DE10050108A1 - Laufrad für eine Kreiselpumpe - Google Patents

Abstract

Bei einem Laufrad für eine Kreiselpumpe mit einem Lagerrohr (18), das eine axiale Bohrung (12) zur Aufnahme einer Pumpenwelle enthält und das mit Schaufeln (36, 36¶n¶) zum Führen eines Flüssigkeitsstromes zwischen einem Saugbereich und einem Druckbereich versehen ist, werden an das Lagerrohr (18) Schaufeln (36, 36¶n¶) in gerader Anzahl angeformt, die vom Lagerrohr (18) zueinander äquidistant ausgehen; jede zweite der spiralartig oder spindelartig um das Lagerrohr (18) geführten Schaufeln (36) ist über die Außenkante (38¶n¶) zweier benachbarter kürzerer Schaufeln (36¶n¶) hinaus in Richtung der Längsachse (A) des Lagerrohres (18) geführt. Zudem verlaufen die einlaufseitigen Außenkanten (38) der langen Schaufeln (36) in einem Eintrittswinkel zu einer Durchmessergeraden des Lagerrohres (18), und der Winkel ist dem jeweiligen Betriebspunkt angepasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Kreiselpumpe mit einem Lagerrohr, das eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Pumpenwelle enthält und das mit Schaufeln zum Führen eines Flüssigkeitsstromes - zwischen einem Saugbereich und einem Druckbereich - versehen ist.

Eine Kreiselpumpe mit auf dem vorderen gestuften Ende einer innenliegenden Welle mit axialer Bohrung vorgesehenem Laufrad ist der DE 41 08 257 C2 der Anmelderin zu entneh­ men. Dieses Laufrad dreht sich in einem - mit einem Lager­ trägergehäuse unter Zwischenschaltung von Gehäusedeckel und Dichtungen verschraubten - Spiralgehäuse. Im Gehäusedeckel befindet sich ein Gleitlager.

Zur Verbesserung der Saugfähigkeit von radialen Kreiselpum­ pen können schneckenförmige axiale Vorschaltläufer mit eigener Förderhöhe - sog. Inducer - eingesetzt werden, die den statischen Druck im Saugmund des anschließenden Ra­ dialrades erhöhen. Mit den derzeitigen Inducern vermag man eine wesentliche Reduktion - bis zu 50% - des sog. NPSH- Wertes ("Net Positive Suction Head") vom Wirkungsgrad­ bestpunkt bis zur Mindestfördermenge zu erreichen. Zur Be­ wertung des Saugverhaltens hat sich der sog. NPSH3%-Wert durchgesetzt, der verhältnismäßig leicht für verschiedene Volumenströme gemessen werden kann. Jener NPSH3%-Wert be­ schreibt im Pumpenbau ganz allgemein die Netto-Energiehöhe im Eintrittsquerschnitt der Pumpe, bei der die Förderhöhe der Pumpe um 3% abfällt. Die Netto-Energiehöhe ist die ab­ solute Energiehöhe abzüglich der Verdampfungsdruckhöhe. Dabei ist die Verdampfungsdruckhöhe H_D = p_D/(q.g) mit dem Dampfdruck p_D zu berechnen, der zu der im Eintrittsquer­ schnitt der Pumpe herrschenden Temperatur gehört. Wie bei der spezifischen Halteenergie unterscheidet man auch beim NPSH-Wert zwischen einem auf die Anlage bezogenen Wert NPSHA (vorhandener NPSH) und einem pumpenspezifischen Wert NPSHR (erforderlicher NPSH).

Bei Versuchen, die Saugfähigkeit zu verbessern, stieß man schnell an Grenzen, von denen aus es zu keiner weiteren Minderung der NPSH-Werte kam oder aber andere Kenngrößen der Pumpe deutlich verschlechtert wurden. Gute NPSH-Werte können derzeit nur durch den Einsatz eines Inducers er­ reicht werden. Dessen Verwendung führt jedoch zu höheren Herstellungskosten, zu einer Verschlechterung des Wirkungs­ grades, zu vermehrten Geräuschemissionen und erfordert zu­ dem ein spezielles Saugrohr, außerdem oftmals eine modifi­ zierte Antriebswelle.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin­ der die Aufgabe gestellt, ein Laufrad für radiale Kreisel­ pumpen mit deutlich besseren NPSH-Werten zu entwickeln, ohne die sonstigen Leistungsdaten der Kreiselpumpe zu ver­ schlechtern. Zudem soll sich dieses Laufrad - bei mög­ lichst geringen Herstellungskosten - technisch gut reali­ sieren lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches, die Unteransprüche gegen günstige Weiterbildun­ gen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kom­ binationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

Erfindungsgemäß wird an das Lagerrohr eine gerade Anzahl von Schaufeln angeformt, von denen jede zweite über die Außenkanten zweier benachbarter kürzerer Schaufeln hinaus in Richtung der Längsachse des Lagerrohres geführt wird. Diese Schaufeln gehen vom Lagerrohr bevorzugt zueinander äquidistant aus und sind zudem spiralartig - oder spin­ delartig - um das Lagerrohr geführt.

Es hat sich nämlich gezeigt, dass der NPSH3%-Wert der Pumpe entscheidend von der Laufradform beeinflusst wird und her­ kömmliche Laufräder für radiale Kreiselpumpen mit in der Regel fünf oder sieben geometrisch gleichen Schaufeln zu keinem günstigen Ergebnis führen. So zeichnet sich die neue Laufradform vor allem dadurch aus, dass sie eine gerade Anzahl von Schaufeln besitzt - in der Regel vier, sechs oder acht Schaufeln -, wobei jede zweite Schaufel spiralförmig weit in axialer Richtung nach vorne verlängert ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die einlauf­ seitigen Außenkanten der langen Schaufeln in einem Winkel - zu einer Durchmessergeraden des Lagerrohres - angeord­ net, der dem jeweiligen Betriebspunkt angepasst ist. Der Verlauf dieser Eintrittskanten ist dabei schräg nach hinten gezogen. Als günstig hat es sich dazu erwiesen, die Ein­ trittswinkel der kurzen Schaufeln an die lokalen Strö­ mungsverhältnisse anzupassen.

Hingegen sollen die Austrittswinkel bei allen Schaufeln gleich sein; die auslaufseitigen Endkanten der Schaufeln schließen mit einer Achsparallelen einen spitzen Winkel zwischen 10° und 20° - bevorzugt etwa 15° - ein. Jene auslaufseitigen Endkanten der Schaufeln sollen im übrigen einends an eine Radialwand des Lagerrohres anschließen so­ wie andernends an einen zur Radialwand etwa parallelen Laufradring.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass sich der Laufradring bzw. eine Deckscheibe von den Endkanten der Schaufeln bis an die eintrittsseitigen Außenkanten der kurzen Schaufeln erstreckt. Dabei soll sich die Deckscheibe bzw. der Laufradring vom Laufradaustritt bis knapp über die Ein­ trittskante der kurzen Schaufeln erstrecken, wo sich ein saugseitiger Dichtspalt befindet.

Die erfindungsgemäße Form des Laufrades führt zu den fol­ genden Vorteilen:

• - deutlich bessere NPSH-Werte gegenüber herkömmlichen Radiallaufrädern;
• - keine wesentliche Verschlechterung der sonstigen Leistungsdaten;
• - keine wesentliche Erhöhung der Herstellungskosten gegenüber einem normalen Laufrad;
• - niedrigere Herstellungskosten als die eines norma­ len Laufrades mit Inducer;
• - verminderte Geräuschemission gegenüber Laufrädern mit Inducer;
• - kürzere axiale Abmessungen als ein normales Laufrad mit Inducer.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 eine Schrägsicht auf ein Laufrad mit Laufradring für eine Kreiselpumpe;

Fig. 2, 4 jeweils einen Längsschnitt durch das Laufrad in dessen Längsachse nach Linie II-II der Fig. 1 bzw. Linie IV-IV der Fig. 3;

Fig. 3 die Frontsicht auf das Laufrad;

Fig. 5 eine Schrägsicht auf das Laufrad ohne Laufradring;

Fig. 6 den vergrößerten Längsschnitt des Laufradringes mit einem zugeordneten Gehäu­ seabschnitt;

Fig. 7 eine Skizze zur Darstellung eines Eintritts­ winkels.

Bei einem Laufrad 10 für eine aus Gründen der Übersicht­ lichkeit ansonsten nicht dargestellte Kreiselpumpe ist an ein - in der Längsachse A mit einer Durchgangsbohrung 12 ausgestattetes - Lagerrohr 18 der Länge a von etwa 315 mm und des Außendurchmessers d von beispielsweise 90 mm heck­ wärts eine Radialwand 20 angeformt. Die Durchgangsbohrung 12 weist zwischen zwei Endabschnitten 14, 14 _e des Durchmes­ sers d₁ von etwa 50 mm einen Mittelabschnitt 15 größeren Durchmessers d₂ von etwa 60 mm auf, der sich zu deren an der Eintrittsseite für die Flüssigkeit befindlichen - in Fig. 2 linken - kürzeren Endabschnitt 14 mittels eines ko­ nischen Schulterbereiches 16 reduziert. Dieser Endabschnitt 14 schließt an eine ringförmige Stirnfläche 17 des Lager­ rohres 18 an.

Das Laufrad 10 ist in einem Gehäuse der nicht gezeigten Kreiselpumpe zwischen einem Saug- und einem Druckraum zum Fördern einer Flüssigkeit drehbar gelagert.

Die Innenkontur K der Radialwand 20 wird im Längsschnitt der Fig. 2 zwischen der Rohraußenfläche 19 des Lagerrohres 18 sowie einer ringförmigen Außenkante 22 der Radialwand 20 von einem Teilkreisbogen bestimmt. Andererseits bildet eine i. w. radiale Längsschnittkontur Q eine Rückenfläche 24 der Radialwand 20, aus der eine koaxiale Ringwand 26 geringer Höhe h von 20 mm herausgeformt ist. Der Abstand z der Rückenfläche 24 von der benachbarten Stirnwand 17 _e des Lagerrohres 18 - und damit dessen freie rückwärtige Kraglänge - misst hier etwa 50 mm.

In einem axialen Abstand i (hier 85 mm) von der Außenkante 22 der Radialwand 20 verläuft eine Ringkante 28 eines Laufradringes oder einer Deckscheibe 30 der Breite b von etwa 50 mm sowie eines Durchmessers e von 375 mm, der jenem der Außenkante 22 entspricht und etwas größer ist als der vierfache Außendurchmesser d des Lagerrohres 18 bzw. jenes Abstandes i zwischen Radialwand 20 und Laufradring 30.

Der Längsschnitt des Laufradringes 30 wird von der Ring­ kante 28 ab durch einen Teilkreisbogenabschnitt K₁ gebil­ det, der achswärts in einen zur Längsachse A parallelen Wandabschnitt übergeht; dieser endet an einer längsschnitt­ lich durch eine Andrehung des Laufradringes 30 bei 31 ge­ stuften - ihrerseits ringförmigen - Frontkante 32. Deren Durchmesser e₁ von hier 290 mm entspricht etwa drei Vier­ teln des erwähnten Durchmessers e.

In einem von der Radialwand 20 und dem Laufradring 30 be­ grenzten Zwischenraum 34 ist eine gerade Zahl von - in ihrer Längserstreckung schraubenlinienartig gestalteten - Schaufeln 36, 36 _n angeordnet; jede zweite Schaufel 36 ist mit ihrer Außenkante 38 - spiralförmig - nahe an die ein­ trittsseitige Stirnfläche 17 des Lagerrohres 18 herange­ führt. Zwischen jeweils zwei dieser langen Schaufeln 36 verläuft eine kurze Schaufel 36 _n, deren Außenkante 38 _n sich innerhalb des Laufradringes 30 befindet. Zwischen der ring­ förmigen Außenkante 22 der Radialwand 20 und der parallelen Ringkante 28 des Laufradringes 30 erstrecken sich auslauf­ seitige Endkanten 40, 40 _n der Schaufeln 36, 36 _n. Sie ver­ laufen in einem spitzen Winkel w von etwa 15° zu einer Achsparallelen A₁. Dieser auslaufseitige Neigungswinkel w ist für alle Schaufeln 36, 3% bzw. Endkanten 40, 40 _n von gleicher Größe, wohingegen die sog. Eintrittswinkel s bzw. s₁ an den einlaufseitigen Außenkanten 38 bzw. 38 _n zu Durch­ messergeraden D unterschiedlich sind; die Eintrittswinkel y der langen Schaufeln 36 sind an den jeweiligen Betrieb­ spunkt angepasst, die Eintrittswinkel y₁ der kurzen Schau­ feln 36 _n an die lokalen Strömungsverhältnisse (Fig. 5).

Die Schaufeln 36, 36 _n sind sowohl an das Lagerrohr 18 bzw. seine Radialwand 20 als auch an den Laufradring 30 ange­ formt, und die langen Schaufeln 36 überragen - wie be­ schrieben - in Achsrichtung die Frontkante 32 des Laufradringes 30. Dort ist ihre Seitenkante 38 entsprechend jener Schraubenlinie gekrümmt, wie vor allem Fig. 5 ver­ deutlicht.

In Fig. 6 ist dem Laufradring 30 ein Abschnitt einer Gehäu­ sewand 42 zugeordnet, die an ihrer Innenfläche 44 längs­ schnittlich mit einer - der Stufung 31 des Laufradringes 30 gegenüberliegenden - inneren Stufe 46 versehen ist. Letztere endet an einer äußeren Stufe 48, die in Abstand n parallel zur Frontkante 32 des Laufradringes 30 verläuft. So entsteht zwischen diesem und der Gehäusewand 42 ein Dichtspalt 50 einer Spaltlänge c von etwa 15 bis 20 mm und einer Spaltweite q von hier 0,3 bis 0,5 mm.

Im Schnitt einer langen Schaufel 36 nach Fig. 7 sind deren Eintrittskante mit 37 und die Laufraddrehrichtung mit x, die Zuströmrichtung im Absolutsystem mit y bezeichnet. Die Eintrittswinkel s der langen Schaufeln 36 sind so an den Betriebspunkt angepasst, dass diese 4° bis 10° größer sind als die Eintrittswinkel t der Zuströmrichtung y₁ im Rela­ tivsystem.

Die Eintrittswinkel s₁ der kurzen Schenkeln 36 _n sind so ge­ wählt, dass diese im Bereich des Betriebspunktes der Pumpe den örtlichen Zuströmwinkeln der Strömung entsprechen.

Claims (14)

1. Laufrad für eine Kreiselpumpe mit einem Lagerrohr (18), das eine axiale Bohrung (12) zur Aufnahme einer Pumpenwelle enthält und das mit Schaufeln (36, 36 _n) zum Führen eines Flüssigkeitsstromes zwischen einem Saugbereich und einem Druckbereich versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an das Lagerrohr (18) Schaufeln (36, 36 _n) in ge­ rader Anzahl angeformt sind, wobei jede zweite Schau­ fel (36) über die Außenkante (38 _n) zweier benachbar­ ter kürzerer Schaufeln (36 _n) hinaus in Richtung der Längsachse (A) des Lagerrohres (18) geführt ist.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (36, 36 _n) vom Lagerrohr (18) zueinander äquidistant ausgehen.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Schaufeln (36, 36 _n) spiralartig oder spindelartig um das Lagerrohr (18) geführt sind.

4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die einlaufseitigen Außenkanten (38) der langen Schaufeln (36) in einem Eintrittswin­ kel (s) zu einer Durchmessergeraden (D) des Lagerroh­ res (18) verlaufen und der Winkel dem jeweiligen Be­ triebspunkt angepasst ist.

5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die einlaufseitigen Außenkanten (38 _n) der kurzen Schaufeln (36 _n) in einem Eintritts­ winkel (s₁) zu einer Durchmessergeraden (D) des La­ gerrohres (18) verlaufen und der Winkel auf die loka­ len Strömungsverhältnisse abgestimmt ist.

6. Laufrad nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, dass die Eintrittswinkel (s) der langen Schau­ feln (36) größer sind als Winkel (t) zwischen der Drehrichtung (x) der Schaufeln der Zuströmung im Re­ lativsystem.

7. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die auslaufseitigen Endkanten (40, 40 _n) der Schaufeln (36, 36 _n) mit einer Achsparallelen (A₁) einen spitzen Winkel (w) einschließen.

8. Laufrad nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Winkel (w) zwischen 10° und 20°, bevorzugt etwa 15°.

9. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die auslaufseitigen Endkanten (40, 40 _n) der Schaufeln (36, 36 _n) einends an eine Radial­ wand (20) des Lagerrohres (18) anschließen sowie andernends an einen zur Radialwand etwa parallelen Laufradring (30).

10. Laufrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Laufradring (30) von den Endkanten (40, 40 _n) der Schaufeln (36, 36 _n) bis an die eintrittseitigen Außenkanten (38 _n) der kurzen Schaufeln (36 _n) er­ streckt.

11. Laufrad nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, dass der Laufradring (30) die Außenkanten (38 _n) der kurzen Schaufeln (36 _n) geringfügig überragt.

12. Laufrad nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufradring (30) längs­ schnittlich eine teilkreisförmige Krümmung (K₁) auf­ weist, die in einen an einer Frontkante (32) endenden etwa achsparallelen Bereich übergeht.

13. Laufrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der an die Frontkante (32) anschließende Bereich des Laufradringes (30) eine Stufung (31) enthält.

14. Laufrad nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Laufradrin­ ges (30) mit der Innenfläche (44) einer in Abstand (q) gegenüberstehenden Gehäusewand (42) einen Dichtspalt (50) begrenzt.