EP0443354A1

EP0443354A1 - Kreiselpumpe

Info

Publication number: EP0443354A1
Application number: EP91101345A
Authority: EP
Inventors: Karlheinz Becker; Gunter Pfeiffer-Müller
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 1990-02-21
Filing date: 1991-02-01
Publication date: 1991-08-28
Anticipated expiration: 2011-02-01
Also published as: EP0443354B1; JP3069383B2; JPH06117390A; DE59106391D1; DE4041545C2; CN1023508C; US5114311A; DE4041545A1; CN1054653A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, bei der einem Laufrad (7) ein Strömungsraum (11) nachgeschaltet ist, von dem aus eine Verbindung zu einem oder mehreren Druckstutzen (2,3) besteht. Innerhalb des Strömungsraumes befindet sich eine der Anzahl der Druckstutzen (2,3) entsprechende Anzahl von Elementen, (14,15) mit deren Hilfe eine spiralraumartige Strömungsführung innerhalb des Strömungsraumes (11) gewährleistet wird. <IMAGE>

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 347 268 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 strömungsführende 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 Strömungsrichtung 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 Wirkungsgradverbesserung. Dadurch bildet sich in dem Strömungsraum eine stabile Strömung aus, die Verwirbelungen innerhalb desselben vermeidet und eine günstige Strömungsführung zum Druckstutzeneintritt 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-Eintrittsquerschnitt 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 n_q, welche in überwiegender Weise zur Förderung von großen Mengen bei kleinen Förderhöhen eingesetzt werden. Für Laufräder mit demgegenüber kleinerem n_q, wobei hier die spezifische Drehzahl bis auf n_q ~ 50 herunter reichen kann, kann der Abstand zwischen Druckstutzenebene und Laufrad kleiner werden. Die von der Anströmkante bzw. Anströmfläche ausgehende strömungsführende Wandfläche kann dann unter einem flacheren Winkel gegenüber einer am Umfang anliegenden Tangente verlaufen.

Claims

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 Druckstutzenmitte 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.
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).
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.
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.
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.
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.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (14, 15) Bestandteil des Innen- (4) oder Außengehäuses (1) ist.
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.