EP1039140A2 - Förderpumpe - Google Patents

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EP1039140A2
EP1039140A2 EP00103931A EP00103931A EP1039140A2 EP 1039140 A2 EP1039140 A2 EP 1039140A2 EP 00103931 A EP00103931 A EP 00103931A EP 00103931 A EP00103931 A EP 00103931A EP 1039140 A2 EP1039140 A2 EP 1039140A2
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EP
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impeller
blade
rotor
angle
chambers
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EP1039140B1 (de
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Peter Marx
Christoph Schmidt
Dirk Endler
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Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/188—Rotors specially for regenerative pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/24—Vanes
    • F04D29/242—Geometry, shape
    • F04D29/245—Geometry, shape for special effects

Definitions

  • the invention relates to a feed pump with a driven, in one Pump housing rotating impeller, with at least one on one end of the Impeller arranged wreath of vane chambers, one of the wreath of Vane chambers opposite and in the wall of the pump housing arranged delivery channel and with the blade chambers laterally delimiting Blades.
  • Such feed pumps are known as peripheral or side channel pumps are widely used in fuel delivery units of motor vehicles.
  • An in the pump housing arranged electric motor drives the in the Pump chamber located impeller.
  • Through the rotation of the impeller is through a suction opening arranged in the pump chamber
  • Fuel drawn in and by means of the vane chambers and the delivery channel conveyed to an outlet opening.
  • the liquid to be pumped passes through centrifugal forces conditionally in the radially inner region of the blade chambers in and in radially outer area of the blade chambers again. Because the vane chambers and the delivery channel is at least approximately closed, forms in the liquid a circulation flow.
  • the blades opposite To improve the circulation flow between the delivery channel and the Blade chambers are also known, the blades opposite To arrange vane chambers to each other in a V-shape, so that the blades in Circulation direction are open to the front. This arrangement of the blades enables better energy transfer to the flow. At the same time Turbulence occurring on the back of the blades is reduced. So own such impellers an improved efficiency over impellers whose Blades are arranged perpendicular to the end face.
  • impellers of feed pumps are known, the blades of which in radially outer area rotated very much with respect to the radially inner area are.
  • the flow behavior in the blade chambers due to the large angular difference between the inner and outer blade areas are adversely affected.
  • the invention has for its object a feed pump with an improved To create flow behavior.
  • the impeller of the feed pump have a long service life and be inexpensive to manufacture.
  • ⁇ ( r ) arctan r ⁇ Tan ( ⁇ [ r a ]) r a
  • ⁇ ( r ) is the angle between the rotor blade with respect to the axis of rotation at a distance r from the center point of the impeller to an arbitrary point on the rotor blade.
  • the angle ⁇ ( r a ) is a predetermined angle between the blade with respect to the axis of rotation at a distance r a from the center of the impeller to a predetermined point on the blade.
  • the advantage of the feed pump is that the formation of the blades is too an additional acceleration of the liquid in the circumferential direction and the Liquid emerges from the vane chambers at a different angle, causing an improvement in efficiency is achieved.
  • the proportionality of the change in angle ensures that in the radially inner region of the delivery channel Avoid formation of a too large speed vector in the tangential direction becomes. This would have an excessive acceleration of the liquid in the circumferential direction when entering the vane chambers, which in turn reduce efficiency Backflows in the blade chambers would lead.
  • Another advantage is that the life of the impeller is increased. The reason is mainly that the design of the blades is not more detached from the given geometries and flow conditions. Furthermore, such impellers can be injection molded inexpensively produce.
  • the radially inner edge, the center or the radially outer edge of the rotor blade (3) is specified as the predetermined point for the distance r a .
  • Impellers which have an angle ⁇ ( r a ) of between 30 ° and 40 ° on their radially outer edge with respect to the axis of rotation are particularly advantageous.
  • the impeller 1 shown in FIG. 1 is a peripheral wheel of a fuel pump.
  • vane chambers 2 are arranged on both sides over the circumference.
  • the individual blade chambers 2 are delimited by moving blades 3.
  • Vane chambers 2 lying opposite one another are separated from one another by a web 4.
  • a recess 5 serves to receive a shaft, not shown, of an electric motor for driving the impeller 1.
  • the radii r 1 , r 2 , r 3 give the distance of the blades 3 ', 3'',3''' from the axis of rotation 6 of the impeller 1 to section II-II.
  • FIG. 2 schematically shows the impeller 1 from FIG.
  • the blades 3 ', 3'',3''' are cut at a distance r 1 , r 2 , r 3 from the axis of rotation 6.
  • the distances r 1 and r 3 are the same, so that the blades 3 ', 3''' have the same distance s from the axis of rotation 6 in the sectional plane.
  • the blades 3 ', 3'',3''' are arranged in a V-shape with respect to the blades located on the other side of the impeller 1.
  • the blade 3 '' has at the point r 2 the angle ⁇ . 2
  • the angle ⁇ 2 is smaller than the two angles ⁇ 1 and ⁇ 3 .
  • the angular profile ⁇ of a blade 3 is shown.
  • the radius r is plotted on the abscissa over the radial extent of the vane chamber 2.
  • the radially inner edge of the rotor blade 3 begins at a radius of 12 mm, while the outer edge of the rotor blade 3 extends to 15 mm.
  • ⁇ ( r a ) 38 ° predetermined at the point r a of 15 mm
  • a curve results for the angular course of the rotor blade 3.
  • the blade 3 has an angle of 32 ° C. at its radially inner edge.

Abstract

Nach dem Seitenkanal- oder Peripheralprinzip arbeitende Förderpumpen sind aus dem Einsatz in Kraftstoff-Fördereinheiten von Kraftfahrzeugen bekannt. Diese Förderpumpen besitzen vielfach in einem Laufrad gegenüberliegende Kränze von Schaufelkammern, die durch Laufschaufeln begrenzt werden. Laufräder, deren Laufschaufeln gegenüberliegender Schaufelkammern V-förmig zueinander angeordnet erreichen bereits gute Wirkungsgrade. Die neue Förderpumpe soll gegenüber diesen einen verbesserten Wirkungsgrad besitzen. Die Laufschaufeln (3) der Förderpumpe sind in einem Winkel in Bezug auf die Drehachse des Laufrades angeordnet, wobei sich dieser Winkel der Laufschaufeln (3) vom radial inneren zum radial äußeren Bereich proportional zur radialen Erstreckung der Laufschaufel vergrößert. Die Förderpumpe ist besonders für den Einsatz in einer Kraftstoff-Fördereinheit in einem Kraftfahrzeug geeignet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Förderpumpe mit einem angetriebenen, sich in einem Pumpengehäuse drehenden Laufrad, mit mindestens einem an einer Stirnseite des Laufrades angeordneten Kranz von Schaufelkammern, einem dem Kranz von Schaufelkammern gegenüberliegenden und in der Wandung des Pumpengehäuses angeordneten Förderkanal und mit die Schaufelkammern seitlich begrenzenden Laufschaufeln.
Derartige Förderpumpen sind als Peripheral- oder Seitenkanalpumpen bekannt und werden vielfach in Kraftstoffördereinheiten von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Ein in dem Pumpengehäuse angeordneter Elektromotor treibt über eine Welle das in der Pumpenkammer befindliche Laufrad an. In der Wandung der Pumpenkammer ist ein den Schaufelkammern gegenüberliegender Förderkanal angeordnet. Durch die Rotation des Laufrades wird durch eine in der Pumpenkammer angeordnete Ansaugöffnung Kraftstoff angesaugt und mittels der Schaufelkammern und dem Förderkanal bis zu einer Auslaßöffnung gefördert. Die zu fördernde Flüssigkeit tritt durch Zentrifugalkräfte bedingt im radial inneren Bereich der Schaufelkammern in diese ein und im radial äußeren Bereich der Schaufelkammern wieder aus. Da die Schaufelkammern und der Förderkanal zumindest annähernd geschlossen sind, bildet sich in der Flüssigkeit eine Zirkulationsströmung aus.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades dieser Förderpumpen sind zahlreiche geometrische Ausgestaltungen des Einlaßbereiches in die Pumpenkammer, des Förderkanals und des Laufrades bekannt. Bei der Ausbildung des Laufrades kommt der Gestaltung der Schaufelkammern und des Förderkanals, insbesondere des Querschnitts große Bedeutung zu. Als besonders geeignet haben sich dabei Laufräder mit einander gegenüberliegenden Kränzen von Schaufelkammern erwiesen.
Zur Verbesserung der Zirkulationsströmung zwischen dem Förderkanal und den Schaufelkammern ist weiterhin bekannt, die Laufschaufeln gegenüberliegender Schaufelkammern zueinander V-förmig anzuordnen, so daß die Laufschaufeln in Umlaufrichtung nach vorn geöffnet sind. Diese Anordnung der Laufschaufeln ermöglicht eine bessere Energieübertragung auf die Strömung. Gleichzeitig werden an der Rückseite der Laufschaufeln auftretende Verwirbelungen vermindert. Damit besitzen derartige Laufräder einen verbesserten Wirkungsgrad gegenüber Laufrädern, deren Laufschaufeln senkrecht zur Stirnseite angeordneten sind.
Des weiteren sind Laufräder von Förderpumpen bekannt, deren Laufschaufeln im radial äußeren Bereich sehr stark gegenüber dem radial inneren Bereich verdreht sind. Neben der aufwendigen Fertigung derartiger Laufräder, kann das Strömungsverhalten in den Schaufelkammern aufgrund des großen Winkelunterschieds zwischen den inneren und den äußeren Schaufelbereichen negativ beeinflußt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Förderpumpe mit einem verbessertem Strömungsverhalten zu schaffen. Dabei soll insbesondere das Laufrad der Förderpumpe eine hohe Lebensdauer besitzen und kostengünstig herstellbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Es wurde gefunden, daß für eine optimale Energieübertragung zwischen Laufrad und Flüssigkeit die Ausbildung der Laufschaufeln nicht unabhängig von den geometrischen Abmessungen des Laufrades betrachtet werden kann. Vielmehr ist neben dem Einströmwinkel und dem Ausströmwinkel der Flüssigkeit in und aus den Schaufelkammern auch die Strömung in der Schaufelkammer durch die Ausbildung der Laufschaufeln vorzugeben, indem die radialen Abmessungen von Förderkanal und Schaufelkammer berücksichtigt werden. So wird eine Verbesserung des Wirkungsgrades von Förderpumpen mit Laufrädern deren Laufschaufeln in einem Winkel zur Drehachse des Laufrades angeordnet sind, erreicht, indem sich der Winkel zwischen Laufschaufel und Drehachse vom radial inneren zum radial äußeren Bereich der Laufschaufel proportional zur radialen Erstreckung der Laufschaufel vergrößert. Die Winkeländerung der Laufschaufel ergibt sich nach der Formel α(r) = arctan r·tan(α[ra ]) ra . Dabei ist α(r) der Winkel zwischen der Laufschaufel in Bezug auf die Drehachse in einem Abstand r vom Mittelpunkt des Laufrades zu einem beliebigen Punkt auf der Laufschaufel. Der Winkel α(ra ) ist ein vorgegebener Winkel zwischen der Laufschaufel in Bezug auf die Drehachse bei einem Abstand ra vom Mittelpunkt des Laufrades zu einem vorgegebenen Punkt auf der Laufschaufel.
Erfindungswesentlich ist, daß durch die Laufschaufeln die Strömungsverhältnisse in den Schaufelkammern denen im Förderkanal angepaßt wird, da diese Größenverhältnisse einen entscheidenden Einfluß auf die sich ausbildende Zirkulationsströmung haben. Gewährleistet wird das durch die Proportionalität der Winkeländerung in Bezug auf die Abmessungen des Förderkanals und der Schaufelkammern, hauptsächlich deren radiale Ausdehnung.
Der Vorteil der Förderpumpe besteht darin, daß die Ausbildung der Laufschaufeln zu einer zusätzlichen Beschleunigung der Flüssigkeit in Umfangsrichtung führt und die Flüssigkeit in einem veränderten Winkel aus den Schaufelkammern austritt, wodurch eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht wird. Die Proportionalität der Winkeländerung gewährleistet dabei, daß im radial inneren Bereich des Förderkanals die Ausbildung eines zu großen Geschwindigkeitsvektor in tangentialer Richtung vermieden wird. Dieser hätte eine zu starke Beschleunigung der Flüssigkeit in Umfangsrichtung beim Eintritt in die Schaufelkammern zur Folge, die wiederum zu wirkungsgradvermindernden Rückströmungen in den Schaufelkammern führen würde.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Lebensdauer des Laufrades erhöht wird. Die Ursache ist vor allem darin zu sehen, daß die Gestaltung der Laufschaufeln nicht mehr losgelöst von den vorgegebenen Geometrien und Strömungsverhältnissen erfolgt. Des weiteren lassen sich derartige Laufräder kostengünstig mittels Spritzgießens herstellen.
Als vorgegebener Punkt für den Abstand ra ist der radial innere Rand, die Mitte oder der radial äußere Rand der Laufschaufel (3) vorgegeben. Besonders vorteilhaft sind Laufräder, die in Bezug auf die Drehachse an ihrem radial äußeren Rand einen Winkel α(ra ) zwischen 30° und 40° aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung mit an den beiden Stirnseiten des Laufrades angeordneten Kränzen von Schaufelkammern sind gegenüberliegende Laufschaufeln V-förmig zueinander angeordnet.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen
Figur 1
eine isometrische Darstellung eines Laufrades einer Peripheralradpumpe,
Figur 2
einen Schnitt entlang der Linie II - II des Laufrades aus Figur 1 und
Figur 3
die Winkeländerung einer Laufschaufel über die Höhe der Schaufelkammer.
Das in Figur 1 dargestellte Laufrad 1 ist ein Peripheralrad einer Kraftstoffpumpe. Im äußeren Bereich des Laufrades 1 sind zu beiden Seiten über den Umfang verteilt Schaufelkammern 2 angeordnet. Die einzelnen Schaufelkammern 2 werden von Laufschaufeln 3 begrenzt. Einander gegenüberliegende Schaufelkammern 2 sind durch einen Steg 4 voneinander getrennt. Eine Ausnehmung 5 dient der Aufnahme einer nicht dargestellten Welle eines Elektromotors zum Antrieb des Laufrades 1. Die Radien r1, r2, r3 geben den Abstand der Laufschaufeln 3', 3'', 3''' von der Drehachse 6 des Laufrades 1 bis zum Schnitt II-II an.
Figur 2 zeigt schematisch das Laufrad 1 aus Fig. 1 entlang eines Schnittes II-II in einer Draufsicht, wobei in dieser Ansicht nur die Laufschaufeln 3', 3'', 3''' dargestellt sind. Die Laufschaufeln 3', 3'', 3''' werden in einem Abstand r1, r2, r3 von der Drehachse 6 geschnitten. Die Abstände r1 und r3 sind gleich, so daß die Laufschaufeln 3', 3''' in der Schnittebene den gleichen Abstand s von der Drehachse 6 besitzen. Die Laufschaufeln 3', 3'', 3''' sind V-förmig zu den auf der anderen Seite des Laufrades 1 gegenüberliegenden Laufschaufeln angeordnet. Der Winkel der Laufschaufeln 3', 3'', 3''' bezüglich der Drehachse 6 verhält sich nach der Beziehung α(r) = arctan r·tan(α[ra ]) ra . Dementsprechend besitzt die Laufschaufel 3' an der Stelle des Radius r1 einen Winkel α1, der aufgrund der Symmetrie zur Laufschaufel 3''' gleich dem Winkel α3 ist. Die Laufschaufel 3'' besitzt an der Stelle r2 den Winkel α2. Der Winkel α2 ist kleiner als die beiden Winkel α1 und α3.
In Figur 3 ist der Winkelverlauf α einer Laufschaufel 3 dargestellt. Auf der Abszisse ist der Radius r über die radiale Erstreckung der Schaufelkammer 2 aufgetragen. Der radial innere Rand der Laufschaufel 3 beginnt bei einem Radius von 12mm, während sich der äußere Rand der Laufschaufel 3 bis auf 15mm erstreckt. Bei einem an der Stelle ra von 15mm vorgegebenen Winkel α(ra ) = 38° ergibt sich für den Winkelverlauf der Laufschaufel 3 eine Kurve. An ihrem radial inneren Rand besitzt die Laufschaufel 3 einen Winkel von 32°C.

Claims (6)

  1. Förderpumpe mit einem angetriebenen, sich in einem Pumpengehäuse drehenden Laufrad, mit mindestens einem an einer Stirnseite des Laufrades angeordneten Kranz von Schaufelkammern, einem dem Kranz von Schaufelkammern gegenüberliegenden und in der Wandung des Pumpengehäuses angeordneten Förderkanal und mit die Schaufelkammern seitlich begrenzenden Laufschaufeln, die in Bezug auf die Drehachse des Laufrades in einem Winkel α angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (3) über die Höhe der Schaufelkammern (2) in einem Winkel α(r) entsprechend der Formel α(r) = arctan r·tan(α[ra ]) ra angeordnet sind, wobei r ein beliebiger Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Laufrades (1) und einem Punkt auf der Laufschaufel (3), ra der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Laufrades (1) und einem vorgegebenen Punkt auf der Laufschaufel und α(ra ) ein vorgegebener Winkel ist.
  2. Förderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand ra der Radius vom Mittelpunkt des Laufrades (1) bis zum radial inneren Rand, der Mitte oder zum radial äußeren Rand der Laufschaufel (3) ist.
  3. Förderpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α(ra ) am radial äußeren Rand der Laufschaufel (3) zwischen 30° und 40° beträgt.
  4. Förderpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (3) des Laufrades (1) derart angeordnet sind, daß die an den Stirnseiten des Laufrades (1) angeordneten Enden der Laufschaufeln (3) in Umlaufrichtung ausgerichtet sind.
  5. Förderpumpe nach zumindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (1) zwei an den Stirnseiten gegenüberliegende Kränze von Schaufelkammern (2) aufweist, deren Laufschaufeln (3) zueinander V-förmig ausgerichtet sind.
  6. Förderpumpe nach zumindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein gegenüberliegende Schaufelkammern (2) trennender Steg (4) Durchbrüche zum Überströmen der zu fördernden Flüssigkeit von einer Seite des Laufrades (1) zur gegenüberliegenden Seite besitzt.
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