EP1573208A1 - Intake duct - Google Patents

Intake duct

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Publication number
EP1573208A1
EP1573208A1 EP03813089A EP03813089A EP1573208A1 EP 1573208 A1 EP1573208 A1 EP 1573208A1 EP 03813089 A EP03813089 A EP 03813089A EP 03813089 A EP03813089 A EP 03813089A EP 1573208 A1 EP1573208 A1 EP 1573208A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
grooves
impeller
centrifugal pump
axial
vortex
Prior art date
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Granted
Application number
EP03813089A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1573208B1 (en
Inventor
Stephan Bross
Isabel Goltz
Peter Amann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KSB AG
Original Assignee
KSB AG
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Filing date
Publication date
Application filed by KSB AG filed Critical KSB AG
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Publication of EP1573208A1 publication Critical patent/EP1573208A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1573208B1 publication Critical patent/EP1573208B1/en
Priority to CY20101100699T priority patent/CY1110708T1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • F04D29/40Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/406Casings; Connections of working fluid especially adapted for liquid pumps
    • 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
    • F04D29/66Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/68Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/688Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for liquid pumps

Definitions

  • the invention relates to a centrifugal pump, in the housing of which one or more impellers of axial or semi-axial, closed or open type are arranged and a suction impeller is preceded by a first impeller, in the wall surface of which several grooves are arranged distributed over the circumference.
  • the associated course of the Q-H characteristic curve can additionally have an instability, which is generally referred to as a characteristic curve kink or as a saddle.
  • Such characteristic curve shapes are caused by the formation of the so-called partial load vortex, which occurs when the volume flow is reduced in the outer region of an impeller inlet.
  • a partial load vortex has a significant influence on the impeller inflow, which, under its influence, blocks the meridional flow cross-section and high speed components in the direction of impeller rotation (constant twist).
  • DE 25 58 840 C2 discloses a solution for avoiding the disadvantages of a part-load vortex, a diffuser being arranged in front of an impeller inlet. With this solution, a partial load vortex is reversed in its direction of action before it can reach components located in front of the impeller inlet and cause damage to them.
  • the J-Grooves are flat, in another version also spatially curved grooves, which are installed in the pump housing in the direction of flow in front of and above the impeller blades that are to be designed as open at the impeller inlet.
  • the grooves it is important that they partially cover the outside diameter of the impeller.
  • the impeller In the area of the impeller overlap, the impeller must be designed to be open in order to obtain a connection between a fluid zone provided with higher pressure in the area of the open impeller blading and the beginnings of the J-grooves arranged above it. This constructive measure creates a fluid-carrying connection to the upstream inflow zone via the J-Grooves.
  • the open impeller blading permanently conveys a partial flow of already conveyed fluids in front of the impeller and back into the area of the impeller inflow.
  • the disadvantage of these J-Grooves is that their return is constantly active across the entire travel range of the turbomachine. As a result, the peak efficiency of a turbomachine equipped with it drops.
  • Another disadvantage is the interaction between the free impeller blade tips and the opposite, housing-fixed groove parts of the J-Grooves, which leads to increased noise and vibration phenomena. Their reduction is described in the aforementioned literature reference, page 2, in connection with FIG. 3 and its associated explanation.
  • the ends of the J-Grooves arranged above the free blade tips are connected to each other by a circumferential ring groove.
  • This additional ring groove in the housing ensures pressure equalization between the individual J-Grooves on the end faces.
  • the arrangement of such spatially curved J-Grooves, which extend from the inlet area with a constant diameter in a kinking manner into a conical housing wall surface requires a high manufacturing outlay. This type of partial load vortex control is associated with considerable disadvantages.
  • the invention is based on the problem of achieving a simple possibility for improving the NPSH behavior and for improving the part-load behavior in the case of specifically high-speed centrifugal pumps with impellers of semi-axial or axial, open or closed design.
  • the problem should be solved of being able to make a subsequent improvement in a simple manner in the case of centrifugal pumps already in use, without negatively influencing the operating behavior in the normal operating range of the centrifugal pump.
  • a first impeller is designed as a suction impeller.
  • the closed, annular wall surface formed in the housing wall of the suction channel is between the ends of the grooves located in the inflow direction before the impeller inlet and the arranged wheel entry of the first impeller.
  • Such a suction impeller can have a specific high speed nq> 70 min "1 .
  • a part-load vortex also known as a large pre-rotation vortex, which forms in part-load operation, is weakened with the help of the elongated depressions.
  • the elongated grooves cause energy to be transferred by friction from the area of the part-load vortex near the wall to many small vertebrae that form in the grooves. This energy transfer, which only occurs in part-load operation, drastically reduces the peripheral component and thus the intensity of the resulting part-load vortex, and consequently improves the part-load behavior of the centrifugal pump.
  • the invention does not mix a flow conveyed back by the impeller via the grooves with a main flow flowing to the impeller.
  • An embodiment of the invention provides that the grooves are arranged between web-shaped configurations of the housing wall of the suction channel.
  • an annular insert containing the grooves or webs can also be inserted into an existing suction channel of a pump.
  • Such an insert enables simple mechanical production of the grooves and can be easily installed in the suction channels of pumps that are to be newly manufactured or have already been delivered.
  • only the suction channel receiving the insert may have to be slightly expanded in the inside diameter in order to be able to accommodate an appealing diameter size of a grooved insert.
  • a type of modular system is used here in order to enable such an insert to be used for a large number of pump types by means of a clever diameter gradation.
  • the closed annular wall surface has an axial extent that is dependent on the intensity of a part-load vortex.
  • the length of the axial surface is at least so large that interference between the impeller blades at the impeller inlet and the groove ends arranged in front of it is reliably suppressed. This prevents the generation of disturbing noises and vibrations in the simplest way.
  • the length of the axial ring surface is not chosen to be greater than the extent of the slowly forming, still harmless part-load vortex. Only when the training Partial load vortex receives a greater intensity, it is possible that its so-called release line detaches from the impeller and jumps over the closed annular wall surface.
  • the partial load vortex emerges completely from the impeller. It is directed against the inflow and rotates around the machine axis in the direction of rotation of the impeller. As a result of the tangential overflow of the depressions and the formation of many small vortices in the depressions, a large part of the energy in the part-load vortex is dissipated and the effect of the part-load vortex is drastically weakened.
  • the closed annular wall surface has an axial extent which is dependent on the intensity of a part-load vortex and is on the order of 0.005-0.02 times the impeller inlet diameter.
  • the lengths of the grooves or webs are on the order of 0.03 - 0.5 times the impeller inlet diameter.
  • the depths of the grooves or the heights of the webs are of the order of 0.005-0.02 times the impeller inlet diameter.
  • the product of groove width b times the number of grooves n corresponds to a ratio of
  • n -b 0.45-0.65- ⁇ -D
  • Fig. 2 is a flow diagram of a return flow area on an axial pump with an open impeller in normal operation
  • Fig. 3 is a flow diagram on a semi-axial and axial pump with ge closed impeller and in normal operation, the
  • Fig. 4 is a flow diagram of a part-load vortex on an axial pump in
  • Fig. 7 is an illustration of the flow in the grooves
  • Fig. 1 shows an example and with a dash-dotted line a typical NPSH curve of centrifugal pumps with high-speed impellers of axial or semi-axial design.
  • the values for the delivery rate Q are plotted on the abscissa and the values for the NPSH are plotted on the ordinate.
  • the NPSH has a low value.
  • the NPSH curve is characterized by a local increase, the so-called NPSH peak, which limits the operating range at Q m j n for a given system, given in dashed lines, the maximum permissible NPSH A value. Operation below this operating point is not permitted, as otherwise cavitation-related conditions occur within the pump that do not allow continuous operation.
  • a further NPSH curve is drawn with a solid line, which corresponds to a centrifugal pump with the same operating points, but in whose suction channel grooves according to the invention are additionally provided.
  • the one Centrifugal pumps designed in this way convincingly illustrate the much more favorable NPSH properties.
  • the local NPSH increase typical for part-load operation is still there, but it is at a significantly lower level than that of a pump without grooves. Such an improved pump has a much wider operating range.
  • FIG. 2 shows the existing flow conditions at the best point Q op t of a centrifugal pump 1 using the example of an open axial wheel.
  • An impeller 2 rotates in a housing 3.
  • a return flow region R rotating with the impeller forms in the form of a weak vortex flow between the housing 3 and the free blade tips 4 of the impeller 2.
  • This backflow R is caused by the pressure exchange between the flow areas of adjacent blade channels and the pressure equalization between the suction and pressure sides of blades 5 in the area of free blade tips 4.
  • Such a backflow region R rotating with the impeller 2 occupies approximately a zone which corresponds to a blade width B.
  • This backflow region R has a flow direction, which is shown by arrows, along the housing wall 6 and runs opposite to the impeller flow LA.
  • a so-called separation line SL is shown at the point at which the return flow region R reverses its direction of flow.
  • this is a boundary line which runs on the circumference of the housing wall 6.
  • the energy of the impeller inflow LA is greater than the energy of the return flow region R and therefore its flow reversal.
  • such a backflow area R exists over the entire operating range and is also available in the area of the best efficiency.
  • FIG. 3 there is a similar backflow area with two different types of closed impellers.
  • 3 shows the relationship nisse in a semi-axial pump design, while the situation below is shown in the case of an axial pump.
  • a so-called cover disk 7 avoids an exchange of energy via the blade tips 4 and between the suction and pressure sides of an impeller blade 5.
  • FIG. 4 shows, using the example of an open impeller 2, the formation of a part-load vortex PLV that occurs in part-load operation.
  • This and the following explanations also apply to a closed-design impeller.
  • Such a partial load vortex PLV rotating with the impeller comes out of the impeller 2 in the region of the impeller outer diameter D at the impeller inlet edges 8 and counter to the impeller inflow LA and flows back into the suction channel 9.
  • the rotating part-load vortex PLV occurs, there is a strong, unsteady interaction between the impeller inflow and the flow around the blade, which is manifested in particular by an abrupt increase in the NPSH values. The magnitude of this increase depends on the intensity of the part-load vortex that forms.
  • the positions X and Y encircled in FIG. 4 are details and serve to represent the speed triangles of FIG. 5.
  • a plurality of grooves 10 are distributed over the circumference and arranged in front of the impeller 2 in the wall surface 6 of the suction channel 9.
  • FIG. 5 shows the speed relationships of a formed part-load vortex PLV at the points X and Y of FIG. 4.
  • the point X shows the speed conditions in the area of the part-load vortex PLV emerging from the impeller 2 and the position Y shows the conditions in the distance from the wall again Impeller 2 entering partial load vortex PLV.
  • the speed triangles are drawn at positions X and Y, which are made up of the direction and size arrows for the absolute speed c, the relative speed w and the peripheral speed u.
  • the absolute speed c x results from the peripheral speed u x close to the wall of a blade 5 and from the backward flowing relative speed w x of the partial load vortex PLV emerging from the impeller and is characterized by a high peripheral component c ux .
  • the arrows with the speed indication c ⁇ symbolize within the suction channel 9 the undisturbed inflow to the impeller with the blades 5 shown here in section and having a profile.
  • a speed triangle is drawn at Y, which is given at position Y in the area of the entry point of the partial load vortex PLV into the impeller 2. Since the entry point Y is of a smaller diameter, the peripheral speed u y is correspondingly lower. And as a result of the partial-load vortex PLV, which is weakened in its energy, its absolute speed c y is also correspondingly lower, which results in a relative speed w y , which in this example runs to a certain extent offset by 90 ° to the relative speed w x of an emerging current thread of the partial-load vortex PLV.
  • the reason for the weakening of the partial load vortex PLV is in particular the circumferential component c ux , which leads to a tangential overflow of the axially parallel grooves 10, as shown in FIG. 4 and in FIG. 6, the top view of a development of the housing wall 6.
  • the outer blade ends 4 permanently run past this wall surface of the housing wall 6.
  • several grooves 10 are arranged distributed over the circumference, which run in the direction of the impeller inflow c ⁇ .
  • their groove ends 11 are arranged at a distance in front of the blade leading edge 8 on the outer diameter D of the impeller 2.
  • the detachment lines SLi, SL 2 show the suction-side limits of a backflow region R which is developing under different operating states.
  • the detachment line SLi lies within the width of the impeller blades 5 and moves with increasing partial load operation in front of the impeller or blade entry edge 8 to the detachment line SL 2 .
  • the position of this detachment line SL 2 always remains in front of the impeller 2 in the region of a closed annular wall surface 12. This wall surface 12 ensures that the fluid material flowing back from the region R cannot enter the grooves 10.
  • the length L of the wall surface 12 extending in front of the impeller inlet and up to the groove ends 11 is considered in the order of magnitude which corresponds to the ratios of 0.005-0.02 x impeller inlet diameter.
  • the impeller inlet diameter usually corresponds to the outer wheel diameter D. In the case of a semi-axial wheel, it is correspondingly smaller. And with a closed impeller, it corresponds to the diameter up to the inside diameter of a cover disk 7.
  • the detachment line SL 2 jump over the closed annular wall surface 12 and reach the wall surface 6 provided with grooves 10.
  • the limit of an axial expansion of the part-load vortex PLV which then occurs is represented by the detachment line SL 3 .
  • the partial load vortex PLV reaches a correspondingly high energy, it jumps over the annular, closed wall surface 12 located in front of the impeller and flows back into the suction channel 9.
  • the partial load vortex PLV formed in the suction channel 9 flows primarily tangentially over the grooves 10. His swirl energy is dissipated in many small vortices that form within the grooves 10. In the part-load vortex PLV, this leads to a withdrawal of speed energy, so that the part-load vortex PLV is weaker overall and its axial and radial extent is considerably reduced.
  • the mode of operation of the grooves 10 is thus based on an energy transfer by means of friction from a large pre-rotation vortex in the form of the partial load vortex PLV to many small vertebrae, which are each located in the grooves 10.
  • FIG. 7 a section along the line AA of FIG. 6, shows the formation of many small energy-dissipating vortex systems 13 within the grooves 10.
  • the reason for the many small vortex systems 13 is the circumferential component c ux of the part-load vortex flow, which is tangential to the direction of the groove.
  • FIGS. 8 and 9 A comparison is shown in the associated diagrams of FIGS. 8 and 9.
  • the curve shape drawn in dash-dotted lines corresponds to the QH characteristic curve of a centrifugal pump without grooves in the suction channel. From the marked operating point Q P v, the QH curve shows a clear kink in the characteristic. The delivery head decreases towards smaller quantities. The reason for this is the effect of a developing partial load vortex PLV.
  • the solid QH characteristic curve shows an increasing curve without a characteristic curve kick. This is the characteristic of a centrifugal pump, the suction channel of which is provided with channels or grooves 10 ending at a distance from the impeller.
  • the dash-dotted curve shape with the characteristic curve kink is due to the formation of a part-load vortex and the resulting impairment of the impeller inflow.
  • a curve drawn as a solid line was obtained for the same pump if grooves 10 were provided in front of the suction impeller in the wall surface 6 of the suction channel 9.
  • the matching curves in the normal operating range to the right of QPLV convincingly demonstrate the mode of operation of the grooves during normal operation.
  • FIG. 9 arranged below FIG. 8, the associated NPSH curves are drawn.
  • the NPSH curve shown in broken lines corresponds to a pump in whose suction channel 9 no grooves are arranged.
  • the solid characteristic curve shows a pump, in the suction channel 9 of which several grooves 10 are arranged.
  • the NPSH behavior of such a pump is decisively improved by the partial load vortex PLV, which is greatly reduced in its effect by the grooves 10.
  • This NPSH curve no longer exceeds the predetermined value NPSHA system and thus does not NPSH-related operating limit Q m i n any more.
  • the type of energy reduction of the partial load vortex PLV and the resulting reduced transient interaction, especially in the operating area around PLV result in improved flow conditions, as a result of which the NPSH behavior is improved and a pump characteristic curve is stabilized.

Landscapes

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Abstract

A centrifugal pump with a housing having one or more impellers having an axial or semiaxial, open or closed design disposed therein and an intake channel mounted upstream of the first impeller. A plurality of grooves that are distributed around the circumference and extend in the direction of flow are arranged within the wall area of the intake channel. In the housing wall of the intake channel there is a closed annular wall area constructed between a point of entry of the first impeller and the proximate ends of the grooves, whereby the grooves are operatively connected exclusively with the space in the intake channel.

Description

Saugkana! Saugkana!
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, in deren Gehäuse ein oder mehrere Laufräder axialer oder halbaxialer, geschlossener oder offener Bauart angeordnet sind und einem ersten Laufrad ein Saugkanal vorangestellt ist, in dessen Wandfläche mehrere über den Umfang verteilte Nuten angeordnet sind.The invention relates to a centrifugal pump, in the housing of which one or more impellers of axial or semi-axial, closed or open type are arranged and a suction impeller is preceded by a first impeller, in the wall surface of which several grooves are arranged distributed over the circumference.
Bei spezifisch schnellläufigen Pumpen ist häufig im Fördermengenbereich von 65 - 80 % des Auslegungsvolumenstromes ein signifikanter, lokal begrenzter Anstieg des zugehörigen NPSH-Verlaufes gegeben. Mitunter, je nach Pumpenbauart, kann der zugehörige Verlauf der Q-H Kennlinienverlauf zusätzlich eine Instabilität aufweisen, die allgemein als Kennlinienknick oder als Sattel bezeichnet wird.In the case of specifically high-speed pumps, there is often a significant, locally limited increase in the associated NPSH curve in the delivery volume range of 65 - 80% of the design volume flow. Sometimes, depending on the type of pump, the associated course of the Q-H characteristic curve can additionally have an instability, which is generally referred to as a characteristic curve kink or as a saddle.
Solche Kennlinienformen sind bedingt durch die Ausbildung des sogenannten Teillastwirbels, der bei einer Reduzierung des Volumenstromes im Außenbereich eines Laufradeintritts auftritt. Ein Teillastwirbel nimmt maßgeblichen Einfluss auf die Laufradzu- strömung, die unter dessen Einwirkung eine Verblockung des meridionalen Strömungsquerschnitts und hohe Geschwindigkeitskomponenten in Laufraddrehrichtung (Gleich- drall) erfährt.Such characteristic curve shapes are caused by the formation of the so-called partial load vortex, which occurs when the volume flow is reduced in the outer region of an impeller inlet. A partial load vortex has a significant influence on the impeller inflow, which, under its influence, blocks the meridional flow cross-section and high speed components in the direction of impeller rotation (constant twist).
Durch die DE 25 58 840 C2 ist eine Lösung zur Vermeidung der Nachteile eines Teillastwirbels bekannt, wobei vor einem Laufradeintritt ein Diffusor angeordnet ist. Mittels dieser Lösung wird ein Teillastwirbel in seiner Wirkungsrichtung umgekehrt, bevor er vor dem Laufradeintritt angeordnete Bauteile erreichen kann und daran Zerstörungen verursacht.DE 25 58 840 C2 discloses a solution for avoiding the disadvantages of a part-load vortex, a diffuser being arranged in front of an impeller inlet. With this solution, a partial load vortex is reversed in its direction of action before it can reach components located in front of the impeller inlet and cause damage to them.
Andere Maßnahmen zur Beeinflussung eines Teillastwirbels sind in der EP 1 069 315 A2, insbesondere bei der Würdigung des Standes der Technik, beschrieben. Die Maßnahmen „Casing Treatment, Separator oder Active Control" erfordern entweder zusätzliche Aggregate in der Maschinenperipherie (Active Control), reduzieren den Wirkungsgrad auch im Bestpunkt der Maschine (Casing Treatment) oder sind mit erhöhtem konstruktiven Aufwand verbunden (Separator). Die Schrift selbst schlägt die Verwendung einer Vielzahl von „grooves" vor, die gemäß der Literaturstelle „An Improvement of Performance-Curve Instability in a Mixed-Flow Pump by J-Grooves", May 29-June 1 , 2001 , New Orleans, Louisana, FEDSM 2001-18077, Proceedings of 2001 ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting (FEDSMX01), aufgrund ihres abgeknickten J- förmigen Verlaufes allgemein als J-Grooves bezeichnet werden.Other measures for influencing a part-load vortex are described in EP 1 069 315 A2, in particular when evaluating the prior art. The measures "Casing Treatment, Separator or Active Control" either require additional units in the machine periphery (Active Control), reduce the efficiency even at the best point of the machine (Casing Treatment) or involve increased design effort (Separator). The script itself beats the use of a large number of “grooves” which, according to the literature “An Improvement of Performance-Curve Instability in a Mixed-Flow Pump by J-Grooves”, May 29-June 1, 2001, New Orleans, Louisana, FEDSM 2001- 18077, Proceedings of 2001 ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting (FEDSM X 01), are generally referred to as J-Grooves due to their bent J-shaped course.
Bei den J-Grooves handelt es sich um flache, in anderer Ausführung auch räumlich gekrümmt verlaufende Nuten, die im Pumpengehäuse in Strömungsrichtung vor und oberhalb der am Laufradeintritt offen auszubildenden Laufrad beschaufelung angebracht sind. Für die Funktionsfähigkeit der Nuten ist maßgeblich, daß sie den Außendurch- messer des Laufrades teilweise überdecken. Im Bereich der Laufrad Überdeckung muß das Laufrad offen ausgebildet sein, um eine Verbindung zwischen einer mit höherem Druck versehenen Fluidzone im Bereich der offenen Laufradbeschaufelung und den darüber angeordneten Anfängen der J-Grooves zu erhalten. Durch diese konstruktive Maßnahme wird über die J-Grooves eine flüssigkeitsführende Verbindung zu der davor gelegenen Zuströmzone geschaffen. Durch die in Hauptströmungsrichtung angeordneten J-Grooves fördert die offene Laufradbeschaufelung permanent einen Teilstrom bereits geförderten Fluids vor das Laufrad und in den Bereich der Laufradzuströmung zurück. Diese J-Grooves haben den Nachteil, dass deren Rückförderung ständig über den gesamten Fahrbereich der Strömungsmaschine hinweg aktiv ist. Infolgedessen fällt der Spitzenwirkungsgrad einer damit ausgerüsteten Strömungsmaschine ab. Ein weiterer Nachteil ist die Interaktion zwischen den freien Laufradschaufelspitzen und den gegenüberliegenden, gehäusefesten Nutteilen der J-Grooves, welche zu erhöhten Geräusch- und Schwingungserscheinungen führt. Deren Verminderung ist in der vorge- nannten Literaturstelle, Seite 2, im Zusammenhang mit der Fig. 3 und deren zugehörigen Erklärung beschrieben. Dazu sind die oberhalb der freien Schaufelspitzen angeordneten Enden der J-Grooves durch eine umlaufende Ringnut miteinander verbunden. Über diese zusätzlich im Gehäuse anzubringende Ringnut erfolgt an den Stirnseiten der einzelnen J-Grooves ein Druckausgleich zwischen denselben. Und die Anordnung sol- eher räumlich gekrümmter J-Grooves, die sich vom Zulaufbereich mit konstantem Durchmesser in abknickender Weise in eine kegelförmige Gehäusewandfläche hinein erstrecken, erfordert einen hohen fertigungstechnischen Herstellungsaufwand. Diese Art einer Teillastwirbelbeeinflussung ist mit erheblichen Nachteilen verbunden.The J-Grooves are flat, in another version also spatially curved grooves, which are installed in the pump housing in the direction of flow in front of and above the impeller blades that are to be designed as open at the impeller inlet. For the functionality of the grooves, it is important that they partially cover the outside diameter of the impeller. In the area of the impeller overlap, the impeller must be designed to be open in order to obtain a connection between a fluid zone provided with higher pressure in the area of the open impeller blading and the beginnings of the J-grooves arranged above it. This constructive measure creates a fluid-carrying connection to the upstream inflow zone via the J-Grooves. Due to the J-Grooves arranged in the main flow direction, the open impeller blading permanently conveys a partial flow of already conveyed fluids in front of the impeller and back into the area of the impeller inflow. The disadvantage of these J-Grooves is that their return is constantly active across the entire travel range of the turbomachine. As a result, the peak efficiency of a turbomachine equipped with it drops. Another disadvantage is the interaction between the free impeller blade tips and the opposite, housing-fixed groove parts of the J-Grooves, which leads to increased noise and vibration phenomena. Their reduction is described in the aforementioned literature reference, page 2, in connection with FIG. 3 and its associated explanation. For this purpose, the ends of the J-Grooves arranged above the free blade tips are connected to each other by a circumferential ring groove. This additional ring groove in the housing ensures pressure equalization between the individual J-Grooves on the end faces. And the arrangement of such spatially curved J-Grooves, which extend from the inlet area with a constant diameter in a kinking manner into a conical housing wall surface, requires a high manufacturing outlay. This type of partial load vortex control is associated with considerable disadvantages.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei spezifisch schnellläufigen Kreiselpumpen mit Laufrädern halbaxialer oder axialer, offener oder geschlossener Bauart, eine einfache Möglichkeit zur Verbesserung des NPSH-Verhaltens und zur Verbesserung des Teillastverhaltens zu erreichen. Gleichzeitig soll das Problem gelöst werden, bei bereits im Einsatz befindlichen Kreiselpumpen in einfacher Weise eine nachträgliche Verbesserung vornehmen zu können, ohne dabei das Betriebsverhalten im normalen Fahrbereich der Kreiselpumpe in negativer Weise zu beeinflussen.The invention is based on the problem of achieving a simple possibility for improving the NPSH behavior and for improving the part-load behavior in the case of specifically high-speed centrifugal pumps with impellers of semi-axial or axial, open or closed design. At the same time, the problem should be solved of being able to make a subsequent improvement in a simple manner in the case of centrifugal pumps already in use, without negatively influencing the operating behavior in the normal operating range of the centrifugal pump.
Die Lösung dieses Problems sieht vor, dass in der Gehäusewand des Saugkanals Nuten eingebracht sind und daß zwischen einem Laufradeintritt des ersten Laufrades und den nächst gelegenen Enden der Nuten eine geschlossene ringförmige Wandfläche ausgebildet ist, wobei die Nuten ausschließlich mit dem Saugkanal in Wirkverbindung stehen. Ein erstes Laufrad ist als Sauglaufrad ausgebildet. Die in der Gehäusewand des Saugkanals ausgebildete, geschlossene ringförmige Wandfläche ist zwischen den in Zuströmrichtung vor dem Laufradeintritt gelegenen Enden der Nuten und dem Lauf- radeintritt des ersten Laufrades angeordnet. Ein solches Sauglaufrad kann eine spezifische Schnellläufigkeit nq > 70 min"1 aufweisen.The solution to this problem provides that grooves are made in the housing wall of the suction channel and that a closed annular wall surface is formed between an impeller inlet of the first impeller and the nearest ends of the grooves, the grooves being in operative connection only with the suction channel. A first impeller is designed as a suction impeller. The closed, annular wall surface formed in the housing wall of the suction channel is between the ends of the grooves located in the inflow direction before the impeller inlet and the arranged wheel entry of the first impeller. Such a suction impeller can have a specific high speed nq> 70 min "1 .
Durch diese Lösung bleibt der optimale Betriebspunkt einer Kreiselpumpe in unverän- derter Weise bestehen und wird, ebenso wie die übrigen Betriebspunkte, in keiner Weise negativ beeinflußt. Ein im Teillastbetrieb sich ausbildender Teillastwirbel, auch großer Prärotationswirbel genannt, wird jedoch mit Hilfe der länglichen Vertiefungen geschwächt. Die länglichen Nuten bewirken eine mittels Reibung erfolgende Energieübertragung von dem wandnahen Bereich des Teillastwirbels auf viele kleine, sich in den Nuten ausbildenden Wirbeln. Durch diese nur im Teillastbetrieb auftretende Energieübertragung wird die Umfangskomponente und damit die Intensität des entstehenden Teillastwirbels drastisch reduziert und infolgedessen das Teillastverhalten der Kreiselpumpe verbessert. Da die Nuten ihre Energie dissipierende Wirkung nur im Zusammenwirken mit einem aus dem Laufrad austretenden Teillastwirbel entfalten, bleibt die Laufradzuströmung für die übrigen Betriebspunkte unbeeinflußt. Eine negative Auswirkung auf eine normale Laufradzuströmung findet nicht statt und damit ergibt sich auch keine negative Auswirkung auf den Wirkungsgradverlauf. Im Gegensatz zu den vorbekannten Lösungen in Form der J-Grooves erfolgt bei der Erfindung keine Vermischung einer vom Laufrad über die Nuten zurückgeförderten Strömung mit einer dem Laufrad zuströmenden Hauptströmung.With this solution, the optimal operating point of a centrifugal pump remains unchanged and, like the other operating points, is in no way adversely affected. A part-load vortex, also known as a large pre-rotation vortex, which forms in part-load operation, is weakened with the help of the elongated depressions. The elongated grooves cause energy to be transferred by friction from the area of the part-load vortex near the wall to many small vertebrae that form in the grooves. This energy transfer, which only occurs in part-load operation, drastically reduces the peripheral component and thus the intensity of the resulting part-load vortex, and consequently improves the part-load behavior of the centrifugal pump. Since the grooves only develop their energy-dissipating effect in cooperation with a part-load vortex emerging from the impeller, the impeller inflow remains unaffected for the other operating points. There is no negative impact on normal impeller inflow, and there is therefore no negative impact on the efficiency curve. In contrast to the previously known solutions in the form of the J-grooves, the invention does not mix a flow conveyed back by the impeller via the grooves with a main flow flowing to the impeller.
Durch die bewußte Vermeidung jeglicher Einspeisung energiereichen Mediums in die Nuten wird im Normalbetrieb eine Störung der Laufradzuströmung verhindert. Erst wenn vom Laufrad eine Störung in der Form des sich ausbildenden Teillastwirbels induziert wird, setzt gewissermaßen eine Wechselwirkung zwischen den Nuten und dem Teillastwirbel ein. Diese Wechselwirkung führt zu einer Selbstregulierung. Dabei wird die Energie des Teillastwirbels in den Nuten durch Bildung einer Vielzahl von kleinen Nutenwirbeln dissipiert, was eine erhebliche Schwächung des Teillastwirbels bedingt. Diese Funktion kann nur erreicht werden, wenn die im Saugkanal vor dem Laufrad befindli- chen Nutenden durch eine ringförmige geschlossene Wandfläche von einer Zufuhr bereits geförderten Fluids zuverlässig abgeschnitten sind.By deliberately avoiding any feeding of high-energy medium into the grooves, a disturbance of the impeller inflow is prevented in normal operation. Only when the impeller induces a disturbance in the form of the part-load vortex that develops does a kind of interaction between the grooves and the part-load vortex begin. This interaction leads to self-regulation. The energy of the part-load vortex in the grooves is dissipated by the formation of a large number of small groove vertebrae, which causes a considerable weakening of the part-load vortex. This function can only be achieved if the in the suction channel in front of the impeller chen groove ends are reliably cut off by a ring-shaped closed wall surface from a supply of already pumped fluids.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Nuten zwischen stegförmigen Ausbildungen der Gehäusewand des Saugkanals angeordnet sind. Bei denjenigen Anwendungsfällen, bei denen eine Bearbeitung eines Saugkanals nicht oder nur mit erheblichen Schwierigkeiten möglich ist, kann auch ein die Nuten oder Stege beinhaltender ringförmiger Einsatz in einen bestehenden Saugkanal einer Pumpe eingeschoben werden.An embodiment of the invention provides that the grooves are arranged between web-shaped configurations of the housing wall of the suction channel. In those applications in which processing of a suction channel is not possible or only possible with considerable difficulty, an annular insert containing the grooves or webs can also be inserted into an existing suction channel of a pump.
Ein solcher Einsatz ermöglicht eine einfache maschinelle Herstellung der Nuten und kann problemlos in die Saugkanäle neu herzustellender oder bereits ausgelieferter Pumpen eingebaut werden. Infolge der geringen, nur wenige Millimeter betragende Nuttiefen, die nur im Bereich der wandnahen Grenzschichten ausgebildet sind, ist ein solcherart gestalteter Einsatz in der Lage, auch nachträglich bei bereits ausgelieferten oder in Anlagen installierten Kreiselpumpen eine Verbesserung des Teillastverhalten zu erreichen. Dazu muß nur der, den Einsatz aufnehmende Saugkanal eventuell im Innendurchmesser geringfügig erweitert werden, um eine einsprechende Durchmessergröße eines genuteten Einsatzes aufnehmen zu können. Hier findet eine Art Baukasten Ver- Wendung, um mittels einer geschickten Durchmesserabstufung bei einer Vielzahl von Pumpentypen eine Verwendung eines solchen Einsatzes zu ermöglichen.Such an insert enables simple mechanical production of the grooves and can be easily installed in the suction channels of pumps that are to be newly manufactured or have already been delivered. As a result of the small groove depths of just a few millimeters, which are only formed in the area of the boundary layers close to the wall, such an insert is able to achieve an improvement in the part-load behavior even with centrifugal pumps that have already been delivered or installed in systems. For this purpose, only the suction channel receiving the insert may have to be slightly expanded in the inside diameter in order to be able to accommodate an appealing diameter size of a grooved insert. A type of modular system is used here in order to enable such an insert to be used for a large number of pump types by means of a clever diameter gradation.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die geschlossene ringförmige Wandfläche eine von der Intensität eines Teillastwirbels abhängige axiale Erstreckung auf. Die Länge der axialen Fläche ist mindestens so groß, daß eine Interferenz zwischen den Laufradschaufeln am Laufradeintritt und den davor angeordneten Nutenden mit Sicherheit unterdrückt wird. Somit wird die Entstehung von störenden Geräuschen und Schwingungen in einfachster Weise verhindert. Auf der anderen Seite ist die Länge der axialen Ringfläche nicht größer gewählt, als sie der Erstreckung des sich langsam bil- denden, noch unschädlichen Teillastwirbels entspricht. Erst wenn der sich ausbildende Teillastwirbel eine größere Intensität erhält, ist es möglich, daß dessen sogenannte Ablöselinie sich vom Laufrad löst und die geschlossene ringförmige Wandfläche überspringt. Als Folge davon tritt der Teillastwirbel vollständig aus dem Laufrad aus. Er ist dabei gegen die Zuströmung gerichtet und rotiert in Laufraddrehrichtung um die Ma- schinenachse. Infolge der tangentialen Überströmung der Vertiefungen und der Entstehung vieler kleiner Wirbel in den Vertiefungen wird ein Großteil der im Teillastwirbel befindlichen Energie dissipiert und die Wirkung des Teillastwirbel drastisch abgeschwächt.According to one embodiment of the invention, the closed annular wall surface has an axial extent that is dependent on the intensity of a part-load vortex. The length of the axial surface is at least so large that interference between the impeller blades at the impeller inlet and the groove ends arranged in front of it is reliably suppressed. This prevents the generation of disturbing noises and vibrations in the simplest way. On the other hand, the length of the axial ring surface is not chosen to be greater than the extent of the slowly forming, still harmless part-load vortex. Only when the training Partial load vortex receives a greater intensity, it is possible that its so-called release line detaches from the impeller and jumps over the closed annular wall surface. As a result, the partial load vortex emerges completely from the impeller. It is directed against the inflow and rotates around the machine axis in the direction of rotation of the impeller. As a result of the tangential overflow of the depressions and the formation of many small vortices in the depressions, a large part of the energy in the part-load vortex is dissipated and the effect of the part-load vortex is drastically weakened.
Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung weist die geschlossene ringförmige Wandfläche eine von der Intensität eines Teillastwirbels abhängige axiale Erstreckung in der Größenordnung von 0,005 - 0,02 mal Laufradeintrittsdurchmesser auf. Und die Längen der Nuten oder Stege liegen in der Größenordnung von 0,03 - 0,5 mal Laufradeintrittsdurchmesser. Dabei liegen die Tiefen der Nuten oder die Höhen der Stege in der Größenordnung von 0,005 - 0,02 mal Laufradeintrittsdurchmesser.According to further refinements of the invention, the closed annular wall surface has an axial extent which is dependent on the intensity of a part-load vortex and is on the order of 0.005-0.02 times the impeller inlet diameter. And the lengths of the grooves or webs are on the order of 0.03 - 0.5 times the impeller inlet diameter. The depths of the grooves or the heights of the webs are of the order of 0.005-0.02 times the impeller inlet diameter.
Und nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung entspricht das Produkt aus Nutbreite b mal Nutanzahl n einem Verhältnis vonAnd according to another embodiment of the invention, the product of groove width b times the number of grooves n corresponds to a ratio of
n -b = 0.45-0.65-π -Dn -b = 0.45-0.65-π -D
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen dieEmbodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. They show
Fig. 1 NPSH-Kurven gattungsgemäßer Kreiselpumpen, die mit und ohne Nuten ausgestattet sind, dieFig. 1 NPSH curves of generic centrifugal pumps, which are equipped with and without grooves, the
Fig. 2 eine Strömungsdarstellung eines Rückströmgebietes an einer Axialpumpe mit offenem Laufrad im Normalbetrieb, dieFig. 2 is a flow diagram of a return flow area on an axial pump with an open impeller in normal operation, the
Fig. 3 eine Strömungsdarstellung an einer Halbaxial- und Axialpumpe mit ge schlossenen Laufrad und im Normalbetrieb, dieFig. 3 is a flow diagram on a semi-axial and axial pump with ge closed impeller and in normal operation, the
Fig. 4 eine Strömungsdarstellung eines Teillastwirbels an einer Axialpumpe imFig. 4 is a flow diagram of a part-load vortex on an axial pump in
Teillastbetrieb, diePart load operation, the
Fig. 5 verschiedene Geschwindigkeitsdreiecke in einem Zylinderschnitt einerFig. 5 different speed triangles in a cylindrical section
Axialmaschine beim Austreten des Teillastwirbels aus dem Laufrad, dieAxial machine when the part load vortex emerges from the impeller
Fig. 6 anhand eines Zylinderschnittes die Strömungsverläufe eines Teillastwir- bels in den Nuten, die6, using a cylindrical section, the flow profiles of a part-load vortex in the grooves
Fig. 7 eine Darstellung der Strömung in den Nuten und dieFig. 7 is an illustration of the flow in the grooves and
Fig. 8 + 9 Q-H- und NPSH- Kurven mit verbesserter Charakteristik .Fig. 8 + 9 Q-H and NPSH curves with improved characteristics.
Fig. 1 zeigt in einem Diagramm beispielhaft und mit strichpunktierter Linie eine typische NPSH-Kurve von Kreiselpumpen mit schnellläufigen Laufrädern axialer oder halbaxialer Bauart. Auf der Abszisse sind die Werte für die Fördermenge Q und auf der Ordinate sind die Werte für das NPSH aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß im Betriebspunkt Qopt, dem Bestpunkt der Fördermenge, das NPSH einen geringen Wert aufweist. Im Teillastbetrieb dagegen ist der NPSH-Verlauf durch einen lokalen Anstieg, die sogenannte NPSH-Spitze, gekennzeichnet, die bei vorgegebenem, gestrichelt dargestellten, maximal zulässigen NPSHA-Wert einer zugehörigen Anlage den Betriebsbereich bei Qmjn einschränkt. Ein Betrieb unterhalb dieses Betriebspunktes ist nicht zulässig, da andernfalls kavitationsbedingte Zustände innerhalb der Pumpe auftreten, die einen Dauerbetrieb nicht zulassen.Fig. 1 shows an example and with a dash-dotted line a typical NPSH curve of centrifugal pumps with high-speed impellers of axial or semi-axial design. The values for the delivery rate Q are plotted on the abscissa and the values for the NPSH are plotted on the ordinate. It can be seen that at the operating point Qo pt , the best point of the delivery rate, the NPSH has a low value. In part-load operation, however, the NPSH curve is characterized by a local increase, the so-called NPSH peak, which limits the operating range at Q m j n for a given system, given in dashed lines, the maximum permissible NPSH A value. Operation below this operating point is not permitted, as otherwise cavitation-related conditions occur within the pump that do not allow continuous operation.
In dem Diagramm ist mit durchgezogener Linie eine weitere NPSH-Kurve eingezeich- net, die einer Kreiselpumpe mit gleichen Betriebspunkten entspricht, in deren Saugkanal aber zusätzlich erfindungsgemäß angeordnete Nuten angebracht sind. Der für eine solcherart gestaltete Kreiselpumpe ermittelte Kurvenverlauf verdeutlicht in überzeugender Weise die wesentlich günstigeren NPSH Eigenschaften. Der für einen Teillastbetrieb typische lokale NPSH Anstieg ist zwar immer noch gegeben, er befindet sich aber gegenüber einer Pumpe ohne Nuten auf einem deutlich niedrigeren Niveau. Eine sol- cherart verbesserte Pumpe verfügt über einen wesentlich erweiterten Betriebsbereich.In the diagram, a further NPSH curve is drawn with a solid line, which corresponds to a centrifugal pump with the same operating points, but in whose suction channel grooves according to the invention are additionally provided. The one Centrifugal pumps designed in this way convincingly illustrate the much more favorable NPSH properties. The local NPSH increase typical for part-load operation is still there, but it is at a significantly lower level than that of a pump without grooves. Such an improved pump has a much wider operating range.
Die Fig. 2 zeigt im Bestpunkt Qopt einer Kreiselpumpe 1 die bestehenden Strömungsverhältnisse am Beispiel eines offenen Axialrades. Ein Laufrad 2 dreht sich in einem Gehäuse 3. Während der Drehbewegung des Laufrades 2 bildet sich zwischen dem Gehäuse 3 und den freien Schaufelspitzen 4 des Laufrades 2 ein mit dem Laufrad umlaufendes Rückströmgebiet R in Form einer schwachen Wirbelströmung aus. Diese Rückströmung R ist bedingt durch den Druckaustausch zwischen den Strömungsgebieten benachbarter Schaufelkanäle und dem im Bereich von freien Schaufelspitzen 4 erfolgenden Druckausgleich zwischen Saug- und Druckseite von Schaufeln 5 . Ein sol- ches mit dem Laufrad 2 rotierendes Rückströmgebiet R beansprucht etwa eine Zone, welche einer Schaufelbreite B entspricht.2 shows the existing flow conditions at the best point Q op t of a centrifugal pump 1 using the example of an open axial wheel. An impeller 2 rotates in a housing 3. During the rotational movement of the impeller 2, a return flow region R rotating with the impeller forms in the form of a weak vortex flow between the housing 3 and the free blade tips 4 of the impeller 2. This backflow R is caused by the pressure exchange between the flow areas of adjacent blade channels and the pressure equalization between the suction and pressure sides of blades 5 in the area of free blade tips 4. Such a backflow region R rotating with the impeller 2 occupies approximately a zone which corresponds to a blade width B.
Dieses Rückströmgebiet R weist entlang der Gehäusewand 6 eine durch Pfeile dargestellte Strömungsrichtung auf, die entgegengesetzt zur Laufradanströmung LA verläuft. An derjenigen Stelle, an der das Rückströmgebiet R seine Strömungsrichtung umkehrt, ist eine sogenannte Ablöselinie SL eingezeichnet. Hierbei handelt es sich gewissermaßen um eine Grenzlinie, welche am Umfang der Gehäusewand 6 verläuft. Im Bereich dieser Linie SL ist die Energie der Laufradanströmung LA größer als die Energie des Rückströmgebietes R und dadurch dessen Strömungsumkehr bedingt. Bei Pumpen mit offenen halbaxialen oder axialen Laufrädern existiert ein solches Rückströmgebiet R über den gesamten Betriebsbereich und ist auch im Bereich des Punktes besten Wirkungsgrades vorhanden.This backflow region R has a flow direction, which is shown by arrows, along the housing wall 6 and runs opposite to the impeller flow LA. At the point at which the return flow region R reverses its direction of flow, a so-called separation line SL is shown. To a certain extent, this is a boundary line which runs on the circumference of the housing wall 6. In the area of this line SL, the energy of the impeller inflow LA is greater than the energy of the return flow region R and therefore its flow reversal. In the case of pumps with open semi-axial or axial impellers, such a backflow area R exists over the entire operating range and is also available in the area of the best efficiency.
Gemäß Fig. 3 existiert ein gleichartiges Rückströmgebiet bei zwei verschiedenen Bau- arten von geschlossenen Laufrädern. Die obere Darstellung der Fig. 3 zeigt die Verhält- nisse bei einer halbaxialen Pumpenkonstruktion, während in der unteren Darstellung die Verhältnisse bei einer Axialpumpe gezeigt sind. Bei diesen Laufrädern vermeidet eine sogenannte Deckscheibe 7 einen Energieaustausch über die Schaufelspitzen 4 und zwischen Saug- und Druckseite einer Laufradschaufel 5. Dafür existiert bei solchen Laufrädern 2 eine geringe Spaltströmung LF zwischen der Gehäusewand 6 und der Deckscheibe 7, für die der Druckunterschied vor und hinter dem Laufrad verantwortlich ist. Durch entsprechend geringe Spaltspiele zwischen Deckscheibe 7 und Gehäusewand 6 werden solche Leckverluste gravierend reduziert.According to FIG. 3, there is a similar backflow area with two different types of closed impellers. 3 shows the relationship nisse in a semi-axial pump design, while the situation below is shown in the case of an axial pump. In these impellers, a so-called cover disk 7 avoids an exchange of energy via the blade tips 4 and between the suction and pressure sides of an impeller blade 5. For this purpose, there is a small gap flow LF between the housing wall 6 and the cover disk 7 for such impellers 2, for which the pressure difference in front and behind the impeller is responsible. Leakage losses of this type are considerably reduced by means of correspondingly small clearance gaps between cover plate 7 and housing wall 6.
Die Fig. 4 zeigt am Beispiel eines offenen Laufrades 2 die im Teillastbetrieb sich einstellende Ausbildung eines Teillastwirbels PLV. Dies und die folgenden Ausführungen gelten ebenso für ein Laufrad in geschlossener Bauart. Ein solcher mit dem Laufrad rotierender Teillastwirbel PLV tritt im Bereich des Laufradaußendurchmessers D an den Laufradeintrittskanten 8 und entgegen der Laufradanströmung LA aus dem Laufrad 2 heraus und strömt in den Saugkanal 9 zurück. Bei der Entstehung des rotierenden Teillastwirbels PLV kommt es zu einer starken, instationären Wechselwirkung zwischen der Laufradzuströmung und der Schaufelumströmung, die sich insbesondere durch einen abrupten Anstieg der NPSH-Werte äußert. Die Stärke dieses Anstiegs ist von der Intensität des sich ausbildenden Teillastwirbels abhängig. Die in der Fig. 4 eingekreisten Po- sitionen X und Y sind Einzelheiten und dienen der Darstellung der Geschwindigkeitsdreiecke von Fig. 5. Eine Vielzahl von Nuten 10 sind über den Umfang verteilt und vor dem Laufrad 2 in der Wandfläche 6 des Saugkanals 9 angeordnet.4 shows, using the example of an open impeller 2, the formation of a part-load vortex PLV that occurs in part-load operation. This and the following explanations also apply to a closed-design impeller. Such a partial load vortex PLV rotating with the impeller comes out of the impeller 2 in the region of the impeller outer diameter D at the impeller inlet edges 8 and counter to the impeller inflow LA and flows back into the suction channel 9. When the rotating part-load vortex PLV occurs, there is a strong, unsteady interaction between the impeller inflow and the flow around the blade, which is manifested in particular by an abrupt increase in the NPSH values. The magnitude of this increase depends on the intensity of the part-load vortex that forms. The positions X and Y encircled in FIG. 4 are details and serve to represent the speed triangles of FIG. 5. A plurality of grooves 10 are distributed over the circumference and arranged in front of the impeller 2 in the wall surface 6 of the suction channel 9.
Fig. 5 zeigt die Geschwindigkeitsverhältnisse eines ausgebildeten Teillastwirbels PLV an den Stellen X und Y von Fig. 4. Die Stelle X zeigt die Geschwindigkeitsverhältnisse im wandnahen Bereich des aus dem Laufrad 2 austretenden Teillastwirbels PLV und die Stelle Y die Verhältnisse im wandfernen, wieder in das Laufrad 2 eintretenden Teillastwirbels PLV. Für die Darstellung werden die Geschwindigkeitsdreiecke an den Stellen X und Y gezeichnet, welche sich zusammensetzen aus den Richtungs- und Grö- ßenpfeilen für die Absolutgeschwindigkeit c, die Relativgeschwindigkeit w und die Umfangsgeschwindigkeit u.FIG. 5 shows the speed relationships of a formed part-load vortex PLV at the points X and Y of FIG. 4. The point X shows the speed conditions in the area of the part-load vortex PLV emerging from the impeller 2 and the position Y shows the conditions in the distance from the wall again Impeller 2 entering partial load vortex PLV. For the illustration, the speed triangles are drawn at positions X and Y, which are made up of the direction and size arrows for the absolute speed c, the relative speed w and the peripheral speed u.
An der Stelle X ergibt sich die Absolutgeschwindigkeit cx aus der wandnahen Umfangsgeschwindigkeit ux einer Schaufel 5 und aus der aus dem Laufrad austretenden, rückströmenden Relativgeschwindigkeit wx des Teillastwirbels PLV und ist durch eine hohe Umfangskomponente cux gekennzeichnet. Die Pfeile mit der Geschwindigkeitsangabe c~ symbolisieren dagegen innerhalb des Saugkanals 9 die ungestörte Zuströmung zum Laufrad mit den hier im Schnitt gezeichneten und ein Profil aufweisenden Schaufeln 5.At point X, the absolute speed c x results from the peripheral speed u x close to the wall of a blade 5 and from the backward flowing relative speed w x of the partial load vortex PLV emerging from the impeller and is characterized by a high peripheral component c ux . The arrows with the speed indication c ~, on the other hand, symbolize within the suction channel 9 the undisturbed inflow to the impeller with the blades 5 shown here in section and having a profile.
Analog dazu ist bei Y ein Geschwindigkeitsdreieck gezeichnet, welches an der Stelle Y im Bereich der Eintrittsstelle des Teillastwirbels PLV in das Laufrad 2 gegeben ist. Da die Eintrittsstelle Y auf einem kleineren Durchmesser liegt, ist die Umfangsgeschwindigkeit uy entsprechend geringer. Und infolge des in seiner Energie geschwächten Teillast- wirbeis PLV ist auch dessen Absolutgeschwindigkeit cy entsprechend geringer, woraus sich eine Relativgeschwindigkeit wy ergibt, die in diesem Beispiel gewissermaßen um 90° versetzt zur Relativgeschwindigkeit wx eines austretenden Stromfadens des Teillastwirbels PLV verläuft.Analogously to this, a speed triangle is drawn at Y, which is given at position Y in the area of the entry point of the partial load vortex PLV into the impeller 2. Since the entry point Y is of a smaller diameter, the peripheral speed u y is correspondingly lower. And as a result of the partial-load vortex PLV, which is weakened in its energy, its absolute speed c y is also correspondingly lower, which results in a relative speed w y , which in this example runs to a certain extent offset by 90 ° to the relative speed w x of an emerging current thread of the partial-load vortex PLV.
Ursächlich für die Schwächung des Teillastwirbels PLV ist insbesondere die Umfangskomponente cux, die zu einer tangentialen Überströmung der achsparallelen Nuten 10 führt, wie sie in Fig. 4 und in Fig. 6, der Draufsicht auf eine Abwicklung der Gehäusewand 6, gezeigt sind. An dieser Wandfläche der Gehäusewand 6 laufen die äußeren Schaufelenden 4 permanent vorbei. In der Gehäusewand 6 sind mehrere, über den Umfang verteilt angeordnete Nuten 10 angebracht, die in Richtung der Laufradzuströmung c∞ verlaufen. Von den in Zuströmrichtung verlaufenden und in der Wandfläche 6 des Saugkanals 9 angeordneten Nuten 10 sind deren Nutenden 11 mit Abstand vor der Schaufeleintrittskante 8 am Außendurchmesser D des Laufrades 2 angeordnet. Der Anfang dieser in Zuströmrichtung verlaufenden beziehungsweise achsparallelen Nuten 10 ist hier nicht gezeigt, da die Länge der Nuten 10 in Abhängigkeit von den Förder- mengen und der Laufradbauform gewählt wird. Die Längen dieser Nuten 10 bewegen sich in der Größenordnung von 0,03 - 0,5 mal Laufradeintrittsdurchmesser. Im Normalbetrieb strömt ein zuströmendes Fluid durch die Nuten 10 hindurch ohne dabei das Betriebsverhalten der Kreiselpumpe negativ zu beeinflussen.The reason for the weakening of the partial load vortex PLV is in particular the circumferential component c ux , which leads to a tangential overflow of the axially parallel grooves 10, as shown in FIG. 4 and in FIG. 6, the top view of a development of the housing wall 6. The outer blade ends 4 permanently run past this wall surface of the housing wall 6. In the housing wall 6 several grooves 10 are arranged distributed over the circumference, which run in the direction of the impeller inflow c∞. Of the grooves 10 running in the inflow direction and arranged in the wall surface 6 of the suction channel 9, their groove ends 11 are arranged at a distance in front of the blade leading edge 8 on the outer diameter D of the impeller 2. The beginning of these grooves 10, which run in the inflow direction or are parallel to the axis, is not shown here, since the length of the grooves 10 depends on the conveying quantities and the impeller design is selected. The lengths of these grooves 10 are on the order of 0.03-0.5 times the impeller inlet diameter. In normal operation, an inflowing fluid flows through the grooves 10 without adversely affecting the operating behavior of the centrifugal pump.
Weiterhin sind in Fig. 6 in gestrichelter Darstellung verschiedene Ablöselinien SLi, SL2 und SL3 gezeigt. Die Ablöselinien SLi, SL2 zeigen die saugseitigen Grenzen eines sich ausbildenden Rückströmgebietes R bei unterschiedlichen Betriebszuständen. Im Bereich des Bestpunktes Qopt liegt die Ablöselinie SLi innerhalb der Breite der Laufradschaufeln 5 und wandert mit zunehmendem Teillastbetrieb vor die Laufrad- oder Schaufeleintrittskante 8 bis zur Ablöselinie SL2. Im Normalbetrieb verbleibt die Lage dieser Ablöselinie SL2 immer vor dem Laufrad 2 im Bereich einer geschlossenen ringförmigen Wandfläche 12. Durch diese Wandfläche 12 ist sichergestellt, daß das aus dem Gebiet R rückströmende Fluidmaterial nicht in die Nuten 10 eintreten kann. Die entgegen der Laufrad-Zuströmrichtung LA betrachtete Länge L der vor dem Laufradeintritt und bis zu den Nutenden 11 reichenden Wandfläche 12 liegt in einer Größenordnung, die den Verhältnissen von 0.005 - 0.02 x Laufradeintrittsdurchmesser entspricht. In dem hier verwendeten Beispiel eines Axialrades entspricht der Laufradeintrittsdurchmesser gewöhnlich dem Laufradaußendurchmesser D. Bei einem Halbaxial- rad ist er entsprechend kleiner. Und bei einem geschlossenen Laufrad entspricht er dem Durchmesser bis zum Innendurchmesser einer Deckscheibe 7.Furthermore, different separation lines SLi, SL 2 and SL 3 are shown in broken lines in FIG. 6. The detachment lines SLi, SL 2 show the suction-side limits of a backflow region R which is developing under different operating states. In the area of the best point Q opt , the detachment line SLi lies within the width of the impeller blades 5 and moves with increasing partial load operation in front of the impeller or blade entry edge 8 to the detachment line SL 2 . In normal operation, the position of this detachment line SL 2 always remains in front of the impeller 2 in the region of a closed annular wall surface 12. This wall surface 12 ensures that the fluid material flowing back from the region R cannot enter the grooves 10. The length L of the wall surface 12 extending in front of the impeller inlet and up to the groove ends 11 is considered in the order of magnitude which corresponds to the ratios of 0.005-0.02 x impeller inlet diameter. In the example of an axial wheel used here, the impeller inlet diameter usually corresponds to the outer wheel diameter D. In the case of a semi-axial wheel, it is correspondingly smaller. And with a closed impeller, it corresponds to the diameter up to the inside diameter of a cover disk 7.
Erst bei einer Ausbildung des Teillastwirbels PLV überspringt die Ablöselinie SL2 die geschlossene ringförmige Wandfläche 12 und erreicht die mit Nuten 10 versehene Wandfläche 6. Die Grenze einer sich dann einstellenden axialen Ausdehnung des Teillastwirbels PLV ist durch die Ablöselinie SL3 dargestellt.Only when the part-load vortex PLV is formed does the detachment line SL 2 jump over the closed annular wall surface 12 and reach the wall surface 6 provided with grooves 10. The limit of an axial expansion of the part-load vortex PLV which then occurs is represented by the detachment line SL 3 .
Erreicht also der Teillastwirbel PLV eine entsprechend große Energie, überspringt er die vor dem Laufrad befindliche ringförmige, geschlossene Wandfläche 12 und strömt in den Saugkanal 9 zurück. Infolge der überwiegend in Umfangsrichtung verlaufenden Absolutgeschwindigkeitskomponente cux strömt der im Saugkanal 9 ausgebildete Teillastwirbel PLV vornehmlich tangential über die Nuten 10 hinweg. Dabei wird seine Drallenergie in vielen kleinen Wirbeln dissipiert, die sich innerhalb der Nuten 10 ausbilden. Dies führt beim Teillastwirbel PLV zu einem Entzug an Geschwindigkeitsenergie, so daß der Teillastwirbel PLV insgesamt schwächer und in seiner axialen und radialen Ausdehnung erheblich reduziert wird. Er erstreckt sich daher nur bis zur Ablöselinie SL3, bei der eine Strömungsumkehr des Teillastwirbels PLV erfolgt. Durch die gleichzeitig bedingte Reduzierung der Drallkomponente des Teillastwirbels wird auch, neben der Verminderung des NPSH-Anstieges, auch die Kennlinienstabilität der Kreiselpumpe bei Teillast entscheidend verbessert. Die Funktionsweise der Nuten 10 basiert damit auf einer Energieübertragung mittels Reibung von einem großen Prärotationswirbel in Form des Teillastwirbels PLV auf viele kleine Wirbel, die sich jeweils in den Nuten 10 befinden.If the partial load vortex PLV reaches a correspondingly high energy, it jumps over the annular, closed wall surface 12 located in front of the impeller and flows back into the suction channel 9. As a result of the predominantly circumferential direction Absolute speed component c ux , the partial load vortex PLV formed in the suction channel 9 flows primarily tangentially over the grooves 10. His swirl energy is dissipated in many small vortices that form within the grooves 10. In the part-load vortex PLV, this leads to a withdrawal of speed energy, so that the part-load vortex PLV is weaker overall and its axial and radial extent is considerably reduced. It therefore only extends to the detachment line SL 3 , at which the partial load vortex PLV is reversed. Due to the simultaneous reduction in the swirl component of the part-load vortex, in addition to the reduction in the NPSH increase, the characteristic stability of the centrifugal pump at part-load is also decisively improved. The mode of operation of the grooves 10 is thus based on an energy transfer by means of friction from a large pre-rotation vortex in the form of the partial load vortex PLV to many small vertebrae, which are each located in the grooves 10.
In der Fig. 7, einem Schnitt gemäß der Linie A - A von Fig. 6, ist innerhalb der Nuten 10 die Entstehung vieler kleiner Energie dissipierender Wirbelsysteme 13 dargestellt. Ursächlich für die vielen kleinen Wirbelsysteme 13 ist die Umfangskomponente cux der Teillastwirbelströmung, die tangential zur Nutrichtung verläuft.FIG. 7, a section along the line AA of FIG. 6, shows the formation of many small energy-dissipating vortex systems 13 within the grooves 10. The reason for the many small vortex systems 13 is the circumferential component c ux of the part-load vortex flow, which is tangential to the direction of the groove.
In den einander zugeordneten Diagrammen der Fig. 8 und 9 ist eine Gegenüberstellung gezeigt. Bei der Darstellung der Fig. 8 entspricht der strichpunktiert gezeichnete Kurvenverlauf der Q-H-Kennlinie einer Kreiselpumpe ohne Nuten im Saugkanal. Ab dem gekennzeichneten Betriebspunkt QP v weist die Q-H-Kurve einen deutlichen Knick in der Kennlinie auf. Die Förderhöhe nimmt dabei zu kleineren Mengen hin ab. Ursächlich dafür ist die Wirkung eines sich ausbildenden Teillastwirbels PLV. Dagegen weist die durchgezogene dargestellte Q-H-Kennlinie einen steigenden Verlauf ohne Kennlinienkick auf. Dies ist die Kennlinie einer Kreiselpumpe, deren Saugkanal mit im Abstand vor dem Laufrad endenden Kanälen oder Nuten 10 versehen ist. Der strichpunktierte Kurvenverlauf mit dem Kennlinienknick ist bedingt durch die Ausbildung eines Teillastwir- bels und den dadurch bewirkten Beeinträchtigungen der Laufradzuströmung. Demgegenüber stellte sich bei der gleichen Pumpe ein durchgezogen gezeichneter Kennlinienverlauf ein, wenn vor dem Sauglaufrad in der Wandfläche 6 des Saugkanals 9 eine entsprechende Anbringung von Nuten 10 erfolgte. Die übereinstimmenden Kurvenverläufe im normalen Betriebsbereich rechts von QPLV belegen in überzeugender Weise die Wirkungsweise der Nuten beim Normalbetrieb.A comparison is shown in the associated diagrams of FIGS. 8 and 9. In the illustration in FIG. 8, the curve shape drawn in dash-dotted lines corresponds to the QH characteristic curve of a centrifugal pump without grooves in the suction channel. From the marked operating point Q P v, the QH curve shows a clear kink in the characteristic. The delivery head decreases towards smaller quantities. The reason for this is the effect of a developing partial load vortex PLV. In contrast, the solid QH characteristic curve shows an increasing curve without a characteristic curve kick. This is the characteristic of a centrifugal pump, the suction channel of which is provided with channels or grooves 10 ending at a distance from the impeller. The dash-dotted curve shape with the characteristic curve kink is due to the formation of a part-load vortex and the resulting impairment of the impeller inflow. In contrast, a curve drawn as a solid line was obtained for the same pump if grooves 10 were provided in front of the suction impeller in the wall surface 6 of the suction channel 9. The matching curves in the normal operating range to the right of QPLV convincingly demonstrate the mode of operation of the grooves during normal operation.
In der unterhalb von Fig. 8 angeordneten Fig. 9 sind in die zugehörigen NPSH-Kurven gezeichnet. Der strichpunktiert dargestellte NPSH-Verlauf entspricht einer Pumpe, in deren Saugkanal 9 keine Nuten angeordnet sind. Demgegenüber zeigt der durchgezogene Kennlinienverlauf eine Pumpe, in deren Saugkanal 9 mehrere Nuten 10 angeordnet sind. Bedingt durch den von den Nuten 10 in seiner Wirkung stark reduzierten Teillastwirbel PLV wird das NPSH-Verhalten einer solchen Pumpe entscheidend verbessert. Dieser NPSH-Verlauf überschreitet den vorgegebenen Anlagenwert NPSHA nicht mehr und stellt damit keine NPSH-bedingte Betriebsgrenze Qmin mehr da. Durch die Art der Energiereduzierung des Teillastwirbels PLV und der dadurch reduzierten instationären Wechselwirkung ergeben sich, insbesondere im Betriebsbereich um PLV, verbesserte Strömungsverhältnisse, in deren Folge das NPSH - Verhalten verbessert und eine Pumpenkennlinie stabilisiert wird.In FIG. 9 arranged below FIG. 8, the associated NPSH curves are drawn. The NPSH curve shown in broken lines corresponds to a pump in whose suction channel 9 no grooves are arranged. In contrast, the solid characteristic curve shows a pump, in the suction channel 9 of which several grooves 10 are arranged. The NPSH behavior of such a pump is decisively improved by the partial load vortex PLV, which is greatly reduced in its effect by the grooves 10. This NPSH curve no longer exceeds the predetermined value NPSHA system and thus does not NPSH-related operating limit Q m i n any more. The type of energy reduction of the partial load vortex PLV and the resulting reduced transient interaction, especially in the operating area around PLV, result in improved flow conditions, as a result of which the NPSH behavior is improved and a pump characteristic curve is stabilized.
Es ist somit der Verdienst der Erfinder, erkannt zu haben, daß eine mit Abstand vor dem Laufrad in der Gehäusewand der Saugöffnung/Zulauföffnung angeordnete Profilierung in Form von Nuten ausschließlich auf einen im Teillastbetrieb aus dem Laufrad austretenden Teillastwirbel bremsend einwirkt. Als zusätzlicher überraschender Effekt hat sich ein unverändertes Geräuschverhalten der Kreiselpumpe ergeben. Bereits ausgelieferte und in Anlagen eingebaute Pumpen können damit problemlos umgerüstet werden, da deren Geräuschverhalten auf deren bisherigen Niveau verbleibt. It is thus the merit of the inventors to have recognized that a profile arranged in the housing wall of the suction opening / inlet opening at a distance in front of the impeller has a braking effect only on a part-load vortex emerging from the impeller in part-load operation. An additional surprising effect has been the unchanged noise behavior of the centrifugal pump. Pumps that have already been delivered and installed in systems can be converted easily, as their noise behavior remains at their previous level.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kreiselpumpe, in deren Gehäuse ein oder mehrere Laufräder axialer oder halbaxia- ler, offener oder geschlossener Bauart angeordnet sind und einem ersten Laufrad ein Saugkanal vorangestellt ist, in dessen Wandfläche mehrere über den Umfang verteilte und in Strömungsrichtung verlaufende Nuten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gehäusewand (3) des Saugkanals (9) zwischen einem Laufradeintritt des ersten Laufrades (2) und den nächst gelegenen Enden (11) der Nuten (10) eine geschlossene ringförmige Wandfläche (12) ausgebildet ist, wobei die Nuten (10) ausschließlich mit dem Raum im Saugkanal in Wirkverbindung stehen.1. Centrifugal pump, in the housing of which one or more impellers of axial or semi-axial, open or closed type are arranged and a first impeller is preceded by a suction channel, in the wall surface of which are arranged several grooves distributed over the circumference and running in the direction of flow, characterized that a closed annular wall surface (12) is formed in the housing wall (3) of the suction channel (9) between an impeller inlet of the first impeller (2) and the nearest ends (11) of the grooves (10), the grooves (10 ) are only operatively connected to the room in the suction duct.
2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (10) zwi- sehen stegförmigen Ausbildungen der Gehäusewand (3) angeordnet sind.2. Centrifugal pump according to claim 1, characterized in that the grooves (10) between see web-shaped configurations of the housing wall (3) are arranged.
3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Einsatz, insbesondere eines dünnwandigen, ringförmigen, Nuten (10) oder Stegen aufweisenden Elementes.3. Centrifugal pump according to claim 1 or 2, characterized by an insert, in particular a thin-walled, annular, grooves (10) or webs having element.
4. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene ringförmige Wandfläche (12) eine von der Intensität eines Teillastwirbels (PLV) abhängige axiale Erstreckung in der Größenordnung von 0,005 - 0,02 mal Laufradeintrittsdurchmesser aufweist.4. Centrifugal pump according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the closed annular wall surface (12) has an axial extension in the order of magnitude of 0.005-0.02 times the impeller inlet diameter depending on the intensity of a partial load vortex (PLV).
5. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Nuten (10) oder Stege in der Größenordnung von 0,03 - 0,5 mal Laufradeintrittsdurchmesser liegen. 5. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 4, characterized in that the lengths of the grooves (10) or webs are in the order of 0.03 - 0.5 times the impeller inlet diameter.
6. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefen (t) der Nuten (10) oder die Höhe (h) der Stege in der Größenordnung von 0,005 - 0,02 mal Laufradeintrittsdurchmesser liegen.6. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 5, characterized in that the depths (t) of the grooves (10) or the height (h) of the webs are in the order of 0.005 - 0.02 times the impeller inlet diameter.
7. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Nutbreite b mal Nutanzahl n einem Verhältnis von7. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 4, characterized in that the product of groove width b times the number of grooves n a ratio of
n -b = 0A5-0.65-π-Dn -b = 0A5-0.65-π-D
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