DE2558275C3 - Vorrichtung zur hydraulischen Förderung von Feststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydraulischen Förderung von Feststoffen aus großen Meerestiefen, wobei ein Feststoff-Wassergemisch auf Grund des hydrostatischen Wasserdruckes in einer Förderleitung bis auf eine Zwischenhöhe gefördert wird, auf der an die Förderleitung eine mehrstufige Zentrifugalpumpe mit ihrer Saugseite angeschlossen ist die das zu fördernde Gut in einer Druckleitung mindestens nahezu auf oder über Wasserspiegelniveau fördert

Zur Förderung von Erzknollen aus großen Meerestiefen ist es bekannt — »Fördern und Heben«, 20 (1970), Nr. 8, Seite 430/431 oder »Chem. Ing. Technik« 44 (1973), Nr. 20, Seite 1183-1188 -, diese Knollen zusammen mit Wasser durch den hydrostatischen Druck in einer Förderleitung auf eine Zwischenhöhe, die unterhalb des Wasserspiegelniveaus liegt fördern zu lassen. Das Niveau der Zwischenhöhe, das beispielsweise bei einer Gesamttiefe von etwa 5—7 χ 10³ m bis zu etwa 10³ITi unter dem Meeresspiegel, liegen kann, ist dabei mindestens so zu wählen, daü die bei dieser Förderung auftretenden Druckverluste, die im wesentlichen durch die Strömung in der Förderleitung und durch das gegenüber Wasser höhere spezifische Gewicht der zu fördernden Feststoffe entstehen, durch die Eintauchtiefe der Zwischenhöhe gegenüber Meeresspiegelniveau gedeckt werden. Von dieser Zwischenhöhe aus erfolgt die Förderung des Gutes auf oder über Meeresspiegelniveau dann mit Hilfe von Arbeitsmaschinen, z. B. Pumpert, ώύ durch einen Motor angetrieben werden. Die Bereitstellung der für den Antrieb der Pumpen auf dem Zwischenniveau notwendigen Energie bereitet bei derartigen Anlagen häufig Schwierigkeiten. Diese bestehen vor allem in der Schmierung, Abdichtung, Kühlung und elektrischen Isolierung der bisher verwendeten elektrischen Antriebe; denn bei den notwendigen Leistungen sind Spannungen von einigen 1000 Volt erforderlich, wobei der elektrische Antrieb darüber hinaus trocken, d. h. in einer Gasatmosphäre, laufen muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für die Förderung des Gutes von der Zwischenhöhe auf eine Höhe mehrere Meter — etwa 30 bis 50 — über Meeresspiegel zu schaffen, bei der die genannten Schwierigkeiten mit der Zufuhr der Antriebsenergie zu der auf einer Zwischenhöhe liegenden Pumpe, die eine bestimmte Mindestleistung an gefördertem Gut in der Zeiteinheit - beispielsweise 1-1,5 nWsec - erreichen soll, beseitigt sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

daß diese Pumpe von einem dynamischen Flüssigkeitsmotor angetrieben ist, der über eine Leitung für eine als Antriebsmittel dienende Druckflüssigkeit mit einer mindestens annähernd auf Wasserspiegelniveau angeordneten, von einer weiteren Antriebsmaschine getriebenen Hochdruckpumpe für das Antriebsmittel verbunden ist

Neben einer Druckleitung fur das zu fördernde Gut benötigt man bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Verbindung zum Antrieb der Zentrifugalpumpe lediglich eine weitere Druckleitung für das Antriebsmittel des Flüssigkeitsmotors, der mit Vorteil eine mehrstufige Radialturbine ist. Bei der erfindungsgemäßen Konzeption sind sowohl der Motor als auch die Zentrifugalpumpe völlig mit Flüssigkeit gefüllt, die die Abdichtung, Schmierung und Kühlung der Maschinen übernehmen.

Vorteilhafierweise kann als Druck- oder Antriebsmittel für den Flüssigkeitsmotor Seewasser dienen, das in einem offenen Kreislauf durch die Hochdruckpumpe und den Flüssigkeitsmotor geführt ist Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, den Flüssigkeilsantrieb als geschlossenes System auszuführen, wobei als bevorzugtes Antriebsmittel Süßwasser — aber auch eine andere Flüssigkeit, z. B. ein Öl — Verwendung finden kann. Mit einem solchen geschlossenen System können vor allem Korrosionserscheinungen im Antriebskreislauf vermindert werden.

Für die konstruktive Ausbildung der Leitungsverbindungen — d.h. der Druckmittelzufuhrleitung zu dem Flüssigkeitsmotor und mindestens der Druckleitung für das Fördergut der Zentrifugalpumpe, sowie gegebenenfalls eine Druckmittelrückführleitung zur Hochdruckpumpe — zwischen dem Maschinenaggregat auf der Zwischenhöhe und dem Meeresniveau hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn diese Verbindungsleitungen als konzentrische Rohre geführt sind, wobei in dem zentralen Rohr das Mittel höchstens und im äußersten Rohr das Mittel niedrigsten Druckes geführt ist

Weiterhin kann zur Zerkleinerung der zu fördernden Feststoffe auf der Welle der Zentrifugalpumpe ihren Laufrädern ein Brechwerk vorgesetzt sein.

Konstruktiv läßt sich das Maschinenaggregat Flüssigkeitsmotor/Zentrifugalpumpe günstig an die daran nach oben und unten anschließenden rohrförmigen Leitungen anpassen, wenn die übereinander angeordneten Rotoren der Zentrifugalpumpe und des Flüssigkeitsmotors in getrennten topfartigen Gehäusen untergebracht sind, die im Bereich der benachbarten Wellenenden beider Maschinen lösbar miteinander verbunden sind, wobei zusätzlich die Maßnahme getroffen sein kann, daß die Förderkanäle der Zentrifugalpumpe, ringförmig verteilt, im Gehäusetopf des Flüssigkeitsmotors angeordnet sind. Die Ausführung getrennter Wellen und die Trennung der Gehäuse im Bereich der benachbarten Wellenenden haben sich dabei im Hinblick auf Unterhalts^ und Reparaturarbeiten als vorteilhaft erwiesen, da die Pumpe wegen der mitgeförderten Feststoffe gegenüber dem Motor, der nur von sauberen Flüssigkeiten durchsetzt wird, einem erheblich höheren Verschleiß unterliegt

Eine zweckmäßige Möglichkeit für die Kupplung beider Rotoren ist gegeben, wenn diese über eine Schalenkupplung verbunden sind, bei der die auf ihrem Umfang kantig ausgebildeten Wellenenden von zwei inneren Halbschalen umfaßt und axial abgestützt sind, die über konische Flächen von einer ungeteilten, axial aufgeschobenen, äußeren Schale zusammengepreßt sind. Ein weiteres vorteilhaftes Detail für die Konstruktion kann darin bestehen, daß die Zentrifugalpumpe und der Flüssigkeitsmotor je einen eigenen Ausgleichskolben für den axialen Schubausgleich haben, wobei der ^r' Ausgleichskolben des Motors eine Steuerkante für den selbsttätigen Ausgleich kleinerer Schubschwankungen haben und gleichzeitig als Notlauf- und Anfahrlager dienen kann. Schließlich ist ein weiterer Vorteil der Verwendung

i'i eines Flüssigkeitsmotors als Antrieb gegeben, wenn

Druckflüssigkeit aus einer Zwischenstufe des Motors als Schmiermittel für die Radiallager der Zentrifugalpumpe

dient

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von zwei

>"> Ausführungsbeispielen um Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Gesamtaufbaues der erfindungsgemäßen Vorrichtung, F i g. 2 ist eine Variante von F i g. 1,

2» F i g. 3 gibt eine schematische Schniuzeichnung nach IiI-III von Fig.4 durch das rvias,cb^:nenaggregat Flüssigkeitsmotor/Zentrifugalpumpe wieder, während F i g. 4 den Schnitt IV-IV von F i g. 3 ist Angetrieben von einem weiteren Motor 1 (Fig. 1),

r> z. B. einer Dampf- oder Gasturbine oder einem Elektromotor, der beispielsweise auf einem Schiff 2 über Meeresspiegelniveau aufgestellt ist saugt eine Hochdruckpumpe 3 Druck- oder Antriebsmittel — im Beispiel nach F i g. 1 Seewasser — für einen als Turbine

in ausgebildeten Flüssigkeitsmotor 4 durch eine Leitung 5 an, bringt dieses auf einen für die geforderte Antriebsleistung des Motors 4 erforderlichen Druck und fördert es in eine Druckmittelzufuhrleitung 6; diese führt zum Einlauf 7 der Turbine 4. Nach dem

ι > Durchsetzen der Turbine 4 fließt das als Antriebsmittel benutzte Wasser durch den Austritt 8 ins Meer oder aber (F i g. 2) gelangt über eine Leitung 5a zurück an die

Saugseite der Hochdruckpumpe 3. Die Turbine 4 ist über eine Kupplung 10 mit einer

Zentrifugalpumpe 11 gekoppelt, von derem druckseitigen Austritt 12 zunächst das Turbinengehäuse umgebende Druckkanäle 13 und anschließend eine die Leitung 6 konzentrisch umschließende Druckleitung 14 für das Fördergut 19 an die Oberfläche des Meeresspie-

4> gels führt Dort wird das Gut 19 von dem Wasser getrennt, wozu es beispielsweise auf einer am Schiff 2 befestigten, mit Abflußöffnungen 9 versehenen Lagerplattform 15 gelagert wird. An ihrer Einlaufseite 16 ist die Pumpe 11 mit einer

">i> Förderleitung 17 verbunden, die am Meeresboden in einem Saugkopf 18 endet, durch den auf Grund des

hydrostatischen Überdruckes das Gut 19 auf das Niveau des Einkaufs 16 der Pumpe 11 gehoben wird.

Wie bereits erwähnt, beträgt die Zwischenhöhe, auf

-)-> der das Maschinenaggregat 4, 11 angeordnet ist etwa 1000 m unter Meeresspiegel, so daß bei den angegebenen Tiefen, aus denen die Erzknollen gefördert werden sollen, die Länge der Leitung 17 etwa 4000—6000 m beträgt

mi Das in F i g, 3 und 4 gezeigte Maschinenaggregat, das auf an sich in ihrer Grundkonzeption bekennten Maschinen aufgebaut ist — es werden daher von dieser Konstruktion nur die im Zusammenhang mit der Erfindung wesentlichen Elemente näher beschrieben —,

h'; eignet sich für eine Vorrichtung nach Fig. 1, d.h. für einen offenen mit Seewasser betriebenen Antriebsmittelkreislauf des Flüssigkeitsmotors. Das Aggregat besteht aus einer mehrstufigen, mit einer Anzahl von

Radiallaufrädern 20 versehenen Turbine 4, an deren Unterseite koaxial die ebenfalls mit einer Anzahl radialer Stufen 21 versehene Pumpe 11 angesetzt ist.

Von oben mündet die Leitung 6 für die Zufuhr des Druck- oder Antriebsmittels in die Turbine 4 ein; sie greift dabei mit einem Endstück 22 in eine zylindrische Ausnehmung 24 im Deckel 25 des inneren Turbinengehäuses, das seinerseits in ein glockenartiges Topfgehäuse 26 eingeschoben ist. Durch den Deckel 25 führt eine Strömungsverbindung 27 über einen Ringkanal 28 im F.inlaufgehäuse 29 zur ersten Stufe 20 der Turbine.

Das Laufrad 20 sitzt — zusammen mit den anderen, abgesehen von demjenigen 20a der letzten Stufe nicht weiter dargestellten, Rändern 20 — auf einer Welle 30, die oberhalb der Räder 20 einen Ausgleichskolben 31 für den axialen Schubausgleich hat.

Der mit einer Scheibe 23 versehene Ausgleichskolben

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Wasser versorgt wird, hat längs des äußeren Umfangs der Scheibe 23 eine Abspritzkante 32, durch die beim Heben und Senken des Rotors, d. h. bei axialen Schubschwankungen, mehr oder weniger Wasser in einen Hohlraum 33 zwischen dem Deckel 25 und dem Gehäuse 26 gespritzt wird, wobei eine automatische Anpassung des den Ausgleichskolben 31 tragenden Druckes an diese Schwankungen erreicht wird. Vom Hohlraum 33 kann das Spritzwasser, zusammen mit ebenfalls aus dem Ringkanal 28 kommendem Wasser, das als Schmiermittel des oberen Radiallagers 34 der Welle 30 dient, aus dem Gehäuse 26 durch eine öffnung 35 abfließen. Die der Scheibe 23 des Ausgleichskolbens 31 benachbarten Oberflächen im Deckel 25 und im Einlaufgehäuse 29 sind mit Material 36 belegt, das Trockenlaufeigenschaften hat, so daß die Scheibe 23 des Ausgleichskolbens 31 gleichzeitig als Anfahr- und Notlauflager dient.

Die Leitung 6 ist konzentrisch umgeben von der Druckleitung 14, in der Wasser und Fördergut 19 über die Kanäle 13 an die Oberfläche geführt werden: die Druckkanäle 13 sind in vier senkrechten Strängen über den Umfang des Gehäuses 26 verteilt (Fig. 4) und verbinden einen Ringkanal 37 am druckseitigen Ende 12 der Pumpe 11 mit der Druckleitung 14.

Die einzelnen Laufräder 20 der Turbine 4 sind umgeben von Gehäuseelementen 38 und 39. in denen die einzelnen Laufräder 20 verbindende Strömungswege 40 vorhanden sind. Aus dem letzten Laufrad 20a der Turbine 4 fließt das als Antriebsmittel verwendete Wasser durch ein unteres Anstrittsgehäusestück 41 in einen Sammelraum 4?., von dem es durch — wie F i g. 4 zeigt — vier Öffnungen 8 in die Umgebung abfließt.

Der Sammelraum 42 für das Antriebswasser, der innerhalb eines mehrteiligen, über Längsflansche 44 zusammengeschraubten Distanzstückes 45, das Austrittsöffnungen 43 (F i g. 4) für das Antriebswasser hat, gebildet ist, ist axial nach unten von einem, zwischen einem unteren Endflansch 46 des Gehäuses 26 und einem Deckel 47 der Pumpe 11 liegenden Zwischenflansch 48 abgeschlossen. Schraubenbolzen 4«*, die den Endflansch 46. den Zwischenflansch 48. den Gehäusedeckel 47 und einen oberen Endflansch 50 eines topfartigen Pumpengehäuses 51 durchsetzen, bilden eine lösbare Verbindung zwischen der Turbine 4 und der Pumpe 11, wobei nach Lösen der Schraubenbolzen 49 das Gehäuse 26 nach oben weggehoben und der Körper der Pumpe 11 aus seinem Topf 51 herausgezogen werden kann.

Im Hohlraum 42 ist auch die als Schalenkupplung ausgebildete Kupplung 10 gelegen, die die beiden Wellen 30 der Turbine 4 und 54 der Pumpe 11 an ihren benachbarten Enden miteinander verbindet.

Die Kupplung 10 besteht aus zwei inneren Halbschalen 55, die die achteckig ausgebildeten Wellen 30 und 54 umfassen und für die Montage durch einen Schrauben bolzen 56 zusammengehalten sind. In die Welle 30 und 54 eingreifende Ringe 57 und 48 fixieren die Welle relativ zu den Halbschalen 55 in axialer Richtung. Diese haben an ihren Außenseiten konische Flächen 59. die mit entsprechenden konischen Flächenstücken 63 läng: des Umfangs einer ungeteilten Außenschale 60 zusam menwirken. Diese ist mit Hilfe eines Ringes 61, in den Schraubenbolzen 62 eingeschraubt werden können, in axialer Richtung auf die Halbschalen 55 gepreßt wodurch diese über konische Flächen 59 und 63 radia zusammengedrückt sind.

Muhe dem oberen Ende !rs"! die Weüü 54 einer eigenen axialen Ausgleichskolben 64, der aus einem die letzte Stufe 21a der Pumpe 11 mit dem Ringkanal 37 verbindenden Verbindungskanal 65 im Deckel 47 mi Druckwasser aus der Pumpe 11 gespeist wird.

Aus einer nicht gezeigten Zwischenstufe geeigneten Druckes der Turbine 4 wird sauberes, d. h. nicht mit Feststoffen durchsetztes, Druckwasser entnommen und über eine Leitung 66, die in einen Raum 52 zwischen dem Gehät\i 51 und inneren Gehäuseelementen 68 der Pumpe 11 führt, den Radiallagern 67 der Pumpe 11 al: Schmiermittel zugeführt, was für einige Lager 67, beispielsweise für das oberste, unmittelbar unterhalb des Ausgleichskolbens 64, andeutungsweise gezeigt ist (Leitungen 74).

An den Pumpendeckel 47 schließen nach unten die Gehäuseelemente 68 an, in denen beschaufelte, die einzelnen Laufräder 21 der Pumpe 11 verbindende Leitapparate 69 vorgesehen sind. Während das sich am Einlauf 16 der Pumpe 11 trichterförmig verengende Gehäuse 51 in die Förderleitung 17 übergeht, folgt auf das unterste Gehäuseelement 68 ein Einlaufgehäuse 70, das eine über Rippen 71 gehaltene Gehäusenabe 72 zum Schutz des unteren Endes der Welle 54 hat. Durch die Nabe 72 hindurch ist den Laufrädern 21 auf der Welle 54, in Strömungsrichtung gesehen, ein Brechwerk 73 vorgesetzt, welches die Aufgabe hat, die durch die Leitung 17 geförderten Feststoffe in einem solchen Maße zu zerkleinern, daß sie durch die Pumpe 11 strömen können. Das Brechwerk 73 ist im gezeigten Beispiel als einfaches Flügelrad ausgebildet.

Wie schon mehrfach erwähnt, wird ein Feststoff-Wassergemisch auf Grund des hydrostatischen Druckes ; der Leitung 17 bis auf das Niveau 16 am Einlauf der Pumpe 11 gefördert Durch das erwähnte Brechwerk 73 werden dort die Feststoffe, & h. vor allem die Erzknollen unter Umständen auf eine zulässige Maximalgröße zerkleinert ehe das Gemisch von den Rädern 21 der Pumpe 11 durch die Kanäle 69 in den Ringkanal 37 gefördert wird, der etwa auf der Höhe des Pumpenaustritts 12 liegt

Der Antrieb der Pumpe 11, die mit ihrer Druckhöhe die in der Leitung 17 entstandenen und zusätzlich die noch in der Druckleitung 14 entstehenden, eingangs erwähnten Druckverluste deckt erfolgt mit Hilfe der Turbine 4, die in der beschriebenen Weise mit Druckwasser versorgt und von diesem durchsetzt wird.

Der die Pumpe 11 durchfließende Strom gelangt aus dem Ringkanal 37 in die Druckkanäle 13 und wird Ober die Leitung 14 von der Pumpe 11 an die Oberfläche gefördert

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur hydraulischen Förderung von Feststoffen aus großen Meerestiefen, wobei ein Feststoff-Wassergemisch auf Grund des hydrostati- ϊ sehen Wasserdruckes in einer Förderleitung bis auf eine Zwischenhöhe gefördert wird, auf der an die Förderleitung eine mehrstufige Zentrifugalpumpe mit ihrer Saugseite angeschlossen ist, die das zu fördernde Gut in einer Druckleitung mindestens >·> nahezu auf oder über Wasserspiegelniveau fördert, dadurch gekennzeichnet, daß diese Pumpe (11) von einem dynamischen Flüssigkeitsmotor (4) angetrieben ist, der über eine Leitung (6) für eine als Antriebsmittel dienende Druckflüssigkeit mit einer ι¹· mindestens annähernd auf Wasserspiegelniveau angeordneten, von einer weiteren Antriebsmaschine (1) getriebenen Hochdruckpumpe (3) für das Antriebsmittel verbunden ist

2. Vorrichte»^ nach Anspruch 1, dadurch gekenn- w zeichnet, daß als Druck- und Antriebsmittel Seewasser dient, das in einem offenen Kreislauf durch die Hochdruckpumpe (3) und den Flüssigkeitsmotor (4) geführt ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- -"* zeichnet daß der Flüssigkeitsantrieb als geschlossenes System (3,6,4,5a, 3) ausgeführt ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß als Druck- und Antriebsmittel Süßwasser dient «>

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucl-viiUelzufuhrleitung (6) zu dem — sowie gegebenenfalls die Druckmittelrückführleitung (5a) von dem Flüssigkeitsmotor (4) und die Druckleitung (14) für das Fördergut (19) als '"> konzentrische Rohre geführt sind, wobei in dem zentralen Rohr das Mittel höchstens und im äußersten Rohr das Mittel niedrigsten Druckes geführt ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ■»" zeichnet, daß auf der Welle (54) der Zentrifugalpumpe (11) ihren Laufrädern (21) ein Brechwerk (73) für die Zerkleinerung der Feststoffe vorgesetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten Roto- ■*■> ren (30, 54) der Zentrifugalpumpe (11) und des Flüssigkeitsmotors (4) in getrennten topfartigen Gehäusen (26,51) untergebracht sind, die im Bereich der benachbarten Wellenenden beider Maschinen (11,4) lösbar miteinander verbunden sind. "> <>

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderkanäle (13) der Zentrifugalpumpe (11) ringförmig verteilt, im Gehäusetopf (26) des Flüssigkeitsmotors (4) angeordnet sind.

9 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ">'> zeichnet, daß die Rotoren (30, 54) der Zentrifugal· pumpe (U) und des Flüssigkeitsmotors (4) über eine Schalenkupplung (53) miteinander verbunden sind, bei der die auf ihrem Umfang kantig ausgebildeten Wellenenden von zwei inneren Halbschalen (S3) ho umfaßt und axial abgestützt sind, die über konische Flächen (59, 63) von einer ungeteilten, axial aufgeschobenen äußeren Schale (60) zusammengepreßt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch h^r> gekennzeichnet, daß die Zentrifugalpumpe (11) und der Flüssigkeitsmotor (4) je einen eigenen Ausgleichskolben (31,64) für den axialen Schubausgleich haben,

U. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskolben (31) des Motors (4) eine Steuerkante (32) für den selbsttätigen Ausgleich kleinerer Schubschwankungen hat

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskolben (31) des Motors (4) als Notlauf- und Anfahrlager (36) dhnt

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Drückflüssigkeit aus einer Zwischenstufe des Motors (4) als Schmiermittel für die Radiallager (67) der Zentrifugalpumpe (U) dient

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Flüssigkeitsmotor (4) eine mehrstufige Turbine ist