DE2625818A1 - Intensivsauglaufrad - Google Patents

Description

74R49 * 9. Juni

1Α-172Ο

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, El Segundo, California, U.S.A.

Intensivsauglaufrad

Die Erfindung betrifft ein Intensivsauglaufrad mit einer allgemein konusförmigen Nabe und einer Vielzahl von Schaufeln, welche sich im wesentlichen senkrecht zur Achse der Nabe erstrecken. Jede der Schaufeln hat eine flügeiförmige Gestalt. Der Winkel zwischen der Relativströmungsrichtung der auftreffenden Strömung und der Saugfläche der Spitzenvorderkanten beträgt - 0,5°. Das Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen benachbarten Schaufeln und dem lichten Abstand zwischen den Schaufelspitzen und dem umgebenden Gehäuse beträgt mehr als etwa 70.

Die Erfindung betrifft Pumpen und insbesondere verbesserte Ansauglaufräder für Pumpen oder dgl.

Auf dem Gebiet der Pumpenkonstruktion besteht ein ständiges Bedürfnis zur Entwicklung immer höherer saugspezifischer Geschwindigkeiten. Andererseits kann man mit herkömmlichen Laufrädern oder Schaufelrädern bei einem vorgegebenen Einlaßdruck saugspezifische Geschv/indigkeiten in Wasser von mehr als 12 000 bis 15 000 nicht verwirklichen, ohne daß es zur Entwicklung von die Pumpenteile zerstörenden Kavitationserscheinungen kommt. Andererseits wurden Laufräder mit hohen saugspezifischen Geschwindigkeiten (20 000 bis 40 000) für Raketentriebwerke entwickelt. Diese haben jedoch eine nur äußerst kurze Lebensdauer von etwa 2 h aufgrund der Zerstörungswirkung äußerst intensiver Kavitationserscheinungen.

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Mit der vorliegenden Erfindung werden diese Nachteile der herkömmlichen Einrichtungen vermieden und es wird ein Laufrad geschaffen, welches in Wasser (oder anderen Flüssigkeiten) "bei saugspezifischen Geschwindigkeiten im Bereich von 20 000 "bis 40 000 während hunderten von Stunden "betrieben werden kann, wobei es nur zu sehr geringer oder zu keinerlei Kavitationsbeschädigung kommt.

Diese Vorteile werden erfindungsgemäß durch ein Laufrad erzielt, dessen Schaufeln flügeiförmige Gestalt (alar configuration) und relativ scharfe Vorderkanten aufweisen, wobei der Winkel zwischen der Relativströmungsrichtung der auftreffenden Flüssigkeit und den Saugflächen an den Spitzen etwa - 0,5° "beträgt (im Bereich von etwa - 0,5 ° liegt). Das Verhältnis des Schaufelspitzenabstandes zu dem lichten Abstand zwischen den Schaufeln und dem umgebenden Gehäuse ist vorzugsweise größer als etwa 70.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Pumpe zu schaffen und insbesondere eine Pumpe zur Erzielung von saugspezifischen Geschwindigkeiten in Wasser im Bereich von 20 000 bis 40 000 während hunderten von Stunden ohne Kavitationsbeschädigung oder bei nur geringer Kavitationsbeschädigung. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, verbesserte Laufräder zu schaffen, welche hohe Geschwindigkeiten bei langer Pumpen-Lebensdauer erlauben.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch ein Laufrad gelöst, welches eine allgemein konische Nabe aufweist, sowie eine Vielzahl von Schaufeln, welche sich im wesentlichen im rechten Winkel zur Achse der Nabe erstrecken. Jede dieser Schaufeln hat eine flügeiförmige Gestalt, wobei der Winkel zwischen der Relativströmungsrichtung der auftreffenden Flüssigkeit und der Spitzensaugfläche an den Vorderkanten der Schaufeln etwa -0,5 ° beträgt und wobei das Verhältnis zwischen dem Abstand benachbarter Schaufeln und dem lichten Abstand zwischen den Schaufeln und dem umgebenden Gehäuse größer als etwa 70 isM? 3 8 51/0186

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 einen Schnitt durch ein Wasserstrahltriebwerk mit dem erfindungsgemäßen Laufrad;

Pig. 2 eine Vorderansicht des Laufrades gemäß Pig. 1; Pig. 3 eine Seitenansicht des Laufrades gemäß Pig. 1; Pig. 4 eine Rückansicht des Laufrades gemäß Pig. 1;

Pig. 5 eine schematische Darstellung benachbarter Schaufeln des Laufrades gemäß Pig. 1;

Pig. 6 eine schematische Darstellung der Schaufeloberflächen-Kavitation an der Vorderkante einer Schaufel eines herkömmlichen Laufrades;

Pig. 7 eine schematische Darstellung der Spitzenwirbel-Kavitation eines Laufrades gemäß Pig. 1, von außen her zur Spitze hin gesehen, wobei die Schaufeloberflächen-Kavitation eliminiert ist;

Pig. 8 eine Vorderansicht zur Veranschaulichung der Spitzenwirbel-Kavitation und

Pig. 9 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Zusammenbruchs der Bläschen der Spitzenwirbel-Kavitation an der nachfolgenden Schaufel.

Im folgenden wird die Anwendung der Erfindung beispielhaft anhand der Pig. 1 erläutert, welche ein Wasserstrahltriebwerk oder eine Schiffsstrahltriebwerk 2 zeigt. Dieses umfaßt ein allgemein L-förmiges Gehäuse 4 mit einer Einlaßöffnung 6 und einer Auslaßöffnung 8. Eine hohle Hülse 10 erstreckt sich in das Gehäuse 4 in axialer Flüchtling mit der Auslaßöffnung 8. Ein Ende 12 der Hülse 10 erstreckt sich durch eine Öffnung 14 des Gehäuses 4 während das entgegengesetzte Ende 16 der Hülse 10 im Gehäuse 4 durch eine einzige hohle Rippe 18 gehaltert ist. Durch die Hülse 10 erstreckt sich eine Welle 20, deren eines Ende 22 parallel in einem Lagerblock 24 verläuft, während das entgegengesetzte Ende 26 der Welle 20 drehbar mittels geeigneter in Pig. 1 nicht gezeigter Einrichtungen gelagert ist. Auf der Antriebswelle 20 ist ein Laufrad 28

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befestigt, und zwar zwischen der hohlen Rippe 18 und dem Lagerblock 24. Dieses ist durch geeignete Einrichtungen, z. B. durch eine Keilverbindung 30, mit der Antriebswelle verbunden und zusammen mit dieser drehbar. Das Äußere des Lagerblocks 24 hat eine an das Gehäuse 4 und die Auslaßöffnung 8 angepaßte Gestalt und bildet zusammen mit diesen eine Ausströmdüse des Strahltriebwerks 2.

Wie man am besten aus den Figuren 1 bis 4 erkennt, umfaßt das Laufrad 28 einen allgemein kegelstumpfförmigen Körper mit einer axialen Öffnung 34, welche die Antriebswelle aufnimmt und von dem sich eine Vielzahl von Schaufeln 36 nach außen erstrecken, und zwar im wesentlichen senkrecht zur Achse des Körpers 32. Das als Beispiel gewählte Laufrad 28 weist vier Haupt schaufeln 38 und vier Hilfsschaufel 40 auf.

Bekanntlich haben Laufradschaufeln eine allgemein flügelartige Gestalt und der hierdurch erzeugte Auftrieb dient der Förderung des Strömungsmediums in der gewünschten Richtung. Bisher hat man jedoch üblicherweise die Schaufeln mit einer dicken oder unvermittelten Vorderkante ausgebildet, welche einen Keilwinkel von mehr als 10° aufweist. Hierdurch sollten die auftretenden Belastungen und Beanspruchungen aufgenommen werden und das Gießen sollte erleichtert werden. Ferner begann bei bisherigen Einrichtungen dieser Art die Krümmung des Flügels unmittelbar hinter der Vorderkante zum Zwecke der Erzielung eines maximalen Dreheffekts über eine minimale Länge. Demgegenüber sind die Schaufeln 36 des erfindungsgemäßen Laufrades mit einer spitz zulaufenden Vorderkante mit einem Keilwinkel von etwa 5° versehen. Hierdurch wird eine Kavitation der Flügeloberfläche verhindert und man erhält eine maximale Strömungsfläche und örtliche Beschleunigungen werden verhindert. Somit sollte dieser Keilwinkel erfindungsgemäß weniger als 10° betragen und insbesondere weniger als 8° und speziell weniger als 6°. Zusätzlich haben die Schaufeln 36 einen Krümmungswinkel von etwa 60°, was ebenfalls dazu beitrag daß» or H ·"©*»£, bekohleunigungen

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verhindert werden und die Verwendung dünner Vorderkanten ermöglicht wird. Ferner steht dies in Beziehung zu den Strömungswinkelerfordernissen, welche weiter unten erläutert werden. Der Ausdruck "Krümmungswinkel" (sweep angle) bezeichnet den Winkel zwischen einer Radiallinie der Mittelachse der Laufradnabe und einer Tangente der Schaufelfläche an einem beliebigen Punkt entlang der Vorderkante der Schaufel. Vorzugsweise beträgt dieser Winkel 60° + 10° und insbesondere 60° - 5° und speziell 60° + 2°. Zur weiteren Verminderung der Kavitation der Schaufeloberfläche haben die Schaufeln 36 gemäß Fig. 5 einen bestimmten Anstellwinkel, derart, daß der Winkel zwischen der Richtung des anströmenden Strömungsmediums, welche durch die Linie 42 dargestellt ist, und der Saugfläche der Schaufel 36, welche durch die Linie 44 dargestellt ist, weniger als +0,5° beträgt. Die Schaufeln 36 sind zur Erzielung eines genügend stabilen Baus von der Nabe zur Spitze hin verjüngt. Der Spitzenkeilwinkel der Schaufeln 36 unterliegt jedoch einer Beschränkung durch das Erfordernis, daß der Strömungswinkel — 0,5 ° betragen muß. An Radien, welche geringer sind als der Spitzenradius unterliegt der Strömungswinkel dem Erfordernis

Spitze

+ 0,5 x(i5 ) , wobei R_Q . , den Spitzenradius und

^örtlich bpxtze

R.. ,-, . , den Radius der jeweils interessierenden Stelle zwischen der Nabe und der Spitze bezeichnet.

Alle vorerwähnten Bedingungen dienen der Verhinderung oder Minderung der Kavitation der Schaufeloberfläche. Eine solche Kavitation tritt bei herkömmlichen Schaufeln an der Vorderkante 46 oder in der Nähe der Vorderkante 46 auf, wie dies in Fig. bei 48 dargestellt ist. In Fig. 6 ist ein Strom von Bläschen mit 52 bezeichnet, welche auf die Saugfläche 50 der Schaufel auftreffen und hier zusammenbrechen. Diese Erscheinung ist auf die stumpfe Vorderkante 46 und den großen bei 54 angedeuteten Anstellwinkel zurückzuführen. Demgegenüber haben gemäß Fig. 7 die Schaufeln 36 des erfindungsgemäßen Laufrades 28 eine scharfe Vorderkante 56 und einen geringen Anstellwinkel, welcher

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bei 58 angedeutet ist. Auf diese Weise wird eine Kavitation der Schaufeloberflache vollständig vermieden. Irgendwelche Spitzenwirbel-Kavitationserscheinungen, welche auftreten können, werden mit der Strömung 59 des Strömungsmediums weggeführt und brechen nicht auf der Oberfläche der Schaufel 36 zusammen.

Eine weitere schwerwiegende Ursache für Beschädigungen herkömmlicher Laufräder besteht in der Spitzenwirbel-Kavitation. Hierzu wird auf Fig. 8 Bezug genommen. Die Spitzenwirbel-Kavitation wird durch eine Umlenkung des Strömungsmediums zwischen der Spitze 50 der Schaufel und der umgebenden Wandung 62 hervorgerufen, wobei das Strömungsmedium von der Druckseite der Schaufel zur Saugseite der Schaufel gelangt, und zwar in einer helixförmigen Bewegung, wie dies bei 64 angedeutet ist. Dies führt dazu, daß die Kavitationsbläschen auf der Druckfläche 66 der nachfolgenden Schaufel 68 zusammenbrechen, wie dies in Fig. 9 bei 70 dargestellt ist. Dies führt ebenfalls zu erheblichen Beschädigungen. Die Spitzenwirbel-Kavitation ist eine Funktion des Abstandes zwischen der Schaufelspitze 60 und der umgebenden Wandung 62 sowie eine Funktion des Anstellwinkels der Schaufel. Wenn andererseits der Schaufelabstand, welcher in Fig. 9 durch 72 dargestellt ist, bei gegebenem Anstellwinkel adequat gewählt ist, so wird die Spitzenwirbel-Kavitationsenergie zwischen den Schaufeln verzehrt, ohne diese zu beschädigen. Es wurde nun festgestellt, daß dieses Ergebnis zuverlässig erzielt werden kann, wenn das Verhältnis des Abstandes zwischen den Schaufeln zu dem Abstand zwischen der Schaufelspitze 60 und der umgebenden Wandung 62 größer als etwa 70 ist.

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Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE

1. Laufrad mit einer im wesentlichen konischen Nabe, einer Vielzahl von flügeiförmigen Schaufeln, welche sich im wesentlichen senkrecht zur Nabenachse erstrecken und mit einem die Schaufeln umgebenden Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel von etwa - 0,5° zwischen der Relativströmungsrichtung (42) des auftreffenden Strömungsmediums und der Saugfläche (44) an den Spitzenvorderkanten der Schaufeln (36) vorgesehen ist und daß das Verhältnis des Abstandes (72) zwischen benachbarten Schaufeln (36) zu dem lichten Abstand zwischen den Schaufelspitzen (60) und der Innenfläche des Gehäuses (62) größer als etwa 70 ist.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkel der Vorderkante der Schaufeln (36) weniger als 10° beträgt.

3. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen einer Radiallinie der Nabenmittellinie und einer Tangente der Schaufeloberfläche an einem beliebigen Punkt entlang der Vorderkante der Schaufeln (36) etwa 60° beträgt.

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