EP4416390A1 - Laufrad mit verzahnung in deckscheibe - Google Patents

Laufrad mit verzahnung in deckscheibe

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EP4416390A1
EP4416390A1 EP22800257.2A EP22800257A EP4416390A1 EP 4416390 A1 EP4416390 A1 EP 4416390A1 EP 22800257 A EP22800257 A EP 22800257A EP 4416390 A1 EP4416390 A1 EP 4416390A1
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EP
European Patent Office
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section
centrifugal pump
blade
projection
pump according
Prior art date
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Pending
Application number
EP22800257.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Jäger
Axel Schunk
Tobias SECKINGER
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
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Filing date
Publication date
Application filed by KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP4416390A1 publication Critical patent/EP4416390A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F05D2300/40—Organic materials
    • F05D2300/43—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber

Definitions

  • the invention relates to a centrifugal pump with an impeller that has a support disk on which blades are arranged that are at least partially in contact with a cover disk.
  • An impeller is a rotating component of a turbomachine, such as a centrifugal pump, equipped with blades.
  • mechanical power is converted into conveying capacity by deflecting the flow at the blades.
  • impellers To accommodate the blades, all impellers have a rear support disc and, if the impellers are closed, also a front cover disc. Another way of looking at it is that an impeller has an inner cover disc and, if the impeller is closed, also an outer cover disc.
  • Impellers made of plastic impress with their corrosion resistance as well as their wear resistance when used in centrifugal pumps.
  • Plastic impellers are usually produced in two parts using the injection molding process. One part consists of a carrier disk with molded blades and the second part forms the cover disk of the impeller. In a second production step, both parts are usually welded using ultrasound.
  • a generator converts mains voltage into high-frequency AC voltage, which is then converted into mechanical vibration.
  • the vibrations are introduced into the parts to be joined via a sonotrode, causing the material to heat up and plasticize.
  • a short cooling phase under pressure ensures a homogeneous welded connection of the two joining partners.
  • DE 10 2014 226 525 A1 discloses a centrifugal pump impeller with a non-metallic impeller part and a metallic hub part which is connected to the impeller part and is arranged on a shaft. There is a detachable connection between the impeller part and the hub part.
  • the object of the invention is to specify a centrifugal pump with an impeller that ensures a reliable connection between the cover disk and the impeller blades even with a hydraulically optimized shape.
  • the plastic impeller should also be able to be realized easily, quickly and inexpensively. According to the invention, this object is achieved by a centrifugal pump with an impeller and a method for producing the impeller. Preferred variants can be found in the dependent claims, the description and the drawings.
  • each blade of an impeller has a projection for forming a connection with the cover disk.
  • each projection extends over the entire length of a blade as far as possible, as a result of which a particularly secure and stable connection to the cover plate can be formed.
  • the blade merges in some areas, fluently, into the shape of the projection and thus forms a unit that partially engages in the cover plate.
  • each blade of the impeller has a first section which extends downstream from a leading edge. This first section is immediately followed by a second section.
  • the projection is preferably formed in the first section. In an alternative variant of the invention, the projection can also be arranged on the second section.
  • a third section can be directly connected to the second section.
  • the third section preferably extends to the trailing edge of the blade.
  • the projection extends over the entire first section.
  • the first section itself extends on the back of the blade over more than 10%, preferably more than 19%, in particular more than 28% of the blade length.
  • the projection is arranged on the first section in such a way that it occupies the entire width of the blade.
  • the projection is wedge-shaped. Towards the leading edge of the blade, it is rounded off, which connects to a wedge ridge.
  • the wedge has steep flanks on the pressure and suction side of the blade. The flanks are preferably designed with different slopes, as a result of which the engagement in the groove of the hydraulically optimally shaped cover plate is carried out with a reliable hold.
  • the wedge-shaped projection becomes wider from the leading edge in the direction of the second section.
  • the wedge crest has a small plateau behind the rounding in the direction of the second section.
  • the cover disk has a groove in each case, into which a wedge of a blade engages. This establishes a stable and reliable connection between the cover plate and the blades, which can withstand the loads over the long term, particularly in the suction area.
  • the groove preferably has a trapezoidal cross section.
  • the flanks of the groove taper somewhat towards the top of the groove, as a result of which the groove is partially made somewhat narrower than the wedge.
  • the groove has a length that corresponds at least to the key length.
  • the height of the groove is at least 10%, preferably at least 20%, in particular at least 30%, of the blade height.
  • the wedge that tapers to a point is at least partially slightly wider than the groove, which ensures linear contact with the cover disk on both flanks of the wedge when the cover disk is pushed on.
  • This line-shaped contact is converted into a material connection by means of the ultrasonic welding process, which creates a reliable, resilient and durable connection, especially in the suction area of the impeller.
  • the wedge-shaped projection is wider than the groove at its widest point, but has a smaller height. As a result, a cavity is formed between the projection and the groove.
  • the linear, materially bonded connections are arranged on the steep flank on the pressure side and on the steep flank on the suction side of the wedge.
  • An elevation is formed in the second section of the blade, which directly adjoins the first section.
  • the elevation is preferably in the form of a prism and serves as an energy director for the ultrasonic welding, as a result of which a linear, materially bonded connection is produced between the blade and the cover disk.
  • the connection to the blade in the second section is usually less heavily stressed and the shape of the cover disk usually allows energy to be introduced at right angles during ultrasonic welding, which means that a reliable connection between blade and cover disk can be implemented.
  • the energy director can also be arranged on the first section to form a linear, materially bonded connection between blade and cover disk.
  • the energy director can be additionally arranged on the projection.
  • Energy directors are preferably 0.4 - 0.6 mm high, circumferential, molded webs of material with a triangular cross-section.
  • the energy director achieves a targeted and concentrated introduction of energy during ultrasonic welding.
  • the frictional heat leads to rapid melting of the prism-shaped elevation, which leads to a reliable material connection.
  • the prism-shaped elevation extends completely over the second section. This leads to an integral connection formed over the entire length of the blades, as a result of which the cover disk is connected to the blades of the impeller in a particularly reliable manner.
  • the first section has a projection but no energy director
  • the second section has a projection with an energy director
  • the third section has neither a projection nor an energy director.
  • the first section where ultrasonic welding is difficult, a form fit is realized in addition to welding at the linear contact points.
  • welding is then additionally carried out via the energy director, as a result of which the connection between the blade and the cover plate is particularly stable in this area.
  • the third section there is no form-locking and material-locking connection between the blade and cover plate, so that the cover plate is not unnecessarily weakened by the introduction of grooves.
  • the second section on the back of the blade preferably extends over more than 50%, preferably more than 65%, in particular more than 80% of the blade length.
  • the third section on the back of the blade extends over more than 6%, preferably more than 9%, in particular more than 12% of the blade length up to the trailing edge of the blade.
  • the cover disk and the support disk with the blades are preferably made of a plastic, preferably a polysulfone or a polyphenylene sulfide or a polyethersulfone.
  • Polysulfone is an amorphous plastic that is counted among the high-temperature-resistant, high-performance thermoplastics. Polysulfone is crystal clear with a slight yellow tinge and is hard, stiff and tough in a range from -100 to 190 °C. In addition, polysulfone has high chemical resistance.
  • Polyphenylene sulfide is a high-temperature resistant, thermoplastic, semi-crystalline high-performance plastic. PPS has good mechanical properties and good chemical resistance to almost all solvents, many acids and alkalis.
  • the plastic impeller for a centrifugal pump is produced in a process with the following steps: First, the support disk with the blades and the cover disk with the grooves are formed separately in an injection molding process from a plastic, preferably a high-performance plastic, in particular a polysulfone or polyphenylene sulfide.
  • the cover disk is placed on the support disk with the blades so that the wedge-shaped projection of each blade engages in a groove in the cover disk.
  • two linear, materially bonded contact points of the blade with the cover disk are formed. When energy is supplied by means of ultrasound, the contact points are melted and form material-to-material, linear connections.
  • the heat required for plasticizing is generated by converting ultrasonic vibrations into mechanical vibrations and is fed to the parts to be welded with a certain contact pressure via the sonotrode. The resulting part is held in the exact position and cools down under pressure.
  • the projection according to the invention which engages in a groove and thus forms two materially bonded connections instead of one materially connected connection between the cover plate and the blades, the previously weak connection at the suction mouth is significantly strengthened.
  • a connection between the blades and the cover plate of a plastic impeller, which is reinforced by two materially bonded contact lines, can reliably withstand the loads in pumping operation.
  • the solution is inexpensive, easy and quick to implement.
  • FIG. 4 shows a perspective representation of a further support disk with blades.
  • Fig. 1 shows a sectional view of an impeller 1 for a centrifugal pump.
  • the impeller 1 is made of polyphenylene sulfide.
  • the blades 3 are firmly formed.
  • the cover disk 4 sits on the blades 3 and has a groove 10 for each blade 3 in the region of the suction mouth 21, into which a projection 5 engages.
  • a blade 3 extends from the inlet edge 7 of the fluid, curved radially outwards, to the outlet edge 9, which is flush with the support disk 2.
  • the blade 3 has a first section 6 , a second section 8 and a third section 22 on its blade back 16 .
  • the first section 6 extends from the leading edge 7 in the direction of the trailing edge 9 and faces the fluid flow.
  • the second section 8 directly adjoins the first section 6 and extends in the direction of the trailing edge 9 .
  • the third section 22 adjoins the second section 8 and extends to the trailing edge 9 .
  • the first section extends over 25%, the second section over 70% and the third section over 5% of the blade length.
  • the projection 5 is arranged in the first section 6 .
  • the projection 5 extends over the entire surface of the first section 6 on the back of the blade 16.
  • the projection 5 has a rounding 20 toward the leading edge 7 and is wedge-shaped.
  • the wedge-shaped projection 5 has the width of the blade 3 and then becomes narrower and runs up to the plateau 19 , which adjoins the rounding 20 in the direction of the trailing edge 9 .
  • the projection 5 has the steep flank 17 on the pressure side of the blade 3 and the steep flank 18 on the suction side.
  • the elevation 12 is arranged in the second section 8 .
  • the elevation 12 is designed as an energy director with a triangular cross section and extends as a prism-shaped body over the entire second section 8.
  • 3 shows a detailed illustration of the projection 5 of the blade 3 in the groove 10 of the cover disk 4.
  • the groove 10 has a groove height 15 which corresponds to 30% of the cover disk height 14 in this exemplary embodiment.
  • the width of the projection 5 is wider in the vicinity of the blade rear 16 than the width of the groove 10. Due to this advantageous oversize of the wedge-shaped projection 5, a linear contact point 11 is formed on both the suction-side flank 18 and the pressure-side flank 17.
  • the line-shaped contact points 11 have a favorable angle for energy input in the direction of a sonotrode to be attached, as a result of which two reliable, cohesive, line-shaped connections can be formed.
  • a cohesive, linear connection 21 is formed in the second section 8 of the blade 3 with the aid of the prism-shaped energy director.
  • Fig. 4 shows a perspective view of a further variant of the support disk 2 with six blades 3.
  • One blade 3 in each case extends from the inlet edge 7 of the fluid, curved radially outwards, to the outlet edge 9.
  • the outlet edge 9 connects seamlessly to the edge of the carrier disk 2 at.
  • the blade 3 comprises three sections 6, 8 and 22 on its blade back 16.
  • the first section 6 extends from the leading edge 7 in the direction of the trailing edge 9 and takes up 14% of the blade length.
  • the second section 8 directly adjoins the first section 6 and extends over 78% of the blade length.
  • the third section 22 directly adjoins the second section 8, its proportion being 8% of the blade length.
  • the projection 5 is arranged in the first section 6 and extends over the entire surface of the first section 6 on the blade back 16.
  • the projection 5 has an elongated rounding 20 directly connected to the leading edge 7 and is designed in a wide wedge shape. In this way, in the first section 6 when welded to the cover plate 4, a form fit is realized at the line-shaped contact points.
  • the elevation 12 is designed as an energy director with a triangular cross-section and extends as a prism-shaped body over the entire second section 8, whereby the connection between blade 3 and cover plate 4 is particularly stable when welded via the energy director.
  • the third section 22 is formed without the projection 5 and without the elevation 12 . As a result, when welding to cover disk 4 in third section 22 , there is no form-locking and material-locking connection between blade 3 and cover disk 4 , in order not to weaken cover disk 4 at the outer edge by introducing grooves 10 .

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad (1), das eine Tragscheibe (2) aufweist. Auf der Tragscheibe (2) sind Schaufeln (3) angeordnet, die mit einer Deckscheibe (4) zumindest teilweise in Kontakt stehen. Jede Schaufel (3) weist einen Vorsprung (5) zur Ausbildung einer Verbindung mit der Deckscheibe (4) auf.

Description

Beschreibung
Laufrad mit Verzahnung in Deckscheibe
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad, das eine Tragscheibe aufweist, auf der Schaufeln angeordnet sind, die mit einer Deckscheibe zumindest teilweise in Kontakt stehen.
Ein Laufrad ist ein rotierendes und mit Schaufeln besetztes Bauteil einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Kreiselpumpe. Hier wird durch Strömungsumlenkung an den Schaufeln mechanische Leistung in Förderleistung umgesetzt.
Zur Aufnahme der Schaufeln besitzen alle Laufräder eine hintere Tragscheibe und bei geschlossenen Laufrädern auch eine vordere Deckscheibe. Bei einer anderen Betrachtungsweise verfügt ein Laufrad über eine innere und bei geschlossenem Laufrad auch über eine äußere Deckscheibe.
In der DE 10 2016 225 018 A1 ist ein solches radiales Laufrad einer Kreiselpumpe exemplarisch beschrieben. Zwischen einer Tragscheibe und einer Deckscheibe sind Schaufeln angeordnet. Das Fluid strömt in axialer Richtung dem Laufrad zu, wird um 90 ° umgelenkt und tritt dann in radialer Richtung aus dem Laufrad aus.
Neben Laufrädern auf metallischer Basis sind auch Laufräder aus Kunststoff bekannt. Laufräder aus Kunststoff überzeugen hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit als auch ihrer Verschleißfestigkeit beim Einsatz in Kreiselpumpen. Kunststofflaufräder werden in der Regel zweiteilig im Spritzgussverfahren erzeugt. Ein Teil besteht aus einer Tragscheibe mit angeformten Schaufeln und der zweite Teil bildet die Deckscheibe des Laufrads. In einem zweiten Fertigungsschritt werden beide Teile meist mittels Ultraschall verschweißt.
Beim Ultraschallschweißen wandelt ein Generator Netzspannung in eine hochfrequente Wechselspannung um, die in eine mechanische Schwingung konvertiert wird. Die Schwingungen werden über eine Sonotrode in die zu fügenden Teile eingeleitet, wodurch es zur Erwärmung und zum Plastifizieren des Materials kommt. Nach Beenden der Schalleinleitung sorgt eine kurze Abkühlphase unter Druck für eine homogene Schweißverbindung der beiden Fügepartner.
Die DE 10 2014 226 525 A1 offenbart ein Kreiselpumpenlaufrad mit einem nichtmetallischen Laufradteil und einem mit dem Laufradteil verbundenen metallischen Nabenteil, das auf einer Welle angeordnet ist. Zwischen dem Laufradteil und dem Nabenteil besteht eine lösbare Verbindung.
Neben der Verbindung mit der Laufradwelle ist gerade die Kontaktbindung der Deckscheibe mit den Schaufeln im Bereich des Saugmunds enormen Belastungen ausgesetzt. Hier wird eine ultraschallverschweißte Verbindung besonders beansprucht. Ungünstigerweise sind hydraulisch optimierte Laufräder insbesondere am Saugmund oft geschwungen ausgebildet, wodurch sich ein unvorteilhafter Winkel für das Ausbilden einer stabilen Verbindung für das Ultraschallschweißen ergibt. Aufgrund schwacher Verbindungen im Bereich des Saugmunds können ultraschallverschweißte Kunststofflaufräder schon nach kurzer Laufzeit schadhaft werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad anzugeben, das eine zuverlässige Verbindung zwischen der Deckscheibe und den Laufradschaufeln auch bei hydraulisch optimiert ausgebildeter Form gewährleistet. Das Kunststofflaufrad soll zudem einfach, schnell und kostengünstig realisiert werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad und einem Verfahren zur Erzeugung des Laufrads gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist jede Schaufel eines Laufrads einen Vorsprung zur Ausbildung einer Verbindung mit der Deckscheibe auf.
In einer besonders günstigen Variante der Erfindung erstreckt sich je ein Vorsprung weitestgehend über die gesamte Länge einer Schaufel, wodurch eine besonders sichere und stabile Verbindung mit der Deckscheibe ausgebildet werden kann.
In einer weiteren Variante der Erfindung geht die Schaufel bereichsweise, fließend in die Form des Vorsprungs über und bildet somit eine Einheit, die teilweise in die Deckscheibe eingreift.
In einer alternativen Variante der Erfindung weist jede Schaufel des Laufrads einen ersten Abschnitt auf, der sich von einer Eintrittskante stromabwärts erstreckt. An diesen ersten Abschnitt schließt unmittelbar ein zweiter Abschnitt an. Vorzugsweise ist der Vorsprung im ersten Abschnitt ausgebildet. In einer alternativen Variante der Erfindung kann der Vorsprung auch auf dem zweiten Abschnitt angeordnet sein.
Darüber hinaus kann in einer Variante der Erfindung ein dritter Abschnitt unmittelbar an den zweiten Abschnitt anschließen. Der dritte Abschnitt erstreckt sich vorzugsweise bis an die Austrittskante der Schaufel.
In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung erstreckt sich der Vorsprung über den gesamten ersten Abschnitt. Dabei erstreckt sich der erste Abschnitt selbst auf dem Rücken der Schaufel über mehr als 10 %, vorzugsweise mehr als 19 %, insbesondere mehr als 28 %, der Schaufellänge. Idealerweise ist der Vorsprung so auf dem ersten Abschnitt angeordnet, dass er die ganze Schaufelbreite einnimmt. In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Vorsprung keilförmig ausgebildet. Dabei weist er zur Eintrittskante der Schaufel hin eine Abrundung auf, die an einen Keilkamm anschließt. Auf der Druck- und auf der Saugseite der Schaufel weist der Keil steile Flanken auf. Vorzugsweise sind die Flanken mit unterschiedlicher Steigung ausgebildet, wodurch der Eingriff in die Nut der hydraulisch optimal geformten Deckscheibe mit zuverlässigem Halt ausgeführt ist.
In einer Variante der Erfindung wird der keilförmige Vorsprung von der Eintrittskante in Richtung des zweiten Abschnitts hin breiter. Dabei weist der Keilkamm hinter der Abrundung in Richtung des zweiten Abschnitts ein kleines Plateau auf.
Vorteilhafterweise weist die Deckscheibe je eine Nut auf, in die ein Keil einer Schaufel eingreift. Dadurch wird eine stabile und zuverlässige Verbindung zwischen Deckscheibe und den Schaufeln begründet, die insbesondere im Saugbereich dauerhaft den Belastungen standhalten kann.
Vorzugsweise weist die Nut einen trapezförmigen Querschnitt auf. Dabei laufen die Flanken der Nut zu der Nutdecke hin etwas zu, wodurch die Nut teilweise etwas schmaler als der Keil ausgebildet ist. Die Nut weist eine Länge auf, die mindestens der Keillänge entspricht. Darüber hinaus weist die Nut eine Höhe von mindestens 10 %, vorzugsweise von mindestens 20 %, insbesondere von mindestens 30 %, der Schaufelhöhe auf.
In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist der spitzzulaufende Keil zumindest teilweise etwas breiter als die Nut ausgebildet, wodurch beim Aufstecken der Deckscheibe an beiden Flanken des Keils ein linienförmiger Kontakt zur Deckscheibe gewährleistet ist. Dieser linienförmige Kontakt wird durch das Verfahren des Ultraschallverschweißens in eine stoffschlüssige Verbindung überführt, wodurch gerade im Saugbereich des Laufrads eine zuverlässige, belastbare und langlebige Verbindung entsteht. In einer Variante der Erfindung ist der keilförmige Vorsprung an seiner breitesten Stelle breiter als die Nut ausgebildet, weist dabei aber eine geringere Höhe auf. Dadurch wird zwischen Vorsprung und Nut ein Hohlraum ausgebildet. Die linienförmigen, stoffschlüssigen Verbindungen sind hierbei an der druckseitigen steilen Flanke und an der saugseitigen steilen Flanke des Keils angeordnet.
Aufgrund der besonderen, keilförmigen Gestaltung des Vorsprungs entstehen zwei linienförmige Kontaktstellen mit der Deckscheibe, die beim Energieeintrag durch die Sonotrode beim Ultraschallverschweißen in einem nahezu rechten Winkel zur Sonotrode stehen, was zur stabilen Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung führt. Insbesondere bei bekannten, hydraulisch optimiert ausgebildeten Laufrädern konnte bislang der günstige Winkel der Energieeintragung so nicht gewährleistet werden.
Durch die vorteilhafte Form des Vorsprungs in Form eines Keils, der an den Flanken zwei stoffschlüssige Verbindungen zur Deckscheibe bildet, wird eine besonders zuverlässige Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe erzielt. Aufgrund der Verdopplung der Verbindungslinien sowie durch die konstruktive Gewährleistung eines günstigen Energieeintragswinkels beim Ultraschallverschweißen wird ein besonders belastbares Kunststoff laufrad realisiert.
Im zweiten Abschnitt der Schaufel, der unmittelbar an den ersten Abschnitt anschließt, ist eine Erhöhung ausgebildet. Die Erhöhung ist vorzugsweise prismenförmig ausgebildet und dient als Energierichtungsgeber für das Ultraschallverschweißen, wodurch eine linienförmige, stoffschlüssige Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe erzeugt wird. Die Verbindung zu der Schaufel im zweiten Abschnitt ist meist weniger stark beansprucht und die Form der Deckscheibe ermöglicht meist einen Energieeintrag beim Ultraschallverschweißen im rechten Winkel, wodurch eine zuverlässige Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe realisiert werden kann.
In einer alternativen Variante der Erfindung kann der Energierichtungsgeber auch auf dem ersten Abschnitt zur Ausbildung einer linienförmigen, stoffschlüssigen Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe angeordnet sein. In einer speziellen Ausführung der Erfindung kann der Energierichtungsgeber zusätzlich auf dem Vorsprung angeordnet sein.
Für das Fügen von Kunststoffteilen mithilfe von Ultraschallschweißen werden die Fügezonen gewöhnlich mit Energierichtungsgebern versehen. Energierichtungsgeber sind vorzugsweise 0,4 - 0,6 mm hohe, umlaufende, angespritzte Materialstege mit dreieckigem Querschnitt.
Durch den Energierichtungsgeber wird eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung beim Ultraschallverschweißen erreicht. Die Reibungswärme führt zu einem zügigen Anschmelzen der prismenförmigen Erhöhung, was zu einer zuverlässigen stoffschlüssigen Verbindung führt.
In einer günstigen Variante der Erfindung erstreckt sich die prismenförmige Erhöhung komplett über den zweiten Abschnitt. Dies führt zu einer über die ganze Schaufellänge ausgebildeten, stoffschlüssigen Verbindung, wodurch die Deckscheibe besonders zuverlässig mit den Schaufeln des Laufrads verbunden ist.
In einer besonders günstigen Variante der Erfindung weisen der erste Abschnitt einen Vorsprung aber keinen Energierichtungsgeber, der zweite Abschnitt einen Vorsprung mit Energierichtungsgeber und der dritte Abschnitt weder einen Vorsprung noch einen Energierichtungsgeber auf. Durch diese Variante wird im ersten Abschnitt, wo sich das Ultraschallverschweißen schwierig gestaltet, zusätzlich zu einem Verschweißen an den linienförmigen Kontaktstellen ein Formschluss realisiert. Im zweiten Abschnitt erfolgt dann zusätzlich ein Verschweißen über den Energierichtungsgeber, wodurch die Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe in diesem Bereich besonders stabil ist. Im dritten Abschnitt wird auf eine form- und stoffschlüssige Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe verzichtet, um hier durch das Einbringen von Nuten die Deckscheibe nicht unnötig zu schwächen. Vorteilhafterweise erstreckt sich der zweite Abschnitt auf dem Rücken der Schaufel bevorzugt über mehr als 50 %, vorzugsweise mehr als 65 %, insbesondere mehr als 80 % der Schaufellänge.
In einer günstigen Variante der Erfindung erstreckt sich der dritte Abschnitt auf dem Rücken der Schaufel über mehr als 6 %, vorzugsweise mehr als 9 %, insbesondere mehr als 12 % der Schaufellänge, bis hin zur Austrittskante der Schaufel.
Vorzugsweise ist die Deckscheibe und die Tragscheibe mit den Schaufeln aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Polysulfon oder einem Polyphenylsulfid oder einem Po- lyethersulfon, gebildet.
Polysulfon ist ein amorpher Kunststoff, der zu den hochtemperaturbeständigen Hochleistungsthermoplasten gezählt wird. Polysulfon ist glasklar mit einem leichten Gelbstich und in einem Bereich von -100 bis 190 °C hart, steif und zäh. Darüber hinaus besitzt Polysulfon eine hohe Chemikalienbeständigkeit.
Polyphenylensulfid (PPS) ist ein hochtemperaturbeständiger, thermoplastischer, teilkristalliner Hochleistungskunststoff. PPS weist gute mechanische Eigenschaften und eine gute chemische Beständigkeit gegenüber nahezu allen Lösemitteln, vielen Säuren und Laugen auf.
Erfindungsgemäß wird das Kunststofflaufrad für eine Kreiselpumpe in einem Verfahren mit folgenden Schritten erzeugt: Zunächst wird die Tragscheibe mit den Schaufeln und die Deckscheibe mit den Nuten getrennt in einem Spritzgussverfahren aus einem Kunststoff, vorzugweise einem Hochleistungskunststoff, insbesondere einem Polysulfon oder Polyphenylensulfid, gebildet. Die Deckscheibe wird auf die Tragscheibe mit den Schaufeln aufgesetzt, so dass der keilförmige Vorsprung jeder Schaufel in eine Nute der Deckscheibe eingreift. Durch das Eingreifen des keilförmigen Vorsprungs in die Nut werden zwei linienförmige, stoffschlüssige Kontaktstellen der Schaufel mit der Deckscheibe ausgebildet. Bei Energiezufuhr mittels Ultraschall werden die Kontaktstellen angeschmolzen und bilden stoffschlüssige, linienförmige Verbindungen. Beim Ultraschallschweißen wird die zum Plastifizieren benötigte Wärme durch die Umwandlung von Ultraschallschwingungen in mechanische Schwingungen erzeugt und mit einem bestimmten Anpressdruck über die Sonotrode den zu schweißenden Teilen zugeleitet. Das entstandene Teil wird positionsgenau gehalten und kühlt unter Nachdruck ab.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Vorsprungs, der in eine Nut eingreift und somit je zwei stoffschlüssige Verbindungen statt einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Deckscheibe und Schaufeln ausbildet, erfährt die bisher schwache Verbindung am Saugmund eine deutliche Verstärkung. Eine konstruktiv durch zwei stoffschlüssige Kontaktlinien verstärkte Verbindung zwischen den Schaufeln und der Deckscheibe eines Kunststofflaufrades kann den Belastungen im Förderbetrieb zuverlässig standhalten. Zudem ist die Lösung kostengünstig, einfach und schnell zu realisieren.
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 Schnittdarstellung des Laufrads,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Tragscheibe mit Schaufeln,
Fig. 3 eine Detaildarstellung des Vorsprungs der Schaufel in der Nut der Deckscheibe,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Tragscheibe mit Schaufeln. Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Laufrades 1 für eine Kreiselpumpe. In dieser Ausführungsvariante ist das Laufrad 1 aus Polyphenylensulfid gebildet. Auf der Tragscheibe 2 sind die Schaufeln 3 fest angeformt. Auf den Schaufeln 3 sitzt die Deckscheibe 4 auf, die im Bereich des Saugmundes 21 für jede Schaufel 3 eine Nut 10 aufweist, in die je ein Vorsprung 5 eingreift.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Tragscheibe 2 mit den Schaufeln 3. Eine Schaufel 3 erstreckt sich von der Eintrittskante 7 des Fluids radial nach außen gekrümmt bis zur Austrittskante 9, die bündig mit der Tragscheibe 2 abschließt. Dabei weist die Schaufel 3 auf ihrem Schaufelrücken 16 einen ersten Abschnitt 6, einen zweiten Abschnitt 8 und einen dritten Abschnitt 22 auf. Der erste Abschnitt 6 erstreckt sich von der Eintrittskante 7 in Richtung Austrittskante 9 und ist der Fluidströmung zugewandt. Der zweite Abschnitt 8 schließt unmittelbar an den ersten Abschnitt 6 an und erstreckt sich in Richtung der Austrittskante 9. Der dritte Abschnitt 22 schließt an den zweiten Abschnitt 8 und erstreckt sich bis zur Austrittskante 9 an. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der erste Abschnitt über 25 %, der zweite Abschnitt über 70 % und der dritte Abschnitt über 5 % der Schaufellänge.
Im ersten Abschnitt 6 ist der Vorsprung 5 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Vorsprung 5 über die komplette Fläche des ersten Abschnitts 6 auf dem Schaufelrücken 16. Der Vorsprung 5 weist eine Abrundung 20 zur Eintrittskante 7 hin auf und ist keilförmig ausgebildet. Im ersten Abschnitt 6 weist der keilförmige Vorsprung 5 die Breite der Schaufel 3 auf und läuft dann schmaler werdend zu bis zum Plateau 19, das sich an die Abrundung 20 in Richtung Austrittskante 9 anschließt. Auf der Druckseite der Schaufel 3 weist der Vorsprung 5 die steile Flanke 17 und auf der Saugseite die steile Flanke 18 auf.
Im zweiten Abschnitt 8 ist die Erhöhung 12 angeordnet. Die Erhöhung 12 ist als Energierichtungsgeber mit einem dreieckigen Querschnitt ausgebildet und erstreckt sich als prismenförmiger Körper über den ganzen zweiten Abschnitt 8. Fig. 3 zeigt eine Detaildarstellung des Vorsprungs 5 der Schaufel 3 in der Nut 10 der Deckscheibe 4. Die Nut 10 weist eine Nuthöhe 15 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel 30 % der Deckscheibenhöhe 14 entspricht. Die Breite des Vorsprungs 5 ist in Nähe des Schaufelrückens 16 breiter ausgebildet als die Breite der Nut 10. Aufgrund dieses vorteilhaften Übermaßes des keilförmigen Vorsprungs 5 bildet sich sowohl auf der saugseitigen Flanke 18 als auch auf der druckseitigen Flanke 17 je eine linienförmige Kontaktstelle 11 aus. Dabei weisen die linienförmigen Kontaktstellen 11 in Richtung einer anzusetzenden Sonotrode einen günstigen Winkel zur Energieeinbringung auf, wodurch sich zwei zuverlässige, stoffschlüssige, linienförmige Verbindungen ausbilden lassen. Oberhalb des Vorsprungs 5 und innerhalb der Nut 10 ist ein Hohlraum 13 angeordnet, der durch das Übermaß des keilförmigen Vorsprungs 5 begründet ist.
Im zweiten Abschnitt 8 der Schaufel 3 ist mithilfe des prismenförmigen Energierichtungsgebers eine stoffschlüssige, linienförmige Verbindung 21 ausgebildet.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Variante der Tragscheibe 2 mit sechs Schaufeln 3. Jeweils eine Schaufel 3 erstreckt sich von der Eintrittskante 7 des Fluids radial nach außen gekrümmt bis zur Austrittskante 9. Die Austrittskante 9 schließt nahtlos an den Rand der Tragscheibe 2 an.
Die Schaufel 3 umfasst auf ihrem Schaufelrücken 16 drei Abschnitte 6, 8 und 22. Der erste Abschnitt 6 erstreckt sich von der Eintrittskante 7 in Richtung Austrittskante 9 und nimmt 14 % der Schaufellänge ein. Der zweite Abschnitt 8 schließt unmittelbar an den ersten Abschnitt 6 an und erstreckt sich auf 78 % der Schaufellänge. Der dritte Abschnitt 22 schließt an den zweiten Abschnitt 8 unmittelbar an, wobei dessen Anteil 8 % an der Schaufellänge beträgt.
Der Vorsprung 5 ist im ersten Abschnitt 6 angeordnet und erstreckt sich über die komplette Fläche des ersten Abschnitts 6 auf dem Schaufelrücken 16. Der Vorsprung 5 weist eine langgezogene Abrundung 20 im direkten Anschluss zur Eintrittskante 7 auf und ist in einer breiten Keilform ausgebildet. Auf diese Weise wird im ersten Abschnitt 6 beim Verschweißen mit der Deckscheibe 4 an den linienförmigen Kontaktstellen ein Formschluss realisiert.
Die Erhöhung 12 ist als Energierichtungsgeber mit einem dreieckigen Querschnitt aus- gebildet und erstreckt sich als prismenförmiger Körper über den ganzen zweiten Abschnitt 8, wodurch beim Verschweißen über den Energierichtungsgeber die Verbindung zwischen Schaufel 3 und Deckscheibe 4 besonders stabil ausgebildet wird. Der dritte Abschnitt 22 ist ohne den Vorsprung 5 und ohne die Erhöhung 12 ausgebildet. Dadurch wird beim Verschweißen mit der Deckscheibe 4 im dritten Abschnitt 22 auf eine form- und stoffschlüssige Verbindung zwischen Schaufel 3 und Deckscheibe 4 verzichtet, um die Deckscheibe 4 am äußeren Rand durch das Einbringen von Nuten 10 nicht zu schwächen.

Claims

Patentansprüche
Laufrad mit Verzahnung in Deckscheibe Kreiselpumpe mit einem Laufrad (1 ), das eine Tragscheibe (2) aufweist, auf der Schaufeln (3) angeordnet sind, die mit einer Deckscheibe (4) zumindest teilweise in Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (3) einen Vorsprung (5) zur Ausbildung einer Verbindung mit der Deckscheibe (4) aufweist. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Vorsprung (5) weitestgehend über die gesamte Länge der Schaufel (3) erstreckt. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (4) eine Nut (10) aufweist, in die der Vorsprung (5) eingreift. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (5) keilförmig ausgebildet ist und beim Eingreifen in die Nut (10) linienförmige Kontaktstellen (11 ) zur Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung mit der Deckscheibe (4) bildet. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaufel (3) einen ersten Abschnitt (6) aufweist, der sich von einer Eintrittskante (7) stromabwärts erstreckt, und dass sich an den ersten Abschnitt (6) ein zweiter Abschnitt (8) unmittelbar anschießt, wobei der Vorsprung (5) in mindestens einem der Abschnitte (6, 8) ausgebildet ist. Kreiselpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den zweiten Abschnitt (6) unmittelbar ein dritter Abschnitt (22) anschließt, der sich bis zur Austrittskante (9) erstreckt. Kreiselpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Abschnitt (6, 8, 22) der Schaufel (3), insbesondere im zweiten Abschnitt, eine Erhöhung (12) zur Energierichtungsgebung ausgebildet ist, wobei die Erhöhung (12) vorzugsweise prismenförmig ausgebildet ist. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Abschnitt (7) auf dem Rücken der Schaufel (3) über mehr als 10 %, vorzugsweise mehr als 19 %, insbesondere mehr als 28 %, der Schaufellänge erstreckt. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Vorsprung (5) komplett über den ersten Abschnitt (6) erstreckt. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Erhöhung (12) komplett über den zweiten Abschnitt (8) erstreckt. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vorsprung (5) und Nut (10) ein Hohlraum (13) ausgebildet ist. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (10) eine Höhe (15) von mindestens 10 %, vorzugsweise von mindestens 20 %, insbesondere von mindestens 30 %, der Schaufelhöhe (14) aufweist. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (4) mit den Schaufeln (3) ultraschallverschweißt ist. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (4) und die Tragscheibe (2) mit den Schaufeln (3) aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Polysulfon oder einem Polyphenylsulfid oder ei- nem Polyethersulfon, gebildet sind. Verfahren zur Erzeugung eines Laufrads (1 ) für eine Kreiselpumpe mit folgenden Schritten:
- Spritzgießen einer Tragscheibe (2) mit Schaufeln (3), - Spritzgießen einer Deckscheibe (4) mit Nuten (10) und/oder Einfräsen von
Nuten (10) in die Deckscheibe (4),
- Ultraschallverscheißen der Deckscheibe (4) mit den Schaufeln (3) der Tragscheibe (2), dadurch gekennzeichnet, dass am Vorsprung (5) beim Eingreifen in die Nut (10) zwei linienförmige, stoffschlüssige Kontaktstellen (11 ) mit der Deckscheibe (4) ausgebildet werden.
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