DE3412567A1 - Unterwassermotorkreiselpumpe - Google Patents

Description

Unterwassermotorkreiselpumpe

Die Erfindung betrifft eine Unterwassermotorkreiselpumpe gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei der Förderung von unterseeischen Mineralien mittels Unterwassermotorkreiselpumpen werden von den Pumpen drei Eigenschaften gefordert: Betriebssicherheit, Verschleißbeständigkeit und Wirtschaftlichkeit. Der Begriff Wirtschaftlichkeit schließt dabei nicht nur die Minimierung der Betriebskosten sondern auch die Minimierung der Kapitaldienstkosten aufgrund der notwendigen Investitionen ein. Die Priorität dieser drei Eigenschaften entspricht bei Produktionsanlagen der genannten Reihenfolge, da die Pumpen während des Betriebs absolut unzugänglich sind und Störungen oder unzulässiger Verschleiß eine Unterbrechung des Förderprozesses und anschließend eine Demontage von wesentlichen Teilen der Förderanlage bedeuten. Da bei geregeltem Dauerbetrieb die Förderkosten zwischen Meeresgrund und Schiffsladeraum beträchtlich sind, sprechen wirtschaftliche Gründe für den Einsatz von Kreiselpumpen. Auch die einfache Montage der Pumpenaggregate im Rohrstrang ist ein Teil der Wirtschaftlichkeit.

Das Hauptproblem liegt im Verschleiß, dem diese Maschinen durch Korrosion und Abrieb unterliegen. Korrosion allein wäre durch die Wahl geeigneter Werkstoffe zu beherrschen, wie die große Zahl von Schiffspumpen beweist; der Verschleiß durch Abrieb ist nicht nur eine Frage der Werkstoffe, sondern auch eine Frage der zu fördernden Feststoffe, der Strömungsgeschwindigkeiten, der Fest-stoffkonzentration und des Konstruktionskonzeptes des Pumpenaggregates.

Der Einsatz einer einzelnen einstufigen Kreiselpumpe zur Überwindung der vorhandenen Druckverluste in der Steigleitung erfordert am Pumpenlaufrad sehr große Umfangsgeschwindigkeiten, die zwar für Klarwasser pum pen Stand der Technik sind, aber bei der Förderung von abrasiven Medien wächst der Verschleiß mit der Potenz 2,2 bis 3,7 zur Geschwindigkeit, wie experimentell ermittelt und in der Literatur beschrieben wurde, so daß eine solche einzige einstufige Kreiselpumpe die Forderung nach möglichst langer Verschleißbeständigkeit nicht erfüllen würde.

Beispielsweise wurden zum Transport von Manganknollen mehrstufige Unterwasserkreiselpumpen eingesetzt, deren Axialschub durch hydraulische Entlastung der einzelnen Laufräder soweit reduziert wurde, daß der verbleibende Restschub von den wassergeschmierten Axiallagern des Unterwassermoto.rs aufgenommen werden konnte.

Diese Methode hat den Nachteil, daß jedes Laufrad die doppelte Anzahl von Spaltdichtungen erfordert, daß die Spaltströme in jedem Laufrad die Wirtschaftlichkeit der Kreiselpumpe verschlechtern und daß die Spaltquerschnitte durch den feststoffhaltigen Förderstrom ständig erweitert werden, wodurch zum einen die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage herabgesetzt und zum anderen der Restaxialschub solange vergrößert wird, bis die Axiallagerung im Motorteil überlastet wird. Unzulässiger Anstieg des Motorstromes und der Belastung des Axiallagers im Motor sind also Folgen, die eine Demontage der Anlage zum Zweck des Austausches des Pumpenaggregates erfordern.

Es ist zwar möglich, durch geeignete Lagerpaarungen den Verschleiß in den Spaltringen zu vermindern, jedoch verteuern z. B. Spaltringe aus Keramik oder Hartmetall eine mehrstufige Pumpe ganz erheblich. Dieser Investitionsaufwand verschlechtert wiederum die Wirtschaftlichkeit der Anlage wegen der höheren Investitionen sowohl für die Erstausrüstung als auch für Ersatzteile.

Es ist auch bekannt, zum Axialschubausgleich etwa die Hälfte aller Stufen einer mehrstufigen Kreiselpumpe gegenläufig anzuordnen, so daß der Axialschub der beiden Pumpenteile sich im wesentlichen aufheben würde. Diese Anordnung ist für feststofftransportierende Kreiselpumpen, die feinkörnige homogene Mischungen zu fördern haben, verwendbar. Bei grobkörnigem Material wie beispielsweise Manganknollen besteht aber die Gefahr, daß bei der notwendigen Umlenkung des Förderstromes von aufwärts nach abwärts bzw. von abwärts nach aufwärts die groben Bestandteile auszentrifugieren, an den Wandungen der strömungsführenden Kanäle stark gebremst werden und hier ihre Konzentration derart erhöhen, daß eine akute Verstopfungsgefahr an diesen Stellen besteht. Das gilt insbesondere, wenn aufgrund von Regelvorgängen Konzentrationsschwankungen, also höhere Konzentrationen vorübergehend auftreten. Dieses Pumpenkonzept erfüllt daher nicht die Forderung nach Betriebssicherheit.

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, Unterwassermotorkreiseipumpen zur betriebssicheren, verschleißarmen und wirtschaftlichen hydraulischen Förderung von Feststoffen insbesondere von Manganknollen vorzuschlagen, die die obengenannten Nachteile so weit wie möglich vermeiden. Die Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß eine Pumpenstufe, deren Laufrad mit einer

vorgeschalteten, den Rotor des Unterwassermotors bildenden Hohlwelle versehen ist und eine mit Axialschubausgleich versehene bauliche Einheit bildet, wobei klares Fremdwasser alle Spalte zwischen rotierenden und stillstehenden Teilen durchströmt und/oder schmiert.

Dieses Unterwassermotorpumpenkonzept erfüllt zunächst die Forderung nach Betriebssicherheit, da die Feststoffe in ihrem Bewegungszustand so wenig wie möglich gestört werden, das heißt, daß ihre Geschwindigkeitsvektoren außer im Laufrad und Leitrad

nicht durch zusätzliche Umführungskanäle, Umlenkungen in abwärts und wieder aufwärts führende Pumpenteile oder sonstige Krümmer, Düsen, Diffusoren oder andere Einbauten verändert werden. Dieses Konstruktionskonzept bietet daher zu einer Verstopfung so wenig Ansatz wie nur möglich. Die fast ideale geradlinige Führung der Stromlinien wirkt außerdem verschleißmindernd sowohl hinsichtlich der Werkstoffe der Unterwassermotorpumpe als auch hinsichtlich der Manganknollen selbst, die bei häufiger Berührung mit umlenkenden Wänden möglicherweise zerbrechen und damit abrasiver gemacht werden könnten.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, daß eine Hilfspumpe den Spalten der Unterwassermotorkreiselpumpe klares Fremdwasser mit höherem Druck zuführt und daß Verbindungsbohrungen außerhalb der Unterwassermotorkreiselpumpe befindliches, unter höherem Druck stehendes klares Fremdwasser den Spalten zuführen. Dabei kann dieses klare Fremdwasser in einfacher Weise aus dem die Pumpe mit höherem Druck umgebenden Wasser mittels Gehäusebohrungen entnommen werden. Wo diese günstige Verfügbarkeit von klarem Druckwasser nicht gegeben ist, beispielsweise bei Anordnung der Pumpen in der Nähe des Wasserspiegels, kann dieses klare Wasser mittels einer Hilfspumpe mit höherem Druck als im Pum pen innen raum zugeführt werden .

Die Verschleißbeständigkeit wird begünstigt durch die Schmierung und Spülung aller Spalte mit klarem Wasser, wodurch ein Abrieb infolge Feststoffgehaltes von vornherein ausscheidet. Das gilt für alle Spalte zwischen rotierenden und nichtrotierenden Teilen, also zwischen Ständerwicklungen und Rotor, ferner für die beiden Radiallager und auch für den völligen hydraulischen Ausgleich des Axialschubs, wodurch ein Axiallager überflüssig wird und gänzlich entfallen kann. Durch die Aufteilung der notwendigen Förderhöhe

auf mehrere Pumpen ist auch die Umfangsgeschwindigkeit an den Lauf rädern soweit gemindert, daß der Abrieb an den Schaufeln und Radseitenwänden so weit wie möglich herabgesetzt werden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß in den Lagern Gleitflächen aus Hartmetallen oder keramischen Werkstoffen Anwendung finden. Verwendet man für diejenigen Stellen, die radial oder axial aufeinander gleiten könnten, noch verschleißarme und korrosionsbeständige Werkstoffe, wie z. B. bestimmte Hartmetalle oder Keramik, so ist - allerdings unter Einsatz zusätzlicher Kosten - selbst vorgesorgt für Ausnahmesituationen, die durch Betriebsstörungen von außerhalb der Pumpenaggregate auftreten können, beispielsweise durch Ausfall der elektrischen Energiezufuhr, der einen vorübergehenden Turbinenbetrieb mit ganz anderen Druckverteilungen im Steigrohr und in den Kreiselpumpen und damit die Gefahr einer Verschmutzung und anschließender Vergrößerung der Lagerspalte zur Folge haben könnte.

Die erheblichen Vorteile dieser Lösung gehen auf eine ganze Reihe von Einflüssen auf die Größe der Aufwendungen zurück: Auch wenn die Hohlwelle und die daraus sich ergebende größer bauende Statorwicklung das Aggregat verteuert, wird durch dieses Konzept der aufwendigere Außenmantel eingespart und der Läufer unter Fortfall von Kupplung, Axiallager und Wellendichtung sowie durch Zusammenfassung der Funktionen Dichtung und Lagerung so kompakt und einfach gestaltet, daß das Gesamtaggregat kostengünstiger wird. Ein Druckausgleich wie bei gekapselten und abgedichteten Unterwassermotoren ist nicht erforderlich, lediglich die ferritischen Bauelemente von Rotor und Ständer müssen gegen Seewasserkorrosion geschützt werden. Besondere Sperrwasserversorgungen sind nicht erforderlich, wenn die Unterwassermotorpumpe im Unterdruckbereich der Steigleitung eingebaut wird, was bei einer gleichmäßigen

Verteilung mehrerer Aggregate im oberen Drittel der Steigleitung durchaus realisierbar ist. Einfache Gehäusebohrungen gestatten dem klaren Wasser der Umgebung den Zutritt zu den zu spülenden und/oder zu schmierenden Lagerstellen. Beim Einsatz für andere Förderzwecke als bei der unterseeischen vertikalen Förderung ist eine kleine Hilfspumpe erforderlich, um das klare Spül-/ Schmierwasser mit Überdruck bereitzustellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Das Gehäuse der von unten nach oben durchströmten Unterwassermotorkreiselpumpe besteht aus dem Motorgehäuse 1 und dem Pumpengehäuse 2, die miteinander mittels des Gewindes 3 verschraubt sind und am Saugstutzen 4 mit der von unten kommenden Rohrleitung sowie am Druckstutzen 5 mit der nach oben weiterführenden Druckleitung verbunden sind. Anstelle der Rohrleitungen können auch andere gleichartige in Serie geschaltete Pumpen mit der dargestellten Unterwassermotorkreiselpumpe verbunden werden.

Im Motorgehäuse befindet sich die Statorwicklung 6 mit dem Blechpaket. Das Pumpengehäuse enthält das Leitrad 7 und einen Hohlraum 8, der von der Nabe 9 umschlossen wird.

Der Rotor 11 besteht aus einer vom Förderstrom durchflossenen rohrartigen Hohlwelle 10, auf der das Blechpaket befestigt ist. Das Pumpenlaufrad 12 ist mit dem Rohr 1 0 so verbunden, daß die Strömung möglichst stoßfrei von der Hohlwelle 10 in die Kanäle 13 des Laufrades 12 gelangen kann.

Der Rotor 11 ist in den Lagerspalten 14 und 15 radial geführt und bildet in den radial durchflossenen Spalten 16 und 17 den hydraulisch wirksamen Axialschubausgleich.

Mehrere Gehäusebohrungen 18 und 19 erlauben dem klaren Wasser, das das Aggregat mit Überdruck umgibt, den Zutritt zu allen Spalten, die mit diesem klaren Wasser gespült und gegebenenfalls geschmiert werden. Durch die Bohrung 18 strömt das klare Wasser in den Motorraum und von hier zum Teil durch den Lagerspalt 14, wonach es sich mit dem Förderstrom mischt, zum anderen Teil durch den elektrisch wirksamen Spalt zwischen Rotor und Ständerwicklung und anschließend durch den Spalt 16 zum hydraulischen Axialschubausgleich, wonach auch dieser Teilstrom sich hinter dem Pumpenlaufrad 12 mit dem Förderstrom mischt. Durch die Gehäusebohrung 19 strömt klares Wasser in den Lagerspalt 15 und anschließend durch den Spalt 17 des Axialschubausgleichs, wonach es sich hinter dem Laufrad 12 schließlich mit dem Förderstrom mischt.

Alle gegen Verschleiß empfindlichen Spalte werden auf diese Weise vor dem Eindringen von Feststoffen geschützt und von dem klaren Wasser der Umgebung gespült bzw. in den Spalten 14, 15, 16 und 17 auch geschmiert.

Zur Regulierung der Druckverhältnisse müssen die Bohrungen 18 und 19 entsprechend dimensioniert sein oder mit einstellbaren Drosseln versehen sein. Falls das Wasser der Umgebung nicht mit höherem Druck als im Pumpeninnern zur Verfugung steht, muß an diese Stelle 18 und 19 die Druckleitung einer Hilfspumpe angeschlossen werden.

Die Lagerpaarungen an den engen Spalten 14, 15, 16 und 17 können für den Fall, daß mit Betriebsstörungen beispielsweise durch Ausfall des elektrischen Netzes und als Folge davon mit einer Umkehr der Druckverhältnisse gerechnet werden muß, mit verschleißmindernden Werkstoffen wie Hartmetall oder Keramik bestückt werden. Bei einem störungsfreien Betrieb wäre diese Maßnahme aber nicht notwendig.

Claims (4)

1. Klein, Schanzlin & Becker Aktiengesellschaft

   Patentansprüche

   . Unterwassermotorkreiselpumpe in flüssigkeitsgefüllter Ausführung zur hydraulischen Förderung von Feststoffen, insbesondere von Manganknollen aus großen Meerestiefen, gekennzeichnet durch eine Pumpenstufe,

   deren Laufrad (12) mit einer vorgeschalteten,

   den Rotor (11) des Unterwassermotors bildenden Hohlwelle (10) versehen ist und eine mit Axialschubausgleich versehene bauliche Einheit bildet, wobei klares Fremdwasser alle Spalte (14, 15, 16, 17) zwischen rotierenden und stillstehenden Teilen durchströmt und/oder schmiert.
2. 2. Unterwassermotorkreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfspumpe den Spalten (14, 15, 16, 17) der Unterwassermotorkreiselpumpe klares Fremdwasser mit höherem Druck zuführt.
3. 3. Unterwassermotorkreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungsbohrungen (18, 19) außerhalb der Unterwassermotorkreiselpumpe befindliches, unter höherem Druck stehendes klares Fremdwasser den Spalten (14, 15, 16, 17) zuführen.
4. 4. Unterwassermotorkreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Lagern Gleitflächen aus Hartmetallen oder keramischen Werkstoffen Anwendung finden.