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Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einer Schaufelanordnung, wobei die Schaufelanordnung eine Trägereinheit aufweist, auf der Schaufeln angeordnet sind.
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Ein zentrales Bauteil einer Kreiselpumpe ist das Laufrad, das die mechanische Energie als Impuls an das zu fördernde Fluid überträgt. Die Laufradform bestimmt, wie die Strömung aus der Pumpe austritt. Hinsichtlich der Bauform des Laufrades werden geschlossene, halboffene und offene Formen unterschieden bzw. Formen mit einer und ohne eine Deck- und Tragscheibe. Bei einem geschlossenen Laufrad wird die Laufradschaufel auf beiden Seiten mit je einer Scheibe verbunden. Nach dem Verlauf der Flusslinien im Laufrad kann die Einteilung der Laufräder in verschiedene Laufradformen erfolgen. Man unterscheidet Radialrad, Halbaxialrad, Axialrad und Peripheralrad.
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Oft verfügen Kreiselpumpen auch über Leiteinrichtungen. Leiteinrichtungen weisen meist Leitschaufeln auf und bilden zwischen zwei Leitschaufeln Leitkanäle für das Fördermedium aus. Solche Leiteinrichtungen können als Leiträder ausgeführt sein. Aus dem Laufrad austretendes Fördermedium tritt in die Leiteinrichtung ein. In der Leiteinrichtung wird kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt. Weiterhin findet eine Umlenkung des Mediums statt. Der Drall wird gegebenenfalls für eine Zuströmung in ein folgendes Laufrad reduziert.
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Die Schaufeln einer Kreiselpumpe sind fest oder einstellbar mit dem Laufrad verbunden und das wichtigste Bauelement zur Übertragung mechanischer Leistung in Förderleistung bzw. zur Umsetzung von Geschwindigkeits- und Druckenergie.
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Die Schaufel wird in Strömungsrichtung durch die Eintrittskante, die auch als Saugkante bezeichnet wird, und die Austrittskante, die üblicherweise als Druckkante benannt wird, quer zur Strömungsrichtung innen durch die Nabe oder durch die innere Deckscheibe und außen durch das Pumpengehäuse oder die äußere Deckscheibe begrenzt.
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Da keine Normalkomponenten der Relativgeschwindigkeit bei Laufrädern senkrecht zur Schaufel auftreten können, stellen die Schaufeloberflächen Stromflächen dar, die sich aus unendlich nah benachbarten Stromlinien zusammensetzen.
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Die Geschwindigkeitsdreiecke auf einer Stromlinie am Schaufelein- und -austritt legen die Form der Schaufeln unter Berücksichtigung der Schaufeldicke schon wesentlich fest. Der Verlauf der Schaufelmittellinie zwischen dem Schaufelein- und -austritt wird als Skelettlinie bezeichnet. Sie wird sehr oft durch einen Kreisbogen, aber auch durch einen Parabelbogen, einen S-Schlag und andere analytische Kurven beschrieben.
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Im Allgemeinen wird der Schaufeleintritt als stoßfreier Eintritt bei drallfreier Zuströmung ausgeführt. Der Schaufelwinkel am Austritt ist abhängig u. a. von der zu verwirklichenden Förderhöhe mehr oder weniger steil. Bei Schaufeln radialer Laufräder ist er im Regelfall kleiner als 90°. Die Schaufel wird in diesem Fall als rückwärts gekrümmt bezeichnet. Ein Schaufelwinkel von 90° kennzeichnet die radial endende Schaufel und ein Schaufelwinkel größer als 90° die vorwärts gekrümmte Schaufel.
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Die minimale Schaufelstärke bei Gusseisen beträgt etwa 3 mm, bei Stahlguss 4 mm und in Sonderfällen wie bei eingesetzten oder angeschweißten Blechschaufeln sind auch dünnere Schaufelstärken zu realisieren.
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Die Gestaltung der Schaufeln und der Schaufelform ist ein Gegenstand fortwährender Entwicklungstätigkeit. So beschreibt die
DE 10 2015 212 203 A1 ein Laufrad für eine Kreiselpumpe, dessen Schaufeln in Form von Bündeln angeordnet sind. Dadurch wird eine Steigerung der Förderleistung bei gleichzeitiger Gewährleistung eines großen Kugeldurchgangs erzielt.
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Die
DE 10 2015 213 451 A1 beschreibt Profilformen, die sich durch die Überlagerung einer charakteristischen Skelettlinie mit negativem Schaufel-Eintrittswinkel gemeinsam mit einer Dickenverteilung oder einem Profiltropfen ergeben. Dadurch wird eine gleich verteilte Belastung der Schaufelflanken erzielt.
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Auch die
DE 10 2011 007 907 B3 beschreibt eine Schaufelkontur, die aufgrund ihrer Kontur eine gleichmäßige Belastung erfährt. Dies wird durch eine stark gekrümmte Schaufelkontur erreicht, die bei einem Winkel kleiner 0 ° beginnt.
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Die aufgezeigten Beispiele lösen allgemein Problemfelder bisheriger Laufräder für Kreiselpumpen. Solche Entwicklungen sind zunächst teuer und erreichen erst mit der Realisierung großer Stückzahlen den gewünschten Rentabilitätsbereich. Eine Lösung für individuelle Anwendungsfälle, insbesondere eine Optimierung individueller Pumpenhydrauliken, ist im Großserienmaßstab nur schwer vorstellbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe mit einer optimierten Strömungsführung anzugeben. Dabei soll das Laufrad individuell und kundenorientiert gestaltbar sein. Das Laufrad soll zudem einfach und kostengünstig realisiert werden können. Des Weiteren soll das Laufrad möglichst einfach zu montieren und nach seiner Verwendung gut recycelbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit einer Schaufelanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß sind die Schaufeln in Segmente untergliedert und die Trägereinheit ist in radial aneinander angrenzende Ringabschnitte aufgeteilt. Hierbei sind die Segmente in den Ringabschnitten versetzt zueinander angeordnet. So können die Segmente erfindungsgemäß in Form von Mikroschaufeln ausgebildet sein. Durch das Ersetzen von wenigen Makroschaufeln durch eine Vielzahl kleiner Mikroschaufeln in Kombination mit der Ausbildung der Mikroschaufeln vorzugsweise durch ein generatives Verfahren auf konventionell gefertigten Trägereinheiten von Laufrädern bzw. Leiteinrichtungen ist es möglich, eine Schaufelanordnung mit einer individuell angepassten Pumpenhydraulik effizient und ökonomisch zu realisieren.
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Ganz allgemein wird unter einer Schaufelanordnung eine Anordnung zur Energieübertragung bzw. zur Energieumwandlung in Strömungsmaschinen wie einer Kreiselpumpe verstanden. Insofern kann eine Schaufelanordnung als eine Leiteinrichtung und/oder als ein Laufrad ausgebildet sein. Eine solche Leiteinrichtung und/oder ein solches Laufrad ist in radial aneinander angrenzende Ringabschnitte aufgeteilt, wobei auf den Ringabschnitten Segmente angeordnet sind. Diese Segmente sind idealerweise als Mikroschaufeln ausgebildet.
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Gemäß der Erfindung sind die Segmente versetzt zueinander angeordnet. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind die Segmente dabei in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet, so dass das zu fördernde Fluid radial von Segment zu Segment strömt und dabei eine Impulsübertragung erfährt.
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In einer alternativen Variante der Erfindung sind die segmentierten Schaufeln lediglich durch Lücken unterbrochen. Je nach Ergebnis einer rechnergestützten Strömungsoptimierung können die Segmente ganz unterschiedlich verteilt sein, insbesondere symmetrisch oder unsymmetrisch angeordnet sein, in ihrer Länge und Krümmung gleich oder ganz individuell ausgebildet sein.
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Zur besseren Strukturierung ist eine Trägereinheit in mehr als zwei, vorzugsweise mehr als drei, insbesondere mehr als vier, Ringabschnitte und/oder weniger als zehn, vorzugsweise weniger als acht, insbesondere weniger als sechs, Ringabschnitte aufgeteilt.
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Durch die Unterteilung der Trägereinheit in Ringabschnitte ist die optimale Anordnung der Segmente, die vorzugsweise durch ein generatives Verfahren auf einer Trägereinheit ausgebildet werden, rechnergestützt gut umsetzbar. Hierfür ist die Kreisringbreite für alle Ringabschnitte gleich oder unterschiedlich ausgebildet, je nach individueller Optimierung der Pumpenhydraulik.
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Erfindungsgemäß beträgt die Kreisringbreite mehr als 5 %, vorzugsweise mehr als 10 %, insbesondere mehr als 15 %, und/oder weniger als 45 %, vorzugweise weniger als 40 %, insbesondere weniger als 30 %, des Trägereinheitenradius. Dadurch lassen sich in Abhängigkeit der Laufrad- bzw. Leiteinrichtungsgröße und der individuellen Auslegung der Pumpenhydraulik die Segmente mittels Ringabschnitten ideal positionieren und ausgestalten.
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Vorzugweise sind die Segmente innerhalb eines Ringabschnitts angeordnet. Dabei können sich die Segmente über die ganze Kreisringbreite eines Ringabschnitts erstrecken oder innerhalb eines Ringabschnitts mit Abstand zu den begrenzenden Kreisringen angeordnet sein.
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Alternativ können sich die Segmente auch über mindestens zwei Ringabschnitte überlappend erstrecken. In Abhängigkeit von der Größe bzw. Länge eines Segments erstreckt sich die Segmentlänge bis zu 50 % über jeweils zwei Ringabschnitte.
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Gemäß der Erfindung sind die Segmente in Abhängigkeit ihrer Anordnung auf den Ringabschnitten als Mittelsegmente und/oder Saugkantensegmente und/oder Druckkanten-segmente ausgebildet. Insbesondere die Form der Segmente, der Krümmungswinkel, die Länge, die Höhe und die Dicke können individuell an die jeweils ermittelte Belastungssituation angepasst sein. Idealerweise können die Segmente je nach Zuordnung eines Ringabschnitts ganz individuell ausgebildet sein. Weiterhin ist denkbar, dass jedes einzelne Segment individuell an die Strömungssituation adaptiert und optimiert ausgebildet ist.
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Vorzugsweise sind die Segmente auf der Trägereinheit in Meridianrichtung ausgerichtet. Dabei können die Segmente in einer Reihe und/oder versetzt zueinander angeordnet sein. Idealerweise weisen die Segmente eine geradlinige Form und/oder eine radial nach außen gekrümmte Form auf. Dabei können alle Segmente eine gleiche Krümmung aufweisen, oder eine gleiche Krümmung innerhalb eines Ringabschnitts aufweisen, in der gleichen Ausrichtung innerhalb eines Ringabschnitts ausgebildet sein oder je nach individueller Auslegung der Pumpenhydraulik ganz unterschiedlich ausgestaltet sein.
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In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung sind die Segmente als Mikroschaufeln ausgebildet. Dadurch lässt sich die Impulsübertragung auf das Fluid und die Übertragung mechanischer Leistung besonders effizient ausführen.
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Erfindungsgemäß weisen die Segmente eine Länge von mehr als 5 %, vorzugsweise von mehr als 10 %, insbesondere von mehr als 15 %, und/oder eine Länge von weniger als 50 %, vorzugsweise weniger als 45 %, insbesondere weniger als 35 %, des Trägereinheitenradius auf. Durch die kurze Ausführung erreichen die Segmente die Gestalt von Mikroschaufeln besonders ideal.
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Vorzugsweise weist die Trägereinheit mehr als 10, vorzugsweise mehr als 15, insbesondere mehr als 20, Segmente auf. Durch das Ersetzen von wenigen Makroschaufeln durch eine Vielzahl kleiner Mikroschaufeln, die individuell an die jeweilige Pumpenhydraulik angepasst sind, kann eine besonders optimierte Kreiselpumpe für den jeweiligen Anwendungsfall gestaltet werden.
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Erfindungsgemäß werden generativ erzeugte Segmente auf eine konventionell gefertigte Trägereinheit einer Schaufelanordnung aufgebracht. Dabei kann es sich um ein offenes Laufrad handeln. Ebenso ist ein geschlossenes Laufrad gemäß der Erfindung vorstellbar. Dabei weist die Trägereinheit mit den darauf angeordneten Segmenten eine Deckscheibe auf. Darüber hinaus kann die Schaufelanordnung mit den Segmenten auch als Leiteinrichtung, vorzugsweise als Leitrad, ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist die Trägereinheit mit den Segmenten und/oder im Falle einer geschlossenen Schaufelanordnung mit der Deckscheibe einstückig ausgebildet. Die Trägereinheit und/oder die Deckscheibe können beispielsweise als Gussteile konventionell gefertigt sein. Durch ein generatives Verfahren können die Segmente auf der Trägereinheit aufgebracht werden, wodurch ein einstückiges Bauteil einer Kreiselpumpe erzeugt wird. In einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung kann die Schaufelanordnung auch komplett als Gussteil erzeugt werden.
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Gemäß der Erfindung kann die Schaufelanordnung mittels einer integrativen Fertigungseinheit in einem innovativen Verfahren gefertigt werden. Dabei wird die Trägereinheit und/oder die Deckscheibe konventionell durch ein urformendes und/oder zerspanendes Verfahren gefertigt. In Abhängigkeit des Anwendungsfalles und der hydraulischen Anforderungen wird mithilfe einer rechnergestützten Simulation die optimale Ausbildung sowie Anordnung der Schaufeln in Form kleiner Segmente, insbesondere von Mikroschaufeln, ermittelt. Das Ergebnis der Simulation ist ein 3D-CAD Datensatz der Schaufelanordnung, wodurch die integrative Fertigungseinheit die Segmente auf der Trägereinheit exakt durch generative Ausbildung anordnet.
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Die Bezeichnung generative Ausbildung umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird und somit dreidimensionale Bauteile erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, Metalle, Carbon- und Graphitmaterialien.
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Unter generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren versteht man Verfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um ein dreidimensionales Bauteil zu erzeugen. Gemäß der Erfindung sind die Segmente generativ gefertigt ausgebildet. Für die Ausbildung der Segmente werden insbesondere das selektive Laserschmelzen und das Cladding, auch bekannt als Auftragsschweißen, angewandt. In einer alternativen Variante der Erfindung ist auch das Kaltgasspritzen und das Extrudieren in Kombination mit dem Auftragen von schmelzfähigem Kunststoff ein anwendbares Verfahren.
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Vorteilhafterweise sind generativ erzeugte Segmente besonders filigran und dünnwandig ausgebildet. Feine, mittels CFD strömungsoptimierte Segmente übertragen den Impuls auf das Fluid nahezu verlustfrei und besonders effizient. Die komplexe Struktur der Segmente verhindert Wirbelbildungen sowie Strömungsablösungen und zeichnet sich dabei durch eine geringe Bauteilmasse aus.
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Beim selektiven Laserschmelzen werden die Segmente nach einem Verfahren hergestellt, bei dem zunächst eine Schicht eines Aufbaumaterials auf eine Unterlage aufgebracht wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial zur Herstellung der Segmente um metallische Pulverteilchen. Bei einer Variante der Erfindung werden dazu eisenhaltige und/oder kobalthaltige Pulverpartikel eingesetzt. Diese können Zusätze wie Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten. Der metallische Aufbauwerkstoff wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Dann wird der pulverförmige Werkstoff mittels einer Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten aufgeschmolzen und die fertigen Segmente entstanden sind. Erfindungsgemäß werden dabei Schaufelkonturen erzeugt, die besonders filigran und strömungsoptimiert ausgebildet sind.
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Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher die Segmente aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf der Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBN) zum Einsatz kommen.
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Beim Auftragsschweißen oder Cladding werden die Segmente nach einem Verfahren hergestellt, das eine Grundstruktur durch Schweißen beschichtet. Das Auftragsschweißen baut dabei durch einen Schweißzusatzwerkstoff in Form von einem Draht oder einem Pulver ein Volumen auf, das eine besonders filigrane und strömungsoptimierte Form der Segmente realisiert.
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Die Trag- und/oder Deckscheibe kann mittels Urformen, Umformen oder einem subtraktiven Fertigungsverfahren erzeugt werden. Das Urformen ist eine Hauptgruppe von Fertigungsverfahren, bei denen aus einem formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, der eine geometrisch definierte Form hat. Urformen wird genutzt, um die Erstform eines festen Körpers herzustellen und den Stoffzusammenhalt zu schaffen. Beim Umformen werden Rohteile aus plastisch verformbaren Werkstoffen gezielt in eine andere Form gebracht, ohne dabei Material von den Rohteilen zu entfernen. Bei subtraktiven Fertigungsverfahren wird vom Werkstück etwas abgetrennt. Neben dem erzeugten Bauteil entstehen dabei vorwiegend Späne. Vorzugsweise wird die Deckscheibe aus einem Gusswerkstoff erzeugt.
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In einer besonders bevorzugten Variante wird ein Segment strömungsoptimiert erzeugt und vervielfacht gemäß der optimalen Pumpenhydraulik auf der Trägereinheit angeordnet.
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Die Erfindung beschränkt sich trotz der bisherigen Beschreibung nicht auf einstufige Kreiselpumpen, sondern erstreckt sich insbesondere auch auf mehrstufige Kreiselpumpen. Dabei zeichnet sich das erfindungsgemäße Laufrad bzw. die erfindungsgemäße Leiteinrichtung als besonders flexibel aus, da auf jeder konventionell gefertigten Trägereinheit für jede Pumpenstufe individuell optimiert angeordnete Segmente ausgebildet werden können.
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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 Kreiselpumpe mit Kugelgehäuse,
- 2 eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung mit einer Trägereinheit und Segmenten,
- 3 eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung mit unterschiedlichen Ringabschnitten und Segmenten,
- 4 eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung mit ringabschnittsüberlappend angeordneten Segmenten,
- 5 eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung mit radial gekrümmten Segmenten,
- 6 eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung mit radial gekrümmten Segmenten unterschiedlicher Länge,
- 7 eine Draufsicht auf ein Laufrad und eine Leiteinrichtung mit Segmenten.
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1 zeigt beispielhaft eine Schnittdarstellung durch eine Kreiselpumpe mit Kugelgehäuse 14. Über den Saugmund 11 strömt das Medium in die Kreiselpumpe ein, wird von einem Laufrad 15, welches drehfest mit der Welle 12 verbunden ist, mit Bewegungsenergie beaufschlagt und verlässt das Pumpengehäuse über den Druckstutzen 13. Der Lagerträgerdeckel 10 verschließt den Pumpenraum in Richtung Antrieb.
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Das Laufrad 15 weist eine Trägereinheit 1 auf, die mit Schaufeln besetzt ist. Die Trägereinheit 1 ist mit den Schaufeln und der Deckscheibe 17 einstückig ausgebildet und als geschlossenes Laufrad 15 ausgeführt. Um das Laufrad 15 ist eine Leiteinrichtung 18 positioniert, die die Entladung des Laufrads 15 auffängt und die kinetische Energie in Druckenergie umwandelt.
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2 zeigt die Trägereinheit 1 einer Schaufelanordnung in Form eines Laufrads für eine Kreiselpumpe mit dem Trägereinheitenradius 5. Die Trägereinheit 1 ist in drei Ringabschnitte 2 untergliedert, die jeweils direkt aneinander angrenzen. Alle Ringabschnitte 2 weisen die gleiche Kreisringbreite 4 auf. Innerhalb eines Ringabschnitts 2 sind geradlinige Segmente 3 angeordnet, die von Ringabschnitt zu Ringabschnitt 2 versetzt zueinander angeordnet sind.
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In einer Variante der Erfindung ist die Kontur der Segmente 3 an die Positionierung auf den Ringabschnitten 2 angepasst. So ist das Segment 3 auf dem innersten Ringabschnitt 2 als Saugkantensegment 6, das Segment 3 auf dem mittleren Ringabschnitt 2 als Mittelkantensegment 7 und das Segment 3 auf dem äußeren Ringabschnitt 2 als Druckkantensegment 8 ausgebildet.
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3 zeigt eine Trägereinheit 1 einer Schaufelanordnung in Form eines Laufrads für Kreiselpumpen mit Ringabschnitten 2, die eine unterschiedliche Kreisringbreite 4 aufweisen. Die Segmente 3 sind mittig innerhalb der Ringabschnitte 2 angeordnet, wobei die Länge der Segmente 3 an die jeweilige Kreisringbreite 4 angepasst ist. Die Segmente 3 sind in Abhängigkeit ihrer Position auf einem Ringabschnitt 2 versetzt zueinander angeordnet.
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4 zeigt eine Trägereinheit 1 mit Ringabschnitten 2 gleicher Kreisringbreite 4. Die Segmente 3 sind sowohl innerhalb eines Ringabschnitts 2 als auch ringabschnittsüberlappend angeordnet. Die Segmente 3 sind sowohl versetzt zueinander als auch in einer Linie mit Unterbrechungen auf der Trägereinheit 1 positioniert.
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5 zeigt eine Trägereinheit 1 mit radial gekrümmten Segmenten 3. Die Segmente 3 sind innerhalb eines Ringabschnitts 2 angeordnet, wobei die Abstände zu den Kreisringenden des Ringabschnitts 2 für alle Segmente 3 gleich ausgebildet sind. Die Segmente 3 sind auf der Trägereinheit 1 in Meridianrichtung angeordnet.
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6 zeigt eine Trägereinheit 1 mit radial gekrümmten Segmenten 3, die teilweise die Ringabschnitte 2 überlappen. Dabei ist die Krümmung der Segmente 3 individuell an den jeweiligen Ringabschnitt 2 angepasst.
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7 zeigt eine Draufsicht auf ein Laufrad 15 und eine Leiteinrichtung 18. Sowohl das Laufrad 15 als auch die Leiteinrichtung 18 weisen eine Trägereinheit 1 auf, die jeweils in Ringabschnitte 2 untergliedert ist und auf der radial gekrümmte Segmente 3 angeordnet sind. Die Segmente 3 sind innerhalb eines Ringabschnitts 2 angeordnet, wobei die Abstände zu den Kreisringenden des Ringabschnitts 2 für alle Segmente 3 gleich ausgebildet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015212203 A1 [0010]
- DE 102015213451 A1 [0011]
- DE 102011007907 B3 [0012]
