DE19539162C2 - Radialrad für eine geschlossene Kreiselpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Radialrad für eine Kreiselpumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist allgemein bekannt, daß zwei generelle Arten von Wasserpumpen für den Einsatz in einem Flüssigkeitskühlsystem eines Automobiles verwendet werden. Die offene Kreiselpumpe hat einen Rotor, der einen Kranz von Ebenen oder gebogenen Schaufeln bzw. Flügeln an seinem äußeren Umfang aufweist. Die geschlossene Kreiselpumpe weist ein Paar von Trag­ scheiben mit einem dazwischen angeordneten Kranz von Schau­ feln auf. Eine derartige geschlossene Kreiselpumpe ist in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung (Jikkai Showa) Nr. 58-177584 beschrieben und deren Aufbau in Fig. 5 dargestellt.

Gemäß Fig. 5 weist die bekannte Kreiselpumpe ein Pumpen­ gehäuse 1 mit einer Pumpenkammer 2, eine Pumpenwelle 3, die in die Pumpenkammer 2 eingesetzt ist und eine Antriebsver­ bindung mit einer nicht näher dargestellten Motorkurbelwelle aufweist, und ein Radialrad 4 auf, welches drehbeweglich in der Pumpenkammer 2 angeordnet ist. Wie sich aus Fig. 5 ergibt, ist das Radialrad 4 fest an einem Ende der Pumpen­ welle 3 mittels einer Mutter 10 befestigt. Das Radialrad 4 weist eine hintere Tragscheibe (Schaufelverstärkungsblech) 5 auf, dessen innenumfangsseitiger nabenartiger Bereich 5a fest an dem Ende der Pumpenwelle 3 mittels der Mutter 10 befestigt ist. Ferner weist das Radialrad 4 eine vordere Tragscheibe 6 auf, welche vor der hinteren Tragscheibe 5 derart angeordnet ist, daß sie der gekrümmten Innenfläche der hinteren Tragscheibe 5 gegenübersteht. Ferner weist das Radialrad 4 einen Kranz von Schaufeln 7 auf, die umfangs­ seitig beabstandet zwischen den Tragscheiben 5 und 6 angeordnet sind. Wie sich aus Fig. 5 ergibt, ist die hintere Tragscheibe 5 oft mit einer Druckausgleichsbohrung 5b versehen, welche zur Reduktion einer Druckdifferenz zwischen den Fluiddrücken jeweils an inneren und äußeren Wandflächen der hinteren Tragscheibe 5 angeordnet ist, wodurch unerwünschte Druck- oder Stoßeinwirkungen auf die Pumpen­ welle 3 vermindert werden. Ferner ist ein im wesentlichen ringförmiger Fluidströmungsdrosselbereich 5c vorgesehen, welcher dazu dient, aus der Druckausgleichsöffnung 5b und um die Pumpenwelle 3 ausströmendes Fluid daran zu hindern, auf den Außenumfang des Radialrades 4 gelenkt zu werden. Obwohl es nicht im einzelnen dargestellt ist, sind die jeweiligen Schaufeln 7 rückwärtig bezüglich der Drehrichtung des Radialrades 4 gekrümmt und sind nach Art eines Wirbels bzw. einer Spirale angeordnet. Die (saugseitige) Schaufelein­ trittskante 7a einer jeden Schaufel 7 steht dem Pumpeneinlaß gegenüber, wohingegen die (druckseitige) Schaufelaustritts­ kante 7b mit dem äußersten Ende der jeweiligen Tragscheiben 5 und 6 fluchtet und dem Pumpenauslaß 9 gegenüberliegt.

Wenn das Radialrad 4 bei der oben beschriebenen Anordnung durch Drehung der Pumpenwelle 3 in Drehung versetzt wird, wird das ankommende Fluid (das Kühlmittel) von dem Pumpen­ einlaß 8 her nach außen durch einen Fluidkanal, der zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen von benachbarten Schaufeln 7 und den gegenüberliegenden Innenwandflächen der beiden Tragscheiben 5 und 6 begrenzt wird, durch Zen­ trifugalkraft geleitet, und so wird das unter Druck gesetzte Kühlmittel durch den Pumpenauslaß 9 und in die Kühlmittel­ taschen des Motorblocks oder Zylinderkopfes gedrückt.

Bei der oben beschriebenen geschlossenen Kreiselpumpe, die bei dem Druckzirkulationssystem verwendet wird, ist, wie aus Fig. 5 deutlich ersichtlich, die Schaufeleintrittskante 7a der Schaufel 7 leicht geneigt, so daß sie sich von der inneren gekrümmten Wand der vorderen Tragscheibe 6 zum inneren umfangsseitigen nabenartigen Bereich 5a der hinteren Tragscheibe 5 erstreckt. Die Form der jeweiligen Schaufeln 7, nämlich deren Dimension und Geometrie, sind identisch zueinander. D.h. daß die Schaufeleintrittskante 7a der je­ weiligen Schaufel 7 den gleichen Neigungswinkel hat, wie er in Fig. 5 dargestellt ist. Wenn daher die Zahl der Schaufeln 7 mit gleicher Form einfach zum Zwecke der Verbesserung der Pumpeneffizienz erhöht wird, wird die Gesamtdicke der Schaufeleintrittskanten 7a aller Schaufeln 7 proportional entsprechend der vergrößerten Anzahl erhöht, was die Gesamtfläche des Fluidströmungsweges in der Nachbarschaft des Pumpeneinlasses 8 vermindert. Wie aus dem Bernoulli- Theorem bekannt ist, wird die Fluidgeschwindigkeit im verengten Bereich erhöht, wenn ein inkompressibles (un­ elastisches) Fluid durch einen engeren Strömungskanal fließt, wohingegen der Fluiddruck herabgesetzt wird. Als Ergebnis der Reduktion der Gesamtströmungsfläche tendiert der Druck des Kühlmittels dazu, sich am Pumpeneinlaß 8. abzusenken und wird beträchtlich, insbesondere kurz nach dem Pumpeneinlaß, abgesenkt. In diesem Falle entsteht eine Ten­ denz für Kavitationserscheinungen. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, daß die Pumpeneffizienz bzw. Pumpenleistung aufgrund einer Kollision zwischen dem einströmenden Kühl­ mittel und den jeweiligen Schaufeleintrittskanten 7a der erhöhten Anzahl von Schaufeln reduziert wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Radial­ rad für eine geschlossene Kreiselpumpe zu schaffen, die ins­ besondere für das Flüssigkeitskühlsystem eines Automobilmo­ tors geeignet ist und die zuvor erläuterten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Anspruch 2 hat eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zum Inhalt.

Die Erfindung wird in nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen an der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Radi­ alrades bzw. einer erfindungsgemäßen geschlossenen Kreiselpumpe, gesehen aus Richtung des Pfeiles X (aus Umfangsrichtung) der Fig. 2, wobei die Ansicht teilweise geschnitten dargestellt ist;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Radialrades entlang der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der gekrümmten Linien B-B der Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der gekrümmten Linien C-C der Fig. 2; und

Fig. 5 eine Seitenansicht einer bekannten geschlossenen Kreiselpumpe in teilweiser Schnittdarstellung.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung, insbesondere Fig. 1 und 2, ist eine Kreiselpumpe des geschlossenen Typs einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Pumpe weist ein Pumpen­ gehäuse 11 mit einer darin befindlichen Pumpenkammer 12 auf. Ein Radialrad 14 ist in der Pumpenkammer 12 angeordnet. Eine Pumpenwelle 13 ist in die Pumpenkammer 12 zum Zwecke der Drehung des Radialrades 14 eingesetzt. Das Radial- bzw. Pum­ penrad (Flügelrad) 14 der Zentrifugalpumpe weist eine hin­ tere Tragscheibe 15 mit einer im wesentlichen gekrümmten Innenwandfläche an einem inneren umfangsseitigen naben­ artigen Abschnitt 15a und eine im wesentlichen ebene Innen­ wandfläche 15c an einen sich radial erstreckenden Umfangsab­ schnitt 15b auf. Eine vordere Tragscheibe 16 ist vor der hinteren Tragscheibe 15 angeordnet, so daß die Innenwand­ fläche der vorderen Tragscheibe 16 der Innenwandfläche 15c der hinteren Tragscheibe 15 gegenüber angeordnet ist. Ein Kranz von Flügeln bzw. Schaufeln 17 ist zwischen den beiden einander gegenüberstehenden Innenwandflächen der Trag­ scheiben 15 und 16 angeordnet und einstückig mit den einan­ der gegenüberstehenden Tragscheiben verbunden. Die hintere Tragscheibe 15 ist am Vorderende der Pumpenwelle 13 mittels einer Mittelbohrung in dem vergleichsweise dicken naben­ artigen Abschnitt 15a montiert und fest auf der Pumpenwelle 13 üblicherweise mittels einer Mutter fixiert. Andererseits weist die vordere Tragscheibe 16 einen im wesentlichen zylindrischen sich axial erstreckenden inneren Umfangsab­ schnitt 16a, einen im wesentlichen ringförmigen sich radial erstreckenden Umfangsabschnitt 16b, der leicht auf die Mittellinie hin (in Radialrichtung des Radialrades) geneigt ist, und einen gebogenen Zwischenabschnitt auf (die innere gekrümmte Wandfläche bezüglich der Stromlinie des einströ­ menden Kühlmittels), der den sich axial erstreckenden Innen­ umfangsabschnitt 16a und den sich radial erstreckenden Um­ fangsabschnitt 16b miteinander verbindet. Der sich axial erstreckende Innenumfangsabschnitt 16a der vorderen Trag­ scheibe 16 und der nabenartige Abschnitt 15a der hinteren Tragscheibe 15 begrenzen einen Pumpeneinlaß 18 (Kühlmit­ teleinlaß) zwischeneinander. Der Pumpeneinlaß 18 steht mit dem nicht näher dargestellten Kühlmittelzuführkanal in Ver­ bindung. Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, sind die je­ weiligen Schaufeln 17 einstückig mit den Tragscheiben 15 und 16 verbunden und spiral- bzw. wirbelartig zwischen dem sich radial erstreckenden Umfangsabschnitt 15b der hinteren Tragscheibe und dem sich radial erstreckenden Umfangsab­ schnitt 16b der vorderen Tragscheibe angeordnet. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die jeweiligen Schaufeln 17 rückwärtig bezüglich der Drehrichtung des Radialrades 14 gekrümmt sind und umfangsseitig in gleichen Abständen wirbel- bzw. spiralartig angeordnet sind. Die Schaufelaustrittskante (die Außenkante) 17b (die Abströmseite oder Druckseite) einer je­ den Schaufel 17 liegt fluchtend zu dem äußersten Ende der jeweiligen Tragscheiben 15 und 16. Zu beachten ist, daß die jeweiligen Neigungswinkel der Schaufeleintrittskanten 17a und 17c (Saugseite) der beiden benachbarten Schaufeln 17 sich voneinander unterscheiden, wie dies aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist. Wie Fig. 3 verdeutlicht, sind die beiden benachbarten Schaufeln, nämlich eine Schaufel mit der Schau­ feleintrittskante 17a eines ersten Neigungswinkels und eine Schaufel mit der Schaufeleintrittskante 17c eines zweiten Neigungswinkels, der unterschiedlich zum ersten Neigungs­ winkel ist, alternierend bezüglich einander in Umfangs­ richtung des Radialrades 14 angeordnet. D.h., wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, daß die Schaufeleintrittskante 17a einer der zwei Schaufeln 17 von der im wesentlichen ebenen Innenwandfläche 15c der hinteren Tragscheibe 15 im wesentli­ chen nach unten zum gebogenen Zwischenabschnitt geneigt ist, der einstückig mit dem sich axial erstreckenden inneren Umfangsabschnitt 16a der vorderen Tragscheibe 16 verbunden ist. Die Schaufeleintrittskante 17c der anderen Schaufel 17 ist von dem sich radial erstreckenden Umfangsabschnitt 16b der vorderen Tragscheibe 16 in Richtung auf den hinteren nabenartigen Abschnitt 15a nach unten geneigt, der insbeson­ dere die äußere gekrümmte Wandfläche bezüglich der Strom­ linie des einströmenden Kühlmittels darstellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Schaufeleintrittskanten 17a und 17c der beiden benachbarten Schaufeln 17 in verschiedene Rich­ tungen geneigt bzw. schräggestellt, so daß die Schaufel­ eintrittskanten 17a und 17c einander im wesentlichen auf einer mittleren Stromlinie des Kühlmittels zwischen den Schaufeln kreuzen, und zwar gesehen aus der Umfangsrichtung in Fig. 1. Mit anderen Worten, gesehen in Radialrichtung des Pumpenrades gemäß Fig. 3, sind die Schaufeleintrittskanten 17a und 17c der beiden benachbarten Schaufeln 17 in ver­ schiedene Richtungen geneigt, so daß eine Schaufeleintritts­ kante 17a sich allmählich von der Innenwandfläche der vorderen Tragscheibe 16 auf die Innenwandfläche 15c der hinteren Tragscheibe 15 nach unten neigt (d. h. von der inneren Ecke der Schaufeleintrittskante 17c zur äußeren Ecke der Schaufeleintrittskante 17c). Unter Berücksichtigung von Stromlinien des Kühlmittels, das durch den Pumpeneinlaß 18 fließt, wie dies durch die Pfeile in Fig. 1 dargestellt ist, fließt das Kühlmittel vom Radialrad 14 über der Schaufel­ eintrittskante 17c der Schaufel 17, so daß ein größerer Anteil der Fluidmasse des einströmenden Kühlmittels über der Schaufeleintrittskante 17c fließen wird, die sich von dem nabenartigen Abschnitt 15a der hinteren Tragscheibe 15 neigt, und hauptsächlich entlang der Innenwandfläche 15c der hinteren Tragscheibe 15 geleitet wird. Insbesondere wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels vergleichsweise niedrig ist, fließt ein größerer Anteil des einströmenden Kühlmittels über die gemäß Fig. 1 rechte Seite der Schaufel­ eintrittskante 17c, wobei ein gewisser Anteil des einströ­ menden Kühlmittels dazu tendiert, auf der in Fig. 1 linken Seite der Schaufeleintrittskante 17c mit turbulenter Strömung zu fließen, nämlich in der Nähe der äußeren Ecke der Schaufeleintrittskante 17c. Das bedeutet, daß die niedrige Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels die Tendenz zur Folge hat, einen Rückfluß über eine turbulente Strömung zu erzeugen, wie beispielsweise eine wirbelartige stagnierende Kühlmittelmenge nahe der Außenecke der Schau­ feleintrittskante 17c. Es ist ersichtlich, daß ein größerer Anteil des einströmenden Kühlmittels dazu tendiert, mit der rechten Seite der Kante 17c zu kollidieren als mit der linken Seite der Kante 17c im Bereich des Pumpeneinlasses 18. Aus den zuvor genannten Gründen wird bei der Pumpenrad­ anordnung gemäß vorliegender Erfindung die Kollision zwischen dem einströmenden Kühlmittel bzw. Fluid und den Kanten 17a der Schaufeln zumindest beträchtlich gemildert, da die Schaufeleintrittskante 17a der Schaufel, die zwischen den beiden benachbarten Schaufeln der Schaufeleintrittskante 17c verschachtelt angeordnet ist, im wesentlichen entlang der Strömungsrichtung (der Stromlinie) des Kühlmittels geneigt oder abgeschrägt ist. Dies steuert zu einer Verbesserung der Pumpenleistung bzw. Pumpeneffizienz bei. Zusätzlich dient die linke Seite der zusätzlich eingefaßten Schaufel der Schaufeleintrittskante 17a als Verstärkungs­ flügel, welcher eine unerwünschte turbulente Strömung an der Außenecke der Kante 17c verhindert. Es ist ersichtlich, daß die Neigungswinkel der Schaufeleintrittskanten 17a und 17c in Abhängigkeit von gewünschten Charakteristiken der Krei­ selpumpe oder gewünschten technischen Spezifikationen der Pumpe geeignet variiert werden können, wobei es sich bei den Charakteristiken beispielsweise um die Nettoförderhöhe der Pumpe, einen maximalen Arbeitsdruck, eine Förderleistung der Pumpe, eine maximale Drehzahl der Pumpe und ähnliches handeln kann.

Wie sich weiterhin aus der Schnittdarstellung der Fig. 3 ergibt, sind die beiden benachbarten Schaufeln 17, die die jeweiligen Schaufeleintrittskanten 17a und 17c haben, die in die verschiedenen Richtungen geneigt bzw. abgeschrägt sind, alternierend zueinander angeordnet, so daß die Steigerung zwischen den beiden benachbarten Schaufeln von identischem Neigungswinkel der Schaufeleintrittskanten als vergrößert angesehen werden kann. Als Ergebnis hiervon kann die Gesamtfläche des Fluidströmungskanales tatsächlich bei und nahe den Kanten der Schaufeln 17 in der Nachbarschaft des Pumpeneinlasses 18 vergrößert werden, und zwar im Vergleich zu einem Zustand, bei dem die Schaufeln der Schaufelein­ trittskanten 17a alle durch die Schaufel der Schaufelein­ trittskante 17c ersetzt sind. Hieraus ergibt sich, daß, selbst wenn die Zahl der Schaufeln 17 erhöht wird, der Radialradaufbau gemäß vorliegender Erfindung eine Verhin­ derung einer unerwünschten Reduzierung der Gesamtfläche des Fluidströmungsweges nahe den Schaufeleintrittskanten möglich macht. Die Verminderung des Fluiddruckes, der nahe den Schaufeleintrittskanten auftritt, kann effektiv unterdrückt werden, was das Auftreten von Kavitation bei der ge­ schlossenen Kreiselpumpe vermeidet.

Darüber hinaus kann das Radialrad 14 auf einfache Art und Weise gestaltet oder geformt werden, da die beiden benach­ barten Schaufeln 17, nämlich die Schaufel der Schaufelein­ trittskante 17a und die Schaufel der Schaufeleintrittskante 17c, abwechselnd in Umfangsrichtung des Radialrades ange­ ordnet sind, so daß ihre Neigungswinkel unterschiedlich zueinander sind. Eine Zunahme der Produktionskosten der geschlossenen Kreiselpumpe kann daher auf ein Minimum beschränkt werden.

Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform im wesentlichen gerade Schaufeleintrittskanten 17a und 17c sich im wesentli­ chen auf einer mittleren Strömungslinie des zwischen den beiden benachbarten Schaufeln 17 fließenden Kühlmittels schneiden, und zwar gesehen in Umfangsrichtung des Radial­ rades, können sich auch leicht gekrümmte Kanten einander im wesentlichen auf der mittleren Strömungslinie des Kühlmit­ tels zwischen den Schaufeln kreuzen. D.h., daß die Form der Schaufeleintrittskante nicht auf eine geradlinige Schaufel­ eintrittskante beschränkt ist. Zum Beispiel kann die Innen­ kante in Abhängigkeit von der gewünschten technischen Spezifikation der Pumpe auch leicht gekrümmt ausgebildet sein.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen:
Die Erfindung betrifft eine geschlossene Kreiselpumpe und insbesondere ein Radialrad für eine derartige Pumpe, die insbesondere für inkompressible Fluide, wie beispielsweise das Kühlmittel eines Motors, geeignet ist. Die Pumpe bzw. das Radialrad weist vordere und hintere Tragscheiben bzw. Schaufelbleche auf, die in Antriebsverbindung mit einer Pumpenantriebswelle 13 stehen. Eine Serie von Schaufeln bzw. Flügeln 17 ist zwischen den vorderen und hinteren Tragscheiben 15 und 16 angeordnet, um ein einströmendes Fluid unter Druck zu setzen. Eine Schaufeleintrittskante 17a einer ersten Schaufel zweier benachbarter Schaufeln ist aufwärts von innen nach außen schräg bzw. geneigt ausgestaltet, während eine Schaufeleintrittskante 17c einer zweiten Schaufel der beiden benachbarten Schaufeln von außen nach innen abwärts geneigt bzw. schräg verlaufend ausgebildet ist, so daß die Effizienz bzw. Leistung der Pumpe erhöht wird und das Auftreten von Kavitationserscheinungen am oder nahe des Pumpeneinlasses unterdrückt wird.

Claims (2)

1. Radialrad für eine Kreiselpumpe

• - mit vorderen und hinteren Tragscheiben (16, 15);
• - mit einem Kranz von rückwärts gekrümmten Schaufeln (17), die zwischen den vorderen und hinteren Trag­ scheiben (16, 15) angeordnet sind; und
• - mit geneigten Schaufeleintrittskanten (17a, 17c), dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Schaufeleintrittskanten (17a, 17c) benachbar­ ter Schaufeln (17) abwechselnd - radial gesehen - von innen nach außen aufwärts geneigt und von außen nach innen abwärts geneigt sind.

2. Radialrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeleintrittskanten (17a, 17c) der benachbarten Schaufeln (17) sich im wesentlichen auf einer mittleren Stromlinie zwischen den Schaufeln (17) schneiden.