-
Kreiselpumpe für nicht homogene Förderstoffe Die Erfindung bezieht
:ich auf eine Kreiselpumpe, insbesondere für nicht homogene Förderstoffe. Sie besteht
darin, daß der entmischenden Wirkung des Zentrihetalfelds innerhalb des Laufrads
Mischvorgänge überlagert werden, deren Stärke zunimmt, sobald die sekundliche Fördermenge
abnimmt.
-
Werden nicht homogene Stoffe, also Mischungen aus flüssigen, festen
und/oder gasförmigen Komponenten durch Kreiselpumpen gefördert, so treten oft Störungen
des Betriebs durch starkes Nachlassen oder gar völliges Aussetzen der Förderung
auf, und schon bei relativ niedrigen Feststoff- und Gasgehalten können sich diese
Betriebsstörungen bis zur Unerträglichkeit häufen. Es soll zunächst der Ursache
dieser Störungen nachgegangen und alsdann soll die Erfindung beschrieben werden.
-
Beschleunigungsfelder in einem Stoffstrom schichten dessen Stoffkomponenten
um. Innerhalb eines Felds positiver Beschleunigungen, wie es in einer Querschnittsverengung
auftritt, ist der Gehalt an spezifisch leichteren Komponenten, insbesondere also
der Gasgehalt, niedriger als vor und nach der Verengung. Umgekehrt findet sich eine
Erhöhung des Gasgehalts in einem Feld negativer Beschleunigungen, wie es in einer
Querschnittserweiterung auftritt und wie es ferner als Zentripetalfeld im rotierenden
Laufrad einer Kreiselpumpe entsteht.
Im Zentripetalfeld des Laufrads
hat aber eine solche I?rli<ihung des Gasgehalts die schädliche Folge, daß der
Förderdruck des Rads abnimmt, wodurch die Betriebsstörung eingeleitet werden kann.
Vermeiden ließe sich dies durch Überlagerung eines zweiten Felds, und zwar eines
solchen starker positiver Beschleunigungen, also durch stark verengte Form der Laufradkanäle,
wobei die Verengung so gew:ililt sein könnte, daß das eine Feld das andere knnipensiert.
-
Zwischen den beiden Feldern besteht jedoch ein wesentlicher Unterschied:
Nimmt aus irgendeinem Grund die sekundliche Fördermenge ab, so nimmt die positive
Beschleunigung in dem durch Verengung erzeugten Feld ebenfalls (sogar stark) ab,
die negative Beschleunigung im Zentripetalfeld dagegen nicht, weil letztere durch
die ja konstant bleibende Drehzahl des Laufrads erzeugt wird.
-
Hieraus folgt aber, daß die `Wirksamkeit einer ,olclien Kompensation
an die Voraussetzung gebunden sein würde, daß die sekundliche Fördermenge wenigstens
annähernd konstant bleibt. Gerade diese Voraussetzung ist aber bei der För(lerung
nicht homogener Stoffe unerfüllbar, da bei ihnen insbesondere der Gehalt an fester
Komponente und li:iutig auch die Zähigkeit der flüssigen Komponente wahrend des
Betriebs ständig Schwankungen unterworfen ist. Damit schwankt aber auch der Förderwiderstand
und somit auch die sekundliche Fördernlengc.
-
Beginnt letztere zu sinken, so würde (las überlagerte Feld positiver
Beschleunigungen bald praktisch wirkungslos werden. Das Zentripetalfeld dagegen
bleibt ungeschwächt. Es besitzt überdies die sch:idliche Eigenschaft, daß in seinem
Bereich der Gasgehalt mit sinkender sekundlicher Fördermenge ansteigt. Würde letztere
schließlich so weit sinken, (iaß die Radialgeschwindigkeit des Förderstoffs der
Steiggeschwindigkeit seiner leichteren Komponenten, insbesondere seiner Gasblasen,
entgegengesetzt gleich wird, so könnten letztere das Rad überhaupt nicht mehr verlassen.
Schon. vorher jedoch ist der Gehalt an leichten Komponenten derart gestiegen und
der Förderdruck des Rads derart gesunken, daß die statische Höhe, auf welche die
Pumpe zu fördern hat, nicht mehr überwunden werden konnte, die Förderung also plötzlich
ausgesetzt hat. Im Innern des Rads entsteht dann ein spezifisch leichter Kern, insbesondere
ein Gaskern, der von einem Ring spezifisch schwerer Komponenten umgeben ist, wobei
die radiale Dicke des Rings sich selbsttätig so einregelt, daß sein Fliehkraftdruck
die statische Widerstandshöhe auswiegt. Dieser Zustand ist also ein stabiler, und
die einmal unterbrochene Förderung bleibt daher dauernd unterbrochen.
-
Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse zeigen, daß das Zentripedalfeld
des Laufrads ein unvermeidbares ist, weisen also auf die Notwendigkeit hin, einen
ganz anderen Weg zu gehen. Als solcher wird der Erfindung gemäß vorgeschlagen, --Mittel
vorzusehen, welche der entmischenden Wirkung des Zentripetalfelds innerhalb des
Laufrads Mischderart überlagern, daß die Stärke dieser Mischvorgänge zunimmt, wenn
die sekundliche Fördermenge abnimmt. Diese Forderung kann z. B. dadurch erfüllt
werden, daß im Laufrad höchstens vier Hauptschaufeln vorgesehen sind, und daß die
axiale Breite derselben am Austritt größer ist als am Eintritt. Hierbei ist die
Wirkung eine besonders gute, wenn die für die Meridiangeschwindigkeiten des Förderstoffs
maßgebenden Querschnitte der Laufradkanäle am Austritt mindestens dreimal so groß
sind wie am Eintritt. Ferner ist die Wirkung eine besonders gute, wenn der Abstand
der Austrittskante der Laufradschaufeln von der Drehachse höchstens 2,7mal so groß
ist wie der Abstand ihrer Eintrittskante von der Drehachse.
-
Die Forderung kann ferner dadurch erfüllt werden, daß zwischen den
Hauptschaufeln des Laufrads am äußeren Umfang desselben Mischschaufeln vorgesehen
sind, deren Vorderseite vorwärts gekrümmt ist. Sie kann auch dadurch erfüllt werden,
daß die Vorderseite der Hauptschaufeln des Laufrads derart geformt ist, daß sie
nach Erreichen eines äußersten Punkts sich der Drehachse wieder nähert. Sie kann
dadurch erfüllt werden, daß die Vorderseite der Hauptschaufeln des Laufrads außen
eine \'orw:irtskrümmung aufweist. Sie kann dadurch erfüllt werden, daß auf der Saugseite
des Laufrads feste Leitschaufeln derart angeordnet sind, daß sie in die die Nabe
umgebende Höhlung des Rads hineinragen und sich den Konturen desselben anpassen.
-
,1n Hand der Fig. t bis 4 sollen Ausführungsbeispiele und gleichzeitig
soll auch die Erfindung noch eingellender beschrieben werden.
-
Fig. i stellt einen @leridianschnitt durch die lreiselptimpe dar.
Das mit Schaufeln i versehene Laufrad 2 fördert den durch das Saugrohr 3 zugeleiteten
Stoff in das Druckgehäuse ,4, von wo der Förderstoff durch ein nicht gezeichnetes
Druckrohr seinem Bestimmungsort zufließt.
-
Hauptsächlich der Impuls des aus dem Laufrad ins Gehäuse 4 übertretenden
Förderstoffs treibt den itn Gehäuse 4 enthaltenen Förderstoff zu einer Bewegung
im Sinn der Laufraddrehung an. Diese Bewegung wird verlangsamt durch Reibung an
der Gehäuse-,vand, durch den Strömungswiderstand des Druckrohranschlusses, bei Spiralgehäusen
außerdem noch durch deren Zunge sowie durch den Querschnittsverlauf längs der Spirale.
Schon bei voller sekundlicher Fördermenge bleibt also die Bewegung des Stoffs im
Gehäuse .f etwas mehr gegenüber der Laufraddrehung zurück, als die Gesetze des Dralls
es fordern.
-
Nimmt jetzt die sekundliche Fördermenge aus irgendeinem Grund ab,
so beginnt der Impuls des aus dem Laufrad tretenden Stoffs schwächer zu werden,
und die Bewegung des Stoffs im Gehäuse 4 verlangsamt sich daher weiter. Hierdurch
vergrößern sich aber die Reibungskräfte, welche der bereits ausgetretene Stoff auf
die in den Laufradkanälen noch ctithaltetien Stoffmengen ausübt. und es entsteht
somit infolge der verschiedenen Geschwindigkeiten die Tendenz zu liischvorgängen
in den Lauf radkanälen.
-
Nicht homogene Förderstoffe besitzen besondere Eigenschaften. Zum
Teil sind sie sehr zähe, zum
| "feil -erhalten sie :ich bei kleineren Schubkräften |
| sogar \\-ic feste @iirlter. Deshalb bedarf es weiterer |
| besonderer Mittel, tim fliese Misclworgänge über- |
| haupt entstehen zu lassen und insbesondere, um zu |
| erhören. dall sie nur auf die ganz außen am Um- |
| f:tiig cles I_aufracls liegenden, den Reibungskräften |
| clii-el<t ausgesetzten Teile der Laufradkanäle be- |
| sclir:iiikt bleiben. |
| I Tierzu wird vorgeschlagen, daß höchstens vier |
| Laufschaufeln t angeordnet werden und daß die |
| axiale Breite der Laufschaufeln am Austritt größer |
| ist als ani I#.intritt. Besonders günstig ist es hierbei, |
| wenn die für die Meridiangeschwindigkeiten des |
| I@<irclerstcitts maligeltenden Querschnitte der Laui- |
| r:t(lkaii:ile ain .Mistritt mindestens dreimal so groß |
| sind wie am Eintritt. Besonders günstig ist es |
| ferner. wenn der .\hstand der Austrittskante der |
| T.auFradscltautelit von der Drehachse höchstens |
| 2.7mal so groß ist wie der Allstand ihrer Eintritts- |
| haa@e wo der 1)reltachsc. |
| 1)tii-cli slic v@>rgt#schlagene Ausbildung wird einer- |
| >cits erzielt, <l;ile die Uinrißform der Kanalräume des |
| Laufrads, in eitlem Schnitt senkrecht zur Drehachse |
| ltetraclitet, ausreichend kompakt und anderseits, daß |
| slic .\tigriffsH:iche, welche die in den Laufradkanälen |
| ciitli:iltciic# Stoffmenge den Reibungskräften bietet, |
| :.usrcic!iend grctG ist, itin trotz der besonderenEigen- |
| schaften nicht licitiiogetier Förderstoffe Mischvor- |
| g:ingc zti erzetigeii. welche. ausreichend tief ins |
| litiierc# (les I.attfrads greifend. sich der entmischen- |
| (lcn \\-ii-kiiiig des Zentripetalfelds überlagern. Diese |
| \Iisclivcn-g:inge. t@clche gleichzeitig mit den sie er- |
| als deren Folge an |
| Starke zunehmen. sobald die sekundliche Förder- |
| niengc alntimmt, tverden also nerade bei abnehmen- |
| besonders stark und greifen gerade |
| dann I>escni<Icrs tief ins Innere des Zentripetalfelds, |
| t\ irken also gerade bei gesunkener sekundlicher |
| I;('ii-dei-iiic#iige besonders stark einem unzulässigen |
| \iit\ acliseii insbesondere des Gasgehalts im Laufrad |
| und damit dein Auftreten der beschriebenen Be- |
| trielisstiiruiigeii etitgegeii. |
| 1# ig. 2 zeigt ü1 einem senkrecht zur Drehachse |
| durch das l.aiift-:tcl gelegten Schnitt ein weiteres |
| .\iisführiiiigsb.#ispiel. I fier sindzwischen derllaupt- |
| sc haufeln des I .atif r:icls <, am :itißereii L,'nifang
des- |
| 7 vorgesehen, deren Vorder- |
| seite 8 vorwärts gekrümmt ist. Bei voller sekund- |
| licher i#ö rderinenge folgt die Strömung im Lauf- |
| iad c#tt\a der kückseite o der Hauptschaufeln 5, und |
| die \liscliscliaufclii 7 sind als solche wirkungslos. |
| Nimmt jedoch (lir sel:tiii(Iliche Fördermenge all, so |
| vcrl:il.9t die Sti-(*iniiiiig die Rückseite 9 und beginnt |
| der \'cirdcrseitc io der llauptschaufeln 5 zu folgen. |
| (@leicltzeitig verlangsamt sich, wie schon bei Fig. i |
| beschrieben. dir @ie@@-egunf des Förderstoffs im |
| 1)ruchgeli:iuse, "Hol die \I ischschatifeln 7 beginnen |
| (iann. finit ihrer \-circlerseite 8 Förderstoff aus dem |
| liruchgcli:iuse aufzugreifen. ihn etwa in Richtung |
| gles punktiert #,ezcicliiieteti Pfeils ins Innere des |
| I.aufracls zu t@erfcn und hierdurch der entmischen- |
| \\-irkung des Zcntripetalfelds Mischvorgänge |
| derart zu ülierlagcrn. clal1 die Stärke dieser Misch- |
vorgänge zunimmt, sobald die sekundliche Fördermenge abnimmt.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Vorderseite der Laufradschaufeln
derart geformt. daß sie nach Erreichen eines äußersten Punkts sich der Drehachse
wieder nähert. Fig. 3 zeigt in einem Laufrad i i eine derartige Schaufel 12, deren
Vorderseite nach Erreichen des äußersten Punkts 13
sich bei 14 der Drehachse
wieder nähert.
-
Sinkt die sekundliche Fördermenge, so verläßt die Strömung die Rückseite
der Schaufel, und Teil 14 erzeugt in dem im Druckgehäuse dann verlangsamt bewegten
Stoff eine Welle, die etwa nach der in Verlängerung von 14 punktiert gezeichneten
Linie verläuft und die den Stoff und die durch ihn erzeugten Reibungskräfte tiefer
in den Laufradkanal eingreifen läßt und daher der Wirkung des Zentripetalfelds Mischvorgänge
überlagert, deren Stärke mit abnehmender Fördermenge zunimmt. Diese Wirkung verstärkt
sich noch, wenn außerdem die an Hand von Fig. 2 beschriebenen :Mischschaufeln 7
angeordnet sind, wie das in Fig. 3 eingezeichnet ist. Wie der weitere Verlauf der
von Teil 14 ausgehenden sowie die übrigen punktierten Linien andeuten, erfaßt dann
die Mischschaufel 7 diese Welle und wirft den in ihr enthaltenen Stoff ins Innere
des Laufrads.
-
Irn Laufrad 15 nach Fig. 4 weist die Vorderseite io der Laufradschaufeln
16 am äußeren Umfang eine Vorwärtskrümmung auf. Bei voller sekundlicher Fördermenge
ist deren Einfluß gering, da die Ströiiiting in der Hauptsache der Rückseite 9 der
Schaufel folgt und daher die Vorwärtskrümmung der Vorderseite kaum berührt. Sinkt
jedoch die sekundliche Fördermenge ab, so beginnt die Ströniung mehr der Vorderseite
io der Schaufel zu folgen, und ihre Vorwärtskrümmung erhöht dann zun:ichst den Förderdruck
des Laufrads, arbeitet also einem weiteren Absinken der Fördermenge entgegen. Sinkt
die Fördermenge trotzdem weiter, so bildet sich an der Vorwärtskrümmung eine Strömung
aus, wie sie durch die punktierten Pfeile angedeutet ist, cla nämlich die Bewegung
des Stoffs im Druckgeh:itise derart langsam, seine Geschwindigkeit relativ zum Laufrad
also derart groß geworden ist, daß der vorwärts gekrümmte Teil der Schaufelvorderseite,
unter Ablenkung der schon stark geschwächten l.aufradströmung, Stoff aus dem Druckgeh:iuse
aufzugreifen und ins Innere des Laufrads zu werfen vermag. Der dadurch entstehende,
mit abnehmender Fördermenge an Stärke zunehmende Mischvorgang kann noch dadurch
verstärkt werden, daß außerdem die schon beschriebenen Mischschaufeln 7 angeordnet
werden.
-
Die :\usfiihrungsbeispiele nach Fig. 2 bis 4 sind nicht an eine bestimmte
Anzahl von Haupt- und von :Mischschaufeln gebunden. Sie können sowohl für sich allein
wie auch mit Vorteil in Verbindung mit (lern an 1 fand von Fig. i beschriebenenAusffihrungsbeispiel
Verwendung finden.
-
I n den vorstehend beschriebenen Ausffihrungs.-heispieleti werden
die Mischvorgänge von der Druckscite des I"ttifrads her der Wirkung des Zentripetalfelds
überlagert.
In einem weiteren, in Fig. i mit eingezeichneten Ausführungsbeispiel geschieht dies
an der Saugseite her. Es sind auf der Saugseite des Laufrads feste Leitschaufeln
17 derart angeordnet, claß sie in die die Nabe umgebende Höhlung des Rads hineinragen
und sich den Konturen desselben anpassen.
-
Bei voller sekundlicher Fördermenge ist der Einfluß dieser Leitschaufeln
gering. Nimmt jedoch die sekundliche Fördermenge ab, so wird durch dieso Leitschaufeln
bewirkt, daß der Winkel, unter welchem sie den Förderstoff in das Rad hineinführen,
nicht mehr mit dem den Laufradschaufeln gegebenen Eintrittswinkel übereinstimmt.
Infolgedessen entstehen Mischvorgänge, die mit der Strömung ins Laufrad hineingetragen
werden und die sich der Wirkung seines Zentripetalfelds überlagern. Die Stärke dieser
Mischvorgänge nimmt zu, sobald die sekundliche Fördermenge abnimmt. Außerdem verhüten
die Leitschaufeln das Entstehen eines nicht unvermeidbaren Zentripetalfelds, indem
sie eine Rückwirkung der Rotation des Laufrads auf die Stoffströmung an der Laufradnabe
und im Saugrohr verhindern.
-
Auch dieses Ausführungsbeispiel ist nicht an eine bestimmte Schaufelzahl
gebunden. Es kann sowohl für sich allein wie auch mit Vorteil in Verbindung mit
anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden.