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Die Erfindung betrifft ein Laufrad für Kreiselpumpen mit mindestens einer Schaufel zur Förderung feststoffhaltiger Medien.
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Bei Kreiselpumpen zur Förderung feststoffhaltiger Medien können unterschiedliche Laufräder eingesetzt werden, beispielsweise Kanalräder, Freistromräder oder Einschaufler. Bei Kanalrädern handelt es sich um offene oder geschlossene Laufräder mit reduzierter Schaufelzahl. Bewährt haben sich 1, 2 bzw. 3 Schaufeln in radialen oder halbaxialen Laufrädern.
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Auch Freistrompumpen kommen zur Förderung von feststoffhaltigen Medien zum Einsatz. Solche Freistrompumpen werden auch als Wirbelpumpen bezeichnet, deren Förderleistung von einer rotierenden, mit Schaufeln besetzten Scheibe, dem sogenannten Freistromrad, auf das Strömungsmedium übertragen wird.
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Daneben kommen auch halboffene Laufräder im Abwasserbereich zum Einsatz.
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Bei der Gestaltung der Laufräder spielt die Schaufelform eine entscheidende Rolle. Insbesondere die Konstruktion der Eintrittskante ist von großer Bedeutung. Bei Abwasserpumpen belegt sich die Eintrittskante häufig mit im Fördermedium vorhandenen Fasern. Die Fasern werden häufig nicht von dem Laufrad-Eintrittskanten abtransportiert, da aufgrund des Strömungswiderstands auf der Saug- und Druckseite die jeweiligen Widerstandskräfte im Gleichgewicht sind. Kommt es zu einer Anlagerung von Fasern an den Eintrittskanten, können weitere Fasern sich anlagern, sodass sich größere Belegungen bilden können. Begünstigt wird dieses Verhalten insbesondere bei der Gewährleistung hoher Kugeldurchgänge. Der Kugeldurchgang ist ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung der Einsatzfähigkeit von Abwasserpumpen. Der Kugeldurchgang wird auch als freier, unverengter Laufraddurchgang bezeichnet und beschreibt den größten zulässigen Durchmesser der Feststoffe, um einen verstopfungsfreien Durchgang zu gewährleisten.
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Die für einen ausreichenden Kugeldurchgang notwendigen großen Strömungsquerschnitte begünstigen den Aufbau von Belegungen. Insbesondere bei Teillast, zum Beispiel kleinen Volumenströme, führen große Strömungsquerschnitte zu nicht durchströmten Totwasserzonen. Die Totwasserzonen führen zu Verblockungen. Insbesondere wenn ein großer Kugeldurchgang erforderlich ist, treten häufig solche Belegungen der Schaufeln, insbesondere bei den Eintrittskanten auf.
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Bei Einschauflern führen solche Belegungen dazu, dass eine höhere Leistung zum Betrieb der Kreiselpumpe erforderlich ist. Bei Mehrschauflern kann es durch die Belegungen auch zu einer asymmetrischen Strömung in den Kanälen kommen. Solche asymmetrischen Strömungen beeinflussen nicht nur die erforderliche Leistung, sondern auch den geförderten Volumenstrom sowie die Förderhöhe.
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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 Tragscheibe einen Kanal, dessen Querschnitt zum Einlauf des Einschaufelrades zum Austritt hin abnimmt. Die Saugseite bildet auf den ersten 180° des Drehwinkels einen konzentrisch zur Drehachse angeordneten Halbkreis. Das Einschaufelrad ist so gestaltet, dass ein Auftreten von Kavitationserosion verhindert wird.
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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 Ablagerungen durch feste Bestandteile gestellt. Bei mehrschaufligen Laufrädern müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um Verstopfungen zu vermeiden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Laufrad für eine Abwasserpumpe anzugeben, bei der Ablagerungen wirksam vermieden werden. Insbesondere soll eine Belegung der Eintrittskanten mit Fasern verhindert werden. Das Laufrad soll zudem einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der eingesetzten Kreiselpumpe gewährleisten. Weiterhin soll das Auftreten von Kavitationserosion vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Laufrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist α ein Winkel zwischen einer Eintrittskante der Schaufel und einer Umfangsrichtung und β ein Winkel zwischen einer Eintrittskante der Schaufel und einer meridionalen Richtung, wobei in Abhängigkeit der dominierenden Geschwindigkeit der zugehörige Winkel α und/oder β kleiner als 90° ausgeführt, vorzugsweise kleiner als 70° ausgeführt, insbesondere kleiner als 50° ausgeführt. Bei dem Winkel α handelt es sich um einen Winkel zwischen einer Eintrittskante der Schaufel und einer Umfangsrichtung. Bei dem Winkel β handelt es sich um einen Winkel zwischen einer Eintrittskante der Schaufel und einer meridionalen Richtung.
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Um das Problem der Anlagerungen an der Schaufel zu lösen, wird der Strömungswiderstand der Fasern für ihren Transport entlang der Eintrittskante der Schaufeln betrachtet. Dabei wird die auf die Eintrittskante auftreffende Geschwindigkeit in eine Normalkomponente und eine Tangentialkomponente zerlegt. Die Normalkomponente wirkt anpressend. Die Tangentialkomponente ist für den Transport der Fasern verantwortlich. Bei der strömungstechnischen Betrachtung kann sowohl das rotierende System als auch das nichtrotierende System betrachtet werden. Da sich die Relativgeschwindigkeit in die Komponenten der Umfangsrichtung und der meridionalen Richtung zerlegen lässt, können diese Richtungen auch bestimmten Kraftkomponenten zugeordnet werden.
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Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung ist der Winkel β kleiner oder gleich 45°. Alternativ oder ergänzend kann auch der Winkel α kleiner oder gleich 45° sein. Der erfindungsgemäße Ansatz führt dazu, dass in den inneren Bereichen der Winkel β keiner oder gleich 45° auszuführen ist und in den äußeren Bereichen der Winkel α kleiner oder gleich 45° auszuführen ist.
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Trennt man die jeweilig dominierenden Bereiche über die Größe der jeweiligen Geschwindigkeit, für die Bedingung c
m = u, ergibt sich bei axialem Laufradeintritt ein Grenzradius unter Verwendung der Durchflussziffer
zu R
grenz = R
a ·φ. Vorzugsweise ist φ im Bereich zwischen 0,3 bis 0,6. Bei der Geschwindigkeit u handelt es sich um die Umfangsgeschwindigkeit. Mit dem Symbol
Ra wird der Außenradius der Schaufel bezeichnet.
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Im Rezirkulationsbereich nehmen die meridionalen Geschwindigkeiten im inneren Bereich stark zu, sodass dem Winkel β in dieser Richtung eine erhöhte Bedeutung zukommt.
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Das erfindungsgemäße Laufrad ermöglicht es, die Kreiselpumpe auch in einem Betriebsbereich mit kleinen spezifischen Drehzahlen und kleinen Umfangsgeschwindigkeiten zu betreiben. Aufgrund des instationären Charakters wirkt sich die durch das erfindungsgemäße Laufrad erzeugte Strömungscharakteristik positiv auf das Mitförderverhalten aus.
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Durch den erfindungsgemäßen Ansatz, den Fasertransport entlang der Eintrittskante der Schaufeln durch die Wirkung der Tangentialkomponenten der jeweiligen dominanten Geschwindigkeit zu verschieben, kann sowohl bei Einschauflern als auch bei Mehrschauflern eine Verbesserung der Leistungscharakteristik der Pumpe und ein besserer Transport ohne Verstopfungen gewährleistet werden. Bei Einschaufeln ist der Ansatz in Zusammenhang mit einem diagonalen Meridianschnitt eine bekannte Lösung.
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Nach ihrem Transport entlang der Eintrittskante gleiten die Schaufeln über die asymmetrische und geglättete Nabe direkt in den Schaufelkanal.
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Bei halboffenen Mehrschauflern erfolgt der Transport in Richtung der Schaufelspitze, wo Leit- oder Transportnuten die weitere Verarbeitung der Fasern übernehmen können.
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Um die Wirkung des in ihrem Betrag größeren Geschwindigkeitsanteils ausnutzen zu können, sollten kleine Winkel β, vorzugsweise kleiner 45° im Bereich kleiner des Grenzradius Rg und kleine Winkel α, vorzugsweise kleiner 45°, im Bereich größer des Grenzradius Rg dominieren.
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Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung ist das Laufrad halboffen ausgeführt. Vorzugsweise erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Laufrad als Radialrad gestaltet ist. Das Laufrad kann eine oder mehr Schaufeln aufweisen. Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung weist das Laufrad zwei Schaufeln auf.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt:
- 1 einen Axialschnitt durch eine Abwasserpumpe,
- 2 einen Blick auf den Saugmund der in 1 dargestellten Abwasserpumpe,
- 3 eine perspektivische Teilschnittdarstellung des Saugmundbereiches,
- 4 einen Schnitt durch den Saugmundbereich,
- 5 eine Draufsicht auf das Laufrad,
- 6 eine Hälfte einer perspektivischen Darstellung des Laufrades,
- 7 in einer schematischen Seitenansicht des Eintrittsbereichs der Schaufel die Definition des Winkels β,
- 8 zeigt in einer Draufsicht auf ein Laufrad eine Definition des Winkels α.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Abwasserpumpe. Bei der in 1 dargestellten Kreiselpumpe handelt es sich um eine Tauchmotorpumpe. Das mit Beimengungen versetzte Abwasser tritt durch den Saugmund 1 in die Pumpe ein. Laufrad 2 ist drehfest mit einer Welle 3 verbunden, welche das Laufrad 2 in Rotation versetzt. Das Laufrad 2 ist in einem Pumpengehäuse 4 angeordnet, das im Ausführungsbeispiel als Spiralgehäuse ausgeführt ist.
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In den Saugmund 1 der Pumpe hinein ragt ein Einsatz 5, der im Ausführungsbeispiel als Schleißwand bzw. Schleißring ausgeführt ist. Die Welle 3 wird von einem Antrieb 6 in Rotation versetzt, der im Ausführungsbeispiel als Elektromotor ausgeführt ist. Der Antrieb 6 umfasst einen Rotor 7 und einen Stator 8.
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Das Pumpengehäuse 4 wird durch einen Gehäusedeckel 9 abgedichtet. Der Gehäusedeckel 9 ist mit einer Gleitringdichtung 10 gegenüber der Welle 3 abgedichtet. Die Welle 3 wird über Lagerelemente 11 abgestützt.
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2 zeigt eine Sicht auf die Kreiselpumpe mit Blick auf den Saugmund 1. Das Laufrad 2 umfasst gemäß der Darstellung in 2 zwei Schaufeln 12. Das Laufrad 2 weist in seiner Mitte eine Nabe 13 auf und ist über ein Befestigungsmittel über diese Nabe 13 mit der Welle 3 verbunden.
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Über einen Druckstutzen 14 verlässt das Fluid die Kreiselpumpe.
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3 zeigt eine perspektivische Teilschnittdarstellung der Bauteile, die den Saugmund 1 bilden. Der Einsatz 5 ist am Pumpengehäuse 4 befestigt. Dazu sind am Einsatz 5 mehrere Bohrungen 15 vorgesehen. Über die Bohrungen 15 kann der Einsatz 5 mittels Befestigungsmitteln am Pumpengehäuse 4 befestigt werden.
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Das Laufrad 2 dreht sich mit Blick auf die Darstellung gemäß 3 entgegen der Uhrzeigerrichtung. Das Laufrad 2 ist mit zwei Schaufeln 12 ausgestattet, die auf einer Tragscheibe 16 befestigt sind. In den Ausführungsbeispielen sind die beiden Schaufeln 12 und die Tragscheibe 16 einstückig ausgebildet. Die Schaufeln 12 weisen einen gekrümmten Verlauf auf.
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Das mit festen Beimengungen versetzte Medium strömt axial durch den Saugmund 1 auf das Laufrad 2 zu und radial nach außen vom Laufrad 2 weg, sodass das Medium durch den Druckstutzen 14 die Kreiselpumpe verlässt.
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Die Schaufeln 12 weisen einen rückwärts gekrümmten Verlauf auf. Alle Schaufeln 12 des Laufrades 2 sind kongruent zueinander ausgebildet und weisen die gleiche Form auf. Jede Schaufel 12 erstreckt sich von der Nabe 13 mit einer Krümmung radial nach außen. Bei der Darstellung gemäß 3 sind die beiden Schaufeln 12 um 180° zueinander versetzt angeordnet.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung des Saugmundbereiches gemäß der Darstellung in 3. Bei dem Einsatz 5 handelt es sich um ein feststehendes Teil. Bei dem Laufrad 2 um ein rotierendes Bauteil. Die Schaufeln 12 erstrecken sich ausgehend von der Nabe 13 radial in einem rückwärts gekrümmten Verlauf nach außen.
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Dies zeigt auch nochmal die Darstellung gemäß 5.
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6 zeigt eine Hälfte des Laufrades 2 in einer perspektivischen Darstellung von der Seite gesehen. Der Bereich der Nabe 13 ist hier rein zur Veranschaulichung der konstruktiven Gestaltung des Laufrades zwei zylinderförmiger Körper dargestellt. Bei der Gestaltung des Laufrades 2 kann diese zylinderförmige Ausformung weggelassen werden.
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An der Nabe 13 setzt eine Eintrittskante 17 bei jeder Schaufel 12 an. Die Eintrittskante 17 von jeder Schaufel 12 erstreckt sich zwischen den beiden Punkten A und B.
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7 zeigt den Bereich der Eintrittskante 17 schwarz ausgeführt dargestellt. Der Winkel β ergibt sich zwischen den beiden Hilfslinien 18 und 19. Erfindungsgemäß ist der Winkel β kleiner oder gleich 45°. β stellt dabei einen Winkel zwischen einer Eintrittskante 17 einer Schaufel 12 und einer meridionalen Richtung dar. Dabei gibt β den Winkel im Relativsystem an. Im Absolutsystem wird der Winkel mit α angegeben. Dabei beschreibt α einen Winkel zwischen einer Eintrittskante 17 einer Schaufel 12 und einer Umfangsrichtung. Beide Winkel α oder β sind erfindungsgemäß kleiner oder gleich 45°.
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8 zeigt in einer Draufsicht auf ein Laufrad eine Definition des Winkels α. Der Winkel α wird gemessen zwischen der Umfangsrichtung, also einer Kreisrichtung und einer Tangente in einem Punkt an der Schaufeleintrittskante im betrachteten Radius. αi ist der Winkel am Innenradius Ri , αg der Winkel α am Grenzradius Rg und αa der Winkel am Außenradius Ra .
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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