DE652740C - Pumpwerk, welches durch eine Antriebsmaschine mit stark veraenderlicher Drehzahl und Antriebsleistung, beispielsweise durch eine Windturbine, angetrieben wird - Google Patents

Pumpwerk, welches durch eine Antriebsmaschine mit stark veraenderlicher Drehzahl und Antriebsleistung, beispielsweise durch eine Windturbine, angetrieben wird

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DE652740C
DE652740C DESCH107115D DESC107115D DE652740C DE 652740 C DE652740 C DE 652740C DE SCH107115 D DESCH107115 D DE SCH107115D DE SC107115 D DESC107115 D DE SC107115D DE 652740 C DE652740 C DE 652740C
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00Pumping installations or systems
    • F04D13/02Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/04Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid driven
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D1/00Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D1/006Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps double suction pumps

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Water Turbines (AREA)

Description

  • Pumpwerk, welches durch eine Antriebsmaschine mit stark ve ränderlicher Drehzahl und Antriebsleistung, beispielsweise durch eine Windturbine, angetrieben wird Kreiselpumpen, die beispielsweise als Schöpfwerkspumpen unmittelbar von Windturbinen angetrieben werden, müssen entsprechend den Schwankungen der Windgeschwindigkeit mit stark veränderlichen Drehzahlen arbeiten. Die von der Windturbine her, die ständig mit einem Bestwert ihres Wirkungsgrades arbeiten soll, zur Ver--fügung stehende Antriebsleistung verändert sich bei solchen Drehzahlschwankungen sehr stark, nämlich etwa mit der dritten Potenz de'r Drehzahl. Die Belastung der Windturbine durch die Kreiselpumpe muß sich daher, wenn die Windturbine ständig mit ihrem beste - n Wirkungsgrad weiterarbeiten soll, auch im Verhältnis der dritten Potenz der Drehzahl ändern. jede Veränderung der Belastung der Windturbine nach einem anderen Verhältnis als nach der dritten Potenz der Drehzahl hat zwangsläufig zur Folge, daß die Windturbine nunmehr mit einem schlechteren Wirkungsgrad arbeitet.
  • Die Förderhöhe bei Schöpfwerksanlagen, die sich aus der Differenz der Höhenlage von Unter- und Oberwasserspiegel ergibt, ist nur wenig oder gar nicht veränderlich. Bei einem windkraftgetriebenen Kreiselpumpenschöpf-, werk muß aber laut obigem, wenn ein möglichst günstiger Nutzeffekt für die gesamte Anlage erreicht werden und Pumpe und Turbine dauernd mit einem möglichst guten Wirkungsgrad arbeiten sollen, für die Kreiselpumpe die Bedingung erfüllt sein, daß sich bei einer Drehzahlveränderung die Leistungsaufnahme der Pumpe trotz der wenig oder gar nicht veränderlichen Förderhöhe etwa mit der dritten Potenz der Drehzahl ändert.
  • . Nun gilt zwar bei einer Kreiselpumpe das bekannte Gesetz »Die Antriebsleistung ändert sich mit der dritten Potenz der Drehzahl«. Es gilt aber nur unter der Voraussetzung, daß sich gleichzeitig die Fördermenge mit der ersten Potenz und die Förderhöhe mit der zweiten Potenz der Drehzahl ändern. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, behält auch der Pumpenwirkungsgrad bei Änderung der Drehzahl seinenBestwertunverändertbei.
  • Da nun bei Schöpfwerksanlagen die Förderhöhe lediglich von der Höhenlage des Unter- und Oberwasserspiegels abhängig ist, kann sie sich keinesfalls ohne weiteres. bei einer Drehzahländerung mit der zweiten Potenz der Drehzahl ändern. Dadurch gibt es für eine gewöhnliche Schöpfwerkskreiselpumpe nur eine einzige Drehzahl, bei welcher sie mit ihrem besten Wirkungsgrad arbeitet. Bei Unter- oder Überschreitung dieser Drehzahl weicht der Wirkungsgrad der Pumpe mehr oder wepiger von seinem Bestwert ab.
  • Zur näheren Erläuterung sind in Abb. III die H-Q-Kurven einer einstufigen Kreise]-: pumpe dargestellt.
  • Bei 500 U/min und bei 5 In Förderhöhe er-#** ,gibt sich folgender Betriebspunkt A: Drehzahl n 5oo-U/min Förderhöhe H 5 m Fördermenge Q 64 I/Sek. Wirkungsgrad 17 76 "/0 Leistungsbedarf IV 64 - 5 - 5,6--, PS.
  • 75-0,713 Bei Erhöhung der Drehzahl auf 8oo Ulmin errechnet sich nach dem Gesetz, daß sich die Fördermenge mit der ersten Potenz, die Förderhöhe mit der zweiten Potenz und die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl ändern, folgender Betriebspunkt C, auf dem der Wirkungsgrad der gleicht wie vorher bleibt: Drehzahl n = 8oo U/min Förderhöhe H = 12,8 m Fördermenge Q = io2,5 liSek. Wirkungsgrad ?i = 76'/o 2 1'->,8 - Leistungsbedarf N =- '0 '5' 2,3 PS-75-0,76 Da nun aber die FörderhAe. unveränderlich 5 m beträgt, kann die Pumpe bei 8oo Ulmin nicht im Betriebspunkt C arbeiten, sondern es wird sich der Betrfebspunkt B einstellen-. Drehzahl it 8oo U/min Förderhöhe H 5 m Fördermenge Q ift I/Sek. Wirkungsgrad 77 =SA'G Leistung.Iedarf N = #',' * #- = 29 PS.
  • 75 * 0537 Dieser Betriebspunkt hat zwei Nachteile, den schlechten Pumpenwirkungsgrad von nur 37 '/, und den zu lfohen Leistungsbedarf, der von 5,62 PS bei n = 5oo U/min auf :29 PS bei it # Soo UI/min gestiegen ist, also ineinem über der dritten Potenz liegenden Verhältnis der Drehzahlen, was zur Folge hat, daß nunmehr auch die Windturbine als Antriebsmaschine gezwungen wird, mit -einem ungünstigen Wirkungsgrad zu arbeiten.
  • Die Erfindung betrifft ein Pumpwerk, welchesr durch eine Antriebsmaschine mit stark veränderlicher Drehzahl und Antriebsleistung, beispielsweise. durch eine Windturbi.ne, angetrieben wird. Dieses ist im besonderen gekennzeichnet durch ein Hauptkreiselpumpenlaufrad, durch ein gleichachsig mit diesem angeordnetes Flüssigkeitsturbinenlaufrad, dessen Schaufeln in dem aus dem Hauptkreiselpumpenlaufrad austretenden Flüssigkeitsstrom liegen, sowie durch ein mit dem Flüssigkeitsturbinenlaufrad gekuppeltes und parallel zum Hauptkreiselpumpenlaufrad förderndes Zusatzkreiselp#mpenlaufrad.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist zunächst in Abb. I dargestellt. Es ist i eine Windnenanlage. :2 ist die Antriebswelle, die r ein Getriebe 3 die Pumpenwelle 4 antreibt. Auf dieser sitzt das Hauptkreiselpumpenlaufrad 5, das aus dem Unterwasser 6 schöpft und in das Oberwasser 7, somit auf eine wenig oder gar nicht veränderliche Förderhöhe H drückt. Das Lauf rad 5 umfassend ist ein Flüssigkeitsturbinenlaufrad 8 angeordnet, dessen Schaufeln wie bei einer von innen beaufschlagten Turbine ausgebildet sind. Das Turbinenlaufräd 8 -ist mitfels der Kröpfungg fest mit dem Zusatzkreiselpumpenlaufrad io verbunden, _welches lose auf der Welle 4 gelagert ist und parallel zum Hauptkreiselpumpenlaufrad 5 fördert.
  • Die Wirkungsweise des Pumpwerks ist folgende: Schon bei sehr geringer Windgeschwindigkeit, sobald die erreichte Drehzahl zur Erzeugung der Förderhöhe H genügt, -beginnt das Hauptkreiselpumpenlaufrad 5, das als Langsainläufer mit radialen Schaufeln ausgebildet sein kann, zu fördern. Das Flüssigkeitsturbinenlaufrad 8, durch welches das vom Laufrad 5 geförderte Wasser hindurchströmen muß, wird mit einer von der Durchflußmenge abhängigen Drehzahl in gleicher Drehrichtung wie das Laufrad 5 bewegt. Mit zunehmender Drehzahl des Laufrades 5, bei deren Erhöhung die Fördermenge und die Druckhöhe am Austritt »dieses Laufrades 5 steigen, während die Förderhöhe am Austritt des Turbinenlaufrades 8 entsprechend der Förderhöhe H unverändert bleibt, wächst auch die DrehzaAl des Turbinenlaufrades 8 und des Zusatzkreiselpumpenlaufrades io, so daß dieses ebenfalls zu fördern beginnt. - Da# bei wird ein Teil der Energie der Förderflüssigkeit beim Verlassen des Hauptkreiselpumpenlaufrades 5 zum Antrieb des- Zusatzkreiselpumpenlaufrades io benutzt.
  • Durch die Anordnung des Flüssigkeitsturbinenlaufrades 8 am Austritt des Hauptkreiselpumpenlaufrades 5 wird die zu überwindende Druckhöhe am Austritt dieses Laufrades 5 künstlich um die im Turbinenlaufrad S- wieder vernichtete Druckhöhe erhöht. Diese Druckhöhensteigerung läßt sich durch konstruktive Gestaltung des Turbinenlaufrades 8 und- des Zusatzkreiselpumpenlaufrades io so bemessen, daß das, Hauptkreiselpumpenlaufrad 5 im Bereich günstigen Wirkungsgrades arbeitet, z. B. im Betriebspunkte C des Kurvenblattes Abb. 111, in dem sein Leistungsbedarf mit der dritten Potenz der Drehzahl gewachsen ist, so daß auch die Leistungsabgabe der Windturbine im Bereich des besten Wirkungsgrades verbleibt.
  • Das Zusatzkreiselpumpenlaufrad io kann zweckmäßi- für eine höhere spezifische Drehzahl ausgebildet werden, so daß es im Bereich der höheren Drehzahlen möglichst mit gutem el Wirkungsgrad arbeitet.
  • Gegebenenfalls kann in Fällen sehr starker Schwankungen der Drehzahl hinter dem Ausgang aus dem Zusatzkreiselpumpenlaufrad io noch ein zweites Flüssigkeitsturbinenlaufrad angeordnet sein, das zum Antrieb eines dritten Zusatzkreiselpumpenlaufrades dient. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß auch das Pumpenlaufrad io selbst bei sehr starken Schwankungen der Drehzahlen dauernd im Gebiet günstigsten Wirkungsgrades arbeitet.
  • Um nun darzulegen, was durch die Ausbildung des Pumpwerks gemäß der Erfin - dun 'g gewonnen wird, sei nochmals auf die Abb. III verwiesen. Bei der auf 8oo U/min gesteigerten Drehzahl muß das Hauptkreiselpumpenlaufrad 5, um im Gebiet l;esten Wirkungsgrades zu bleiben, im Betriebspunkt C arbeiten. In diesem Betriebspunkt drückt dieses Laufrad eine Förderrnenge von ro2,5 1/Sek. auf eine Förderhöhe von 1:2,8 m. Da die tatsächlich zu überwindende unveränderliche Förderhöhe nur 5 m beträgt, steht somit ein Leistungsüberschuß von für den Antrieb des Zusatzkreiselpumpenlaufrades io vermittels der Flüssigkeitsturbine8 zur Verfügung. Bei Ausnutzung dieses Leistungsüberschusses mit einem angenommenen Wirkungsgrad von 7o0/, können vom Zusatzkreiselpumpenlaufrad io noch io8 I/Sek., von den beiden Laufrädern 5 und io zusammen also 102,5 + 108 = 210,5 I/Sek. auf 5 m Förderhöhe bei einem Leistungsbedarf von 23 PS gehoben werden, während ohne die zusätzlichen Einrichtungen gemäß der Erfindung von einer Kreiselpumpe im Betriebspunkt B nur 161 1[Sek. bei einem um 6 PS größeren Leistungsbedarf von 29 PS auf die Förderhöhe von 5 In gefördert werden könnten.
  • Gemäß der Erfindung kann man auch gemäß der Abb. II zwischen das Laufrad 5 und das Turbinenlaufrad 8 ein feststehendes Leitrad i i einschalten, welches durch entsprechende Foringebung seiner Schaufeln dem aus dem Laufrad5 ausströmenden Fördermittel eine beliebige Richtungsänderung geben kann, wodurch es sich erreichen läßt, die Drehzahlen der beiden Pumpenlaufräder 5 und i o beliebig gegeneinander zu verschieben.
  • Die Vorteile des Pumpwerks gemäß der Erfindung sind folgende: Die Wasserförderung kann infolge des als Langsamläufer ausgebildeten Hauptkreiselpumpenlaufrades bei den geringsten durch die Windturbine ausnutzbaren Windgeschwindigkeiten beginnen. Dadurch wird der Arbeitsbereich d-es Pumpwerks gerade in dem Gebiet der häufig vorkommenden kleinen Windgeschwindigkeiten wesentlich verbreitert, ohne daß dieser Vorteil durch mangelhaften Nutzeffekt bei größeren Windgeschwindigkeiten erkauft wird.
  • Die Pun#pe und auch die Windturbine arbeiten bis zu den größten praktisch ausnutzbaren Windgeschwindigkeiten im Bereich des besten Wirkungsgrades.
  • Beim Anfahren sind nur kleine Massen zu beschleunigen, nämlich nur das Laufrad 5. 'Infolgedessen ist das Anfahrdrehmoment sehr klein. Stoßweise Beanspruchungen der Windturbine und der Übertragungsteile werden dadurch vermieden.
  • Das Zusatzkreiselpurnpenlaufrad io beginnt bei Erreichung einer bestimmten Drehzahl selbsttätig zu fördern. Unzuverlässige mechanische Kupplungsvorrichtungen sind vermieden.
  • #Die Ausführung des gesamten Pumpwerks ist raumsparend und billig.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Pumpwerk, welches durch eine Antriebsmaschine mit stark veränderlicher Drehzahl und Antriebsleistung, beispielsweise durch eine Windturbine, angetrieben wird, gekennzeichnet durch ein Hauptkreiselpumpenlaufrad (5), durch ein gleichachsig mit diesem angeordnetes Flüssigkeitsturbinenlaufrad (8), dessen Schaufeln in dem aus dem Hauptkreiselpumpenlaufrad austretenden Flüssigkeitsstrom liegen, sowie durch ein mit dem Flüssigkeitsturbinenlaufrad gekuppeltes und parallel zum Hauptkreiselpumpenlaufrad förderndes Zusatzkreiselpumpenlaufrad (9). :2. Pumpwerk nach Anspruch i, gekennzeichnet durch ein zwischen dem Hauptkreiselpumpenlaufrad (5) und dem Flüssigkeitsturbine,nlaufrad (8) eingeschaltetes feststehendes Leitrad (ii).
DESCH107115D 1935-05-21 1935-05-21 Pumpwerk, welches durch eine Antriebsmaschine mit stark veraenderlicher Drehzahl und Antriebsleistung, beispielsweise durch eine Windturbine, angetrieben wird Expired DE652740C (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2416031A (en) * 1942-01-31 1947-02-18 Fmc Corp Centrifugal pump
DE1013986B (de) * 1954-09-06 1957-08-14 Kleinschanzlin Bestenbostel G Axial durchstroemte, mehrstufige Kreiselmaschine fuer Schiffsantriebe und Pumpen

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2416031A (en) * 1942-01-31 1947-02-18 Fmc Corp Centrifugal pump
DE1013986B (de) * 1954-09-06 1957-08-14 Kleinschanzlin Bestenbostel G Axial durchstroemte, mehrstufige Kreiselmaschine fuer Schiffsantriebe und Pumpen

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