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Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Mantelgehäuse und mindestens einem darin eingesetzten Stufengehäuse.
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Derartige Kreiselpumpen, auch als Doppelgehäuse- bzw. Mantelgehäusepumpen bekannt, sind Kreiselpumpen, die von einem mantelartigen Gehäuse umgeben sind. Das mit Saug- und Druckstutzen versehene Mantelgehäuse wird in einer senkrecht zur Welle liegenden Ebene mit einem Deckel verschlossen. Gewöhnlich handelt es sich hierbei um mehrstufige Pumpen zur Verwendung als Hoch- und Höchstdruckpumpen, insbesondere auch als Kesselspeisepumpen. Innerhalb des Mantelgehäuses sind mehrere Stufengehäuse seriell in Axialrichtung hintereinander angeordnet. Jedes Stufengehäuse umfasst ein Pumpenlaufrad sowie optional ein stationäres Leitrad.
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Die einzelnen Stufengehäuse sind üblicherweise zusammen mit der Pumpenwelle als ein zusammenhängender Pumpeneinschub ausgebildet. Der Strömungsübergang vom letzten Leitrad bzw. dem letzten Stufengehäuse in den Druckstutzen erfolgt in der Regel über einen ausgebildeten Strömungsraum im Mantelgehäuse. In Ausnahmefällen wird alternativ ein gesonderter Einsatz für eine Endspirale im Übergangsbereich eingesetzt. Die Endspirale wird mittels eines separaten Gussteils gefertigt, in dem die Spiralkontur eingefräst wird.
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Da die Spiralkontur des separaten Gehäuseeinsatzes strömungstechnisch optimal entwickelt ist, dieses zusätzliche Bauteil jedoch nicht zur Festigkeit der Druckhülle beiträgt, muss der Umfang des Mantelgehäuses und des Druckstutzens dadurch deutlich größer ausgeführt werden, um die eingesetzte Spiralkontur zu umbauen. Dadurch bedingt fällt eine Pumpenausführung mit Spiraleinsatz deutlich größer aus als eine Pumpenausführung mit konventionellem Strömungsraum, was letztendlich die Herstellungskosten gerade bei großbauenden Pumpentypen maßgeblich ansteigen lässt.
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Die Erfindung setzt sich daher zur Aufgabe, eine gattungsgemäße Pumpe mit Endspirale zu entwickeln, die deutlich einfacher und damit auch kostengünstiger herzustellen ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kreiselpumpe gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Kreiselpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass im Übergangsbereich vom letzten Stufengehäuse in den Druckstutzen des Mantelgehäuses ein spiralförmiger Strömungsraum zumindest teilweise unmittelbar durch die Innenkontur des Mantelgehäuses ausgebildet ist. Die Spiralkontur wird gerade nicht durch ein gesondertes Einsatzteil verwirklicht, sondern es wird stattdessen auf ohnehin vorhandene Bauteile zurückgegriffen. Die Spiralkontur wird jedoch nicht nur durch die Innenkontur des Mantelgehäuses im Übergangsbereich gebildet, sondern in Kombination mit einer angrenzenden Kontur des letzten Stufengehäuses und einer angrenzenden Kontur eines endseitig in das Mantelgehäuse eingesetzten Deckels. Die Endspirale setzt sich demnach aus mehreren, insbesondere aus wenigstens drei Bauteilen zusammen.
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Vor diesem Hintergrund kann auf einen separaten Spiraleinsatz, wie dies im Stand der Technik vorgesehen war, komplett verzichtet werden. Die Pumpe ist dadurch wesentlich einfacher und kostengünstiger herzustellen. Insbesondere soll die jeweilige Kontur der Bauteile durch übliche Bearbeitungsverfahren hergestellt sein. Die zusätzlichen Kosten sollen durch die einfache Herstellung gering gehalten werden.
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Zudem soll die Pumpe mit der mehrteiligen, insbesondere dreiteiligen Endspirale nicht größer bauen als ohne Endspirale, d.h. idealerweise vergrößert sich das Mantelgehäuse nicht gegenüber einer vergleichbaren Pumpe mit endseitigem Strömungsraum. Um dies zu erreichen wird der verfügbare Raum bei einer vergleichbaren Pumpe mit Strömungsraum als feste Voraussetzung für die Dimensionierung des Mantelgehäuses angenommen. In Abhängigkeit des vorgegebenen verfügbaren Bauraums des Mantelgehäuses wird dann versucht, den bestmöglichen spiralförmigen Strömungsbereich im Übergangsbereich durch Zusammenwirken der vorstehend genannten Bauteile zu realisieren. Gegebenenfalls wird dabei in Kauf genommen, dass die resultierende Spiralkontur strömungstechnisch nicht ideal ist, jedoch die Pumpe dafür nicht größer baut.
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Die Erfindung zielt also darauf ab, mit einer nicht idealen Spiralkontur eine maximale Wirkungsgradsteigerung der letzten Pumpenstufe zu erzielen. Da durch die Endspirale die Verlusthöhe der letzten Stufe erheblich reduziert werden kann, ist auch der Einfluss auf den Pumpengesamtwirkungsgrad markant.
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Bei der Herstellung der Innenkontur des Mantelgehäuses und insbesondere zur Optimierung der Spiralform kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Umlenkbauteil innerhalb des Mantelgehäuses nach der Bearbeitung der Innenkontur angeschweißt wird. Sinnvoll ist das Anschweißen eines entsprechenden Umlenkbauteils im Bereich des Pumpensporns der Endspirale. Im Idealfall ist dieses Umlenkbauteil das einzige zusätzliche Bauteil.
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Gemäß bevorzugter Ausführung zeichnet sich der geformte spiralförmige Strömungsraum dadurch aus, dass dieser sich zunächst ausgehend vom Sporn in Strömungsrichtung radial erweitert, insbesondere zunehmend, idealerweise stetig zunehmend erweitert. Bevorzugt ist es zudem, wenn der Strömungsbereich über diesen Umfang eine konstante axiale Ausdehnung aufweist. Theoretisch ist es jedoch auch denkbar, dass sich der Strömungsbereich in diesem Bereich ebenfalls axial erweitert.
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Gemäß weiterhin bevorzugter Ausführung bleibt die radiale Ausdehnung ab einem definierten Umfangswinkel konstant, wobei der Winkel in einem Bereich von etwa 45° bis etwa 135° liegt und bevorzugt einen Winkel von etwa 90° aufweist. Vorteilhaft ist es, wenn sich der Strömungsraum ab diesem Winkel axial erweitert.
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Besonders bevorzugt dienen die Kontur des endseitigen Deckels sowie die Kontur des letzten Stufengehäuses jeweils als seitliche Führungswand des gebildeten spiralförmigen Strömungsraums.
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Die Kreiselpumpe kann neben den ein oder mehreren Pumpen- oder Laufrädern der einzelnen Pumpenstufen auch ein oder mehrere Leiträder umfassen, wobei insbesondere pro Stufe ein Leitrad vorgesehen ist. Ferner ist wenigstens ein Leitrad im Übergangsbereich vom in Strömungsrichtung gesehenen letzten Stufengehäuse in den Druckstutzen angeordnet. Dadurch kann der Innendurchmesser des spiralförmigen Strömungsraums an den Leitradaußendurchmesser angepasst sein, d.h. diesem in etwa entsprechen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kreiselpumpe eine Speisepumpe, insbesondere eine Kesselspeisepumpe für ein Kraftwerk. Von der Erfindung ist damit auch die vorteilhafte Verwendung einer solchen Kreiselpumpe als Speise-, insbesondere Kesselspeisepumpe für ein Kraftwerk umfasst.
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Neben der Kreiselpumpe betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung auch ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe. Dieses geht initial von einer konventionellen Kreiselpumpenkonstruktion mit Mantelgehäuse und konventionellem Strömungsraum im Übergangsbereich des letzten Stufengehäuses zum Druckstutzen aus. Dies bedeutet, dass zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe eine nahezu identische Außendimensionierung des Mantelgehäuses angenommen wird. Ausgehend von dieser Vorgabe und den räumlichen Bedingungen im Übergangsbereich der letzten Pumpenstufe zum Druckstutzen wird nun zunächst eine 3D-Schablone, d.h. ein dreidimensionales Modell des gewünschten Spiralraumes erzeugt. Die Schablone wird dabei unter Berücksichtigung des maximal möglichen Strömungsraumdurchmessers sowie der verfügbaren Strömungsraumbreite erstellt. Bei der dreidimensionalen Schablone handelt es sich üblicherweise um eine digitale Schablone.
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Ist im betrachteten Übergangsbereich optional noch wenigstens ein Leitrad vorgesehen, so muss dessen Außendurchmesser für den Schablonenentwurf ebenso berücksichtigt werden, insbesondere wird der Innendurchmesser des gewünschten Spiralraumes an den Außendurchmesser des Leitrades angepasst.
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Die erzeugte Schablone dient nachfolgend als Vorlage für die Bearbeitung der Konturen der Bauteile zum Aufbau der Endspirale, d.h. für die maschinelle Bearbeitung der Innenkontur des Mantelgehäuses, der Kontur des letzten Stufengehäuses und der relevanten Kontur des Deckels.
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Denkbar ist es beispielsweise, dass für die maschinelle Bearbeitung der relevanten Bauteilkonturen eine programmierbare Bearbeitungsmaschine zum Einsatz kommt, die unter Berücksichtigung der Schablone die jeweilige Kontur mit dem passenden Werkzeug bearbeitet und abfährt. Besonders geeignet ist eine Fräsbearbeitung der jeweiligen Konturen, insbesondere mittels Walzenstirnfräser.
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Konkret ist es vorstellbar, dass die Innenkontur des Mantelgehäuses nach Vorlage der Schablone von innen mit einem Fräswerkzeug, dass über einen Winkelkopf von der Bearbeitungsmaschine aufgenommen ist, abgefahren wird, um die spiralförmige Kontur zu erzeugen.
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Ist es notwendig innerhalb des Mantelgehäuses wenigstens ein Umlenkbauteil anzubringen, insbesondere anzuschweißen, so wird auch dieses Bauteil zuvor nach Vorlage der Schablone erstellt, zum Beispiel durch Fräsen, Schleifen, Kaltumformung, Lasercusing usw.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen die
- 1 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Pumpe entlang der Pumpenwelle,
- 2a/2b zwei Schnittansichten durch das Mantelgehäuse im Übergangsbereich in den Druckstutzen,
- 3a/3b zwei Schnittdarstellungen durch die montierte erfindungsgemäße Pumpe im Übergangsbereich in den Druckstutzen,
- 4a/4b zwei Darstellungen des abgewickelten spiralförmigen Strömungsraums,
- 5a/5b eine Seiten- und Draufsicht der maßgeblichen Kontur des letzten Stufengehäuses und
- 6a/6b eine Drauf- und Seitenansicht der maßgeblichen Kontur des endseitigen Deckels.
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1 zeigt eine Kreiselpumpe mit einem Mantelgehäuse 1, das sowohl einen Saugstutzen 2 als auch einen Druckstutzen 3 aufweist. Das Mantelgehäuse 1 ist an seinem druckseitigen Ende durch einen Deckel 4 verschlossen, der über Verbindungsmittel 5 an dem Mantelgehäuse 1 befestigt, insbesondere verschraubt ist.
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Im Mantelgehäuse 1 ist ein Einschub angeordnet, der eine um eine Drehachse A drehbar angeordnete Welle 6 aufweist. Auf der Welle 6 sind mehrere Laufräder 7, 7' hintereinander angeordnet, wodurch die einzelnen, hier fünf Pumpenstufen gebildet werden. Jede Pumpenstufe weist ergänzend zusätzlich noch ein stationäres Leitrad 8 auf, wobei das in Strömungsrichtung gesehen letzte Leitrad mit dem Bezugszeichen 8' gekennzeichnet ist. Das dem Druckstutzen 3 nächste oder in Strömungsrichtung gesehen letzte Laufrad ist mit dem Bezugszeichen 7' markiert. Bei den Laufrädern 7, 7' handelt es sich im Ausführungsbeispiel um Radialräder. Alternativ können beispielsweise auch Halbaxialräder zur Anwendung kommen. Jedes Laufrad 7 ist von einem Stufengehäuse 9 umgeben. Benachbarte Stufengehäuse 9 grenzen aneinander an. Das dem Druckstutzen 3 nächste oder in Strömungsrichtung gesehen letzte Stufengehäuse ist mit dem Bezugszeichen 9' versehen und umgibt das in Strömungsrichtung gesehen vor dem letzten Laufrad 7' angeordnete Laufrad 7.
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In der 1 ist eine Endspirale 10 erkennbar, die sich im Übergangsbereich vom letzten Stufengehäuse 9' in den Druckstutzen 3 durch das Zusammenspiel der Innenkontur 11 des Mantelgehäuses 1 und der Konturen des Deckels 4 sowie des letzten Stufengehäuses 9' ergibt.
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Wie in den 2a, 2b gezeigt, wird erfindungsgemäß dazu die Innenkontur 11 des Mantelgehäuses 1 im Übergangsbereich zum Druckstutzen 3 maschinell per Fräsbearbeitung auf eine gewünschte Spiralkontur 12 gebracht. Die Spiralkontur 12 beginnt im Bereich nahe eines in der 2a gezeigten Sporns 13 am Druckstutzen 3 und sieht zu Beginn einen Bereich 14 vor, der eine über den Umfang ansteigende radiale Erweiterung eines verfügbaren Strömungsraums 15 aufweist, d.h. die Innenkontur 11 des Mantelgehäuses 1 sieht eine zunehmende Vertiefung der Innenkontur 11 mit konstanter Breite vor. Bei der gezeigten Ausführungsform nimmt die radiale Erweiterung bei einem Umfangswinkel α von etwa 25° bis zu einem Umfangswinkel α' von 90° zu. Bei alternativen Ausführungsformen kann sich die ansteigende radiale Erweiterung bis zu einem Umfangswinkel α' = 135° erstrecken.
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An den Bereich 14 schließt sich ein Bereich 16 der Spiralkontur 12 an, bei dem bei der gezeigten Ausführungsform ab dem Winkel α'~90° die radiale Erweiterung konstant bleibt und sich die Spiralkontur 12 stattdessen nur noch in axialer Richtung erweitert, bis die Spiralkontur 12 dann im Druckstutzen 3 mündet. Im Bereich des Sporns 13 ist der ursprüngliche Strömungsraum 15 in Radialrichtung durch eine Umlenkvorrichtung 17 verengt.
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Die 3a und 3b zeigen Schnittdarstellungen durch die montierte erfindungsgemäße Pumpe im Übergangsbereich in den Druckstutzen 3. Als eine Variante ist die Umlenkvorrichtung 17 als separates Bauteil ausgebildet und bildet den Sporn 13. Die Umlenkvorrichtung 17 ist im Bereich des Druckstutzens 3 an das Mantelgehäuse 1 angeschweißt.
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Beispielhafte Abwicklungen der Spiralkontur 12 sind den Darstellungen der 4a und 4b zu entnehmen.
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4a zeigt in durchgezogenen Linien, dass der Bereich 14 und der Bereich 16 der Spiralkontur 12 mittig bzw. symmetrisch mit dem Druckstutzen 3 ausgerichtet ist. Eine in gestrichelten Linien dargestellte Spiralkontur 12' bzw. eine in eine Strichpunktlinie dargestellte Spiralkontur 12'' zeigen weitere Varianten, bei denen der Bereich 14' bzw. 14'' außermittig bzw. asymmetrisch mit dem Druckstutzen 3 ausgerichtet sind. Dementsprechend sind die Bereiche 16' und 16'' außermittig bzw. asymmetrisch mit dem Druckstutzen 3 ausgerichtet.
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Der 4b ist zu entnehmen, dass die Länge des Bereichs 14 der Spiralkontur 12 variieren kann. Eine mit Strichpunktlinie dargestellte Spiralkontur 12''' weist einen verlängerten Bereich 14''' auf, wobei der Bereich 16''' verkürzt ausgebildet ist. Es versteht sich von selbst, dass die in der 4b gezeigte Längenvarianz auch auf die Ausführungsformen der 4a anwendbar ist.
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Die 5a, 5b zeigen eine Teildarstellung des letzten Stufengehäuses 9' im Bereich einer bearbeiteten Kontur 18, die im montierten Pumpenzustand eine Führungswand der gebildeten Endspirale 10 formt.
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Der Deckel 4 mit einer maßgeblichen Kontur 19 zur Bildung der gegenüberliegenden Führungswand ist den Darstellungen der 6a, 6b zu entnehmen.
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Die mehrteilige, hier dreiteilig ausgeführte Endspirale 10 nutzt einen großen Teil (ca. 80%) des möglichen Verlusthöhengewinns einer Endspiralenkontur aus, ohne dabei die ideale Spiralkontur zu realisieren. Die Pumpe muss dadurch nicht größer gebaut werden. Gerade bei mehrstufigen Speisepumpen in Mantelgehäusebauweise kann dabei ein hoher Wirkungsgradgewinn erreicht werden. Je geringer die Stufenzahl, desto größer der Wirkungsgradgewinn. Die neue Bauform erlaubt es, auch bei Speisepumpen mit radial kleiner bauenden Leiträdern 8' eine Endspirale 10 zu integrieren, ohne die Pumpe dabei größer bauen zu müssen.
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Für die Herstellung der gezeigten Pumpe wird zunächst im CAD eine 3D-Spiralkontur entsprechend dem vorhandenen Leitradaußendurchmesser und dem maximal möglichen Strömungsraumdurchmesser und der Strömungsraumbreite im Mantelgehäuse 1 erstellt. Die Abmessung für den Strömungsraum entspricht den Vorgaben für die Ausführung der Pumpe ohne Spiralkontur. Dadurch baut die resultierende Pumpe mit Spiralkontur nicht größer.
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Die axiale Position zwischen dem Leitradaustritt und der Druckstutzenmitte kann bei der Erstellung der 3D-Schablone frei gewählt werden. Die generierte dreidimensionale Spiralkontur dient als Schablone für die Konstruktion der drei Bauteile, d.h. dem Mantelgehäuse 1, dem Stufengehäuse 9' und dem druckseitigen Deckel 4, die im montierten Zustand den spiralförmigen Strömungsraum 15 bilden. Die Bauteile bzw. die jeweiligen Konturen 11, 18 und 19 lassen sich mittels eines Walzenstirnfräsers herstellen. Zur Bearbeitung der Innenkontur 11 des Mantelgehäuses 1 wird eine programmierbare Bearbeitungsmaschine eingesetzt, mit der über einen Winkelkopf, in dem der Fräser aufgenommen wird, die dreidimensionale Spiralkontur 12 von innen nach Vorgabe der Schablone abgefahren wird.
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Auch für die Herstellung der seitlichen Führungswände, d.h. die Bearbeitung der Kontur 19 des druckseitigen Deckels 4 sowie der Kontur 18 des letzten Stufengehäuses 9' wird die dreidimensionale Schablone der Spiralkontur 12 verwendet. Nach der Bearbeitung des Mantelgehäuses 1, d.h. dem Erstellen der Spiralkontur 12, muss zusätzlich die Umlenkvorrichtung 17 eingeschweißt werden. Auch diese Umlenkvorrichtung 17 wird zuvor mithilfe der dreidimensionalen Schablone konstruiert.
