EP0355781A2 - Submersible motor pump - Google Patents
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- F04D29/5893—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for liquid pumps heat insulation or conduction
Definitions
- the invention relates to a submersible pump unit according to the preamble of claim 1.
- Submersible pump units are machine sets that are temporarily or permanently in a liquid to be pumped. When installed in wells and when pumping water, they are also called submersible pumps. The use of the present invention is particularly advantageous in the latter field.
- Submersible motor pumps in the power range of up to 10 kW are now mass products that are used, for example, in the water supply sector. Basically, the manufacturers of such pumps strive to reduce the manufacturing costs of the units. The following two options are available:
- the second option is to build pump units with an integrated frequency converter, which are then operated at a higher speed in order to increase their hydraulic performance.
- a pump unit is known for example from DE-OS 36 42 727.
- the unit has the same problems, namely with regard to its cooling.
- it is difficult to dissipate the heat loss generated in the motor of the unit.
- these difficulties result from the heat insulation of the plastic encapsulation.
- they are a direct consequence of a reduction in the heat-emitting surface and an additional load due to current heat losses from the frequency converter integrated in the motor of the unit.
- the invention is based on the object of developing a generic submersible pump unit in such a way that sufficient heat removal from the heat loss sources of the unit is always ensured.
- a heat pipe can be seen as a superconductor that transports heat from the hot wall of an enclosed space to colder wall surfaces through material movement and phase change.
- the shaft of the unit is designed as a rotating heat pipe, in which different conditions occur than in the case of a stationary heat pipe. To these relationships discussed in more detail below.
- the heat dissipation of the heat loss from the motor and / or frequency converter through the rotating heat pipe is sufficiently large.
- the proposed solution is particularly advantageous if water is used as the fluid in the hollow shaft for heat transport due to the large heat of vaporization, which corresponds to the heat of condensation.
- the hollow shaft With an absorbent inner lining in order to guide the fluid from the heat sink to the heat source with great certainty.
- the submersible pump unit according to Figure 1 consists of a wet rotor motor 2, the pump part 3 and the frequency converter 1. These three components are combined in the illustrated embodiment by a common jacket 4 to form a structural unit.
- a canned pot 5 is connected to the inner circumference of the casing 4 in a liquid-tight and pressure-tight manner, so that the stator 6 of the motor 2 and the frequency converter 1 are in a dry space 6a.
- this space 6a can be filled with a mineral-plastic mixture or filled with a plastic.
- the common shaft 7 for the motor and the pump carries the rotor 8 located in the canned pot 5 and is fixed radially and axially in the bearings 9, 10.
- the rotor space 13, which is filled with liquid, is closed off from the pump body 3 by a bearing plate 11 with the seal 12.
- the pump sucks the liquid to be pumped through the slots 14 in the jacket 4.
- the liquid flows through the pump stages 15 one after the other and is pressed through the pressure connection 16 to the consumer.
- the shaft 7 is designed as a hollow shaft which can be closed by a closure 18 and which is partly filled with a fluid 17, as is indicated in FIG. 1.
- the closure 18 Before the pump unit is started up, the closure 18 must be removed and the fluid 17 filled into the hollow shaft 7. After that is the one remaining in the hollow shaft To largely remove air and to close the cavity in the shaft by the closure 18 liquid and airtight.
- the shaft prepared in this way, together with the fluid 17, forms a heat pipe system in its cavity for the removal of heat loss from the rotor space 13 of the motor 2.
- the major part of the heat loss generated in the motor 2 and in the frequency converter 1 will flow into the rotor space 13 and the temperature of the fluid 17 located in the hollow shaft 7 will increase in the area of the shaft section 7a.
- part of the fluid evaporates and reaches the shaft section 7b in the region of the pump body 3. Because of the position of the shaft section 7b in the pump body 3, this shaft section 7b can emit the heat to the pumped medium.
- the shaft section 7a located in the rotor chamber 13 thus forms the heat source and shaft section 7b the heat sink of the heat pipe.
- the choice of the fluid 17 in the hollow shaft 7 depends on the absolute temperatures. As far as the temperatures allow, the use of water is particularly simple and inexpensive. In the range of lower temperatures, however, it can be expedient to use a hydrocarbon as the fluid. The use of a hydrocarbon has the advantage over the use of water that the degassing of the fluid is much easier to handle. In any case, care must be taken that the pressure in the hollow shaft 7 approximately corresponds to the vapor pressure associated with the temperature of the fluid used in each case.
- the inner diameter of the hollow shaft 7 in the engine compartment is larger than in the pump area.
- an absorbent inner lining (not shown) should be provided in the hollow shaft 7. When this inner lining is wicked, care is taken in a horizontal or inclined operating position of the pump unit to ensure that fluid 17 is always available for evaporation in the area of the heat source.
Abstract
Es ist ein Tauchpumpenaggregat beschrieben, das aus einer Pumpe (1,3) und einem die Pumpe (1, 3) antreibenden Naßläufer-Motor (2) besteht. Der Motor (2) und die Pumpe (1, 3) weisen eine gemeinsame Welle (7) auf. Zum Abtransport von Verlustwärme aus dem Rotorraum (13) des Motors (2) in die Wärmesenke der durch die Pumpe (1, 3) zu fördernden Flüssigkeit ist die gemeinsame Welle (7) als verschließbare Hohlwelle ausgebildet, die zum Teil mit einem Fluid (17) gefüllt ist. Die Welle (7) bildet mit dem Fluid (17) ein rotierendes Heat-Pipe-System.A submersible pump unit is described which consists of a pump (1,3) and a wet-rotor motor (2) driving the pump (1, 3). The motor (2) and the pump (1, 3) have a common shaft (7). The common shaft (7) is designed as a closable hollow shaft, which is partially filled with a fluid (17 ) is filled. The shaft (7) forms a rotating heat pipe system with the fluid (17).
Description
Die Erfindung betrifft ein Tauchpumpenaggregat gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a submersible pump unit according to the preamble of
Tauchpumpenaggregate sind Maschinensätze, die zeitweise oder ständig in einer zu fördernden Flüssigkeit liegen. Beim Einbau in Bohrbrunnen und bei der Förderung von Wasser werden sie auch Unterwassermotorpumpen genannt. Auf dem letztgenannten Gebiet ist der Einsatz der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft.Submersible pump units are machine sets that are temporarily or permanently in a liquid to be pumped. When installed in wells and when pumping water, they are also called submersible pumps. The use of the present invention is particularly advantageous in the latter field.
Unterwassermotorpumpen im Leistungsbereich von bis zu 10 kW sind heute Massenprodukte, die beispielsweise im Wasserversorgungsbereich eingesetzt werden. Grundsätzlich sind die Hersteller derartiger Pumpen bestrebt, die Herstellungskosten der Aggregate zu senken. Hierzu bieten sich die beiden folgenden Möglichkeiten an:Submersible motor pumps in the power range of up to 10 kW are now mass products that are used, for example, in the water supply sector. Basically, the manufacturers of such pumps strive to reduce the manufacturing costs of the units. The following two options are available:
Denkbar ist die Vereinfachung der Konstruktion der üblichen Pumpen beispielsweise durch Eingießen des Stators in Kunststoff, wie dies beispielsweise aus der US-PS 4,546,130 bekannt ist.It is conceivable to simplify the construction of conventional pumps, for example by pouring the stator into plastic, as is known, for example, from US Pat. No. 4,546,130.
Die zweite Möglichkeit besteht darin, Pumpenaggregate mit einem integrierten Frequenzumrichter zu bauen, welche dann mit einer höheren Drehzahl betrieben werden, um ihre hydraulische Leistung zu steigern. Ein derartiges Pumpenaggregat ist beispielsweise aus der DE-OS 36 42 727 bekannt.The second option is to build pump units with an integrated frequency converter, which are then operated at a higher speed in order to increase their hydraulic performance. Such a pump unit is known for example from DE-OS 36 42 727.
Der zweiten aufgeführten Möglichkeit ist der Vorzug zu geben, wie dies anhand der bekannten Modellgesetze erläutert wird.The second option listed should be given preference, as will be explained using the known model laws.
Bekanntlich gelten die folgenden Beziehungen:
Q∼n.D³
H∼n².D
P∼n³ D⁵,
wobei Q für den Förderstrom, H für die Förderhöhe, P für die elektrische Leistung, n für die Drehzahl des Aggregates und D für den Laufraddurchmesser steht.As you know, the following relationships apply:
Q∼n.D³
H∼n².D
P∼n³ D⁵,
where Q stands for the flow rate, H for the head, P for the electrical power, n for the speed of the unit and D for the impeller diameter.
Bei gleicher Leistung ist es durch Steigern der Drehzahl möglich, den Durchmesser des Pumpenaggregates und/oder die Anzahl der Pumpenstufen zu reduzieren. Im übrigen lassen sich hierdurch auch die Installationskosten senken, denn die Kosten eines beispielsweise für die Trinkwasserversorgung anzulegenden Brunnens hängen entscheidend von dem Brunnendurchmesser ab.With the same output, increasing the speed makes it possible to reduce the diameter of the pump unit and / or the number of pump stages. Incidentally, the installation costs can also be reduced as a result, since the costs of a well, for example for the supply of drinking water, depend crucially on the diameter of the well.
Unabhängig von den aufgezeigten beiden Wegen zur Kostensenkung ergeben sich für das Aggregat gleiche Probleme, nämlich hinsichtlich seiner Kühlung. In der Praxis bereitet es Schwierigkeiten, die in dem Motor des Aggregates entstehende Verlustwärme abzuführen. Diese Schwierigkeiten resultieren im ersten Fall aus der Wärmeisolierung des Kunststoffvergusses. Im zweiten Fall sind sie eine direkte Folge einer Verminderung der Wärme abgebenden Oberfläche und einer zusätzlichen Belastung durch Stromwärmeverluste des im Motor des Aggregates integrierten Frequenzumrichters.Regardless of the two ways of reducing costs shown, the unit has the same problems, namely with regard to its cooling. In practice, it is difficult to dissipate the heat loss generated in the motor of the unit. In the first case, these difficulties result from the heat insulation of the plastic encapsulation. In the second case, they are a direct consequence of a reduction in the heat-emitting surface and an additional load due to current heat losses from the frequency converter integrated in the motor of the unit.
Vor dem aufgezeigten Hintergrund liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Tauchpumpenaggregat so weiterzubilden, daß stets ein ausreichender Wärmeabtransport von den Verlustwärmequellen des Aggregates gewährleistet ist.Against the background shown, the invention is based on the object of developing a generic submersible pump unit in such a way that sufficient heat removal from the heat loss sources of the unit is always ensured.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Tauchpumpenaggregat mit den Merkmalen des Anspruches 1.This object is achieved by a submersible pump unit with the features of
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments result from the subclaims.
Grundsätzlich kann eine Heat-Pipe quasi als ein Supraleiter angesehen werden, der durch Stoffbewegung und Phasenwechsel Wärme von der heißen Wand eines umschlossenen Raumes zu kälteren Wandflächen tansportiert. Im vorliegenden Fall ist die Welle des Aggregates als eine rotierende Heat-Pipe ausgebildet, bei der sich andere Verhältnisse einstellen als bei einer ruhenden Heat-Pipe. Auf diese Verhältnisse wird im einzelnen weiter unten näher eingegangen. In jedem Falle ist der Wärmeabtransport der Verlustwärme aus dem Motor und/oder Frequenzumrichter durch die rotierende Heat-Pipe hinreichend groß. Besonders vorteilhaft ist die vorgeschlagene Lösung dann, wenn als Fluid in der Hohlwelle für den Wärmetransport aufgrund der großen Verdampfungswärme, die der Kondensationswärme entspricht, Wasser verwendet wird.Basically, a heat pipe can be seen as a superconductor that transports heat from the hot wall of an enclosed space to colder wall surfaces through material movement and phase change. In the present case, the shaft of the unit is designed as a rotating heat pipe, in which different conditions occur than in the case of a stationary heat pipe. To these relationships discussed in more detail below. In any case, the heat dissipation of the heat loss from the motor and / or frequency converter through the rotating heat pipe is sufficiently large. The proposed solution is particularly advantageous if water is used as the fluid in the hollow shaft for heat transport due to the large heat of vaporization, which corresponds to the heat of condensation.
Im Bereich tieferer Temperaturen kann es jedoch zweckmäßig sein, als Fluid in der Hohlwelle einen Kohlenwasserstoff mit einer gegenüber der Dampfdruckkurve von Wasser höher liegenden Dampfdruckkurve zu verwenden.In the range of lower temperatures, however, it can be expedient to use a hydrocarbon as the fluid in the hollow shaft with a vapor pressure curve that is higher than the vapor pressure curve of water.
Um bei der rotierenden Heat-Pipe die Sicherheit zu erhöhen, daß im Bereich der Wärmequelle stets Flüssigkeit vorhanden ist, deren Verdampfung schließlich die Kühlung bewirken soll, ist es vorteilhaft, den Innendurchmesser der Welle im Bereich der Wärmequelle größer als im Bereich der Wärmesenke auszubilden.In order to increase the security of the rotating heat pipe that there is always liquid in the area of the heat source, the evaporation of which is ultimately intended to effect cooling, it is advantageous to make the inner diameter of the shaft larger in the area of the heat source than in the area of the heat sink.
Bei einer liegenden Montage des Pumpenaggregates und/oder niedriger Drehzahl ist es vorteilhaft, die Hohlwelle mit einer saugfähigen Innenauskleidung zu versehen, um das Fluid von der Wärmesenke mit großer Sicherheit zur Wärmequelle zu leiten.When the pump unit is mounted horizontally and / or at a low speed, it is advantageous to provide the hollow shaft with an absorbent inner lining in order to guide the fluid from the heat sink to the heat source with great certainty.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
- Figur 1: einen Längsschnitt durch das Tauchpumpenaggregat im Ruhezustand, und
- Figur 2: eine schematische Darstellung zur Veran schaulichung der Vorgänge in einer rotierenden Heat-Pipe.
- Figure 1: a longitudinal section through the submersible pump unit in the idle state, and
- Figure 2: a schematic representation of the event visualization of the processes in a rotating heat pipe.
Das Tauchpumpenaggregat gemäß Figur 1 besteht aus einem Naßläufer-Motor 2, dem Pumpenteil 3 sowie dem Frequenzumrichter 1. Diese drei Bestandteile sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen gemeinsamen Mantel 4 zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt. Mit dem Innenumfang des Mantels 4 ist ein Spaltrohrtopf 5 flüssigkeitsdicht und druckfest verbunden, so daß der Stator 6 des Motors 2 und der Frequenzumrichter 1 in einem trockenen Raum 6a liegen. Aus Stabilitätsgründen kann dieser Raum 6a mit einem Mineral-Kunststoffgemisch ausgefüllt oder mit einem Kunststoff ausgeschäumt sein.The submersible pump unit according to Figure 1 consists of a
Die für den Motor und die Pumpe gemeinsame Welle 7 trägt den im Spaltrohrtopf 5 befindlichen Rotor 8 und wird in den Lagern 9,10 radial und axial festgelegt. Durch eine Lagerplatte 11 mit der Dichtung 12 ist der mit Flüssigkeit gefüllte Rotorraum 13 zum Pumpenkörper 3 hin abgeschlossen.The
Die Pumpe saugt die zu fördernde Flüssigkeit durch die Schlitze 14 im Mantel 4 an. Die Flüssigkeit durchströmt nacheinander die Pumpenstufen 15 und wird durch den Druckstutzen 16 zum Verbraucher gedrückt.The pump sucks the liquid to be pumped through the
Erfindungsgemäß ist die Welle 7 als durch einen Verschluß 18 verschließbare Hohlwelle ausgebildet, die zum Teil mit einem Fluid 17 gefüllt ist, wie dies in Figur 1 andeutungsweise dargestellt ist. Vor der Inbetriebnahme des Pumpenaggregates ist der Verschluß 18 zu entfernen und das Fluid 17 in die Hohlwelle 7 zu füllen. Danach ist die in der Hohlwelle verbleibende Luft weitgehend zu entfernen und der Hohlraum in der Welle durch den Verschluß 18 flüssigkeits- und luftdicht abzuschließen. Die so präparierte Welle bildet mit dem Fluid 17 in ihrem Hohlraum ein Heat-Pipe-System zum Abtransport von Verlustwärme aus dem Rotorraum 13 des Motors 2.According to the invention, the
Im Betrieb des Pumpenaggregates wird der überwiegende Teil der im Motor 2 und im Frequenzumrichter 1 entstehenden Verlustwärme in den Rotorraum 13 fließen und die Temperatur des in der Hohlwelle 7 befindlichen Fluids 17 im Bereich des Wellenabschnittes 7a erhöhen. Dadurch verdampft ein Teil des Fluids und gelangt in den Wellenabschnitt 7b im Bereich des Pumpenkörpers 3. Aufgrund der Lage des Wellenabschnittes 7b im Pumpenkörper 3 kann dieser Wellenabschnitt 7b die Wärme an das Fördermedium abgeben. Der im Rotorraum 13 befindliche Wellenabschnitt 7a bildet also die Wärmequelle und Wellenabschnitt 7b die Wärmesenke der Heat-Pipe.During operation of the pump unit, the major part of the heat loss generated in the
Anhand der Figur 2 werden die Verhältnisse in der rotierenden Heat-Pipe erläutert. Vor Inbetriebnahme ist die Hohlwelle 7 - wie bereits erwähnt - etwa bis zu der Linie A-A mit einem Fluid gefüllt worden, wonach die im Hohlraum verbleibende Luft weitgehend entfernt worden ist und der Hohlraum mittels eines Verschlusses 18 flüssigkeits- und luftdicht verschlossen wurde.The conditions in the rotating heat pipe are explained with reference to FIG. Before start-up, the hollow shaft 7 - as already mentioned - was filled with fluid up to line A-A, after which the air remaining in the cavity was largely removed and the cavity was closed in a liquid-tight and air-tight manner by means of a
Im Betrieb des Aggregates, das heißt also bei der Rotation der Hohlwelle 7, stellt sich die Oberfläche des Fluids stets senkrecht zu dem auf sie wirkenden Kraftfeld ein. Dabei wirken die folgenden Kräfte auf ein in der Oberfläche des Fluids liegendes Flüssigkeitsteilchen ein:
die Fliehkraft FF∼r.ω²,
die Schwerkraft Fs∼ g,
die Widerstandskraft Fw∼ c²,
wobei r der Abstand der Fluidoberfläche von der Drehachse, ω die Winkelgeschwindigkeit, g die Erdbeschleunigung und c die Dampfgeschwindigkeit im betrachteten Querschnitt bedeutet. Die Resultierende aus diesen drei Kräften ist mit R bezeichnet, zu der im betreffenden Punkt die Fluidoberfläche senkrecht steht. Insgesamt wird sich die Oberflächenform einem Parabelabschnitt annähern.During operation of the unit, that is to say during the rotation of the
the centrifugal force F F ∼r.ω²,
gravity F s ∼ g,
the resistance F w ∼ c²,
where r is the distance of the fluid surface from the axis of rotation, ω is the angular velocity, g is the acceleration due to gravity and c is the vapor velocity in the cross section under consideration. The resultant of these three forces is denoted by R, to which the fluid surface is perpendicular at the point in question. Overall, the surface shape will approach a parabolic section.
Im Bereich des Motorraumes wird dem Wellenabschnitt 7a Wärme zugeführt, wodurch ein Teil des Fluids verdampft und in den kühleren Wellenabschnitt 7b strömt, wo der Dampf schließlich kondensiert. Das Kondensat fließt daraufhin aufgrund des Kraftfeldes zum Wellenabschnitt 7a zurück.In the area of the engine compartment, heat is supplied to the shaft section 7a, whereby some of the fluid evaporates and flows into the cooler shaft section 7b, where the steam finally condenses. The condensate then flows back to the shaft section 7a due to the force field.
Die Wahl des Fluids 17 in der Hohlwelle 7 hängt ab von den absoluten Temperaturen. Soweit die Temperaturen es zulassen, ist der Einsatz von Wasser besonders einfach und kostengünstig. Im Bereich tieferer Temperaturen kann es jedoch zweckmäßig sein, einen Kohlenwasserstoff als Fluid zu verwenden. Der Einsatz eines Kohlenwasserstoffes hat gegenüber dem Einsatz von Wasser den Vorteil, daß die Entgasung des Fluids wesentlich einfacher zu handhaben ist. In jedem Fall ist darauf zu achten, daß der Druck in der Hohlwelle 7 annähernd dem zur Temperatur des jeweils verwendeten Fluids gehörenden Dampfdruck entspricht.The choice of the fluid 17 in the
In Abweichung vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann es darüber hinaus vorteilhaft sein, daß der Innendurchmesser der Hohlwelle 7 im Motorraum größer ist als im Pumpenbereich.In deviation from the illustrated embodiment, it may also be advantageous that the inner diameter of the
Dadurch wird sichergestellt, daß immer ein Flüssigkeitsvorrat im Bereich der Wärmequelle für den Abtransport der Verlustwärme zur Verfügung steht, und zwar selbst bei sehr hohen Drehzahlen und/oder einem hohen Temperaturniveau.This ensures that there is always a liquid supply in the area of the heat source for the removal of the heat loss, even at very high speeds and / or a high temperature level.
Wenn das Pumpenaggregat nicht vertikal eingesetzt werden soll, sollte in der Hohlwelle 7 eine saugfähige Innenauskleidung (nicht dargestellt) vorgesehen werden. Unter einer Dochtwirkung dieser Innenauskleidung wird in einer horizontalen oder schrägen Betriebslage des Pumpenaggregates dafür Sorge getragen, daß stets Fluid 17 im Bereich der Wärmequelle zur Verdampfung bereitsteht.If the pump unit is not to be used vertically, an absorbent inner lining (not shown) should be provided in the
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