DE102006028806A1

DE102006028806A1 - axial pump

Info

Publication number: DE102006028806A1
Application number: DE200610028806
Authority: DE
Inventors: Stephan Näckel; Pawel Piotrowski
Original assignee: Friatec AG
Current assignee: Friatec AG
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2007-12-27
Also published as: WO2007147380A1

Abstract

Eine Axialpumpe mit einem Laufrad für Betriebsbereiche bei theoretischen, spezifischen Drehzahlen größer als 500 ist dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad ein Schraubenpropellerlaufrad ist.An axial pump with an impeller for operating ranges at theoretical, specific speeds greater than 500 is characterized in that the impeller is a screw propeller impeller.

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialpumpe mit einem Laufrad für Betriebsbereiche bei theoretischen, spezifischen Drehzahlen größer als 500.The The invention relates to an axial pump with an impeller for operating areas at theoretical, specific speeds greater than 500.

Für die Auslegung und Berechnung von Kreiselpumpen-Laufrädern bedient man sich im allgemeinen der sogenannten spezifischen Drehzahl n_q. Diese Drehzahl wird nach der Ähnlichkeitsmechanik abgeleitet und ist die Drehzahl einer geometrisch ähnlichen, einstufigen, ein flutigen Kreiselpumpe mit dem Förderstrom Q_q = 1 m³/h und der Förderhöhe H_q = 1 m. Insbesondere ist

wobei n die Nenndrehzahl in 1/min ist; Q_opt ist der Förderstrom in m³/s und H_opt die Förderhöhe in m, beide bestimmt im Punkt des größten Wirkungsgrades der Pumpe. Die spezifische Drehzahl n_q ist eine für eine bestimmte Pumpe charakteristische Größe und legt im Regelfall hinsichtlich des besten Wirkungsgrades die optimale Form des Laufrades fest.For the design and calculation of centrifugal pump impellers, the so-called specific speed n _{q is} generally used. This speed is derived in accordance with the similarity of mechanics, and is the rotational speed of a geometrically similar, single stage, centrifugal pump with a flutigen the flow rate Q _q = 1 m ³ / h and head H _q = 1 m. In particular

where n is the rated speed in 1 / min; Q _opt is the flow rate in m ³ / s and H _opt the head in m, both determined at the point of the greatest efficiency of the pump. The specific speed n _q is a characteristic of a particular pump size and determines usually the best efficiency of the optimal shape of the impeller.

Einer spezifischen Drehzahl n_q lassen sich aber nicht nur bestimmte Laufradgeometrien zuordnen, sondern auch verschiedene Betriebseigenschaften, wie Kennlinienverlauf, Wirkungsgrad, Spaltverluste, Saugverhalten und hydraulische Kräfte. Dabei steigen mit sinkender spezifischer Drehzahl n_q vor allem die inneren Verluste, nämlich Radreibungs- und Spaltverluste. Die besten Wirkungsgrade erreicht man in Abhängigkeit vom Förderstrom Q in einem Bereich zwischen n_q von 40 bis 60 1/min.A specific speed n _q can be assigned not only certain impeller geometries, but also different operating characteristics, such as characteristic curve, efficiency, gap losses, suction and hydraulic forces. In particular, with decreasing specific speed n _q , the internal losses, namely wheel friction and gap losses, increase. The best efficiencies are achieved depending on the flow rate Q in a range between n _q of 40 to 60 1 / min.

Jenseits der Grenze von n_q = 400-500 1/min mit dem Einsatz von Propeller existiert derzeit keine geeignete hydraulische Laufradbauform. Es müßten für diese extremen Förderbedingungen, nämlich großen Förderströmen auf sehr geringen Förderhöhen, die im Regelfall unterhalb von 2 m liegen, unwirtschaftlich große Propeller mit extrem geringer Drehzahl eingesetzt werden. Bei Wahl einer technisch noch sinnvollen Nenndrehzahl ergibt sich unmittelbar aus Formel (1), daß für den Betriebspunkt trotzdem theoretische spezifische Drehahlen erreicht werden, die weit über den eben angegebenen Werten liegen, so daß übliche Propellerbauarten weit im hydraulischen Überlastbereich arbeiten müßte.Beyond the limit of n _q = 400-500 1 / min with the use of propellers, there is currently no suitable hydraulic impeller design. It would have for these extreme conditions, namely large flow rates on very low heads, which are usually below 2 m, uneconomically large propeller with extremely low speed can be used. When choosing a technically still reasonable rated speed results directly from formula (1) that for the operating point nevertheless theoretical specific rotations are achieved, which are well above the values just given, so that conventional propeller types would have to work well in the hydraulic overload range.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Axialpumpe so auszugestalten, daß sie auch bei geringen Förderhöhen in Richtung auf hohe Förderströme mit möglichst optimalem Wirkungsgrad ohne nachteilige Betriebseigenschaften arbeitet.Therefore It is the object of the invention to design an axial pump in such a way, that she even at low heads in the direction to high flow rates as possible optimal efficiency without adverse operating characteristics works.

Diese Aufgabe wird durch eine Axialpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Laufrad ein Schraubenpropellerlaufrad ist. Damit wird eine Kreiselpumpencharakteristik mit einer Verdrängerpumpencharakteristik kombiniert.These Task is achieved by an axial flow pump with the features of the claim 1 solved. According to the invention, it is provided that this Impeller is a screw propeller impeller. This becomes a centrifugal pump characteristic with a positive displacement pump characteristic combined.

Vorteilhaft wird dabei das Schraubenpropellerlaufrad aus rein volumetrischen Gesichtspunkten für einen theoretischen, maximalen Förderstrom Q_max,th nach der Formel Qmax,th = Vvol·n, (2)wobei n die Nenndrehzahl und V_vol das geometrische Volumen des Schraubenpropellerlaufrades ist, berechnet. Aufgrund dieser volumetrischen Auslegung kann somit unter Wahl einer definierten Geometrie und Drehzahl prinzipiell jeder hydraulisch sinnvolle, maximale Förderstrom erreicht werden.In this case, the screw propeller impeller is advantageous from a purely volumetric point of view for a theoretical, maximum flow rate Q _{max, th} according to the formula Q max, th = V vol · N, (2) where n is the rated speed and V _{vol is} the geometric volume of the screw propeller rotor. Due to this volumetric design, any hydraulically meaningful, maximum delivery flow can thus be achieved, in principle, by choosing a defined geometry and rotational speed.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt:in the Following, the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 verschiedene Radformen für Laufräder optimiert für die jeweilige spezifische Drehzahl n_q; 1 different wheels for impellers optimized for the specific speed n _q ;

2 eine qualitative Darstellung der Pumpenkennlinien für Förderhöhe H, Leistung P und Wirkungsgrad η bei den Radformen nach 1; 2 a qualitative representation of the pump characteristics for head H, power P and efficiency η in the Radformen after 1 ;

3 eine beispielhafte Darstellung der Kennlinien von Förderhöhe H, der Leistung P bzw. des Wirkungsgrades η in Abhängigkeit vom Förderstrom bei einer Axialpumpe mit Propeller bzw. einer Axialpumpe nach der Erfindung; 3 an exemplary representation of the characteristics of delivery head H, the power P and the efficiency η as a function of the flow rate in an axial pump with propeller or an axial pump according to the invention;

4 Ansichten eines Schraubenpropellerlaufrades für eine Axialpumpe der vorliegenden Erfindung; und 4 View of a screw propeller impeller for an axial pump of the present invention; and

5 eine Schnittansicht einer Axialpumpe mit Schraubenpropellerlaufrad. 5 a sectional view of an axial pump with screw propeller wheel.

Kreiselpumpen werden nach ihrer spezifischen Drehzahl in Gruppen eingeteilt: n_q = 10-30 1/min Radialrad n_q = 30-80 1/min Francisrad n_q = 80-160 1/mmn Halbaxialrad n_q = 160-500 1/min Propellerrad Centrifugal pumps are divided into groups according to their specific speed: n _q = 10-30 1 / min radial n _q = 30-80 1 / min Francisrad n _q = 80-160 1 / mmn mixed flow impeller n _q = 160-500 rpm propeller

Beispiele für spezifische Drehzahlen aus den jeweiligen Bereichen sind in 1 dargestellt. Für jeden Einsatzfall von gewünschtem Förderstrom bzw. gewünschter Förderhöhe kann man unter Wahl der Nenndrehzahl eine bestmögliche Hydraulik bezüglich Bauform und Wirkungsgrad einsetzen, wobei die Formel (1) verwendet wird.Examples of specific speeds from the respective areas are in 1 shown. For each application of desired flow rate or desired head, one can use the best possible hydraulic in terms of design and efficiency, choosing the rated speed, the formula (1) is used.

2 zeigt für die spezifischen Drehzahlen der Laufrad-Bauformen aus 1 jeweils charakteristische Kennlinienverläufe, wobei für jede Bauform Förderhöhe H, Leistung P und Wirkungsgrad η in Abhängigkeit vom Förderstrom Q aufgetragen sind. Man erkennt, daß sich entsprechend der spezifischen Drehzahl auch die Form der Pumpenkennlinie ändert, der Verlauf beispielsweise der Q-H-Kurve ändert von flachen Kennlinien für kleine spezifische Drehzahlen, also Radialräder, in sehr steile Verläufe für große spezifische Drehzahlen, also Propeller. 2 shows for the specific speeds of the impeller types 1 in each case characteristic characteristic curves, wherein for each design, delivery head H, power P and efficiency η are plotted as a function of the delivery flow Q. It can be seen that changes in accordance with the specific speed and the shape of the pump curve, the course, for example, the QH curve changes from flat characteristics for small specific speeds, ie radial wheels, in very steep courses for large specific speeds, ie propeller.

Beispiel 1example 1

Der Betriebspunkt einer Axialpumpe soll bei Q = 4000 m³/h bei einer Förderhöhe H = 0.72 m liegen. Üblicherweise würde nun, um eine physikalisch sinnvolle spezifische Drehzahl zu erhalten, die Nenndrehzahl der Pumpe auf etwa n = 300 1/min begrenzt, was für den Betriebspunkt einer spezifischen Drehzahl n_q = 405 1/min entspricht. Nach dem Cordier-Diagramm ergäbe sich damit optimalerweise eine Propellerpumpe der Baugröße DN 800. Aus Kostengründen müssen allerdings oftmals kleine Baugrößen bei größerer Drehzahl und den damit verbundenen Nachteilen eingesetzt werden. Wenn die Nennweite auf DN 600 beschränkt und bei einer Drehzahl von n = 740 1/min gearbeitet würde, entspräche dies hier einer theoretischen spezifischen Drehzahl n_q = 998 1/min. Ein Propeller üblicher Bauart n_q = 200-400 1/min würde somit weit im hydraulischen Überlastbereich weitab vom Optimum mit stark ansteigenden NPSHA-Werten und hohen Strömungsgeschwindigkeiten mit der Gefahr von Kavitation und Schwingungen arbeiten.The operating point of an axial pump should be at Q = 4000 m ³ / h at a delivery height H = 0.72 m. Usually, in order to obtain a physically meaningful specific speed, the rated speed of the pump would be limited to approximately n = 300 rpm, which corresponds to the operating point of a specific speed n _q = 405 1 / min. According to the Cordier diagram, this would optimally result in a propeller pump size DN 800. For cost reasons, however, small sizes must often be used at a higher speed and the associated disadvantages. If the nominal diameter was limited to DN 600 and worked at a speed of n = 740 1 / min, this would correspond to a theoretical specific speed n _q = 998 1 / min. A propeller of conventional design n _q = 200-400 1 / min would thus work well in the hydraulic overload range far from the optimum with strongly increasing NPSHA values and high flow velocities with the risk of cavitation and vibrations.

Beispiel 2Example 2

Anstelle des Propellers soll nunmehr gemäß der vorliegenden Erfindung ein Schraubenpropellerlaufrad eingesetzt werden, wieder der Baugröße DN 600 mit n = 520 1/min, was im Betriebspunkt einer theoretischen spezifischen Drehzahl n_q = 701 1/min entspricht. Dabei wird das Schraubenpropellerlaufrad aus rein volumetrischen Gesichtspunkten für einen theoretischen maximalen Förderstrom berechnet, der sich aus der Formel (2) ergibt.Instead of the propeller should now be used according to the present invention, a screw propeller, again the size DN 600 with n = 520 1 / min, which corresponds to the operating point of a theoretical specific speed n _q = 701 1 / min. In this case, the screw propeller impeller is calculated from a purely volumetric point of view for a theoretical maximum delivery flow, which results from the formula (2).

Zur weiteren Auslegung eines solchen Schraubenpropellerlaufrades wird die empirisch gefundene Beziehung H0 = n0·ua 2 (3) verwendet. Dabei ist H₀ die Nullförderhöhe, also die maximal erreichbare Förderhöhe bei Q = 0 m³/h, u_a ist die Umfangsgeschwindigkeit des Schraubenpropellerlaufrades am Außendurchmesser. Der Nulldruckkoeffizient n₀ bestimmt somit die Steilheit der Kennlinie und damit die erreichbaren Förderhöhen bei Förderströmen Q < Q_max und ist abhängig von der Bauform des Schraubenpropellerlaufrades und des Pumpengehäuses und wird experimentell validiert.For further design of such a propeller impeller, the empirically found relationship H 0 = n 0 · u a 2 (3) used. Here, H _{0 is} the zero delivery height, ie the maximum achievable delivery head at Q = 0 m ³ / h, u _a is the peripheral speed of the screw propeller impeller on the outer diameter. The zero pressure coefficient n ₀ thus determines the steepness of the characteristic and thus the achievable delivery heights at delivery rates Q <Q _max and is dependent on the design of the screw propeller impeller and the pump housing and is validated experimentally.

Der volumetrische Wirkungsgrad η_v wird experimentell bestimmt. Er genügt der Formel Qmax = Qmax,th·ηv. (4) The volumetric efficiency η _v is determined experimentally. He satisfies the formula Q Max = Q max, th · η v , (4)

Ersetzt man in der Formel (4) den Faktor Q_max,th durch die Formel (2), erhält man einen Zusammenhang zwischen gewählter Geometrie und gemessener Kennlinie des Schraubenpropellerlaufrades in verschiedenen Gehäusebauformen mit unterschiedlichen Spaltweiten. Die Kenntnis über die Werte von n₀ und η_v bei gewählten Spaltweiten zwischen Schraubenpropellerlaufrad und Gehäuse sowie gewählter geometrischer Form und Beschaufelung sind, wie oben angesprochen, Gegenstand des Know-How der hier vorliegenden Erfindung.If the factor Q _{max, th is} replaced by the formula (2) in the formula (4), a relationship is obtained between the selected geometry and the measured characteristic of the screw propeller rotor in different housing designs with different gap widths. The knowledge of the values of n ₀ and η _v at selected gap widths between screw propeller wheel and housing and selected geometric shape and blading are, as mentioned above, the subject of the know-how of the present invention.

3 zeigt beispielhaft Pumpenkennlinien für Axialpumpen mit Propeller einerseits und Axialpumpen mit Schraubenpropellerlaufrad andererseits. Man erkennt einen breiten Bereich optimaler Wirkungsgrade für Förderströme von etwa Q = 1000 bis 2600 m³/h beim Schraubenpropellerlaufrad. Hingegen ist beim Propeller ein ausgeprägter optimaler Förderstrom bei etwa Q = 2200 m³/h zu erkennen. Anhand der Kennlinie kann auch leicht festgestellt werden, daß etwa ab einem Förderstrom von Q = 2800 m³/h und darüber sowohl die Förderhöhe H als auch der Wirkungsgrad η deutlich über den Werten für den Propeller liegen. Für Betriebspunkte in diesem Einsatzbereich, was einer theoretischen spezifischen Drehzahl n_q > 500 1/min entspricht, stellt das Schraubenpropellerlaufrad somit eindeutig die bessere Wahl dar. Der Propeller würde weit hinter seinem Optimum betrieben werden. 3 shows exemplary pump characteristics for axial pumps with propellers on the one hand and axial pumps with screw propeller wheel on the other. It can be seen a wide range of optimal efficiencies for flow rates of about Q = 1000 to 2600 m ³ / h in the screw propeller impeller. By contrast, the propeller shows a pronounced optimal flow at about Q = 2200 m ³ / h. On the basis of the characteristic curve, it can also easily be ascertained that, starting from a flow rate of Q = 2800 m ³ / h and above, both the delivery head H and the efficiency η are significantly above the values for the propeller. For operating points in this area of use, which corresponds to a theoretical specific speed n _q > 500 1 / min, the screw propeller wheel is thus clearly the better choice. The propeller would be operated far beyond its optimum.

Es zeigt sich, daß das Schraubenpropellerlaufrad unabhängig von der Nennweite bei geringen Förderhöhen von weniger als 2 m einen besonders ruhigen Lauf hat. Aufgrund des Förderverhaltens, das eher einer Verdrängerpumpe ähnlich ist, zeigen sich auch durchaus akzeptable Wirkungsgrade in Richtung großer Förderströme. Der bei Propellerpumpen übliche instabile Kennlinienbereich wurde bei Schraubenpropellerlaufrädern nicht beobachtet.It shows that the Screw propeller impeller independently from the nominal size at low delivery heights of less than 2 m has a particularly quiet run. Due to the promotional behavior, the rather like a positive displacement pump, also show quite acceptable efficiencies in the direction of large flow rates. Of the usual with propeller pumps unstable characteristic range was not with screw propeller wheels observed.

4 zeigt eine Ansicht eines Schraubenpropellerlaufrades 10 mit drei Flügeln 12 von der Seite und von vorn. Das Schraubenpropellerlaufrad 10 schließt ein durch seine Bauform festgelegtes geometrisches Volumen V_vol ein. Dieses bestimmt zusammen mit der Nenndrehzahl n den theoretischen maximalen Förderstrom der Axialpumpe, der nach der Formel (2) berechnet wird. 4 shows a view of a screw propeller rotor 10 with three wings 12 from the side and from the front. The screw propeller wheel 10 includes a geometrical volume V _vol defined by its design. This determines together with the rated speed n the theoretical maximum flow rate of the axial pump, which is calculated according to the formula (2).

5 zeigt ein Schnittbild einer Axialpumpe 100, die mit einem Schraubenpropellerlaufrad 10 gemäß 4 ausgestattet ist. Die Drehzahl der Axialpumpe 100 wird durch den Motor 20 bestimmt bzw. kann über eine entsprechende Steuereinheit eingestellt werden. Die geometrischen Abmessungen und Formgebungen des Schraubenpropellerlaufrads 10 können dem Bedarfsfall angepaßt werden. Auch die Gehäusebauform kann auf den jeweiligen Einsatzfall zugeschnitten werden. 5 shows a sectional view of an axial pump 100 that with a screw propeller wheel 10 ge Mäss 4 Is provided. The speed of the axial pump 100 is by the engine 20 determined or can be adjusted via a corresponding control unit. The geometric dimensions and shapes of the screw propeller wheel 10 can be adapted to the case of need. The housing design can also be tailored to the particular application.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The in the above description, in the drawing and in the claims disclosed features of the invention can both individually and also in any combination for the realization of the invention be essential.

Claims

Axial pump with an impeller for operating ranges at theoretical, specific speeds greater than 500, characterized in that the impeller is a screw propeller impeller.

Axial pump according to claim 1, characterized in that the screw propeller _{impeller is} turned off for a maximum delivery flow Q _{max, th} , wherein Q max, th = V vol · N, where n is the rated speed and V _{vol is} the geometric volume of the screw propeller rotor.

Axial pump according to claim 1 or 2, characterized in that the volumetric efficiency η _v and the zero pressure coefficient n _{0 of} the screw propeller impeller are experimentally validated.

Axial pump according to one of claims 1 to 3, characterized in that from volumetric efficiency η _v , volumetric design and from the zero pressure coefficient n _0, the characteristic of the screw propeller impeller is set in different housing designs with different gap widths.