WO2021023660A1 - Closed centrifugal pump channel impeller for fluids which have abrasive or erosive admixtures - Google Patents

Closed centrifugal pump channel impeller for fluids which have abrasive or erosive admixtures Download PDF

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WO2021023660A1
WO2021023660A1 PCT/EP2020/071669 EP2020071669W WO2021023660A1 WO 2021023660 A1 WO2021023660 A1 WO 2021023660A1 EP 2020071669 W EP2020071669 W EP 2020071669W WO 2021023660 A1 WO2021023660 A1 WO 2021023660A1
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blade
impeller
suction
thickness
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PCT/EP2020/071669
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Fritz JOCHEN
Christoph Jäger
Wolfgang Metzinger
Steffen Schmidt
Rolf Witzel
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KSB SE & Co. KGaA
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Definitions

  • the invention relates to a closed centrifugal pump channel impeller for liquids with abrasive or erosive admixtures, consisting of a support and a cover disk and one or more blades arranged in between ...
  • centrifugal pumps are often used for pumping media with components that promote wear. Wear occurs primarily on the components of the pump that come into contact with the flow. These include in particular the impeller, any stator, the pump housing with attachments and housing covers, but also the shaft seal.
  • the wear or the material removal rate depends strongly on the local flow velocity.
  • the pump impeller is particularly badly affected by this, because particularly high speeds occur when the air flows around the impeller blades.
  • catfish approaches One possibility is to coat the affected surfaces with elastomers such as rubber or polyurethane of low hardness.
  • the elastomer coating absorbs the impact energy of the solid particles contained in the conveying medium, which means that they do not damage the components or damage them less.
  • Another possibility is the use of component materials whose hardness is greater than the hardness of the solids contained in the conveying medium. Both metallic and non-metallic materials can be considered as materials with great hardness.
  • the pump components, in particular the impeller are essentially manufactured using primary molding processes.
  • components made of alloyed steels are created using conventional foundry processes and then mechanically reworked.
  • the above-described process for component production is comparatively expensive, the additional costs result mainly from the energy-intensive casting process, but also from the metallic alloy components.
  • a particularly wear-critical location is the leading edge of the impeller.
  • wear can progress to such an extent that the impeller blades are largely worn away.
  • this can lead to a collapse in the delivery rate.
  • the cover plate can become detached, which leads to a complete destruction of at least the impeller.
  • Impellers made of polymer with silicon carbide inclusions are particularly affected by this type of destruction, since both the tensile strength and the breaking strength of plastics with silicon carbide inclusions are significantly lower than those of a steel alloy. Even comparatively little wear can lead to total failure of the impeller.
  • the application deals with the above problem and tries to show possible solutions that can reduce material wear through an optimized design of the impeller. This object is achieved by an impeller according to the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the impeller are the subject of the dependent claims.
  • the aim of the invention is to minimize and delay the wear and tear of the leading edge of the impeller, so that the service life of the impeller is increased. According to the invention, this is achieved by a special profiling of at least one of the impeller inlet edges.
  • the main aim is to reduce the sensitivity of the leading edge to incorrect flow and to reduce the velocity gradient when the flow around the leading edge from the pressure side to the suction side at partial-load operating points.
  • the suction and pressure side of the vane is created by placing the vane profile with a vane thickness s d on the pressure side and with the vane thickness s s on the suction side on an existing skeleton surface, resulting in a total vane thickness.
  • the starting point for this are sketches for the profiling on the support disk (hub, pressure-side cover disk) and on the cover disk (suction-side cover disk).
  • at least one blade in the interface area to the support and / or cover disk has a blade profile shape that is asymmetrical with respect to the skeleton line.
  • the asymmetry is achieved by placing a different blade thickness / profile thickness on the pressure and suction side, in other words the thickness of the blade profile from the camber line to the suction-side or pressure-side edge of the blade is different, so that with respect to the camber line an asymmetry is present as a line of symmetry at least for partial areas over the blade length, ie in the direction from the inlet to the outlet edge.
  • the channel wheel is made of a cast or otherwise molded material, for example steel or mineral casting.
  • the impeller can also be made of polymers wear-resistant embedded particles, e.g. fine-grain silicon carbides (SiC).
  • the suction-side blade Z-profile thickness is greater than the pressure-side blade Z-profile thickness.
  • the asymmetrical blade thickness of the suction and pressure side preferably extends only over a limited area of the blade length; there is quasi a regional thickening of the blade profile on its suction side.
  • Such a thickening is preferably provided with a relative blade length of 10% -50% starting from the leading edge.
  • the greatest difference in thickness is particularly preferably provided in the range of 5% -15% of the relative blade length, ideally around 10% of the relative blade length.
  • the profile thickness in the area of the suction-side thickening at the interface with the support disk is 20% to 40% higher than the profile thickness in the area of the outlet edge of the suction side.
  • the aforementioned asymmetry or thickening comprises a size ratio of the suction-side to the pressure-side profile thickness of at least 1.3-1.8. If there is a thickening on the suction side of the blade, the size ratio increases, for example, starting from the leading edge until a maximum value in the aforementioned range between 1.3-1.8 is reached. The size ratio then decreases again in the direction of the trailing edge. It can be sensible for a relative blade length of approximately 20% -30%, in particular approximately 25%, to have a size ratio of at least 1.3, preferably at least 1.4.
  • the shape of the impeller leading edge is elliptically profiled, in particular the profile shape of the leading edge is formed by two partial ellipses merging tangentially into one another at the leading edge point with an elliptical angle of at least 90 ° to a maximum of 180 °.
  • the leading edge shows a quarter-ellipse shape in the transition to the pressure side, which is then divided by a constant profile width up to the trailing edge.
  • the transition from the inlet edge point to the suction side is formed by an ellipse with an ellipse angle greater than 90 ° so that the ellipse shape forms the section-wise thickening and then drops to a constant profile thickness up to the exit edge.
  • This has the advantage that the transition from the largest suction-side profile thickness to a profile thickness that remains almost constant in the direction of the impeller outlet edge is formed by a kink-free curve (ellipse angle> 90 °).
  • leading edge point can be shifted from the skeleton line or skeleton surface of the blade in the direction of the pressure side or in the direction of the suction side.
  • the asymmetrical blade profile shape in particular the aforementioned thickening on the suction side, can extend from the support disk to the cover disk.
  • a profile shape that changes between the support disk and cover disk is also conceivable.
  • an asymmetrical blade profile shape is only provided in the interface area with the support disk.
  • the leading edge profile can be formed by two quarter ellipses which merge tangentially into one another at the entry edge point there.
  • the ratio of the total profile thickness of the blade in the area of the carrier and cover disk with a common radial beam from a relative blade length of 8% - 12% has a ratio of 1, 08 to 1.12.
  • FIG. 1 a perspective view of the suction side of the invention
  • FIG. 2 a detailed representation of the blade shape according to the invention
  • FIG. 3 a profile representation of the impeller blade according to FIG. 2 in the area of its transition to the support disk
  • Figures 4a, b a modified embodiment according to Figure 3 and
  • Figures 5a, b Profile representation of the blade in the area of the cover disk.
  • FIG. 1 shows a perspective view of the centrifugal pump channel impeller according to the invention.
  • the impeller is designed as a closed channel impeller with a cover plate 1 and a support plate 2.
  • Several blades 3 extend between the support and cover disks.
  • the blades 3 are delimited in the direction of flow by their leading edge (suction edge) 3a and their trailing edge (pressure edge) 3b. Transverse to the direction of flow, they are delimited by the cover and support disks 1, 2.
  • the channel wheel is made of a cast or otherwise formable material, such as steel or mineral casting.
  • the impeller can also consist of polymers with wear-resistant embedded particles, for example fine-grain silicon carbides (SiC).
  • SiC fine-grain silicon carbides
  • the wear resistance of the impeller and thus its achievable runtime performance is optimized by a special profiling of the impeller leading edges 3a. Due to the new profiling, the sensitivity of the leading edges to incorrect flow can be reduced by reducing the speed gradient of the The resulting fluid flow around the inlet edges 3a from the pressure side B to the suction side A is reduced at partial-load operating points.
  • the suction and pressure side of the blade 3 is created by placing the blade profile on an existing skeleton surface 5 with the blade thickness s d on the pressure side B and the blade thickness s s on the suction side A. The result is a total blade thickness of s, which is in blade lengths - direction varies. This can be seen in FIGS. 2, 3, FIG. 3 here showing the profile shape of the blade 3 in the area of the support disk 2.
  • the length of the profiling on the pressure side is referred to here as X ed .
  • the blade profile on the suction side A is thickened over a length of X to a dimension Y in relation to the blade thickness of the leading edge 3a. In this case, the thickening on the suction side reaches its greatest profile thickness at a length of X es as seen from the leading edge 3a.
  • the profile thickness s s decreases in the direction of the trailing edge 3b in the form of a kink-free curve until the profile thickness s s , which remains constant up to the trailing edge, is reached.
  • the profile shape from the leading edge point 3c to the greatest thickness at point X es and to the point where the profile thickness remains constant can also be described as a partial ellipse with an ellipse angle of a A.
  • the two ellipses of the pressure side B and the suction side A merge tangentially into one another at the leading edge 3a at the leading edge point 3c.
  • FIG. 4 a shows the blade profile in the area of the support disk 2.
  • the leading edge point 3c on the suction side A is shifted by the amount y es from the skeleton surface 5 in the direction of the suction side A.
  • a displacement of the leading edge point 3c by the amount y ed in the direction of the pressure side B is also possible, as shown in FIG. 4b.
  • Said thickening according to the above exemplary embodiments can extend from the support disk 2 to the cover disk 1. In another embodiment, this thickening is only arranged on the support disk 2.
  • the profile on the cover disk 1 also consists of two quarter ellipses which merge tangentially into one another at the entry edge.
  • the transition point 3c at the leading edge 3a can lie above (see FIG. 5b) or below (see FIG. 5a) the center 10 of the blade profile, which results in an asymmetrical profile of the leading edge 3a.
  • the material thickness ratio between the carrier disk and the cover disk 2, 1 can have a ratio of 1.08-1.12 from a relative blade length of 10%, the maximum blade thickness on the carrier disk 2 at a relative blade length of 0.25 has at least a ratio of 1.425.
  • the maximum blade thickness on the support disk 2 is reached at 10% of the length of the skeleton line 10 on the suction side.
  • the vane thickness of the suction-side thickening is 20% - 45% higher than the vane thickness in the exit area of this flow filament.
  • the profile thickening, as described above for the support disk 2 is arranged only on the profile of the cover disk 1, while the profile on the support disk 2 is designed as described above for the cover disk 1.
  • the profiles on the support and cover plate 2, 1 can have the same geometric parameters. However, if the profiles on the support and cover plate 2, 1 are designed differently - as described above - then the profiles should merge evenly into one another above the blade height.
  • the spatial profiling of the impeller blades according to the invention minimizes cavitation by minimizing shear stress on the blade surface, which in impellers made of polymer cast with silicon carbide significantly reduces surface wear. Also, detachments in the design area that negatively affect energy conversion are avoided.
  • the special profiling reduces the wear caused by abrasion and cavitation erosion and at the same time increases the energy conversion and thus the efficiency of such an impeller.

Abstract

The invention relates to a closed centrifugal pump channel impeller for fluids which have abrasive or erosive admixtures, consisting of a support disc and a cover disc and one or more blades arranged therebetween, characterised in that, in the interface region to the support disc and/or cover disc, at least one blade comprises a blade profile shape which is asymmetrical with respect to the camber line.

Description

Geschlossenes Kreiselpumpenkanallaufrad für Flüssigkeiten mit abrasiven oder erosiven Beimengungen Closed centrifugal pump channel impeller for liquids with abrasive or erosive additions
Die Erfindung betrifft ein geschlossenes Kreiselpumpenkanallaufrad für Flüssigkeiten mit abrasiven oder erosiven Beimengungen bestehend aus einer Trag- und einer Deck- scheibe sowie ein oder mehreren dazwischen angeordneten Schaufeln... The invention relates to a closed centrifugal pump channel impeller for liquids with abrasive or erosive admixtures, consisting of a support and a cover disk and one or more blades arranged in between ...
Für Fördermedien mit verschleißfördernden Bestandteilen werden in Abhängigkeit von den Förderparametern vielfach Kreiselpumpen eingesetzt. Verschleiß tritt vorwiegend an den strömungsberührten Bauteilen der Pumpe auf. Dazu zählen insbesondere das Laufrad, ein etwaiges Leitrad, das Pumpengehäuse mit Anbauteilen und Gehäusede- ckeln aber auch die Wellendichtung. Depending on the conveying parameters, centrifugal pumps are often used for pumping media with components that promote wear. Wear occurs primarily on the components of the pump that come into contact with the flow. These include in particular the impeller, any stator, the pump housing with attachments and housing covers, but also the shaft seal.
Der Verschleiß bzw. die Material-Abtragsrate hängt stark von der örtlichen Strömungs- geschwindigkeit ab. Gerade das Pumpenlaufrad ist davon besonders stark betroffen, denn bei der Umströmung der Laufradschaufeln treten besonders hohe Geschwindig- keiten auf. Um eine wirtschaftliche Lebensdauer der betroffenen Teile zu erreichen, gibt es mehrere Vorgehenswelsen. Eine Möglichkeit ist die Beschichtung der betroffenen Oberflächen mit Elastomeren wie Gummi oder Polyurethan geringer Härte. Die Elasto- mer-Beschichtung nimmt die Aufprallenergie der im Fördermedium enthaltenen Fest- stoffpartikel auf, wodurch diese die Bauteile nicht oder weniger schädigen. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Bauteilwerkstoffen, deren Härte größer als die Härte der im Fördermedium enthaltenen Feststoffe ist Als Werkstoffe mit großer Härte kommen sowohl metallische als auch nichtmetallische Materialien in Betracht. Die Pumpenbauteile, insbesondere das Laufrad, werden im Wesentlichen durch Urformpro- zesse hergestellt. Hierzu werden Bauteile aus legierten Stählen mittels herkömmlicher Gießereiprozesse erstellt und mechanisch nachbearbeitet. Der vorbeschriebene Pro- zess zur Bauteilherstellung ist vergleichsweise teuer, die Mehrkosten ergeben sich hauptsächlich durch den energieintensiven Gießprozess, aber auch durch die metalli- schen Legierungsbestandteile. The wear or the material removal rate depends strongly on the local flow velocity. The pump impeller is particularly badly affected by this, because particularly high speeds occur when the air flows around the impeller blades. In order to achieve an economical service life for the affected parts, there are several catfish approaches. One possibility is to coat the affected surfaces with elastomers such as rubber or polyurethane of low hardness. The elastomer coating absorbs the impact energy of the solid particles contained in the conveying medium, which means that they do not damage the components or damage them less. Another possibility is the use of component materials whose hardness is greater than the hardness of the solids contained in the conveying medium. Both metallic and non-metallic materials can be considered as materials with great hardness. The pump components, in particular the impeller, are essentially manufactured using primary molding processes. For this purpose, components made of alloyed steels are created using conventional foundry processes and then mechanically reworked. The above-described process for component production is comparatively expensive, the additional costs result mainly from the energy-intensive casting process, but also from the metallic alloy components.
Ein Ansatz zur Kostenoptimierung bei gleichen Eigenschaften ist die Verwendung von Polymeren mit verschleißbeständigen eingelagerten Partikeln. Üblicherweise werden dafür feinkörnige Siliziumkarbide (SiC) eingesetzt, die in einer Polymermatrix eingela- gert weiden. Obwohl die eingelagerten Siliziumkarbid-Partikel die im Fördermedium enthaltenen Partikel an Härte übertreffen, tritt Verschleiß durch Auswaschung der Poly- mermatrix zwischen den eingelagerten Partikeln auf. Über einen längeren Zeitraum werden die eingelagerten Siliziumkarbid-Bestandteile abgetragen. One approach to cost optimization with the same properties is the use of polymers with wear-resistant embedded particles. Fine-grain silicon carbides (SiC), which are stored in a polymer matrix, are usually used for this. Although the embedded silicon carbide particles are harder than the particles contained in the conveying medium, wear occurs due to the washing out of the polymer matrix between the embedded particles. The stored silicon carbide components are removed over a longer period of time.
Ein besonders verschleißkritischer Ort ist die Eintrittskanten des Laufrades. Während der Laufzeit kann der Verschleiß hier soweit fortschreiten, dass die Laufradschaufeln weitgehend abgetragen werden. Bei Laufrädern ohne saugseitige Deckscheibe kann das zu einem Zusammenbruch der Förderleistung führen. Bei Laufrädern mit saugseiti- ger Deckscheibe kann sich die Deckscheibe ablösen, was zu einer vollständigen Zer- störung zumindest des Laufrades führt. A particularly wear-critical location is the leading edge of the impeller. During the running time, wear can progress to such an extent that the impeller blades are largely worn away. In the case of impellers without a cover plate on the suction side, this can lead to a collapse in the delivery rate. In the case of impellers with a cover plate on the suction side, the cover plate can become detached, which leads to a complete destruction of at least the impeller.
Laufräder aus Polymer mit Siliziumkarbid-Einlagerungen sind von dieser Art der Zerstö- rung besonders betroffen, da sowohl die Zugfestigkeit als auch die Bruchfestigkeit von Kunststoffen mit Siliziumkarbideinlagerungen wesentlich geringer sind als die einer Stahllegierung. So kann schon vergleichsweise geringer Verschleiß zu einem Totalaus- feil des Laufrades führen. Die Anmeldung setzt sich mit der vorstehenden Problematik auseinander und versucht Lösungsansätze aufzuzeigen, die den Materialverschleiß durch eine optimierte Kon- struktion des Laufrades reduzieren können. Diese Aufgabe wird durch ein Laufrad gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst Vorteilhafte Ausführungen des Laufrades sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Impellers made of polymer with silicon carbide inclusions are particularly affected by this type of destruction, since both the tensile strength and the breaking strength of plastics with silicon carbide inclusions are significantly lower than those of a steel alloy. Even comparatively little wear can lead to total failure of the impeller. The application deals with the above problem and tries to show possible solutions that can reduce material wear through an optimized design of the impeller. This object is achieved by an impeller according to the features of claim 1. Advantageous embodiments of the impeller are the subject of the dependent claims.
Ziel der Erfindung ist es, durch gezielte Formgebung der Laufrad-Eintrittskante den Verschleiß derselben zu minimieren und zu verzögern, so dass die Lebensdauer des Laufrades gesteigert wird. Erfindungsgemäß wird dies durch eine spezielle Profilierung wenigstens einer der Laufradeintrittskanten erreicht. Vornehmlich geht es darum, die Empfindlichkeit der Eintrittskante gegen Fehlanströmung zu verringern und den Ge- schwindigkeitsgradienten bei der Umströmung der Eintrittskante von der Druckseite zur Saugseite bei teillastigen Betriebspunkten zu vermindern. The aim of the invention is to minimize and delay the wear and tear of the leading edge of the impeller, so that the service life of the impeller is increased. According to the invention, this is achieved by a special profiling of at least one of the impeller inlet edges. The main aim is to reduce the sensitivity of the leading edge to incorrect flow and to reduce the velocity gradient when the flow around the leading edge from the pressure side to the suction side at partial-load operating points.
Die Saug- und Druckseite der Schaufel entsteht durch Auflegen der Schaufelprofilierung mit einer Schaufeldicke sd auf die Druckseite und mit der Schaufeldicke ss auf die Saug- seite auf eine vorhandene Skelettfläche, wodurch sich eine Gesamtschaufeldicke ergibt. Ausgangspunkt dafür sind Skizzen für die Profilierung an der Tragscheibe (Nabe, druck- seitige Deckscheibe) und an der Deckscheibe (saugseitige Deckscheibe). Erfindungs- gemäß wird konkret vorgeschlagen, dass wenigstens eine Schaufel im Schnittstellenbe- reich zur Trag- und/oder Deckscheibe eine mit Bezug zur Skelettlinie asymmetrische Schaufelprofilform aufweist. Die Asymmetrie wird durch Auflegen einer unterschiedli- chen Schaufeldicke/Profildicke auf die Druck- und Saugseite erreicht, mit anderen Wor- ton fällt die Dicke des Schaufelprofils von der Skelettlinie bis zum saugseitigen bzw. druckseitigen Rand der Schaufel unterschiedlich aus, so dass bezüglich der Skelettlinie als Symmetrielinie zumindest für Teilbereiche über die Schaufellänge, d.h. in Richtung von der Eintritts- zur Austrittskante, eine Asymmetrie vorliegt. Das Kanalrad ist aus einem gießbaren oder auf andere Weise urformbaren Werkstoff, bspw. Stahl oder Mineralguß, hergestellt Ebenso kann das Laufrad aus Polymeren mit verschleißbeständigen eingelagerten Partikeln, bspw. feinkörnige Siliziumkarbide (SiC) hergestellt sein. The suction and pressure side of the vane is created by placing the vane profile with a vane thickness s d on the pressure side and with the vane thickness s s on the suction side on an existing skeleton surface, resulting in a total vane thickness. The starting point for this are sketches for the profiling on the support disk (hub, pressure-side cover disk) and on the cover disk (suction-side cover disk). According to the invention, it is specifically proposed that at least one blade in the interface area to the support and / or cover disk has a blade profile shape that is asymmetrical with respect to the skeleton line. The asymmetry is achieved by placing a different blade thickness / profile thickness on the pressure and suction side, in other words the thickness of the blade profile from the camber line to the suction-side or pressure-side edge of the blade is different, so that with respect to the camber line an asymmetry is present as a line of symmetry at least for partial areas over the blade length, ie in the direction from the inlet to the outlet edge. The channel wheel is made of a cast or otherwise molded material, for example steel or mineral casting. The impeller can also be made of polymers wear-resistant embedded particles, e.g. fine-grain silicon carbides (SiC).
Besonders bevorzugt ist es, wenn die saugseitige Schaufel-ZProfildicke größer ist als die druckseitige Schaufel-ZProfildicke. Bevorzugt erstreckt sich die asymmetrische Schaufeldicke von Saug- und Druckseite nur über einen begrenzten Bereich der Schau- fellänge, es entsteht quasi eine bereichsweise Verdickung des Schaufelprofils an seiner Saugseite. Bevorzugt ist eine solche Verdickung bei einer relativen Schaufellänge von 10%-50% ausgehend von der Eintrittskante vorgesehen. Besonders bevorzugt ist der größte Dickenunterschied im Bereich von 5%-15% der relativen Schaufellänge, idealer- weise bei etwa 10% der relativen Schaufellänge vorgesehen. It is particularly preferred if the suction-side blade Z-profile thickness is greater than the pressure-side blade Z-profile thickness. The asymmetrical blade thickness of the suction and pressure side preferably extends only over a limited area of the blade length; there is quasi a regional thickening of the blade profile on its suction side. Such a thickening is preferably provided with a relative blade length of 10% -50% starting from the leading edge. The greatest difference in thickness is particularly preferably provided in the range of 5% -15% of the relative blade length, ideally around 10% of the relative blade length.
Denkbar ist es ebenfalls, dass die Profildicke im Bereich der saugseitigen Verdickung an der Schnittstelle zur Tragscheibe um 20% bis 40% höher ist als die Profildicke im Bereich der Austrittskante der Saugseite. It is also conceivable that the profile thickness in the area of the suction-side thickening at the interface with the support disk is 20% to 40% higher than the profile thickness in the area of the outlet edge of the suction side.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst die vorgenannte Asym- metrie bzw. Verdickung ein Größenverhältnis der saugseitigen zur druckseitigen Profil- dicke von mindestens 1.3-1,8 auf. Bei einer vorliegenden Verdickung an der Saugseite der Schaufel nimmt das Größenverhältnis bspw. ausgehend von der Eintrittskante zu bis ein Maximalwert im vorgenannten Bereich zwischen 1.3-1.8 erreicht wird. Anschlie- ßend nimmt das Größenverhältnis in Richtung der Austrittskante wieder ab. Sinnvoll kann sein, dass bei einer relativen Schaufellänge von etwa 20%-30%, insbesondere bei etwa 25% noch ein Größenverhältnis von mindestens 1,3, vorzugsweise mindestens 1,4 vorliegt. According to an advantageous embodiment of the invention, the aforementioned asymmetry or thickening comprises a size ratio of the suction-side to the pressure-side profile thickness of at least 1.3-1.8. If there is a thickening on the suction side of the blade, the size ratio increases, for example, starting from the leading edge until a maximum value in the aforementioned range between 1.3-1.8 is reached. The size ratio then decreases again in the direction of the trailing edge. It can be sensible for a relative blade length of approximately 20% -30%, in particular approximately 25%, to have a size ratio of at least 1.3, preferably at least 1.4.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Form der Laufrad- Eintrittskante elliptisch profiliert, insbesondere ist die Profilform der Eintrittskante durch zwei im Eintrittskantenpunkt tangential ineinander übergehende Teilellipsen mit einem Ellipsenwinkel von mindestens 90° bis maximal 180° gebildet. Bspw. zeigt die Eintritts- kante eine Viertel-Ellipsenform im Übergang zur Druckseite, die sich dann durch eine konstante Profilbreite bis zur Austrittskante auszeichnet. Der Übergang vom Eintritte- kantenpunkt zur Saugseite wird durch eine Ellipse mit einem Ellipsenwinkel größer 90° gebildet so dass die Ellipsenform die abschnittsweise Verdickung formt, um dann auf eine konstant bleibende Profildicke bis zur Austrittskante abzufallen. Dies hat den Vor- teil, dass der Übergang von der größten saugseitigen Profildicke auf eine in Richtung der Laufrad-Austrittekante nahezu konstant bleibende Profildicke durch eine knickfreie Kurve (Ellipsenwinkel > 90°) gebildet ist. According to a further advantageous embodiment of the invention, the shape of the impeller leading edge is elliptically profiled, in particular the profile shape of the leading edge is formed by two partial ellipses merging tangentially into one another at the leading edge point with an elliptical angle of at least 90 ° to a maximum of 180 °. For example, the leading edge shows a quarter-ellipse shape in the transition to the pressure side, which is then divided by a constant profile width up to the trailing edge. The transition from the inlet edge point to the suction side is formed by an ellipse with an ellipse angle greater than 90 ° so that the ellipse shape forms the section-wise thickening and then drops to a constant profile thickness up to the exit edge. This has the advantage that the transition from the largest suction-side profile thickness to a profile thickness that remains almost constant in the direction of the impeller outlet edge is formed by a kink-free curve (ellipse angle> 90 °).
In einer weiteren Ausführungsform kann der Eintrittskantenpunkt von der Skelettlinie bzw. Skelettfläche der Schaufel in Richtung der Druckseite oder aber in Richtung der Saugseite verschoben sein. In a further embodiment, the leading edge point can be shifted from the skeleton line or skeleton surface of the blade in the direction of the pressure side or in the direction of the suction side.
Die asymmetrische Schaufelprofilform, insbesondere die vorgenannte saugseitige Ver- dickung kann sich von der Tragscheibe bis zur Deckscheibe erstrecken. Vorstellbar ist aber auch eine zwischen Trag- und Deckscheibe verändernde Profilform. So besteht bspw. die Möglichkeit, dass eine asymmetrische Schaufelprofilform nur im Schnittstel- lenbereich zur Tragscheibe vorgesehen ist. Im Schnittstellenbereich zur Deckscheibe existiert stattdessen eine zur Skelettlinie symmetrische Profilform. Unabhängig ob sym- metrische oder asymmetrische Profilform kann das Eintrittskantenprofil durch zwei Vier- telellipsen gebildet sein, die am dortigen Eintrittekantenpunkt tangential Ineinander übergehen. The asymmetrical blade profile shape, in particular the aforementioned thickening on the suction side, can extend from the support disk to the cover disk. However, a profile shape that changes between the support disk and cover disk is also conceivable. For example, there is the possibility that an asymmetrical blade profile shape is only provided in the interface area with the support disk. Instead, there is a profile shape symmetrical to the skeleton line in the interface area to the cover plate. Regardless of whether the profile shape is symmetrical or asymmetrical, the leading edge profile can be formed by two quarter ellipses which merge tangentially into one another at the entry edge point there.
Ändert sich die Profilform zwischen Trag- und Deckscheibe, so ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der Gesamtprofildicke der Schaufel im Bereich von Trag- und Deck- scheibe bei einem gemeinsamen Radialstrahl ab einer relativen Schaufellänge von 8%- 12% ein Verhältnis von 1,08 bis 1,12 aufweist. If the profile shape between the carrier and cover disk changes, it is advantageous if the ratio of the total profile thickness of the blade in the area of the carrier and cover disk with a common radial beam from a relative blade length of 8% - 12% has a ratio of 1, 08 to 1.12.
Neben dem erfindungsgemäßen Laufrad betrifft die Erfindung ebenso eine Kreisel- pumpe mit einem Laufrad gemäß der Erfindung. Für die Pumpe ergeben sich folglich dieselben Vorteile und Einzelheiten wie sie bereits vorstehend anhand des Laufrades erläutert wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird daher verzichtet und statt- dessen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Weitere Vorteile und Einzelheiten sollen nachfolgend anhand der in den Figuren darge- stellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Es zeigen: Figur 1 : eine perspektivische Ansicht auf die Saugseite des erfindungsgemäßenIn addition to the impeller according to the invention, the invention also relates to a centrifugal pump with an impeller according to the invention. The same advantages and details result for the pump as have already been explained above with reference to the impeller. A repetitive description is therefore dispensed with and reference is made instead to the above statements. Further advantages and details are to be explained below using the exemplary embodiments shown in the figures. They show: FIG. 1: a perspective view of the suction side of the invention
Kanalrades, Sewer wheel,
Figur 2: eine Detaildarstellung der erfindungsgemäßen Schaufelform FIG. 2: a detailed representation of the blade shape according to the invention
Figur 3: eine Profildarstellung der Laufradschaufel gemäß Figur 2 im Bereich ih- res Übergangs zur Tragscheibe, FIG. 3: a profile representation of the impeller blade according to FIG. 2 in the area of its transition to the support disk,
Figuren 4a,b: eine modifizierte Ausführung gemäß Figur 3 und Figures 4a, b: a modified embodiment according to Figure 3 and
Figuren 5a,b: Profildarstellung der Schaufel im Bereich der Deckscheibe. Figures 5a, b: Profile representation of the blade in the area of the cover disk.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kreiselpumpenka- nallaufrades. Das Laufrad ist als geschlossenes Kanallaufrad mit einer Deckscheibe 1 sowie einer Tragscheibe 2 ausgeführt. Zwischen Trag- und Deckscheibe erstrecken sich mehrere Schaufeln 3. Die Schaufeln 3 werden in Strömungsrichtung durch ihre Eintrittskante (Saugkante) 3a und ihre Austrittskante (Druckkante) 3b begrenzt Quer zur Strömungsrichtung erfolgt die Begrenzung durch die Deck- und Tragscheibe 1, 2. Das Kanalrad ist aus einem gießbaren oder auf andere Weise urformbaren Werkstoff, wie bspw. Stahl oder Mineralguß hergestellt. Ebenso kann das Laufrad aus Polymeren mit verschleißbeständigen eingelagerten Partikeln, bspw. feinkörnige Siliziumkarbide (SiC) bestehen. Das Laufrad dient primär zur Förderung von Flüssigkeiten mit abrasi- ven oder erosiven Beimengungen. FIG. 1 shows a perspective view of the centrifugal pump channel impeller according to the invention. The impeller is designed as a closed channel impeller with a cover plate 1 and a support plate 2. Several blades 3 extend between the support and cover disks. The blades 3 are delimited in the direction of flow by their leading edge (suction edge) 3a and their trailing edge (pressure edge) 3b. Transverse to the direction of flow, they are delimited by the cover and support disks 1, 2. The channel wheel is made of a cast or otherwise formable material, such as steel or mineral casting. The impeller can also consist of polymers with wear-resistant embedded particles, for example fine-grain silicon carbides (SiC). The impeller is primarily used for pumping liquids with abrasive or erosive additions.
Erfindungsgemäß wird die Verschleißbeständigkeit des Laufrades und damit dessen er- reichbare Laufzeitleistung durch eine spezielle Profilierung der Laufradeintrittskanten 3a optimiert. Durch die neuartige Profilierung kann die Empfindlichkeit der Eintrittskanten gegen Fehlanströmung verringert werden, indem der Geschwindigkeitsgradient der sich ergebenden fluiden Umströmung der Eintrittskanten 3a von der Druckseite B zur Saug- seite A bei teillastigen Betriebspunkten vermindert wird. Die Saug- und Druckseite der Schaufel 3 entsteht durch Auflegen der Schaufelprofilierung auf eine vorhandene Ske- lettfläche 5 mit der Schaufeldicke sd auf die Druckseite B und der Schaufeldicke ss auf der Saugseite A. Es ergibt sich eine Gesamtschaufeldicke von s, die in Schaufellängen- richtung variiert. Ersichtlich ist dies in den Figuren 2, 3, wobei Figur 3 hier die Profilform der Schaufel 3 im Bereich der Tragscheibe 2 zeigt. According to the invention, the wear resistance of the impeller and thus its achievable runtime performance is optimized by a special profiling of the impeller leading edges 3a. Due to the new profiling, the sensitivity of the leading edges to incorrect flow can be reduced by reducing the speed gradient of the The resulting fluid flow around the inlet edges 3a from the pressure side B to the suction side A is reduced at partial-load operating points. The suction and pressure side of the blade 3 is created by placing the blade profile on an existing skeleton surface 5 with the blade thickness s d on the pressure side B and the blade thickness s s on the suction side A. The result is a total blade thickness of s, which is in blade lengths - direction varies. This can be seen in FIGS. 2, 3, FIG. 3 here showing the profile shape of the blade 3 in the area of the support disk 2.
Konkret wird die Eintrittskante 3a der Schaufel 3 auf der Druckseite B als Viertel-Ellipse, d.h. mit einem Ellipsenwinkel aB=90° ausgeführt. Die Lauflänge der druckseitigen Profi- lierung wird hier als Xed bezeichnet. Zusätzlich wird das Schaufelprofil auf der Saugseite A auf einer Länge von X auf ein Maß Y im Verhältnis zur Schaufeldicke der Eintritts- kante 3a verdickt. Dabei erreicht die saugseitige Verdickung ihre größte Profildicke bei einer Länge von Xes von der Eintrittskante 3a aus gesehen. Ab dem Punkt Xes nimmt die Profildicke ss in Richtung der Austrittskante 3b in Form einer knickfreien Kurve ab, bis die bis zur Austrittskante konstant bleibende Profildicke ss erreicht ist. Die Profilform vom Eintrittskantenpunkt 3c bis zur größten Dicke im Punkt Xes und bis zum Punkt der konstant bleibenden Profildicke lässt sich ebenfalls als Teilellipse beschreiben mit ei- nem Ellipsenwinkel von aA. Specifically, the leading edge 3a of the blade 3 on the pressure side B is designed as a quarter ellipse, ie with an ellipse angle a B = 90 °. The length of the profiling on the pressure side is referred to here as X ed . In addition, the blade profile on the suction side A is thickened over a length of X to a dimension Y in relation to the blade thickness of the leading edge 3a. In this case, the thickening on the suction side reaches its greatest profile thickness at a length of X es as seen from the leading edge 3a. From point X es , the profile thickness s s decreases in the direction of the trailing edge 3b in the form of a kink-free curve until the profile thickness s s , which remains constant up to the trailing edge, is reached. The profile shape from the leading edge point 3c to the greatest thickness at point X es and to the point where the profile thickness remains constant can also be described as a partial ellipse with an ellipse angle of a A.
Die beiden Ellipsen der Druckseite B und der Saugseite A gehen an der Eintrittskante 3a im Eintrittskantenpunkt 3c tangential ineinander über. The two ellipses of the pressure side B and the suction side A merge tangentially into one another at the leading edge 3a at the leading edge point 3c.
Eine leicht modifizierte Ausführung ist der Figur 4a zu entnehmen, die ebenfalls das Schaufelprofil im Bereich der Tragscheibe 2 zeigt. Hier ist der Eintrittskantenpunkt 3c zur Saugseite A um den Betrag yes von der Skelettfläche 5 in Richtung Saugseite A ver- schoben. Ebenso ist eine Verschiebung des Eintrittskantenpunktes 3c um den Betrag yed in Richtung Druckseite B möglich, wie dies in Figur 4b gezeigt ist. Die besagte Verdickung gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen kann sich von der Tragscheibe 2 bis zur Deckscheibe 1 erstrecken. In einer anderen Ausfüh- rungsform wird diese Verdickung nur an der Tragscheibe 2 angeordnet. Das Profil an der Deckscheibe 1 besteht ebenfalls aus zwei Viertelellipsen, die an der Eintrittekante tangential ineinander übergehen. Dabei kann der Übergangspunkt 3c an der Eintritts- kante 3a über- (siehe Figur 5b) oder unterhalb (siehe Figur 5a) der Mitte 10 des Schau- felprofils liegen, wodurch sich ein asymmetrisches Profil der Eintrittskante 3a ergibt. A slightly modified version is shown in FIG. 4 a, which also shows the blade profile in the area of the support disk 2. Here the leading edge point 3c on the suction side A is shifted by the amount y es from the skeleton surface 5 in the direction of the suction side A. A displacement of the leading edge point 3c by the amount y ed in the direction of the pressure side B is also possible, as shown in FIG. 4b. Said thickening according to the above exemplary embodiments can extend from the support disk 2 to the cover disk 1. In another embodiment, this thickening is only arranged on the support disk 2. The profile on the cover disk 1 also consists of two quarter ellipses which merge tangentially into one another at the entry edge. The transition point 3c at the leading edge 3a can lie above (see FIG. 5b) or below (see FIG. 5a) the center 10 of the blade profile, which results in an asymmetrical profile of the leading edge 3a.
Das Materialdickenverhältnis zwischen der Trag- und der Deckscheibe 2, 1 kann ab ei- ner relativen Schaufellänge von 10 % ein Verhältnis von 1,08 - 1, 12 aufweisen, wobei die maximale Schaufeldicke auf der Tragscheibe 2 bei einer relativen Schaufellänge von 0,25 mindestens ein Verhältnis von 1,425 aufweist Die maximale Schaufeldicke auf der Tragscheibe 2 wird saugseitig bei 10 % der Länge der Skelettlinie 10 erreicht. Die Schaufelstärke der saugseitigen Verdickung ist 20% - 45% höher als die Schaufeldicke im Austrittsbereich dieses Stromfadens. The material thickness ratio between the carrier disk and the cover disk 2, 1 can have a ratio of 1.08-1.12 from a relative blade length of 10%, the maximum blade thickness on the carrier disk 2 at a relative blade length of 0.25 has at least a ratio of 1.425. The maximum blade thickness on the support disk 2 is reached at 10% of the length of the skeleton line 10 on the suction side. The vane thickness of the suction-side thickening is 20% - 45% higher than the vane thickness in the exit area of this flow filament.
Ebenso ist es denkbar, dass die Profilverdickung wie oben für die Tragscheibe 2 be- schrieben nur an dem Profil der Deckscheibe 1 angeordnet wird, während das Profil an der Tragscheibe 2 so wie vorher für die Deckscheibe 1 beschrieben ausgeführt wird. It is also conceivable that the profile thickening, as described above for the support disk 2, is arranged only on the profile of the cover disk 1, while the profile on the support disk 2 is designed as described above for the cover disk 1.
Die Profilierungen an Trag- und Deckscheibe 2, 1 können die gleichen geometrischen Parameter haben. Werden die Profilierungen jedoch an Trag - und Deckscheibe 2, 1 unterschiedlich - so wie oben beschrieben - ausgeführt, dann sollen die Profile über der Schaufelhöhe gleichmäßig ineinander übergehen. The profiles on the support and cover plate 2, 1 can have the same geometric parameters. However, if the profiles on the support and cover plate 2, 1 are designed differently - as described above - then the profiles should merge evenly into one another above the blade height.
Mit der erfindungsgemäßen räumlichen Profilierung der Laufradschaufeln wird eine Ka- vitationsminimierung durch Schubspannungsminimierung auf der Schaufeloberflache erreicht, die bei Laufrädern aus Polymerguss mit Siliziumkarbid den Oberflachenver- schleiß erheblich reduziert Ebenso werden Ablösungen im Auslegungsbereich vermie- den, die die Energieumsetzung negativ beeinflussen. Die spezielle Profilierung ernied- rigt den Verschleiß durch Abrasion und Kavitationserosion und erhöht gleichermaßen den Energieumsatz und somit den Wirkungsgrad eines solchen Laufrades. The spatial profiling of the impeller blades according to the invention minimizes cavitation by minimizing shear stress on the blade surface, which in impellers made of polymer cast with silicon carbide significantly reduces surface wear. Also, detachments in the design area that negatively affect energy conversion are avoided. The special profiling reduces the wear caused by abrasion and cavitation erosion and at the same time increases the energy conversion and thus the efficiency of such an impeller.

Claims

Patentansprüche Geschlossenes Kreiselpumpenkanallaufrad für Flüssigkeiten mit abrasiven oder erosiven Beimengungen Claims Closed centrifugal pump channel impeller for liquids with abrasive or erosive additions
1. Geschlossenes Kreiselpumpenkanallaufrad für Flüssigkeiten mit äbrasiven oder erosiven Beimengungen bestehend aus einer Trag- und einer Deckscheibe sowie ein oder mehreren dazwischen angeordneten Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schaufel im Schnittstellenbereich zur Trag- und/oder Deck- scheibe eine mit Bezug zur Skelettlinie asymmetrische Schaufelprofilform auf- weist. 1. Closed centrifugal pump channel impeller for liquids with abrasive or erosive additions consisting of a support and a cover disk and one or more blades arranged in between, characterized in that at least one blade in the interface area to the support and / or cover disk is one with reference to the skeleton line has asymmetrical blade profile shape.
2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die saugseitige Profildi- cke größer ist als die druckseitige Profildicke, insbesondere ist durch einen ab- schnittsweise in einem Bereich der relativen Schaufellänge von 5%-40% liegen- den Profildickenunterschied eine Verdickung an der Saugseite der Schaufel gebil- det, wobei vorzugsweise der größte Dickenunterschied im Bereich von 5%-15% liegt, idealerweise bei etwa 10% der relativen Schaufellänge. 2. Impeller according to claim 1, characterized in that the suction-side profile thickness is greater than the pressure-side profile thickness, in particular a thickening of the profile thickness difference, which is in sections in a range of the relative blade length of 5% -40% The suction side of the blade is formed, the greatest difference in thickness preferably being in the range of 5% -15%, ideally around 10% of the relative blade length.
3. Laufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Größenverhältnis der saugseitigen zur druckseitigen Profildicke von mindestens 1.3-1 ,8 vorliegt, wobei vorzugsweise bei einer relativen Schaufellänge von 20%-30% ein Größenverhält- nis von mindestens 1,3, besonders bevorzugt von mindestens 1,4 voriiegt. 3. Impeller according to claim 2, characterized in that there is a size ratio of the suction-side to the pressure-side profile thickness of at least 1.3-1, 8, preferably with a relative blade length of 20% -30% a size ratio of at least 1.3, especially preferably at least 1.4 is present.
4. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Laufrad-Eintrittskante elliptisch profiliert ist, insbesondere ist die Profilform der Eintrittskante durch zwei hm Eintrittskantenpunkt tangential ineinan- der übergehende Teilellipsen mit einem Ellipsenwinkel von mindestens 90° bis maximal 180° gebildet. 4. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the shape of the impeller leading edge is profiled elliptically, in particular is Profile shape of the leading edge formed by two hm leading edge point tangentially merging partial ellipses with an ellipse angle of at least 90 ° to a maximum of 180 °.
5. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der größten saugseitigen Profildicke auf eine in Richtung der Laufrad-Austrittskante nahezu konstant bleibende Profildicke durch eine knick- freie Kurve gebildet ist, insbesondere entspricht die saugseitige Profilform von der Eintrittskante bis zum Bereich mit nahezu konstanter Profildicke einer Ellipse mit einem Ellipsenwinkel zwischen mindestens 91° und maximal 180°. 5. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the transition from the largest suction-side profile thickness to a profile thickness that remains almost constant in the direction of the impeller outlet edge is formed by a kink-free curve, in particular the suction-side profile shape corresponds to from the inlet edge to to the area with an almost constant profile thickness of an ellipse with an ellipse angle between at least 91 ° and a maximum of 180 °.
6. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittskantenpunkt von der Skelettlinie bzw. Skelettfläche der Schaufel in Richtung der Druckseite oder in Richtung der Saugseite verschoben ist. 6. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the leading edge point is shifted from the skeleton line or skeleton surface of the blade in the direction of the pressure side or in the direction of the suction side.
7. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die asymmetrische Schaufelprofilform von der Tragscheibe bis zur Deckscheibe erstreckt. 7. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the asymmetrical blade profile shape extends from the support disk to the cover disk.
8. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine asymmetrische Schaufelprofilform nur im Schnittstellenbereich zur Tragscheibe vorgesehen ist und im Schnittstellenbereich zur Deckscheibe eine zur Skelettlinie symmetrische Profilform vorliegt, wobei das Eintrittskantenprofil durch zwei Vier- telellipsen gebildet ist, die am dortigen Eintrittskantenpunkt tangential ineinander übergehen. 8. Impeller according to one of claims 1 to 6, characterized in that an asymmetrical blade profile shape is only provided in the interface area to the support disk and a profile shape symmetrical to the skeleton line is present in the interface area to the cover disk, the leading edge profile being formed by two quarter ellipses, which on the the leading edge point there merge tangentially into one another.
9. Laufrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Ge- samtprofildicke der Schaufel im Bereich von Trag- und Deckscheibe bei einem ge- meinsamen Radialstrahl ab einer relativen Schaufellänge von 8%-12% ein Ver- hältnis von 1,08 bis 1,12 aufweist. 9. Impeller according to claim 8, characterized in that the ratio of the total profile thickness of the blade in the area of the support and cover disk with a common radial jet from a relative blade length of 8% -12% a ratio of 1.08 to 1.12.
10. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profildicke im Bereich der saugseitigen Verdickung an der Schnittstelle zur Tragscheibe um 20% bis 40% höher ist als die Profildicke im Bereich der Aus- trittskante der Saugseite. 10. Impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the profile thickness in the area of the suction-side thickening at the interface with the support disc is 20% to 40% higher than the profile thickness in the area of the exit edge of the suction side.
11. Kreiselpumpe mit einem Laufrad gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. 11. Centrifugal pump with an impeller according to one of the preceding claims.
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