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Mehrstufige Hochdruckkreiselpumpe Die Erfindung betrifft eine mehrstufige
Hochdruckkreiselpumpe, insbesondere zur Förderung heißer Flüssigkeiten, bei der
Maßdifferenzen der verschiedenen Pumpenteile gegenüber den Sollmaßen und ungleiche
Dehnung verschiedener Teile der Pumpe infolge von Temperaturdifferenzen durch nachgiebige,
vorteilhaft federnde Ausführung von Einzelteilen des Pumpenkörpers oder des Läufers
ausgeglichen werden.
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Es ist Zweck der Erfindung, die bei Hochdruckkreiselpumpen in besonderem
Maße bei der Förderung heißer Medien durch Verkrümmung der Gehäuse und der Läufer
auftretenden Schäden zu bekämpfen. Als Ursache dieser Verkrümmungen sind Durchbiegung
der Welle unter dem Eigengewicht des Läufers und Bearbeitungsungenauigkeiten zu
nennen. Eine weitere, häufig auftretende Ursache für derartige Verkrümmungen ist
darin zu suchen, daß unter dem Einfluß ungleichmäßiger Temperaturschichtung im Innern
der Pumpe im Stillstand durch eine größere Dehnung ihrer oberen Teile gegenüber
den unteren Bereichen die parallele Lage der Gehäusedeckel beeinträchtigt wird,
was zur Absenkung der an den Deckeln befestigten Lagerstühle führt. Unter dem gleichen
Einfluß kann auch der Läufer sich durchbiegen.
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Es sind Pumpenkonstruktionen bekanntgeworden, die, als Gehäusepumpen
ausgebildet, Tellerfedern zwischen den das innere Gehäuse bildenden Überstromorganen
bzw. Leitapparaten und den das äußere Gehäuse abschließenden Deckeln enthalten oder
bei denen in die Befestigungsvorrichtung der Deckel am Gehäuse elastische Körper
eingebaut sind. Auch die Einschaltung einer radialen und
axialen
Federungsmöglichkeit des inneren gegenüber dem äußeren Gehäuse ist bei Doppelgehäusepumpen
bekannt. Bei Dampfturbinen hat man neben der Anwendung von nachgiebigen Ringen zwischen
den Teilen des inneren und äußeren Gehäuses auch in das äußere Gehäuse Zwischengehäuse
eingebaut, deren einzelne scheibenförmige Körper mit verhältnismäßig dünnen, nachgiebigen
radialen Rippen versehen sind. Auch aus dem Kreiselpumpenbau ist es bekannt, bei
Doppelgehäusemaschinen die einzelnen, das innere Gehäuse bildenden Leitkränze mit
radialen Einschnitten zu versehen, wodurch diese Teile in axialer Richtung nachgiebig
werden. Ferner ist es bekannt, das äußere Gehäuse mit Einbuchtungen zu versehen.
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Durch diese bei Doppelgehäuse-Kreiselmaschinen angewandten Maßnahmen
ist es zwar möglich, durch das Wachsen der innenliegenden Teile entstehende Schäden
am äußeren Gehäuse zu vermeiden, jedoch können hierdurch die durch Temperaturdifferenzen
bedingten Krümmungen am eigentlichen Pumpen- oder Turbinengehäuse, die zur Lagerstuhlabsenkung
und den damit verbundenen Folgeschäden führen, nicht in vollkommener Weise verhindert
werden. Im Dampfturhinenbau hat man daher diese Nachteile durch andere Maßnahmen,
wie z. B. besonderen Abstand der Gehäusestützen im Verhältnis zur Gehäuselänge,
zu überwinden gesucht.
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Bei Eingehäusepumpen, deren einzelne Glieder durch axiale Ankerschrauben
zusammengehalten und verspannt sind, wurden bisher wirksame Mittel zur Verhinderung
der Gehäusekrümmungen nicht angewandt. Die Anwendung formveränderungsfähiger Vorsprünge
an den sich an den einzelnen Gliedern abstützenden inneren Leiträdern, wie sie vorgeschlagen
wurde, löst das Problem nicht, da die von den Ankerschrauben eingeleiteten Kräfte
von Glied zu Glied direkt übertragen werden, so daß durch diese Konstruktion nur
den Leiträdern für sich selbst genügend Spielraum gegeben wird, ohne daß sie lose
werden. Der weiterhin gemachte Vorschlag, mindestens einen der Längsanker durch
besondere Mittel auf annähernd der gleichen Temperatur zu halten wie das Gehäuse,
bedingt eine erhebliche Komplizierung und führt auch nicht mit Sicherheit zum Ziel.
Man hat daher bisher im allgemeinen Hochdruckpumpen für heiße Flüssigkeiten, insbesondere
für Kesselspeisewasser, vor der Inbetriebnahme während einer längeren Periode vorgewärmt,
um die während des Stillstandes eingetretene ungleichmäßige Temperaturschichtung
im Innern und die dadurch hervorgerufene Verkrümmung zu beseitigen.
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Durch die Erfindung wurde nun eine Hochdruckpumpe für heiße Flüssigkeiten
geschaffen, die unmittelbar in Betrieb gesetzt werden kann, ohne daß die gefürchteten
Schäden auftreten. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Mängel behoben
werden können, wenn man dafür sorgt, daß die am Pumpenkörper durch Temperaturdifferenzen
oder Bearbeitungs- bzw. Montagemängel lokal auftretenden, deformierenden Kräfte
in der Nähe ihres Ausgangspunktes abgefangen oder ausgeglichen werden und die parallele
Lage von saug- und druckseitigem Deckel durch Kompensation der auftretenden Längendifferenzen
innerhalb der von den Ankerschrauben zusammengehaltenen Pumpenkörperteile bewirkt
wird. Erfindungsgemäß wird daher die Pumpe in an sich bekannter Weise als Gliederpumpe
ausgebildet, deren ringförmige Gehäuseglieder -zwischen dem saugseitigen und druckseitigen
Deckel durch Ankerschrauben verspannt sind, wobei die Mantelteile der Gehäuseglieder
nachgiebig, vorteilhaft federnd gestaltet werden. Hierdurch wird in sicherer Weise
erreicht, daß die deformierenden Kräfte nicht oder nur in beschränktem Umfang auf
die Welle übertragen werden, da sie sich im wesentlichen im Gehäuse selbst ausgleichen.
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Die federnde Nachgiebigkeit der Mantelteile der Gehäuseglieder und
gegebenenfalls auch der Entlastungsscheibe läßt sich durch an sich bekannte radiale
Materialaussparungen, wie Eindrehungen, Ausfräsungen od. dgl., erreichen. Auch an
sich bekannte Scheibenfedern zwischen den Gehäusegliedern können dem Zweck dienen.
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Da es erforderlich ist, die Radialspiele zwischen Pumpenkörper und
dem Läufer sowohl beim In-und Außerbetriebsetzen als auch während des Betriebes
aufrechtzuerhalten, muß auch bei den Bauelementen des Pumpenläufers dafür gesorgt
werden, daß sie sich nicht verziehen und daß die Dichtheit gegeneinander und gegenüber
der Welle aufrechterhalten bleibt.
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Es ist bereits bekannt, sämtliche Laufräder einer Pumpe zugleich durch
ein einziges Federglied gegenüber der Welle abzufangen, jedoch müssen hierbei infolge
des hohen Axialschubes mehrstufiger Pumpen so kräftige, erheblichen Raum beanspruchende
Federn angewandt werden, daß die ausgleichende Wirkung beeinträchtigt wird. Auch
ist es bekannt, die Laufräder von mehrstufigen Doppelgehäusepumpen durch Abstützringe
einzeln gegenüber der Welle starr abzustützen. Auch solche starren Einzelradabstützungen,
die zugleich abdichtend wirken, sind bei Kreiselmaschinen bekannt. Aus dem Dampfturbinenbau
kennt man auch die nachgiebige und elastische Gestaltung und Abstützung von Laufradnaben,
wie in sich oder mittels Formvorsprüngen nachgiebige Naben. Zwischenschaltung nachgiebiger
Buchsen, elastischer Federscheiben und Ringe sowie sowohl axial als auch radial
federnder Abstützringe.
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Wie schon erwähnt, kann es, um den erwünschten Erfolg zu erzielen,
notwendig sein, bei einer Hochdruckpumpe mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten
Gehäuse auch an den Läuferteilen Maßnahmen zu treffen, die Deformationen verhindern
und gleichzeitig die Dichtheit gewährleisten. In weiterer Ausbildung der Erfindung
werden daher bei einer Hochdruckpumpe mit in der beschriebenen Weise ausgebildetem
Gehäuse die Läufereinzelteile, wie Gewindebüchsen, Laufräder und Entlastungsscheibe,
in an sich bekannter Weise gegeneinander
oder einzeln gegen die
Welle in axialer Richtung unelastisch oder elastisch nachgiebig und zugleich dichtend
abgestützt. Die Entlastungsscheibe kann auch in sich selbst nachgiebig, vorteilhaft
federnd, gestaltet sein.
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Die Ausbildung des Läufers kann derart erfolgen, daß die einzelnen
Glieder desselben, wie (kwindebüchse auf der Saugseite, Laufräder, Entlastungsscheibe,
Gewindebüchse auf der Druckseite, einzeln oder in Gruppen durch in an sich bekannter
Weise besonders in axialer Richtung nachgiebige oder durch unelastisch nachgiebige
Ausgleichsringe oder -büchsen miteinander verbunden sind. Die Stirnflächen der Ausgleichsringe
oder -büchsen und die benachbarten Druckflächen können kegel- oder kugelförmig ausgebildet
werden. Ferner ist es möglich, die Laufräder durch Ausgleichsringe oder -büchsen
in an sich bekannten Ausdrehungen axial auf der Welle festzuhalten. Die Laufräder
können hierbei einzeln oder in Gruppen voneinander getrennt durch Ausgleichsringe
auf der Welle axial festgehalten werden. Ferner kann den Ausgleichsringen oder -büchsen
an den Berührungsflächen der einzelnen Glieder des Laufzeuges ein axialer und radialer
Spielraum gelassen sein. Zwischen Welle und Laufrädern, insbesondere deren Naben,
können Metalldichtungen angeordnet sein.
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In den Schnittzeichnungen der Fig. i bis 4 ist die Erfindung als Beispiel
erläutert.
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In Fig. i stellt i die Welle einer mehrstufigen l@ochdruckkreiselpumpe
als Eingehäuse-Gliederpumpe dar, 2, 3 und 4 drei benachbarte Laufräder, 5 ein Endlaufrad
an dem dem Laufrad 2 entgegengesetzten Ende des Pumpenkörpers. Die zugehörigen Leitapparate
sind durch die Ziffern 6, 7, 8 und 9 bezeichnet, io, i i und 12 stellen die Mantelteile
der Gehäusezwischenstücke dar.
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Das Wasser tritt in den Saugraum 13 des saugseitigen Druckdeckels
16 ein, durchströmt der Reihe nach das Laufrad 2, den Leitapparat 6, das Laufrad
3 usw. und verläßt die Pumpe durch den Enddruckringkanal i4 des Druckdeckels 15.
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Fig. 2 stellt einen Ausschnitt aus der oberen Hälfte der Pumpe gemäß
Fig. i vor, in dem das dem Druckdeckel 15 benachbarte Endglied unter Fortlassen
verschiedener Glieder an die diesen gleichartigen Anfangsglieder der Pumpe herangerückt
ist.
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Infolge der sich beim Einlassen des heißen Wassers in die stehende
Pumpe und ebenso bei deren Abkühlen einstellenden Temperaturdifferenz tritt in dem
oberen Teil des Pumpenkörpers eine seiner höheren Temperatur entsprechende größere
Längenausdehnung auf als in dem unteren Teil. Die Gehäusezwischenstücke io, ii und
i2 haben daher das Bestreben, Saugdeckel 16 und Druckdeckel 15 im oberen Bereich
des Pumpenkörpers nach außen auseinanderzuschieben, während in den kühleren unteren
Zonen das gleiche Bestreben geringer ist.
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Da an Saug- und Druckdeckel die Lagerstühle für die Lager der Welle
direkt angeflanscht sind, tritt eine Absenkung der Lagerstühle ein. Um nun diese
zu einer Lagerstuhlabsenkung führende unterschiedliche Längenausdehnung möglichst
zu vermeiden, sind die Gehäusezwischenstücke io, 11, 12 usw. z. B. von ihrem Umfang
aus mit radialen, kerbenartigen Materialaussparungen, wie Einschnitten, Eindrehungen
oder Ausfräsungen 17, 18, 19, 20, 21, 22, versehen. Diese lassen in Zusammenwirken
mit den Scheibenfedern 23, 24, 25 den stehengebliebenen Teilen 26 bis 31 die Möglichkeit,
in der Richtung der eingezeichneten Pfeile nach innen nachzugeben und auszuweichen.
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Um Bearbeitungsmängel und ungleiche Dehnung am Läufer (Gewindebüchse
32 auf der Saugseite, Laufräder 2, 3, 4, 5, Entlastungsscheibe 33, Gewindebüchse
34 auf der Druckseite) auszugleichen, sind zwischen dessen einzelnen Gliedern oder
Gruppen von Gliedern Zwischenkörper, wie Ausgleichsringe oder -büchsen, vorgesehen,
die axial Maßtoleranzen in radiale umwandeln bzw. federnd ausgleichen.
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im Bereich der Entlastungspartie stellt 35 einen solchen Ausgleichs-
und Abdichtungsring vor, während auf der Saugseite ein entsprechender Ring 36 zwischen
der Gewindebüchse 32 und der Büchse 37 vorgesehen ist. Die Ausgleichsringe und die
ihnen benachbarten Druckflächen haben eine solche Gestalt, daß den ersteren ein
radiales Gleiten zwischen den letzteren ermöglicht ist. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht sein, daß die Ausgleichsringe oder -büchsen und die ihnen benachbarten
Druckflächen wenigstens an einer gemeinsamen Berührungsfläche kegel- oder kugelförmig
ausgebildet sind.
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Liegt die Stirnfläche z. B. der Büchse 38 nicht vollkommen winkelrecht
zur Wellenachse, so wird der Ausgleichsring 35 zunächst einseitig gepreßt. Er weicht
dann mit seiner balligen Fläche entlang der schrägen Fläche 39 so lange radial nach
außen aus, bis er allseitig gleich stark gepreßt wird. Damit wird also ein Axialfehler
unter dem Einfluß des Axialschubes in einen radialen Ausschlag umgewandelt. Die
Gefahr der Wellenverformung ist damit ausgeschaltet.
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Die Entlastungsscheibe 33 selbst ist federnd ausgeführt, wie dies
oben für die Gehäusezwischenstücke io, 11, 12 beschrieben wurde. 4o stellt eine
Eindrehung der geschilderten Art vor. Die stehengebliebenen Teile 41 und 42 können
sich also in der Richtung der eingezeichneten Pfeile federnd bewegen.
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Die Ausgleichsringe 43, 35 und 44 haben nicht nur die Aufgabe, Axialkräfte
der Entlastungsscheibe 33 zu übertragen, sondern müssen gleichzeitig eine Abdichtung
zwischen der Welle i einerseits und Büchse 38, der Entlastungsscheibe 33 und der
Gewindebüchse 34 andererseits gegen die Förderflüssigkeit bewirken, um Auswaschungen
zwischen diesen Teilen und der Welle und dadurch entstehende Beschädigungen zu vermeiden.
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Die erforderliche Abdichtung wird zunächst durch Anziehen der Gewindebüchse
34 erzielt, wobei eine große spezifische Flächenpressung der
Dichtungsflächen
eintreten muß. Liegt die spezifische Flächenpressung im Bereich der Streckgrenze,
so kommt es zum Fließen des Materials und dadurch zum Abbau des erforderlichen Dichtungsdruckes.
Bei auftretender Temperaturdifferenz zwischen Welle und Entlastungsteilen erfolgt
unter dieser zusätzlichen Beanspruchung ein verstärktes Kriechen des Materials und
damit ein rasches Absinken der Dichtungskräfte. Die federnde Entlastungsscheibe
sichert dann trotz plastischer, d. h. unelastischer Verformung der Dichtungsflächen
den notwendigen Dichtungsdruck.
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Eine übliche Verbindung zwischen zwei Laufrädern mittels zwischengeklemmter
Büchsen ist in Fig. 3 dargestellt. Angenommen, die Stirnfläche zwischen Laufradnabe
45 und Büchse 46 sei, wie durch die gestrichelte Ausführung -übertrieben -angedeutet,
nicht vollkommen parallel, so wird unter der Einswirkung des Axialschubes sich die
Stirnfläche der Nabe gegen die Stirnfläche der Büchse am ganzen Umfang anzulegen
bestrebt sein. Dies ist möglich, wenn die Welle diesem Bestreben nachgibt und sich
verformt, wie dies - ebenfalls übertrieben - durch die strichpunktierte Linie angedeutet
ist.
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Zwischen der Stirnfläche von Laufradnabe 45 und der Stirnfläche der
Büchse 46 ist nun (Fig. 2) in der Welle i unter dem Dichtungsring 48 eine Ringnut
vorgesehen, in der das Laufrad 4 wiederum durch einen Zwischenkörper, z. B. einen
Ausgleichs- und Dichtungsring 48, axial festgehalten wird, wobei ein Ringspalt 47
übrigbleibt, der eine axiale Ausgleichsbewegung des Ringes 48 ermöglicht. Durch
gleichzeitige Kürzung der Distanzbüchse 46 entsteht ein weiterer Spalt 49, der eine
Berührung zwischen Nabe und Büchse verhindert, so daß auch keine Summierung der
Axialkräfte mehr auftreten kann. Daneben erfüllt der Ausgleichs-, Halte- und Dichtungsring
auch hier den Zweck, axiale Längentoleranzen in radiale umzuwandeln.
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Fig.4 zeigt die axiale Festlegung einer Laufradnabe auf der Welle
mittels eines Halte-, Ausgleichs- und Dichtungsringes 48 und das Spiel zwischen
Laufradnabe 45 und Distanzbüchse 46 nochmals in etwas vergrößertem Maßstab.
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Ein solcher Ausgleichs- oder Schulterring kann zwischen den verschiedenen
einzelnen oder zu mehreren zusammengefaßten Gliedern des Laufzeuges in gleicher
Weise angebracht oder auch durch andere, im Prinzip ähnliche oder federnde Zwischenstücke
ersetzt sein, wie dies für den Zweck des Ausgleichs von Maßtoleranzen in Fig. 2
durch die Zwischenkörper 50, 5i, 52 angedeutet ist.