EP0224764A1 - Axialschub-Ausgleichsvorrichtung für Flüssigkeitspumpe - Google Patents

Axialschub-Ausgleichsvorrichtung für Flüssigkeitspumpe Download PDF

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EP0224764A1
EP0224764A1 EP86115684A EP86115684A EP0224764A1 EP 0224764 A1 EP0224764 A1 EP 0224764A1 EP 86115684 A EP86115684 A EP 86115684A EP 86115684 A EP86115684 A EP 86115684A EP 0224764 A1 EP0224764 A1 EP 0224764A1
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EP
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sleeve
bores
gap
pump
channels
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Sulzer AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/04—Antivibration arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
    • F01D3/04—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid axial thrust being compensated by thrust-balancing dummy piston or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
    • F04D29/041—Axial thrust balancing
    • F04D29/0416—Axial thrust balancing balancing pistons

Definitions

  • the invention relates to an axial thrust compensation device for a liquid pump, which essentially consists of a fixed bushing and a relief piston rotating in this bushing and firmly connected to the pump wheel shaft.
  • Such devices are used in liquid pumps, in particular in multi-stage high-performance radial pumps, and have the purpose and the task of neutralizing or reducing large axial thrust forces.
  • a device consists of a rotating pressure compensation or relief piston which is firmly connected to the pump impeller and which runs in a fixed sleeve without contact.
  • the sleeve can be designed as a separate part that is firmly connected to the housing, but also as a part that is directly machined onto the pump housing.
  • the relief piston itself can be formed as part of the pump rotor shaft or rigidly connected to the rotor shaft as a separate part.
  • the axial thrust compensation device is arranged downstream of the last stage in the direction of the following pump stages.
  • the pressure conditions in the area of the axial thrust compensating device in the liquid are such that, in the operating state, working liquid constantly flows from the impeller side space to and through the gap between the bushing and the relief piston.
  • This liquid is set in rotation in the impeller side space, the intensity of which increases with the flow rate through the gap.
  • the working medium therefore enters the gap with a peripheral component. This rotation of the working fluid can interfere with the maximum performance of the pump by increasing the tendency of the rotor to self-oscillate.
  • the object of the invention is to completely prevent the impeller-side penetration of liquid with pre-rotation into the gap and to supply liquid without pre-rotation to the gap without complex additional devices.
  • the invention as characterized in the claims, solves this problem with the aid of the flowing partial flow from the gap into the impeller side space. Since only pre-rotation-free liquid is fed into the gap via the channels, the rotational movement of the liquid through the gap into the gap space facing away from the pump wheel is reduced, which in turn reduces the tendency of the pump rotor to natural vibrations in the limit load range and thus permits higher pump outputs with the same dimensions of the pump rotor shaft .
  • a device according to the invention has particular advantages for multi-stage, high-speed high-pressure radial pumps such as Boiler feed pumps.
  • the figure shows schematically in section a part of the last two stages of a radial pump with an axial thrust compensation device.
  • the schematic section through the housing and rotor of the last two stages of a radial pump shows the one-part or multi-part, fixed pump housing 1 and the two pump wheels 2, 3, which are rigidly connected to the pump wheel shaft 4.
  • the direction of flow of the liquid in the channels 22, 23 of the pump wheels 2, 3, in the pump wheel adjoining rooms 12, 21, 31 and in the main flow channels 11 is indicated by arrows.
  • the axial thrust compensation device consists of the bush 5, which is fixedly connected to the housing, and the relief piston 6, which is rigidly connected to the rotor shaft 4 and rotates in the bush 5.
  • the sleeve 5 has bores 51, only one of which is shown, which open into an internal groove 52, which in turn opens into the gap 56 between the sleeve 5 and the relief piston 6.
  • the bores in the recess 15 are connected to the wheel side space 31 on the outside of the bush 5.
  • the outer and inner diameter (D2, D1) of the sleeve 5 and the outer diameter (D3) of the relief piston 6 the flow conditions in this area as shown by the arrows.
  • the embodiment of the invention suitable for a particular type of pump can be determined by a pump specialist without any problems.
  • the working fluid flows in a secondary flow from the pump wheel 32 into the wheel side space 31.
  • the working fluid flows in the pump wheel side space 31 radially to the opening of the gap 56 between the bushing 5 and 5 on the pump wheel side Relief piston 6 of the axial thrust compensation device 5, 6.
  • the working fluid experiences in the wheel side space 31 a rotational movement in the direction of rotation of the pump wheel 3, a so-called before rotation. The pre-rotation becomes stronger, the greater the amount of liquid flowing to the gap 56.
  • the inflow of working fluid with pre-rotation to the end of the gap 56 on the pump wheel side is completely eliminated by using the Radial bores 51 and groove 52 pre-rotation-free working fluid is fed to the gap 56 between the two ends of the gap.
  • Part of the liquid flowing through holes 51 and 52 groove (Q2) flows back through the gap 56 in the impeller side space and thus causes a complete locking effect, so that no liquid with pre-rotation can penetrate into the gap 56. Since the aim of the invention is to reduce the rotation of the liquid in the gap 56, it is also conceivable that the bores 51 are not arranged in the radial direction but in the direction opposite to the direction of rotation of the pump, which additionally reduces the rotation of the working fluid in the gap 56 becomes.
  • the groove 52 has the task of uniformly supplying the working fluid to the gap 56 over the circumference of the compensating piston 6 and thus, seen over the circumference, to create pressure conditions which are as balanced as possible. However, it is also conceivable that the groove 52 is completely absent and the bores 51 open directly into the gap 56.
  • the working fluid is supplied to the bores 51 via the recess 15.
  • the recess 15 is missing and the bores 51 are connected directly to the pump wheel side space 31 by lateral bores in the bushing 5 (not shown here) or inclined bores in the housing 1.
  • the rotation of the pump wheel 3 generates a rotating flow of the working fluid in the wheel side space 31 and thus an outward radial pressure gradient.
  • the ratios must now be selected so that, in the operating state, the radial pressure difference in the side space 31 between the outer and inner diameter of the bushing (D2, D1) is greater than the pressure loss in the bores 51 and groove 52 at a flow rate (Q 1) alone, ie that part of the flow (Q) that flows in the gap 56 to the end of the gap 56 facing away from the pump wheel. If this condition is met, a ram flow (Q2) flows from the mouth to the pump-wheel-side gap end into the wheel-side space 31, which at the same time completely prevents the penetration of working fluid with pre-rotation into the gap 56.
  • a high-speed, multi-stage high-pressure radial pump can be achieved, for example, if the ratio of the outer to inner diameter of the sleeve (D2 / D1) is less than or equal to 1.25, and the sum of the cross sections of the radial bores 51 is at least three times larger than the cross section of the Gap 56 is, and if the radial bores 51 are made only a few millimeters apart, near the end face 50.

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Abstract

In der fest mit dem Gehäuse (1) verbundener Büchse (5) sind Kanäle (51, 52) vorhanden, über die dem Spalt (56) zwischen Büchse (5) und Entlastungskolben (6) Arbeitsflüssigkeit zugeführt wird. Der Flüssigkeitsstrom (Q) teilt sich in der Mündung (53) zum Spalt (56) in zwei Stauströme (Q1, Q2) Der Staustrom (Q2) verhindert das Eindringen von Arbeitsflüssigkeit mit Vorrotation am pumpenradseitigen Ende des Spalts (56) vollständig. Damit wird die Neigung des Pumpenrotors zu Eigenschwingungen im Grenzlastbereich vermindert.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialschub-Ausgleichs­vorrichtung für eine Flüssigkeitspumpe, welche im wesent­lichen aus einer feststehenden Büchse und einem in dieser Büchse drehenden, mit der Pumpenradwelle fest verbundenen Entlastungskolben besteht.
  • Derartige Vorrichtungen werden in Flüssigkeitspumpen, ins­besondere in mehrstufigen Hochleistungs-Radialpumpen einge­setzt und haben den Zweck und die Aufgabe, grosse axiale Schubkräfte zu neutralisieren oder zu mindern. Eine derartige Vorrichtung besteht aus einem mit dem Pumpenlaufrad fest ver­bundenen, mitdrehenden Druckausgleichs- oder Entlastungskolben, der in einer feststehenden Büchse berührungsfrei läuft. Die Büch­se kann als eigener, fest mit dem Gehäuse verbundener Teil aber auch als direkt dem Pumpengehäuse angearbeiteter Teil, ausgebildet sein. Der Entlastungskolben selbst kann
    als Teil der Pumpenrotorwelle ausgebildet oder als separater Teil mit der Rotorwelle starr verbunden sein. Die Axialschub-Ausgleichsvorrichtung ist in Richtung der sich folgenden Pumpenstufen der letzten Stufe nachge­ordnet.
  • Die Druckverhältnisse im Bereich der Axialschub-Ausgleichs­vorrichtung sind in der Flüssigkeit derart, dass im Be­triebszustand ständig Arbeitsflüssigkeit vom Pumpenrad-­Seitenraum zum und durch den Spalt zwischen Büchse und Entlastungskolben fliesst. Diese Flüssigkeit wird im Pumpenrad-Seitenraum in Rotation versetzt, deren Intensi­tät mit der Durchflussmenge durch den Spalt steigt. Das Arbeitsmedium tritt demnach mit einer Umfangskomponente in den Spalt ein. Diese Rotation des Arbeitsmittels kann die maximale Leistung der Pumpe störend beeinflussen, in­dem die Neigung des Rotors zu Eigenschwingungen zunimmt.
  • Bisher bekannte Lösungen versuchen die Rotationsbewegung des Arbeitsmittels im Pumpenrad-Seitenraum durch Schikanen wie Rippen, Nuten und ähnliches zu vermindern. Die pum­penradseitig in den Spalt eindringende Flüssigkeit hat aber immer eine, wenn auch verminderte Rotationskomponen­te, eine sogenannte Vorrotation.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das pumpenradseitige Ein­dringen von Flüssigkeit mit Vorrotation in den Spalt voll­ständig zu unterbinden und dem Spalt vorrotationsfreie Flüssigkeit ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen zuzufüh­ren. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeich­net ist, löst diese Aufgabe mit Hilfe des fliessenden Teilstromes aus dem Spalt in den Pumpenrad-Seitenraum. Da dem Spalt über die Kanäle nur noch vorrotationsfreie Flüssigkeit zugeführt wird, ist die Rotationsbewegung der Flüssigkeit durch den Spalt in den vom Pumpenrad abgewen­dete Spaltraum herabgesetzt, was wiederum die Neigung des Pumpenrotors zu Eigenschwingungen im Grenzlastbereich verringert und damit bei gleichen Dimensionen der Pumpen­rotorwelle höhere Pumpenleistungen zulässt.
  • Besondere Vorteile bringt eine Vorrichtung nach der Er­findung für mehrstufige, schnellaufende Hochdruck-Radial­pumpen wie z.B. Kesselspeisepumpen.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die Figur zeigt schematisch im Schnitt einen Teil der letzten zwei Stufen einer Radialpumpe mit einer Axial­schub-Ausgleichsvorrichtung.
  • Der schematische Schnitt durch Gehäuse und Rotor der letzten zwei Stufen einer Radialpumpe zeigt das ein- oder mehrteilige, feststehende Pumpengehäuse 1 sowie die beiden Pumpenräder 2, 3, welches starr mit der Pumpenradwelle 4 verbunden sind. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit in den Kanälen 22, 23 der Pumpenräder 2, 3, in den Pumpen­rad-Nebenräumen 12, 21, 31 sowie in den Hauptstromkanälen 11 ist mit Pfeilen angezeigt. Die Axialschub-Ausgleichs­vorrichtung besteht aus der fest mit dem Gehäuse verbun­denen Büchse 5 und dem mit der Rotorwelle 4 starr ver­bundenen Entlastungskolben 6, der in der Büchse 5 dreht.
  • Die Büchse 5 weist Bohrungen 51 auf, von denen nur eine gezeigt ist, welche in eine Innennute 52 münden, die ihrerseits in den Spalt 56 zwischen Büchse 5 und Ent­lastungskolben 6 mündet. Auf der Aussenseite der Büchse 5 sind die Bohrungen in unserem Beispiel in der Ausnehmung 15 mit dem Radseitenraum 31 verbunden. Bei entsprechender Dimensionierung und Anordnung der Bohrungen 51 und Nute 52, der Aussen- und Innendurchmesser (D₂, D₁) der Büchse 5 so­wie des Aussendurchmessers (D₃) des Entlastungskolbens 6 sind die Strömungsverhältnisse in diesem Bereich wie mit den Pfeilen eingezeichnet. Die für einen bestimmten Pumpen­typ geeignete Ausführung der Erfindung kann von einem Pum­penfachmann problemlos bestimmt werden.
  • Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Anordnung der Kanäle 51 und 52 in der Büchse 5 ist die folgende:
  • Im Betrieb fliesst die Arbeitsflüssigkeit in einem Neben­strom vom Pumpenrad 32 in den Radseitenraum 31. Beim Fehlen der in unserem Beispiel gezeigten Ausnehmung 15, Kanäle 51 und Nute 52 fliesst die Arbeitsflüssigkeit im Pumpenrad-­Seitenraum 31 radial zur pumpenradseitigen Oeffnung des Spalts 56 zwischen Büchse 5 und Entlastungskolben 6 der Axialschub-Ausgleichsvorrichtung 5, 6. Die Arbeitsflüssig­keit erfährt dabei im Radseitenraum 31 eine Rotationsbe­wegung in Drehrichtung des Pumpenrads 3, eine sogenannte Vor rotation. Die Vorrotation wird um so kräftiger, je grösser die Flüssigkeitsmenge, die zum Spalt 56 fliesst, ist.
  • Im gezeigten Beispiel wird nun das Zufliessen von Arbeits­flüssigkeit mit Vorrotation zum pumpenradseitigen Ende des Spaltes 56 dadurch vollständig eliminiert, dass über die
    Radialbohrungen 51 und Nute 52 vor­rotationsfreie Arbeitsflüssigkeit dem Spalt 56 zwischen den beiden Spaltenden zugeführt wird. Ein Teil der durch Bohrungen 51 und Nute 52 strömenden Flüssigkeit (Q₂) fliesst über den Spalt 56 in den Pumpenrad-Seitenraum zu­rück und bewirkt damit eine vollständige Sperrwirkung, so dass keine Flüssigkeit mit Vorrotation in den Spalt 56 eindringen kann. Da es Ziel der Erfindung ist, die Rotation der Flüssigkeit im Spalt 56 zu reduzieren, ist es auch denkbar, dass die Bohrungen 51 nicht Radialbohrungen, son­dern gegen die Drehrichtung der Pumpe gerichtet angeordnet sind, womit zusätzlich die im Spalt 56 erfolgende Rotation der Arbeitsflüssigkeit vermindert wird.
  • Die Nute 52 hat die Aufgabe, die Arbeitsflüssigkeit über den Umfang des Ausgleichskolbens 6 dem Spalt 56 gleich­mässig zuzuführen und damit über den Umfang gesehen, mög­lichst ausgeglichene Druckverhältnisse zu schaffen. Es ist aber auch denkbar, dass die Nute 52 vollständig fehlt und die Bohrungen 51 direkt in den Spalt 56 münden.
  • Im Beispiel wird die Arbeitsflüssigkeit den Bohrungen 51 über die Ausnehmung 15 zugeführt. Es ist aber auch denkbar, dass die Ausnehmung 15 fehlt und die Bohrungen 51 direkt durch hier nicht gezeichnete seitliche Bohrung in der Büch­se 5 oder Schrägbohrungen im Gehäuse 1 mit dem Pumpenrad-­Seitenraum 31 verbunden sind.
  • Die Strömung über Ausnehmung 15, Bohrungen 51 und Nute 52 zum Spalt 56 und teilweise wieder zurück zum pumpenradsei­tigen Spaltende in den Pumpenrad-Nebenraum 31 kommt wie folgt zustande:
  • Die Rotation des Pumpenrades 3 erzeugt im Radseitenraum 31 eine Rotationsströmung der Arbeitsflüssigkeit und damit einen nach aussen gerichteten radialen Druckgradienten. Die Verhältnisse müssen nun so gewählt werden, dass im Be­triebszustand der radiale Druckunterschied im Seitenraum 31 zwischen Büchsenaussen- und Innendurchmesser (D₂, D₁) grösser ist, als der Druckverlust in den Bohrungen 51 und Nute 52 bei einer Durchflussmenge (Q₁) allein, d.h. jenem Teil der Strömung (Q), der im Spalt 56 zum dem Pumpenrad abgekehrten Ende des Spalts 56 fliesst. Wenn diese Be­dingung erfüllt ist, fliesst von der Mündung zum pumpen­radseitigen Spaltende in den Radseitenraum 31 ein Staustrom (Q₂), der gleichzeitig das Eindringen von Arbeitsflüssig­keit mit Vorrotation in den Spalt 56 vollständig verhin­dert.
  • Günstige Verhältnisse in einer schnellaufenden, mehrstufi­gen Hochdruckradialpumpe erreicht man beispielsweise, wenn das Verhältnis von Aussen- zu Innendurchmesser der Büchse (D₂/D₁) kleiner oder gleich 1,25 ist, und die Summe der Querschnitte der Radialbohrungen 51 mindestens dreimal grösser als der Querschnitt des Spaltes 56 ist, und wenn die Radialbohrungen 51 im Abstand von nur einigen Milli­metern, nahe der Stirnfläche 50 angebracht sind.

Claims (10)

1. Axialschub-Ausgleichsvorrichtung für eine Flüssigkeits­pumpe, welche im wesentlichen aus einer feststehenden Büchse und einem in dieser Büchse drehenden, mit der Pumpenradwelle fest verbundenen Entlastungskolben be­steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Büchse (5) Kanäle (51, 52) zur Führung einer in Rich­tung Entlastungskolben (6) gerichteten Strömung (Q) von Arbeitsflüssigkeit aus dem an die Axialschub-Ausgleichs­vorrichtung grenzenden Radseitenraum (31) aufweist, welche sich in der Mündung (53) der Kanäle in den Spalt (56) zwischen Büchse (5) und Entlastungskolben (6) in zu den beiden Spaltenden gerichtete Strömungen (Q₁, Q₂) teilt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle in der Büchse Bohrungen (51) im Büchsen­mantel sind, welche gleichmässig über den Umfang der Büchse (5) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (51) in der Büchse gleichmässig ange­ordnete Bohrungen im Büchsenmantel (5) und eine Nute (52) sind, wobei die Bohrungen (51) in die Nute (52) münden, die ihrerseits in den Spaltraum (56) mün­det.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­net, dass die Bohrungen (51) im Mantel der Büchse (5) Radialbohrungen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­zeichnet, dass die Bohrungen (51) in einem Winkel gegen den Drehsinn der Pumpenradwelle (4) gerichtet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrie­achsen der Bohrungen (51) in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Achse der Pumpenradwelle (4) steht und die Nute einer Umfangsnute (52) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­net, dass der Quotient von äusserem und innerem Durchmesser der Büchse (D₁/D₂) grösser oder gleich 1,25 und das Verhältnis der Summe der Bohrungsquerschnitte zum Spalt­querschnitt grösser oder gleich 3 ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­net, dass die Büchse (5) 24 gleichmässig über den Büchsen­umfang im Radialwinkelabstand von 15° angeordnete Ra­dialbohrungen (51) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­kennzeichnet, dass die Kanäle (51, 52) in der Nähe der pumpenradseitigen Stirnfläche (50) der Büchse (5) an­geordnet sind.
10. Verwendung einer Axialschub-Ausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer mehrstufigen, schnellaufenden Flüssigkeits-Hochdruckradialpumpe.
EP86115684A 1985-11-27 1986-11-12 Axialschub-Ausgleichsvorrichtung für Flüssigkeitspumpe Expired EP0224764B1 (de)

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CH5066/85 1985-11-27

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EP0224764A1 true EP0224764A1 (de) 1987-06-10
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EP86115684A Expired EP0224764B1 (de) 1985-11-27 1986-11-12 Axialschub-Ausgleichsvorrichtung für Flüssigkeitspumpe

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