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Pumpwerk, welches durch eine Antriebsmaschine mit stark ve ränderlicher
Drehzahl und Antriebsleistung, beispielsweise durch eine Windturbine, angetrieben
wird Kreiselpumpen, die beispielsweise als Schöpfwerkspumpen unmittelbar von Windturbinen
angetrieben werden, müssen entsprechend den Schwankungen der Windgeschwindigkeit
mit stark veränderlichen Drehzahlen arbeiten. Die von der Windturbine her, die ständig
mit einem Bestwert ihres Wirkungsgrades arbeiten soll, zur Ver--fügung stehende
Antriebsleistung verändert sich bei solchen Drehzahlschwankungen sehr stark, nämlich
etwa mit der dritten Potenz de'r Drehzahl. Die Belastung der Windturbine durch die
Kreiselpumpe muß sich daher, wenn die Windturbine ständig mit ihrem beste
- n Wirkungsgrad weiterarbeiten soll, auch im Verhältnis der dritten Potenz
der Drehzahl ändern. jede Veränderung der Belastung der Windturbine nach einem anderen
Verhältnis als nach der dritten Potenz der Drehzahl hat zwangsläufig zur Folge,
daß die Windturbine nunmehr mit einem schlechteren Wirkungsgrad arbeitet.
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Die Förderhöhe bei Schöpfwerksanlagen, die sich aus der Differenz
der Höhenlage von Unter- und Oberwasserspiegel ergibt, ist nur wenig oder gar nicht
veränderlich. Bei einem windkraftgetriebenen Kreiselpumpenschöpf-, werk muß aber
laut obigem, wenn ein möglichst günstiger Nutzeffekt für die gesamte Anlage erreicht
werden und Pumpe und Turbine dauernd mit einem möglichst guten Wirkungsgrad arbeiten
sollen, für die Kreiselpumpe die Bedingung erfüllt sein, daß sich bei einer Drehzahlveränderung
die Leistungsaufnahme der Pumpe trotz der wenig oder gar nicht veränderlichen Förderhöhe
etwa mit der dritten Potenz der Drehzahl ändert.
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. Nun gilt zwar bei einer Kreiselpumpe das bekannte Gesetz
»Die Antriebsleistung ändert sich mit der dritten Potenz der Drehzahl«. Es gilt
aber nur unter der Voraussetzung, daß sich gleichzeitig die Fördermenge mit der
ersten Potenz und die Förderhöhe mit der zweiten Potenz der Drehzahl ändern. Wenn
diese Bedingungen erfüllt sind, behält auch der Pumpenwirkungsgrad bei Änderung
der Drehzahl seinenBestwertunverändertbei.
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Da nun bei Schöpfwerksanlagen die Förderhöhe lediglich von der Höhenlage
des Unter- und Oberwasserspiegels abhängig ist, kann sie sich keinesfalls ohne weiteres.
bei einer Drehzahländerung mit der zweiten Potenz der Drehzahl ändern. Dadurch gibt
es für eine gewöhnliche Schöpfwerkskreiselpumpe nur eine einzige Drehzahl, bei welcher
sie mit ihrem besten Wirkungsgrad arbeitet. Bei Unter- oder Überschreitung dieser
Drehzahl
weicht der Wirkungsgrad der Pumpe mehr oder wepiger von
seinem Bestwert ab.
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Zur näheren Erläuterung sind in Abb. III die H-Q-Kurven einer einstufigen
Kreise]-: pumpe dargestellt.
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Bei 500 U/min und bei 5 In Förderhöhe er-#** ,gibt sich
folgender Betriebspunkt A:
Drehzahl n 5oo-U/min Förderhöhe
H 5 m Fördermenge Q 64 I/Sek. Wirkungsgrad 17 76 "/0
Leistungsbedarf
IV 64 - 5 - 5,6--, PS.
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75-0,713 Bei Erhöhung der Drehzahl auf 8oo Ulmin errechnet sich nach
dem Gesetz, daß sich die Fördermenge mit der ersten Potenz, die Förderhöhe mit der
zweiten Potenz und die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl ändern, folgender
Betriebspunkt C, auf dem der Wirkungsgrad der gleicht wie vorher bleibt:
Drehzahl n = 8oo U/min Förderhöhe H = 12,8 m Fördermenge Q
= io2,5 liSek. Wirkungsgrad ?i = 76'/o 2 1'->,8 -
Leistungsbedarf
N =- '0 '5' 2,3 PS-75-0,76 Da nun aber die FörderhAe.
unveränderlich 5 m beträgt, kann die Pumpe bei 8oo Ulmin nicht im Betriebspunkt
C arbeiten, sondern es wird sich der Betrfebspunkt B einstellen-.
Drehzahl
it 8oo U/min Förderhöhe H 5 m Fördermenge Q ift I/Sek.
Wirkungsgrad 77 =SA'G Leistung.Iedarf N = #',' * #-
= 29 PS.
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75 * 0537
Dieser Betriebspunkt hat zwei Nachteile, den schlechten
Pumpenwirkungsgrad von nur 37 '/, und den zu lfohen Leistungsbedarf, der
von 5,62 PS bei n = 5oo U/min auf :29 PS
bei it # Soo UI/min
gestiegen ist, also ineinem über der dritten Potenz liegenden Verhältnis der Drehzahlen,
was zur Folge hat, daß nunmehr auch die Windturbine als Antriebsmaschine gezwungen
wird, mit -einem ungünstigen Wirkungsgrad zu arbeiten.
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Die Erfindung betrifft ein Pumpwerk, welchesr durch eine Antriebsmaschine
mit stark veränderlicher Drehzahl und Antriebsleistung, beispielsweise. durch eine
Windturbi.ne, angetrieben wird. Dieses ist im besonderen gekennzeichnet durch ein
Hauptkreiselpumpenlaufrad, durch ein gleichachsig mit diesem angeordnetes Flüssigkeitsturbinenlaufrad,
dessen Schaufeln in dem aus dem Hauptkreiselpumpenlaufrad austretenden Flüssigkeitsstrom
liegen, sowie durch ein mit dem Flüssigkeitsturbinenlaufrad gekuppeltes und parallel
zum Hauptkreiselpumpenlaufrad förderndes Zusatzkreiselp#mpenlaufrad.
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Ein Ausführungsbeispiel ist zunächst in Abb. I dargestellt. Es ist
i eine Windnenanlage. :2 ist die Antriebswelle, die r ein Getriebe 3 die
Pumpenwelle 4 antreibt. Auf dieser sitzt das Hauptkreiselpumpenlaufrad
5, das aus dem Unterwasser 6
schöpft und in das Oberwasser
7, somit auf eine wenig oder gar nicht veränderliche Förderhöhe H drückt.
Das Lauf rad 5 umfassend ist ein Flüssigkeitsturbinenlaufrad 8 angeordnet,
dessen Schaufeln wie bei einer von innen beaufschlagten Turbine ausgebildet sind.
Das Turbinenlaufräd 8 -ist mitfels der Kröpfungg fest mit dem Zusatzkreiselpumpenlaufrad
io verbunden, _welches lose auf der Welle 4 gelagert ist und parallel zum Hauptkreiselpumpenlaufrad
5 fördert.
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Die Wirkungsweise des Pumpwerks ist folgende: Schon bei sehr geringer
Windgeschwindigkeit, sobald die erreichte Drehzahl zur Erzeugung der Förderhöhe
H genügt, -beginnt das Hauptkreiselpumpenlaufrad 5, das als Langsainläufer
mit radialen Schaufeln ausgebildet sein kann, zu fördern. Das Flüssigkeitsturbinenlaufrad
8, durch welches das vom Laufrad 5 geförderte Wasser hindurchströmen
muß, wird mit einer von der Durchflußmenge abhängigen Drehzahl in gleicher Drehrichtung
wie das Laufrad 5 bewegt. Mit zunehmender Drehzahl des Laufrades
5, bei deren Erhöhung die Fördermenge und die Druckhöhe am Austritt »dieses
Laufrades 5
steigen, während die Förderhöhe am Austritt des Turbinenlaufrades
8 entsprechend der Förderhöhe H unverändert bleibt, wächst auch die DrehzaAl
des Turbinenlaufrades 8
und des Zusatzkreiselpumpenlaufrades io, so daß dieses
ebenfalls zu fördern beginnt. - Da# bei wird ein Teil der Energie der Förderflüssigkeit
beim Verlassen des Hauptkreiselpumpenlaufrades 5 zum Antrieb des- Zusatzkreiselpumpenlaufrades
io benutzt.
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Durch die Anordnung des Flüssigkeitsturbinenlaufrades 8 am
Austritt des Hauptkreiselpumpenlaufrades 5 wird die zu überwindende Druckhöhe
am Austritt dieses Laufrades 5 künstlich um die im Turbinenlaufrad
S- wieder vernichtete Druckhöhe erhöht. Diese Druckhöhensteigerung läßt sich
durch konstruktive Gestaltung des Turbinenlaufrades 8 und- des Zusatzkreiselpumpenlaufrades
io so bemessen, daß das, Hauptkreiselpumpenlaufrad 5 im Bereich günstigen
Wirkungsgrades arbeitet, z. B. im Betriebspunkte C des Kurvenblattes Abb.
111, in dem sein Leistungsbedarf mit der dritten Potenz der Drehzahl gewachsen
ist, so daß auch die
Leistungsabgabe der Windturbine im Bereich
des besten Wirkungsgrades verbleibt.
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Das Zusatzkreiselpumpenlaufrad io kann zweckmäßi- für eine höhere
spezifische Drehzahl ausgebildet werden, so daß es im Bereich der höheren Drehzahlen
möglichst mit gutem el Wirkungsgrad arbeitet.
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Gegebenenfalls kann in Fällen sehr starker Schwankungen der Drehzahl
hinter dem Ausgang aus dem Zusatzkreiselpumpenlaufrad io noch ein zweites Flüssigkeitsturbinenlaufrad
angeordnet sein, das zum Antrieb eines dritten Zusatzkreiselpumpenlaufrades dient.
Auf diese Weise kann erreicht werden, daß auch das Pumpenlaufrad io selbst bei sehr
starken Schwankungen der Drehzahlen dauernd im Gebiet günstigsten Wirkungsgrades
arbeitet.
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Um nun darzulegen, was durch die Ausbildung des Pumpwerks gemäß der
Erfin - dun 'g
gewonnen wird, sei nochmals auf die Abb. III verwiesen.
Bei der auf 8oo U/min gesteigerten Drehzahl muß das Hauptkreiselpumpenlaufrad
5, um im Gebiet l;esten Wirkungsgrades zu bleiben, im Betriebspunkt
C arbeiten. In diesem Betriebspunkt drückt dieses Laufrad eine Förderrnenge von
ro2,5 1/Sek. auf eine Förderhöhe von 1:2,8 m. Da die tatsächlich zu überwindende
unveränderliche Förderhöhe nur 5 m beträgt, steht somit ein Leistungsüberschuß
von
für den Antrieb des Zusatzkreiselpumpenlaufrades io vermittels der Flüssigkeitsturbine8
zur Verfügung. Bei Ausnutzung dieses Leistungsüberschusses mit einem angenommenen
Wirkungsgrad von 7o0/, können vom Zusatzkreiselpumpenlaufrad io noch io8 I/Sek.,
von den beiden Laufrädern 5 und io zusammen also 102,5 + 108
= 210,5 I/Sek. auf 5 m Förderhöhe bei einem Leistungsbedarf von
23 PS gehoben werden, während ohne die zusätzlichen Einrichtungen gemäß der
Erfindung von einer Kreiselpumpe im Betriebspunkt B nur 161 1[Sek. bei einem um
6 PS größeren Leistungsbedarf von 29 PS
auf die Förderhöhe von
5 In gefördert werden könnten.
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Gemäß der Erfindung kann man auch gemäß der Abb. II zwischen das Laufrad
5 und das Turbinenlaufrad 8 ein feststehendes Leitrad i i einschalten,
welches durch entsprechende Foringebung seiner Schaufeln dem aus dem Laufrad5 ausströmenden
Fördermittel eine beliebige Richtungsänderung geben kann, wodurch es sich erreichen
läßt, die Drehzahlen der beiden Pumpenlaufräder 5
und i o beliebig gegeneinander
zu verschieben.
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Die Vorteile des Pumpwerks gemäß der Erfindung sind folgende: Die
Wasserförderung kann infolge des als Langsamläufer ausgebildeten Hauptkreiselpumpenlaufrades
bei den geringsten durch die Windturbine ausnutzbaren Windgeschwindigkeiten beginnen.
Dadurch wird der Arbeitsbereich d-es Pumpwerks gerade in dem Gebiet der häufig vorkommenden
kleinen Windgeschwindigkeiten wesentlich verbreitert, ohne daß dieser Vorteil durch
mangelhaften Nutzeffekt bei größeren Windgeschwindigkeiten erkauft wird.
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Die Pun#pe und auch die Windturbine arbeiten bis zu den größten praktisch
ausnutzbaren Windgeschwindigkeiten im Bereich des besten Wirkungsgrades.
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Beim Anfahren sind nur kleine Massen zu beschleunigen, nämlich nur
das Laufrad 5.
'Infolgedessen ist das Anfahrdrehmoment sehr klein. Stoßweise
Beanspruchungen der Windturbine und der Übertragungsteile werden dadurch vermieden.
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Das Zusatzkreiselpurnpenlaufrad io beginnt bei Erreichung einer bestimmten
Drehzahl selbsttätig zu fördern. Unzuverlässige mechanische Kupplungsvorrichtungen
sind vermieden.
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#Die Ausführung des gesamten Pumpwerks ist raumsparend und billig.