EP0317687B1 - Centrifugal pump for cryogenic fluids - Google Patents
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- EP0317687B1 EP0317687B1 EP19870810695 EP87810695A EP0317687B1 EP 0317687 B1 EP0317687 B1 EP 0317687B1 EP 19870810695 EP19870810695 EP 19870810695 EP 87810695 A EP87810695 A EP 87810695A EP 0317687 B1 EP0317687 B1 EP 0317687B1
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- pump
- centrifugal pump
- rim
- inlet
- pump inlet
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/18—Rotors
- F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
- F04D29/2261—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures
- F04D29/2277—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures for increasing NPSH or dealing with liquids near boiling-point
Definitions
- the present invention relates to a centrifugal pump for cryogenic fluids. For every liquid that is to be pumped, it must be ensured that the pressure in it on the pump inlet side does not drop so far that its vapor pressure is reached. If this happens, gas bubbles form immediately.
- a liquid to be pumped must be kept at a pressure at any temperature which is sufficiently above its vapor pressure curve. For many liquids this is largely ensured due to their characteristic vapor pressure curves and due to the usual suction pressures at atmospheric pressure.
- cryogenic Fluids such as nitrogen, hydrogen, oxygen, etc. in liquid form
- NPSH Net Positive Suction Head
- the required size of the “Net Positive Suction Head (NPSH)” depends on the size, type and design of the pump and is usually indicated on the pump. If a cryogenic fluid is to be pumped from an atmospheric tank, this size of the NPSH determines how high the tank must be located opposite the pump in order to avoid cavities within the pumped fluid.
- cryogenic fluids are filled in pressure tanks in order to avoid the losses already mentioned as far as possible. Pumping out atmospheric tanks with cryogenic liquid content is therefore essential if you want to fill up a pressure tank.
- the tanks on a truck for transporting such cryogenic fluids are kept at a pressure of about 3 bar. Filling such a tank naturally also takes place under pressure, so that the fluid is basically pumped from a location of lower pressure to a location of higher pressure must become. The lower the liquid level in the atmospheric tank, the greater the pressure difference.
- Pumps for such purposes have an impeller, which is usually preceded by a pump inlet ring, called an inducer in the international technical language.
- This pump inlet ring is intended to slightly compress the fluid immediately in front of the pump impeller, i.e. to increase the NPSH.
- Conventional pump inlet rings or inducers are usually built similar to an Archimedes screw. They have a central pipe section as an axis of rotation, on the periphery of which one or more screw blades wind around the pipe section in a serpentine fashion. The pipe section is provided with a flow-optimized cap on the inlet side.
- the invention solves this problem with a centrifugal pump, which has the features of claim 1.
- FIG. 1 The essential features of the pump inlet ring can be seen in FIG. 1. It is essentially formed from a hollow cylindrical shaped piece 1.
- the wall of the hollow cylinder makes up about a quarter of the outside diameter. However, this size ratio can vary in both directions. Recesses are present in this hollow cylinder 1, so that helically extending lamellae 2 are formed which have a corresponding slope.
- the optimal gradient and operating speed is influenced by the fluid to be pumped and varies accordingly.
- the individual fins 2 are identical to one another and are all rooted in the wall of the hollow cylinder 1. Their ends 6 run out into sharp edges 3, which are intended to "cut off" the incoming liquid to a certain extent.
- the hollow cylindrical shaped part 1 is tapered on the pump side 7 and runs out into a hub 12, by means of which the pump inlet ring 1 can be fastened on a shaft.
- the hub 12 of the pump inlet ring is conical and its outer contour is rounded, so that it forms a flow-favorable transition to the suction opening of the impeller of the centrifugal pump.
- the taper on the outside of the hollow cylinder 1 begins from the area of the lamellae 2, so that they extend into the taper and are rooted in it.
- the lamella roots 14 are thus a little less wide than the actual lamellae, but the passages are created through the recesses between the lamellae 2, through which the liquid can exit axially from the pump inlet ring 1.
- the lamellae 2 are in their ends 6 in their Entirely on its periphery comprises a ring ring 8.
- the outside 9 of the ring rim 8 is flush with the outside 10 of the hollow cylinder 1.
- a labyrinth seal is formed by the grooves 11 in the outside 9 of the ring rim 8, the meaning of which will become clear later.
- the inlet-side edge 15 of the ring rim 8 can lie in the same plane as the ends 6 of the slats 2, or their edge edges 3.
- FIG 2 the same pump inlet collar 1 is shown essentially seen from the inlet side.
- the course of the individual lamellae 2 can be seen here, each of which extends helically with a certain slope towards its roots 14.
- the ends 6 of the slats 2 are designed such that they each end in a sharp edge 3.
- the directions in which these edges 3 run can also vary. If these are not radial, a better "cutting effect" is achieved. For this purpose, the edges 3 can be twisted in both directions from the radial. These directions are naturally determined by the gradient of the lamella conveying surfaces 13 in the radial direction in the region of the lamella ends 6.
- the ring rim 8 which is designed here as a labyrinth seal has an internal thread 16, by means of which it can be screwed onto the ends 6 of the slats 2 and thus can be replaced.
- grooves 17 are recessed in the axial direction, which are intended to transmit the torques from the pump shaft to the pump inlet ring 1.
- FIG. 3 shows how the pump inlet ring 1 is installed on the basis of a cross section of a corresponding pump for cryogenic fluids, which is however only partially shown.
- the pump inlet ring 1 is attached with its hub 12 to the pump shaft 18 and therefore rotates at the same speed as the actual pump impeller 19.
- the pump inlet rim 1 With its ring rim 8, the pump inlet rim 1 is mounted in a sealed manner in an enlarged suction nozzle 20, called diffuser in the international technical language.
- the sealing of the space in the area of the inlet of the pump inlet ring 1 from the area between the area where the fluid exits from the pump inlet ring 1 is required so that the compressed fluid does not return to the outside around the pump inlet ring 1 runs.
- the intake manifold 20 itself is designed on its inside 21 as an annular deflection channel.
- the deflection channel ensures that the direction of movement of the fluid is deflected in the axial direction with respect to the pump axis.
- the fluid arriving in front of the pump inlet ring 1 is thus, as it were, cut by the ends 6 of the lamellae 2, which are designed as blades.
- the liquid captured by the fin ends 6 is then conveyed radially outwards along the fin conveying surfaces 13 in the axial direction and additionally because of the rotation and the resulting centrifugal force. It is the centrifugal force that accelerates the fluid outwards towards the inner wall of the annular deflection channel 21, so that with a corresponding choice of the speed, the fluid is not only conveyed, but above all is also compressed.
- the advantage of the pump inlet collar 1 according to the invention can largely be seen in the fact that the axis of rotation is free at the inlet. None stands in the way of the incoming fluid and this does not turn into abrupt changes of direction forced, which would cause turbulent flows. In addition, certain moments of danger are eliminated.
- the lamellae 2 form an oscillating basket which to a certain extent represents a sieve for any washed-up particles.
- an actual cup-like sieve made of a wire mesh can also be inserted into the interior of the pump inlet ring 1.
- This sieve can be clamped directly with the screw that holds the pump inlet collar 1 on the pump shaft.
- the edge of the cup-shaped sieve can be drawn over the ends 6 of the slats 2, that is to say over their edges 3, and can be flush with the ring rim 8.
- the edge can also only be drawn to the beginning of the slat ends 6, so that its edges 3 remain free so as not to impair the "cutting effect".
- the particle therefore always remains trapped inside the pump inlet ring 1 and cannot generate any mechanical frictional heat. Due to the rotation, a constant compression of the fluid during the delivery is achieved in the pump inlet ring 1 according to the invention, so that gas bubble formation up to higher density differences between the inlet and outlet area is avoided in comparison with conventional inducers. Any cavities that nevertheless form will first occur in the area of the axis of rotation in the interior of the pump inlet ring 1, where they do not negatively influence the action of the inducer 1.
- the fluid After exiting the inducer 1, the fluid reaches the deflection channel or diffuser 21 in compressed form and is conveyed from there directly into the interior of the pump impeller 19.
- the efficiency of the present pump inlet ring 1 can be decisively influenced by the special design of the fins 2.
- the size ratios of the inside and outside diameter of the hollow cylinder 1 of the pump inlet ring 1, its length, the number of fins 2 and their thickness and pitch are important for the compression performance.
- the design of the individual lamellae 2, especially their lamella conveying surfaces 13, has an influence on the compression performance.
- the design of the lamella ends 6 and the course of their peripheral edges 3 also determine how much liquid can be detected per revolution at a given pressure.
- the lamella conveying surfaces 13 can be concavely curved, as is shown in FIG. 4 in a side view of a pump inlet ring 1 according to the invention.
- the curvature is advantageously designed in such a way that the radius of curvature decreases continuously towards the back against the lamella roots 14. Due to this shape of the lamella conveying surfaces 6, the pump inlet ring 1 has the character of a centrifugal basket 4.
- the liquid is not only conveyed with a uniform acceleration, but on the one hand by the centrifugal force accelerated towards the outside due to the rotation of the pump inlet ring 1 and at the same time the concave, parabolic curvature of the lamella conveying surfaces 13, due to the inertia of the liquid, causes an approximately uniform acceleration of the liquid axially to the rear. Both effects contribute to the compression of the fluid against the discharge from the pump inlet ring.
- FIG. 5 shows, in a partial section, a lamella 2, which is not only curved in a parabolic shape, but whose lamella conveying surface 13 also has a twist.
- the surface 13 is gradually rotated towards the lamella root 14 towards the periphery of the pump inlet ring 1. This promotes emptying or ejection of the delivered liquid in the radial direction, which is of course also suitable for increasing the compression effect towards the outside.
- the pump inlet ring 1 is advantageously cast.
- a pump inlet ring 1 was connected upstream of the pump impeller of a cryogenic pump, with which liquid nitrogen from an atmospheric tank at a Pumped down temperature of -195.8 degrees C.
- a temperature of -186.7 degrees C was measured immediately at the pump inlet, which corresponds to an NPSH of zero.
- the pump could be started without problems and came immediately to pressure, i.e. between pump inlet ring 1 and pump impeller 19 sufficient pressure was built up thanks to pump inlet ring 1 so that the liquid in front of pump impeller 19 had a pressure that was above the vapor pressure curve. No cavitation was found.
- cryogenic liquids can now be pumped out of atmospheric tanks, with an adequate "net positive suction head NPSH" being guaranteed.
- Corresponding storage tanks can therefore stand at ground level more cost-effectively and therefore in many cases also much closer to the pump or wherever the cryogenic fluid is desired to be removed. But this also brings a reduction in heat absorption, since the cryogenic lines become shorter and expensive insulation becomes less extensive.
- pump inlet rings according to the invention can be manufactured and used for left-hand or right-hand pumps.
Landscapes
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpe für cryogene Fluida. Bei jeder Flüssigkeit, die gepumpt werden soll, muss sichergestellt werden, dass der Druck in ihr auf der Pumpeneinlaufseite nicht soweit abfällt, dass ihr Dampfdruck erreicht wird. Geschieht das nämlich, so bilden sich sofort Gasblasen. Man spricht von sogenannten Kavitäten in der zu pumpenden Flüssigkeit. Treten solche Kavitäten im Bereich des Pumpenlaufrades einer Pumpe auf, so fällt die Pumpleistung drastisch ab. Man sagt, die Pumpe steigt aus. Um diese Effekte zu vermeiden, muss eine zu pumpende Flüssigkeit bei jeder Temperatur auf einem Druck gehalten werden, der genügend weit über ihrer Dampfdruckkurve liegt. Bei vielen Flüssigkeiten ist das wegen deren charakteristischen Dampfdruckkurven und aufgrund der üblichen Ansaugdrucke bei atmosphärischem Druck weitgehend sichergestellt. Bei flüchtigeren Flüssigkeiten, besonders sogenannten cryogenen Fluida, wie dies zum Beispiel Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff usw. in flüssiger Form sind, kommt man beim Pumpen sehr bald in jene Druckbereiche, wo unweigerlich Gasblasen entstehen, weil der Dampfdruck unterschritten wird. Es muss daher sichergestellt werden, dass immer eine genügende Druckdifferenz zwischen dem aktuellen Druck des zu pumpenden Fluides und dessen Dampfdruck vorhanden ist. Man spricht in der Fachsprache von "Net Positiv Suction Head (NPSH)", eben dieser Druckdifferenz auf der Eingangsseite der Pumpe. Die erforderliche Grösse des "Net Positiv Suction Head (NPSH)" ist abhängig von der Grösse, des Typs und der Bauart der Pumpe und ist in der Regel an jener angegeben. Soll ein cryogenes Fluid aus einem atmosphärischen Tank gepumpt werden, so bestimmt diese Grösse des NPSH, wie hoch der Tank gegenüber der Pumpe angeordnet sein muss, um Kavitäten innerhalb des gepumpten Fluids zu vermeiden.The present invention relates to a centrifugal pump for cryogenic fluids. For every liquid that is to be pumped, it must be ensured that the pressure in it on the pump inlet side does not drop so far that its vapor pressure is reached. If this happens, gas bubbles form immediately. One speaks of so-called cavities in the liquid to be pumped. If such cavities occur in the area of the pump impeller of a pump, the pump output drops drastically. They say the pump gets out. In order to avoid these effects, a liquid to be pumped must be kept at a pressure at any temperature which is sufficiently above its vapor pressure curve. For many liquids this is largely ensured due to their characteristic vapor pressure curves and due to the usual suction pressures at atmospheric pressure. For more volatile liquids, especially so-called cryogenic Fluids, such as nitrogen, hydrogen, oxygen, etc. in liquid form, are very soon reached when pumping in those pressure ranges where gas bubbles inevitably arise because the vapor pressure falls below. It must therefore be ensured that there is always a sufficient pressure difference between the current pressure of the fluid to be pumped and its vapor pressure. One speaks in technical jargon of "Net Positive Suction Head (NPSH)", precisely this pressure difference on the inlet side of the pump. The required size of the "Net Positive Suction Head (NPSH)" depends on the size, type and design of the pump and is usually indicated on the pump. If a cryogenic fluid is to be pumped from an atmospheric tank, this size of the NPSH determines how high the tank must be located opposite the pump in order to avoid cavities within the pumped fluid.
Im Anlagenbau ist die Erfüllung dieser Forderung natürlich mit zusätzlichem Aufwand verbunden, kann doch damit ein Tank nicht beliebig am Boden plaziert werden, sondern muss in der Regel auf spezielle Stahlkonstruktionen hinauf gebaut werden. Gerade bei Tanks von Volumen mit einigen Tausend Litern ist das natürlich mit beträchtlichen zusätzlichen Kosten verbunden. Aus Platzgründen muss ein solchermassen gelagerter Tank oft auch relativ weit entfernt von der Förderpumpe aufgestellt werden. Das wiederum bedingt eine äusserst gute und entsprechend kostspielige Isolation der Zufuhrleitung, da sonst durch Wärmeabsorption grosse Kälteverluste eintreten. Die Flüssigkeit im Tank absorbiert ohnehin ein gewisses Mass an Wärme während ihrer Lagerung, was zur Folge hat, dass Flüssigkeit verdampft und der Druck im Tank ansteigen würde, wäre er nicht atmosphärisch, also über ein Ventil mit der Atmosphäre verbunden. Andrerseits aber wäre es viel zu teuer, Tanks von solchen Grössenordnungen als Drucktanks zu bauen. Für Transportzwecke werden cryogene Fluida aber in Drucktanks gefüllt, um die oben bereits erwähnten Verluste möglichst zu vermeiden. Das Abpumpen von atmosphärischen Tanks mit cryogenem Flüssigkeitsinhalt ist deshalb unumgänglich, will man einen Drucktank auffüllen. Zum Beispiel werden die Tanks auf einem Lastwagen zum Transport von solchen cryogenen Fluida auf einem Druck von etwa 3 bar gehalten. Das Auffüllen eines solchen Tanks geschieht natürlich ebenfalls unter Druck, sodass also das Fluid grundsätzlich von einem Ort geringeren Drucks zu einem Ort höheren Drucks gepumpt werden muss. Die Druckdifferenz ist umso grösser, je tiefer der Flüssigkeitspegel im atmosphärischen Tank steht.In plant engineering, of course, fulfilling this requirement is associated with additional effort, since a tank cannot be placed anywhere on the floor, but usually has to be built on special steel structures. This is, of course, considerable for tanks with a volume of a few thousand liters additional costs. For reasons of space, a tank of this type often has to be set up relatively far away from the feed pump. This in turn requires an extremely good and correspondingly expensive insulation of the supply line, since otherwise large cold losses occur due to heat absorption. The liquid in the tank anyway absorbs a certain amount of heat during storage, which means that liquid evaporates and the pressure in the tank would increase if it were not atmospheric, i.e. connected to the atmosphere via a valve. On the other hand, it would be far too expensive to build tanks of this size as pressure tanks. For transport purposes, however, cryogenic fluids are filled in pressure tanks in order to avoid the losses already mentioned as far as possible. Pumping out atmospheric tanks with cryogenic liquid content is therefore essential if you want to fill up a pressure tank. For example, the tanks on a truck for transporting such cryogenic fluids are kept at a pressure of about 3 bar. Filling such a tank naturally also takes place under pressure, so that the fluid is basically pumped from a location of lower pressure to a location of higher pressure must become. The lower the liquid level in the atmospheric tank, the greater the pressure difference.
Pumpen für solche Zwecke weisen ein Laufrad auf, dem üblicherweise ein Pumpeneinlaufkranz, in der internationalen Fachsprache Inducer genannt, vorgeschaltet ist. Dieser Pumpeneinlaufkranz soll das Fluid unmittelbar vor dem Laufrad der Pumpe etwas verdichten, also den NPSH erhöhen. Herkömmliche Pumpeneinlaufkränze oder Inducer sind in der Regel ähnlich einer Archimedesschraube gebaut. Sie weisen ein zentrales Rohrstück als Drehachse auf, an dessen Peripherie sich schlangenlinienförmig ein oder mehrere Schraubenblätter um das Rohrstück herum winden. Auf der Einlaufseite ist das Rohrstück mit einer strömungsgünstigen Kappe versehen.Pumps for such purposes have an impeller, which is usually preceded by a pump inlet ring, called an inducer in the international technical language. This pump inlet ring is intended to slightly compress the fluid immediately in front of the pump impeller, i.e. to increase the NPSH. Conventional pump inlet rings or inducers are usually built similar to an Archimedes screw. They have a central pipe section as an axis of rotation, on the periphery of which one or more screw blades wind around the pipe section in a serpentine fashion. The pipe section is provided with a flow-optimized cap on the inlet side.
Die Praxis zeigt, dass sich an solcherart gebauten Pumpeneinlaufkränzen schon bei relativ geringen Umdrehungszahlen Gasblasen bilden. Diese Tatsache hat mit der durch den Pumpeneinlaufkranz erzwungenen Strömung des Fluids zu tun. Zum ersten wird das Fluid beim Eintritt in den Pumpeneinlaufkranz zu beträchtlichen Richtungsänderungen gezwungen, welche entsprechende Turbulenzen im Fluid verursachen. Auch an den Rändern der Schaufelblätter entsteht turbulente Strömung, welche lokale Druckabfälle unter den Dampfdruck des Fluids nach sich ziehen. Im Grenzbereich der zulässigen Umdrehungszahlen bilden sich sofort Gasblasen, die im weiteren Verlauf des Fluids in einem solchen herkömmlichen Pumpeneinlaufkranz nicht wieder eliminiert werden können. Es ist auch vorgeschlagen worden, als Inducer im Ansaugstutzen einer Zentrifugalpumpe einfach mitdrehende Scheiben oder mitdrehende Einlauftrichter anzubringen, wie dies zum Beispiel aus der DE-C-480'863 bekannt ist. Es dürfte klar sein, dass ein solcher Inducer den Druck der angesaugten Flüssigkeit nur wenig erhöhen kann, bevor diese in den Rotor der Zentrifugalpumpe eintritt. Aus der US-A-2'857'081 ist eine Zentrifugalpumpe mit einem Inducer bekannt geworden, der die Form einer Schraubenpumpe hat, mit einem an das Gehäuse nahe der Einsaugöffnung anschliessenden Dichtungsring. Die Ansaugöffnung selber hat aber eine verringerte Einlassbohrung, an die ein VenturiEinlassrohr angeschlossen ist.Practice shows that gas bubbles built in such a way form gas bubbles even at relatively low speeds. This fact has to do with the fluid flow forced by the pump inlet ring. First, the fluid is forced to undergo considerable changes in direction when entering the pump inlet ring, which causes corresponding turbulence in the fluid. Also arises at the edges of the shovel blades turbulent flow, which result in local pressure drops below the vapor pressure of the fluid. In the limit range of the permissible number of revolutions, gas bubbles form immediately, which cannot be eliminated again in the course of the fluid in such a conventional pump inlet ring. It has also been proposed to simply mount rotating discs or rotating inlet funnels as inducers in the intake manifold of a centrifugal pump, as is known, for example, from DE-C-480'863. It should be clear that such an inducer can only slightly increase the pressure of the aspirated liquid before it enters the rotor of the centrifugal pump. From US-A-2'857'081 a centrifugal pump with an inducer, which has the form of a screw pump, with a sealing ring adjoining the housing near the suction opening has become known. However, the suction opening itself has a reduced inlet hole to which a Venturi inlet pipe is connected.
Auch mit einem solchen Inducer lässt sich der Druck der von ihm geförderten Flüssigkeit nur relativ geringfügig erhöhen.Even with such an inducer, the pressure of the liquid it pumps can only be increased relatively slightly.
Es ist daher die Aufgabe, der vorliegenden Erfindung einen Pumpeneinlaufkranz, insbesondere für Pumpen von cryogenen Fluida zu schaffen, der im Stande ist, den Druck der von ihm geförderten Flüssigkeit soweit zu erhöhen, dass die an der Ansaugseite der Pumpe noch vorhandenen Gasbläschen abgebaut werden, bevor sie zur Ansaugseite des Zentrifugalpumpenrotors gelangen.It is therefore the object of the present invention to provide a pump inlet collar, in particular for pumps of cryogenic fluids, which is capable of increasing the pressure of the liquid it pumps so far that the gas bubbles still present on the suction side of the pump are broken down, before they get to the suction side of the centrifugal pump rotor.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Zentrifugalpumpe, welche die Merkmale des Patentanspruches 1 aufweist.The invention solves this problem with a centrifugal pump, which has the features of
In den Zeichnungen sind beispielsweise Ausführungen der erfindungsgemässen Pumpe dargestellt und anhand der nachfolgenden Beschreibung im einzelnen erläutert.In the drawings, for example, embodiments of the pump according to the invention are shown and explained in detail on the basis of the following description.
Es zeigt:
Figur 1- Einen Pumpeneinlaufkranz in perspektivischer Ansicht;
Figur 2- den Pumpeneinlaufkranz von
Figur 1 mehr von der Einlaufseite her gesehen; Figur 3- eine Zentrifugalpumpe mit einem Pumpenlaufrad dem vorgeschalteten Pumpeneinlaufkranz im Querschnitt in vereinfachter Darstellung;
Figur 4- einen Pumpeneinlaufkranz in Seitenansicht mit konkav geformten Lamellen-Förderflächen und
- Figur 5
- einen Pumpeneinlaufkranz andeutungsweise mit einer verwundenen Lamellen-Förderfläche.
- Figure 1
- A pump inlet ring in a perspective view;
- Figure 2
- seen the pump inlet ring of Figure 1 more from the inlet side;
- Figure 3
- a centrifugal pump with a pump impeller, the upstream pump inlet ring in cross section in a simplified representation;
- Figure 4
- a pump inlet collar in side view with concave-shaped lamella conveying surfaces and
- Figure 5
- a pump inlet ring with a twisted lamella conveying surface.
Die wesentlichen Merkmale des Pumpeneinlaufkranzes sind in der Figur 1 ersichtlich. Im wesentlichen ist er aus einem hohlzylindrischen Formstück 1 gebildet. Die Wandung des Hohlzylinders macht hier etwa einen Viertel des Aussendurchmessers aus. Dieses Grössenverhältnis kann jedoch in beiden Richtungen variieren. In diesem Hohlzylinder 1 sind Ausnehmungen vorhanden, so dass schraubenlinienförmig verlaufende Lamellen 2 gebildet sind, die eine entsprechende Steigung aufweisen. Die optimale Steigung und Betriebs-Drehzahl wird vom zu pumpenden Fluid beeinflusst und variiert entsprechend. Die einzelnen Lamellen 2 sind zueinander identisch und wurzeln alle in der Wandung des Hohlzylinders 1. Ihre Enden 6 laufen in scharfe Kanten 3 aus, die dazu bestimmt sind, die ankommende Flüssigkeit gewissermassen "abzuschneiden". Es versteht sich, dass die einzelnen Lamellen 2 in Laufrichtung des Pumpeneinlaufkranzes gesehen eine gewisse Dicke aufweisen müssen, um deren Stabilität im Betrieb zu gewährleisten. Pumpenseitig 7 ist das hohlzylindrische Formstück 1 verjüngt und läuft in eine Nabe 12 aus, mittels welcher der Pumpeneinlaufkranz 1 auf einer Welle befestigbar ist. Die Nabe 12 des Pumpeneinlaufkranzes ist konisch ausgebildet und ihre Aussenkontor ist gerundet, so dass sie einen strömgungsgünstigen Uebergang zur Ansaugöffnung des Laufrades der Zentrifugalpumpe bildet. Die Verjüngung an der Aussenseite des Hohlzylinders 1 beginnt noch vom Bereich der Lamellen 2 an, sodass jene in die Verjüngung hineinreichen und in dieser wurzeln. Die Lamellenwurzeln 14 werden dadurch etwas weniger breit als die eigentlichen Lamellen, dafür werden durch die Ausnehmungen zwischen den Lamellen 2 Durchgänge geschaffen, durch welche die Flüssigkeit axial aus dem Pumpeneinlaufkranz 1 austreten kann. Zur Aufnahme der Flieh- und Raktionskräfte beim Pumpbetrieb, wenn der Pumpeneinlaufkranz 1 rotiert, sowie zu Dichtungszwecken, sind die Lamellen 2 im Bereich ihrer Enden 6 in ihrer Gesamtheit an ihrer Peripherie von einem Ringkranz 8 umfasst. Die Aussenseite 9 des Ringkranzes 8 ist bündig mit der Aussenseite 10 des Hohlzylinders 1. Durch die Rillen 11 in der Aussenseite 9 des Ringkranzes 8 ist eine Labyrinthdichtung gebildet, deren Bedeutung später klar wird. Der einlaufseitige Rand 15 des Ringkranzes 8 kann in der gleichen Ebene liegen wie die Enden 6 der Lamellen 2, beziehungsweise deren Randkanten 3.The essential features of the pump inlet ring can be seen in FIG. 1. It is essentially formed from a hollow cylindrical
In Figur 2 ist der gleiche Pumpeneinlaufkranz 1 im wesentlichen von der Einlaufseite her gesehen gezeigt. Hier ist der Verlauf der einzelnen Lamellen 2 erkennbar, die je schraubenlinienförmig mit einer gewissen Steigung gegen ihre Wurzeln 14 hin verlaufen. Die Enden 6 der Lamellen 2 sind derart gestaltet, dass sie je in eine scharfe Kante 3 auslaufen. Die Richtungen, in der diese Kanten 3 verlaufen, können ebenfalls variieren. Wenn diese nicht radial verlaufen, wird ein besserer "Schneideffekt" erzielt. Zu diesem Zweck können die Kanten 3 von der Radialen aus in beiden Richtungen verdreht sein. In natürlicher Weise werden diese Richtungen mitbestimmt von der Steigung der Lamellen-Förderflächen 13 in der radialen Richtung im Bereich der Lamellenenden 6. Der Ringkranz 8, welcher hier als Labyrinthdichtung ausgebildet ist, weist ein Innengewinde 16 auf, mittels dessen er über die Enden 6 der Lamellen 2 aufschraubbar und somit auswechselbar ist. In der Nabe 12 sind in axialer Richtung Nuten 17 ausgenommen, die dazu bestimmt sind, die Drehmomente von der Pumpenwelle auf den Pumpeneinlaufkranz 1 zu übertragen.In Figure 2, the same
Wie der Pumpeneinlaufkranz 1 eingebaut wird, zeigt Figur 3 anhand eines Querschnittes einer jedoch nur teilweise dargestellten entsprechenden Pumpe für cryogene Fluida. Der Pumpeneinlaufkranz 1 ist mit seiner Nabe 12 auf die Pumpenwelle 18 aufgesteckt und dreht daher mit gleicher Drehzahl wie das eigentliche Pumpenlaufrad 19. Es ist jedoch auch denkbar, den Pumpeneinlaufkranz 1 mit einer separaten Welle anzutreiben, so dass auch andere Betriebsdrehzahlen als jene des Pumpenlaufrades 19 möglich sind. Mit seinem Ringkranz 8 ist der Pumpeneinlaufkranz 1 in einem vergrösserten Ansaugstutzen 20, in der internationalen Fachsprache Diffuser genannt, dichtend gelagert. Die Abdichtung des Raumes im Bereich des Einlaufes des Pumpeneinlaufkranzes 1 vom Raum zwischen dem Bereich, wo das Fluid aus dem Pumpeneinlaufkranz 1 austritt, ist erforderlich, damit das verdichtete Fluid nicht aussen um den Pumpeneinlaufkranz 1 herum wieder zurück vor jenen rinnt. Der Ansaugstutzen 20 selbst ist auf seiner Innenseite 21 als ringförmiger Umlenkkanal gestaltet. Infolge der Rotation des Pumpeneinlaufkranzes 1 wird dem Fluid unweigerlich eine Zirkulation um die Pumpenachse mitgegeben. Der Umlenkkanal sorgt dafür, dass die Bewegungsrichtung des Fluids in die bezüglich der Pumpenachse axiale Richtung umgelenkt wird. Das vor dem Pumpeneinlaufkranz 1 ankommende Fluid wird also von den wie Schaufeln ausgebildeten Enden 6 der Lamellen 2 gewissermassen schneidend erfasst. Die von den Lamellenenden 6 erfasste Flüssigkeit wird dann längs der Lamellen-Förderflächen 13 in axialer Richtung nach hinten und zusätzlich wegen der Rotation und der daraus resultierenden Zentrifugalkraft radial nach aussen hin gefördert. Es ist die Zentrifugalkraft, welche das Fluid nach aussen zur Innenwand des ringförmigen Umlenkkanals 21 hin beschleunigt, so dass bei entsprechender Wahl der Drehzahl das Fluid nicht nur gefördert, sondern vor allem auch verdichtet wird. Der Vorteil des erfindungsgemässen Pumpeneinlaufkranzes 1 ist zum grössten Teil darin zu sehen, dass die Drehachse beim Einlauf frei ist. Nichts stellt sich hier dem ankommenden Fluid in den Weg und dieses wird demnach auch nicht zu abrupten Richtungsänderungen gezwungen, was turbulente Strömungen verursachen würde. Zusätzlich werden auch gewisse Gefahrenmomente eliminiert. Bei herkömmlichen Pumpeneinlaufkränzen können grössere mechanische Partikel, welche möglicherweise im Fluid mitgeschwemmt werden, voll zwischen die fördernden Schaufeln gelangen und dort verklemmen. In einem solchen Fall wird sofort viel Reibungswärme erzeugt. Es entsteht Gas und eine erhebliche Explosionsgefahr ist unvermeidlich. Bei Fluida wie zum Beispiel Sauerstoff oder Wasserstoff fällt dabei ein beträchtliches Gefahrenpotential an. Durch die Wucht einer allfälligen Explosion kann die Pumpe Zerrissen werden. Beim erfindungsgemässen Pumpeneinlaufkranz 1 bilden die Lamellen 2 einen Schwingkorb, der gewissermassen ein Sieb für allfällig angeschwemmte Partikel darstellt. Bei besonders gefährlichen Fluida kann ausserdem ins Innere des Pumpeneinlaufkranzes 1 ein eigentliches becherartiges Sieb aus einem Drahtgitter eingesetzt sein. Dieses Sieb kann direkt mit der Schraube, weiche den Pumpeneinlaufkranz 1 auf der Pumpenwelle festhält, verklemmt sein. Der Rand des becherförmigen Siebes kann über die Enden 6 der Lamellen 2, das heisst über ihre Kanten 3 gezogen sein und bündig an den Ringkranz 8 anschliessen.FIG. 3 shows how the
In einer anderen Ausführung kann der Rand aber auch nur bis zum Beginn der Lamellenenden 6 gezogen sein, sodass deren Kanten 3 frei bleiben, um den "Schneideffekt" nicht zu beeinträchtigen. Das Partikel bleibt somit stets im Innern des Pumpeneinlaufkranzes 1 gefangen und kann keine mechanische Reibungswärme erzeugen. Durch die Rotation wird beim erfindungsgemässen Pumpeneinlaufkranz 1 eine stetige Verdichtung des Fluids während der Förderung erzielt, sodass die Gasblasenbildung im Vergleich zu herkömmlichen Inducern bis zu höheren Dichtedifferenzen zwischen dem Einlauf- und Austrittsbereich vermieden wird. Allfällig sich trotzdem bildende Kavitäten werden zuerst im Bereich der Drehachse im Innern des Pumpeneinlaufkranzes 1 anfallen, wo sie die Wirkung des Inducers 1 nicht negativ beeinflussen. Nach dem Austritt aus dem Inducer 1 gelangt das Fluid verdichtet in den Umlenkkanal oder Diffuser 21 und wird von dort direkt ins Innere des Pumpenlaufrades 19 weitergefördert. Der Wirkungsgrad des vorliegenden Pumpeneinlaufkranzes 1 kann durch die spezielle Ausgestaltung der Lamellen 2 entscheidend beeinflusst werden.In another embodiment, the edge can also only be drawn to the beginning of the slat ends 6, so that its
Neben der Grösse, den Grössenverhältnissen der Innen- und Aussendurchmesser des Hohlzylinders 1 des Pumpeneinlaufkranzes 1 sind dessen Länge, die Anzahl der Lamellen 2 sowie deren Dicke und Steigung für die Verdichtungsleistung von Bedeutung. Im besonderen aber hat auch die Ausgestaltung der einzelnen Lamellen 2, vorallem deren Lamellen-Förderflächen 13, Einfluss auf die Verdichtungsleistung. Auch die Gestaltung der Lamellenenden 6 und der Verlauf von deren Randkanten 3 bestimmt, wieviel Flüssigkeit pro Umdrehung bei einem gegebenen Druck erfasst werden kann.In addition to the size, the size ratios of the inside and outside diameter of the
Um eine stetige Beschleunigung der von den Lamellenenden 6 ergriffenen Flüssigkeit zu gewährleisten, können die Lamellen-Förderflächen 13 konkav gekrümmt sein, wie dies in Figur 4 in einer Seitenansicht eines erfindungsgemässen Pumpeneinlaufkranzes 1 gezeigt ist. Die Krümmung ist hierbei mit Vorteil so gestaltet, dass der Krümmungsradius nach hinten gegen die Lamellenwurzeln 14 hin stetig abnimmt. Der Pumpeneinlaufkranz 1 hat durch diese Formgebung der Lamellen-Förderflächen 6 noch vermehrt den Charakter eines Schleuderkorbes 4. Die Flüssigkeit wird nicht nur mit einer gleichförmigen Beschleunigung gefördert, sondern einerseits durch die Zentrifugalkraft infolge der Rotation des Pumpeneinlaufkranzes 1 gegen aussen hin beschleunigt und gleichzeitig bewirkt die konkave, parabelförmige Krümmung der Lamellen-Förderflächen 13 aufgrund der Massenträgheit der Flüssigkeit eine etwa gleichförmige Beschleunigung der Flüssigkeit axial nach hinten. Beide Wirkungen tragen zur Verdichtung des Fluides gegen den Austritt aus dem Pumpeneinlaufkranz hin zu.In order to ensure a constant acceleration of the liquid seized by the lamella ends 6, the
Figur 5 schliesslich zeigt in einem Teilschnitt andeutungsweise eine Lamelle 2, welche nicht nur parabelförmig gekrümmt ist, sondern deren Lamellen-Förderfläche 13 zusätzlich auch eine Verwindung aufweist. Die Fläche 13 ist in Richtung gegen die Lamellenwurzel 14 hin allmählich gegen die Peripherie des Pumpeneinlaufkranzes 1 hin verdreht. Dadurch wird ein Ausleeren beziehungsweise Auswerfen der geförderten Flüssigkeit in radialer Richtung begünstigt, was natürlich ebenfalls geeignet ist, den Verdichtungseffekt gegen aussen hin zu steigern.Finally, FIG. 5 shows, in a partial section, a
In der Praxis wird der erfindungsgemässe Pumpeneinlaufkranz 1 vorteilhaft gegossen. In Messversuchen wurde ein solcher Pumpeneinlaufkranz 1 vor das Pumpenlaufrad einer cryogenen Pumpe vorgeschaltet, mit welcher dann flüssiger Stickstoff aus einem atmosphärischen Tank bei einer Temperatur von -195,8 Grad C abgepumpt wurde. Unmittelbar beim Pumpeneinlauf wurde eine Temperatur von -186,7 Grad C gemessen, was einem NPSH von Null entspricht. Der korrespondierende Dampfdruck beträgt dort 2,55 bar. Die Pumpe konnte ohne Probleme gestartet werden und kam sofort auf Druck, das heisst, zwischen dem Pumpeneinlaufkranz 1 und dem Pumpenlaufrad 19 wurde dank dem Pumpeneinlaufkranz 1 genügend Druck aufgebaut, dass die Flüssigkeit vor dem Pumpenlaufrad 19 einen Druck aufwies, der über der Dampfdruckkurve lag. Kavitation wurde keine festgestellt.In practice, the
Durch die Verwendung von erfindungsgemässen Inducern können cryogene Flüssigkeiten jetzt aus atmosphärischen Tanks abgepumpt werden, wobei ein ausreichender "Net Positiv Suction Head NPSH" gewährleistet ist. Entsprechende Lagertanks können deshalb kostengünstiger auf Bodenhöhe stehen und daher in vielen Fällen auch viel näher bei der Pumpe, beziehungsweise dort, wo das cryogene Fluid abzunehmen gewünscht wird. Das aber bringt auch eine Reduktion der Wärmeabsorbtion, da die cryogenen Leitungen kürzer werden und teure Isolationen werden weniger umfangreich.By using inducers according to the invention, cryogenic liquids can now be pumped out of atmospheric tanks, with an adequate "net positive suction head NPSH" being guaranteed. Corresponding storage tanks can therefore stand at ground level more cost-effectively and therefore in many cases also much closer to the pump or wherever the cryogenic fluid is desired to be removed. But this also brings a reduction in heat absorption, since the cryogenic lines become shorter and expensive insulation becomes less extensive.
Selbstverständlich können erfindungsgemässe Pumpeneinlaufkränze für linksdrehende oder rechtsdrehende Pumpen hergestellt und eingesetzt werden.Of course, pump inlet rings according to the invention can be manufactured and used for left-hand or right-hand pumps.
Claims (9)
- Centrifugal pump for cryogenic fluids, characterised in that it Comprises a suction connection (20) enlarging after the inlet, in which a co-rotating pump inlet rim (1) is located, which has substantially the shape of a hollow cylinder (10), which passes into a conical hub (12), that curved slots leading to the hub are located in the hollow cylinder, between which vanes (2) curved in a helical manner remain, that the hollow cylindrical part of the inlet rim is installed with its opening adjoining the inlet opening of the suction connection and that provided in the enlarged suction connection, in the region of the curved slots, is an annular guide channel (21), which is aligned with the inlet opening of the centrifugal pump.
- Centrifugal pump according to Claim 1, characterised in that the pump inlet rim has the same direction of rotation as the impeller or the centrifugal pump and that the curvature of the slots of the inlet rim is directed so that it increases the pressure of the fluid sucked-in before entering the impeller of the centrifugal pump and at the same time imparts a spin in the direction of travel of the centrifugal pump impeller to the fluid.
- Centrifugal pump according to Claim 1, characterised in that on its inlet side the pump inlet rim (1) is provided with an annular rim (8), which is provided on its outer periphery (9) with annular grooves (11), which form a labyrinth seal on the bore of the inlet opening of the suction connection.
- Centrifugal pump according to Claim 1, characterised in that the vanes (2) or the pump inlet rim (1) comprise ends (6) at the suction side, which are shaped as blades, whereof the rims taper into pointed edges (3).
- Centrifugal pump according to Claim 1, characterized in that the conveying surfaces (13) of the vanes of the pump inlet rim in the direction of travel are concave from the root of the vane (14) to the end of the vane (6).
- Centrifugal pump according to Claim 1, characterized in that the ends (6) of the vanes of the pump inlet rim are formed as blades, whereof the edges taper into pointed edges (3).
- Centrifugal pump according to Claim 1, characterized in that the edges (3) of the pump inlet rim forming the border of the ends (6) of the vanes lie in a radial plane with respect to the pump inlet rim (1).
- Centrifugal pump according to Claim 1, characterized in that the conveying surfaces (13) of the vanes of the pump inlet rim in the direction of travel are curved in a concave manner in cross-section transversely to the vanes (2).
- Centrifugal pump according to Claim 1, characterized in that the outer contour of the conical hub (12) of the pump inlet rim is rounded and forms a transition to the suction opening of the impeller of the centrifugal pump, which promotes flow.
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