-
Die
Erfindung betrifft geschlossene Laufräder für Kreiselpumpen sowohl in der
Bauform mit zweidimensional gekrümmten
Schaufeln wie auch in der Bauform mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln
insbesondere für
den Einsatz in Kfz-Kühlsystemen.
-
Alle
im Stand der Technik vorbeschriebenen geschlossenen Laufräder, ob
nun in der Bauform als Radialschaufelräder mit zwei- bzw. dreidimensional gekrümmten Schaufeln
oder aber in der Bauform als Francis-, oder Diagonalschaufelräder mit
ausschließlich
dreidimensional, räumlich
gekrümmten
Schaufeln, verfügen,
um eine Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit
des Fördermediums
im Laufrad zu bewirken, stets über
eine gegenüber
der Eintrittsbreite (b1) reduzierte Austrittsbreite (b2).
-
Infolge
dieser gegenüber
der Eintrittsbreite (b1) reduzierten Austrittsbreite (b2) ist die
Fertigung der geschlossenen Bauformen von Laufräder mit einem wesentlich erhöhten Fertigungsaufwand
im Vergleich zur relativ unkomplizierten Fertigung der offenen Bauformen
der Laufräder
für die
Kreiselpumpen der Kfz-Kühlsysteme
verbunden.
-
Diese
offenen Bauformen werden in der Regel aus Kunststoff, beispielsweise
aus einem Thermoplast oder einem Duroplast im Plastspritzverfahren
hergestellt.
-
Auch
die geschlossenen Bauformen der Laufrädern mit den zweidimensional
gekrümmten Schaufeln
können
aus Kunststoff hergestellt werden.
-
Einerseits
wird dabei zunächst
ein offenes Schaufelrad mit zweidimensional gekrümmten Schaufeln gefertigt welches
dann in einem nachfolgenden Arbeitsschritt mit einer separat gefertigten Deckscheibe
zu einem geschlossenen Laufrad verbunden wird.
-
Andererseits
können
solche geschlossenen Laufräder
mit zweidimensional gekrümmten
Schaufeln auch mit Hilfe von geteilten Schiebern beispielsweise
auch einteilig als Plastspritzgussteile hergestellt werden.
-
Gegenüber geschlossenen
Laufrädern
mit räumlich
gekrümmten
Schaufeln weisen diese geschlossenen Laufräder mit zweidimensional gekrümmten Schaufeln
bei gleicher Förderleistung
einen größeren spezifischen
Durchmesser, ein schlechteres Saugverhalten wie auch eine erhöhte Kavitationsgefährdung auf.
-
Zudem
beträgt
der erreichbare hydraulische Wirkungsgrad solcher geschlossenen
Laufräder
mit einfach gekrümmten
Schaufeln maximal 70 %. Mit geschlossenen schnelllaufenden Laufrädern mit räumlich gekrümmten Schaufeln
hingegen kann jedoch ein hydraulischer Wirkungsgrad von bis zu 87
% erreicht werden.
-
Das
wesentliche Hindernis für
den großtechnischen
Einsatz solcher geschlossenen schnelllaufenden Laufräder mit
räumlich
gekrümmten
Schaufeln als Laufräder
in Kühlmittelpumpen
im Motoren- und Automobilbau war jedoch seit jeher deren sehr komplizierte,
und daher zwangsläufig
kostenintensive Herstellung.
-
Diese
für Kühlmittelpumpen
zwangsläufig
relativ kleinen und dabei zudem sehr kompliziert aufgebauten Laufräder mit
ihren räumlich
gekrümmten Schaufeln
mussten auf Grund ihrer komplizierten Entformbarkeit vorwiegend
als Feingussteil im Wachsausschmelzverfahren oder im Sandformgussverfahren
sehr kostenintensiv hergestellt werden und waren daher für den Großserieneinsatz
ungeeignet.
-
Hinzu
kam noch, dass bei diesen relativ kleinen Bauformen die Möglichkeiten
zum Putzen und Polieren der Gussflächen im Inneren des Laufrades sehr
stark begrenzt sind, so dass darüber
hinaus die erzielbare Oberflächengüte ebenfalls
sehr stark eingeschränkt
ist.
-
Infolge
der fertigungsbedingt zwangsläufig verbleibenden,
relativ hohen Oberflächenrauhigkeit wird
auch der maximal erzielbare Wirkungsgrad sehr stark reduziert.
-
Vom
Anmelder der hier vorliegenden Erfindung wurde daher in der
DE 197 42 023 A1 eine
neuartige Bauform für
geschlossene schnelllaufende Laufräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln vorgeschlagen,
welche sich neben exakt definierten Schaufelformen, einer hohen
Schaufeloberflächengüte, guten
Rundlaufeigenschaften, einer hohen Zuverlässigkeit, einen minimierten
Fertigungs- und Montageaufwand sowie einem hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
-
Diese
in der
DE 197 42 023
A1 vorgeschlagene und im praktischen Einsatz vielfach bewährte Bauform
ist durch eine Segmentierung des Laufrades gekennzeichnet, wobei
die Teilung des jeweiligen Laufrades stets im Bereich der Schaufeln
erfolgt und dabei zu einfach entformbaren, beispielsweise auch aus
Kunststoff kostengünstig
zu fertigenden Laufradsegmenten führt.
-
Diese
einzelnen Laufradsegmente werden nach ihrer Fertigung in einem separaten
Arbeitsschritt zu einem Laufrad mit räumlich gekrümmten Schaufeln zusammengefügt und dabei
mittels einer Bodenscheibe und/oder eines Spannringes miteinander
verspannt.
-
Der
in der Serienfertigung zumeist Einsatz findende Laufradwerkstoff
Kunststoff ermöglicht
dabei neben einer kostengünstigen
Fertigung der einzelnen Bauteile und einer relativ kostengünstig erzielbaren,
hohen Oberflächengüte, einen
geringen Reibungswiderstand, eine hohe Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
dem Fördermedium
wie auch eine hohe Beständigkeit
gegenüber
Kavitationserscheinungen.
-
Die
Kavitation entsteht im Betriebszustand des Laufrades in Bereichen
mit niedrigem Druckniveau, d.h. bei einem Druck unterhalb des Dampfdruckes
des Fördermediums,
die Auswirkungen der Kavitation, d.h. die Implosion der Kavitationsblasen und
der aus dieser Implosion resultierende Verschleiß, die Kavitationserosion tritt
jedoch stets erst in den Bereichen mit erhöhtem Druck, d.h. zumeist nach
dem Laufrad auf.
-
Diese
dort angeordneten, dem Laufrad in Strömungsrichtung „nachgeschalteten" Bauteile und Baugruppen
sind das Pumpengehäuse
und/oder durch Integration der Pumpe in den Motor, der Steuergehäusedeckel,
das Zylinderkurbelgehäuse,
der Zylinderkopf o.ä..
-
Diese „nachgeschalteten" Bauteile sind bei den
modernen Motoren jedoch zumeist aus Aluminiumguss hergestellt.
-
Im
Vergleich zum Kunststoff weist der Aluminiumguss jedoch eine sehr
viel schlechtere Beständigkeit
gegenüber
der Kavitationserosion auf, so dass eine sich in Bereichen mit niedrigem
Druckniveau im Laufrad aufbauende Kavitation dann an den dem Laufrad
benachbarten Bauteilen und Baugruppen aus Aluminiumguss zu einer
Schädigung durch
Kavitationserosion führt,
welche dann nach längeren
Dauerbetrieb zu einen Totalausfall dieser Bauteile/Baugruppen führen kann.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die vorgenannten Nachteile
des Standes der Technik zu beseitigen und eine neuartige Bauform von
geschlossene Laufräder
für Kreiselpumpen
zu entwickeln, welche selbst in kleinen Baugrößen sich durch einen hohen
hydraulischen Wirkungsgrad und ein hohes Saugverhalten auszeichnet,
dabei einfach und kostengünstig
herstellbar ist und zudem gleichzeitig die Auswirkungen des Kavitationsverschleißes an den
dem Laufrad nachgeschalteten Bauteilen/Baugruppen wesentlich reduziert.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mittels eines Laufrad für
Kreiselpumpen in geschlossener Bauform gelöst welches sich dadurch auszeichnet, dass
sich die Breite des zwischen den Schaufeln befindlichen Strömungsquerschnittes
vom Strömungseintritt
in das Laufrad bis zum Strömungsaustritt
aus dem Laufrad kontinuierlich vergrößert, wobei das Verhältnis der
Austrittsbreite (b2) zur Eintrittsbreite (b1) im Bereich zwischen
1,01 und 1,2 liegt.
-
Infolge
dieser kontinuierlich sich erweiternden Austrittsbreite (b2) wird
eine wesentliche Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit zum Laufradaustritt
hin bewirkt.
-
Diese
erfindungsgemäß erzielte
Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit
im Laufrad bewirkt unter Beachtung der Energiebilanz (P/ρ + w2 = konstant; mit P – statischer Druck; ρ – Dichte
des Strömungsmediums;
w – Strömungsgeschwindigkeit) zwangsläufig eine
Erhöhung
des statischen Druckes im Innern des Laufrades.
-
In
Verbindung mit dem Einsatz von räumlich gekrümmten Schaufelgeometrien
bei den erfindungsgemäßen Laufrädern wird
in Folge der strömungskonformeren
Schaufelgeometrie darüber
hinaus der Unterdruck an der Schaufelrückseite wie auch die Kavitation
insgesamt zudem nochmals deutlich reduziert.
-
Auf
Grund des erfindungsgemäß im Innern des
Laufrades dabei gleichzeitig gewollten Druckanstieges wird der Bereich
der Implosion der Kavitationsblasen und damit auch der aus dieser
Implosion der Kavitationsblasen resultierende Verschleiß, die Kavitationserosion
in das aus Kunststoff bestehende Laufrad verlegt.
-
Da
der Kunststoff des Laufrades gegenüber dem Aluminiumguss der dem
Laufrad benachbarten Bauteile eine wesentlich höhere Beständigkeit gegenüber Kavitationserosion
ausweist, werden infolge dieser erfindungsgemäßen Verlagerung des Bereiches
der Kavitationserosion in das Laufrad zwangsläufig die Auswirkungen des Kavitationsverschleißes an den
dem Laufrad nachgeschalteten Bauteilen/Baugruppen somit erfindungsgemäß wesentlich reduziert.
-
In
Abhängigkeit
von der für
Druckaufbau benötigter
Strömungsgeschwindigkeit
und dem jeweiligen Austrittswinkel kann die Austrittsbreite (b2)
fachgemäß (nach
dem „Geschwindigkeitsdreieck") dimensioniert werden.
-
Entsprechend
der im Stand der Technik üblichen
Dimensionierung kann dabei eine größere Austrittsbreite über sonstige
Parameter wie beispielsweise einen kleineren Austrittswinkel, die
Schaufeldicke usw. kompensiert werden.
-
Alle
seitens des jeweiligen Anwenders geforderten Leistungsdaten wie
Förderhöhe und Volumenstrom
können
somit nach den im Stand der Technik bisher üblichen Berechnungsmethoden
zur Dimensionierung des jeweiligen Laufrades berücksichtigt werden, so dass
auch mittels dieser neuartigen, erfindungsgemäß ausgebildeten Laufräder alle
vom jeweiligen Anwender geforderten Leistungsdaten zuverlässig erreicht
werden können.
-
Das
Verhältnis
der Austrittsbreite (b2) zur Eintrittsbreite (b1) sollte dabei jedoch
stets im Bereich zwischen 1,01 und 1,2 liegen, da mit größer werdender
Austrittsbreite (b2) verstärkt
Rezirkulationen im Laufrad auftreten, welche dann zu einer Ablösung der
Strömung
und einem daraus resultierenden Wirkungsgradverlust führen.
-
Fertigungstechnisch
ist in diesem Zusammenhang besonders hervorzuheben, daß infolge
der speziell gestalteten Laufradgeometrie mit einer sich kontinuierlich
vergrößernden
Breite des zwischen den Schaufeln befindliche Strömungsquerschnittes vom
Strömungseintritt
in das Laufrad bis zum Strömungsaustritt
aus dem Laufrad auch eine Entformung von geschlossenen schnelllaufenden
Laufräder
mit räumlich
gekrümmten
Schaufeln, und damit eine Fertigung der erfindungsgemäßen Laufräder als einteilige
Kunststoffteile möglich
wird, so dass sich der Fertigungsaufwand gegenüber der Fertigung von herkömmlichen
Laufräder
wesentlich vereinfacht und selbst kleine Baugrößen mit einen hohen hydraulischen
Wirkungsgrad und einem hohen Saugverhalten einfach und kostengünstig herstellbar
sind.
-
Nachfolgend
soll die erfindungsgemäße Lösung nun
an Hand von drei Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit zwölf
Figuren näher
erläutert
werden.
-
Dabei
zeigen die
-
1:
die Draufsicht auf ein Radialschaufelrad;
-
2:
die Seitenansicht eines Radialschaufelrades nach
1 im
Schnitt bei A-A gemäß einer Bauform
nach der
DE 197 42
023 A1 ;
-
3:
die Seitenansicht des Radialschaufelrades nach 1 im
Schnitt bei A-A nach der erfindungsgemäßen Bauform;
-
4:
die Draufsicht auf ein Francisschaufelrad;
-
5:
die Seitenansicht eines Francisschaufelrades nach
4 im
Schnitt bei B-B gemäß einer
Bauform nach der
DE
197 42 023 A1 ;
-
6:
die Seitenansicht des Francisschaufelrades nach 4 im
Schnitt bei B-B nach der erfindungsgemäßen Bauform;
-
7:
die Draufsicht auf ein Diagonalschaufelrad;
-
8:
die Seitenansicht eines Diagonalschaufelrades nach
7 im
Schnitt bei C-C gemäß einer
Bauform nach der
DE
197 42 023 A1 ;
-
9:
die Seitenansicht des Diagonalschaufelrades nach 7 im
Schnitt bei C-C nach der erfindungsgemäßen Bauform.
-
In
der 1 ist ein als Radialschaufelrad mit einfach gekrümmten Schaufeln 3 ausgebildetes
Flügelrad 1 in
der Draufsicht dargestellt.
-
Die
2 zeigt
nun die Seitenansicht eines Radialschaufelrades nach
1 im
Schnitt bei A-A gemäß der in
der
DE 197 42 023
A1 vorbeschriebenen „segmentierten
Bauweise" mit dem
Boden
2, den Schaufeln
3, einer Decke
4 sowie
einem die Schaufelsegmente miteinander verbindenden Spannring
5, und
wie im Stand der Technik üblich,
einer gegenüber der
Eintrittsbreite b1 deutlich reduzierten Austrittsbreite b2.
-
In
der 3 ist die Seitenansicht des Radialschaufelrades
nach 1 im Schnitt bei A-A in der erfindungsgemäßen Bauform,
einteilig, mit dem Boden 2, den Schaufeln 3 und
der Decke 4 dargestellt, wobei (entgegen der im Stand der
Technik üblichen Dimensionierung)
die Austrittsbreite b2 erfindungsgemäß gegenüber der Eintrittsbreite b1
vergrößert ist.
-
In
der 4 ist ein als Francisschaufelrad mit räumlich gekrümmten Schaufeln 3 ausgebildetes Flügelrad 1 in
der Draufsicht dargestellt.
-
Die
5 zeigt
nun die Seitenansicht eines Francisschaufelrades nach
4 im
Schnitt bei B-B gemäß der in
der
DE 197 42 023 vorbeschriebenen „segmentierten
Bauweise" mit dem
Boden
2, den Schaufeln
3, einer Decke
4 sowie
einem die Schaufelsegmente miteinander verbindenden Spannring
5, und
wie im Stand der Technik üblich,
einer gegenüber der
Eintrittsbreite b1 deutlich reduzierten Austrittsbreite b2.
-
In
der 6 ist die Seitenansicht des Francisschaufelrades
nach 4 im Schnitt bei B-B nach der erfindungsgemäßen Bauform,
einteilig, mit dem Boden 2, den Schaufeln 3 und
der Decke 4 dargestellt, wobei (entgegen der im Stand der
Technik üblichen
Dimensionierung) die Austrittsbreite b2 erfindungsgemäß gegenüber der
Eintrittsbreite b1 vergrößert ist.
-
In
der 7 ist ein als Diagonalschaufelrad mit räumlich gekrümmten Schaufeln 3 ausgebildetes Flügelrad 1 in
der Draufsicht dargestellt.
-
Die
8 zeigt
nun die Seitenansicht eines Diagonalschaufelrades nach
7 im
Schnitt bei C-C gemäß der in
der
DE 197 42 023 vorbeschriebenen „segmentierten
Bauweise" mit dem
Boden
2, den Schaufeln
3, einer Decke
4 sowie
einem die Schaufelsegmente miteinander verbindenden Spannring
5, und
wie im Stand der Technik üblich,
einer gegenüber der
Eintrittsbreite b1 deutlich reduzierten Austrittsbreite b2
-
In
der 9 ist die Seitenansicht des Diagonalschaufelrades
nach 7 im Schnitt bei C-C nach der erfindungsgemäßen Bauform,
einteilig, mit dem Boden 2, den Schaufeln 3 und
der Decke 4 dargestellt, wobei (entgegen der im Stand der
Technik üblichen
Dimensionierung) die Austrittsbreite b2 erfindungsgemäß gegenüber der
Eintrittsbreite b1 vergrößert ist.
-
Auf
Grund dieser erfindungsgemäßen Vergrößerung Austrittsbreite
b2 gegenüber
der Eintrittsbreite b1 ist es gelungen, infolge dieser speziell
gestalteten Laufradgeometrie mit einer sich kontinuierlich vergrößernden
Breite des zwischen den Schaufeln befindliche Strömungsquerschnittes
vom Strömungseintritt
in das Laufrad bis zum Strömungsaustritt
aus dem Laufrad, selbst die Entformung von geschlossenen schnelllaufenden
Laufräder
mit räumlich
gekrümmten
Schaufeln zu gewährleisten,
und damit eine Fertigung der erfindungsgemäßen Laufräder als einteilige Kunststoffteile
zu ermöglichen,
so dass sich der Fertigungsaufwand gegenüber der Fertigung von herkömmlichen
Laufräder
wesentlich vereinfacht und selbst kleine Baugrößen mit einen hohen hydraulischen
Wirkungsgrad und einem hohen Saugverhalten einfach und kostengünstig herzustellen
sind, wobei sich zudem dabei gleichzeitig die Auswirkungen des Kavitationsverschleißes an den dem
Laufrad nachgeschalteten Bauteilen/Baugruppen wesentlich reduzieren.
-
- 1
- Laufrad
- 2
- Boden
- 3
- Schaufel
- 4
- Decke
- 5
- Spannring
- b1
- Eintrittsbreite
- b2
- Austrittsbreite