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Saugkrümmer für Kreiselpumpen
Die Erfindung betrifft einen Saugkrümmer für Kreiselpumpen mit einem zur Laufradachse vorzugsweise um etwa 900 geneigten Krümmerteil und einem in den geneigten Krümmerteil übergehenden, zur Laufradachse konzentrischen Krümmerteil. Durch einen solchen Krümmer wird die unter einem Winkel zur Laufradachse, im allgemeinen von etwa 900, ankommende Saugleitung in eine zum Laufrad konzentrische Zuleitung umgelenkt.
Ausser der Bedingung, dass das Geschwindigkeitsfeld der Strömung am Eintritt zum Laufrad möglichst gleichförmig sein soll, was bekanntlich durch eine besondere Form der Saugkrümmerwände und gegebenenfalls durch eine strömungsgünstige Profilierung von die Strömung im Saugkrümmer in zwei oder mehr Teilströme teilenden Rippen erreicht wird, soll ausserdem die Strömung vor dem Eintritt in das Laufrad keine freien konzentrierten Wirbel enthalten, weil das Aufplatzen solcher Wirbel auf den Laufschaufeln sowohl die Laufruhe der Pumpe stört als auch eine mehr oder weniger starke Kavitationserosion der Schaufeloberfläche verursacht.
Es ist bekannt, die Ausbildung derariger Wirbel durch eine möglichst grosse Erstreckung des Krümmers axial zum Laufrad und durch einen möglichst grossen Krümmerradius zumindest zu verringern. Bei Saugkrümmern mit durchgehender Welle und insbesondere bei grossen Anlagen, wo der axialen Erstreckung des Krümmers relativ enge Grenzen gesetzt sind, können diese Massnahmen nicht immer angewendet werden. Die Situation kann hiebei so kritisch werden, dass bei grossen Pumpenanlagen mit stark begrenzter axialer Erstreckung des Krümmers keine Garantie für die Verhinderung von durch derartige freie Wirbel verursachter Kavitationserosion und damit vorzeitiger Zerstörung des Laufrades geleistet werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel aufzuzeigen, durch welche auch bei grossen Anlagen mit stark begrenzter axialer Erstreckung des Krümmers eine Zuströmung zum Laufrad erzielt wird, in der sich keine derartigen freien Wirbel bilden können.
Bei der Lösung dieses Problems ging der Erfinder von der Erkenntnis aus, dass sich in den Wandgrenzschichten des Saugkrümmers quer zur Hauptströmung verlaufende Sekundärströmungen ausbilden, die dadurch entstehen, dass Fliehkräfte auf Grund der starken Krümmung der Strömungslinien zwar in der Hauptströmung auftreten und deren Druckfeld im wesentlichen bedingen, aber kaum in den durch die Reibung gebremsten Grenzschichten. Die Sekundärströmungen in den Grenzschichten sind in dem jeweiligen Meridianschnitt des Krümmers von aussen nach innen gerichtet, d. h. sie strömen im wesentlichen von dem am Aussenbogen gelegenen Wandteil zu dem am Innenbogen gelegenen, wo sie aus entgegengesetzten Richtungen kommend in einem bestimmten Bereich aufeinandertreffen, dessen Lage und Grösse von der jeweiligen Gestaltung des Krümmers abhängig ist.
Im allgemeinen sind die örtlichen Geschwindigkeiten dieser Sekundärströmungen nach Grösse und Richtung verschieden. Durch ihr Aufeinandertreffen bilden sich freie Wirbel, die dann den Stromlinien der Hauptströmung folgen und von dieser in das Laufrad gefördert werden, wo sie die bekannten sehr nachteiligen Kavitationserscheinungen verursachen können.
Basierend auf dieser Erkenntnis besteht die Erfindung nun darin, dass in dem durch Versuch oder Rechnung ermittelten Bereich des Aufeinandertreffens von im wesentlich entgegengesetzt zueinander gerichteten Sekundärströmungen, die sich in den Grenzschichten an den Krümmerwänden ausbilden,
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wenigstens eine im wesentlichen quer zu den Stromlinien von einer dieser Sekundärströmungen verlaufende Rippe als sogenannter Grenzschichtzaun angeordnet ist. Der Bereich des Aufeinandertreffens der Sekundärströmungen kann in einfacher Weise, z. B. in einem Modellkrümmer durch Messung sowie Beobachtung mit Hilfe eines an einem Stäbchen in die Strömung gehaltenen Fadens, ermittelt werden.
Wenn wie es meist der Fall ist, Sekundärströmungen unterschiedlicher Stärke aufeinandertreffen, dann wird vorzugsweise der Grenzschichtzaun quer zu der stärkeren Strömung und innerhalb derselben kurz vor dem Bereich des Aufeinandertreffens angeordnet. Durch den Grenzschichtzaun werden die Sekundärströmungen so weit gedämpft und in die Hauptströmung umgelenkt, dass die Ausbildung freier Wirbel stark gehemmt wird oder sogar unterbleibt. Die Versuche, in welchen das Strömungsverhalten von Saugkrümmern mit nach der Erfindung ausgerüsteten Grenzschichtzäunen mit dem eines ohne einen solchen Zaun im übrigen jedoch völlig gleich gestalteten Saugkrümmers verglichen wurde, haben verblüffende Ergebnisse gezeigt.
Die an den Krümmerwänden angebrachten und mit Hilfe eines Stäbchens in die für Versuchszwecke verwendete Luftströmung gehaltenen Fäden offenbarten bei den Krümmern mit Grenzsichtzäunen eine völlig stabile und wirbelarme bzw. wirbelfreie Strömung, im Gegensatz zu dem Krümmer ohne derartige Grenzschichtzäune, in welchem sich eindeutig eine starke Wirbelbildung zeigte.
Derartige Grenzschichtzäune sind an sich aus dem Flugzeugbau bekannt, wo unter diesem Begriff auf der Flügeloberseite quer zur Flügelachse und beiderseits etwa je in der Mitte einer Flügelhälfte aufgesetzte Blechwände zu verstehen sind, die zur Verhinderung des seitlichen Abwanderns und des dadurch verursachten frühzeitigen Ablösens der Grenzschicht bei Pfeilflügeln für solche Flugzeuge dienen, die sich mit Geschwindigkeiten knapp unterhalb der Schallgeschwindigkeit bewegen (Technische Hydro-und Aeromechanik von W. Kaufmann, 2. Auflage, [1958], S. 271, 3. Absatz).
Bei der Erfindung dient der Grenzschichtzaun jedoch nicht zur Verhinderung des Wanderns bzw.
Ablösens der Grenzschicht, sondern dazu, Sekundärströmungen innerhalb der Grenzschicht zu dämpfen und in die Hauptströmung umzulenken.
Lage und Form eines solchen Grenzschichtzaunes hängen weitgehend von der Bauart des Saugkrümmers ab, d. h. von der Krümmung seiner Wände, dem Flächenverlauf seiner Meridianschnitte, der Form eventueller Rippen, welche die Strömung im Saugkrümmer teilen, oder davon, ob eine durchgehende Welle vorhanden ist oder nicht.
Eine sehr vorteilhafte Querschnittsform der- als Grenzschichtzaun dienenden Rippe erhält man, wenn in weiterer Ausbildung der Erfindung die der stärkeren Sekundärströmung zugekehrte Rippenwand im wesentlichen senkrecht auf der Krümmerwand steht und die der schwächeren Strömung zugekehrte Rippenwand auf der angeströmten Seite mit der Krümmerwand einen Winkel zwischen 120 und 1500 bildet ; somit wird durch die senkrecht stehende Rippenwand die stärkere Strömung stärker gebremst. Dabei sollte die maximale Rippenhöhe vorzugsweise etwa gleich der ermittelten örtlichen Grenzschichtdicke sein, jedoch nicht mehr als zwischen 5 bis 10% des örtlichen lichten Abstandes bis zur gegenüberliegenden Krümmerwand.
Die sich im wesentlichen über den gesamten Bereich des Zusammentreffens beider Strömungen erstreckenden Rippen können gerade oder entsprechend der unterschiedlichen Richtung der Stromlinien gekrümmt sein. In einer bevorzugten Ausbildungsform gehen die Rippen an beiden Enden flacher werdend allmählich in die Saugkrümmerwand über.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles eines Krümmers mit durchgehender Welle und Einlauftrichter näher erläutert.
Darin ist Fig. l eine teilweise aufgebrochene Ansicht des Krümmers entgegen der Zuströmrichtung ins Laufrad, Fig. 2 ein Schnitt, ebenfalls teilweise aufgebrochen, entlang der Linie II-II der Fig. l, Fig. 3 ein Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. l und Fig. 4 ein Schnitt durch einen Grenzschichtzaun entlang der Linie IV-IV der Fig. 1.
Der Krümmer besteht aus einem zur Laufradachse --4-- etwa um 900 geneigten Krümmerteil --5-- und aus einem in diesen übergehenden zur Laufradachse --4-- konzentrischen Krümmerteil --6-- mit Flanschanschluss--6'--, der einen in den geneigten Krümmerteil--5--hineinragenden Trichter --7-- aufweist. Die Mittelebene des Laufrades ist durch die strichpunktierte Linie-8angedeutet.
Die im Bereich des Trichters --7-- liegenden seitlichen Wandungen-9 und 10-des Krümmerteiles--5--treffen auf der dem Zulauf--11--abgewendeten Seite des Trichters--7unter Bildung eines Sporns--12--zusammen, der bis an den wulstförmig verstärkten Rand-13des Trichters--7--reicht und in Form einer rippenartigen Spomverlängerung--14--bis an die äussere Trichterwandung vorgezogen ist,
während innerhalb des Trichters --7-- ein bis nahe an die nur strichpunktiert angedeuteten Wellenschutzhülse --15-- und ausserhalb des Trichters bis an die
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Krümmerrückwand --17-- reichende Rippe --16-- eine Fortsetzung des Sporns--12--bzw. der Rippe --14-- bildet. Wie aus Fig. 3 zu erblicken, verdickt sich die Rippe --16-- zur Krümmerrückwand --17-- hin derart, dass sie einen im wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt bildet. Zu jeder Seite dieser Rippe --16-- erstreckt sich ein bogenförmig von der Krümmerrückwand --17-- her bis auf die Rippe --16-- reichender rippenförmiger Grenzschichtzaun-18--.
Die grenzschichtzäune --18-- sind jeweils kurz vor dem nur auf der rechten Seite in Fig. l punktiert
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Wie aus dem in Fig. 4 dargestellten Schnitt durch den Grenzschichtzaun --18-- zu erkennen ist, bildet die der stärkeren Sekundärströmung--20--zugekehrte Wand des Grenzschichtzaunes - mit der Krümmerrückwand-17-einen rechten Winkel, während die der schwächeren Strömung-21-zugekehrte Wand des Grenzschichtzaunes mit der Krümmerwand einen Winkel a von etwa 1500 bildet.
Selbstverständlich können die erfindungsgemässen Grenzschichtzäune auch bei Pumpenkrümmern ohne Einlauftrichter vorgesehen werden, wo sie allerdings entsprechend den geänderten Strömungsverhältnissen eine etwas andere Lage als bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten würden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Saugkrümmer für Kreiselpumpen mit einem zur Laufradachse vorzugsweise um etwa 900 geneigten Krümmerteil und einem in den geneigten Krümmerteil übergehenden, zur Laufradachse
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Rechnung ermittelten Bereich (19) des Aufeinandertreffens von im wesentlichen entgegengesetzt zueinander gerichteten Sekundärströmungen (20 und 21), die sich in den Grenzschichten an den Krümmerwänden (9, 10, 17) ausbilden, wenigstens eine im wesentlichen quer zu den Stromlinien (20, 21) von einer dieser Sekundärströmungen verlaufende Rippe als sogenannter Grenzschichtzaun (18) angeordnet ist.