EP3317544B1

EP3317544B1 - Freistrompumpe

Info

Publication number: EP3317544B1
Application number: EP16733062.0A
Authority: EP
Inventors: Alexander Christ; Jochen Fritz; Christoph Jäger; Toni Klemm; Steffen Schmidt; Rolf Witzel
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2036-06-27
Also published as: EP3317544A1; PL3317544T3; CN107810331B; CN107810331A; US20180187692A1; RU2018103265A; US10738792B2; AU2016288451A1; RU2018103265A3; SA517390579B1; SI3317544T1; BR112017027545A2; RU2705785C2; DE102015212203A1; HUE056972T2; BR112017027545B1; CA2990990C; DK3317544T3; PT3317544T; AU2016288451B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Freistrompumpe mit einem Laufrad, das Schaufeln zur Förderung feststoffhaltiger Medien aufweist.
Solche Freistrompumpen 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 beispielsweise 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 Laufradaustritt 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. Druckstutzens. Damit dieser maximal mögliche Kugeldurchgang bei herkömmlichen Freistrompumpen erreicht wird, muss auch innerhalb des Gehäuses der Abstand der Schaufelfront 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.
Die JP-A-2013181459 zeigt eine selbstansaugende Kreiselpumpe mit einer druck- und saugseitigen Deckscheibe und einem Radialrad mit langen Schaufeln und kurzen Zwischenschaufeln. Aufgrund der vorhandenen freien Eintrittskanten sind diese Schaufeln als Freistromradschaufeln ungeeignet.
Das Laufrad der FR-A-1404875 ist zumindest teilweise abgedeckt und für ein Gas-Flüssigkeit-Gemisch ausgelegt. Aufgrund der freien Eintrittskanten sind deren Schaufeln nicht geeignet zur Förderung feststoffhaltiger Medien, deren Feststoffe sich an den Schaufeleintrittskanten verfangen würden.
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 Nabenvorsprung 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 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 Schaufelteilung 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 Laufrad 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 Abschrägungswinkel von weniger als 8°, insbesondere weniger als 7°, erfolgt.
Weitere Merkmale 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 dargestellt 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° zueinander 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 120°. Der Abstand 14 der Schaufeln 7 innerhalb der Bündel 12 besitzt einen Winkel der Schaufelteilung 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 Winkel der Schaufelteilung zwischen den Bündeln 12 sind ein ganzzahliges Vielfaches der Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel 12.
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 Schaufelteilung von 84°. Der Abstand 14 der Schaufeln 7 innerhalb der Bündel 12 besitzt einen Winkel der Schaufelteilung von 48°. Damit sind die Winkel der Schaufelteilung zwischen den Bündeln um den Faktor 1,75 größer als die Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel 12. Die Winkel der Schaufelteilung zwischen den Bündel 12 sind somit kein ganzzahliges Vielfaches der Winkel der Schaufelteilung innerhalb der Bündel 12.
Figur 6 zeigt einen Blick in die Freistrompumpe, bei der ein Laufrad 2 in dem Pumpengehäuseteil 15 angeordnet ist. Bei dem Gehäuse handelt es sich um ein Spiralgehäuse. Durch einen Druckstutzen 17 verlässt das feststoffhaltige Medium die Freistrompumpe.
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 Abnahme steht im Verhältnis zu einer Bezugsebene 16, die in Figur 8 teilweise gestrichelt dargestellt ist. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Abnahme mit einen Abschrägungswinkel α 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 Kugel 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 11 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: $A + b = D$
Die Tiefe b lässt sich wie folgt berechnen: $b = a - \sqrt{a^{2} - {(\frac{c}{2})}^{2}}$

Claims

Freistrompumpe mit einem Laufrad (2), das Schaufeln (7) zur Förderung feststoffhaltiger Medien aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
Schaufeln (7) in Bündeln (12) angeordnet sind, wobei der Abstand (14) der Schaufeln (7) innerhalb der Bündel (12) kleiner ist als der Abstand (13) der Bündel (12) zueinander, wobei der Abstand (14) der Schaufeln (7) innerhalb der Bündel (12) und der Abstand der Bündel (12) zueinander als Winkel der Schaufelteilung angegeben sind.
Freistrompumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bündel (12) mindestens zwei Schaufeln (7) aufweist.
Freistrompumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bündel (12) höchstens vier Schaufeln (7) umfasst.
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.
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 als 80°, betragen.
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.
Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (2) mit den Schaufeln (7) einstückig ausgebildet ist.
Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (2) und/oder die Schaufeln (7) aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise einem Gusswerkstoff, gefertigt sind.
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.
Freistromrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bündel (12) eine gleiche Anzahl an Schaufeln (7) umfasst.
Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündel (12) um 180° versetzt zueinander angeordnet sind.
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).
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.
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 (α) von mehr als 2°, insbesondere mehr als 3° und/oder weniger als 8°, insbesondere weniger als 7°, erfolgt.
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.
Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schaufeln (7) die gleiche Krümmung aufweisen.
Freistrompumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (7) innerhalb der Bündel (12) unterschiedliche Krümmungen aufweisen.