DE2500854A1

DE2500854A1 - Schaufel fuer ein schaufelrad einer hochleistungs-zentrifugalpumpe

Info

Publication number: DE2500854A1
Application number: DE19752500854
Authority: DE
Inventors: Eduard Kamelmacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-01-11
Filing date: 1975-01-10
Publication date: 1975-07-17
Also published as: US3964840A; GB1495708A

Description

GLAWE, DELFS, MOLL & PARTNER

PATENTANWALTE25QQ854

DR.-ING. R. GLAWE₁ MÖNCHEN DIPL-ING. K. DELFS, HAMBURG DIPL-PHYS. DR. W. MOLL, MÖNCHEN DIPL-CHEM. DR. U. MENGDEHL, HAMBURG

8 MÖNCHEN POSTFACH 37 LIEBHERRSTR. 20 TEL. (089) 22 65 TELEX 52 25 05 spez

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Eduard Kamelmacher Bexley, Kent / England

Schaufel für ein Schaufelrad einer Hochleistungs-Zentrifugalpumpe

Die Erfindung betrifft eine Schaufel eines Schaufelrades für Hohleistungs-Zentrifugalpumpen.

Die Schaufel ist besonders geeignet zur Anwendung bei Zentrifugalpumpen, die im Bereich von annähernd 3.000 bis 30.000 Umdrehungen pro Minute arbeiten.

Bei der Konstruktion von Hoehleistungs-Zentrifugalpumpen für verschiedene Zwecke ist es üblich, den Rotor mit einer Vielzahl von Schaufeln zu versehen, die in bezug auf die

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Drehachse im wesentlichen radial angeordnet sind. Die Schaufeln selbst sind im allgemeinen von solcher Art, daß sie zueinander parallele Vorder- und Rückseiten haben, und damit eine flache Schaufel darstellen, die eine ebene Fläche in Pumprichtung und eine ebene Fläche von der Pumprichtung abgewandt aufweist.

Diese Art von Zentrifugalpumpe litt an einer Vielzahl von Nachteilen, insbesondere dem in der Größenordnung von 55 - 5Q% liegenden niedrigen Wirkungsgrad der Pumpe, der Verminderung der Druckhöhe bei niedrigen Durchflußgeschwindigkeiten der Pumpe, und der Tatsache, daß ein hoher NPSH-Wert wegen der Stoßverluste im Ansaugteil gerade beim vorgeschriebenen Durchfluß benötigt wird.

Außerdem weisen Radialschaufeln den Nachteil auf, daß die Schaufel zur Unterstützung der vollen Reaktionskraft der gepumpten Flüssigkeit ihre eigene Baufestigkeit benötigt ". und der Ausgleich dieser Kraft nicht anderweitig erreicht werden kann..

Die Erfindung stellt eine Schaufel für einen Zentrifugalrotor dar, die im Vergleich zum bekannten Radialschaufelrad in gewisser Hinsicht eine vorteilhafte Konstruktion aufweist.

Erfindungsgemäß weist eine Schaufel für einen Zentrifu-

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galpumpenrotor ein Druckende oder eine Schaufel spitze auf, die auf einem ersten Radius durch die Schaufeldrehachse liegt, ein Ansaugende, das gegenüber dem Druckende auf einem zweiten Radius durch die Schaufeldrehachse sich befindet, dem ersten und zweiten Radius, die einen Winkelabstand aufweisen, wobei der zweite Radius in Richtung der beabsichtigten Schaufeldrehung vorne liegt, und einer zwischen dem Druckende und dem Ansaugende liegenden Pumpfläche, die einen konvexen Teil anschließend an das Druckende aufweist und in einen konvexen Teil anschließend an das Saugende übergeht.

Der w'inkelabstand zwischen dem ersten und zweiten Radius kann im Bereich von 30 - 100° liegen, vorzugsweise 70 - 92°.

Das Ansaugende der Schaufel kann gegenüber der Drehachse von der einen Seite der Schaufel zur anderen geneigt sein, wobei der Neigungswinkel des Ansaugendes der Schaufel gegen die Drehachse im Bereich von 15 - 61° liegt, vorzugsweise 30 - 55°. Der Winkel, der bestimmt ist durch die Tangente an die Pumpfläche der Schaufel an ihrem Ansaugende und der Tangente in diesem Punkt an einem Kreis mit Zentrum in der Drehachse und einem Radius, der dem Abstand des Ansaugendes der Schaufel von der Drehachse entspricht, kann im Bereich von 25 - 90° liegen, vorzugsweise 30 - 50°, der Winkel, der definiert ist durch die Tangente an die Pumpfläche der Schaufel am Neigungsanfang des Ansaugendes der Schaufel und der Tangente in diesem Punkt an einen Kreis mit Zentrum in der Drehachse und

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einem Radius, der dem Abstand der Neigung von der Drehachse entspricht, kann im Bereich von 15-35 liegen, vorzugsweise 15 - 25°, und der Winkel, der definiert ist durch die Tangente an die Pumpfläche der Schaufel an ihrem Druckende und der Tangente in diesem Punkt an den Kreis mit Zentrum in der Drehachse und einem Radius, der dem Abstand zwischen dem Druckende der Schaufel und der Drehachse entspricht, kann im Bereich von 60 - 100° liegen, vorzugsweise 80 - 100°.

Die Erfindung schließt auch einen Rotor mit solchen Schaufeln für eine Zentrifugalpumpe ein.

Die Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Schaufel eines erfindungsgemäßen Rotors;

Fig. 2 eine Ansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1, und

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Rotors mit zwölf Schaufeln der in den Fig. 1 und 2 einzeln dargestellten Art.

Obwohl sich die Schaufeln des Rotors von Fig. 3 in radialer Richtung betrachtet überlappen, ist einsichtig, daß an-

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grenzende Schaufeln in beiden Fig. 1 und 2 der Klarheit wegen weggelassen wurden.

Wie aus den Zeichnungen zu ersehen ist, springen die Schaufeln 1, deren Konstruktion in den Fig. 1 und 2 gezeigt wird, aus einer*Rotorscheibe 2 (Fig. 3) vor, die dann wiederum auf einer Rotorwelle gelagert ist, die nicht gezeigt ist, aber deren Achse in 3 gekennzeichnet wurde. Den Fuß oder Wurzelteil der Schaufel 1 beinhaltet der untere Teil der Scheibe 2, der sich in eine Ringanordnung zur Befestigung auf der Pumpenwelle erstreckt. Die Schaufel 1 selbst hat eine Spitze 4, die auf dem Radius A sich befindet und das Druckende der Schaufel darstellt, und ein Ansaugende 5, das das andere Ende der Schaufel darstellt, welches auf einem zweiten Radius B liegt und an die Ansaugöffnung der Pumpe (nicht gezeigt) angrenzt. Die Position /&er beiden Schaufelenden relativ zu einander werden bestimmt durch den Winkel φ zwischen den entsprechenden Radien A und B, der sich bei umfassenden Bedingungen auf 30 - 100° beläuft (vorzugsweise 70 - 92°).

Zwischen diesen Enden bestimmt die Schaufel eine Pumpfläche 6, die aus zwei Teilen besteht, einem konkaven Teil 7, der sich von der Spitze 4 zu einem Punkt 8, etwa in der Mitte der Schaufel 1, und einem konvexen Teil 9, der sich von da an bis zum Ansaugende 5 der Schaufel erstreckt. Wie aus Fig. 1 ersehen werden kann, nimmt diese Fläche 6 auf ihrer ganzen

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Länge die Form einer sanften Kurve an.

Aus Fig. 2 kann ersehen werden, daß die Schaufel, aus der Sicht einer Ebene im rechten Winkel zu der Drehachse, einen relativ engen Teil an der Spitze aufweist, der sich zum weitesten Teil in 10 ausweitet. Dieser Punkt 10 ist auf gleicher Höhe mit den äußeren Abmessungen der Ansaugöffnung in die Pumpkammer. Von dem Punkt 10 aus weist die Schaufel einen abgeschnittenen Teil auf, der sich in einer Richtung im wesentlichen quer zur Flußrichtung von der Ansaugöffnung her erstreckt, um den unteren Teil der Scheibe 2 im Punkt 13 auf dem Radius B zu schneiden.

Der Winkel γ dieses abgeschnittenen Teiles mit Bezug auf die axiale Drehrichtung ist in der Größenordnung von 15 (vorzugsweise 30 - 55°). Die besondere Gestalt der Schaufel ist grundlegend wie folgt definiert mit Bezug auf die Winkel ß„, Q_n und B_x.

Der Winkel ß^ ist definiert durch den Winkel zwischen der Tangente an die Schaufel in ihrem Ansaugende, und der Tangente an den Kreis, der die Achse 3 als sein Zentrum aufweist und dessen Kreisumfang durch den fraglichen Punkt hindurchgeht. Er hat einen Bereich von 25 - 90° (vorzugsweise 30 - 50°).

Der Winkel ßp kennzeichnet den Winkel zwischen der Tan-

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gente an die Schaufelfläche im Punkt 10 der größten axialen Breite der Schaufel und somit in dem Punkt, wo die Schaufel vermindert wird, und der Tangente an den durch diesen Punkt gehenden Kreis um die Rotorachse. Er hat einen Bereich von 15 - 35° (vorzugsweise 15 - 25°).

ß, ist der Winkel zwischen der Tangente an die Spitze der Schaufel und der Tangente an den Kreis um die Achse 3 und stellt die Stellung der Schaufelspitze dar. Q-, bewegt sich im Bereich 60 - 100° (vorzugsweise 80 - 100°). Das untere Ende der die Schaufel tragenden Scheibe erstreckt sich hinunter bis zur Wellenachse 3 und endet auf der einen Seite mit einer Art Kappe 11, die das Ende der Rotorwellenbohrung 12 darin abdeckt.

Die Konstruktion der Schaufel vermindert die Stoßverluste beim Ansaugen der Pumpe und ist so gestaltet, daß ihr äußeres oder Druckende sich in ziemlicher Nähe von dem Pumpendiffusor befindet, in dem der Rotor angebracht werden soll.(nicht gezeigt). Der Mittelpunkt der Befestigung der Schaufel an der Scheibe liegt nicht, wie auch gesehen werden kann, auf derselben Radiallinie wie die Spitze der Schaufel,und außerdem befindet sich hinter jeder Schaufel eine Art Ausschnitt aus der Scheibe, um den Axialschub auszugleichen und die Reibungsverluste zu vermindern. Die zum Mittelpunkt der Befestigung versetzte Positionierung der Spitze der Schaufel bedeutet, daß die Zentrifugalkraft der Schaufel nicht nur eine

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nach außen gerichtete Radialkomponente auf den Radius in diesem Punkt hat, sondern auch eine Komponente, die sich in Rich tung des Umfanges gegen die Druckkraft der gepumpten Flüssigkeit erstreckt. Auf diese Weise kann die der Pumpenkonstruktion anhaftende Zentrifugalkraft wenigstens zu.einem gewissen Grad dazu "benutzt werden, die Reaktionskräfte der gepumpten Flüssigkeit auszugleichen, die sonst versuchen wurden, die Schaufel nach hinten zu drücken, und eventuell die maximal mögliche Leistung und die Drehgeschwindigkeit der Pumpe beschränken wurden.

Fig. 3 zeigt die Konstruktion eines Rotors in Seitenansicht, bei der zwölf Schaufeln der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Art verwendet wurden^ Aus der Konstruktion wird klar, daß je nach Richtung der Schaufeln diese eine beträchtliche Überlappung aufweisen, wenn sie in radialer Richtung gesehen werden. Die zusätzliche Überlappung dieser Schaufeln wurde

in den Fig. 1 und 2 der Klarheit wegen weggelassen. Bei dieser Konstruktion kann der ,3 bis 4 mm große Spielraum zwischen dem Rotor und den Kammerwänden ohne bedeutsamen Nachteil vorgesehen werdend

In einer besonderen Ausführungsform der Schaufel, die als optimal betrachtet werden kann, haben die beschriebenen Winkel die folgenden Großen: φ 75°, ß-, 45°, ß₂ 20°, ß, 90° und γ 40°. Bei dieser Pumpenanordnung liegt der zu erwartende

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Wirkungsgrad zwischen 65 und 68% und der Abfall in der Druckhöhe bei Nullfluß wird mit 7% angenommen im Vergleich zu einem Normalabfall von kO% bei dem bekannten Radialtyp der Pumpe Die Schaufeln können sowohl bei Gas- als auch bei Flüssigkeitspumpen verwendet werden. Anwendungen solcher Pumpen sind:

Kesselspeisewasserpumpen, Pumpen der chemischen Verfahrenstechnik, Wassereinspritzpumpen, Wasserspritzen und Gasverdichter. Die Pumpen sind vorgesehen für Umdrehungsgeschwindigkeiten zwischen 6.000 und 30.000 Umdrehungen pro Minute und für einen Energieverbrauch ihres Antriebes von kleinen Leistungen bis zur Größenordnung von 30 Megawatt, aber es ist einzusehen, daß die Erfindung nicht nur auf solche Geschwindigkeiten und Leistungen begrenzt ist.

Es wird anerkannt werden, daß verschiedene Veränderungen der oben beschriebenen Ausführungsform gemacht werden können, ohne vom Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen. Z.B. kann die genaue Form der Pumpfläche der Schaufeln in Abhängigkeit von den äußeren Umständen verändert werden und auch der gesamte Neigungswinkel in bezug auf die radiale Richtung kann besonders verändert werden, um die möglicherweise auftretenden verschiedenen Reaktionsdrücke in Rechnung zu ziehen. Wie schon erwähnt wurde, schließt die Erfindung auch einen Rotor mit Schaufeln ein, und die Zahl der Schaufeln kann jede geeignete Zahl sein, besonders sechs, acht oder zwölf.

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Claims

JO

Patentansprüche

1J Schaufel für einen Zentrifugalpumpenrotor, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckende oder Schaufelspitze auf einem ersten Radius durch die Schaufeldrehachse liegt, einem Ansaugende, das gegenüber dem Druckende auf einem zweiten Radius durch die Schaufeldrehachse liegt, daß der erste und zweite Radius im Winkelabstand zueinander liegen, wobei der zweite Radius in Richtung der beabsichtigten Schaufeldrehung vorne liegt, und einer zwischen dem Druckende und dem Ansaugende liegenden Druckfläche, die einen konkaven Teil anschließend an das Druckende aufweist und in einen konvexen Teil anschließend an das Saugende übergeht.
2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen dem ersten und zweiten Radius im Bereich von 30 - 100° liegt.
3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen dem ersten und zweiten Radius im Bereich von 70 - 92° liegt.
4. Schaufel nach den Ansprüchen- 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugende der Schaufel geneigt ist gegenüber der Drehachse von der einen Seite der Schaufel zur anderen hin, wobei der Neigungswinkel des An-

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saugendes der Schaufel gegenüber der Drehachse im Bereich von 15 - 61° liegt.
5. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel im Bereich von 30 - 55° liegt.
6. Schaufel nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, der bestimmt ist durch die Tangente an die Pumpfläche der Schaufel an ihrem Ansaugende und der Tangente in diesem Punkt an einen Kreis . mit Mittelpunkt in der Drehachse und mit dem Abstand des Ansaugendes der Schaufel von der Drehachse entsprechendem Radius, im Bereich von 25 - 90° liegt, daß der Winkel, der definiert ist durch die Tangente an die Pumpfläche der Schaufel am Anfang der Neigung des Ansaugendes der Schaufel und der Tangente in diesem Punkt an einen Kreis mit Mittelpunkt in der Drehachse und mit dem Abstand der Neigung von der Drehachse entsprechendem Radius, im Bereich von 15 - 35° liegt, und daß der Winkel, der definiert ist durch die Tangente an die Pumpfläche der Schaufel an ihrem Druckende und der Tangente in diesem Punkt an einen Kreis mit Mittelpunkt in der Drehachse und dem Abstand zwischen dem Druckende der Schaufel und der Drehachse entsprechendem Radius, im Bereich von 60 - 100° liegt.

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7. Schaufel nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, der definiert ist durch die Tangente an die Pumpfläche der Schaufel an ihrem Ansaugende und der Tangente in diesem Punkt an einen Kreis mit Mittelpunkt in der Drehachse und mit dem Abstand des Ansaugendes der Schaufel von der Drehachse entsprechendem Radius, im Bereich von 30 bis 50° liegt, daß der Winkel, der definiert ist durch die Tangente an die Pumpfläche der Schaufel am Anfang der Neigung des Ansaugendes der Schaufel und der Tangente in diesem Punkt an einen Kreis mit Mittelpunkt in der Drehachse und mit dem Abstand der Neigung von der Drehachse entsprechendem Radius, im Bereich von 15 - 25° liegt, und daß der Winkel, der definiert ist durch die Tangente an die Pumpfläche der Schaufel an ihrem Druckende und der Tangente in diesem Punkt an einen Kreis mit Mittelpunkt in der Drehachse und dem Abstand zwischen dem Druckende der Schaufel und der Drehachse entsprechendem Radius, im Bereich von 80 - 100° liegt.
8. Rotor für eine Zentrifugalpumpe, dadurch g e k e η η ze i ohne t, daß er eine Vielzahl von Schaufeln nach den Ansprüchen 1 bis 7 aufweist.
9. Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der an das Saugende anschließende Teil der Schaufeln an einer Seite mit einer Scheibe verbunden ist.

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10. Rotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln sich überlappen, wenn sie in radialer Richtung der Scheibe betrachtet werden.

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