EP0623752B1 - Kreiselpumpenlaufrad - Google Patents

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EP0623752B1
EP0623752B1 EP94104842A EP94104842A EP0623752B1 EP 0623752 B1 EP0623752 B1 EP 0623752B1 EP 94104842 A EP94104842 A EP 94104842A EP 94104842 A EP94104842 A EP 94104842A EP 0623752 B1 EP0623752 B1 EP 0623752B1
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blade
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centrifugal pump
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Wolfgang Metzinger
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18Rotors
    • F04D29/22Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/24Vanes
    • F04D29/242Geometry, shape
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18Rotors
    • F04D29/22Rotors specially for centrifugal pumps
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    • F04D29/2294Rotors specially for centrifugal pumps with special measures for protection, e.g. against abrasion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00Components
    • F05D2240/20Rotors
    • F05D2240/30Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/303Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade

Definitions

  • the invention relates to a centrifugal pump impeller closed Design with blades arranged between cover disks, for Pumping liquids containing solids, and a process for the production of such a centrifugal pump impeller.
  • the invention addresses the problem for which to promote centrifugal pump impellers used by liquids in which hydroabrasive wear is to be expected, one that The service life of the pump is a decisive measure develop.
  • the configurations described in claims 2 to 4 give the orders of magnitude of the transitions or material removals on.
  • the blade thickness is the initial blade thickness understand that at the beginning of the blade according to the rounding radius is measurable between the blade suction and pressure side. Practical Experiments have shown that when these values are switched on an emergence of the cover plates and the beginning of the blade harmful vertebrae can be prevented.
  • a method of manufacturing a centrifugal pump impeller closed design with arranged between cover plates Scoops, for conveying liquids containing solids, whereby transition radii between the blades and cover plates are arranged, provides claim 5. Then be through material-accumulating (8, 9) and / or material-removing (12) Measures to extend the middle blade surfaces (11) transitions between the blade leading edges (6) the blades (3) and the impeller cover disks (4, 5) are formed, such that from the impeller cover plates (4, 5) to the Shovel starts (6) a flat rise and that the Transitions of the advanced blade tips (6) from the Impeller cover disks (4, 5) to the blades (3) as arches or Straight lines with slopes of 0 ° to a maximum of 30 ° are formed.
  • the centrifugal pump shown in Fig. 1 for delivery solid media is a single-stage design.
  • an impeller 2 is shown, the im Meridian section shown, projected into the section plane Blades 3 between the impeller cover disk 4 on the suction side and the pressure-side impeller cover plate 5 are arranged.
  • the latter is also known under the term support disc.
  • the Blade starts 6 extend between the two Cover plates.
  • the inlet cross-section of the impeller is through the impeller end face 2.1 limited.
  • Fig. 2 shows a flat development of a blade, the Cut through the middle blade surface.
  • this middle blade area over the Bucket beginnings 6 - or in the two-dimensional here Expressed differently - via the linear Blade leading edge 6 are material accumulations 8, 9 preceded by blade 3.
  • the radius of this arc is equal to or greater than 2.5 times the initial blade thickness D.
  • the initial Blade thickness D is mostly constant, but can in the initial area, which in Fig. 3 and 4 as a circular arc is shown for other contours, such as Ellipses, first climb over a short path.
  • Essential for the transition radius R shown in Fig. 2 from the Impeller cover plate at the beginning of blade 6 is the most Measurable blade thickness at the beginning of the blade; 3 and 4 so the Diameter of the semicircle at the character I. This applies if the Blade surfaces are arranged perpendicular to the cover plates. Are the blade surfaces to the cover plates at an angle arranged inclined, then that blade thickness D authoritative, the one to the impeller cover disc surface parallel cut results. With opposite Impeller cover plates with increasing inclination of the blades the flat rise also increases Radius R.
  • FIG. 3 is a plan view of the line I-I to IV-IV cut blade 3 of Fig. 2 shown.
  • a shovel in the area of Blade channels a small transition radius between the blade and cover plate.
  • the in this illustration with the Characters I to IV marked lines are in their function with Contour lines comparable.
  • the dash-dotted line 11 corresponds to the plane of the middle blade surface, the Blade thickness of blade tips 6 was measured with D featured.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Kreiselpumpenlaufrad geschlossener Bauart mit zwischen Deckscheiben angeordneten Schaufeln, zur Förderung feststoffhaltiger Flüssigkeiten, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kreiselpumpenlaufrades.
Bei Kreiselpumpen zur Förderung von Flüssigkeiten die mit festen Bestandteilen wie z.B. Sand oder ähnlichen Verunreinigungen versetzt sind, tritt hydroabrasiver Verschleiß auf. Dieser beeinträchtigt nicht nur die Lebensdauer, sondern auch die Betriebssicherheit der Pumpe in entscheidendem Maße. Beim Einsatz derartiger Pumpen wurde beobachtet, daß ein sehr starker lokaler Materialabtrag an den Laufrädern die Lebensdauer der gesamten Pumpe nicht nur einschränken, sondern sogar zu einem plötzlichen Ausfall des gesamten Aggregates führen kann. Der Abtrag ist dabei abhängig von der Pumpenbauart, deren geometrischen Besonderheiten und den Einsatzgebieten der Pumpe. Es ist bekannt, zur Reduzierung der Verschleißerscheinungen besonders dicke Wandstärken vorzusehen, um mit Hilfe eines zulässigen Materialabtrages die Lebensdauer zu verlängern. Andere Maßnahmen sehen eine Panzerung der Schaufelanfänge vor, um damit die Widerstandsfähigkeit gegenüber den verschleißenden Teilen zu erhöhen.
Im Aufsatz von M.L. Lenhard "Gegenüberstellung von Ganzmetallpumpen zu Pumpen mit auswechselbaren Elastomerschalen als Umwälzpumpen von Kalksteinsuspensionen in Rauchgasentschwefelungsanlagen", veröffentlicht im Sammelband VGB-Konferenz, Kraftwerkskomponenten, 1986, sind beispielhaft derart beanspruchte Kreiselpumpen beschrieben. In dem Aufsatz ist in Bild 4 eine Gestaltung eines Laufradeintrittsbereiches gezeigt und gemäß Seite 159, rechte Spalte beschrieben. Zur Schaufeleintrittskante wird konkret im 3. Absatz Bezug genommen. Danach kommt im Hinblick auf den Verschleiß des Laufrades der Schaufeldicke, insbesondere im Einlauf, Bedeutung zu. Durch eine Verdickung der im Laufradeintrittsbereich befindlichen Schaufelanfänge wird, im Hinblick auf eine längere Lebensdauer eines solchen Laufrades, eine Wirkungsgradeinbuße bewußt in Kauf genommen. Der in Bild 4 gezeigte Meridianschnitt des Laufrades sieht einen Verlauf ohne Störstellen vor. Das als Gußkonstruktion ausgebildete und im Meridianschnitt dargestellte Laufrad weist im Übergang zwischen Schaufeln und Laufraddeckscheiben bekannte, gußtechnisch bedingte Übergangsradien auf.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für die zur Förderung von Flüssigkeiten benutzten Kreiselpumpenlaufräder, bei denen mit einem hydroabrasiven Verschleiß zu rechnen ist, eine die Lebensdauer der Pumpe entscheidend verlängernde Maßnahme zu entwickeln.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen des Anspruches 1. Damit wird erreicht, daß die Lebensdauer eines derartigen Laufrades um ein Vielfaches erhöht werden kann. Durch den in der Ebene der mittleren Schaufel fläche erfolgenden flachen Übergang bzw. den flachen Anstieg zwischen Laufraddeckscheibe und Schaufelanfang wird die Voraussetzung geschaffen, daß ein in diesem Bereich auftretendes und den Verschleiß verursachendes Wirbelfeld minimiert oder am Entstehen gehindert wird. Somit wird einem Wirbelfeld mit den darin befindlichen Feststoffteilchen die Möglichkeit genommen, einen Materialabtrag zu erzeugen.
Die Übergänge der Schaufelanfänge von den Laufraddeckscheiben zu den Schaufeln erfolgen als Bögen oder Geraden mit Steigungen von 0° bis maximal 30°. Aufgrund des im Bereich der mittleren Schaufel fläche vorgesehenen flachen Anstiegs oder der flachen Überleitung von den Laufraddeckscheiben in die Schaufelanfänge wird im Bereich der Schaufelanströmkante eine stetige Geschwindigkeitszunahme bewirkt. Dies verhindert die Entstehung einer Rückströmung und damit die Ausbildung eines Wirbelfeldes, welches die Deckscheiben und die Schaufeleintrittskanten zerstören kann.
Der flache Übergang in der Ebene der mittleren Schaufelfläche von den Deckscheiben in die Schaufelanfänge kann durch Materialauftrag und/oder Materialabtrag erfolgen. Grundsätzlich gilt jedoch für die gesamte Anmeldung, daß die hier benutzten Begriffe Materialauftrag sowie Materialabtrag nicht in einschränkender und gegenständlicher Art verwendet werden, sondern sie beschreiben die Veränderungsform der Erfindung gegenüber dem bisher Bekannten. In diesem Sinne gilt dies auch für gegossene, gespritzte oder ähnlich erstellte Laufräder, bei denen in einem Arbeitsgang ein komplettes Laufrad erzeugt wird. Das dann Anwendung findende Laufradmodell oder die Laufradform verfügt bereits über die Gestaltung, die die erfindungsgemäßen Konturen gewährleistet. In den nachstehenden Ausführungen bezieht sich die Verwendung der Begriffe Materialauftrag bzw. Materialabtrag also auf die allgemeine konstruktive Veränderung einer bisherigen Schaufel bzw. Kontur gegenüber dem Neuen. Durch die einem Materialabtrag vergleichbare Maßnahme, vorwiegend im Laufraddeckscheibenbereich, wird der flache Übergang im Bereich der mittleren Schaufelfläche auf die Schaufelanfänge ermöglicht. Durch die einem Materialauftrag vergleichbare Maßnahme in den Ecken zwischen Laufraddeckscheibe und Schaufelanfang kann der gleiche Effekt erzielt werden. Diese Maßnahmen sollten aber immer in Verlängerung der mittleren Schaufelfläche über die Schaufelanfänge hinaus erfolgen. Gegenüber dem bisherigen oder ursprünglichen Verlauf der der Schaufelanfänge bewirken die Maßnahmen einen neuen Verlauf laufraddeckscheibenseitigen Schaufelanfänge. Gewissermaßen sind die Schaufelanfänge im laufraddeckscheibenseitigen Randbereich deutlich nach vorne gezogen.
Der gleiche Effekt wird auch durch die einem Materialabtrag entsprechende Maßnahme an den Deckscheiben im Bereich der Schaufelanfänge bewirkt. Dies kann sowohl vor den Schaufeln in den Deckscheiben stattfinden, als auch bei einer kombinierten Lösung, d.h. Materialanhäufung und Materialabtrag, durch einen weiteren deckscheibenseitigen Materialabtrag im Bereich der Schaufelanfänge.
Die in den Ansprüchen 2 bis 4 beschriebenen Ausgestaltungen geben die Größenordnungen der Übergänge bzw. Materialabträge an. Als anfängliche Schaufelstärke ist diejenige Schaufelstärke zu verstehen, die am Schaufelanfang nach dem Abrundungsradius zwischen Schaufelsaug- und -druckseite meßbar ist. Praktische Versuche haben gezeigt, daß bei Einschaltung dieser Werte eine Entstehung von die Deckscheiben und Schaufelanfänge schädigenden Wirbeln verhindert werden kann.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kreiselpumpenlaufrades geschlossener Bauart mit zwischen Deckscheiben angeordneten Schaufeln, zur Förderung feststoffhaltiger Flüssigkeiten, wobei zwischen den Schaufeln und Deckscheiben Übergangsradien angeordnet sind, sieht Anspruch 5 vor. Danach werden durch materialanhäufende (8, 9) und/oder materialabtragende (12) Maßnahmen in Verlängerung der mittleren Schaufelflächen (11) über die Schaufelanströmkanten (6) hinaus Übergänge zwischen den Schaufeln (3) und den Laufraddeckscheiben (4, 5) gebildet, derart, daß von den Laufraddeckscheiben (4, 5) zu den Schaufelanfängen (6) ein flacher Anstieg erfolgt und daß die Übergänge der vorgezogenen Schaufelanfänge (6) von den Laufraddeckscheiben (4, 5) zu den Schaufeln (3) als Bögen oder Geraden mit Steigungen von 0° bis maximal 30° ausgebildet sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
Fig. 1
einen Schnitt durch ein Kreiselpumpengehäuse, die
Fig. 2
die Abwicklung einer im Bereich ihrer mittleren Schaufelfläche geschnittenen und mit Materialanhäufungen versehene Schaufel, die
Fig. 3 und 4
Schnitte durch die Abwicklung gemäß Fig. 2, die
Fig. 5
eine Abwicklung einer im Bereich ihrer mittleren Schaufelfläche geschnittenen Schaufel, wobei ein Materialabtrag im Übergang zwischen Deckscheibe und Schaufel erfolgt.
Die in Fig. 1 gezeigte Kreiselpumpe zur Förderung feststoffhaltiger Medien ist einstufiger Bauart. Innerhalb eines Gehäuses 1 ist ein Laufrad 2 dargestellt, dessen im Meridianschnitt abgebildeten, in die Schnittebene projezierten Schaufeln 3 zwischen der saugseitigen Laufraddeckscheibe 4 und der druckseitigen Laufraddeckscheibe 5 angeordnet sind. Letztere ist auch unter dem Begriff Tragscheibe bekannt. Die Schaufelanfänge 6 erstrecken sich zwischen den beiden Deckscheiben. Der Eintrittsquerschnitt des Laufrades wird durch die Laufradstirnfläche 2.1 begrenzt.
Die Fig. 2 zeigt eine ebene Abwicklung einer Schaufel, deren Schnitt durch die mittlere Schaufelfläche verläuft. In Verlängerung dieser mittleren Schaufelfläche über die Schaufelanfänge 6 hinaus - oder bei der hier zweidimensionalen Darstellung anders ausgedrückt - über die linienförmige Schaufelanströmkante 6 hinaus, sind Materialanhäufungen 8, 9 der Schaufel 3 vorangestellt. In Strömungsrichtung gesehen erfolgt in dieser Ebene der Übergang von den Laufraddeckscheiben 4, 5 in die als vorgezogene Schaufelanströmkante wirkende Materialanhäufungen 8, 9 unter einem sehr flachen Winkel α.
Bei Verwendung eines bogenförmigen Überganges von der Laufraddeckscheibe in die Schaufel, beispielsweise als Kreisbogen, ist der Radius dieses Bogens gleich oder größer als das 2,5fache der anfänglichen Schaufelstärke D. Die anfängliche Schaufelstärke D ist hierbei überwiegend konstant, kann jedoch im anfänglichen Bereich, der in Fig. 3 und 4 als Kreisbogen dargestellt ist, bei anderen Konturen, wie beispielsweise Ellipsen, über einen kurzen Weg zunächst ansteigen. Maßgeblich für den in Fig. 2 dargestellten Übergangsradius R von der Laufraddeckscheibe zum Schaufelanfang 6 ist die am Schaufelanfang meßbare Schaufelstärke; in Fig. 3 und 4 also der Durchmesser des Halbkreises beim Zeichen I. Dies gilt, wenn die Schaufelflächen senkrecht zu den Deckscheiben angeordnet sind. Sind die Schaufel flächen zu den Deckscheiben unter einem Winkel geneigt angeordnet, dann ist diejenige Schaufelstärke D maßgebend, die aus einem zur Laufraddeckscheibenoberfläche parallel verlaufenden Schnitt resultiert. Mit gegenüber den Laufraddeckscheiben zunehmender Schrägstellung der Schaufeln vergrößert sich auch der einen flachen Anstieg bekommende Radius R.
Wird dagegen als andere Übergangsform eine Gerade verwendet, dann darf deren Anstieg in ihrem Anfangspunkt höchstens 30° betragen. Stärkere Winkel würden die Zuströmung stören und die Entstehung von materialabtragenden Wirbeln verursachen. Der Übergang von der Geraden in den Schaufelanfang 6 erfolgt dann in flacher Form, wobei das obengenannte Verhältnis für den Radius in Bezug auf die Anfangsschaufelstärke D auch hier gilt.
Die in der Fig. 2 aus Übersichtlichkeitsgründen nur einseitig dargestellte gestrichelte Linie 10 - sie existiert auch im Bereich der saugseitigen Laufraddeckscheibe 4 - zeigt den üblichen und bisher benutzten Verlauf der Schaufelanströmkante 6 mit gußtechnisch bedingten kleinen Übergangsradien zwischen der Schaufel 3 und den Deckscheiben 4, 5.
In der Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die gemäß der Linien I-I bis IV-IV geschnittene Schaufel 3 von Fig. 2 gezeigt. Hierbei handelt es sich um eine Schaufel, bei der im Bereich der Schaufelkanäle ein kleiner Übergangsradius zwischen Schaufel und Deckscheibe besteht. Die in dieser Darstellung mit den Zeichen I bis IV markierten Linien sind in ihrer Funktion mit Höhenlinien vergleichbar. Die strichpunktierte Linie 11 entspricht der Ebene der mittleren Schaufelfläche, die Schaufelstärke der Schaufelanfänge 6 wurde mit D gekennzeichnet.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Schaufel 3 ohne Abrundungsradius direkt in die Deckscheibe übergeht. Der in den Deckscheibenbereich vorgezogene Schaufelanfang 6 verfügt dann über eine konstante anfängliche Schaufelstärke D.
In Fig. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der sowohl durch einen Materialabtrag 12 im Bereich der Deckscheiben 4, 5 als auch durch einen Materialauftrag 8, 9 an den Schaufelanfängen 6 ein flacher Übergang 13 in der Ebene der mittleren Schaufelfläche auf die Schaufelanfänge 6 stattfindet. Die hierbei gezeigten Schnittlinien I bis IV verlaufen parallel zur Deckscheibe. Durch diesen Verlauf der Schnittlinie ergibt sich eine, einem Höhenprofil entsprechende Schaufelkontur, wie sie in den Fig. 3 und 4 dargestellt wurde. Der an den Deckscheiben vorgenommene Materialabtrag 12 sollte mindestens zweimal größer sein als die anfängliche Schaufelstärke D. Der Materialabtrag 12 erstreckt sich in dieser Darstellung in den Schaufelkanal hinein. Bei entsprechender Ausbildung des Schaufelübergangs zur Deckscheibe kann die Erweiterung auch vor den Schaufelanfängen enden und die Schaufelkanäle unberührt lassen.

Claims (5)

  1. Kreiselpumpenlaufrad geschlossener Bauart mit zwischen Deckscheiben angeordneten Schaufeln, zur Förderung feststoffhaltiger Flüssigkeiten, wobei zwischen den Schaufeln und Deckscheiben Übergangsradien angeordnet sind, und die Schaufeln am Schaufelanfang ohne Verdickung der Schaufelanströmkanten ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schaufeln (3) in Verlängerung der mittleren Schaufelfläche (11) über die Schaufelanströmkanten (6) hinaus die Übergänge zwischen den Schaufeln (3) und den Laufraddeckscheiben (4, 5) vorgezogen sind, derart, daß ein flacher Anstieg von den Laufraddeckscheiben (4, 5) zu den Schaufelanfängen (6) erfolgt und daß die Übergänge von den Laufraddeckscheiben (4, 5) zu den vorgezogenen Schaufelanfängen (6) als Bögen oder Geraden mit Anfangssteigungen von 0° bis maximal 30° erfolgen.
  2. Kreiselpumpenlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bogenförmige Übergang in die Schaufelanfänge (6) einen Radius (R) aufweist, der gleich oder größer als das 2,5fache der anfänglichen Schaufelstärke (D) der Schaufeln (3) ist.
  3. Kreiselpumpenlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt zwischen den Deckscheiben (4, 5) des Laufrades (2) zu den Schaufelanfängen (6) hin düsenförmig verengt.
  4. Kreiselpumpenlaufrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe eines Materialabtrages (12) an den Laufraddeckscheiben (4, 5) mindestens zweimal größer als die anfängliche Schaufelstärke (D) der Schaufeln (3) ist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Kreiselpumpenlaufrades geschlossener Bauart mit zwischen Deckscheiben angeordneten Schaufeln, zur Förderung feststoffhaltiger Flüssigkeiten, wobei zwischen den Schaufeln und Deckscheiben Übergangsradien angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch materialanhäufende (8, 9) und/oder materialabtragende (12) Maßnahmen in Verlängerung der mittleren Schaufelflächen (11) über die Schaufelanströmkanten (6) hinaus Übergänge zwischen den Schaufeln (3) und den Laufraddeckscheiben (4, 5) gebildet werden, derart, daß von den Laufraddeckscheiben (4, 5) zu den Schaufelanfängen (6) ein flacher Anstieg erfolgt und daß die Übergänge der vorgezogenen Schaufelanfänge (6) von den Laufraddeckscheiben (4, 5) zu den Schaufeln (3) als Bögen oder Geraden mit Steigungen von 0° bis maximal 30° ausgebildet sind.
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