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Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpenanordnung mit einem eine Einlassöffnung zum Ansaugen eines Fördermediums und eine Auslassöffnung zum Ausstoßen des Fördermediums aufweisenden Hydraulikgehäuse, wobei in der Einlassöffnung wenigstens zwei Einlaufrippen mit einem dem in die Einlassöffnung strömenden Förderstrom zugewandten Ende und einem dem Förderstrom abgewandten Ende vorgesehen sind.
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Häufig werden Gehäuse oder Zuströmpartien von Kreiselpumpen mit sogenannten Einlaufrippen ausgestattet. Deren Aufgabe liegt einerseits in einer Reduzierung des sogenannten Vordrall- oder Teillastwirbels, andererseits soll eine annähernd axiale Anströmung sichergestellt werden. Ein Vorteil, der damit einhergeht, liegt in einer stabilen Ausprägung der Förderhöhenkennlinien. Instabilitäten werden bei Teillast und Überlast nahezu komplett unterbunden. Des Weiteren wird einem Kennlinienabriss bei überproportional großen Volumenströmen entgegengewirkt, wodurch der Einsatzbereich der Pumpe vergrößert wird. Zielführend hierfür ist eine relativ breite Geometrie der Einlaufrippen mit ausgeprägten Rundungen an der Oberseite.
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Entscheidend für eine sachgemäße Funktion der Einlaufrippen ist eine geeignete Wahl von Rippengröße, Rippengeometrie und Rippenanzahl. Bei einem Einlauf- bzw. Saugflanschdurchmesser bis Nennweite DN100 werden zwei gegenüberliegende Rippen verwendet. Bei größeren Nennweiten greift man üblicherweise auf drei Rippen zurück, die um 120° versetzt angeordnet sind.
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Einlaufrippen üben außerdem einen erheblichen Einfluss auf das Kavitationsverhalten des Laufrades aus und beeinflussen somit den NPSH-Wert maßgeblich. Von daher sind sowohl die Anzahl, als auch die geometrische Ausgestaltung, sowie die strömungsgünstige Profilgebung dieser Rippen von großer Bedeutung, da ansonsten ungünstige NPSH-Werte die Folge sind.
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Die
US 4073595 A beschreibt ein Verfahren zur Verschiebung des Bereichs des niedrigsten NPSH-Wertes in die Nähe des Betriebspunktes. Eine grundsätzliche Verbesserung des NPSH-Wertes wird hier nicht angestrebt.
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Die
DE 1 161 481 B beschreibt eine Einrichtung zur Stabilisierung der Charakteristik (VH-Kennlinie) von Kreiselradarbeitsmaschinen, bei denen der Zulauf mit einer zusätzlichen Rippe versehen ist, um so das Teillastbetriebsverhalten zu verbessern und die Teillast-Kennlinieninstabilität zu reduzieren. Vordergründiges Ziel ist nicht die Verbesserung des NPSH-Wertes.
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Die
US 2219390 A beschreibt ein Laufrad, das in ein Gehäuse mit Einlaufrippen montiert wird, wobei die Einlaufrippen keine besondere Ausprägung hinsichtlich einer NPSH-Optimierung aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, für Einlaufrippen eine NPSH-günstige Lösung zu entwickeln, die bei einfachster fertigungstechnischer Herstellung die zuvor genannten Nachteile und Risiken vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass sich das Dickenprofil der wenigstens zwei Einlaufrippen von dem dem Förderstrom zugewandten Ende zu dem dem Förderstrom abgewandten Ende hin verändert.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, dass sowohl Anzahl und Position der Einlaufrippen, als auch deren ursprüngliche Dimension in Bezug auf Länge und Höhe beibehalten werden können. Dadurch werden die zuvor beschriebenen Vorteile in Bezug auf Vordrall- und Teillastwirbel weiterhin sichergestellt. Lediglich die Ausgestaltung der Rippendicke muss angepasst werden.
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Besonders vorteilhaft ist dabei die Tatsache, dass eine entsprechende Anpassung und Modifikation der Rippendicke sowohl bei Neukonstruktionen, als auch nachträglich bei Einlaufrippen von bereits existierenden Pumpengehäusen durchgeführt werden kann.
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Die Ausgestaltung der Rippendicke und die Optimierung des Dickenprofils resultieren in einem ansaugtechnisch optimierten Profil, das eine Kavitation am Rippenanfang vermeidet und zum Anliegen des Saugstromes an der Einlaufrippe führt. Hierdurch wird dem angesaugten Flüssigkeitsstrom weniger Energie entzogen, die sich ansonsten in Kavitation umsetzen würde, nun aber im Medium verbleibt. Durch Unterbinden der Kavitation, sowie der zugehörigen Kavitationsblasen wird einer starken Verengung des nutzbaren Strömungsquerschnittes vorgebeugt. Zusätzlich wird auch eine erhöhte Zulaufgeschwindigkeit mit gleichlaufendem statischen Druckabfall vermieden. Resultat ist eine verbesserte Ansaugfähigkeit der Pumpe.
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Dies unterstützt auch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der sich das Dickenprofil der Einlaufrippen vom Rippenanfang zum Rippenende hin verändert und zwar in Form eines Fischbauchprofils, um so das Anliegen des Saugstromes an der Einlaufrippe zu verbessern. Dabei nimmt ausgehend von dem dem Förderstrom zugewandten Ende die Dicke der Einlaufrippe entlang einer Skelettlinie bis zu einer definierten relativen Länge des Profils parabelförmig zu und von dort zu dem dem Förderstrom abgewandten Ende wieder ab.
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Eine solche Geometrie lässt sich beispielsweise im Gießprozess abbilden. Ebenso können die Einlaufrippen zwecks Erreichung der erforderlichen Geometrie mechanisch bearbeitet werden.
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In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist der Rippenanfang gerundet ausgeführt, um so das Auftreten von Rippenkavitation am Rippenanfang zu vermeiden bzw. zu minimieren.
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In einer weiteren Variante der Erfindung ist das Rippenende mit einem möglichst kleinen Radius ausgeführt, um so dem Fischbauchprofil bestmöglich Rechnung zu tragen und die Abströmung des Fluids zu verbessern.
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Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine scharfkantige Ausführung des Rippenendes erwiesen.
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Vorteilhafterweise erreicht die relative Profildicke bei einer relativen Profillänge von 0,25 einen Wert von 0,060.
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Das Dickenprofil der Einlaufrippen darf konstant über die gesamte Länge der Einlaufrippen um einen bestimmten Dickenfaktor vom Ideal-Dickenprofil der Einlaufrippen abweichen. Der Dickenfaktor berechnet sich dabei wie folgt: 1 +(Dickenabweichung des Profils für NPSH-Einlaufrippe in % / 100%).
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Dies ermöglicht u.a. eine nachträgliche NPSH-Verbesserung bei Pumpen, die sich bereits im Einsatz befinden, indem an vorhandenen, noch nicht profilierten Einlaufrippen manuell nachgearbeitet wird.
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Als besonders vorteilhaft hat sich dabei in Untersuchungen und Testläufen ein Dickenfaktor von maximal 1,3 erwiesen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst, wonach die Einlaufrippen mit dem Guss des Hydraulikgehäuses und/oder mittels generativer Fertigung hergestellt werden und/oder nachträglich durch Schweißen und/oder eine andere Befestigungsmethode am Hydraulikgehäuse angebracht werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung einer Kreiselpumpenanordnung,
- 2 ein Hydraulikgehäuse mit profilierten Einlaufrippen,
- 3 eine schematische Darstellung des Ideal-Profils der Einlaufrippe bei Kreiselpumpen.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer beispielhaften Pumpenanordnung in Form einer Kreiselpumpe mit einem Gehäuse 1. Das Gehäuse 1 umfasst ein Hydraulikgehäuse 2, einen Gehäusedeckel 3 und einen Lagerträger 4. Das Hydraulikgehäuse 2 weist eine Einlassöffnung 5 zum Ansaugen eines Fördermediums und eine Auslassöffnung 6 zum Ausstoßen des Fördermediums auf. Im Bereich der Einlassöffnung 5 sind wenigstens zwei Einlaufrippen 7 vorgesehen.
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Eine Welle 8 erstreckt sich von einer durch Hydraulikgehäuse 2 und Gehäusedeckel 3 begrenzten Strömungskammer 9 durch den Gehäusedeckel 3 sowie durch den Lagerträger 4, welcher an dem Gehäusedeckel 3 an der der Strömungskammer 9 abgewandten Seite befestigt ist. In dem Lagerträger 4 ist ein dem Gehäusedeckel 3 nahe angeordnetes erstes Lager 10 und ein dem Gehäusedeckel 3 fernes zweites Lager 11 vorgesehen, welche die Welle 8 lagern. Die Welle 8 weist eine sich in axialer Richtung erstreckende Drehachse A auf und trägt an einem ersten Ende 12 ein Laufrad 13, das sich zusammen mit der Welle 8 um die Drehachse A dreht. Das Laufrad 13 befindet sich in der durch Hydraulikgehäuse 2 und Gehäusedeckel 3 begrenzten Strömungskammer 9.
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Ein dem ersten Ende 12 gegenüberliegendes zweites Ende 14 der Welle 8 erstreckt sich aus dem Lagerträger 4. Zum Antreiben der Welle 8 ist an dem sich aus dem Lagerträger 4 erstreckenden freien Ende 14 ein nicht dargestellter Motor vorgesehen, der die Welle 8 um die Drehachse A drehbar antreibt.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Laufrad 13 als Radiallaufrad ausgeführt.
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In 1 ist die beispielhafte Ausführungsform einer einstufigen Kreiselpumpe dargestellt, es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch bei mehrstufigen Kreiselpumpen zur Anwendung kommen kann.
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2 zeigt das Hydraulikgehäuse 2 mit zwei erfindungsgemäß profilierten Einlaufrippen 7 mit einem dem in die Einlassöffnung 5 strömenden Förderstrom Fs zugewandten Ende 15 und einem dem Förderstrom abgewandten Ende 16.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Dickenprofils 17 der erfindungsgemäßen Einlaufrippe 7 von dem dem Förderstrom Fs zugewandten Ende 15 entlang einer Skelettlinie X bis zu einem dem Förderstrom abgewandten Ende 16. Die Skelettlinie X verläuft im Wesentlichen parallel zur Drehachse A.
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Ausgehend von dem dem Förderstrom Fs zugewandten Ende 15 nimmt entlang der Skelettlinie X die Dicke der Einlaufrippe 7 bis zu einer definierten relativen Länge des Profils parabelförmig zu und danach zu dem dem Förderstrom Fs abgewandten Ende 16 wieder ab.
Dabei erreicht die relative Profildicke bei einer relativen Profillänge von 0,01 einen Wert von 0,016,
bei einer relativen Profillänge von 0,025 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,027,
bei einer relativen Profillänge von 0,05 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,035,
bei einer relativen Profillänge von 0,1 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,048,
bei einer relativen Profillänge von 0,15 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,054,
bei einer relativen Profillänge von 0,2 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,059,
bei einer relativen Profillänge von 0,25 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,060,
bei einer relativen Profillänge von 0,3 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,058,
bei einer relativen Profillänge von 0,4 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,055,
bei einer relativen Profillänge von 0,5 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,051,
bei einer relativen Profillänge von 0,6 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,046,
bei einer relativen Profillänge von 0,7 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,037,
bei einer relativen Profillänge von 0,8 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,027,
bei einer relativen Profillänge von 0,9 erreicht die relative Profildicke einen Wert von 0,014.
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Dadurch ergibt sich, dass das Dickenprofil 17 der Einlaufrippe 7 einen gerundet ausgeführten Rippenanfang und ein Rippenende mit einem möglichst kleinen Radius aufweist.
Vorzugsweise ist das Rippenende scharfkantig ausgeführt. Dadurch weist die Einlaufrippe 7 ein typisches Fischbauchprofil auf.
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Ein derartig optimiertes Profil hilft eine Kavitation am Rippenanfang zu vermeiden und sorgt für ein Anliegen des Fluidstromes an der Einlaufrippe 7. Hierdurch wird dem angesaugten Flüssigkeitsstrom Fs weniger Energie entzogen, die sich ansonsten in Kavitation umsetzen würde, nun aber im Medium verbleibt. Durch Unterbinden der Kavitation, sowie der zugehörigen Kavitationsblasen wird einer starken Verengung des nutzbaren Strömungsquerschnittes vorgebeugt. Zusätzlich wird auch eine erhöhte Zulaufgeschwindigkeit mit gleichlaufendem statischen Druckabfall vermieden. Resultat ist eine verbesserte Ansaugfähigkeit der Pumpe.
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Die Einlaufrippen 7 können beispielsweise mit dem Guss des Hydraulikgehäuses 2 und/oder mittels generativer Fertigung hergestellt werden. Die Einlaufrippen 7 können aber auch nachträglich durch Schweißen oder eine andere Befestigungsmethode am Hydraulikgehäuses 2 angebracht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4073595 A [0005]
- DE 1161481 B [0006]
- US 2219390 A [0007]
