DE4041545A1 - Kreiselpumpe - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruches.
In der Kreiselpumpe gemäß der DE-AS 22 57 949 ist einem
halbaxialen Laufrad zur Energieumsetzung ein Leitrad
nachgeordnet, vom dem aus das Fördermedium in einen
Rohrkrümmer (44) eintritt, der wiederum in einen radial aus
dem Außengehäuse austretenden Druckstutzen einmündet. Dabei
muß das Fördermedium zunächst das Leitrad durchströmen und
dann ein innerhalb des Außengehäuses angeordnetes, die
Wellenlagerung aufnehmendes Innengehäuse umströmen. Diese
aufwendige Konstruktion weist infolge der Strömungsführung
einen geringen Wirkungsgrad auf.
Die AT-PS 3 47 268 zeigt eine Pumpe axialer oder halbaxialer
Bauart. In einem Außengehäuse mit axialem Saugstutzen und
radialem Druckstutzen ist ein die Pumpenwelle und das Laufrad
tragendes Innengehäuse angeordnet. Das in der Schrift als
Tragrohr bezeichnete Innengehäuse weist einen vom
Laufradaustritt zum Druckstutzen hin stetig größer werdenden
Querschnitt auf. Zwischen Innengehäuse und Außengehäuse ist
noch ein Umlenkschild angeordnet, welcher mit im Außengehäuse
eingearbeiteten Strömungskanälen zusammenwirkt und einen dem
Leitapparataustritt gegenüberliegenden Keil aufweist. Eine aus
dem Laufrad austretende Strömung wird im nachgeordneten
Leitapparat gerichtet und strömt nahezu achsparallel in den
Raum zwischen Innen- und Außengehäuse. Auf der dem
Druckstutzen gegenüberliegenden Seite ist der Keil des
Umlenkschildes angeordnet, der das auf der druckstutzenfernen
Seite des Leitapparates austretende Fördermedium in zwei
Teilströme aufteilt und diese um das Innengehäuse herum dem
Druckstutzen zuführt. Zur verlustarmen Führung der Fördermenge
sind in dem Außengehäuse zusätzlich zwei Strömungskanäle
eingearbeitet. Als Folge davon ergibt sich ein schwierig zu
erstellendes Außengehäuse mit Ausbuchtungen auf der
druckstutzenfernen Seite. Leitapparat und Umlenkschild
vergrößern die Baulänge der Pumpe erheblich.
Durch die DE-OS 22 31 128 ist ein Kugelgehäuse für
Reaktorpumpen bekannt, bei dem Zu- und Abströmraum in einem
gleichen Gehäuse angeordnet sind. Innerhalb des Kugelgehäuses
sind, wie z. B. die Fig. 7 zeigt, im Zulaufteil
Strömungsleitelemente angeordnet. Entsprechende Bauteile weist
auch der Abströmraum auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine
Kreiselpumpe der gattungsgemäßen Art eine Gehäuseausbildung zu
entwickeln, welche bei kleinsten Abmessungen eine dem Laufrad
nachgeordnete wirkungsgradoptimierte Leiteinrichtung aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Hauptanspruches.
Mit dieser Lösung wird erreicht, daß das aus dem Laufrad
ausströmende Fördermedium mit sehr geringen Verlusten in den
hinter dem Laufrad befindlichen, einen oder mehrere
strömungsführende Elemente aufweisenden Raum einströmt.
Entsprechend der Anzahl der Druckstutzen findet eine
entsprechende Anzahl von Elementen Verwendung. Bei nur einem
Druckstutzen entstehen also nur an einer Anströmkante eines
Elementes Stoßverluste. Die sich von der Anströmkante in
Strömungsrichtung erstreckende Wandfläche des Elementes ist in
ihrer Wirkungsweise einem sich in axialer Richtung
vergrößernden Spiralraum vergleichbar. In ihrem Verlauf weist
sie Ähnlichkeiten mit der Wandfläche eines Gewindes einer
Schraube auf. Bei dieser erstrecken sich die Gewindeflanken
mit einer Steigung in Längsrichtung; beim Erfindungsgegenstand
mit einer Steigung in Richtung der Pumpenwelle. Durch den auf
die Laufradebene bezogenen Versatz der Anströmkante und/oder
Anströmfläche seitlich gegenüber der Druckstutzenmitte,
erfolgt, ähnlich wie bei einem Gewinde, eine strömungsgünstige
Führung zum Druckstutzen.
Die andere Fläche des strömungsführenden Elementes, welche dem
Druckstutzen am nächsten liegt, führt denjenigen Teil des
Fördermediums, der im Bereich des Druckstutzens aus dem
Laufrad austritt, direkt dem Druckstutzen zu. Bezogen auf die
Laufradebene weist diese Fläche eine erheblich steilere
Steigung auf als die gegenüberliegende andere strömungs
führende Fläche des Elementes. Die sich von der Anströmkante
gewissermaßen entgegen die Strömungsrichtung erstreckende,
steilere Wandfläche des Elementes verläuft nahezu axial und
trennend durch den dem Laufrad nachgeordneten Strömungsraum.
Da die Anzahl der Elemente der Anzahl der Druckstutzen
entspricht, ist also jedem Druckstutzen ein Element
zugeordnet. Somit wird ein aus dem Laufrad austretendes
Fördermedium an der Wandfläche des Elementes bis zum
Druckstutzen geführt, während die entgegen der Strömungs
richtung verlaufende Wandfläche des Elementes eine Zirkulation
des Fördermediums innerhalb des dem Laufrad nachgeordneten
Strömungsraumes unterbindet. Die strömungsführenden
Wandflächen können selbst noch gekrümmt ausgebildet sein. Die
Steigung einer Wandfläche kann konstant oder nicht konstant
sein; dies ist abhängig von den gesamten zur Verfügung
stehenden Raumverhältnissen.
Durch den Versatz der Anströmkante und/oder der Anströmfläche
des Elementes gegenüber einer Druckstutzenmittelachse wird
sichergestellt, daß ein größtmöglicher Raum nach dem Laufrad
zur Verfügung steht, innerhalb dessen die Umwandlung des aus
dem Laufrad austretenden Mediums hoher Geschwindigkeit in ein
aus dem Druckstutzen austretendes Medium höheren Druckes
stattfindet. Bei einem Gehäuse mit zwei Druckstutzen erfolgt
eine Unterteilung des dem Laufrad nachgeordneten
Strömungsraumes direkt im Anschluß an die Öffnung des
Druckstutzens, so daß der Druckstutzeneintrittsquerschnitt
durch das Element in keinem Fall versperrt wird. Der Versatz
erfolgt hier in der Laufradebene bzw. in einer zur
Laufradebene parallelen Ebene.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht hierzu vor, daß die von
der Anströmkante und/oder Anströmfläche ausgehende
strömungsführende Fläche stufig ausgebildet ist, wobei ein auf
kleinerem Durchmesser verlaufender Wandflächenteil größere
axiale Abstände zum Austritt des Laufrades aufweist, als ein
auf größerem Durchmesser angeordneter Wandflächenteil. Mittels
dieser Maßnahme ergibt sich eine weitere Wirkungsgrad
verbesserung. Dadurch bildet sich in dem Strömungsraum eine
stabile Strömung aus, die Verwirbelungen innerhalb desselben
vermeidet und eine günstige Strömungsführung zum Druckstutzen
eintritt bewirkt.
In den Ansprüchen 3 und 4 sind den Eintritt in den
Druckstutzen verbessernde Maßnahmen beschrieben. Zum einen
kann dies mit Hilfe einer trichterförmigen Ausdrehung
erfolgen, die einen weichen Übergang vom Strömungsraum zum
Druckstutzen ermöglicht. Hierbei ist jedoch dafür Sorge zu
tragen, daß im Bereich der laufradfernen Druckstutzenkante
eine weiche Umlenkung zwischen dem Innen- und Außengehäuse
stattfindet. Dies kann auch durch ein oder mehrere, in
Umfangsrichtung des Gehäuses verlaufende Auskehlungen ein-
oder beiderseits des oder der Druckstutzeneintritte erfolgen.
Somit ist ein stoßfreier Strömungsübergang von der
strömungsführenden Wandfläche des Elementes in den
Druckstutzen möglich. Dies ist abhängig von der Ausbildung des
Druckstutzen-Eintrittsquerschnittes. Ist dieser beispielsweise
als zylindrische Bohrung ausgebildet, dann würden sich am
Übergang vom Strömungsraum in den Druckstutzen-Eintritts
querschnitt Verwirbelungen ergeben. Sich in Umfangsrichtung
erstreckende, den Eintrittsquerschnitt erweiternde
Auskehlungen, vergleichbar einer Hohlkehle, verbessern den
Strömungsübergang. Es ist auch möglich, den
Eintrittsquerschnitt kegelförmig zu erweitern. Auf jeden Fall
kann somit der Übergang vom Strömungsraum in den Druckstutzen
düsenförmig gestaltet werden.
Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 gibt den maximalen
seitlichen Versatz der zuerst anzuströmenden Flächen des
Elementes an. Der Versatz erfolgt vorzugsweise in der Weise,
daß die dem Druckstutzen nächstgelegene Fläche des Elementes
eine störungsfreie Überleitung der Strömung in den
Druckstutzen gewährleistet.
Die in den Ansprüchen 6 bis 8 beschriebenen Ausgestaltungen
befassen sich mit der Ausbildung des Elementes als separates
Bauteil bzw. als integraler Bestandteil des Innen- und/oder
Außengehäuses. Beispielsweise kann so das druckbelastete
Gehäuse als einfach zu prüfendes Bauteil ausgebildet sein,
während das oder die Elemente separate oder integrale Elemente
des Innengehäuses sein können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
die
Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Pumpengehäuse gemäß Linie
I-I von Fig. 2, die
Fig. 2 eine Ansicht in ein offenes Pumpengehäuse, wobei auf
die Darstellung des Laufrades verzichtet wurde, die
Fig. 3 einen Längsschnitt gemäß Linie III-III von Fig. 2 und
die
Fig. 4 und 5 Längsschnitte gemäß den Linien IV-IV und V-V.
Der Schnitt der Fig. 1 zeigt hier einen Halbschnitt durch ein
Pumpengehäuse, welches aus einem nahezu zylindrischen
Außengehäuse (1) mit zwei einander gegenüberliegenden
Druckstutzen (2; 3 = nicht sichtbar) besteht. Der Saugstutzen
ist hier nicht dargestellt und kann beliebig gestaltet sein.
Von der Antriebsseite her ist in dieses Außengehäuse (1) ein
Innengehäuse (4) eingeschoben, das eine Lagerung (5) für eine
Pumpenwelle (6) aufnimmt. Im Bereich der antriebsfernen
Stirnseite des Außengehäuses (1) umgibt dieses ein Laufrad
(7), welches an der antriebsfernen Stirnseite (8) des
Innengehäuses mit seiner druckseitigen Deckscheibe (9)
angrenzt. Das Laufrad (7) ist hier als halbaxiales und offenes
Rad ausgebildet. Es können aber auch andere, axiale und
radiale, offener oder geschlossener Bauart Verwendung finden.
Vom Außendurchmesser der druckseitigen Deckscheibe (9) erfolgt
ein strömungsgünstiger Übergang zum Außenmantel (10) des
Innengehäuses (4). Wie der Zeichnung unschwer zu entnehmen
ist, weist der Außenmantel (10) des Innengehäuses (4) eine
Kontur auf, die einer zunehmenden Querschnittserweiterung des
Innengehäuses in Richtung Druckstutzen (2, 3) bzw.
Außengehäuse (1) entspricht. Im Gegensatz zu den bekannten
Konstruktionen weist der Bereich des Strömungsraumes (11)
zwischen Laufradaustritt und Druckstutzen (2) keines der
üblichen Leiträder auf. Im Außengehäuse (1) ist ein Übergang
(12) erkennbar, dessen Querschnitt sich in Strömungsrichtung
vom Strömungsraum (11) zum Druckstutzen (2) bzw. (3) hin
trichterförmig verengt. Dies gewährleistet einen
strömungsgünstigeren Übergang zwischen Strömungsraum (11) und
Druckstutzen. Aus entgegengesetzter Blickrichtung betrachtet
erweitert sich hier der Druckstutzen in Richtung
Strömungsraum.
Die strömungsführenden Wandflächen des oder der Elemente (14,
15) verlaufen zwischen den Durchmessern D1 und D2 und
erstrecken sich vom Laufradaustritt bis zum Druckstutzen und
begrenzen dabei den Strömungsraum (11). D1 entspricht hier dem
Außendurchmesser des Innengehäuses (4) am Eintritt. Mit
zunehmender axialer Erstreckung wird dieser Durchmesser
größer. D2 entspricht dem Innendurchmesser des Außengehäuses
(1) und ist in diesem Beispiel weitgehend konstant
ausgebildet.
Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht in ein offenes Pumpengehäuse,
aus dem zum besseren Verständnis das Laufrad entfernt wurde.
Des weiteren wurden die im folgenden näher erläuterten
Wandflächen vom Innengehäuse und von den strömungsführenden
Elementen mit Höhenlinien versehen, um so den Verlauf der
Wandflächen nachvollziehen zu können. Die spornähnliche
Anströmkante (13) und eine auf größerem Durchmesser
befindliche Anströmfläche (23) der Elemente (14, 15) ist
gegenüber einer Druckstutzenmittellinie entsprechend der
Druckstutzenweite hier nach links in Strömungsrichtung
versetzt angeordnet. Dies ist der maximale seitliche Versatz.
Die sich von der spornähnlichen Anströmkante (13) bzw.
Anströmfläche (23) in Strömungsrichtung erstreckende
Wandfläche ist hier stufenförmig ausgebildet, wobei die auf
kleinerem Durchmesser liegenden Wandflächenteile (16, 18) in
bezug auf die Zeichenebene tiefer angeordnet sind als die auf
größerem Durchmesser befindlichen Wandflächenteile (17, 19).
Bei einer auf die Zeichenebene bezogenen Betrachtungsweise,
befinden sich die hier auf kleinerem Durchmesser angeordneten
Wandflächenteile (16, 18) weiter hinten und damit näher zur
Druckstutzenebene als die auf größerem Durchmesser
befindlichen Wandflächenteile (17, 19). Der Außenmantel (10)
des Innengehäuses (4) weist zu den Druckstutzen hin zunehmende
Durchmesser auf, die durch die ringförmigen Höhenlinien
verdeutlicht werden. Durch eine derartige Gestaltung ergibt
sich ein sehr günstiger Strömungsverlauf innerhalb dieser
Gehäuseform, wie er bisher mit bekannten Leiträdern oder
Spiralgehäusen nicht erreicht werden konnte; und das bei
Gehäuseabmessungen, die um ein vielfaches kleiner sind als die
bisher bekannten Varianten. Damit ergibt sich die Möglichkeit
zur Herstellung besonders kompakter und trotzdem
leistungsstarker Pumpenaggregate.
Die von der spornähnlichen Abströmkante (13) bzw.
Anströmfläche (23) ausgehende, dem Druckstutzen zugekehrten
bzw. nächstgelegenen und den Strömungsraum (11) gewissermaßen
in axialer Richtung trennenden Wandflächen (20, 21) weisen
hier eine Formgebung auf, die einer Hohlkehle vergleichbar
sind. Gleiches ist auch bei den strömungsführenden Wandflächen
(16-19) der Fall. Somit wird sichergestellt, daß ein den
Druckstutzen (2, 3) zuströmendes Medium weich umgelenkt und
die Strömung nicht behindernd in den Eintrittsquerschnitt der
Druckstutzen geleitet wird. Diese Wandflächen (20, 21)
verlaufen bei diesem Beispiel nahezu parallel zur Pumpenwelle
(6) oder weisen einen leicht bogenförmigen Verlauf dazu auf.
Bei einer anderen Laufradform kann hier auch ein etwas anderer
Verlauf entstehen.
Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie III-III von
Fig. 2. Das hier gezeigte Element (14) kann ebenso wie das
Element (15) als separates Einzelteil ausgebildet oder
integraler Bestandteil des Außengehäuses (1) und/oder des
Innengehäuses (4) sein. Dies hängt von der jeweils gewählten
Herstellungsart ab.
Der in der Fig. 4 gezeigte Querschnitt entspricht dem der
Fig. 2 gezeigten Schnittlinie IV-IV. Bezogen auf den
Austrittsquerschnitt des Laufrades ist hier die
Tiefenstaffelung der von der Anströmkante (13) bzw.
Anströmfläche (23) ausgehenden und sich in Strömungsrichtung
erstreckenden Wandflächen (16, 17) erkennbar. Die auf
kleinerem Durchmesser befindliche und an das Innengehäuse (4)
angrenzende Wandfläche (16) ist vom Laufradaustritt weiter
entfernt als die auf größerem Durchmesser befindliche und an
das Außengehäuse (1) angrenzende Wandfläche (17). Der
Laufradaustritt entspricht hier in etwa der Ebene der
antriebsfernen Stirnseite (8) des Innengehäuses (4). Zwecks
besserer Strömungsführung können die auf größerem Durchmesser
angeordneten Wandflächen (17, 19) zur Pumpenwellenachse
geneigt verlaufen. In gewisser Weise ist der Verlauf der
Wandflächen mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden
Spirale vergleichbar, wenn man berücksichtigt, daß sich der
Querschnitt des durchströmten Raumes mit zunehmendem Abstand
vom Laufrad vergrößert. Praktische Versuche haben ergeben, daß
mit einer derartigen Gehäuseausbildung gegenüber bekannten
Lösungen höhere Wirkungsgrade erreichbar sind.
Die Darstellung in Fig. 5 entspricht dem Schnitt V-V aus
Fig. 2. Dieser Schnitt ist kurz vor dem Ende der auf größerem
Durchmesser befindlichen Wandfläche (17) gelegt. Danach leitet
die auf kleinerem Durchmesser befindliche Wandfläche (16) das
Strömungsmedium allein zum Druckstutzen. Wie auch die
Höhenlinien aus Fig. 2 zeigen, können die Flächen (16, 17)
zwecks besserer Strömungsführung konkav gekrümmt sein.
Sehr gute Wirkungsgrade ergeben sich bei Verwendung von
halbaxialen bzw. axialen Laufrädern oder Propellern, also bei
Laufradtypen mit einem relativen großen nq, welche in
überwiegender Weise zur Förderung von großen Mengen bei
kleinen Förderhöhen eingesetzt werden. Für Laufräder mit
demgegenüber kleinerem nq, wobei hier die spezifische Drehzahl
bis auf nq ≈ 50 herunter reichen kann, kann der Abstand
zwischen Druckstutzenebene und Laufrad kleiner werden. Die von
der Anströmkante bzw. Anströmfläche ausgehende strömungs
führende Wandfläche kann dann unter einem flacheren Winkel
gegenüber einer am Umfang anliegenden Tangente verlaufen.
Claims (8)
1. Kreiselpumpe, bestehend aus einem Außengehäuse mit
seitlich austretendem Druckstutzen, einem eine Pumpenwelle
mit einem daran befestigten Laufrad tragenden
Innengehäuse, wobei der Außendurchmesser des Innengehäuses
vom Laufradaustritt in Richtung Druckstutzen zunehmend
größer wird, einem innerhalb des Strömungsraumes zwischen
Innen- und Außengehäuse angeordneten strömungsführenden
Element, welches mit einer Anströmkante und nachgeordneten
strömungsführenden Flächen versehen ist, dadurch
gekennzeichnet,
- - daß die Anströmkante (13) und/oder Anströmfläche (23) jeden Elementes (14, 15) gegenüber einer Druck stutzenmitte in Drehrichtung des Laufrades (7) seitlich versetzt angeordnet ist,
- - daß ausgehend von der Anströmkante (13) und/oder Anströmfläche (23) mindestens zwei strömungsführende Flächen unterschiedlicher Steigung am Element angebracht sind,
- - daß die sich in Drehrichtung des Laufrades (7) erstreckende strömungsführende Fläche (16-19) eine flache Steigung und die sich entgegen der Drehrichtung des Laufrades (7) erstreckende, einem Druckstutzen (2, 3) nächstgelegene strömungsführende Fläche (20, 21) eine steile Steigung aufweist, und
- - daß entsprechend der Anzahl der Druckstutzen (2, 3) ein oder mehrere strömungsführende Elemente angeordnet sind.
2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die von der Anströmkante (13) und/oder Anströmfläche (23)
ausgehende strömungsführende Fläche stufig ausgebildet
ist, wobei ein auf kleinerem Durchmesser verlaufender
Wandflächenteil (16, 18) größere axiale Abstände zum
Austritt des Laufrades (7) aufweist, als ein auf größerem
Durchmesser angeordneter Wandflächenteil (17, 19).
3. Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Eintritt in den sich radial
erstreckenden Druckstutzen (2, 3) zum Strömungsraum (11)
hin trichterförmig (12) erweitert ist.
4. Kreiselpumpengehäuse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung eines
Druckstutzeneintrittes am Innenumfang des Außengehäuses
(1) ein oder mehrere zum Druckstutzen hin größer werdende
Auskehlungen angebracht sind.
5. Kreiselpumpengehäuse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß, bezogen auf die Laufradebene, die
Anströmkante (13) und/oder Anströmfläche eines Elementes
(14, 15) gegenüber einer Druckstutzenmittelachse maximal
entsprechend der Druckstutzenweite in Strömungsrichtung
versetzt angeordnet ist.
6. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das strömungsführende Element (14, 15)
als in den Strömungsraum (11) einsetzbares Element
ausgebildet ist.
7. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Element (14, 15) Bestandteil des
Innen- (4) oder Außengehäuses (1) ist.
8. Kreiselpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (1), das
Innengehäuse (4) und/oder das Element (14, 15) als
Gußkonstruktion ausgebildet sind.
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