WO2021058341A1

WO2021058341A1 - Einschaufelrad

Info

Publication number: WO2021058341A1
Application number: PCT/EP2020/075808
Authority: WO
Inventors: Alexander Christ; Christoph Jäger; Rolf Witzel
Original assignee: KSB SE & Co. KGaA
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2021-04-01
Also published as: DE102019006665A1; EP4034771A1; CN114391064A

Abstract

Einschaufelrad (3) für Pumpen zur Förderung von mit festen Beimengungen durchsetzten Flüssigkeiten mit einem Laufradkörper (11), wobei in dem Laufradkörper (11) zwischen einer ersten Deckscheibe (14) und einer zweiten Deckscheibe (15) eine Schaufel (13) angeordnet ist, wobei sich die Stärke einer Wandung der Schaufel (13) über deren Erstreckung verändert und wobei zwischen der Schaufel (13) und den Deckscheiben (14, 15) ein Kanal gebildet ist. Erfindungsgemäß ist ein Stützkörper (12) zumindest abschnittsweise in dem Laufradkörper (11) angeordnet, der eine gegenüber dem Laufradkörper (11) erhöhte Dichte aufweist.

Description

Beschreibung

Einschaufelrad

Die Erfindung betrifft ein Einschaufelrad für Pumpen, insbesondere Kreiselpumpen mit einem Laufradkörper, wobei in dem Laufradkörper zwischen einer saugseitigen ersten und einer druckseitigen zweiten Deckscheibe eine Schaufel angeordnet ist, wobei sich die Stärke einer Wandung der Schaufel über deren Erstreckung verändert und wobei zwischen der Schaufel und den Deckscheiben ein Kanal gebildet ist.

Derartige Einschaufelräder kommen üblicherweise dann zum Einsatz, wenn Flüssigkei ten gefördert werden sollen, die mit festen Beimengungen durchsetzt sind. Insbeson dere handelt es sich hierbei um Schmutzwasser mit grobkörnigen und langfaserigen Bestandteilen. Die Besonderheit derartiger Einschaufelräder besteht darin, dass im Ge gensatz zu anderen Laufradtypen, lediglich eine Schaufel vorgesehen ist, über die die Flüssigkeit gefördert wird. Die Schaufel ist hierbei derart ausgestaltet, dass sie einen Kanal bildet, durch den die Flüssigkeit ausgehend von einem Saugmund strömen kann. Derartige Einschaufelräder können sehr robust und verschleißarm gestaltet werden, so dass gerade bei der Förderung von Flüssigkeiten mit festen Bestandteilen ein zuverläs siger und gleichzeitig wartungsarmer Betrieb möglich ist.

Problematisch ist in diesem Zusammenhang allerdings, dass sich aufgrund des einzi gen Kanals bzw. der einzigen Schaufel keine gleichmäßige Verteilung der Masse in Umfangsrichtung ergibt. Dies ist einerseits bedingt durch die asymmetrische Formge bung und andererseits durch die bei der Förderung des Fördermediums auftretende mit dem Einschaufelrad umlaufende hydraulische Kraft. Die hieraus resultierende ungleiche Belastung ist umso problematischer, je größer die Masse des Einschaufelrads ist. Aus diesem Grund ist es stets ein Bestreben, möglichst leichte Einschaufelräder zu verwen den, die aber dennoch eine ausreichend hohe Stabilität und einen hohen Verschleißwi derstand aufweisen, wobei diese beiden Anforderungen zu einem gewissen Maße im Widerspruch stehen.

Die DE 4428702 A1 lehrt in diesem Zusammenhang ein Einschaufelrad, bei der die Schaufel nicht vollwandig, sondern mit einzelnen Hohlkammer ausgebildet ist, wobei die Druck- und die Saugseite der Schaufel über mehrere Stege miteinander verbunden sind und hierdurch die Hohlkammer voneinander trennen. Durch die Hohlkammern kann das Gewicht des Einschaufelrades und entsprechend auch die Unwucht des Einschaufelra des reduziert werden. Allerdings soll das Einschaufelrad aus einem metallischen Mate rial gebildet werden, so dass die Fertigung mit Hohlkammern vergleichsweise aufwen dig ist.

Die DE 36 15686 A1 schlägt daher vor, nur einen Grundkörper aus Blech vorzusehen, in den ein Einsatzkörper aus Kunststoff eingesetzt wird. Die strömungsführenden Be standteile, insbesondere die Saugseite der Schaufel werden durch den Einsatzkörper gebildet. Durch die Verwendung von Kunststoff kann das Gewicht und damit auch die Unwucht reduziert werden.

Die gattungsgemäßen Einschaufelräder haben sich grundsätzlich bewährt. Sie sind aber dennoch verbesserungswürdig. Aus diesem Grunde liegt der Erfindung die Auf gabe zu Grunde, ein Einschaufelrad anzugeben, dass sich gegenüber den bisher be kannten Einschaufelrädern durch ein hohes Maß an Stabilität und einer verringerten Unwucht auszeichnet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Einschaufelrad gemäß Anspruch 1. Demnach ist ein Stützkörper zumindest abschnittsweise in dem Laufradkörper angeordnet, der eine gegenüber dem Laufradkörper erhöhte Dichte aufweist. Der Stützkörper selbst ist aus einem Vollmaterial gebildet. Dieser Stützkörper verleiht dem Einschaufelrad seine we sentliche Stabilität, so dass für den Laufradkörper selbst ein vergleichsweise leichtes Material verwendet werden kann. Durch eine solche Ausgestaltung wird aber nicht nur die Unwucht minimiert, sondern auch das Schwingungsverhalten positiv beeinflusst. Dies bewirkt eine erhöhte Lebensdauer der Lager der Pumpe und des Antriebes sowie eine geringere Beanspruchung des Laufraddichtspaltes, wodurch die Effizienz und die Betriebssicherheit wesentlich erhöht wird. Ebenso wird das Schwingungsverhalten der Anlage, in die die Pumpe eingesetzt ist, und auch die Geräuschentwicklung vermindert.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung beträgt das Verhältnis der Dichte zwi schen dem Laufradkörper und dem Stützkörper zumindest 1 :2, bevorzugt zumindest 1 :3, besonders bevorzugt zumindest 1 :4. Die Dichte des Laufradkörpers kann im Be reich zwischen 2 und 3 g/cm³, vorzugsweise zwischen 2,2 und 2,8 g/cm³ liegen. Im Ge gensatz dazu liegt die Dichte des Stützkörpers im Bereich von 4 und 10 g/cm³, bevor zugt zwischen 6 und 9 g/cm³, besonders bevorzugt zwischen 7 und 8 g/cm³.

Als Material für den Stützkörper kommt vorzugsweise ein Eisenwerkstoff in Betracht.

Die Formgebung des Stützkörpers kann über ein Gießverfahren, aber auch durch ein Umform- oder spanabtragendes Verfahren und/oder ein Fügeverfahren erfolgen. Der Laufradkörper ist vorzugsweise aus einem Polymer oder einem Epoxidharz gebildet und kann darüber hinaus einen Anteil von einem keramischen Pulver z.B. Siliziumkarbid enthalten. Dieses keramische Pulver weist üblicherweise eine Partikelgröße zwischen 0,1 und 1 mm auf und verleiht dem Laufradkörper eine erhöhte Widerstandskraft gegen abrasiven Verschleiß. Das Einschaufelrad selbst kann dabei derart gefertigt sein, dass das Material des Laufrades um den Stützkörper gegossen wird. Alternativ bietet sich auch Spritzgussverfahren oder ein additives Verfahren, z.B. 3D-Druck an.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Stützkörper eine druckseitige Ba sisplatte und zumindest ein von der Basisplatte vorspringender Mitnehmer auf. Die An zahl der Mitnehmer kann zwei, drei, vier oder mehr betragen. Der bzw. die Mitnehmer sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie sich in die Wandung der Schaufel hinein er strecken, wobei die Basisplatte zumindest abschnittsweise in der zweiten druckseitigen, dem Antrieb nahen Deckscheibe angeordnet ist. Bevorzugt erstrecken sich die Mitneh- mer über zumindest 60 %, vorzugsweise über zumindest 70 % einer in vertikaler Rich tung verlaufenden Höhe der Schaufel, wobei die vertikale Richtung parallel zur Rotati onsachse des Einschaufelrades angeordnet ist.

Durch eine solche Ausgestaltung wird erreicht, dass eine möglichst feste Verbindung zwischen dem Stützkörper und dem Laufradkörper erzielt wird. Zugleich kann der Stütz körper so ausgebildet sein, dass auch durch die Formgebung und die Ausrichtung zum Laufradkörper die Unwucht weiter minimiert bzw. diese sogar ganz ausgeglichen wird. Beispielsweise können die Mitnehmer so innerhalb der Schaufelwand angeordnet sein, dass sich diese in einen Bereich mit geringer Wandstärke erstrecken. Die Basisplatte kann symmetrisch, aber auch asymmetrisch ausgebildet sein, wobei vor allem eine asymmetrische Ausgestaltung als Ausgleich für eine Unwucht geeignet ist.

Bevorzugt sind der Stützkörper und insbesondere die Mitnehmer so ausgebildet, dass die Unwucht des Grundkörpers zumindest zu 60 %, vorzugsweise zumindest zu 75 %, besonders bevorzugt zumindest zu 90 % ausgeglichen wird. Auch ein vollständiger Ausgleich bzw. ein Ausgleich um 100 % ist möglich.

Das Einschaufelrad ist vorzugsweise als Radiallaufrad ausgebildet. Das bedeutet, dass das Fördermedium das Laufrad im Wesentlichen in einer radialen Richtung verlässt. Die Zuströmung erfolgt in der Regel in Richtung der Rotationsachse. Aus diesem Grund weist die erste saugseitige, dem Antrieb ferne Deckscheibe vorzugsweise eine Öffnung auf, über die die das Fördermedium in den Kanal einströmen kann.

Gegenstand der Erfindung sind auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Ein schaufelrades in einer Kreiselpumpe zur Förderung von mit festen Beimengungen durchsetzten Flüssigkeiten gemäß Anspruch 10 sowie eine Kreiselpumpe gemäß An spruch 11 mit einem Antriebsmotor und einem Pumpengehäuse, wobei das erfindungs gemäße Einschaufelrad innerhalb des Pumpengehäuses angeordnet und über eine Laufradwelle mit einer Motorwelle des Antriebsmotors verbunden ist. Bevorzugt ist das Einschaufelrad über eine Passfederverbindung oder über eine Kegel sitzverbindung mit der Laufradwelle verbunden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Beispiels näher erläu- tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Pumpanordnung mit einem erfindungsgemäßen Einschaufelrad im Querschnitt

Fig. 2 eine Detailansicht des Einschaufelrades im Pumpengehäuse gemäß der Fig. 1

Fig. 3a, 3b isometrische Ansichten des Laufradkörpers und des Stützkörpers Fig. 4 das Einschaufelrad in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse

Die Fig. 1 zeigt eine Pumpanordnung mit einer Pumpe 1 mit einem Antriebsmotor 2 und einem Einschaufelrad 3, wobei das Einschaufelrad 3 innerhalb eines Pumpengehäuses 4 angeordnet ist. Das Einschaufelrad 3 ist über eine um eine Rotationsachse A dre hende Laufradwelle 5 an einer Motorwelle 6 des Antriebsmotors 2 befestigt. Laufrad welle 5 und Motorwelle 6 sind in der gezeigten Darstellung einstückig ausgebildet. Alter nativ können Laufradwelle 5 und Motorwelle 6 über Kupplungselemente miteinander verbunden sein.

Als Befestigung des Einschaufelrades 3 an der Laufradwelle 5 ist eine Schraubverbin dung vorgesehen, die Drehmomentübertragung erfolgt über eine Passfeder. Darüber hinaus ist die Motorwelle 6 über Wälzlager 7 gelagert und gegenüber dem Einschaufel- rad 3 mit Dichtungen 8 abgedichtet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Pumpanordnung an einem Behälter 9 angeordnet, der in einem Bereich 10 das Pum pengehäuse 4 bildet. Das Einschaufelrad 3 kann jedoch auch bei den üblichen nass- oder trockenaufgestellten Pumpanordnungen, die in vertikaler oder horizontaler Aus richtung angeordnet sind, verwendet werden. Dabei weist die Pumpe der Pumpanord- nung ein eigenes Pumpengehäuse 4 auf. Das Einschaufelrad befördert eine mit festen Beimengungen durchsetzte Flüssigkeit durch das Pumpengehäuse 4. Hierzu weist das Einschaufelrad 3 eine stirnseitige Öff nung auf, über die die Flüssigkeit in Richtung der Rotationsachse A einströmt. Die Flüs sigkeit verlässt das Einschaufelrad 3 in einer im Wesentlichen radialen Richtung durch eine mit dem Pumpengehäuse 4 in Verbindung stehenden Leitung.

Die genaue Ausgestaltung des Einschaufelrades wird insbesondere anhand der Fig. 2 deutlich. Das Einschaufelrad besteht aus einem Laufradkörper 11 und einem Stützkör per 12. Beide Körper sind insbesondere in den Figuren 3a und 3b in einer Gesamtan sicht dargestellt. Der Laufradkörper 11 weist eine Schaufel 13 auf, die zwischen einer ersten, hier unteren saugseitigen Deckscheibe 14 und einer zweiten, hier oberen druck seitigen Deckscheibe 15 angeordnet ist. Der Stützkörper 12 weist eine Basisplatte 16 auf, wobei ein erster Mitnehmer 17 und ein zweiter Mitnehmer 18 im Wesentlichen senkrecht von der Basisplatte 16 ausgehen. Die Mitnehmer 17,18 erstrecken sich in die Wandung der Schaufel 13 hinein, wobei die Basisplatte 16 zumindest abschnittsweise in der druckseitigen Deckscheibe 15 angeordnet ist.

Der Stützkörper 12 ist einstückig aus einem Material gefertigt, das eine gegenüber dem Laufradkörper 11 erhöhte Dichte aufweist. Das Dichteverhältnis beträgt zumindest 2:1 . Zur Realisierung eines solchen Dichteverhältnisses ist der Stützkörper 12 aus einem gegossenen Eisenwerkstoff und der Laufradkörper 11 aus einem Polymer gebildet, wo bei das Polymer bei Bedarf einen Anteil von keramischen Partikeln aufweist.

Aus der Fig. 3b ist ferner ersichtlich, dass die Basisplatte 16 des Stützkörpers asymmet risch ausgebildet ist. Hierdurch kann die Unwucht des Laufradkörpers 11 zu einem ge wissen Maße ausgeglichen werden. Diese Unwucht ist bedingt durch die ungleichmä ßige Massenverteilung der Schaufel 13, die insbesondere eine sich über ihre Erstre ckung veränderliche Wandstärke aufweist. Zum Ausgleich der Unwucht weist die Basis platte 16 über einen kreissegmentartigen Abschnitt eine Verdickung 19 und auf der ge genüberliegenden Seite eine Ausnehmung 20 auf. Diese Ausnehmung 20 durchdringt in dem gezeigten Beispiel die Grundplatte nicht ganz, wobei die Erfindung auch Ausge staltungen umfasst, bei die Ausnehmung in Form einer Öffnung ausgebildet ist. Darüber hinaus erstrecken sich sowohl die Ausnehmung als auch die Verdickung als Kreisseg ment über einen betragsmäßig gleichen Umfang der Basisplatte 16. Allerdings können sich in diesem Zusammenhang die Verdickung 19 und die Ausnehmung 20 sowohl in Umfangs- als auch in Rotationsrichtung A betragsmäßig voneinander unterscheiden. Auch ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass die Basisplatte 16 lediglich Ver dickungen 19 oder Ausnehmungen 20 aufweist. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausgestaltung, bei der die Basisplatte 16 zumindest eine Verdickung 19 und zumindest eine Ausnehmung 20 aufweist. Auch die Mitnehmer 17,18 leisten einen Beitrag zum Ausgleich der Unwucht. Der Fig. 4 kann diesbezüglich entnommen werden, dass diese sich in Bereiche der Schaufel 13 hineinerstrecken, die eine vergleichsweise geringe Wandstärke aufweisen. Somit wird die Masse in diesen Bereichen erhöht und an die übrigen Bereiche angeglichen. Die Masse des ersten Mitnehmers 17 kann im Bedarfsfall von der Masse des zweiten Mit- nehmers 18 abweichen.

Claims

Patentansprüche Einschaufelrad

1. Einschaufelrad (3) für Pumpen zur Förderung von mit festen Beimengungen durchsetzten Flüssigkeiten mit einem Laufradkörper (11), wobei in dem Lauf radkörper (11) zwischen einer ersten Deckscheibe (14) und einer zweiten Deck scheibe (15) eine Schaufel (13) angeordnet ist, wobei sich die Stärke einer Wandung der Schaufel (13) über deren Erstreckung verändert und wobei zwi schen der Schaufel (13) und den Deckscheiben (14, 15) ein Kanal gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stützkörper (12) zumindest abschnittsweise in dem Laufradkörper (11) an geordnet ist, der eine gegenüber dem Laufradkörper (11) erhöhte Dichte auf weist.

2. Einschaufelrad (3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ver hältnis der Dichte zwischen dem Laufradkörper (11) und dem Stützkörper (12) zumindest 1:2, vorzugsweise 1:3, beträgt.

3. Einschaufelrad (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufradkörper (11) eine Dichte zwischen 2 und 3 g/cm³, vorzugsweise zwischen 2,2 und 2,8 g/cm³, aufweist.

4. Einschaufelrad (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (12) eine Dichte zwischen 6 und 9 g/cm³, vorzugsweise zwischen 7 und 8 g/cm³, aufweist.

5. Einschaufelrad (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (12) eine Basisplatte (16) und zumindest einen von der Basisplatte (16) vorspringenden Mitnehmer (17,18) aufweist.

6. Einschaufelrad (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis platte (16) zumindest abschnittsweise in der zweiten Deckscheibe (15) ange ordnet ist und sich der wenigstens eine Mitnehmer (17,18) in die Wandung der Schaufel (13) hineinerstreckt.

7. Einschaufelrad (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (11 ) derart ausgebildet sind, dass er die Unwucht des Laufradkörpers (12) zumindest zu 60 % ausgleicht.

8. Einschaufelrad (3) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine Mitnehmer (17,18) über zumindest 60%, vorzugsweise über zumindest 70% einer in vertikaler Richtung verlaufenden Höhe der Schau fel (13) erstreckt.

9. Verwendung eines Einschaufelrades (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, zur Förderung von mit festen Bei mengungen durchsetzten Flüssigkeiten.

10. Kreiselpumpe mit einem Antriebsmotor (1) und einem Pumpengehäuse (4), wo bei ein Einschaufelrad (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 innerhalb des Pumpengehäuses (4) angeordnet und über eine Laufradwelle (5) mit einer Mo torwelle (6) des Antriebsmotors (1) verbunden ist.