DE1728379A1

DE1728379A1 - Schleuderpumpe

Info

Publication number: DE1728379A1
Application number: DE19621728379
Authority: DE
Inventors: Nichols Kenneth E; Anthony Malgieri; Hall Clifford N
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1961-02-20
Filing date: 1962-02-20
Publication date: 1972-01-05
Also published as: US3162135A; GB955438A; DE1528809A1

Description

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SUNDSTRAND INTERNATIONAL CORPORATION S. A. Fribourg/ Schweiz

Schleuderpumpe

Die Erfindung betrifft Schleuderpumpen zur Verwendung in den Fällen, die eine höchstmögliche Betriebssicherheit erfordern, beispielsweise in Flugzeugen.

Die vorliegende Patentanmeldung stellt eine Ausscheidungsanmeldung der am 20. Februar 1962 eingereichten Parallelanmeldung P 15 28 809.2 dar.

Bei Flugmotoren und Anlagen im Flugzeug werden Schleuderpumpen in verschiedener Weise verwendet. Einige dieser Anwendungsgebiete sind z.B. Ölpumpen für Schmiersysteme, Pumpen für hydraulische Steuereinrichtungen und Wasserpumpen für Wassereinspritzsysteme. Bei Verwendung von Pumpen in Flug-

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zeugen muß darauf geachtet werden, die Möglichkeit des Veraagens im Flugbetrieb auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Gleichzeitig sollen die Pumpen einen höchstmöglichen Wirkungsgrad haben, so daß sie den an sie gestellten Anforderungen Rechnung tragen können, jedoch für ihren Betrieb einen geringetmöglichen Leistungsaufwand notwendig machen.

Erfindungsgemäß wird eine verbesserte Schleuderpumpe mit einem hohen Wirkungsgrad und mit einem Gefällkoeffizienten, der größer ist als jener bei den vorbekannten Pumpen, geschaffen.

Der Gefällkoeffizient ist das Gesamtgefälle geteilt durch die Geschwindigkeitshöhe an einem gegebenen Punkt. Zu diesem Zwecke ist erfindungsgemäß ein vorgewählter Ringraum zwischen den Spitzen der Laufradschaufeln und dem sie umgebenden Gehäuse vorgesehen, so daß der Gefäll-koeffizient optimal ist.

Inabesondere wird erfindungsgemäß eine Schleuderpumpe geschaffen, die einen Satz sich radial erstreckender Laufradschaufeln, die an einer Nabe befestigt sind und Spitzen haben, die bei deren Drehung eine zur Mittelachse der Nabe konzentrische, im wesentlichen zylindrische Oberfläche bilden, sowie ein Laufradgehäuse mit einem das Laufrad umgeben-

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den Ringraum aufweist, wobei die zu den Laufradspitzen hin offene Seite des Ringraumes eine im wesentlichen zylindrische Ebene bildet, die zu der den Schaufeln zugewandten Mittelachse parallel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schaufelspitzen gebildete zylindrische Oberfläche und die durch die Offenseite des Ringraumes gebildete zylindrische Oberfläche in einer gemeinsamen Ebene liegen und daß der Ringraum in der Richtung der Mittelachse eine Axialbreite hat, die im wesentlichen das Doppelte seiner Höhe beträgt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist der Ringraum einen halbkreisförmigen Querschnitt auf, der dem Durchmesser der Diffusorverengung gleich ist.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht in einer senkrechten Ebene durch die Mittelachse einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Pig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 der Pig. 1; Pig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der Pig.

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Wie Flg. 1 zeigt, ist ein Schleuderpumpengehäuse mit einen Deckel 10, einem Basiselement 11 und einen Abdichtungselement 12 an einem Träger 13 befestigt. Der dargestellte Bolzen 14 ist einer von einer Anzahl Bolzen, die zur Befestigung des Gehäusedeckels 10 am Träger 13 dienen. Im Träger ist eine Laufradantriebswelle 15 durch eine Lagerhülse 16 drehbar gelagert. In das Gehäusebasi sei einen t 11 ist ein Sichtungsring 17 in eine für diesen Zweck vorgesehene Nut eingesetzt, um ein Lecken des Strömungsmittels zwischen dem Gehäusedeckel 10 und dem Basiselement 11 zu verhindern. Das Abdichtungselement 12 liegt gegen das Basiselement 11 an und ist mit einem Dichtungsring 19 versehen, der sich in einer Nut 20 befindet, um ein Lecken des Strömungsmittels zwischen diesem und dem Gehäusedeckel 10 zu verhindern.

An das eine Ende 4er Welle 15 ist eine Laufradnabe 21 durch einen Bolzen 22 befestigt. An der Nabe 21 ist ein Satz von acht Laufradschaufeln befestigt, von dem eine Laufradschaufel 23 und eine Laufradschaufel 24 in Fig. 1 gezeigt sind· Der ganze Satz von Laufradschaufeln 23 bis 29b ist in FLg. dargestellt. Jede Schaufel ist an ihrer Vorderseite mit einem großen Halbmesser abgerundet, so daß eine dünne Sohaufelspitze erhalten wird.

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An der Hinterkante jeder Schaufel ist eine starre Versteifung befestigt. In Fig. 1 ist eine Versteifung 30 an der Laufradschaufel 23 und eine Versteifung 31 an der Laufradschaufel 24 befestigt gezeigt. Die übrigen sechs Versteifungen an den anderen sechs Schaufeln sind in den Zeichnungen nicht dargestellt. Wenn die Schaufeln mit der Nabe zur Drehung angetrieben werden, drehen sich die Versteifungen in einer Ausnehmung 32. Im G-ehäusedeckel 10 ist ein Ringraum 33 von halbkreisförmigem Querschnitt vorgesehen, welcher die Spitzen der Laufradschaufeln umgibt. Auch ein rechteckiger oder viereckiger Ringraum könnte vorgesehen sein.

Ein Ansaugkanal 34 bildet einen Durchlaß, durch welchen das Strömungsmittel zu den Laufradschaufeln angesaugt wird. Auf der Welle 15 ist ein Schleuderring 35 drehfest angeordnet. In einer Nut 37 zwischen der Welle 15 und dem Schleuderring 35 befindet sich ein Dichtungsring 36, um ein Lecken des Strömungsmittels längs der Welle 15 zu verhindern. Auf der Welle 15 ist benachbart dem Schleuderring 35 eine Scheibe befestigt. Ein Haltering 39 ist auf der Welle 15 zwischen der Scheibe 38 und einer Schulter 40 der Antriebswelle 15 angeordnet.

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Wie Fig. 2 zeigt, ist ein Diffusor 41 in eine Bohrung 42 des Gehäusedeokels 10 eingesetzt. Ein Verriegelungsbolzen 43, der in eine öffnung 44 im Gehäuse 10 eingeschraubt ist, dient zur Sicherung des Diffusors 41· Ein Diffusorverengungselement 45 ist in eine Ausnehmung 46 des Diffusors 41 eingesetzt.

Der Ringraum 33 besitzt einen gleichbleibenden Halbmesser von der Mitte der Nabe 21 mit Ausnahme eines ringförmigen Abschnittes 47 vor der Diffusorverengung 48. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, weicht dieser Abschnitt 47 des Ringraumes 33 von dem gleichbleibenden Halbmesser mit einer kurzen logarithmischen Spirale ab, um die Verbindung mit der Diffusorverengung 48 im Diffusorverengungselement 45 herzustellen.

An die Diffusorverengung 48 schließt sich ein erster konischer Teil 49 an, der einen optimalen Konuswinkel hat. Der erste konische Teil 49 mündet in einen zweiten konischen Teil 50, der einen größeren Konuswinkel hat.

In Fig. 1 ist ein Satz von Leckkanälen gezeigt, die im Gehäusebasiselement 11 vorgesehen sind. Zwischen dem Abdichtungselement 12 und dem Träger 13 ist ein Hohlraum 52 vorgesehen. Der Hohlraum 52 steht mit einem Satz von Ableitöffnungen in Verbindung. Eine dieser AbIeitöffnungen 53 ist in Hg. 1 gezeigt*

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Fig. 3 zeigt einen Satz von Schaufeln 54, welche einen Teil des Schleuderringes 35 "bilden.

Das zu pumpende Strömungsmittel, "beispielsweise Öl, Wasser oder dgl. wird durch den Kanal 34 zu den Laufradschaufeln angesaugt. Die laufradschaufein werden von einer geeigneten nicht gezeigten Kraftquelle über die Antriebswelle 15 und die Nabe 21 angetrieben. Die dem Strömungsmittel durch die Drehung der Laufradschaufel mitgeteilte Fliehkraft verdrängt dieses in den Ringraum 33 von halbkreisförmigem Querschnitt und in den Diffusor 4L Der Diffusor wandelt die dem Strömungsmittel durch die Drehung der Laufradschaufeln mitgeteilte kinetische Energie in Strömungsmitteldruck um.

Die Versteifungen, wie sie bei 30 und 31 dargestellt sind, verringern die Schaufeischwingungen und damit die Möglichkeit eines Ermüdungsbruches. Da sie in der Aussparung 32 laufen, wird durch sie die Arbeitsweise der Laufradschaufeln nicht beeinträchtigt. Die Verwendung einzelner Versteifungselemente statt eines vollständigen Flansches oder einer Ummantelung ist ein wichtiger Vorteil, da der Druck an der Wellendichtung viel geringer ist als der maximale Druck, welcher im Ringraum 33 besteht.

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Zur Erzielung eines maximalen Gefällkoeffizienten ist das Spiel zwischen den Schaufelspitzen und dem sie umgebenden Gehäuse sorgfältig gewählt worden. Der Gefällkoeffizient ist das Gesamtgefälle geteilt durch die Geschwindigkeitshöhe, U /2g, worin U die Geschwindigkeit der Schaufelspitzen in Fuß/sec (1 Fuß = 0,304801 m) ist. Die vorliegende Pumpe ergibt einen maximalen Gefällkoeffizienten, indem ein Ringraumspiel vorgesehen ist, das etwa die Hälfte bis zwei Drittel des Durchmessers des Diffusors beträgt. Da der Durchmesser des Diffusors etwas kleiner als die Breite der Schaufelspitzen sein soll, muß der Ringraum (zur Erzielung eines maximalen Gefällkoeffizienten) etwa die Hälfte ihrer Breite betragen, ganz gleich ob viereckig oder rechteckig, obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform als rund oder halbkreisförmig offenbart.

Ist das kreisringförmige Spiel zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse viel kleiner als die Hälfte der Breite der Schaufelspitzen, so hat das aus der Schaufel austretende Strömungsmittel keine Gelegenheit, eine "kreisringförmige Diffusion" vor dem Eintritt in die Diffusorverengung durchzumachen. Ohne solche kreisringförmige Diffusion ist der Strömungseintritt in die Verengung sehr rauh, da die Laufradschaufeln zu nahe daran laufen. Dies erhöht die Wahr-

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seheinlichkeit, daß die Pumpe Störgeräusche erzeugt und über eine Herabsetzung des maximalen Gefällkoeffizienten hinaus auch eine Diffusion durch den ganzen Hohlraum bewirkt. Ist das kreisringförmige Spiel zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse wesentlich größer als die Hälfte der Breite der Schaufelspitzen, so wird die Geschwindigkeit des zwangsläufigen Wirbels am Eingang der Diffusorverengung übermäßig herabgemindert und der Gefällkoeffizient herabgesetzt.

In den beiden oben beschriebenen Fällen wird der Gefällkoeffizient der Pumpe bei nichtoptimalem Spiel herabgesetzt.

Während Vorteile sowohl durch den rechteckigen als auch durch den halbkreisförmigen Querschnitt des Ringraumes 33 erzielt werden, hat der Ringraum mit einem halbkreisförmigen Querschnitt nach der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform einen kleinen Vorteil gegenüber dem viereckigen Querschnitt sowie wahrscheinlich auch einen kleinen Vorteil bezüglich des Wirkungsgrades. Der Grund dafür ist, daß der halbkreisförmige Querschnitt einen geringeren benetzten Umfang aufweist und somit weniger Viskositätswiderstandsverluste in der Pumpe hervorruft. Dieser Querschnitt ermöglicht auch einen besseren Eintritt des Strömungsmittels in die Diffusorverengung. Bei einem Durchmesser, des Ringraumquerschnittes, der gleich

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dem Verengungsdurchmesser des Diffusors 41 ist und falls die Diffusorverengung 48 verhältnismäßig frei von Unstetigkeiten ist, werden die besten Diffusoreinlaßbedingungen erhalten. Der Ringraum 33 von halbkreisförmigem Querschnitt erhöht daher die Druckrückgewinnung im Diffusor 41· Diese beiden Wirkungen erhöhen den Pumpenwirkungsgrad.

Die Abrundung der Vorderseiten der Laufradschaufeln zu einer möglichst dünnen Spitze mit einem großen Halbmesser setzt Störungen der Strömung, wenn sich die Schaufelspitzen am Diffusoreinlaß vorbeidrehen, auf ein Mindestmaß herab.

Der erste konische Teil 49 des Diffusors 41 soll einem optimalen Diffusorwinkel haben. Da es bei den meisten Flugzeuganlagen undurchführbar ist, den Diffusor so ausreichend lang zu bauen, daß der optimale Konus den Durchmesser einer Förderleitung erreicht, ist der zweite konische Teil 50 mit einem geringfügig größeren Konuswinkel als dem optimalen ausgebildet. Der Doppelkonus setzt daher die Verengungsgeschwindigkeit auf die Förderleltungsgeschwindigkeit ohne plötzliche Unstetigkeiten im Strömungsweg mit einer kürzeren Länge herab, als es möglich sein würde, wenn der Konus mit dem optimalen Winkel ausreichend weit geführt sein würde, um den Durchmesser einer Förderleitung zu erhalten. Durch die

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verringerte Länge des Diffusors wird die Oberflächenreibung verringert, wodurch die Diffusorreibung im zweiten Konus 50 teilweise herabgesetzt wird.

Der kurze logarithmische spiralige Abschnitt 47, der im Gehäuse vor der Diffusorverengung 48 herausgearbeitet ist, bildet einen Weg für das die Schaufeln verlassende Strömungsmittel, so daß dieses zur Diffusorverengung strömen kann, ohne daß aus dem Weg heraus verdrängt wird, den es natürlicherweise das Bestreben hat, zu folgen.

Das in Fig. 1 und 3 gezeigte Schleuderelement 35 bildet eine dynamische Wellenabdichtung. Der Ansaugdruck wird gegen die rechte Fläche des Schleuderelementes 35 am Außendurchmesser der Welle wirksam. Die dem Schleuderelement 35 zugekehrte Seite des Gehäusebasiselementes 11 ist glatt, so daß dem Strömungsmittel ein verhältnismäßig niedriger Druck mitgeteilt wird. Das Strömungsmittel hat daher am äußeren Durchmesser des Schleuderelementes 35 einen Druck, der nur geringfügig höher ist, als der Ansaugdruok. Die Schaufeln 54 an der linken Seite des Schleuderelementes 35 können dem von ihnen eingeschlossenen Strömungsmittel einen beträchtlichen Druck mitteilen. Das Strömungsmittel nimmt daher seinen Weg auf der linken Seite des Schleuderelementes nur so ausrei-

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chend weit nach unten, daß am Außendurchmesser des Schleuderelementes ein Druck erzeugt wird, der gleich dem Ansaugdruck plus der Druckerhöhung auf der rechten Fläche des Schleuderelementes 35 ist. Die Leckkanäle 51 bilden Wege für den Rückfluß des Strömungsmittels zu den Laufradschaufeln.

Wenn Strömungsmittel der Pumpe zugeführt wird, während sich diese im Stillstand befindet oder mit geringer Geschwindigkeit dreht, tritt es durch die dynamische Abdichtung hindurch und setzt seinen Weg längs der Welle 15 fort· Das Spiel zwischen dem Abdichtungselement 12 und dem Schleuderelement ist gering. Duroh dieses Spiel hindurchtretendes Strömungsmittel muß dies daher mit einer geringen Geschwindigkeit tun im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit welcher der Hohlraum 52 zwischen dem Abdichtungselement 12 und dem Träger 13 und die Ableitöffnungen 53 das Lecken des Strömungsmittels ableiten können. Auf diese Weise wird die Notwendigkeit für eine mechanische Abdichtung zwischen dem Pumpengehäuse und der Antriebswelle 15 ausgeschaltet. Die Scheibe 38 lenkt Strömungsmittel, das durch das Spiel zwischen dem Abdichtungselement 12 und dem Schleuderelement 35 in den Hohlraum 52 versprüht wird, zu den Ableitöffnungen um.

Da der Diffusor ein gesonderter Bauteil ist, kann er rasch ausgewechselt werden, wenn ein Ersatz notwendig wird. Außer-

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dem wird eine Anpassungsfähigkeit durch das Auswechseln der Pumpenlauf räder ermöglicht, während gleichzeitig ein richtiges tangentiales Verhältnis zwischen den Laufradsehaufeln und der Diffusorverengung 48 aufrechterhalten wird. Ferner kann ein in höherem Maße korrosionsbeständiges Material für den Diffusor verwendet werden, als für den Bau des ganzen Gehäuses erwünscht ist.

Da der Verengungseinsatz 45 ebenfalls ein gesonderter Teil ist, kann er aus einem Material, wie Keramik oder Wolframcarbid, hergestellt werden, ohne daß der ganze Diffusor aus einem solchen Material hergestellt zu werden braucht. Es wurde festgestellt, daß die Diffusorverengung in einem wesentlich höherem Maße einer Anfressung ausgesetzt ist als irgendein anderer Teil der Schleuderpumpe.

Patentansprüche

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Claims

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1. Schleuderpumpe, die einen Satz sich radial erstreckender Laufradschaufeln, die an einer Nabe befestigt sind und Spitzen haben, die bei deren Drehung eine zur Mitbel&chse der Nabe konzentrische, im wesentlichen zylindrische Oberfläche bilden, sowie ein Laufradgehäuse mit einem das Laufrad umgebenden Ringraum aufweist, wobei die zu den Laufradspitζen hin offene Seite des Ringraumes eine im wesentlichen zylindrische Ebene bildet, die zu der den Schaufeln zugewandten Mittelachse parallel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schaufelspitzen gebildete zylindrische Oberfläche und die durch die Ofienseite des Ringraumes gebildete zylindrische Oberfläche in einer gemeinsamen Ebene liegen und daß der Ringraum (33) in der Richtung der Mittelachse eine Axialbreite hat, die im wesentlichen das Doppelte seiner Höhe beträgt.

2. Schleuderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (33) einen halbkreisförmigen Querschnitt hat.

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