DE102015213451A1

DE102015213451A1 - Kreiselpumpen-Schaufelprofil

Info

Publication number: DE102015213451A1
Application number: DE102015213451.2A
Authority: DE
Inventors: Peer Springer
Original assignee: KSB AG; Klein Schanzlin and Becker AG
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-07-18
Also published as: WO2017012825A1; EP3325810A1; US20180209447A1; DE102015213451B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad, das mindestens eine Schaufel (4) aufweist, sowie ein Verfahren zur Gestaltung des Profils einer Schaufel (4). Die Schaufel (4) weist ein Profil auf, das sich durch Überlagerung eines symmetrischen Profils (10, 11) mit mindestens einem Zusatzprofil (12, 13) und einer Skelettlinie ergibt, deren Schaufeleintrittswinkel kleiner 0° wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad, das mindestens eine Schaufel aufweist sowie ein Verfahren zur Gestaltung des Profils einer Schaufel des Laufrads einer Kreiselpumpe.
Vorzugsweise betrifft die Erfindung Kreiselpumpen, die zur Förderung von feststoffhaltigen Medien eingesetzt werden. Dabei können als Laufräder Kanalräder, Freistromräder oder Einschaufelräder zum Einsatz kommen. Bei Kanalrädern handelt es sich um offene oder geschlossene Laufräder mit reduzierter Schaufelzahl. Bewährt haben sich 1, 2 bzw. drei Schaufeln in radialen und halbaxialen Laufrädern. Ihre Einsatzgebiete sind verschlammte oder mit Feststoffen beladene Flüssigkeiten.
Ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung der Einsatzfähigkeit solcher Pumpen zur Förderung von festen Beimengungen ist der Kugeldurchgang. Der Kugeldurchgang wird auch als freier, unverengter Laufraddurchgang bezeichnet und beschreibt den größten zulässigen Durchmesser der Feststoffe, um einen verstopfungsfreien Durchgang zu gewährleisten.
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 einen Kanal, dessen Querschnitt vom 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 ein Auftreten von Kavitationen vermindert wird.
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 Anlagerungen fester Bestandteile im Förderweg gestellt. Bei mehrschaufligen Laufrädern müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um Verstopfungen zu vermeiden.
In der DE 88 00 074 U1 wird ein Pumpenlaufrad für eine Kreiselpumpe beschrieben, dessen Schaufeleintrittswinkel zwischen 0° und 40° liegt. 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 welchen der Schaufelwinkel 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.
Bei Umströmung der Eintrittskanten der Schaufeln gibt es seinen Bereich hoher Geschwindigkeit. Bei Laufrädern, deren Eintrittskante einen kleineren 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 Totwasser. An der Eintrittskante haftende Fasern neigen dazu, dieses Totwassergebiet auszufüllen. Durch die Umströmung werden die Fasern auf die Schaufelkontur gepresst, wobei die Belegung mit Fasern stark ansteigen kann.
Die DE 10 2011 007 907 B3 betrifft ein Laufrad einer Kreiselpumpe zur Förderung von feststoffhaltigen Medien. Das Laufrad weist mindestens zwei Schaufeln auf. Der Schaufeleintrittswinkel ist dabei kleiner als 0°. Der Schaufelwinkel steigt in einem ersten Abschnitt an bis er einen Wert von 0° erreicht. In einem zweiten Abschnitt erfolgt ein weiterer Anstieg bis ein maximaler Wert erreicht wird. In einem dritten Abschnitt fällt der Schaufelwinkel wieder ab.
Der Kugeldurchgang, die Steilheit der Kennlinie, die Kavitationseigenschaften und die Schaufelbelastung stehen bei Abwasserrädern in einem speziellen Zusammenhang. Anders als bei Anwendungen für reines Wasser spielt der Kugeldurchgang dabei eine zentrale Rolle.
Zudem wird bei Laufrädern auch eine Kavitationsfreiheit bis zu einem praktisch vorhandenen NPSH-Wert und eine Laufruhe der Räder gefordert. Beide Forderungen können durch eine geringe Schaufelbelastung (Förderhöhe/Schaufelfläche) unter der Rahmenbedingung eines hydraulisch stoßfreien Designs erfüllt werden.
Bei Anwendungen für hohe Drehzahlen sind steile Kennlinien gewünscht. Diese Kennlinienform erreicht man mit geringen Schaufelzahlen (1 oder 2). Zudem sollten die Schaufeln eine große Umschlingung aufweisen.
Die Kennlinienform wird vom Staffelungswinkel der Schaufeln bestimmt. Die Winkel am Ein- und Austritt bestimmen im Wesentlichen die Anpassung des Designs an den gewünschten Betriebspunkt bzw. ändern die Belastungsverteilung (Druckunterschied Schaufelsaug- zur Schaufeldruckseite) entlang der Schaufelkontur.
Kombiniert man geringe Staffelungswinkel bzw. geringe, zum Teil negative, Eintrittswinkel mit sehr geringen Austrittswinkeln wird die Belastung der Schaufel bis zum engsten, den Kugeldurchgang bestimmenden Querschnitt, in sehr starkem Maße erhöht. Je größer der Kugeldurchgang ist, desto geringer ist der Staffelungswinkel. Je geringer der Austrittswinkel ist, desto höher ist die Belastung bis zum engsten Querschnitt. Die erhöhte Belastung führt zu erhöhten NPSH-Werten und im ungünstigen Fall zur Strömungsablösung und damit zu einem Wirkungsgradverlust.
Vorliegend ein Laufrad, bei dem für die Feststoffförderung große Kugeldurchgänge in Kombination mit einer steilen Kennlinie gefordert werden. Die daraus resultierenden geringen Staffelungswinkel kombiniert mit zum Teil negativen Eintrittswinkeln und sehr geringen Austrittswinkeln ergeben eine extreme Belastung der Schaufel bis zum engsten, den Kugeldurchgang bestimmenden Querschnitt. Diese Belastung führt zu Ablösung auf der Saug- und Rückströmung auf der Druckseite.
Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad anzugeben, bei dem die Belastung der Schaufeln minimiert wird. Dabei sollen Ablöse- bzw. Kavitationsgebiete vermieden werden. Ebenso soll die Bildung von Totwassergebieten bzw. Rückströmgebieten vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Gestaltung des Profils einer Schaufel des Laufrads einer Kreiselpumpe gemäß dem Anspruch 11 gelöst. Bevorzugte Varianten sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Erfindungsgemäß weist die Schaufel ein Profil auf, das sich durch Überlagerung eines symmetrischen Profils mit mindestens einem Zusatzprofil und einer Skelettlinie ergibt, deren Schaufeleintrittswinkel kleiner als 0° ist. Ein solches Profil gewährleistet eine gleichmäßige Belastung der gesamten Schaufelfläche. Die Belastung bzw. Zirkulation wird dabei auf das jeweilige Mindestmaß beschränkt. Dadurch werden auf der Saugseite Ablöse- bzw. Kavitationsgebiete verhindert. Auf der Druckseite können durch das erfindungsgemäße Profil gezielt Totwasser- bzw. Rückströmbereiche vermieden werden.
Als Skelettlinie (auch Profilmittellinie oder Wölbungslinie oder Krümmungslinie) bezeichnet man die Verbindumngslinie der in ein Profil einbeschriebenen Kreismittelpunkte. Vom Nasenkreismittelpunkt bis zur Profilnase verläuft die Skelettlinie gerade. Der Verlauf der Skelettlinie bestimmt die Strömungseigenschaften wesentlich mit. Wichtige geometrische Kenngrößen der Skelettlinien sind neben dem Schaufelwinkel der Umschlingungswinkel.
Die Skelettlinie, die zur Überlagerung herangezogen wird, weist dabei vorzugsweise einen Winkelverlauf auf, bei dem zunächst der negative Schaufeleintrittswinkel ansteigt bis er einen Wert von 0 erreicht. In einem zweiten Abschnitt steigt der Schaufelwinkel dann bis zu einem maximalen Wert an und fällt schließlich in einem dritten Abschnitt wieder ab. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung bleibt der Schaufelwinkel der Skelettlinie in einem sich anschließenden vierten Abschnitt konstant.
Bis zum engsten Querschnitt steht ein mit abnehmender Schaufelzahl steigender Bereich zur Verfügung, in dem die Belastung (Zirkulation) variabel gestaltet werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Belastungsvariation mit zusätzlichen Profilen vorgenommen. Erfindungsgemäß werden die Profile in jedem Schaufelberechnungsschritt hinsichtlich Länge und Dicke getrennt auf Saug- und Druckseite variiert, um die Belastung zu reduzieren und somit auf der Saugseite Kavitation bzw. Ablösung und auf der Druckseite Totwasser bzw. Rückströmung zu vermeiden.
Dabei baut sich das gesuchte Profil aus einer charakteristischen Skelettlinie, einem symmetrischen Grundprofilen und zusätzlichen Profilen auf Saugseite sowie zusätzlichen Profilen auf der Druckseite auf.
Bei dem symmetrischen Grundprofil handelt es sich vorzugsweise um ein Gleichdickprofil mit elliptischer Profilnase.
Die Zusatzprofile können auf Basis von Katalogprofilen bereitgestellt werden. Beispielsweise können dazu NACA-Profile (National Advisory Committee for Aeronautics).
Die Überlagerung erfolgt dabei in einem eben Abbildungssystem der Kaplan'schen Methode.
Die erfindungsgemäßen Profilformen ergeben sich durch die Überlagerung der charakteristischen Skelettlinie, die einen negativen Schaufel-Eintrittswinkel aufweist, gemeinsam mit einer Dickenverteilung oder einem Profiltropfen. Das fertige Profil wird dann unter dem notwendigen Anstellwinkel β_m in konformer Abbildung positioniert.
Die Gesamtschaufel wird durch konforme Abbildung der in der Ebene vorliegenden einzelnen Schaufelschnitte in den als axialsymmetrische Rotationsflächen vorliegenden Flutflächen erzeugt. Vorzugsweise kommen dabei 1 bis 3 Flutflächen, jedoch maximal 7, zum tragen.
Durch Abgleich der die Tropfen beschreibenden Parameter über die Stromlinienradien ergibt sich eine ausreichend glatte Oberfläche. Die Bereitgestellung des Schaufelprofils erfolgt vorzugsweise mittels Überlagerung eines asymmetrischen Profiltropfens und der charakteristischen Skelettlinie.
Weitere Vorteile und Merkmale 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,
2 variable Tropfen auf drei Stromlinien als Draufsicht,
3 einen Meridianschnitt,
4a einen Verlauf des Schaufelwinkels,
4b ein konformes Abbild der Skelettlinie,
5 ein variabler Bereich für eine Dickenvariation,
6 ein Profilaufbau im konformen Abbild vor Überlagerung mit der Skelettlinie,
7 ein Überlagerungsprofil am Beispiel eines NACA-Profils,
8 variable Tropfen auf drei Stromlinien im konformen Abbild,
9 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laufrades.
In 1 ist ein Axialschnitt durch ein radiales Laufrad dargestellt. Die mit festen Beimengungen durchsetzte Flüssigkeit tritt in den Saugmund 1 des Laufrads 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 insbesondere bei spezifischen Drehzahlen von mehr als 70 1/min 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.
Die 2a, 2b und 2c zeigen variable Tropfen auf drei Stromlinien als Draufsicht. 3 zeigt die drei Stromlinien als Meridianschnitt. Durch Abgleich der die Tropfen beschreibenden Parameter über den Stromlinienradius R ergibt sich eine ausreichend glatte Oberfläche. Die zusätzlichen Profiltropfen werden hervorgehoben. Das Grundprofil wird belassen.
In 4a ist der Verlauf des Schaufelwinkels β dargestellt.
4b zeigt ein konformes Abbild der Skelettlinie. Auf der Abszisse ist der Umschlingungswinkel φ aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Schaufelwinkel β der Skelettlinien aufgetragen.
Der Schaufeleintrittswinkel β₁ ist kleiner 0°. In einem ersten Abschnitt 6 steigt der Schaufelwinkel β stetig an, bis er einen Wert von 0° erreicht. Dann erfolgt in einem zweiten Abschnitt 7 ein stetiger Antrieb, bis der Schaufelwinkel β einen maximalen Wert erreicht. Der Gradient des Anstiegs des Schaufelwinkels β ist im ersten Abschnitt 6 und im zweiten Abschnitt 7 gleich. Seinen maximalen Wert erreicht der Schaufelwinkel β am Wendepunkt der Skelettlinie. In einem dritten Bereich 8 fällt der Schaufelwinkel β stetig ab bis er den Wert des Schaufelwinkels β₂ erreicht. In einem vierten Abschnitt 9 bleibt der Schaufelwinkel β konstant beim Wert des Schaufelaustrittswinkels β₂.
Das konforme Abbild der Skelettlinie zeigt, dass ausgehend vom Schaufelradius R₁ der Radius zunächst auf einen minimalen Wert R_min sinkt und anschließend weiter bis zum Wert des Schaufelaustrittsradius R₂ ansteigt.
5 zeigt einen variablen Bereich für eine Dickenvariation. Bis zu einem engsten Abschnitt steht ein mit abnehmender Schaufelzahl steigender Bereich I' zur Verfügung, in dem die Belastung (Zirkulation) variabel gestaltet werden kann. Dieser variable Bereich ist als I' in 5 eingezeichnet. Zudem ist der Staffelungswinkel β_m eingezeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Belastungsvariation mit zusätzlichen Profilen vorgenommen, welche in jedem Schaufelberechnungsschritt hinsichtlich Länge und Dicke getrennt auf Saug- und Druckseite variiert werden, um die Belastung (Zirkulation) auf das jeweilige Mindestmaß zu beschränken und damit Ablöse- bzw. Kavitationsgebiete (auf der Saugseite) und Totwasser bzw. Rückströmgebiete (auf der Druckseite) zu vermeiden.
6 zeigt einen Profilaufbau im konformen Abbild vor Überlagerung mit der Skelettlinie mit einem Grundprofil 10 der Druckseite und einem Grundprofil 11 der Saugseite. Aus der Skelettlinie und einem symmetrischen Grundprofil (Gleichprofil mit elliptischer Profilnase) sowie einem zusätzlichen Profil 12 auf der Saugseite und einem zusätzlichen Profil 13 auf der Druckseite baut sich das gesuchte Profil auf.
Die Zusatzprofile 12, 13 können auf Basis von Katalogprofilen, beispielsweise einem in 7 dargestellten Überlagerungsprofil (NACA 65010), bereitgestellt werden. Die Überlagerung erfolgt in einem ebenen Abbildungssystem nach der Kaplan'schen Methode.
Die Beschreibung der Zusatztropfen erfolgt über maximale Dicke und relative Länge X = l' / L getrennt für Druck- und Saugseite
X = x·l'.
8 zeigt einen variablen Tropfen auf drei Stromlinien im konformen Abbild. Es wurden drei Schaufelschnitte bei der, bei Radialpumpen üblichen konformen Abbildungsformen Y = ∫ds / r und x = φ dargestellt.
Die Optimierung der Schaufel erfolgt durch angepasste Auslegungs- und Nachrechnungsverfahren.
Das Ergebnis des Designs ist in 9 anhand eines zweischaufligen Abwasserrahmes dargestellt. Das Verfahren kann für offene oder geschlossene Laufräder eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4015331 A1 [0004]
DE 8800074 U1 [0006]
DE 102011007907 B3 [0010]

Claims

Kreiselpumpe mit einem Laufrad, das mindestens eine Schaufel (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (4) ein Profil aufweist, das sich durch Überlagerung eines symmetrischen Profils (10, 11) mit mindestens einem Zusatzprofil (12, 13) und einer Skelettlinie ergibt, deren Schaufeleintrittswinkel kleiner 0° ist.
Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der Schaufelwinkel β in einem ersten Abschnitt (6) ansteigt bis er einen Wert von 0° erreicht, dann in einem zweiten Abschnitt (7) bis zu einem maximalen Wert ansteigt und in einem dritten Abschnitt (8) abfällt.
Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung in einem ebenen Abbildungssystem erfolgt, vorzugsweise nach der Kaplan'schen Methode.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das symmetrische Grundprofil ein Gleichdickprofil mit elliptischer Profilnase ist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundprofil (12, 13) ein NACA-Profil ist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung mit Zusatzprofilen (12) auf der Saugseite und/oder mit Zusatzprofilen (13) auf der Druckseite erfolgt.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschreibung von Zusatztropfen über eine maximale Dicke und/oder eine relative Länge getrennt für eine Druckseite und/oder Saugseite erfolgt.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Profil durch Überlagerung eines asymmetrischen Profiltropfens mit der Skelettlinie ergibt.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil unter einem Anstellwinkel (β_m) in einem konformen Abbild positioniert wird.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (4) durch eine konforme Abbildung der in einer Ebene vorliegenden einzelnen Schaufelabschnitte in den als axialsymmetrische Rotationsflächen vorliegenden Flutflächen erzeugt ist.
Verfahren zur Gestaltung des Profils einer Schaufel (4) des Laufrads einer Kreiselpumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit folgenden Schritten: – Auswahl und/oder Erstellung eines symmetrischen Profils (10, 11), – Auswahl und/oder Erstellung eines Zusatzprofils (12, 13), – Auswahl und/oder Erstellung einer Skelettlinie, deren Schaufeleintrittswinkel kleiner 0° ist, – Überlagerung des symmetrischen Profils (10, 11) des Zusatzprofils (12, 13) und der Skelettlinie.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelwinkel β in einem ersten Abschnitt (6) ansteigt bis er einen Wert von 0° erreicht, dann in einem zweiten Abschnitt (7) bis zu einem maximalen Wert ansteigt und in einem dritten Abschnitt (8) abfällt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung in einem ebenen Abbildungssystem erfolgt, vorzugsweise nach der Kaplan'schen Methode.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das symmetrische Grundprofil ein Gleichdickprofil mit elliptischer Profilnase ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzprofil (12, 13) ein NACA-Profil ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung mit Zusatzprofilen (12) auf der Saugseite und/oder mit Zusatzprofilen (13) auf der Druckseite erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschreibung von Zusatztropfen, über eine maximale Dicke und/oder relative Länge getrennt für eine Druckseite und/oder Saugseite erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Profil durch Überlagerung eines asymmetrischen Profiltropfens mit der Skelettlinie ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil unter einem Anstellwinkel (β) in einem konformen Abbild positioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (4) durch eine konforme Abbildung der in einer Ebene vorliegenden einzelnen Schaufelabschnitte in den als axialsymmetrische Rotationsflächen vorliegenden Flutflächen erzeugt wird.