WO2019110659A1

WO2019110659A1 - Laufrad für abwasserpumpe

Info

Publication number: WO2019110659A1
Application number: PCT/EP2018/083645
Authority: WO
Inventors: Peer Springer
Original assignee: KSB SE & Co. KGaA
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2019-06-13
Also published as: DE102017221930A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad (2) für Kreiselpumpen mit mindestens einer Schaufel (12) zur Förderung feststoffhaltiger Medien. Die Schaufel (12) ragt von einer Tragscheibe (15) in Richtung einer Zustromung des feststoffhaltigen Mediums. Die Ausrichtung der Schaufel (12) weist einem Winkel α auf, der von einer Lotrechten (18) der Tragscheibe (15) zu einer saugseitigen Fläche (16) der Schaufel (12) in positiver Richtung gezählt wird. Weiterhin weist die Ausrichtung der Schaufel (12) einem Winkel ß auf, der zwischen der Lotrechten (18) der Tragscheibe (15) zu einer druckseitigen Fläche (17) der Schaufel (12) in positiver Richtung gezählt wird. Erfindungsgemäß ist der Winkel ß gleich oder kleiner als 0°.

Description

Beschreibung

Laufrad für Abwasserpumpe

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für Kreiselpumpen mit mindestens einer Schaufel zur Förderung feststoffhaltiger Medien. Bei Kreiselpumpen zur Förderung feststoffhaltiger Medien können unterschiedliche Laufräder eingesetzt werden, beispielsweise Kanalräder, Freistromräder oder Ein- schaufler. Bei Kanalrädern handelt es sich um offene oder geschlossene Laufräder mit reduzierter Schaufelzahl. Bewährt haben sich 1 , 2 bzw. 3 Schaufeln in radialen oder halbaxialen Laufrädern.

Auch Freistrompumpen kommen zur Förderung von feststoffhaltigen Medien zum Ein- satz. Solche Freistrompumpen werden auch als Wirbelpumpen bezeichnet, deren För- derleistung von einer rotierenden, mit Schaufeln besetzten Scheibe, dem sogenannten Freistromrad, auf das Strömungsmedium übertragen wird.

Daneben kommen auch halboffene Laufräder im Abwasserbereich zum Einsatz.

Bei der Gestaltung der Laufräder spielt die Schaufelform eine entscheidende Rolle. Ins- besondere die Konstruktion der Eintrittskante ist von großer Bedeutung. Bei Abwasser- pumpen belegt sich die Eintrittskante häufig mit im Fördermedium vorhandenen Fasern. Die Fasern werden häufig nicht von dem Laufrad-Eintrittskanten abtransportiert, da auf- grund des Strömungswiderstands auf der Saug- und Druckseite die jeweiligen Wider- standskräfte im Gleichgewicht sind. Kommt es zu einer Anlagerung von Fasern an den Eintrittskanten, können weitere Fasern sich anlagern, sodass sich größere Belegungen bilden können. Begünstigt wird dieses Verhalten insbesondere bei der Gewährleistung hoher Kugeldurchgänge. Der Kugeldurchgang ist ein wichtiger Parameter zur Charakte- risierung der Einsatzfähigkeit von Abwasserpumpen. Der Kugeldurchgang wird auch als freier, unverengter Laufraddurchgang bezeichnet und beschreibt den größten zulässi- gen Durchmesser der Feststoffe, um einen verstopfungsfreien Durchgang zu gewähr- leisten.

Die für einen ausreichenden Kugeldurchgang notwendigen großen Strömungsquer- schnitte begünstigen den Aufbau von Belegungen. Insbesondere bei Teillast, zum Bei- spiel kleinen Volumenströme, führen große Strömungsquerschnitte zu nicht durchström- ten Totwasserzonen. Die Totwasserzonen führen zu Verblockungen. Insbesondere wenn ein großer Kugeldurchgang erforderlich ist, treten häufig solche Belegungen der Schaufeln, insbesondere bei den Eintrittskanten auf.

Bei Einschauflern führen solche Belegungen dazu, dass eine höhere Leistung zum Be- trieb der Kreiselpumpe erforderlich ist. Bei Mehrschauflern kann es durch die Belegun- gen auch zu einer asymmetrischen Strömung in den Kanälen kommen. Solche asym- metrischen Strömungen beeinflussen nicht nur die erforderliche Leistung, sondern auch den geförderten Volumenstrom sowie die Förderhöhe.

Die DE 40 15 331 A1 beschreibt ein Laufrad mit nur einer Schaufel. Das durch ein Gießverfahren hergestellte Einschaufelrad bildet zwischen einer vorderen Deckscheibe und einer hinteren Tragscheibe einen Kanal, dessen Querschnitt zum Einlauf des Ein- schaufelrades zum Austritt hin abnimmt. Die Saugseite bildet auf den ersten 180° des Drehwinkels einen konzentrisch zur Drehachse angeordneten Halbkreis. Das Einschau- felrad ist so gestaltet, dass ein Auftreten von Kavitationserosion verhindert wird.

Im Gegensatz zu Einschaufelrädern zeichnen sich Laufräder mit mehreren Schaufeln durch einen höheren Wirkungsgrad aus. Allerdings werden an solche Laufräder auch besondere Anforderungen bezüglich der Verhinderung von Ablagerungen durch feste Bestandteile gestellt. Bei mehrschaufligen Laufrädern müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um Verstopfungen zu vermeiden. In der EP 1 357 294 A2 wird eine Kreiselpumpe zum Fördern von Abwässern beschrie- ben. Die Pumpe weist einen zylindrischen Einlass auf und umfasst ein Pumpenge- häuse, ein Pumpenlaufrad mit einer zentralen Nabe und Schaufeln. Die vorderen Kan- ten nach hinten und innerhalb des Einlassteils liegen in einer Ebene, die hauptsächlich senkrecht zur Drehachse verläuft. An dem Pumpengehäuse ist ein Element zum Ab- kratzen von Ablagerungen an den Vorderkanten angebracht.

Werden halboffene Zweischaufler mit axial vorgezogenen Eintrittskanten ausgeführt, ähneln diese Freistromrädern mit geringer Schaufelzahl. Letztere werden im Normalfall zylindrisch ausgeführt, das heißt einer durchgehenden zylindrischen und damit zweidi- mensionalen Skelettlinie wird eine konstante Dicke überlagert. Der Laufradtyp wird häu- fig mit Schaufelzahlen von mehr als sechs eingesetzt.

Zunehmend werden Pumpen mit hohen Drehzahlen betrieben. Die Leistungsbegren- zung führt dabei zur Reduzierung der Schaufelzahl.

Eine geringe Schaufelzahl ist häufig erforderlich, um auch bei geringen Leistungen aus- reichend große Laufraddurchmesser mit günstigen Breiten/Durchmesser- Verhältnissen zu kombinieren. Ziel einer stark verringerten Schaufelzahl ist es, durch Ausführung ei- ner langen Schaufel einen geringen Staffelungswinkel und damit eine steile Kennlinie (Leistungsbegrenzung) zu erreichen.

Mit geringen Austrittswinkeln wird dabei trotz geringer Schaufelzahl versucht die Lauf- rad-Abströmung zu vergleichmäßigen, um Rückströmungen zu vermeiden. Mit abneh- mender Schaufelzahl und fallenden Austrittswinkel steigt die Belastung des axialen Ein- trittsbereiches der Freistromräder stark an. Größere Unterdruckwerte der Saugseite be- deuten dann Rückströmungen auf der Druckseite der Schaufel. Oft wird deshalb die Druckseite verdickt um diese Rückströmungen zu verringern. Die Freistromräder (F-Rä- der) haben eine ziehbare Schaufel um den Fertigungsprozess so einfach wie möglich zu gestalten. Sie haben keine Flinterschneidungen und können sehr einfach abgeformt werden. Diese Notwendigkeit besteht aber nur für die Schaufeldruckseite. Die Saug- seite oder Vorderseite kann frei profiliert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Laufrad für eine Abwasserpumpe anzugeben, bei der Ablagerungen wirksam vermieden werden. Gleichzeitig soll das Auftreten von Kavitati onserosion vermieden werden. Das Laufrad soll kostengünstig zu fertigen sein. Weiter- hin soll es einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der eingesetzten Kreiselpumpe ge- währleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Laufrad mit den Merkmalen des An- spruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Die mindestens eine Schaufel des Laufrades ragt von einer Tragscheibe in Richtung der Zuströmung des Mediums. Dabei ist die Schaufel mit einem Winkel a ausgerichtet. Der Winkel a wird gebildet von einer Lotrechten zur der Tragscheibe zu einer saugseiti- gen Fläche der Schaufel. Der Winkel a wird von der Lotrechten hin zur saugseitigen Fläche in positiver Richtung gezählt. Weiterhin ist die Gestaltung der Schaufel durch ei- nem Winkel ß definiert. Der Winkel ß wird zwischen der Lotrechten zur Tragscheibe und einer druckseitigen Fläche der Schaufel gebildet. Der Winkel ß wird von der Lotrechten hin zur druckseitigen Fläche in positiver Richtung gezählt. Erfindungsgemäß ist der Winkel ß gleich oder kleiner als 0° ausgeführt ist.

Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist der Winkel a gleich oder größer als 0° ausgeführt. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wird das Laufrad vorzugsweise in einem nor- malen Meridianschnitt entsprechend der besonderen Erfordernisse des F-Rades ausge- legt. Der erfindungsgemäß gestaltete druckseitige Tropfen wird so ausgeführt, dass die gesamte Druckseite eine zylindrische Fläche ohne Hinterschneidungen bildet. Die Druckseite wird vollständig ausfüllt, um die Schaufel in axialer Richtung ziehbar zu ge- stalten. Als Ergebnis bekommt man eine hydraulisch stoßfrei ausgelegte Schaufel, wel- che trotzdem axial aus der Form ziehbar ist.

Die normale Saugseitenausführung gewährleistet einen verbesserten Schutz vor dem Auftreten von Kavitation. Außerdem führt die erfindungsgemäße Konstruktion zu Wir- kungsgradsteigerungen. Die Druckseitenausfüllung reduziert bei geringer Schaufelzahl, vorzugsweise von weni- ger als drei Schaufeln, die aus Überlastung resultierenden Rückströmgebiete. Die An- wendung ist bei Freistromrädern besonders wichtig, wenn bei 2-poligen Betrieb die Ein- trittsgeschwindigkeiten und damit das Potential zur Dampfbildung stark steigen. Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung ist das Laufrad halboffen aus- geführt. Vorzugsweise erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Laufrad als Radialrad gestaltet ist. Das Laufrad kann eine oder mehr Schaufeln aufweisen. Bei einer beson- ders vorteilhaften Variante der Erfindung weist das Laufrad genau zwei Schaufeln auf. Die beschriebene Gestaltung bietet die Möglichkeit, das Laufrad sowohl als Freistrom- rad als auch als halboffenes Laufrad einzusetzen.

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

Figur 1 einen Axialschnitt durch eine Abwasserpumpe,

Figur 2 einen Blick auf den Saugmund der in Figur 1 dargestellten Abwasser- pumpe,

Figur 3 eine perspektivische Draufsicht auf ein Laufrad Figur 4 einen Schnitt durch das Laufrad gemäß der Darstellung in Figur 3.

Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Abwasserpumpe. Bei der in Figur 1 dar- gestellten Kreiselpumpe handelt es sich um eine Tauchmotorpumpe. Das mit Beimen- gungen versetzte Abwasser tritt durch den Saugmund 1 in die Pumpe ein. Laufrad 2 ist drehfest mit einer Welle 3 verbunden, welche das Laufrad 2 in Rotation versetzt. Das Laufrad 2 ist in einem Pumpengehäuse 4 angeordnet, das im Ausführungsbeispiel als Spiralgehäuse ausgeführt ist.

In den Saugmund 1 der Pumpe hinein ragt ein Einsatz 5, der im Ausführungsbeispiel als Schleißwand bzw. Schleißring ausgeführt ist. Die Welle 3 wird von einem Antrieb 6 in Rotation versetzt, der im Ausführungsbeispiel als Elektromotor ausgeführt ist. Der An- trieb 6 umfasst einen Rotor 7 und einen Stator 8.

Das Pumpengehäuse 4 wird durch einen Gehäusedeckel 9 abgedichtet. Der Gehäuse- deckel 9 ist mit einer Gleitringdichtung 10 gegenüber der Welle 3 abgedichtet. Die Welle 3 wird über Lagerelemente 11 abgestützt.

Figur 2 zeigt eine Sicht auf die Kreiselpumpe mit Blick auf den Saugmund 1. Das Lauf- rad 2 umfasst gemäß der Darstellung in Figur 2 zwei Schaufeln 12. Das Laufrad 2 weist in seiner Mitte eine Nabe 13 auf und ist über ein Befestigungsmittel über diese Nabe 13 mit der Welle 3 verbunden. Über einen Druckstutzen 14 verlässt das Fluid die Kreisel- pumpe.

Figur 3 zeigt das Laufrad 2 in einer perspektivischen Darstellung. Das Laufrad 2 dreht sich mit Blick auf die Darstellung gemäß Figur 3 entgegen der Uhrzeigerrichtung. Das Laufrad 2 ist mit zwei Schaufeln 12 ausgestattet, die auf einer Tragscheibe 15 befestigt sind. In den Ausführungsbeispielen sind die beiden Schaufeln 12 und die Tragscheibe 15 einstückig ausgebildet. Die Schaufeln 12 weisen einen gekrümmten Verlauf auf. Das Laufrad 2 ist halboffen ausgeführt und als Radialrad ausgebildet. Das mit festen Beimengungen versetzte Medium strömt axial durch den Saugmund 1 in das Laufrad 2 und dann radial nach außen vom Laufrad 2 weg, sodass das Medium durch den Druckstutzen 14 die Kreiselpumpe verlässt.

Die Schaufeln 12 weisen einen rückwärts gekrümmten Verlauf auf. Alle Schaufeln 12 des Laufrades 2 sind kongruent zueinander ausgebildet und weisen die gleiche Form auf. Jede Schaufel 12 erstreckt sich von der Nabe 13 mit einer Krümmung radial nach außen. Bei der Darstellung gemäß Figur 3 sind die beiden Schaufeln 12 um 180° zuei- nander versetzt angeordnet.

Die Schaufeln 12 weisen saugseitige Flächen 16 und druckseitige Flächen 17 auf.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch das Laufrad 2. Die Schaufeln 12 ragen von der Trag- scheibe 15 in Richtung der Zuströmung des feststoffhaltigen Mediums. Die saugseitigen Flächen 16 weisen mit einem Winkel a zur Lotrechten 18 der Tragscheibe 15 auf. Der Winkel a wird von der Lotrechten 18 zur saugseitigen Fläche 16 in positiver Richtung gezählt. Vorzugsweise ist der Winkel a gleich oder größer als 0° ausgeführt. Mit Blick auf die Zeichnung gemäß Figur 4 ist, bei einer Analogie zu einem Zifferblatt ei- ner Uhr, bei welcher die Lotrechte 12 Uhr anzeigt, die Ausrichtung der saugseitigen Flä che 16 nach 12 Uhr. Erfindungsgemäß sind bei einer Analogie zu einem Zifferblatt einer Uhr die saugseitigen Flächen 16 mit maximal 12 Uhr ausgerichtet, aber insbesondere nach 12 Uhr.

Die druckseitigen Flächen 17 weisen mit einem Winkel ß zur Lotrechten 18 der Trag- scheibe 15 auf. Der Winkel ß wird von den druckseitigen Flächen 17 zur lotrechten 18 in positiver Richtung gezählt. Mit Blick auf die Zeichnung gemäß Figur 4 ist, bei einer Analogie zu einem Zifferblatt ei- ner Uhr, bei welcher die Lotrechte 12 Uhr anzeigt, die Ausrichtung der druckseitigen Fläche 17 vor 12 Uhr. Erfindungsgemäß sind bei einer Analogie zu einem Zifferblatt ei- ner Uhr die druckseitigen Flächen 17 mit maximal 12 Uhr ausgerichtet, aber insbeson- dere vor 12 Uhr. Sämtliche Druckseiten der Schaufeln 12 sind ohne Flinterschneidungen ausgebildet.

Die Druckseiten sind vollständig ausgefüllt, um die Schaufel 12 in axialer Richtung zieh- bar zu gestalten. Gleichzeitig ist die Schaufel 12 hydraulisch stoßfrei ausgelegt.

Claims

Patentansprüche

1. Laufrad (2) für Kreiselpumpen mit mindestens einer Schaufel (12) zur Förderung feststoffhaltiger Medien, wobei die Schaufel (12) von einer Tragscheibe (15) in Richtung einer Zuströmung ragt und die Schaufel (12) mit einem Winkel a, der von einer Lotrechten (18) der Tragscheibe (15) zu einer saugseitigen Fläche (16) der Schaufel (12) in positiver Richtung gezählt wird und einem Winkel ß, der zwischen der Lotrechten (18) der Tragscheibe (15) und einer druckseitigen Fläche (17) der Schaufel (12) in positiver Richtung gezählt wird, ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel ß gleich oder kleiner als 0° ist.

2. Laufrad nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Druckseite der Schaufel (12) ohne Hinterschneidungen ausgebildet sind.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckseite vollständig ausgefüllt ist, um die Schaufel (12) in axialer Richtung ziehbar zu ge- stalten.

4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (12) hydraulisch stoßfrei ausgelegt ist und bei einer Gussherstellung axial aus einer Gussform ziehbar ist.

5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel a gleich oder größer als 0° ist.

6. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (2) genau zwei Schaufeln (12) aufweist.

7. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (2) halboffen ausgeführt ist.

8. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (2) als Radialrad ausgeführt ist.