EP3317544A1 - Freistrompumpe - Google Patents

Freistrompumpe

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EP3317544A1
EP3317544A1 EP16733062.0A EP16733062A EP3317544A1 EP 3317544 A1 EP3317544 A1 EP 3317544A1 EP 16733062 A EP16733062 A EP 16733062A EP 3317544 A1 EP3317544 A1 EP 3317544A1
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EP
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free
bundles
blades
flow pump
pump according
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Alexander Christ
Jochen Fritz
Christoph Jäger
Toni Klemm
Steffen Schmidt
Rolf Witzel
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KSB SE and Co KGaA
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    • F05B2260/60—Fluid transfer
    • F05B2260/63—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • Such free-flow pumps are also referred to as vortical pumps whose capacity is transmitted from a rotating disk provided with blades, the so-called free-flow, to the flow medium.
  • Free-flow impellers are particularly suitable for conveying media mixed with solid admixtures, such as dirty water.
  • the free-flow impeller is a radial impeller which has a large passage for the solids contained in the pumped medium and is less susceptible to interference.
  • FIG. 3 is a plan view of the free-flow impeller as shown in FIG. 2;
  • the impeller 2 is arranged in a pump housing 15.
  • the front side of the free-flow impeller 2 has at its outer edge a distance A to the inside of the suction-side housing part 11.
  • the distance A is preferably defined as the distance that a normal, which is perpendicular to the suction side
  • Figure 5 shows a plan view of the impeller 2 as shown in Figure 4.
  • the distance 13 between the bundles 12 has an angle of Schaufelteiiung of 84 °.
  • the distance 14 of the blades 7 within the bundles 12 has an angle of 48 ° Schaufelteiiung.
  • the angles of the vanes between the bundles are by a factor of 1.75 greater than the angles of the vane pitch within the bundles 12.
  • the angles of blade pitch between the frets! 12 are thus not an integer multiple of the angles of the blade pitch within the bundles 12.

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Abstract

Freistrompumpe mit einem Laufrad (2). Das Laufrad (2) weist Schaufeln (7) zur Förderung feststoffhaltiger Medien auf. Die Schaufeln (7) sind in Bündeln (12) angeordnet. Der Abstand (14) der Schaufeln (7) innerhalb der Bündel (12) ist kleiner als der Abstand (13) der Bündel (12) zueinander.

Description

Beschreibung
Freistrompumpe
Die Erfindung betrifft eine Freistrompumpe mit einem Laufrad, das Schaufeln zur Förderung feststoffhaltiger Medien aufweist.
Solche Freistrom pumpen werden auch als Wirbelpumpen bezeichnet, deren Förderleistung von einer rotierenden mit Schaufeln versehenen Scheibe, dem sogenannten Freistromrad, auf das Strömungsmedium übertragen wird. Freistromräder eignen sich besonders zur Förderung von mit festen Beimengungen versetzten Medien, wie bei- spielsweise Schmutzwasser. Das Freistromrad ist ein Radialrad, das einen großen Durchgang für die im Fördermedium enthaltenen Feststoffe hat und wenig störanfällig ist.
In der WO 2004/065796 A1 wird eine Freistrompumpe zur Förderung von mit festen Beimengungen versetzten Flüssigkeiten beschrieben. Zwischen dem Laufrad und der saugseitigen Gehäusewand besteht ein Abstand, damit Festkörper die Freistrompumpe ohne Verstopfungen passieren können. Der Übergang der saugseitigen Gehäusewand zu der Wand des radial zum Laufrad gelegenen Gehäuseraums erfolgt stufenlos. Der Gehäuseraum ist asymmetrisch gestaltet.
In der EP 1 616 100 B1 wird eine Freistrompumpe beschrieben, deren Laufrad aus einer mit offenen Schaufeln bestückten Tragscheibe besteht. Die Schaufeln weisen unterschiedliche Höhen auf. Eine saugseitige Gehäusewand verläuft konisch. Der Abstand der Gehäusewand zu den Vorderkanten der höheren Schaufeln des Laufrads nimmt mit dem Durchmesser ab. Eine Passage mit einer Mindesterstreckung folgt gleichbleibend einer Vorderkante einer zum Laufrad austritt hin geneigten Schaufel geringerer Höhe. Als Kugeldurchgang wird ein freier, unverengter Laufraddurchgang bezeichnet. Er beschreibt den größten zulässigen Durchmesser der Feststoffe, um einen verstopfungsfreien Durchgang zu gewährleisten. Er wird als Kugeldurchmesser in Millimeter angegeben. Der Kugeldurchgang entspricht maximal der Nennweite des Saug- bzw. Druck- Stutzens. Damit dieser maximal mögliche Kugeldurchgang bei herkömmlichen Freistrompumpen erreicht wird, muss auch innerhalb des Gehäuses der Abstand der Schaufeifront zur saugseitigen Gehäusewand ebenfalls mindestens der Nennweite des Saug- bzw. Druckstutzens entsprechen. Überschreitet der schaufellose Raum zwischen der Schaufelfront und der gegenüberliegenden Gehäusewand ein gewisses Maß, reduziert sich die Effizienz der Freistrompumpe. Je größer der Abstand zwischen dem Laufrad und der saugseitigen
Gehäusewand ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad der Freistrompumpe. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Freistrompumpe anzugeben, die Medien auch mit größeren Feststoffen fördern kann und dabei einen bauartgemäß möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist. Die Freistrompumpe soll sich durch eine möglichst kostengünstige Herstellungsweise auszeichnen und eine hohe Lebensdauer gewährleisten. Zudem soll die Freistrompumpe möglichst vielfältig einsetzbar und wenig störanfällig sein, sowie einen günstigen NPSH-Wert aufweisen. Kavitationsschäden sollen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Freistrompumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß sind auf dem Freistromrad die Schaufeln in Bündeln angeordnet. Dabei ist der Abstand der Schaufeln innerhalb der Bündel kleiner als der Abstand der Bündel zueinander. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird ein ausreichender Kugeldurchgang bei einem hohen Förderungswirkungsgrad der Pumpe gewährleistet. Die bündelweise Anordnung der Schaufeln auf der Tragscheibe erlaubt es, den Abstand zwischen der zulaufseitigen Gehäusewand und der Schaufelfront zu reduzieren und dabei dennoch einen ausreichenden Kugeldurchgang zu gewährleisten. Da die Abstände zwischen den Bündeln größer sind als die Abstände der Schaufeln in den Bündeln, wird auch für den Fall, dass der Abstand der Schaufelfront des Laufrades kleiner ist als der Innendurchmesser des Saugstutzens bzw. des Druckstutzens ein ausreichend großer Kugeldurchgang gewährleistet. Dadurch werden Verstopfungen vermieden und gleichzeitig eine hohe Effizienz bei der Förderung erreicht. Die gebündelte Anordnung der Schaufeln erlaubt es, den Abstand des Laufrades zur saugseitigen
Gehäusewand zu reduzieren, ohne dass es zu Verstopfungen kommt. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Freistrompumpe gesteigert.
Vorzugsweise beträgt der Abstand der Schaufelfront des Laufrades weniger als 90 %, insbesondere weniger als 80 %, des Durchmessers des Saugmundes bzw. des Innendurchmessers des Saugstutzens.
Jedes Bündel umfasst mindestens zwei Schaufeln. Als besonders günstig erweisen sich Bündel mit jeweils zwei oder drei Schaufeln. Bei einer Variante der Erfindung umfasst jedes Bündel vier Schaufeln.
Die Tragscheibe des Freistromrades weist einen zur Saugseite ausgebildeten Naben- vorsprung auf, an dem die Schaufeln angreifen. Die Schaufeln stehen von der Tragscheibe in saugseitiger Richtung hervor und weisen einen entgegen der Drehrichtung gekrümmten Verlauf auf. Dabei können alle Schaufeln die gleiche Krümmung aufweisen. Bei einer alternativen Variante weisen die Schaufeln unterschiedliche Krümmungen auf. So können beispielsweise innerhalb eines Bündels Schaufeln mit unterschiedlicher Krümmung angeordnet sein. Zweckmäßigerweise beträgt der Abstand der Schaufeln in den Bündeln weniger als 90 %, vorzugsweise weniger als 80 %, insbesondere weniger als 70 %, des Abstandes der Bündel zueinander. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst das Freistromrad zwei Bündeln an Schaufeln, die vorzugsweise um 180° versetzt zueinander angeordnet sind. Dabei erweist es sich als günstig, wenn jedes Bündel die gleiche Anzahl an Schaufeln umfasst.
Die Abstände der Schaufeln innerhalb der Bündel und/oder die Abstände der Bündel zueinander werden vorzugsweise als Winkel der Schaufelteilung angegeben. Erfindungsgemäß sind die Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel kleiner als die Winkel der Schaufelteilung zwischen den Bündeln.
Zweckmäßigerweise betragen die Winkel der Schaufelteilung zwischen den Bündeln mehr als 60°, vorzugsweise mehr als 70°, insbesondere mehr als 80°. Es erweist sich günstig, wenn die Winkel der Schaufeiteilung innerhalb der Bündel weniger als 70°, vorzugsweise weniger als 60°, insbesondere weniger als 50°, betragen.
Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung ist das Laufrad mit den Schaufeln einstückig ausgebildet. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Lauf- rad und/oder die Schaufeln aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sind. Vorzugsweise kommt dabei ein Gusswerkstoff zum Einsatz.
Bei einer Variante der Erfindung sind die Winkel der Schaufelteilung zwischen den Bündeln kein ganzzahliges Vielfaches der Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel, so dass die bündelweise Anordnung nicht auf ein Laufrad mit Schaufeln gleicher Winkelteilung zurückzuführen ist, bei dem einzelne Schaufeln weggelassen werden.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung nimmt die Höhe der Schaufeln in radialer Richtung im Verhältnis zu einer Bezugsebene ab. Die Abnahme erfolgt vorzugsweise mit einem Abschrägungswinkel von mehr als 2°, insbesondere mehr als 3°. Als günstig erweist es sich wenn die Abnahme der Höhe der Schaufeln mit einem Ab- schrägungswinkel von weniger als 8°, insbesondere weniger als 7°, erfolgt.
Weitere Merkmaie und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt:
Figur 1 einen schematischen Meridianschnitt durch eine Freistrompumpe,
Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Freistromrades mit zwei Bündeln, die jeweils zwei Schaufeln aufweisen,
Figur 3 eine Draufsicht des Freistromrades gemäß der Darstellung in Figur 2,
Figur 4 eine perspektivische Darstellung eines Freistromrades mit zwei Bündeln, die jeweils drei Schaufeln aufweisen,
Figur 5 eine Draufsicht des Freistromrades gemäß der Darstellung in Figur 4,
Figur 6 eine Anordnung eines Freistromrades in einem Pumpengehäuse,
Figur 7 eine Draufsicht eines Freistromrades mit einer Schnittlinie A-A, Figur 8 eine Schnittdarstellung entlang der Line A-A des in Figur 7 dargestellten
Freistromrades.
In Figur 1 ist eine Freistrompumpe dargestellt, in deren Gehäuse 1 ein Laufrad 2 positioniert ist. Das Laufrad 2 ist drehfest mit einer Welle verbunden, die in Figur 1 nicht dar- gestellt ist. Der Befestigung des Laufrades 2 dient ein Nabenkörper 4, der eine Bohrung 5 zum Eindrehen einer Schraube aufweist. Das Laufrad 2 ist als Freistromrad ausgebildet. Auf einer Tragscheibe 6 des Laufrades 2 sind mehrere Schaufeln 7 angeordnet. Zwischen dem Laufrad 2 und der einlassseitigen Gehäusewand 8 wird ein schaufelfreier Raum 9 gebildet.
Der Saugmund 10 wird von einem saugseitigen Gehäuseteil 11 gebildet. Der
Saugmund 10 bildet einen Eintritt für das feststoffhaltige Medium und weist einen Durchmesser D auf. Das saugseitige Gehäuseteil 11 ist als Saugdeckel ausgebildet.
Das Laufrad 2 ist in einem Pumpengehäuse 15 angeordnet. Die Frontseite des Freistromrades 2 weist an ihrem äußeren Rand einen Abstand A zur Innenseite des saugseitigen Gehäuseteils 11 auf. Dabei ist der Abstand A vorzugsweise als die Strecke definiert, den eine Normale, welche senkrecht zur saugseitigen
Gehäusewand 8 steht, zum äußeren Rand der Schaufelfront des Laufrades 2 hat. Der Abstand A ist kleiner als der Durchmesser D.
Die Höhe h der Schaufeln 7 nimmt in radialer Richtung ab, so dass die Schaufelfront einen leicht schrägen oder kegelförmigen Verlauf aufweist
Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Laufrades 2, das als Freistromrad ausgebildet ist. Bei dem Laufrad 2 handelt es sich um ein offenes Radialrad, das keine Deckscheibe aufweist.
Auf der Tragscheibe 6 sind zwei Bündel 12 an Schaufeln 7 angeordnet. Jedes Bündel 12 umfasst jeweils zwei Schaufeln 7. Die beiden Bündel 12 sind um 180° zueinan- der versetzt am Nabenkörper 4 des Laufrades 2 angeordnet.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht des Laufrades 2 gemäß der Darstellung in Figur 2. Der Abstand 13 zwischen den Bündeln besitzt einen Winkel der Schaufelteilung von 20°. Der Abstand 14 der Schaufeln 7 innerhalb der Bündel 12 besitzt einen Winkel der Schaufelteiiung von 60°. Damit sind die Winkel Schaufelteilung zwischen den Bündeln 12 um den Faktor 2 größer als die Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel. Die Winke! der Schaufelteilung zwischen den Bündeln 12 sind ein ganzzahliges Vielfaches der Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel 2.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Laufrades 2, bei der auf einer Tragscheibe 6 zwei Bündel 12 an Schaufeln 7 angeordnet sind, wobei jedes Bündel 12 jeweils drei Schaufeln 7 umfasst. Die beiden Bündel sind um 180° zueinander versetzt am Nabenkörper 4 des Laufrades 2 angeordnet.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht des Laufrades 2 gemäß der Darstellung in Figur 4. Der Abstand 13 zwischen den Bündeln 12 besitzt einen Winkel der Schaufelteiiung von 84°. Der Abstand 14 der Schaufeln 7 innerhalb der Bündel 12 besitzt einen Winkel der Schaufelteiiung von 48°. Damit sind die Winkel der Schaufelteiiung zwischen den Bündeln um den Faktor 1 ,75 größer ais die Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel 12. Die Winkel der Schaufelteilung zwischen den Bünde! 12 sind somit kein ganzzahli- ges Vielfaches der Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel 12.
Figur 6 zeigt einen Bück in die Freistrompumpe, bei der ein Laufrad 2 in dem
Pumpengehäuseteit 15 angeordnet ist. Bei dem Gehäuse handelt es sich um ein Spiralgehäuse. Durch einen Druckstutzen 17 verlässt das feststoffhaltlge Medium die Frei- strompumpe.
Figur 7 zeigt das Laufrad 2 gemäß der Darstellung in Figur 6 mit einer Schnittlinie A-A. In Figur 8 ist ein Schnitt entlang dieser Linie A-A dargestellt. Die Höhe h der Schaufeln 7 nimmt in radialer Richtung, das heißt zum Laufradaußendurchmesser hin, ab. Die Ab- nähme steht im Verhältnis zu einer Bezugsebene 16, die in Figur 8 teilweise gestrichelt dargestellt ist. Im Ausführungsbeispie! erfolgt die Abnahme mit einen Abschrägungs- winkel a von 5°.
Figur 8 zeigt eine Kugel 18 in einer oberen und einer unteren Position. Die Kugel 18 hat einen Durchmesser d und einem Radius a. Gemäß der unteren Position der Kuge! 18 taucht die Kugel 18 um eine Tiefe b in die Räume des Laufrades 2 zwischen den Bündeln 12 ein. Dieses eintauchende Segment der Kugel hat eine Sekante c. Durch erfindungsgemäße Anordnung der Schaufeln 7 in Bündeln 12 ist es für eine Kugel möglich, die einen Durchmesser d aufweist, der dem Durchmesser des Saugmunds D entspricht, um eine Tiefe b in die Räume zwischen den Bündeln 12 einzutauchen. Dadurch kann der Abstand A der Schaufelfront zur saugseitigen Gehäusewand 1 um diese Tiefe b gegenüber dem Durchmesser d verringert werden, so dass die Freistrompumpe einen höheren Wirkungsgrad aufweist und dennoch den maximalen Kugeldurchgang d des Durchmessers D des Saugmundes 10 gewährleistet. Zwischen dem Abstand A, der Tiefe b und dem Durchmesser D besteht folgender Zusammenhang:
A + b = D (Formel 1).
Die Tiefe b iässt sich wie folgt berechnen:
(Formel 2).

Claims

Patentansprüche Freistrompumpe
1. Freistrompumpe mit einem Laufrad (2), das Schaufein (7) zur Förderung feststoff- haltiger Medien aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
Schaufein (7) in Bündeln (12) angeordnet sind, wobei der Abstand (14) der Schaufeln (7) innerhalb der Bündel (12) kleiner ist als der Abstand ( 3) der Bündel (12) zueinander.
2. Freistrompumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bündel (12) mindestens zwei Schaufeln (7) aufweist.
3. Freistrompumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bündel (12) höchstens vier Schaufeln (7) umfasst.
4. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (14) der Schaufeln (7) in den Bündeln (12) weniger als 90 %, insbesondere weniger als 80 %, des Abstandes der Bündel (12) zueinander beträgt.
5. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel der Schaufelteilung zwischen den Bündeln (12) mehr als 60°, vorzugsweise mehr als 70°, insbesondere mehr ais 80°, betragen.
6. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel (12) weniger als 70°, vorzugsweise weniger als 60°, insbesondere weniger als 50°, betragen.
7. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (2) mit den Schaufeln (7) einstückig ausgebildet ist.
8. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (2) und/oder die Schaufeln (7) aus einem metallischen Werk- stoff, vorzugsweise einem Gusswerkstoff, gefertigt sind.
9. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) der Schaufelfront am äußeren Radius des Laufrades (2) zur saugseitigen Gehäusewand (11) weniger als 90 %, insbesondere weniger als 80 %, des Durchmessers (D) der Eintrittsöffnung und/oder der Austrittsöffnung beträgt.
10. Freistromrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bündel (12) eine gleiche Anzahl an Schaufeln (7) umfasst.
11. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündel (12) um 180° versetzt zueinander angeordnet sind.
12. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel der Schaufelteilung zwischen den Bündeln (12) um mehr als den
Faktor 1 ,2, vorzugsweise mehr als den Faktor 1 ,4, insbesondere mehr als den Faktor 1 ,6, größer sind ist als die Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel (12).
13. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel der Schaufelteilung zwischen den Bündeln (12) kein ganzzahliges Vielfaches der Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel (12) sind.
14. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Schaufeln (7) in radialer Richtung abnimmt, wobei die Abnahme vorzugsweise mit einen Abschrägungswinkel (a) von mehr als 2°, insbesondere mehr als 3° und/oder weniger als 8°, insbesondere weniger als 7°, erfolgt.
15. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Bündeln (12) Räume zum Eintauchen einer Kugel um eine Tiefe (b) angeordnet sind.
16. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schaufeln (7) die gleiche Krümmung aufweisen.
17. Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (7) innerhalb der Bündel (12) unterschiedliche Krümmungen aufweisen.
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