-
Die Erfindung betrifft ein geschlossenes Kreiselpumpenkanallaufrad für Flüssigkeiten mit abrasiven oder erosiven Beimengungen bestehend aus einer Trag- und einer Deckscheibe sowie ein oder mehreren dazwischen angeordneten Schaufeln...
-
Für Fördermedien mit verschleißfördernden Bestandteilen werden in Abhängigkeit von den Förderparametern vielfach Kreiselpumpen eingesetzt. Verschleiß tritt vorwiegend an den strömungsberührten Bauteilen der Pumpe auf. Dazu zählen insbesondere das Laufrad, ein etwaiges Leitrad, das Pumpengehäuse mit Anbauteilen und Gehäusedeckeln aber auch die Wellendichtung.
-
Der Verschleiß bzw. die Material-Abtragsrate hängt stark von der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit ab. Gerade das Pumpenlaufrad ist davon besonders stark betroffen, denn bei der Umströmung der Laufradschaufeln treten besonders hohe Geschwindigkeiten auf. Um eine wirtschaftliche Lebensdauer der betroffenen Teile zu erreichen, gibt es mehrere Vorgehensweisen. Eine Möglichkeit ist die Beschichtung der betroffenen Oberflächen mit Elastomeren wie Gummi oder Polyurethan geringer Härte. Die Elastomer-Beschichtung nimmt die Aufprallenergie der im Fördermedium enthaltenen Feststoffpartikel auf, wodurch diese die Bauteile nicht oder weniger schädigen.
-
Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Bauteilwerkstoffen, deren Härte größer als die Härte der im Fördermedium enthaltenen Feststoffe ist. Als Werkstoffe mit großer Härte kommen sowohl metallische als auch nichtmetallische Materialien in Betracht. Die Pumpenbauteile, insbesondere das Laufrad, werden im Wesentlichen durch Urformprozesse hergestellt. Hierzu werden Bauteile aus legierten Stählen mittels herkömmlicher Gießereiprozesse erstellt und mechanisch nachbearbeitet. Der vorbeschriebene Prozess zur Bauteilherstellung ist vergleichsweise teuer, die Mehrkosten ergeben sich hauptsächlich durch den energieintensiven Gießprozess, aber auch durch die metallischen Legierungsbestandteile.
-
Ein Ansatz zur Kostenoptimierung bei gleichen Eigenschaften ist die Verwendung von Polymeren mit verschleißbeständigen eingelagerten Partikeln. Üblicherweise werden dafür feinkörnige Siliziumkarbide (SiC) eingesetzt, die in einer Polymermatrix eingelagert werden. Obwohl die eingelagerten Siliziumkarbid-Partikel die im Fördermedium enthaltenen Partikel an Härte übertreffen, tritt Verschleiß durch Auswaschung der Polymermatrix zwischen den eingelagerten Partikeln auf. Über einen längeren Zeitraum werden die eingelagerten Siliziumkarbid-Bestandteile abgetragen.
-
Ein besonders verschleißkritischer Ort ist die Eintrittskanten des Laufrades. Während der Laufzeit kann der Verschleiß hier soweit fortschreiten, dass die Laufradschaufeln weitgehend abgetragen werden. Bei Laufrädern ohne saugseitige Deckscheibe kann das zu einem Zusammenbruch der Förderleistung führen. Bei Laufrädern mit saugseitiger Deckscheibe kann sich die Deckscheibe ablösen, was zu einer vollständigen Zerstörung zumindest des Laufrades führt.
-
Laufräder aus Polymer mit Siliziumkarbid-Einlagerungen sind von dieser Art der Zerstörung besonders betroffen, da sowohl die Zugfestigkeit als auch die Bruchfestigkeit von Kunststoffen mit Siliziumkarbideinlagerungen wesentlich geringer sind als die einer Stahllegierung. So kann schon vergleichsweise geringer Verschleiß zu einem Totalausfall des Laufrades führen.
-
Die Anmeldung setzt sich mit der vorstehenden Problematik auseinander und versucht Lösungsansätze aufzuzeigen, die den Materialverschleiß durch eine optimierte Konstruktion des Laufrades reduzieren können.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Laufrad gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Laufrades sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Ziel der Erfindung ist es, durch gezielte Formgebung der Laufrad-Eintrittskante den Verschleiß derselben zu minimieren und zu verzögern, so dass die Lebensdauer des Laufrades gesteigert wird. Erfindungsgemäß wird dies durch eine spezielle Profilierung wenigstens einer der Laufradeintrittskanten erreicht. Vornehmlich geht es darum, die Empfindlichkeit der Eintrittskante gegen Fehlanströmung zu verringern und den Geschwindigkeitsgradienten bei der Umströmung der Eintrittskante von der Druckseite zur Saugseite bei teillastigen Betriebspunkten zu vermindern.
-
Die Saug- und Druckseite der Schaufel entsteht durch Auflegen der Schaufelprofilierung mit einer Schaufeldicke sd auf die Druckseite und mit der Schaufeldicke ss auf die Saugseite auf eine vorhandene Skelettfläche, wodurch sich eine Gesamtschaufeldicke ergibt. Ausgangspunkt dafür sind Skizzen für die Profilierung an der Tragscheibe (Nabe, druckseitige Deckscheibe) und an der Deckscheibe (saugseitige Deckscheibe). Erfindungsgemäß wird konkret vorgeschlagen, dass wenigstens eine Schaufel im Schnittstellenbereich zur Trag- und/oder Deckscheibe eine mit Bezug zur Skelettlinie asymmetrische Schaufelprofilform aufweist. Die Asymmetrie wird durch Auflegen einer unterschiedlichen Schaufeldicke/Profildicke auf die Druck- und Saugseite erreicht, mit anderen Worten fällt die Dicke des Schaufelprofils von der Skelettlinie bis zum saugseitigen bzw. druckseitigen Rand der Schaufel unterschiedlich aus, so dass bezüglich der Skelettlinie als Symmetrielinie zumindest für Teilbereiche über die Schaufellänge, d.h. in Richtung von der Eintritts- zur Austrittskante, eine Asymmetrie vorliegt.
-
Das Kanalrad ist aus einem gießbaren oder auf andere Weise urformbaren Werkstoff, bspw. Stahl oder Mineralguß, hergestellt. Ebenso kann das Laufrad aus Polymeren mit verschleißbeständigen eingelagerten Partikeln, bspw. feinkörnige Siliziumkarbide (SiC) hergestellt sein.
-
Besonders bevorzugt ist es, wenn die saugseitige Schaufel-/Profildicke größer ist als die druckseitige Schaufel-/Profildicke. Bevorzugt erstreckt sich die asymmetrische Schaufeldicke von Saug- und Druckseite nur über einen begrenzten Bereich der Schaufellänge, es entsteht quasi eine bereichsweise Verdickung des Schaufelprofils an seiner Saugseite. Bevorzugt ist eine solche Verdickung bei einer relativen Schaufellänge von 10%-50% ausgehend von der Eintrittskante vorgesehen. Besonders bevorzugt ist der größte Dickenunterschied im Bereich von 5%-15% der relativen Schaufellänge, idealerweise bei etwa 10% der relativen Schaufellänge vorgesehen.
-
Denkbar ist es ebenfalls, dass die Profildicke im Bereich der saugseitigen Verdickung an der Schnittstelle zur Tragscheibe um 20% bis 40% höher ist als die Profildicke im Bereich der Austrittskante der Saugseite.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst die vorgenannte Asymmetrie bzw. Verdickung ein Größenverhältnis der saugseitigen zur druckseitigen Profildicke von mindestens 1.3-1,8 auf. Bei einer vorliegenden Verdickung an der Saugseite der Schaufel nimmt das Größenverhältnis bspw. ausgehend von der Eintrittskante zu bis ein Maximalwert im vorgenannten Bereich zwischen 1.3-1.8 erreicht wird. Anschließend nimmt das Größenverhältnis in Richtung der Austrittskante wieder ab. Sinnvoll kann sein, dass bei einer relativen Schaufellänge von etwa 20%-30%, insbesondere bei etwa 25% noch ein Größenverhältnis von mindestens 1,3, vorzugsweise mindestens 1,4 vorliegt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Form der Laufrad-Eintrittskante elliptisch profiliert. Insbesondere ist die Profilform der Eintrittskante durch zwei im Eintrittskantenpunkt tangential ineinander übergehende Teilellipsen mit einem Ellipsenwinkel von mindestens 90° bis maximal 180° gebildet. Bspw. zeigt die Eintrittskante eine Viertel-Ellipsenform im Übergang zur Druckseite, die sich dann durch eine konstante Profilbreite bis zur Austrittskante auszeichnet. Der Übergang vom Eintrittskantenpunkt zur Saugseite wird durch eine Ellipse mit einem Ellipsenwinkel größer 90° gebildet, so dass die Ellipsenform die abschnittsweise Verdickung formt, um dann auf eine konstant bleibende Profildicke bis zur Austrittskante abzufallen. Dies hat den Vorteil, dass der Übergang von der größten saugseitigen Profildicke auf eine in Richtung der Laufrad-Austrittskante nahezu konstant bleibende Profildicke durch eine knickfreie Kurve (Ellipsenwinkel > 90°) gebildet ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform kann der Eintrittskantenpunkt von der Skelettlinie bzw. Skelettfläche der Schaufel in Richtung der Druckseite oder aber in Richtung der Saugseite verschoben sein.
-
Die asymmetrische Schaufelprofilform, insbesondere die vorgenannte saugseitige Verdickung kann sich von der Tragscheibe bis zur Deckscheibe erstrecken. Vorstellbar ist aber auch eine zwischen Trag- und Deckscheibe verändernde Profilform. So besteht bspw. die Möglichkeit, dass eine asymmetrische Schaufelprofilform nur im Schnittstellenbereich zur Tragscheibe vorgesehen ist. Im Schnittstellenbereich zur Deckscheibe existiert stattdessen eine zur Skelettlinie symmetrische Profilform. Unabhängig ob symmetrische oder asymmetrische Profilform kann das Eintrittskantenprofil durch zwei Viertelellipsen gebildet sein, die am dortigen Eintrittskantenpunkt tangential ineinander übergehen.
-
Ändert sich die Profilform zwischen Trag- und Deckscheibe, so ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der Gesamtprofildicke der Schaufel im Bereich von Trag- und Deckscheibe bei einem gemeinsamen Radialstrahl ab einer relativen Schaufellänge von 8%-12% ein Verhältnis von 1,08 bis 1,12 aufweist.
-
Neben dem erfindungsgemäßen Laufrad betrifft die Erfindung ebenso eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad gemäß der Erfindung. Für die Pumpe ergeben sich folglich dieselben Vorteile und Einzelheiten wie sie bereits vorstehend anhand des Laufrades erläutert wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird daher verzichtet und stattdessen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten sollen nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Ansicht auf die Saugseite des erfindungsgemäßen Kanalrades,
- 2: eine Detaildarstellung der erfindungsgemäßen Schaufelform
- 3: eine Profildarstellung der Laufradschaufel gemäß 2 im Bereich ihres Übergangs zur Tragscheibe,
- 4a,b: eine modifizierte Ausführung gemäß 3 und
- 5a,b: Profildarstellung der Schaufel im Bereich der Deckscheibe.
-
1 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kreiselpumpenkanallaufrades. Das Laufrad ist als geschlossenes Kanallaufrad mit einer Deckscheibe 1 sowie einer Tragscheibe 2 ausgeführt. Zwischen Trag- und Deckscheibe erstrecken sich mehrere Schaufeln 3. Die Schaufeln 3 werden in Strömungsrichtung durch ihre Eintrittskante (Saugkante) 3a und ihre Austrittskante (Druckkante) 3b begrenzt. Quer zur Strömungsrichtung erfolgt die Begrenzung durch die Deck- und Tragscheibe 1, 2. Das Kanalrad ist aus einem gießbaren oder auf andere Weise urformbaren Werkstoff, wie bspw. Stahl oder Mineralguß hergestellt. Ebenso kann das Laufrad aus Polymeren mit verschleißbeständigen eingelagerten Partikeln, bspw. feinkörnige Siliziumkarbide (SiC) bestehen. Das Laufrad dient primär zur Förderung von Flüssigkeiten mit abrasiven oder erosiven Beimengungen.
-
Erfindungsgemäß wird die Verschleißbeständigkeit des Laufrades und damit dessen erreichbare Laufzeitleistung durch eine spezielle Profilierung der Laufradeintrittskanten 3a optimiert. Durch die neuartige Profilierung kann die Empfindlichkeit der Eintrittskanten gegen Fehlanströmung verringert werden, indem der Geschwindigkeitsgradient der sich ergebenden fluiden Umströmung der Eintrittskanten 3a von der Druckseite B zur Saugseite A bei teillastigen Betriebspunkten vermindert wird. Die Saug- und Druckseite der Schaufel 3 entsteht durch Auflegen der Schaufelprofilierung auf eine vorhandene Skelettfläche 5 mit der Schaufeldicke sd auf die Druckseite B und der Schaufeldicke ss auf der Saugseite A. Es ergibt sich eine Gesamtschaufeldicke von s, die in Schaufellängenrichtung variiert. Ersichtlich ist dies in den 2, 3, wobei 3 hier die Profilform der Schaufel 3 im Bereich der Tragscheibe 2 zeigt.
-
Konkret wird die Eintrittskante 3a der Schaufel 3 auf der Druckseite B als Viertel-Ellipse, d.h. mit einem Ellipsenwinkel αB=90° ausgeführt. Die Lauflänge der druckseitigen Profilierung wird hier als Xed bezeichnet. Zusätzlich wird das Schaufelprofil auf der Saugseite A auf einer Länge von X auf ein Maß Y im Verhältnis zur Schaufeldicke der Eintrittskante 3a verdickt. Dabei erreicht die saugseitige Verdickung ihre größte Profildicke bei einer Länge von Xes von der Eintrittskante 3a aus gesehen. Ab dem Punkt Xes nimmt die Profildicke ss in Richtung der Austrittskante 3b in Form einer knickfreien Kurve ab, bis die bis zur Austrittskante konstant bleibende Profildicke ss erreicht ist. Die Profilform vom Eintrittskantenpunkt 3c bis zur größten Dicke im Punkt Xes und bis zum Punkt der konstant bleibenden Profildicke lässt sich ebenfalls als Teilellipse beschreiben mit einem Ellipsenwinkel von αA.
-
Die beiden Ellipsen der Druckseite B und der Saugseite A gehen an der Eintrittskante 3a im Eintrittskantenpunkt 3c tangential ineinander über.
-
Eine leicht modifizierte Ausführung ist der 4a zu entnehmen, die ebenfalls das Schaufelprofil im Bereich der Tragscheibe 2 zeigt. Hier ist der Eintrittskantenpunkt 3c zur Saugseite A um den Betrag yes von der Skelettfläche 5 in Richtung Saugseite A verschoben. Ebenso ist eine Verschiebung des Eintrittskantenpunktes 3c um den Betrag yed in Richtung Druckseite B möglich, wie dies in 4b gezeigt ist.
-
Die besagte Verdickung gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen kann sich von der Tragscheibe 2 bis zur Deckscheibe 1 erstrecken. In einer anderen Ausführungsform wird diese Verdickung nur an der Tragscheibe 2 angeordnet. Das Profil an der Deckscheibe 1 besteht ebenfalls aus zwei Viertelellipsen, die an der Eintrittskante tangential ineinander übergehen. Dabei kann der Übergangspunkt 3c an der Eintrittskante 3a über- (siehe 5b) oder unterhalb (siehe 5a) der Mitte 10 des Schaufelprofils liegen, wodurch sich ein asymmetrisches Profil der Eintrittskante 3a ergibt.
-
Das Materialdickenverhältnis zwischen der Trag- und der Deckscheibe 2, 1 kann ab einer relativen Schaufellänge von 10 % ein Verhältnis von 1,08 - 1, 12 aufweisen, wobei die maximale Schaufeldicke auf der Tragscheibe 2 bei einer relativen Schaufellänge von 0,25 mindestens ein Verhältnis von 1,425 aufweist. Die maximale Schaufeldicke auf der Tragscheibe 2 wird saugseitig bei 10 % der Länge der Skelettlinie 10 erreicht. Die Schaufelstärke der saugseitigen Verdickung ist 20% - 45% höher als die Schaufeldicke im Austrittsbereich dieses Stromfadens.
-
Ebenso ist es denkbar, dass die Profilverdickung wie oben für die Tragscheibe 2 beschrieben nur an dem Profil der Deckscheibe 1 angeordnet wird, während das Profil an der Tragscheibe 2 so wie vorher für die Deckscheibe 1 beschrieben ausgeführt wird.
-
Die Profilierungen an Trag- und Deckscheibe 2, 1 können die gleichen geometrischen Parameter haben. Werden die Profilierungen jedoch an Trag - und Deckscheibe 2, 1 unterschiedlich - so wie oben beschrieben - ausgeführt, dann sollen die Profile über der Schaufelhöhe gleichmäßig ineinander übergehen.
-
Mit der erfindungsgemäßen räumlichen Profilierung der Laufradschaufeln wird eine Kavitationsminimierung durch Schubspannungsminimierung auf der Schaufeloberflache erreicht, die bei Laufrädern aus Polymerguss mit Siliziumkarbid den Oberflachenverschleiß erheblich reduziert. Ebenso werden Ablösungen im Auslegungsbereich vermieden, die die Energieumsetzung negativ beeinflussen. Die spezielle Profilierung erniedrigt den Verschleiß durch Abrasion und Kavitationserosion und erhöht gleichermaßen den Energieumsatz und somit den Wirkungsgrad eines solchen Laufrades.
