DK147055B - Centrifugalpumpe med et to-trins aksialt indsugningspumpehjul - Google Patents

Description

147055 i

Opfindelsen vedrører en centrifugalpumpe af den art, hvor der på centrifugalpumpehjulets aksel i indsugningskanalen er fastgjort et to-trins aksialt indsugningspumpehjul med skrueformede skovle, og hvor 5 skruestigningen af skovlene i det i strømningsretningen første trin er mindre end skruestigningen af skovlene i det andet trin.

En af de væsentligste karakteristikker for pumpeydelse er sugekapaciteten udtrykt i specifik 10 sugehastighed: r _ q (-j ' åh3/4 (1)' hvor n er hastigheden af pumpens drivaksel, o/min., Q er den volumetriske strøm af væske, der be-15 handles (eller pumpeydelse), m /s,

Ah(NPSH) er pumpens positive nettosugehøjde, m.

Jo større C er, jo bedre er pumpens sugekapacitet.

Det er kendt, at hastigheden af pumpens driv-20 aksel bestemmer pumpens samlede størrelse og masse, medens dens ydelse bestemmer antallet af pumper, der er nødvendigt, og sugehøjden bestemmer den nødvendige kapitalinvestering.

En forøgelse til det dobbelte af pumpens suge-25 kapacitet med konstant sugehøjde muliggør således,at hastigheden af pumpens drivaksel forøges til det dobbelte, hvilket igen medfører en tredobbelt eller seksdobbelt formindskelse af pumpens størrelse og masse, hvorved fremstillingsomkostningerne for pumper med 30 samme ydelse formindskes.

Den øjeblikkelige tendens til at forøge kapaciteten pr. enhed af kraftanlæg medfører tilvejebringelsen af pumper med stadig forøget ydelse, hvilket kræver større sugehøjde. Tilvejebringelsen af større 35 sugehøjde i pumper med høj ydelse er imidlertid be- 147055 2 grænset på grund af høje omkostninger. En forøgelse til det dobbelte af pumpens sugehøjde muliggør således, at man kan nøjes med en enkelt pumpe med høj ydelse i stedet for at måtte anvende fire pumper med 5 en tilsvarende samlet ydelse, ligesom den nødvendige kapitalinvestering til tilvejebringelse af den nødvendige sugehøjde kan nedskæres til en tredjedel.

Den moderne industri til konstruktion af pumper har således stærk brug for pumper med højere 10 sugekapacitet.

Når pumpens sugekapacitet viser sig at være utilstrækkelig, opstår der kavitation i pumpen, hvilket formindsker sugehøjden og effektiviteten, giver anledning til kavitationserosion af gennemstrømnings-15 kanalen i pumpehjulet og til svingninger i trykket og i den effektive væskestrømningshastighed i pumpens tilgangs- og udstødsledninger.

Specifikt ligger problemet i det faktum, at enhver forøgelse i pumpens sugekapacitet som regel 20 påvirker dens effektivitet, hvilket bevirker væsentlig forøgelse af kraftforbruget. Derfor har pumper med høj sugekapacitet som regel kun lav effektivitet, medens pumper med høj effektivitet kendetegnes ved lav sugekapacitet.

25 Der kendes pumper med høj sugekapacitet (C-4000), (se f.eks. "Cavitation in vane pumps" af Stripling,

Tr. ASME serie D, nr. 3, 1962).

Den nævnte, kendte pumpe omfatter et aksialt pumpehjul, der er monteret på drivakslen, og som har 30 et nav med skrueformede propellerskovle, hvor bladenes konstruktion i længderetningen af propellerhjulets radius opfylder følgende ligning: r · tgB = konstant, hvor r er den løbende værdi af pumpehjulets 35 radius, 3 U7Q56 3 er skovlenes indfaldsvinkel, der afgrænses af et plan, der passerer under rette vinkler i forhold til pumpens drivaksel, og et tangentialplan til pumpehjulets skovle.

5 Pumpens sugekapacitet forøges på grund af et større tværsnitsareal i dens gennemstrømningskanal og en reduceret indfaldsvinkel for pumpehjulets skovle, og som følge af en lavere gennemstrømningskoefficient (if) ved pumpehjulets tilgang defineret som et forhold 10 mellem den aksiale hastighed (C ) af væskestrømmen og 3.

periferihastigheden (U) af pumpehjulet målt på dennes udvendige diameter; i dette tilfælde opnås denne forøgelse i tværsnitsarealet af pumpens gennemstrømningskanal ved forøgelse af pumpehjulets udvendige diameter 15 og en maksimalt tilladelig reduktion af navdiameteren baseret på dettes styrke. Dette sikrer en formindsket aksialkomponent af væskestrømmens hastighed og et minimalt fald i statisk tryk i væskestrømmen, hvilket bevirker en større sugekapacitet af pumpen.

'20 Den nævnte pumpe har imidlertid kun lav effek tivitet (η=*0,5) , hvilket bevirker en lavere værdi af strømningskoefficienten {(/£-0,1) på grund af et forøget tværsnitsareal af pumpens gennemstrømningskanal, en formindsket værdi af den aksiale hastighed (C=) O.

25 af væskestrømmen og et separationstrømningsmønster i pumpehjulets gennemstrømningskanal.

En anden .strømningspumpe er kendt for sin store virkningsgrad (η= 0,75 til 0,9), (sammenlign "Centrifugal and axial-flow pumps" af A. I.

30 Stepanov, Mashgiz Publishers, M., 1960, side 141-164, på russisk).

Den ovenfor nævnte kendte pumpe har et hus med et pumpehjul på en drivaksel, hvilket pumpehus har et nav med skovle med hvirvelfri konstruktion i 35 længderetningen af pumpehjulets radius. Udfoldningen 147055 4 af de cylindriske dele af bladene tilvejebringer en række af aerodynamiske profiler med relativt stor indfaldsvinkel, hvilket faktisk er vinklen mellem korden i profilet og forkanten af profilmønsteret, 5 hvilket svarer til en forøget strømningskoefficient (f <0,2).

Denne pumpe har imidlertid en lav sugekapacitet (C-1000), hvilket skyldes relativt høje aksial-hastigheder (C ) af væskestrømmen på grund af et 10 formindsket tværsnitsareal af pumpehjulets gennemstrømningskanal .

Forsøg på at løse det modstridende problem med samtidig opnåelse af høj sugekapacitet og høj effektivitet for pumpen har ført til udvikling af en 15 strømningspumpe (jvf. USA patent nr. 3 299 821), i hvis hus der er et aksialpumpehjul på en pumpedriv-aksel før et centrifugalpumpehjul (set i retning af væskestrømmen), hvilket aksialpumpehjul har et nav med pumpeskovle, hvorved der tilvejebringes et antal 20 forskellige skovlkanaler.

Væskegennemstrømningskanalen i aksialpumpehjulet omfatter to dele placeret efter hinanden i væskestrømmens retning, nemlig en kavitationsdel og en trykdel, hvor skovlenes indfaldsvinkel forøges jævnt 25 fra tilgangen til pumpehjulet mod afgangen fra dette.

For at tilvejebringe en minimal aksial pumpehjulslængde er der tilvejebragt forskellige teoretiske forhold, som er blevet fastlagt for at tilvejebringe en formel for variationen af skovlenes indfaldsvinkel 30 i pumpehjulets længderetning i væskestrømmens retning, hvilke forhold har til hensigt at opfylde forudsætningen for tilvejebringelse af en stallingsfri strøm af væske over bredden af skovlkanalerne, idet kavita-tionsdelen af gennemstrømningskanalen sikrer højere 35 sugekapacitet, og trykdelen en forud bestemt tryk- 147055 5 højde for pumpen. Et sådant konstruktivt arrangement af den aksiale gennemstrømningskanal for pumpehjulet medvirker til samtidig opnåelse af høj sugekapacitet for pumpen og høj virkningsgrad.

5 Der kendes endnu en konstruktion af en strøm ningspumpe (se afhandlingen "Studies into high-pressure screws having double-row blades" af D. N. Contractor og R. I. Atter i tidsskriftet "Hydronautics", Inc., NASA CR-113890, 1969), hvilken pumpe har et aksial-2q pumpehjul med skrueformede skovle, der er monteret på pumpens drivaksel før aksialpumpehjulet som set i væskestrømmens retning, hvilket aksialpumpehjul med skrueformede skovle tilvejebringer høj sugekapacitet i pumpen og minimal sugehøjde, der kræves for 25 kavitationsfri drift af pumpehjulet til opbygning af en forud bestemt trykhøjde.

En sådan konstruktion af pumpen gør det muligt at vælge de ønskede pumpehjuls driftsbetingelser ved højere værdier for strømningskotfficienten (<f>0,2), '20 hvilket giver højere pumpevirkningsgrad.

De i det foregående beskrevne, kendte konstruktioner viser, at den hidtil kendte teknik kun har vedrørt løsningen af problemet med samtidig opnåelse af høj sugekapacitet for pumpen og høj virk-25 ningsgrad, der dog ikke dermed kan siges ikke at kunne overskrides. En yderligere forøgelse i pumpens sugekapacitet vil således specielt bevirke en formindsket intensitet af kavitationserosion, der angriber pumpens gennemstrømningskanal og et lavere niveau 30 for væskens tryksvingninger samt strømningshastigheden i pumpens tilgangs- og afgangsledninger.

Med opfindelsen tilsigtes der derfor tilvejebragt en pumpekonstruktion, der giver højere sugekapacitet ved anvendelse af et specielt aksialt ind-35 sugningspumpehjul, der har kavitationsegenskaber, der nærmer sig til grænserne.

147055 6

Dette opnås ved en centrifugalpumpe ifølge opfindelsen ved, at yderdiameteren af det første trins skovle overalt er mindre end yderdiameteren af det andet trins skovle, og at forholdet mellem de to yder-5 diametre er helt eller i hovedsagen lig med forholdet mellem de tilhørende skruestigninger.

Denne konstruktion af pumpen forøger pumpekapaciteten af denne, hvilket kan tilskrives dannelsen af en forøget radial klaring mellem yderdiameteren af det 10 aksiale indsugningspumpehjuls første trin og den indvendige diameter af pumpehuset. Herved deles væskestrømmen i to strømme ved tilgangen til dette trin, af hvilke strømme den ene passerer gennem klaringen, og den anden gennem pumpehjulet. Ved analyse af lig-15 ningen (1) finder man, at når den volumetriske strøm af væsken, der behandles, formindskes, kræves der en lavere positiv nettosugehøjde (NPSH) for det aksiale indsugningspumpehjuls første trin til at drives uden kavitationsstalling, ved kendte forud fastlagte 20 hastigheder for drivakslen og for værdien af de specifikke sugehastigheder, medens enhver formindskelse i værdien af NPSH for pumpen som en helhed med de kendte forud bestemte værdier for den volumetriske gennemstrømning af væsken, der behandles, og af pumpeakslens 25 hastighed bevirker en væsentlig forøgelse af sugekapaciteten. Ved anvendelse af nogle simple beregninger kan det vises, at en forøgelse af pumpens sugekapacitet kan bedømmes ud fra ligningen (2).

C' = C (2) , 30 hvor C' er den specifikke sugehastighed for en pumpe med et to-trins aksialt indsugningspumpehjul, C er den specifikke sugehastighed for en pumpe uden et sådant indsugningspumpehjul, D' er yderdiameteren af det aksiale indsugnings-35 pumpehjuls første trin, 147055 7 D er yderdiameteren af det aksiale pumpehjuls andet trin.

Det er kendt, at ethvert aksialt pumpehjul har en optimal skruestigning for pumpehjulets skovle over 5 yderdiameteren, hvilket bevirker maksimal sugekapacitet.

Ud fra princippet om geometrisk lighed må skruestigningen for pumpehjulets skovle i det aksiale indsugningspumpehjuls første trin over dettes yderdiame-10 ter vælges således, at det passer til en forøget udvendig diameter af det aksiale indsugningspumpehjuls første trin.

Det aksiale indsugningspumpehjuls første trin opbygger endvidere en sugehøjde, som bevirker kavita-15 tionsfri drift af aksialpumpehjulet, så at kavilations-erosionen i gennemstrømningskanalen gennem pumpehjulet bliver mindre kraftig, og pumpen vil have mindre tendens til at give svingninger i væsketryk og strømningshastighed.

20 Indsugningshjulets første trin har fortrinsvis konstant diameter og konstant skruestigning i hele sin længde, og dets diameter og skruestigning er fortrinsvis mellem 50 og 90% af det andet trins diameter og skruestigningen ved tilgangen til dette trin.

25 De ovenfor nævnte forhold er fundet eksperimen telt og viser sig at være optimale. Når yderdiameteren af det aksiale indsugningspumpehjuls første trin formindskes med mindre end 10% i forhold til yderdiame-teren af det aksiale pumpehjuls andet trin, bliver 30 virkningen af forøgelsen af pumpens sugekapacitet meget mindre. Begrænsningen af en reduktion af diameteren af det aksiale indsugningspumpehjuls første trin til 50% skyldes, at dette pumpehjul må sikres større sugehøjde på opstrømssiden af det aksiale pum-35 pehjuls andet trin, så at pumpehjulet bringes til at 147055 8 arbejde uden kavitationsstalling. Sugehøjden formindskes væsentlig ved en formindskelse af den udvendige diameter af indsugningspumpehjulets første trin med mere end 50%, hvilket bevirker kavitationsstalling 5 af pumpen.

Opfindelsesidéen udbygges yderligere ved en udførelsesform, der er ejendommelig ved, at yderdiameteren og skruestigningen af pumpeskovlene af indsugningspumpehjulets første trin vokser i pumpeme-10 diets strømningsretning og skruestigningen af pumpehjulsskovlene i dette første trin er bestemt ved ligningen: D! d! si-k-lhnr-s <3)' hvor S!, D!, d! er de løbende værdier for henholds-15 vis skruestigningen af pumpehjulsskovlene i indsugningspumpehjulets første trin, yderdiameteren af dette og diameteren af navet, S, D, d er værdierne for henholdsvis skruestigningen af pumpehjulsskovlene i indsugningspumpehjulets 20 andet trin, yderdiameteren af disse og diameteren af det andet trins nav ved tilgangen til dette, og k er en konstant mellem 0,75 og 1,25.

Pumpen får da, som det fremgår af ligningen (2), maksimal sugekapacitet ved en minimal mulig udvendig 25 diameter af indsugningspumpehjulets første trin.

I det store og hele sikres pumpedrift uden kavitationsstalling ved væsentlig lavere NPSH-værdi, som defineres af driftsbetingelserne ved det aksiale indsugningspumpehjul i væskestrømmens retning.

30 Ligningen (3) er i hovedsagen et matematisk udtryk for den geometriske lighed mellem alle de elementer, der som en helhed udgør det aksiale indsugningspumpehjul, idet middeldiameteren af hvert element anvendes som dettes karakteristiske lineære di- 9 147055 mension. Værdiområdet af den konstante faktor (0,75 til 1,25) bestemmes ud fra eksperimentelle undersøgelser, og dette område sikrer, at afvigelserne fra den maksimale sugekapacitet svarende til k lig med 1, 5 kun er små.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et skematisk længdesnit i en pumpe ifølge opfindelsen vist i forbindelse med et centri-10 fugalpumpehjul, fig. 2 et længdesnit i en udførelsesform for et yderligere aksialt indsugningspumpehjul ifølge opfindelsen, og fig. 3 et længdesnit af en pumpe med et booster-15 indsugningstrin i forbindelse med et centrifugalpumpe-hjul.

I fig. 1 er vist en pumpe omfattende et hus 1 med en væsketilgangsbøsning 2 og en væskeafgang i form af et spiralkammer 3. I huset 1 er der en driv-20 aksel 5, der hviler i lejer 4, og som i væskestrømmens retning bærer et to-trins aksialt pumpehjul 6, 11 og et centrifugalpumpehjul 7. Aksialpumpehjulet 6 har et nav 8, der bærer pumpeskovle 9, der afgrænser skovlkanaler 10, som væsken passerer igennem.

25 Aksialpumpehjulets andet trin 6 har en udvendig diameter D og en skruestigning S for pumpeskovlene ved indgangen dertil over deres udvendige diameter D. Aksialpumpehjulets første trin 11, der er monteret på akslen 5 ved væsketilgangsenden, omfatter et nav 30 12 og skrueformede skovle 13, der er monteret såle des, at de afgrænser skovlkanaler 14. Indsugningspumpehjulets første trin 11 har en udvendig diameter D', der er mindre end den udvendige diameter D af pumpehjulet 6, medens skruestigningen S' for skov- 147055 ίο lene 13 er mindre end skruestigningen S for skovlene 9 ved afgangen fra pumpehjulet 6 ved dettes udvendige diameter D.

De udvendige diametre D1 og D samt stignin-5 gerne S' og S for skovlene i det aksiale indsugningspumpehjuls første trin 11 og det andet trin 6 er valgt således, at der tilvejebringes en høj kapacitet for pumpesugningen.

Ved pumpen på tegningen er forholdet mellem D* 10 og D og mellem S' og S ca. 0,64 ved en konstant udvendig diameter for det aksiale indsugningspumpehjuls første trin 11. Pumper af denne type har følgende eksperimentelle ydelsesdata:

Pumpeparametre 15 Pumpe Nr. D'/D C' C C/C' 1 0,72 6200-7000 4700 0,76-0,675 2 0,64 7000-9000 5200 0,74-0,58 3 0,63 6000-8500 4500-5000 0,75-0,59 4 0,73 5500-7400 4500-5000 0,82-0,68 20 De opnåede resultater bekræfter ligningen (2).

Når drivakslen 5 roterer, føres væske ad tilgangsbøsningen 2 til indsugningspumpehjulets første trin 11. En del af væsken passerer langs skovlkanalerne 14, medens en anden del af væsken føres til 25 indsugningspumpehjulets andet trin 6 gennem klaringen mellem huset 1 og skovlene 13 på pumpehjulet 11. Mekanisk indvirkning mellem skovlene 13 og væsken bevirker en forøget sugehøjde af den væske, der passerer til indsugningspumpehjulets andet trin 6, hvor 30 væsken strømmer langs skovlkanalerne 10. Mekanisk indvirkning mellem skovlene 9 og væsken tilvejebringer endnu større sugehøjde for den væske, der tilføres centrifugalpumpehjulet 7, medens væsken fra skovlkanalerne 10 i indsugningspumpehjulets andet trin 6 14705 5 11 ligeledes fører til centrifugalpumpehjulet 7, hvor sugehøjden for væsken forøges til det krævede niveau.

En sådan successiv forøgelse af sugehøjden af væsken bevirker en pumpedrift fri for kavitationsstalling af 5 pumpehjulet. Herefter føres væsken fra pumpehjulet 7 til afgangsorganet 3 og videre til en forsyningsledning.

Fig. 2 viser en anden udførelsesform for pumpen, hvor den udvendige diameter for indsugningspumpe- 10 hjulets første trin 11 og skruestigningen S| for skovlene 13 forøges i væskestrømmens retning. Ifølge principperne for geometrisk lighed vælges skruestigningen S .i for skovlene 13 i henhold til ligningen (3) , så at de passer til de løbende værdier af den udvendige 15 diameter Dj for indsugningshjulets første trin 11 og diameteren af dettes nav 12.

Pumpens drift er i dette tilfælde svarende til pumpen i fig. 1 med den undtagelse, at den krævede sugehøjde er lavere på grund af en mindre diameter af 20 det aksiale indsugningspumpehjuls første trin 11 ved tilgangen til dette, og at trykhøjden er noget højere på grund af en større diameter af dette indsugningspumpehjul 11 ved afgangen fra dette.

Fig. 3 viser en pumpe, hvor det aksiale indsug-25 ningspumpehjuls første trin 11 anvendes i et booster-trin. Pumpehjulet 11 er lejret fritbærende på den roterende drivaksel 5, der er lejret i et leje 15 i et rør 16 mellem indsugningspumpehjulet 11 og indsugningspumpehjulet 6. Pumpehjulet 11 har dimen-30 sioner svarende til ligningen (3): D' d! S! = k · ~ Z ,1 · S i D + d

Driften af pumpen er svarende til den i fig. 2 viste pumpe med den undtagelse, at strømningshastigheden formindskes på grund af tilvejebringelsen af

Claims (3)

147055 ekspansioner i røret 16, medens det statiske tryk af væsken forøges, hvilket forbedrer driftsbetingelserne for indsugningspumpehjulet 6 uden kavitations-stalling af dette. 5 Anvendelse af et boostertrin er navnlig rimeligt, når man skal modernisere eksisterende pumper, der er i brug i øjeblikket, til forøgelse af disses sugekapacitet .

1. Centrifugalpumpe af den art, hvor der på centrifugalpumpehjulets (7) aksel i indsugningskanalen (2) er fastgjort et to-trins aksialt indsugningspumpehjul (6, 11) med skrueformede skovle (9, 13), og hvor skruestigningen (S1) af skovlene (13) i det i strøm-15 ningsretningen første trin (11) er mindre end skruestigningen af skovlene (9) i det andet trin (6), kendetegnet ved, at yderdiameteren (D1) af det første trins skovle overalt er mindre end yderdiameteren (D) af det andet trins skovle, og at for-20 holdet (D'/D) mellem de to yderdiametre er helt eller i hovedsagen lig med forholdet (S'/S) mellem de tilhørende skruestigninger.

2. Centrifugalpumpe ifølge krav 1, kendetegnet ved, at indsugningspumpehjulets (6, 11) 25 første trin (11) har konstant diameter (D1) og konstant skruestigning (S1) i hele sin længde, og at dets diameter og skruestigning er mellem 50% og 90% af det andet trins (6) diameter og skruestigning ved tilgangen til dette trin.

3. Centrifugalpumpe ifølge krav 1, kende tegnet ved, at diameteren (D^) og skruestigningen ¢3^ ) i indsugningspumpehjulets (6, 11) første trin (11) vokser i pumpemediets strømningsretning, og at stigningen (S£) af dette trins skovle (13) er be-35 stemt ved ligningen: