DE3245766C2

DE3245766C2 - Als Turbine betriebene Kreiselpumpe

Info

Publication number: DE3245766C2
Application number: DE3245766A
Authority: DE
Inventors: Roland 6719 Obrigheim Apfelbacher; Dieter-Heinz Dr. 6718 Grünstadt Hellmann; Peter 6700 Ludwigshafen Hergt
Original assignee: Klein Schanzlin and Becker AG
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 1982-12-10
Filing date: 1982-12-10
Publication date: 1987-02-05
Also published as: FR2537662B1; IT1172437B; JPS59105972A; FR2537662A1; SE456106B; GB8332079D0; IT8323743A0; SE8306823D0; SE8306823L; IT8323743A1; DE3245766A1

Abstract

Die Erfindung hat eine Einrichtung zum Gegenstand, mit deren Hilfe eine als Turbine betriebene einstufige Kreiselpumpe auf mehreren Turbinenkennlinien betrieben werden kann. Zu diesem Zweck ist im Druckstutzen der Kreiselpumpe bzw. im Zulaufstutzen der Turbine ein ein- oder mehrteiliger Einsatz angeordnet, der durch Umwandlung der statischen Druckenergie in dynamische Strömungsenergie einen Betrieb auf verschiedenen Turbinenkennlinien ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Im Zuge der Energieeinsparung bzw. ökonomischeren Nutzung einer eingesetzten oder vorhandenen Energie werden auch Maßnahmen ergriffen, mit denen innerhalb eines Systems eine Energierückgewinnung erfolgt oder vorhandene Energie wirtschaftlich genutzt wird, z. B. mit einer als Turbine betriebenen Pumpe. Beispielsweise kommt es häufig in Wasserversorgungssystemen vor, daß innerhalb des Systems überschüssige Energie in Form von Druckhöhenenergie vorhanden ist. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn diese Druckhöhenenergie mittels einer als Turbine betriebenen standardisierten Kreiselpumpe zurückgewonnen und z. B. über einen damit verbundenen Generator in verwertbare Elektrizität umgewandelt wird. Das Problem ist hierbei die den Kreiselpumpen eigene Turbinenkennlinie, welche eine Anpassung an die jeweils gegebenen Strömungsverhältnisse erschwert. Denn das bei Kreiselpumpen übliche Abdrehen der Laufräder zur Erzeugung eines Rasterfeldes erweist sich beim Turbinenantrieb als wirkungslos, da damit zwar die Steigung der Turbinenkennlinie veränderbar ist, jedoch die Optimalwerte weitgehend erhalten bleiben. Andere bauliche Maßnahmen am Gehäuse bedingen erheblich höhere Kosten, womit der durch die in großen Stückzahlen vorhandenen und als Turbinen verwendbaren Kreiselpumpen bedingte wirtschaftliche Vorteil zunichte wird.
Aus der AT-PS 2 60 828 ist ein Maschinensatz für Pumpenspeicheranlagen bekannt, der mit einem Motorgenerator, einer in der Drehrichtung umkehrbaren Pumpturbine und mit einer Hilfsturbine versehen ist, wobei letztere die Funktion einer Anfahrturbine für den Pumpenbetrieb aufweist. Der Inhalt dieser Schrift befaßt sich ausschließlich mit dem Gegenstand dieser Anfahrturbine, wogegen über die Regelung der Pumpturbine nichts ausgesagt wird. Bei der Anfahrturbine handelt es sich um eine von innen nach außen durchströmte Bauart, deren Aufgabe es ist, beim kurzzeitigen Anfahrbetrieb ein hohes Abtriebsdrehmoment zum Beschleunigen der Schwungmassen zu erhalten. Für den Fall, daß das anzufahrende Pumpenlaufrad eine Synchrondrehzahl zwecks Kopplung mit dem Motorgenerator aufweisen muß, ist der Anfahrturbine ein Absperrorgan vorgeschaltet. Mittels Drosselung der Durchsatzströmung soll somit eine Regelung erlangt werden. Im übrigen wird der den Wirkungsgrad der Anlage verschlechternde Umstand hingenommen, daß die Antriebsenergie aus dem Speicherbecken bezogen werden muß.
Mit der DE-PS 6 05 291 ist die Osberger Turbine bekannt, bei der ein radial beaufschlagtes sowie durchströmtes Trommelrad mit mehreren unterschiedlich großen und über der Trommellänge verteilt angeordneten, verstellbaren Düsen versehen ist. Diese Bauweise ermöglicht zwar einen großen Regelbereich, erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand mit speziellen Gehäusegestaltungen.
Die DE-PS 1 25 635 zeigt bei Kreiselpumpen eine Regeleinrichtung, mit der der Querschnitt des axialen Saugmundbereiches des Laufrades unter Zuhilfenahme einer axial verschiebbaren Muffe verkleinert werden kann. Als Folge einer derartigen Quetschung der Strömung dürfte mit erheblichen Verwirbelungen und Wirkungsgradeinbußen zu rechnen sein.
Die CH-PS 1 27 351 zeigt eine mehrstufige Pumpturbine, die im Pumpenbetrieb mehrstufig betrieben wird und im Turbinenbetrieb nur noch ein Laufrad benutzt. Eine in dem Gehäuse befindliche Umschaltvorrichtung regelt die entsprechenden Strömungswege.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und wenig aufwendige Einrichtung zu entwickeln, mittels derer als Turbinen betriebene Kreiselpumpen in wenig beeinträchtigender Weise leicht an die jeweiligen Zulaufverhältnisse anpaßbar sind.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches. Hierdurch wird erreicht, daß auf der Zulaufseite der als Turbine betriebenen Kreiselpumpe mit dem ein- oder mehrteiligen Einsatz bei gleicher Flüssigkeitsmenge deren Geschwindigkeit erhöht und/oder deren Drall verändert werden kann. Je nachdem, wie strömungsbeeinflussend der Einsatz ausgebildet ist, kann durch einfaches Umrüsten angepaßter Einsätze oder durch ein während des Betriebes erfolgendes Verstellen des Einsatzes ein und dieselbe Pumpe als Turbine mit gutem Wirkungsgrad auf mehreren zueinander versetzten Turbinenkennlinien betrieben werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Einsatz von der Flanschseite her in den Druckstutzen der Pumpe einbringbar ist. So kann es bereits bei der Auslegung der Pumpe berücksichtigt werden oder ist nachträglich anbringbar, daß der Einsatz in einfachster Weise beispielsweise von einem einfachen Absatz am Druckstutzen gehalten wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Einsatz durch separate, in dem Zulaufstutzen angebrachte und von außen her zugängliche Öffnungen in den Druckstutzen der Pumpe einbringbar ist. Dies ermöglicht beispielsweise bei einer im System fest installierten, als Turbine betriebenen Kreiselpumpe, bei geänderten Zulaufverhältnissen eine Anpassung ohne Demontage der Rohrleitungen.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Form des Einsatzes an die Strömungsverhältnisse der Pumpe anpaßbar ist. Dies ermöglicht in einfacher Weise eine Optimierung der Zustromverhältnisse.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Einsatz verformbar ausgebildet ist und sein Querschnitt von außen verstellbar ist.
Andere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, daß der Einsatz einen düsenförmigen Querschnittsverlauf aufweist oder daß der Einsatz spanabhebend veränderbare Durchströmquerschnitte aufweist. Dies ergibt durch einfaches Aufreiben des Innendurchmessers, z. B. nach einer Tabelle, ein einfaches Anpassen an veränderte Zulaufverhältnisse.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigt die
Fig. 1 ein durch Abdrehen des Laufrades erhaltenes Kreiselpumpenkennfeld, die
Fig. 2 die hierzu gehörigen, beim Betrieb als Turbine auftretenden Kennlinien, die
Fig. 3 im Druckstutzen der Kreiselpumpe bzw. Zulaufstutzen der Turbine montierten Einsatz, die
Fig. 4 das mit einem Einsatz erreichbare Kennfeld und die
Fig. 5 bis 7 verschiedene mögliche Einsatzformen.
In Fig. 1 ist das übliche Q-H-Diagramm einer Kreiselpumpe bezogen auf den Volumenstrom Q und die Förderhöhe H im Punkte optimalen Wirkungsgrades bei Drehzahl n = konstant dargestellt. Kennlinie 1 entspricht dem originalen Laufrad mit maximalem Außendurchmesser, während die Kennlinien 2 bis 4 einem abgedrehten Laufrad mit kleinerem Außendurchmesser entsprechen. Diese Vielzahl der möglichen Kennlinien lassen die Entstehung eines Kennfeldes zu. In Fig. 2 sind in entsprechender Weise die Turbinenkennlinien dargestellt, wobei Linie 1 wiederum dem originalen Laufrad entspricht, während die lediglich eine andere Steilheit aufweisenden Kennlinien 2 bis 4 abgedrehten Laufrädern entsprechen.
In Fig. 3 ist anhand eines Kreiselpumpengehäuses 5 mit einem Laufrad 6 die Anbringung der Einsätze 7 dargestellt. Diese sind hier im Querschnitt hutförmig ausgebildet, wobei sie mit ihrem Rand 8 auf der Dichtfläche 9 des Druckstutzens bzw. Turbineneintrittsstutzens gelagert sind. Vorteilhaft für die Verwendung der Einsätze ist ein Druckstutzen mit möglichst geradlinigem Verlauf.
Die Fig. 4 zeigt das mit Hilfe der Einsätze erreichbare Kennfeld der als Turbine betriebenen Kreiselpumpe in einem entsprechend Fig. 1 aufgebauten üblichen Q-H-Diagramm.
Hierbei entspricht die Kurve 1 der Turbinenkennlinie mit dem originalen Laufrad einer unveränderten Kreiselpumpe. Die Kurve 10 stellt die Turbinenkennlinie dar, die mit dem in Fig. 3 dargestellten Einsatz 7 erreichbar ist. Sie könnte zum einen die Grenzkurve sein, bei der eine kleinere Kreiselpumpe eine entsprechende Turbinenkennlinie aufweist, sie könnte aber auch durch weitere Querschnittsveränderung des Teiles 7 innerhalb des Q-H-Diagrammes verlegt werden. Das schraffiert dargestellte Feld zwischen den beiden Turbinenkennlinien 1 und 10 wird in diesem Ausführungsbeispiel und ausgehend von Kurve 1 durch entsprechende Querschnittsverringerungen innerhalb des Einsatzes 7 erreicht. Bei unverändertem Pumpengehäuse 5 und Laufrad 6 ist somit in einfachster Weise ein Turbinenkennfeld erreichbar. Die das Feld begrenzenden, gestrichelt dargestellten Linien 11 und 12 entsprechend vorgegebenen Wirkungsgradlinien, innerhalb deren Grenzen ein wirtschaftlicher Einsatz erfolgt.
Fig. 5 zeigt einen Einsatz 7, der als einfacher rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist und stufenförmig ausgebildete Durchströmquerschnitte (13, 14, 15 ) aufweist. Innerhalb des Druckstutzens stützt sich der Einsatz 7 mit einem Absatz 16 auf einer entsprechenden gestalteten Partie des Druckstutzens ab. Zur Anpassung der als Turbine betriebenen Kreiselpumpe an die in einer Anlage vorherrschenden Bedingungen genügt es, z. B. durch Aufbohren nach einer Tabelle eine entsprechend notwendige Querschnittsfläche des Einsatzes 7 zu erlangen.
Fig. 6 zeigt einen als metallisches oder nichtmetallisches Gußteil, Prägeteil oder ähnlich einfach hergestellten Einsatz 7, der mit seinem Rand 8 an der Dichtfläche des Druckstutzens zur Anlage gelangt. Dadurch ist ohne großen Aufwand eine zusätzliche Zuströmgeschwindigkeitsveränderung in Richtung und Betrag möglich.
Fig. 7 zeigt einen aus elastischem Material bestehenden und zur Symmetrieachse des Druckstutzens asymmetrisch angeordneten Einsatz 7, der durch von außen aufbringbaren Druck in seiner Form veränderbar ist. Somit kann während des Betriebes der Durchströmquerschnitt verändert und die Turbine geregelt werden. Die Druckbeaufschlagung des Einsatzes 7 erfolgt durch die Bohrung 17.

Claims

1. Einstufige Kreiselpumpe radialer oder halbaxialer Bauart mit einer die Strömungsgeschwindigkeit beeinflussenden Gehäuse- bzw. Druckstutzenform, wobei die Kreiselpumpe als Turbine betrieben wird, wobei der Druckstutzen der Kreiselpumpe im Turbinenbetrieb als Turbineneintrittsstutzen dient und der Saugstutzen der Kreiselpumpe im Turbinenbetrieb als Turbinenaustrittsstutzen dient, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung an verschiedene Turbinenkennlinien der Druckstutzen als Aufnahme für einen die Geschwindigkeitsenergie der Durchsatzströmung verändernden Einsatz (7) ausgebildet ist.

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) von der Flanschseite her in den Druckstutzen der Pumpe einbringbar ist.

3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) durch separate, in den Druckstutzen der Pumpe angebrachte und von außen her zugängliche Öffnungen in den Druckstutzen der Pumpe einbringbar ist.

4. Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Einsatzes (7) an die Zuströmverhältnisse der Pumpe anpaßbar ist.

5. Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) verformbar ausgebildet und sein Querschnitt von außen verstellbar ist.

6. Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) einen düsenartigen Querschnittsverlauf aufweist.

7. Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) spanabhebend veränderbare Durchströmquerschnitte (13, 14, 15) aufweist.