DE1528804C3 - Axialkreiselpumpe - Google Patents

Description

Patentansprüche:

1. Axialkreiselpumpe mit zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Beschaufelungen mit entgegengesetzter Steigung, einer Antriebseinrichtung, welche die Beschaufelungen in einander entgegengesetzten Drehrichmngen mit gleicher Drehzahl antreibt, wobei jede Beschaufelung fest am inneren Umfang eines innerhalb des Pumpengehauses drehbar angeordneten zylindrischen Kanalstückes angeordnet ist und beide Kanalstücke gleichen Durchtrittsquerschnitt haben sowie koaxial gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaufelungen (37, 51; 92, 93) in an sich bekannter Weise von einzelnen Schaufeln (38, 52) gebildet sind, deren Länge zur Bildung eines freibleibenden axialen Durchgangs (39, 53) kürzer ist als der Radius der Kanalstücke (28, 44; 85, 88), daß der Anstellwinkel der Schaufeln (38) der in Strömungsrichtung vorgeschalteten Beschaufelung (37; 92) kleiner ist als der Anstellwinkel der Schaufeln (52) der in Strömungsrichtung nachgeschalteten Beschaufelung (51; 93) und daß die in Strömungsrichtung nachgeschaltete Beschaufelung (51; 93) phasenrichtig in dem Wirbelfeld des aus der vorgeschalteten Beschaufelung (37; 92) austretenden Strömungsmittels angeordnet ist.

2. Axialkreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der beiden Beschaufelungen (37, 51; 92. 93) schraubenförmig gewunden sind.

Die Erfindung betrifft eine Axialkreiselpumpe mit zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Beschaufelungen mit entgegengesetzter Steigung, einer Antriebseinrichtung, welche die Beschaufelungen in einander entgegengesetzten Drehrichtungen mit gleicher Drehzahl antreibt, wobei jede Beschaufelung fest am inneren Umfang eines innerhalb des Pumpengehäuses drehbar angeordneten zylindrischen Kanalstücks angeordnet ist und beide Kanalstücke gleichen Durchtrittsquerschnitt haben sowie koaxial gerichtet sind.

Für zahlreiche Anwendungen der Strömungstechnik erweisen sich Axialkreiselpumpen als besonders zweckmäßig. Normalerweise befindet sich bei einer derartigen Pumpe innerhalb des Strömungsmitteldurchgangs mindestens ein Antriebselement in Form einer Beschaufelung, die zwecks Beschleunigung des Strömungsmittels innerhalb des Strömungsmitteldurchgangs angetrieben wird. Ein Vorzug solcher Pumpen liegt darin, daß der Strömungsquerschnitt innerhalb der Pumpe nicht eingeengt und die Strömungsrichtung nicht verändert wird, wodurch die auf das Strömungsmittel innerhalb der Pumpe zu übertragende Antriebsleistung herabgesetzt wird. Solche bekannten Pumpen besitzen jedoch einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad, was insbesondere auf den erheblichen Rückdruck an der Druckseite des Antriebselementes zurückzuführen ist. Dieser Rückdruck innerhalb des Strömungsmitteldurchgangs macht eine zusätzliche Arbeitsleistung des Antriebselementes erforderlich, was sich ungünstig auf den Gesamtwirkungsgrad der Pumpe auswirkt.

Es ist bereits eine Axialkreiselpumpe bekannt (US-Patentschrift 24 70 794), bei der zwei rotierende Kanalstücke gleichen Durchtrittsquerschnitts hintereinander angeordnet sind und mit gleicher Drehzahl in entgegengesetzter Richtung angetrieben werden. In den Kanalstücken befinden sich schraubenförmige Schaufeln, die an ihrem radial außen liegenden Rand von den Kanalstücken und an ihrem radial innen liegenden Rand von einem Nabenteil gehalten sind. Die Schaufeln des ίο einen Kanalstückes haben einen dem Anstellwinkel der Schaufeln des anderen Kanalstücks genau entgegengesetzten Anstellwinkel.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Pumpe, daß dann, wenn das geförderte Strömungsmittel Fremdstoffe mitführt, Verstopfungen zu befürchten sind. Ferner ist keine Abstimmung des Anstellwinkels der nachgeordneten Beschaufelung an das Wirbelfeld des die vorgeschaltete Beschaufelung verlassenden Strömungsmittels vorgesehen, so daß nur geringe Wirkungsgrade erreicht werden können.

Es gehört weiterhin eine Pumpe zum Stand der Technik (US-Patentschrift 31-71 357), bei welcher der Einlaß und der Auslaß durch einen freibleibenden axialen Durchgang miteinander verbunden sind. .Diese Pumpe ist einstufig ausgebildet. Der Strömungskänal dieser Pumpe ist in Strömungsrichtung im beschaufelten Bereich radial nach außen hin erweitert, wobei die Schaufeln in dieser Erweiterung liegen. Dabei ergibt sich im Schaufelbereich eine Sekundärströmung, welehe sich mit der Hauptströmung verbindet und zu Verwirbelungen und damit zu Wirkungsgradeinbußen führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Axialkreiselpumpen der eingangs erwähnten Art Verstopfungen durch in dem geförderten Strömungsmittel mitgeführte Fremdstoffe zu vermeiden und dabei den Wirkungsgrad zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Axialkreiselpumpe der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Beschaufelungen in an sich bekannter Weise von einzelnen Schaufeln gebildet sind, deren Länge zur Bildung eines freibleibenden axialen Durchgangs kurzer ist als der Radius der Kanalstücke, daß der Anstellwinkel der Schaufeln der in Strömungsrichtung vorgeschalteten Beschaufelung kleiner ist als der Anstellwinkel der Schaufeln der in Strömungsrichtung nachgeschalteten Beschaufelung und daß die in Strömungsrichtung nachgeschaltete Beschaufelung phasenrichtig in dem Wirbelfeld des aus der vorgeschalteten Beschaufelung austretenden Strömungsmittels angeordnet ist. „,„

Auf diese Weise wird die gestellte Aufgabe bei einem äußerst einfachen technischen Aufbau gelöst.

Die Erfindung schlägt weiter vor, daß die Schaufeln der beiden Beschaufelungen schraubenförmig gewunden sind.

Im folgenden Teil der Beschreibung sind zwei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstands an Hand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
F i g. 1 eine Stirnansicht einer ersten Ausführungsform der Axialkreiselpumpe gemäß der Erfindung mit teilweise weggebrochenen Teilen,

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Axialkreiselpumpe gemäß der Erfindung und

F^;. g. 4 eine schematische Darstellung des Strö-

niungsfcldes zur Erläuterung der Wirkung der bei den Beschaufelungen auf das Strömungsfeld.

Die Axialkreiselpumpe gemäß den F i g. 1 und 2 besitzt ein Gehäuse 10 mit zwei parallel zueinander verlaufenden, mit einer gerundeten Bodenwandung 13 aus einem Stück bestehenden Seitenwandungen 11. 12, zwei parallelen Endwandungen 14, 15 und einer Deckwandung 16, die mit den Endwandungen 14, 15 verbunden ist und einen nach oben reichenden Nabenansatz

18 trägt. An die Endwandung 14 ist eine Einlaßleitung

19 angeschlossen, während mit der Endwandung 15 eine Abgabeleitung 20 verbunden ist. Einlaßleitung 19 und Abgabeleitung 20 haben kreisförmigen Querschnitt und sind mit Öffnungen 21 bzw. 22 der Endwandungen 14 bzw. 15 ausgerichtet. Innerhalb des Gehäuses 10 befinden sich zwei feste Tragringe 23 und 24. Der Tragring 23 trägt über Lager 26, 27 ein Drehbares zylindrisches Kanalstück 28.

Das Kanalstück 28 besitzt einen Vorderteil 32 mit geringcrem Außendurchmesser, der in die kreisförmige Öffnung 21 der Endwandung 14 dichtend eingreift. Der Innendurchmesser des Kanalstücks 28 entspricht dem Innendurchmesser der Einlaßleitung 19. Das rückwärtige Ende des Kanalstücks 28 besitzt einen Endteil 34 mit geringerem Außendurchmesser, der in einem Ringanschnitt 35 des Tragrings 24 dichtend Aufnahme findet.

Im rückwärtigen Endteil des Kanalstücks 28 befindet sich eine Beschaufelung 37, welche aus vier schraubenförmigen Schaufeln 38 besteht, die fest in dem Kanalstück 28 sitzen und radial nach innen bis nahe an die Längsachse des Kanalstücks 28 reichen, wobei ein axialer Durchgang 39 verbleibt.

Das vordere Stirnende des Tragringes 24 besitzt einen Ringansatz 40, in dem sich der Ringanschnitt 35 befindet und an den sich in rückwärtiger Richtung ein Ringflansch 41 anschließt, der axial ausgerichtet ist und dessen Innendurchmesser dem des Kanalstücks 28 entspricht. In dem Tragring 24 ist über Lager 42 und 43 ein zweites zylindrisches Kanalstück 44 drehbar gelagert.

Das Kanalstück 44 besitzt an seinem vorderen Ende einen Ringanschnitt 47, der den Ringflansch 41 des Ringansatzes 40 dichtend übergreift. Am rückwärtigen Ende des Kanalstücks 44 besitzt dieses einen Teil 49 mit vermindertem Außendurchmesser, der in der kreisförmigen Öffnung 22 der Endwandung 15 dichtend aufgenommen ist.

Der Innendurchmesser des Kanalstücks 44 ist den Innendurchmessern der Einlaßleitung 19, des Kanalstücks 28, des Ringflansches 41 sowie der Abgabeleitung 20 gleich, so daß der Strömungsmitteldurchgang innerhalb des Pumpengehäuses 10 keine Verengung enthält. Am Vorderende des Kanalstücks 44 befindet sich eine Beschaufelung 51 mit einem Satz Schaufeln 52 ähnlich den Schaufeln 38. Die Schaufeln 52 sind in das Kanalstück 44 fest eingelassen und reichen nach innen bis in unmittelbare Nähe seiner Längsachse, wobei aber ein axialer Durchgang 53 freibleibt. Die Schaufeln 52 sind schraubenförmig ausgebildet und weisen eine entgegengesetzte Steigung und einen größeren Anstellwinkel als die Schaufeln 38 auf, wie man an Hand der F i g. 2 erkennt. Außerdem ist der Abstand der Beschaufelung 51 gegenüber der Beschaufelung 37 auf einen bestimmten Wert eingestellt, wie im folgenden noch genau erläutert wird. Die Beschaufelungen 37 und 51 laufen jeweils zusammen mit den Kanalstücken 38 und 44 um.

Durch die Öffnung des Nabenansatzes 18 der Deckwandung 16 des Gehäuses 10 reicht eine Antriebswelle 54 hindurch, die radial gegenüber der Achse der Kanalstiicke 28 und 44 ausgerichtet ist. Die Antriebswelle 54 trägt im Bereich ihres unteren Endes ein fest aufgesetztes Kegelrad 59. Der Antrieb wird von dem Kegelrad 59 auf die Kanalstücke 28, 44 jeweils mittels eines Kegelrades 62 bzw. 63 übertragen, wobei diese Kegelräder 62, 63 mit dem Kegelrad 59 kämmen und fest auf die Kanalstücke 28, 44 aufgezogen sind. Beim Umlauf der Welle 54 werden die Kegelräder 62 und 63 jeweils so mitgenommen, daß sich die Kanalstücke 28, 44 synchron mit entgegengesetzter Drehrichtung drehen.

Fig.4 zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse bei der Pumpe nach den F i g. 1 und 2, wenn die Antriebswelle 54 in Pfeilrichtung angetrieben wird, wobei sich das Kanalstück 28 — bei Betrachtung von F i g. 1 — im Gegenuhrzeigersinn dreht. Sobald die Schaufeln 38 der Beschaufelung 37 in Drehung kommen, wird das in das Kanalstück 28 eintretende Strömungsmittel durch die Schaufeln 38 erfaßt und in Form einer Wirbelströmung 64 weiterbefördert. Die aus der Beschaufelung 37 kommende Wirbelströmung 64 ist innerhalb mehrerer Periodenlängen im wesentlichen sinusförmig, was im einzelnen von der Größe des auf das Strömungsmittel übertragenen Druckes abhängt. Die Beschaufelung 51 ist in axialer Richtung gegenüber "der Beschaufelung 37 derart versetzt, daß sich die Beschaufelung 51 mit der Bewegungjtles von der Beschaufelung 37 kommenden Strömungsmitteln in Phase befindet. Wenn das Strömungsmittel durch die in entgegengesetzter Richtung angestellten und in entgegengesetzter Richtung zu der Beschaufelung 37 umlaufenden Schaufeln 52 erfaßt wird, fließt die Strömung im wesentlichen parallel zu den Flächen der Schaufeln 52. Das Strömungsmittel erfährt deshalb von den Schaufeln 52 einen Druck, der im wesentlichen senkrecht zu der betreffenden Stromlinie verläuft, so daß die Richtung der Wirbelströmung 64 umgekehrt wird. Da die Schaufeln 52 einen größeren Anstellwinkel haben als die Schaufeln 38. wird außerdem ein größerer Druck auf das aus den Schaufeln 52 austretende Strömungsmittel übertragen, so daß das Strömungsfeld hinter der Beschaufelung 51 den Stromlinienverlauf 65 annimmt.

Dadurch, daß das aus der ersten Beschaufelung 37 austretende Strömungsmittel die Schaufeln 52 im wesentlichen parallel anströmt und durch diese einen entgegengesetzt wirkenden Druck erfährt, wird der sich normalerweise an der Druckseite der Beschaufelung 37 ausbildende Rückdruck im wesentlichen aufgehoben, so daß höhere Drücke und höhere Durchflußvolumina erhalten werden. Die axialen Durchgänge 39 und 53 der Beschaufelungen 37, 51 lassen alle in dem Strömungsmittel enthaltenen Fremdstoffe durch die Pumpe hindurchtreten, ohne daß eine Verstopfung vorkommen kann. Der Anstellwinkel der Schaufeln 38 und 52 kann jeden gewünschten Wert haben, so lange der Anstellwinkel der Schaufeln 52 größer als der der Schaufeln 37 ist. Für eine entsprechende Funktion der Pumpe ist es wichtig, daß die Beschaufelung 51 phasenrichtig in das Wirbelfeld 64 des aus der Beschaufelung 37 austretenden Strömungsmittels eingesetzt ist. Außerdem müssen die Schaufeln 52 eine entgegengesetzte Steigung wie die Schaufeln 37 aufweisen und die beiden Beschaufelungen 37, 51 synchron in entgegengesetzten Drehrichtungen umlaufen.

Die in Fig.3 dargestellte Axialkreiselpumpe entspricht in den Grundzügen der zuvor beschriebenen Ausführungsform derselben. Bei ihr ist lediglich ein abgewandelter Antrieb für die Beschaufelungen vorgesehen.

Die Axialkreiselpumpe nach F i g. 3 besitzt ein Gehäuse 66 mit zwei fest verbunden Abschnitten 67 und 68, wobei in jedem dieser Abschnitte ein zylindrisches Kanalstück 85, 88 drehbar gelagert ist. Das Kanalstück 85 ist an eine Einlaßleitung 84 angeschlossen, während das Kanalstück 88, welches den gleichen Innendurchmesser hat wie das Kanalstück 85, mit einer Abgabeleitung 91 verbunden ist. Der Strömungsmitteldurchgang weist dabei von der Einlaßleitung 84 bis zur Abgabeleitung 91 keine Einschnürung auf.

Die Kanalstücke 85 und 88 nehmen je eine Beschaufelung 92 und 93 auf, die den Beschaufelungen 37, 51 der Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 im wesentlichen entsprechen.

Auf die Kanalstücke 85 und 88 sind Rotorelemente 94 und 95 fest aufgebracht, die induktiv mit je einem an einem Gehäuseabschnitt 67 bzw. 68 gehaltenen Stator 96 bzw. 97 gekoppelt sind. Diese Anordnungen arbeiten als Elektromotoren, wodurch die Kanalstücke 85 und 88 gedreht werden. Die Elektromotoren sind mittels entsprechender Anschlußklemmen und Steuerklemmcn derart angeschlossen, daß sich die Kanalstükke 85 und 88 gegenläufig entsprechend den Kanalstükken der zuvor beschriebenen Ausführungsform drehen. Die Drehung des Kanalstücks 85 wird mit der gegenläufigen Drehung des Kanalstücks 88 durch zwei Kegelräder 98 und 99 synchronisiert, die jeweils mit einem auf den Kanalstücken 85, 88 aufgekeilten Kegelrad 100 bzw. 101 kämmen.

Die Axialkreiselpumpe nach F i g. 3 arbeitet im wesentlichen in gleicher Weise wie die zuvor beschriebene Ausführungsform derselben, wobei der einzige Unterschied in dem abgewandelten Antrieb der Kanalstücke 85 und 88 liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Axialkreiselpumpe mit zwei in Strömiingsrichlung hintereinander angeordneten Beschaufelungen mit entgegengesetzter Steigung, einer Antriebseinrichtung, weiche die Beschaufelungen in einander entgegengesetzten Drehrichtungen mit gleicher Drehzahl antreibt, wobei jede Beschaufelung fest am inneren Umfang eines innerhalb des Pumpengehäuses drehbar angeordneten zylindrischen Kanalstückes angeordnet ist und beide Kanalstücke gleichen Durchtrittsquerschnitt haben sowie koaxial gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaufelungen (37, 51; 92, 93) in an sich bekannter Weise von einzelnen Schaufeln (38, 52) gebildet sind, deren Länge zur Bildung eines freibleibenden axialen Durchgangs (39, 53) kürzer ist als der Radius der Kanalstücke (28, 44; 85, 88), daß der Anstellwinkel der Schaufeln (38) der in Strömungsrichtung vorgeschalteten Beschaufelung (37; 92) kleiner ist als der Anstellwinkel der Schaufeln (52) der in Strömungsrichtung nachgeschalteten Beschaufelung (51; 93) und daß die in Strömungsrichtung nachgeschaltete Beschaufelung (51; 93) phasenrichtig in dem Wirbelfeld des aus der vorgeschalteten Beschaufelung (37; 92) austretenden Strömungsmittels angeordnet ist.

2. Axialkreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der beiden Beschaufelungen (37, 51; 92. 93) schraubenförmig gewunden sind.

Die Erfindung betrifft eine Axialkreiselpumpe mit zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Beschaufelungen mit entgegengesetzter Steigung, einer Antriebseinrichtung, welche die Beschaufelungen in einander entgegengesetzten Drehrichtungen mit gleicher Drehzahl antreibt, wobei jede Beschaufelung fest am inneren Umfang eines innerhalb des Pumpengehäuses drehbar angeordneten zylindrischen Kanalstücks angeordnet ist und beide Kanalstücke gleichen Durchtrittsquerschnitt haben sowie koaxial gerichtet sind.

Für zahlreiche Anwendungen der Strömungstechnik erweisen sich Axialkreiselpumpen als besonders zweckmäßig. Normalerweise befindet sich bei einer derartigen Pumpe innerhalb des Strömungsmitteldurchgangs mindestens ein Antriebselement in Form einer Beschaufelung, die zwecks Beschleunigung des Strömungsmittels innerhalb des Strömungsmitteldurchgangs angetrieben wird. Ein Vorzug solcher Pumpen liegt darin, daß der Strömungsquerschnitt innerhalb der Pumpe nicht eingeengt und die Strömungsrichtung nicht verändert wird, wodurch die auf das Strömungsmittel innerhalb der Pumpe zu übertragende Antriebsleistung herabgesetzt wird. Solche bekannten Pumpen besitzen jedoch einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad, was insbesondere auf den erheblichen Rückdruck an der Druckseite des Antriebselementes zurückzuführen ist. Dieser Rückdruck innerhalb des Strömungsmitteldurchgangs macht eine zusätzliche Arbeitsleistung des Antriebselementes erforderlich, was sich ungünstig auf den Gesamtwirkungsgrad der Pumpe auswirkt.

Es ist bereits eine Axialkreiselpumpe bekannt (US-Patentschrift 24 70 794), bei der zwei rotierende Kanalstücke gleichen Durchtrittsquerschnitts hintereinander angeordnet sind und mit gleicher Drehzahl in entgegengesetzter Richtung angetrieben werden. In den Kanalstücken befinden sich schraubenförmige Schaufeln, die an ihrem radial außen liegenden Rand von den Kanalstücken und an ihrem radial innen liegenden Rand von einem Nabenteil gehalten sind. Die Schaufeln des

ίο einen Kanalstückes haben einen dem Anstellwinkel der Schaufeln des anderen Kanalstücks genau entgegengesetzten Anstellwinkel.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Pumpe, daß dann, wenn das geförderte Strömungsmittel Fremdstoffe mitführt, Verstopfungen zu befürchten sind. Ferner ist keine Abstimmung des Anstellwinkeis der nachgeordneten Beschaufelung an das Wirbelfeld des die vorgeschaltete Beschaufelung verlassenden Strömungsmittels vorgesehen, so daß nur geringe Wirkungsgrade erreicht werden können.

Es gehört weiterhin eine Pumpe zum Stand der Technik (US-Patentschrift 31 71 357), bei welcher der Einlaß und der Auslaß durch einen freibleibenden axialen Durchgang miteinander verbunden sind. Diese Pumpe ist einstufig ausgebildet. Der Strömungskanal dieser Pumpe ist in .Strömungsrichtung im beschaufelten Bereich radial nach außen hin erweitert, wobei die Schaufeln in dieser Erweiterung liegen. Dabei ergibt sich im Schaufelbereich eine Sekundärströmung, weiehe sich mit der Hauptströmung verbindet und zu Verwirbelungen und damit zu Wirkungsgradeinbußen führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Axialkreiselpumpen der eingangs erwähnten Art Verstopfungen durch in dem geförderten Strömungsmittel mitgeführte Fremdstoffe zu vermeiden und dabei den Wirkungsgrad zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Axialkreiselpumpe der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Beschaufelungen in an sich bekannter Weise von einzelnen Schaufeln gebildet sind, deren Länge zur Bildung eines freibleibenden axialen Durchgangs kürzer ist als der Radius der Kanalstücke, daß der Anstellwinkel der Schaufeln der in Strömungsrichtung vorgeschalteten Beschaufelung kleiner ist als der Anstellwinkel der Schaufeln der in Strömungsrichtung nachgeschalteten Beschaufelung und daß die in Strömungsrichtung nachgeschaltete Beschaufelung phasenrichtig in dem Wirbelfeld des aus der vorgeschalteten Beschaufelung austretenden Strömungsmittels angeordnet ist. ^:~^:"

Auf diese Weise wird die gestellte Aufgabe bei einem äußerst einfachen technischen Aufbau gelöst.

Die Erfindung schlägt weiter vor, daß die Schaufeln der beiden Beschaufelungen schraubenförmig gewunden sind.

Im folgenden Teil der Beschreibung sind zwei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstands an Hand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

F i g. I eine Stirnansicht einer ersten Ausführungsform der Axialkreiselpumpe gemäß der Erfindung mit teilweise weggebrochenen Teilen,

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Axialkreiselpumpe gemäß der Erfindung und

Fig.4 eine schematische Darstellung des Strö-