DE3038735C2 - Kreiselpumpe - Google Patents
KreiselpumpeInfo
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- DE3038735C2 DE3038735C2 DE3038735T DE3038735T DE3038735C2 DE 3038735 C2 DE3038735 C2 DE 3038735C2 DE 3038735 T DE3038735 T DE 3038735T DE 3038735 T DE3038735 T DE 3038735T DE 3038735 C2 DE3038735 C2 DE 3038735C2
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/18—Rotors
- F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
- F04D29/2261—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures
- F04D29/2277—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures for increasing NPSH or dealing with liquids near boiling-point
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
mit
O0
O0
Innendurchmesser des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts (5);
D\ Innendurchmesser des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Laufradabschnitts (6);
K] dimensionsloser Koeffizient von 0,17 bis 0,13;
G Kavitations-Schnelläufigkeitszahl der Pumpe im Bereich 5000 bis 11 000;
und wobei der Steigungswinkel (ßo) der Schraubenschaufeln
(12) des Saugradabschnitts (5) am Umfang im Eintrittsquerschnitt bestimmt wird aus der
Beziehung
± 1,5°
mit
Größe des Radialspaltes am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts (5).
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kreiselpumpe mit einem dem Kreiselpumpenlaufrad vorgeschalteten
und mit diesem auf einer gemeinsamen Welle sitzenden Vorsatzläufer, dessen Schraubenschaufeln
veränderlicher Steigung in einem sich in Strömungsrichtung verjüngenden Abschnitt des Gehäuses rotieren. Eine
solche Kreiselpumpe ist aus der DE-OS 19 31 527 bekannt.
Bei Kreiselpumpen dieser Bauart dient der Vorsatzläufer zur Verbesserung der Betriebsbedingungen und
der Anströmung des Kreiselpumpenlaufrades, insbesondere zur Erhöhung des Druckniveaus am Eintritt in das
Kreiselpumpenlaufrad zum Zwecke der Verringerung oder Unterdrückung der Kavitation an dieser Stelle.
Nicht immer befriedigend ist die Saugfähigkeit dieser Pumpen. Diese ergibt sich aus der Kavitations-Schnellläufigkeitszahl
Ck mit
Je größer der Ct-Wert, desto besser ist die Saugfähigkeit
der Pumpe. Wenn die Saugfähigkeit der Pumpe nicht ausreichend ist, kommt es zur Kavitation, die eine
Verminderung der Förderhöhe und des Wirkungsgrades verursacht
Die Besonderheit des Problems besteht darin, dati
eine Erhöhung der Saugfähigkeit der Pumpe üblicherweise eine Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge
hat. Deshalb weisen Pumpen mit hoher Saugfähigkeit in
ίο der Rigel einen geringeren Wirkungsgrad auf, die Pumpen
aber mit hohem Wirkungsgrad sind durch eine kleine Saugfähigkeit gekennzeichnet.
Die bekannten Pumpen erreichen Werte bis etwa Ca = 5000. Dabei weist der Vorsatzläufer eine hohe Kavitationsstabilität
auf und erzeugt eine Förderhöhe, die für einen kavitationslosen Betrieb des Kreiselpumpenlaufrades
ausreicht. Zur Erhöhung der Saugfähigkeit ist es aus der DE-OS 15 28 836 dabei auch bekannt, die
Steigerung der Schraubenschaufeln des Vorsatzläufers in Strömungsrichtung zunehmen zu lassen und aus DE-OS
15 28 662 ist die gleiche Maßnahme in Verbindung mit einem sich in Strömungsrichtung verengenden Pumpengehäuse
bekannt.
Bei allen diesen bekannten Ausbildungen umschließt das Pumpengehäuse den Vorsatzläufer mit minimalem Spiel, d. h. daß der Radialspalt zwischen dem Außenrand der Vorsatzläuferschaufeln und der Gehäuseinnenfläche nur das Freigehen des Läufers gewährleisten soll und so klein gehalten ist wie fertigungstechnisch und betrieblich möglich. Man will auf diese Weise Rückströmungen vermeiden, die sich sonst im Bereich der Schaufelräder einstellen wurden.
Bei allen diesen bekannten Ausbildungen umschließt das Pumpengehäuse den Vorsatzläufer mit minimalem Spiel, d. h. daß der Radialspalt zwischen dem Außenrand der Vorsatzläuferschaufeln und der Gehäuseinnenfläche nur das Freigehen des Läufers gewährleisten soll und so klein gehalten ist wie fertigungstechnisch und betrieblich möglich. Man will auf diese Weise Rückströmungen vermeiden, die sich sonst im Bereich der Schaufelräder einstellen wurden.
In der DE-OS 28 54 656 ist eine Kreiselpumpe der betrachteten Art vorgeschlagen, bei der der Vorsatzläufer
so ausgebildet ist, daß an der Eintrittsstelle zwischen dem Außenrand seiner Schiaubenschaufeln und der Gehäuseinnenwand
ein Radialspalt verbleibt, der bis zum Ende seines Saugradabschnitts auf den betriebstechnisch
notwendigen Minimalwcrt abnimmt. Hier ist die Abnahme des Radialspalts aber nicht zustandegebracht
durch eine sich in Strömungsrichtung verjüngende Ausbildung des Gehäuses, dieses hat vielmehr einen zylindrischen
Kanal für den Vorsatzläufer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kreiseipumpe erhöhter Saugfähigkeit und dennoch guten
Wirkungsgrades zu schaffen und dabei eine Beziehung für die Geometrie des Durchströmkanals am Eintritt in
die Pumpe in Abhängigkeit von den Kenndaten des Vorsatzläufers anzugeben.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Vorsatzläufer mit konstantem Außendurchmesser ausgeführt
ist und an seinen eintrittsseitig im Bereich des sich verjüngenden Gehäuseabschnitts gelegenen Saugradabschnitt
sich ein Laufradabschnitt anschließt, wobei der Innendurchmesser des Gehäuses im Eintrittsquerschnitt
des Saugradabschnitts bestimmt wird aus der Beziehung
Ct = 5,62 ·
In dieser Beziehung ist
η — Drehzahl (U/min),
Q — Fördermenge (m3/s) und
h — Haitedruckhöhe (m).
η — Drehzahl (U/min),
Q — Fördermenge (m3/s) und
h — Haitedruckhöhe (m).
(D
D0
K1-(C11- 10-4 + 2,1)2
60
65 Innendurchmesser des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts (5);
Innendurchmesser des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Laufradabschnitts (6);
dimensionsloser Koeffizient von 0,17 bis 0,13;
Kavitations-Schnelläufigkeitszahl der Pumpe im Bereich 5000 bis 11 000;
Innendurchmesser des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Laufradabschnitts (6);
dimensionsloser Koeffizient von 0,17 bis 0,13;
Kavitations-Schnelläufigkeitszahl der Pumpe im Bereich 5000 bis 11 000;
und wobei der Steigungswinkel der Schraubenschaufeln
des Saugradabschnitts am Umfang im Eintrittsquerschnitt bestimmt wird aus der Beziehung
Do Innendurchmesser des Gehäuses 1 am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts 5;
Δ Größe des Radialspalts am Eintrhtsquerschnitt des
Saugradabschnitts 5.
± 1.5°
Größe des Radialspaltes im Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts.
Eine solche Pumpe hat eine wesentlich erhöhte Saugfähigkeit. Aufgrund des Radialspaltes zwischen dem Außendurchmesser
des Saugradabschnitts des Vorsatzläufers und dem Innendurchmesser des Gehäuses teilt sich
der Flüssigkeitsstrom am Eintritt in den Vorsatzläufer in zwei Ströme, deren einer durch den Radialspalt strömt
und deren andere in den Saugradabschnitt eintritt. Aus der Analyse der eingangs genannten Beziehung für die
Kavitations-Schnelläufigkeitszahl G ergibt sich, daß bei einer Verminderung des Durchsatzes der geförderten
Flüssigkeit für gleichbleibende Werte der Drehzahl und der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl der Betrieb des
Vorsatzläufers ohne Kavitationsausbildung bei kleineren Haitedruckhöhen möglich ist. Diese Verminderung
der Größe der Haitedruckhöhe bei unveränderten Werten der Fördermenge und der Drehzahl bedeutet eine
wesentliche Erhöhung der Pumpensaugfähigkeit.
Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen
weiter erläutert. Es zeigt
F i g. 1 schematisch den Längsschnitt einer Kreiselpumpe mit radialem Austritt aus dem Kreiselpumpenlaufrad;
F i g. 2 schematisch den Längsschnitt einer Kreiselpumpe mit axialem Austritt aus dem Kreiselpumpenlaufrad;
Fig.3 Abwicklung eines zylindrischen Querschnittes
des Saugradabschnitts des Vorsatzläufers;
F i g. 4 die graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Koeffizienten des Gehäusedurchmessers am
Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts und der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl:
F i g. 5 die graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl und der
spezifischen Fördermenge für zwei Werte des Steigungswinkels der Saugradschaufeln bei der Pumpenbauart
nach Fig. 1.
Die Kreiselpumpe hat eine Gehäuse 1, das einen Saugstutzen 2 und ein Spiralgehäuse 3 aufweist. Auf der
im Gehäuse 1 rotierenden Welle 4 sitzt eintrittsseitig ein Vorsatzläufer mit einem Saugradabschniu 5 und einem
Laufradabschnitt 6 sowie ein Kreiselpumpenlaufrad 7. Die Schraubenschaufeln 9 des Laufradabschtiitts 6 des
Vorsatzläufers sind einstückig mit einer Nabe 8 ausgeführt und bilden zwischen sich Schaufelkanäle 10 zum
Durchfluß der Flüssigkeit; ebenso sind die Schraubenschaufeln 12 des Saugradabschnitts 5 einstückig mit
einer Nabe 11 ausgeführt und bilden zwischen sich Schaufelkanäle 13. Die Steigung der Schaufeln 12 des
Saugradabschnitts 5 vergrößert sich in Richtung des Flüssigkeitsstroms.
In F i g. 1 und 2 sind folgende Größen bezeichnet:
S Schraubenliniensteigung der Schaufel 12 des Saugradabschnitts
5;
D\ Innendurchmesser des Gehäuses 1. vorliegend im
Stutzen 2, am Eintriitsquerschnitt des Laufradabschnitts
6:
Fig.2 zeigt eine Pumpe mit einem Kreiselpumpenlaufrad
14 mit axialem Austritt. Dieses ist in drei Abschnitte unterteilt, nämlich in einen Laufradabschnitt 16.
in einen Diagonal-Druckerhöhungsabschnitt 17 und in einen Austrittsabschnitt 18. Bei dieser Ausbildung entspricht
der Laufradabschnitt 16 dem Laufradabschnitt 6 der Ausbildung gemäß F i g. 1 und der Eintrittsquerschnitt
des Kreiselpumpenlaufrades 14 ist gleichzeitig der Eintrittsquerschnitt des Laufradabschnitts. Der Innendurchmesser
des Gehäuses ändert sich in Richtung des rlüssigkeitsstroms vom maximalen Wert D0 am Eintrittsquerschnitt
des Saugradabschnitts 5 bis zum minimalen Wert D\ am Eintrittsquerschnitt des Kreiselpumpenlaufrades
14 und steigt dann wieder bis zum Wert D?
am Querschnitt vor dem Spiralgehäuse 3.
In dieser Ausbildungsform ist die Welle 4 auf Lagern 15 gelagert.
Der Verlauf der Steigungswinkel /?der Schaufeln 12
des Saugradabschnitts 5 bezüglich der jeweiligen Querebene ist aus Fig. 3 ersichtlich. Dabei ist die Axialgeschwindigkeit
des Flüssigkeitsstroms durch den Pfeil Q und die Richtung der Umfangsgeschwindigkeit der
Schaufeln durch U\ angegeben.
Fig.4 zeigt die durch Versuche mit vier Pumpen ermittelten Beziehungen zwischen dem Koeffizienten Kn. des Gehäusedurchmessers am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts 5 und der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl Cr, dabei ist
Fig.4 zeigt die durch Versuche mit vier Pumpen ermittelten Beziehungen zwischen dem Koeffizienten Kn. des Gehäusedurchmessers am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts 5 und der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl Cr, dabei ist
D0
mit
Do Innendurchmesser des Gehäuses am Eintrittsquerschnitt
des Saugradabschnitts 5; Q Durchflußmenge der Pumpe und η Drehzahl der Welle 4.
F i g. 5 zeigt die Beziehungen zwischen der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl
der Pumpe und der spezifischen Durchflußmenge —. Dieses Diagramm betrifft
so eine Pumpe gemäß Fig. 1 und zwar die Kurve 20 mit
einem Eintritts-Steigungswinkel/ιΌ der Schaufeln 12 von
5° und die Kurve 12 mit einem Winkel/<b von 10°.
Im Betrieb der Kreiselpumpe wird die Welle 4 angetrieben
und die Flüssigkeit durch den Stutzen 2 des Gehäuses 1 dem Vorsatziäufer zugeführt. Ein Teil der
Flüssigkeit strömt durch die Schaufelkanäle 13 des Saugradabschnitts 5 und der andere Teil der Flüssigkeit
durch den Spielraum Δ zwischen dem Gehäuse 1 und den Schaufeln 12 zum Laufradabschniti 6. Die Schaufeln
bo 12 bewirken eine Druckerhöhung der in den Laufradabschnitt 6 gelangenden Flüssigkeit, und in dessen Schaufelkanälen
10 kommt es zu einer weiteren Druckerhöhung der Flüssigkeit, die dann dem Kreiselpumpenlaufrad
/ zugeführt wird. Dieses bringt dann den Flüssig-
b5 keitsdruck auf den erforderlichen Wert.
Diese aufeinanderfolgenden Flüssigkeitsdruckerhöhungen gewährleisten einen Betrieb aller Puinpenräder
5. 6. 7 ohne Kavitationsausbildune. Aus dem Kreisel-
pumpenlaufrad 7 gelangt die Flüssigkeit in den Austritt
3 und weiter in eine Druckleitung.
Der Betrieb der in F i g. 2 dargestellten Pumpe entspricht dem Betrieb der in F i g. 1 dargestellten Pumpe.
Aus der Theorie und aus Versuchsergebnissen, die für einige Pumpen der in Fi g. 1 und 2 dargestellten Bauart
erhalten wurden, sind die Beziehungen zwischen der Kennziffer Ko1, für den Eintrittsdurchmesser des Gehäuses
1 und der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl Ci in F i g. 4 wiedergegeben. Die sich für Pumpen mit superhoher
Saugfähigkeit auf dem Versuchsweg ergebenden Kurven können annähernd in analytischer Form geschrieben
werden:
Ko0 = a (Ck- 10-"+ 2,I)2
(5)
Hier liegt der Faktor a in Übereinstimmung mit der Streuung der Kurven in F i g. 4 zwischen 0,85 und 1,15.
Zur Sicherung einer superhohen Saugfähigkeit der Pumpe ist die Größe des Durchmessers Do des Gehäuses
1 am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts 5 aus folgender Gleichung zu ermitteln:
D0 = α (Q · ΙΟ'4 + 2,1)2
i/i
(6)
D1 = K0, ■ \l±
(7)
10-" + 2.I)2
Hier ist ATi =0,17 bis 0,13.
Die Erhöhung der Saugfähigkeit der Pumpe ergibt sich hierbei erstens aus der Vergrößerung der Querschnittsfläche
ihres Strömungskanals und der hieraus resultierenden Verminderung der Ausflußzahl φ am
Eintrittsquerschnitt des Saugrades 5, die das Verhältnis zwischen der Axialgeschwindigkeit C\ des Flüssigkeitsstroms und der Umfangsgeschwindigkeit U, des Rades
5 auf seinem Außendurchmesser angibt Dieser Umstand gewährleistet eine Verminderung der axialen
Komponente der Strömungsgeschwindigkeit und einen minimalen Abfall des statischen Drucks im Flüssigkeitsstrom,
was eine erste Erhöhung der Saugfähigkeit der
25
Üblicherweise haben Pumpen mit hoher Saugfähigkeit einen relativ niedrigen Wirkungsgrad von ^=0,5
bis 0,65, was durch Verminderung der Ausflußzahl (φ\
<0,l) infolge vergrößerter Fläche des Durchflußkanal-Querschnittes,
verringerter Axialgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrornes und der Strömungsablösungen
im Laufrad bedingt ist.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der vorliegenden Pumpe mit hoher Saugfähigkeit ist der Innendurchmesser
des Gehäuses 1 von der nach Formel (6) berechneten Größe Do in Stromrichtung bis auf die Größe D\ verkleinert,
die nach folgender Formel ermittelt wird:
40
Hier ist Kp, der Koeffizient des Durchmessers des
Gehäuses 1 am Eintrittsquerschnitt des Laufradabschnitts 6 und beträgt für einen erhöhten Wirkungsgrad
6 bis 7.
Aus den Formeln (6) und (7) wird die Gleichung des Verhältnisses der Änderung des Innendurchmessers des
Gehäuses 1 erhalten, die eine maximale Saugfähigkeit des Saugradabschnitts 5 und einen maximalen Wirkungsgrad
des Laufradabschnitts 6 gewährleistet:
(8) Pumpe ergibt.
Zweitens ergibt sich eine Erhöhung der Saugfähigkeit der Pumpe durch die Vergrößerung des Radialspalts Δ
zwischen dem Außendurchmesser des Saugradabschnitts 5 und dem Innendurchmesser des Gehäuses 1.
Dies ist oben im Zusammenhang mit der Aufteilung des Flüssigkeitsstroms in einen den Saugradabschnitt 5 und
einen den Spalt Δ durchströmenden Teilstrom ausgeführt, woraus sich ergeben hatte, daß wegen der Verkleinerung
des vom Saugradabschnitt 5 zu erfassenden Durchsatzvolumens eine kleinere Haitedruckhöhe Δhk
möglich wird, was eine Erhöhung der Saugfähigkeit der Pumpe bedeutet.
Aus der Theorie der Anströmung eines Flachgitters aus unendlich dünnen Platten durch einen Idealflüssigkeitsstrom
folgt, daß die Kavitationssicherheit des Saugradabschnitts 6 umso besser ist, je kleiner der Steigungswinkel/?der
Schaufel 12 ist:
C1 ·
U
;
Xg ß0
Hier ist
C] axiale Geschwindigkeit der Flüssigkeit am Eintritt in den Saugradabschnitt 5;
C] axiale Geschwindigkeit der Flüssigkeit am Eintritt in den Saugradabschnitt 5;
U\ Umfangsgeschwindigkeit des Saugradabschnitts 5; ßo Steigungswinkel der Schaufel 12 am Eintritt;
Ahk Haitedruckhöhe.
Ahk Haitedruckhöhe.
Versuche haben erwiesen, daß für Pumpen mit hoher Kavitationssicherheit, bei denen die vorgeschalteten
Vorsatzläufer kleine Steigungswinkel ßo der Schaufeln
(/?o^2Oc) aufweisen, der Kennwert ßo bei konstantem
Durchmesser des Vorsatzläufers und des Gehäuses in der Praxis keinen Einfluß auf die Kavitationsdaten der
Pumpe hat. Dies gilt bei kleinem Radialspiele/zwischen
Vorsatzläufer und Gehäuse.
Bei der vorliegenden Pumpe mit einem Saugradabschnitt 5 konstanten Durchmessers und einem konvergierenden
Gehäuse 1, das am Eintritt ein relativ großes Radialspiel Δ beläßt, ermöglicht eine Verkleinerung von
ßo in Übereinstimmung mit den in F i g. 5 angegebenen Versuchsdaten eine wesentliche Erhöhung der Kavitations-Schneiläufigkeitszahl
Ck. Zum Vergleich mit den Anfangswerten G=4000 bis 5000 wurden Werte
Ck=8000 erhalten.
Versuche mit verschiedenen Größen des Steigungswinkels ßo und des Radialspiels Δ ermöglichten, das optimale
Verhältnis zwischen diesen Größen, die eine maximale Erhöhung der Saugfähigkeit der Pumpe gewährleisten,
festzulegen:
ßo - (10 - 33 · Δ/Di)" ± 1,5°
Die in Fig.4 dargestellten Versuchskurven wurden
mit Pumpen erhalten, bei denen gleichzeitig ein großes Radialspiel Δ am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts
5 und ein kleiner Steigungswinkel ßo der Schaufeln
12 in Übereinstimmung mit der Formel 10 angenommen waren. Es haben sich durch die Anwendung
der Formeln 8, 10 Kavitations-Schnelläufigkeitszahlen von 6000 bis 10 000 und Wirkungsgrade η von υ,6 bis 0,8
ergeben.
65 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Kreiselpumpe mit einem dem Kreiselpumpenlaufrad (7) vorgeschalteten und mit diesem auf einer gemeinsamen Welle (4) sitzenden Vorsatzläufer, dessen Schraubenschaufeln (12) veränderlicher Steigung in einem sich in Strömungsrichtung verjüngenden Abschnitt des Gehäuses (1) rotieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsatzläufer (5/6; 5) mit konstantem Außendurchmesser ausgeführt ist und an seinen eintrittsseitig im Bereich des sich verjüngenden Gehäuseabschnitts gelegenen Saugradabschnitt (5) sich ein Laufradabschnitt (6, 16) anschließt, wobei der Innendurchmesser (Do) des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts (5) bestimmt wird aus der BeziehungD0 = Df Kx (Ck- 10-" + 2,I)2
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DE3038735C2 true DE3038735C2 (de) | 1986-02-27 |
Family
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