DE1528662C3 - Kreiselpumpen-Laufrad - Google Patents

Description

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sationen und insbesondere innerhalb des Laufrades gung der Kavitation innerhalb der Schaufellänge — unerwünschte sekundäre Strömungen auf, die die was an sich bekannt und erwünscht ist — nunmehr Druckunterschiede über die Länge und Breite der erfindungsgemäß durch eine entsprechend starke ZuSchaufel auszugleichen suchen. nähme des Schaufelwinkels bedingt ist und nicht wie

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, 5 bei den bekannten Laufradausführungen durch beein Kreiselpumpen-Laufrad mit verbesserter Saugfä- sonders lange Schaufelkanäle. Hierdurch können bei hiakeit und mit bei sich ändernden Belastungen stabi- einem erfindungsgemäßen Laufrad kurze Schaufellen Strömungsverhältnissen zu schaffen. längen mit im wesentlichen nur einer Windung um

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- die Laufradnabe und somit auch Laufräder mit gelöst, daß die Einlaufkante der Laufradschaufel in io ringer axialer Ausdehnung verwirklicht werden, die Form einer Messerkante mit einem eingeschlossenen sowohl ein erosionsfreies Zusammenfallen der Kavi-Winkel von weniger als 3° ausgebildet ist und einen tationshohlräume innerhalb der Schaufellänge als Schaufeleintritts winkel von weniger als 8° besitzt, auch durch geringere Reibungsverluste einen verbeswodurch eine definierte Kavitation allein auf der serten Gesamtwirkungsgrad ermöglichen.
Saugseite der Schaufel und vom Eintreten der Kavi- 15 Erfindungsgemäße Schaufeln können auf Naben tation an über deren gesamte Höhe erzeugt wird, so der unterschiedlichsten Ausbildung angeordnet werdaß zwischen der Bewegungsrichtung der Schaufel den. Beispielsweise kann die Nabe kegelig ausgebil- und der Tangente an die der Schaufel abgewandte det sein, wobei die Kegelspitze an der Eintrittsseite Begrenzung des Kavitationsgebietes ein effektiver des Laufrades liegt, und die Nabe kann eine oder Eintrittswinkel gegeben ist, der kleiner als der kon- 20 mehrere Schaufeln tragen, die in der Art einer mehrstraktive Schaufeleintrittswinkel ist; und daß die Zu- gängigen Schraube um die Nabe herum angeordnet nähme des Schaufelwinkels ausgehend von dem Ein- sind.

trittswinkel so bemessen ist, daß die Kavitation in an Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Ersieh bekannter Weise in einem mittleren Bereich zwi- findung an Hand der Zeichnungen näher beschrieschen dem Eintritt und dem Austritt des Laufrades 25 ben. Es zeigt
beendet ist. F i g. 1 die schematische Darstellung eines Schau-

Während des Betriebes einer in dieser Weise aus- felgitters eines erfindungsgemäßen Mehrschaufelgebildeten Pumpe stellen sich in der Strömung durch Laufrades,
das Laufrad die folgenden Bereiche ein: F i g. 2 in perspektivischer Darstellung eine erste

I. ein Eintrittsbereich, in dem sich die Kavitation 30 Ausführungsform eines Laufrades gemäß der Erfinnur auf der Saugseite der Laufradbeschaufelung, dung,

und zwar beim Einsetzen der Kavitation, sofort F i g. 3 die Draufsicht auf das angeströmte Vorder-

von der Schaufelwurzel bis zur Schaufelspitze ende des Laufrades gemäß F i g. 2,

über die gesamte Schaufelhöhe ausbildet, F i g. 4 einen halben Axialschnitt durch das in

II. ein Zwischenbereich, in dem die Kavitation auf- 35 einem Pumpengehäuse angeordnete Laufrad gemäß hört und Fig. 2 und 3, .

III. ein Förderbereich, in dem der Strömungskanal F i g. 5 einen halben Axialschnitt ähnlich der

durch die zu fördernde Flüssigkeit ausgefüllt ist. Fig.4 durch eine zweite Ausführungsform eines er-

Bei einer erfmdungsgemäßen Kreiselpumpe wird findungsgemäßen Laufrades,

bewußt Kavitation erzeugt. Da es sich hierbei nicht 40 F i g. 6 einen halben Axialschnitt ähnlich den

um eine ungeregelte zufällige Kavitation, sondern um F i g. 4 und 5 durch eine dritte Ausführungsform

eine in ihren räumlichen Abmessungen definierte Ka- eines erfindungsgemäßen Laufrades,

vitation handelt, kann der Kanalquerschnitt des Lauf- Das in den F i g. 2, 3 und 4 dargestellte Laufrad

rades entsprechend exakt ausgelegt werden, um besitzt eine kegelige Nabe 1, auf der drei Schaufeln 2

trotz der durch die Kavitation bedingten Einschnü- 45 in Art einer mehrgängigen Schraube angeordnet

rung des wirksamen Querschnittes noch eine aus- sind. Die Einlaufkanten 3 der Schaufeln sind als

reichende Flüssigkeitsmenge in das Laufrad eintreten Messerkanten oder keilähnlich mit einem kleinen

zu lassen. Dadurch läßt sich der Pumpvorgang auch eingeschlossenen Winkel von etwa 3° oder weniger

bei Bedingungen, die durch eine hohe Drehzahl und ausgebildet. Die Einlaufkanten erstrecken sich in

geringe Saughöhe gekennzeichnet sind, optimal 50 dem Ausführungsbeispiel gerade und in radialer

durchführen. Richtung von der Achse des Laufrades, können aber

Ein weiterer, entscheidender Vorteil der erfin- auch gekrümmt oder nach hinten oder vorne geneigt dungsgemäßen Kreiselpumpe ergibt sich dadurch, angeordnet sein. Jede Schaufel 2 ist zwischen der daß die Kavitation nur auf der Saugseite der Schaufel Einlaufkante 3 und der Austrittskante 4 gleichmäßig und von Beginn an sofort über die gesamte Schaufel- 55 gekrümmt und weist einen von einem kleinen Einhöhe auftritt (full-span cavitation). Dabei setzt die trittswinkelA (Fig. 1) zu einem größeren Austrittsdefinierte Kavitation bereits dann ein, wenn die winkel B (F i g. 1) zunehmenden Schaufelwinkel auf. Pumpe noch nicht mit maximaler Saughöhe arbeitet. In F i g. 4 ist das Laufrad andeutungsweise in einem Es ergeben sich so selbst bei sich ändernden BeIa- Gehäuses dargestellt. Eine teilweise Energieumsetstungen stets stabile Einlaufverhältnisse, durch die 60 zung des abströmenden Mediums erfolgt in dem Spi-Pulsationen und sekundäre Strömungen in dem ralraumo.

Schaufelkanal vermieden werden. Die erfindungsge- Fig. 1 zeigt die schematische Abwicklung zweier

mäße Pumpe zeigt die Neigung, Änderungen in der benachbarter Schaufeln, wie sie an dem Laufrad ge-

Saug- oder Förderhöhe innerhalb des Auslegungsbe- maß F i g. 2 bis 4 vorgesehen sind. Zu erkennen sind

reiches der Pumpe durch die Bewegung des Berei- 65 die in Form einer Messerkante ausgebildeten Einches II zum Eintritt oder Austritt des Laufrades hin lauf kanten 3 der Schaufeln 2 mit einem eingeschlos-

aufzunehmen, d. h. selbsteinstellend zu arbeiten. senen Winkel von etwa 3°, sowie der kleine Schau-

Von besonderem Vorteil ist auch, daß die Beendi- feleintrittswinkel A gemessen gegen die Bewegungs-

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richtung Z von weniger als 8°. Die erfindungsgemäß Die Beendigung der Kavitation in dem Zwischenvorgesehene scharfe Einlaufkante und der kleine bereich II wird erfindungsgemäß durch einen stärke-Eintrittswinkel erzeugen eine Kavitation, die bereits ren Anstieg des Schaufelwinkels hervorgerufen. Dies vor Erreichen der maximal zu fahrenden Saughöhe hat den Vorteil, daß übergroße Schaufellängen, die gleichzeitig über die gesamte Höhe der Schaufel, d. h. 5 zu Reibungsverlusten und einer Verringerung des von der Wurzel bis zur Spitze, einsetzt und sich nur Gesamtwirkungsgrades der Pumpe führen, vermieden auf der Saugseite der Schaufel 2 ausbildet. Das auf- werden. Gleichzeitig kann aber durch die gewählte tretende Kavitationsgebiet 7 ist in seinen räumlichen Zunahme des Schaufelwinkels erreicht werden, daß Abmessungen genau definiert, so daß sich zwischen in dem Zwischenbereich II nicht alle Kavitationsder Bewegungsrichtung X der Schaufeln 2 und der 10 hohlräume schlagartig in sich zusammenfallen, son-Tangente an die freie Begrenzung des Kavitationsge- dem daß das Kavitationsgebiet 7 über den gesamten bietes7 ein effektiver Eintrittswinkel C ergibt, der Bereich II verteilt ausläuft. Hierdurch wird die kleiner als der konstruktive Schaufeleintrittswinkel A Schaufeloberfläche weitgehend vor Erosionsschäden ist. Die bewußt erzeugte Kavitation stabilisiert die bewahrt.

Einlaufverhältnisse, unterdrückt Pulsationen und se- 15 Die in F i g. 5 gezeigte Pumpe hat ein Laufrad, kundäre Strömungen in dem Schaufelkanal und ver- dessen Schaufeln an einer Nabe 1" in der Art der hindert, da das Kavitationsgebiet 7 mit seiner verrin- Durchmesser geringfügig von dem Eintritt zum Ausgerten Viskosität unmittelbar hinter der Einlaufkante tritt ansteigt oder die im wesentlichen zylindrisch ist. beginnt, zugleich die Ausbildung von stärkeren Vor- Die Schaufeln 2' sind ähnlich den Schaufeln 2 des erwirbein, die vor den bekannten Laufrädern durch 20 sten Beispiels. Das Laufrad befindet sich in einem das Mitreißen des Strömungsmittels in Bewegungs- Gehäuse 5' mit einem Spiralraum 6'. Die Pumpe soll richtung der Einlaufkanten entstehen. einen geringeren Druckanstieg liefern als die in Wie bereits erwähnt, ist der Bereich der sich aus- F i g. 4 gezeigte Pumpe und ist beispielsweise geeigbildenden Kavitation als »Eintrittsbereich« bezeich- net zur Verwendung als Lade- oder Zubringerpumpe net und in der F i g. 1 durch I gekennzeichnet. Die- 25 für viele Anwendungsgebiete.

sem Bereich schließt sich der »Zwischenbereich II« Die in Fig. 6 gezeigte Pumpe hat ein Laufrad,

an, in dem die Kavitation durch einen entsprechend dessen Schaufeln an einer Nabe Y" in der Art der

starken Anstieg des Schaufelwinkels wieder beendet Schaufeln einer Radialpumpe angeordnet sind. Die

wird. Es folgt der »Förderbereich III«, in dem der Schaufeln 2"sind ähnlich den Schaufeln 2 des ersten

Strömungskanal wie bei einer normalen Pumpe 30 Beispiels. Das Laufrad ist von einem Gehäuse 5"um-

durch die geförderte Flüssigkeit ausgefüllt ist. Die geben, welches einen Spiralraum 6" aufweist. Die

Übergänge der in Fig. 1 angedeuteten Bereiche sind Pumpe nach Fig. 6 soll einen größeren Druckanstieg

fließend, da sich der Zwischenbereich II je nach den liefern als die Pumpe nach F i g. 4 und ist beispiels-

sich ändernden Saug- und Förderhöhen der Pumpe weise geeignet zum Pumpen von verflüssigten Gasen,

selbst einstellt. 35 insbesondere Wasserstoff für Raketentriebwerke.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 vitations-Hohlräume und damit ein Absinken der Patentansprüche: Saugfähigkeit der Pumpe zur Folge hat. Da jedoch die Kavitationsgefahr bei mit Teil- oder Überlast ge-

1. Kreiselpumpen-Laufrad, das wenigstens eine fahrenen Pumpen wächst, muß bei den unter Norschraubenartig ausgebildete, gekrümmte Schaufel 5 mallast an der Grenze der Kavitation ausgelegten mit einer dünnen Einlaufkante aufweist, die über Kreiselpumpen zumindest bei abweichender Last die gesamte wirksame Schaufelhöhe von der eine Kavitation in Kauf genommen werden.
Schaufelwurzel bis zur Spitze verjüngt und keilar- Ein bekannter Vorschlag zur Verbesserung der tig ausgebildet ist und einen kleinen Eintrittswin- Saugfähigkeit geht davon aus, daß die Kavitation kel besitzt, wobei die Schaufel einen von einem io grundsätzlich nicht zu vermeiden ist und daß deshalb kleinen Eintrittswinkel zu einem größeren Aus- versucht werden muß, die Kavitation möglichst getrittswinkel zunehmenden Schaufelwinkel auf- ring zu halten. Als Maßnahmen hierfür sind ein stoßweist, dadurch gekennzeichnet, daß freier Eintritt (Schaufeleintrittswinkel = 0°) und die Einlaufkante (3) der Laufradschaufel (2) in eine nur geringe Zunahme des Schaufelwinkels über Form einer Messerkante mit einem eingeschlosse- 15 die Schaufellänge genannt. Die erste Maßnahme hat nen Winkel von weniger als 3° ausgebildet ist zur Folge, daß auf beiden Seiten der Schaufel (Saug- und einen Schaufeleintrittswinkel (A) von weni- und Druckseite) eine allerdings begrenzte Kavitation ger als 8° besitzt, wodurch eine definierte Kavi- auftritt,.die wegen des insgesamt geringen Ausmaßes tation (7) allein auf der Saugseite der Schaufel der Kavitation die Saugfähigkeit steigern kann. Die und vom Eintreten der Kavitation an über deren 20 zweite Maßnahme führt dann allerdings dazu, daß gesamte Hohe erzeugt wird, so daß zwischen der verhältnismäßig große Schaufellängen mit entspre-Bewegungsrichtung (X) der Schaufel und der chender Zunahme der Reibungsverluste vorgesehen Tangente an die der Schaufel abgewandte Be- sein müssen, wenn es — wie gewünscht — nicht zu grenzung des Kavitationsgebietes (7) ein effekti- einer Überkavitation kommen, d. h. die Kavitation vor Eintrittswinkel (C) gegeben ist, der kleiner als 35 noch vor dem Schaufelaustritt beendet sein soll. Insder konstruktive Schaufeleintrittswinkel (A) ist; gesamt läßt sich mit diesen Maßnahmen daher nur und daß die Zunahme des Schaufelwinkels ausge- eine verhältnismäßig geringe Verbesserung der Saughend von dem Eintrittswinkel so bemessen ist, fähigkeit erreichen, wobei als Nachteile eine mögdaß die Kavitation in an sich bekannter Weise in liehe Schaufelerosion· sowie eine Verringerung des einem mittleren Bereich zwischen dem Eintritt 30 Wirkungsgrades und der Druckhöhe der Pumpe in und dem Austritt des Laufrades beendet ist. Kauf genommen werden müssen.

2. Kreiselpumpen-Laufrad nach Anspruch 1, Andere bekannte Vorschläge befassen sich mit der dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad eine Verbesserung der Kavitationsfestigkeit von Kreiselkegelige Nabe (1) aufweist, deren Spitze am Ein- pumpen vermittels Hilfsvorrichtungen. Neben andetritt des Laufrades liegt, und daß wenigstens zwei 35 rem wird vorgeschlagen, durch den Einbau eines Schaufeln (2) vorgesehen sind, die in Art einer Vorschalt-Axialrades in den Saugmund der Kreiselmehrgängigen Schraube auf der Nabe angeordnet pumpe eine einwandfreie Funktion der Kreiselpumpe ^sirid. selbst ohne Kavitationserscheinungen zu garantieren.

Eines dieser Vorschalt-Axialräder, das hinsichtlich

40 seiner konstruktiven Ausführung einem Kreiselpumpen-Laufrad des eingangs definierten Typs entspricht, arbeitet dabei bewußt unter voller Ausnut-

Die Erfindung betrifft ein Kreiselpumpen-Laufrad, zung der zur Verfügung stehenden Saughöhe mit «Jas wenigstens eine schraubenartig ausgebildete, ge- einer beachtlichen Kavitation. Im wesentlichen um Krünimte Schaufel mit einer dünnen Einlaufkante 45 die dadurch hervorgerufene Volumenvergrößerung ;uj t weist, die über die gesamte wirksame Schaufel- des Fördermittels auszugleichen, ist bei diesem Laufhohe von der Schaufelwurzel bis zur Spitze verjüngt rad der Kanalquerschnitt der Schaufel in Strö- und keilartig ausgebildet ist und einen kleinen Ein- mungsrichtung vergrößert, d. h. auch die Schaufel tnttswinkel besitzt, wobei die Schaufel einen von dieses Vorschalt-Axialrades weist einen vom kleinen einem kleinen Eintrittswinkel zu einem größeren 50 Eintrittswinkel zu einem größeren. Austrittswinkel Austrittswinkel zunehmenden Schaufelwinkel auf- zunehmenden Schaufelwinkel auf. Da in jedem Fall ^NV01st· die Kavitation beendet sein soll, bevor das Förder-Raumsparende und leichte Pumpenkonstruktio- mittel das Vorschaltrad verläßt, ist wiederum eine «en. wie sie zum Beispiel in der Raketentechnik er- ausreichend große Schaufelkanallänge vorgesehen, 'orderlich sind, lassen sich allgemein durch eine 55 die sich natürlich in zusätzlichen Reibungsverlusten iJrehzahlsteigerung des Laufrades erzielen. Dies und einer Verringerung des Gesamtwirkungsgrades liihrt jedoch insbesondere in Verbindung mit einer bemerkbar macht. Unabhängig davon läßt sich aber Sermgen Saughöhe, wie sie z. B. in der See- und mit einem unter Kavitation arbeitenden Vorschalt-Raumfahrt meist nur zur Verfugung steht, leicht zum · Axialrad dieses Typs die Kavitationsfestigkeit der einsetzen einer Kavitation innerhalb des Laufrades. 60 nachgeschalteten Kreiselpumpe verbessern.
Obwohl zur maximalen Ausnutzung der zur Verfü- Die bei den vorgenannten Lauf rädern auftretende $uns» stehenden Saughöhe derartige Kreiselpumpen Kavitation ist unkontrolliert und tritt sowohl auf der £<t von vornherein an der Grenze der eintretenden Saugseite als auch auf der Druckseite der Schaufel ^•ivitation ausgelegt werden, ist der Fachmann bis- auf. Sie beginnt an der äußersten Spitze der Schaufel her stest bemüht gewesen, eine Kavitation im Laufrad 65 und wächst mit sich ändernder Belastung in Schau- ^°^r Kreiselpumpe zu vermeiden, da diese unter ande- fellängsrichtung und über die Schaufelhöhe bis hin rem eine Verkleinerung des Durchflusses infolge der zur Radnabe. Durch diese instabilen Strömungsvertinschnürung des Kanalquerschnittes durch die Ka- hältnisse treten in dem Fördermittel nachteilige PuI-