DE2249821A1

DE2249821A1 - Kreiselpumpe

Info

Publication number: DE2249821A1
Application number: DE19722249821
Authority: DE
Inventors: John Lanfear Scott-Scott; David John Sweetland
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1971-10-16
Filing date: 1972-10-11
Publication date: 1973-04-19
Also published as: FR2157437A5; GB1409714A

Description

Rolls-Royce (I97I) Limited, London, England

Kreiselpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kreiselpumpe für Flüssigkeiten oder gas- bzw. dampfenthaltende Flüssigkeiten. Eine derartige Pumpe ist in der GB-PS 1 I53 933 beschrieben.

Eine hohe Schaufelraddrehzahl in Kombination mit einer niedrigen Saughöhe stellt eine Bedingung dar, die zur Erzeugung von dampf- oder gasgefüllten Hohlräumen,in der auf das Schaufelrad auftreffenden Flüssigkeit führen. Wenn,diese Hohlräume sich zufällig bilden können, dann führt dies zu einer Behinderung der Flüssigkeitsströmung durch das Schaufelrad. .

Wenn Hohlräume im Einlaßbereich des Schaufelrades gebildet werden und man zuläßt, daß diese sich durch das Schaufelrad erstrecken, dann kann das Schaufelrad keinen großen statischen Druckanstieg erzeugen und befindet sich in einem Zustand mit Superhohlräumön ("super-cavitating").

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kreiselpumpe zu schaffen, bei der die Bildung eines Hohlraumes oder die Bildung von Hohlräumen über die axiale Länge des Schaufelrades, gesteuert bzw. überwacht werden kann, wodurch es möglich wird, einen wesentlichen statischen Druckanstieg zu erzeugen.

Die Erfindung geht aus von einer Kreiselpumpe mit einem Schaufelrad, welches mit hoher Drehzahl bei niedriger Saughöhe arbeiten kann.

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Gemäß der Erfindung ist wenigstens eine gewölbte schraubenartige Schaufel vorgesehen, die einen dünnen Vorderrand mit einer fein verjüngten Keilform aufweist, die sich über die gesamte Spannlänge der Schaufel vom Schaufelfuß bis zur Spitze erdtreckt, wobei ein Schaufeleinlaßwinkel geringer Größe vorgesehen ist und die Schaufel einen Schaufelwinkel besitzt, der sich über die Länge des Schaufelrades derart ändert, daß er zunächst bis zu einem gewissen Wert in einem vorbestimmten Abstand längs des Schaufelrades ansteigt und dann nach dem Ende des Schaufelrades hin auf einen bestimmten Wert abfällt und wobei der Vorderrand der Schaufel genügend dünn und der Schaufeleinlaßwinkel genügend klein gewählt ist, um eine Hohlraumbildung auf der Saugseite der Schaufel über die gesamte wirksame Spannweite zu verhindern,und wobei schließlich die Veränderung des Schaufelwinkels zwischen dem Vorderrand und dem Hinterrand der Schaufel so gewählt ist, daß die Hohlraumbildung auf den Bereich zwischen Einlaß und Auslaß des Schaufelrades begrenzt wird.

Die Veränderung des Schaufelwinkels über der Länge des Schaufelrades wird vorzugsweise wie folgt definiert; Der Extremwert der Kurve liegt im Bereich zwischen jJO und 50$ der Schaufelradlänge und die Höhe des Extremwertes beträgt etwa 125 bis 150$ des Schaufelauslaßwinkels, wobei der Anfangswert des Schaufelwinkels bis zum Extremwert eine monotone Kurve darstellt und der Extremwert des Auslaßwinkels einen Ablenkpunkt aufweist. Gemäß einer anderen Ausführung kann die Gestalt der Kurve auf beiden Seiten des Extremwertes gerade umgekehrt verlaufen.

Während sich die Pumpe mit einer Ausbildung gemäß dem vorstehenden Absatz im Betrieb befindet, werden im Strömungskanal über dem Schaufelrad die folgenden Bereiche definiert:

1. Ein Einlaßbereich, in dem die Hohlraumbildung auf der Saugseite der Beschaufelung des Schaufelrades der Pumpe über die gesamte wirksame Spannweite der Beschaufelung in Richtung von dem Schaufelfuß nach der Schaufelspitze entwickelt wird;

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2. ein Zwischeribereich* in dem die Hohlraumbildung beendet ist; j5. ein Förderbereich, in dem der Strömungskanal durch die zu pumpende Flüssigkeit gefüllt ist und eine Arbeit auf die Flüssigkeit ausgeübt "wird.

Durch Erzeugung der Hohlraumbildung im Bereich 1 wird die volle Fläche der Strömung durch das Schaufelrad im Einlaßbereich auf einen geringeren wirksamen Wert herabgesetzt, der aber noch ausreicht, um eine adäquate Strömung der Flüssigkeit nach dem Schaufelrad zu bewirken, d.h. um eine Anpassung andLe erforderliche Flüssigkeitsströmung zuzuzüglich dem vom Hohlraum eingenommenen Volumen! welches von der oder jeder Schaufel erzeugt wird, zu bewirken.

Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, daß das Pumpen unter Bedingungen mit hoher Drehzahl und niedriger Saughöhe stattfindet, unter Bedingungen also, die bei herkömmlichen Pumpen zu unkontrollierten zufälligen Hohlräumen führten.

Eine gemäß der Erfindung aufgebaute Pumpe neigt zu einer Selbsteinstellung, um eine Anpassung an Änderungen der Saug- und Druckhöhe dadurch zu bewirken, daß der Mittelbereich 2 nach dem einen oder anderen Ende des Gebläserades verschoben wird.

Die Schaufel kann auf einem Nabenteil unterschiedlicher Gestalt ausgebildet sein, z.B. kann der Nabenteil konisch gestaltet werden, wobei die Kegelspitze nach dem Einlaßende des Gebläserades gerichtet ist und die Nabe kann eine einzige Schaufel oder mehrere Schaufeln aufweisen, die nach .Art einer mehrgängigen Schraube ineinander geschachtelt sind.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit einem Schaufelrad beschrieben, das schraubenförmig gewölbte Schaufeln aufweist. In der Zeichnung zeigen: B¹Ig. 1 eine schema tische Abwicklung einer Kaskade, die von zwei benachbarten Schaufeln eines mit mehreren Schaufeln bestückten Schaufelrades gebildet wird,

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Pig. 2 eine perspektivische Ansicht der Kreiselpumpe vom Einlaßende eines ersten Schaufelrades her betrachtet,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Änderung des Schaufelwinkels über die Schaüfelradlänge bei einem typisch geformten Schaufelrad gemäß der Erfindung darstellt.

Gemäß Fig.2 weist das erste Gebläserad eine konische Nabe 1 mit schraubenförmigen Schaufeln 2 auf, die im wesentlichen senkrecht zur Nabenoberfläche vorstehen. Bei dem dargestellten Schaufelrad sind drei Schaufeln nach Art eines dreigängigen Gewindes angeordnet. Jede Schaufel 2 besitzt einen dünnen Vorderrand 3 in GesiaLt einer Messerschneide oder eines Keils mit einem kleinen Winkel in der Größenordnung von 3 oder weniger. Dies dient dazu, eine saubere Trennung der Flüssigkeit von der Flanke der Schaufel an der Saugseite zu begünstigen, um einen Bereich der Hohlraumbildung über die gesamte Spannweite der Schaufel zu erzeugen, wie dies im folgenden unter Bezugnahme auf Fig.l beschrieben wird. Die Planform des Vorderrandes jeder Schaufel kann gerade ausgebildet sein und sich radial von der Achse des Schaufelrades oder in einem Winkel nach vorn oder hinten erstrecken und auch gekrümmt sein. Der Vorderrand hat einen kleinen Schaufeleinlaßwinkel A in der Größenordnung, von 0° bis 8° ebenfalls zum Zwecke der willkürlichen Erzeugung eines Bereichs der Hohlraumbildung über der gesamten Spannweite der Schaufel, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf Pig.l beschrieben wird. Jede Schaufel 2besitzt einen Auslaßrand H-. Der Schaufelauslaßwinkel B jeder Schaufel ist größer als der Sohaufeleinlaßwinkel und der Schaufelwinkel des bekannten Schaufelrades, der in Fig.3 mit B bezeichnet ist, steigt progressiv zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Schaufelrades an, während der Schaufelwinkel des Schaufelrades gemäß der Erfindung, der mit A gekennzeichnet ist, sich, wie in der graphischen Darstellung ersichtlich, ändert. Der Schaufelauslaßwinkel und die Spannhöhe jeder Schaufel und der Nabenradius am Auslaßende des Schaufelrades bestimmen das Ansteigen der vom Schaufelrad erzeugten Druckhöhe.

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Die Veränderung des Schaufelwinkels über die Länge des Schaufelrades erfolgt vorzugsweise auf nachstehende Weise:

Der Extremwert der Kurve liegt in dem Bereich zwischen etwa
;50° und 50° der Schaufelradlänge und die Höhe des Extremwertes
liegt bei 125° bis 150° des Schaufelauslaßwinkels. Vom Eingangswert des Sehaufelwinkels bis zum Extremwert verläuft eine monotone Kurve und der Kurvenabschnitt zwischen Extremwert und Auslaßwinkel enthält einen Wendepunkt. Bei einer anderen Ausführungsform ist die
Gestalt der Kurve auf beiden Seiten des Extremwertes umgekehrt.

Fig. 1 stellt eine schematische Abwicklung zweier benachbarter
Schaufeln jener Bauart dar, wie sie bei dem Schaufelrad gemäß Fig.2 vorgesehen isix sind. Hier sind die Relativwerte von Schaufeleinlaß und Auslaßwinkel dargestellt. Der Schaufeleinlaßwinkel A
ist der Winkel am Einlaßrand j5 zwischen Tangente und Arbeitsoberfläche, d.h. der unteren Oberfläche der Schaufel in Fig.1 und der Richtung der Bewegung X der Schaufeln. Der Schaufelauslaßwinkel B ist der Winkel am Auslaßrand 4 zwischen der Tangente zur Arbeitsoberfläche und der Bewegungsrichtung X der Schaufeln.

Der Strömungskanal zwischen zwei benachbarten Schaufeln des
Schaufelrades definiert drei Arbeitsbereiche. Diese Bereiche sind in Fig.l unter Bezugnahme auf eine der darin dargestellten Schaufeln aufgezeichnet wie folgt:

1. Ein Einlaßbereich in dem die Hohlraumbildung auf der Saugseite der Schaufeln, d.h. auf der oberen Oberfläche gemäß Fig.l,
über die gesamte Spannweite, d.h. vom Schaufelfuß bis zur
Spitze, entwickelt wird; .

2. Ein Zwischenbereich, in dem die Hohlraumbildung beendet wirdj
J. Einen Förderbereich, in dem der Strömungskanal von der au pumpenden Flüssigkeit angefüllt ist wie bei einer normalen Pumpe.

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Die vertikal verlaufenden gestrichelten Linien zeigen das Ende jeweils eines Bereiches und den Beginn des nächsten Bereiches an. Es ist jedoch festzustellen, daß die Relativlängen der Bereiche beträchtlich gegenüber den dargestellten schwanken können, insbesondere da es ein Merkmal darstellt, das die Lage des Bereichs der Beendigung der Hohlraumbildung durch die Selbsteinstellung längs der Schaufellänge variabel sein soll, so daß eine Anpassung an Änderungen der Saug-, bzw. Förderhöhe erreicht wird. Dadurch daß die Hohlraumbildung über einen Bereich, über den Bereich 2, erfolgt, und nicht an einer Linie, wird die Gefahr einer Erosion der Schaufeloberflächen vermindert.

Es hat sich gezeigt, daß Schaufelräder mit einer Schaufelcharakteristik gemäß der Kurve B in Fig.3 eine Zwischenzone der Hohlraumbeendigung haben können, während ein Schaufelrad mit einer Schaufelcharakteristik gemäß der Kurve A in Fig.3 eine stabile hydraulische Arbeitsweise gewährleistet.

Der Ausdruck "wirksame Spannweite" soll jenen Teil der Schaufelspannweite bezeichnen, der ausgenutzt werden kann.

Patentansprüche

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Claims

- 7 Patentansprüche :

1.JKreiselpumpe mit einem Schaufelrad, das mit hoher Drehzahl bei einer niedrigen Saughöhe umlaufen kann, dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens eine gewölbte Schaufel schraubenförmiger Gestalt vorgesehen ist, die einen dünnen Vorderrand mit feiner Verjüngung und keilartiger Form aufweist, die sich über die Spannlänge der Schaufel vom Schaufelfuß bis nach der Schaufelspitze erstreckt, wobei ein Sehaufeleinlaßwinkel geringer Größe vorgesehen ist, daß die Schaufel einen Schaufelwinkel besitzt, der sich über die Länge des Schaufelrades derart ändert, daß er bis zu einem gewissen Wert in einem vorbestimmten Abstand längs des Schaufelrades ansteigt und dann auf einen bestimmten Wert am Ende des Schaufelrades absinkt, wobei der Vorderrand der Schaufel genügend dünn und der Sehaufeleinlaßwinkel genügend klein ist, um eine Hohlraumbildung an der Saugseite der Schaufel über der gesamten wirksamen Spannweite zu erzeugen, und daß die Veränderung des Schaufelwinkels zwischen Vorder- und Hinterrand der Schaufel derart ist, daß eine Hohlraumbildung in einem Bereich beendet wird, der zwischen Einlass- und Auslassende des Schaufelrades liegt.

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Veränderung des Schaufelwinkels über die Länge des Schaufelrades derart ist, daß der Extremwert der Kurve in einem Bereich zwischen 30$ "Uhd 50$ der Sehaufelradlänge vom stromoberseitigen Ende des Schaufelrades her berechnet beträgt und daß die Höhe des Extremwertes bei etwa 125$ bis 150$ des Schaufelauslaßwinkels liegt.

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3. Kreiselpumpe nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Kurve monoton vom stromoberseitigen Ende des Schaufelrades nach dem Extremwert verläuft und einen Umkehrpunkt zwischen Extremwert und εtromunterseitigern Ende des Schaufelrades besitzt.

4, Kreiselpumpe nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Kurve einen Wendepunkt zwischen Extremwert und stromoberseitigem Ende des Schaufelrades besitzt und monoton von dem Extremwert nach dem stromunterseitigen Ende des Schaufelrades verläuft.

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