AT500423B1

AT500423B1 - RADIAL PUMP

Info

Publication number: AT500423B1
Application number: AT0204003A
Authority: AT
Inventors: Friedrich Atschreiter
Original assignee: Tcg Unitech Systemtechnik Gmbh
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2006-07-15
Also published as: EP1544474A2; ATE354029T1; DE502004002900D1; EP1544474B1; EP1544474A3; AT500423A1; AT500423B8

Abstract

The radial pump, especially a cooling medium pump for an internal combustion engine has at least one first group (5) of impeller blades (6) pivotable around axes (9) parallel to the impeller axis. The group of pivotable impeller blades is located in the region of the flow outlet (22). The group of pivotable impeller blades are automatically pivotable in dependence upon the rotational speed. The pivotable blades are pivot-mounted in the region of the flow outlet side ends of fixed impeller blades (4).

Description

2 AT 500 423 B12 AT 500 423 B1

Die Erfindung betrifft eine Radialpumpe, insbesondere Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einer ersten Gruppe von um Achsen parallel zur Laufradachse schwenkbaren Laufschaufeln, wobei die Gruppe von schwenkbaren Laufschaufeln im Bereich des Strömungsaustrittes des Laufrades angeordnet ist, wobei der Gruppe von schwenkbaren Lauf-5 schaufeln eine Gruppe mit dem Laufrad fest verbundenen starren Laufschaufeln vorgelagert ist.The invention relates to a radial pump, in particular coolant pump for an internal combustion engine, with at least a first group of rotatable about axes parallel to the impeller axis blades, wherein the group of pivotable blades is arranged in the region of the flow outlet of the impeller, the group of pivotable run-5 paddle a group with the impeller rigidly connected rigid blades is preceded.

Bei der Kühlung von Brennkraftmaschinen werden hauptsächlich motordrehzahlabhängige Radialpumpen eingesetzt. Bei Kühlmittelpumpen größerer Fahrzeug-Brennkraftmaschinen besteht oft die Anforderung, bereits bei niedrigen Drehzahlen eine erhebliche Fördermenge zu io liefern. Damit verbunden ist aber eine sehr große Fördermenge bei Höchstdrehzahl, die wiederum zu unzulässig hohen Drücken im Kühlmittelkreislauf führt. Kurzschlusskreisläufe zur Verringerung der durch den Motorkreislauf strömenden Mengen müssen mit großen Querschnitten ausgeführt werden und sind in jedem Fall mit Verlustleistung verbunden. Bei Auslegung auf Höchstdrehzahl hingegen besteht die Gefahr, dass der Druckanstieg im Leerlauf nicht zur Auf-15 rechterhaltung einer ausreichenden Kühlung ausreicht.When cooling internal combustion engines mainly engine speed-dependent radial pumps are used. In the case of coolant pumps of larger vehicle internal combustion engines, it is often necessary to deliver a considerable flow rate at low speeds. But this is associated with a very large flow rate at maximum speed, which in turn leads to unacceptably high pressures in the coolant circuit. Short circuits to reduce the quantities flowing through the engine circuit must be made with large cross-sections and are always associated with power dissipation. On the other hand, when designed for maximum speed, there is a risk that the pressure rise in idle will not be sufficient to maintain sufficient cooling.

Aus der EP 1 310 678 A1 ist eine Radialpumpe mit durch Corioliskräften der Kühlmittelströmung elastisch verformbaren Laufradschaufeln bekannt, wobei der zwischen Laufschaufeln und einer Laufradtangentialebene definierte Austrittswinkel mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Die 20 Laufschaufeln sind dabei entweder aus einem elastisch nachgiebigem Material ausgeführt oder sind jeweils um eine Achse pro Laufschaufel gelenkig und entgegen der Kraft von Rückstellfedern gelenkig gelagert, wobei eine gleichzeitige Verstellung der Laufschaufeln durch einen Synchronring gewährleistet ist. Laufschaufeln aus elastischem Material haben allerdings den Nachteil, dass es durch Schwingungen zu Materialermüdungen und damit zu vorzeitigen Aus-25 fällen kommen kann.From EP 1 310 678 A1 a radial pump with impeller blades elastically deformable by Coriolis forces of the coolant flow is known, wherein the exit angle defined between blades and an impeller tangential plane decreases with increasing rotational speed. The 20 blades are either made of an elastically yielding material or are each hinged about an axis per blade and articulated against the force of return springs, with simultaneous adjustment of the blades is ensured by a synchronizer ring. However, moving blades made of elastic material have the disadvantage that vibrations can lead to material fatigue and thus to premature failure.

Die US 2,946.288 A beschreibt eine Kreiselpumpe mit einem mit konstanter Geschwindigkeit umlaufenden Laufrad mit verschiebbaren Schaufeln, wobei alle Schaufeln gleichgeschaltet sind und nicht nur eine rotatorische, sondern auch eine translatorische Bewegung erfahren. Die 30 Verstellung erfolgt durch einen druckgesteuerten, separaten Mechanismus von außen. Die Laufschaufeln sind über Bolzen mit einer Steuerscheibe verbunden, die über einen Verdrehmechanismus relativ zur Pumpenumdrehung verstellt werden kann. Durch die Verstellung der Laufschaufeln kann die Kennlinie der Radialpumpe je nach Einstellung des Verstellmechanismus verschoben werden, um einen gewünschten Betriebspunkt einstellen zu können. Nachteilig 35 ist, dass für die externe Steuerung ein erheblicher Aufwand notwendig ist.The US 2,946,288 A describes a centrifugal pump with a constant speed rotating impeller with sliding blades, all blades are the same and experience not only a rotational, but also a translational motion. The adjustment is made by a pressure-controlled, separate mechanism from the outside. The blades are connected by bolts to a control disc, which can be adjusted via a twisting mechanism relative to the pump rotation. By adjusting the blades, the characteristic of the radial pump can be moved depending on the adjustment of the adjustment to set a desired operating point can. A disadvantage 35 is that a considerable effort is required for the external control.

Die GB 1 159 371 A offenbart ein Kreiselpumpenlaufrad mit drehbar gelagerten Schaufeln, die sich den Strömungsverhältnissen entsprechend einstellen, wodurch Stoßverluste an den Schaufelspitzen vermieden werden sollen. Weiters sind Radialpumpen mit schwenkbaren Lauf-40 schaufeln aus den Veröffentlichungen US 3,033.015 A, US 3,510.229 A und EP 0 166 104 A1 bekannt, wobei die Laufschaufeln bei Änderung der Drehrichtung einklappen. Die DE 1 119 671 B zeigt eine Abwasserkreiselpumpe mit biegsamem Kanalklappband, das bei Durchtritt gröberer Körper einen größeren Kanal freigibt und sich dann wieder in die Ausgangslage zurückbewegt. Eine Synchronisiereinrichtung zur gleichzeitigen Bewegung aller Lauf-45 schaufeln ist nicht vorgesehen.GB 1 159 371 A discloses a centrifugal pump impeller with rotatably mounted blades, which adjust themselves according to the flow conditions, whereby shock losses at the blade tips are to be avoided. Furthermore, radial pumps are known with pivoting barrel-40 blades from the publications US 3,033,015 A, US 3,510,229 A and EP 0 166 104 A1, wherein the blades fold when changing the direction of rotation. DE 1 119 671 B shows a wastewater centrifugal pump with flexible channel folding belt, which releases a larger channel when coarser body passes and then moves back to the starting position. A synchronizer for simultaneous movement of all run-45 blades is not provided.

Radialpumpen mit schwenkbaren Laufschaufeln, die mit dem Laufrad fest verbundenen starren Laufschaufeln vorgelagert sind, sind aus den Veröffentlichungen US 3,090.543, DE 14 03 504 A und DE 296 06 296 U1 bekannt. Aus keiner dieser Dokumente geht allerdings hervor, dass die so schwenkbaren Laufschaufeln selbsttätig in Abhängigkeit der Drehzahl schwenkbar sind.Radial pumps with pivotable blades, which are upstream of the impeller rigidly connected rigid blades are known from the publications US 3,090,543, DE 14 03 504 A and DE 296 06 296 U1. From none of these documents, however, it appears that the so-rotating blades are automatically pivotable in response to the speed.

Die EP 1 310 678 A1 wurde bereits in der Anmeldungsbeschreibung ausgiebig erläutert. Dabei werden in Abhängigkeit von Corioliskräften die gesamten Laufschaufeln elastisch verformt bzw. ausgelenkt. Eine geringe Verformung bzw. Auslenkung hat bereits relativ große Auswirkung auf 55 die Fördermenge und den Wirkungsgrad. Daher ist diese Konstruktion sehr toleranzempfindlich, 3 AT 500 423 B1 was hohe fertigungstechnische Anforderungen erfordert. Da beim Gegenstand der vorliegenden Anmeldung nur ein relativ kleiner Teil der Laufschaufeln schwenkbar ausgeführt ist, ist die Toleranzempfindlichkeit wesentlich geringer. 5 Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Radialpumpe den Wirkungsgrad auf möglichst einfache Weise zu erhöhen.EP 1 310 678 A1 has already been extensively explained in the application description. Depending on Coriolis forces, the entire rotor blades are elastically deformed or deflected. A small deformation or deflection already has a relatively large impact on the flow rate and the efficiency. Therefore, this design is very sensitive to tolerances, 3 AT 500 423 B1 which requires high production requirements. Since the subject of the present application, only a relatively small portion of the blades is designed to be pivotable, the tolerance sensitivity is much lower. 5 object of the invention is to increase the efficiency of a radial pump in the simplest possible way.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Gruppe von schwenkbaren Laufschaufeln selbsttätig in Abhängigkeit der Drehzahl schwenkbar sind. 10According to the invention this is achieved in that the group of pivotable blades are automatically pivotable in response to the speed. 10

Die Laufschaufeln sind somit nicht in ihrer Gesamtheit verstellbar, sondern nur die drehbar gelagerten Enden der Laufschaufeln. Diese haben den größten Einfluss auf die Kennlinienlage im Kennfeld, und zwar auf die Druckreduzierung im oberen Drehzahlbereich. Eine Verstellung der Eintrittsbereiche der Laufschaufeln ist nicht erforderlich und auch nicht gewünscht, die 15 starren Laufschaufeln können somit auf optimale Verhältnisse ausgelegt werden.The blades are thus not adjustable in their entirety, but only the rotatably mounted ends of the blades. These have the greatest influence on the characteristic curve position in the map, specifically on the pressure reduction in the upper rpm range. An adjustment of the inlet areas of the blades is not required and not desired, the 15 rigid blades can thus be designed for optimal conditions.

Strömungsablösungen und Verwirbelungen werden vermieden, wenn die schwenkbaren Laufschaufeln im Austrittsbereich der starren Laufschaufeln, gelenkig gelagert sind. 20 Um eine gleichzeitige Schaufelverstellung zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die schwenkbaren Laufschaufeln gleichzeitig durch einen Synchronisierring verstellbar sind.Flow separation and turbulence are avoided when the pivotable blades are articulated in the exit area of the rigid blades. 20 In order to enable a simultaneous blade adjustment, it is provided that the pivoting blades are simultaneously adjustable by a synchronizing ring.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die schwenkbaren Laufschaufeln durch Corioliskräfte der Kühlmittelströmung elastisch verstellbar 25 sind, wobei vorzugsweise zwischen den schwenkbaren Laufschaufeln und Laufradtangentialebenen definierte Austrittswinkel mit zunehmender Drehzahl abnehmen. Die Schaufelverstellung erfolgt somit nicht von außen abhängig von gewissen Stellgrößen, sondern selbsttätig in Abhängigkeit von der Pumpendrehzahl, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn die Laufschaufeln durch zumindest ein Federelement in Richtung einer einen maximalen Austrittswinkel defi-30 nierenden Grundstellung belastet sind. Bei niedrigen Drehzahlen erfolgt somit keine oder nur eine geringe Verstellung, wohingegen die Verstellung bis zur maximalen Drehzahl immer mehr zunimmt. Durch den Rückstellmechanismus reduziert sich die Verstellung wieder selbsttätig, wenn die Kräfte durch Reduzierung der Drehzahl wieder geringer werden. 35 Durch die Verstellung der Flügel kommt es über den gesamten Drehzahlbereich zu einer Verschiebung der Wirkungsgrad- und Leistungskennlinien. Die bei starrer Auslegung der Flügel im oberen Drehzahlbereich erzeugte Verlustleistung wird mittels der Kombination aus starren und schwenkbaren Laufschaufeln wesentlich reduziert. 40 Die Laufschaufeln können zumindest teilweise aus Stahlblech oder aus Kunststoff bestehen.In a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that the pivotable blades are elastically displaceable by Coriolis forces of the coolant flow, wherein preferably defined between the pivotable blades and Laufradtangentialebenen exit angle decrease with increasing speed. The blade adjustment is thus carried out not dependent on the outside of certain variables, but automatically as a function of the pump speed, and it is particularly advantageous if the blades are loaded by at least one spring element in the direction of a maximum exit angle defi-30 nierenden basic position. At low speeds, there is thus no or only a slight adjustment, whereas the adjustment increases more and more up to the maximum speed. Due to the reset mechanism, the adjustment automatically reduces again when the forces are reduced again by reducing the speed. 35 The adjustment of the vanes results in a shift in the efficiency and performance curves over the entire speed range. The power loss generated with rigid design of the wings in the upper speed range is significantly reduced by means of the combination of rigid and pivotable blades. 40 The blades may be at least partially made of sheet steel or plastic.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS.

Es zeigen Fig. 1 ein Laufrad einer erfindungsgemäßen Radialpumpe, Fig. 2 die Vorderseite des 45 Grundkörper des Laufrades mit den starren Laufschaufeln, Fig. 3 die Rückseite des Grundkörpers des Laufrades, Fig. 4 einen Synchronring des Laufrades, Fig. 5 eine schwenkbare Laufschaufel in einer Schrägansicht und Fig. 6 ein Pumpenkennfeld.1 shows an impeller of a radial pump according to the invention, FIG. 2 shows the front side of the main body of the impeller with the rigid blades, FIG. 3 shows the rear side of the main body of the impeller, FIG. 4 shows a synchronizer ring of the impeller, FIG. 5 shows a pivotable blade in an oblique view and Fig. 6 shows a pump map.

Das Laufrad 1 besteht aus einem Grundkörper 2 mit einer Gruppe 3 von feststehenden Lauf-50 schaufeln 4 und einer Gruppe 5 von schwenkbaren Laufschaufein 6. Die schwenkbaren Laufschaufeln 6 sind im Bereich des Strömungsaustrittes 22 des Laufrades 1, und zwar im Bereich der strömungsaustrittsseitigen Enden 8 der starren Laufschaufeln 4 über Lagerzapfen 10, 11 in Bohrungen 12 des Grundkörpers 2 bzw. einer strichliert in Fig. 1 angedeuteten Abdeckscheibe 7 drehbar um Achsen 9 parallel zu Laufradachse 1a gelagert, wobei die schwenkbaren Laufes schaufeln 6 zwischen dem Grundkörper 3 und der Abdeckscheibe 7 angeordnet sind.The impeller 1 consists of a base body 2 with a group 3 of stationary blades 50 and a group of pivotable rotor blades 6. The pivotable blades 6 are in the region of the flow outlet 22 of the impeller 1, specifically in the region of the outlet ends 8 The rigid blades 4 via trunnions 10, 11 in holes 12 of the body 2 and a dashed line in Fig. 1 indicated cover 7 rotatably mounted about axes 9 parallel to impeller axis 1a, wherein the pivotable running blades 6 between the base body 3 and the cover 7th are arranged.

Claims

4 AT 500 423 B1 Zur Synchronisierung aller schwenkbaren Laufschaufeln 6 weist jede schwenkbare Laufschaufel 6 einen Angriffszapfen 13 für einen Synchronisierring 14 auf, wobei der Synchronisierring 14 über Gleitflächen 17 an Laufflächen 15 der Deckscheibe 7 geführt wird. Mit Bezugszeichen 16 sind Ausnehmungen im Grundkörper 2 zur Aufnahme von Rückstellfedern 18 bezeichnet, wel-5 che an Vorsprüngen 19 des Synchronisierringes 14 angreifen. Die Angriffszapfen 13 sind in Schlitzen 20, 21 des Grundkörpers 2 und des Synchronisierringes 14 geführt. Bei niedrigen Drehzahlen sind die Drücke auf die schwenkbaren Laufschaufeln 6 gering, die Fördermenge Q und die Druckdifferenz Δρ sind unverändert gegenüber einem einteilig ausge-io führten Laufrad mit starren Laufschaufeln. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, nehmen die schwenkbaren Laufschaufeln 6 ihren maximalen Umlaufdurchmesser ein, wobei sich der Austrittswinkel a, einstellt, welcher zwischen den schwenkbaren Laufschaufeln 6 und einer Tangentialebene ε gemessen wird. Bei hohen Drehzahlen bewirken die Corioliskräfte der Kühlmittelströmung eine Auslenkung der schwenkbaren Laufschaufeln 6 entgegen der in der Ausnehmung 16 zwischen 15 Grundkörper 2 und Synchronring 14 angeordneten Rückstellfedern 18 in Richtung kleinerer Austrittswinkel a2. Dies bewirkt eine Absenkung der Druckdifferenz Δρ. Die Zentrifugalkräfte wirken zwar der Verringerung der Austrittswinkel a1f a2 entgegen, bei geeigneter Auslegung der Rückstellfedern 18 stellt sich aber der gewünschte Effekt ein. Dadurch, dass keine Drosselung bei höheren Drehzahlen erforderlich ist, entfallen die Drossel Verluste. 20 Fig. 6 zeigt ein Pumpenkennfeld für die Radialpumpe, wobei jeweils die Druckdifferenz Δρ über dem Förderstrom Q aufgetragen ist. Mit I und II sind die Motorschluckkurven einer herkömmlichen Radialpumpe mit starren Laufradschaufeln bezeichnet. Die strichlierte Linie III zeigt dagegen eine Motorschluckkurve der beschriebenen Radialpumpe mit einer Gruppe 3 von starren 25 Laufschaufeln 4 und einer Gruppe 5 von schwenkbaren Laufschaufeln 6. Deutlich ist erkennbar, dass für die Kurve III bei niedrigen Drehzahlen eine ausreichend hohe Druckdifferenz Δρ zur Aufrechterhaltung der Kühlleistung gewährleistet ist, und dass andererseits bei hohen Motordrehzahlen unzulässig hohe Drücke im Kühlmittelkreislauf vermieden werden können. 30 Patentansprüche: 1. Radialpumpe, insbesondere Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einer ersten Gruppe (5) von um Achsen (9) parallel zur Laufradachse (1a) schwenkbaren 35 Laufschaufeln (6), wobei die Gruppe (5) von schwenkbaren Laufschaufeln (6) im Bereich des Strömungsaustrittes (22) des Laufrades (1) angeordnet ist, wobei der Gruppe (5) von schwenkbaren Laufschaufeln (6) eine Gruppe (3) mit dem Laufrad (1) fest verbundenen starren Laufschaufeln (4) vorgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe (5) von schwenkbaren Laufschaufeln (6) selbsttätig in Abhängigkeit der Drehzahl schwenkbar sind. 40In order to synchronize all pivotable blades 6, each pivotable blade 6 has an engagement pin 13 for a synchronizing ring 14, wherein the synchronizing ring 14 is guided over sliding surfaces 17 on running surfaces 15 of the cover disc 7. With reference numeral 16 recesses in the base body 2 are designated for receiving return springs 18, wel-5 che on projections 19 of the synchronizing ring 14 attack. The engagement pins 13 are guided in slots 20, 21 of the base body 2 and the synchronizing ring 14. At low speeds, the pressures on the pivotable blades 6 are low, the flow rate Q and the pressure difference Δρ are unchanged from a one-piece guided impeller with rigid blades. As is apparent from Fig. 1, take the pivoting blades 6 their maximum circulation diameter, with the exit angle a, adjusts, which is measured between the pivotable blades 6 and a tangent plane ε. At high speeds, the Coriolis forces of the coolant flow cause a deflection of the pivotable blades 6 against the return springs 18 located in the recess 16 between 15 base 2 and synchronizer ring 14 in the direction of smaller exit angles a2. This causes a lowering of the pressure difference Δρ. Although the centrifugal forces counteract the reduction of the exit angles a1f a2, with a suitable design of the return springs 18, the desired effect arises. The fact that no throttling is required at higher speeds, eliminating the throttle losses. 20 Fig. 6 shows a pump characteristic diagram for the radial pump, wherein in each case the pressure difference Δρ is plotted against the flow Q. I and II are the engine throttle curves of a conventional radial pump with rigid impeller blades. The dashed line III, however, shows an engine slip curve of the described radial pump with a group 3 of rigid blades 4 and a group 5 of pivoting blades 6. It is clearly seen that for the curve III at low speeds, a sufficiently high pressure difference Δρ to maintain the cooling capacity is ensured, and that on the other hand at high engine speeds inadmissible high pressures in the coolant circuit can be avoided. Radial pump, in particular coolant pump for an internal combustion engine, with at least a first group (5) of about 35 axes (9) parallel to the impeller axis (1a) pivotable 35 blades (6), wherein the group (5) of pivoting blades ( 6) in the region of the flow outlet (22) of the impeller (1) is arranged, wherein the group (5) of pivotable blades (6) is preceded by a group (3) with the impeller (1) rigidly connected rigid blades (4), characterized in that the group (5) of pivotable blades (6) are automatically pivotable in dependence on the speed. 40

2. Radialpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren Laufschaufeln (6) im Bereich der strömungsaustrittseitigen Enden (8) der starren Laufschaufeln (4) gelenkig gelagert sind.2. Radial pump according to claim 1, characterized in that the pivotable blades (6) in the region of the flow outlet-side ends (8) of the rigid rotor blades (4) are articulated.

3. Radialpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren Laufschaufeln (6) gleichzeitig durch einen Synchronisierring (14) verstellbar sind.3. Radial pump according to claim 1 or 2, characterized in that the pivotable blades (6) at the same time by a synchronizing ring (14) are adjustable.

4. Radialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren Laufschaufeln (6) durch Corioliskräfte der Kühlmittelströmung elastisch verso stellbar sind, wobei vorzugsweise zwischen den schwenkbaren Laufschaufeln (6) und Lauf radtangentialebenen (ε) definierte Austrittswinkel (a1t a2) mit zunehmender Drehzahl abnehmen.4. Radial pump according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pivotable blades (6) are elastically adjustable by Corioliskräfte the coolant flow verso, preferably between the pivotable blades (6) and running radtangentialebenen (ε) defined exit angle (a1t a2 ) decrease with increasing speed.

5. Radialpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren Laufes schaufeln (6) durch zumindest ein Federelement (18) in Richtung einer einen maximalen 5 AT 500 423 B1 Austrittswinkel (öi) definierenden Grundstellung belastet sind.5. Radial pump according to claim 4, characterized in that the pivotable running blades (6) by at least one spring element (18) in the direction of a maximum 5 AT 500 423 B1 exit angle (öi) defining basic position are loaded.

6. Radialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (4, 6) zumindest teilweise aus Stahlblech oder aus Kunststoff bestehen. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 556. Radial pump according to one of claims 1 to 5, characterized in that the moving blades (4, 6) at least partially made of sheet steel or plastic. For this purpose 3 sheets of drawings 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55