DE4400734A1

DE4400734A1 - Vorrichtung zur Reduzierung von kavitationsbedingten Schäden an Rotationspumpen und zur Verbesserung ihres Betriebsverhaltens

Info

Publication number: DE4400734A1
Application number: DE4400734A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dreis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-21
Filing date: 1994-01-13
Publication date: 1994-08-25

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Reduzierung von kavitationsbedingten Schäden an Rota tionspumpen, wie beispielsweise Kreiselpumpen oder Pumpenturbinen, mit wenigstens einem mit Laufschau feln versehenem Laufrad, durch das die zu pumpende Förderflüssigkeit strömt
Pumpenvorrichtungen der vorgenannten Gattung, zu deren bekanntesten Ausführungsformen die Kreiselpumpe gehört, weisen mindestens ein Laufrad auf, an dem eine Reihe von Laufschaufeln angeordnet sind. Die mit hoher Dreh zahl rotierenden Laufschaufeln fördern ein flüssiges Medium von der Zulauföffnung der Pumpe zum entsprechen den Pumpenauslaß. Die zwischen den Schaufeln einströ mende Flüssigkeit wird durch die Rotation der Schaufeln beschleunigt und aus dem Laufrad herausgeschleudert. Aufgrund der Geometrie der einzelnen Laufschaufeln, die mit hoher Winkelgeschwindigkeit die Förderflüssigkeit durchdringen, bilden sich auf der, der Zuflauföffnung zugewandten Oberfläche der Laufschaufeln Zonen hohen Druckes - Druckseite -, sowie auf der gegenüberliegen den Laufschaufelseite Zonen niedrigen Druckes - Saug seite -. Als Folge dieser druckunterschiedlichen Zonen ergeben sich insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen der Laufschaufeln sog. Kavitationseffekte, die sich nach teilig auf das Betriebsverhalten derartiger Rotation spumpen und deren Lebensdauer auswirken.

Unter Kavitation wird das Entstehen von dampfgefüllten Hohlräumen in Zonen niedrigen Druckes und das Zusammen fallen dieser Hohlräume in Zonen höheren Druckes ver standen. Diese dampfgefüllten Hohlräume, auch Kavita tionsschleppen genannt, entstehen in der Regel an der Eintrittskante der Laufschaufeln und reduzieren zumin dest teilweise den Wirkungsgrad der einzelnen Lauf schaufeln. Ursache hierfür ist die Reduzierung des gesamten Strömungsquerschnittes der Zulauföffnung durch Bereiche auf den einzelnen Laufschaufeln, die von der Kavitation erfaßt sind. Im verbleibenden Restquer schnitt erhöht sich jedoch bei gleichbleibendem Volu menstrom gegenüber dem kavitationsfreien Zustand auf grund der Kontinuitätsbedingung die Strömungsgeschwin digkeit. Als Folge sind höhere Reibungsverluste im gesamten Laufschaufelbereich zu beobachten.

Ferner erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln nunmehr unter einem veränderten, von der ursprünglichen Berech nung zur Auslegung der Pumpe abweichenden Winkel, wo durch Stoßverluste zwischen der Förderflüssigkeit und den Laufschaufeln entstehen. Als Folge sinkt die För derhöhe und damit der hydraulische Wirkungsgrad der gesamten Pumpe.

Die Ausbildung von Kavitationsschleppen an den Oberflä chen der Laufschaufeln vollzieht sich räumlich und zeitlich unregelmäßig, so daß am Laufradumfang zeitlich und räumlich veränderliche hydraulische Kräfte angrei fen, so daß die Pumpe unruhig läuft und die Pumpenlager zusätzlich belastet werden.

Ferner erfolgt das Zusammenfallen der Kavitations schleppen derart implosionsartig, so daß aus jeder erfolgten Implosion ein oder mehrere mikroskopisch kleine Wasserstrahlen hervorgehen, deren Impulskräfte im Falle der wandnahen Implosion als Druckkräfte er odierend auf die Laufschaufeln einwirken und dadurch das Laufschaufelmaterial auf Dauer stark schädigen.

In Anbetracht der beschriebenen, durch die Kavitation entstehenden Nachteile, ist der Konstrukteur derartiger Pumpenvorrichtungen bestrebt, die Kavitationstendenz gering zu halten. Eine für die Ausbildung von Kavita tion wichtige, pumpenspezifische Größe ist die von der Pumpe benötigte Energie des Fördermediums im Zulauf zur Pumpe (NPSH_R: Required net positive suction head). Soll eine Förderflüssigkeit beispielsweise von einer Krei selpumpe gefördert werden, so muß die Flüssigkeit be reits im Zulauf der Pumpe eine bestimmte Mindestener gie, die vorstehend beschriebene NPSH_R besitzen. Je kleiner NPSH_R einer Kreiselpumpe ist, desto günstiger ist ihr Kavitationsverhalten. NPSH_R wird benötigt, um die bis zum Erreichen des Laufradeintritts entstehenden Reibungsverluste zu überwinden und die für den Einlauf in das Laufrad benötigte kinetische Energie zur Verfü gung stellen zu können, ohne eine Verdampfung des För dermediums durch Unterschreitung des Dampfdruckes zu verursachen. Erst wenn die von der Anlage zur Verfügung stehende Energie NPSH_av kleiner ist als die Mindesten ergie NPSH_R, entsteht der vorbeschriebene Kavitations effekt.

Somit ist bei der Konstruktion eines Pumpensystems stets darauf zu achten, den NPSH_R-Wert möglichst gering zu halten. Dies bereitet jedoch den Pumpenherstellern wie Betreibern von Pumpen in der Praxis auch gegenwär tig große Probleme.

So können folgende Umstände zu unvorhergesehenem Auf treten von Kavitationseffekten führen:

- Falsche hydraulische Auslegung der Pumpe,
- Falsche Einschätzung der Zuströmbedingungen zur Pumpe,
- Von der Auslegung abweichende Eigenschaften des Fördermediums,
- Falsche Berechnung des Energiegehaltes des Förder mediums im Pumpenzulauf.

Zusätzlich wird die theoretische Auslegung einer Rota tionspumpe dadurch erschwert, daß die theoretische Vorausbestimmung von NPSH_R mit grober Unsicherheit behaftet ist. So sind Techniken und Mittel, die den NPSH_R-Wert bereits in der Berechnungsphase möglichst gering zu halten versprechen von grundsätzlichem Vor teil, zumal der Wirkungsgrad der Pumpe verbessert wer den kann.

Die Reduzierung des NPSH_R-Wertes bei einer bereits im Betrieb befindlichen Pumpe ist nur in einem sehr be schränkten Bereich möglich, indem beispielsweise die hydraulische Kontur des Laufrades bzw. des Sauggehäuses nachgearbeitet werden kann. Derartige nachträglich auszuführenden Arbeiten sind jedoch zeit- und kostenin tensiv.

Das wirksamste Mittel, den NPSH_R-Wert bei bereits in Betrieb befindlichen Pumpen merklich zu reduzieren, ist die Drehzahlreduktion. Diese kann jedoch nur selten angewendet werden, da die Pumpe aufgrund der Proportio nalitäten zwischen dem Flüssigkeitsvolumenstrom und der Drehzahl sowie der Förderhöhe und dem Quadrat der Dreh zahl nicht mehr die übrigen geforderten hydraulischen Daten für den wirtschaftlichen Einsatz von Pumpen lie fern würde.

In Fig. 1 ist eine nachteilhafte Besonderheit beim Betrieb herkömmlicher Kreiselpumpen dargestellt, die als Teillast-Peak TP bezeichnet wird. Wird der Volumen strom Vs bei einer herkömmlichen Kreiselpumpe erhöht, so nimmt der NPSH_R-Wert im sog. Teillast-Bereich L_T zunächst zu, durchläuft ein Maximum TP und nimmt danach wieder ab, bis er in einem weiteren steigenden Ast übergeht. Das lokale Maximum des NPSH_R-Verlaufes im Teillastbereich ist abhängig von der Gestaltung des Laufrades, also kann teils mehr, teils weniger ausge prägt sein. Der Teillast-Peak TP kann den Betriebsbe reich einer Pumpe stark einschränken. Eine zufrieden stellende theoretische Erklärung für den Teillast-Peak TP ist bisher jedoch noch nicht gefunden worden. Es gibt keine Möglichkeit einen Teillast-Peak durch eine entsprechende Auslegung der Pumpe zu verhindern oder gar auszuschließen. Ebenso sind zur Zeit noch keine Maßnahmen bekannt, durch die der Teillast-Peak (TP) an der ausgeführten Pumpe beseitigt werden kann.

Aus dem Beitrag von H. Grein, "Kavitation - Eine Über sicht", Sulzer-Forschungsheft 1974, S. 87-112, geht ein Pumpturbinenmotor hervor, der sogenannte Belüftungs schlitze auf der Profilsaugseite aufweist, in die Luft eingeführt wird, um die Auswirkungen der Kavitation zu verringern. Hierbei wird Umgebungsluft angesaugt und durch die Rotorwelle bis zu den saugseitigen Be lüftungsschlitzen geführt. Wesentlich bei dieser Kon struktion ist, daß die Belüftungsschlitze Verbindungs känale bilden, die nur in Richtung der Saugseite geöff net sind. Dies führt jedoch zu folgenden Nachteilen:

Zum einen Bedarf die Anordnung der einseitig geöffneten Schlitze einen hohen herstellungstechnischen Aufwand, der nicht zuletzt zu gesteigerten Herstellungskosten führt. Zum anderen sind die Druckunterschiede auf der Saugseite nicht sehr groß, so daß ein Volumenstrom zum Druckausgleich zwischen Bereichen auf der Saugseite höheren Druckes zu Gebieten niedrigeren Druckes nur sehr schwach ausgebildet ist. Eine effiziente Reduzie rung von Kavitationserscheinungen ist auf diese Weise nicht möglich. Schließlich ist eine Reduzierung von Kavitationseffekten auf der Druckseite aufgrund fehlen der Belüftungsschlitze mit dieser Vorrichtung nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung zur Reduzierung von kavitationsbedingten Schäden an Kavitationspumpen mit wenigstens einem mit Lauf schaufeln versehenen Laufrad, durch das Förderflüssig keit strömt, derart auszugestalten, daß zum einen die von der Pumpe benötigte Energie des Fördermediums im Zulauf zur Pumpe (NPSH_R) weitestgehend reduziert wird, so daß Kavitationseffekte, die zulasten des Wirkungs grades und der Lebensdauer der Pumpe gehen, vermieden werden. Ferner soll die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei bereits in Betrieb befindlichen Rotations pumpensystemen Anwendung finden können. Die Erfindung soll darüber hinaus das Betriebsverhalten von Rotation spumpen verbessern, so daß die Pumpen sicherer und mit höheren Wirkungsgraden betrieben werden können. Schließlich sollen die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Gesamtvorrichtung in den Herstellungskosten nicht ent scheidend verteuern.

Die Lösung der der Erfindung zugrundegelegten Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausfüh rungsformen finden sich in den weiteren Unteransprüchen 2 f. wieder.

Erfindungsgemäß werden die kavitationsbedingten Schäden an Rotationspumpen weitgehend dadurch reduziert, indem an wenigstens einer Laufschaufel der Rotationspumpe Vorkehrungen getroffen sind, die den Druckunterschied zwischen der Druck- und Saugseite der Laufschaufel reduzieren. In vorteilhafter Weise durchdringen die Laufschaufel von der Druck- zur Saugseite sog. Entla stungskanäle, die in vorteilhafter Weise einer Schlitz form oder Bohrungen gleicher oder verschiedener Größe entsprechen. Durch das dich in Abhängigkeit der Rota tionsgeschwindigkeit des Laufrades einstellende Druck gefälle wird die Laufschaufel von einem Teil der För derflüssigkeit durch die Entlastungskanäle durch drungen, so daß es zu einer lokalen Reduzierung der Druckdifferenz kommt. Das Durchdringen der Förderflüs sigkeit ist mit einem Energiestrom zu vergleichen, der Energie von der Druck- zur Saugseite oder auch in die entgegengesetzte Richtung transportiert. Eine Umkehrung der Strömungsrichtung kann insbesondere dann eintreten, wenn die Rotationspumpe im Überlastbereich betrieben wird, da hier die Impulskräfte der saugseitig auf die Laufschaufel stoßenden Strömung gegenüber der an der Laufschaufel anliegenden Druckdifferenz überwiegen, so daß der Entlastungskanal von der Saug- zur Druckseite hin durchströmt wird. Da dann die Kavitation schaufel druckseitig stattfindet, ist wiederum ein positiver Einfluß der Entlastungskanäle auf das Kavitations- und Betriebsverhalten der Pumpe gegeben.

Die so erreichte Erhöhung des statischen Druckes in der betreffenden Grenzschicht vermindert die Gefahr der Verdampfung der Flüssigkeit in der Grenzschicht, also das Auftreten von Kavitation.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exem plarisch beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 NPSH_R-Verlauf mit Teillast-Peak.

Fig. 2 Prinzipskizze des Laufrades einer Kreiselpum pe (saugseitige Ansicht).

Fig. 3 NPSH_R-Verlauf unterschiedlicher Ausführungs varianten.

Fig. 4 NPSH_R-Verlauf zweier weiterer Ausführungs varianten.

Fig. 5 Kennliniendarstellung in Abhängigkeit des Volumenstromes bezüglich der Förderhöhe H, der Leistungsaufnahme P_auf, Wirkungsgrad

Fig. 6 Darstellung der Kavitationsschleppen.

In Fig. 1 ist, wie bereits beschrieben, der grafische Zusammenhang zwischen dem NPSH_R-Wert und dem Volumen strom Vs dargestellt. Mit zunehmendem Volumenstrom durchläuft der NPSH_R-Wert den sog. Teillast-Peak TP und verläßt bei Erreichen eines Volumenstromes Vopt den sog. Teillastbereich L_T und geht mit weiter zunehmenden Werten in den Überlast-Bereich L_Ü über. Nimmt der Volu menstrom Vs den Wert Vopt an, so arbeitet die Rota tionspumpe mit optimalem Wirkungsgrad.

Fig. 2 stellt den prinzipiellen Aufbau des Laufrades einer erfindungsgemäßen Pumpe dar. Das ansonsten gegen über der herkömmlichen hydraulischen Auslegung nicht zwangsläufig veränderte Laufrad LR weist im Bereich der Laufschaufeleintrittskante durchgängige Schlitze S in den Laufschaufeln LS auf. Die Anordnung der Schlitze in den Laufschaufeln LS sind bei dieser Ausführungsform parallel zu den Laufschaufeleintrittskanten angeordnet. Hiervon abweichende Anordnungsmöglichkeiten, wie bei spielsweise mehrere parallel zueinander angeordnete Schlitze, die jeweils senkrecht zur Laufschaufelein trittskante vorgesehen sind, tragen ebenso zur Lösung der Reduzierung der Druckdifferenz zwischen der Druck- und Saugseite der Laufschaufel bei.

In der unteren Figurendarstellung in Fig. 2 ist der Schlitzwinkel δ, der den Winkel zwischen der Entlas tungskanalachse bzw. Schlitzachse und der Normalen auf der Laufschaufeloberfläche einnimmt, dargestellt. Die Kanten des Schlitzes S sind weder abgerundet noch ge brochen, sondern nur entgratet. Die in Fig. 2 darge stellte Schlitzform ist also nicht strömungs- sondern fertigungstechnisch günstig und in Bezug auf die ge wünschte Beeinflussung der Betriebseigenschaften durch aus verbesserungsfähig, was insbesondere den Betrieb bei hohen Volumenströmen betrifft.

Aus Fig. 3 geht in der bereits bekannten Diagrammdar stellung ein Vergleich des NPSH_R-Verlaufes von unters uchten Pumpen mit folgenden unterschiedlichen Spezifi zierungen hervor:

Die in der Fig. 3 dargestellten Meßergebnisse ergeben sich mit einer Pumpendrehzahl von 2950 Umdrehungen pro Minute. Aus dem Diagrammverlauf geht hervor, daß insbesondere bei höheren Volumenströmen die NPSH_R-Werte der geschlitzten Pumpenversionen unterhalb denen der ungeschlitzten Pumpe liegen. Besonders auffallend ist, daß der NPSH_R-Verlauf der geschlitzten Pumpe mit der Kennlinie 2 keinen nachteiligen Teillast-Peak aufweist. In diesem Bereich wird der NPSH_R-Wert gegenüber deren ungeschlitzten Pumpe mit der Kennlinie 1 um ca. 20% gesenkt.

Desweiteren geht aus Fig. 4 ein entsprechender Kenn linienverlauf zwischen der bereits in Fig. 3 darge stellten Kennlinie 1 und einer weiteren Pumpenversion mit der Kennlinie 5 hervor:

Kennlinie
5
Version	geschlitzt
Schlitzweite	2 mm
Schlitzform	entgratet
Schlitzwinkel	30°

Aus dem in Fig. 5 dargestellten Kennlinienvergleich geht hervor, daß sich bei einem Schlitzwinkel von δ = 30° die Wirkung der Entlastungsschlitze besonders im Be reich hoher Volumenströme deutlich reduzierend auf den NPSH_R-Wert auswirkt.

Fig. 5 zeigt Kennlinien bezüglich der Förderhöhe H, der Leistungsaufnahme P_auf und des Wirkungsgrades η in Abhängigkeit des Volumenstromes Vs. Im Vergleich zwi schen der ungeschlitzten Laufradversion 1 und der ge schlitzten Laufradversion 2 ist die Abnahme der Förder höhe H der Pumpe um maximal 1,5%, wie sie aus Fig. 5 hervorgeht, bei dieser Größenordnung zu vernachlässi gen. Desweiteren ist der relativ hohe Abfall des hy draulischen Wirkungsgrades η der Pumpe um ca. 2,5% auf die hohen Umlenkverluste der ungünstigen Schlitz form zurückzuführen. Untersuchungen zeigen, daß Pumpen versionen mit einem Schlitzwinkel größer 0°, wie bei spielsweise aus Fig. 4 hervorgeht, und abgerundeten Kanten, einen besseren Wirkungsgrad hervorrufen. Die Grenze zwischen dem Teillastbereich L_T und dem Über last-Bereich L_Ü wird auch hier, wie in den übrigen Fig. 3 und 4 durch einen charakteristischen Punkt Vopt ge kennzeichnet.

Aus Fig. 6 ist das Maß der Auswirkung eines Entla stungsschlitzes in einer Laufschaufel LS ersichtlich. Der gepunktete Bereich stellt jeweils die Zone auf der Laufschaufel dar, über die sich die Kavitationsschleppe erstreckt.

Die sich in Fig. 6 gegenüberstehenden Laufschaufeldar stellungen sind Ergebnisse endoskopisch unterstützter visueller Kavitationsbeobachtungen, die bei jeweils gleichen Meßbedingungen aufgenommen worden sind. Im Fall a) erstreckt sich der Kavitationsschleppenbereich über eine grobe Fläche der Laufschaufel LS. Im Fall b), der eine geschlitzte Laufschaufel zeigt, ist zu sehen, daß der Bereich der Kavitationsschleppe deutlich redu ziert ist. Die beschriebenen, nachteiligen Auswirkungen auf wirtschaftlichen Betrieb und Lebensdauer der Pumpe können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erheblich reduziert werden.

Da die Laufräder von Kreiselpumpen oft in einem Stück gegossen werden, das gilt besonders für die Serien bzw. Massenfertigung, sind die Schlitze unter nur leicht erhöhtem Aufwand in der Herstellung in der be schriebenen Form vorzusehen. Die am Schlitz entstehen den Gußradien kommen dabei der Strömungsführung im Schlitz entgegen.

Ebenso sind die Schlitze am bereits ausgeführten Lauf rad leicht durch Finger- oder Scheibenfräser nachzufer tigen. Bei größeren Maschinen können auch Trenn schleifen oder Trennschneiden die Fertigung der Schlitze ermöglichen.

Claims

1. Vorrichtung zur Reduzierung von kavitationsbedingten Schäden an Rotationspumpen und zur Verbesserung ihres Betriebsverhaltens mit wenigstens einem mit Laufschaufeln versehenem Laufrad, durch das Förderflüssigkeit strömt, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer Laufschaufel Vorkehrungen getroffen sind, die den Druckunterschied zwischen der Druck- und Saugseite der Laufschaufel reduzieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel wenigstens einen Entlastungskanal aufweist, der die Laufschaufel von der Druck- zur Saugseite durchdringt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungskanal von der Förderflüssigkeit durchströmbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungskanal ein Schlitz oder eine Bohrung ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel zwischen Ent lastungskanalachse und der Normalen auf der Laufschaufeloberfläche von ungleich Null Grad, bspw. 30°, vorgesehen ist.