WO2023001699A1 - Schaufelanordnung mit mikroschaufeln - Google Patents

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WO2023001699A1
WO2023001699A1 PCT/EP2022/069793 EP2022069793W WO2023001699A1 WO 2023001699 A1 WO2023001699 A1 WO 2023001699A1 EP 2022069793 W EP2022069793 W EP 2022069793W WO 2023001699 A1 WO2023001699 A1 WO 2023001699A1
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WO
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segments
centrifugal pump
pump according
carrier unit
ring sections
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/069793
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English (en)
French (fr)
Inventor
Boris JANJIC
Sebastian Lang
Original Assignee
KSB SE & Co. KGaA
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Publication date
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Priority to US18/580,238 priority patent/US20240328428A1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/24—Vanes
    • F04D29/242—Geometry, shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/2205—Conventional flow pattern
    • F04D29/2222—Construction and assembly

Definitions

  • the invention relates to a centrifugal pump with a blade arrangement, the blade arrangement having a support unit on which the blades are arranged.
  • a central component of a centrifugal pump is the impeller, which transmits the mechanical energy as an impulse to the fluid to be pumped.
  • the shape of the impeller determines how the flow exits the pump.
  • the impeller blades are connected to one disc on each side.
  • the impellers can be divided into different impeller shapes.
  • Centrifugal pumps often also have control devices.
  • Guide devices usually have guide vanes and form guide channels for the conveying medium between two guide vanes.
  • Such guide devices can be designed as guide wheels.
  • Pumped medium escaping from the impeller enters the guide device. In the Leitein direction, kinetic energy is converted into pressure energy. Furthermore, a deflection of the medium takes place. If necessary, the swirl is reduced for an inflow into a following impeller.
  • the blades of a centrifugal pump are connected to the impeller in a fixed or adjustable manner and are the most important component for transferring mechanical power into flow rate or for converting speed and pressure energy.
  • the vane is bounded in flow direction by the leading edge, also known as the suction edge, and the trailing edge, commonly known as the pressure edge, transverse to the flow direction on the inside by the hub or inner shroud and on the outside by the pump casing or outer shroud.
  • the blade surfaces represent flow surfaces that are composed of streamlines that are infinitely close together.
  • the velocity triangles on a streamline at the blade inlet and outlet determine the shape of the blades, taking into account the blade thickness.
  • the course of the blade center line between the blade inlet and outlet is called the mean line. It is very often described by an arc of a circle, but also by an arc of a parabola, an S-curve, and other analytical curves.
  • the blade inlet is designed as a shock-free inlet with a swirl-free inflow.
  • the vane angle at the outlet depends e.g. more or less steep from the head to be realized. In the case of blades of radial impellers, it is usually less than 90°. In this case, the blade is referred to as backward curved.
  • a blade angle of 90° denotes the radially ending blade and a blade angle greater than 90° denotes the forward curved blade.
  • the minimum blade thickness for cast iron is about 3 mm, for cast steel 4 mm and in special cases such as inserted or welded sheet metal blades thinner blade thicknesses can also be implemented.
  • DE 102015212203 A1 describes an impeller for a centrifugal pump, the blades of which are arranged in the form of bundles. This achieves an increase in the conveying capacity while at the same time ensuring a large ball passage.
  • DE 102015213451 A1 describes profile shapes that result from the superimposition of a characteristic skeleton line with a negative blade entrance angle together with a thickness distribution or a profile drop. This achieves an evenly distributed load on the blade flanks.
  • DE 102011 007907 B3 also describes a blade contour which, due to its contour, is subjected to a uniform load. This is achieved by a strongly curved blade contour that starts at an angle of less than 0°.
  • the object of the invention is to specify a centrifugal pump with an optimized flow guide.
  • the impeller should be able to be designed individually and customer-oriented.
  • the impeller should also be able to be realized simply and inexpensively.
  • the impeller should be as simple as possible to assemble and easily recyclable after use.
  • the blades are subdivided into segments and the carrier unit is divided into radially adjoining ring sections.
  • the segments in the ring sections are offset from one another.
  • the segments can be designed in the form of micro-blades.
  • a blade arrangement is understood to mean an arrangement for energy transmission or for energy conversion in turbomachines such as a centrifugal pump.
  • a blade arrangement can be designed as a guide device and/or as an impeller.
  • Such a guide device and/or such an impeller is divided into radially adjoining ring sections, wherein cut segments are arranged on the ring sections. These segments are ideally designed as micro blades.
  • the segments are offset from one another.
  • the segments are arranged offset from one another in the circumferential direction, so that the fluid to be conveyed flows radially from segment to segment and experiences a pulse transmission in the process.
  • the segmented blades are only interrupted by gaps.
  • the segments can be distributed very differently, in particular arranged symmetrically or asymmetrically, with the same length and curvature or with a completely individual design.
  • a carrier unit is divided into more than two, preferably more than three, in particular more than four, ring sections and/or fewer than ten, preferably less than eight, in particular fewer than six, ring sections.
  • the optimum arrangement of the segments which are preferably formed on a carrier unit by a generative process, can easily be implemented with computer support.
  • the annulus width designed the same or differently for all ring sections, depending on the individual optimization of the pump hydraulics.
  • the annular width is more than 5%, preferably more than 10%, in particular more than 15%, and/or less than 45%, preferably less than 40%, in particular less than 30%, of the carrier unit radius.
  • the segments can be ideally positioned and designed using ring sections.
  • the segments are preferably arranged within a ring section.
  • the segments can extend over the entire width of a ring section or be arranged within a ring section at a distance from the delimiting circular rings.
  • the segments can also extend over at least two ring sections in an overlapping manner. Depending on the size or length of a segment, the segment length extends up to 50% over two ring sections.
  • the segments are designed as central segments and/or suction edge segments and/or pressure edge segments, depending on their arrangement on the ring sections.
  • the shape of the segments, the angle of curvature, the length, the height and the thickness can be individually adapted to the load situation determined in each case.
  • the segments can be individually designed depending on the assignment of a ring section. It is also conceivable that each individual segment is individually adapted and optimized to the flow situation.
  • the segments on the carrier unit are preferably aligned in the meridian direction.
  • the segments can be arranged in a row and/or offset from one another.
  • the segments have a rectilinear shape and/or a radial shape outward curved shape. All segments can have the same curvature, or have the same curvature within a ring section, be designed in the same orientation within a ring section, or be configured very differently depending on the individual design of the pump hydraulics.
  • the segments are designed as micro blades.
  • the segments have a length of more than 5%, preferably more than 10%, in particular more than 15%, and/or a length of less than 50%, preferably less than 45%, in particular less than 35%, of the carrier unit radius. Due to the short design, the segments ideally achieve the shape of micro-blades.
  • the carrier unit preferably has more than 10, preferably more than 15, in particular more than 20 segments.
  • generatively produced segments are applied to a conventionally manufactured carrier unit of a blade arrangement.
  • This can be an open impeller.
  • a closed impeller according to the invention is also conceivable.
  • the carrier unit with the segments arranged thereon has a cover plate.
  • the blade arrangement with the segments can also be designed as a guide device, preferably as a guide wheel.
  • the carrier unit is preferably formed in one piece with the segments and/or, in the case of a closed blade arrangement, with the cover disk.
  • the carrier unit and/or the cover disc can be conventional, for example, as cast parts be made.
  • the segments can be applied to the carrier unit by means of a generative process, as a result of which a one-piece component of a centrifugal pump is produced.
  • the blade arrangement can also be produced completely as a cast part.
  • the blade arrangement can be manufactured using an integrative manufacturing unit using an innovative method.
  • the carrier unit and/or the cover disk is manufactured conventionally by a primary forming and/or machining process.
  • the optimal design and arrangement of the blades in the form of small segments, especially micro-blades is determined with the aid of a computer-aided simulation.
  • the result of the simulation is a 3D CAD data set of the blade arrangement, whereby the integrative manufacturing unit arranges the segments on the carrier unit precisely through generative training.
  • the term generative training includes all manufacturing processes in which material is applied layer by layer and thus three-dimensional components are created.
  • the layered structure is computer-controlled and consists of one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes. During construction, physical or chemical flattening or melting processes take place.
  • Typical materials for 3D printing are plastics, synthetic resins, ceramics, metals, carbon and graphite materials.
  • Additive manufacturing processes are processes in which material is applied layer by layer to create a three-dimensional component.
  • the segments are generatively manufactured.
  • selective laser melting and cladding also known as build-up welding, are used to form the segments.
  • cold gas spraying and extrusion in combination with the application of meltable plastic can also be used.
  • generatively generated segments are particularly filigree and thin-walled dig. Fine segments, flow-optimized using CFD, transmit the impulse to the fluid almost loss-free and particularly efficiently.
  • the complex structure of the segments prevents the formation of vortices and flow separation and is characterized by a low component mass.
  • the segments are produced using a process in which a layer of construction material is first applied to a substrate.
  • the structural material for producing the segments is preferably metallic powder particles.
  • iron-containing and/or cobalt-containing powder particles are used for this purpose. These can contain additives such as chromium, molybdenum or nickel.
  • the metallic structural material is applied in powder form in a thin layer to a plate. Then the pulverulent material is continuously melted locally by means of radiation at the desired locations and a solid layer of material is formed after solidification. The base is then lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again. This cycle is repeated until all layers are melted and the finished segments are formed.
  • blade contours are produced that are particularly filigree and flow-optimized.
  • a laser beam for example, can be used as radiation, which generates the segments from the individual powder layers.
  • the data for guiding the laser beam are generated on the basis of a 3D CAD body using software.
  • an electron beam EBN can also be used.
  • the segments are made using a process that coats a base structure by welding.
  • Build-up welding uses a welding filler material in the form of a wire or powder to build up a volume that creates a particularly filigree and flow-optimized shape for the segments.
  • the carrier and/or cover disk can be produced by means of archetypes, forming or a subtractive manufacturing process.
  • Archetypes are a major group of manufacturing processes that produce a solid body with a geometrically defined shape from a shapeless material. Primitive Forming is used to create the initial form of a solid body and to create the cohesion of matter.
  • the cover disk is preferably produced from a cast material.
  • a segment is generated in a flow-optimized manner and multiplied according to the optimal pump hydraulics arranged on the carrier unit.
  • the invention is not limited to single-stage centrifugal pumps, but also extends in particular to multi-stage centrifugal pumps.
  • the impeller according to the invention or the guide device according to the invention is characterized as being particularly flexible, since segments arranged in an individually optimized manner for each pump stage can be formed on each conventionally manufactured carrier unit.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a centrifugal pump with a spherical housing
  • Fig. 2 is a plan view of a blade arrangement with a support unit and segments
  • Fig. 3 cuts a plan view of a blade arrangement with different Ringab and segments
  • FIG. 4 shows a plan view of a blade arrangement with ring sections overlapping on ordered segments
  • FIG. 5 shows a plan view of a blade arrangement with radially curved segments
  • FIG. 6 shows a plan view of a blade arrangement with radially curved segments of different lengths
  • FIG. 7 shows a plan view of an impeller and a guide device with segments.
  • Fig. 1 shows an example of a sectional view through a centrifugal pump with ball housing 14.
  • the medium flows into the centrifugal pump via the suction mouth 11, is subjected to movement energy by an impeller 15, which is non-rotatably connected to the shaft 12, and leaves the pump housing via the pressure port 13.
  • the bearing bracket cover 10 closes the pump chamber in the direction of the drive.
  • the impeller 15 has a support unit 1 which is fitted with blades.
  • the carrier unit 1 is formed in one piece with the blades and the cover plate 17 and is designed as a closed impeller 15 .
  • a guide device 18 is positioned around the impeller 15, which catches the discharge of the impeller 15 and converts the kinetic energy into pressure energy.
  • Fig. 2 shows the carrier unit 1 of a blade arrangement in the form of an impeller for a centrifugal pump with the carrier unit radius 5.
  • the carrier unit 1 is divided into three ring sections 2, each of which is directly adjacent to one another. All ring sections 2 have the same annulus width 4.
  • straight line segments 3 are arranged, which are arranged offset from ring section to ring section 2 zuei nander.
  • the contour of the segments 3 is adapted to the positioning on the ring sections 2 . So the segment 3 is cut on the innermost Ringab 2 as a suction edge segment 6, the segment 3 on the middle ring portion 2 as a middle edge segment 7 and the segment 3 on the outer ring portion 2 as a pressure edge segment 8 is formed.
  • Fig. 3 shows a carrier unit 1 of a blade assembly in the form of an impeller for centrifugal pumps with ring sections 2, which have a different annular width 4 on.
  • the segments 3 are arranged centrally within the ring sections 2 , the length of the segments 3 being adapted to the respective ring width 4 .
  • the seg elements 3 are offset depending on their position on a ring section 2 zueinan arranged.
  • FIG. 4 shows a carrier unit 1 with ring sections 2 of the same circular ring width 4.
  • the segments 3 are arranged both within a ring section 2 and ring section overlapping.
  • the segments 3 are positioned on the carrier unit 1 both offset to one another and in a line with interruptions.
  • FIG. 5 shows a carrier unit 1 with radially curved segments 3.
  • the segments 3 are arranged within a ring section 2, the distances to the circular rings of the ring section 2 being the same for all segments 3.
  • the seg elements 3 are arranged on the carrier unit 1 in the meridian direction.
  • FIG. 6 shows a carrier unit 1 with radially curved segments 3 which partially overlap the ring sections 2.
  • FIG. The curvature of the segments 3 is individually adapted to the respective ring section 2 .
  • Fig. 7 shows a plan view of an impeller 15 and a guide device 18. Both the impeller 15 and the guide device 18 have a carrier unit 1, which is divided into ring sections 2 and on the radially curved segments 3 are net angeord.
  • the segments 3 are arranged within a ring section 2, wherein the distances to the circular ring ends of the ring section 2 are formed for all segments 3 from the same.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einer Schaufelanordnung. Die Schaufelanordnung weist eine Trägereinheit (1) auf, auf der Schaufeln angeordnet sind, die in Segmente (3) untergliedert sind. Die Trägereinheit (1) ist in radial aneinander angrenzende Ringabschnitte (2) aufgeteilt. Die Segmente (3) in den Ringabschnitten (2) sind versetzt zueinander angeordnet.

Description

Beschreibung
Schaufelanordnung mit Mikroschaufeln
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einer Schaufelanordnung, wobei die Schau felanordnung eine Trägereinheit aufweist, auf der Schaufeln angeordnet sind.
Ein zentrales Bauteil einer Kreiselpumpe ist das Laufrad, das die mechanische Energie als Impuls an das zu fördernde Fluid überträgt. Die Laufradform bestimmt, wie die Strö mung aus der Pumpe austritt. Hinsichtlich der Bauform des Laufrades werden geschlos sene, halboffene und offene Formen unterschieden bzw. Formen mit einer und ohne eine Deck- und Tragscheibe. Bei einem geschlossenen Laufrad wird die Laufradschau fel auf beiden Seiten mit je einer Scheibe verbunden. Nach dem Verlauf der Flusslinien im Laufrad kann die Einteilung der Laufräder in verschiedene Laufradformen erfolgen. Man unterscheidet Radialrad, Halbaxialrad, Axialrad und Peripheralrad.
Oft verfügen Kreiselpumpen auch über Leiteinrichtungen. Leiteinrichtungen weisen meist Leitschaufeln auf und bilden zwischen zwei Leitschaufeln Leitkanäle für das För dermedium aus. Solche Leiteinrichtungen können als Leiträder ausgeführt sein. Aus dem Laufrad austretendes Fördermedium tritt in die Leiteinrichtung ein. In der Leitein richtung wird kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt. Weiterhin findet eine Umlenkung des Mediums statt. Der Drall wird gegebenenfalls für eine Zuströmung in ein folgendes Laufrad reduziert.
Die Schaufeln einer Kreiselpumpe sind fest oder einstellbar mit dem Laufrad verbunden und das wichtigste Bauelement zur Übertragung mechanischer Leistung in Förderleis tung bzw. zur Umsetzung von Geschwindigkeits- und Druckenergie. Die Schaufel wird in Strömungsrichtung durch die Eintrittskante, die auch als Saugkante bezeichnet wird, und die Austrittskante, die üblicherweise als Druckkante benannt wird, quer zur Strömungsrichtung innen durch die Nabe oder durch die innere Deckscheibe und außen durch das Pumpengehäuse oder die äußere Deckscheibe begrenzt.
Da keine Normalkomponenten der Relativgeschwindigkeit bei Laufrädern senkrecht zur Schaufel auftreten können, stellen die Schaufeloberflächen Stromflächen dar, die sich aus unendlich nah benachbarten Stromlinien zusammensetzen.
Die Geschwindigkeitsdreiecke auf einer Stromlinie am Schaufelein- und -austritt legen die Form der Schaufeln unter Berücksichtigung der Schaufeldicke schon wesentlich fest. Der Verlauf der Schaufelmittellinie zwischen dem Schaufelein- und -austritt wird als Skelettlinie bezeichnet. Sie wird sehr oft durch einen Kreisbogen, aber auch durch ei nen Parabelbogen, einen S-Schlag und andere analytische Kurven beschrieben.
Im Allgemeinen wird der Schaufeleintritt als stoßfreier Eintritt bei drallfreier Zuströmung ausgeführt. Der Schaufelwinkel am Austritt ist abhängig u. a. von der zu verwirklichen den Förderhöhe mehr oder weniger steil. Bei Schaufeln radialer Laufräder ist er im Re gelfall kleiner als 90°. Die Schaufel wird in diesem Fall als rückwärts gekrümmt bezeich net. Ein Schaufelwinkel von 90° kennzeichnet die radial endende Schaufel und ein Schaufelwinkel größer als 90° die vorwärts gekrümmte Schaufel.
Die minimale Schaufelstärke bei Gusseisen beträgt etwa 3 mm, bei Stahlguss 4 mm und in Sonderfällen wie bei eingesetzten oder angeschweißten Blechschaufeln sind auch dünnere Schaufelstärken zu realisieren.
Die Gestaltung der Schaufeln und der Schaufelform ist ein Gegenstand fortwährender Entwicklungstätigkeit. So beschreibt die DE 102015212203 A1 ein Laufrad für eine Kreiselpumpe, dessen Schaufeln in Form von Bündeln angeordnet sind. Dadurch wird eine Steigerung der Förderleistung bei gleichzeitiger Gewährleistung eines großen Ku geldurchgangs erzielt. Die DE 102015213451 A1 beschreibt Profilformen, die sich durch die Überlagerung einer charakteristischen Skelettlinie mit negativem Schaufel-Eintrittswinkel gemeinsam mit einer Dickenverteilung oder einem Profiltropfen ergeben. Dadurch wird eine gleich verteilte Belastung der Schaufelflanken erzielt.
Auch die DE 102011 007907 B3 beschreibt eine Schaufelkontur, die aufgrund ihrer Kontur eine gleichmäßige Belastung erfährt. Dies wird durch eine stark gekrümmte Schaufelkontur erreicht, die bei einem Winkel kleiner 0 ° beginnt.
Die aufgezeigten Beispiele lösen allgemein Problemfelder bisheriger Laufräder für Krei selpumpen. Solche Entwicklungen sind zunächst teuer und erreichen erst mit der Reali sierung großer Stückzahlen den gewünschten Rentabilitätsbereich. Eine Lösung für in dividuelle Anwendungsfälle, insbesondere eine Optimierung individueller Pumpen hydrauliken, ist im Großserienmaßstab nur schwer vorstellbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe mit einer optimierten Strömungsfüh rung anzugeben. Dabei soll das Laufrad individuell und kundenorientiert gestaltbar sein. Das Laufrad soll zudem einfach und kostengünstig realisiert werden können. Des Wei teren soll das Laufrad möglichst einfach zu montieren und nach seiner Verwendung gut recycelbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit einer Schaufelan ordnung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß sind die Schaufeln in Segmente untergliedert und die Trägereinheit ist in radial aneinander angrenzende Ringabschnitte aufgeteilt. Hierbei sind die Seg mente in den Ringabschnitten versetzt zueinander angeordnet. So können die Seg mente erfindungsgemäß in Form von Mikroschaufeln ausgebildet sein. Durch das Erset zen von wenigen Makroschaufeln durch eine Vielzahl kleiner Mikroschaufeln in Kombi- nation mit der Ausbildung der Mikroschaufeln vorzugsweise durch ein generatives Ver fahren auf konventionell gefertigten Trägereinheiten von Laufrädern bzw. Leiteinrichtun gen ist es möglich, eine Schaufelanordnung mit einer individuell angepassten Pumpen hydraulik effizient und ökonomisch zu realisieren.
Ganz allgemein wird unter einer Schaufelanordnung eine Anordnung zur Energieüber tragung bzw. zur Energieumwandlung in Strömungsmaschinen wie einer Kreiselpumpe verstanden. Insofern kann eine Schaufelanordnung als eine Leiteinrichtung und/oder als ein Laufrad ausgebildet sein. Eine solche Leiteinrichtung und/oder ein solches Laufrad ist in radial aneinander angrenzende Ringabschnitte aufgeteilt, wobei auf den Ringab schnitten Segmente angeordnet sind. Diese Segmente sind idealerweise als Mikro schaufeln ausgebildet.
Gemäß der Erfindung sind die Segmente versetzt zueinander angeordnet. In einer vor teilhaften Variante der Erfindung sind die Segmente dabei in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet, so dass das zu fördernde Fluid radial von Segment zu Seg ment strömt und dabei eine Impulsübertragung erfährt.
In einer alternativen Variante der Erfindung sind die segmentierten Schaufeln lediglich durch Lücken unterbrochen. Je nach Ergebnis einer rechnergestützten Strömungsopti mierung können die Segmente ganz unterschiedlich verteilt sein, insbesondere sym metrisch oder unsymmetrisch angeordnet sein, in ihrer Länge und Krümmung gleich o- der ganz individuell ausgebildet sein.
Zur besseren Strukturierung ist eine Trägereinheit in mehr als zwei, vorzugsweise mehr als drei, insbesondere mehr als vier, Ringabschnitte und/oder weniger als zehn, vor zugsweise weniger als acht, insbesondere weniger als sechs, Ringabschnitte aufgeteilt.
Durch die Unterteilung der Trägereinheit in Ringabschnitte ist die optimale Anordnung der Segmente, die vorzugsweise durch ein generatives Verfahren auf einer Trägerein heit ausgebildet werden, rechnergestützt gut umsetzbar. Hierfür ist die Kreisringbreite für alle Ringabschnitte gleich oder unterschiedlich ausgebildet, je nach individueller Op timierung der Pumpenhydraulik.
Erfindungsgemäß beträgt die Kreisringbreite mehr als 5 %, vorzugsweise mehr als 10 %, insbesondere mehr als 15 %, und/oder weniger als 45 %, vorzugweise weniger als 40 %, insbesondere weniger als 30 %, des Trägereinheitenradius. Dadurch lassen sich in Abhängigkeit der Laufrad- bzw. Leiteinrichtungsgröße und der individuellen Aus legung der Pumpenhydraulik die Segmente mittels Ringabschnitten ideal positionieren und ausgestalten.
Vorzugweise sind die Segmente innerhalb eines Ringabschnitts angeordnet. Dabei kön nen sich die Segmente über die ganze Kreisringbreite eines Ringabschnitts erstrecken oder innerhalb eines Ringabschnitts mit Abstand zu den begrenzenden Kreisringen an geordnet sein.
Alternativ können sich die Segmente auch über mindestens zwei Ringabschnitte über lappend erstrecken. In Abhängigkeit von der Größe bzw. Länge eines Segments er streckt sich die Segmentlänge bis zu 50 % über jeweils zwei Ringabschnitte.
Gemäß der Erfindung sind die Segmente in Abhängigkeit ihrer Anordnung auf den Ringabschnitten als Mittelsegmente und/oder Saugkantensegmente und/oder Druck- kanten-segmente ausgebildet. Insbesondere die Form der Segmente, der Krümmungs winkel, die Länge, die Höhe und die Dicke können individuell an die jeweils ermittelte Belastungssituation angepasst sein. Idealerweise können die Segmente je nach Zuord nung eines Ringabschnitts ganz individuell ausgebildet sein. Weiterhin ist denkbar, dass jedes einzelne Segment individuell an die Strömungssituation adaptiert und optimiert ausgebildet ist.
Vorzugsweise sind die Segmente auf der Trägereinheit in Meridianrichtung ausgerich tet. Dabei können die Segmente in einer Reihe und/oder versetzt zueinander angeord net sein. Idealerweise weisen die Segmente eine geradlinige Form und/oder eine radial nach außen gekrümmte Form auf. Dabei können alle Segmente eine gleiche Krüm mung aufweisen, oder eine gleiche Krümmung innerhalb eines Ringabschnitts aufwei sen, in der gleichen Ausrichtung innerhalb eines Ringabschnitts ausgebildet sein oder je nach individueller Auslegung der Pumpenhydraulik ganz unterschiedlich ausgestaltet sein.
In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung sind die Segmente als Mikro schaufeln ausgebildet. Dadurch lässt sich die Impulsübertragung auf das Fluid und die Übertragung mechanischer Leistung besonders effizient ausführen.
Erfindungsgemäß weisen die Segmente eine Länge von mehr als 5 %, vorzugsweise von mehr als 10 %, insbesondere von mehr als 15 %, und/oder eine Länge von weniger als 50 %, vorzugsweise weniger als 45 %, insbesondere weniger als 35 %, des Trä gereinheitenradius auf. Durch die kurze Ausführung erreichen die Segmente die Gestalt von Mikroschaufeln besonders ideal.
Vorzugsweise weist die Trägereinheit mehr als 10, vorzugsweise mehr als 15, insbe sondere mehr als 20, Segmente auf. Durch das Ersetzen von wenigen Makroschaufeln durch eine Vielzahl kleiner Mikroschaufeln, die individuell an die jeweilige Pumpenhyd raulik angepasst sind, kann eine besonders optimierte Kreiselpumpe für den jeweiligen Anwendungsfall gestaltet werden.
Erfindungsgemäß werden generativ erzeugte Segmente auf eine konventionell gefer tigte Trägereinheit einer Schaufelanordnung aufgebracht. Dabei kann es sich um ein of fenes Laufrad handeln. Ebenso ist ein geschlossenes Laufrad gemäß der Erfindung vorstellbar. Dabei weist die Trägereinheit mit den darauf angeordneten Segmenten eine Deckscheibe auf. Darüber hinaus kann die Schaufelanordnung mit den Segmenten auch als Leiteinrichtung, vorzugsweise als Leitrad, ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist die Trägereinheit mit den Segmenten und/oder im Falle einer ge schlossenen Schaufelanordnung mit der Deckscheibe einstückig ausgebildet. Die Trä gereinheit und/oder die Deckscheibe können beispielsweise als Gussteile konventionell gefertigt sein. Durch ein generatives Verfahren können die Segmente auf der Trägerein heit aufgebracht werden, wodurch ein einstückiges Bauteil einer Kreiselpumpe erzeugt wird. In einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung kann die Schaufelanord nung auch komplett als Gussteil erzeugt werden.
Gemäß der Erfindung kann die Schaufelanordnung mittels einer integrativen Ferti gungseinheit in einem innovativen Verfahren gefertigt werden. Dabei wird die Trägerein heit und/oder die Deckscheibe konventionell durch ein urformendes und/oder zerspa nendes Verfahren gefertigt. In Abhängigkeit des Anwendungsfalles und der hydrauli schen Anforderungen wird mithilfe einer rechnergestützten Simulation die optimale Aus bildung sowie Anordnung der Schaufeln in Form kleiner Segmente, insbesondere von Mikroschaufeln, ermittelt. Das Ergebnis der Simulation ist ein 3D-CAD Datensatz der Schaufelanordnung, wodurch die integrative Fertigungseinheit die Segmente auf der Trägereinheit exakt durch generative Ausbildung anordnet.
Die Bezeichnung generative Ausbildung umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird und somit dreidimensionale Bauteile er zeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem o- der mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und For men. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Flärtungs- oder Schmelzpro zesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Ke ramiken, Metalle, Carbon- und Graphitmaterialien.
Unter generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren versteht man Verfahren, bei de nen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um ein dreidimensionales Bauteil zu erzeugen. Gemäß der Erfindung sind die Segmente generativ gefertigt ausgebildet. Für die Ausbildung der Segmente werden insbesondere das selektive Laserschmelzen und das Cladding, auch bekannt als Auftragsschweißen, angewandt. In einer alternativen Variante der Erfindung ist auch das Kaltgasspritzen und das Extrudieren in Kombination mit dem Aufträgen von schmelzfähigem Kunststoff ein anwendbares Verfahren. Vorteilhafterweise sind generativ erzeugte Segmente besonders filigran und dünnwan dig ausgebildet. Feine, mittels CFD strömungsoptimierte Segmente übertragen den Im puls auf das Fluid nahezu verlustfrei und besonders effizient. Die komplexe Struktur der Segmente verhindert Wirbelbildungen sowie Strömungsablösungen und zeichnet sich dabei durch eine geringe Bauteilmasse aus.
Beim selektiven Laserschmelzen werden die Segmente nach einem Verfahren herge stellt, bei dem zunächst eine Schicht eines Aufbaumaterials auf eine Unterlage aufge bracht wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial zur Herstellung der Segmente um metallische Pulverteilchen. Bei einer Variante der Erfindung werden dazu eisenhaltige und/oder kobalthaltige Pulverpartikel eingesetzt. Diese können Zusätze wie Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten. Der metallische Aufbauwerkstoff wird in Pul verform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Dann wird der pulverför mige Werkstoff mittels einer Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal voll ständig aufgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstarrung eine feste Material schicht. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten aufgeschmolzen und die fertigen Segmente entstanden sind. Erfindungsge mäß werden dabei Schaufelkonturen erzeugt, die besonders filigran und strömungsopti miert ausgebildet sind.
Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher die Segmente aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des La serstrahls werden auf der Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software er zeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBN) zum Einsatz kommen.
Beim Auftragsschweißen oder Cladding werden die Segmente nach einem Verfahren hergestellt, das eine Grundstruktur durch Schweißen beschichtet. Das Auftragsschwei ßen baut dabei durch einen Schweißzusatzwerkstoff in Form von einem Draht oder ei nem Pulver ein Volumen auf, das eine besonders filigrane und strömungsoptimierte Form der Segmente realisiert. Die Trag- und/oder Deckscheibe kann mittels Urformen, Umformen oder einem subtrak- tiven Fertigungsverfahren erzeugt werden. Das Urformen ist eine Hauptgruppe von Fer tigungsverfahren, bei denen aus einem formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, der eine geometrisch definierte Form hat. Urformen wird genutzt, um die Erstform eines festen Körpers herzustellen und den Stoffzusammenhalt zu schaffen. Beim Um formen werden Rohteile aus plastisch verformbaren Werkstoffen gezielt in eine andere Form gebracht, ohne dabei Material von den Rohteilen zu entfernen. Bei subtraktiven Fertigungsverfahren wird vom Werkstück etwas abgetrennt. Neben dem erzeugten Bau teil entstehen dabei vorwiegend Späne. Vorzugsweise wird die Deckscheibe aus einem Gusswerkstoff erzeugt.
In einer besonders bevorzugten Variante wird ein Segment strömungsoptimiert erzeugt und vervielfacht gemäß der optimalen Pumpenhydraulik auf der Trägereinheit angeord net.
Die Erfindung beschränkt sich trotz der bisherigen Beschreibung nicht auf einstufige Kreiselpumpen, sondern erstreckt sich insbesondere auch auf mehrstufige Kreiselpum pen. Dabei zeichnet sich das erfindungsgemäße Laufrad bzw. die erfindungsgemäße Leiteinrichtung als besonders flexibel aus, da auf jeder konventionell gefertigten Trä gereinheit für jede Pumpenstufe individuell optimiert angeordnete Segmente ausgebil det werden können.
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 einer Kreiselpumpe mit Kugelgehäuse,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung mit einer Trägereinheit und Seg menten, Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung mit unterschiedlichen Ringab schnitten und Segmenten,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung mit ringabschnittsüberlappend an geordneten Segmenten,
Fig.5 eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung mit radial gekrümmten Segmenten,
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Schaufelanordnung mit radial gekrümmten Segmenten unterschiedlicher Länge,
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Laufrad und eine Leiteinrichtung mit Segmenten.
Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Schnittdarstellung durch eine Kreiselpumpe mit Kugelge häuse 14. Über den Saugmund 11 strömt das Medium in die Kreiselpumpe ein, wird von einem Laufrad 15, welches drehfest mit der Welle 12 verbunden ist, mit Bewe gungsenergie beaufschlagt und verlässt das Pumpengehäuse über den Druckstutzen 13. Der Lagerträgerdeckel 10 verschließt den Pumpenraum in Richtung Antrieb.
Das Laufrad 15 weist eine Trägereinheit 1 auf, die mit Schaufeln besetzt ist. Die Trä gereinheit 1 ist mit den Schaufeln und der Deckscheibe 17 einstückig ausgebildet und als geschlossenes Laufrad 15 ausgeführt. Um das Laufrad 15 ist eine Leiteinrichtung 18 positioniert, die die Entladung des Laufrads 15 auffängt und die kinetische Energie in Druckenergie umwandelt.
Fig. 2 zeigt die Trägereinheit 1 einer Schaufelanordnung in Form eines Laufrads für eine Kreiselpumpe mit dem Trägereinheitenradius 5. Die Trägereinheit 1 ist in drei Ring abschnitte 2 untergliedert, die jeweils direkt aneinander angrenzen. Alle Ringabschnitte 2 weisen die gleiche Kreisringbreite 4 auf. Innerhalb eines Ringabschnitts 2 sind gerad linige Segmente 3 angeordnet, die von Ringabschnitt zu Ringabschnitt 2 versetzt zuei nander angeordnet sind.
In einer Variante der Erfindung ist die Kontur der Segmente 3 an die Positionierung auf den Ringabschnitten 2 angepasst. So ist das Segment 3 auf dem innersten Ringab schnitt 2 als Saugkantensegment 6, das Segment 3 auf dem mittleren Ringabschnitt 2 als Mittelkantensegment 7 und das Segment 3 auf dem äußeren Ringabschnitt 2 als Druckkantensegment 8 ausgebildet.
Fig. 3 zeigt eine Trägereinheit 1 einer Schaufelanordnung in Form eines Laufrads für Kreiselpumpen mit Ringabschnitten 2, die eine unterschiedliche Kreisringbreite 4 auf weisen. Die Segmente 3 sind mittig innerhalb der Ringabschnitte 2 angeordnet, wobei die Länge der Segmente 3 an die jeweilige Kreisringbreite 4 angepasst ist. Die Seg mente 3 sind in Abhängigkeit ihrer Position auf einem Ringabschnitt 2 versetzt zueinan der angeordnet.
Fig. 4 zeigt eine Trägereinheit 1 mit Ringabschnitten 2 gleicher Kreisringbreite 4. Die Segmente 3 sind sowohl innerhalb eines Ringabschnitts 2 als auch ringabschnittsüber- lappend angeordnet. Die Segmente 3 sind sowohl versetzt zueinander als auch in einer Linie mit Unterbrechungen auf der Trägereinheit 1 positioniert.
Fig. 5 zeigt eine Trägereinheit 1 mit radial gekrümmten Segmenten 3. Die Segmente 3 sind innerhalb eines Ringabschnitts 2 angeordnet, wobei die Abstände zu den Kreisrin genden des Ringabschnitts 2 für alle Segmente 3 gleich ausgebildet sind. Die Seg mente 3 sind auf der Trägereinheit 1 in Meridianrichtung angeordnet.
Fig. 6 zeigt eine Trägereinheit 1 mit radial gekrümmten Segmenten 3, die teilweise die Ringabschnitte 2 überlappen. Dabei ist die Krümmung der Segmente 3 individuell an den jeweiligen Ringabschnitt 2 angepasst. Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf ein Laufrad 15 und eine Leiteinrichtung 18. Sowohl das Laufrad 15 als auch die Leiteinrichtung 18 weisen eine Trägereinheit 1 auf, die jeweils in Ringabschnitte 2 untergliedert ist und auf der radial gekrümmte Segmente 3 angeord net sind. Die Segmente 3 sind innerhalb eines Ringabschnitts 2 angeordnet, wobei die Abstände zu den Kreisringenden des Ringabschnitts 2 für alle Segmente 3 gleich aus gebildet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Kreiselpumpe mit einer Schaufelanordnung, wobei die Schaufelanordnung eine Trägereinheit (1) aufweist, auf der Schaufeln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Schaufeln in Segmente (3) untergliedert sind und
- die Trägereinheit (1) in radial aneinander angrenzende Ringabschnitte (2) auf geteilt ist,
- wobei in den Ringabschnitten (2) Segmente (3) versetzt zueinander angeord net sind.
2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinheit (1) mehr als zwei, vorzugsweise mehr als drei, insbesondere mehr als vier, Ring abschnitte (2) und/oder weniger als zehn, vorzugsweise weniger als acht, insbe sondere weniger als sechs, Ringabschnitte (2) aufweist.
3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreis ringbreite (4) für alle Ringabschnitte (2) gleich ausgebildet ist.
4. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreis ringbreite (4) der Ringabschnitte (2) unterschiedlich ausgebildet ist.
5. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisringbreite (4) mehr als 5 %, vorzugsweise mehr als 10 %, insbesondere mehr als 15 %, und/oder weniger als 45 %, vorzugweise weniger als 40 %, insbe sondere weniger als 30 %, des Trägereinheitenradius (5) beträgt.
6. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3) innerhalb eines Ringabschnitts (2) angeordnet sind.
7. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3) über mindestens zwei Ringabschnitte (2) überlappend angeord net sind.
8. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3) in Abhängigkeit ihrer Anordnung auf den Ringabschnitten (2) als Mittelsegmente (7) und/oder Saugkantensegmente (6) und/oder Druckkantenseg mente (8) ausgebildet sind.
9. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3) auf der Trägereinheit (1) in Meridianrichtung ausgerichtet sind.
10. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3) eine geradlinige Form und/oder eine radial nach außen ge krümmte Form aufweisen.
11. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3) als Mikroschaufeln ausgebildet sind.
12. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3) eine Länge von mehr als 5 %, vorzugsweise von mehr als 10 %, insbesondere von mehr als 15 %, und/oder eine Länge von weniger als 50 %, vor zugsweise weniger als 45 %, insbesondere weniger als 35 %, des Trägereinhei tenradius (5) aufweisen.
13. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinheit (1) mehr als 10, vorzugsweise mehr als 15, insbesondere mehr als 20, Segmente (3) aufweist.
14. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelanordnung eine Deckscheibe (17) aufweist.
15. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (3) mit der Trägereinheit (1) und/oder der Deckscheibe (17) einstü ckig ausgebildet sind.
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