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Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem radialen Laufrad, das von einem Gehäuse umgeben ist.
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Bei radialen Kreiselpumpen tritt bauartbedingt eine resultierende Axialkraft auf den Läufer auf, die kompensiert werden muss. Hauptkomponenten dieser Axialkraft sind dabei die auf die Deckscheibe bzw. Tragscheibe wirkenden Druckkräfte, die einander entgegengesetzt gerichtet sind. In der Regel ist die auf die Tragscheibe wirkende Kraft deutlich größer als die auf die Deckscheibe wirkende Komponente, sodass ein saugseitig gerichteter Axialschub auftritt, der entsprechend ausgeglichen werden muss. Ganz allgemein versteht man unter dem Axialschub die resultierende, aller auf den Läufer wirkenden Axialkräfte.
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In der
WO 00/66894 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung bzw. Eliminierung der Axialkraft einer Kreiselpumpe beschrieben. Bei einer Variante wird eine Strömungsunterteilung dadurch erreicht, in dem ein Satz von Bremsschaufeln entlang der Peripherie eines Hohlraumes angeordnet ist. Dadurch wird die Rotationsgeschwindigkeit des Fluids reduziert. Weiterhin ist eine stationäre Scheibe entlang der Innenwand des Gehäuses vorgesehen, um eine radiale Strömung des Fluids in Richtung der Mitte der Pumpe zu lenken.
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Die
DE 31 04 4747 A1 beschreibt eine Kreiselpumpe mit einem druckseitig bzw. saugseitig am Laufrad angeordneten Regelbund. Bei einer Variante der Erfindung sind Scheiben an der druckseitigen Radseite bzw. an der saugseitigen Radseite des Laufrades angeordnet. Die Scheiben sind auf der Welle der Kreiselpumpe oder auf dem Laufradhals jeweils drehbar und axial verschiebbar gelagert.
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Die
DE 33 30 364 C2 beschreibt eine Kreiselpumpe mit einer Einrichtung zur Verminderung des Reibungsverlustes des Laufrads. Die Einrichtung umfasst drehbar gelagerte Scheiben, die beiderseits des Laufrads angeordnet sind.
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Solche herkömmlichen Scheibenkonstruktionen zur Reduzierung des Axialschubs sind störungsanfällig und in ihrer Konstruktion häufig aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe anzugeben, bei welcher der Axialschub auf den Läufer auf einfache und zuverlässige Weise reduziert wird. Die Kreiselpumpe soll sich durch eine hohe Lebensdauer und einen möglichst störungsfreien Betrieb auszeichnen. Weiterhin soll die Kreiselpumpe verhältnismäßig preiswert herzustellen sein und einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß weist das Gehäuse der Kreiselpumpe einen Kanal auf, zur Führung einer Strömung aus einem Radseitenraum der Pumpe zu einem radialen Spalt der Pumpe. Dabei handelt es sich vorzugsweise um eine drallbehaftete Leckageströmung aus dem Laufrad.
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Durch diese Konstruktion wird der aus dem Laufrad in den vorderen Radseitenraum eintretende Drehimpulsstrom umgeleitet und über einen zusätzlichen durch das Gehäuse verlaufenden Kanal direkt einem radialen Spalt zugeführt.
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Die Strömung wird vorzugsweise aus dem Laufrad am vorderen Radseitenraum vorbei geführt und tritt dann in den Kanal ein.
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Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen radialen Dichtspalt, der zwischen einer Deckscheibe des Laufrades und einem Gehäuseteil gebildet wird. Der im Gehäuse angeordnete Kanal weist nur stehende Wände auf. Diese wirken als „Drallbremse“ und verringern die Umfangsgeschwindigkeitskomponente, mit der der durch den Kanal geführte Volumenstrom in den Spalt eintritt. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, dass dadurch zudem die Dämpfung in dem radialen Dichtspalt erhöht wird.
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Die Dichtspalte in Kreiselpumpen fungieren zusätzlich als Radiallager und die Kräfte in den Spaltdichtungen haben einen großen Einfluss auf das Schwingungsverhalten des Rotors. Die Dämpfung dieses schwingungsfähigen Systems wird durch das Verhältnis von Axialgeschwindigkeit zu Umfangsgeschwindigkeit der Strömung am Dichtspalteintritt bestimmt. Geringere Umfangsgeschwindigkeiten bedeuten eine erhöhte Dämpfung.
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Durch die Umleitung des Drehimpulsstroms wird die Rotation des Fluids im eigentlichen Radseitenraum stark vermindert, wodurch sich die auf den Läufer wirkende Axialkraft in diesem Bereich des Radseitenraums erhöht.
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Das Laufrad weist vorzugsweise neben einer Tragscheibe auch eine Deckscheibe auf. Somit handelt es sich um ein geschlossenes Laufrad.
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Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung wird der Kanal im Gehäuse so angeordnet, dass die Strömung aus einem vorderen Radseitenraum in den Kanal eintritt. Als vorderer Radseitenraum wird dabei der Raum zwischen rotierender Deckscheibe und stationärem Gehäuse verstanden. In der Regel ist die bei Kreiselpumpen auf die Tragscheibe wirkende Kraft deutlich größer als die auf die Deckscheibe wirkende Komponente. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion einer Anordnung eines Kanals im Gehäuse, der eine Verbindung zum vorderen Radseitenraum aufweist, wird der saugseitig gerichtete Axialschub wirkungsvoll ausgeglichen.
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Der Kanal führt vom Radseitenraum zu einem radialen Spalt und weist vorzugsweise einen ringartigen Querschnitt auf. Die Eintrittsöffnung in den Kanal ist ebenfalls vorzugsweise ringartig entlang des Umfanges im Radseitenraum ausgebildet.
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Der durch den ringartigen Kanal strömende Volumenstrom wird vorzugsweise einem radialen Dichtspalt zugeführt, der zwischen der Deckscheibe des Laufrades und einem Gehäuseteil gebildet wird. Vorzugsweise weist die Kreiselpumpe eine Spaltringdichtungsanordnung mit einem feststehenden Spaltring und einem auf der Deckscheibe des Laufrades angeordneten rotierenden Laufring auf. Bei einer Variante der Erfindung führt der Kanal die Strömung laufradseitig neben die Spaltringdichtungsanordnung. Vorzugsweise wird die Strömung stromabwärts eingeleitet, so dass die Strömung den Dichtspalt noch durchströmt. Dieser liegt also, im Sinne der Reihenfolge der Durchströmung, unmittelbar nach dem Kanal. Die Strömung tritt aus dem Kanal in die Spaltringdichtungsanordnung ein.
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Somit ist bei dieser Variante von der Saugseite her gesehen zunächst die Spaltringdichtungsanordnung mit einem Spaltring und einem Laufring zwischen Deckscheibe und Gehäuseteil vorgesehen und anschließend tritt der durch den Kanal abgeführte Volumenstrom in den radialen Dichtspalt, der zwischen der Deckscheibe und einem Gehäuseteil gebildet wird. Dies ist rotordynamisch sehr vorteilhaft, da hierdurch die Dämpfung im Dichtspalt erhöht wird.
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Durch die Umleitung des Drehimpulsstromes wird die Rotation des Fluids im vorderen Radseitenraum stark vermindert, wodurch die auf die Deckscheibe wirkende Axialkraft erhöht wird. Da die auf die Tragscheibe wirkende Axialkraft in der Regel deutlich größer ist, wird durch die Anhebung der auf die Deckscheibe wirkenden Kraftkomponente die resultierende Restkraft stark vermindert bzw. idealerweise kompensiert. Insbesondere bei mehrstufigen Pumpen, wie beispielsweise Kesselspeisepumpen, spielt der Axialschubausgleich eine sehr große Rolle. Die erfindungsgemäße Konstruktion führt zu einem sicheren Betriebsverhalten und zu einer Steigerung des Wirkungsgrades.
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Bei einer Variante der Erfindung weist der Kanal einen Abschnitt auf, der sich in axialer Richtung erstreckt. Somit tritt das Fluid aus dem Radseitenraum zunächst in axialer Richtung in den Kanal ein und wird vorzugsweise dann in radialer Richtung umgelenkt, wobei der Kanal einen Abschnitt aufweist, der sich in radialer Richtung erstreckt. Weiterhin kann der Kanal einen Abschnitt aufweisen, der weitgehend parallel zur Deckscheibe verläuft.
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Der Kanal wird vorzugsweise von einem Gehäuseteil begrenzt, das ein L-förmiges Querschnittsprofil aufweist. Das Gehäuseteil kann topfartig bzw. glockenartig ausgebildet sein und ist beabstandet zu einem weiteren Gehäuseteil angeordnet, so dass ein Kanal mit einem ringförmigen Querschnitt gebildet wird.
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Durch die erfindungsgemäße Konstruktion tritt der am äußeren Rand eintretende Drehimpulsstrom nicht in den eigentlichen Radseitenraum, sondern in den äußeren Kanal. Die Pumpwirkung der rotierenden Deckscheibe erzeugt eine zusätzliche Sperrwirkung. Da in dem Kanal alle Wände ruhend sind, wird die Umfangsgeschwindigkeit stark reduziert, sodass eine Drallbremse gebildet wird. Durch die Umleitung des Drehimpulsstromes wird die Rotationsgeschwindigkeit des Fluids im eigentlichen Radseitenraum verringert, was eine Zunahme des Drucks und entsprechend der axialen Druckkraft auf die Deckscheibe zur Folge hat. Dadurch wird eine bessere Kompensation der entgegengesetzt wirkenden Druckkraft auf die Tragscheibe erreicht. Im Radseitenraum zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse bildet sich vorzugsweise ein Strömungsbereich aus, in welchem die Radialgeschwindigkeit gemäß eines S-förmigen Verlaufes abnimmt. Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse ein Strömungsbereich gebildet wird, in welchem die Tangentialgeschwindigkeit, außerhalb der Grenzschichten am rotierenden und stationären Teil, weitgehend konstant bleibt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine Kreiselpumpe,
- 2 eine schematische Darstellung des Kanals,
- 3 einen Verlauf des radialen Geschwindigkeitsprofils,
- 4 eine Darstellung des Verlaufs des tangentialen Geschwindigkeitsprofils.
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1 zeigt eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad 1. Das Laufrad 1 ist als geschlossenes Radiallaufrad ausgebildet und weist eine Tragscheibe 2 sowie Deckscheibe 3 auf. Auf der Tragscheibe 2 sind Schaufeln angeordnet. Zwischen der Tragscheibe 2 und der Deckscheibe 3 werden Passagen zum Fördern des Mediums gebildet. Das Laufrad 1 wird von einer Welle 4 angetrieben. Das Laufrad 1 ist von einem Gehäuse 5 umgeben, das mehrstückig ausgebildet sein kann. Das Gehäuse 5 weist einen Saugmund 6 auf.
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Die Kreiselpumpe weist eine Spaltringdichtungsanordnung 7 auf. Die Spaltringdichtungsanordnung 7 begrenzt den Spaltvolumenstrom, der aus dem Druckbereich der Kreiselpumpe in den Saugbereich zurückfließt. Das Laufrad 1 ist als Radiallaufrad ausgebildet. Das Fluid strömt in axialer Richtung dem Laufrad 1 zu und wird dann um 90° umgelenkt und tritt dann in radialer Richtung aus dem Laufrad 1 aus.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des vorderen Radseitenraums 8, der zwischen der Deckscheibe 3 des Laufrades und einem Gehäuseteil 9 gebildet wird. Das Gehäuseteil 9 bildet mit einem weiteren Gehäuseteil 10 einen Kanal 11 zur Führung einer Strömung aus dem vorderen Radseitenraum 8 zu einem radialen Spalt 12.
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Der aus dem Laufrad in den vorderen Radseitenraum 8 eintretende Drehimpulsstrom wird am äußeren Rand nicht in den eigentlichen vorderen Radseitenraum 8, sondern in den äußeren Kanal 11 geführt. Der Kanal 11 wird von ruhenden Wänden der Gehäuseteile 9, 10 begrenzt. Dadurch wird die Umfangsgeschwindigkeit stark reduziert und der Kanal 11 wirkt als Drallbremse. Durch die Umleitung des Drehimpulsstromes wird die Rotationsgeschwindigkeit des Fluids im eigentlichen Radseitenraum 8 verringert. Dies führt zu einer Zunahme des Drucks im vorderen Radseitenraum 8 und somit zu einer Erhöhung der axialen Druckkraft auf die Deckscheibe 3. Somit entsteht eine Gegenkraft zu der Druckkraft, die auf die Tragscheibe 2 wirkt. Der Spaltvolumenstrom tritt durch eine ringförmige Öffnung 13 in einen ersten Abschnitt 14 des Kanals 11 ein, der sich in axialer Richtung erstreckt.
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Der Spaltvolumenstrom wird dann in dem Kanal 11 umgelenkt und tritt in einen zweiten Abschnitt 15 ein, der weitgehend parallel zur Deckscheibe 3 verläuft.
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Schließlich fließt der durch den Kanal 11 strömende Volumenstrom in einen dritten Abschnitt 16, der sich in radialer Richtung erstreckt.
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Das Gehäuseteil 9 weist ein L-förmiges Querschnittsprofil auf, um sowohl einen Abschnitt in axialer Richtung als auch einen Abschnitt in radialer Richtung bzw. parallel zur Deckscheibe 3 zu bilden. Das Gehäuseteil 9 ist topfförmig oder glockenartig ausgebildet.
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3 zeigt den Verlauf der dimensionslosen Radialgeschwindigkeit an einem mittleren Schnitt. „Mittlerer Schnitt“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass es sich um das Geschwindigkeitsprofil auf halber Höhe (in radialer Richtung) zwischen Welle und äußeren (radialen) Gehäuse handelt. Also genau in der Mitte des gezeichneten Radseitenraums. Direkt an der Deckscheibe ist die Radialgeschwindigkeit 0 und steigt dann in unmittelbarer Nähe zur Deckscheibe stark an, auf einen Wert von nahezu 0,08. Anschließend bildet sich ein Strömungsbereich 17 aus, in welchem die Radialgeschwindigkeit in einem S-förmigen Verlauf abnimmt bis zu einem Wert von ca. -0,06. Zum feststehenden stationären Gehäuseteil 9 hin nimmt dann wieder die Radialgeschwindigkeit zu bis sie am Gehäuseteil selbst einen Wert von 0 erreicht.
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3 zeigt, dass sich in dem Kanal ein radiales Strömungsprofil ausbildet, das nahezu kolbenartig ausgebildet ist, wobei an den feststehenden Wänden der Gehäuseteile 9, 10 die Radialgeschwindigkeit 0 ist und dann die Radialgeschwindigkeit in axialer Richtung steil ansteigt bis zu einem Wert von ca. -0,07 und dann nahezu konstant bleibt und dann wieder auf einen Wert von 0 zum nächsten Gehäuseteil 10 hin abfällt.
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4 zeigt den Verlauf der dimensionslosen Tangentialgeschwindigkeit. An der Deckscheibe des Laufrades ist dieser zu Beginn 1 und fällt dann steil ab auf einen Wert von ca. 0,4. Dann bleibt die Tangentialgeschwindigkeit in einem Strömungsbereich 18 weitgehend konstant bevor sie zum stationären Gehäuseteil 9 hin auf einen Wert von 0 absinkt. Innerhalb des Kanals 11 bildet sich ein parabelförmiges Profil der Tangentialgeschwindigkeit aus, wobei die Geschwindigkeit in den feststehenden Enden der Gehäuseteile 9 und 10 ausgehend von einem Wert von 0 ansteigt, ein Maximum erreicht und dann wieder abfällt. Das Strömungsprofil ist näherungsweise symmetrisch ausgebildet.
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Der Betrag der Tangentialgeschwindigkeit verringert sich in Folge der Reibung an den stehenden Wänden beim Durchströmen des Kanals. Es kommt zu einem Abbau des Dralls. „Abbau des Dralls“ wird in diesem Zusammenhang verstanden als eine Reduktion der Tangentialgeschwindigkeit an den stehenden Wänden in Folge der Reibung. Eine Strömung mit Umfangsgeschwindigkeitskomponente wird als „drallbehaftet“ bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 0066894 A1 [0003]
- DE 31044747 A1 [0004]
- DE 3330364 C2 [0005]
