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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Laufrad für
Turbinenpumpen, das mit Schaufeln mit einem verbesserten Profil
ausgestattet ist.
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Genauer gesagt ist das Laufrad nach
der vorliegenden Erfindung ein monolithisches Laufrad, das hergestellt
wird, indem ein Metall in einer Form gegossen wird. Bekanntlich
wandeln Turbinenpumpen die mechanische Energie, die sie von einem
Motor erhalten, in Druckenergie eines Fluids um.
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Der grundlegende Teil der Turbinenpumpe ist
das Laufrad, das die gesamte Energie auf die es durchströmende Masse
des Fluids überträgt, und zwar
teils als Druckenergie und teils als kinetische Energie.
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Das Laufrad einer Turbinenpumpe besteht hauptsächlich aus
zwei im wesentlichen scheibenförmigen
Elementen, zwischen denen die Schaufeln angeordnet sind. Die Schaufeln
leiten das an der Achse der Turbinenpumpe angesaugte Fluid an die
Spirale zur Verbindung mit einer Verbrauchervorrichtung. Ein derartiges
Laufrad ist beispielsweise aus der EP-A-0 061 375 bekannt.
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Die Anzahl der Schaufeln jedes Laufrads
sowie ihre geometrische und strukturelle Konfiguration hängen von
bekannten und von Entwicklern angewandten hydraulischen und physikalischen
Beziehungen ab.
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Verdrehte Schaufeln, d.h. Schaufeln
der Art mit Doppelkrümmung
werden häufig
verwendet.
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Zur Zeit werden derartige Laufräder hergestellt,
indem das geschmolzene Metall, im allgemeinen Gußeisen, in eine für diesen
Zweck vorbereitete Form eingebracht wird, die praktisch die Komplementärform darstellt,
von der die Laufräder
ihre Form erhalten.
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Die verwendete Form trägt die Abdrücke der beiden
scheibenförmigen
Elemente und hat im Inneren einen Kern, der dazu geeignet ist, die
Abdrücke der
Fluidleitschaufeln zu formen.
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Der Kern besteht im allgemeinen aus
gepreßtem
und getrocknetem Sand, ist im wesentlichen ringförmig und dient als Formkörper für die Schaufeln.
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Bei der praktischen Ausführung muß von der von
einem Konstrukteur erstellten Zeichnung eines theoretischen Schaufelentwurfs
ausgegangen werden.
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Dann muß ein Modellbauer die theoretische Schaufel
als einen wirklichen Prototypen reproduzieren, der schematisch in
den 1 und 2 dargestellt und mit dem Bezugszeichen
A bezeichnet ist.
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Hat der Modellbauer den Schaufelprototypen A
hergestellt, so wird dieser Prototyp zum Formen des gepreßten und
getrockneten Sandkerns verwendet, der in den oben erwähnten Figuren
mit dem Bezugszeichen B bezeichnet ist.
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Sobald der Kern B geformt worden
ist, geht die Herstellung des Laufrads mit dem Einfügen des Kerns
in die Form und dem Einbringen des geschmolzenen Metalls weiter.
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Zudem kann der Schaufelprototyp A
derzeit nur durch die Kombination einer doppelten Bewegung aus dem
Kern B entfernt werden, die eine translatorische Bewegung nach außen und
ein gleichzeitiges Anheben des Prototyps einschließt, wie
in den 1 und 2 durch die Pfeile C und D
angedeutet ist.
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Die Prototypen A der Schaufeln, durch
die der Kern B geformt wird und die von einer theoretischen Zeichnung
erhalten werden, haben eine verdrehte Form. Dies führt zu erheblichen
Schwierigkeiten beim Entfernen der Prototypen A aus dem Kern B,
da jede neue Produktion von Schaufeln das Hobeln und Feilen sowie
Modifizierungen und Überarbeitungen
der Strukturen aller Prototypen A erfordert.
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Mit anderen Worten: Der Modellbauer
muß zuerst
jeden Prototypen A überarbeiten,
indem er eine Reihe von Material abtragenden Arbeitsschritten vornimmt,
bis der Prototyp ohne das Risiko, den Kern zu beschädigen, aus
dem Sandkern B entfernt werden kann.
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Nach allen Anpassungen erhält man Laufräder für Turbinenpumpen
mit Schaufeln, deren Form nicht mit den hydraulischen theoretischen
Modellen übereinstimmen
und die in der praktischen Anwendung den hydraulischen Wirkungsgrad
der Turbomaschine herabsetzten.
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Der Vorgang zum Modifizieren und
Anpassen des Prototyps A jeder Schaufel, um deren leichtes Entfernen
aus dem Sandkern B zu ermöglichen, erfordert
gewöhn lich
eine lange Zeit (die jedenfalls nicht vorab geschätzt werden
kann) und bringt sehr hohe Kosten mit sich, was letztlich eine Belastung
für den
ersten Fertigungsschritt darstellt.
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Zuweilen ist der Modellbauer gezwungen, mehr
als einmal einzugreifen und dabei jedes Mal von Neuem zu beginnen,
weil er Fehler beim Hobeln und Modifizieren der Struktur des Prototyps
A macht.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein Laufrad für
Turbinenmaschinen anzugeben, das Leitschaufeln hat, deren Form die
oben genannten Nachteile beseitigt.
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Im Rahmen dieses Ziels besteht eine
besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Laufrad
mit Schaufeln anzugeben, deren Prototypen hergestellt werden können, ohne
daß besonders
aufwendige Anpassungen durch Abnehmen von Material notwendig sind.
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Eine wichtige Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, ein Laufrad für Turbinenpumpen anzugeben,
das zu geringeren Kosten hergestellt werden kann als Laufräder, die
mit herkömmlichen
Verfahren hergestellt werden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, ein Laufrad mit Schaufeln mit Doppelkrümmung anzugeben,
die so gefertigt werden können,
daß die
für den
ersten Fertigungsschritt zum Erzeugen der Kerne benötigte Zeit
verkürzt
wird.
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Eine weitere wichtige Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ist es, ein Laufrad mit Schaufeln mit Doppelkrümmung anzugeben,
deren Fertigung einen höheren
Automatisierungsgrad ermöglichen
kann als es bei herkömmlichen
Laufrädern
der Fall ist.
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Dieses Ziel sowie diese und andere
Aufgaben, die im folgenden deutlich werden, löst ein Laufrad, das einstöckig zwei
scheibenförmige
Elemente umfaßt,
zwischen denen mehrere Schaufeln mit Doppelkrümmung vorgesehen sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Oberflächen
jeder Schaufel durch eine Reihe von gekrümmten Querabschnitten erzeugt
sind, wobei die Querabschnitte von kreisförmigen Bögen gebildet sind, die zu in
unterschiedlichen Ebenen liegenden und auf einer gemeinsamen räumlichen
Mittelachse zentrierten Kreisen gehören.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile
des erfindungsgemäßen Laufrads
ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibungen einer
seiner Ausführungsformen,
die als nicht einschränkendes Beispiel
in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen zeigen:
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1 und 2 schematische perspektivische Ansichten
des Stands der Technik, insbesondere zweier Schritte zum Entfernen
eines herkömmlichen Prototyps
aus einem Sandkern;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laufrads mit Schaufeln,
die ein verbessertes Profil haben;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Details eines erfindungsgemäßen Laufrads
mit Schaufeln, die ein verbessertes Profil haben;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Details eines Laufrads gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 eine
Ansicht eines Details einer theoretischen Schaufel;
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7 und 8 schematische Ansichten
des Schritts zum Entfernen eines Prototyps einer erfindungsgemäßen Schaufel;
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9 und 10 schematische Ansichten
des Schritts zum Ausführen
eines Prototyps einer erfindungsgemäßen Schaufel.
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Unter besonderer Bezugnahme auf die 3 bis 10 wird ein Laufrad mit Schaufeln mit
verbessertem Profil allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet
und enthält
zwischen einem ersten Element 11 und einem zweiten Element 12,
die beide im wesentlichen scheibenförmig sind, mehrere Schaufeln 13 der
Art mit Doppelkrümmung.
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Gemäß der Erfindung ist das Laufrad 10 in einer
an sich bekannten Art und Weise monolithisch gebildet, indem Metall,
normalerweise Gußeisen
vergossen wird, das in eine in geeigneter Weise komplementär geformte
Form (in den oben erwähnten Figuren
nicht dargestellt) gegossen wird, welche einen Kern 14 enthält, der
die Abdrücke
der Schaufeln 13 bildet.
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Der Kern 14 hat eine ringförmige Struktur,
an der Abdrücke 16 vorgesehen
sind, die komplementär zu
den Schaufeln 13 des Laufrads 10 geformt sind.
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Bei der praktischen Ausführung geht
man von einer theoretischen Schaufel 17 aus, die sich aus dreidimensionalen
computergestützten
Entwurfssimulationen ergibt, von der Art mit Doppelkrümmung ist,
gemäß an sich
bekannten hydraulischen Beziehungen erhalten wird und keine Dicke
hat.
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An der theoretischen Schaufel 17 können Abwicklungskurven 21,
die durch Verbinden des Laufrads 10 mit den scheibenförmigen Elementen 11 und 12 bestimmt
werden, ein inneres Ansaugprofil 18, das an die Mittelachse 19 des
Laufrads 10 angrenzt, sowie ein externes Ausflußprofil 20 leicht
festgelegt werden.
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Bei der dreidimensionalen Abwicklungssimulation
wird ausgehend von der theoretischen Schaufel 17 nach der
Trial-and-Error-Methode im Raum eine Achse 23 bestimmt,
die gegenüber
dem Satz theoretischer Schaufeln 17 des Laufrads 10 im
wesentlichen geneigt ist.
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Die Achse 23 wird von einer
Reihe von Punkten erzeugt, die die Mittelpunkte von Kreisen darstellen,
welche allgemein durch das Bezugszeichen 24 bezeichnet
sind.
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Die Kreise 24 sind durch
zu dem inneren Profil 18 und zu dem äußeren Profil 20 jeder
theoretischen Schaufel 17 gehörende Punkte eindeutig festgelegt.
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Die Kreise 24 bilden eine
Reihe gekrümmter Abschnitte 25,
von denen jeder durch Bögen 26 begrenzt
ist, die auf den Kreisen 24 liegen.
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Das Ergebnis der Reihe der gekrümmten Abschnitte 25,
die im wesentlichen durch die Abwicklungskurven 21 der
theoretischen Schaufel 17 begrenzt sind, ist die Schaufel 13 des
Laufrads 10, die ein inneres Profil 28 und ein äußeres Profil 27 hat,
die jeweils gemäß Bögen geformt
sind, die durch zwei der Kreise 24 gebildet sind.
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Das innere Profil 28 ist
daher wie ein Bogen geformt, der auf der Achse 23 zentriert
ist, und derart, daß bei
diesem Ausführungsbeispiel
die Konkavität tatsächlich in
der gegenüber
der Konkavität
des Bogens des äußeren Profils 27 entgegensetzten
Richtung angeordnet ist.
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Folglich erhält man ausgehend von der theoretischen
Schaufel 17 mit Doppelkrümmung eine Schaufel 13,
deren Abwicklungskurven 29 (die den Abwicklungskurven 21 der
theoretischen Schaufel 17 entsprechen) gegenüber den
entsprechenden Kurven 21 im wesentlichen unverändert sind,
da die Schaufel 13 als Sequenz der Abschnitte 25 erzeugt wird,
die durch die Bögen
der auf der Achse 23 zentrierten Kreise 24 begrenzt
sind.
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Die verbesserte Schaufel 13 kann
verwendet werden, um praktisch ohne jegliche nachfolgende Korrektur
oder Anpassung den Kern 14 zu erzeugen, der in der Form
zum Gießen
des Laufrads 10 anzuordnen ist.
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Der resultierende Kern 14 erlaubt
es nämlich,
die Schaufeln 13 in einer einzigen Richtung, bezeichnet
durch das Bezugszeichen 30, die einem Bogen eines der auf
der Achse 23 zentrierten Kreise 24 entspricht,
aus den Abdrücken 16 zu
entfernen.
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In der praktischen Anwendung hat
sich gezeigt, daß die
vorliegende Erfindung das Ziel erreicht und alle gestellten Aufgaben
erfüllt.
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Insbesondere wird mit der vorliegenden
Erfindung ein wichtiger Vorteil erzielt, indem ein Laufrad mit Schaufeln
angegeben worden ist, die ein verbessertes Profil haben und ohne
Modifizierungen und ohne notwendige Anpassungen durch Abnehmen von
Material erzeugt werden können.
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Die vorliegende Erfindung gewährleistet
einen weiteren Vorteil, da ein Laufrad mit verbesserten Schaufeln
angegeben worden ist, das zu gegenüber gemäß herkömmlichen Verfahren hergestellten
Laufrädern
extrem wettbewerbsfähigen
Fertigungskosten hergestellt werden kann.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil wird
mit der vorliegenden Erfindung erzielt, da ein Laufrad für Turbinenpumpen
angegeben worden ist, das mit Schaufeln mit Doppelkrümmung versehen
ist, die verglichen mit herkömmlichen
Laufrädern
in sehr kurzer Zeit und innerhalb vorgegebener Zeitgrenzen hergestellt
werden können.
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Die vorliegende Erfindung erzielt
einen wichtigen Vorteil, da ein Laufrad für Turbinenpumpen angegeben
worden ist, dessen Schaufeln ein verbessertes Profil haben und die
gemäß einem
vollautomatisierten Prozeß hergestellt
werden können.
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Zahlreiche Modifikationen und Änderungen der
vorliegenden Erfindung sind möglich,
die alle im Rahmen des gleichen Erfindungskonzepts liegen.
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Zudem können alle Details durch andere, technisch
gleichwertige Elemente ersetzt werden.
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Die verwendeten Materialien sowie
die Abmessungen sind gemäß den Anforderungen
frei wählbar.
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Wo in den Patentansprüchen auf
technische Merkmale Bezugszeichen folgen, dienen diese lediglich
der besseren Verständlichkeit
der Ansprüche
und haben folglich keine einschränkende
Wirkung auf die Auslegung eines Elementes, das beispielhaft durch solche
Bezugszeichen gekennzeichnet wird.