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Die
Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad axialer oder
halbaxialer Bauart und einer Einlaufdüse, welche in einer Strömungsrichtung der
Kreiselpumpe vor dem Laufrad angeordnet ist.
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Eine
Kreiselpumpe der eingangs genannten Art, welche in vielen Bereichen,
beispielsweise in der Be- und Entwässerung oder der Kühlwasserversorgung
eingesetzt werden kann, ist unter anderem bereits aus der
DE 40 41 551 A1 bekannt.
Mittels der dem Laufrad vorgeschalteten Einlaufdüse werden Ungleichmäßigkeiten
in der Geschwindigkeitsverteilung einer dem Laufrad zuströmenden Flüssigkeit
geglättet.
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Für wechselnde
Anlagebedingungen, wie beispielsweise wechselnde Pegelstände, ist
es wünschenswert,
dass derartige Kreiselpumpen einen großen Arbeitsbereich aufweisen.
Der nutzbare Arbeitsbereich dieser schnellläufigen Pumpen axialer Bauart
ist jedoch durch den so genannten Strömungsabriss stark eingeschränkt, welcher
entsteht, wenn eine maximale Förderhöhe der Pumpe überschritten
wird. Der Strömungsabriss
wird durch ein abruptes Rückströmen im Außenbereich
der Laufradschaufeln ausgelöst,
wodurch die gesamte Zuströmung
der Pumpe in eine vom Laufrad weg gerichtete Vorrotation versetzt
wird. Die durch die Rückströmung ausgelöste Vorrotation
tritt insbesondere bei einer Reduzierung des Volumenstromes auf
und wird deshalb auch als Teillastwirbel bezeichnet. Ein derartiger
Teillastwirbel bzw. Strömungsabriss
führt zu
einem Einbruch der pumpenspezifischen Q-H-Kennlinie verbunden mit starken Schwingungen und
Kavitationserosion. Diese Instabilität der Kennlinie wird allgemein
als Kennlinienknick oder als Sattel bezeichnet. Beim Hochfahren
einer Kreiselpumpe mit instabiler Kennlinie in einer Anlage mit
vergleichsweise hohem statischem Förderhöhenanteil kann es zum "Hängen bleiben im Kennliniensattel" kommen. Das bedeutet,
dass der gesamte stabile Kennlinienbereich rechts vom Sattel nicht
angefahren werden kann, da sich automatisch ein Betriebspunkt links
des Sattels einstellt. In Anlagen mit niedrigem statischem Förderhöhenanteil
ist es zwar möglich
den Auslegungspunkt bzw. den gewünschten
Betriebspunkt der Pumpe zu erreichen, doch kann es durch die betriebsbedingten
Veränderungen
von Volumenstrom und Förderhöhe dazu
kommen, dass der Sattel in Richtung Teillast überschritten wird. Abgesehen
von dem damit verbundenen Förderhöheneinbruch kommt
es bereits vor Erreichen des Kennliniensattels zu mechanischen Schwingungen
und Kavitation, wodurch der Betriebsbereich der Pumpe weiter eingeschränkt wird.
Wird eine Pumpe dennoch zeitweise in der Nähe oder links des Kennliniensattels
betrieben, so drohen Schäden
an den Schaufeln des Laufrades aufgrund von Kavitationserosion bzw.
Lager- und Dichtungsschäden
als Folge der meist massiven Wellen- und Gehäuseschwingungen.
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Aus
der
DE 102 58 922
A1 ist es bekannt, in einer Wandfläche eines dem Laufrad vorangestellten Saugkanals
mehre über
den Umfang verteilte, axial ausgerichtete Nuten anzuordnen, wobei
sich zwischen einem Laufradeintritt des Laufrades und den nächstgelegenen
Enden der Nuten eine geschlossene ringförmige Wandfläche befindet.
Die Energie der sich im Teillastbetrieb ausbildenden Teillastwirbel wird
in den Nuten durch die Bildung einer Vielzahl von kleinen Nutenwirbeln
dissipiert, was eine erhebliche Schwächung des Teillastwirbels bedingt
und das Teillastverhalten der Kreiselpumpe verbessert.
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Dabei
erweist es sich als nachteilig, dass die Rückströmung bzw. der Teillastwirbel
durch Stoßanströmung an
den axial ausgerichteten Nutenflanken gebrochen wird. Diese Stoßanströmung löst an den Nutenflanken
eine starke Kavitation aus, welche im Dauerbetrieb der Pumpe zur
Schädigung
oder zur Zerstörung
der Pumpe führen
kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kreiselpumpe
zur Verfügung
zu stellen. Insbesondere soll das Auftreten von Kavitation und Kavitationsschäden im Bereich
der Kreiselpumpe bzw. benachbarter Bauteile verhindert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer
Kreiselpumpe gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also
eine Kreiselpumpe vorgesehen, bei welcher die Kreiselpumpe eine
zweite Einlaufdüse
aufweist, welche konzentrisch zu der ersten Einlaufdüse angeordnet
ist, wobei die beiden Einlaufdüsen
in Strömungsrichtung
derart hintereinander angeordnet sind, dass sich zwischen den beiden
Einlaufdüsen
ein Ringspalt ausbildet, welcher in Strömungsrichtung unmittelbar vor
einem Laufradeintritt des Laufrades angeordnet ist und einen von den
Einlaufdüsen
gebildeten Saugkanal mit dem die Einlaufdüsen zumindest teilweise umgebenen
Flüssigkeitsvolumen
verbindet. Bei einem Teillastbetrieb der Kreiselpumpe kann eine
Umfangskomponente der aus dem Laufrad austretenden und der Strömungsrichtung
der Kreiselpumpe entgegen gerichteten Rückströmung fast vollständig durch
den Ringspalt hindurch aus dem Saugkanal abgeführt werden, wobei die kinetische
Energie der Rückströmung in dem
die Einlaufdüsen
umgebenen Flüssigkeitsvolumen
umgewandelt wird. Hierdurch wird die Entstehung eines Teillastwirbels
wirksam verhindert, das Auftreten von Kavitation und Kavitationsschäden vermieden
und eine nahezu vollständige
Stabilisierung der Kennlinie erreicht. Im Normalbetrieb erfolgt
zusätzlich
zu der durch die Einlauföffnung
der Einlaufdüse
angesaugten Hauptströmung
eine zusätzliche Zuströmung durch
den Ringspalt.
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Eine
weitere besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung
wird auch dadurch erreicht, dass die dem Laufrad benachbarte zweite
Einlaufdüse
unmittelbar vor dem Laufradeintritt einen Innendurchmesser aufweist,
der größer ist als
ein Innendurchmesser einer benachbarten Austrittsöffnung der
ersten Einlaufdüse.
Hierdurch wird der Ringspalt bzw. eine Ringspaltöffnung derart im Außenbereich
des Saugkanals angeordnet, dass die zwischen der Schaufel des Laufrades
und der das Laufrad umschließenden
Wandung hindurch tretende Rückströmung vollständig und
ohne Änderung
der Strömungsrichtung
in die Ringspaltöffnung
eintreten kann.
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Eine
andere zweckmäßige Ausgestaltung der
Erfindung sieht vor, dass der Ringspalt als Ringkanal ausgebildet
ist, welcher eine erste dem Laufrad benachbarte Öffnung und eine zweite Öffnung aufweist,
wobei sich ein Ringkanalquerschnitt von der ersten Öffnung zu
der zweiten Öffnung
kontinuierlich vergrößert. Im
Teillastbetrieb der Kreiselpumpe wirkt ein derartig ausgebildeter
Ringkanal wie ein Diffusor, wobei durch den Diffusor die Strömungsgeschwindigkeit
der austretenden Rückströmung verzögert wird. Im
Normalbetrieb wirkt der Ringkanal wie eine Düse bzw. ein Injektor auf die
durch den Ringkanal fließende
Flüssigkeit.
Hierdurch wird die Zuströmung
energetisiert, was einen günstigen
Einfluss auf den Wirkungsgrad der Kreiselpumpe nimmt und zusätzlich den
Beginn der Rückströmung verzögert.
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Eine
wiederum abgewandelte Ausführungsform
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Ringkanalquerschnitt
im Bereich der ersten Öffnung
im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung der Kreiselpumpe
und ein Ringkanalquerschnitt im Bereich der zweiten Öffnung im
Wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung
angeordnet ist. Hierdurch wird die in den Ringkanal eintretende Strömungsrichtung
der Rückströmung geändert und unschädlich nach
außen
abgeleitet.
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Hierfür erweist
es sich als besonders vorteilhaft, wenn eine den Saugkanal zugewandte
Innenwandfläche
der zweiten Einlaufdüse
und eine dem Saugkanal abgewandte Außenwandfläche der ersten Einlaufdüse den Ringkanal
begrenzen, wobei die Außenwandfläche der
ersten Einlaufdüse
als radial nach außen
gekrümmte
Umlenkfläche
ausgebildet ist. Hierdurch wird die Richtung der Rückströmung innerhalb
des Ringkanals ohne zusätzliche
Bauteile geändert
und zusätzlich
verzögert.
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Eine
besonders zweckmäßige Weiterbildung der
Kreiselpumpe ergibt sich dadurch, dass die beiden Einlaufdüsen durch
eine Befestigungseinrichtung an einem Gehäuse der Kreiselpumpe lösbar fixiert
sind. Hierdurch wird die Flexibilität der Kreiselpumpe verbessert,
da die Einlaufdüsen
beispielsweise bei wechselnden Anlagebedingungen problemlos ausgetauscht
werden können.
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Erfindungsgemäß ist weiter
vorgesehen, dass zwischen der ersten Einlaufdüse und der zweiten Einlaufdüse zumindest
ein Distanzelement vorgesehen ist. Durch das Distanzelement wird
gewährleistet,
dass die beiden Einlaufdüsen über den
gesamten Umfang in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet
sind, so dass sich zwischen den beiden Einlaufdüsen der erfindungsgemäße Ringspalt
ausbilden kann.
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Eine
besonders zweckmäßige Ausgestaltung
der Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass ein Abstand zwischen
der ersten Einlaufdüse und
der zweiten Einlaufdüse
einstellbar ist. Die Einstellung kann beispielsweise durch unterschiedliche Abmessungen
der Distanzelemente oder aber auch durch zusätzlich verwendete Distanzscheiben
erfolgen. Hierdurch kann die Größe und die
axiale Position des Ringspaltes variabel verändert werden, so dass der Ringspalt
auch bei der Verwendung von Laufradschaufeln größerer Breite oder bei einer Änderung
der Anstellwinkel der Laufradschaufeln unmittelbar vor dem Laufradeintritt
angeordnet werden kann.
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Die
Erfindung Isst verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in der einzigen Figur eine geschnittene Darstellung einer
erfindungsgemäß mit zwei
hintereinander angeordneten Einlaufdüsen ausgestatteten Kreiselpumpe.
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Die
der in der Zeichnung dargestellte Kreiselpumpe 1 weist
ein Gehäuse 2 und
ein mit einer Welle 3 drehfest verbundenes Laufrad 4 axialer
Bauart auf. In einer Strömungsrichtung
SR der Kreiselpumpe 1 vor dem Laufrad 4 sind zwei
Einlaufdüsen 5, 6 konzentrisch
zu einer Mittelachse 7 und hintereinander angeordnet. Zwischen
den beiden Einlaufdüsen 5, 6 sind über einen
Umfang verteilt mehrere Distanzelemente 8 vorgesehen, durch
welche die Einlaufdüsen 5, 6 in
einem Abstand 9 zueinander angeordnet sind. Mittels gekürzter oder
verlängerter
Distanzelemente 8 bzw. mittels zusätzlicher und nicht dargestellter
Distanzscheiben lässt
sich der Abstand 9 der Einlaufdüsen 5, 6 zueinander
verändern.
Durch eine gemeinsame Befestigungseinrichtung 10 sind die
Einlaufdüsen 5, 6 lösbar an
dem Gehäuse 2 fixiert.
Zwischen der ersten Einlaufdüse 5 und
der zweiten Einlaufdüse 6 befindet
sich ein Ringspalt 11, welcher unmittelbar vor dem Laufradeintritt 12 des
Laufrades 4 angeordnet ist und ein von den beiden Einlaufdüsen 5, 6 begrenzten
Saugkanal 13 mit einem die Einlaufdüsen 5, 6 umgebenden
Flüssigkeitsvolumen 14 verbindet. Der
als Ringkanal 15 ausgebildete Ringspalt 11 wird von
einer Innenwandfläche 16 der
zweiten Einlaufdüse 6 und
einer Außenwandfläche 17 der
ersten Einlaufdüse 5 begrenzt,
wobei die Außenwandfläche 17 als
eine nach außen
gekrümmte
Umlenkfläche 18 ausgestaltet
ist. Weiterhin weist der Ringkanal 15 eine erste, dem Laufrad 4 zugewandte Öffnung 19, welche
unmittelbar vor dem Laufradeintritt 12 des Laufrades 4 angeordnet
ist, und eine zweite Öffnung 20 auf.
Ein Ringkanalquerschnitt im Bereich der ersten Öffnung 19 ist im Wesentlichen
senkrecht zu der Strömungsrichtung
SR und ein Ringkanalquerschnitt im Bereich der zweiten Öffnung 20 ist
im Wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung SR ausgerichtet.
Von der ersten Öffnung 19 zu
der zweiten Öffnung 20 vergrößert sich
der Ringkanalquerschnitt kontinuierlich. Im Bereich der ersten Öffnung 19 des Ringkanals 15 weist
die zweite Einlaufdüse 6 einen Innendurchmesser 21 auf,
der größer ist
als ein Innendurchmesser 22 einer Austrittsöffnung 23 der
ersten Einlaufdüse 5.
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Eine
im Teillastbetrieb der Kreiselpumpe zwischen dem Laufrad 4 und
der Innenwandfläche 16 der
zweiten Düse 6 hindurch
tretende, der Strömungsrichtung
SR der Kreiselpumpe 1 entgegen gerichtete Rückströmung 24,
fließt
durch den erfindungsgemäßen Ringspalt 11 aus
dem Saugkanal 13 ab und wird durch den als Diffusor wirkenden
Ringkanal 15 verzögert
und unschädlich
nach außen
in das die Einlaufdüsen 5, 6 umgebende
Flüssigkeitsvolumen 14 abgeführt. Das
Abfließen
der Rückströmung 24 durch
den Ringspalt 11 bzw. den Ringkanal 15 ist in
der Figur durch den Richtungspfeil 25 dargestellt.
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Im
Normalbetrieb wird durch den Ringspalt 11 bzw. den Ringkanal 15 zusätzliche
Flüssigkeit
angesaugt, was in der Figur durch einen Richtungspfeil 26 dargestellt
ist. Durch die düsenförmige Ausgestaltung
des Ringkanals 15 wird diese Zuströmung energetisiert, was einen günstigen
Einfluss auf den Wirkungsgrad der Kreiselpumpe 1 nimmt
und den Einsatz der Rückströmung 24 verzögert.