe 2. Die Steuerungs- bzw. Überwachungsvorrichtung gibt des­ halb ein Signal zum Stillsetzen der Kolbenpumpe 1.

Falls die Steuerungs- bzw. Überwachungsvorrichtung mit Rechnerunterstützung arbeitet, brauchen die Kurven S₁ und S₂ nicht als Drehzahl-Druck-Wertepaare od. dgl. näherungsweise gespeichert zu werden. Vielmehr können die Kurven dann durch Vergabe eines charakteristischen Wertes errechnet werden.

Claims (3)

1. Kolbenpumpe mit antriebsmäßig zwangsgekoppelter Boosterpumpe zur Erzeugung eines Saugüberdruckes an der Kolbenpumpe, durch den andernfalls an den Ventilen und anderen Teilen der Kolbenpumpe auf­ tretende Kavitation vermieden wird, sowie mit einer den Antrieb der Kolbenpumpe - nach Durchlauf einer Anlaufphase - bei unzureichendem Saugüberdruck automatisch abschaltenden und/oder ein Signal erzeu­ genden Steuerungs- oder Überwachungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- bzw. Überwachungsvorrichtung (7) eingangs­ seitig mit einem Saugdruckmeßaufnehmer (5), dessen Ausgangs­ signal den jeweiligen Saugüberdruck wiedergibt, sowie einem Meßaufnehmer (6) für die Arbeitsgeschwindigkeit oder Drehzahl der Kolbenpumpe (1) verbunden ist und den Antrieb bei Unterschreitung von variablen Schwellwerten des Saugüberdruckes ausschaltet, die analog oder quasi analog - insbesondere quadratisch - zur Arbeitsge­ schwindigkeit bzw. Drehzahl ansteigen, und daß der mittels der Boosterpumpe (2) erzeugbare Saugüber­ druck bei geringen Arbeitsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen unterhalb des bei Höchstdrehzahl bzw. -geschwindigkeit notwendigen Saugüberdruckes liegt.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Boosterpumpe (2) nur geringfügig über dem jeweiligen Bedarf für den Saugüberdruck liegt.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Boosterpumpe (2) und Kolbenpumpe (1) ein Filter bzw. Feinfilter (8) angeordnet ist und die Steuer- bzw. Überwachungsvorrichtung (5) erste und zweite variable Schwellwerte (Kurven S₁, S₂) überwacht und bei Unterschreitung der höheren ersten Schwellwerte ein Signal zum Reinigen des Filters (8) und bei Unterschreitung der niedrigeren zweiten Schwellwerte ein Signal zum Stillsetzen der Kolbenpumpe (1) erzeugt.