DE2558840C2

DE2558840C2 - Einrichtung zur Verminderung des Kavitationsverschleisses

Info

Publication number: DE2558840C2
Application number: DE2558840A
Authority: DE
Inventors: Peter 6713 Freinsheim Buschsieper; Hans-Dieter KNÖPFEL
Original assignee: Klein Schanzlin and Becker AG
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 1975-12-27
Filing date: 1975-12-27
Publication date: 1983-03-24
Also published as: ATA860676A; BR7608333A; NL7613039A; JPS5297401A; SE428962B; NL177038C; DE2558840B1; IT1064367B; CS191183B2; ATA635977A; FR2336578A1; CH598492A5; ES454519A1; JPS58104400A; AT346709B; SE428962C; ZA767294B; IN145949B; US4239453A; PL114402B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verminderung des Kavitationsverschleißes bei einer Kreiselpumpe mit durch den Einlaufstihzeh hindurchgeführter Welle.

Bei den für einen weiten Betriebsbereich ausgelegten Kreiselpumpen der obengenannten Art ergibt sich vor allem im Teillastbereich bei üblicherweise auf den Auslegepunkt zugeschnittenen Zulaufverhältnissen ein erhöhter Verschleiß infolge Kavitation. Je größer nun eine Kreiselpumpe und/oder je höher ihre Drehzahl ist, um so ausgeprägter werden die Kavitationszerstörungen und um so dringlicher wird es, Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Beispielsweise werden den Betreibern einer derartigen Kreiselpumpe für das Fahren im Teillastbereich Zeitbeschränkungen auferlegt. Eine andere Maßnahme bildet der Einsatz von Materialien hoher Verschleißbeständigkeit oder aber der Einbau von speziellen Verschleißteilen, welche in einem bestimmten zeitlichen Rhythmus eingesetzt werden müssen.

Die die Kavitationsprobleme bei Teillast hervorrufenden Ursachen lassen sich physikalisch wie folgt erklären: Bei Förderströmen, die je nach Auslegung kleiner als 60 — 70% des Berechnungsförderstroms sind, tritt im Außenbereich des Laufradeintritts ein ringförmiger Wirbel, der sog. Teillastwirbel, auf, der sich vom Laufrad weg entgegen der Zuströmung bewegt. Dieser Wirbel wird mit weiter verringertem Forderstrom intensiver und versperrt den Zuströmquerschnitt zum Laufrad immer mehr. Die zu kleineren Radien abgedrängte Durchflußströmung behält infolge dieser S Querschnittsversperrung in etwa ihr Geschwindigkeitsniveau vom Brechnungspunkt bei, tritt aber mit kleinerer Realtivgeschwindigkeit im Nabenbereich in das Laufrad ein.

Dieser Vorgang führt im Teillastbereich, in dem der ,o Wirbel auftritt, zu einer Verringerung des /VPSW-Wertes für beginnende Kavitation (NPSHi). Der Wirbel wird jedoch durch die vorhandenen Rippen oder Einlaufkrümmer usw. in seiner Ausbildung gestört, so daß die Absenkung des NPSHj-Wertes nicht eintritt, sondern NPSHj bis auf ein Mehrfaches ansteigt. In der Folge stellen sich bei diesem Betrieb und den aus betrieblichen Gründen für den Normallastbereich ausgelegten Zulaufverhäitnissen Kavitationsschäden ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei

2c Teillastbetrieb durch Kavitation hervorgerufenen Zerstörungen mit geringem Aufwand zu vermeiden. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß dem Laufrad der Kreiselpumpe ein an sich bekannter kegelförmiger Diffusor vorgeschaltet ist, wobei der halbe Kegelwinkel des Diffusors 5 bis 15° beträgt und das Verhältnis der Diffusor-Eintrittsfläche zur Diffusor-Austrittsfläche von 0,5 bis 0,9 reicht und das dem Diffusor nachgeschaltete Laufrad am äußeren Stromfaden einen Schaufeleintrittswinkel von 8 bis 20° aufweist.

Die Erfindung läßt sich aber auch alternativ hierzu dadurch verwirklichen, daß der Diffusor als Stufendiffusor ausgebildet ist, wobei das Verhältnis der Diffusor-Eintrittsfläche zur Diffusor-Austrittsfläche von 0,5 bis 0,9 reicht und das Verhältnis der Diffusorlänge zu dem Diffusoraustrittsdurchmesser zwischen 0,2 und 1,0 liegt und das dem Diffusor nachgeschaltete Laufrad am äußeren Stromfaden einen Schaufeleintrittswinkel von 8 bis 20 Grad aufweist.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein Teil der axialen Länge des Diffusors in den rotierenden Teil des Laufrades einbezogen ist und daß die Diffusorlänge vom Diffusor-Eintrittsdurchmesser bis zur Laufschaufelkante im Eintrittsdurchmesser des Laufrades reicht.

Auf Grund des erfindungsgemäß gestalteten Diffusors folgt der aus dem Laufrad austretende Wirbel, dessen Umfangskomponente etwa gleich der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades an lieser Stelle und dessen Axialkomponente sehr klein ist, der Außenwand des Diffusors und wird nach innen abgedrängt. Somit wird die Umfangskomponente gemäß r ■ c„ = konst. größer, und der statische Druck nimmt nach dem Bernoullischen Gesetz ab. Im kleinsten Diffusorquerschnitt trifft der Wirbel auf die Durchsatzströmung, die wegen des verkleinerten Querschnitts einen erhöhten Impuls aufweist. Dieser Impuls und die obengenannte Druckabsenkung genügen, um bei erfindungsgemäßer Bemessung den Wirbel zur Umkehr zu zwingen.

Hierdurch gelingt es, Störungen des Wirbels durch vor dem Laufrad liegende Bauteile zu vermeiden und seine positiven Auswirkungen auf den NPSH,-Verlauf zu erhalten.

Der erfindungsgemäß gestaltete Diffusor neigt im Vollastbereich auf Grund seines steilen Kegelwinkels

fts bzw. durch den Sprung des Stufendiffusors zu einem Ablösen der Strömung. Das dadurch an der Wandung sich bildende energiearme Gebiet wird über den entsprechend gestalteten Einlauf des nachgeschalteten

Laufrades abgeführt. Selbstverständlich ist der engste Querschnitt im gesamten Pumpeneinlauf auf die größte Fördermenge zugeschnitten.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht in der Erweiterung des kavitationsfreien Fahrbereichs der Kreiselpumpe. Das heißt, es werden alle diejenigen negativen Begleiterscheinungen vermieden, die bisher beim Betrieb mit kavitierender Kreiselpumpe aufgetreten sind. Die Zerstörungen an den Eintrittskanten der Laufschaufeln entfallen damit ebenfalls. Neben den erheblichen Vorteilen bezüglich Betriebssicherheit und Lebensdauer ist auch der nicht zu unterschätzende weitere Vorteil zu nennen, daß die Kreiselpumpe im Bereitschaftsbetrieb mit einer Mindestmenge gefahren werden kann, welche durch Teillastkavitationserscheinungen nicht begrenzt ist. Die erforderliche Mindestmenge entspricht dann der thermisch erforderlichen Mindestmenge.

Es sind zwar Kreiselpumpen bekannt, die Saugstutzen mit Erweiterungen aufweisen. So zeigt die DE-PS 6 99 743 in Fig. 4 eine Pumpe mit einem Anpassungsstück, welches einen Übergang zwischen dem Laufradeintritt und dem vorgeschalteten Krümmer bewerkstelligen soll, bei dem jedoch die Wirkung des Diffusors nach der Erfindung nicht eintreten kann. Das eingezeichnete Laufrad besitzt eine achsparallele Eintrittskante, bei der die Teillasterscheinungen in der beschriebenen Form nicht auftreten können, die aber für den Normallastbereich bekanntlich gravierende Nachteile besitzt. Da außerdem das Laufrad in Teilfluträder unterteilt ist, sind hier die Verhältnisse bezüglich der Teillastströmung anders.

Bei dem in der Fig. 1 der DE-AS 11 76 485 abgebildeten Diffusor handelt es sich um eine normale Ausführung. Diese dient zur Umwandlung der dem zu fördernden Medium innewohnenden Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie. Der öffnungswinkel solcher Diffusoren bewegt sich dabei, bezogen auf den halben Kegelwinkel, zwischen 2 und 4 Grad. Innerhalb dieser Größenordnung ist immer noch ein Anliegen der Strömung gewährleistet. Zur Lösung der in der DE-AS 11 76 485 gestellten Aufgabe wurden jedoch ganz andere Maßnahmen vorgenommen. Aufgabe und Lösung zielen in eine andere Richtung und sind mit dem Gegenstand dieser Erfindung nicht vergleichbar.

Durch die US-PS 23 93 933 ist für fliegend gelagerte, axiale und halbaxiale offene Laufräder mit axialem Einlauf eine Spaltstromrückführungseinrichtung bekannt, deren Aufgabe eine Wirkungsgradverbesserung im Auslegepunkt sein soll. Dazu ist der Beschaufelung des offenen Laufrades bzw. des Propellers eine Umlenkkammer vorgeschaltet bei der zwischen dem wirksamen Einlaufdurchmesser und der Gehäusewandung vor den Schaufelenden ein mit allseitigen Abstand befestigter Ring derart angeordnet ist, daß der Spaltstrom umgekehrt und in Achsrichtung dem Laufrad wieder zugeführt wird. Der bei diesen Laufradtypen an den Schaufelenden zurückfließende energiereiche Spaltstrom wird hierdurch so geführt, daß die Störung der Hauptströmung auf ein Minimum reduziert wird. Eine Beeinflussung des sich durch Drosselung einstellenden Teillastwirbels ist damit nicht möglich.

Bei dem Gegenstand der US-PS 33 84 022 ist einem fliegend gelagerten Radtalrad mit axialem Einlauf ein spezieller Inducer vorgeschaltet, der aufgrund seines s extrem großen Durchmessers einen störungsfreien Betrieb der Kreiselpumpe im weiten Überlastbereich ermöglichen soll. Im Normallastbereich arbeitet dabei dieser Inducer bereits in einem für Axialräder nicht mehr zulässigen Betriebsbereich. Um die Kombination

ίο Inducer—Laufrad im Normallastbereich trotzdem störungsfrei betreiben zu können, werden querschnittsverengende Mittel vorgeschaltet, die eine Anströmung des Inducers mit Gleichdrall bewirken. Bei den Mitteln handelt es sich um Blende, Düse oder eine Kombination

ij von Blende und Leitblechen. Die querschnittsverengenden Mittel sprechen hier im Teillastbereich der Maschine nicht an, da sie auf den erheblich zu groß ausgelegten Inducer abgestimmt sind. Der in diesem Fall bei Normalbetrieb zusätzlich auftretende und durch das zu groß ausgelegte Axialrad bedingte Kavitationsverschleiß wird durch die Verbesserung der Induceranströmung zu vermeiden versucht.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden

2<, näher erläutert. Die

F i g. 1 und 2 zeigen Diffusoren mit stetiger Querschnittserweiterung; und die

F i g. 3 und 4 zeigen Diffusoren mit unstetigen Querschnittserweiterungen.

y, In der F i g. 1 sind die Strömungsverhältnisse am Diffusor 1 bei Teillastbetrieb dargestellt. Der aus dem Laufrad 2 austretende Wirbel 3, dessen Umfangskomponente etwa gleich der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades an dieser Stelle und dessen Axialkomponente

-s sehr klein ist, folgt der Außenwand des Diffusors und wird nach innen abgedrängt. Hierdurch wird die Umfangskomponente gemäß dem Drallsatz größer, und der statische Druck nimmt entsprechend dem Gesetz von Bernoulli ab. Im engsten Diffusorquerschnitt trifft

_Ao der Wirbel auf die Durchsatzströmung, welche an dieser Stelle infolge des verkleinerten Querschnitts einen erhöhten Impuis aufweist. Dieser Impuls und die oben beschriebene Druckabsenkung reichen aus, um bei erfindungsgemäßer Bemessung des Diffusors den Wirbel zur Umkehr zu zwingen. De und D_A kennzeichnen den Diflusoreintritts- und -austriusdurchmesser. Der Winkel ä stellt den halben Kegelwinkel des Diffusors dar. Die Diffusorlänge ist durch L gekennzeichnet und erstreckt sich vom engsten Diffusorquerschnitt bis zur Laufradschaufeleintrittskante.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Teil der axialen Länge des Diffusors 1 als verlängerter Laufradhals 4 ausgeführt ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Stufendiffusoren 5. Die erfindungsgemäße Wirkung hängt hierbei vom Verhältnis der Diffusorlänge L zum Diffusoraustrittsdurchmesser Da ab. Bei diesen Ausführungsbeispielen wird das Umkehren des Wirbels 3 durch die Formgebung des Diffusors am Diffusoreintritt De uo begünstigt. Insbesondere ist dies bei der in Fig. 4 dargestellten Hinterdrehung 6 der Fall.

Hierzu 2 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verminderung des Kavitationsverschleißes bei einer Kreiselpumpe mit durch den Einlauf hindurchgeführter Welle, dadurch gekennzeichnet, daß dem Laufrad (2) der Kreiselpumpe ein an sich bekannter kegelförmiger Diffusor (1) vorgeschaltet ist, wobei der halbe Kegelwinkel (α) des Diffusors (!) 5 bis 15 Grad beträgt und das Verhältnis der Diffusor-Eintrittsfläche zur Diffusor-Austrittsfläche von 0,5 bis 0,9 reicht und das dem Diffusor (1) nachgeschaltete Laufrad (2) am äußeren Stromfaden einen Schaufeleintrittswinkel von 8 bis 20 Grad aufweist

2. Einrichtung nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor als Stufendiffusor (5) ausgebildet ist, das Verhältnis der Diffusor-Eintrittsfläche zur Diffusor-Ausirittsfläche von 0,5 bis 0,9 reicht und das Verhältnis der Diffusorlänge (L)zu dem Diffusoraustrittsdurchmesser (D_A) zwischen 0,2 und 1,0 liegt und das dem Diffusor (5) nachgeschaltete Laufrad (2) am äußeren Stromfaden einen Schaufeleintrittswinkel von 8 bis 20 Grad aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der axialen Länge des Diffusors (1) in den rotierenden Teil des Laufrades (2) einbezogen ist.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusorlänge (L) vom Diffusor-Eintrittsdurchmesser (De)bis zur Laufschaufelkante im Eintrittsdurchmesser des Laufrades (2) reicht.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stufendiffusor (5) am Diffusoreintritt eine Hinterdrehung (6) aufweist.