DE102006028806A1 - Axialpumpe - Google Patents

Abstract

Eine Axialpumpe mit einem Laufrad für Betriebsbereiche bei theoretischen, spezifischen Drehzahlen größer als 500 ist dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad ein Schraubenpropellerlaufrad ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Axialpumpe mit einem Laufrad für Betriebsbereiche bei theoretischen, spezifischen Drehzahlen größer als 500.
• Für die Auslegung und Berechnung von Kreiselpumpen-Laufrädern bedient man sich im allgemeinen der sogenannten spezifischen Drehzahl n_q. Diese Drehzahl wird nach der Ähnlichkeitsmechanik abgeleitet und ist die Drehzahl einer geometrisch ähnlichen, einstufigen, ein flutigen Kreiselpumpe mit dem Förderstrom Q_q = 1 m³/h und der Förderhöhe H_q = 1 m. Insbesondere ist

  

  wobei n die Nenndrehzahl in 1/min ist; Q_opt ist der Förderstrom in m³/s und H_opt die Förderhöhe in m, beide bestimmt im Punkt des größten Wirkungsgrades der Pumpe. Die spezifische Drehzahl n_q ist eine für eine bestimmte Pumpe charakteristische Größe und legt im Regelfall hinsichtlich des besten Wirkungsgrades die optimale Form des Laufrades fest.
• Einer spezifischen Drehzahl n_q lassen sich aber nicht nur bestimmte Laufradgeometrien zuordnen, sondern auch verschiedene Betriebseigenschaften, wie Kennlinienverlauf, Wirkungsgrad, Spaltverluste, Saugverhalten und hydraulische Kräfte. Dabei steigen mit sinkender spezifischer Drehzahl n_q vor allem die inneren Verluste, nämlich Radreibungs- und Spaltverluste. Die besten Wirkungsgrade erreicht man in Abhängigkeit vom Förderstrom Q in einem Bereich zwischen n_q von 40 bis 60 1/min.
• Jenseits der Grenze von n_q = 400-500 1/min mit dem Einsatz von Propeller existiert derzeit keine geeignete hydraulische Laufradbauform. Es müßten für diese extremen Förderbedingungen, nämlich großen Förderströmen auf sehr geringen Förderhöhen, die im Regelfall unterhalb von 2 m liegen, unwirtschaftlich große Propeller mit extrem geringer Drehzahl eingesetzt werden. Bei Wahl einer technisch noch sinnvollen Nenndrehzahl ergibt sich unmittelbar aus Formel (1), daß für den Betriebspunkt trotzdem theoretische spezifische Drehahlen erreicht werden, die weit über den eben angegebenen Werten liegen, so daß übliche Propellerbauarten weit im hydraulischen Überlastbereich arbeiten müßte.
• Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Axialpumpe so auszugestalten, daß sie auch bei geringen Förderhöhen in Richtung auf hohe Förderströme mit möglichst optimalem Wirkungsgrad ohne nachteilige Betriebseigenschaften arbeitet.
• Diese Aufgabe wird durch eine Axialpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Laufrad ein Schraubenpropellerlaufrad ist. Damit wird eine Kreiselpumpencharakteristik mit einer Verdrängerpumpencharakteristik kombiniert.
• Vorteilhaft wird dabei das Schraubenpropellerlaufrad aus rein volumetrischen Gesichtspunkten für einen theoretischen, maximalen Förderstrom Q_max,th nach der Formel Qmax,th = Vvol·n, (2)wobei n die Nenndrehzahl und V_vol das geometrische Volumen des Schraubenpropellerlaufrades ist, berechnet. Aufgrund dieser volumetrischen Auslegung kann somit unter Wahl einer definierten Geometrie und Drehzahl prinzipiell jeder hydraulisch sinnvolle, maximale Förderstrom erreicht werden.
• Im folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt:
• 1 verschiedene Radformen für Laufräder optimiert für die jeweilige spezifische Drehzahl n_q;
• 2 eine qualitative Darstellung der Pumpenkennlinien für Förderhöhe H, Leistung P und Wirkungsgrad η bei den Radformen nach 1;
• 3 eine beispielhafte Darstellung der Kennlinien von Förderhöhe H, der Leistung P bzw. des Wirkungsgrades η in Abhängigkeit vom Förderstrom bei einer Axialpumpe mit Propeller bzw. einer Axialpumpe nach der Erfindung;
• 4 Ansichten eines Schraubenpropellerlaufrades für eine Axialpumpe der vorliegenden Erfindung; und
• 5 eine Schnittansicht einer Axialpumpe mit Schraubenpropellerlaufrad.
• Kreiselpumpen werden nach ihrer spezifischen Drehzahl in Gruppen eingeteilt:

  nq = 10-30 1/min	Radialrad
  nq = 30-80 1/min	Francisrad
  nq = 80-160 1/mmn	Halbaxialrad
  nq = 160-500 1/min	Propellerrad

• Beispiele für spezifische Drehzahlen aus den jeweiligen Bereichen sind in 1 dargestellt. Für jeden Einsatzfall von gewünschtem Förderstrom bzw. gewünschter Förderhöhe kann man unter Wahl der Nenndrehzahl eine bestmögliche Hydraulik bezüglich Bauform und Wirkungsgrad einsetzen, wobei die Formel (1) verwendet wird.
• 2 zeigt für die spezifischen Drehzahlen der Laufrad-Bauformen aus 1 jeweils charakteristische Kennlinienverläufe, wobei für jede Bauform Förderhöhe H, Leistung P und Wirkungsgrad η in Abhängigkeit vom Förderstrom Q aufgetragen sind. Man erkennt, daß sich entsprechend der spezifischen Drehzahl auch die Form der Pumpenkennlinie ändert, der Verlauf beispielsweise der Q-H-Kurve ändert von flachen Kennlinien für kleine spezifische Drehzahlen, also Radialräder, in sehr steile Verläufe für große spezifische Drehzahlen, also Propeller.
• Beispiel 1
• Der Betriebspunkt einer Axialpumpe soll bei Q = 4000 m³/h bei einer Förderhöhe H = 0.72 m liegen. Üblicherweise würde nun, um eine physikalisch sinnvolle spezifische Drehzahl zu erhalten, die Nenndrehzahl der Pumpe auf etwa n = 300 1/min begrenzt, was für den Betriebspunkt einer spezifischen Drehzahl n_q = 405 1/min entspricht. Nach dem Cordier-Diagramm ergäbe sich damit optimalerweise eine Propellerpumpe der Baugröße DN 800. Aus Kostengründen müssen allerdings oftmals kleine Baugrößen bei größerer Drehzahl und den damit verbundenen Nachteilen eingesetzt werden. Wenn die Nennweite auf DN 600 beschränkt und bei einer Drehzahl von n = 740 1/min gearbeitet würde, entspräche dies hier einer theoretischen spezifischen Drehzahl n_q = 998 1/min. Ein Propeller üblicher Bauart n_q = 200-400 1/min würde somit weit im hydraulischen Überlastbereich weitab vom Optimum mit stark ansteigenden NPSHA-Werten und hohen Strömungsgeschwindigkeiten mit der Gefahr von Kavitation und Schwingungen arbeiten.
• Beispiel 2
• Anstelle des Propellers soll nunmehr gemäß der vorliegenden Erfindung ein Schraubenpropellerlaufrad eingesetzt werden, wieder der Baugröße DN 600 mit n = 520 1/min, was im Betriebspunkt einer theoretischen spezifischen Drehzahl n_q = 701 1/min entspricht. Dabei wird das Schraubenpropellerlaufrad aus rein volumetrischen Gesichtspunkten für einen theoretischen maximalen Förderstrom berechnet, der sich aus der Formel (2) ergibt.
• Zur weiteren Auslegung eines solchen Schraubenpropellerlaufrades wird die empirisch gefundene Beziehung H0 = n0·ua 2 (3) verwendet. Dabei ist H₀ die Nullförderhöhe, also die maximal erreichbare Förderhöhe bei Q = 0 m³/h, u_a ist die Umfangsgeschwindigkeit des Schraubenpropellerlaufrades am Außendurchmesser. Der Nulldruckkoeffizient n₀ bestimmt somit die Steilheit der Kennlinie und damit die erreichbaren Förderhöhen bei Förderströmen Q < Q_max und ist abhängig von der Bauform des Schraubenpropellerlaufrades und des Pumpengehäuses und wird experimentell validiert.
• Der volumetrische Wirkungsgrad η_v wird experimentell bestimmt. Er genügt der Formel Qmax = Qmax,th·ηv. (4)
• Ersetzt man in der Formel (4) den Faktor Q_max,th durch die Formel (2), erhält man einen Zusammenhang zwischen gewählter Geometrie und gemessener Kennlinie des Schraubenpropellerlaufrades in verschiedenen Gehäusebauformen mit unterschiedlichen Spaltweiten. Die Kenntnis über die Werte von n₀ und η_v bei gewählten Spaltweiten zwischen Schraubenpropellerlaufrad und Gehäuse sowie gewählter geometrischer Form und Beschaufelung sind, wie oben angesprochen, Gegenstand des Know-How der hier vorliegenden Erfindung.
• 3 zeigt beispielhaft Pumpenkennlinien für Axialpumpen mit Propeller einerseits und Axialpumpen mit Schraubenpropellerlaufrad andererseits. Man erkennt einen breiten Bereich optimaler Wirkungsgrade für Förderströme von etwa Q = 1000 bis 2600 m³/h beim Schraubenpropellerlaufrad. Hingegen ist beim Propeller ein ausgeprägter optimaler Förderstrom bei etwa Q = 2200 m³/h zu erkennen. Anhand der Kennlinie kann auch leicht festgestellt werden, daß etwa ab einem Förderstrom von Q = 2800 m³/h und darüber sowohl die Förderhöhe H als auch der Wirkungsgrad η deutlich über den Werten für den Propeller liegen. Für Betriebspunkte in diesem Einsatzbereich, was einer theoretischen spezifischen Drehzahl n_q > 500 1/min entspricht, stellt das Schraubenpropellerlaufrad somit eindeutig die bessere Wahl dar. Der Propeller würde weit hinter seinem Optimum betrieben werden.
• Es zeigt sich, daß das Schraubenpropellerlaufrad unabhängig von der Nennweite bei geringen Förderhöhen von weniger als 2 m einen besonders ruhigen Lauf hat. Aufgrund des Förderverhaltens, das eher einer Verdrängerpumpe ähnlich ist, zeigen sich auch durchaus akzeptable Wirkungsgrade in Richtung großer Förderströme. Der bei Propellerpumpen übliche instabile Kennlinienbereich wurde bei Schraubenpropellerlaufrädern nicht beobachtet.
• 4 zeigt eine Ansicht eines Schraubenpropellerlaufrades 10 mit drei Flügeln 12 von der Seite und von vorn. Das Schraubenpropellerlaufrad 10 schließt ein durch seine Bauform festgelegtes geometrisches Volumen V_vol ein. Dieses bestimmt zusammen mit der Nenndrehzahl n den theoretischen maximalen Förderstrom der Axialpumpe, der nach der Formel (2) berechnet wird.
• 5 zeigt ein Schnittbild einer Axialpumpe 100, die mit einem Schraubenpropellerlaufrad 10 gemäß 4 ausgestattet ist. Die Drehzahl der Axialpumpe 100 wird durch den Motor 20 bestimmt bzw. kann über eine entsprechende Steuereinheit eingestellt werden. Die geometrischen Abmessungen und Formgebungen des Schraubenpropellerlaufrads 10 können dem Bedarfsfall angepaßt werden. Auch die Gehäusebauform kann auf den jeweiligen Einsatzfall zugeschnitten werden.
• Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims (4)

1. Axialpumpe mit einem Laufrad für Betriebsbereiche bei theoretischen, spezifischen Drehzahlen größer als 500, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad ein Schraubenpropellerlaufrad ist.
2. Axialpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubenpropellerlaufrad für einen maximalen Förderstrom Q_max,th abgestellt ist, wobei Qmax,th = Vvol·n,wobei n die Nenndrehzahl und V_vol das geometrische Volumen des Schraubenpropellerlaufrades ist.
3. Axialpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der volumetrische Wirkungsgrad η_v und der Nulldruckkoeffizient n₀ des Schraubenpropellerlaufrades experimentell validiert sind.
4. Axialpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus volumetrischem Wirkungsgrad η_v, volumetrischer Auslegung und aus dem Nulldruckkoeffizient n₀ die Kennlinie des Schraubenpropellerlaufrades in verschiedenen Gehäusebauformen mit unterschiedlichen Spaltweiten festgelegt ist.