DE2034427A1 - Pumpenanlage - Google Patents

Description

Bislang beschränkte sich die Verwendung von mit hohen Drehzahlen laufenden Zentrifugalpumpen zur Brennstoffversorgung von Turbinen-, triebwerken auf die Brennst off «änderung zum Nachbrenner. Diese Ein schränkung erklärt sich daraus, daß eine zentrifugalpumpe, die zur Erzeugung des richtigen Brennstoffdruckes bei Betriebsdrehzahl des Triebwerks ausgelegt ist, nicht in der Lage ist, einen ausreichenden Brennstoffdruck bis herab zur Zünddrehzahl des Triebwerks zu erzeugen (diese kann z.B. nur 10# der Arbeitsdrehzahl betragen), i Zentrifugalpumpen erscheinen jedoch äußerst vorteilhaft zur Brenn-! stofförderung für Plugzeug-Triebwerke, da sie leicht, platzsparend! und mit sehr hohen Drehzahlen-betreibbar sind und überdies, die sehr wichtige Eigenschaft haben, gegenüber den im Brennstoff enthalte- :

nen Verunreinigungen unempfindlich zu sein. ι

Es ist bekannt, daß eine nach dem Verdrängungsprinzip arbeitende Pumpe mit einer RÄdlalflügel-Zentrifugalpumpe kombiniert werden ' kann, um den Arbeitsbereich des Pumpensystems im Bereich niedriger

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ORIGINAL fNSP£GTI5D

Drehzahlen zu erweitern; die Verdrängungsuumcen sind jedoch äußerst empfindlich gegenüber Verunreinigungen im zu pumpenden Medium. Außerdem erfordern sie eine Zahnradgetriebe- und Kupplungsverbin- . : dung zum Antrieb der Pumpe, damit sie mit ihren optimalen Drehzahlen arbeiten können, während das Triebwerk mit einer sehr geringen: Drehzahl läuft, und dann abgeschaltet werden können, nachdem die Zentrifugalpumpe auf Betriebsdrehzahl gekommen ist. ■

Es ist weiterhin bekannt, daß Wirbelringpumpen, auch als Seitenkanalpumpen bekannt, Nachladepumpen und Nachladeturbinenpumpen · !eine Pumpencharakteristik aufweisen, bei welcher bei einer gege- ! benen Drehzahl der Druckkoeffizient umgekehrt proportional zum bezogenen Durchfluß ist. Der Druckkoeffizient ist eine direkte Funk-· tion des Pumpendruckes, während der bezogene Durchfluß gleich dem tatsächlichen Durchfluß dividiert durch den maximalen Durchfluß ist. Andererseits zeigt eine Zentrifugalpumpe bei einer gegebenen ; Drehzahl eine Pumpencharakteristik, bei der der Druckkceffizient :

bei allen Durchflußwerten im wesentlichen konstant ist. Das be-.deutet: Würde man eine Zentrifugalpumpe für alle Bedingungen ver- i

wenden und so auslegen, daß sie die bei der Zünddrehzahl des Triebj-

werks erforderlichen Werte für Durchfluß und Druck aufweist, so

da
wäre die Pumpe sehr groß,/bei allen rotationsdynamisehen Pumpen der Druck im wesentlichen proportional zum Quadrat der Drehzahl und der Durchfluß im wesentlichen proportional zur Drehzahl ist ; und Gasturbinen einen Drehzahlbereieh von 10:1 zwischen dem Beginn des Anlaufs und der Nenndrehzahl aufweisen., wobei die Leerlauf drehzahl etwa 5056 der Nenndrehzahl beträgt. Dies iiieße .also*. da3 dam die Pumpe bei normalem Betrieb .das Zehnfache öes

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lichen D-rehflusseE und das Hundertfache des erforderlichen Druckes erzeugen würce. Ζ.'ϊι·» Wirbelringpumpe würde natürlich die gleichen Nachteile bei diesen Arbeitsbedingungen zeigen.

Die Auf .al e der vorliegenden Ürfindunt; besteht darin, diesen Pro-

! bl einen gerecht z^ werden. Erfinclun^E^etr.ü£ wurde eine Pumpenanlage j . eGchuf fen, weljhe I£inla.i- und nuslaiöffn ingen für das Medi um auf- - weist, ferner eine RctationSi uni^v rrichtun.j;, welcher das Medium U er eine iiinlaßleitun_c zuceführt v;ird und tfelche das Medium unter Druck der Auiilaßleitung zuführt, wobei die Rotations_;:unu>vorrichtun£ innerhalb eines weiten Drehzahlbereiches angetrieben werden kann >;rui die Turapanla^e se austebildeu ist, da2 die R&tationspumpvorrichtun, erste und zweite ungleiche Pum.-en-aufweist, um den Aus- · la.:druck des Mediums innerhalb eines vorbestimmten Bereiches der

Druckwerte zu halten, dai die Laufräder der Pumpen an eine ^e- :r.einca:::e Antriebswelle angeschlossen sind, daj die entsprechenden

!Einlasse und Auslässe für das zu pumpende Medium parallel angeord-,

; net sind, um in Zusamnenwirkun^ den richtigen Druck zu erzeugen, und da3 die Pumpenanlage eine Folgesteuerungsvcrrlchtunt; aufweist, die derart beschaffen ist, dai3 bei sehr niedrigen Drehzahlen die erste Pumpe und bei höheren Drehzahlen die zweite Pumpe die Förderung übernimmt.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 der Zeichnungen stellt Vergleichskurven der Pumpendruckkoeffizienten als Funktion des bezogenen Durchflusses dar; : Fig. 2 stellt Vergleichskurven gemäß FIg. 1 für drei Drehzahlwerte: -.-·'" der Pumpe dar;

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Fig. j3 der Zeichnungen stellt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dar;

Pig. 4 stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.

Wie sich aus Pig. 1 und 2 der Zeichnungen ergibt, weist die Wirbel'

ringpumpe wegen ihrer inneren Nachladung einen wesentlich höheren ^! ' ' ι

j maximalen Druckkoeffizienten auf als die mit hoher Drehzahl laüfenj j de Zentrifugalpumpe. Ein Vergleich zwischen beiden ist;-aus Fig. 1 ! der Zeichnungen ersichtlich. Die Druckkurve der Zentrifugalpumpe ! erscheint hier flach; sie würde normalerweise mit gestrecktem Vertikalmaßstab dargestellt werden.

In Fig. 2 der Zeichnungen stellen die Linien N-, Np und N^ die Druckkurven einer Zentrifugalpumpe beim Andrehen, beim Zünden und bei Leerlaufdrehzahl dar. Die LinienN^, N*₂ und N¹, sind die entsprechenden Druckkurven der Wirbelringpumpe. Die gestrichelte Lini N stellt die Kurve des erforderlichen Druckes gegenüber dem Durchfluß für zunehmende Triebwerks-drehzahl dar.

Die Wirbelringpumpe ist so ausgelegt, daß sie im Punkt P- Brennstoff mit dem erforderlichen Druck liefern kann. Das Zentrifugalelement, das bei dieser Drehzahl einen sehr niedrigen Druck erzeugt, ist dabei mit Hilfe eines Auslaß-Rückschlagventils oder dergleichen abgeschaltet.

Am Punkt Pp der Triebwerks-Beschleunigungskurve weist die Ringpunp* «inen Druck und eine Fördereenge auf, welche die Erforder-

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nisse übersteigen. Es wäre deshalb ein Bypassventil erforderlich, , um überschüssigen Brennstoff zurück zum Pumpeneinlaß der Ring- ι pumpe zu leiten, so daß die Pumpe am Punkt P^f _p auf ihrer Drüekkurv^

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N¹ ₂ arbeiten kann. Bei dieser Drehzahl ist das Zentrifugalelement

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immer noch nicht in der Lage, genügend Druck zu liefern und verbleibt deshalb abgeschaltet. \

Am Punkt P, geht der größere Teil der Fördermenge der Ringpumpe über den Nebenschluß; bei dieser Drehzahl ist jedoch die Zentrifugalpumpe bereits in der Lage, den erforderlichen Druck zu liefern, so daß nunmehr die Ringpumpe abgeschaltet und entleert werden kann.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Pumpenanlage K wird die Pumpwirkung durch einen ein Flügelrad 14 aufweisenden Start abschnitt 12 und einen ein Flügelrad 18 aufweisenden Hauptabschnitt 1.6 erzielt. Die Räder 1 4 und 18 sind an einer Welle 20 angebracht mit dieser drehbar. Im vorliegenden Beispiel bilden die Räder 14 18 ein Stück; sie können jedoch auch einzeln an der Welle 20 angeschweißt oder mit dieser verbolzt werden. Die Welle 20 ist mittels Lagern 22 innerhalb des Pumpengehäuses drehbar gelagert; Dichtungen 24 dichten die Welle 20 gegenüber dem Medium ab.

Der Hauptabschnitt 16 steht über eine Leitung 26 mit eina? nicht dargestellten Quelle für das Medium in Verbindung, während die Lei-j tungen 28, 30 und j52 den Startabschnitt 12 mit der Leitung^ö verbinden. Die Strömung des Mediums durch die Leitungen 28 und 30 Wird durch ein Ventil 44 gesteuert. Die Abgabeleitung 34 für das

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Medium steht über eine Leitung 36 mit dem Hauptabschnitt 16 und
über eine Leitung 38 mit dem Startabschnitt 12 in Verbindung. Die . Kanäle oder Leitungen 36 und 38 werden durch Rückschlagventile 40
und 42 gesteuert, so daß in Betriebsbereichen, in denen nur ein |

Pumpenabschnitt das Medium unter Druck fördert, der andere Pumpen-! abschnitt nicht als Senke niederen Drucks wirken kann. Von der J Leitung 38 zweigt eine Rückführungsleitung 31 ab, die durch ein ! Bypaes-Rückschlagventil 33 gesteuert wird. Auf diese Weise wird
der überschüssige Pumpendurchfluß durch den Startabschnitt 12 im
Kreislauf geführt.

Das Absperrventil 44 stellt einen Bestandteil des Steuerventils 46 dar. Es ist so angeordnet, daß es auf den Druck des Mediums im Abgabekanal bzw. im Sammelring 48 des Hauptabschnitts l6 der Pumpe
anspricht. Ein Vorsteuerventil 50 ist derart elastisch vorgespannt daß es die Auslaßöffnung der Steuerleitung 52 schließt, die das
Steuerventil 46 mit dem Sammelring 48 verbindet. Bei Bewegung des
Vorsteuerventils 50 gelangt das im Kanal 48 unter Druck stehende
Medium auf das Ende des Kolbens 54 des Steuerventils 46 und bewegt. das Steuerventil 46 derart, daß der Einlaß der mit dem Absperrventil 44 versehenen Leitung 30 geschlossen wird.

Das Steuerventil 46 hat am Kolbenende 54 vorstehende Anschlagfinger 56, durch welche das Steuerventil 46 im Abstand vom Auslaß der Steuerleitung 53 gehalten werden kann. Auf/diese Welse kann das j unter Druck stehende Medium Im Sammelring 48 auf die gesamte
Fläche des Kolbens zur Einwirkung gebracht werden.Das Steuerventil 46 wird durch eine Feder 58 in Richtung zum Auslaß, der SteuerIeI-

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tung 52 gedrückt; das Versteuerventil 50 ist durch eine Feder 60 ^; !vorgespannt, um den vorgenannten Auslaß der Steuerleitung 52 zu schließen. Im Körper des Steuerventils 46 ist eine Leitung 62 vorgesehen, um Atmosohärendruck aus der Leitung 64 in den Einlaß der |

■ !

■ Leitung 30 zj leiten, wenn das Ventil 44 die Leitung 30 von der

'Pumpeneinaßleitunj 26 abgesperrt hat. Ferner ist im Körper des ' J derart

Steuerventils 46 eine ringförmige Ausnehmung 66/vorgesehen, das die Leitung 68 die Abgabeleitung 38 des Startabschnittes 12 der Pumpe mit der Ablaßleitung 70 verbinden kann, wenn sich das Absperrventil M4 auf seinem Sitz befindet. Somit kann, wenn Atmosphä··- ä

rendruck Über die Leitung 64 und durch die Leitung 62 zur Leitung i -;C gelanjt, das Fördermedium vom Pumpenrad des Startabschnittes

,abfließen.

In Fig. 4 der Zeichnungen ist eine andere Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Ausführungsform werden Einsatz und Betrieb des Flügelrades 114 des Startabschnittes durch eine Kupplung 146 gels teuert. Eine Leitung 128 verbindet die Puiapeneinlaßleitung 126 mit dem Rad 114 des Startabschnittes, während eine Leitung 13I zusätzliche Strömung vom Auslaß zum Einlaß des Rades 114 des Startf abschnittes leitet. Bei dieser Ausführungsform dient die Kupplung 146 dazu, das Flügelrad 114 des Startabschnittes mit der Welle 120 zu verbinden bzw. wieder davon zu lösen, wenn dessen Pumpwirkung ^; nicht mehr erforderlich ist. '

Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß die hler beschriebene Pumpen·- anlage aus vier getrennt voneinander wirkenden Elementen besteht, ;

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nämlich aus Leitungen,welche das Medium der Pumpe zuführen und von dieser abführen^einem Start-Laufrad und einem Haupt-Laufrad sowie einer Laufrad-Steuerungsvorrichtung. Bei der in Fig. 3 dargestell-

i ten Ausführungsform weist die Laufradstetmmg verschiedene strö- ' mungs-Steuerventile und Ablaßkanäle auf. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform hingegen weist die Laufradsteuerung eine [ Kupplung auf, mit welcher das Laufrad mit der Antriebswelle ver- ■

j bunden oder von dieser gelöst werden kann. Die bei der Ausführungst-

form nach Fig. 4 verwendete Kupplung 146 kann aus einer Fliehkraftkupplung bestehen, bei der die Verbindung zwischen JKU gangs- und Ausgangsteilen oberhalb eines gewählten Werts der Dreh-j geschwindigkeit gelöst und unterhalb der gewählten Geschwindigkeit!

geschlossen wird, beispielsweise durch eine elastische oder andere Vorspanneinrichtung. Die Kupplung 146 kann auch als elektromagne- j tisch betäti^bare Kupplung ausgestaltet sein, so daß immer dann ein ReibungsschluS besteht, wenn eine Elektromagnetspule erregt

ist. Die Erregung der Elektromagnetspule kann in Abhängigkeit von

ί der Drehzahl der Welle 120 manuell oder automatisch gesteuert wer-

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ι den. Beispiele für Kupplung/ der beiden genannten Arten wie auch

ί für andere Kupplungen sind bekannt, weshalb sich eine weitere Be- !
Schreibung erübrigt.

Im folgenden wird wieder auf die in Fig. ]5 dargestellte Ausführung^

j form bezug genommen, wenn man annimmt, daß -zunächst Medium durch i die Leitung 26 strömt, stellt sich die Arbeitsweise des Pumpen- ·. systems wie folgt dar: Bei Drehung der Welle 20 werden die Lauf- [ räder 14 und 18 gleichfalls in Umdrehung versetzt. Die Drehung des Rades 18 erzeugt ein geringes Druckgefälle am Flügelrad 18 und

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ist deshalb nur von geringer Wirkung. Das Rad 14 hingegen erzeugt < einen Sog, welcher Medium aus der Leitung 26 durch die Leitungen 28, 30 und 32 absaugt und eine Zunahme des Druckes in der Leitung 38 hervorruft. Das Start-Absperrventil 44 wird von der Einlaßöffnung der Leitung 30 weggezogen/ während das Start-Bypassventil 33 und das Absperrventil 42 in ihre geschlossene Lage vorgespannt bleiben. Wenn der Druck ein vorbestimmtes Minimum erreicht, öffnet sich das Rückschlagventil 42, und das Medium beginnt durch die Ausf laßleitung 34 zu strömen. Falls der Druck in der Leitung 38 zu | groß wird, öffnet sich das Bypassventil 33 und stellt einen Strö- j mungsumlauf her.

Während das Rad 14 damit begonnaihat, Medium durch die Auslaßleitung 35 zu pumpen, ist das Ventil 40 in geschlossener Lage verblieben, und der Druck im Sammelring 48 hat zu steigen begonnen. Bei einem vorbestimmten Punkt übersteigt der Druck im Sammelring 48 und in der Leitung 52 den Federdruck der Feder 60, und das Vorsteuerventil 50 wird vom Auslaß der Leitung 52 abgehoben. Das Medium drückt dann das Steuerventil 46 im Sinne der Figur nach rechti, wenn der Druck des Mediums die Kraft der Feder 58übersteigt. Wenn das Steuewentil nach rechts verlagert wird, wird die Leitung 68 über die ringförmige Ausnehmung 66 im Körper des Steuerventils mit der Ablaßleitung 70 verbunden, während der Einlaß der Leitung 30 gegenüber dem Medium geschlossen und über die Leitungen 62 und 64 mit der Außenluft in Verbindung gebracht wird. Die Rückschlagventile 33 und 42 schließen sich, wenn der Druck in der Leitung 38 unter den Schwellenwert dieser Rückschlagventile absinkt. Wenn

das Rad 14 fortfährt, sich zu drehen, pumpt es sich selbst über die Leitung 68 trocken, wodurch Widerstände durch im Startabschnitt 12 der Pumpe befindliches Medium vermieden werden.

Die Federkonstanten der das Vorsteuerventil 50, das Steuerventil ^:

46 und das Rückschlagventil 40 steuernden Federn sind so bemessen,, daß sie eine Bewegung der jeweiligen VenLile verhindern, bis das ; Rad 18 genügend Druck und Förderleistung erreicht hat, um den Brennstoffbedarf der zugehörigen Turbine decken zu können«

Die beschriebene Pumpenanlage verbindet die Vorteile nahezu vollständiger Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen mit dem Vor_r teil geringen Gewichts und vermindeiter Baugröße, da keine Getriebeverbindung zwischen Hauptpumpe und Startpumpe benötigt wird. Die Steuerventile und die Abgabe leitungen für das Medium brauchten wedejr groß noch nahe an den Flügelrädern angeordnet zu sein, so daß sie bezüglich Gewicht oder Baugröße keine merkliehen Probleme darstellen.

Bei der in Fig. 4 der Zeichnungen dargestellten Ausführ ungsform j wird das nacheinander erfolgende Einsetzen der beiden Teilpumpen statt mit dem Steuerventil 46 mit Hilfe einer Kupplung 146 erzielt Wenn Brennstoff-Verunreinigungen ein ernsthaftes Problem darstellen, kann durch den Wegfall des Steuerventils 46 die Pumpe noch weniger anfällig gegenüber derartigen Verunreinigungen; gemacht wer den, da die Kupplungsverbindung zwischen uem Rad 114 des Startabschnittes und der Welle 120 es ermöglicht, das Bad- während des größten Teils der Betriebszeit im StilMiand zu lasten*

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Wie Gich au*; den Fipi· j5 und k und der vorstehenden Beschreibung
chne weiteres ergibt, arbeiten die Räder im wesentlichen aufein- _; anderfoljjend und sind parallel zueinander derart angeordnet, daß _; cie im wesentlichen unabhängig voneinander arbeiten. Um jedoch ; eine kontinuierliche Pumpleistunr: zu erzielen, ist ein Überlappung^· iiereich vcr^enehen, in welchem jedes Rad einen Anteil an unter [

γ Druck stehendem Medium liefert. !

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Claims (6)

Patentansprüche

1.) Pumpenanlage mit Einlaßleitungen und Auslaßleitungen für das :

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zu pumpende Medium und einer Rotationspumpvorrichtung, welcher! das Medium über die Einlaßleitung zugeführt wird und welche dieses Medium unter Druck an die Auslaßleitung weitergibt, ' wobei die Rotationspumpvorrichtung innerhalb eines weiten Drehzahlbereiches angetrieben werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationspurapvorrichtung erste (IZ₉ 112) und zweite (16, 116) ungleiche Pumpen aufweist, um den Auslaß-' druck des Mediums innerhalb eines vorbestimmten Bereiches der | Druckwerte zu-halten, daß die Laufräder (14-18, 114-118) der Pumpen an eine gemeinsame Antriebswelle (2o) angeschlossen sind, daß die entsprechenden Einlasse und Auslässe für das zu pumpende Medium parallel angeordnet sind, um in Zusammenwirkung den richtigen Druck zu erzeugen, und daß die Pumpe eine Folgesteuerungsvorrichtung (46-146) aufweist₉ die derart beschaffen ist, daß bei sehr niedriger

Drehzahlen die erste Pumpe (12-112) und bei höheren Drehzahlen

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die zweite Pumpe (16-116) die Förderung übernimmt.

2. Pumpenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Pumpe aus einer Wirbelringpumpe (12-112) besteht, und daß die zweite Pumpe aus einer RadialflÜgel-Zentrifugalpumpe (16-116) besteht.

3. Pumpenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufräder der ersten (12) und der zweiten (16) Pumpe ständig mit der gemeinsamen Antriebswelle (2o) verbunden sind.

4. Pumpenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (16) eine die Strömung des Mediums steuernde Ventilvorrichtung aufweist, welche den Transport des Mediums zum Einlaß der ersten Pumpe (12) beendet, wenn der Druck des Mediums am Auslaß der zweiten Pumpe (16) einen vorbestimmten Wert erreicht.

5. Pumpenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilvorrichtung eine der ersten Pumpe (12) zugeordnete J Abiaßvorrichtung (62-66) aufweist, um den Einlaß und Auslaß (38) der ersten Pumpe mit der Atmosphäre (64) bzw. mit einem Ablaß (7o) für das Medium zu verbinden.

6. Pumpenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (114) der ersten Pumpe (112) mittels einer Kupplung (146) lösbar mit der Antriebswelle (2o) verbunden ist, um das Laufrad (114) der ersten Pumpe solange mit der Welle

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(2o) zu verbinden, wie deren Drehgeschwxndigkext einen, vorbe- ^! stimmten Wert nicht übersteigt, und das Laufrad (HU) der ersten : Pumpe von der Welle (2o) zu lösen, wenn die Drehgeschwindigkeit: ' der Welle den vorbestimmten Wert übersteigt, und daß das Lauf-

t rad (118) der zweiten Pumpe (116) ständig mit der Antriebswelle

(2o) verbunden ist.

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