EP4179212A1 - Impellereinheit, pumpe, raketentriebwerk und verfahren zur herstellung einer impellereinheit - Google Patents

Impellereinheit, pumpe, raketentriebwerk und verfahren zur herstellung einer impellereinheit

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Publication number
EP4179212A1
EP4179212A1 EP21743076.8A EP21743076A EP4179212A1 EP 4179212 A1 EP4179212 A1 EP 4179212A1 EP 21743076 A EP21743076 A EP 21743076A EP 4179212 A1 EP4179212 A1 EP 4179212A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
section
impeller
inducer
inlet
blades
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.)
Pending
Application number
EP21743076.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Traudt
Christopher Groll
Dietmar Maier
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.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4179212A1 publication Critical patent/EP4179212A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F04D29/02—Selection of particular materials
    • F04D29/026—Selection of particular materials especially adapted for liquid pumps
    • 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
    • F04D29/2261—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures
    • F04D29/2277—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures for increasing NPSH or dealing with liquids near boiling-point
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/50—Building or constructing in particular ways
    • F05D2230/53—Building or constructing in particular ways by integrally manufacturing a component, e.g. by milling from a billet or one piece construction

Definitions

  • the invention relates to an impeller unit for a pump and a pump with an impeller unit.
  • the invention further relates to a rocket engine with a pump and a method for producing an impeller unit for a pump.
  • Entry duck leads to a more efficient use of z. B. in a tanker available tank volume.
  • a low pump inlet pressure i.e. a low tank pressure
  • a low pump inlet pressure i.e. a low tank pressure
  • radial pumps with one or more stages are used.
  • an axial stage, the so-called inducer, also called inducer is connected upstream of these radial stages, which consist of a rotor enclosed by a collector, also known as an impeller. Intense runners as well
  • the aim of using an inducer is to increase the pump inlet pressure by around 10% before the fluid hits the downstream radial stage. This is to ensure that no cavitation occurs in the radial stage.
  • cavitation at the inducer inlet is expected in most cases and incorporated into the design of this component.
  • Cavitation zones form from the blade tips, both in the inducer and in the radial stage. They grow e.g. B. with falling inlet pressure or increasing speed. As the cavitation zones spread, more and more of the space between two consecutive blades is blocked, which is reflected in a falling head and efficiency of the pump.
  • cavitation is a dynamic phenomenon. Cavitation zones can occur on different blades, jump between adjacent blades in and against the direction of rotation of the impeller, and detach with variable frequencies. This in turn leads to more dynamic
  • the object of the invention is to create an impeller unit for a pump which has improved cavitation properties.
  • a further object is to create a pump with an impeller unit which has improved cavitation properties.
  • a further object is to provide a rocket engine with a pump which has improved cavitation properties.
  • a further object is to specify a cost-effective method for producing such an impeller unit for a pump.
  • An impeller unit for a pump with an inlet and an outlet for a fluid flow, comprising an impeller section arranged in the axial direction and an inducer section arranged coaxially in the axial direction upstream of the impeller section.
  • the inducer section has vanes to direct fluid flow in the axial direction onto vanes of the
  • the impeller section has blades arranged on a base plate in order to guide the fluid flow coming from the inducer section into the outlet, which is arranged radially on the outside, for example.
  • the impeller section and the inducer section are designed to be integrated as one component, which is encased in a closed manner from the inlet to the outlet.
  • the blades of the inducer section can be passed directly into the blades of the impeller section.
  • the inlet of the impeller unit can be arranged, for example, in the axial direction, while the outlet can be formed, for example, circumferentially radially on the outside.
  • radial inlet impeller units and pump assemblies are also possible.
  • a major problem with conventionally manufactured open inducers is the occurrence of crevice flow through the gap between the blade tip and the pump housing. This gap is necessary to avoid contact between the rotating parts and the housing, as the concentricity and rigidity of the rotating parts are limited. Another increase in
  • the wake turbulence caused by the gap flow leads to the interaction between the successive blades, which can favor the dynamic loads.
  • This vortex is also the first point at which cavitation can occur in the pump under adverse operating conditions, and eventually from the
  • Blade tip can grow towards the hub of the inducer.
  • the leading edge in the prior art is usually designed with a sickle, ie in an arc against the direction of rotation from root to tip. This increases the gap flow at the entrance to the inducer. While this reduces the efficiency of the pump, it leads to increased resistance to the occurrence of adverse effects of cavitation, such as abrasion on loaded components. It moves the beginning of the channel formed entirely by two consecutive blades further downstream, away from the blade leading edge. Since cavitation always begins at the front edges, this ensures that the cavitation zone that forms collapses again over a larger operating range before it reaches the fully enclosed channel, where it leads to blockage and the associated drop in pump head.
  • the crescent also favors the gap flow. With the higher gap flow, the recirculation zone caused by the gap flow can continue to rise upstream in the inlet, counter to the flow. This also creates the associated wake turbulence further upstream from the inducer inlet and the probability of a
  • gap flows can no longer occur. This can have a negative impact on the efficiency of the impeller unit according to the invention
  • the size of the arrangement of inducer section and impeller section can be compared to the usual arrangement as a separate
  • the design of the inducer section and the impeller section as separate components is associated with increased complexity.
  • the components must have precisely manufactured contact surfaces via which they can be connected in a non-positive and/or positive manner.
  • the grinding work required for this drives up the costs and production time of the pump.
  • the inducer section and the impeller section can be formed in one piece.
  • at least the inducer section and the impeller section can be manufactured using an additive manufacturing process.
  • the one-piece design of the closed, encased impeller unit has the advantage that an additional connection between the inducer and the impeller can be avoided.
  • the impeller unit can be made particularly compact in this way.
  • the integrated component of a closed, encased impeller unit cannot be manufactured using conventional machining, foundry or powder metallurgy manufacturing methods. Manufacturing studies have advantageously identified a combination of material, additive manufacturing and surface finishing that can produce the integrated component with the quality of a traditionally manufactured inducer or impeller.
  • alloys based on titanium for example TieAUV
  • Components made of pure titanium cannot be produced by casting, while such alloys are particularly suitable for additive manufacturing and components manufactured with it can also advantageously withstand the loads occurring during pump operation.
  • the inducer section and the impeller section can have a radially encircling, continuous shroud which extends from the inlet to the outlet.
  • the blades of the inducer section can be encased radially on the outside and the blades of the impeller section can be covered upstream.
  • the component integrated in this way rotates in a pump housing like a conventional impeller.
  • the shroud can ensure a tight seal at the blade tips of the inducer section.
  • the blades of the impeller section can be in a favorable
  • Embodiment be covered parallel to the base plate.
  • the shroud can have a cylindrical sleeve which is arranged on the radially outward-pointing tips of the blades of the auxiliary rotor section.
  • the shroud can have a disk which is arranged on tips of the blades of the impeller section pointing away from the base plate.
  • Inducer section, impeller section and shroud be integrally formed.
  • the one-piece design of the closed, encased impeller unit has the advantage that an additional connection between the inducer, impeller and shroud can be avoided.
  • the impeller unit can be made particularly compact in this way.
  • the integrated component of a closed jacketed impeller unit cannot be manufactured using foundry technology or powder metallurgy.
  • the integrated component can be made using a combination of material, additive manufacturing processes and surface finishing
  • Impeller section, inducer section and shroud are advantageously made with the quality of a conventionally manufactured inducer or impeller.
  • the inducer section, impeller section and shroud can be manufactured using an additive manufacturing process.
  • the integrated component of a closed, encased impeller unit cannot be manufactured with conventional production methods of machining technology, foundry technology or powder metallurgy.
  • the integrated component can advantageously be manufactured with the quality of a conventionally manufactured inducer or impeller.
  • Materials that are compatible with the high pressures and forces during operation of the impeller unit such as alloys based on titanium, for example TieAUV, are particularly favorable.
  • Components made of pure titanium cannot be produced by casting, while such alloys are particularly suitable for additive manufacturing and components manufactured with it can also advantageously withstand the loads occurring during pump operation.
  • the combination of material, here a titanium alloy, and the closed casing of the impeller unit is advantageously supported by the additive manufacturing process.
  • the impeller unit can be designed as a built component.
  • the shroud in one of the production of the integrated component from the impeller section and
  • the impeller unit can be designed to be made of several parts.
  • the hub with blades is manufactured separately from the shroud.
  • the shroud is subsequently attached to the blade tips and covers the blades in such a way that the inducer section and the impeller section are covered with a closed casing.
  • the impeller section and the inducer section can be arranged on a common hub.
  • the hub can be designed in one piece with the impeller section and the inducer section. This results in favorable precise running behavior of the impeller section and the inducer section in the housing of the pump with small gap dimensions.
  • the one-piece design results in a favorable connection and alignment of the various sections to one another.
  • Front edges of the blades of the inducer section can advantageously be arranged in a radial direction.
  • leading edges can be designed to be radially directed in a manner that is simpler in terms of production technology.
  • the inlet can have a closing profile that is convexly rounded in the radial direction against an inflow direction of the fluid.
  • the front edge of the impeller unit In order to ensure optimal guidance of the fluid flow, the front edge of the
  • Shroud representing the inlet of the inducer section can be radiused. A reduction of possible turbulences can thus be advantageously achieved.
  • Vanes of the inducer section may be blended from the inlet into the vanes of the impeller section to the outlet.
  • the blades of the inducer section run through the entire impeller unit from the inlet to the outlet.
  • the flow guidance of the incoming fluid stream can thus be advantageously influenced.
  • Flow resistance and the size of the impeller unit can be reduced as a result.
  • additional partial blades can be arranged between the blades of the impeller section on the base plate. Additional splitter blades, or splitter blades, can be added to the radial portion of the impeller section to optimize flow direction through the blades
  • a pump comprising a housing with an impeller unit and with a suction-side inlet and a pressure-side outlet for a fluid flow, the inlet of the housing being connected to an inlet of the impeller unit and an outlet of the impeller unit being connected to the outlet of the
  • the impeller unit comprises an impeller section arranged in an axial direction, and an inducer arranged coaxially in the axial direction upstream of the impeller section.
  • the inducer section has vanes for axial flow of fluid
  • the impeller section has blades arranged on a base plate in order to guide the fluid flow coming from the inducer section, for example into the outlet arranged radially on the outside.
  • the impeller section and the inducer section are designed to be integrated as one component, which is encased in a closed manner from the inlet to the outlet.
  • This shroud can be advantageous over the tips of the blades of inducer section and
  • Run impeller section The component integrated in this way rotates in a pump housing like a conventional impeller.
  • the shroud ensures a tight seal at the blade tips of the inducer section
  • Carrier systems is of great importance.
  • the size of the arrangement of the inducer section and the impeller section can thus be reduced compared to the usual arrangement as separate components.
  • a minimum distance between the inducer section and the impeller section must be maintained to achieve optimal fluid flow. This is no longer necessary with the solution according to the invention.
  • a further advantage of using the pump arrangement described above in rocketry is that, in contrast to stationary refueling and defuelling, pumps with the impeller unit described here can be operated over a wider operating range than would be possible with traditional designs. This is particularly desirable for applications where extremely variable thrust rates are required, e.g. landing maneuvers of reusable rocket stages or landing approaches of different land vehicles.
  • Inducer section and the impeller section can be integrally formed.
  • at least the inducer section and the impeller section can be manufactured using an additive manufacturing process.
  • the one-piece design of the closed, encased impeller unit has the advantage that an additional connection between the inducer and the impeller can be avoided.
  • the impeller unit can be made particularly compact in this way.
  • the integrated component of a closed, encased impeller unit cannot be manufactured using conventional machining, foundry or powder metallurgy manufacturing methods. Manufacturing studies have advantageously identified a combination of material, additive manufacturing and surface finishing that can produce the integrated component with the quality of a traditionally manufactured inducer or impeller.
  • alloys based on titanium for example TieAUV
  • Components made of pure titanium cannot be produced by casting, while such alloys are particularly suitable for additive manufacturing and components manufactured with it can also advantageously withstand the loads occurring during pump operation.
  • the inducer and the impeller section can have a radially encircling, continuous shroud which extends from the inlet to the outlet.
  • the blades of the inducer can be encased radially on the outside and the blades of the impeller section can be covered upstream.
  • the component integrated in this way rotates in a pump housing like a conventional impeller.
  • the shroud can ensure a tight seal at the blade tips of the inducer section.
  • the shroud can have a cylindrical sleeve, which is arranged on the radially outward-pointing tips of the blades of the inducer. Furthermore, the shroud can have a disk, which is arranged on tips of the blades of the impeller section pointing away from the base plate.
  • the disk can be circular, for example, but other geometric shapes are also possible if required. This geometric design of the shroud results in a very stable arrangement of the casing of the impeller unit, so that overall a compact design of the pump can be implemented.
  • the inducer, impeller section and shroud can be designed in one piece.
  • the inducer section, impeller section and shroud can be manufactured using an additive manufacturing process.
  • the integrated component of a fully encased impeller unit cannot be manufactured with conventional production methods of machining technology, foundry technology or powder metallurgy.
  • the integrated component can be made using a combination of material, additive manufacturing processes and surface finishing
  • Impeller section, inducer section and shroud are advantageously made with the quality of a conventionally manufactured inducer or impeller.
  • Materials that are compatible with the high pressures and forces during operation of the impeller unit such as alloys based on titanium, for example TieAUV, are particularly favorable.
  • Components made of pure titanium cannot be produced by casting, while such alloys are particularly suitable for additive manufacturing and components manufactured with it can also advantageously withstand the loads occurring during pump operation.
  • a flow channel can be formed in the housing, surrounding the impeller unit radially on the outside, which is delimited by gaps between the impeller unit and the housing, with a leakage mass flow being fed back from the outlet of the impeller unit to the inlet of the impeller unit via the flow channel.
  • a leakage mass flow continues to run from the outlet to the inlet of the impeller unit, since non-contact seals must also be used in the design presented here.
  • the leakage mass flow flowing to the inlet is partially closed and returned to the main mass flow of the fluid flow via a gap between the housing and the impeller unit.
  • devices for influencing a swirl of the fluid flow entering the pump by means of re-entering leakage mass flow can be provided in the area of an intake port of the pump or at the transition of the flow channel to the inlet of the impeller unit.
  • Gap between housing and impeller unit or tangentially attached openings re-enter the main mass flow. Due to the small gap height, advantageously approx. 0.01 mm to 0.3 mm, preferably 0.05 to 0.25 mm, the majority of the leakage mass flow flows through the openings, which have a suitable
  • the individual openings can advantageously be designed in such a way that the leakage mass flow is introduced in the direction of rotation.
  • the exchange of momentum between the leakage mass flow introduced in this way and the axial flow in the inlet leads to the generation of co-rotation. Due to the limited amount of leakage mass flow, the entire inflow cannot be rotated. Therefore, the openings can be arranged so that their symmetry axes are perpendicular to the axis of rotation, the axial direction of the impeller unit. This allows the relative speed at which the fluid with the
  • the system is completely passive. With a pump operated at a constant inlet pressure and working against a fixed flow resistance, the
  • the solution according to the invention for using the leakage mass flow that occurs anyway represents an increase. Frequent load changes are to be expected, particularly in the area of fuel pumps in rocket technology. Reducing the relative speed at high load points suppresses the formation of cavitation zones at the blade tips and thus contributes to safer pump operation. In current efforts to land boosters, this suppression of temporary cavitation during periods of high thrust, such as the final phase of landing, can prevent blade fatigue and increase maintenance intervals.
  • the devices for influencing the swirl of the returned leakage mass flow can be designed as tangentially arranged openings in the housing, with the openings being fluidically connected to the inlet of the impeller unit, and via which openings the leakage mass flow from the flow channel flows tangentially in the direction of rotation of the Impeller unit is introduced into the inlet of the impeller unit.
  • the fluid can advantageously re-enter the main mass flow through tangentially attached openings.
  • the individual openings can advantageously be designed in such a way that the leakage mass flow is introduced in the direction of rotation.
  • the exchange of momentum between the leakage mass flow introduced in this way and the axial flow in the inlet leads to the generation of co-rotation. Due to the limited amount of leakage mass flow, the entire inflow cannot be rotated. Therefore, the openings can be made tangential to the diameter of the blade tips of the impeller section. In this way, the relative speed at which the fluid comes into contact with the blade tips can be reduced.
  • the flow channel can be fluidically connected to the inlet of the impeller unit via the gap between a closing profile of the inlet of the impeller unit and the housing.
  • the leakage mass flow can be introduced from the flow channel into the inlet of the impeller unit via the gap.
  • the fluid can re-enter the main mass flow through the gap between the housing and the impeller unit.
  • the exchange of momentum between the leakage mass flow introduced in this way and the axial flow in the inlet leads to the generation of co-rotation. Due to the limited amount of leakage mass flow, not the entire
  • Inflow are set in rotation. Therefore, the openings can be made tangential to the diameter of the blade tips of the impeller section. In this way, the relative speed at which the fluid comes into contact with the blade tips can be reduced
  • a rocket engine comprising at least one engine housing, in which at least one pump as described above is arranged.
  • the pump can be operated with higher efficiency at lower inlet pressure compared to a conventionally manufactured variant, while the resistance to cavitation is increased. It is thus possible to use lighter tanks that
  • a method for producing an impeller unit for a pump is proposed, the impeller unit having at least one impeller section and one inducer section.
  • the impeller section and the inducer section are integrated as one component, in particular in one piece, which is encased in a closed manner from the inlet to the outlet.
  • At least the impeller section and the inducer section are manufactured using an additive manufacturing process.
  • the integrated component of a closed, encased impeller unit cannot be manufactured with conventional production methods of machining technology, foundry technology or powder metallurgy. Using a combination of material, additive manufacturing process and surface finishing, the integrated component can advantageously be manufactured with the quality of a conventionally manufactured inducer or impeller.
  • the inducer section and the impeller section can have a continuous shroud, which extends from an inlet to an outlet.
  • the blades of the inducer section are encased radially on the outside and blades of the
  • the impeller section, inducer section and shroud are integrated as one component, in particular designed in one piece.
  • the impeller unit can be manufactured using an additive manufacturing process
  • the integrated component of a fully encased impeller unit cannot be manufactured with conventional production methods of machining technology, foundry technology or powder metallurgy.
  • the integrated component can be made using a combination of material, additive manufacturing processes and surface finishing
  • Impeller section, inducer section and shroud are advantageously made with the quality of a conventionally manufactured inducer or impeller.
  • Materials that are compatible with the high pressures and forces during operation of the impeller unit such as alloys based on titanium, for example TieAUV, are particularly favorable for the impeller unit.
  • Components made of pure titanium cannot be produced by casting, while such alloys are particularly suitable for additive manufacturing and components manufactured with it can also advantageously withstand the loads occurring during pump operation.
  • FIG. 1 shows an impeller unit for a pump according to an exemplary embodiment of the invention in an isometric view
  • FIG. 2 shows the impeller unit according to FIG. 1 in a partially sectioned isometric view
  • FIG. 3 shows the impeller unit according to FIG. 1 in a longitudinal section
  • FIG. 5 shows a plan view of the integrated component according to FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a pump according to an embodiment of the invention with an impeller unit according to FIG. 1 in a longitudinal section;
  • FIG. 7 shows a detail of the longitudinal section of the pump according to FIG. 6;
  • FIG. 8 shows a detailed view of the inlet of the pump according to FIG. 6 in an isometric representation;
  • FIG. 9 is a schematic representation of a rocket engine with a pump according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows an impeller unit 100 for a pump 200 according to an exemplary embodiment of the invention in an isometric view
  • FIG. 2 shows impeller unit 100 in a partially sectioned isometric view
  • FIG. 3 shows it in a longitudinal section.
  • FIG. 4 shows an isometric view of an integrated component 80 made up of impeller section 10 and inducer section 20 of impeller unit 100, but without shroud 30, while FIG. 5 shows a plan view of integrated component 80.
  • the impeller unit 100 has an inlet 102 arranged in the axial direction 70 and a radially encircling outlet 104 for a fluid flow 50 .
  • the impeller unit 100 comprises an impeller section 10 arranged in the axial direction 70, and an inducer section 20 arranged coaxially in the axial direction 70 upstream of the impeller section 10.
  • the inducer section 20 has blades 22 in order to direct the fluid flow 50 in the axial direction 70 onto blades 16 of the impeller section 10 to direct.
  • the impeller section 10 has blades 16 arranged on a base plate 14 in order to guide the fluid flow 50 coming from the inducer section 20 radially outwards to the outlet 104 .
  • the impeller section 10 and the inducer section 20 are designed to be integrated as one component 80 .
  • the component 80 is in the embodiment shown in Figures 1 to 3 from the inlet 102 to
  • the inducer section 20 and the impeller section 10 have a radially encircling, continuous shroud 30 which extends from the axial inlet 102 to the radial outlet 104 .
  • the blades 22 of the inducer section 20 are encased radially on the outside and the blades 16 of the impeller section 10 are covered upstream parallel to the base plate 14 .
  • the shroud 30 has a cylindrical flange 32 which is arranged on the radially outwardly pointing tips 24 of the blades 22 of the inducer section 20 .
  • the shroud 30 has a disk 34 which is circular in this exemplary embodiment and which is arranged on tips 18 of the blades 16 of the impeller section 10 pointing away from the base plate 14 .
  • impeller section 20 and shroud 30 are formed in one piece and can be manufactured, for example, by means of an additive manufacturing process.
  • the impeller unit 100 can also be designed as a built-up component.
  • the shroud 30 can be mounted in a process step following the production of the integrated component 80 from the impeller section 10 and the inducer section 20 .
  • at least the inducer portion 20 and the impeller portion 10 may be integrally formed.
  • at least the inducer section 20 and the impeller section 10 can be manufactured by means of an additive manufacturing process. Materials are particularly favorable, which with the high pressures and
  • Impeller section 10 and inducer section 20 are arranged on a common hub 12 .
  • the hub is integral with the hub
  • Impeller section 10 and the inducer section 20 is formed.
  • the part of the hub 12 facing away from the inducer section 20 has a receptacle 40 for connection to a drive of the impeller unit 100 (not shown).
  • the axial inlet 102 of the impeller unit 100 is convex in the radial direction against an inflow direction of the fluid 50 rounded termination profile 42 for improved initiation of fluid flow 50 into inducer section 20.
  • the entire impeller unit 100 is shown in FIGS.
  • the fluid stream 50 (seen in Figure 3) is directed into the inlet 102 of the inducer section 20 and discharged through the radially arranged outlets 104 to a collector 218 located in a pump housing 206 (shown in Figure 6).
  • the combination of the inducer section 20 at the inlet 102 and the impeller section 10 is manufactured as one piece and completely covered by the shroud 30 .
  • the leading edge profile at the inlet 102 is also shown.
  • the integrated shroud 30 allows the use of radially extending blade leading edges 28 which are easier to manufacture. Sickled blades can also optionally be used.
  • the inlet 102 is also provided with a rounding as a front edge profile 42 in order to introduce the leakage mass flow 52 occurring over the circumference (shown in FIGS. 7 and 8) into the inlet 102 as optimally as possible.
  • FIGS. 2 and 3 show that the inducer section 20 and the impeller section 10 are designed as one component 80 . No soldering, welding or other joining process is required to manufacture this component. Also shown is the shaft-hub connection through which power is transmitted to the impeller section 10 .
  • the component 80 has a hub 12 like a conventional inducer. This improves both the flow guidance and the strength of the component 80 compared to a hubless inducer.
  • FIGS. 4 and 5 show the impeller unit 100 without the shroud 30 in order to clarify the shape of the blades.
  • the axial inducer section 20 is three Executed blades 22, which merge from the axial inlet 102 in blades of the impeller section 10 and are carried out to the radial outlet 104. Additional partial blades 26, so-called splitter blades, are inserted on the base plate 14 of the impeller section 10 in order to improve the flow guidance.
  • the front edges 28 of the blades 22 of inducer section 20 are arranged directed in the radial direction. Furthermore, for improved flow guidance in the impeller unit 100, the blades 22 of the inducer section 20 are designed to merge into one another from the axial inlet 102 into the blades 16 of the impeller section 10 to the radial outlet 104. Additional part blades 26 are between the blades 16 of the
  • Impeller section 10 arranged on the base plate 14.
  • FIG. 6 shows, in a longitudinal section, a pump 200 according to an embodiment of the invention with an impeller unit 100 as shown in FIGS.
  • the pump 200 includes a housing 206 with the impeller unit 100 and with a suction-side inlet 202 as a suction nozzle 226 of the pump 200 and a pressure-side outlet 204 for a fluid flow 50.
  • Impeller unit 100 and the outlet 104 of the impeller unit 100 are each fluidically connected to the outlet 204 of the housing 206 .
  • the axial inlet 202 of the pump 200 can be seen at the top.
  • the roundings on the housing 206 and inlet 102 of the impeller unit 100 are also visible.
  • the impeller unit 100 is mounted in the housing 206 via a drive shaft, not shown here, which in turn is seated in a bearing block, also not shown here.
  • the bearing 220 and the inlet 202 have additional seals.
  • Figure 7 shows a detail of the longitudinal section of the pump 200 of Figure 6, while in Figure 8 is a detailed view of the inlet 202 of
  • a flow channel 214 is formed in the housing 206 so as to surround the impeller unit 100 radially on the outside.
  • the flow channel 214 is defined by gaps 210, 212 between
  • Impeller unit 100 and housing 206 limited.
  • a leakage mass flow 52 can be routed back from the outlet 104 of the impeller unit 100 to the inlet 102 of the impeller unit 100 via the flow channel 214 .
  • devices 216 for influencing the swirl of the fluid flow 50 by means of the leakage mass flow 52 routed back via the flow channel 214 into the inlet 202 can be provided as suction nozzles 226 or at the transition from the flow channel 214 to the inlet 102 of the impeller unit 100.
  • the devices 216 are designed as tangentially arranged openings 208 in the housing 206.
  • the openings 208 are in fluid communication with the inlet 102 of the impeller unit 100 .
  • the leakage mass flow 52 can flow out of the flow channel 214 tangentially in via the openings 208
  • Direction of rotation 60 of the impeller unit 100 can be introduced into the inlet 102 of the impeller unit 100 .
  • the flow channel 214 is also across the gap 212 between the end profile 42 of the inlet 102 of the impeller unit 100 and the
  • Housing 206 is fluidly connected to the inlet 102 of the impeller unit 100 .
  • the leakage mass flow 52 can be introduced at least to a certain extent from the flow channel 214 into the inlet 102 of the impeller unit 100 via the gap 212
  • Figures 6, 7 and 8 provide an overview of the entire pump 200 (Figure 6), or detailed views of the inlet 202 of the pump ( Figures 7 and 8) and an explanation of the return of the leakage mass flow 52.
  • FIG. 7 shows a detailed view of the inlet 202 of the pump 200.
  • the pumped fluid stream 50 enters the rotor seal 224 at gap 210 from the impeller side space 222 in which the impeller section 10 rotates, as is usual for pumps in space applications. After exiting the seal, the fluid 52 flows through a flow channel
  • gap 212 is kept to a minimum and, according to the current state of development, can be made to be approximately 0.01 mm to 0.3 mm, preferably 0.05 to 0.25 mm.
  • gap 210 is about 0.05 mm while gap 212 is about 0.25 mm. Due to the pressure loss associated with the low altitude, the flow 52 now tends to flow through the openings 208 made here. This is shown in detail in FIG.
  • the openings 208 are positioned with an axis of symmetry tangential to the outer diameter of the header section 20 .
  • the radial initiation in the direction of rotation 60 reduces the relative speed between blade leading edges 28 of the blades
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a rocket engine 500 with a pump 200 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the rocket engine 500 includes an engine housing 504 in which a pump 200 is arranged as described in FIGS.
  • the pump 200 includes an impeller unit 100 having an integrated component 80 of the inducer section 20 and the impeller section 10.
  • a fluid flow 50 enters through an inlet 202 of the pump 200 into an inlet 102 of the impeller unit 100 and becomes an outlet 104 of the impeller unit 100 to an outlet 204 of the pump

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Impellereinheit (100) für eine Pumpe (200), mit einem Einlass (102) und einem Auslass (104) für einen Fluidstrom (50), umfassend einen in axialer Richtung (70) angeordneten Impellerabschnitt (10), sowie einen stromaufwärts zum Impellerabschnitt (10) koaxial angeordneten Vorsatzläuferabschnitt (20), wobei der Vorsatzläuferabschnitt (20) Schaufeln (22) aufweist, um den Fluidstrom (50) in axialer Richtung (70) auf Schaufeln (16) des Impellerabschnitts (10) zu leiten. Der Impellerabschnitt (10) weist auf einer Grundplatte (14) angeordnete Schaufeln (16) auf, um den vom Vorsatzläuferabschnitt (20) kommenden Fluidstrom (50) zu dem Auslass (104) zu leiten. Impellerabschnitt (10) und Vorsatzläuferabschnitt (20) sind als ein Bauteil (80) integriert ausgebildet, welches vom Einlass (102) zum Auslass (104) geschlossen ummantelt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Pumpe (200) mit einer Impellereinheit (100) sowie ein Raketentriebwerk (500) mit einer derartigen Pumpe (200) sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Impellereinheit (100).

Description

Beschreibung Titel
Impellereinheit, Pumpe, Raketentriebwerk und Verfahren zur Herstellung einer Impellereinheit Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Impellereinheit für eine Pumpe sowie eine Pumpe mit einer Impellereinheit. Weiter betrifft die Erfindung ein Raketentriebwerk mit einer Pumpe und ein Verfahren zur Herstellung einer Impellereinheit für eine Pumpe.
Die Förderung von Fluiden beispielsweise in Kreiselpumpen oder Turbopumpen ist weit verbreitet. Besondere Anforderungen, wie die Förderung von Fluiden unter möglichst geringem Pumpeneintrittsdruck sowie hohem Austrittsdruck bei kompakter Pumpenbauweise, treten besonders in den Bereichen der Betankung und Enttankung von Flüssig- Erdgas (LNG)-Tanks sowie der Raketentechnik auf. In Bezug auf das Entladen von LNG-Tanks ist eine Pumpe, die bei möglichst geringem Eintrittsdruck betrieben werden kann, anzustreben, da der Eintrittsdruck die im Tank verbleibende Restmenge bestimmt. Ein geringerer
Eintrittsduck führt zu einer effizienteren Nutzung des z. B. in einem Tanker zur Verfügung stehenden Tankvolumens.
Bei der Treibstoffförderung in Raketentriebwerken ist ein geringer Pumpeneintrittsdruck, also ein geringer Tankdruck, vorteilhaft, da so die Trockenmasse des Tanks zu Gunsten gesteigerter Nutzlasten minimiert werden kann. In beiden hier beschriebenen Fällen kommen Radialpumpen, mit einer oder mehreren Stufen, zum Einsatz. Weiter wird diesen Radialstufen, welche aus einem von einem Sammler umschlossenen Rotor, auch Impeller genannt, bestehen, eine Axialstufe, der sogenannte Vorsatzläufer, auch Inducer genannt, vorgeschaltet. Vorsatzläufer sowie
Radialstufe sind in allen gängigen Fällen auf derselben Welle montiert.
Ziel des Einsatzes eines Vorsatzläufers ist es, den Pumpeneintrittsdruck um ca. 10% zu steigern, bevor das Fluid auf die nachgeschaltete Radialstufe trifft. Somit soll sichergestellt werden, dass in der Radialstufe keine Kavitation auftritt. Kavitation am Einlass des Vorsatzläufers wird jedoch in den meisten Fällen erwartet und in das Design dieses Bauteils einbezogen. Generell gilt es, Kavitation in Treibstoffpumpen zu unterdrücken, um optimalen Betreib zu gewährleisten und Materialversagen vorzubeugen. Kavitationszonen bilden sich, sowohl in Vorsatzläufer als auch Radialstufe, von den Schaufelspitzen her aus. Sie wachsen z. B. mit fallendem Eintrittsdruck oder steigender Drehzahl. Mit Ausbreitung der Kavitationszonen wird ein immer größerer Teil des Raums zwischen zwei aufeinander folgenden Schaufeln versperrt, was sich in einer fallenden Förderhöhe und Effizienz der Pumpe bemerkbar macht. Im Fall einer Pumpe kann die damit verbundene Minderung der Leistungsabgabe an das geförderte Fluid zu einer Steigerung der Drehzahl der Pumpe führen, was wiederum das Abschalten der Pumpe nötig macht, um Schäden zu vermeiden. Auf der anderen Seite ist zu berücksichtigen, dass Kavitation ein dynamisches Phänomen ist. So können Kavitationszonen auf verschiedenen Schaufeln auftreten, zwischen benachbarten Schaufeln in und entgegen der Rotationsrichtung des Impellers springen sowie mit variablen Frequenzen ablösen. Dies führt wiederum zu dynamischer
Belastung der beweglichen Teile. In Folge dieser dynamischen Lasten können Vibrationen angeregt werden, welche zu Berührungen zwischen Rotor und umgebenden Gehäuse führen. Dies, sowie Materialversagen einzelner Schaufeln, kann zum Verlust der Pumpe führen.
Mit Bestrebungen, die Kosten für Trägersysteme in der Raumfahrt weiter zu senken, rücken bisher vernachlässigte Kosten in den Fokus. So stellt das für die Bedruckung der Treibstofftanks verwendete Helium einen beträchtlichen Teil der Betriebsmittelkosten einer Rakete dar. Können die Treibstoffe nun näher an ihrem Dampfdruck in den Tanks gelagert werden, verringert sich auch die nötige Menge an Helium.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Impellereinheit für eine Pumpe zu schaffen, welche verbesserte Kavitationseigenschaften aufweist.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Pumpe mit einer Impellereinheit zu schaffen, welche verbesserte Kavitationseigenschaften aufweist.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Raketentriebwerk mit einer Pumpe zu schaffen, welche verbesserte Kavitationseigenschaften aufweist.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer solchen Impellereinheit für eine Pumpe anzugeben.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Es wird eine Impellereinheit für eine Pumpe, mit einem Einlass und einem Auslass für einen Fluidstrom vorgeschlagen, umfassend einen in axialer Richtung angeordneten Impellerabschnitt, sowie einen in axialer Richtung stromaufwärts zum Impellerabschnitt koaxial angeordneten Vorsatzläuferabschnitt. Der Vorsatzläuferabschnitt weist Schaufeln auf, um den Fluidstrom in axialer Richtung auf Schaufeln des
Impellerabschnitts zu leiten. Der Impellerabschnitt weist auf einer Grundplatte angeordnete Schaufeln auf, um den vom Vorsatzläuferabschnitt kommenden Fluidstrom in den beispielsweise radial außen angeordneten Auslass zu leiten.
Erfindungsgemäß sind Impellerabschnitt und Vorsatzläuferabschnitt als ein Bauteil integriert ausgebildet, welches vom Einlass zum Auslass geschlossen ummantelt ist.
Im Unterschied zum Stand der Technik wird vorgeschlagen, Vorsatzläuferabschnitt und Impellerabschnitt in einem Bauteil zu kombinieren und ummantelt, beispielsweise mit einem durchgehenden Deckband, auszubilden. Dieses Deckband kann vorteilhaft über die Spitzen der Schaufeln von Vorsatzläuferabschnitt und Impellerabschnitt verlaufen. Das integrierte Bauteil rotiert in einem Gehäuse einer Pumpe wie ein herkömmlicher Impeller. Durch das Deckband ist ein dichter Abschluss an den Schaufelspitzen des Vorsatzläuferabschnitts gewährleistet.
Vorteilhaft können die Schaufeln des Vorsatzläuferabschnitts direkt in die Schaufeln des Impellerabschnitts durchgeführt sein. Der Einlass der Impellereinheit kann beispielsweise in axialer Richtung angeordnet sein, während der Auslass beispielsweise radial außen umlaufend ausgebildet sein kann. Jedoch sind auch Impellereinheiten und Pumpenanordnungen mit radialem Einlass möglich. Ein großes Problem bei herkömmlich gefertigten offenen Vorsatzläufern ist das Auftreten von Spaltströmung durch den Spalt zwischen Schaufelspitze und Gehäuse der Pumpe. Dieser Spalt ist nötig, um Berührungen zwischen rotierenden Teilen und Gehäuse zu vermeiden, da Rundlauf und Steifigkeit der rotierenden Teile limitiert sind. Eine weitere Steigerung der
Genauigkeit des Rundlaufes führt zu weiteren Kostensteigerungen, während die Bauteilsteifigkeit durch die Anforderung an geringe Baugröße, Masse und Festigkeit verfügbarer Werkstoffe limitiert ist. Diese Spaltströmung wirkt sich negativ auf die Effizienz der Pumpe aus.
Weiter führt die durch die Spaltströmung verursachte Wirbelschleppe zur Interaktion zwischen den aufeinander folgenden Schaufeln, was die dynamischen Lasten begünstigen kann. Dieser Wirbel ist auch der erste Punkt, an dem Kavitation in der Pumpe bei unvorteilhaften Betriebsbedingungen auftreten kann und schließlich von der
Schaufelspitze her zur Nabe des Vorsatzläufers hin wachsen kann.
Um dies zu minimieren und den Vorsatzläufer widerstandsfähiger gegen den Einfluss von Kavitation auf die Förderhöhe zu machen, wird die Vorderkante im Stand der Technik üblicherweise gesichelt ausgebildet, also in einem Bogen entgegen der Rotationsrichtung von Wurzel zu Spitze geführt. Dies erhöht die Spaltströmung am Eintritt in den Vorsatzläufer. Während dies die Effizienz der Pumpe verringert, führt es zu einer gesteigerten Widerstandsfähigkeit gegen das Auftreten von negativen Auswirkungen der Kavitation, wie beispielsweise Abrasion an beaufschlagten Bauteilen. Es verlegt den Beginn des vollständig von zwei aufeinander folgenden Schaufeln gebildeten Kanals weiter stromab, weg von der Schaufelvorderkante. Da Kavitation immer an den Vorderkanten ansetzt, ist hiermit für einen größeren Betriebsbereich sichergestellt, dass die sich ausbildende Kavitationszone wieder kollabiert, bevor sie den voll umschlossenen Kanal erreicht und dort zu Verblockung und dem damit assoziierten Abfall der Förderhöhe der Pumpe führt. Die Sichelung begünstigt zudem die Spaltströmung. Mit der höheren Spaltströmung kann die durch die Spaltströmung verursachte Rezirkulationszone weiter, entgegen der Strömung, im Einlass stromauf steigen. Damit entstehen auch die assoziierten Wirbelschleppen weiter stromauf vom Vorsatzläufereinlass und die Wahrscheinlichkeit einer
Interaktion zwischen aufeinander folgenden Schaufeln wird verringert, da mehr Raum zur Dissipation der Verwirbelung zur Verfügung steht.
Aufgrund bisheriger Limitierungen bezüglich Fertigungstechnik und Materialien war dieser Kompromiss zwischen Effizienz und verbessertem
Kavitationsverhalten nötig.
Bei dem erfindungsgemäßen integrierten und geschlossen ummantelten Bauteil der Impellereinheit können Spaltströmungen so nicht mehr auftreten. Dadurch kann auf eine sich negativ auf den Wirkungsgrad der
Pumpe auswirkende Sichelung der Schaufelvorderkanten, welche üblicherweise als Maßnahme gegen Kavitation getroffen wird, verzichtet werden. Ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist somit, dass kein Kompromiss mehr zwischen Effizienz und zulässigem Betriebsbereich eingegangen werden muss. Hiermit kann die Pumpe, im Vergleich zu einer herkömmlich gefertigten Variante, mit höherer Effizienz bei geringerem Eintrittsdruck betrieben werden, während die Resistenz gegen Kavitation gesteigert wird. Es wird somit möglich, leichtere Tanks einzusetzen, die Bedruckungsgasmenge zu verringern und den Treibstoffverbrauch des zugehörigen Triebwerkes zu verringern, was gerade im Kontext der Entwicklung von wiederverwendbaren Trägersystemen von großer Bedeutung ist.
Die Baugröße der Anordnung von Vorsatzläuferabschnitt und Impellerabschnitt kann so gegenüber der üblichen Anordnung als separate
Bauteile verringert werden. In einer geteilten Baugruppe ist ein Mindestabstand zwischen Vorsatzläuferabschnitt und Impellerabschnitt einzuhalten, um eine optimale Fluidströmung zu erreichen. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Lösung insbesondere bei vom Vorsatzläuferabschnitt zum Impellerabschnitt durchgeführten Schaufeln der Impellereinheit nicht mehr nötig.
Die Ausführung von Vorsatzläuferabschnitt und Impellerabschnitt als separate Bauteile ist mit einer erhöhten Komplexität verbunden. Die Komponenten müssen präzise gefertigte Kontaktflächen aufweisen, über die sie kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden werden. Die hierfür nötigen Schleifarbeiten treiben die Kosten und Fertigungszeit der Pumpe. Bei dem integrierten Bauteil einer Impellereinheit kann eine bisher übliche
Nachbearbeitung von Kontaktflächen zwischen herkömmlich gefertigten Vorsatzläufer/Impeller-Paaren entfallen, womit geringere Fertigungszeiten, ein geringerer Fertigungsaufwand und damit geringere Kosten verbunden sind.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Impellereinheit können wenigstens der Vorsatzläuferabschnitt und der Impellerabschitt einstückig ausgebildet sein. Insbesondere können dabei wenigstens der Vorsatzläuferabschnitt und der Impellerabschnitt mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt sein. Die einstückige Ausbildung der geschlossen ummantelten Impellereinheit hat den Vorteil, dass eine zusätzliche Verbindung zwischen Vorsatzläufer und Impeller vermieden werden kann. Außerdem lässt sich die Impellereinheit auf diese Weise besonders kompakt darstellen. Mit herkömmlichen Fertigungsmethoden der Zerspanungstechnik, Gießereitechnik oder Pulvermetallurgie kann das integrierte Bauteil einer geschlossen ummantelten Impellereinheit jedoch nicht gefertigt werden. Fertigungsstudien haben vorteilhaft eine Kombination aus Werkstoff, additivem Fertigungsverfahren und Oberflächennachbearbeitung identifiziert, mit der die das integrierte Bauteil mit der Güte eines herkömmlich gefertigten Vorsatzläufers oder Impellers hergestellt werden kann. Besonders günstig sind Materialien, welche mit den hohen Drücken und Kräften im Betrieb der Impellereinheit kompatibel sind, wie etwa Legierungen basierend auf Titan, beispielsweise TieAUV. Bauteile aus reinem Titan können durch Guss nicht hergestellt werden, während derartige Legierungen sich besonders zur additiven Fertigung eignen und damit gefertigte Bauteile auch den im Pumpenbetrieb auftretenden Lasten vorteilhaft standhalten können.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Impellereinheit können der Vorsatzläuferabschnitt und der Impellerabschnitt ein radial umlaufendes, durchgehendes Deckband aufweisen, welches sich von dem Einlass zum Auslass erstreckt. Dabei können die Schaufeln des Vorsatzläuferabschnitts radial außen ummantelt sein und die Schaufeln des Impellerabschnitts stromaufwärts abgedeckt sein. Das so integrierte Bauteil rotiert in einem Gehäuse einer Pumpe wie ein herkömmlicher Impeller. Durch das Deckband kann ein dichter Abschluss an den Schaufelspitzen des Vorsatzläuferabschnitts gewährleistet werden. Die Schaufeln des Impellerabschnitts können in einer günstigen
Ausführungsform parallel zu der Grundplatte abgedeckt sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Impellereinheit kann das Deckband eine zylindrische Hülse aufweisen, welche auf den nach radial außen weisenden Spitzen der Schaufeln des Vorsatzläuferabschnitts angeordnet ist. Dabei kann das Deckband eine Scheibe aufweisen, welche auf von der Grundplatte weg weisenden Spitzen der Schaufeln des Impellerabschnitts angeordnet ist. Bei dieser geometrischen Ausbildung des Deckbandes ergibt sich eine sehr platzsparende Anordnung der Ummantelung der Impellereinheit, sodass insgesamt ein kompaktes Design der Pumpe zu realisieren ist. Die als Teil des Deckbands angeordnete Scheibe kann beispielsweise kreisförmig ausgebildet sein. Jedoch sind auch andere Formen möglich. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Impellereinheit können
Vorsatzläuferabschnitt, Impellerabschnitt und Deckband einstückig ausgebildet sein. Die einstückige Ausbildung der geschlossen ummantelten Impellereinheit hat den Vorteil, dass eine zusätzliche Verbindung zwischen Vorsatzläufer, Impeller und Deckband vermieden werden kann. Außerdem lässt sich die Impellereinheit auf diese Weise besonders kompakt darstellen.
Mit herkömmlichen Fertigungsmethoden der Zerspanungstechnik,
Gießereitechnik oder Pulvermetallurgie kann das integrierte Bauteil einer geschlossen ummantelten Impellereinheit nicht gefertigt werden. Mittels einer Kombination aus Werkstoff, additivem Fertigungsverfahren und Oberflächennachbearbeitung kann das integrierte Bauteil aus
Impellerabschnitt, Vorsatzläuferabschnitt und Deckband vorteilhaft mit der Güte eines herkömmlich gefertigten Vorsatzläufers oder Impellers hergestellt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Impellereinheit können Vorsatzläuferabschnitt, Impellerabschnitt und Deckband mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt sein. Mit herkömmlichen Fertigungsmethoden der Zerspanungstechnik, Gießereitechnik oder Pulvermetallurgie kann das integrierte Bauteil einer geschlossen ummantelten Impellereinheit nicht gefertigt werden. Mittels einer Kombination aus Werkstoff, additivem Fertigungsverfahren und Oberflächennachbearbeitung kann das integrierte Bauteil vorteilhaft mit der Güte eines herkömmlich gefertigten Vorsatzläufers oder Impellers hergestellt werden. Besonders günstig sind Materialien, welche mit den hohen Drücken und Kräften im Betrieb der Impellereinheit kompatibel sind, wie etwa Legierungen basierend auf Titan, beispielsweise TieAUV. Bauteile aus reinem Titan können durch Guss nicht hergestellt werden, während derartige Legierungen sich besonders zur additiven Fertigung eignen und damit gefertigte Bauteile auch den im Pumpenbetrieb auftretenden Lasten vorteilhaft standhalten können. Die Kombination aus Material, hier eine Titan-Legierung, und der geschlossenen Ummantelung der Impellereinheit wird durch das additive Fertigungsverfahren in vorteilhafter Weise unterstützt.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Impellereinheit als gebautes Bauteil ausgebildet sein. Insbesondere kann dabei das Deckband in einem der Herstellung des integrierten Bauteils aus Impellerabschnitt und
Vorsatzläuferabschnitt nachfolgenden Prozessschritt montiert sein. In einer alternativen Ausführungsform kann die Impellereinheit so gestaltet sein, dass sie aus mehreren Teilen gefertigt wird. Die Nabe mit Schaufeln wird beispielsweise separat von Deckband gefertigt. Das Deckband wird nachträglich auf den Schaufelspitzen befestigt und bedeckt die Schaufeln so, dass sich eine geschlossen Ummantelung des Vorsatzläuferabschnitts sowie des Impellerabschnitts ergibt.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Impellereinheit können Impellerabschnitt und Vorsatzläuferabschnitt auf einer gemeinsamen Nabe angeordnet sein. Insbesondere kann dabei die Nabe einstückig mit dem Impellerabschnitt und dem Vorsatzläuferabschnitt ausgebildet sein. Damit ergibt sich günstig ein präzises Laufverhalten von Impellerabschnitt und Vorsatzläuferabschnitt im Gehäuse der Pumpe bei geringen Spaltmaßen. Die einstückige Ausführung ergibt eine günstige Verbindung und Ausrichtung der verschiedenen Abschnitte zueinander.
Vorteilhaft können Vorderkanten der Schaufeln des Vorsatzläuferabschnitts in radialer Richtung gerichtet angeordnet sein. Bei dem erfindungsgemäßen integrierten und geschlossen ummantelten Bauteil der Impellereinheit können Spaltströmungen so nicht mehr auftreten. Dadurch kann auf eine sich negativ auf den Wirkungsgrad der
Pumpe auswirkende Sichelung der Schaufelvorderkanten, welche üblicherweise als Maßnahme zur Verminderung des negativen Einflusses von Kavitation getroffen wird, verzichtet werden. Dadurch können die Vorderkanten in fertigungstechnisch einfacherer Weise radial gerichtet ausgebildet werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Impellereinheit kann der Einlass ein in radialer Richtung entgegen einer Einströmrichtung des Fluids konvex gerundetes Abschlussprofil aufweisen. Um eine optimale Führung der Fluidströmung zu gewährleisten, kann die Vorderkante des
Deckbands, welche den Einlass des Vorsatzläuferabschnitts darstellt, mit einem Radius versehen werden. Eine Reduzierung von möglichen Turbulenzen kann so günstigerweise erreicht werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Impellereinheit können die
Schaufeln des Vorsatzläuferabschnitts von dem Einlass in die Schaufeln des Impellerabschnitts zu dem Auslass ineinander übergehend ausgebildet sein. Die Schaufeln des Vorsatzläuferabschnitts ziehen sich in dem hier vorgestellten Design durch die gesamte Impellereinheit vom Einlass bis zum Auslass. Die Strömungsführung des eintretenden Fluidstroms kann so vorteilhaft beeinflusst werden. Strömungswiderstände sowie die Baugröße der Impellereinheit können dadurch reduziert werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Impellereinheit können zusätzliche Teilschaufeln zwischen den Schaufeln des Impellerabschnitts auf der Grundplatte angeordnet sein. Zusätzliche Teilschaufeln oder Splitter Blades können im radialen Teil des Impellerabschnitts eingefügt werden, um die Lenkung der Strömung durch die Schaufeln zu optimieren
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Pumpe vorgeschlagen, umfassend ein Gehäuse mit einer Impellereinheit, sowie mit einem saugseitigen Einlass und einem druckseitigen Auslass für einen Fluidstrom, wobei der Einlass des Gehäuses mit einem Einlass der Impellereinheit und ein Auslass der Impellereinheit mit dem Auslass des
Gehäuses jeweils fluidisch verbunden sind. Dabei umfasst die Impellereinheit einen in einer axialen Richtung angeordneten Impellerabschnitt, sowie einen in axialer Richtung stromaufwärts zum Impellerabschnitt koaxial angeordneten Vorsatzläufer. Der Vorsatzläuferabschnitt weist Schaufeln auf, um den Fluidstrom in axialer
Richtung auf Schaufeln des Impellerabschnitts zu leiten. Der Impellerabschnitt weist auf einer Grundplatte angeordnete Schaufeln auf, um den vom Vorsatzläuferabschnitt kommenden Fluidstrom beispielsweise in den radial außen angeordneten Auslass zu leiten.
Erfindungsgemäß sind Impellerabschnitt und Vorsatzläuferabschnitt als ein Bauteil integriert ausgebildet, welches vom Einlass zum Auslass geschlossen ummantelt ist. Im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik wird vorgeschlagen, Vorsatzläuferabschnitt und Impellerabschnitt in einem Bauteil zu kombinieren und geschlossen ummantelt, beispielsweise mit einem durchgehenden Deckband, auszubilden. Dieses Deckband kann vorteilhaft über die Spitzen der Schaufeln von Vorsatzläuferabschnitt und
Impellerabschnitt verlaufen. Das so integrierte Bauteil rotiert in einem Gehäuse einer Pumpe wie ein herkömmlicher Impeller. Durch das Deckband ist ein dichter Abschluss an den Schaufelspitzen des Vorsatzläuferabschnitts gewährleistet
Bei dem erfindungsgemäßen integrierten und geschlossen ummantelten Bauteil der Impellereinheit können Spaltströmungen so nicht mehr auftreten. Dadurch kann auf eine sich negativ auf den Wirkungsgrad der Pumpe auswirkende Sichelung der Schaufelvorderkanten, welche üblicherweise als Maßnahme zur Verminderung des negativen Einflusses von Kavitation, wie beispielsweise Abrasion an beaufschlagten Bauteilen, getroffen wird, verzichtet werden. Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist somit, dass kein Kompromiss mehr zwischen Effizienz und zulässigem Betriebsbereich eingegangen werden muss. Hiermit kann die Pumpe, im Vergleich zu einer herkömmlich gefertigten Variante, mit höherer Effizienz bei geringerem Eintrittsdruck betrieben werden, während die Resistenz gegen Kavitation gesteigert wird. Es ist somit möglich, leichtere Tanks einzusetzen, die Bedruckungsgasmenge zu verringern und den Treibstoffverbrauch des zugehörigen Triebwerkes zu verringern, was gerade im Kontext der Entwicklung von wiederverwendbaren
Trägersystemen von großer Bedeutung ist.
Die Baugröße der Anordnung von Vorsatzläuferabschnitt und Impellerabschnitt kann so gegenüber der üblichen Anordnung als separate Bauteile verringert werden. In einer geteilten Baugruppe ist ein Mindestabstand zwischen Vorsatzläuferabschnitt und Impellerabschnitt einzuhalten, um eine optimale Fluidströmung zu erreichen. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht mehr nötig.
Bei dem integrierten Bauteil einer Impellereinheit kann eine bisher übliche Nachbearbeitung von Kontaktflächen zwischen herkömmlich gefertigten Vorsatzläufer/Impeller-Paaren entfallen, womit geringere Fertigungszeiten, ein geringerer Fertigungsaufwand und damit geringere Kosten verbunden sind.
Ein weiterer Vorteil bei der Anwendung der oben beschriebenen Pumpenanordnung in der Raketentechnik ist, dass, im Gegensatz zu stationärer Betankung und Enttankung, Pumpen mit der hier beschriebenen Impellereinheit über einen weiteren Betriebsbereich betrieben werden können, als dies mit traditionellen Designs möglich wäre. Dies ist besonders erstrebenswert für Anwendungen, in denen extrem variable Schubleistungen erforderlich sind, z.B. Landemanöver von wiederverwendbaren Raketenstufen oder Landeanflüge verschiedener Landefahrzeuge.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Pumpe können wenigstens der
Vorsatzläuferabschnitt und der Impellerabschnitt einstückig ausgebildet sein. Insbesondere können dabei wenigstens der Vorsatzläuferabschnitt und der Impellerabschnitt mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt sein. Die einstückige Ausbildung der geschlossen ummantelten Impellereinheit hat den Vorteil, dass eine zusätzliche Verbindung zwischen Vorsatzläufer und Impeller vermieden werden kann. Außerdem lässt sich die Impellereinheit auf diese Weise besonders kompakt darstellen. Mit herkömmlichen Fertigungsmethoden der Zerspanungstechnik, Gießereitechnik oder Pulvermetallurgie kann das integrierte Bauteil einer geschlossen ummantelten Impellereinheit jedoch nicht gefertigt werden. Fertigungsstudien haben vorteilhaft eine Kombination aus Werkstoff, additivem Fertigungsverfahren und Oberflächennachbearbeitung identifiziert, mit der die das integrierte Bauteil mit der Güte eines herkömmlich gefertigten Vorsatzläufers oder Impellers hergestellt werden kann. Besonders günstig sind Materialien, welche mit den hohen Drücken und Kräften im Betrieb der Impellereinheit kompatibel sind, wie etwa Legierungen basierend auf Titan, beispielsweise TieAUV. Bauteile aus reinem Titan können durch Guss nicht hergestellt werden, während derartige Legierungen sich besonders zur additiven Fertigung eignen und damit gefertigte Bauteile auch den im Pumpenbetrieb auftretenden Lasten vorteilhaft standhalten können.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Pumpe können der Vorsatzläufer und der Impellerabschnitt ein radial umlaufendes, durchgehendes Deckband aufweisen, welches sich von dem Einlass zum Auslass erstreckt. Dabei können die Schaufeln des Vorsatzläufers radial außen ummantelt sein und die Schaufeln des Impellerabschnitts stromaufwärts abgedeckt sein. Das so integrierte Bauteil rotiert in einem Gehäuse einer Pumpe wie ein herkömmlicher Impeller. Durch das Deckband kann ein dichter Abschluss an den Schaufelspitzen des Vorsatzläuferabschnitts gewährleistet werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Pumpe kann das Deckband eine zylindrische Hülse aufweisen, welche auf den nach radial außen weisenden Spitzen der Schaufeln des Vorsatzläufers angeordnet ist. Weiter kann das Deckband eine Scheibe aufweisen, welche auf von der Grundplatte weg weisenden Spitzen der Schaufeln des Impellerabschnitts angeordnet ist. Die Scheibe kann beispielsweise kreisförmig ausgebildet sein, jedoch sind bei Bedarf auch andere geometrische Formen möglich. Bei dieser geometrischen Ausbildung des Deckbandes ergibt sich eine sehr stabile Anordnung der Ummantelung der Impellereinheit, sodass insgesamt ein kompaktes Design der Pumpe zu realisieren ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Pumpe können Vorsatzläufer, Impellerabschnitt und Deckband einstückig ausgebildet sein. Insbesondere können dabei Vorsatzläuferabschnitt, Impellerabschnitt und Deckband mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt sein. Mit herkömmlichen Fertigungsmethoden der Zerspanungstechnik, Gießereitechnik oder Pulvermetallurgie kann das integrierte Bauteil einer voll ummantelten Impellereinheit nicht gefertigt werden. Mittels einer Kombination aus Werkstoff, additivem Fertigungsverfahren und Oberflächennachbearbeitung kann das integrierte Bauteil aus
Impellerabschnitt, Vorsatzläuferabschnitt und Deckband vorteilhaft mit der Güte eines herkömmlich gefertigten Vorsatzläufers oder Impellers hergestellt werden. Besonders günstig sind Materialien, welche mit den hohen Drücken und Kräften im Betrieb der Impellereinheit kompatibel sind, wie etwa Legierungen basierend auf Titan, beispielsweise TieAUV.
Bauteile aus reinem Titan können durch Guss nicht hergestellt werden, während derartige Legierungen sich besonders zur additiven Fertigung eignen und damit gefertigte Bauteile auch den im Pumpenbetrieb auftretenden Lasten vorteilhaft standhalten können.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Pumpe kann ein Strömungskanal die Impellereinheit radial außen umgebend im Gehäuse ausgebildet sein, welcher durch Spalte zwischen Impellereinheit und Gehäuse begrenzt ist, wobei über den Strömungskanal ein Leckagemassenstrom vom Auslass der Impellereinheit zum Einlass der Impellereinheit zurückgeleitet wird. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe verläuft weiterhin ein Leckagemassenstrom vom Auslass zum Einlass der Impellereinheit, da auch bei dem hier vorgestellten Design berührungslose Dichtungen zum Einsatz kommen müssen. Der zum Einlass fließende Leckagemassenstrom wird dem Hauptmassenstrom des Fluidstroms bereichsweise geschlossen über einen Spalt zwischen Gehäuse und Impellereinheit wieder zugeführt.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Pumpe können Vorrichtungen zur Beeinflussung eines Dralls des in die Pumpe eintretenden Fluidstroms mittels wiedereintretendem Leckagemassenstrom im Bereich eines Saugstutzens der Pumpe oder am Übergang des Strömungskanals zum Einlass der Impellereinheit vorgesehen sein. Von besonderer Bedeutung kann die Art der Rückführung des
Leckagemassenstroms sein. Nachdem das geförderte Fluid eine Läuferdichtung zwischen Gehäuse und Impellerabschnitt passiert hat, strömt es in einem, relativ zu dem Dichtungsspalt, weiten Spalt zwischen dem rotierenden Impellerabschnitt und dem Gehäuse in Richtung des Einlasses des Vorsatzläuferabschnitts. Hier kann das Fluid durch einen
Spalt zwischen Gehäuse und Impellereinheit oder tangential angebrachte Öffnungen wieder in den Hauptmassenstrom eintreten. Aufgrund der geringen Spalthöhe, günstigerweise ca. 0,01 mm bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,05 bis 0,25 mm, durchströmt der Großteil des Leckagemassenstroms die Öffnungen, welche einen geeigneten
Durchmesser aufweisen. Die einzelnen Öffnungen können vorteilhaft so ausgeführt sein, dass der Leckagemassenstrom in Rotationsrichtung eingeleitet wird. Der Impulsaustausch zwischen dem so eingeleiteten Leckagemassenstrom und der axialen Strömung im Einlass führt zur Erzeugung von Mitdrall. Aufgrund der limitierten Menge an Leckagemassenstrom kann nicht die gesamte Zuströmung in Rotation versetzt werden. Daher können die Öffnungen so angebracht werden, dass ihre Symmetrieachsen senkrecht zur Rotationsachse, der axialen Richtung der Impellereinheit verlaufen. Damit kann die Relativgeschwindigkeit, mit der das Fluid mit den
Schaufelspitzen in Berührung kommt, verringert werden.
Das System ist vollständig passiv. Mit einer bei konstantem Eintrittsdruck betriebenen und gegen einen festen Strömungswiderstand arbeitenden Pumpe muss für eine Steigerung des geförderten Massenstroms die
Drehzahl erhöht werden. Um den gesteigerten Massenstrom durch das angeschlossene System zu fördern, muss auch der Druck steigen. Hiermit steigt das Druckgefälle über die Läuferdichtung und damit der Leckagemassenstrom. Der gesteigerte Leckagemassenstrom erzeugt wiederum einen gesteigerten Mitdrall in der in den Rotor eintretenden
Fluidströmung. Somit kann die mit gesteigerter Drehzahl gesteigerte Relativgeschwindigkeit an den Schaufelspitzen verringert werden. In Teillastbetriebspunkten ist ein dementsprechend geringerer Vordrall zu erwarten. Durch die Änderung des Anströmwinkels im Hochlastbetrieb ist eine Abflachung der Pumpencharakteristik zu erwarten, die Steigerung des Austrittsdrucks wird mit gesteigerter Drehzahl geringer. Dieser Trend ist jedoch geringer als er bei Designs, welche die gesamte Zuströmung in Vordrall versetzen, zu erwarten ist, was einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber dem Stand der Technik darstellt.
Im Kontext der Zuverlässigkeit des gesamten Systems stellt die erfindungsgemäße Lösung zur Nutzung des sowieso auftretenden Leckagemassenstroms eine Steigerung dar. Besonders im Bereich von Treibstoffpumpen in der Raketentechnik ist mit häufigen Lastwechseln zu rechnen. Die Verringerung der Relativgeschwindigkeit in Hochlastpunkten unterdrückt die Bildung von Kavitationszonen an den Schaufelspitzen und trägt so zu einem sichereren Betrieb der Pumpe bei. Bei derzeitigen Bestrebungen, Booster zu landen, kann diese Unterdrückung zeitweiser Kavitation in Phasen mit hohem Schub, z.B. in der letzten Phase der Landung, Materialermüdung in den Schaufeln Vorbeugen und Wartungsintervalle vergrößern.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Pumpe können die Vorrichtungen zur Beeinflussung des Dralls des rückgeleiteten Leckagemassenstroms als tangential angeordnete Öffnungen im Gehäuse ausgebildet sein, wobei die Öffnungen mit dem Einlass der Impellereinheit fluidisch verbunden sind, und über welche Öffnungen der Leckagemassenstrom aus dem Strömungskanal tangential in Rotationsrichtung der Impellereinheit in den Einlass der Impellereinheit eingeleitet wird.
Das Fluid kann vorteilhaft durch tangential angebrachte Öffnungen wieder in den Hauptmassenstrom eintreten. Die einzelnen Öffnungen können vorteilhaft so ausgeführt sein, dass der Leckagemassenstrom in Rotationsrichtung eingeleitet wird. Der Impulsaustausch zwischen dem so eingeleiteten Leckagemassenstrom und der axialen Strömung im Einlass führt zur Erzeugung von Mitdrall. Aufgrund der limitierten Menge an Leckagemassenstrom kann nicht die gesamte Zuströmung in Rotation versetzt werden. Daher können die Öffnungen tangential zum Durchmesser der Schaufelspitzen des Impellerabschnitts angebracht werden. Damit kann die Relativgeschwindigkeit, mit der das Fluid mit den Schaufelspitzen in Berührung kommt, verringert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Pumpe kann der Strömungskanal über den Spalt zwischen einem Abschlussprofil des Einlasses der Impellereinheit und dem Gehäuse mit dem Einlass der Impellereinheit fluidisch verbunden sein. Über den Spalt kann der Leckagemassenstrom aus dem Strömungskanal in den Einlass der Impellereinheit einleitbar sein. Das Fluid kann durch den Spalt zwischen Gehäuse und Impellereinheit wieder in den Hauptmassenstrom eintreten. Der Impulsaustausch zwischen dem so eingeleiteten Leckagemassenstrom und der axialen Strömung im Einlass führt zur Erzeugung von Mitdrall. Aufgrund der limitierten Menge an Leckagemassenstrom kann nicht die gesamte
Zuströmung in Rotation versetzt werden. Daher können die Öffnungen tangential zum Durchmesser der Schaufelspitzen des Impellerabschnitts angebracht werden. Damit kann die Relativgeschwindigkeit, mit der das Fluid mit den Schaufelspitzen in Berührung kommt, verringert werden
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Raketentriebwerk vorgeschlagen, umfassend wenigstens ein Triebwerksgehäuse, in welchem wenigstens eine Pumpe wie vorstehend beschrieben angeordnet ist.
In dem erfindungsgemäßen Raketentriebwerk mit einer wie vorstehend beschriebenen Pumpe kann die Pumpe, im Vergleich zu einer herkömmlich gefertigten Variante, mit höherer Effizienz bei geringerem Eintrittsdruck betrieben werden, während die Resistenz gegen Kavitation gesteigert ist. Es ist somit möglich, leichtere Tanks einzusetzen, die
Bedruckungsgasmenge zu verringern und den Treibstoffverbrauch des zugehörigen Triebwerkes zu verringern, was gerade im Kontext der Entwicklung von wiederverwendbaren Trägersystemen von großer Bedeutung ist.
Mit Bestrebungen, die Kosten für Trägersysteme in der Raumfahrt weiter zu senken, rücken bisher vernachlässigte Kosten in den Fokus. So stellt das für die Bedruckung der Treibstofftanks verwendete Helium einen beträchtlichen Teil der Betriebsmittelkosten einer Rakete dar. Können die Treibstoffe näher an ihrem Dampfdruck in den Tanks gelagert werden, verringert sich auch die nötige Menge an Helium. Ein weiterer Vorteil bei der Anwendung der oben beschriebenen Pumpenanordnung in einem Raketentriebwerk ist, dass, im Gegensatz zu stationärer Betankung und Enttankung, Pumpen mit der hier beschriebenen Impellereinheit über einen weiteren Betriebsbereich betrieben werden können, als dies mit traditionellen Designs möglich wäre. Dies ist besonders erstrebenswert für Anwendungen, in denen extrem variable Schubleistungen erforderlich sind, z.B. Landemanöver von wiederverwendbaren Raketenstufen oder Landeanflüge verschiedener Landefahrzeuge
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Impellereinheit für eine Pumpe vorgeschlagen, wobei die Impellereinheit wenigstens einen Impellerabschnitt und einen Vorsatzläuferabschnitt aufweist. Dabei sind Impellerabschnitt und Vorsatzläuferabschnitt als ein Bauteil integriert, insbesondere einstückig, ausgebildet, welches vom Einlass zum Auslass geschlossen ummantelt ist.
Erfindungsgemäß werden wenigstens der Impellerabschnitt und der Vorsatzläuferabschnitt mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt.
Mit herkömmlichen Fertigungsmethoden der Zerspanungstechnik, Gießereitechnik oder Pulvermetallurgie kann das integrierte Bauteil einer geschlossen ummantelten Impellereinheit nicht gefertigt werden. Mittels einer Kombination aus Werkstoff, additivem Fertigungsverfahren und Oberflächennachbearbeitung kann das integrierte Bauteil vorteilhaft mit der Güte eines herkömmlich gefertigten Vorsatzläufers oder Impellers hergestellt werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung einer Impellereinheit für eine Pumpe können der Vorsatzläuferabschnitt und der Impellerabschnitt ein durchgehendes Deckband aufweisen, welches sich von einem Einlass zu einem Auslass erstreckt. Dabei sind Schaufeln des Vorsatzläuferabschnitts radial außen ummantelt und Schaufeln des
Impellerabschnitts abgedeckt. Impellerabschnitt, Vorsatzläuferabschnitt und Deckband sind als ein Bauteil integriert, insbesondere einstückig, ausgebildet. Dabei kann die Impellereinheit mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt werden
Mit herkömmlichen Fertigungsmethoden der Zerspanungstechnik, Gießereitechnik oder Pulvermetallurgie kann das integrierte Bauteil einer voll ummantelten Impellereinheit nicht gefertigt werden. Mittels einer Kombination aus Werkstoff, additivem Fertigungsverfahren und Oberflächennachbearbeitung kann das integrierte Bauteil aus
Impellerabschnitt, Vorsatzläuferabschnitt und Deckband vorteilhaft mit der Güte eines herkömmlich gefertigten Vorsatzläufers oder Impellers hergestellt werden. Besonders günstig für die Impellereinheit sind Materialien, welche mit den hohen Drücken und Kräften im Betrieb der Impellereinheit kompatibel sind, wie etwa Legierungen basierend auf Titan, beispielsweise TieAUV. Bauteile aus reinem Titan können durch Guss nicht hergestellt werden, während derartige Legierungen sich besonders zur additiven Fertigung eignen und damit gefertigte Bauteile auch den im Pumpenbetrieb auftretenden Lasten vorteilhaft standhalten können. Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen beispielhaft:
Fig. 1 eine Impellereinheit für eine Pumpe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Ansicht;
Fig. 2 die Impellereinheit nach Figur 1 in einer teilgeschnittenen isometrischen Ansicht;
Fig. 3 die Impellereinheit nach Figur 1 in einem Längsschnitt;
Fig. 4 ein integriertes Bauteil aus Impellerabschnitt und
Vorsatzläuferabschnitt einer Impellereinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Ansicht ohne Deckband;
Fig. 5 eine Draufsicht auf das integrierte Bauteil nach Figur 4;
Fig. 6 eine Pumpe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Impellereinheit nach Figur 1 in einem Längsschnitt;
Fig. 7 einen Ausschnitt des Längsschnitts der Pumpe nach Figur 6; Fig. 8 eine Detailansicht des Einlasses der Pumpe nach Figur 6 in isometrischer Darstellung; und
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Raketentriebwerks mit einer Pumpe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
Figur 1 zeigt eine Impellereinheit 100 für eine Pumpe 200 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Ansicht, während in Figur 2 die Impellereinheit 100 in einer teilgeschnittenen isometrischen Darstellung, sowie in Figur 3 in einem Längsschnitt dargestellt ist.
Figur 4 zeigt ein integriertes Bauteil 80 aus Impellerabschnitt 10 und Vorsatzläuferabschnitt 20 der Impellereinheit 100 in einer isometrischen Ansicht, jedoch ohne Deckband 30, während in Figur 5 eine Draufsicht auf das integrierte Bauteil 80 dargestellt ist. Die Impellereinheit 100 weist einen in axialer Richtung 70 angeordneten Einlass 102 und einen radial umlaufenden Auslass 104 für einen Fluidstrom 50 auf. Die Impellereinheit 100 umfasst einen in axialer Richtung 70 angeordneten Impellerabschnitt 10, sowie einen in axialer Richtung 70 stromaufwärts zum Impellerabschnitt 10 koaxial angeordneten Vorsatzläuferabschnitt 20. Der Vorsatzläuferabschnitt 20 weist Schaufeln 22 auf, um den Fluidstrom 50 in axialer Richtung 70 auf Schaufeln 16 des Impellerabschnitts 10 zu leiten. Der Impellerabschnitt 10 weist auf einer Grundplatte 14 angeordnete Schaufeln 16 auf, um den vom Vorsatzläuferabschnitt 20 kommenden Fluidstrom 50 nach radial außen zu dem Auslass 104 zu leiten.
Erfindungsgemäß sind Impellerabschnitt 10 und Vorsatzläuferabschnitt 20 als ein Bauteil 80 integriert ausgebildet. Das Bauteil 80 ist bei dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel vom Einlass 102 zum
Auslass 104 geschlossen ummantelt.
Der Vorsatzläuferabschnitt 20 und der Impellerabschnitt 10 weisen ein radial umlaufendes, durchgehendes Deckband 30 auf, welches sich von dem axialen Einlass 102 zum radialen Auslass 104 erstreckt. Dabei sind die Schaufeln 22 des Vorsatzläuferabschnitts 20 radial außen ummantelt und die Schaufeln 16 des Impellerabschnitts 10 sind stromaufwärts parallel zu der Grundplatte 14 abgedeckt. Das Deckband 30 weist eine zylindrische Flülse 32 auf, welche auf den nach radial außen weisenden Spitzen 24 der Schaufeln 22 des Vorsatzläuferabschnitts 20 angeordnet ist. Weiter weist das Deckband 30 eine in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmige Scheibe 34 auf, welche auf von der Grundplatte 14 weg weisenden Spitzen 18 der Schaufeln 16 des Impellerabschnitts 10 angeordnet ist. Vorsatzläuferabschnitt 20, Impellerabschnitt 10 und Deckband 30 sind einstückig ausgebildet und können beispielsweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt sein. In einer alternativen Ausführungsform kann die Impellereinheit 100 auch als gebautes Bauteil ausgebildet sein. Insbesondere kann dabei das Deckband 30 in einem der Herstellung des integrierten Bauteils 80 aus Impellerabschnitt 10 und Vorsatzläuferabschnitt 20 nachfolgenden Prozessschritt montiert sein. In diesem Ausführungsbeispiel können wenigstens der Vorsatzläuferabschnitt 20 und der Impellerabschitt 10 einstückig ausgebildet sein. Insbesondere können dabei wenigstens der Vorsatzläuferabschnitt 20 und der Impellerabschnitt 10 mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt sein. Besonders günstig sind Materialien, welche mit den hohen Drücken und
Kräften im Betrieb der Impellereinheit 100 kompatibel sind, wie etwa Legierungen basierend auf Titan, beispielsweise TieAUV. Bauteile aus reinem Titan können durch Guss nicht hergestellt werden, während derartige Legierungen sich besonders zur additiven Fertigung eignen und damit gefertigte Bauteile auch den im Pumpenbetrieb auftretenden Lasten vorteilhaft standhalten können.
Impellerabschnitt 10 und Vorsatzläuferabschnitt 20 sind auf einer gemeinsamen Nabe 12 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Nabe einstückig mit dem
Impellerabschnitt 10 und dem Vorsatzläuferabschnitt 20 ausgebildet ist. Der dem Vorsatzläuferabschnitt 20 abgewandte Teil der Nabe 12 weist eine Aufnahme 40 zum Anschluss an einen nicht dargestellten Antrieb der Impellereinheit 100 auf.
Der axiale Einlass 102 der Impellereinheit 100 weist ein in radialer Richtung entgegen einer Einströmrichtung des Fluids 50 konvex gerundetes Abschlussprofil 42 für eine verbesserte Einleitung der Fluidströmung 50 in den Vorsatzläuferabschnitt 20 auf.
In den Figuren 1 bis 3 ist die gesamte Impellereinheit 100 dargestellt. Der Fluidstrom 50 (in Figur 3 zu erkennen) wird in den Einlass 102 des Vorsatzläuferabschnitts 20 geleitet und durch die radial angeordneten Auslässe 104 an einen in einem Pumpengehäuse 206 befindlichen Sammler 218 abgegeben (in Figur 6 dargestellt). Die Kombination aus Vorsatzläuferabschnitt 20 am Einlass 102 und Impellerabschnitt 10 ist als ein Teil gefertigt und vollständig von dem Deckband 30 überzogen. Weiter ist das Vorderkantenprofil am Einlass 102 dargestellt. Im Gegensatz zum derzeitigen Stand der Technik ermöglicht das integrierte Deckband 30 die Verwendung von einfacher zu fertigenden radial verlaufenden Schaufelvorderkanten 28. Optional können auch gesichelte Schaufeln verwendet werden. Der Einlass 102 ist außerdem mit einer Verrundung als Vorderkantenprofil 42 versehen, um den über den Umfang auftretenden Leckagemassenstrom 52 (in den Figuren 7 und 8 dargestellt) möglichst optimal in den Einlass 102 einzuleiten.
Bei den Schnittdarstellungen in den Figuren 2 und 3 ist zu erkennen, dass Vorsatzläuferabschnitt 20 und Impellerabschnitt 10 als ein Bauteil 80 ausgeführt sind. Es ist kein Löten, Schweißen oder anderes Fügeverfahren für die Fertigung dieser Komponente nötig. Weiter wird die Welle-Nabe-Verbindung gezeigt, über welche Energie an den Impellerabschnitt 10 übertragen wird. Das Bauteil 80 verfügt über eine Nabe 12 wie ein üblicher Vorsatzläufer. Dies verbessert sowohl die Strömungsführung als auch die Festigkeit des Bauteils 80 gegenüber einem nabenlosen Vorsatzläufer.
Die Figuren 4 und 5 zeigen die Impellereinheit 100 ohne das Deckband 30, um die Form der Schaufeln zu verdeutlichen. Aus Geometrie- und Effizienzgründen ist der axiale Vorsatzläuferabschnitt 20 mit drei Schaufeln 22 ausgeführt, welche vom axialen Einlass 102 in Schaufeln des Impellerabschnitts 10 übergehen und bis zum radialen Auslass 104 durchgeführt sind. Auf der Grundplatte 14 des Impellerabschnitts 10 sind zur Verbesserung der Strömungsführung zusätzliche Teilschaufeln 26, sogenannte Splitter Blades, eingefügt.
Wie insbesondere in den Figuren 4 und 5 in der Darstellung des integrierten Bauteils 80 aus Vorsatzläuferabschnitt 20 und Impellerabschnitt 10 zu erkennen ist, sind die Vorderkanten 28 der Schaufeln 22 des Vorsatzläuferabschnitts 20 in radialer Richtung gerichtet angeordnet. Weiter sind für eine verbesserte Strömungsführung in der Impellereinheit 100 die Schaufeln 22 des Vorsatzläuferabschnitts 20 von dem axialen Einlass 102 in die Schaufeln 16 des Impellerabschnitts 10 zu dem radialen Auslass 104 ineinander übergehend ausgebildet. Zusätzliche Teilschaufeln 26 sind zwischen den Schaufeln 16 des
Impellerabschnitts 10 auf der Grundplatte 14 angeordnet.
Figur 6 zeigt in einem Längsschnitt eine Pumpe 200 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Impellereinheit 100 wie in den Figuren 1 bis 5 dargestellt.
Die Pumpe 200 umfasst ein Gehäuse 206 mit der Impellereinheit 100 sowie mit einem saugseitigen Einlass 202 als Saugstutzen 226 der Pumpe 200 und einem druckseitigen Auslass 204 für einen Fluidstrom 50. Dabei sind der Einlass 202 des Gehäuses 206 mit dem Einlass 102 der
Impellereinheit 100 und der Auslass 104 der Impellereinheit 100 mit dem Auslass 204 des Gehäuses 206 jeweils fluidisch verbunden.
Sichtbar ist der axiale Einlass 202 der Pumpe 200 an der Oberseite. Weiter sind die Verrundungen an Gehäuse 206 und Einlass 102 der Impellereinheit 100 sichtbar. Der radial angeordnete Sammler 218, in welchen der Fluidstrom 50 aus dem radialen Auslass 104 des Impellerabschnitts 10 geleitet wird, mündet in den auf der rechten Seite des Gehäuses 206 zu erkennenden Auslass 204.
Die Lagerung der Impellereinheit 100 in dem Gehäuse 206 erfolgt über eine hier nicht dargestellte Antriebswelle, welche wiederum in einem hier auch nicht dargestellten Lagerbock sitzt. Das Lauflager 220 sowie der Einlass 202 weisen weitere Dichtungen auf.
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt des Längsschnitts der Pumpe 200 nach Figur 6, während in Figur 8 eine Detailansicht des Einlasses 202 der
Pumpe nach Figur 6 in isometrischer Darstellung gezeigt ist.
Wie in Figur 7 zu erkennen ist, ist ein Strömungskanal 214 die Impellereinheit 100 radial außen umgebend im Gehäuse 206 ausgebildet. Der Strömungskanal 214 ist durch Spalte 210, 212 zwischen
Impellereinheit 100 und Gehäuse 206 begrenzt. Über den Strömungskanal 214 kann ein Leckagemassenstrom 52 vom Auslass 104 der Impellereinheit 100 zum Einlass 102 der Impellereinheit 100 zurückgeleitet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Pumpe 200 können Vorrichtungen 216 zur Beeinflussung des Dralls der Fluidströmung 50 mittels des über den Strömungskanal 214 rückgeleiteten Leckagemassenstroms 52 in den Einlass 202 als Saugstutzen 226 oder am Übergang des Strömungskanals 214 zum Einlass 102 der Impellereinheit 100 vorgesehen sein.
Bei dem in den Figuren 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Vorrichtungen 216 als tangential angeordnete Öffnungen 208 im Gehäuse 206 ausgebildet. Die Öffnungen 208 sind mit dem Einlass 102 der Impellereinheit 100 fluidisch verbunden. Über die Öffnungen 208 kann der Leckagemassenstrom 52 aus dem Strömungskanal 214 tangential in Rotationsrichtung 60 der Impellereinheit 100 in den Einlass 102 der Impellereinheit 100 eingeleitet werden.
Der Strömungskanal 214 ist ferner über den Spalt 212 zwischen dem Abschlussprofil 42 des Einlasses 102 der Impellereinheit 100 und dem
Gehäuse 206 mit dem Einlass 102 der Impellereinheit 100 fluidisch verbunden ist. Über den Spalt 212 kann der Leckagemassenstrom 52 zumindest zu einem gewissen Teil aus dem Strömungskanal 214 in den Einlass 102 der Impellereinheit 100 eingeleitet werden
Die Figuren 6, 7 und 8 geben einen Überblick über die gesamte Pumpe 200 (Figur 6), bzw. detaillierte Ansichten des Einlasses 202 der Pumpe (Figuren 7 und 8) sowie der Erläuterung der Rückführung des Leckagemassenstroms 52.
Figur 7 zeigt eine Detailansicht des Einlasses 202 der Pumpe 200. Der geförderte Fluidstrom 50 tritt vom Radseitenraum 222 her, in welchem der Impellerabschnitt 10 rotiert, in die Läuferdichtung 224 am Spalt 210 ein, wie dies für Pumpen in Raumfahrtanwendungen üblich ist. Nach dem Austritt aus der Dichtung strömt das Fluid 52 durch einen Strömungskanal
214 zwischen Impellereinheit 100 und Gehäuse 206 in Richtung des Einlasses 102. Am oberen Ende dieses Strömungskanals 214 befindet sich ein Spalt 212, der Impellereinheit 100 und Gehäuse 206 trennt. Durch diesen Spalt 212 tritt ein Teil des Leckagemassenstroms 52 wieder in den Hauptmassenstrom 50 ein. Die Spalthöhe ist minimal gehalten und kann nach derzeitigem Stand der Entwicklung mit ca. 0,01 mm bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,05 bis 0,25 mm, ausgeführt werden. Bevorzugt ist der Spalt 210 etwa 0,05 mm, während der Spalt 212 etwa 0,25 mm beträgt. Aufgrund des mit der geringen Höhe verbundenen Druckverlustes tendiert die Strömung 52 nun dazu, durch die hier angebrachten Öffnungen 208 zu strömen. Dies wird im Detail in Figur 8 dargestellt. Der Impulsaustausch zwischen dem so eingeleiteten Leckagemassenstrom 52 und dem axialen Fluidstrom 50 im Einlass 102 führt zur Erzeugung von Mitdrall. Aufgrund der limitierten Menge an Leckagemassenstrom 52 kann nicht der gesamte Fluidstrom 50 in Rotation versetzt werden. Daher sind die Öffnungen 208 mit einer Symmetrieachse tangential zum Außendurchmesser des Vorsatzläuferabschnitts 20 angebracht.
Das radiale Einleiten in Rotationsrichtung 60 verringert die Relativgeschwindigkeit zwischen Schaufelvorderkanten 28 der Schaufeln
22 des Vorsatzläuferabschnitts 20 und eintretendem Leckagemassenstrom 52. Aufgrund der geringen Distanz zwischen radialer Einleitung und rotierenden Schaufeln 22 ist zu erwarten, dass sich eine Änderung der Geschwindigkeitsverteilung nur auf die Strömung über die Schaufelspitzen 24 auswirkt. Dies ist jedoch erstrebenswert, da hier die höchsten Relativgeschwindigkeiten auftreten und sich Kavitationszonen folglich von den Vorderkanten 28, bzw. den Spitzen 24 der Schaufeln 22 her ausbreiten. Dieses System ist passiv und regelt mit der Leistung der Pumpe 200 den radial eingeleiteten Massenstrom 52. Mit höherem Bedarf an Fluid muss der Austrittsdruck gesteigert werden, was wiederum eine Steigerung der Drehzahl der Pumpe 200 notwendig macht. Hiermit steigt auch die Relativgeschwindigkeit zwischen Schaufelvorderkanten 28 und axial zuströmendem Fluidstrom 50. Der gesteigerte Austrittsdruck liegt nun auch im Radseitenraum 222 vor. Bei gleichbleibendem Eintrittsdruck führt die höhere Druckdifferenz über die Läuferdichtung 224 zu einem gesteigerten Leckagemassenstrom 52, welcher über die Öffnungen 208 wieder in den Einlass 102 eingeleitet wird. Die sich hierdurch verringernde Relativgeschwindigkeit beugt dem Entstehen der initialen
Kavitationszellen an den Schaufelvorderkanten 28, bzw. den Schaufelspitzen 24 vor. In Figur 9 ist eine schematische Darstellung eines Raketentriebwerks 500 mit einer Pumpe 200 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu erkennen. Das Raketentriebwerk 500 umfasst ein Triebwerksgehäuse 504, in welchem eine Pumpe 200 wie in den Figuren 6 bis 8 beschrieben angeordnet ist. Die Pumpe 200 umfasst eine Impellereinheit 100 mit einem aus Vorsatzläuferabschnitt 20 und Impellerabschnitt 10 integrierten Bauteil 80. Ein Fluidstrom 50 tritt durch einen Einlass 202 der Pumpe 200 in einen Einlass 102 der Impellereinheit 100 ein und wird über einen Auslass 104 der Impellereinheit 100 zu einem Auslass 204 der Pumpe
200 gefördert. Nach einem Verbrennungsprozess tritt ein Abgasstrom 502 aus dem Triebwerksgehäuse 504 aus.
Bezugszeichen
10 Impellerabschnitt
12 Nabe
14 Grundplatte
16 Schaufel
18 Spitze
20 Vorsatzläuferabschnitt (Inducer)
22 Schaufel
24 Spitze
26 Teilschaufel
28 Vorderkante
30 Deckband
32 Hülse
34 Scheibe
40 Aufnahme
42 Abschlussprofil
50 Fluidstrom
52 Leckagemassenstrom
60 Rotationsrichtung
70 axiale Richtung
80 integriertes Bauteil
100 Impellereinheit
102 Einlass
104 Auslass
200 Pumpe
202 Einlass
204 Auslass
206 Gehäuse
208 Öffnung
210 Spalt
212 Spalt 214 Strömungskanal
216 Vorrichtung zur Drallbeeinflussung
218 Sammler
220 Lauflager
222 Radseitenraum
224 Läuferdichtung
226 Saugstutzen
500 Raketentriebwerk
502 Abgasstrom
504 T riebwerksgehäuse

Claims

Ansprüche
1. Impellereinheit (100) für eine Pumpe (200), mit einem Einlass (102) und einem Auslass (104) für einen Fluidstrom (50), umfassend einen in axialer Richtung (70) angeordneten Impellerabschnitt (10), sowie einen in axialer Richtung (70) stromaufwärts zum Impellerabschnitt (10) koaxial angeordneten Vorsatzläuferabschnitt (20), wobei der Vorsatzläuferabschnitt (20) Schaufeln (22) aufweist, um den Fluidstrom (50) in axialer Richtung (70) auf Schaufeln (16) des Impellerabschnitts (10) zu leiten, wobei der Impellerabschnitt (10) auf einer Grundplatte (14) angeordnete Schaufeln (16) aufweist, um den vom Vorsatzläuferabschnitt (20) kommenden Fluidstrom (50) zu dem Auslass (104) zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass Impellerabschnitt (10) und Vorsatzläuferabschnitt (20) als ein Bauteil (80) integriert ausgebildet sind, welches vom Einlass (102) zum Auslass (104) geschlossen ummantelt ist.
2. Impellereinheit nach Anspruch 1, wobei wenigstens der
Vorsatzläuferabschnitt (20) und der Impellerabschitt (10) einstückig ausgebildet sind, insbesondere wobei wenigstens der
Vorsatzläuferabschnitt (20) und der Impellerabschnitt (10) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt sind.
3. Impellereinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Vorsatzläuferabschnitt (20) und der Impellerabschnitt (10) ein radial umlaufendes, durchgehendes Deckband (30) aufweisen, welches sich von dem Einlass (102) zum Auslass (104) erstreckt, wobei die
Schaufeln (22) des Vorsatzläuferabschnitts (20) radial außen ummantelt sind und die Schaufeln (16) des Impellerabschnitts (10) stromaufwärts abgedeckt sind. 4. Impellereinheit nach Anspruch 3, wobei das Deckband (30) eine zylindrische Hülse (32) aufweist, welche auf den nach radial außen weisenden Spitzen (24) der Schaufeln (22) des Vorsatzläuferabschnitts (20) angeordnet ist, und wobei das Deckband (30) eine Scheibe (34) aufweist, welche auf von der Grundplatte (14) weg weisenden Spitzen (18) der Schaufeln (16) des Impellerabschnitts (10) angeordnet ist.
5. Impellereinheit nach Anspruch 3 oder 4, wobei Vorsatzläuferabschnitt (20), Impellerabschnitt (10) und Deckband (30) einstückig ausgebildet sind.
6. Impellereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei Vorsatzläuferabschnitt (20), Impellerabschnitt (10) und Deckband (30) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt sind.
7. Impellereinheit nach Anspruch 3 oder 4, ausgebildet als gebautes Bauteil, insbesondere wobei das Deckband (30) in einem der Herstellung des integrierten Bauteils (80) aus Impellerabschnitt (10) und Vorsatzläuferabschnitt (20) nachfolgenden Prozessschritt montiert ist.
8. Impellereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Impellerabschnitt (10) und Vorsatzläuferabschnitt (20) auf einer gemeinsamen Nabe (12) angeordnet sind, insbesondere wobei die Nabe einstückig mit dem Impellerabschnitt (10) und dem
Vorsatzläuferabschnitt (20) ausgebildet ist.
9. Impellereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einlass (102) ein in radialer Richtung entgegen einer Einströmrichtung des Fluids (50) konvex gerundetes Abschlussprofil (42) aufweist.
10. Impellereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaufeln (22) des Vorsatzläuferabschnitts (20) von dem Einlass (102) in die Schaufeln (16) des Impellerabschnitts (10) zu dem Auslass (104) ineinander übergehend ausgebildet sind.
11. Impellereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzliche Teilschaufeln (26) zwischen den Schaufeln (16) des Impellerabschnitts (10) auf der Grundplatte (14) angeordnet sind.
12. Pumpe (200), umfassend ein Gehäuse (206) mit einer Impellereinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie mit einem saugseitigen Einlass (202) und einem druckseitigen Auslass (204) für einen Fluidstrom (50), wobei der Einlass (202) des Gehäuses (206) mit einem Einlass (102) der Impellereinheit (100) und ein Auslass
(104) der Impellereinheit (100) mit dem Auslass (204) des Gehäuses (206) jeweils fluidisch verbunden sind, wobei die Impellereinheit (100) einen in einer axialen Richtung (70) angeordneten Impellerabschnitt (10), sowie einen in axialer Richtung (70) stromaufwärts zum Impellerabschnitt (10) koaxial angeordneten
Vorsatzläufer (20) umfasst, wobei der Vorsatzläuferabschnitt (20) Schaufeln (22) aufweist, um den Fluidstrom (50) in axialer Richtung (70) auf Schaufeln (16) des Impellerabschnitts (10) zu leiten, wobei der Impellerabschnitt (10) auf einer Grundplatte (14) angeordnete Schaufeln (16) aufweist, um den vom
Vorsatzläuferabschnitt (20) kommenden Fluidstrom (50) zu dem Auslass (104) zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass Impellerabschnitt (10) und Vorsatzläuferabschnitt (20) als ein Bauteil (80) integriert ausgebildet sind, welches vom Einlass (102) zum Auslass (104) geschlossen ummantelt ist.
13. Pumpe nach Anspruch 12, wobei wenigstens der Vorsatzläuferabschnitt (20) und der Impellerabschnitt (10) einstückig ausgebildet sind, insbesondere wobei wenigstens der
Vorsatzläuferabschnitt (20) und der Impellerabschnitt (10) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt sind.
14. Pumpe nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der Vorsatzläufer (20) und der Impellerabschnitt (10) ein radial umlaufendes, durchgehendes Deckband (30) aufweisen, welches sich von dem Einlass (102) zum Auslass (104) erstreckt, wobei die Schaufeln (22) des Vorsatzläufers (20) radial außen ummantelt sind und die Schaufeln (16) des Impellerabschnitts (10) stromaufwärts abgedeckt sind.
15. Pumpe nach Anspruch 14, wobei das Deckband (30) eine zylindrische Flülse (32) aufweist, welche auf den nach radial außen weisenden Spitzen (24) der Schaufeln (22) des Vorsatzläufers (20) angeordnet ist, und wobei das Deckband (30) eine Scheibe (34) aufweist, welche auf von der Grundplatte (14) weg weisenden Spitzen (18) der Schaufeln (16) des Impellerabschnitts (10) angeordnet ist.
16. Pumpe nach Anspruch 14 oder 15, wobei Vorsatzläufer (20), Impellerabschnitt (10) und Deckband (30) einstückig ausgebildet sind, insbesondere wobei Vorsatzläuferabschnitt (20), Impellerabschnitt (10) und Deckband (30) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt sind.
17. Pumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei ein
Strömungskanal (214) die Impellereinheit (100) radial außen umgebend im Gehäuse (206) ausgebildet ist, welcher durch Spalte (210, 212) zwischen Impellereinheit (100) und Gehäuse (206) begrenzt ist, wobei über den Strömungskanal (214) ein
Leckagemassenstrom (52) vom Auslass (104) der Impellereinheit (100) zum Einlass (102) der Impellereinheit (100) zurückgeleitet wird.
18. Pumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei Vorrichtungen (216) zur Beeinflussung eines Dralls des in die Pumpe (200) eintretenden Fluidstroms (50) mittels wiedereintretendem Leckagemassenstrom (52) im Bereich eines Saugstutzens (202) der Pumpe (200) oder am Übergang des Strömungskanals (214) zum Einlass (102) der Impellereinheit (100) vorgesehen sind.
19. Pumpe nach Anspruch 18, wobei die Vorrichtungen (216) zur Beeinflussung des Dralls des rückgeleiteten Leckagemassenstroms (52) als tangential angeordnete Öffnungen (208) im Gehäuse (206) ausgebildet sind, wobei die Öffnungen (208) mit dem Einlass (102) der Impellereinheit (100) fluidisch verbunden sind, und über welche Öffnungen (208) der Leckagemassenstrom (52) aus dem Strömungskanal (214) tangential in Rotationsrichtung (60) der Impellereinheit (100) in den Einlass (102) der Impellereinheit (100) eingeleitet wird.
20. Pumpe nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Strömungskanal (214) über den Spalt (212) zwischen einem Abschlussprofil (42) des Einlasses (102) der Impellereinheit (100) und dem Gehäuse (206) mit dem Einlass (102) der Impellereinheit (100) fluidisch verbunden ist, über welchen Spalt (212) der Leckagemassenstrom (52) aus dem Strömungskanal (214) in den Einlass (102) der Impellereinheit (100) einleitbar ist. 21. Raketentriebwerk (500), umfassend wenigstens ein
Triebwerksgehäuse (504), in welchem wenigstens eine Pumpe (200) nach einem der Ansprüche 12 bis 20 angeordnet ist.
22. Verfahren zur Herstellung einer Impellereinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für eine Pumpe (200) nach einem der Ansprüche
12 bis 20, wobei die Impellereinheit (100) wenigstens einen Impellerabschnitt (10) und einen Vorsatzläuferabschnitt (20) aufweist, wobei Impellerabschnitt (10) und Vorsatzläuferabschnitt (20) als ein Bauteil (80) integriert, insbesondere einstückig, ausgebildet sind, welches vom Einlass (102) zum Auslass (104) geschlossen ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Impellerabschnitt (10) und der Vorsatzläuferabschnitt (20) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Vorsatzläuferabschnitt (20) und der Impellerabschnitt (10) ein durchgehendes Deckband (30) aufweisen, welches sich von einem Einlass (102) zu einem Auslass (104) erstreckt, wobei Schaufeln (22) des Vorsatzläuferabschnitts (20) radial außen ummantelt sind und Schaufeln (16) des Impellerabschnitts (10) parallel zu der Grundplatte (14) abgedeckt sind, wobei Impellerabschnitt (10), Vorsatzläuferabschnitt (20) und Deckband (30) als ein Bauteil (80) integriert, insbesondere einstückig, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Impellereinheit (100) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt wird.
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