EP1977114B1

EP1977114B1 - Laufrad

Info

Publication number: EP1977114B1
Application number: EP07702382A
Authority: EP
Inventors: Günther Beez; Holger Conrad
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2007-01-20
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2027-01-20
Also published as: US8469671B2; ATE471458T1; JP2009524759A; DE112007000708A5; WO2007085231A1; EP1977114A1; DE502007004127D1; JP4927097B2; DE102006003727A1; US20090016895A1

Description

Die Erfindung betrifft geschlossene Laufräder für Kreiselpumpen zur Förderung von homogenen Flüssigkeiten, insbesondere für den Einsatz in Kfz-Kühlsystemen.
Im Stand der Technik sind verschiedene Bauformen von geschlossenen Laufräder vorbeschrieben.
So wir beispielsweise in der DE-PS 843 812 eine Bauform eines Laufrades für Kreiselpumpen zur Förderung von inhomogenen Stoffen (Stoffen mit erhöhtem Gas- oder Feststoffgehalt) vorbeschrieben, welche sich durch eine spezielle Kanal- und Flügelradgestaltung auszeichnet mittels der versucht wird die übliche entmischende Wirkung des Zentripedalfeldes der Kreiselpumpen aufzuheben. Diese dort vorgestellte Anordnung zeichnet sich insbesondere durch höchstens vier Hauptschaufeln aus zwischen denen am äußeren Umfang Mischschaufeln angeordnet sind.
Diese Anordnung stellt einen Kompromiss zur Förderung von inhomogenen Stoffen dar. Mittels dieser in der DE-PS 843 812 vorgestellten Anordnung und Schaufelradauslegung kann jedoch keinesfalls eine optimale Förderung von Flüssigkeiten beispielsweise hinsichtlich des Wirkungsgrades, des Druckaufbaues, der Kennlinienstabilität usw. realisiert werden. Zudem ist ein derartiges Laufrad kostenaufwändig in der Herstellung und kann zudem keinesfalls einteilig als geschlossenes Laufrad hergestellt werden.
Eine andere Bauform eines Schaufelrades zur Förderung von inhomogenen Stoffen wird in der CH-PS 269 595 , die als nächstlieger Stand der Technik angesehen wird, vorbeschrieben. Hierbei wird zur Förderung von gashaltigen Fördermedien in allen praktisch vorkommenden Konsistenzen neben einer (um einen Winkel α) negative Schaufelüberdeckung eine zusätzliche Querschnittszunahme vom Eintritt zum Austritt des Laufradkanals hin vorgeschlagen um ganz bewusst im Kanal durch Ablösung eine Unterdruckzone zu erzwingen, die dann eine Förderung von gashaltige Fördermedien in praktisch allen vorkommenden Konsistenzen ermöglicht. Doch auch diese Anordnung ermöglicht keinesfalls eine optimale Förderung von homogenen Flüssigkeiten insbesondere hinsichtlich deren Betriebsparameter wie Wirkungsgrad, Saugverhalten, Druckaufbau, Förderhöhe, Kennlinienstabilität usw..
Alle im Stand der Technik zur Förderung von homogenen Flüssigkeiten vorbeschriebenen geschlossenen Laufräder, ob nun in der Bauform als Radialschaufelräder mit zwei- bzw. dreidimensional gekrümmten Schaufeln oder aber in der Bauform als Francis-, oder Diagonalschaufelräder mit ausschließlich dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln, verfügen, um eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Fördermediums im Laufrad zu bewirken, im Schnitt durch die Rotationsachse und den Strömungskanal, d.h. im Meridianschnitt stets über eine gegenüber der Eintrittsbreite (b1) reduzierte Austrittsbreite (b2) des Schaufelkanals.
Eine dieser Bauformen mit einfach gekrümmten Schaufeln und rechteckigem Strömungskanalquerschnitt wird beispielsweise in der DE-PS 195 747 vorgestellt.
Bei einer anderen, beispielsweise in der DE-PS 897 801 vorgestellten geschlossenen Laufradbauform bleibt die Kanalbreite zunächst im Bereich des Strömungseintrittes gleich und verjüngt sich dann zum Strömungsaustritt hin.
Infolge dieser, im Meridianschnitt gegenüber der Eintrittsbreite (b1) reduzierten Austrittsbreite (b2) des Schaufelkanals ist die Fertigung von geschlossenen Laufradbauformen für Kreiselpumpen mit einem deutlich erhöhten Fertigungsaufwand gegenüber der relativ unkomplizierten Fertigung von offenen Laufradauformen für die Kreiselpumpensysteme verbunden.
Die offenen Laufradbauformen werden in der Regel einstückig im Plastspritzverfahren aus Kunststoff, beispielsweise aus einem Thermoplast- oder einem Duroplastwerkstoff hergestellt.
Auch die geschlossenen Bauformen der Laufrädern können aus Kunststoff hergestellt werden.
Doch hierzu muss zunächst ein offenes Schaufelrad mit ein- oder zweidimensional gekrümmten Schaufeln gefertigt werden welches dann in einem nachfolgenden Arbeitsschritt mit einer separat gefertigten Deckscheibe zu einem geschlossenen Laufrad verbunden wird.
Andererseits können geschlossene Laufräder mit ein- oder zweidimensional gekrümmten Schaufeln aber auch mit Hilfe von geteilten Schiebern beispielsweise einteilig als Plastspritzgussteile hergestellt werden.
Es entfällt dann zwar ein Arbeitsschritt der Montage der Deckscheibe, doch treten dann auch zwangsläufig deutlich höhere Werkzeugkosten auf.
Generell weisen geschlossenen Laufrädern mit räumlich gekrümmten Schaufeln gegenüber geschlossenen Laufräder mit zweidimensional gekrümmten Schaufeln (z.B. mit rechteckigem Strömungskanalquerschnitt, wie in der DE PS 195 747 vorgestellt) bei gleicher Förderleistung einen größeren spezifischen Durchmesser, ein schlechteres Saugverhalten und auch eine erhöhte Kavitationsgefährdung auf.
Zudem beträgt der erreichbare hydraulische Wirkungsgrad von geschlossenen Laufräder mit einfach gekrümmten Schaufeln maximal 70 %.
Demgegenüber kann mit geschlossenen (schnelllaufenden) Laufrädern mit räumlich gekrümmten Schaufeln ein hydraulischer Wirkungsgrad von bis zu 87 % erreicht werden.
Das wesentliche Hindernis für den großtechnischen Einsatz von geschlossenen schnelllaufenden Laufräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln, beispielsweise für den Einsatz als Laufräder in Kühlmittelpumpen im Motoren- und Automobilbau war jedoch seit jeher deren sehr komplizierte, und daher kostenintensive Herstellung.
Die für Kühlmittelpumpen zwangsläufig relativ kleinen und zudem sehr kompliziert aufgebauten Laufräder mit ihren räumlich gekrümmten Schaufeln mussten auf Grund ihrer komplizierten Entformbarkeit vorwiegend als Feingussteil im Wachsausschmelzverfahren oder im Sandformgussverfahren sehr kostenintensiv hergestellt werden und waren daher für den Großserieneinsatz ungeeignet.
Hinzu kam noch, dass bei diesen relativ kleinen Bauformen die Möglichkeiten zum Putzen und Polieren der Gussflächen im Inneren des Laufrades sehr stark begrenzt sind, so dass darüber hinaus die erzielbare Oberflächengüte ebenfalls sehr stark eingeschränkt war.
Infolge dieser fertigungsbedingt zwangsläufig verbleibenden, relativ hohen Oberflächenrauhigkeit wurde auch der maximal erzielbare Wirkungsgrad sehr stark beeinträchtigt.
Vom Anmelder der hier vorliegenden Erfindung wurde daher in der DE 197 42 023 B4 eine neuartige Bauform für geschlossene schnelllaufende Laufräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln vorgeschlagen, welche sich neben exakt definierten Schaufelformen, einer hohen Schaufeloberflächengüte, guten Rundlaufeigenschaften, einer hohen Zuverlässigkeit, einen minimierten Fertigungs- und Montageaufwand sowie einem hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
Diese in der DE 197 42 023 B4 vorgeschlagene und im praktischen Einsatz vielfach bewährte Bauform ist durch eine Segmentierung des Laufrades gekennzeichnet, wobei die Teilung des jeweiligen Laufrades stets im Bereich der Schaufeln erfolgt und dabei zu einfach entformbaren, beispielsweise auch aus Kunststoff kostengünstig zu fertigenden Laufradsegmenten führt.
Diese einzelnen Laufradsegmente werden nach ihrer Fertigung in einem separaten Arbeitsschritt zu einem Laufrad mit räumlich gekrümmten Schaufeln zusammengefügt und dabei mittels einer Bodenscheibe und/oder eines Spannringes miteinander verspannt.
Der in der Serienfertigung zumeist Einsatz findende Laufradwerkstoff Kunststoff ermöglicht dabei neben einer kostengünstigen Fertigung der einzelnen Bauteile und einer relativ kostengünstig erzielbaren, hohen Oberflächengüte, einen geringen Reibungswiderstand, eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Fördermedium wie auch eine hohe Beständigkeit gegenüber Kavitationserscheinungen.
Die Kavitation entsteht im Betriebszustand des Laufrades in Bereichen mit niedrigem Druckniveau, d.h. bei einem Druck unterhalb des Dampfdruckes des Fördermediums, die Auswirkungen der Kavitation, d.h. die Implosion der Kavitationsblasen und der aus dieser Implosion resultierende Verschleiß, die Kavitationserosion tritt jedoch stets erst in den Bereichen mit erhöhtem Druck, d.h. zumeist nach dem Laufrad auf.
Diese dort angeordneten, dem Laufrad in Strömungsrichtung "nachgeschalteten" Bauteile und Baugruppen sind das Pumpengehäuse und/oder durch Integration der Pumpe in den Motor, der Steuergehäusedeckel, das Zylinderkurbelgehäuse, der Zylinderkopf o.ä..
Diese "nachgeschalteten" Bauteile sind bei den modernen Motoren jedoch zumeist aus Aluminiumguss hergestellt.
Im Vergleich zum Kunststoff weist der Aluminiumguss eine sehr viel schlechtere Beständigkeit gegenüber der Kavitationserosion auf, so dass eine sich in Bereichen mit niedrigem Druckniveau im Laufrad aufbauende Kavitation zu Schädigungen durch Kavitationserosion an den dem Laufrad nachgeordneten Bauteilen und Baugruppen aus Aluminiumguss führt, welche dann nach längeren Dauerbetrieb zu einen Totalausfall dieser Bauteile/Baugruppen führen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine neuartige Bauform von geschlossene Laufräder für Kreiselpumpen zur Förderung von homogenen Flüssigkeiten, insbesondere für den Einsatz in Kühlmittelpumpen, zu entwickeln, welche es ermöglicht sowohl geschlossene Laufräder mit einfach gekrümmten Schaufeln, wie auch geschlossene Laufräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln kostengünstig herzustellen, die Auswirkungen des Kavitationsverschleißes an den dem Laufrad nachgeschalteten Bauteilen/Baugruppen zu minimieren und dabei gleichzeitig den hydraulischen Wirkungsgrad und das Saugverhalten der jeweiligen Laufradbauform deutlich zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines Laufrades gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Breite des Schaufelkanals im Meridianschnitt vergrößert sich vom Strömungseintritt in das Laufrad bis zum Strömungsaustritt aus dem Laufrad kontinuierlich derart, dass das Verhältnis der Austrittsbreite (b2) zur Eintrittsbreite (b1) im Bereich zwischen 1,01 und 1,2 liegt.
Infolge dieser kontinuierlich sich erweiternden Austrittsbreite (b2) wird sowohl bei geschlossenen Laufrädern mit einfach gekrümmten Schaufeln, wie auch bei geschlossene Laufräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln eine wesentliche Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit zum Laufradaustritt hin bewirkt.
Diese erfindungsgemäß erzielte Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit im Laufrad bewirkt unter Beachtung der Energiebilanz (P/ρ+w² = konstant; mit P - statischer Druck; ρ - Dichte des Strömungsmediums; w - Strömungsgeschwindigkeit) zwangsläufig eine Erhöhung des statischen Druckes im Innern des Laufrades.
Auf Grund des im Innern des Laufrades dabei erfindungsgemäß gewollten Druckanstieges wird der Bereich der Implosion der Kavitationsblasen und damit auch der aus dieser Implosion der Kavitationsblasen resultierende Verschleiß, die Kavitationserosion aus den dem Laufrad nachgeordneten Bauteilen und Baugruppen in das aus Kunststoff hergestellte Laufrad verlegt.
Da der Kunststoff des Laufrades im Vergleich zum Aluminiumguss (der dem Laufrad nachgeordneten Bauteile) eine wesentlich höhere Beständigkeit gegenüber Kavitationserosion aufweist, werden durch die erfindungsgemäße Lösung infolge der erfindungsgemäßen Wirkung der Verlagerung des Bereiches der Kavitationserosion in das Laufrad zwangsläufig die Auswirkungen des Kavitationsverschleißes an den dem Laufrad nachgeschalteten Bauteilen/Baugruppen auf ein Minimum reduziert, bzw. gänzlich vermieden.
In Abhängigkeit von der für Druckaufbau benötigten Strömungsgeschwindigkeit und dem jeweiligen Austrittswinkel kann die Austrittsbreite (b2) fachgemäß (beispielsweise nach dem "Geschwindigkeitsdreieck") dimensioniert werden. Dabei kann die größere Austrittsbreite über sonstige Parameter wie beispielsweise einen kleineren Austrittswinkel, die Schaufeldicke usw. kompensiert werden.
Alle seitens des jeweiligen Anwenders geforderten Leistungsdaten wie Förderhöhe und Volumenstrom können nach den im Stand der Technik üblichen Berechnungsmethoden zur Dimensionierung des jeweiligen Laufrades berücksichtigt werden, so dass auch mittels dieser neuartigen, erfindungsgemäß ausgebildeten Laufräder alle vom jeweiligen Anwender geforderten Leistungsdaten zuverlässig erreicht und mittels der erfindungsgemäßen Lösung übertroffen werden können.
Erfindungsgemäß sollte das Verhältnis der Austrittsbreite (b2) zur Eintrittsbreite (b1) stets im Bereich zwischen 1,01 und 1,2 liegen, da mit größer werdender Austrittsbreite (b2) verstärkt Rezirkulationen im Laufrad auftreten, welche dann zu einer Ablösung der Strömung führen.
Derartige Rezirkulationen werden im Stand der Technik bei verschiedenen Bauformen von Laufrädern zur Förderung von inhomogenen Stoffen bewusst herbei geführt, haben jedoch zwangsläufig zur Folge das sich dadurch das Saugverhalten verschlechtert und der Wirkungsgrad absenkt.
Fertigungstechnisch ist in diesem Zusammenhang besonders hervorzuheben, daß infolge der speziell gestalteten Laufradgeometrie mit einer sich kontinuierlich vergrößernden Breite des Schaufelkanals im Meridianschnitt vom Strömungseintritt in das Laufrad bis zum Strömungsaustritt aus dem Laufrad auch eine Entformung von geschlossenen Laufräder mit einfach und räumlich gekrümmten Schaufeln, und damit eine Fertigung der erfindungsgemäßen Laufräder als einteilige Kunststoffteile möglich wird, so dass sich der Fertigungsaufwand für die erfindungsgemäßen Laufräder gegenüber der Fertigung von herkömmlichen Laufräder wesentlich vereinfacht, wobei mittels der erfindungsgemäßen Lösung selbst kleine Baugrößen mit einen hohen hydraulischen Wirkungsgrad und einem hohen Saugverhalten einfach und kostengünstig herstellbar sind.
Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Lösung nun an Hand von drei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit zwölf Figuren näher erläutert werden.
Dabei zeigen die :

Figur 1:: die Draufsicht auf ein Radialschaufelrad;
Figur 2:: die Seitenansicht eines Radialschaufelrades nach Figur 1 im Schnitt bei A-A gemäß einer Bauform nach der DE 197 42 023 B4 ;
Figur 3:: die Seitenansicht des Radialschaufelrades nach Figur 1 im Schnitt bei A-A nach der erfindungsgemäßen Bauform;
Figur 4:: die Draufsicht auf ein Francisschaufelrad;
Figur 5 :: die Seitenansicht eines Francisschaufelrades nach Figur 4 im Schnitt bei B-B gemäß einer Bauform nach der DE 197 42 023 B4 ;
Figur 6:: die Seitenansicht des Francisschaufelrades nach Figur 4 im Schnitt bei B-B nach der erfindungsgemäßen Bauform;
Figur 7:: die Draufsicht auf ein Diagonalschaufelrad;
Figur 8:: die Seitenansicht eines Diagonalschaufelrades nach Figur 7 im Schnitt bei C-C gemäß einer Bauform nach der DE 197 42 023 B4 ;
Figur 9:: die Seitenansicht des Diagonalschaufelrades nach Figur 7 im Schnitt bei C-C nach der erfindungsgemäßen Bauform.

In der Figur 1 ist ein als Radialschaufelrad mit einfach gekrümmten Schaufeln 3 ausgebildetes Flügelrad 1 in der Draufsicht dargestellt.
Die Figur 2 zeigt nun die Seitenansicht eines Radialschaufelrades nach Figur 1 im Schnitt bei A-A gemäß der in der DE 197 42 023 B4 vorbeschriebenen "segmentierten Bauweise" mit dem Boden 2, den Schaufeln 3, einer Decke 4 sowie einem die Schaufelsegmente miteinander verbindenden Spannring 5, und wie im Stand der Technik üblich, einer gegenüber der Eintrittsbreite b1 deutlich reduzierten Austrittsbreite b2.
In der Figur 3 ist die Seitenansicht des Radialschaufelrades nach Figur 1 im Schnitt bei A-A in der erfindungsgemäßen Bauform, einteilig, mit dem Boden 2, den Schaufeln 3 und der Decke 4 dargestellt, wobei (entgegen der im Stand der Technik üblichen Dimensionierung) die Austrittsbreite b2 erfindungsgemäß gegenüber der Eintrittsbreite b1 vergrößert ist.
In der Figur 4 ist ein als Francisschaufelrad mit räumlich gekrümmten Schaufeln 3 ausgebildetes Flügelrad 1 in der Draufsicht dargestellt.
Die Figur 5 zeigt nun die Seitenansicht eines Francisschaufelrades nach Figur 4 im Schnitt bei B-B gemäß der in der DE 197 42 023 B4 vorbeschriebenen "segmentierten Bauweise" mit dem Boden 2, den Schaufeln 3, einer Decke 4 sowie einem die Schaufelsegmente miteinander verbindenden Spannring 5, und wie im Stand der Technik üblich, einer gegenüber der Eintrittsbreite b1 deutlich reduzierten Austrittsbreite b2.
In der Figur 6 ist die Seitenansicht des Francisschaufelrades nach Figur 4 im Schnitt bei B-B nach der erfindungsgemäßen Bauform, einteilig, mit dem Boden 2, den Schaufeln 3 und der Decke 4 dargestellt, wobei (entgegen der im Stand der Technik üblichen Dimensionierung) die Austrittsbreite b2 erfindungsgemäß gegenüber der Eintrittsbreite b1 vergrößert ist.
In der Figur 7 ist ein als Diagonalschaufelrad mit räumlich gekrümmten Schaufeln 3 ausgebildetes Flügelrad 1 in der Draufsicht dargestellt.
Die Figur 8 zeigt nun die Seitenansicht eines Diagonalschaufelrades nach Figur 7 im Schnitt bei C-C gemäß der in der DE 197 42 023 B4 vorbeschriebenen "segmentierten Bauweise" mit dem Boden 2, den Schaufeln 3, einer Decke 4 sowie einem die Schaufelsegmente miteinander verbindenden Spannring 5, und wie im Stand der Technik üblich, einer gegenüber der Eintrittsbreite b1 deutlich reduzierten Austrittsbreite b2
In der Figur 9 ist die Seitenansicht des Diagonalschaufelrades nach Figur 7 im Schnitt bei C-C nach der erfindungsgemäßen Bauform, einteilig, mit dem Boden 2, den Schaufeln 3 und der Decke 4 dargestellt, wobei (entgegen der im Stand der Technik üblichen Dimensionierung) die Austrittsbreite b2 erfindungsgemäß gegenüber der Eintrittsbreite b1 vergrößert ist.
Auf Grund dieser erfindungsgemäßen Vergrößerung Austrittsbreite b2 gegenüber der Eintrittsbreite b1 ist es gelungen, infolge dieser speziell gestalteten Laufradgeometrie mit einer sich kontinuierlich vergrößernden Breite des Schaufelkanals im Meridianschnitt vom Strömungseintritt in das Laufrad bis zum Strömungsaustritt aus dem Laufrad, sowohl geschlossene Laufräder mit einfach gekrümmten Schaufeln, wie auch geschlossene Laufräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln kostengünstig als einteilige Kunststoffteile herzustellen, die Auswirkungen des Kavitationsverschleißes an den dem Laufrad nachgeschalteten Bauteilen/Baugruppen zu minimieren und dabei gleichzeitig den hydraulischen Wirkungsgrad und das Saugverhalten der jeweiligen Laufradbauform deutlich zu verbessern.

Bezugszeichenzusammenstellung

1: Laufrad
2: Boden
3: Schaufel
4: Decke
5: Spannring

b1: Eintrittsbreite
b2: Austrittsbreite

Claims

Laufrad in geschlossener Bauform für Kreiselpumpen zur Förderung von homogenen Flüssigkeiten, insbesondere für den Einsatz in Kfz-Kühlsystemen, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als einteiliges Kunststoffteil hergestellt ist dessen Breite des Schaufelkanals im Meridianschnitt sich vom Strömungseintritt in das Laufrad bis zum Strömungsaustritt aus dem Laufrad kontinuierlich derart vergrößert, dass das Verhältnis der Austrittsbreite (b2) zur Eintrittsbreite (b1) im Bereich zwischen 1,01 und 1,2 liegt.