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Rückführkanal mehrstufiger Kreiselpumpen bzw. Gebläse Die Erfindung
bezieht sich auf einen Rückführkanal einer mehrstufigen Kreiselpumpe für Flüssigkeiten
bzw. Gase mit Rückführschaufeln zwischen einer radial inneren und einer radial äußeren,
axialsymmetrischen Kanalwand, vorzugsweise in axial gedrängter Bauweise. Die bekannten
Ausführungen der Rückführkanäle mehrstufiger Kreiselpumpen bzw. Gebläse mit Rückführschaufeln
erfüllen meist nur unvollkommen den Zweck, die aus einem Laufrad austretende, mit
Drall behaftete Strömung drallfrei oder gegebenenfalls mit vorgegebenem Vordrall
dem Laufrad der nächsten Druckstufe zuzuführen. Für eine gute Druckumsetzung der
Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie innerhalb der Rückführkanäle wie auch für
ein einwandfreies Arbeiten der nachfolgenden Laufräder ist es unerläßlich, daß das
Geschwindigkeitsfeld am Austritt jedes Rückführkanals nach Größe und Richtung homogen
ist. Es tritt eine Wirkungsgradverschlechterung von 2 bis 7 % durch die mangelhafte
Erfüllung dieser Aufgaben des Rückführkanals ein, besonders bei Pumpen mit kleiner
spezifischer Drehzahl bzw. mit relativ kleiner Fördermenge im Verhältnis zur Förderhöhe.
Abgesehen von einem schlechten Wirkungsgrad wird auch die Vorausbestimmung der Förderleistung
infolge des unvollkommenen Arbeitens der Rückführkanäle problematisch.
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Die übliche Abhilfe für diese Mängel durch axial langgestreckte Rückführkanäle
mit entsprechend allmählicher Querschnittserweiterung und geringer Kanalkrümmung
im Aufriß ist nur bei Pumpen mit höherer spezifischer Drehzahl anwendbar. Sie verbietet
durch ihre große axiale Bauhöhe größere Stufenzahlen. Zur Verringerung der Bauhöhe
ist schon vorgeschlagen worden, den Rückführkanal mit einem sich zunächst erweiternden
und dann wieder verengenden Querschnitt auszuführen und ihn gegen die vordere Stufe
zurückzubiegen. Diese Maßnahme ist praktisch auch nicht geeignet, das Geschwindigkeitsfeld
am Eingang zur nächsten Stufe nach Größe und Richtung homogen auszurichten, die
Strömung bleibt inhomogen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, konstruktive Maßnahmen anzugeben,
die trotz axial beschränkter Bauweise die vorgenannten Nachteile der Rückführkanäle
der eingangs erwähnten Art vermeiden. Diese Maßnahmen beziehen sich im wesentlichen
auf deren auslaufenden Teil, insbesondere auf den Teil, in welchem im Aufriß die
Strömung in die axiale Richtung zur nächsten Druckstufe umgelenkt wird. Insofern
ist die Erfindung in gleicher Weise für Konstruktionen anwendbar, die einen geschlossenen
Rückführkanal vom Laufradaustritt bis zur nächsten Druckstufe besitzen, als auch
z. B. für solche, bei denen zwischen Laufrad und Rückführschaufel ein gesonderter
Leitapparat zwischengeschaltet ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Rückführkanal
zwischen zwei benachbarten Schaufeln im Gebiet der Kanalkrümmung zur nächsten Stufe
hin entweder eine achsenunsymmetrische Wölbung aufweist, die von der druckseitigen
Schaufel ausgeht, an dieser annähernd ihre größte axiale Erstreckung erreicht und
in die innere achsensymmetrische Kanalwand konvex gekrümmt hineinragt oder eine
achsenunsymmetrische Wölbung hat, die von der saugseitigen Schaufel ausgeht und
in die äußere achsensymmetrische Kanalwand konkav gekrümmt hineinragt oder beide
Wölbungen besitzt. Vorteilhaft liegt bei der Wölbung auf der inneren Kanalwand die
größte Erstreckung im Aufriß vor der stärksten Kanalkrümmung, wobei die Wölbung
von dort allmählich zur Anströmung und zur saugseitigen Schaufel abfällt und der
durch die Wölbung erweiterte Durchflußquerschnitt sich zum Kanalaustritt hin verengt.
Bei der Wölbung auf der äußeren Kanalwand liegt zweckmäßig die größte Erstreckung
im Aufriß in der stärksten Kanalkrümmung und fällt die Wölbung allmählich zur druckseitigen
Schaufel ab.
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Die hydraulische Wirkung der angegebenen Erfindungsmaßnahmen beruht
darauf, daß Querströmungen in jedem einzelnen Rückführkanal erzeugt werden, welche
die Strömungsgeschwindigkeit in dessen Austrittsquerschnitt nach Größe und Richtung
vergleichmäßigen. Der auf die druckseitige Schaufel zugerichtete Hauptteil der Strömung
wird in der Wölbung der inneren Kanalwand infolge der dortigen Querschnittserweiterung
und der gleich darauffolgenden Querschnittsverengung aufgestaut und an der inneren
Kanalwand zur saugseitigen Schaufel abgedrängt,
während an der äußeren
Kanalwand die Strömung durch die druckseitige Schaufel weiterhin gerichtet dem Austritt
drallfrei zufließt. Diese Querströmung von der inneren Kanalwand zur Saugseite hin
schneidet nunmehr der an der Saugseite ausgebrochenen Strömung den Weg ab und drängt
sie wieder zur dortigen Schaufelwandung zurück. Hierdurch wird letztere gleichfalls
meridional bzw. ihre zugehörige Wirbelachse rechtwinklig zum Austrittsquerschnitt
gerichtet.
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Aus der Betrachtung der Querströmungen als Wirbel geht hervor, daß
die an der druckseitigen Schaufel eingeleitete Querströmung an der inneren Kanalwand
mit Richtung auf die saugseitige Schaufel und die weitgehend meridional gerichtete
Strömung an der äußeren Kanalwand sich gleichfalls zu einem Wirbel zusammenschließen,
der ebenso wie der erste Wirbel links dreht und dessen Wirbelachse rechtwinklig
auf dem Austrittsquerschnitt steht. Die Auswirkung der Wölbung ist somit die, daß
der ursprünglich schrägliegende Wirbel an der saugseitigen Schaufel und auch dieser
weitere Wirbel im Endeffekt mit ihren Wirbelachsen rechtwinklig auf dem Austrittsquerschnitt
stehen und beide Wirbelfelder zusammen diesen ausfüllen. Abgesehen von den kleinen
Drehkomponenten der Wirbelströmungen ist somit die Strömung meridional bzw. axial
gerichtet. Die Wirbelenergie ist bei den kleinen Drehkomponenten als Verlustenergie
unbedeutend. Wie bei jedem Wirbel werden die Geschwindigkeiten der erfaßten Massen
vergleichmäßigt. Die gegenseitige Ausweitung der beiden Wirbelfelder im Austrittsquerschnitt
kann durch die Wölbungsgröße und dadurch reguliert werden, daß an der saugseitigen
Schaufel an der äußeren Kanalwand eine weitere kleinere Wölbung vorgesehen wird,
die auch für sich allein schon eine gleiche Wirkung wie die druckseitige Wölbung
ausübt. Man hat es somit erfindungsgemäß in der Hand, die Geschwindi gkeiten am
Austritt der Rückführkanäle nach Größe und Richtung gleichzumachen.
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Es ist bemerkenswert, daß diese auf die Abströmung vergleichmäßigende
Wirkung der achsenunsymmetrischen Wölbungen auch bei Teilbeaufschlagungen, d. h.
bei kleiner werdender Fördermenge noch vorhanden ist und dadurch eine steilere Kennlinie
und flacheren Wirkungsgrad liefert.
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Ferner lassen sich alle angegebenen Vorteile mit nur wenig Rückführschaufeln
bzw. Rückführkanälen am Umfang, höchstens fünf, erreichen, während man üblicherweise
bestrebt ist, das Ausbrechen der Strömung an den Saugseitigen Schaufeln durch enge
Schaufelführung, d. h. durch viele Schaufeln, zu mildern. Wenige Schaufeln haben
den Vorzug geringerer Wandreibung. Dabei wirken die Wölbungen verbessernd auf das
für die Oberflächenreibung maßgebende Verhältnis vom Durchflußquerschnitt zu seinem
Umfang.
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Abgesehen hiervon, erleichtert die geringe Zahl der Rückführkanäle
am Umfang die Einformung der Kanalkerne in das Gußmodell. Viele Kanäle sind schwach
und empfindlich und erschweren beim Guß eine stabile achsensymmetrische Lage der
einzelnen Kerne zueinander, sowie ein sicheres Einbetten der zugehörigen Kernmarken
in die Form, dies um so mehr, als die Kerne wegen ihrer räumlichen Krümmung nur
außerhalb der Form zusammenzusetzen sind und erst anschließend als geschlossener
Körper mit ringförmig sich zusammenschließenden Kernmarken als Ganzes in die Form
eingelegt werden können. Ferner kann der Guß bei wenigen Schaufeln besser geglättet
werden. Die Gußqualität wird somit bei wenigen Schaufeln besser.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine
mehrstufige Kreiselpumpe mit relativ niedriger spezifischer Drehzahl schematisch
dargestellt. Es zeigt F i g.1 die rechte Seite eines Mittellängsschnittes durch
die Kreiselpumpe mit einem zwischen zwei Stufen liegendem Rückführkanal, F i g.
2 einen Schnitt nach der Linie II-II in F i g.1, F i g. 3 und 4 den Gußkern eines
Rückführkanals im Grundriß, F i g. 5 und 6 den Gußkern nach den F i g. 3 und 4 in
Perspektive und F i g. 7 einen Querschnitt durch den Rückführkanal an der Stelle
der größten Wölbungserstreckung. In dem Gehäuse 1 einer Druckstufe der Kreiselpumpe
nach F i g. 1 ist das Laufrad 2 durch die Welle 3 drehbar. Der Rückführkanal 12
ist von achsensymmetrischen Kanalwänden S und 6 begrenzt und erstreckt sich ohne
zwischengeschalteten Leitapparat vom Austritt des Laufrades 2 bis zum Eintritt des
Laufrades 4 der nächsten Druckstufe. Im auslaufenden Teil des Kanals 12 liegen zwei
Wölbungen 7 und 8, die größere Wölbung 7 in der inneren Kanalwand § mit ihrer größten
Erstreckung etwas vor der stärksten Kanalkrümmung zur axialen Richtung nach oben
und die kleinere Wölbung 8 mitten in der Hohlkehle der äußeren Kanalwand 6. Da sie
verdeckt im Aufriß nach hinten liegt, ist sie. gestrichelt gezeichnet. Sie ist flacher
gekrümmt als an dieser Stelle die achsensymmetrische Kanalwand 6. Der gesamte Rückführkanal
mit seinen Wölbungen? und 8 hat eine axial gedrungene Gestalt, so daß die Bauhöhe
einer Stufe gering ist.
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Im Schnitt nach F i g. 2 ist der Rückführkanal 12 in Fließrichtung
links gekrümmt, entsprechend linksdrehenden Laufrädern. Am Umfang sind nur vier
Rückführschaufeln, entsprechend vier einzelnen Rückführkanälen, vorhanden. Bezogen
auf den dargestellten Kanal 12 zwischen zwei Schaufeln ist die Schaufel 9 die druckseitige
Schaufel und die Schaufel 10 die saugseitige Schaufel.
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Da im Schnitt der F i g. 2 die Wölbungen 7 und 8 nicht darstellbar
sind, ist von einem einzelnen Rückführkanal 12 der Gußkern im Grundriß in den F
i g. 3 und 4 und in Perspektive in den F i g. 5 und 6 dargestellt. Es zeigen die
F i g. 3 und 5 die Ausbildung der Wölbung 7 auf der inneren Kanalwand 5 und die
F i g. 4 und 6 die der Wölbung 8 auf der äußeren Kanalwand 6. Der Kern stellt den
durchströmten Raum eines Kanals dar und läßt sich in den Raum 12 (F i g. 2) einlegen.
In den F i g. 3 bis 6 trägt die Schaufeldruckseite die Bezeichnung 9 und die Schaufelsaugseite
die Bezeichnung 10, wie die entsprechenden Schaufeln 9 und 10 in F i g. 2. Die achsenunsymmetrischen
Wölbungen 7 und 8 gehen fließend in die achsensymmetrische Kanalwand über. In F
i g. 3 ist strichpunktiert die Schaufelkontur 11 eingetragen, die sich bei einer
nur achsensymmetrischen Innenwand ergeben würde, desgleichen in F i g. 5 die Kontur
13 einer achsensymmetrischen Außenwand.
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In den F i g. 3 und 5, in Blickrichtung auf die innere Kanalwand 5,
fällt die Wölbung 7 allmählich zur Anströmung und zur Schaufel 10 ab. Ihre größte
Erstreckung
liegt seitlich vom Austrittsquerschnitt 14. Die eingetragenen Stromlinien zeigen,
wie die Strömung an der Hohlkehle der saugseitigen Schaufel 10 anfängt, von der
Schaufelrichtung abzuweichen - Linie 15 -, und wie Wirbelablösungen 16 entstehen,
und die Strömung an der druckseitigen Schaufe19 von der Höhe der Wölbung 7 zur Saugseite
10 ausweicht. Die an der Hohlkehle ausbrechende Strömung wird dadurch wieder zur
saugseitigen Schaufel 10 hingedrängt.
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In den F i g. 4 und 6 in Blickrichtung auf die äußere Kanalwand ist
die kleinere Wölbung 8 an der saugseitigen Schaufel 10 eingezeichnet, die an der
Schaufel ihre größte Erstreckung besitzt und von dort allmählich abfällt. Die eingetragenen
Stromlinien zeigen an der druck- und saugseitigen Schaufel eine Fließrichtung in
Richtung der Schaufeln. In dem Austrittsquerschnitt 14 nach F i g. 4 sind, begrenzt
von zwei Kreisbögen und zwei radialen Fahrstrahlen, die beiden Felder des Wirbels
17, der fast den gesamten Austrittsquerschnitt 14 einnimmt, und der von ihm
eingeengte kleinere Wirbel 18, der von der an der saugseitigen Schaufel ausbrechenden
Strömung herrührt, sichtbar. Wie oben angegeben, kann aber auch mit Vorteil die
Größe der beiden Wirbelfelder durch Veränderung der Größe der Wölbungen oder durch
Fortlassen einer oder der anderen Wölbung einander angeglichen werden. Die Wirbelachsen
der Wirbel 17 und 18 in F i g. 6 stehen senkrecht auf dem Austrittsquerschnitt 14.
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In F i g. 7 ist ein Querschnitt des Rückführkanals dargestellt, der
durch die beiden Wölbungen 7 und 8 an der Stelle ihrer größten Erstreckung gelegt
ist. Durch Vergleich mit den strichpunktierten Linien 19 für einen Querschnitt eines
achsensymmetrischen Kanals sind die Wölbungen 7 und 8 in ihrer Querschnittsgröße
erkenntlich, die größere Wölbung 7, die sich von der druckseitigen Schaufel 9 allmählich
abfallend bis zur saugseitigen Schaufel 10 erstreckt, und die kleinere Wölbung 8,
die ihre größte Erstreckung an der saugseitigen Schaufel 10 besitzt und von dort
allmählich in Richtung auf die druckseitige Schaufel 9 abfällt.