DE19740590A1 - Spiralgehäusepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Gehäuse nach Art einer Doppelspirale und mit darin angeordneten als Trennwand ausgebildeten Rippe.

Bei Kreiselpumpen ist eine durch Wechselwirkung von Laufrad und Pumpengehäuse bzw. Leitrad erzeugte hydraulische Radialkraft bekannt, die in der Ebene des Laufrades liegt. Solche Radialkräfte sind diversen Einflüssen unterworfen, wie sie beispielsweise im KSB-Kreiselpumpenlexikon, 3. Auflage, 1989, Seiten 242 und 243 beschrieben sind. Einfache Spiralgehäusepumpen besitzen im Auslegepunkt entlang des Laufradumfanges eine nahezu konstante Druck- oder Geschwindigkeitsver­ teilung. In diesem Punkt kann eine Spiralgehäusepumpe nahezu radialkraftfrei betrieben werden. Wird jedoch eine einfache Spiralgehäusepumpe aufgrund geänderter Betriebsbedingungen im Teillast- oder Überlastbereich gefahren, dann führt dies zu ansteigenden Radialkräften infolge sich ändernder Druck- bzw. Geschwindigkeitsverteilungen entlang des Laufradumfanges.

Dieser Nachteil führte zur Entwicklung von Doppelspiralgehäusen, wie sie beispielsweise durch die US-A-2 955 540 bekannt sind, und bei denen die Radialkräfte über den gesamten Betriebsbereich auf einem niedrigen Niveau liegen. Ein Doppelspiralgehäuse besteht aus zwei um 180° versetzte Spiralhälften, in denen ein aus dem Laufrad ausströmendes Fluid gesammelt und einem gemeinsamen Druckstutzen zugeführt wird. Aufgrund der quasi spiegelbildlichen Anordnung der zwei Spiralhälften entsteht entlang eines Laufradumfanges eine annähernd symmetrische Druckverteilung, deren resultierende Kraftkomponenten sich gegenseitig aufheben. Ein Doppelspiralgehäuse wird dadurch geschaffen, daß in einem einfachen Spiralgehäuse eine sogenannte Rippe als Trennwand eingesetzt ist, die in Laufraddrehrichtung gesehen ca. 180° nach einem Gehäusesporn eine zweite Spiralhälfte bildet. Die vom Laufrad abgekehrte Seite der Rippe, die Rückseite, begrenzt einen Umführungskanal, durch den ein in der ersten Spiralhälfte gesammeltes Fluid in den Druckstutzen geleitet wird.

Die fertigungstechnische Herstellung von Doppelspiralgehäusen ist aufwendig und kosten intensiv, da die für einen Abguß notwendigen langen Gehäusekerne aufwendig gesichert werden müssen, um während des Gußvorganges nicht aufzuschwimmen. Nach der Fertigstellung des Gusses bereitet die Entfernung der Kerne erhebliche Schwierigkeiten beim Gußputzen. Aus diesem Grunde werden häufig zusätzliche Löcher in der Pumpengehäusewand vorgesehen, die nach der Entfernung der Gußkerne in aufwendiger Weise drucksicher verschweißt werden müssen. Trotz dieser Maßnahmen kann in den schwer zugänglichen Bereichen des Doppelspiralgehäuses nur eine unvollständige Oberflächenbearbeitung erfolgen, wodurch Wirkungsgradeinbußen die Folge sind. Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es durch die US-A-2 955 540 bekannt, die Rippe als separates Einzelteil auszubilden und nachträglich in ein gegossenes Spiralgehäuse einzusetzen. Diese Maßnahme erleichtert zwar die Oberflächenbearbeitung des Gußteiles beim Putzen, sie erfordert jedoch einen hohen mechanischen Aufwand bei der Herstellung eines Doppelspiral­ gehäuses, wodurch sich kein Kostenvorteil ergibt.

Aus diesem Grunde erfolgten Forschungstätigkeiten, die sich mit der Geometrie der Rippen von Doppelspiralgehäusen auseinandersetzen und deren Radialkraftverlauf untersuchten. So ist es beispielsweise durch die US-A-3 289 598 bekannt, daß durch Variation der Länge der Rippe bzw. der Variation des Umschlingungswinkels dieser Rippe eine Änderung im Radialkraftverlauf eintreten kann. In Fig. 7 der US-A-3 289 598 sind die Radialkraftverläufe von veränderten Rippen gezeigt. Eine Verkürzung bringt nur eine unwesentliche fertigungstechnische Verbesserung und hat den zusätzlichen Nachteil, daß die Verkürzung mit einem Ansteigen der Radialkräfte im Teillast- und Überlastbereich verbunden ist.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Doppelspiralgehäuse zu entwickeln, das bei einfacher, insbesondere gußtechnischer, Herstellung einen guten Spiralkraftverlauf aufweist. Die Lösung dieses Problems sieht vor, daß die Rippe mindestens zweiteilig ausgebildet ist, wobei zwischen den Rippenteilen ein oder mehrere Spaltöffnungen ausgebildet sind. Damit ist eine problemlose Herstellung eines Doppelspiralgehäuses möglich, dessen Querschnitt beliebig ausgebildet sein kann. Die bekannten Rechteck-, Trapez-, Birnenspiralen usw. können problemlos Anwendung finden. Durch die Ausbildung der Rippe als ein mehrteiliges Bauteil, welches aus mindestens zwei mit Abstand zueinander angeordneten, eine Spaltöffnung bildenden Rippenteilen besteht, ist eine einfache Plazierung der Rippenteile innerhalb der Spirale möglich und es bleibt eine ausgeglichene Druckverteilung entlang des Laufradumfanges erhalten. Weiterhin ergibt sich dadurch gegenüber einem einfachen Spiralgehäuse ein verbesserter Radialkraftverlauf. Dadurch kann die Radialkraft im gesamten Lastbereich der Pumpe reduziert werden. Durch die mit Abstand zueinander erfolgende Anordnung der Rippenteile ist zwischen diesen eine Spaltöffnung ausgebildet, die aufwendige zusätzliche Stützen für einen Gußkern entbehrlich macht. Diese hat den Vorteil, daß damit die Strömungswege im Bereich der Rippenteile beim Gußputzen wesentlich leichter zugänglich sind.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Zugänglichkeit weiter verbessert werden, wenn der einem Gehäusesporn gegenüberliegende Rippenteil dazu mit einem eine Spaltöffnung bildenden Abstand angeordnet ist. Diese Maßnahme verbessert im Bereich der die Doppelspirale bildenden Rippenteile die Zugänglichkeit zu den davon geschaffenen Strömungskanälen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Umschlingungswinkel ϕ eines Rippenteiles in Abhängigkeit von der Anzahl n der verwendeten Rippenteile im Bereich von

liegt. Die Verwendung findenden Rippenteile können also gleich lang oder unterschiedlich lang ausgebildet sein.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Winkellage τ des in Strömungsrichtung gesehen ersten Rippenteil bezogen auf den Gehäusesporn im Bereich von

liegt. Es genügt dann, daß der Abstand und die Lage der Rippenteile zueinander so eingestellt wird, daß durch die zwischen den Rippenteilen sowie zwischen Rippenteil und Gehäusesporn bestehenden Spaltöffnungen ein Zugang zu den von den Rippenteilen begrenzten Strömungskanälen sichergestellt wird. Dazu wird der Abstand zwischen den Anströmkanten der Rippenteile so eingestellt, daß im Bereich der Rippenteile genügend große Spaltöffnungen entstehen. Die Winkeldifferenz der Rippenteile Δτ entspricht der Bedingung

0.8.ϕ≦Δτ≦1,5.ϕ (3).

Die Profile der Rippenteile können gleiche oder ungleiche Formen aufweisen, wobei durch den Bezug auf die Schaufelanströmkanten die Rippenlänge ohne Einfluß bleibt. Es hat sich als vorteilhaft für eine weitere Absenkung der Radialkräfte herausgestellt, wenn die Anströmkanten der Rippenteile auf Kreisen mit Durchmessern D_r angeordnet sind, deren Verhältnisse zum Laufraddurchmesser D₂ im Bereich von

liegt. Die Durchmesser, auf denen die Anströmkanten der einzelnen Rippenteile angeordnet sind, müssen nicht identisch sein, sondern die Anströmkanten der Rippenteile können auf verschiedenen Durchmessern befindlich sein.

Die Radialkräfte werden nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in vorteilhafter Weise auch dadurch reduziert, daß die Anströmkante eines der Rippenteile immer auf einem kleineren Durchmesser angeordnet ist, als ein Ende eines in Strömungsrichtung davor befindlichen Rippenteiles. Das Spiralgehäuse ist selbstverständlich so ausgebildet, daß der von einem Rippenteil begrenzte Umführungskanal den Abfluß des Fluid aus dem ersten Spiralteil nicht behindert oder nachteilig beeinflußt.

Das Profil der Rippenteile unterliegt keinen Beschränkungen. Es können Rippenteile mit konstanter Dicke oder auch einer vorgegebenen Dickenverteilung Verwendung finden. Ebenso ist es möglich, daß die Rippenteile unterschiedliche Profilformen aufweisen können. Durch eine solche Ausbildung einer Rippe ist eine sehr leichte gußtechnische Herstellung eines Doppelspiralgehäuses möglich. Es bietet gleichzeitig den Vorteil, daß solche Rippenteile in einfacher Weise auch nachträglich montiert werden können. Eine zusätzliche Möglichkeit sieht eine verstellbare Anordnung der Rippenteile vor. Je nach Anordnung der Drehachse am Doppelrippenteil, können diese in ihrem Anstellwinkel gegenüber der aus dem Laufrad austretenden Strömung verändert werden.

Positiv auf die Radialkraftabsenkung wirkt sich auch die Maßnahme aus, wonach in dem vom Gehäusesporn ausgehenden ersten Quadranten des Doppelspiralge­ häuses gegenüber einer normalen Spiralentwicklung eine Querschnittsflächenver­ größerung erfolgt.

Es hat sich gezeigt, daß mit solchen Maßnahmen ein Radialkraftverlauf erreichbar ist, der annähernd dem Radialkraftverlauf eines konventionellen Doppelspiralgehäuses entspricht. Die geringfügigen Unterschiede sind aber vernachlässigbar, da die durch die einfachere Fertigung erzielbaren Vorteile dieses bei weitem aufwiegen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die

Fig. 1 und 2 verschiedene Ausführungsformen der mehrteiligen Doppelspiralrippe.

In der Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 einer Kreiselpumpe gezeigt, in dem von einem Laufrad der Außendurchmesser D₂ dargestellt ist. Das Gehäuse 1 ist hier nach Art eines Doppelspiralgehäuses ausgebildet, wobei der in Strömungsrichtung gesehen erste Spiralteil 3 am Gehäusesporn 4 beginnt. Der Gehäusesporn 4 liegt hierbei im I. Quadranten, in dem auch ein Druckstutzen 5 befindlich ist. Der erste Spiralteil 3 weist eine zunehmende Querschnittsvergrößerung auf, die in diesem Beispiel am Ende des II. Quadranten ihr Maximum erreicht. Von hier aus wird ein Fluid durch einen Umführungskanal 6, 7 zum Druckstutzen 5 geführt. Der Umführungskanal 6, 7 wird begrenzt von der Wandfläche des Gehäuses 1 sowie der Wandfläche der hier Verwendung findenden Rippenteile 8, 9. Diese Rippenteile 8, 9 bilden, ähnlich wie bei einem Doppelspiralgehäuse, den anderen oder zweiten Spiralteil. Eine zwischen den Rippenteilen 8, 9 befindliche Spaltöffnung 10 sowie eine zwischen dem Gehäusesporn 4 und dem Ende des Rippenteiles 9 befindliche Spaltöffnung 11 ermöglichen bei der Gehäuseherstellung einen Zugang zu den Umführungskanälen 6, 7. Somit kann beispielsweise bei einem gegossenen Gehäuse ein dort Verwendung findender Gehäusekern leicht entfernt werden und die Gußoberfläche verputzt werden. Damit können die strömungsführenden Oberflächen eine Rauhigkeit erhalten, mit deren Hilfe der Wirkungsgrad eines solchen Pumpengehäuses verbessert werden kann.

Die hier dargestellten Rippenteile 8, 9 können eine konstante Dicke d aufweisen oder, wie gezeigt, mit einem Schaufelprofil versehen gleich oder unterschiedlich sein. Das Rippenteil 8 ist bei diesem Ausführungsbeispiel länger dargestellt als das Rippenteil 9. Die Lage des in Strömungsrichtung gesehen ersten Rippenteiles 8 in Bezug auf den im I. Gehäusequadranten liegenden Gehäusesporn 4 wird durch den Winkel τ bestimmt. Diese Winkellage τ ergibt sich gemäß Formel (2). Mit Hilfe der oben aufgeführten Formel (1) kann in Abhängigkeit von der Anwendung findenden Anzahl (n) der verwendeten Rippenteile 8, 9 deren Umschlingungswinkel ϕ bestimmt werden. Der in Fig. 1 dargestellte Abstand Δτ zwischen den Anströmkanten 12, 13 der Rippenteile 8, 9 wird durch die oben aufgeführte Formel (3) definiert. Die Anströmkanten 12, 13 der Rippenteile 8, 9 liegen auf Kreisen mit einem Durchmesser D_r, deren Verhältnisse zum Laufraddurchmesser D₂ gemäß Formel 4 im Bereich von

liegt.

Die Fig. 2 zeigt gegenüber der Fig. 1 eine andere Art der Anordnung der Rippenteile 8, 9. Das im III. Quadranten des Gehäuse 1 angeordnete Rippenteil 8 ist hier kürzer ausgebildet, während das im IV. Quadranten befindliche Rippenteil 9 eine größere Baulänge aufweist. Positiv auf eine Radialkraftabsenkung wirkt sich auch eine Maßnahme aus, die hier im I. Quadranten des Gehäuses 1 dargestellt ist. Eine in diesem Bereich erfolgende Vergrößerung des Spiralquerschnitts, der gegenüber einer normalen Spiralentwicklung zunimmt, ist hier durch eine gestrichelte Darstellung gezeigt. Auch der Gehäusesporn 4 weist einen größeren Abstand gegenüber dem Außendurchmesser D₂ eines Laufrades auf. Die Querschnitts­ flächenvergrößerung 14 im I. Quadranten des Spiralgehäuses sowie die Lage der Rippenteile 8, 9 im Bezug zueinander und auf den Gehäusesporn 4 wird an die jeweils Anwendung findende Hydraulik eines Laufrades und der jeweilige Spiralform angepaßt. Damit sind Radialkraftabsenkungen erreichbar, die dem Radialkraftverlauf einer traditionellen Doppelspiralausbildung entsprechen. Auch mit Hilfe von Variationen in Bezug auf die Lage der Anströmkanten 12, 13, der die Form und die Größe der Rippenteile 8, 9 ist eine Einflußnahme auf den Verlauf der Radialkraft möglich.

Claims (11)

1. Kreiselpumpe mit einem Gehäuse nach Art einer Doppelspirale und mit darin angeordneten, als Trennwand ausgebildeten Rippe, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe mindestens zweiteilig ausgebildet ist, wobei zwischen den Rippenteilen (8, 9) ein oder mehrere Spaltöffnungen (10) ausgebildet sind.

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einem Gehäusesporn (4) gegenüberliegende Rippenteil (9) dazu mit einem eine Spaltöffnung (11) bildenden Abstand angeordnet ist.

3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschlingungswinkel (4) eines Rippenteiles (8, 9) in Abhängigkeit von der Anzahl n der verwendeten Rippenteile (8, 9) im Bereich von
liegt.

4. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellage (τ) des in Strömungsrichtung gesehen ersten Rippenteil (8) bezogen auf den Gehäusesporn (4) im Bereich von
liegt.

5. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Größe der Spaltöffnungen (10, 11) definierende Winkeldifferenz Δτ zwischen den Anströmkanten (12, 13) der Rippenteile (8, 9) der Bedingung
0.8.ϕ≦Δτ≦1.5.ϕ (3)
entspricht.

6. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmkanten (12, 13) der Rippenteile (8, 9) auf Kreisen mit gleichen oder unterschiedlichen Durchmessern (D_r) angeordnet sind.

7. Kreiselpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Durchmesser D_r zum Laufraddurchmesser D₂ im Bereich von
liegt.

8. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anströmkante (13) eines Rippenteiles (8, 9) auf einem kleineren Durchmesser angeordnet ist, als ein Ende eines in Strömungsrichtung vor einer Anströmkante (13) befindlichen Rippenteiles (8).

9. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenteile (8, 9) einen gleichen und/oder profilierten Querschnitt aufweisen.

10. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenteile (8, 9) im Doppelspiralgehäuse verstellbar angeordnet sind.

11. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Gehäusesporn (4) ausgehenden ersten Quadranten I des Doppelspiralgehäuses gegenüber einer normalen Spiralentwicklung eine Querschnittsflächenvergrößerung (14) erfolgt.