EP2386765A1 - Strömungsführende Einrichtung - Google Patents

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Publication number
EP2386765A1
EP2386765A1 EP11163140A EP11163140A EP2386765A1 EP 2386765 A1 EP2386765 A1 EP 2386765A1 EP 11163140 A EP11163140 A EP 11163140A EP 11163140 A EP11163140 A EP 11163140A EP 2386765 A1 EP2386765 A1 EP 2386765A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
profile
guiding device
extruded profile
support
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11163140A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Bosbach
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 SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KSB AG filed Critical KSB AG
Publication of EP2386765A1 publication Critical patent/EP2386765A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/2205—Conventional flow pattern
    • F04D29/2216—Shape, geometry
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/445—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for liquid pumps

Definitions

  • the invention relates to a flow-guiding device of a turbomachine, wherein the device comprises a blades having, executed as a profile part central part.
  • Such a flow-guiding device is known from DE 10 2007 027 370 A1 as a bent from a single sheet metal wheel known.
  • a material area located between the blades is bent towards the rear side thereof.
  • a disadvantage of this design is that the attachment of the blades on the shaft is very unstable.
  • the GB 1 140 334 A describes an impeller in which the impeller blades are formed by forming a sheet metal disc. Between the blade surfaces of the sheet metal disc connecting means are formed, which in turn are secured to form covered blade channels two cover plates. Such an impeller requires a high material usage.
  • the invention has the object of providing a flow-leading device for energy transfer, comprising a blades having central part of a turbomachine to further develop, the assembly is greatly simplified and the use of materials should be reduced. Furthermore, the object is to develop a method for producing a central part according to the invention.
  • the profile part is formed as a section of an extruded profile.
  • an accordingly long section is separated from an extruded profile, which constitutes the functionally essential central part for the production of said flow-guiding device. From an arbitrarily long extruded profile, numerous sections can be produced, which are processed for example to wheels of the same or different width.
  • a support region In the profile, a distinction is made between a support region and at least one blade region, the blade regions being arranged so as to protrude radially away from the support region. Depending on the given profile, the blade regions form the later blades of a cut profile part in a hydraulically advantageous form.
  • the connection area between the support area and the blade area is referred to as foot point.
  • the arrangement of the blades is particularly advantageous if a positive or negative angle ⁇ between 0 ° and 75 °, in particular between 0 ° and 45, is formed between a radial ray of the support region passing through the base of the blade and a tangent of the center line of the blade region °. Angle specifications in this area lead to advantageous hydraulic properties in a turbomachine.
  • An improvement in the hydraulic properties of the turbomachine can be achieved if the blade region has a curved shape in whole or in part. This improves the energy transfer in the turbomachine.
  • the extruded profile is produced by extrusion, forming or machining.
  • the extruded profile can be plastically formed as an extruded part or machined from an elongated semi-finished or by forming.
  • extruding for example, there is the advantage that the positions of the blades by a shaping die permanently and very are precisely defined. Especially with multiple blades whose shape and arrangement can be precisely determined by the extrusion.
  • the advantage here is that the semi-finished for producing the flow-guiding device, namely the extruded profile, depending on the material and the geometry of the profile can be produced in the most advantageous manner.
  • the blades are at a certain angle to the flow direction of the medium on the profile part. So that the blade areas of a profile part already have the necessary angle of attack in the axial direction, in another embodiment the extruded profile is made helically during production. When using a coiled extruded profile post-processing of the cut profile part is no longer or only to a small extent necessary.
  • torsion angle ⁇ with which the extruded profile is coiled, is highly dependent on the later application. In the simplest case, one will provide a fixed torsion angle ⁇ for the entire extruded profile of any length. The individual sections then have a uniform blade position, regardless of the length of the section.
  • a further improvement of the hydraulic properties can be achieved by already executing the spiraling with variable torsion angle ⁇ in the production of the extruded profile. For the length of the individual sections of the extruded profile a permanent pattern is repeatedly stamped. If the predefined sections are separated from the extruded profile, geometrically similar blades with the advantageous geometry are obtained.
  • the torsion angle should be in the range between 0 ° and 75 ° for the extruded profiles, in particular between 25 ° and 45 °, so the angles of attack of the blades can be optimally adapted to the hydraulic requirements.
  • the support area has connection areas to other components of the turbomachine.
  • the advantage here is that a torque transmission can be done by means of common connection techniques.
  • connection region of the support region is designed as a hub.
  • the hub can be imaged in an advantageous manner, including the introduction of an anti-rotation device of any kind, such as feather key grooves or teeth, already by the extrusion die. A subsequent processing of the section, for example, the drilling of the hub, is eliminated.
  • the component according to the invention can be joined directly to a shaft without further post-processing, whereby a simple and cost-effective production and assembly is possible.
  • a shaft or a shaft journal can be formed as a connection region in the support region of the profile part.
  • a profile is produced during extrusion, the holding area is formed as a cylindrical core.
  • the selected length of a section includes the area with the blades and the adjacent area of the shaft.
  • the blade areas are removed in the area of the shaft, for example by turning off, cutting, bending or the like.
  • the extruded profile is made of plastics, or highly, with different materials, filled plastics.
  • the advantage here is that these are processed by default in extruders and high surface qualities and dimensional accuracy can be achieved.
  • the extruded profile can also be produced from metallic wrought alloys. These are also suitable for processing in the extruder and allow various forms of finishing.
  • the highly filled plastics can also be converted by treatments, such as an outgassing or sintering process, into a ceramic, vitreous or metallic material or composite material. Further treatment, such as infiltration of the converted material to improve material properties, may also be desirable.
  • At least one flow-guiding boundary element is arranged on the profile part.
  • the limiting element is wholly or partially formed as a ring-shaped or disc-shaped component. These designed as a support or cover plate limiting elements increase the efficiency of a centrifugal pump or turbine runner.
  • the treatments for material adjustment are connected to the connection to the boundary element or elements such as deck and / or support plate, for example by soldering or sintering processes.
  • the invention further describes a method for producing a flow-guiding device with the properties shown.
  • a rod-shaped extruded profile with a Supporting area and provided at least one radially projecting blade area. From this extruded profile, a section is separated perpendicular to the longitudinal axis as a profile part in the shape of the extruded profile and on the support area a fastening device is formed.
  • a flow-guiding device such as an impeller for a centrifugal pump can be produced by a few processing steps from a semi-finished product.
  • the profile part is brought to a next step by post-processing in a hydraulically advantageous form.
  • This can be done by machining or reshaping post-processing, the at least one blade area and / or the composite point of the blade area with the holding area.
  • This step can be carried out at a particularly favorable choice of parameters already at the separation of the profile.
  • the extruded profile is coiled with a fixed and / or variable torsion angle ⁇ . This has the advantage that special geometries are made possible, which significantly improve the hydraulic properties of the flow-guiding device.
  • the extrusion can be connected to a support disc and / or a cover plate, whereby both open and closed wheels are produced.
  • a mounting option can be performed on the holding area of the profile part.
  • This method has the advantage that the production of a flow-guiding device, in particular an impeller for a centrifugal pump, is greatly simplified. Likewise, wheels of any width can be produced without significant design effort.
  • the extruded profile is designed as a green body, that a section is taken from the extruded profile, that this section is provided, as required, with support and / or cover plate, which are likewise designed as green bodies, and finally the composite green body is sintered ,
  • the flow-guiding device is integrally sintered executable.
  • the flow-guiding device according to the invention is particularly suitable for use in a centrifugal pump, wherein the centrifugal pump is designed at least one stage and at least one inlet.
  • the advantage here is that the centrifugal pump impeller is easy and inexpensive to produce.
  • FIG. 1 shows an impeller 1, as used in a centrifugal pump, in the open design.
  • an inventive central part 2 is equipped with a support disk 3.
  • the shovels are formed of blade portions 4, whose shape is adapted to the hydraulic stress. In the example shown, the blades have an arcuate course 5.
  • a hub 7 comprises a central hole 8 for receiving a shaft, in particular a drive shaft. Both the blade portions 4 and the hub 7 are fixedly connected to the support disk 3.
  • the connection can be made by joining, soldering, gluing, welding or otherwise.
  • the FIG. 2 a shows an extruded profile 9 as required for the production of the in FIG. 1 shown impeller 1 was used.
  • the extruded profile 9 has the shape of the blade areas 4, which have a curved course 5.
  • An angle ⁇ describes the position of the blade regions 4 projecting radially from the support region 6.
  • the support region 6 simultaneously forms the hub 7.
  • the extruded profile 9 is straight.
  • a torsion of the extruded profile 9 was not made, which is why a torsion angle ⁇ in this case is 0 °.
  • a length L defines the total length of the profile.
  • FIG. 2 b shows a profile part 10 as a section of the in Figure 2 a
  • the extruded profile 10 has a length I, where I ⁇ L.
  • the blade areas 4 are clearly in the form of blades and the support area 6 is designed as a hub 7 for receiving a shaft.
  • This profile part 10 can be used in this form as an impeller 1 in star form for a centrifugal pump.
  • FIG. 3 A shows in side and side view, the example of a simple pupilsschaufeligen profile, the design of an extruded profile 9 without central hole with a torsion angle ⁇ equal to 0 °. Shown are the eight blade areas 4 and the solid support area 6. From the length L of the entire profile, a profile part 10 with the length I can be separated.
  • FIG. 3 b an extruded profile with likewise eight blade areas 4, wherein here in the support area 6, a hub 7 is formed.
  • the illustration of the side view shows that this extruded profile is coiled, ie designed as a helical profile 11, wherein the torsion angle ⁇ is greater than 0 °. From this helical profile 11 profile parts 10 can be separated with the length I, the blade portions 4 have a hydraulically advantageous shape.
  • FIG. 4 an alternative form of the extruded profile 9 is shown with an outer support portion 6 and outgoing inner blade portions 4.
  • the connection area between the support area and the blade area is referred to as foot point.
  • the arrangement of the blades is particularly advantageous if a positive or negative angle ⁇ between 0 ° and 75 ° is formed between a radial jet of the support region passing through the root of the blade and a tangent of the center line of the blade region at the root.
  • the choice of the angle ⁇ depends on the hydraulic requirements.
  • torsion angle ⁇ Different configurations of the torsion angle ⁇ are shown as a function of the length L of the extruded profile.
  • the torsion angle ⁇ can be chosen so that right-handed or left-handed wheels are possible for later use.
  • FIG. 6 shows the various types of wheels 1, which can be made of a profile part 10, which is the portion of a strand profile 9 or helical profile 11 described above.
  • FIG. 6 a shows a section of the extruded profile 9, which has already been finished.
  • the shape of the blade sections 4 has been adapted to the hydraulic requirements as well as to a casing housing the impeller.
  • the support portion 6 is designed with a hub 7 and a hole 8 for receiving a shaft.
  • a star-shaped impeller 1 without support and cover plate can be made in the simplest way.
  • FIG. 6 b shows the impeller 1 of Figure 6 a in which a pressure-side support plate 3 has been added.
  • the geometric shape of the support disk 3 depends on the application of the impeller 1 and is also based on the spatial requirements in the pump housing. Such an impeller shape is also known as an open impeller.
  • the Figure 6 c shows a so-called closed impeller 1, in addition to the structure of the FIG. 6 b still a suction-side cover plate 18 has been attached.
  • the geometric shape of this cover plate 18 depends on the machined portion of the extruded profile 9, the profile part 10 and the application of the impeller 1 and also based on the spatial requirements in the pump housing.
  • FIG. 6 d shows a further variant of the impeller 1, in which a shaft 19 is provided for attachment.
  • the shaft 19 is designed so long that it is possible to attach a seal, preferably a mechanical seal. In this variant, no torque transfer takes place in the fluid-contacted space.
  • FIG. 7 shows a centrifugal pump 20 with a plurality of blades having impeller 1, a support plate 3 and a cover plate 18.
  • a shaft 19 is formed with a seal 21, which is designed here as a mechanical seal and a pump housing 22 of the centrifugal pump 20 seals.
  • a torque 24 will be transmitted from outside a fluid space 23.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsführende Einrichtung in einer Strömungsmaschine, wobei die strömungsführende Einrichtung ein zentrales Teil (2) umfasst, insbesondere ein Schaufeln aufweisendes zentrales Teil (2), das als Profilteil (10) ausgeführt ist, wobei das Profilteil (10) ein Abschnitt eines Strangprofils (9) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine strömungsführende Einrichtung einer Strömungsmaschine, wobei die Einrichtung ein Schaufeln aufweisendes, als Profilteil ausgeführtes zentrales Teil umfasst.
  • Eine solche strömungsführende Einrichtung ist aus der DE 10 2007 027 370 A1 als ein aus einem einzigen Blechschnitt gebogenes Blechlaufrad bekannt. Zur Befestigung auf einer Welle wird ein zwischen den Schaufeln befindlicher Materialbereich zu deren Rückseite hin umgebogen. Nachteilig bei dieser Ausführung ist jedoch, dass die Befestigung der Schaufeln an der Welle sehr instabil ist.
  • Die GB 1 140 334 A beschreibt ein Laufrad, bei dem die Laufradschaufeln durch Umformen einer Blechscheibe gebildet werden. Zwischen den Schaufelflächen der Blechscheibe sind Verbindungsmittel ausgeformt, an denen wiederum zur Bildung abgedeckter Schaufelkanäle zwei Deckscheiben befestigt sind. Ein solches Laufrad erfordert einen hohen Materialeinsatz.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine strömungsführende Einrichtung zur Energieübertragung, umfassend ein Schaufeln aufweisendes zentrales Teil einer Strömungsmaschine, weiterzuentwickeln, wobei die Montage stark vereinfacht und der Materialeinsatz reduziert sein soll. Des Weiteren liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen zentralen Teils zu entwickeln.
  • Die Lösung dieses Problems sieht bei der strömungsführenden Einrichtung vor, dass das Profilteil als ein Abschnitt eines Strangprofils ausgebildet ist. In Abhängigkeit von einer Betriebs-Anforderung wird von einem Strangprofil ein entsprechend langer Abschnitt abgetrennt, der das funktionswesentliche zentrale Teil zur Herstellung der genannten strömungsführenden Einrichtung darstellt. Aus einem beliebig langen Strangprofil lassen sich zahlreiche Abschnitte herstellen, die beispielsweise zu Laufrädern gleicher oder unterschiedlicher Breite verarbeitet werden.
  • Bei dem Profil wird zwischen einem Tragbereich und mindestens einem Schaufelbereich unterschieden, wobei die Schaufelbereiche radial abstehend am Tragbereich angeordnet sind. Die Schaufelbereiche bilden je nach vorgegebenem Profil die späteren Schaufeln eines abgeschnittenen Profilteils in einer hydraulisch vorteilhaften Form aus. Der Verbindungsbereich zwischen dem Tragbereich und dem Schaufelbereich wird als Fußpunkt bezeichnet.
  • Die Anordnung der Schaufeln ist besonders vorteilhaft, wenn zwischen einem durch den Fußpunkt der Schaufel laufenden Radialstrahl des Tragbereiches und einer Tangente der Mittellinie des Schaufelbereiches im Fußpunkt ein positiver oder negativer Winkel β zwischen 0° und 75° ausgebildet ist, insbesondere zwischen 0° und 45°. Winkelvorgaben in diesem Bereich führen zu vorteilhaften hydraulischen Eigenschaften bei einer Strömungsmaschine.
  • Eine Verbesserung der hydraulischen Eigenschaften der Strömungsmaschine lässt sich erzielen, wenn der Schaufelbereich ganz oder teilweise einen bogenförmigen Verlauf aufweist. Dadurch wird die Energieübertragung in der Strömungsmaschine verbessert.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist das Strangprofil durch Strangpressen, Umformen oder spanende Bearbeitung hergestellt. Das Strangprofil kann als Strangpressteil plastisch geformt oder aus einem länglichen Halbzeug spanend oder durch Umformung herausgearbeitet werden. Beim Strangpressen ergibt sich beispielsweise der Vorteil, dass die Positionen der Schaufeln durch eine formgebende Matrize dauerhaft und sehr präzise festgelegt sind. Insbesondere bei mehreren Schaufeln kann deren Form und Anordnung durch das Strangpressen genau festgelegt werden. Von Vorteil ist dabei, dass sich das Halbzeug zur Herstellung der strömungsführenden Einrichtung, nämlich das Strangprofil, in Abhängigkeit vom Material und der Geometrie des Profils auf die jeweils vorteilhafteste Weise herstellen lässt.
  • Zur Verbesserung der hydraulischen Eigenschaften ist es vorteilhaft, wenn am Profilteil die Schaufeln in einem gewissen Winkel zur Fließrichtung des Mediums stehen. Damit die Schaufelbereiche eines Profilteils bereits den notwendigen Anstellwinkel in axialer Richtung aufweisen, wird in einer weiteren Ausführungsform das Strangprofil bei der Herstellung gewendelt ausgeführt. Bei Verwendung eines gewendelten Strangprofils ist eine Nachbearbeitung des abgeschnittenen Profilteils nicht mehr oder nur noch in geringem Umfang notwendig.
  • Die Wahl des Torsionswinkels α, mit dem das Strangprofil gewendelt wird, ist stark abhängig von der späteren Anwendung. Im einfachsten Fall wird man einen festen Torsionswinkel α für das gesamte Strangprofil mit beliebiger Länge vorsehen. Die einzelnen Abschnitte weisen dann eine einheitliche Schaufelstellung auf, unabhängig von der Länge des Abschnitts.
  • Eine weitere Verbesserung der hydraulischen Eigenschaften lässt sich erzielen, indem man bei der Herstellung des Strangprofils bereits die Wendelung mit variablem Torsionswinkel α ausführt. Für die Länge der einzelnen Abschnitte wird dem Strangprofil ein festes Muster wiederkehrend aufgeprägt. Werden die vordefinierten Abschnitte vom Strangprofil abgetrennt, so erhält man geometrisch ähnliche Schaufeln mit der vorteilhaften Geometrie.
  • Der Torsionswinkel sollte bei den Strangprofilen im Bereich zwischen 0° und 75° liegen, insbesondere zwischen 25° und 45°, so lassen sich die Anstellwinkel der Schaufeln optimal auf die hydraulischen Anforderungen anpassen.
  • Zur weiteren Verbesserung der hydraulischen Eigenschaften ist den einzelnen Schaufeln bei der Herstellung des Strang profils, beispielsweise durch Wahl einer entsprechenden Strangpressmatrize, eine gewundene Form gegeben. Ebenso kann diese den einzelnen Bauteilen durch Umformung gegeben werden. Das Umformverfahren wird auf den verwendeten Werkstoff angepasst. Für das Strangprofil sind außerdem Schaufelformen realisierbar, bei denen die Schaufeln am Fußpunkt breiter oder schmaler werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist der Tragbereich Verbindungsbereiche zu anderen Bauteilen der Strömungsmaschine auf. Von Vorteil ist dabei, dass eine Drehmomentübertragung mittels gängiger Verbindungstechniken erfolgen kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Verbindungsbereich des Tragbereichs als Nabe ausgebildet. Die Nabe kann in vorteilhafter Weise inklusive der Einbringung einer Verdrehsicherung jedweder Art, wie Passfeder-Nuten oder Verzahnungen, bereits durch die Strangpressmatrize abgebildet werden. Eine nachträgliche Bearbeitung des Abschnitts, beispielsweise das Bohren der Nabe, entfällt. Das erfindungsgemäße Bauteil kann direkt ohne weitere Nachbearbeitung auf eine Welle gefügt werden, wodurch eine einfache und kostengünstige Herstellung und Montage ermöglicht ist.
  • Alternativ hierzu lässt sich bei dem Tragbereich des Profilteils als Verbindungsbereich eine Welle oder ein Wellenzapfen ausbilden. Hierzu wird beim Strangpressen ein Profil hergestellt, dessen Haltebereich als zylindrischer Kern ausgebildet ist. Die gewählte Länge eines Abschnitts umfasst den Bereich mit den Schaufeln und den angrenzenden Bereich der Welle. Mit einem Bearbeitungsschritt werden in dem Bereich der Welle die Schaufelbereiche entfernt, beispielsweise durch abdrehen, schneiden, umbiegen oder ähnliches. Von Vorteil ist hierbei, dass das derart entstandene Bauteil aus Welle und Schaufeln einstückig ausgebildet ist, wodurch seine Stabilität erhöht wird.
  • Ebenso ist es vorteilhaft, die Länge der Welle so zu wählen, dass zwischen dem Antrieb und dem Laufrad eine Abdichtvorrichtung, insbesondere eine Gleitringdichtung, anordenbar ist. Von Vorteil ist hierbei, dass auf dem einstückigen Bauteil bereits der notwendige Bauraum für die Abdichtung vorgesehen wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Strangprofil aus Kunststoffen, oder hochgradig, mit verschiedenen Werkstoffen, gefüllten Kunststoffen hergestellt. Von Vorteil ist hierbei, dass diese standardmäßig in Extrudern verarbeitet werden und hohe Oberflächenqualitäten und Maßhaltigkeiten zu erreichen sind. Das Strangprofil ist auch aus metallischen Knetlegierungen herstellbar. Diese sind ebenfalls für eine Bearbeitung im Extruder geeignet und ermöglichen verschiedene Formen der Nachbearbeitung.
  • Zudem können die hochgradig gefüllten Kunststoffe auch durch Behandlungen, wie einen Ausgasungs- oder Sinterprozess, in einen keramischen, glasartigen oder metallischen Werkstoff oder Werkstoffverbund umgewandelt werden. Eine weitere Behandlung, wie die Infiltration des umgewandelten Werkstoffes zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften, kann ebenfalls zweckmäßig sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist an dem Profilteil mindestens ein strömungsführendes Begrenzungselement angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass die Strömungsführung durch ein derartiges Begrenzungselement verbessert ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Begrenzungselement ganz oder teilweise als ring- oder scheibenförmiges Bauteil ausgebildet. Diese als Trag- oder Deckscheibe ausgeführten Begrenzungselemente erhöhen den Wirkungsgrad bei einem Kreiselpumpen- oder Turbinenlaufrad.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Behandlungen zur Werkstoffeinstellung verbunden werden mit der Verbindung mit dem oder den Begrenzungselementen wie Deck und / oder Tragscheibe, beispielsweise durch Löt- oder Sinterprozesse.
  • Die Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer strömungsführenden Einrichtung mit den dargestellten Eigenschaften. Bei dem Verfahren wird in einem ersten Schritt ein stangenförmiges Strangprofil mit einem Tragbereich und mindestens einem radial abstehenden Schaufelbereich versehen. Von diesem Strangprofil wird senkrecht zur Längsachse ein Abschnitt als ein Profilteil in der Form des Strangprofils abgetrennt und am Tragbereich wird eine Befestigungsvorrichtung ausgebildet. Von Vorteil ist hierbei, dass durch wenige Bearbeitungsschritte aus einem einfach herstellbaren Halbzeug eine strömungsführende Einrichtung, beispielsweise ein Laufrad für eine Kreiselpumpe herstellbar ist.
  • In einer Variante des Verfahrens wird einem nächsten Schritt das Profilteil durch Nachbearbeitung in eine hydraulisch vorteilhafte Form gebracht. Die kann durch spanende oder umformende Nachbearbeitung, des mindestens einen Schaufelbereichs und / oder der Verbundstelle der Schaufelbereichs mit dem Haltebereich erfolgen. Dieser Schritt kann bei besonders günstiger Wahl der Parameter bereits beim Abtrennen des Profils vorgenommen werden.
  • In einer weiteren Variante des Verfahrens wird das Strangprofil mit einem festen und / oder variablen Torsionswinkel α gewendelt. Dies hat den Vorteil, dass spezielle Geometrien ermöglicht werden, die die hydraulischen Eigenschaften der strömungsführenden Einrichtung deutlich verbessern.
  • In einem weiteren Schritt kann das Strangpressteil mit einer Tragscheibe und / oder einer Deckscheibe verbunden werden, wodurch sowohl offene als auch geschlossene Laufräder herstellbar sind. Abschließend kann am Haltebereich des Profilteils eine Befestigungsmöglichkeit ausgeführt werden.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Herstellung einer strömungsführenden Einrichtung, insbesondere eines Laufrades für eine Kreiselpumpe, stark vereinfacht wird. Ebenso lassen sich Laufräder beliebiger Breite ohne wesentlichen Konstruktionsaufwand herstellen.
  • Für strömungsführende Einrichtungen, die aus keramischen oder hartmetallischen Werkstoffen hergestellt werden, sieht eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass das Strangprofil als Grünkörper ausgeführt wird, dass von dem Strangprofil ein Abschnitt entnommen wird, dass dieser Abschnitt bedarfsweise mit Trag- und / oder Deckscheibe, die ebenfalls als Grünkörper ausgeführt sind, versehen wird und dass abschließend der zusammengesetzte Grünkörper gesintert wird. Von Vorteil ist dabei, dass die strömungsführende Einrichtung einstückig gesintert ausführbar ist.
  • Die erfindungsgemäße strömungsführende Einrichtung eignet sich besonders für den Einsatz in einer Kreiselpumpe, wobei die Kreiselpumpe mindestens einstufig und mindestens einströmig ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Kreiselpumpenlaufrad einfach und kostengünstig herstellbar ist.
  • Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus der Kombination der bisher dargestellten und sind deshalb hier nicht weiter ausgeführt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
    • Figur 1a-b
    ein offenes Laufrad mit einer Deckscheibe, die
    Figur 2a
    ein Strangprofil, die
    Figur 2b
    einen Abschnitt von dem Strangprofil von Figur 2a, die
    Figur 3a
    ein Strangprofil mit Torsionswinkel α=0°, die
    Figur 3b
    ein Strangprofil mit Torsionswinkel α≠0°, die
    Figur 4
    ein Strangprofil mit äußerem Tragbereich, die
    Figur 5
    verschiedene Ausführungsformen des Torsionswinkels, die
    Figur 6a-d
    verschiedene Ausführungen der erfindungsgemäßen Einrichtung und die
    Figur 7
    eine Kreiselpumpe mit der erfindungsgemäßen Einrichtung.
  • Die Figur 1 zeigt ein Laufrad 1, wie es bei einer Kreiselpumpe zum Einsatz kommt, in der offenen Bauart. Dabei ist ein erfindungsgemäßes zentrales Teil 2 mit einer Tragscheibe 3 ausgestattet. Dargestellt sind in Figur 1 a die Aufsicht und in Figur 1b eine isometrische Ansicht des Laufrades 1 mit hier acht Schaufeln. Die Schaufeln sind aus Schaufelbereichen 4 ausgebildet, deren Form auf die hydraulische Beanspruchung abgestimmt ist. Im dargestellten Beispiel haben die Schaufeln einen bogenförmigen Verlauf 5. Über einen Tragbereich 6 sind die Schaufelbereiche 4 einstückig miteinander verbunden. Eine Nabe 7 umfasst ein zentrales Loch 8 zur Aufnahme einer Welle, insbesondere einer Antriebswelle. Sowohl die Schaufelbereiche 4 als auch die Nabe 7 sind mit der Tragscheibe 3 fest verbunden. Die Verbindung kann je nach Werkstoff über Fügen, Löten, Kleben, Schweißen oder anders erfolgen.
  • Die Figur 2 a zeigt ein Strangprofil 9 wie es für die Herstellung des in Figur 1 dargestellten Laufrades 1 verwendet wurde. Das Strangprofil 9 weist die Form der Schaufelbereiche 4 auf, die einen bogenförmigen Verlauf 5 aufweisen. Ein Winkel β beschreibt die Lage der vom Tragbereich 6 radial abstehenden Schaufelbereiche 4. Der Tragbereich 6 bildet gleichzeitig die Nabe 7. Das Strangprofil 9 ist gerade gestaltet. Eine Torsion des Strangprofils 9 wurde nicht vorgenommen, weshalb ein Torsionswinkel α in diesem Fall 0° beträgt. Eine Länge L definiert die Gesamtlänge des Profils.
  • Die Figur 2 b zeigt ein Profilteil 10 als Abschnitt von dem in Figur 2 a dargestellten Strangprofil 9. Das Profilteil 10 hat eine Länge I, wobei I < L ist. Die Schaufelbereiche 4 sind deutlich als Schaufeln und der Tragbereich 6 ist als Nabe 7 zur Aufnahme einer Welle ausgebildet. Dieses Profilteil 10 ist in dieser Form bereits als Laufrad 1 in Sternform für eine Kreiselpumpe nutzbar.
  • Die Figur 3 a zeigt in Auf- und Seitenansicht, am Beispiel eines einfachen achtschaufeligen Profils, die Gestaltung eines Strangprofils 9 ohne Zentralloch mit einem Torsionswinkel α gleich 0°. Dargestellt sind die acht Schaufelbereiche 4 und der massiv ausgebildete Tragbereich 6. Von der Länge L des gesamten Profils lässt sich ein Profilteil 10 mit der Länge I abtrennen.
  • Dagegen zeigt Figur 3 b ein Strangprofil mit ebenfalls acht Schaufelbereichen 4, wobei hier im Tragbereich 6 eine Nabe 7 ausgebildet ist. Die Darstellung der Seitenansicht zeigt, dass dieses Strangprofil gewendelt, also als ein Wendelprofil 11, ausgeführt ist, wobei der Torsionswinkel α größer 0° ist. Von diesem Wendelprofil 11 können Profilteile 10 mit der Länge I abgetrennt werden, deren Schaufelbereiche 4 eine hydraulisch vorteilhafte Form aufweisen.
  • In Figur 4 ist eine alternative Form des Strangprofils 9 mit einem äußerem Tragbereich 6 und davon ausgehenden inneren Schaufelbereichen 4 dargestellt. Der Verbindungsbereich zwischen dem Tragbereich und dem Schaufelbereich wird als Fußpunkt bezeichnet. Die Anordnung der Schaufeln ist besonders vorteilhaft, wenn zwischen einem durch den Fußpunkt der Schaufel laufenden Radialstrahl des Tragbereiches und einer Tangente der Mittellinie des Schaufelbereiches im Fußpunkt ein positiver oder negativer Winkel β zwischen 0° und 75° ausgebildet ist. Die Wahl des Winkels β hängt von den hydraulischen Anforderungen ab.
  • In Figur 5 sind verschiedene Gestaltungen des Torsionswinkels α in Abhängigkeit von der Länge L des Strangprofils dargestellt. Der Torsionswinkel α kann nach der strichpunktierten Kurve 14 gleich bleibend 0° oder gemäß der gestrichelten Kurve 15 einen konstanten Wert ungleich 0° annehmen. Ebenfalls möglich ist eine beliebige längenabhängige Funktion des Torsionswinkels α, wie in der durchgezogenen Kurve 17 dargestellt. Ausgehend vom Nullpunkt bis zu einer Trennlinie 16 des Strangprofils 9 ist mit einer Länge I ein Profilteil 10 mit einem sich periodisch wiederholenden Torsionswinkel α=variabel abtrennbar. Hiermit ist für jedes folgende Profilteil 10 die gleiche Torsionsfolge möglich, wobei die Länge L des Strangprofils 9 einem ganzzahligen Vielfachen Periode der Länge I eines Abschnitts, also eines Profilteils 10, entspricht. Mit einer nachfolgenden Bearbeitung können damit besonders strömungsgünstige Schaufelformen für ein solcherart erstelltes Laufrad 1 erzeugt werden.
  • Der Torsionswinkel α kann so gewählt werden, dass für eine spätere Verwendung rechts- oder linksdrehende Laufräder möglich sind.
  • Die Figur 6 zeigt die verschiedenen Bauformen von Laufrädern 1, die sich aus einem Profilteil 10, das der Abschnitt eines oben beschriebenen Strangprofils 9 oder Wendelprofils 11 ist, herstellen lassen.
  • Die Figur 6 a zeigt einen Abschnitt des Strangprofils 9, der bereits nachbearbeitet ist. Die Form der Schaufelbereiche 4 wurde an die hydraulischen Anforderungen sowie an ein das Laufrad aufnehmendes Gehäuse angepasst. Der Tragbereich 6 ist mit einer Nabe 7 und einem Loch 8 für die Aufnahme einer Welle ausgeführt. Ein sternförmiges Laufrad 1 ohne Trag- und Deckscheibe kann so auf einfachste Weise gefertigt werden.
  • Die Figur 6 b zeigt das Laufrad 1 der Figur 6 a, bei dem eine druckseitige Tragscheibe 3 angefügt wurde. Die geometrische Form der Tragscheibe 3 hängt von der Anwendung des Laufrades 1 ab und orientiert sich zusätzlich an den räumlichen Vorgaben im Pumpengehäuse. Eine solche Laufradform ist auch als offenes Laufrad bekannt.
  • Die Figur 6 c zeigt ein sogenanntes geschlossenes Laufrad 1, bei dem zusätzlich zum Aufbau der Figur 6 b noch eine saugseitige Deckscheibe 18 angebracht wurde. Die geometrische Form dieser Deckscheibe 18 hängt von dem bearbeiteten Abschnitt des Strangprofils 9, dem Profilteil 10 und der Anwendung des Laufrades 1 ab und orientiert sich ebenfalls an den räumlichen Vorgaben im Pumpengehäuse.
  • Die Figur 6 d zeigt eine weitere Variante des Laufrades 1, bei dem eine Welle 19 zur Befestigung vorgesehen ist. Die Welle 19 ist hierbei so lang ausgeführt, dass es möglich ist, eine Dichtung, vorzugsweise eine Gleitringdichtung, anzubringen. Bei dieser Variante erfolgt im fluidberührten Raum keine Drehmomentübergabe.
  • Die Figur 7 zeigt eine Kreiselpumpe 20 mit einem mehrere Schaufeln aufweisenden Laufrad 1, einer Tragscheibe 3 und einer Deckscheibe 18. Entsprechend der Ausführung nach Figur 6 d ist eine Welle 19 mit einer Dichtung 21 ausgebildet, die hier als Gleitringdichtung ausgeführt ist und ein Pumpengehäuses 22 der Kreiselpumpe 20 abdichtet. Auf die Welle 19 wird von außerhalb eines Fluidraumes 23 ein Drehmoment 24 übertragen werden.
  • Details, wie sie für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Einrichtung beispielsweise in einer Kreiselpumpe 20 notwendig sind, lassen sich einfach einarbeiten. So besteht die Möglichkeit, übliche Einrichtungen von Kreiselpumpen, wie hier exemplarisch als Spaltbereich 25 dargestellt, in vorteilhafter Weise an dem Laufrad 1 vorzusehen.
    • Bezugszeichenliste
    • α
    Torsionswinkel
    β
    Winkel
    L
    Länge des Profils
    I
    Länge des Abschnitts
    1
    Laufrad
    2
    zentrales Teil
    3
    Tragscheibe
    4
    Schaufelbereich
    5
    5bogenförmiger Verlauf
    6
    Tragbereich
    7
    Nabe
    8
    Loch
    9
    Strangprofil
    10
    Profilteil
    11
    Wendelprofil
    12
    Tangente
    13
    Mittellinie
    14
    Kurve α gleich 0°
    15
    Kurve α konstant ungleich 0°
    16
    Trennebene
    17
    freie Kurve α(L)
    18
    Deckscheibe
    19
    Welle
    20
    Kreiselpumpe
    21
    Dichtung
    22
    Pumpengehäuse
    23
    Fluidraum
    24
    Drehmoment
    25
    Spaltbereich

Claims (22)

  1. Strömungsführende Einrichtung einer Strömungsmaschine, wobei die Einrichtung ein Schaufeln aufweisendes, als Profilteil (10) ausgeführtes, zentrales Teil (2) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Profilteil (10) ein Abschnitt eines Strangprofils (9) ist.
  2. Strömungsführende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangprofil (9) einen Tragbereich (6) und mindestens einen Schaufelbereich (4) aufweist, der in radial abstehender Anordnung mit dem Tragbereich (6) verbunden ist.
  3. Strömungsführende Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Tragbereich (6) und Schaufelbereich (4) ein Winkel (β) zwischen 0° und 75° ausgebildet ist, insbesondere zwischen 0° und 45°.
  4. Strömungsführende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelbereich (4) ganz oder teilweise einen bogenförmigen Verlauf (5) aufweist.
  5. Strömungsführende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangprofil (9) durch Strangpressen, Umformen oder spanende Bearbeitung hergestellt ist.
  6. Strömungsführende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangprofil (9) ein Wendelprofil (11) ist.
  7. Strömungsführende Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wendelprofil (11) einen festen und / oder variablen Torsionswinkel (α) aufweist.
  8. Strömungsführende Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionswinkel (α) im Bereich zwischen 0° und 75°, insbesondere zwischen 25° und 45°, liegt.
  9. Strömungsführende Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragbereich (6) Verbindungsbereiche zu anderen Bauteilen der Strömungsmaschine aufweist.
  10. Strömungsführende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragbereich (6) als Nabe (7) ausgebildet ist.
  11. Strömungsführende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragbereich (6) als Welle (19) oder Wellenzapfen ausgebildet ist.
  12. Strömungsführende Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Tragbereich (6) eine Dichtung (21), insbesondere eine Gleitringdichtung, angeordnet ist.
  13. Strömungsführende Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangprofil (9) aus Kunststoff, hochgefülltem Kunststoff, Kunststoff-Metall-Gemisch oder Metall hergestellt ist.
  14. Strömungsführende Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hochgradig gefüllten Kunststoffe durch einen Ausgasungs- oder Sinterprozess in einen keramischen, glasartigen oder metallischen Werkstoff oder Werkstoffverbund umgewandelt sind.
  15. Strömungsführende Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Profilteil (10) mindestens ein strömungsführendes Begrenzungselement, insbesondere Trag- (3) und / oder Deckscheibe (18), angeordnet ist.
  16. Strömungsführende Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungselement ganz oder teilweise als ring- oder scheibenförmiges Bauteil ausgebildet ist.
  17. Verfahren zur Herstellung einer strömungsführenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass ein stangenförmiges Strangprofil (9) mit einem Tragbereich (6) und mindestens einem radial abstehenden Schaufelbereich (4) versehen wird, dass senkrecht zur Längsachse des Strangprofils (9) ein Abschnitt als ein Profilteil (10) in der Form des Strangprofils (9) abgetrennt wird und dass am Tragbereich (6) eine Befestigungsvorrichtung ausgebildet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Profilteil (10) durch Nachbearbeitung des strömungsführenden Schaufelbereichs (4) eine hydraulisch vorteilhafte Form ausgebildet wird.
  19. Verfahren zur Herstellung einer strömungsführenden Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangprofil (9) bei der Herstellung mit einem festen und / oder variablen Torsionswinkel (α) gewendelt wird,
  20. Verfahren zur Herstellung einer strömungsführenden Einrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Profilteil (10) mit einer Tragscheibe (3) und / oder einer Deckscheibe (18) versehen wird.
  21. Verfahren zur Herstellung einer strömungsführenden Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangprofil (9) als Grünkörper ausgeführt wird, dass von dem Strangprofil (9) ein Profilteil (10) entnommen wird, dass dieses Profilteil (10) bedarfsweise mit Trag- (3) und / oder Deckscheibe (18), die ebenfalls als Grünkörper ausgeführt sind, versehen wird und dass abschließend der zusammengesetzte Grünkörper gesintert wird
  22. Kreiselpumpe (20), wobei die Kreiselpumpe (20) mindestens einstufig und mindestens einströmig ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiselpumpe (20) mit einer strömungsführenden Einrichtung, insbesondere einem Kreiselpumpenlaufrad (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgestattet ist.
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