DE4418662C2 - Kreiselpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe gemäß den im Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 3 aufgeführten Merkmalen.

Kreiselpumpen dieser Art werden heutzutage vielfältigst eingesetzt, beispielsweise auch in der Haustechnik, so z. B. als Heizungsum­ wälzpumpen, oder als Pumpen für Hauswasserwerke. Neben einer langen Lebensdauer und einem hohen Wirkungsgrad werden in jüng­ ster Zeit zunehmend auch Anforderungen hin sichtlich einer möglichst geringen Schallemission solcher Pumpen gestellt. Während dieses Problem bei mit konstanter (niedriger) Drehzahl arbeitenden Pumpen noch lösbar ist, ergeben sich bei modernen drehzahlveränderbaren und insbesondere hochtourig laufenden Kreiselpumpen Probleme. Über die im Haus verlegten Rohrleitungssysteme werden mechanische Schwingungen in hörbarem Schallbereich in Wohnbereiche des Hauses übertragen, wo sie als belastend empfunden werden.

Aus DE 39 12 279 C2 ist es bekannt, Vorkehrungen am Leitapparat einer Kreiselpumpe vorzunehmen, um Kavitationsprobleme in diesem Bereich zu vermeiden. Dort ist vorgesehen, Leitapparate mit größeren Durchflußöffnungen im Austrittsbereich der Pumpe zu versehen. Diese Maßnahme verändert den Kanaldurchfluß, um Kavitation und die damit verbundenen Beschädigungen der Pumpe zu vermeiden. Eine Beeinflussung der Laufgeräusche der Pumpe im normalen Be­ trieb ist damit aber nicht möglich.

Während man in anderen Bereichen der Technik über eine Schalliso­ lierung des Emissionskörpers Abhilfe zu schaffen versucht, gelingt dies im Bereich der Pumpen aufgrund der angeschlossenen starren Leitungssysteme nur schlecht. Die Pumpe schwingungsisoliert zu lagern ist technisch aufwendig und auch aufgrund der im Langzeitbe­ reich bei elastischen Druckleitungen auftretenden Probleme nicht erstrebenswert.

Es stellt sich daher im Pumpenbereich, insbesondere für Heizungs­ umwälzpumpen, die Aufgabe, die Entstehung des Geräusches zu vermindern, und dies mit möglichst konstruktiv einfachen Mitteln, denn schon ein geringer Mehraufwand kann bei solchen in sehr hohen Stückzahlen produzierten Aggregaten zu erheblichen Verteuerungen führen.

Geräusche in Pumpen werden u. a. durch Ablösung der Strömung bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten sowie durch die Energieüber­ tragung in der Kreiselpumpe erzeugt. Das von der rotierenden Welle auf das Kreiselrad übertragene Drehmoment entspricht einem gleich großen aber entgegengesetzt gerichtetem Moment, das an den Schau­ feln des Laufrades angreift und das eine besondere Geschwindigkeits­ verteilung des Förderstromes am Laufradaustritt bewirkt. Je kleiner die Schaufelbelastung ist, um so gleichmäßiger ist die Strömungs­ geschwindigkeit im druckseitigen Gehäuse hinter dem Laufrad, wo die Strömung über einen mehr oder weniger ausgebildeten Leitapparat in den Druckstutzen geführt wird. Dieser Druckstutzen oder auch beispielsweise eine Zunge des Leitapparates bildet für die aus dem Laufrad austretende Strömung eine Störstelle, an der nicht nur eine Störung der Strömung, sondern auch eine dadurch begründete Ge­ räuschentwicklung erfolgt. Dabei entsteht in der Regel zwischen Kreiselrad und Störstelle eine mechanische Schwingung, deren Grund­ frequenz sich aus der Drehzahl des Laufrades multipliziert mit der Zahl der darauf befindlichen Schaufeln errechnet. Vereinfacht kann man sich die Geräuschentwicklung in diesem Bereich also so vor­ stellen, daß durch diese sich jeweils am Schaufelende ablösende Strö­ mung, die auf die Störstelle trifft, eine Druckwelle erzeugt wird, wobei sich aufgrund der periodischen Wiederkehr eine periodische mechanische Schwingung ergibt, deren Grundfrequenz bei den übli­ cherweise in der Haustechnik verwendeten Kreiselrädern und Dreh­ zahlen im hörbaren Bereich liegt. Es versteht sich, daß für die Ge­ räuschentwicklung im einzelnen auch noch andere Parameter eine Rolle spielen, die vorstehend beschriebene Geräuschentwicklung stellt jedoch in der Regel für das menschliche Gehör mit seiner über den Gesamtfrequenzbereich sehr unterschiedlichen Empfindlichkeit ein besonders störendes und als laut empfundenes Geräusch dar.

Erste Lösungsansätze zur Minderung des im Betrieb entstehenden Geräuschpegels sind beispielsweise aus US-PS 3,006,603 bekannt. Die dort beschriebene Kreiselpumpe weist ein Laufrad auf, bei dem die Schaufeln zur Verminderung der Geräuschemission asymmetrisch, d. h. in unterschiedlichen Teilungswinkeln angeordnet sind.

Auch aus US-PS 4,253,800 sind bereits Schaufelanordnungen be­ kannt, die zur Verminderung der Geräuschemission führen sollen. Die dort beschriebenen Laufräder sind jedoch aufgrund der enormen Unterschiede in den Teilungswinkeln für flüssigkeitsführende Ag­ gregate kaum geeignet. Im übrigen gibt diese Druckschrift keine konkrete Lehre, wie die Teilungswinkel zu wählen sind, sondern lediglich eine Lehre, um zu ermitteln, welcher Geräuschpegel sich bei vorgegebenen asymmetrischen Teilungswinkeln ergibt und dar­ überhinaus einen Wertebereich, der hinsichtlich der Geräuschbela­ stung besonders günstig ist.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kreiselpumpe durch Veränderung der Teilungswinkel des Laufrades bzw. des Leitapparates so auszubilden, daß eine weitere Reduzierung der beim Betrieb davon ausgehenden Geräuschemission erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 bzw. in Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Die vorliegende Erfindung geht also über die an sich bekannte asym­ metrische Anordnung der Schaufeln auf dem Laufrad bzw. der Schau­ feln des Leitapparates bezogen auf die Drehachse hinaus, indem es konkrete Parameter für die Wahl der Winkel bei vorgegebener Schau­ felzahl angibt, bei der sich besonders geringe Geräuschemissionen ergeben. Durch eine solche Ausbildung wird zwar die Geräuschent­ wicklung an sich nicht verhindert, doch erfolgt hierdurch keine zusätzliche periodische Druckerhöhung dergestalt, daß die von den einzelnen Laufradschaufeln ausgehenden Schwingungen phasengleich liegen und sich somit ihre Amplituden addieren können. Die aufgrund der Drehzahl des Laufrades gegebene Periodizität kann hierdurch natürlich nicht verhindert werden. Da die schallerzeugenden Schwin­ gungen zwischen Laufrad und Störstelle entstehen, genügt eine Ver­ änderung im Austrittsbereich des Laufrades und/oder im Eintritts­ bereich des Leitapparates.

Eine solche gezielte Verstimmung des Laufrades bzw. des Leitappara­ tes gemäß der Erfindung bewirkt, daß sich keine einheitliche Grund­ schwingung mehr ausbilden kann, sondern vielmehr eine Vielzahl von Grundschwingungen entsteht. Vereinfacht betrachtet wird also statt der bisher bekannten Grundschwingung ein Frequenzband erzeugt, wobei aufgrund der unterschiedlichen Grundfrequenzen eine Addition der Amplituden praktisch ausgeschlossen werden kann. Die hierdurch bewirkte Geräuschemission ist nicht nur amplitudenmäßig wesentlich geringer als bei bekannten symmetrisch aufgebauten Kreiselrädern oder Leitapparaten, sondern sie wird zudem auch vom menschlichen Gehör selbst bei vergleichbarem Schallpegel als angenehmer empfun­ den. Die vorliegende Erfindung bewirkt also in zweifacher Hinsicht eine Verminderung der Geräuschemission, nämlich zum einen durch objektive Verringerung des Schallpegels und zum anderen durch die subjektiv angenehmer wirkende Frequenzverteilung.

Gemäß der Erfindung sind also die Teilungswinkel α - dies sind die Winkel, in denen die Schaufelenden zueinander angeordnet sind - nicht nur zum Erhalt eines asymmetrischen Laufrades zu variieren, sondern darüberhinaus so zu wählen, daß der inverse Wert eines jeden Teilungswinkels multipliziert mit dem Wert, der sich bei Sum­ mierung sämtlicher Teilungswinkel des Laufrades ergibt (dies sind stets 360°), einen Wert Z ergibt, der von einer ganzen Zahl ab­ weicht. Akustisch besonders günstige Teilungswinkel ergeben sich dann, wenn dieser Wert Z von einer ganzen Zahl um +0,2 bis +0,4 nach oben oder unten abweicht. Bevorzugte Werte liegen also bei­ spielsweise für ein Rad mit sieben Schaufeln zwischen 7,2 bis 7,4 oder von 6,6 bis 6,8. Hinsichtlich der Geräuschemission ergeben sich dann besonders niedrige Werte, wenn mindestens bei der Hälfte aller Teilungswinkel diese bevorzugten Werte von Z erfüllt sind.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß die Zahl Z die theoretische Schaufelzahl angibt, die sich bei dem gewählten Teilungswinkel ergäbe, wenn dieser für alle Schaufeln zugrundegelegt würde. Da die Schaufelzahl in der Praxis immer ganzzahlig sein muß, ist es offen­ sichtlich, daß es sich hierbei lediglich um eine mathematische Größe handelt.

Bevorzugt erfolgt die gezielte Verstimmung des Laufrades oder Leitapparates ausschließlich durch Varianz der Teilungswinkel, d. h. es werden kongruente Schaufeln angeordnet, da insbesondere bei der Varianz der Schaufelform das Ergebnis in der Regel nur schwer vorhersehbar ist. Werden hingegen, wie bevorzugt, kongruente Schaufeln angeordnet, dann kann das zu erwartende Frequenzband mit genügender Genauigkeit vorherberechnet werden.

Die erfindungsgemäße Lösung wird beispielsweise bei üblichen Hei­ zungsumwälzpumpen stets laufradseitig erfolgen, da der durch das Gehäuse gebildete Leitapparat bei solchen Pumpen üblicherweise keine Leitschaufeln aufweist und lediglich die Strömung spiralförmig in den Druckstutzen überleitet. Bei Kreiselpumpen, die hingegen einen Leitapparat mit Leitschaufeln aufweisen, wie dies bei mehr­ stufigen Kreiselpumpen regelmäßig der Fall ist, kann die Emissions­ verminderung zusätzlich auch durch eine entsprechende Ausbildung am Leitapparat erfolgen, in dem beispielsweise die Leitschaufeln in unterschiedlichem Teilungswinkel wie vorbeschrieben angeordnet werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen in stark vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Laufrad mit kongruenten Schaufeln, die in unterschiedlichen Teilungswinkeln angeordnet sind,

Fig. 2 die Verteilung der sich beim Betrieb des Laufrades nach Fig. 1 an einer Störstelle ergebenden Grundschwingun­ gen (Frequenzband) und

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Leitapparat, bei dem die Leit­ schaufeln in unterschiedlichen Teilungswinkeln angeord­ net sind.

Das anhand von Fig. 1 dargestellte Laufrad 1 ist ohne Deckscheibe dargestellt. Es besteht aus einer Scheibe 2, auf der sieben kongruente Schaufeln 3 angeordnet sind, die sich von nahe der Laufradachse 4 bis zum Außenumfang 5 des Laufrades in der dargestellten Weise erstrecken, wo sie enden. Die Anbringung eines solchen Laufrades auf der Motorachse und die Anordnung im Pumpengehäuse ist als solche bekannt und wird deshalb hier nicht im einzelnen beschrieben.

Die sieben Schaufeln 3 sind auf der Scheibe 2 in unterschiedlichen Teilungswinkeln α_i angeordnet. Unter Teilungswinkel wird dabei der Winkel verstanden, den benachbarte Schaufeln 3 am Schaufelende, also am Außenumfang 5 des Laufrades 1 einschließen. Die Teilungs­ winkel α_i betragen bei dem anhand von Fig. 1 dargestellten Lauf­ rad 1:

α₁ = 46,5°
α₂ = 58°
α₃ = 48,7°
α₄ = 50°
α₅ = 56,3°
α₆ = 47°
α₇ = 53,5°

Die tatsächliche Schaufelzahl Z_Laufrad beträgt sieben. Die einleitend beschriebene theoretische Schaufelzahl Z, die sich bei einem be­ stimmten Teilungswinkel α_i ergäbe, beträgt für α₁ = 7,74, für α₂ = 6,21, für α₃ = 7,39, für α₄ = 7,20, für α₅ = 6,39, für α₆ = 7,66 und α₇ = 6,73. Die Winkel α_isind also so gewählt, daß die Zahl Z etwa um ±0,2 bis 0,4 von einer beliebigen ganzen Zahl Z_g abweicht. Die Teilungswinkel α₃, α₄, α₆ und α₇ sind so gewählt, daß die sich bei diesen Teilungswinkeln ergebenden theoretischen Laufradzahlen Z um ±0,2 bis 0,4 von Z_Laufrad abweichen, also mehr als die Hälfte der Teilungswinkel in diesem Bereich liegen. Dann ergibt sich näm­ lich eine besonders niedrige Geräuschemission, sowohl hinsichtlich des Schallpegels als auch hinsichtlich der Frequenzverteilung.

Anhand von Fig. 2 ist das Frequenzband dargestellt, das von dem vorbeschriebenen, anhand von Fig. 1 dargestellten Laufrad an einer Störstelle des Pumpengehäuses entsteht, wenn dieses Laufrad mit 6000 U/min angetrieben wird. Auf der horizontalen Achse des Schaubildes nach Fig. 2 ist die Frequenz in Hertz und auf der ver­ tikalen Achse der Schallpegel aufgetragen. Das sich dabei ergebende Frequenzband besteht aus sieben, den Teilungswinkeln α₁ bis α₇ entsprechenden ersten harmonischen Schwingungen sowie zahlreichen (nicht dargestellten) Oberschwingungen, die jedoch auch wegen des deutlich niedrigeren Schallpegels vernachlässigbar sind. Zum Ver­ gleich sind Frequenz und Schallpegel von drei Laufrädern, einmal mit sechs Schaufeln (Z_Laufrad = 6), einmal mit sieben Schaufeln (Z_Laufrad = 7) und einmal mit acht Schaufeln (Z_Laufrad = 8) darge­ stellt, und zwar bei symmetrischer Schaufelanordnung. Aus dem Schaubild nach Fig. 2 läßt sich ohne weiteres entnehmen, daß zum einen der Schallpegel beim Einsatz konventioneller Laufräder mit symmetrischer Teilung mehr als doppelt so hoch ist wie bei dem anhand von Fig. 1 dargestellten und ferner, daß anstelle einer Fre­ quenz mit dem Laufrad nach Fig. 1, ein Frequenzband erzeugt wird, das vom menschlichen Gehör subjektiv als angenehmer empfunden wird als ein Ton mit nur einer Frequenz, jedoch gleichen Schall­ pegels.

In Fig. 3 ist ein Leitapparat 12 dargestellt, der sieben kongruente Leitschaufeln 13 aufweist, die bezogen auf die Achse 4 des Leit­ apparates in unterschiedlichem Teilungswinkel α′_i angeordnet sind. Der Teilungswinkel ist entsprechend den vorstehend zum Laufrad gegebenen Definitionen zu verstehen. Bei der Ausführung nach Fig. 5 betragen die Teilungswinkel α′_i:

α′₁ = 46,5°
α′₂ = 58°
α′₃ = 48,7°
α′₄ = 50°
α′₅ = 56,3°
α′₆ = 47°
α′₇ = 53,5°

Die eingangs beschriebenen und anhand des Laufrades nach Fig. 1 beispielhaft erläuterten Beziehungen der Teilungswinkel zur theoreti­ schen Schaufelzahl Z gelten für den Leitapparat 12 entsprechend.

Die vorbeschriebenen Laufräder und Leitapparate sind insbesondere für Kreiselpumpen mit drehzahlveränderbaren Antriebsmotoren vor­ gesehen, beispielsweise für frequenzumrichtergesteuerte Pumpenaggre­ gate.

Claims (5)

1. Kreiselpumpe mit mindestens einem mit Schaufeln (3; 7; 9) versehenen Laufrad (1; 6; 8), bei dem zur gezielten Beeinflussung der im Betrieb vom Laufrad (1; 6; 8) ausgehenden Geräuschemission die Schaufeln (3; 7; 9) bezogen auf die Drehachse (4) in unterschied­ lichen Teilungswinkeln α angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Teilungswinkel α so gewählt ist, daß sein inverser Wert multipliziert mit dem der Summe aller Teilungswinkel des Laufrades (1) eine Zahl Z ergibt, die ungleich einer ganzzahligen Zahl Z_g ist:

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens der Hälfte der Teilungswinkel α des Laufrades (1) die Zahl Z um 0,2 bis 0,4 von der tatsächlichen Schaufelzahl Z_Laufrad abweicht: Z = Z_Laufrad ± (0,2 bis 0,4)

3. Kreiselpumpe mit mindestens einem Laufrad und einem mit Schaufeln (13; 15) versehenen Leitapparat (12; 14), bei dem zur gezielten Beeinflussung der im Betrieb vom Leitapparat und/oder vom Laufrad ausgehenden Geräuschemission die Schaufeln (13; 15) in unterschiedlichen Teilungswinkeln α′ angeordnet sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder der Teilungswinkel α′ so gewählt ist, daß sein inverser Wert multipliziert mit dem der Summe aller Teilungs­ winkel des Leitapparates (12) eine Zahl Z′ ergibt, die ungleich einer ganzen Zahl Z_g ist:

4. Kreiselpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl Z′ um +0,2 bis +0,4 oder um +0,6 bis +0,8 von einer ganzzahligen Zahl Z_g nach oben abweicht.

5. Kreiselpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schaufeln (3) des Laufrades (1) und/oder alle Schaufeln (13) des Leitapparates (12) kongruent sind.