DE1453723A1

DE1453723A1 - Kreiselpumpe,insbesondere fuer kleine bis mittlere Foerderstroeme

Info

Publication number: DE1453723A1
Application number: DE19631453723
Authority: DE
Inventors: Barske Ulrich Max
Original assignee: BARSKE ULRICH MAX
Current assignee: BARSKE ULRICH MAX
Priority date: 1963-07-19
Filing date: 1963-07-19
Publication date: 1969-07-31
Also published as: NL6408151A; GB1081164A; CH438035A; GB1081163A; BE650777A; US3244109A; CH439978A

Description

dr. MÜLLER-BORE dipl.-ing. GRALFS I r_:rf ,'=" '.."..... ..!j

DlPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEl PATENTANWÄLTE

U53723

Az.: P 14 ^j 723«6 Braunschweig, den 5· Dezember 1968

Unser Zeichen: B 511 - G/Lie

Dr.-Ing. Ulrich Max Barske Altneudorf bei Heidelberg An der Klinge 7a

Kreiselpumpe,
insbesondere für kleine bis mittlere Förderströme

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, insbesondere für kleine bis mittlere Förderströme und hohe einstufige Drücke mit einem äußeren stillstehenden, mit der Förderflüssigkeit gefüllten Gehäuse und einem darin rotierenden Läufer mit axialem Eintritt der Flüssigkeit, der als allseitig geschlossener Hohlkörper mit glatter äußerer Oberfläche ausgebildet ist, und dessen Innenraum im wesentlichen radial gerichtete Schaufeln enthält und in axialer dichtung so bemessen ist, daß die Radialkomponente der Strömung etwa in der Größenordnung der Eintrittsgeschwindigkeit verbleibt, wobei am Umfang des Läufers eine Anzahl enger Düsen vorgesehen sind, deren Achsen so angeordnet sind, daß die Flüssigkeit annähernd in Laufrichtung des Läufers austritt ο

Pumpen der genannten Art arbeiten unter Betriebsbedingungen, die gemäß bekannter Definition als "Niedrige spezifische Drehzahlen" bezeichnet werden. Für solche Betriebsbedingungen sind

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die Kreiselpumpen üblicher Bauart nicht sonderlich geeignet, was vor allem dadurch begründet ist, daü die Oberflächenreibungen im Läufer und im Gehäuse verhältnismäßig hoch weraen, und daß es schwierig ist, bei niedrigen .Förderströmen in den Schaufelkanäleri des Läufers und des Leitapparates bzw. im Spiralgehäuse eine geordnete Strömung aufrecht zu erhalten.

Einige Bauarten rotierender, ebenfalls nacx. dem Strömungsprinzip arbeitender Pumpen, wie z.B. Sextenkanalpumpen, ;,irbelpumpen, Pumpen mit beiderseits offenem Läufer und Jbangflügelpumpen mit umlaufendem Gehäuse sind für niedrige spezifische Drehzahlen zwar etwas besser geeignet, aber ihre ,/irkungsgrade sind ziemlich niedrig, und ihre Leistungen verringern sich, besonders bei den beiden erstgenannten Bauarten, erheblich, -Nenn die Seitenspalte des Läufers im Gehäuse sich auch nur wenig abnutzen. Die Fangflügelpumpe zeigt diesen Nachteil zwar licht, aber das ziemlich große Gewicht des Läufers ist oft unerwünscht; ferner bestehen gewisse Schwierigkeiten in der Entlüftung während des Betriebes, und ihre Anwendung beschränkt sich vor allem auf kleinste Förderströme.

Aufgabe der Erfindung ist es, Kreiselpumpen der eingangs erwähnten Art zu verbessern, insbesondere hinsichtlich ihres grades.

Diese aufgäbe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, da^ uer radiale ^.bscand zwischen dem Außendurchmesser des Läufers und dem Innendurchmesser der GehäuseKammer so groß ist, daü ein ftingraum entsteht, in dem sich ein umlaufender Flüssigkeitsring ausbilden kann, daß in der äußeren Gehäusewand wenigstens ein Jiffu-

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sor angeordnet ist und daü die Düsen durch eine in spitzem WJiIKeI iur Läuferwand liegende im wesentlichen gerade V/and und au! der dieser »Vand gegenüberliegende Abrundung gebildet werden, deren Achse parallel i-u dem Düsenschlitz verläuft.

Bei der erfinJungsgemäßen Kreiselpumje wird eine Verbesserung des .Viι kungsgrades insbesondere durch folgende Maßnahmen erzielt:

1). Jie Relativ geschwindigkeiten innerhalb des Läufers werden niedrig gehalten und Seivundärwirbel weitgehend vermieden.

2). Der Austritt der Flüssigkeit aus dem Läufer erfolgt bei allen Betriebsbedingungen in geordneter Strömung, und zwar am Läuferumfang in genau oder annähernd tangentialer Richtung.

i>). Auch außerhalb des Läufers bleibt die Strömung stets weitgehend geordnet.

4). Da diese Strömung, von der äußeren Läuferoberfläche aus gesehen, im wesentlichen mit der relativen Austrittsgeschwindigkeit erfolgt, ergibt sich eine bedeutende Verminderung der äußeren Flüssigkeitsreibungsverluste des Läufers, was besonders bei Anwendung hoher Umfangsgeschwindigkeiten von Bedeutung ist.

5). Als Folge von 3) ist auch eine ziemlich geordnete Strömung im Austrittsdiffusor und somit eine bessere Umsetzung von kinetischer Energie in statischem Druck zu erwarten.

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Die Austrittsdüsen des Läufers können an dessen zylindrischem Umfang ouer an den Außenrändern der Seitenflächen angeordnet werden. Ihre Herstellung kann durch Einfräsen tangentialer Schlitze in die betreffenden Läuferwände erfolgen, wobei die glatte äußere Gestalt des Läufers völlig erhalten bleibt. Ein genau tangentialer Austritt ist hierbei jedoch nicht erzielbar, und wenn auf diesen besonderer Wert gelegt werden muß, werden flache, aus der Oberfläche des Läufers möglichst wenig hervorstehende Düsenkörper mit tangential gerichteten Austrittsöffnungen verwendet.

Die Düsen können rückwärts oder vorwärts gerichtet sein, d.h. entweder entgegen der !Richtung der Umfangsgeschwindigkeit des Läufers (Austrittswinkel fast oder gleich 180°), oder in die Richtung derselben (Austrittswinkel fast oder gleich Null Grad), Die hydraulische Leistung wird hierdurch natürlich wesentlich beeinflußt.

In den anliegenden Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 den axialen Längsschnitt durch Läufer und Gehäuse einer erfindungsgemäß ausgebildeten Pumpe, während aus

Fig. 2 und Fig. 3 die Einzelteile des zusammengesetzten hohlen Läufers zu ersehen sind.

Fig. 4- ist ein Querschnitt IV-IV der Fig. 1, wobei rückwärts gerichtete, im äußersten Umfange des Läufers angeordnete Düsen angewendet sind.

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Fig. 5 zeigt den axialen Längsschnitt einer Pumpe mit seitlich am Läuferumfang angeordneten Düsen,

Fig. 6 ist ein zylindrischer Schnitt VI-VI der Fig. 5 längs des Läuferumfanges, während

Fig. 7 einen Querschnitt VII-VII der Fig. 5 darstellt.

Fig. 8 zeigt den halben Querschnitt einer Pumpe mit vorwärts gerichteten Austrittsdüsen des Läufers,

Fig. 9 einen teilweisen Schnitt IX-IX der Fig. 8 und

Fig. 10 einen solchen Schnitt für einen Läufer mit seitlich angeordneten, vorwärts gerichteten Düsen.

Fig. 11 zeigt als Beispiel ein verändertes Pumpengehäuse.

Gemäß Fig. 1, 2 und 3 besteht der hohle Pumpenläufer aus den Seitenwänden 11, 12 und einer zylindrischen Außenwand 13· Die Wand 11 ist mit einem zylindrischen Fortsatz 14 versehen, der einerseits den Zulauf 15 darstellt, während seine Außenfläche mit einem Einsatzring 16 des Gehäusedeckels 17 eine Labyrinthoder Spaltdichtung zwischen dem Innenraum 18 des Pumpengehäuses 17» 19 und dem Einlauf 15 bildet. Die andere Stirnwand 12 besteht beispielsweise aus einem Stück mit der Habe 20, die ihrerseits mittels des Gewindes 20a auf die Pumpenwelle 21 aufge-

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schraubt ist. Das in axialer !Richtung geräumige Innere des Läufers ist mit einfachen radialen Schaufeln oder Rippen 22 versehen, siehe auch Fig. 4, während die rückwärts gerichteten .Austrittsdüsen 23, 24 in der zylindrischen Außenwand 13 angeordnet sind.

Meistens wird es zweckmäßig sein, den Läufer aus zwei offenen Teilen herzustellen und diese dann miteinanaer fest zu verbinden. Als Beispiel hierfür zeigen Fig. 2 und 3 einerseits die Vorderwand 11 mit dem Einlauf 14, 15 und der Außenwand 15, während die Schaufeln 22 mit der Kinterwand 12 und der Nabe 20 aus einem Stück bestehen. Beim Zusammenbau weraen beide Teile durch die Außenränder 25 der Schaufeln 22 zueinander zentriert und durch Nieten 26 fest miteinander verbunden. Zur Aufnahme der Ilietbohrungen sind in den Schaufeln 22 verstärkte Stellen 27 vorgesehen. Beim Zusammenbau des Läufers ist es keinesfalls erforderlich, daß die Ränder 28 der Schaufeln 22 (Fig. 3) dicht an der Innenfläche der Wand 11 anliegen. Auch kleine Undichtheiten am Außenrande sind völlig belanglos.

An den äußeren Ecken der Schaufeln 22 sind Aussparungen 29 vorgesehen, durch welche die von den Schaufeln im Innern des Läufers gebildeten Kammern miteinander verbunden werden. Dadurch wird ein sicheres Sntlüften des Läufers beim Füllen der Pumpe und während des Betriebes ein völliger Druckausgleich in den Kammern bewirkt.

Die Innenflächen des Läufers und die Oberflächen der Schaufeln bedürfen wegen der hier herrschenden niedrigen Relativgeschwindigkeiten keiner Bearbeitung. ',Vichtig ist es hingegen, die engen Mündungen der Düsen mit recht glatter Oberfläche auszuführen um

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Reibungsverluste der hier meistens mit hoher Geschwindigkeit austretenden Flüssigkeit möglichst zu verringern. Besonders vorteilhaft ist es deshalb, daß die Düsenkanäle 23 bzw. 24 (Fig. 4) für eine Bearbeitung gut zugänglich sind, bevor der Läufer zusammengesetzt wird. Fig. 4· zeigt übrigens beispielsweise zwei verschiedene Düsenformen. Die mit 23 bezeichneten Düsen können als Schlitze tangential in den Außenrand 135 eingeschnitten werden, wobei die innere Zunge 30 gut abzurunden ist. Ein wirklich tangentialer Austritt der Flüssigkeit ist mit dieser Düsenform allerdings nicht erzielbar, aber ein großer Vorteil besteht darin, daß der Außenumfang des Läufers glatt abgedreht werden kann. Mit der Düsenform 24 kann indessen ein tangentialer Austritt bewirkt werden.

Die kreisrunde Form der äußeren Gehäusewand 19a sowie die einfache geometrische Gestalt der Seitenwand 19 und des Deckels 17 ermöglichen eine leichte maschinelle Bearbeitung aller Innenflächen des Gehäuses, die ebenso wie die Außenflächen des Läufers möglichst gut geglättet sein müssen, um die .Reibungsverluste der in dem Raum 18 zwischen Läufer und Gehäuse rotierenden Flüssigkeit niedrig zu halten.

aus dem äußeren Ringraum 31 wird die Flüssigkeit mittels eines tangential an der Gehäusewand 19a angebrachten Diffusors 32 entnommen. Zwischen dem Pumpengehäuse 19 und der Nabe 20 des Läufers ist in bekannter Weise eine beispielsweise als Packungsstopfbüchse 33 ausgebildete Wellendichtung angeordnet. Das Pumpengehäuse ist an dem andeutungsweise dargestellten Lagergehäuse 34 befestigt.

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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 und Fig· 7 zeigt einen Pumpenläufer, bei dem sich die Austrittsdüsen 44·, 45 in den Seitenwänden 11, 12 befinden. Die Anordnung der Düsen kann im einzelnen z.B. nach Fig. 6 erfolgen, wobei der untere Teil dieser Figur eine vereinfachte, der obere eine verbesserte Bauform zeigt, entsprechend den Düsen 23 und 24- der Fig. 4. Die den Läufer bildenden Einzelteile sind hier insofern verändert, als je eine Schaufelhälfte 46 und 47 mit der Läuferwand 11- bzw. 12 aus einem Stück besteht, wobei die Querverbindung der von den Schaufeln gebildeten Kammern dadurch erzielt wird, daß zwischen den Schaufelrändern ein gewisser Abstand 48 gelassen ist. Die Außenwand des Läufers wird durch einen glatten Ring 49 gebildet, dessen seitliche Ausdrehungen 50, 51 die äußeren Ränder der Wände 11, 12 aufnehmen. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind außer den vom Außenrand des Läufers bis zum Einlaß 15 reichenden Schaufeln 46, 47 noch kürzere Rippen 52 vorgesehen, wodurch Sekundärwirbel weitgehend verhindert werden.

An Hand der bisher dargestellten Ausführungsbeispiele sei nun nochmals die Arbeitsweise der Pumpe näher beschrieben:

Die bei 15 eintretende Förderflüssigkeit wird im Innern des Pumpenläufers durch die Schaufeln 22 in Rotation versetzt. Die Strömung im Innern des Läufers wird zwar keineswegs geordnet sein, aber bei den reichlichen Querschnitten sind die Relativgeschwindigkeiten niedrig und die Energieverluste verschwindend gering. Am Läuferumfang herrscht dann ein der betreffenden Umfangsgeschwindigkeit entsprechender statischer Druck, der sich durch die Düsen 23, 24 hindurch auf die in dem Ringraum 31 befindliche Flüssigkeit überträgt. Bei geschlossenem Drosselventil in der Druckleitung, also bei Förderstrom null, wird die den- Raum 31 füllende Flüssigkeit nur schwach rotieren, da sie nur

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von der Oberflächenreibung des Läufers in Bewegung gesetzt wird. Sobald durch öffnen des Drosselventils eine gewisse Förderung erfolgt, strömt eine entsprechende Flüssigkeitsmenge durch die Düsen in den Ringraum 31, wobei die relative Austrittsgeschwindigkeit aus den Düsen zunächst noch niedrig sein möge. Nach der hier gültigen Beziehung c = u - w bedeutet dies eine hohe, von der Umfangsgeschwindigkeit u wenig verschiedene absolute Geschwindigkeit c. Mit dieser Geschwindigkeit läuft also der den Haum 31 füllende Flüssigkeitsring im wesentlichen um, wobei ein geringer Teil aus dem Austrittsdiffusor 32 abgeführt wird. Die dabei an der Gehäusewand auftretenden .Reibungsverluste bleiben wegen der kreisförmigen Gestalt und der glatten Oberfläche jedoch in mäßigen Grenzen, während die Reibungsverluste des Läufers wegen der niedrigen Relativgeschwindigkeit sehr klein sind, 'i'rotz geringer Förderleistung ist deshalb der ,/irkungsgraf schon verhältnismäßig hoch.

Bei Vergrößerung des Förderstromes steigt w, wodurch sich c verringert, so daß die Reibung an der Gehäusewand sinkt, während sich diejenige des Läufers erhöht. Da jedoch gleichzeitig die Nutzleistung größer wird, steigt der Wirkungsgrad weiter an, zumal die Reibungsverluste des Läufers immer noch ziemlich niedrig sind. Für einen Bereich von w = c, 3 u bis w=c, 6u ergibt die Berechnung einen etwa gleichbleibenden hohen Wirkungsgrad.

Wird der Läufer gemäß Fig. 8 mit vorwärts gerichteten Düsen 60 versehen, so hat dies auf die Vorgänge im Innern des Läufers keinen Einfluß, aber für die Absolutgeschwindigkeit gilt c = u + w. Sie wird mit steigender Fördermenge also zunehmend größer als u, so daß sich die Reibungsverluste an der Gehäusewand vergrößern; auf den Läufer übt jedoch die in dem Raum 31 umlaufende Flüssigkeit ein positives (antreibendes) Reibungsmoment aus. 909831/0328

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Für den Fall der vorwärts gerichteten Düsen ist noch zu beachten, daß bei -eörderstrom null und völlig ruhender Flüssigkeit in dem ivingraum 31 vor jeder Düsenöffnung ein otaudrucit auftreten würde, der theoretisch dem im Innern des Läufers herrschenden statischen ZentrifugaldrucK genau das ■Gleichgewicht halten würde, so daß also keine Förderung zustande kommen könnte. Tatsächlich wird die Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe des Läufers jedoch nicht in Kühe bleiben, sondern durch Oberflächenreibung in eine gewisse Drehung versetzt werden. Hierdurch verringert sich der Staudruck vor den Düsen, und bei öffnen des Drosselventils in der Druckleitung wird eine Ausströmung aus den Düsen erfolgen. Um die //irkurig der äußeren Oberflächenreibung noch zu verstärken und somit den sicheren Austritt der Flüssigkeit aus den Düsen zu gewährleisten, werden die Seitenwände 11 und 12 des Läufers mit üändern 61 bzw. 62 versehen, die radial etwas über die DüneHoffnungen hinausragen, wie dies aus Fig. 9 ersichtlich ist. Bei Anordnung der Düsen in den Seitenwänden nach Fig. 5 werden diese zu dem gleichen Zweck mit radialen Zusatzflächen 63, 64 versehen, wie in Üg. 10 dargestellt.

Für Pumpen mittlerer Förderströme kann es zweckmäßig sein, anstelle eines einzelnen Diffusors in an sich bekannter .Veise mehrere, über den Umfang des Gehäuses verteilte kleinere Diffusoren vorzusehen, wie Fig. 11 zeigt. Das den Läufer 33a umgebende Gehäuse 34-a enthält beispielsweise 5 Difiusoren 35» die in einen Sammelraum 35 münden, dieser ist hier als sich erweiterndes Spiralgehäuse 37 ausgebildet-, dessen weitestes Ende den DrucKstutzen 38 trägt.

Alle Bauarten der erfindungsgemäßen einstufigen Pumpe Können in der üblichen '.Veise zu mehrstufigen Pumpen zusammengesetzt werden.

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Claims

Patentansprüche

Kreiselpumpe, insbesondere für kleine bis mittlere Förderströme und hohe einstufige Drücke mit einem äußeren stillstehenden, mit der Förderflüssigkeit gefüllten Gehäuse und einem darin rotierenden Läufer mit axialem Eintritt der Flüssigkeit, der als allseitig geschlossener Hohlkörper mit glatter äußerer Oberfläche ausgebildet ist, und dessen Innenraum im wesentlichen radial gerichtete Schaufeln enthält und in axialer Richtung so bemessen ist, daß die Radialkomponente der Strömung etwa in der Größenordnung der Eintrittsgeschwindigkeit verbleibt, wobei am Umfange des j.äufers eine Anzahl enger Düsen vorgesehen sind, deren Achsen so angeordnet sind, daß die Flüssigkeit annähern in Laufrichtung des Läufers austritt, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand zwischen dem Auuendurchmesser des Läufers und dem Innendurchmesser der Gehäusekammer so groß ist, daß ein Itingraum entsteht , in dem sich ein umlaufender Flüssigkeitsring ausbilden kann, daß in der äußeren Gehäusewand wenigstens ein Diffusor angeordnet ist und daß die Düsen durch eine in spitzem Kinkel zur Läuferwand liegende im wesentlichen gerade Wand und auf der dieser Äand gegenüberliegende Abrundung gebildet werden, deren Achse parallel zu dem Düsensctilitz verläuft.

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen an einem zylindrischen Teil des Läuferumfanges angeordnet sind und die radiale Breite der Düsenmündungen klein ist, während sie sich axial über die ganze Breite des Läuferumfanges erstrecken.

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(Art.7 g 1 Ab8.2 Nr. 1 SaU 3 ** \

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3· Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen am Umfange einer Seitenwand oder beider Seitenwände angeordnet sind, wobei die axiale Breite der Düsenmündungen kleiner ist als die Erstreckung in radialer dichtung.

4. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüsen als Schlitze im Läuferumfang bzw. in den Seitenwänden ausgebildet sind, derart, daß die glatten Außenflächen des Läufers nur durch Öffnungen, nicht aber hervorstehende Teile unterbrochen werden.

5. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnungen in flachen, möglichst wenig aus der Läuferoberfläche heraustretenden Körpern untergebracht sind.

6. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, 2 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnungen nach rückwärts, d.h., entgegen der Richtung der Umfanggeschwindigkeit des Läufers, gerichtet sind.

Kreiselpumpe nach Anspruch 1, 3 und 5§ dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnungen nach vorwärts, d.h., in die Richtung der Umfanggeschwindigkeit dee Läufers gerichtet sind.

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