Einrichtung zur Verringerung der Axialkraft von Zentrifugalpumpen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verrin gerung der Axialkraft von Zentrifugalpumpen, insbe sondere von Zentrifugal-Hochleistungspumpen, deren Laufräder einen zweiseitigen Eintritt aufweisen, und zur Verringerung der Pulsierungen.
Gemäss Literaturangaben und der allgemein einge bürgerten Praxis zählen Zentrifugalpumpen, deren Lauf räder einen zweiseitigen Eintritt aufweisen, als axial ausgeglichen. Eine solche Anordnung wird bei mehr stufigen Zentrifugalpumpen mit gerader Laufradzahl als eine der Methoden zur Ausgleichung der Axialkraft direkt empfohlen.
Die vorgenommenen Messungen ha ben jedoch gezeigt, dass bei Laufrädern mit zweiseiti gem Eintritt bedeutende Axialkräfte, insbesondere im Bereich von 0,5 Q max auftreten, wobei Q max die maximale Schluckfähigkeit des gesamten Laufrades bei einer Förderhöhe von H < 0 ist. Im Bereich von 0 < Q < 0,5 Q max wird sodann der Gang der Pumpe unruhig, und es entsteht eine Axialkraft, welche bei 0,5 Q max den maximalen statischen Wert erreicht. Diese Tatsache wurde auch durch Messungen an Pum penmodellen bestätigt.
Die bisherigen Meinungen über das Entstehen dieser Kraft wurden als der Wirklichkeit widersprechend widerlegt, denn die Axialkraft wurde bei den Versuchen mit der Umlaufleitung und den Dich tungsringen auf dem Scheibenumkreis des Laufrads ebenfalls festgestellt und gemessen. Ausserdem ist be kannt, dass der Strömungscharakter der Zentrifugal- Hochleistungspumpen einen primären Einfluss auf die Pulsierungen innerhalb dieser Pumpen hat, welche gleichfalls eine unerwünschte Erscheinung darstellen.
Weder die bisherigen Konstruktionsadaptierungen, noch die verschiedensten Zusatzeinrichtungen konnten eine grundsätzliche Verringerung dieser Pulsierungen her beiführen.
So entstand das Problem, eine geeignete Einrichtung zu schaffen, welche imstande wäre, eine grundsätzliche Verringerung der Axialkraft bei Zentrifugalpumpen, de- ren Laufräder einen zweiseitigen Eintritt aufweisen, zu sichern, und die gleichzeitig auch für andere Hochlei- stungs-Zentrifugalpumpen zur Verringerung deren Pul- sierungen Verwendung finden könnte.
Die Erfindung löst dieses Problem und beseitigt die angeführten Mängel und Nachteile bekannter Ausfüh rungen.
Die Erfindung besteht darin, dass sie mindestens eine in jeden Eintritt der Pumpe vor dem Laufrad mün dende Tangentialdüse aufweist, welche über eine Zu leitung an eine Druckflüssigkeitsquelle angeschlossen ist und in dieser Zuleitung eine von Impulsen aus der Druckleitung der Pumpe gesteuerte Regelanlage ange ordnet ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung dargestellt, welche einer Zentrifugalpumpe angeschlossen ist, deren Laufrad einen zweiseitigen Ein tritt aufweist.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung weist Tan- gentialdüsenpaare 11 auf, welche an gegenüberliegen den Seiten des linken Eintrittes 12 und des rechten Ein trittes 13 der Zentrifugalpumpe 14 angeordnet sind. Je nach Situation, Grösse der Pumpe und deren Konstruk tionslösung kann auch eine einzelne Tangentialdüse 11 vor jedem Eintritt, bzw. eine grössere Anzahl von Düsen verwendet werden. Gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die erwähnten Tangentialdü- sen 11 mit Hilfe eines Zuleitungsrohres 15 an die Druck leitung 16 der Pumpe 14 vor deren Hauptverschluss 17 angeschlossen.
Der Impuls für den Einsatz der Tangen tialdüsen 11 wird von diesem Hauptverschluss 17 abge leitet, durch den die gesamte von der Pumpe 14 geför derte Flüssigkeitsmenge durchfliesst, und in dem sich demzufolge auch alle Druck- und Geschwindigkeitsän derungen der geförderten Flüssigkeit, insbesondere zu Beginn und am Schluss des Prozesses äussern. Die von diesen Veränderungen abgeleiteten Impulse werden dann über eine Nebenleitung 18, bzw. über einen ande- ren Mechanismus, beispielsweise einen Kulissenmecha nismus, zu der Regeleinrichtung 19, beispielsweise ei nem Regelventil, weitergeleitet, das an der Zuleitung 15 angebracht ist und die Funktion der Tangentialdüsen 11 sichert.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung funktioniert so, dass die aus der Druckleitung 16 entnommene Flüs sigkeit über eine Regeleinrichtung 19 an die Tangential- düsen 11 herangeführt wird, herauskommend aus den Tangentialdüsen 11, in die linke Eintrittsöffnung 12 und in die rechte Eintrittsöffnung 13 der Pumpe 14 so eintritt, dass sie hier die Vorrotation der geschöpften Flüssigkeit vor dem Laufrad ändert.
Durch die Beein flussung der Vorrotation wird erreicht, dass die Ein tritts-Meridiangeschwindigkeit und somit auch die Schluckfähigkeit beider Eintrittsöffnungen 12, 13 des Laufrades gleich sind, so dass keine Axialkraft entsteht. Dabei sichert die in die Zuleitung 15 eingebaute und hydraulisch oder mechanisch, beispielsweise über den angeführten Kulissenmechanismus vom Hauptverschluss 17 aus gesteuerte Regeleinrichtung 19, eine automati sche Versorgung der Tangentialdüsen 11 mit Druck flüssigkeit.
Nach der Ingangsetzung der Pumpe 14 be- einflusst der in die Tangentialdüsen 11 zurückgeführte Teil der geförderten Flüssigkeit die Vorrotation an bei den Eintrittsöffnungen 12, 13 und somit auch die Lei stung der Pumpe 14, wobei sich die Axialkraft bis zum Betriebspunkt der Pumpe, d. h. so lange, bis die Pumpe 14 den Bereich der optimalen Leistung erreicht hat, eliminiert. So wird dafür Sorge getragen, dass keine Verschlechterung der volumetrischen Leistung während des Betriebes der Pumpe 14 im Bereich deren Be triebspunktes auftritt.
Mit Hilfe der Tangentialdüsen 11 kann nicht nur der Potentialwirbel und dessen Kern bei der Überflutung beider Eintrittsöffnungen 12, 13 der Pumpe 14, deren Laufräder einen zweiseitigen Eintritt aufweisen, gleich gerichtet werden; diese können ausserdem bei allen an deren Zentrifugal- u. ä. Pumpen zur Verringerung der während der Förderung entstehenden Pulsierungen ver wendet werden.
Dies gilt besonders für Hochleistungs- pumpen, und zwar deshalb, weil der Strömungscharak- ter dieser Pumpen primären Einfluss auf die Pulsierun- gen hat, und weil durch die Verwendung von Tangen tialdüsen die Strömung günstig beeinflusst und die Pul- sierung herabgesetzt wird.
Theoretisch ist das Laufrad mit zweiseitigem Ein tritt während der Arbeit im Betriebspunkt ausgeglichen, in der Praxis entsteht infolge geometrischer Abweichun gen des Laufrades noch eine geringe Axialkraft. Des halb erweisen sich in diesem Punkt jegliche Sonder- massnahmen zum Einfangen der Axialkraft als über flüssig. Bei der Ingangsetzung und beim Abstellen der Pumpe kam es jedoch zur einseitigen Überflutung des Laufrades, was eine bedeutende Axialkraft hervorruft.
Deshalb mussten Pumpen hinsichtlich dieser übergangs- phasen mit Axiallagern von bedeutender Tragkraft ver sehen werden. So z. B. musste für eine Fördermenge von ca. 22 m3:'sec und eine Förderhöhe von 120 m ein Axiallager für 180 t bemessen werden. Durch die Er findung kann das bisher notwendige Axiallager für sol che maximalen Belastungen ersetzt werden durch ein Axiallager zum Auffangen der geringen, infolge der geometrischen Unwucht des Laufrades entstehenden Restkraft. Für das aufgezeichnete Beispiel genügt ein für 1 bis 2 t bemessenes Lager.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie zusätzlich bei allen bereits im Betrieb stehenden Pumpen verwendet werden kann.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung kann in ver schiedenen Ausführungen hergestellt werden. Neben dem bereits erwähnten Ausführungsbeispiel, wo die Tangentialdüsen von der der Druckleitung der Pumpe vor deren Hauptverschluss entnommenen Druckflüs sigkeit gespeist werden, kann die Einrichtung auch so hergestellt werden, dass die Tangentialdüsen aus einer fremden Druckflüssigkeitsquelle gespeist werden, wobei die Impulse für die Funktion der Regeleinrichtung dem Hauptverschluss der Druckleitung der Pumpe, oder ei ner anderen Stelle der für die Impulsentnahme herge richteten Druckleitung entnommen werden.
Als Haupt- verschluss der Druckleitung kann beispielsweise ein Ringverschluss, ein Eckventil, oder ähnliche Armaturen dienen, denen Impulse entnommen werden können, wel che bei Fördermengenänderungen in der Druckleitung bzw. direkt in dem Pumpenaustritt entstehen. Wie be reits erwähnt, können diese Impulse entweder hydrau lisch über eine Nebenleitung oder mechanisch, beispiels weise über einen Mechanismus mit Hebelverschluss und Kulisse an die Regeleinrichtung weitergeleitet werden.
Bei Laufrädern mit zweiseitigem Eintritt geschieht die Vorrotation der Flüssigkeit in der der Rotation des Laufrades entgegengesetzten Richtung, so dass die Ober flutung des Laufrades ungleichmässig ist und demzufol ge Axialkräfte entstehen. Auf derjenigen Seite, auf der die Flüssigkeit und das Laufrad im gleichen Dreh sinn rotieren, wird die Flüssigkeit mittels der Düsen gebremst - also in Gegenrichtung. Auf der anderen Seite des Laufrades, wo die geschöpfte Flüssigkeit eine Zirkulation in Gegenrichtung zur Rotation des Lauf rades aufzuweisen hat, bekommt die Flüssigkeit durch die Düsen eine zusätzliche Geschwindigkeit - also im Rotationssinn des Laufrades.
Die Orientierung im Eintrittssystem kann künstlich beeinflusst werden, so dass sie beispielsweise in bezug auf das System stets rechtslaufend ist und somit die An ordnung der Düsen eindeutig bestimmt ist.
Sämtliche Düsen werden lediglich durch die Durch- flussmenge geregelt. Wenn die Überflutung bzider Ein tritte gleichmässig ist, sind die Düsen somit ausser Be trieb. Deshalb kann die Öffnung des Flüssigkeitszu flusses direkt von dem Pumpenhauptverschluss abgelei tet werden.
Der mechanisch betätigte hydraulische Kolben be tätigt die Regelanlage 19, aus der die Flüssigke-it in die Tangentialdüsen vor dem Laufrad einströmt. Die Regel anlage 19 stellt im Prinzip einen Eckverschluss dar, der mittels eines hydraulischen Kolbens und durch die vom Pumpenhauptverschluss abgeleitete Bewegung betätigt wird. Bis zum Wert Q = 0,5 Q",_,, strömt durch diese Regelanlage 19 die Flüssigkeit zu den Tangentialdüsen. Bei einer Flüssigkeitsmenge, die grösser ist als 0,5 Q",;,_, bleibt die Regelanlage 19 geschlossen und die Tangen tialdüsen werden stillgelegt.
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass diese automatisch und unabhängig von der Bedie nung arbeitet. Dabei ist die Herstellung dieser Einrich tung unkompliziert und nicht kostspielig.