EP4264059A1 - Herstellung eines diffusors als gruppe von kanälen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe (1) mit mindestens einem Laufrad (5, 9). Einem Laufrad (5, 9) ist eine Leiteinrichtung (6) nachgeordnet. Die Leiteinrichtung (6) ist aus mindestens zwei generativ gefertigten Segmenten (17) gebildet.

Description

Herstellung eines Diffusors als Gruppe von Kanälen

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit mindestens einem Laufrad, dem eine Leiteinrichtung nachgeordnet ist.

Solche Leiteinrichtungen weisen meist Leitschaufeln auf. Zwischen den Leitschaufeln werden Leitkanäle für das Fördermedium gebildet. Solche Leiteinrichtungen können als Leiträder ausgebildet sein. Aus dem Laufrad austretendes Fördermedium tritt in die Leiteinrichtung ein. In der Leiteinrichtung wird kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt. Weiterhin findet eine Umlenkung des Mediums statt. Der Drall wird gegebenenfalls für eine Zuströmung in eine weitere Stufe reduziert.

In der DE 39 12 279 C2 wird eine Kreiselpumpe ein- oder mehrstufiger Bauart mit mindestens einem Laufrad beschrieben. Dem Laufrad ist in Strömungsrichtung ein Leitrad nachgeordnet. Das Leitrad weist mehrere Leitschaufeln auf.

Die DE 10 2014 223 942 A1 beschreibt eine ein- oder mehrstufige Kreiselpumpe mit einer Leiteinrichtung. Das Fördermedium strömt einem ersten Laufrad zu und erfährt dadurch eine Druckerhöhung. Dem Laufrad nachgeordnet ist eine Leiteinrichtung, an deren Leitkanäle Führungselemente angeordnet sind. Die Leiteinrichtung kann als Diffusor ausgebildet sein. Ein Diffusor ist ein Bauteil, das eine Strömung mit bestimmten Ausgangswerten von Durchflussgeschwindigkeit und statischem Druck in eine Strömung mit niedrigerer Geschwindigkeit und höherem statischen Druck möglichst verlustarm überführt.

Charakteristisches Merkmal eines Diffusors ist die Strömungsführung in einem geschlossenen Kanal mit in Strömungsrichtung größer werdenden Querschnitten. In der Kreiselpumpentechnik wird der Diffusor sehr häufig als druckseitiges Gehäuseteil bei Ring- und Spiralgehäusepumpen, mehrstufigen Kreiselpumpen sowie als Bauteil in Rohrleitungen eingesetzt.

Bei herkömmlichen mehrstufigen Kreiselpumpen wird das aus dem Laufrad austretende Fluid in einem nachfolgenden Leitrad zunächst verzögert und anschließend in einer Überströmgeometrie der nachfolgenden Rückführpartie zugeführt. Hierdurch ergibt sich ein erhöhter radialer Bauaufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe mit einem Leitrad und einem möglichst kleinen radialen Bauraum anzugeben. Die Kreiselpumpe soll dabei einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen. Eine Strömungsablösung soll dabei weitgehend verhindert werden. Weiterhin soll eine möglichst verlustarme Verzögerung gewährleistet werden. Die Kreiselpumpe soll sich durch eine möglichst kostengünstige Konstruktion und zuverlässige Betriebsweise auszeichnen. Weiterhin soll eine möglichst lange Lebensdauer erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit mindestens einem Laufrad gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß weist eine Kreiselpumpe mindestens ein Laufrad auf, dem eine Leiteinrichtung nachgeordnet ist. Diese Leiteinrichtung ist aus mindestens zwei generativ gefertigten Segmenten gebildet. Unter generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren versteht man Verfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und somit dreidimensionale Bauteile erzeugt werden. Für die Ausbildung der Segmente werden insbesondere das selektive Laserschmelzen, das Kaltgasspritzen und das Extrudieren in Kombination mit dem Aufträgen von schmelzfähigem Kunststoff angewandt.

Ein Segment ist ein Teil eines Ganzen und somit ergibt das Zusammensetzen, insbesondere das Zusammenfügen, von Segmenten ein ganzes Bauteil. Vorteilhafterweise ermöglicht die segmentierte Ausbildung und das Zusammenfügen der generativ gefertigten Segmente Leiteinrichtungen, insbesondere Diffusoren als Gruppe von Kanälen, die Abmaße aufweisen können, die zuvor in unsegmentierter Ausbildung nicht erreicht werden konnten.

Für die Anwendung von mehrgliedrigen Hochdruckkreiselpumpen und Kesselspeisepumpen konnten bislang keine generativ gefertigten Leiteinrichtungen eingesetzt werden, da deren Abmaße technisch nicht oder nur schwer realisierbar waren. Generativ gefertigte Leiteinrichtungen zeichnen sich durch hydraulisch optimierte Geometrien aus, die mit spanenden oder gießenden Fertigungsverfahren nicht erreicht werden können. Die Ausbildung einer komplexen Leiteinrichtung in Segmenten ermöglicht zum einen eine hydraulisch optimierte Geometrie und zum anderen Bauteilgrößen, die die bekannten Fertigungsmaße übersteigen.

Gemäß der Erfindung ist ein Segment als Kanal ausgebildet. Vorteilhafterweise kann mittels der generativen Fertigung ein Kanal ausgebildet werden, der zuvor anhand einer rechnergestützten Simulation optimiert bestimmt wurde. Ein solcher Kanal weist verbesserte hydraulische Eigenschaften gegenüber Leiteinrichtungen auf, die am Pumpengehäuse angebracht sind und realisiert einen verbesserten Gesamtpumpenwirkungsgrad.

Vorzugsweise nimmt der Querschnitt eines Kanals in Strömungsrichtung zu. Dadurch wird besonders effizient die Strömungsgeschwindigkeit eines geförderten Fluides reduziert und gleichzeitig ein höherer statischer Druck verwirklicht. Idealerweise weist der Kanal eine Krümmung zur Umlenkung der Strömung auf. Das zu fördernde Fluid wird dadurch von der Leiteinrichtung vollständig aus der Laufradentladung aufgenommen und kann hierdurch optimal einem nachfolgenden Pumpenlaufrad zugeführt werden. Die Krümmung lenkt die Strömung des Fluides in besonders vorteilhafter Weise um, so dass es zu keiner Strömungsablösung am Austritt der Krümmung kommt und auf eine Verstärkung der Leiteinrichtung verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäß weist ein Kanal eines Segments Formungen auf. Durch die Formungen werden im Kanal Abrundungen ausgebildet, die Wirbelbildungen reduzieren und dadurch den Wirkungsgrad der Kreiselpumpe steigern.

Vorteilhafterweise weist ein Segment mindestens eine Bohrung zur Ausbildung einer axialen Diffusionsströmung auf. Mit einer rechnerbasierten Simulation kann die Anordnung der Bohrung optimiert gestaltet und die Ausbildung der Diffusionsströmung zur Reduktion des Durchmessers der Leiteinrichtung erzielt werden.

Gemäß der Erfindung umfasst die Leiteinrichtung mehr als 5, vorzugsweise mehr als 7 Segmente, insbesondere mehr als 9 Segmente. Mit einer großen Anzahl von Segmenten und somit auch von Kanälen kann die Diffusorwirkung optimal umgesetzt werden.

Idealerweise sind die Segmente mit einer unlösbaren Verbindung, vorzugsweise einer Schweißverbindung, zu einer Leiteinrichtung verbunden. Eine solche Verbindung zeichnet sich durch ihre robuste und langlebige Ausführung aus.

Erfindungsgemäß sind die Wandungen der Segmente sehr dünn ausgebildet und die Segmente weisen zur Steigerung der Festigkeit eine innere Gitterstruktur auf. Auf diese vorteilhafte Weise lassen sich Leiteinrichtungen mit einem besonders hervorragenden Verhältnis von Masse zu Bauteilvolumen erzielen. Gerade im Vergleich zu konventionell gefertigten Leiteinrichtungen weist die aus generativ gefertigten Segmenten erzeugte Leiteinrichtungen eine äußerst geringe Masse auf. Gemäß der Erfindung wird eine aus generativ gefertigten Segmenten zusammengesetzte Leiteinrichtung als Diffusor für eine Kreiselpumpe verwendet. Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung weist eine besonders runde und geschwungene Ausformung der Kanäle auf. Die Strömungsführung des Fluids innerhalb der Leiteinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie besonders wirbelfrei ausgebildet werden kann und somit ein hoher Wirkungsgrad der Kreiselpumpe erzielbar ist.

Von besonders großem Vorteil ist die Fertigung auch von großen Leiteinrichtungen in einem integrativen, additiven Fertigungsverfahren. Durch den Einsatz eines besonders beweglichen Roboterarmes, der über unterschiedliche Werkzeuge der additiven Fertigung sowie auch der Fügetechnik verfügt, können besonders komplexe und auch große Leiteinrichtungen gefertigt werden. Beispielsweise können mit dem Werkzeug des selektiven Laserschmelzens die Kanalsegmente erzeugt werden, mit einem Fixierungswerkzeug die Positionierung der Segmente ausgeführt werden und die Verbindungsfugen mit einem Schweißwerkzeug gebildet werden.

Beim Fügen werden zwei oder mehr feste Körper, die Fügeteile, mit geometrisch bestimmter Gestalt dauerhaft verbunden. Beim Schweißen entsteht eine unlösbare Verbindung von Segmenten unter Anwendung von Wärme und/oder Druck, mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffe. Die Zusatzwerkstoffe werden üblicherweise in Form von Stäben oder Drähten zugeführt, abgeschmolzen und erstarren in der Fuge zwischen den Fügepartnern, um so die Verbindung zu erzeugen. Das Schweißen zählt zu den stoffschlüssigen Verbindungsmethoden, wobei Verbindungen mit hoher Festigkeit erzeugt werden.

In einer alternativen Variante der Erfindung könnte als Fügeverfahren das Pressen eingesetzt werden. Dabei bewirken große Kräfte das Ausbilden einer dauerhaften Verbindung zwischen den Segmenten. Die Leiteinrichtung kann in einer Variante der Erfindung aus unterschiedlichem Aufbaumaterial gebildet werden. Das Aufbaumaterial umfasst vorzugsweise metallische Pulverteilchen, insbesondere niedriglegierte und/oder hochlegierte Stahlpulverteilchen, und/oder schmelzfähigen Kunststoff und/oder einen Metall-Polymer-Hybridwerkstoff.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial zur Herstellung der Kontaktfläche zum strömenden Fluid um metallische Pulverteilchen. Bei einer Variante der Erfindung werden dazu eisenhaltige und/oder cobalthaltige Pulverpartikel eingesetzt. Diese können Zusätze wie beispielsweise Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten.

Erfindungsgemäß werden die Segmente der Leiteinrichtung in einem additiven Fertigungsverfahren gebildet. Die 3D-Form eines Segments, das als Kanal ausgebildet ist, ist in einer Software als Datensatz hinterlegt. An den Stellen, an denen das Segment ausgebildet werden soll, wirkt ein Roboterarm, der über Werkzeuge unterschiedlicher additiver Verfahren verfügt und bildet Schicht für Schicht die Kontaktfläche zum strömenden Medium und die stützende Gitterstruktur der Kontaktflächen aus. Vorteilhafterweise kann für jede Schicht nacheinander oder gleichzeitig der geeignete Aufbauprozess für jedes Aufbaumaterial ausgeführt werden, so dass ein komplexes Segment aus unterschiedlichen Werkstoffen entsteht, dessen Bereiche optimal an die Anforderungen des späteren Einsatzes angepasst sind.

In einer Variante der Erfindung wird die Gitterstruktur mit dem Schmelzschicht-Werkzeug des additiven Fertigungsverfahrens erzeugt, bei dem aus schmelzfähigem Kunststoff ein Raster von Punkten auf eine Fläche aufgetragen wird. Durch Extrudieren mittels einer Düse sowie einer anschließenden Erhärtung durch Abkühlung an der gewünschten Position wird ein tragfähiger Aufbau, insbesondere in Form eines Gitters und/oder in Form von Waben, erzeugt. Indem der stützende Bereich eines Segments hohlraumbildend mit besonders tragfähiger Struktur erzeugt wird, weist ein Segment eine enorme Festigkeit bei gleichzeitig sehr geringer Masse auf. Der Aufbau eines Segments erfolgt üblicherweise, indem wiederholt jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abgefahren und dann die Arbeitsebene stapelnd nach oben verschoben wird, sodass der stützende Bereich eines Segments entsteht. In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird die Kontaktfläche zum strömenden Fluid aus einem Aufbaumaterial durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Bereiche eines Segments werden dabei durch Variationen der Strahlung generiert. Durch gezielte Steuerung der lokalen Wärmeeinbringung wird bereits beim Bau des Segments eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften vorgenommen. Dadurch gelingt es, in einem Bereich des Segments Zonen und Gefüge unterschiedlicher Werkstoffzustände eines chemisch-homogenen Werkstoffs und damit unterschiedlicher Eigenschaften zu erzeugen.

Der metallische Aufbauwerkstoff wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird diese Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das fertige Segment wird vom überschüssigen Pulver gereinigt.

Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher das Segment aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBM) zum Einsatz kommen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine mehrstufige Kreiselpumpe nach dem Stand der Technik, Fig. 2 eine verbesserte Ausführung einer Leiteinrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Segments der Leiteinrichtung.

In der Fig. 1 ist eine bekannte zweistufige Kreiselpumpe 1 in horizontaler Aufstellung und mit durch einen Pumpeneinlauf 2 hindurchgeführter Welle 3 dargestellt. Eine vertikale oder schräge Aufstellung ist ebenfalls möglich. Eine Förderflüssigkeit, beispielsweise ein leicht ausgasendes oder brennbares Fluid mit niedrigem Siedepunkt, strömt in Richtung der eingezeichneten Strömungspfeile einer ersten Pumpenstufe 4 mit einem ersten Laufrad radialer Bauart zu. Dieses als Sauglaufrad 5 wirkende erste Laufrad fördert in eine Leiteinrichtung 6, in dem die vom Sauglaufrad 5 erzeugte Geschwindigkeitsenergie des Fluids in Druckenergie umgewandelt wird. Der Leiteinrichtung 6 ist eine Rückführbeschaufelung 7 nachgeordnet, mit dem das Fluid einer zweiten Pumpenstufe 8 mit einem zweiten Laufrad 9 zugeleitet wird.

Das Laufrad 5 und das zweite Laufrad 9 sind mit saug- und druckseitigen Spaltdichtungen 10, 11 versehen. Diese reduzieren eine Rückströmung von gefördertem Fluid und begrenzen saug- und druckseitige Radseitenräume 12, 13. Die hier zwei druckseitigen Radseitenräume 13 hüllen druckseitige Entlastungsräume 14 ein, aus denen ein Entlastungsstrom eines geförderten Fluids zwecks Axialschubentlastung durch die Entlastungsöffnungen 15 zurück in den Eintrittsbereich 16 der Laufräder 5, 9 strömt.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer verbesserten Ausführung der Leiteinrichtung 6. Die Leiteinrichtung 6 besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwölf generativ gefertigten Segmenten 17, die durch ein Fügeverfahren verbunden worden sind. Jedes Segment 17 ist in Form eines Kanals 18 ausgebildet, dessen Querschnitt in Strömungsrichtung zunimmt. Die Leiteinrichtung 6 kann die Entladung des Laufrads 5 aufnehmen, die Strömung umlenken und anhand der mit Formungen versehenen Kanäle 18 Wirbelbildungen vermeiden und dem folgenden Laufrad 9 zuführen.

Die Leiteinrichtung 6 zeichnet sich durch besonders runde und geschwungene Formungen innerhalb des Kanals 18 aus. Im Vergleich zu bekannten Leiträdern, die mit an der Gehäusewandung angebrachten Rückführbeschaufelungen 7 die Fluidströmung umlenken, zeichnet sich die hier dargestellte Leiteinrichtung 6 durch eine Strömungsführung aus, die einen besonders hohen Wirkungsgrad der Kreiselpumpe erzielen kann. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Segments 17 der Leiteinrichtung 6.

Das Segment 17 ist in Form eines Kanals ausgebildet, dessen Querschnitt in Richtung der Strömung des Fluids zunimmt. Der Kanal 18 weist eine Krümmung 19 zur Umlenkung der Fluidströmung auf, die von der Laufradentladung des Laufrads 5 dem Laufrad 9 zugeführt wird. Das Segment 17 verfügt über mindestens eine Bohrung 20 zur Ausbil- dung einer Diffusionsströmung. Die Anordnung der Bohrung bzw. der Bohrungen 20 wird zuvor per CFD-Simulation bestimmt. Die axiale und radiale Strömung des Fluids wird in der Weise optimiert, so dass ein minimaler Durchmesser der Leiteinrichtung 6 erzielt werden kann.

Claims

Patentansprüche Kreiselpumpe (1 ) mit mindestens einem Laufrad (5, 9), dem eine Leiteinrichtung (6) nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (6) aus mindestens zwei generativ gefertigten Segmenten (17) gebildet ist. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Segment (17) als Kanal (18) ausgebildet ist. Kreiselpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kanals (18) in Strömungsrichtung zunimmt. Kreiselpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (18) eine Krümmung (19) zur Umlenkung der Strömung aufweist. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (18) Formungen zur Reduzierung von Wirbelbildungen aufweist. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Segment (17) mindestens eine Bohrung (20) zur Ausbildung einer axialen Diffusionsströmung aufweist. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (6) mehr als 5, vorzugsweise mehr als 7, insbesondere mehr als 9, Segmente (17) umfasst. 8. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (17) mit einer unlösbaren Verbindung, vorzugsweise einer Schweißverbindung, zu einer Leiteinrichtung (6) verbunden sind. 9. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (17) zur Steigerung der Festigkeit eine innere Gitterstruktur aufweisen.

10. Verwendung einer aus generativ gefertigten Segmenten (17) zusammengesetzten Leiteinrichtung (6) als Diffusor für eine Kreiselpumpe (1 ).