DE4000657C2 - Leitrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitrad gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Leiträder dienen in Kreiselpumpen zur Umwandlung von kinetischer Energie in Druckenergie. Hauptsächlich bei Gliederpumpen finden Leiträder Anwendung und sind häufig mit zylindrischen Leitschaufeln versehen. Gewöhnlich weisen diese im Eintrittsbereich eine konstante Schaufeldicke mit Abrundungsradien am Leitschaufelanfang auf. Das Leitschaufelende kann mit einer unterschiedlichen Gestaltung versehen sein.

Im Teillastbetrieb der Kreiselpumpe müssen Leitschaufeln große Druckschwankungen aufnehmen. Insbesondere, wenn eine Schaufel des Laufrades an einer Schaufel des Leitrades vorbeiläuft, entstehen große Druckschwankungen an der konkav geformten Seite der Leitradschaufel, auch als Saugseite bekannt. Dies führt zu Schwingungen; als Folge davon kann es in ungünstigen Fällen zu Ermüdungsbrüchen der Leitschaufeln und der Laufschaufel kommen. Diese Druckschwankungen führen im gleichen Maße zu Reaktionskräften auf die Schaufelenden des Laufrades und damit zu Druckschwankungen innerhalb der Schaufelkanäle. Die Deckscheiben des Laufrades werden dadurch dynamisch belastet, obwohl der Druck im Radseitenraum nahezu konstant bleibt. Dies wiederum kann zu Deckscheibenbrüchen führen. Nachteilig bei dieser Erscheinung ist auch die sich in ungünstigen Fällen einstellende Kavitation, welche zu zerstörerischen Materialangriffen am Leitrad führt; und ebenfalls die starke Schallerregung infolge der oben beschriebenen Druckschwankungen an der Leitradsaugseite.

Durch die US-PS 2 273 420 ist ein Leitrad bekannt, bei dem an den Anströmkanten der Leitschaufeln knollenartige Verdickungen angebracht sind, und zwar sowohl an der konkaven als auch an der konvexen Schaufelseite der Leitschaufel. Die zur Leitschaufelmittellinie symmetrisch angeordnete Verdickung weist einen überwiegend kreisförmigen Querschnitt mit einem kelchförmigen Übergang in den Schaufelquerschnitt auf. Damit sollen durch unterschiedliche Zulaufbedingungen der Pumpe Fehlanströmungen und dadurch bedingte Leistungsverluste im Bereich des Leitrades vermieden werden.

Das DE-GM 88 00 074 zeigt ausschließlich eine Gestaltung von einer Laufradschaufel. Da ein Leitrad gewöhnlich eine zum Laufrad genau entgegengesetzte Funktion auszuüben hat, wird ein Fachmann hier keine Lösung suchen. Zudem dient die hierin angestrebte Lösung der Verbesserung der Laufradsaugfähigkeit bei einem Betrieb im Überlastbereich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an Leiträdern die während eines Teillastbetriebes auftretenden Belastungen zu vermeiden. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches.

Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung, die in ihrer Ausformung einer saugseitigen Verdickung der Leitschaufelanfänge entspricht, werden die stationären Unterdrücke verringert. Aufgrund dieser nur im Anfangsbereich der Leitschaufeln erfolgenden Druckverringerung wird gleichzeitig die Wechselwirkung mit den vorbeistreichenden Schaufelenden des Laufrades verringert. Zur Erfüllung seiner Funktion bleibt die Gesamtumlenkung des Leitrades erhalten, und es erfolgt nur die geometrische Änderung am Leitschaufeleintritt. In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung dagestellt, und aus ihnen geht hervor, daß die Veränderung der Leitschaufelform im Bereich der Leitradschluckweite ihr Ende hat. Spätestens ab dieser Stelle erfolgt keine Beeinflussung der für den Auslegepunkt berechneten Leitschaufeln mehr. Die Schluckweite stellt hierbei denjenigen Querschnitt des Leitrades dar, welcher den Eintrittsquerschnitt eines von zwei Leitschaufeln begrenzten Leitkanals bildet.

An einem praktischen Ausführungsbeispiel ist die Erfindung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Hierzu zeigt die

Fig. 1 ein praktisch ausgeführtes Beispiel, und die

Fig. 2 enthält weitere Angaben zur Gestaltung einer derartigen Leitradschaufel.

Die Fig. 1 zeigt in gestrichelter Darstellung ein Laufrad (1) einer Kreiselpumpe, dem ein Leitschaufeln (2) aufweisendes Leitrad nachgeordnet ist. Die in dem Beispiel gezeigte und für einen Auslegepunkt berechnete Leitschaufel (2) stellt der Einfachheit halber eine Kreisbogenschaufel konstanter Dicke dar. Deren Druckseite ist mit (D) und deren Saugseite mit (S) bezeichnet. Im Bereich des Leitradeintrittes ist die nach der üblichen Methode ausgelegte Saugseite (S) der Schaufel (2) in gestrichelter Form dargestellt. Zur Verringerung der stationären Unterdrücke am Leitschaufelanfang und damit der Druckbelastung ist erfindungsgemäß im Anfangsbereich der Schaufel (2) auf der Saugseite eine konvexe Kontur (P) angebracht. Diese Kontur bewirkt in jedem Fall an den Anfängen der Leitschaufeln eine Verdickung. Um den Wirkungsgrad des Leitrades nicht zu beeinflussen, ist die konvexe Kontur (P) nur im Eintrittsbereich vorhanden und durch einen Übergangsbereich (Ü) ein strömungsgünstiger Übergang auf eine berechnete Schaufeldicke (SD) gewährleistet. Der Übergangsbereich endet auf jeden Fall vor der sogenannten Leitradschluckweite (SW), die den Eintrittsquerschnitt in die Leitradkanäle (6) definiert. Der berechnete Optimalpunkt des Leitrades bleibt somit erhalten.

Die konvexe Kontur (P) beginnt an der Anströmkante (3) der Leitschaufel (2) und geht nach einem Wendepunkt (4) in eine gerade oder gering konkav gekrümmte Übergangsstrecke (Ü) über, welche spätestens am Punkt (5), dem Ort der Schluckweite (SW), endet.

Die konvexe Kontur (P) der Leitschaufel ist so gestaltet, daß das aus dem Laufrad (1) austretende Fördermedium von der Anströmkante (3), welche dem Staupunkt der Auslegemenge entspricht, zunächst nach innen gelenkt und anschließend entlang einer weit geschwungenen Kurve in den Leitradkanal (6) geführt wird. Da bei einem Teillastbetrieb der Pumpe eine flachere Anströmung der Leitschaufel erfolgt, wandert der Staupunkt auch nur wenig um den Punkt der Anströmkante (3) herum. Somit ist also in einem weiten Anströmbereich eine sanfte Umlenkung des Fördermediums gewährleistet. Als Folge hiervon werden Unterdruckspitzen vermieden und somit die Belastung von Leitradschaufel und auch dem vorbeiströmenden Laufrad erheblich minimiert.

Die Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung, wie die konkave Kontur (P) zu gestalten ist. Durch die Berechnung der Schaufeln des Leitrades sind die Punkte der Anströmkante (3) sowie die Punkte (5), dem Ort der Schluckweite des Leitrades, bekannt. Somit ist auch der Verlauf der Saugseite (S) nach dem Punkt (5), der Verlauf der Druckseite (D) und der Mittelpunktslinie (ML) der Schaufel bekannt. Der Wendepunkt (4) bildet den Übergang zwischen dem konkaven Bereich (P) und der Übergangsstrecke (Ü). Der Wendepunkt ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel als Schnittpunkt zwischen dem Radius (r₁) und einem Nullpunktstrahl mit einem Winkel von ungefähr 0,4 α_sw, ausgehend vom Punkt (3) bzw. Punkt (M₀). Die Übergangsstrecke (Ü) bildet hier ein konkav ausgeformter Radius (r₄), welcher durch die Punkte (4, 5) gelegt ist. Daß in diesem Beispiel im Punkt (5) ein nicht tangentialer Anschluß an die Leitschaufel erfolgt, hat keine negativen Auswirkungen. Dagegen wird im Wendepunkt (4) tangential ein Kreisbogen mit dem Radius (r₄) mit entgegengesetzter Krümmung angetragen und bildet somit die konkave Kontur (P). Dieser Kreisbogen mit seinem Mittelpunkt (M₆₄) schneidet einen Nullpunktstrahl bei 0,1 α_sw und ergibt einen Punkt (7). Auch im Punkt (7) erfolgt ein tangentialer Übergang in einen durch die Anströmkante (3) verlaufenden Kreisbogen (r₂) mit einem Mittelpunkt (M₃₆).

Insgesamt ergeben sich durch diese erfindungsgemäße Gestaltung folgende Vorteile: Die Belastung der Leitschaufeln sowie der Laufschaufeln als auch der Laufraddeckscheiben wird erheblich reduziert. Zudem ergibt sich dadurch eine verringerte Druckschwingung und infolge dessen eine geringere Schallentwicklung. Es entstehen auch keine Kavitationsblasen mehr an der Saugseite des Leitschaufeleintrittes. Der Verlauf der Kennlinie wird stabiler.

Claims (5)

1. Leitrad für Kreiselpumpen radialer und halbaxialer Bauart, wobei die konkaven Seiten der Leitschaufeln an den Anströmkanten mit einer konvexen Kontur und einem nachgeordneten Übergangsbereich versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von der Leitschaufel-Anströmkante (3) der Krümmungsradius (r₂, r₄) der konvex gestalteten Kontur (P) über die Leitschaufellänge betrachtet, zunehmend größer wird und daß ab einem Wendepunkt (4) der konvex gestalteten Kontur (P) ein geradliniger oder gering gekrümmter konkaver Übergang (Ü) in die konkave Leitschaufelseite (S) erfolgt.

2. Leitrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konvex gestaltete Kontur (P) bis zu einem Drittel der Leitschaufellänge betragen kann.

3. Leitrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wendepunkt (4) in einem Bereich von 0,3 bis 0,6 des Schaufel-Umschlingungswinkels (α_sw) liegt und daß der Schaufel-Umschlingungswinkel (α_sw) von der Anströmkante (3) bis zur Schluckweite (5) meßbar ist.

4. Leitrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konvex gestaltete Kontur (P) und/oder der Übergangsbereich (Ü) zwischen der Leitschaufel-Anströmkante (3) und dem Ort der meßbaren Leitrad-Schluckweite (SW) angeordnet ist.

5. Leitrad nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Anströmbereich der Leitschaufel (2) befindliche Krümmungsradius (r₂) im Bereich zwischen 0,05 bis 0,2mal Schaufel-Umschlingungswinkel (α_sw) liegt.