DE3104349C1 - Kreiselpumpe mit Spiralgehäuse und radialem oder halbaxialem Laufrad - Google Patents

Description

Eine Erhöhung der Fördermenge von Kreiselpumpen kann erreicht werden durch eine Steigerung des Massendurchflusses und eine Erhöhung der Drehzahl. Beide Maßnahmen führen aber zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und damit zu einer Steigerung der Kavitationsbeanspruchung. Durch die Implosion der Kavitationsblasen tritt eine Materialabtragung ein, die bei entsprechend hoher Geschwindigkeit und voll beanspruchter Saughöhe in kurzer Zeit zu einer Zerstörung der Laufradschaufeln und letztendlich zum Ausfall der Pumpe führt

Zur Vermeidung solcher Kavitationsschäden werden vielfach kavitationsbeständigere Werkstoffe verwendet. Zur Verhinderung der Kavitation selbst können auch die Zulaufverhältnisse geändert werden. So kann die Saughöhe verringert oder die geodätische Zulaufhöhe vergrößert werden. Hier bietet sich z.B. der Einbau einer Vorpumpe an. Die genannten Maßnahmen führen jedoch sämtlich zu einem erhöhten baulichen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kavitationsverschleiß allein durch gestalterische Maßnahmen an der Kreiselpumpe auf ein Minimum zu reduzieren, die Aufbietung zusätzlicher Mittel aber zu vermeiden. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches genannten Merkmale.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt die

F i g. 1 Diagramme über die Druckverteilung längs der Laufradschaufel bei unterschiedlichen Anströmwinkeln bzw. Stoßwinkeln am Eintritt, die

F i g. 2 den relativen NPSH₃% und relativen Wi _a-Ver-Iauf in Abhängigkeit vom Strömungswinkel j9i„ für Q=konst. und η=konst, die

Fig.3 ein Diagramm über den Druckverlauf am Umfang des Laufradaustritts bei drei relativ verschieden großen Spiralquerschnitten, und die

F i g. 4 an vier Stellen am Umfang des Laufradaustritts gemessene, auf die drei relativ unterschiedlichen Spiralquerschnitte bezogene Einzelkennlinien.

Bei den bekannten Verfahren zur hydraulischen Auslegung von Laufrädern wird zur Vermeidung von Kavitation darauf geachtet, daß die Relativgeschwindigkeit längs der Stromfäden stetig abfällt und die Anströmung entlang der Schaufeleintrittskante geometrisch stoßfrei erfolgt Um minimale NPSH-Werte zu erreichen, werden optimale Schaufeleintrittswinkel vorgeschrieben und bestimmte Profilierungen der Eintrittskante angegeben. Bei der Berechnung der Spirale schwanken die Angaben in der Literatur beträchtlich. Theoretisch müssen die Spiralquerschnitte mit einem Reibungszuschlag berechnet werden. Dieser Zuschlag schwankt jedoch zwischen .0 und 100%.

ίο Angaben und theoretische Ableitungen für minimale NPSH-Werte bedeuten aber nicht schon, daß kein Kavitationsverschleiß mehr auftreten kann. Bei niedrigen NPSH-Werten wird nämlich die zulässige Saughöhe und damit der Unterdruck vor dem Laufrad entsprechend größer. Es kann daher nicht Ziel der Erfindung sein, den NPSH-Wert zu verbessern, sondern bei dem der jeweiligen Eintrittsgeometrie zugehörigen NPSH-Wert zu gewährleisten, daß keine Kavitationserosion auftritt.

Es ist allgemein bekannt, daß der Hauptparameter für den Kavitationsverschleiß die Relativgeschwindigkeit wi ist Außerdem sind aufgrund praktischer Erprobung die Grenzgeschwindigkeiten für die verschiedenen Werkstoffe bekannt. Die örtliche Relativgeschwindigkeit Wi ist aber nur zum Teil von der Eintrittsgeometrie und damit von der Umfangsgeschwindigkeit ui und der Meridiangeschwindigkeit c_mi abhängig. Vielmehr wird die Relativgeschwindigkeit von einer Anzahl weiterer Parameter überlagert:

Hier ist zunächst der Stoßwinkel am Schaufeleintritt zu nennen.

Der Stoßwinkel Δβ wird definiert als die in Umfangsrichtung gemessene Differenz des Schaufelwinkels ßisch und des Strömungswinkels ßistr bei radial konstanter Meridiangeschwindigkeit Cm. Es ist also

Aßi=ßiSch—ßlSfr

Ein positiver Stoßwinkel +Δβι ergibt einen Eintrittsstoß zur Druckseite und ein negativer Stoßwinkel — Δβι einen Eintrittsstoß zur Saugseite. Ein radiales oder halbaxiales Laufrad wird theoretisch und meist auch in der Praxis optimal geometrisch stoßfrei, d. h. tangential zum Schaufelwinkel mit Δβ=0 angeströmt.

Es wurde aber nun gefunden, daß entgegen der Theorie das Kavitationsverhalten bei stoßfreier Anströmung nicht optimal ist in der F i g. 1 ist die Druckverteilung längs der Laufradschaufel eines radialen Laufrades sowohl auf der Druck- als auch auf der Saugseite dargestellt. Bei einem Stoßwinkel von Δβ=—3° zeichnet sich ein ausgeprägtes Unterdruckgebiet bis zu 70% der Schaufellänge ab. Bei tangentialem Eintritt Δβ=0° ist das Unterdruckgebiet zwar abgeschwächt, es nimmt aber immer noch 60% der Schaufellänge ein. Erst bei einem positiven Stoßwinkel von Δβι = +8° verschwindet das Unterdruckgebiet bis auf einen kleinen Bereich am Schaufeleintritt Nun gilt: Je größer der Unterdruck, desto kleiner der Abstand zum Dampfdruck. Je größer das Unterdruckgebiet, desto großflächiger die Kavitationsangriffe. Aufgrund des erfindungsgemäß gewählten Schaufelwinkels wird die Laufschaufel, unabhängig von der praktisch üblichen relativen Schaufeldicke, mit einem Stoß in Richtung zur Druckseite von Δβ=ßisch—ßisa-=6° bis 8° angeströmt Als weiterer Parameter ist der Strömungswinkel am Laufradeintritt zu berücksichtigen.

Der NPSH-Wert bei 3% Förderhöhenabfall erreicht ein Minimum bei einem Strömungswinkel ßu am Außendurchmesser der Laufradeintrittsgrenzen in Um-

fangsrichtung von etwa 10°. Die Relativgeschwindigkeit w\ a am Außendurchmesser des Laufradeintritts hat aber ihr Minimum bei einem ßu von etwa 35°. Bei vorgegebener Menge und Drehzahl, also ζ?=konst und /J=konst, sind NPSH₃% und w\_a im Bereich ßu = 10° bis 35° gegenläufig. Wie die F i g. 2 zeigt, ist bei minimalem NPSH₃% die Relativgeschwindigkeit l,3mal größer als Wi a m/h· Bei minimaler Relativgeschwindigkeit ist nun der NPSH₃%-Wert etwa 4,4mal größer als NPSH₃%_m/7!. Obwohl der Kavitationsverschleiß bei gleicher Schleppenlänge der Blasen um so schwächer wird je kleiner die Relativgeschwindigkeit ist, ist jedoch leicht zu erkennen, daß bei dem starken Anstieg des NPSH3%-Wertes der Betrieb der Pumpe in vielen Fällen nur noch mit Zulauf, d. h. mit erhöhtem Bauaufwand möglich ist. Die F i g. 2 zeigt, daß der zwischen 10° und 17° liegende Bereich für ßiastr im Hinblick auf Saugverhalten und Kavitationsverschleiß nicht überschritten werden sollte.

Schließlich übt noch die Gestaltung des Spiralgehäuses einen wesentlichen Einfluß auf das Kavitationsverhalten der Kreiselpumpe aus.

Die vorangegangenen Überlegungen hinsichtlich Strömungswinkel und Stoßwinkel gelten nur bei einer symmetrischen Druckverteilung sowohl am Laufradeintritt als auch am Laufradaustritt. Eine hinter dem Laufrad erfolgende Störung, die im Diffusor oder in der Spirale auftreten kann, beeinflußt nicht nur die Strömung am Laufradaustritt, sie wirkt sich vielmehr bis zum Laufradeintritt aus. Ein symmetrischer, d.h. konstanter Druckverlauf am Laufradaustritt ist nur dann gegeben, wenn auch die Druckverteilung am Umfang der Spirale konstant ist. Nun wurde gefunden, daß mit den nach bekannten Theorien ausgelegten Spiralen kein konstanter Druck am Laufradaustritt erreicht werden kann. Die Fig.3 zeigt, daß der Druckverlauf nur dann konstant ist, wenn die nach dem Drallsatz c_u ■ r = konst. bestimmten Spiralquerschnitte um 10 bis 15% kleiner ausgeführt werden als reibungsfrei gerechnet. Es gilt also für

Qap,

A_8n ausgeführt
A_Sp reibungsfrei

■ 0,85 bis 0,9.

Der der erfindungsgemäßen Auslegung entsprechende Druckverlauf ist in der F i g. 3 mit der Ziffer 2 belegt.

Werden die Spiralquerschnitte größer ausgeführt, so stellt sich der mit 1 bezeichnete Druckverlauf ein. Im Spornbereich von 0 bis 45° tritt ein starker Druckeinbruch auf und danach ein Druckanstieg bis zum Spiralende. Sind die Spiralquerschnitte zu klein ausgeführt, so ergibt sich, wie die Kurve 3 zeigt, von 0° bis 70° ein starker Druckanstieg und dann ein stetiger Druckabfall. Ein ungleicher Druck am Laufradumfang kann nun verschiedene Auswirkungen haben. Nach Euler gilt für die Förderhöhe allgemein

U₁ ■ C_u2

Bei Spiralgehäusekreiselpumpen mit drallfreier Zuströmung wird

tr U₂ ■ C_u2

sich ändert, d. h. der Abströmwinkel oder die Minderleistung am Umfang unterschiedlich ist. Messungen zeigen aber, daß die geringfügig unterschiedlichen Ca₂-Werte "nur zu einem geringen Teil die Ursache für die Druckänderungen sind. Ist aber U₂- Cu₂ » konst, so muß am Laufradeintritt ein Drall vorhanden sein, d. h. u\ · c_a\ kann nicht 0 sein. In der Tat kann man meßtechnisch nachweisen, daß am Eintritt ein unterschiedlicher aber örtlich feststehender Drall über den Umfang vorhanden ist.

Legt man in F ig. 3 bei 45°, 135°, 225° und 315° (I₁II, III und IV) Schnitte und zeichnet die Schnittpunkte über Q/Qopt auf, so erhält man vier örtlich gemessene Einzelkennlinien. Die F i g. 4 zeigt dies.

Ist nun der gemessene Druck der Einzelkennlinie kleiner als der der ebenfalls eingezeichneten Gesamtkennlinie, so muß Mitdrall (in Drehrichtung) und bei höherem Druck Gegendrall (entgegen Drehrichtung) vorhanden sein. In F i g. 4 erkennt man, daß für eine zu groß ausgelegte Spirale

g_
Ein Druckunterschied ist also nur möglich, wenn

an der Stelle I (φ=45°) ein starker Mitdrall am Laufradeintritt gegeben ist. Bei II ist noch ein geringer Mitdrall da und an den Stellen III und IV entsteht Gegendrall.

Bei Überlast, also zu enger Spirale, ist die Drallverteilung gerade umgekehrt. Bei I und II Gegendrall und bei III und IV Mitdrall. Der unterschiedliche Drall bleibt — wie erwähnt — örtlich stehen, so daß eine Laufradschaufel abwechselnd mit größerer und kleinerer Geschwindigkeit angeströmt wird. Jede örtliche Druckabsenkung bzw. Geschwindigkeitszunahme fördert die Bildung von Kavitationsblasen. Da die Blasenbildung aber auch nur in einem abgegrenzten Teil des Laufradeintritts auftreten kann, ist es möglich, daß ohne meßbare Verschlechterung des NPSH₃%-Wertes Kavitationsverschleiß auftritt.

Bei zu großen Spiralflächen nimmt die Fördermenge zu, die prozentualen Reibungsverluste aber werden kleiner, so daß trotz der unsymmetrischen Druckverteilung der Gesamtwirkungsgrad gleich oder geringfügig größer werden kann. Dies führt dann in der Praxis dazu, daß man um die Menge zu steigern, die Spiralquerschnitte durch Zurückschneiden des Sporns örtlich vergrößert. Die Folgen sind Druckeinbrüche im Spornbereich, da die Spiralflächen nicht mehr dem Drallsatz folgen.

Voraussetzung für die Vermeidung von Kavitationsverschleiß sind also nicht nur um 10 bis 15% engere Spiralflächen als reibungsfrei gerechnet, sondern die Spiralflächen müssen über den ganzen Umfang von 360° dem Drallsatz folgen, d.h. es muß c_u · r= konst. sein. Dies ist aber nur möglich, wenn der Spiralanfang, also die Zunge oder der Sporn, unendlich dünn ist. Je dicker nun der Sporn ist, desto schwieriger wird es, die Querschnitte im Bereich von 330° -ΐ-360⁰ nach C_u ■ r = konst. festzulegen. Versuche haben ergeben, daß der Sporn so dick ausgeführt werden kann, daß der Flächenverlauf der Spirale mindestens über 351,5° vom Umfang nach dem Drallsatz ausgeführt werden muß.

Ist der Sporn dicker und damit die nicht nach dem Drallsatz festgelegten Flächen über dem Umfang größer als 8,5°, so besteht nicht nur die Gefahr des Kavitationsverschleißes an den Laufradschaufehl, sondern durch den örtlichen Druckeinbruch bildet sich ein

Rückströmgebiet entlang der Deckscheibe, das zu Spaltkavitation am saugseitigen Spaltring führen kann. Der Einfluß wird dabei um so größer, je kleiner die spezifische Drehzahl der Pumpe ist. Durch Untersuchungen wurde bestätigt, daß ein kavitationsfreier Betrieb nicht allein damit erzielt werden kann, daß das Laufrad optimal gestaltet und angeströmt wird. Sehr wichtig ist auch die daran angepaßte Spirale. Da die einzelnen Parameter je nach Schnelläufigkeit mehr oder weniger dominant sind, müssen alle Einflüsse, die zur Materialzerstörung führen könnten, zusammen ausgeschaltet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kreiselpumpe mit Spiralgehäuse und radialem oder halbaxialem Laufrad, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstantem Drall und radial konstanter Meridiangeschwindigkeit der Strömungswinkel ßia am äußeren Durchmesser des Laufradeintritts zwischen 10° und 17° liegt und der in Umfangsrichtung gemessene Schaufelwinkel über die ganze radiale Erstreckung am Laufradeintritt um 6° bis 8° größer ausgeführt ist als der Strömungswinkel ßi und daß der Verlauf der Spiralgehäusefläche über den gesamten Umfang bzw. bei Berücksichtigung der Dicke der Spiralzunge, bis mindestens 351,5° nach dem Drallsatz (c_u · r= konst.) ausgelegt ist, wobei die Querschnittsflächen des Spiralgehäuses um 10 bis 15% kleiner ausgeführt sind als entsprechende, reibungsfrei berechnete Querschnittsflächen.