DE19510812A1 - Kreiselpumpe - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, in deren Gehäuse ein oder mehrere
Laufräder angeordnet sind, wobei im Bereich von den Laufrädern vorangestellten
Durchflußöffnungen strömungsführende Teile angeordnet sind.
Im allgemeinen sind bei Kreiselpumpen in einem Einlaufkrümmer, einem
Zulaufgehäuse, einer Saugleitung oder dergleichen sogenannte Leitrippen oder
Drallkreuze angeordnet, mit deren Hilfe die Zuströmung zum Laufrad verbessert
werden soll. Dies ist bei den verschiedensten Pumpenbauarten gebräuchlich,
sowohl mit radialer, als auch mit axialer Zuströmung zum Laufrad und auch bei
Pumpen mit und ohne durchgehender Welle. Mit Hilfe dieser Rippen wird eine
Stabilisierung der Pumpenkennlinie erreicht, indem eine drallbehaftete
Pumpenzuströmung gerichtet und dem Laufrad das Fördermedium weitgehend unter
einem konstanten Winkel zugeführt wird. Diese Rippen sind nach allgemeinen
strömungstechnischen Überlegungen dünn ausgeführt und verlaufen in radialer
Richtung überwiegend parallelwandig bzw. weichen nur sehr wenig von der
Parallelität ab.
Die strömungstechnischen Vorteile dieser Rippen beinhalten aber auch
herstellungstechnische Nachteile. Bei gegossenen Pumpengehäusen sind die
Rippen als Losteile in einen Kernkasten einzulegen und stellen einen zusätzlichen
Aufwand bei der Herstellung dar. Bei geschickter Anordnung einer Kernteilung
können die Rippen auch als stationäre Elemente vorgesehen werden. Dann sind sie
jedoch bei den Ausformvorgängen einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt. Weiterhin
sind die Rippen bruchgefährdet. Einerseits beim Ausformen eines gegossenen
Gehäuses und andererseits bei ungünstigen Betriebsverhältnissen, wenn
Schwingungen und Vibrationen entstehen können.
Weiterhin sind derartige Rippen einer Kavitationserosion ausgesetzt. Während des
Betriebes einer Kreiselpumpe in Mengenbereichen, die kleiner als die
Auslegemenge sind, bildet sich im Laufradeintritt ein sogenannter Teillastwirbel, der
mit der Drehrichtung des Laufrades rotiert. Der Teillastwirbel kann als eine
Strömung angesehen werden, die im Bereich des Laufradeintrittsdurchmessers das
Laufrad verläßt, dem Fördermedium entgegenströmt, um dann auf kleinerem
Durchmesser wieder in das Laufrad einzutreten. Gleichzeitig rotiert dieser
Teillastwirbel um die Drehachse des Laufrades im Bereich des
Laufradeintrittsdurchmessers. Befindet sich nun im Gehäuse im Bereich einer
Durchflußöffnung, die einem Laufradeintritt gegenüberliegt, eine Einlaufrippe oder
ein sogenanntes Drallkreuz, dann prallt der Teillastwirbel mit diesen Einbauten
jedesmal zusammen. Dadurch entsteht drehsinnabgewandt nach den Einbauten ein
Raum, in den sich, in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen, ein mehr oder
weniger starker Totraumwirbel bildet. Dies führt zu zusätzlichen Geräuschen
Schwingungen zum Bruch dieser Bauteile und auch zu Kavitationserosion. Letztere
kann im schlimmsten Fall eine Gehäusewandung zerstören.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für eine Laufradzuströmung eine
strömungsgünstige Lösung zu entwickeln, die bei einfachster fertigungstechnischer
Herstellung die obengenannten Nachteile vermeidet. Die Lösung dieses Problems
erfolgt mit den Merkmalen des Anspruches 1. Die erfindungsgemäße Lösung ergibt
ein strömungsführendes Teil, welches als Wandvorsprung der Umfangsfläche der
Durchflußöffnung geformt ist. Falls ein den Zulauf bildendes Gehäuseteil als
Blechformteil ausgebildet ist, dann kann das strömungsführende Teil wie eine Art
Sicke in den Durchflußquerschnitt hineingedrückt werden. Bei einer Ausbildung als
Einzelteil kann es in die Umfangsfläche übergehen. Sollte das Gehäuse als Gußteil
ausgebildet sein, dann kann unter Verzicht auf Einlegeteile die Kontur eines Kernes
so gestaltet sein, daß die Umfangsfläche der Durchflußöffnung die oben erwähnte
Form aufweist. Bei spanabhebender Bearbeitung der Durchflußöffnung wird der
Vorsprung in einfachster Weise herausgearbeitet. Durch den Übergang der Flächen
des strömungsführenden Teiles mit der Umfangsfläche der Durchflußöffnung ist eine
optimale Zuströmung zum Laufrad erreichbar, obwohl gegenüber einer bisherigen
Rippe der Querschnitt verkleinert wird. Diese Tatsache bedingt aber, wie Versuche
ergeben haben, keine Leistungseinbußen, sondern führt im Gegenteil zu einem
besseren Betriebsverhalten einer damit ausgerüsteten Kreiselpumpe. Besonders bei
Pumpen, deren Kennlinien im Bereich kleiner Mengen einen ungünstigen Verlauf
aufweisen, kann mittels der erfindungsgemäßen Gestaltung der Kennlinienverlauf
verbessert werden. Beispielsweise wurde festgestellt, daß in diesem Bereich flache
Kennlinien steiler bzw. stabiler wurden. Sogar instabile Kennlinienverläufe konnten
stabilisiert werden.
Im Vergleich mit konventionellen Lösungen, die zur Strömungsstabilisierung Rippen
vorsehen, wurde in überraschender Weise festgestellt, daß mit dem
erfindungsgemäßen Wandvorsprung eine Verbesserung des Geräusch- und
Kavitationsverhaltens eintrat. Der Vorsprung stellt somit eine sich direkt aus einer
Gehäusewandung herausentwickelnde Querschnittsveränderung dar.
Betriebsgefährdungen durch gebrochene Rippen werden somit in wirkungsvollster
Weise vermieden.
Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, daß von den Wandflächen eines
Wandvorsprunges zwei Flächen überwiegend in Strömungsrichtung verlaufen und
eine einem Laufrad gegenüberliegende Fläche quer zur Strömungsrichtung verläuft
oder daß ein Wandvorsprung durch mindestens drei in die Umfangsfläche einer
Durchflußöffnung übergehende Flächen gebildet ist. Der Wandvorsprung ist in
seiner Form vergleichbar mit einer Art Ecke oder einem pyramidenförmigen oder
pyramidenstumpfförmigen Körper. Dieser Körper befindet sich mit seiner
Grundfläche auf der Umfangsfläche der Durchströmöffnung und geht in die
Umfangsfläche über bzw. entwickelt sich aus ihr heraus. Von dem Wandvorsprung
verlaufen zwei Flächen in Strömungsrichtung und üben eine Leitfunktion auf die
Strömung aus. Eine dritte Fläche liegt dem Laufradeintrittsquerschnitt direkt
gegenüber und ist großflächig ausgebildet. Ein aus dem Laufrad austretender und
damit umlaufender Teillastwirbel prallt bei seinem Umlauf auf eine in radialer oder
strahlenförmig bzw. parallel dazu verlaufende Fläche des Wandvorsprunges, um im
Anschluß daran von der einem Laufrad gegenüberliegenden Fläche des
Wandvorsprunges in seiner Ausbreitung behindert zu werden. Für die Zeitdauer des
Vorbeistreichens dieses umlaufenden Teillastwirbels an der einem Laufrad
gegenüberliegenden Fläche wird die Wirbelintensität verringert. Im Drehsinn des
Laufrades betrachtet kann am Ende dieser Fläche der Teillastwirbel wieder aus dem
Laufrad ungehindert austreten, wodurch die Bildung eines bei Rippen üblichen
Totraumwirbels entscheidend reduziert wird. Von Totraumwirbeln verursachte
Kavitationsschäden an der Gehäusewandfläche können damit wirkungsvoll
vermindert werden.
Dies unterstützt auch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, nach der eine der in
Strömungsrichtung erstreckenden Flächen annähernd tangential zur
Umfangskomponente eines Laufrades verläuft. Damit wird ein Verlauf des
Wandvorsprunges gewährleistet, der einem Teillastwirbel den Austritt aus dem
Laufrad auf der größtmöglichen Fläche versperrt. Dieser Wandflächenverlauf öffnet
im Drehsinn des Laufrades erst den Zustrom zum Laufrad und danach den Austritt
eines Teillastwirbels aus dem Laufrad. Damit können die negativen Wirkungen eines
Teillastwirbels entscheidend verringert werden, wodurch die Pumpe eine geringere
Leistungsaufnahme benötigt. Demgegenüber stellt eine Rippe einem Teillastwirbel
nur einen geringen Widerstand dar, so daß er drehsinnabgewandt und nach der
Rippe negative Wirkungen ausüben kann.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung schließen die in
Strömungsrichtung verlaufenden Flächen des Wandvorsprunges zwischen sich
einen Öffnungswinkel ein, der im Bereich zwischen 75 und 130° liegt. Bei
Versuchen haben sich sehr gute Ergebnisse mit Winkeln ergeben, die im Bereich
um die 90° lagen. Die Übergänge zwischen den einzelnen strömungsführenden
Flächen sowie der Übergang in die Umfangsfläche der Gehäusewand weisen
entsprechende Verrundungsradien oder Fasen auf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird
im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Kreiselpumpe mit dem ersten Laufrad
vorangestellten Einlaufkrümmer, die
Fig. 2 am Beispiel einer axialen Zuströmung eine perspektive Ansicht einer
erfindungsgemäßen gestalteten Durchflußöffnung und die
Fig. 3-6 Varianten der Querschnittsform des Einlaufes.
In der Fig. 1 ist eine Kreiselpumpe gezeigt, deren Gehäuse 1 als Gußteil gestaltet ist
und über je einen integrierten Saugstutzen 2 und Druckstutzen 3 verfügt. Der
Saugstutzen 2 ist hierbei als Saugkrümmer ausgebildet, der für eine Umlenkung
eines einem Pumpenlaufrad 4 zuströmenden Fördermediums sorgt. Der Saugstutzen
2 oder Saugkrümmer kann auch als eigenständiges Bauteil ausgebildet sein,
welches beispielsweise am Gehäuse anflanschbar ist. Die Zuströmung zum
Gehäuse 1 ist auch aus axialer Richtung möglich. Die Kreiselpumpe selbst kann - wie
gezeigt - einstufig oder durch weitere, dem Laufrad 4 nachgeordnete Bauteile
auch mehrstufig ausgebildet sein. Bei mehrstufiger Bauart mit ein- oder mehrflutigen
und gegenläufigen Laufradanordnungen kann die erfindungsgemäße Gestaltung
ebenfalls Verwendung finden.
Das Gehäuse 1 bzw. der Saugstutzen 2 verfügt vor dem hier ersten Laufrad 4 über
eine Durchflußöffnung 5, durch die ein Fördermedium einen Saugstutzen 2 verläßt
und in ein Laufrad 4 eintritt. In dieser Durchflußöffnung 5 sind ein oder mehrere
Wandvorsprünge 6 angeordnet, die eine strömungsführende Funktion aufweisen.
Eine einem Laufrad 4 direkt gegenüberliegende Fläche C des Wandvorsprunges 6
behindert einen aus dem Laufrad 4 austretenden Teillastwirbel in seiner
Ausbreitung. Die Flächen des Wandvorsprung 6, von denen die hier sichtbare
Fläche A eine strömungsführende Funktion hat, sind in den nachfolgenden Figuren
näher erklärt.
In der Fig. 2 ist zwecks besserem Verständnis ein Ausschnitt aus einem axialen
Saugstutzen 2 gezeigt, dessen Durchflußöffnung 5 mit zwei Wandvorsprüngen 6
perspektivisch dargestellt ist. Der geradlinig verlaufende Pfeil entspricht dabei der
Durchflußrichtung eines zuströmenden Fördermediums. Der gebogene Pfeil
symbolisiert die Drehrichtung eines angrenzenden, aber nicht dargestellten
Laufrades. Der hier untere Wandvorsprung 6 ist nur teilweise sichtbar, während am
hier oberen Wandvorsprung 6 mit großen Buchstaben A-C dessen Flächen und mit
kleinen Buchstaben a-c dessen Seitenlinien gekennzeichnet sind.
Fläche C liegt einem Laufrad direkt gegenüber und verläuft quer zur
Strömungsrichtung. Der senkrechte Verlauf zur Drehachse des Laufrades ist nicht
zwingend, geringfügige Neigungen gegenüber einer Senkrechten sind ohne Einfluß.
Die beiden Flächen A und B dienen zur Strömungsführung des Fördermediums und
verlaufen in Strömungsrichtung. Die Flächen A und B stoßen im Bereich einer Kante
c aneinander und schließen zwischen sich einen Winkel ein. Dieser kann in der
Größenordnung von 75° bis 130° liegen. Der Verlauf der Flächen A-C muß nicht,
wie in den Figuren dargestellt, geradlinig und eben sein. Er kann auch anderes, zum
Beispiel leicht gekrümmt dreidimensional verlaufen. Ebenso können die Flächen
stufig, leicht abgesetzt oder ähnlich verlaufen.
Wird die Pumpe im Teillastbereich betrieben, dann tritt aus einem Laufrad ein
sogenannter Teillastwirbel aus, der in Drehrichtung des Laufes umläuft. In der
Darstellung der Fig. 2 würde ein sich in den Saugstutzen 2 hineinerstreckender
Teillastwirbel an der Fläche A abgebremst werden und durch die Fläche C in seiner
Ausbreitung behindert sein. Während der Zeitdauer des Vorbeistreichens an der
Fläche C wird durch die Fläche B, die annähernd tangential zur
Umfangskomponente eines Laufrades verläuft, der versperrte Querschnitt wieder
freigeben. Der Teillastwirbel hat bekanntermaßen die Eigenschaft, im Bereich der
Umfangsfläche von der Durchflußöffnung 5 aus dem Laufrad auszutreten und im
Bereich der Drehachse wieder zum Laufrad zurückzuströmen. Durch den Verlauf der
Fläche B wird, immer in Drehrichtung des Laufrades gesehen, für einen
umlaufenden Teillastwirbel erst der Zuströmquerschnitt zum Laufrad freigegeben
und danach erst der Austrittsquerschnitt für den Teillastwirbel freigegeben. Dieser
Verlauf der Fläche B vermindert in Verbindung mit der versperrenden Wirkung der
Fläche C die negativen Wirkungen eines Teillastwirbel in entscheidendem Maße.
Die Größe der Fläche C wird durch das Verhältnis der beiden Seitenlinien a, b
zueinander bestimmt. Die Seitenlinie a wird gebildet durch die aneinander
angrenzenden Flächen A und C und die Seitenlinie b wird gebildet durch die
aneinander stoßenden Flächen C, B. Das Verhältnis der Seitenlinien a zu b ist
gleich oder kleiner 1. Der in der Fig. 2 dargestellte Wandvorsprung 6 hat bezüglich
seiner Form die Ähnlichkeit mit einer schiefwinkligen Pyramide.
Ausführungsformen, bei denen die Seitenlinien a-c durch Abrundungsmaßnahmen
nicht mehrlinienförmig, sondern zwei- oder dreidimensional flächenförmig gestaltet
sind, wirken erfindungsgemäß. Um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu erhalten,
wurde von einer Abbildung der Seitenlinien a-c in Form von verbindenden
Seitenflächen abgesehen. Dies könnte beispielsweise der Fall sein, wenn im
Zusammenhang mit dem Entfernen von Graten an den Seitenlinien a-c eine mehr
oder weniger breite Fase angebracht wird.
In den Fig. 3-6 sind verschiedene Querschnittsformen einer Durchflußöffnung 5
dargestellt. Diese entsprechen einem Schnittverlauf wie er in der Fig. 1 mit III-VI
dargestellt ist. Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Saugstutzen 2 als
Blechformteil ausgebildet ist. In einem solchen Fall kann der Wandvorsprung 6
durch geeignete Werkzeuge in die Wandfläche eingedrückt werden. Somit
entwickeln sich die Flächen A, B direkt aus der Wandfläche bzw. Umfangsfläche, die
die Durchflußöffnung 5 umgibt. Der gebogene Pfeil gibt wieder die Drehrichtung des
Laufrades an, welches oberhalb der Zeichenebene befindlich wäre. Ein aus dem
Laufrad austretender und mit diesem um laufender Teillastwirbel würde an der hinter
der Seitenlinie a befindlichen und hier senkrecht auf der Zeichenebene stehenden
Fläche A abgebremst werden. Eine von den Seitenlinien a, b und dem Umfang U
begrenzte Fläche C hindert den Teillastwirbel in seiner Ausbreitung. Die Flächen C
sind in der Fig. 3 nur schematisch dargestellt, da sie aufgrund des
Schnittlinienverlaufes nicht sichtbar sind.
In ihrem Aufbau entsprechen die Gegenstände der Fig. 3-6 einander weitgehend.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der der Saugstutzen 2 als
Gußkonstruktion ausgebildet sein kann. Der Gegenstand der Fig. 5 zeigt eine
Ausführungsform, bei der ein Wandvorsprung 6 durch spanabhebende Bearbeitung
herausgearbeitet werden kann und in der Fig. 6 ist der Wandvorsprung 6 als
separates Einzelteil in einen Saugstutzen eingesetzt. Dessen Befestigung kann hier
durch bekannte Mittel von außen erfolgen. In den Fig. 5 und 6 ist auch erkennbar,
daß die Seitenlinien a, b bzw. die daran angrenzenden Flächen A, B zwischen sich
einen unterschiedlichen Winkel ε einschließen können. Eine Winkelhalbierende
dieses Winkels ε geht nicht durch die Drehachse des Laufrades, vielmehr verläuft
sie deutlich außerhalb derselben. Ebenso ist erkennbar, daß die Neigung der
Wandflächen geringfügig variiert. Hierbei sollte die an die Seitenlinie b angrenzende
Wandfläche B zur Umfangskomponente eines Laufrades annähernd tangential
verlaufen, um so die Bildung von Kavitationsschäden verursachenden
Totraumwirbeln, in Drehrichtung gesehen im Bereich hinter dem Wandvorsprung 6,
zu verhindern.
Claims (8)
1. Kreiselpumpe, in deren Gehäuse ein oder mehrere Laufräder angeordnet sind,
wobei im Bereich von den Laufrädern vorangestellten Durchflußöffnungen
strömungsführende Teile angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein
strömungsführendes Teil als Wandvorsprung (6) ausgebildet ist, daß zwei in
Strömungsrichtung verlaufende, in die Umfangsfläche einer Durchflußöffnung
(5) übergehende Flächen (A, B) des Wandvorsprunges (6) zwischen sich einen
Winkel (ε) einschließen, wobei Seitenlinien (a, b) der den Winkel (ε)
einschließenden Flächen (A, B) ein Verhältnis von a/b 1 aufweisen und
daß die Seitenlinien (a, b) in Verbindung mit einem Teil des Umfanges der
Durchflußöffnung (5) eine Wandfläche (C) einschließen.
2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den
Flächen (A, B, C) eines Wandvorsprunges (6) zwei Flächen (A, B)
überwiegend in Strömungsrichtung verlaufen und eine einem Laufrad (4)
gegenüberliegende Fläche (C) quer zur Strömungsrichtung verläuft.
3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Wandvorsprung (6) durch mindestens drei in die Umfangsfläche einer
Durchflußöffnung (5) übergehende Flächen (A, B, C) gebildet ist.
4. Kreiselpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der sich
Strömungsrichtung erstreckenden und in die Umfangsfläche einer
Durchflußöffnung (5) übergehende Fläche (B) deren Seitenlinie (b) annähernd
tangential zur Umfangskomponente eines Laufrades (4) verläuft.
5. Kreiselpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der sich in
Strömungsrichtung erstreckenden Fläche (A) und deren Seitenlinie (a) auf der
Umfangsfläche der Durchflußöffnung (5) stehen.
6. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die in Strömungsrichtung verlaufenden Flächen (A, B) des
Wandvorsprunges (6) zwischen sich einen Winkel (ε) einschließen, der im
Bereich zwischen 75° und 130° liegt.
7. Kreiselpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Winkelhalbierende des Winkels (ε) außerhalb der Drehachse des Laufrades
verläuft.
8. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Seitenlinien (a-c) einen flächenförmigen Verlauf aufweisen.
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