DE3607789A1 - Schaufelrad fuer eine zentrifugalpumpe oder dergl. und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaufelrad für eine Zentrifugalpumpe, z.B. eine Schmierölpumpe für eine Dampfturbine, eine Hochdruck-Zentrifugalpumpe, -Kompressor oder -Gebläse.

Bei solchen Schaufelrädern sind die Schaufeln üblicher­ weise mit zur Drehachse parallelen Flächen versehen gewölbt ausgebildet. Hierdurch entstehen schon im Bereich des axialen Einlaufs des Schaufelrades Strömungsverluste, die in Durchflußrichtung noch zunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein strömungs­ technisch günstigeres Schaufelrad zu schaffen und zugleich ein möglichst einfaches Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der beigefügten Ansprüche gelöst.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 : rein schematisch eine Anordnung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaufelrades,

Fig. 2a: eine radiale Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Schaufelrades,

Fig. 2b: eine Schrägansicht eines Schaufelrades aus der Richtung der Erzeugenden eines Schaufelblattes her gesehen,

Fig. 3 : eine Stirnansicht eines Schaufelrades nach Fig. 2a und 2b,

Fig. 4 : eine Schrägansicht des gleichen Schaufel­ rades, die die Projektion des Schaufel­ blattes zu der Achsebene und der Erzeugenden darstellt,

Fig. 5a: eine Teilschnittansicht eines bekannten Schaufelrades,

Fig. 5b: eine Schnittansicht entlang der Linie Vb-Vb der Fig. 5a,

Fig. 6a: eine Schnittansicht entsprechend Fig. 5a eines verbesserten Schaufelrades,

Fig. 6b: eine Schnittansicht entsprechend Fig. 5b eines verbesserten Schaufelrades nach Fig. 6a,

Fig. 7a: eine Teilschnittansicht zur Erläuterung der Strömungsverhältnisse,

Fig. 7b: eine Schnittansicht entlang der Linie VIIb-VIIb in Fig. 7a,

Fig. 7c: eine Schnittansicht entlang der Linie VIIc-VIIc in Fig. 7a,

Fig. 8 : eine vergrößerte Teilansicht eines Schaufelblattes, von der Drehachse her gesehen, wobei die Frontseite durch­ sichtig dargestellt ist,

Fig. 9: eine Anordnung entsprechend Fig. 1 für ein herkömmliches Herstellungsverfahren.

Zur Erläuterung der Erfindung sei zunächst einmal einiges zum Stand der Technik anhand der Fig. 5a und 5b gesagt.

Hier ist mit 1 die Antriebswelle bezeichnet, auf der ein Schaufelrad mit einer Grundplatte 2, Schaufeln 3 und einer Deckplatte 4 drehfest gehalten ist. Dem Schaufelrad benachbart ist ein Leitrad mit Leit­ schaufeln 5 angeordnet, die die Einströmrichtung von Flüssigkeit in das Schaufelrad bestimmen.

Die Herstellung eines solchen Schaufelrades erfolgt mittels einer Anordnung nach Fig. 9 in der Weise, daß die Schaufeln aus einer entsprechend dicken Scheibe, d.h. aus dem Vollen herausgefräst werden, wobei alle die Schaufeln nur achsparallele Seitenflächen besitzen. Auf den Oberkanten der Schaufeln wird dann die Deck­ platte 4 befestigt. Natürlich kann auch die Deckplatte als Träger der Schaufeln bearbeitet und die Grundplatte hierauf befestigt werden.

Die Erzeugende der Flächen der Schaufeln ist eine Gerade auf einer gekrümmten Fläche, z.B. einem Konus, einem Zylinder oder dergl. Ein Stirn- und Seitenfräser EM (Fig. 9) wird in Richtung der Z-Achse gesteuert, also lotrecht zur X-Y-Ebene, um die Schaufeln aus dem Rohling herauszufräsen, wobei die Schaufelkrümmung durch gleichzeitige Verschiebungen des Spanntisches in X- und Y-Richtung gebildet wird.

In der Vergangenheit wurden schon Versuche gemacht, die Leistungsfähigkeit solcher Zentrifugal-Schaufelräder zu verbessern. Dies führte zu Verbesserungen der Schaufelformen. Eine solche Verbesserung bestand darin, daß das radial innere Ende E der Schaufeln zur Welle hin in axialer Richtung verlängert wurde, wie Fig. 6a und 7a zeigen. Dies bewirkt, daß Verluste aufgrund einer Verminderung der peripheren Geschwindigkeit an der Einströmseite verringert werden und die relative Einströmgeschwindigkeit IV bei axialer Anströmung der inneren Schaufelenden verringert wird.

Da die Schaufelenden nahe der Grundplatte 2 und der Deckplatte 4 unterschiedlich großen radialen Abstand besitzen, sind auch die peripheren Geschwindigkeiten PV in diesen Bereichen unterschiedlich. Demgemäß sind auch die Einströmwinkel IA in diesen Bereichen unter­ schiedlich, wie Fig. 7a bis 7c zeigen. Um nun im Hinblick auf diese Verhältnisse Flüssigkeit mit geringeren Verlusten anzusaugen, ist es erfindungs­ gemäß zweckmäßig, die Schaufelblätter zusätzlich gewölbt, d.h. dreidimensional auszubilden, wie bei­ spielsweise in Fig. 8 dargestellt (wobei die Deckplatte 4 weggelassen ist). Diese komplizierte Form der Schaufelblätter, die gleichförmig um die Drehachse verteilt angeordnet sind, ist zu erzeugen.

Es ist nicht möglich, diese Arbeiten auf einer drei­ achsengesteuerten Maschine, wie nach Fig. 9, herzu­ stellen. Es wird daher eine sogenannte Fünf-Achsen- Maschine benötigt, bei der die zwei zusätzlichen Achsen zueinander senkrechte Drehachsen sind, die in einer zur Drehachse des Fräsers senkrechten Ebene liegen. Diese Maschinen und ihre Steuervorrichtungen sind kompliziert und sehr teuer. Dies wirkt sich auf den Preis der fertigen Werkstücke aus. Eine billigere Herstellung scheint nicht möglich.

Hier setzt nun das erfindungsgemäße Herstellungs­ verfahren ein, welches es ermöglicht, die vorstehend beschriebenen, verbesserten Schaufelräder billiger herzustellen.

Fig. 2b zeigt ein erfindungsgemäßes Schaufelrad, das aus einem Winkel α (vgl. Fig. 1) dargestellt ist, der mit der Drehachse des Werkzeuges 8 gebildet ist. Die Form der einen Schaufel ist als Basis a dargestellt, während ihre der Deckplatte 4 benachbarte Linie mit b bezeichnet ist. Die Formen a und b überlappen sich bei dieser Darstellungsweise auf bestimmten Bereichen oder Linien S ₁ und S _2, die einen Rücken B bilden bzw. eine Front F, die beide eine konkave Oberfläche besitzen. Dies bedeutet, daß diese von Erzeugenden gebildet werden, die senkrecht auf der Zeichenebene stehen. Da die Erzeugenden relativ zur Drehachse des Werkzeugs um den Winkel α geneigt verlaufen, erscheint in Fig. 3 die Frontseite des Schaufelblattes aus achsparalleler Draufsicht, während die Rückseite nicht sichtbar ist, weil sie hinter dem Schaufelblatt verschwindet. Zur Erleichterung des Verständnisses sind die Punkte 1, 2, 3, 4 der Fig. 2b an dieser Linie in Fig. 3 in gleicher Lage als 1 a, 2 a . . . dargestellt. Die Punkte 1 b, 2 b . . . liegen dabei als Fußpunkte auf der Deckplatte 4.

Zur weiteren Erläuterung diene Fig. 4. Hier ist A der Schnittpunkt der Stirnlinie E am Einlaufende eines Schaufelblattes mit der Grundplatte 2 und D der entsprechende Schnittpunkt mit der Deck­ platte 4. Die Drehachse des Schaufelrades ist mit Z _R bezeichnet. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur die konkave Frontseite eines Schaufelblattes darge­ stellt.

Ein Punkt, in dem die gekrümmte Grundfläche des Schaufelblattes von der äußeren Peripherie der Grund­ platte geschnitten wird, ist mit B bezeichnet, und der entsprechende Schnittpunkt mit der Deckfläche mit C. Die gekrümmte Frontfläche des Schaufelblattes ist als Bereich ABCD schraffiert dargestellt.

Wenn das Schaufelblatt auf eine Ebene durch die Dreh­ achse Z _R projiziert wird, ergeben sich als Eckpunkte A′, B′, C′, D′ und die Linien a und b erscheinen als Linien a′, b′. Diese Projektion ist nicht deckungs­ gleich mit ABCD.

Wenn das Schaufelblatt auf eine Ebene projiziert wird, die die Z-Achse enthält, die um einen Winkel α zur Drehachse Z _R geneigt ist, so entstehen die Eckpunkte A′′, B′′, C′′, D′′ und die Linien a, b erscheinen als Linien a′′ und b′′, die deckungsgleich sind.

Hieraus wird ersichtlich, daß die Schaufelblätter in radialer Richtung leicht zunehmend verwunden sind.

Fig. 1 zeigt nun eine Anordnung, die es ermöglicht, ein solches erfindungsgemäßes verbessertes Schaufelrad auf einer dreiachsengesteuerten Werkzeugmaschine herzustellen. Zu diesem Zweck ist auf dem Werkzeughalter 7 ein Spannstück 6 befestigt, welches eine Auflage­ fläche für ein Werkstück besitzt, die nicht parallel zur Oberfläche des Werkstückhalters verläuft, sondern mit dieser einen Winkel α bildet. Die Mittelachse des Werkstücks, also eines Schaufelrades 2, 3 verläuft dann ebenfalls unter einem Winkel α zur Z-Achse.

Das Werkstück ist indexierbar, d.h. in vorgesehener Winkelstellung feststellbar auf dem Spannstück gehalten und nach Fertigung einer Schaufel auf die nächste, indizierte Ausgangslage drehbar und festlegbar.

Es ist ersichtlich, daß unter gleichzeitiger Bewegungs­ steuerung des Werkzeughalters in X- und Y-Richtung und der Werkzeugsteuerung in Z-Richtung die Form der Schaufelblätter 3 aus dem Rohling herausgefräst werden kann. Infolge der Schrägstellung um den Winkel α und des gebogenen Verlaufs der Schaufeln entsteht dabei die beschriebene gewölbte Form der Schaufelblätter, wie sie Fig. 6b aus der Draufsicht am besten erkennen läßt.

Ein erfindungsgemäßes Schaufelrad ist demnach so gestaltet, daß die Schaufelblattenden auf der Einlauf­ seite nahe der Grundplatte einen größeren Anströmwinkel aufweisen als nahe der Deckplatte, also in radial größerem Abstand von der Drehachse.

Auf der Anströmseite können diese Winkel im wesentlichen gleich sein. Der Winkel der Schaufelblätter kann an den jeweiligen radialen Abständen auf der Einlaufseite den jeweiligen theoretischen Anströmwinkeln angepaßt sein, wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt.

Auf diese Weise läßt sich ein leistungsstarkes, verlustarmes Schaufelrad billig herstellen.

Claims (2)

1. Schaufelrad für eine Zentrifugalpumpe oder dergl. mit einer Anzahl von Schaufelblättern, die symmetrisch um eine Drehachse angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Front- und die Rückflächen der Schaufeln von zueinander parallelen Erzeugenden gebildet sind, die relativ zur Drehachse des Schaufelrades geneigt verlaufen.

2. Verfahren zum Herstellen eines Schaufelrades für eine Zentrifugalpumpe oder dergl., dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf dem Spanntisch einer dreiachsen­ gesteuerten Werkzeugmaschine ein Spannfutter indexierbar drehbar derart gelagert ist, daß dessen Drehachse gegenüber der Achse der Werkzeugspindel geneigt verläuft, und daß der Schaufelradrohling auf dem Spannfutter befestigt wird und nach Indexierung für ein Schaufelblatt unter Drehung des Spannfutters und unter Betätigung der Drei-Achsen- Steuerung mittels des Werkzeugs die Schaufelblätter aus dem Vollen herausgearbeitet werden.