DE102011007907B3

DE102011007907B3 - Laufrad für Kreiselpumpen

Info

Publication number: DE102011007907B3
Application number: DE102011007907A
Authority: DE
Inventors: Peer Springer
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: AU2012244804B2; EP2699803A2; HUE051436T2; KR101868132B1; WO2012143367A2; CA2833193A1; CN103534489B; US20140064970A1; EP2699803B1; WO2012143367A3; BR112013026753A2; RU2013146836A; CN103534489A; ZA201307151B; JP2014511973A; CA2833193C; DK2699803T3; KR20140027130A; MX2013010939A; RU2580237C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad einer Kreiselpumpe mit mindestens zwei Schaufeln (4) zur Förderung von feststoffhaltigen Medien. Erfindungsgemäß ist der Schaufeleintrittswinkel (β1) kleiner 0°. Der Schaufelwinkel (β) steigt in einem ersten Abschnitt (9) an bis er einen Wert von 0° erreicht. In einem zweiten Abschnitt (10) erfolgt ein weiterer Anstieg bis ein maximalen Wert erreicht wird. In einem dritten Abschnitt (11) fällt der Schaufelwinkel (β) wieder ab.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für Kreiselpumpen mit mindestens zwei Schaufeln zur Förderung von feststoffhaltigen Medien.
Die DE 40 15 331 A1 beschreibt ein Laufrad mit nur einer Schaufel. Das durch ein Gießverfahren hergestellte Einschaufelrad bildet zwischen einer vorderen Deckscheibe und einer hinteren Deckscheibe und einer Schaufel einen Kanal, dessen Querschnitt von Einlauf des Einschaufelrades zum Austritt hin abnimmt. Die Saugseite bildet auf den ersten 180° des Drehwinkels einen konzentrisch zur Drehachse angeordneten Halbkreis. Das Einschaufellaufrad ist so gestaltet, dass eine frühzeitige Blasenbildung und somit ein Auftreten von Kavitation verhindert wird. Der Schaufelkopf hat einen sehr großen Krümmungsradius. Diese Abflachung verhindert das Anlagern langfaseriger Bestandteile.
Im Gegensatz zu Einschaufelrädern zeichnen sich Laufräder mit mehreren Schaufeln durch einen höheren Wirkungsgrad aus. Allerdings werden an solche Laufräder auch besondere Anforderungen bezüglich der Verhinderung von Anlagerung fester Bestandteile im Förderweg gestellt. Bei mehrschaufligen Laufrädern müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um Verstopfungen zu vermeiden.
Die Eignung dieser Laufräder für den Abwasserbereich wird unter anderem mit dem Kugeldurchgang überprüft. Mit dem Kugeldurchgang wird die Fähigkeit der Laufräder beschrieben auch große, einer Kugel entsprechende, Festkörper zu fördern.
In der DE 88 00 074 U1 wird ein Pumpenlaufrad für eine Kreiselpumpe beschrieben, dessen Schaufeleintrittswinkel zwischen 0° und 40° beträgt. Die Laufradschaufeln sind dabei so gestaltet, dass das Auftreten von Kavitation verringert wird und dennoch eine gute Saugfähigkeit im Überlastbereich gewährleistet ist. Dazu weisen die Stromlinien der Laufradschaufeln einen Abschnitt auf, in welchem der Schaufelwinkel um bis zu 25° ansteigt.
In der Abwassertechnik werden immer häufiger Kreiselpumpen mit hohen spezifischen Drehzahlen eingesetzt. Bei herkömmlichen Laufrädern führt dies dazu, dass von einer Schaufelanströmung deren Staupunkt, besonders bei Teillastbetrieb, auf die Druckseite der Schaufeln wandert. Die Eintrittskanten der Schaufeln werden von der Druckseite zur Saugseite umströmt. Der auf der Druckseite liegende Staupunkt presst im Abwasser befindliche Fasern auf die Oberfläche der Schaufeln fest an.
Bei der Umströmung der Eintrittkanten der Schaufeln gibt es einen Bereich hoher Geschwindigkeit. Bei Laufrädern, deren Eintrittskante einen kleinen Krümmungsradius aufweist, sind in diesem Bereich die Geschwindigkeiten besonders groß. Sinkt aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit der statische Druck unter den Dampfdruck, so bilden sich Dampfblasen, die zu Kavitationsschäden führen.
An den Hochgeschwindigkeitsbereich schließt sich ein Bereich mit geringerer Geschwindigkeit an. Dort entsteht ein Totwasser. An der Eintrittkante haftende Fasern neigen dazu, dieses Totwasser auszufüllen. Durch die Umströmung werden die Fasern auf die Schaufelkontur gepresst, wobei die Belegung mit Fasern stark ansteigen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Laufrad mit einem hohen Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen, bei dem Ablagerungen sowie das Auftreten von Kavitation vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Schaufeleintrittswinkel kleiner 0° ist, wobei der Schaufelwinkel in einem ersten Abschnitt ansteigt bis er einen Wert von 0° erreicht, dann in einem zweiten Abschnitt bis zu einem maximalen Wert ansteigt und in einem dritten Abschnitt abfällt.
Erfindungsgemäß beträgt der Schaufelwinkel am Eintritt weniger als 0° und steigt dann an. Dies führt zu einer starken Krümmung der Schaufelkontur. Der Winkelverlauf gewährleistet eine gleichmäßige Belastung der gesamten Schaufelfläche. Der Staupunkt der Strömung verschiebt sich von der Druckseite in den Bereich maximaler Krümmung der Eintrittskante bzw. sogar auf die Saugseite. Dadurch werden die Belastung der Schaufeleintrittkante und die Kräfte, welche Fasern im Eintrittbereich anpressen, verringert. An der Saugseite der Schaufeln bildet sich ein Bereich hoher Geschwindigkeiten, der zu einem Ablösen anhaftender Fasern beiträgt. Nach Erreichen eines maximalen Wertes fällt der Schaufelwinkel wieder ab. Der Schaufelverlauf zeigt einen S-Schlag.
Das Ziel der Auslegung besteht darin, die Belastung der Schaufelanströmkante und das druckseitige Staudruckgebiet zu reduzieren.
Bei einer hydraulisch stoßfreien Schaufelanströmung ist die (Anström-)Geschwindigkeit am Schaufelprofil-Nasenpunkt annähernd Null. Das Schaufelprofil wird gleichmäßig umströmt.
Dagegen ergibt sich im Teillastbetrieb eine schräge Schaufelanströmung, wobei der Staupunkt von dem Schaufelprofil-Nasenpunkt zur druckseitigen Schaufelseite wandert. Die Teillast-Anströmung steht dann im Winkel zur Schaufelskelettlinie. Dann treten bei der Umströmung der Profilnase und primär am Punkt höchster Krümmung, dem Nasenpunkt, extrem hohe Geschwindigkeiten auf. Auf der Schaufelsaugseite stellt sich eine Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit ein, wodurch saugseitig in Strömungsrichtung hinter dem Schaufelprofil-Nasenpunkt die Ausbildung eines Ablösegebietes die Folge ist. Infolgedessen liegt die Strömung nicht mehr an der Schaufel an, löst sich von den Schaufeln und verkleinert den von benachbarten Schaufeln begrenzte Querschnitt eines Durchströmkanals im Laufrad. In das hinter dem Nasenpunkt liegende Ablösegebiet können Fasern angesaugt werden.
Dagegen erzielt der erfindungsgemäße Verlauf des Schaufelprofils und damit des Schaufelwinkels auch beim Teillastbetrieb in dem Teillastgebiet eine weitere Strömungsbeschleunigung, wodurch das Ablösegebiet klein gehalten wird. Der Punkt höchster Strömungsgeschwindigkeit wird somit in den mittleren Teil der Schaufelsaugseite gelegt. Diese Lösung hat zur Folge, dass von einer Strömung mitgeführte Fasern oder dergleichen nicht mehr an der Schaufelanströmkante angepresst werden. Stattdessen werden sie durch die hohen Geschwindigkeiten im mittleren, saugseitigen Schaufelteil abtransportiert. Ein Verstopfen des Laufradeintrittes wird damit verhindert.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung bleibt der Schaufelwinkel in einem sich anschließenden vierten Abschnitt konstant. Das Laufrad weist im radialen Bereich der Pumpe einen konstant kleinen Schaufelwinkel auf. Durch die Belastung der Saugseite wird die Ausdehnung des Rückströmgebietes auf der Druckseite reduziert. Der kleine Schaufelaustrittswinkel vermindert die Belastung am Schaufelende und reduziert das flächige Rückstromgebiet auf der Schaufeldruckseite.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, die insbesondere für hohe spezifische Drehzahlen geeignet ist, beträgt der Schaufelwinkel im Eintrittsbereich weniger als –10°. Die kleinen Eintrittswinkel führen zu einer hydraulisch stoßfreien Anströmung.
Im ersten Abschnitt steigt der Schaufelwinkel an bis er einen Wert von 0° erreicht. Dann erfolgt in einem zweiten Abschnitt eine weitere Zunahme des Schaufelwinkels bis ein Maximalwert erreicht wird. Der Schaufelwinkel steigt im ersten und zweiten Abschnitt vorzugsweise mit dem gleichen Gradienten an.
Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung steigt der Schaufelwinkel im ersten und/oder zweiten Abschnitt mit einem Gradienten mehr als 0,35 an. Die starke Krümmung führt zu einer homogenen Schaufelbelastung im mittleren Schaufelflächenbereich. Durch den extremen Winkelanstieg im vorderen Teil der Schaufel bleibt auch bei Teillast die Belastungsverteilung erhalten. Die erhöhte Belastung der Eintrittskante, welche normalerweise den Anhaftungseffekt verstärkt, wird dadurch reduziert.
Als besonders günstig erweist es sich, wenn der Schaufelwinkel ab einem Wendepunkt in einem dritten Abschnitt auf den Schaufelaustrittswinkel abfällt. In einem vierten Abschnitt bleibt der Schaufelwinkel vorzugsweise konstant.
Als besonders günstig erweist es sich, wenn das Laufrad als Radialrad ausgeführt ist. Dabei ist das Verhältnis von Schaufelaustrittsradius zu Schaufeleintrittsradius vorzugsweise kleiner als 1,5. Dadurch kann das Laufrad auch bei hohen spezifischen Drehzahlen effektiv betrieben werden.
Bei herkömmlichen Laufrädern sind große Krümmungsradien der Schaufeleintrittskanten erforderlich, um hohe Umströmungsgeschwindigkeiten und das damit verbundene Auftreten von Kavitation zu vermeiden. Dies bedingt Materialanhäufungen, die zu schweren Laufrädern führen. Aufgrund des erfindungsgemäßen Schaufelwinkelverlaufs ist es möglich, Laufräder einzusetzen, die einen kleinen Krümmungsradius der Schaufeleintrittskanten aufweisen. Vorzugsweise ist der Krümmungsradius der Schaufeleintrittskanten gleich oder kleiner als der Wert der Schaufeldicke im vierten Bereich. Trotz der dabei auftretenden hohen Umströmungsgeschwindigkeiten kommt es bei den erfindungsgemäßen Laufrädern nicht zu Kavitationsschäden. Die Laufräder können aufgrund des geringen Krümmungsradius der Schaufeleintrittskanten schlank und leicht ausgeführt werden.
Das zur Förderung von Abwasser eingesetzte Laufrad umfasst vorzugsweise zwei oder drei Schaufeln. Solche Ausführungen sind besonders für Abwässer mit einem hohen Anteil an Feststoffbeimengungen geeignet und werden auch als Zweikanalrad bzw. Dreikanalrad bezeichnet. Bei einer zu großen Anzahl an Schaufeln droht Verstopfungsgefahr. Gegenüber Einschaufelrädern gewährleisten die zwei- oder dreischaufligen Laufräder einen höheren Wirkungsgrad und wegen der fehlenden Unwucht und der pulsationsärmeren Förderung ein besseres Betriebsverhalten.
Vorzugsweise weist das Laufrad eine Deckscheibe auf und ist somit in geschlossener Bauform ausgeführt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt
1 einen Axialschnitt durch ein Laufrad,
2a eine Vorderansicht der Schaufeln des Laufrades,
2b eine perspektivische Ansicht der Schaufeln des Laufrades,
3a einen Verlauf des Schaufelwinkels,
3b eine konformes Abbild der Skelettlinie,
4a eine Radialschnitt durch das Laufrad mit Darstellung der Geschwindigkeiten der Stromlinien,
4b eine vergrößerte Darstellung des Eintrittteils einer Schaufel gemäß 4a.
In 1 ist ein Axialschnitt durch ein radiales Laufrad dargestellt. Die mit festen Beimengungen durchsetzte Flüssigkeit tritt durch den Saugmund 1 in das Laufrad ein. Die zwischen Deckscheibe 2 und Tragscheibe 3 angeordneten Schaufeln 4 beschleunigen die Flüssigkeit. Die Flüssigkeit strömt von der Drehachse 5 radial nach außen. Das Laufrad wird bei spezifischen Drehzahlen von mehr als 70 betrieben. Dabei erweist sich ein geringes Verhältnis von Schaufelaustrittsradius R₂ zu Schaufeleintrittsradius R₁ als besonders günstig. Im Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis von Schaufelaustrittsradius R₂ zu Schaufeleintrittsradius R₁ kleiner als 1,3.
In den 2a und 2b ist eine Vorderansicht und eine perspektivische Darstellung der Schaufeln 4 des Laufrades dargestellt. Das Laufrad umfasst zwei Schaufeln 4, die auf einer Tragscheibe 3 befestigt sind. Das Laufrad rotiert mit Blick auf die Darstellungen im Uhrzeigersinn. Die Schaufeleintrittskanten 6 haben einen kleinen Krümmungsradius. Der Krümmungsradius beträgt im Ausführungsbeispiel 7 mm. Das feststoffhaltige Medium wird von den Schaufeln 4 beschleunigt. Man unterscheidet zwischen der Druckseite 7 und der Saugseite 8 der Schaufeln 4.
In 3a ist der Verlauf des Schaufelwinkels β dargestellt. 3b zeigt ein konformes Abbild der Skelettlinie. Auf der Abszisse ist der Umschlingungswinkel φ aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Schaufelwinkel β der Skelettlinie aufgetragen. Der Schaufeleintrittswinkel β₁ ist kleiner 0°. In einem ersten Abschnitt 9 steigt der Schaufelwinkel β stetig an bis er einen Wert von 0° erreicht. Dann erfolgt in einem zweiten Abschnitt 10 ein weiterer stetiger Anstieg bis der Schaufelwinkel β einen maximalen Wert erreicht. Der Gradient des Anstiegs des Schaufelwinkels β im ersten Abschnitt 9 und zweiten Abschnitt 10 sind gleich. Seinen maximalen Wert erreicht der Schaufelwinkel β am Wendepunkt der Skelettlinie. In einem dritten Abschnitt 11 fällt der Schaufelwinkel β stetig ab bis er den Wert des Schaufelaustrittswinkels β₂ erreicht. In einem vierten Abschnitt 12 bleibt der Schaufelwinkel β konstant beim Wert des Schaufelaustrittswinkels β₂.
Das konforme Abbild der Skelettlinie zeigt, dass ausgehend vom Schaufeleintrittsradius R₁ der Radius zunächst auf einen minimalen Wert R_min sinkt und anschließend weiter bis zum Wert des Schaufelaustrittsradius R₂ ansteigt.
Die 4a und 4b zeigen einen Radialschnitt eines Zweischauflers mit Darstellung der Stromlinien, die unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen. Das Laufrad rotiert mit Blick auf die Figuren entgegen dem Uhrzeigersinn. Im Gegensatz zu herkömmlichen Laufrädern liegt der Staupunkt 13 der Strömung nicht auf der Druckseite 7 sondern im Bereich maximaler Krümmung der Schaufeleintrittskante 6. An der Saugseite 8 der Schaufeln 4 bildet sich ein Bereich 14 hoher Geschwindigkeiten, der zu einem Ablösen anhaftender Fasern beiträgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Laufrad wird die Belastung der Schaufeleintrittskante 6 verringert. Dadurch sinken die Kräfte, welche Fasern im Eintrittsbereich anpressen. Durch die Belastung des mittleren saugseitigen Bereichs der Schaufel 4 treten dort große Geschwindigkeiten auf, wodurch anhaftende Fasern abtransportiert werden.

Claims

Laufrad für Kreiselpumpen mit mindestens zwei Schaufeln (4) zur Förderung von feststoffhaltigen Medien, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Schaufeleintrittswinkel (β₁) kleiner 0° ist, wobei der Schaufelwinkel β in einem ersten Abschnitt (9) ansteigt bis er einen Wert von 0° erreicht, dann in einem zweiten Abschnitt (10) bis zu einem maximalen Wert ansteigt und in einem dritten Abschnitt (11) abfällt.
Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufeleintrittswinkel (β₁) kleiner –10° ist.
Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelwinkel (β) im ersten Abschnitt (9) und zweiten Abschnitt (10) mit dem gleichen Gradienten ansteigt.
Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelwinkel (β) im ersten Abschnitt (9) und/oder zweiten Abschnitt (10) mit einem Gradienten von mehr als 0,35 ansteigt.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ab einem Wendepunkt der Schaufelwinkel (β) in einem dritten Abschnitt (11) auf den Schaufelaustrittswinkel (β₂) abfällt.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelwinkel (β) in einem vierten Abschnitt (12) konstant bleibt.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad als Radialrad ausgeführt ist.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Schaufelaustrittsradius (R₂) zur Schaufeleintrittsradius (R₁) kleiner als 1,5 ist.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius der Schaufeleintrittskanten (6) gleich oder kleiner als der Wert der Schaufeldicke im vierten Abschnitt (12) ist.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad höchstens drei Schaufeln (4) aufweist.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad eine Deckscheibe (2) aufweist.