DE942339C

DE942339C - Device for absorbing the axial forces in submersible motors

Info

Publication number: DE942339C
Application number: DES38354A
Authority: DE
Inventors: Alfred Tuma
Original assignee: Pumpenfabrik Ernst Vogel GmbH
Current assignee: Xylem Water Solutions Austria GmbH
Priority date: 1953-07-13
Filing date: 1954-03-26
Publication date: 1956-05-03

Description

Einrichtung zur Aufnahme der axialen Kräfte bei Unterwassermotoren Bei Unterwassermotoren, die Kreiselpumpen antreiben und mit senkrechter Achse eingebaut werden, entstehen durch das Eigengewicht der rotierenden Teile und den Axialschub der angetriebenen Pumpe sehr große axiale Kräfte. Eine der bekannten Einrichtungen zur Aufnahme dieser Kräfte besteht aus einer auf der Motorwelle sitzenden Entlastungsscheibe und einer vom Motor angetriebenen kleinen Entlastungspumpe, die den zum Anheben der Entlastungsscheibe notwendigen Druck erzeugt. Diese ganze Einrichtung wird vorteilhaft im Innern des Motors, das vor dem Einsenken mit keinwasser gefüllt wird und gegen das Eindringen von Verunreinigungen des den Motor umgebenden Wassers entsprechend geschützt ist, angeordnet. Die Entlastungspumpe fördert dann das in den Motor gefüllte Reinwasser im geschlossenen Kreislauf durch den Spalt der Entlastungsscheibe, dessen Größe sich von selbst entsprechend der Förderhöhen-Kennlinie der Entlastungspumpe und den aufzunehmenden Axialkräften einstellt.Device for absorbing the axial forces in submersible motors With submersible motors that drive centrifugal pumps and installed with a vertical axis are caused by the dead weight of the rotating parts and the axial thrust very large axial forces of the driven pump. One of the well-known institutions to absorb these forces consists of a relief disc on the motor shaft and a motor-driven small relief pump that lifts the the pressure relief disc generates the necessary pressure. This whole establishment becomes beneficial inside the motor, which is filled with no water before sinking and against the ingress of impurities in the water surrounding the engine accordingly is protected, arranged. The relief pump then delivers what is filled into the engine Pure water in a closed circuit through the gap in the relief disc, its Size itself according to the delivery head characteristic of the relief pump and adjusts the axial forces to be absorbed.

Bisher wurde als Entlastungspumpe eine kleine Kreiselpumpe mit Radiallaufrädern in der normal üblichen Ausführung verwendet. Erfahrungsgemäß bleibt in einer solchen Pumpe beim Füllen des Motors sehr viel Luft eingeschlossen. Diese Luft wird zwar bereits kurz nach dem ersten Anlauf zurre größten Teil aus der Pumpe entfernt und stört daher die Wirkung der Entlastungseinrichtung nicht; sie verbleibt aber im Innern des Motors und beeinträchtigt nicht nur die Schmierung der wassergeschmierten Radiallager, sondern kann auch den ganzen inneren Kühlkreislauf zum Versagen bringen. Ein innerer Kühlkreislauf ist- bei der eingangs geschilderten Bauart mittlerer und großer Unterwassermotoren notwendig; um die durch die Läufer-Kupferverluste und durch die hydraulische Reibung des Läufers im Wasser entstehenden Wärmemengen aus dem Spalt zwischen Ständer und Läufer zunächst in einen Wärmetauscher und durch diesen an das den Motor umgebende Wasser abzuführen. Das Kühlwasser in diesem. Kreislauf wird durch ein besonderes Förderorgan, das üblicherweise nach dem Kreiselradprinzip arbeitet, in- Bewegung gehalten. Kommt nun die beim Füllen im Innern des Motors verbliebene Luft in das .als Förderorgan dienende Kreiselrad, so »schnappt« dieses bekanntlich ab, d. h., -es erzeugt keinen Druck mehr; und der Kühlkreislauf ist unterbrochen. Tritt dies ein, so entstehen im Motorinnern viel zu hohe Temperaturen, die erfahrungsgemäß zu Kalkablagerungen am Läufer und zu einem vorzeitigen Verschleiß der wassergeschmierten Radiallager führen. Durch Verwendung eines luftunempfindlichen, sogenannten »selbstsaugenden<< Kreiselrades als Förderorgan könnte das Abschnappen zwar verhindert werden, es würden sich aber verwickelte Konstruktionen ergeben, und die Beeinträchtigung der Lagerschmierung würde trotzdem bestehenbleiben.So far, a small centrifugal pump with radial impellers has been used as a relief pump used in the normal execution. Experience has shown that it stays in one of these The pump trapped a lot of air when filling the motor. This air will though already removed from the pump shortly after the first start-up and disturbs hence the effect of the relief device is not; it remains but inside the engine and not only affects the lubrication of the water-lubricated Radial bearings, but can also cause the entire internal cooling circuit to fail. An internal cooling circuit is medium and in the type described at the beginning large underwater motors necessary; around the copper losses caused by the rotor and heat generated by the hydraulic friction of the rotor in the water the gap between the stator and rotor first into a heat exchanger and through dissipate this to the water surrounding the engine. The cooling water in this. Cycle is made by a special conveyor, which is usually based on the impeller principle works, kept moving. Now comes the filling inside the engine Any remaining air in the impeller serving as a conveying element "snaps" it as is well known, d. that is, it no longer generates pressure; and the cooling circuit is interrupted. If this happens, temperatures inside the motor are much too high, experience has shown that limescale deposits on the rotor and premature wear the water-lubricated radial bearings. By using an air-insensitive, so-called "self-sucking" impeller as a conveyor element could snapping off can be prevented, but intricate constructions would result, and the deterioration in bearing lubrication would still persist.

Die Erfahrung hat ferner- gezeigt, daß bei viel Luft im Motor das Förderorgan des Kühlkreislaufes sofort nach dem ersten Anlauf abschnappt und dauernd abgeschnappt bleibt, weil während des Laufes keine Luft aus dem Motor entweicht. Versuche haben .ergeben, daß .die Luft nur auf folgende Weise aus dem Motor entfernt werden kann: Man muß den Motor mehrmals hintereinander einige Sekunden laufen lassen und dann wieder ab- . schalten. Nach jedem Abschalten entweicht nur eine geringe Menge Luft. Bei der bisher verwendeten Bauart der Entlastungspumpe waren bis dreißig solcher kurzzeitigen Einschaltungen notwendig, um so viel Luft aus dem Motor zu entfernen, daß die restliche Menge sicher unschädlich war. Bei der Inbetriebsetzung wurden diese Einschaltungen trotz entsprechender Vorschrift häufig nicht oft genug wiederholt, und es traten dann nach kurzer Laufzeit die früher geschilderten Störungen auf.Experience has also shown that if there is a lot of air in the engine that The conveying element of the cooling circuit snaps off immediately after the first start-up and continuously remains snapped off because no air escapes from the motor while it is running. Tests have shown that the only way to remove air from the engine is in the following ways can be: You have to run the engine several times in a row for a few seconds and then off again. switch. After each switch-off, only a small amount escapes Amount of air. In the previously used type of relief pump, there were up to thirty such short-term switch-ons are necessary to get as much air out of the engine remove that the remaining amount was certainly harmless. During commissioning In spite of the relevant regulations, these activations were often not often enough repeated, and then after a short running time the disturbances described earlier occurred on.

Diese Gefahr kann nur vermieden werden, wenn beim Füllen des Motors keine oder nur sehr wenig Luft in der Entlastungseinrichtung verbleibt. Durch Versuche wurden zwei Ursachen für das Verbleiben der großen Luftmenge in der Entlastungseinrichtung beim Füllen festgestellt. Erstens wird Luft unter allen waagerechten Flächen in Form großer Blasen eingeschlossen und bleibt dort auch bei leichter Neigung der Flächen hängen. Zweitens wird die Luft in allen Hohlräumen eingeschlossen, in die das Wasser beim, Füllen nur durch enge Spalte eintreten .könnte, weil diese Spalte durch die Oberflächenspannung des Wassers überbrückt werden, noch bevor das Wasser durchtreten kann.This danger can only be avoided when filling the engine no or very little air remains in the relief device. Through trials two reasons for the large amount of air remaining in the relief device detected during filling. First, air gets in under all horizontal surfaces Trapped in the form of large bubbles and remains there even with a slight incline of the Hang surfaces. Second, the air becomes trapped in all of the cavities in which when filling, the water could only enter through narrow gaps, because these gaps be bridged by the surface tension of the water, even before the water can pass through.

Auf Grund dieser Erkenntnis kann die beim Füllen _ in der Entlastungseinrichtung verbleibende Luftmenge auf eine unschädliche Größe vermindert werden, wenn erfindungsgemäß die bisher üblicherweise zur Achse senkrechten Flächen der Laufradseitenwände, der 'Stufengehäuse und der Entlastungsscheibe so geformt werden, daß beim von unten her erfolgenden Füllen der Einrichtung mit Wasser die Luft nach oben mit Sicherheit verdrängt wird.On the basis of this knowledge, when filling _ in the relief device remaining amount of air can be reduced to a harmless size if according to the invention the surfaces of the impeller side walls that were previously usually perpendicular to the axis, the 'Step housing and the relief disc are shaped so that when from below by filling the device with water, the air upwards with certainty is displaced.

:'Um dies zu erreichen, werden die Seitenwände aller Laufräder von der Welle weg nach außen zu ansteigend und die Flächen der Stufengehäuse von außen gegen die Welle zu ansteigend ausgebildet, also ähnlich wie bei der bekannten Bauart »halbaxialer« Kreiselpumpen, die häufig als Hauptpumpen von Unterwassermotoren angetrieben werden. Bei den Hauptpumpen dient diese Formgebung aber nur- zur Erzielung günstiger Wasserströmungsverhältnisse bei kleinerem .Pumpendurchmesser, während sie bei der Entlastungspumpe nur angewendet wird, um zusammen :mit der nachstehend angegebenen Maßnahme eine einwandfreie Entlüftung zu erreichen.: 'To achieve this, the sidewalls of all impellers are made of away from the shaft to the outside and the surfaces of the step housing from the outside against the shaft designed to rise, so similar to the known design "Semi-axial" centrifugal pumps, often driven as main pumps by submersible motors will. In the case of the main pumps, however, this shape is only used to achieve better results Water flow conditions with a smaller pump diameter, while they are with the Relief pump is only applied to together: with the one specified below Measure to achieve perfect ventilation.

Erfindungsgemäß wird ferner die Breite aller Spalte, durch die Wasser zur Füllung von Hohlräumen eintreten muß, größer als 4 mm ausgeführt. Versuche haben gezeigt, daß diese Mindestspaltbreite notwendig ist, um eine Überbrückung durch die Oberflächenspannung des Wassers zu verhindern.According to the invention, the width of all gaps through the water to fill cavities must be made larger than 4 mm. Have attempts shown that this minimum gap width is necessary to be bridged by to prevent the surface tension of the water.

In der Zeichnung ist ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Unterwassermotor in Fig. I im Längsschnitt dargestellt. Die Fig. 2 und 3 zeigen den Verlauf der Füllung bei bisher bekannter Spaltbreite -von I mm und bei erfindungsgemäßer Spaltweite von mindestens 4 mm.In the drawing is a trained according to the invention underwater motor shown in Fig. I in longitudinal section. FIGS. 2 and 3 show the course of the filling with a previously known gap width of 1 mm and with a gap width according to the invention of at least 4 mm.

Der Läufer I sitzt auf der Welle 2, .die in Gleitlagern 3 geführt. ist. Das Ständerpaket 4 mit der Wicklung 5 ist außen durch das Gehäuse 6 und gegen den Läuferraum durch die Trennwand wasserdicht gekapselt. Die Rippen 8 des Wärmetauaschers 9 führen .die durch den inneren Kühlkreislauf in den Wärmetauscher 9 beförderte Wärmemenge an das den Motor umgebende Wasser ab. Das Kühlwasser wird durch die Wellenbohrung Io von den als Förderorgan dienenden Kanälen II aus den Wärmetauscher 9 angesaugt und in den Spalt 12 zwischen Läufer I und Trennwand 7 gedrückt. Die halbe Kühlwassermenge wird durch die untere Hälfte des Spaltes 12 und weiter direkt in den Wärmetauscher 9 gedrückt. Die andere Hälfte der Kühlwassermenge wird durch die obere Hälfte des Spaltes 12 zunächst nach oben gedrückt und dann durch die Rückführnuten 13 und das Hilfsrad I4 wieder nach unten in den Wärmetauscher 9 geleitet. Wenn beim Füllten viel Luft im Motor verbleibt, kann dieser innere Kühlkreislauf dadurch versagen, daß sich in den Löchern i i Luftpfropfen festsetzen und die Löcher i r dann keime Förderwirkung mehr ausüben. Zur Verminderung der beim Füllen im Motor verbleibenden Luftmenge sind folgende Flächen hegellg agsgebildet: die untere Fläche 15 der Entlastungsscheibe 16, die Flächen 17 aller Stufengehäuse 18 und die Seitenwände aller Laufräder i g. Vor dem Einsenken in das Bohrloch wird der Motor durch den Trichter 2o, den Schlauch 21 und das Füllventil 22 von untenher gefüllt. Durch die kegelige Ausbildung .aller bisher ebenen Flächen wird beim Füllen die Luft innerhalb :der Entlastungspumpe und unterhalb der Entlastungsscheibe 16 mit Sicherheit nach oben verdrängt und entweicht durch die Entlüftungslöcher 23 zunächst in den Raum oberhalb der Entlastungsscheibe 16 und beim Weiterfüllen durch den Spalt 24 aus dem Motor.The rotor I sits on the shaft 2, which is guided in slide bearings 3. is. The stator package 4 with the winding 5 is outside through the housing 6 and against the runner area is encapsulated in a watertight manner by the partition. The ribs 8 of the heat exchanger 9 lead .the conveyed through the internal cooling circuit in the heat exchanger 9 Amount of heat from the water surrounding the engine. The cooling water is through the shaft bore Io is sucked in from the heat exchanger 9 by the channels II serving as conveying elements and pressed into the gap 12 between rotor I and partition 7. Half the amount of cooling water is through the lower half of the gap 12 and further directly into the heat exchanger 9 pressed. The other half of the amount of cooling water is passed through the upper half of the Gap 12 first pushed up and then through the return grooves 13 and the Auxiliary wheel I4 is passed back down into the heat exchanger 9. If with the stuffed If a lot of air remains in the engine, this internal cooling circuit can fail as a result that air plugs settle in the holes i i and the holes i r then germinate Exercise more of a promotional effect. To reduce the amount left in the engine during filling Air volume, the following areas are formed: the lower one area 15 of the relief disk 16, the surfaces 17 of all stage housings 18 and the side walls of all impellers i g. Before sinking into the borehole, the motor is powered by the Funnel 2o, the hose 21 and the filling valve 22 are filled from below. Through the conical design. All previously flat surfaces are filled with the air inside : the relief pump and below the relief disk 16 with certainty displaced at the top and initially escapes through the ventilation holes 23 into the room above the relief disk 16 and when further filling through the gap 24 the engine.

Die Rückführschaufeln 25 in den Stufengehäusen 18 werden vorteilhaft offen ausgebildet, um Hohlräume, die durch Spalte gefüllt werden müssen, möglichst zu vermeiden. Die Räume 26 unterhalb der Laufräder 19 müssen aber durch die Spalte 2; gefüllt werden, und diese Spalte 27 werden erfindungsgemäß größer als 4 mm ausgeführt, damit sie durch die Oberflächenspannung des Wassers nicht überbrückt werden. Wie der Füllvorgang bei einem kleineren Spalt in der bisher üblichen Größe von etwa I mm verläuft, zeigt Fig. z. Beim Füllen von unten tritt durch den Dichtungsspalt 28 (Feg. 2), der nur etwa o,I mm gemacht werden kann, infolge der Oberflächenspannung kein Wasser in den Raum 26. Das Wasser steigt in den Laufradkanälen hoch, in denen die steigenden Wasserspiegel mit I, II, III bezeichnet sind. Füllt man nach Erreichen des Wasserspiegels II weiter Wasser nach, so wird beim Erreichen des nur wenig höher liegenden Wasserspiegels III zunächst an einer Stelle des Umfanges und sofort danach umlaufend der ganze Spalt 27 überbrückt und die Luft im Raum 26 eingeschlossen. Beim weiteren Füllen bleibt sie :dort eingeschlossen, weil die Oberflächenspannung des Wassers ein. Aufperlen der Luft durch den engen Spalt 27 verhindert.The return vanes 25 in the stage casings 18 become advantageous designed to be open in order to avoid cavities that have to be filled by gaps to avoid. The spaces 26 below the wheels 19 but must through the column 2; are filled, and these gaps 27 are made larger than 4 mm according to the invention, so that they are not bridged by the surface tension of the water. As the filling process with a smaller gap in the usual size of about I mm runs, Fig. Shows z. When filling from below occurs through the sealing gap 28 (Feg. 2), which can only be made about 0.1 mm, as a result of surface tension no water in room 26. The water rises in the impeller channels in which the rising water levels are labeled I, II, III. One fills after reaching the water level II continues to water, it is only slightly higher when it is reached lying water level III first at one point of the circumference and immediately afterwards the entire gap 27 is bridged circumferentially and the air is enclosed in space 26. When it is further filled, it remains: trapped there because of the surface tension of the water. The narrow gap 27 prevents the air from beading up.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Füllung bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Spaltes mit mindestens 4 mm Breite. Beim Erreichen des Wasserspiegels III tritt das Wasser aus den Laufradkanälen aus und fällt in den Raum 26. Bei langsamer Füllung tritt das Wasser nur an einer oder mehreren Stellen des Umfanges aus, und dazwischen kann die Luft aus dem Raum 26 :entweichen. Bei rascher Füllung kann zwar zunächst ein geschlossener Wasservorhang entstehen, der aber bei weiterer Füllung durch die aufsteigende Luft durchbrochen wird, weil--die Oberflächenspannung in dem mehr als 4 mm breiten Spalt keine merkbare Wirkung mehr ausübt.Fig. 3 shows the course of the filling in the embodiment according to the invention of the gap with a width of at least 4 mm. When reaching the water level III occurs the water out of the impeller channels and falls into room 26. With slow filling the water only comes out at one or more points of the circumference, and in between can the air from room 26: escape. If the filling is quick, it can be done initially a closed water curtain is created, but with further filling by the rising air is broken because - the surface tension in the more than 4 mm wide gap no longer has a noticeable effect.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Ent-1astungseinrichtung wird nicht nur die Inbetriebsetzung wesentlich vereinfacht, sondern auch' die Betriebssicherheit bedeutend erhöht, weil alle durch ungenügende Entlüftung entstehenden Defekte nicht mehr auftreten können, wodurch :ein :erheblicher technischer Fortschritt erzielt wird.Due to the design of the relief device according to the invention not only the commissioning is simplified considerably, but also the operational safety significantly increased because none of the defects caused by insufficient ventilation are eliminated more can occur, as a result of which: a: achieves considerable technical progress will.

Claims

PATENT CLAIM; Device for absorbing the axial forces in water-filled submersible motors installed with a vertical axis, consisting of a relief disc built into the engine and a centrifugal pump which is advantageously arranged immediately below and which is driven by the motor and which generates the pressure necessary to lift the relief disc, characterized in that the side walls of all Impellers (I9) rise away from the shaft to the outside, while the surfaces (17) of the step housing (18) and advantageously also the lower surface (15) of the relief disk (16) rise from the outside towards the shaft and that furthermore all Gap (27) through which the water in cavities (26) can only enter from the side or from above when the device is being filled, at least 4 mm. are wide. Referred publications:. British Patent No. 59o 5 16 ; U.S. Patent No. 2,407,348; W. Schulz and F.- P un ga: »Unterwasserpump.en«, Berlin, 1944, pp. 6-7: