Entlastungsvorrichtungen an Kreiselpumpen. Von Ingenieur Alfred Schacht in Berlin. Entlastungsvorrichtungen an Kreiselpumpen. Inhaltsübersicht. Allgemeines über den Achsialschub. Druckausgleich vor und hinter dem Schaufelrad mittels Durchbohrungen. Verschieden große Radwände. Druckausgleich mittels Labyrinthdichtungen. Entlastungskolben und Entlastungsscheiben. ––––– Wohl von keiner anderen Vorrichtung der Kreiselpumpen gibt es so viel verschiedene Patente als gerade von Entlastungsvorrichtungen. Angefangen vom einfachsten Hilfsmittel, nämlich den in Abb. 1 mit a bezeichneten Durchbohrungen in der Schaufelradrückwand, bis zu der gut durchdachten Entlastungsscheibe werden alle möglichen Einrichtungen benutzt, die dazu dienenkönnen, das Auftreten von Achsialschub zu verhindern oder wenigstens seine Größe herabzumindern. Das Entstehen von Achsialschub dürfte bekannt sein, soll aber trotzdem an Hand der Abb. 1 nochmals gestreift werden. In den beiden Räumen b und c, die gebildet werden einerseits durch die Seitenwände des Schaufelrades d und andererseits durch die Wandungen des Pumpengehäuses stellen sich bestimmte Drücke ein, die dadurch entstehen, daß das Schaufelrad mit einem bestimmten Spielraum zwischen den Dichtungsringen rotiert und daß durch diese Spalten hindurch eine gewisse Menge Wasser vom Druckraum in den Saugraum zurückläuft. Dadurch nun, daß die beim Hindurchfließen des Wassers entstehenden, annähernd gleich großen Drücke auf verschieden große Flächen wirken, verursachen sie eine achsial gerichtete Bewegung der Pumpenwelle. Textabbildung Bd. 330, S. 48 Abb. 1. Textabbildung Bd. 330, S. 48 Abb. 2. Textabbildung Bd. 330, S. 48 Abb. 3. Man hat versucht, den Achsialschub dadurch gänzlich zu beseitigen, daß man die Kreiselpumpe mit einander gegenübergestellten Schaufelrädern ausführte, also in der Weise, daß der an einem Schaufelrad auftretende Schub durch den des Rades der nächsten Stufe aufgehoben wird. Diese Konstruktion bereitet aber gewisse Schwierigkeiten; z.B. können die Pumpen nur mit einer durch zwei teilbaren Stufenzahl gebaut werden, da für die Entlastung immer zwei Räder erforderlich sind. Auch müssen die Räder mit Verschaufelung für Rechts- und Linksdrehung ausgeführt werden usw., so daß man sich zum Teil von dieser Konstruktion wieder abwandte und eine allen Ansprüchen genügende, besondere Entlastungsvorrichtung zu bauen versuchte. Die Größe des Achsialschubes wird hauptsächlich abhängig sein von dem Druckunterschiede zwischen dem Saugraume und dem Druckraume, also von der erzeugten Förderhöhe, und sodann auch von der Konstruktion der verwendeten Dichtungsringe, und man geht wohl nicht fehl, wenn man sagt, daß diejenigen Kreiselpumpen die größte Betriebssicherheit aufweisen, die den kleinsten Achsialschub haben, und deren Entlastungsvorrichtungen unbedingt und unter allen Umständen zuverlässig wirken. Denn bei den für Kreiselpumpen in Betracht kommenden hohen Drehzahlen sind Kugel- oder Kammlager, die den Achsialschub aufzunehmen hätten, für große Drücke unzuverlässig und sehr empfindlich, wenn sie sich überhaupt noch verwenden lassen, und es kommt also hauptsächlich darauf an, den Achsialschub so klein als irgend möglich zu machen. Tatsächlich hat man nun bei verschiedenen Konstruktionen eine annähernd vollständige Entlastung der Welle erreicht und damit das schon erwähnte Kugel- oder Kammlager überflüssig gemacht oder wenigstens soweit entlastet, daß es kaum noch zu Betriebsstörungen Veranlassung gibt. In nachstehenden Ausführungen mögen nun einige der zum Teil recht guten, fast durchweg patentrechtlich geschützten Anordnungen erwähnt und betrachtet werden. Die in Abb. 1 angegebenen Entlastungslöcher, die den Zweck haben, den Druck hinter der Schaufelradrückwand zu vermindern und den nach der Saugöffnung gerichteten Achsialschub gleich dem in der anderen Richtung wirkenden Druck zu machen, sind durch ähnliche Anordnungen ersetzt worden. Z.B. sieht das D. R. P.189064, in Abb. 2 wiedergegeben, in der Schaufelradnabe oder in der Welle oder auch in beiden durchgehende, den Raum vor und hinter dem Schaufelrad verbindende Nuten vor, die den Druckausgleich herbeiführen sollen. Bei dem D. R. P. 202042 werden gemäß Abb. 3 innerhalb der Schaufelkanäle Durchbohrungen vorgesehen und zwar so, daß sie das hinter dem Schaufelrad befindliche Spaltwasser in den Raum vor dem Schaufelrad bringen. Bei dieser Anordnung werden meines Erachtens die für die Ausgleichlöcher erforderlichen Verstärkungen Schwierigkeiten bei der Konstruktion der Schaufeln ergeben. Wie weit im übrigen die in den Abb. 2 und 3 angegebenen Anordnungen bei größeren Förderhöhen dem gewünschten Zweck entsprechen, ist mir nicht bekannt geworden, jedenfalls aber ergaben Ausführungen nach Abb. 1 selbst bei Förderhöhen über 400 m gute Resultate. Es kommt nur darauf an, die richtige Zahl von Löchern mit dem richtigen Durchmesser durch Versuche an der jeweiligen Pumpe zu ermitteln. Bei den bis jetzt erwähnten Konstruktionen wurde vorausgesetzt, daß die beiderseitigen Dichtungsringe eines jeden Schaufelrades gleichen Durchmesser haben. Man kann natürlich auch diese verschieden groß ausführen und dadurch den Achsialschub auszugleichen versuchen; das D. R. P. 263112 erwähnt z.B. ausdrücklich verschieden große Durchmesser der Dichtungsringe, allerdings nicht zum Zweck der Aufhebung des Achsialschubes, sondern um mit Hilfe des letzteren, der nach Erreichen eines gewissen Druckes im Druckraum der Pumpe auftritt, die Kupplung einer Evakuierungspumpe auszulösen. Textabbildung Bd. 330, S. 48 Abb. 4. Textabbildung Bd. 330, S. 48 Abb. 5. Textabbildung Bd. 330, S. 48 Abb. 6. Auch durch die verschieden große Bemessung des äußeren Durchmessers der beiderseitigen Wände des Schaufelrades kann die Größe des Achsialschubes vermindert werden. Das D. R. P. 160461, in Abb. 4 wiedergegeben, sieht deshalb an der Saugseite des Schaufelrades einen an letzterem befestigten, besonderen Entlastungsring vor, um den Schub in der Richtung nach der Radnabe zu erhöhen. Nach dem D. R. P. 155111 (vgl. Abb. 5) soll die Schaufelradwand an der Saugseite gleich von vornherein, also nicht durch einen aufgeschraubten Ring, mit einem größeren Durchmesser ausgeführt werden. Soviel mir bekannt, hat man mit dieser Konstruktion gute Erfahrungen gemacht. Es wird nur darauf ankommen, eingehende Versuche über das Maß der Vergrößerung des Durchmessers anzustellen, da man mit Berechnungen allein nicht weit kommen dürfte. Das Französische Patent 425340 vergrößert nicht die Fläche der Schaufelradwand auf der Saugseite, sondern verringert die Fläche der entgegengesetzten Wand, indem es Durchbohrungen in dieser Wand vorsieht, die den Druck vor und hinter derselben Wand ausgleichen sollen. Außerdem soll dabei noch gemäß Abb. 6 ein in die Saugöffnung des Rades a hineinragender, feststehender Leitapparat b mitwirken. Textabbildung Bd. 330, S. 49 Abb. 7. Wenn die Zwischenräume zwischen den Dichtungsringen nicht gleich groß sind, was z.B. bei größerer Abnutzung eines der beiden Dichtungsringsysteme eintritt, so werden sich in den seitlichen Räumen vor und hinter dem Schaufelrad ungleich große Drücke einstellen, woraus ein Achsialschub nach rechts oder links resultiert. Hierauf gründet sich das D. R. P. 175090, bei welchem entsprechend Abb. 7 das Rad am äußeren Durchmesser oder der Gehäusekanal am inneren Durchmesser oder auch beide kegelförmig abgeschrägt werden, zu dem Zweck, den etwa auftretenden Achsialschub durch Verminderung des Druckes auf der mehr belasteten Seite zu verringern. Textabbildung Bd. 330, S. 49 Abb. 8. Textabbildung Bd. 330, S. 49 Abb. 9. Das Amerikanische Patent 1020699 (siehe Abb. 8) ordnet auf beiden Seiten des Schaufelrades treppenartige Drosselstrecken an; innerhalb der als Labyrinthdichtung wirkenden, seitlichen Begrenzungen soll sich der Druck steigern oder vermindern, je nachdem das Schaufelrad in der einen oder anderen Richtung bewegt wird. Das D. R. P. 249336 hat ebenfalls Labyrinthdichtungen, bei welchen aber die Menge und somit der Druck des hindurchströmenden Wassers durch einen besonderen Kolben reguliert wird. Je nach Stellung des Kolbens wird ein größerer oder kleinerer Teil des Wassers durch die Oeffnungen a vom Kanal b aus, welcher zur nächsten Druckstufe leitet, den Dichtungen zugeführt, wodurch ein entsprechend großer Teil für den Achsschubausgleich wirksam gemacht wird. Die Einrichtung ist aus Abb. 9 zu ersehen. Bei der in Abb. 10 wiedergegebenen Anordnung, durch D. R. P. 246 941 geschützt, wächst die Zahl der ineinandergreifenden Nuten a an, wenn das Rad durch den Achsialschub nach rechts bewegt wird; die Zahl nimmt ab, wenn die Verschiebung nach links erfolgt. Im ersteren Fall wird dem vom Druckraum nach der Welle zu fließendenWasser ein wachsender Widerstand vorgeschaltet, wodurch der Gegendruck ansteigt und das Rad nach links gedrückt wird. Wird das Rad zu weit nach links verschoben, so nimmt der Druck im Raum rechts vom Schaufelrad ab, bis wieder der Gleichgewichtszustand eingetreten ist. Textabbildung Bd. 330, S. 49 Abb. 10. Textabbildung Bd. 330, S. 49 Abb. 11. Bei dem D. R. P. 197369 (Abb. 11) stehen die seitlichen Räume mit dem eigentlichen Druckraum durch schmale Spalten in Verbindung. Es wird dadurch eine ejektorartige Wirkung erzielt, wodurch das in den seitlichen Räumen enthaltene Wasser in den Druckraum gesaugt werden soll. Beim D. R. P. 205313 (vgl. Abb. 12) ist ein kleines Schaufelrad a direkt mit dem eigentlichen Schaufelrad b verbunden zu dem Zweck, das in den Raum hinter dem Schaufelrad, begrenzt durch den seitlichen Dichtungsring c, strömende Wasser wieder in das Hauptschaufelrad und in den Druckraum der Pumpe zurückzupumpen. Auch die laut Gebrauchsmuster 606171 geschützte Konstruktion soll in ähnlicher Weise eine achsiale Entlastung der Welle herbeiführen; das mit einseitigem Wassereinlauf ausgeführte Schaufelrad erhält in seiner Rückwand, die bis zur Radnabe geführt ist, in der Nähe letzterer große Durchtrittsöffnungen. Das dadurch auf die Rückseite des Schaufelrades gelangende, soeben erst in die Pumpe eingetretene Wasser wird dann durch die vorgesehenen Nebenschaufeln in den Druckraum gebracht. Groß ist nun die Zahl von patentierten Konstruktionen, die einen besonderen sogenannten Entlastungskolben zum Ausgleich des Achsialschubes vorsehen; einige dieser Konstruktionen sollen in Nachfolgendem beschrieben werden. Der bei diesen Entlastungskolben häufig beobachtete Nachteil liegt darin, daß bei stark sandhaltigem Wasser eine große Abnutzung der einzelnen für den Ausgleich dienenden Dichtungsflächen stattfindet, herrührend von der großen Geschwindigkeit, mit der das Druckwasser bei Pumpen mit größeren Förderhöhen durch die Drosselstrecken hindurchtritt. Textabbildung Bd. 330, S. 49 Abb. 12. Bei dem französischen Patent 428008 z.B., in Abb. 13 wiedergegeben, rotiert auf der Pumpenwelle ein Kolben a, während der Ringkörper b fest im Pumpenkörper sitzt. Dadurch werden zwei zylindrische Drosselstrecken c und d gebildet, wovon c mit dem kleineren Durchmesser erheblich länger ist als d mit dem größeren Durchmesser. Die Verbindung zwischen beiden stellt der Ringraum e her. Da nun der Raum f mit dem Druckraum der Pumpe, Raum g durch die Umführungsleitung h mit der Atmosphäre in Verbindung steht, so vermindert sich beim Schub nach rechts der Drosselwiderstand im Spalt d, wodurch auch der Druck im Ringraum e niedriger wird. Die Folge davon ist, daß das Schaufelrad mit der Welle nach links geschoben wird. Umgekehrt wird bei zu weitem Schub nach links der Druck in e größer und die Welle wird wieder nach rechts gedrückt, so daß ein vollständiger Ausgleich stattfindet. Textabbildung Bd. 330, S. 50 Abb. 13. Textabbildung Bd. 330, S. 50 Abb. 14. Das D. R. P. 208381, in Abb. 14 angedeutet, wirkt in der Weise, daß bei zu großem Schub nach rechts der Zufluß zum Raum vor dem Kolben abgesperrt wird, wodurch dann das Rad mit der Pumpenwelle wieder selbsttätig nach links zurückgeschoben wird. Auch das D. R. P. 240860 wirkt in gewissem Sinne durch einen Entlastungskolben, und zwar in der Weise, daß der der Eintrittsöffnung abgekehrten Seite des letzten Schaufelrades Druckwasser aus dem Druckraum der Pumpe zugeführt wird, welches dann den gewünschten Schub nach der erforderlichen Richtung erzeugt. Das Druckwasser wird in den von zwei Dichtungsringen mit ungleichem Durchmesser gebildeten Raum geleitet; der Spalt des größeren Dichtungsringes führt in den Druckraum der Pumpe, während der Spalt des kleineren Ringes mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Es ist meines Erachtens wohl möglich, eine sehr gute Entlastung der Welle zu erzielen, vorausgesetzt natürlich, daß die Menge des dem Entlastungsraum zugeführten Wassers reguliert werden kann. Bei den vorstehend beschriebenen Entlastungsvorrichtungen mit Kolben befindet sich dieser auf der Druckseite der Pumpe, und zwar stets auf der der Eintrittsöffnung des Schaufelrades entgegengesetzten Seite des letzteren. Bei dem schweizerischen Patent 49955, in Abb. 15 klargelegt, wird dagegen auf der Saugseite des Rades ein Entlastungskolben a vorgesehen, der gegen die Eintrittsöffnung des Rades durch eine feststehende Wand bschirmartig abgedeckt wird. Von dem Raum c hinter dem Schaufelrad wird eine Verbindungsleitung zum Raum d geführt, wodurch dann infolge des Uebertretens von Druckwasser ein achsialer Ausgleich erfolgen soll. Durch die aus konstruktiven Gründen sich ergebenden, vom Spaltdichtungsring zur Wand b gelegten Verbindungsrippen e wird vermieden, daß das zulaufende Wasser vor seinem Eintritt in das Schaufelrad in eine drehende Bewegung versetzt wird. Textabbildung Bd. 330, S. 50 Abb. 15. Textabbildung Bd. 330, S. 50 Abb. 16. Beim englischen Patent 7238 (siehe Abb. 16), ist eine Entlastungsscheibe vorgesehen, wodurch mit Hilfe des entsprechend ausgebildeten Pumpengehäuses ein Spalt a entsteht. Je nach der Verschiebung der Pumpenwelle durch den Achsialschub wird dieser Spalt enger oder weiter, mithin auch der Zufluß nach b und der nach der Saugseite zu gerichtete Schub größer oder kleiner. Die Menge des für die Entlastung erforderlichen Druckwassers kann durch eine als Regulierhahn wirkende Schraube eingestellt werden. Textabbildung Bd. 330, S. 50 Abb. 17. Eine Entlastungsscheibe verwendet auch eine unserer führenden Firmen des Kreiselpumpenbaues. Die in der Z. d. V. d. I. 1913, S. 1005 beschriebene Konstruktion, patentrechtlich geschützt durch D. R. P. 223691 und in Abb. 17 wiedergegeben, zeigt die Wirkungsweise. Aus dem Kanal a, der mit dem Druckraum der Pumpe in Verbindung steht, wird der Entlastungsscheibe b Druckwasser zugeführt. Wenn nun eine Verschiebung der Pumpenwelle nach links erfolgt, so legt sich die Entlastungsscheibe b gegen den Spalt c und die Entlastungsscheibe d gegen den Spalt e, wobei die Dichtungsspalten j und g ganz geöffnet werden. Durch f hindurch kann nun Druckwasser in den Raum h gelangen, wodurch eine Verschiebung der Pumpenwelle nach rechts erfolgt. Dabei wird Spalt c wieder ganz geöffnet, der nun mit Hilfe der Bohrungen i Druckwasser in den Raum k gelangen läßt, wodurch die Welle wieder nach links geschoben wird. Die Verschiebung selbst beträgt nur Bruchteile eines Millimeters und der Richtungswechsel geht sehr schnell vor sich, so daß die Aufhebung des achsialen Schubes in sehr guter Weise erfolgt. Die mit dem Französischen Patent 405266 geschützte Konstruktion sieht ebenfalls eine Entlastungsscheibe vor; die Wirkungsweise entspricht etwa der vorhergehenden Anordnung. Auch eine große englische Firma sieht für ihre Hochdruckkreiselpumpen nach den in der Zeitschrift für das ges. Turbinenwesen Jahrg. 1912, S. 409 enthaltenen Angaben eine Entlastungsscheibe vor; nach derselben Quelle beträgt der Verbrauch an Druckwasser für die Entlastung nicht mehr als 1/4 bis ½ v. H. der gesamten Fördermenge der Pumpe. Die betreffende Entlastungsscheibe ist bereits für Pumpen bis zu 2000 PS Leistung verwendet worden. Meines Erachtens ist die Entlastungsscheibe dasjenige Hilfsmittel, welches dem gewünschten Zweck am besten entspricht; die an vielen Orten und unter den verschiedensten Verhältnissen gemachten Erfahrungen sprechen jedenfalls sehr für die gute Verwendbarkeit der Entlastungsscheiben.