DE19742023A1

DE19742023A1 - Laufrad

Info

Publication number: DE19742023A1
Application number: DE19742023A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Ing Beez
Original assignee: Individual
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2017-09-25
Also published as: DE19742023B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln.

Derartige Laufräder haben gegenüber einfach gekrümmten Schaufelrädern, die selbst mit Deckscheibe maximal nur einen Wirkungsgrad von 55% erreichen den Vorteil, daß sie auf Grund ihrer räumlich gekrümmten Schaufeln einen Wirkungsgrad von bis zu 80% erreichen können. Ein Hindernis für deren großtechnischen Einsatz im Kühlmittelpumpen-, Motoren- und Automobilbau ist jedoch deren kostenintensive Herstellung.

Im Stand der Technik werden daher solche sehr komplizierten Schaufelräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln sehr kostenintensiv vorwiegend als Feingußteil im Wachsausschmelzverfahren oder als Sandformguß hergestellt. Da die Möglichkeiten zum Putzen und Polieren der Gußflächen im Inneren des Laufrades begrenzt sind, ist demzufolge auch die erzielbare Oberflächengüte begrenzt. Daher wird selbstverständlich durch die verbleibende relativ hohe Oberflächenrauhigkeit der maximal erzielbare Wirkungsgrad wiederum negativ beeinflußt.

Preiswertere Herstellungsverfahren die darüberhinaus zudem eine hohe Oberflächengüte erzielen, wie beispielsweise das Spritzgießen, sind auf Grund der komplizierten Entformbarkeit solcher Schaufelräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln nicht einsetzbar.

In der DE OS 26 02 136 wird eine Schweißkonstruktion aus vorgeformten Blechsegmenten zur Herstellung von Radialpumpenrädern vorbeschrieben. Dabei werden Blechformteile an eine von einem Rohr abgeschnittene Nabe angeschweißt. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist jedoch für Pumpenräder mit hoher spezifischer Drehzahl, wie Francis- oder Diagonalpumpenräder nicht einsetzbar, da die dreidimensionale Schaufelform als Blechformteil selbst mit sehr großem Aufwand kaum herstellbar ist. Zudem tritt beim Verschweißen dieser Blechformteile dann sowohl gegenüber der Nabe wie auch zwischen den Schaufeln untereinander stets ein Verzug ein, der selbstverständlich negative strömungstechnische Auswirkungen zur Folge hat und dadurch den erzielbaren Wirkungsgrad deutlich vermindert. Gleichzeitig werden auf Grund des Verzuges zusätzlich Nacharbeiten zur Gewährleistung des Dichtspaltes gegenüber dem Gehäuse erforderlich. Darüberhinaus führen die zur Verbindung der Baugruppen erforderlichen Schweißarbeiten zu Unwuchten am geschweißten Rad und erfordern daher weitere Nacharbeiten.

Somit können mittels dem in der DE OS 26 02 136 vorgestellten Herstellungsverfahren trotz hohem Fertigungs- und Montageaufwand stets nur Radiallaufräder mit einfach gekrümmten Schaufeln und zwangsläufig verhältnismäßig niedrigem Wirkungsgrad hergestellt werden.

Auch die in der DE 33 43 752 zur Herstellung eines offenen Laufrades vorgestellte Schweißkonstruktion besteht ebenso wie die vorgenannte Schweißkonstruktion aus Laufradsegmenten welche an einer Nabe angeschweißt sind. Diese ist daher, ebenso wie die vorgenannte Bauform zur Herstellung eines Radialpumpenrades ungeeignet und weist nahezu analog die bereits vorgenannten Nachteile auf.

In der DE 43 21 173 wird nun eine andere Laufradbauform vorgestellt. Dabei handelt es sich wiederum um die Herstellung eines offenen Laufrades. Die einzelnen Baugruppen des Laufrades dieser Bauform, wie die Nabe, die schaufeltragenden Elementen und die Schaufeln selbst, bestehen aus polymeren Verbundmaterialien und werden miteinander zum Schaufelrad verklebt. Auch diese Herstellung von Schaufelräder ist wiederum mit einem sehr hohen Fertigungs- und Montageaufwand verbunden. Auch mittels dieser Bauform gelingt es nicht Diagonalschaufelräder mit exakt definierten Schaufelformen bei hoher Schaufeloberflächengüte herzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein in allen Einsatzwerkstoffen wie beispielsweise Stahl, Sintermetall, Aluminium, Kunststoff, Keramik u. a.m. herstellbares Laufrad mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln zu entwickeln, welches sich durch exakt definierten Schaufelformen, eine hohe Schaufeloberflächengüte, gute Rundlaufeigenschaften, eine hohe Zuverlässigkeit, einen minimalen Fertigungs- und Montageaufwand sowie gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Laufrad mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln aus einzelnen Laufradsegmenten mit jeweils einer räumlich gekrümmten Schaufel aufgebaut ist. Diese Laufradsegmente sind erfindungsgemäß mittels eines Spannringes, oder mittels einer Bodenscheibe und eines Spannringes miteinander verbunden. Die Segmentierung des Laufrades ermöglicht eine einfache Herstellung der komplizierten Schaufelgeometrie bei hoher Oberflächengüte. Im Rahmen der Segmentierung wird ein nach herkömmlicher Vorgehensweise konstruiertes Schaufelrad für die gießereitechnische Herstellung in Laufradsegmente entsprechend der Anzahl der Schaufeln geteilt. Durch das nachfolgende Aneinanderfügen der einzelnen Baugruppen entlang ihrer Auf- und Anlageflächen sowie dem anschließenden erfindungsgemäßen Verspannen der Baugruppen mittels des Spannringes miteinander, wird bei minimalem Aufwand eine einfache schnelle und unkomplizierte Montage der einzelnen Baugruppen, bei stets gewährleisteten hohen Rundlaufeigenschaften des erfindungsgemäßen fertig montierten Laufrades, ermöglicht. Dabei dient der erfindungsgemäße Spannring gleichzeitig der Gewährleistung des erforderlichen Dichtspaltes zwischen Pumpenrad und Pumpengehäuse.

Wesentlich ist weiterhin, daß in den einzelnen Laufradsegmenten neben einer dreidimensional gekrümmten Schaufel ein Laufradsegmentboden, eine Laufradsegmentdecke, der Nabenklemmbereich mit der Aufnahmebohrung und ein Anlagebund beispielsweise für den Spannring fest integriert sind. Die Teilung der einzelnen Segmente wird erfindungsgemäß so gewählt, daß diese im Bereich der Schaufeln erfolgt wobei gleichzeitig durch formschlüssige Auf- und Anlageflächen eine exakte Positionierung zum nächsten Segmentboden beziehungsweise zur nächsten Segmentdecke erreicht wird. Auf Grund der speziellen erfindungsgemäßen Gestaltung der Auf- und Anlageflächen, welche aus mehreren winklig einander berührenden Teilflächen bestehen, wird eine eindeutige Fixierung der Laufradsegmente in axialer und radialer Richtung gewährleistet.

Weiterhin ist kennzeichnend, daß in der Aufnahmebohrung des Laufrades eine Aufnahmehülse angeordnet sein kann. Mittels dieser Aufnahmehülse kann das zuvor beschriebene, fertigmontierte erfindungsgemäße Laufrad auf der Pumpenwelle angeordnet werden.

Somit ist es möglich allein durch das Aneinanderfügen einzelner identisch aufgebauter erfindungsgemäßer Laufradsegmente ein komplettes Schaufelrad zusammenzufügen und nachfolgend mittels eines Spannringes am Saugmund beispielsweise auch gegen eine Aufnahmehülse im Nabenklemmbereich zu verspannen.

Dabei wird durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Spannringes gleichzeitig der erforderliche Dichtspalt zwischen Pumpenrad und Pumpengehäuse sichergestellt.

Darüberhinaus ist jedoch auch erfindungswesentlich, daß bei einer modifizierten Bauform der erfindungsgemäßen Lösung in den einzelnen Laufradsegmenten neben einer dreidimensional gekrümmten Schaufel mit Arretierungsnoppen und Rastklinke auch die Laufradsegmentdecke sowie der Anlagebund beispielsweise für den Spannring integriert sind.

Die Randkontur der Laufradsegmentdecke schließt dabei wiederum erfindungsgemäß formschlüssig an die Auf- und Anlageflächen der benachbarten Segmente an.

Auch in dieser Bauform ergeben mehrere Laufradsegmente aneinandergefügt eine komplette Deckscheibe mit den dazugehörigen Schaufeln. An den Schaufeln sind jedoch in Richtung der Bodenscheibe Arretierungsnoppen und Rastklinken angeordnet, die in den zugeordneten Aussparungen und/oder Vertiefungen einer zugehörigen erfindungsgemäßen Bodenscheibe verrastet werden.

Nachfolgend wird dieses so zusammengefügte erfindungsgemäße Schaufelrad ebenfalls wieder mittels eines Spannringes verspannt.

Auch in dieser erfindungsgemäßen Bauform hat der Spannring die Aufgabe im Betriebszustand die Zentrifugalkräfte des erfindungsgemäßen Laufrades aufzunehmen und gleichzeitig der erforderliche Dichtspalt zwischen Pumpenrad und Pumpengehäuse zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß ist auch, daß in der Bodenscheibe je nach verwendetem "Laufradsegment - Werkstoff und Einsatzfall ein Insert angeordnet sein kann, welches der verdrehsicheren Befestigung des Laufrades auf der Pumpenwelle dient.

Nachfolgend soll nun die erfindungsgemäße Lösung an Hand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit zwölf Figuren näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf eine der beiden möglichen Bauformen des erfindungsgemäßen Laufrades im komplett zusammengefügten Zustand;

Fig. 2 Unteransicht der bereits in Fig. 1 dargestellten Bauform des erfindungsgemäßen Laufrades;

Fig. 3 das erfindungsgemäße Laufrad gemäß Fig. 1 ohne Spannring;

Fig. 4 das erfindungsgemäße Laufrad gemäß Fig. 2 ohne Aufnahmehülse;

Fig. 5 Laufradsegment in der Ansicht gemäß Fig. 1;

Fig. 6 Laufradsegment in der Ansicht gemäß Fig. 2;

Fig. 7 Laufradsegment gemäß Fig. 6, betrachtet aus einer etwas geänderter Perspektive,

Fig. 8 die Draufsicht auf eine zweite mögliche Bauform des erfindungsgemäßen Laufrades im fertig montierten Zustand;

Fig. 9 Ansicht der Bauform nach Fig. 7 jedoch ohne Bodenscheibe und ohne Spannring;

Fig. 10 Laufradsegment der Bauform nach Fig. 7 oder 8;

Fig. 11 Draufsicht auf die Bodenscheibe eines Laufrades nach Fig. 8;

Fig. 12 Unteransicht der Bodenscheibe nach Fig. 11.

In der Fig. 1 ist eine der möglichen Bauformen des erfindungsgemäßen Laufrades dargestellt. Das Laufrad selbst ist dabei in einzelne Laufradsegmente 1 unterteilt. Die Teilung der einzelnen Laufradsegmente 1 ist so gewählt, daß diese im Bereich der Schaufeln erfolgt wobei durch die erfindungsgemäße Gestaltung der formschlüssigen Auf- und Anlagefläche 13 eine exakte Positionierung zum nächsten "Segment"-Boden 5 beziehungsweise zur nächsten "Segment"-Decke 4 erreicht wird. Auf Grund dieser erfindungsgemäßen Gestaltung der Auf- und Anlageflächen 13, welche aus mehreren winklig einander berührenden Teilflächen bestehen, wird eine eindeutige Fixierung der Laufradsegmente 1 in axialer und radialer Richtung gewährleistet.

Die Montage erfolgt so, daß zunächst einzelne Baugruppen aus mehreren Laufradsegmenten 1 zusammengefügt und dann diese Baugruppen unter- und miteinander zum kompletten Pumpenrad verspannt werden.

Zusätzlich sind diese Laufradsegmente 1 dann nochmals radial mittels eines Spannringes 2 miteinander verspannt. Dabei hat dieser Spannring 2 die Aufgabe insbesondere die Zentrifugalkräfte im Betriebszustand des erfindungsgemäßen Laufrades aufzunehmen und gleichzeitig den erforderlichen Dichtspalt zwischen Pumpenrad und Pumpengehäuse zu gewährleisten. Selbstverständlich können die Laufradsegmente 1 miteinander auch ohne Spannring 2 je nach Materialbeschaffenheit der Laufradsegmente 1 durch Kleben, Sintern o. ä. unlösbar miteinander verbunden werden. Im zusammengefügten Zustand bilden die Laufradsegmente sowohl den Saugmund mit den Eintrittsöffnungen 3, die Decke 4, den Boden 5, die Schaufeln 6 und auch die Austrittsöffnungen 7.

Die Fig. 2 zeigt nun die bereits in Fig. 1 dargestellte Bauform des erfindungsgemäßen Laufrades in der Unteransicht. Dabei wird die im Boden 5 angeordnete Aufnahmehülse 8, mittels der das fertigmontierte erfindungsgemäße Laufrad auf der Pumpenwelle angeordnet wird, wie auch der die Laufradsegmente miteinander verspannende Spannring 2 sichtbar.

In den Figuren Fig. 3 und 4 ist nun dieses erfindungsgemäße Laufrad gemäß der Fig. 1 und 2 ohne Spannring und ohne Aufnahmehülse dargestellt. Dadurch wird der an den jeweiligen Laufradsegmenten angeordnete Nabenklemmbereich 9 wie auch der an jedem Laufradsegment angeordnete Spannringanlagebund 10 ersichtlich.

Die Fig. 5 zeigt ein einzelnes Laufradsegment in der Draufsicht. Dabei wird die dreidimensional geformte Schaufel 6, die Decke 4, der Boden 5 wie auch die erfindungsgemäße Gestaltung der Auf- und Anlageflächen 13 deutlich.

In der Fig. 6 ist nun dieses Laufradsegment aus Fig. 5 in der Unteransicht mit der diesem Element zugeordneten Schaufel 6 und der an der Vorderkante der Schaufel befindlichen Strömungseintrittskante 11, dem zugeordneten Boden 5 und insbesondere der jedem Laufradsegment zugehörige Abschnitt der Aufnahmebohrung 12 dargestellt.

In der Fig. 7 wird das in Fig. 6 dargestellte Laufradsegment aus einer etwas geänderter Perspektive betrachtet. Dabei wird neben der dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufel 6, dem Nabenklemmbereich 9, der Decke 4, dem Boden 5 und dem Spannringanlagebund 10 insbesondere auch die erfindungsgemäße Gestaltung der Auf- und Anlageflächen 13 sichtbar. Diese Auf- und Anlageflächen 13 gewährleisten die erfindungsgemäße einfache und exakte Positionierung der Laufradsegmente zueinander.

Die Fig. 8 zeigt nun die Draufsicht auf eine andere erfindungsgemäße Bauform des erfindungsgemäßen Laufrades im komplett montierten Zustand. Dabei sind die einzelnen Laufradsegmente 1 mittels deren Arretierungsnoppen und Rastklinken in den zugeordneten Aussparungen und oder Vertiefungen einer Bodenscheibe 14 mit Aufnahmebohrung eingehangen und gegeneinander mittels eines Spannringes 2 verspannt. Dieser Spannring 2 hat dabei wiederum im Betriebszustand die Aufgabe die Zentrifugalkräfte des erfindungsgemäßen Laufrades aufzunehmen und gleichzeitig den erforderlichen Dichtspalt zwischen Pumpenrad und Pumpengehäuse zu gewährleisten. Auch in dieser Fig. 8 sind die erfindungsgemäßen Auf- und Anlageflächen 13 sichtbar, die wie bereits beschrieben eine einfache und exakte Positionierung der Laufradsegmente zueinander gewährleisten.

Selbstverständlich können die Baugruppen je nach Materialbeschaffenheit des Laufradsegmentes auch ohne Spannring beispielsweise durch Kleben, Sintern o. ä. unlösbar miteinander verbunden werden.

In der Fig. 9 ist nun eine Ansicht der zusammengefügten Laufradsegmente 1 in der erfindungsgemäßen Bauform nach Fig. 7 jedoch ohne Bodenscheibe und ohne Spannring dargestellt. Diese Darstellung zeigt neben den dreidimensional gekrümmten Schaufeln 6 der Laufradsegmenten 1 die an diesen Schaufeln 6 in Richtung Bodenscheibe angeordneten Klinken 15 und Arretierungsnoppen 16, welche einer exakten Positionierung und verdrehsicheren Verbindung dieser Laufradsegmente mit der in den Fig. 11 und 12 dargestellten Bodenscheibe dienen.

Die Fig. 10 zeigt nun ein einzelnes dieser Laufradsegmente gemäß Fig. 9 mit der Decke 4 dieses Laufradsegmentes, der Schaufel 6 und dem Spannringanlagebund 10 des Laufradsegmentes, den Auf- und Anlagefläche 13 sowie der Klinke 15 und dem Noppen 16 zur lagesicheren Verbindung des Laufradsegmentes mit der zu dieser erfindungsgemäßen Bauform gehörenden Bodenscheibe gemäß den Fig. 11 und 12.

Diese Bodenscheibe 14 des Laufrades ist nun in einer räumlichen Draufsicht in Fig. 11 dargestellt. Die in der Bodenscheibe 13 angeordneten Aussparungen 17 dienen der Aufnahme der an den Laufradsegmenten angeordneten Klinken. In die kreisförmigen Vertiefungen 18 werden die an den Laufradsegmenten angeordneten Arretierungsnoppen eingesetzt.

In der Fig. 12, der Unteransicht zu der in Fig. 11 dargestellten Bodenscheibe, wird neben den bereits beschriebenen Aussparungen 17 und den Vertiefungen 18 das zentrisch in der Bodenscheibe angeordnete Insert 19 sichtbar, mittels der das fertigmontierte erfindungsgemäße Laufrad verdehsicher auf der Pumpenwelle angeordnet werden kann.

Auf Grund der erfindungsgemäßen Lösung ist es gelungen ein in allen Einsatzwerkstoffen wie beispielsweise Stahl, Sintermetall, Aluminium, Kunststoff, Keramik u. a.m. herstellbares Laufrad mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln zu entwickeln, welches sich durch exakt definierten Schaufelformen, eine hoher Schaufelobenflächengüte, gute Rundlaufeigenschaften, eine hohe Zuverlässigkeit, minimalen Fertigungs- und Montageaufwand und darüberhinaus einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.

Bezugszeichenliste

1

Laufradsegment

2

Spannring

3

Eintrittsöffnungen

4

Decke

5

Boden

6

Schaufel

7

Austrittsöffnungen

8

Aufnahmehülse

9

Nabenklemmbereich

10

Spannringanlagebund

11

Strömungseintrittskante

12

Aufnahmebohrung

13

Auf- und Anlagefläche

14

Bodenscheibe

15

Klinke

16

Arretierungsnoppen

17

Aussparungen

18

Vertiefung

19

Insert

Claims

1. Laufrad mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad aus Laufradsegmenten mit jeweils einer räumlich gekrümmten Schaufel aufgebaut ist, die untereinander mittels eines Spannringes, oder mittels einer Bodenscheibe und eines Spannringes miteinander verbunden sind.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Laufradsegmenten neben einer dreidimensional gekrümmten Schaufel ein Laufradsegmentboden, eine Laufradsegmentdecke, der Nabenklemmbereich und ein Spannringanlagebund fest integriert sind.

3. Laufrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aufnahmebohrung eine Aufnahmehülse angeordnet sein kann.

4. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Laufradsegmenten neben einer dreidimensional gekrümmten Schaufel mit Arretierungsnoppen und Rastklinke, die Laufradsegmentdecke sowie ein Spannringanlagebund integriert sind, wobei die einzelnen Laufradsegmente mittels deren Arretierungsnoppen und Rastklinken in den zugeordneten Aussparungen und oder Vertiefungen einer Bodenscheibe mit Aufnahmebohrung eingehangen und gegeneinander verspannt sind.

5. Laufrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bodenscheibe je nach verwendetem "Laufradsegment"- Werkstoff und Einsatzfall ein Insert angeordnet sein kann.