EP4305318A1 - Hybrid manufacture of an impeller - Google Patents

Hybrid manufacture of an impeller

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Publication number
EP4305318A1
EP4305318A1 EP22710385.0A EP22710385A EP4305318A1 EP 4305318 A1 EP4305318 A1 EP 4305318A1 EP 22710385 A EP22710385 A EP 22710385A EP 4305318 A1 EP4305318 A1 EP 4305318A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
centrifugal pump
guide
pump according
manufactured component
elements
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
EP22710385.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Tammuz NOBEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP4305318A1 publication Critical patent/EP4305318A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/444Bladed diffusers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08Centrifugal pumps
    • F04D17/10Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12Multi-stage pumps
    • F04D17/122Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/60Mounting; Assembling; Disassembling
    • F04D29/62Mounting; Assembling; Disassembling of radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/624Mounting; Assembling; Disassembling of radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00Manufacture
    • F05D2230/20Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/23Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05D2230/232Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00Manufacture
    • F05D2230/30Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31Layer deposition

Definitions

  • the invention relates to a centrifugal pump with at least one impeller, which is followed by a control device.
  • Boiler feed pump is another name for the feed pump and is a multi-stage centrifugal pump. Their task is to feed the amount of feedwater corresponding to the amount of steam emitted back to a steam generator such as a boiler or nuclear reactor.
  • the pot case pump in power plant technology the feed pumps are also referred to as jacket case pump or pot case pump, is a centrifugal pump surrounded by a pot-like housing.
  • the pot which is provided with a suction socket and a pressure socket, is screwed to the front sides with a pressure cover and an inlet ring.
  • the drive shaft is routed through the cover on the pressure side and through the inlet ring on the suction side, each sealed with a shaft seal.
  • the pot housing can remain connected to the pipes and the pump foundation.
  • the barrel housing is often also welded into the pipeline.
  • Pot case pumps are multi-stage pumps in a horizontal design. They are used as high and high pressure pumps, especially as boiler feed pumps.
  • a control device In multi-stage centrifugal pumps, a control device is usually arranged between two impellers. Guide devices usually have guide vanes and form guide channels for the pumped medium between two guide vanes. Such Leiteinrich lines can be designed as guide wheels. Conveyed medium emerging from the impeller enters the guide device. Kinetic energy is converted into pressure energy in the guide device. Furthermore, a deflection of the medium takes place. If necessary, the swirl is reduced for an inflow into a following impeller.
  • DE 39 12279 C2 describes a centrifugal pump of single or multi-stage design with at least one impeller.
  • a guide wheel is arranged downstream of the impeller in the direction of flow.
  • the guide wheel has several guide vanes.
  • the impellers and in particular the guide devices are characterized by a massive and not very filigree design, which is usually produced by forming and primary forming processes.
  • An increase in pump efficiency is usually limited by the massive and poorly flow-optimized design of the guide devices.
  • small increases in efficiency produce a large economic impact.
  • the object of the invention is to specify a centrifugal pump, also a multi-stage centrifugal pump, with an optimized flow control.
  • the centrifugal pump should have the highest possible efficiency. Flow separation should be largely prevented and deceleration with as little loss as possible should be ensured.
  • the centrifugal pump should be able to be designed individually to customer requirements. This centrifugal pump should consist of as few individual parts as possible and should be as easy to assemble as possible. The exchange of spare parts should be favored by the construction of the centrifugal pump.
  • the centrifugal pump should be easy and inexpensive to implement.
  • a centrifugal pump with at least one impeller is constructed as a hybrid component from at least one conventionally manufactured component and at least one additively manufactured component.
  • An additively manufactured component has been created using an additive manufacturing process.
  • the term generative manufacturing processes includes all manufacturing processes in which material is applied layer by layer and thus three-dimensional components are produced.
  • the layered structure is computer-controlled and consists of one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes. Physical or chemical hardening or melting processes take place during construction.
  • Typical materials for 3D printing are plastics, synthetic resins, ceramics, metals, carbon and graphite materials
  • Additive manufacturing processes are processes in which material is applied layer by layer to create a three-dimensional component.
  • at least one guide element of the guide device is designed as an additively manufactured component.
  • selective laser melting and cladding also known as build-up welding, are used to form the guide elements.
  • cold gas spraying and extrusion in combination with the application of meltable plastic can also be used.
  • generatively manufactured guide elements are particularly filigree and thin-walled. Fine webs, flow-optimized using CFD, direct the flow from the preceding impeller to the following impeller with almost no loss.
  • the complex structure of the guide element prevents the formation of vortices and flow separation and is characterized by a low component mass.
  • the guide element is produced using a method in which a layer of a building material is first applied to a substrate.
  • the construction material for the production of the Guide element of the guide to metallic powder particles.
  • iron-containing and/or cobalt-containing powder particles are used for this purpose. These can contain additives such as chromium, molybdenum or nickel.
  • the metallic structure material is applied in powder form in a thin layer to a plate. The powdered material is then completely melted locally by means of radiation at the desired locations and a solid layer of material is formed after solidification. The base is then lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again. This cycle is repeated until all layers have been produced and the finished guide element has been created.
  • a structure is created that is particularly filigree and flow-optimized and cannot be technically created by conventional methods.
  • a laser beam for example, can be used as radiation, which generates the guide element from the individual powder layers.
  • the data for guiding the laser beam are generated using software on the basis of a 3D CAD body.
  • an electron beam EBN can also be used.
  • the guide element is manufactured using a process that coats a base structure by welding.
  • the surfacing builds up a volume with a filler material in the form of a wire or powder, which creates a particularly filigree and flow-optimized shape of the guide element.
  • Additively manufactured components of the guide systems are characterized by hydraulically optimized geometries that cannot be achieved with machining or casting production processes.
  • the formation of a hybrid control system using a large number of generatively manufactured control elements based on conventionally manufactured components on the one hand enables a hydraulically optimized geometry and on the other hand component sizes that exceed the known, generatively possible production dimensions.
  • the guiding device has more than two, preferably more than three, in particular more than four, and/or fewer than twenty, preferably less than eighteen, in particular fewer than sixteen, guiding elements.
  • a hybrid guide device can thus be generated, which consists of a large number of additively manufactured and hydraulically optimized guide elements.
  • the component size of a guide element can be generated by the usual additive processes with all their advantages and can also achieve very large dimensions thanks to the hybrid structure with conventional components.
  • the generatively manufactured component in particular the guide element, has a shape that is curved radially outwards.
  • the shape of the guide element with its filigree webs has been hydraulically optimized using CFD and deflects the flow with a reduction in swirl, without flow separation and vortex formation.
  • the radially curved shape of the guide element directs the flow to the next pump stage in a particularly ideal way.
  • the additively manufactured component in particular the guide element, has formations for guiding the flow.
  • a guide element preferably has a first, front projection, which, in the form of a receiving blade, absorbs the impeller discharge that hits the guide elements through the gap in the conventionally manufactured double ring.
  • the receiving molding guides the flow to a second molding with particularly low losses which forms a flow channel with the round ring of the double ring and an adjacent guide element.
  • the flow is redirected using the flow channel so that it flows in the direction of the downstream impeller.
  • the flow preferably passes through a rear molding of the guide element, which has an outflowing blade contour. This outflowing blade contour enables a particularly twist- and loss-free outflow to the next pump stage of the multi-stage centrifugal pump.
  • the projections are particularly filigree and have particularly finely defined radii of curvature.
  • the guide element preferably has reinforcing struts in places that do not affect the flow.
  • the additively manufactured guide element is therefore particularly thin and at the same time extremely robust.
  • a guide element with such finely defined blade contours cannot be manufactured using known conventional manufacturing processes and increases the efficiency of the pump in a very advantageous way.
  • the generatively manufactured component in particular the guide element, encloses a guide ring with almost no gaps.
  • the generative manufacturing of the guiding elements allows an extremely precise and accurate manufacturing and thus a gap-free fit to the conventionally manufactured components of the hybrid guiding device.
  • an additively manufactured component in particular the guide element, has sealing elements for a gap-free connection to a guide ring.
  • the generative manufacturing process allows a finely designed geometry of the guide element, so that when the hybrid elements of the guide device are brought together, a gap-free connection can be realized, whereby the efficiency of the centrifugal pump can approach the hydraulic optimum.
  • the walls of the guide elements are made very thin and the guide elements have an inner wall to increase their strength lattice structure.
  • guide elements with a particularly excellent ratio of mass to component volume can be achieved.
  • the hybrid design of the guide devices has a low mass.
  • the hybrid design of the guide device does not require any additional joining technology.
  • the generatively manufactured component in particular the guide element, has elements for engaging in counter-elements.
  • the control element can be inserted into corresponding negatives on the conventional component and thus form a stable bond. This considerably simplifies the assembly of the centrifugal pump, since the components of the hybrid guide device can simply be plugged in.
  • the elements for engaging are formed as so-called pins or pens, which can engage in a connecting manner in the corresponding counter-elements, which are formed as precisely fitting negatives of the pins or pens.
  • the resulting plug connection is characterized by simple assembly and disassembly.
  • inventions designates a component that is produced by means of archetypes, forming or a subtractive manufacturing process.
  • Primary shaping is a main group of manufacturing processes in which a solid body with a geometrically defined shape is produced from an amorphous substance.
  • Primitive Forming is used to create the initial form of a solid body and to create the cohesion of matter.
  • raw parts made of plastically deformable materials are specifically brought into a different shape without removing any material from the raw parts.
  • something is separated from the workpiece. In addition to the component produced, this mainly produces chips.
  • At least one conventionally manufactured component is designed as a one-piece double ring.
  • Simple rings can be produced particularly economically and precisely by casting.
  • the hybrid design of the control device combines Components that have each been hydraulically optimized using the most advantageous manufacturing process to create a device that achieves the best possible efficiency of a multi-stage centrifugal pump.
  • a conventionally manufactured component includes a rounded guide ring and an edged ring.
  • the rounded guide ring is characterized by a flow-optimized curve on which the guide elements can be arranged without a gap.
  • the edged ring is particularly advantageous for the connection to the impeller, which allows the impeller discharge to be discharged directly to the radially surrounding guide device.
  • the conventionally manufactured component is designed as a one-piece double ring, the rings of which are connected with at least two connecting webs.
  • the connecting webs realize a fixed attachment and arrangement of the rounded guide ring to the edged ring.
  • the gap between the rings has a sufficiently large passage for flow deflection through the guide elements.
  • At least one conventionally manufactured component in particular the guide ring, has counter elements for the engagement of elements.
  • the counter-elements can be designed as cylindrical depressions into which the pin-like elements of the guide elements engage and thus realize the plug-in connection between the guide elements and the guide ring. This makes the installation of the hybrid guidance system particularly easy and time-efficient.
  • the generatively manufactured components and the conventionally manufactured components are joined to form a guiding device with a non-detachable connection, preferably a welded connection.
  • a connection is characterized by its robust and durable design.
  • the joining parts are permanently connected with a geometrically determined shape. Welding creates an inseparable connection between guide elements and the guide ring using heat and/or pressure, with or without welding filler materials.
  • the additional materials are usually added in the form of rods or wires, melted and solidified in the joint between the joining partners in order to create the connection. Welding is one of the material-to-material connection methods, whereby high-strength connections are created.
  • the manufacture of large, hybrid control systems using an integrative, additive manufacturing process is of particular advantage.
  • the one-piece double ring is first formed by archetypes and/or machining.
  • the guide elements are created using a generative process.
  • the hybrid guide device is completed by plugging the guide ring together with the guide elements.
  • the structural material for producing the contact surface for the flowing fluid of the guide element is preferably metallic powder particles.
  • iron-containing and/or cobalt-containing powder particles are used for this purpose. These can contain additives such as chromium, molybdenum or nickel.
  • At least one guide element of the guide device is formed in an additive manufacturing process.
  • the 3D shape of a guide element is stored in software as a data record.
  • a robot arm which has tools from different additive processes, acts and forms the contact surface to the flowing medium and the supporting lattice structure of the contact surfaces layer by layer.
  • the appropriate build-up process for each build-up material can be carried out for each layer in succession or simultaneously, so that a complex guide element is also created from different materials, the areas of which are optimally adapted to the requirements of later use.
  • a lattice structure is produced using the melt layer tool of the additive manufacturing process, in which a grid of points is applied to a surface from meltable plastic.
  • a stable structure in particular in the form of a lattice and/or in the form of honeycombs, is produced by extrusion using a nozzle and subsequent hardening by cooling at the desired position. Because the supporting area of a guide element is created in a cavity-forming manner with a particularly load-bearing structure, a guide element has enormous strength while at the same time having a very low mass.
  • a guiding element is usually built up by repeatedly traveling along a working plane line by line and then shifting the working plane upwards in stacks, so that the supporting area of a guiding element is created.
  • the contact surface for the flowing fluid of the guide element is produced from a structural material by means of successive melting and solidification of layers by means of radiation.
  • the different properties of the areas of a guide element are generated by variations in the radiation.
  • a modification of the material properties is already carried out during the construction of the guide element. This makes it possible to create zones and structures of different material states of a chemically homogeneous material and thus different properties in one area of the guide element.
  • the metallic structure material is applied in powder form in a thin layer to a plate.
  • the powdery material is completely locally melted at the desired points by means of radiation and forms a solid material layer after solidification.
  • This base plate is then lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again. This cycle is repeated until all layers are made.
  • the finished guide element is cleaned of excess powder.
  • the hybrid design of the guidance system enables guidance systems that can be designed particularly individually. Adjustments to the guide device, in particular the vane-like guide elements, can be taken into account by the gene rative production, depending on the requirements of the centrifugal pump.
  • the expensive one-off production is significantly cheaper due to the comparatively cheap, hybrid design from conventionally and additively manufactured components.
  • the generatively manufactured components can have a shape that can achieve a higher pump efficiency and could not previously be achieved using conventional manufacturing methods.
  • the guide device which is produced hybrid from at least one generatively manufactured component and at least one conventionally manufactured component, is used as a guide device for a centrifugal pump, in particular for a multi-stage high-pressure pump.
  • the guiding device is characterized by excellent flow-mechanical properties.
  • FIG. 1 is a perspective view of a guide device
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a guide element.
  • Fig. 1 shows a perspective view of the guide device 23 according to the invention.
  • the guide device 23 comprises the one-piece double ring 22, which is composed of the rounded guide ring 19, the edged ring 20 and the connecting webs 18 together.
  • the guide ring 19 has counter-elements 21 into which the elements 24, not shown in this figure, engage.
  • a guiding element 17 is arranged on the guiding ring 19 of the guiding device 23 in FIG. 1 by way of example.
  • the guide device 23 according to the invention comprises more than two, preferably more than three, in particular more than four and/or less than twenty, preferably less than eighteen, in particular less than sixteen, generatively manufactured guide elements 17.
  • the edged ring 20 surrounds an impeller, not shown, radially and catches the Fluident charge of the impeller.
  • the fluid flow flows through the gap between the rounded guide ring 19 and the edged ring 20 from the guide elements 17 to.
  • the Leitele elements 17 deflect the fluid flow through their radially outwardly curved shape and the formations for flow guidance 25 with a reduction in swirl.
  • the guide elements 17 avoid the formation of vortices and flow separations due to their optimized flow form and thus contribute to increasing the efficiency of the centrifugal pump.
  • the guide device 23 is a hybrid component that is composed of the conventionally manufactured, one-piece double ring 22 and the additively manufactured guide element 17 .
  • the hybrid structure of the guide device 23 combines the advantages of each respective manufacturing process to achieve the optimum efficiency of the inventions to the invention centrifugal pump.
  • the guide element 17 preferably has a first, front projection 27 which, in the form of a receiving blade, receives the impeller discharge which strikes the guide elements 17 through the gap in the conventionally manufactured double ring 22 .
  • the receiving projection 27 leads the flow to a second projection 28 with particularly low losses, which forms flow channels with the round ring 19 of the double ring 22 and the adjacent guide elements 17 .
  • the flow is redirected with the help of the flow channels so that it flows in the direction of the downstream impeller.
  • the flow preferably passes through a rear projection 30 of guide element 17, which has an outflowing blade contour. This outflowing blade contour enables a particularly swirl- and loss-free outflow to the next pump stage of the multi-stage centrifugal pump.
  • the formations for flow guidance 25 consist of the front projection 27, the second projection 28 and the rear projection 30. These shapes for guiding the flow are particularly filigree and designed with extremely fine radii of curvature.
  • the guide element 17 preferably has reinforcement struts 29 at the connection points.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the guide element 17, with its radially outwardly curved shape.
  • the generatively manufactured guide element 17 has formations 25 for improved flow guidance and sealing elements 26 for a gap-free connection to the guide ring 19 (not shown).
  • the elements 24 for engaging in the counter-elements 21 enable the hybrid design of the guide device 23 to be plugged in.

Landscapes

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

Abstract

The invention relates to a centrifugal pump (1) comprising at least one impeller (5, 9). A guide element (23) is located downstream of the impeller. The guide element (23) is designed as a hybrid component that consists of at least one conventionally manufactured component and at least one generatively manufactured component.

Description

Beschreibung description
Herstellung eines Leitrades auf hybride Weise Production of an idler wheel in a hybrid way
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit mindestens einem Laufrad, dem eine Leit einrichtung nachgeordnet ist. The invention relates to a centrifugal pump with at least one impeller, which is followed by a control device.
Pumpen werden als mehrstufig bezeichnet, wenn mehrere Laufräder hintereinander an geordnet sind und vom Förderstrom seriell durchströmt werden. Kesselspeisepumpe ist eine andere Bezeichnung für die Speisepumpe und eine mehrstufige Radialpumpe. Ihre Aufgabe besteht darin, einem Dampferzeuger wie einem Kessel oder Kernreaktor die der abgegebenen Dampfmenge entsprechende Speisewassermenge wieder zuzufüh ren. Pumps are referred to as multi-stage when several impellers are arranged one behind the other and the flow rate flows through them in series. Boiler feed pump is another name for the feed pump and is a multi-stage centrifugal pump. Their task is to feed the amount of feedwater corresponding to the amount of steam emitted back to a steam generator such as a boiler or nuclear reactor.
Die Topfgehäusepumpe, in der Kraftwerkstechnik werden die Speisepumpen auch als Mantelgehäusepumpe bzw. Topfgehäusepumpe bezeichnet, ist eine von einem topf ähnlichen Gehäuse umgebene Kreiselpumpe. Der mit einem Saugstutzen und Druck stutzen versehene Topf wird an den Stirnseiten mit einem Druckdeckel und einem Ein laufring verschraubt. Die Antriebswelle wird druckseitig durch den Deckel und saugsei tig durch den Einlaufring geführt und jeweils mittels einer Wellendichtung abgedichtet. Bei einer Demontage der Pumpe kann somit das Topfgehäuse mit den Rohrleitungen und dem Pumpenfundament verbunden bleiben. Häufig ist bei der Höchstdruckpumpe das Topfgehäuse auch in der Rohrleitung eingeschweißt. Topfgehäusepumpen sind mehrstufige Pumpen in horizontaler Bauweise. Sie finden als Höchst- und Hochdruck pumpe, insbesondere als Kesselspeisepumpe, Verwendung. Bei mehrstufigen Kreiselpumpen ist zwischen zwei Laufrädern üblicherweise eine Leit einrichtung angeordnet. Leiteinrichtungen weisen meist Leitschaufeln auf und bilden zwischen zwei Leitschaufeln Leitkanäle für das Fördermedium aus. Solche Leiteinrich tungen können als Leiträder ausgeführt sein. Aus dem Laufrad austretendes Förderme dium tritt in die Leiteinrichtung ein. In der Leiteinrichtung wird kinetische Energie in Dru ckenergie umgewandelt. Weiterhin findet eine Umlenkung des Mediums statt. Der Drall wird gegebenenfalls für eine Zuströmung in ein folgendes Laufrad reduziert. The pot case pump, in power plant technology the feed pumps are also referred to as jacket case pump or pot case pump, is a centrifugal pump surrounded by a pot-like housing. The pot, which is provided with a suction socket and a pressure socket, is screwed to the front sides with a pressure cover and an inlet ring. The drive shaft is routed through the cover on the pressure side and through the inlet ring on the suction side, each sealed with a shaft seal. When the pump is dismantled, the pot housing can remain connected to the pipes and the pump foundation. In the case of the high-pressure pump, the barrel housing is often also welded into the pipeline. Pot case pumps are multi-stage pumps in a horizontal design. They are used as high and high pressure pumps, especially as boiler feed pumps. In multi-stage centrifugal pumps, a control device is usually arranged between two impellers. Guide devices usually have guide vanes and form guide channels for the pumped medium between two guide vanes. Such Leiteinrich lines can be designed as guide wheels. Conveyed medium emerging from the impeller enters the guide device. Kinetic energy is converted into pressure energy in the guide device. Furthermore, a deflection of the medium takes place. If necessary, the swirl is reduced for an inflow into a following impeller.
In der DE 39 12279 C2 wird eine Kreiselpumpe ein- oder mehrstufiger Bauart mit min destens einem Laufrad beschrieben. Dem Laufrad ist in Strömungsrichtung ein Leitrad nachgeordnet. Das Leitrad weist mehrere Leitschaufeln auf. DE 39 12279 C2 describes a centrifugal pump of single or multi-stage design with at least one impeller. A guide wheel is arranged downstream of the impeller in the direction of flow. The guide wheel has several guide vanes.
Die Laufräder und insbesondere die Leiteinrichtungen zeichnen sich durch eine mas sive und wenig filigrane Bauweise aus, die meist durch umformende und urformende Verfahren erzeugt wird. Eine Steigerung des Pumpenwirkungsgrades ist meist durch die massive und wenig strömungsoptimierte Ausführung der Leiteinrichtungen limitiert. Insbesondere im Dauereinsatz als Kesselspeisepumpe erzeugen kleine Steigerungen des Wirkungsgrades eine große ökonomische Auswirkung. The impellers and in particular the guide devices are characterized by a massive and not very filigree design, which is usually produced by forming and primary forming processes. An increase in pump efficiency is usually limited by the massive and poorly flow-optimized design of the guide devices. Especially in continuous use as a boiler feed pump, small increases in efficiency produce a large economic impact.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe, auch eine mehrstufige Kreiselpumpe, mit einer optimierten Strömungsführung anzugeben. Die Kreiselpumpe soll dabei einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen. Eine Strömungsablösung soll weitgehend verhindert und eine möglichst verlustarme Verzögerung gewährleistet werden. Dabei soll die Kreiselpumpe individuell an Kundenanforderungen gestaltet werden können. Diese Kreiselpumpe soll aus möglichst wenigen Einzelteilen bestehen und dabei mög lichst einfach zu montieren sein. Der Austausch von Ersatzteilen soll durch die Kon struktion der Kreiselpumpe begünstigt sein. Die Kreiselpumpe soll einfach und kosten günstig realisiert werden können. The object of the invention is to specify a centrifugal pump, also a multi-stage centrifugal pump, with an optimized flow control. The centrifugal pump should have the highest possible efficiency. Flow separation should be largely prevented and deceleration with as little loss as possible should be ensured. The centrifugal pump should be able to be designed individually to customer requirements. This centrifugal pump should consist of as few individual parts as possible and should be as easy to assemble as possible. The exchange of spare parts should be favored by the construction of the centrifugal pump. The centrifugal pump should be easy and inexpensive to implement.
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 ist eine Leiteinrichtung einer Kreiselpumpe als Hybridbauteil aus min destens einer konventionell gefertigten Komponente und mindestens einer generativ gefertigten Komponente aufgebaut. According to the invention, this object is achieved by a centrifugal pump with at least one impeller. Preferred variants can be found in the dependent claims, the description and the drawings. According to the invention, a guide device of a centrifugal pump is constructed as a hybrid component from at least one conventionally manufactured component and at least one additively manufactured component.
Eine generativ gefertigte Komponente ist mit einem generativen Fertigungsverfahren er zeugt worden. Die Bezeichnung generative Fertigungsverfahren umfasst alle Ferti gungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und somit dreidi mensionale Bauteile erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computer gesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebe nen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, Metalle, Carbon- und Graphitmaterialien An additively manufactured component has been created using an additive manufacturing process. The term generative manufacturing processes includes all manufacturing processes in which material is applied layer by layer and thus three-dimensional components are produced. The layered structure is computer-controlled and consists of one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes. Physical or chemical hardening or melting processes take place during construction. Typical materials for 3D printing are plastics, synthetic resins, ceramics, metals, carbon and graphite materials
Unter generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren versteht man Verfahren, bei de nen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um ein dreidimensionales Bauteil zu erzeugen. Gemäß der Erfindung ist mindestens ein Leitelement der Leiteinrichtung als generativ gefertigte Komponente ausgebildet. Für die Ausbildung der Leitelemente wer den insbesondere das selektive Laserschmelzen und das Cladding, auch bekannt als Auftragsschweißen, angewandt. In einer alternativen Variante der Erfindung ist auch das Kaltgasspritzen und das Extrudieren in Kombination mit dem Aufträgen von schmelzfähigem Kunststoff ein anwendbares Verfahren. Additive manufacturing processes are processes in which material is applied layer by layer to create a three-dimensional component. According to the invention, at least one guide element of the guide device is designed as an additively manufactured component. In particular, selective laser melting and cladding, also known as build-up welding, are used to form the guide elements. In an alternative variant of the invention, cold gas spraying and extrusion in combination with the application of meltable plastic can also be used.
Vorteilhafterweise sind generativ gefertigte Leitelemente besonders filigran und dünn wandig ausgebildet. Feine, mittels CFD strömungsoptimierte Stege lenken die Strö mung des vorhergehenden Laufrads nahezu verlustfrei dem darauffolgenden Laufrad zu. Die komplexe Struktur des Leitelements verhindert Wirbelbildungen sowie Strö mungsablösungen und zeichnet sich dabei durch eine geringe Bauteilmasse aus. Advantageously, generatively manufactured guide elements are particularly filigree and thin-walled. Fine webs, flow-optimized using CFD, direct the flow from the preceding impeller to the following impeller with almost no loss. The complex structure of the guide element prevents the formation of vortices and flow separation and is characterized by a low component mass.
Beim selektiven Laserschmelzen wird das Leitelement nach einem Verfahren herge stellt, bei dem zunächst eine Schicht eines Aufbaumaterials auf eine Unterlage aufge bracht wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial zur Herstellung des Leitelements der Leiteinrichtung um metallische Pulverteilchen. Bei einer Variante der Erfindung werden dazu eisenhaltige und/oder kobalthaltige Pulverpartikel eingesetzt. Diese können Zusätze wie Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten. Der metallische Aufbauwerkstoff wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Dann wird der pulverförmige Werkstoff mittels einer Strahlung an den jeweils ge wünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstar rung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt bis alle Schichten hergestellt sind und das fertige Leitelement entstan den ist. Erfindungsgemäß wird dabei eine Struktur erzeugt, die besonders filigran und strömungsoptimiert ausgebildet ist und durch konventionelle Verfahren technisch nicht erzeugt werden kann. In the case of selective laser melting, the guide element is produced using a method in which a layer of a building material is first applied to a substrate. The construction material for the production of the Guide element of the guide to metallic powder particles. In a variant of the invention, iron-containing and/or cobalt-containing powder particles are used for this purpose. These can contain additives such as chromium, molybdenum or nickel. The metallic structure material is applied in powder form in a thin layer to a plate. The powdered material is then completely melted locally by means of radiation at the desired locations and a solid layer of material is formed after solidification. The base is then lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again. This cycle is repeated until all layers have been produced and the finished guide element has been created. According to the invention, a structure is created that is particularly filigree and flow-optimized and cannot be technically created by conventional methods.
Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher das Leitelement aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf der Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBN) zum Einsatz kommen. A laser beam, for example, can be used as radiation, which generates the guide element from the individual powder layers. The data for guiding the laser beam are generated using software on the basis of a 3D CAD body. As an alternative to selective laser melting, an electron beam (EBN) can also be used.
Beim Auftragsschweißen oder Cladding wird das Leitelement nach einem Verfahren hergestellt, das eine Grundstruktur durch Schweißen beschichtet. Das Auftragsschwei ßen baut dabei durch einen Schweißzusatzwerkstoff in Form von einem Draht oder ei nem Pulver ein Volumen auf, das eine besonders filigrane und strömungsoptimierte Form des Leitelements realisiert. In build-up welding or cladding, the guide element is manufactured using a process that coats a base structure by welding. The surfacing builds up a volume with a filler material in the form of a wire or powder, which creates a particularly filigree and flow-optimized shape of the guide element.
Für die Anwendung von mehrgliedrigen Hochdruckkreiselpumpen und Kesselspeise pumpen konnten bislang keine generativ gefertigten Leiteinrichtungen eingesetzt wer den, da deren Abmaße technisch nicht oder nur schwer realisierbar waren. Generativ gefertigte Komponenten der Leiteinrichtungen zeichnen sich durch hydraulisch opti mierte Geometrien aus, die mit spanenden oder gießenden Fertigungsverfahren nicht erreicht werden können. Die Ausbildung einer hybriden Leiteinrichtung durch eine Viel zahl generativ gefertigter Leitelemente, die auf konventionell gefertigte Komponenten aufgesteckt werden, ermöglicht zum einen eine hydraulisch optimierte Geometrie und zum anderen Bauteilgrößen, die die bekannten, generativ möglichen Fertigungsmaße übersteigen. For the application of multi-section high-pressure centrifugal pumps and boiler feed pumps, it has not been possible to use generatively manufactured control devices, as their dimensions were technically impossible or difficult to realize. Additively manufactured components of the guide systems are characterized by hydraulically optimized geometries that cannot be achieved with machining or casting production processes. The formation of a hybrid control system using a large number of generatively manufactured control elements based on conventionally manufactured components on the one hand enables a hydraulically optimized geometry and on the other hand component sizes that exceed the known, generatively possible production dimensions.
Gemäß der Erfindung weist die Leiteinrichtung mehr als zwei, vorzugsweise mehr als drei, insbesondere mehr als vier, und/oder weniger als zwanzig, vorzugsweise weniger als achtzehn, insbesondere weniger als sechszehn, Leitelemente auf. Vorteilhafter weise kann somit eine hybride Leiteinrichtung generiert werden, die aus einer Vielzahl von generativ gefertigten und hydraulisch optimierten Leitelementen besteht. Dabei ist die Bauteilgröße eines Leitelements durch die gängigen generativen Verfahren mit all ihren Vorteilen erzeugbar und kann durch den hybriden Aufbau mit konventionellen Komponenten auch sehr große Abmaße erreichen. According to the invention, the guiding device has more than two, preferably more than three, in particular more than four, and/or fewer than twenty, preferably less than eighteen, in particular fewer than sixteen, guiding elements. Advantageously, a hybrid guide device can thus be generated, which consists of a large number of additively manufactured and hydraulically optimized guide elements. The component size of a guide element can be generated by the usual additive processes with all their advantages and can also achieve very large dimensions thanks to the hybrid structure with conventional components.
Vorteilhafterweise weist die generativ gefertigte Komponente, insbesondere das Leitele ment, eine radial nach außen gekrümmte Form auf. Das Leitelement mit seinen filigra nen Stegen ist mittels CFD in seiner Form hydraulisch optimiert und lenkt die Strömung unter Drallreduzierung, ohne Strömungsablösung und Wirbelbildung um. Die radial ge krümmte Form des Leitelements leitet die Strömung der nächsten Pumpenstufe auf ganz besonders ideale Weise zu. Advantageously, the generatively manufactured component, in particular the guide element, has a shape that is curved radially outwards. The shape of the guide element with its filigree webs has been hydraulically optimized using CFD and deflects the flow with a reduction in swirl, without flow separation and vortex formation. The radially curved shape of the guide element directs the flow to the next pump stage in a particularly ideal way.
Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung weist die generativ gefertigte Komponente, insbesondere das Leitelement, Formungen zur Strömungsführung auf.In a particularly favorable embodiment of the invention, the additively manufactured component, in particular the guide element, has formations for guiding the flow.
Das sind besonders fein ausgeführte Anformungen, Stege und Rundungen des Leitele ments, die den hydraulischen Wirkungsgrad der Pumpe auf ganz vorteilhafte Weise op timieren. Sie ermöglichen die Umlenkung der Strömung zur nächsten Pumpenstufe und reduzieren idealerweise den Drall der Strömung. These are particularly finely executed mouldings, webs and curves in the guide element, which optimize the hydraulic efficiency of the pump in a very advantageous way. They allow the flow to be redirected to the next pump stage and ideally reduce the swirl of the flow.
Dabei weist ein Leitelement vorzugsweise eine erste, vordere Anformung auf, die in Form einer aufnehmenden Schaufel die Laufradentladung, die durch den Spalt des kon ventionell gefertigten Doppelrings auf die Leitelemente trifft, aufnimmt. Die aufneh mende Anformung führt die Strömung besonders verlustarm einer zweiten Anformung zu, die mit dem runden Ring des Doppelrings und einem benachbarten Leitelement ei nen Durchflusskanal bildet. Die Strömung wird mithilfe des Durchflusskanals so umge lenkt, dass sie in Richtung des nachgeschalteten Laufrads fließt. Dabei passiert die Strömung bevorzugt eine hintere Anformung des Leitelements, die eine abströmende Schaufelkontur aufweist. Diese abströmende Schaufelkontur ermöglicht ein besonders drall- und verlustfreies Ausströmen zur nächsten Pumpenstufe der mehrstufigen Krei selpumpe. In this case, a guide element preferably has a first, front projection, which, in the form of a receiving blade, absorbs the impeller discharge that hits the guide elements through the gap in the conventionally manufactured double ring. The receiving molding guides the flow to a second molding with particularly low losses which forms a flow channel with the round ring of the double ring and an adjacent guide element. The flow is redirected using the flow channel so that it flows in the direction of the downstream impeller. In this case, the flow preferably passes through a rear molding of the guide element, which has an outflowing blade contour. This outflowing blade contour enables a particularly twist- and loss-free outflow to the next pump stage of the multi-stage centrifugal pump.
Die Anformungen sind idealerweise besonders filigran ausgeführt und weisen beson ders fein definierte Krümmungsradien auf. Vorzugsweise weist das Leitelement an Stel len, die die Strömung nicht beeinflussen, Verstärkungsstreben auf. Somit ist das gene rativ gefertigte Leitelement besonders dünn und gleichzeitig äußerst robust ausgeführt. Ein Leitelement mit solch fein definierten Schaufelkonturen lässt sich nicht mithilfe be kannter konventioneller Fertigungsverfahren hersteilen und erhöht den Pumpenwir kungsgrad auf ganz vorteilhafte Weise. Ideally, the projections are particularly filigree and have particularly finely defined radii of curvature. The guide element preferably has reinforcing struts in places that do not affect the flow. The additively manufactured guide element is therefore particularly thin and at the same time extremely robust. A guide element with such finely defined blade contours cannot be manufactured using known conventional manufacturing processes and increases the efficiency of the pump in a very advantageous way.
Erfindungsgemäß umschließt die generativ gefertigte Komponente, insbesondere das Leitelement, einen Leitring nahezu spaltfrei. Dadurch werden Fehlströmungen und Wir kungsgradverluste vermieden. Die generative Fertigung der Leitelemente erlaubt eine äußerst präzise sowie genaue Fertigung und somit eine spaltfreie Passung zu den kon ventionell gefertigten Komponenten der hybriden Leiteinrichtung. According to the invention, the generatively manufactured component, in particular the guide element, encloses a guide ring with almost no gaps. As a result, faulty flows and efficiency losses are avoided. The generative manufacturing of the guiding elements allows an extremely precise and accurate manufacturing and thus a gap-free fit to the conventionally manufactured components of the hybrid guiding device.
Idealerweise weist eine generativ gefertigte Komponente, insbesondere das Leitele ment, Dichtelemente zum spaltfreien Anschluss an einen Leitring auf. Das generative Fertigungsverfahren erlaubt eine feingestaltete Geometrie des Leitelements, so dass beim Zusammenführen der hybriden Elemente der Leiteinrichtung ein spaltfreier An schluss realisiert werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der Kreiselpumpe an das hydraulische Optimum heranreichen kann. Ideally, an additively manufactured component, in particular the guide element, has sealing elements for a gap-free connection to a guide ring. The generative manufacturing process allows a finely designed geometry of the guide element, so that when the hybrid elements of the guide device are brought together, a gap-free connection can be realized, whereby the efficiency of the centrifugal pump can approach the hydraulic optimum.
In einer alternativen Variante der Erfindung sind die Wandungen der Leitelemente sehr dünn ausgebildet und die Leitelemente weisen zur Steigerung der Festigkeit eine innere Gitterstruktur auf. Auf diese vorteilhafte Weise lassen sich Leitelemente mit einem be sonders hervorragenden Verhältnis von Masse zu Bauteilvolumen erzielen. Gerade im Vergleich zu konventionell gefertigten Leiteinrichtungen weist die hybride Ausbildung der Leiteinrichtungen eine geringe Masse auf. In an alternative variant of the invention, the walls of the guide elements are made very thin and the guide elements have an inner wall to increase their strength lattice structure. In this advantageous way, guide elements with a particularly excellent ratio of mass to component volume can be achieved. Especially in comparison to conventionally manufactured guide devices, the hybrid design of the guide devices has a low mass.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kommt der hybride Aufbau der Leiteinrichtung ohne zusätzliche Fügetechnik aus. Erfindungsgemäß weist die ge nerativ gefertigte Komponente, insbesondere das Leitelement, Elemente zum Eingrei fen in Gegenelemente auf. Beispielsweise können zylinderförmige kurze Stifte am Lei telement angeformt sein, die sich in entsprechende Negative an der konventionellen Komponente einführen lassen und somit einen stabilen Verbund bilden. Die Montage der Kreiselpumpe ist hierdurch erheblich vereinfacht, da sich die Bauteile der hybriden Leiteinrichtung einfach stecken lassen. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the hybrid design of the guide device does not require any additional joining technology. According to the invention, the generatively manufactured component, in particular the guide element, has elements for engaging in counter-elements. For example, short, cylindrical pins can be formed on the control element, which can be inserted into corresponding negatives on the conventional component and thus form a stable bond. This considerably simplifies the assembly of the centrifugal pump, since the components of the hybrid guide device can simply be plugged in.
Idealerweise sind die Elemente zum Eingreifen als sogenannte Pins bzw. Stifte ausge bildet, die in die entsprechenden Gegenelemente, die als passgenaue Negative der Pins bzw. Stifte geformt sind, verbindend eingreifen können. Die daraus resultierende Steckverbindung zeichnet sich durch eine einfache Montage bzw. Demontage aus. Ideally, the elements for engaging are formed as so-called pins or pens, which can engage in a connecting manner in the corresponding counter-elements, which are formed as precisely fitting negatives of the pins or pens. The resulting plug connection is characterized by simple assembly and disassembly.
Die Bezeichnung konventionelle Komponente bezeichnet eine Komponente, die mittels Urformen, Umformen oder einem subtraktiven Fertigungsverfahren erzeugt wird. Das Urformen ist eine Hauptgruppe von Fertigungsverfahren, bei denen aus einem formlo sen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, der eine geometrisch definierte Form hat. Urformen wird genutzt, um die Erstform eines festen Körpers herzustellen und den Stoffzusammenhalt zu schaffen. Beim Umformen werden Rohteile aus plastisch ver formbaren Werkstoffen gezielt in eine andere Form gebracht, ohne dabei Material von den Rohteilen zu entfernen. Beim subtraktiven Fertigungsverfahren wird vom Werkstück etwas abgetrennt. Neben dem erzeugten Bauteil entstehen dabei vorwiegend Späne. The term "conventional component" designates a component that is produced by means of archetypes, forming or a subtractive manufacturing process. Primary shaping is a main group of manufacturing processes in which a solid body with a geometrically defined shape is produced from an amorphous substance. Primitive Forming is used to create the initial form of a solid body and to create the cohesion of matter. During forming, raw parts made of plastically deformable materials are specifically brought into a different shape without removing any material from the raw parts. In the subtractive manufacturing process, something is separated from the workpiece. In addition to the component produced, this mainly produces chips.
Gemäß der Erfindung ist mindestens eine konventionell gefertigte Komponente als ein einstückiger Doppelring ausgebildet. Einfache Ringe lassen sich besonders ökonomisch und präzise durch Gießen hersteilen. Der hybride Aufbau der Leiteinrichtung kombiniert Bauteile, die jeweils durch das vorteilhafteste Fertigungsverfahren hydraulisch optimiert erzeugt wurden, zu einer Vorrichtung, die den bestmöglichen Wirkungsgrad einer mehr stufigen Kreiselpumpe erzielt. According to the invention, at least one conventionally manufactured component is designed as a one-piece double ring. Simple rings can be produced particularly economically and precisely by casting. The hybrid design of the control device combines Components that have each been hydraulically optimized using the most advantageous manufacturing process to create a device that achieves the best possible efficiency of a multi-stage centrifugal pump.
Vorteilhafterweise umfasst eine konventionell gefertigte Komponente einen abgerunde ten Leitring und einen kantigen Ring. Dabei zeichnet sich der abgerundete Leitring durch eine strömungsoptimierte Rundung aus, an die sich die Leitelemente spaltfrei an ordnen lassen. Der kantige Ring ist besonders vorteilhaft für den Anschluss an das Laufrad, das die Laufradentladung direkt an die radial umgebende Leiteinrichtung ent lässt. Advantageously, a conventionally manufactured component includes a rounded guide ring and an edged ring. The rounded guide ring is characterized by a flow-optimized curve on which the guide elements can be arranged without a gap. The edged ring is particularly advantageous for the connection to the impeller, which allows the impeller discharge to be discharged directly to the radially surrounding guide device.
Erfindungsgemäß ist die konventionell gefertigte Komponente als einstückiger Doppel ring ausgebildet, dessen Ringe mit mindestens zwei Verbindungsstegen verbunden sind. Dabei realisieren die Verbindungsstege eine feste Zu- und Anordnung des abge rundeten Leitrings zum kantigen Ring. Gleichzeitig weist der Spalt zwischen den Ringen einen ausreichend großen Durchlass zur Strömungsumlenkung durch die Leitelemente auf. According to the invention, the conventionally manufactured component is designed as a one-piece double ring, the rings of which are connected with at least two connecting webs. The connecting webs realize a fixed attachment and arrangement of the rounded guide ring to the edged ring. At the same time, the gap between the rings has a sufficiently large passage for flow deflection through the guide elements.
Idealerweise weist mindestens eine konventionell gefertigte Komponente, insbesondere der Leitring, Gegenelemente zum Eingreifen von Elementen auf. Beispielweise können die Gegenelemente als zylindrische Vertiefungen ausgebildet sein, in die die stiftartigen Elemente der Leitelemente eingreifen und somit die Steckverbindung zwischen den Lei telementen und dem Leitring realisieren. Die Montage der hybriden Leiteinrichtung ist hierdurch besonders einfach und zeiteffizient umsetzbar. Ideally, at least one conventionally manufactured component, in particular the guide ring, has counter elements for the engagement of elements. For example, the counter-elements can be designed as cylindrical depressions into which the pin-like elements of the guide elements engage and thus realize the plug-in connection between the guide elements and the guide ring. This makes the installation of the hybrid guidance system particularly easy and time-efficient.
In einer alternativen Variante werden die generativ gefertigten Komponenten und die konventionell gefertigten Komponenten mit einer unlösbaren Verbindung, vorzugsweise einer Schweißverbindung, zu einer Leiteinrichtung gefügt. Eine solche Verbindung zeichnet sich durch ihre robuste und langlebige Ausführung aus. Beim Fügen werden zwei oder mehr feste Körper, die Fügeteile, mit geometrisch be stimmter Gestalt dauerhaft verbunden. Beim Schweißen entsteht eine unlösbare Ver bindung von Leitelementen und dem Leitring unter Anwendung von Wärme und/oder Druck, mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffe. Die Zusatzwerkstoffe werden üblicher weise 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 an alternative variant, the generatively manufactured components and the conventionally manufactured components are joined to form a guiding device with a non-detachable connection, preferably a welded connection. Such a connection is characterized by its robust and durable design. When joining, two or more solid bodies, the joining parts, are permanently connected with a geometrically determined shape. Welding creates an inseparable connection between guide elements and the guide ring using heat and/or pressure, with or without welding filler materials. The additional materials are usually added in the form of rods or wires, melted and solidified in the joint between the joining partners in order to create the connection. Welding is one of the material-to-material connection methods, whereby high-strength connections are created.
Von besonders großem Vorteil ist die Fertigung auch von großen, hybriden Leiteinrich tungen mithilfe eines integrativen, additiven Fertigungsverfahrens. Dabei wird zunächst der einstückige Doppelring durch Urformen und/oder Zerspanen ausgebildet. Die Lei telemente werden mithilfe eines generativen Verfahrens erzeugt. Die hybride Leitein richtung wird durch das Zusammenstecken des Leitrings mit den Leitelementen fertig gestellt. The manufacture of large, hybrid control systems using an integrative, additive manufacturing process is of particular advantage. In this case, the one-piece double ring is first formed by archetypes and/or machining. The guide elements are created using a generative process. The hybrid guide device is completed by plugging the guide ring together with the guide elements.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial zur Herstellung der Kontaktflä che zum strömenden Fluid des Leitelements um metallische Pulverteilchen. Bei einer Variante der Erfindung werden dazu eisenhaltige und/oder kobalthaltige Pulverpartikel eingesetzt. Diese können Zusätze wie beispielsweise Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten. The structural material for producing the contact surface for the flowing fluid of the guide element is preferably metallic powder particles. In a variant of the invention, iron-containing and/or cobalt-containing powder particles are used for this purpose. These can contain additives such as chromium, molybdenum or nickel.
Erfindungsgemäß wird mindestens ein Leitelement der Leiteinrichtung in einem additi ven Fertigungsverfahren gebildet. Die 3D-Form eines Leitelements ist in einer Software als Datensatz hinterlegt. An den Stellen, an denen das Leitelement 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 Aufbau material ausgeführt werden, so dass ein komplexes Leitelement auch aus unterschiedli chen Werkstoffen entsteht, dessen Bereiche optimal an die Anforderungen des späte ren Einsatzes angepasst sind. In einer Variante der Erfindung wird eine Gitterstruktur mit dem Schmelzschicht-Werk zeug des additiven Fertigungsverfahrens erzeugt, bei dem aus schmelzfähigem Kunst stoff ein Raster von Punkten auf eine Fläche aufgetragen wird. Durch Extrudieren mit tels einer Düse sowie einer anschließenden Erhärtung durch Abkühlung an der ge wünschten Position wird ein tragfähiger Aufbau, insbesondere in Form eines Gitters und/oder in Form von Waben, erzeugt. Indem der stützende Bereich eines Leitelements hohlraumbildend mit besonders tragfähiger Struktur erzeugt wird, weist ein Leitelement eine enorme Festigkeit bei gleichzeitig sehr geringer Masse auf. Der Aufbau eines Lei telements erfolgt üblicherweise, indem wiederholt jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abgefahren und dann die Arbeitsebene stapelnd nach oben verschoben wird, sodass der stützende Bereich eines Leitelements entsteht. According to the invention, at least one guide element of the guide device is formed in an additive manufacturing process. The 3D shape of a guide element is stored in software as a data record. At the points where the guide element is to be formed, a robot arm, which has tools from different additive processes, acts and forms the contact surface to the flowing medium and the supporting lattice structure of the contact surfaces layer by layer. Advantageously, the appropriate build-up process for each build-up material can be carried out for each layer in succession or simultaneously, so that a complex guide element is also created from different materials, the areas of which are optimally adapted to the requirements of later use. In one variant of the invention, a lattice structure is produced using the melt layer tool of the additive manufacturing process, in which a grid of points is applied to a surface from meltable plastic. A stable structure, in particular in the form of a lattice and/or in the form of honeycombs, is produced by extrusion using a nozzle and subsequent hardening by cooling at the desired position. Because the supporting area of a guide element is created in a cavity-forming manner with a particularly load-bearing structure, a guide element has enormous strength while at the same time having a very low mass. A guiding element is usually built up by repeatedly traveling along a working plane line by line and then shifting the working plane upwards in stacks, so that the supporting area of a guiding element is created.
In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird die Kontaktfläche zum strö menden Fluid des Leitelements aus einem Aufbaumaterial durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt. Die unterschiedli chen Eigenschaften der Bereiche eines Leitelements werden dabei durch Variationen der Strahlung generiert. Durch gezielte Steuerung der lokalen Wärmeeinbringung wird bereits beim Aufbau des Leitelements eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften vorgenommen. Dadurch gelingt es, in einem Bereich des Leitelements Zonen und Ge füge unterschiedlicher Werkstoffzustände eines chemisch-homogenen Werkstoffs und damit unterschiedlicher Eigenschaften zu erzeugen. In a particularly advantageous variant of the invention, the contact surface for the flowing fluid of the guide element is produced from a structural material by means of successive melting and solidification of layers by means of radiation. The different properties of the areas of a guide element are generated by variations in the radiation. Through targeted control of the local heat input, a modification of the material properties is already carried out during the construction of the guide element. This makes it possible to create zones and structures of different material states of a chemically homogeneous material and thus different properties in one area of the guide element.
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 aufgeschmolzen 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 so lange wiederholt, bis alle Schichten hergestellt sind. Das fertige Leitelement wird vom überschüssigen Pulver gereinigt. Der hybride Aufbau der Leiteinrichtung ermöglicht besonders individuell gestaltbare Lei teinrichtungen. Dabei können Anpassungen der Leiteinrichtung, insbesondere der schaufelartigen Leitelemente, je nach Anforderungen der Kreiselpumpe durch die gene rative Fertigung berücksichtigt werden. Die teure Einzelanfertigung wird durch die ver gleichsweise günstige, hybride Ausbildung aus konventionell und generativ gefertigten Komponenten deutlich preiswerter. Zudem können die generativ gefertigten Komponen ten eine Form aufweisen, die einen höheren Pumpenwirkungsgrad erzielen kann und bisher nicht auf konventionelle Fertigungsweise erreicht werden konnte. The metallic structure material is applied in powder form in a thin layer to a plate. The powdery material is completely locally melted at the desired points by means of radiation and forms a solid material layer after solidification. This base plate is then lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again. This cycle is repeated until all layers are made. The finished guide element is cleaned of excess powder. The hybrid design of the guidance system enables guidance systems that can be designed particularly individually. Adjustments to the guide device, in particular the vane-like guide elements, can be taken into account by the gene rative production, depending on the requirements of the centrifugal pump. The expensive one-off production is significantly cheaper due to the comparatively cheap, hybrid design from conventionally and additively manufactured components. In addition, the generatively manufactured components can have a shape that can achieve a higher pump efficiency and could not previously be achieved using conventional manufacturing methods.
Idealerweise verwendet man die Leiteinrichtung, die hybrid aus mindestens einer gene rativ gefertigten Komponente und mindestens einer konventionell gefertigten Kompo nente erzeugt wird, als Leiteinrichtung für eine Kreiselpumpe, insbesondere für eine mehrstufige Hochdruckpumpe. Dabei zeichnet sich die Leiteinrichtung durch hervorra gende strömungsmechanische Eigenschaften aus. Ideally, the guide device, which is produced hybrid from at least one generatively manufactured component and at least one conventionally manufactured component, is used as a guide device for a centrifugal pump, in particular for a multi-stage high-pressure pump. The guiding device is characterized by excellent flow-mechanical properties.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst. Further features and advantages of the invention result from the description of exemplary embodiments based on the drawings and from the drawings themselves.
Dabei zeigt: It shows:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Leiteinrichtung, 1 is a perspective view of a guide device,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Leitelements. 2 shows a schematic representation of a guide element.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Leiteinrichtung 23. Die Leiteinrichtung 23 umfasst den einstückigen Doppelring 22, der sich aus dem abge rundeten Leitring 19, dem kantigen Ring 20 und den Verbindungsstegen 18 zusammen setzt. Der Leitring 19 weist Gegenelemente 21 auf, in die die in dieser Abbildung nicht dargestellten Elemente 24 eingreifen. Des Weiteren ist in Fig. 1 exemplarisch ein Lei telement 17 am Leitring 19 der Leiteinrichtung 23 angeordnet. Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung 23 umfasst mehr als zwei, vorzugsweise mehr als drei, insbesondere mehr als vier, und/oder weniger als zwanzig, vorzugsweise weniger als achtzehn, ins besondere weniger als sechzehn, generativ gefertigte Leitelemente 17. Fig. 1 shows a perspective view of the guide device 23 according to the invention. The guide device 23 comprises the one-piece double ring 22, which is composed of the rounded guide ring 19, the edged ring 20 and the connecting webs 18 together. The guide ring 19 has counter-elements 21 into which the elements 24, not shown in this figure, engage. Furthermore, a guiding element 17 is arranged on the guiding ring 19 of the guiding device 23 in FIG. 1 by way of example. The guide device 23 according to the invention comprises more than two, preferably more than three, in particular more than four and/or less than twenty, preferably less than eighteen, in particular less than sixteen, generatively manufactured guide elements 17.
Der kantige Ring 20 umgibt ein nicht dargestelltes Laufrad radial und fängt die Fluident ladung des Laufrades auf. Die Fluidströmung strömt durch die Lücke zwischen dem ab gerundeten Leitring 19 und dem kantigen Ring 20 den Leitelementen 17 zu. Die Leitele mente 17 lenken die Fluidströmung durch ihre radial nach außen gekrümmte Form und den Formungen zur Strömungsführung 25 unter Drallreduzierung um. Dabei vermeiden die Leitelemente 17 durch ihre optimierte Strömungsform Wirbelbildungen sowie Strö mungsablösungen und tragen somit zur Steigerung des Wirkungsgrades der Kreisel pumpe bei. The edged ring 20 surrounds an impeller, not shown, radially and catches the Fluident charge of the impeller. The fluid flow flows through the gap between the rounded guide ring 19 and the edged ring 20 from the guide elements 17 to. The Leitele elements 17 deflect the fluid flow through their radially outwardly curved shape and the formations for flow guidance 25 with a reduction in swirl. The guide elements 17 avoid the formation of vortices and flow separations due to their optimized flow form and thus contribute to increasing the efficiency of the centrifugal pump.
Die Leiteinrichtung 23 ist ein hybrides Bauteil, das aus dem konventionell gefertigten einstückigen Doppelring 22 und dem generativ gefertigten Leitelement 17 zusammen gesetzt wird. Somit vereint der hybride Aufbau der Leiteinrichtung 23 die Vorteile der je weiligen Fertigungsverfahren zur Erreichung des optimalen Wirkungsgrades der erfin dungsgemäßen Kreiselpumpe. The guide device 23 is a hybrid component that is composed of the conventionally manufactured, one-piece double ring 22 and the additively manufactured guide element 17 . Thus, the hybrid structure of the guide device 23 combines the advantages of each respective manufacturing process to achieve the optimum efficiency of the inventions to the invention centrifugal pump.
Das Leitelement 17 weist vorzugsweise eine erste, vordere Anformung 27 auf, die in Form einer aufnehmenden Schaufel die Laufradentladung aufnimmt, die durch den Spalt des konventionell gefertigten Doppelrings 22 auf die Leitelemente 17 trifft. Die auf nehmende Anformung 27 führt die Strömung besonders verlustarm einer zweiten Anfor mung 28 zu, die mit dem runden Ring 19 des Doppelrings 22 und den benachbarten Leitelementen 17 Durchflusskanäle bildet. Die Strömung wird mithilfe der Durchflusska näle so umgelenkt, dass sie in Richtung des nachgeschalteten Laufrads fließt. Dabei passiert die Strömung bevorzugt eine hintere Anformung 30 des Leitelements 17, die eine abströmende Schaufelkontur aufweist. Diese abströmende Schaufelkontur ermög licht ein besonders drall- und verlustfreies Ausströmen zur nächsten Pumpenstufe der mehrstufigen Kreiselpumpe. The guide element 17 preferably has a first, front projection 27 which, in the form of a receiving blade, receives the impeller discharge which strikes the guide elements 17 through the gap in the conventionally manufactured double ring 22 . The receiving projection 27 leads the flow to a second projection 28 with particularly low losses, which forms flow channels with the round ring 19 of the double ring 22 and the adjacent guide elements 17 . The flow is redirected with the help of the flow channels so that it flows in the direction of the downstream impeller. The flow preferably passes through a rear projection 30 of guide element 17, which has an outflowing blade contour. This outflowing blade contour enables a particularly swirl- and loss-free outflow to the next pump stage of the multi-stage centrifugal pump.
Die Formungen zur Strömungsführung 25 bestehen in diesem Ausführungsbeispiel aus der vorderen Anformung 27, der zweiten Anformung 28 und der hinteren Anformung 30. Diese Formungen zur Strömungsführung sind besonders filigran und mit äußerst feinen Krümmungsradien ausgeführt. Vorzugsweise weist das Leitelement 17 an den Verbin dungsstellen Verstärkungsstreben 29 auf. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Leitelements 17, mit seiner radial nach außen gekrümmten Form. Das generativ gefertigte Leitelement 17 weist Formungen 25 zur verbesserten Strömungsführung und Dichtelemente 26 zum spaltfreien Anschluss an den nicht dargestellten Leitring 19 auf. Die Elemente 24 zum Eingreifen in die nicht dargestellten Gegenelemente 21 ermöglichen die gesteckte Ausführung der hybrid ge- stalteten Leiteinrichtung 23. In this exemplary embodiment, the formations for flow guidance 25 consist of the front projection 27, the second projection 28 and the rear projection 30. These shapes for guiding the flow are particularly filigree and designed with extremely fine radii of curvature. The guide element 17 preferably has reinforcement struts 29 at the connection points. Fig. 2 shows a schematic representation of the guide element 17, with its radially outwardly curved shape. The generatively manufactured guide element 17 has formations 25 for improved flow guidance and sealing elements 26 for a gap-free connection to the guide ring 19 (not shown). The elements 24 for engaging in the counter-elements 21 (not shown) enable the hybrid design of the guide device 23 to be plugged in.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Kreiselpumpe (1) mit mindestens einem Laufrad (5, 9), dem eine Leiteinrichtung (23) nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet dass die Leiteinrichtung (23) als Hybridbauteil aus mindestens einer konventionell gefertigten Komponente und mindestens einer generativ gefertigten Komponente aufgebaut ist. 1. Centrifugal pump (1) with at least one impeller (5, 9), which is arranged downstream of a guide device (23), characterized in that the guide device (23) is constructed as a hybrid component from at least one conventionally manufactured component and at least one additively manufactured component.
2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine generativ gefertigte Komponente als Leitelement (17) ausgebildet ist. 2. Centrifugal pump according to claim 1, characterized in that at least one generatively manufactured component is designed as a guide element (17).
3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitein richtung (23) mehr als zwei, vorzugsweise mehr als drei, insbesondere mehr als vier, und/oder weniger als zwanzig, vorzugsweise weniger als achtzehn, insbeson dere weniger als sechszehn, Leitelemente (17) aufweist. 3. Centrifugal pump according to claim 1 or 2, characterized in that the Leitein direction (23) more than two, preferably more than three, in particular more than four, and / or less than twenty, preferably less than eighteen, in particular less than sixteen Having guide elements (17).
4. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine generativ gefertigte Komponente eine radial nach außen ge krümmte Form aufweist. 4. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one generatively manufactured component has a radially outwardly curved shape.
5. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine generativ gefertigte Komponente Formungen (25) zur Strö mungsführung aufweist. 5. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one generatively manufactured component has formations (25) for Strö flow guidance.
6. Kreiselpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formungen (25) zur Strömungsführung mindestens eine aufnehmende Anformung (27), eine kanalbildende Anformung (28) und eine hintere Anformung (30) mit abströmender Schaufelkontur umfassen. 6. Centrifugal pump according to claim 5, characterized in that the formations (25) for guiding the flow comprise at least one receiving formation (27), one channel-forming formation (28) and one rear formation (30) with outflowing blade contour.
7. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine generativ gefertigte Komponente einen Leitring (19) nahezu spaltfrei umschließt. 7. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one generatively manufactured component encloses a guide ring (19) almost without a gap.
8. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine generativ gefertigte Komponente Dichtelemente (26) zum spalt freien Anschluss an einen Leitring (19) aufweist. 8. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one additively manufactured component has sealing elements (26) for gap-free connection to a guide ring (19).
9. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine generativ gefertigte Komponente Elemente (24) zum Eingreifen in Gegenelemente (21) aufweist. 9. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one generatively manufactured component has elements (24) for engaging in counter-elements (21).
10. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine konventionell gefertigte Komponente als einstückiger Doppelring (22) ausgebildet ist, wobei der einstückige Doppelring (22) einen abgerundeten Leitring (19) und einen kantigen Ring (20) umfasst. 10. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least one conventionally manufactured component is designed as a one-piece double ring (22), the one-piece double ring (22) comprising a rounded guide ring (19) and an edged ring (20). .
11. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine konventionell gefertigte Komponente mindestens zwei Verbin dungsstege (18) zur Verbindung eines Leitrings (19) mit einem kantigen Ring (20) aufweist. 11. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 10, characterized in that at least one conventionally manufactured component has at least two connec tion webs (18) for connecting a guide ring (19) with an edged ring (20).
12. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine konventionell gefertigte Komponente Gegenelemente (21) zum Eingreifen von Elementen (24) aufweist. 12. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 11, characterized in that a conventionally manufactured component has counter-elements (21) for engaging elements (24).
13. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine generativ gefertigte Komponente und eine konventionell gefertigte Kompo nente mit einer unlösbaren Verbindung, vorzugsweise einer Schweißverbindung, verbunden sind. 13. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 12, characterized in that an additively manufactured component and a conventionally manufactured compo nent with a non-detachable connection, preferably a welded connection, are connected.
14. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine generativ gefertigte Komponente und eine konventionell gefertigte Kompo nente mit einer lösbaren Verbindung, vorzugsweise einer Steckverbindung, ver bunden sind. 14. Centrifugal pump according to one of claims 1 to 12, characterized in that an additively manufactured component and a conventionally manufactured compo nent with a detachable connection, preferably a plug connection, are connected.
15. Verwendung eines hybriden Bauteils mit mindestens einer generativ gefertigten Komponente und mindestens einer konventionell gefertigten Komponente als Leit einrichtung (23) für eine Kreiselpumpe (1) mit mindestens einem Laufrad (5, 9). 15. Use of a hybrid component with at least one additively manufactured component and at least one conventionally manufactured component as a guide device (23) for a centrifugal pump (1) with at least one impeller (5, 9).
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