DE2625818C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlpumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit einer allgemein konusförmigen Nabe und einer Vielzahl von Schaufeln, welche sich im wesentlichen senk­ recht zur Achse der Nabe erstrecken und mit der Nabe verbunden sind. Jede der Schaufeln hat eine flügelförmige Gestalt. Eine derartige Strahlpumpe ist bereits aus der DE-OS 23 39 210 bekannt.

Auf dem Gebiet der Pumpenkonstruktion besteht ein ständiges Bedürfnis zur Entwicklung immer höherer saugspezifischer Drehzahlen. Andererseits kann man mit herkömmlichen Laufrädern oder Schaufelrädern bei einem vorgegebenen Einlaßdruck saugspezifische Drehzahlen in Wasser von mehr als 12 000 bis 15 000 nicht verwirklichen, ohne daß es zur Entwicklung von die Pumpenteile zerstörenden Kavitationserscheinungen kommt. Es wurden bereits Laufräder mit hohen saugspezifischen Drehzahlen (20 000 bis 40 000) für Raketentriebwerke entwickelt. Diese haben jedoch eine nur äußerst kurze Lebensdauer von etwa 2 h aufgrund der Zerstörungswirkung äußerst intensiver Kavitations­ erscheinungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Strahlpumpe zu schaffen zur Erzielung einer hohen saug­ spezifischen Drehzahl bei gleichzeitig langer Pumpen- Lebensdauer und insbesondere eine Strahlpumpe zur Erzielung von saugspezifischen Drehzahlen in Wasser oder anderen Flüssigkeiten im Bereich von 20 000 bis 40 000 für mehrere hundert Stunden Betrieb ohne Kavitationsbeschädigung oder mit nur geringer Kavitationsbeschädigung.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Wasserstrahlpumpe;

Fig. 2 eine Vorderansicht eines Laufrades der Wasserstrahlpumpe gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Laufrades;

Fig. 4 eine Rückansicht des Laufrades;

Fig. 5 eine schematische Darstellung benachbarter Schaufeln des Laufrades;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Schaufeloberflächen- Kavitation an der Vorderkante einer Schaufel eines herkömmlichen Laufrades;

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Spitzenwirbel- Kavitation eines Laufrades gemäß Fig. 1, von außen her zur Spitze hin gesehen, wobei die Schaufelober­ flächen-Kavitation eliminiert ist;

Fig. 8 eine Vorderansicht zur Veranschaulichung der Spitzen­ wirbel-Kavitation und

Fig. 9 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Zusammenbruchs der Bläschen der Spitzenwirbel- Kavitation an der nachfolgenden Schaufel.

Im folgenden wird die Anwendung der Erfindung beispielhaft anhand der Fig. 1 erläutert, welches eine Wasserstrahlpumpe 2 oder ein Schiffsstrahltriebwerk zeigt. Diese umfaßt ein allgemein L-förmiges Gehäuse 4 mit einer Einlaßöffnung 6 und einer Auslaßöffnung 8. Eine hohle Hülse 10 erstreckt sich in das Gehäuse 4 in axialer Fluchtung mit der Auslaßöffnung 8. Ein Ende 12 der Hülse 10 erstreckt sich durch eine Öffnung 14 des Gehäuses 4, während das entgegengesetzte Ende 16 der Hülse 10 im Gehäuse 4 durch eine einzige hohle Rippe 18 gehaltert ist. Durch die Hülse 10 erstreckt sich eine Antriebswelle 20, deren eines Ende 22 parallel in einem Lagerblock 24 verläuft, während das entgegengesetzte Ende 26 der Welle 20 drehbar mittels geeigneter in Fig. 1 nicht gezeigter Elemente gelagert ist. Auf der Antriebswelle 20 ist ein Laufrad 28 befestigt, und zwar zwischen der hohlen Rippe 18 und dem Lagerblock 24. Dieses ist durch geeignete Elemente, z. B. durch eine Keilverbindung 30, mit der Antriebswelle 20 verbunden und zusammen mit dieser drehbar. Das Äußere des Lagerblocks 24 hat eine an das Gehäuse 4 und die Auslaßöff­ nung 8 angepaßte Gestalt und bildet zusammen mit diesen eine Ausströmdüse der Wasserstrahlpumpe 2.

Wie man am besten aus den Fig. 1 bis 4 erkennt, umfaßt das Laufrad 28 eine kegelstumpfförmige Nabe 32 mit einer Bohrung 34, welche die Antriebswelle 20 aufnimmt. Von der Nabe erstrecken sich eine Vielzahl von Schaufeln 36 nach außen, und zwar im wesentlichen senkrecht zur Achse der Nabe 32. Das als Beispiel gewählte Laufrad 28 weist vier Hauptschaufeln 38 und vier Hilfsschaufeln 40 auf.

Bekanntlich haben Laufradschaufeln eine allgemein flügelartige Gestalt, und der hierdurch erzeugte Druck bzw. Unterdruck dient der Förde­ rung des Strömungsmediums in der gewünschten Richtung. Bisher hat man jedoch üblicherweise die Schaufeln mit einer dicken Vorderkante ausgebildet, welche einen Keilwinkel von mehr als 10° aufweist. Hierdurch sollten die auftretenden Belastungen und Beanspruchungen aufgenommen werden und das Gießen sollte erleichtert werden. Ferner begann bei bisherigen Schaufeln dieser Art die Krümmung des Flügels unmittelbar hinter der Vorderkante zum Zwecke der Erzielung eines maximalen Dreheffekts über eine minimale Länge. Demgegenüber sind die Schaufeln 36 beim Laufrades 28 nach Fig. 1 mit einer spitz zulaufenden Vorderkante mit einem Keilwinkel von etwa 5° versehen. Hierdurch wird eine Kavitation der Flügeloberfläche verhindert, und man erhält eine maximale Strömungsfläche. Örtliche Beschleunigungen werden verhindert. Somit sollte dieser Keilwinkel erfindungsgemäß weniger als 10° betragen und insbesondere weniger als 8° und speziell weniger als 6°. Zusätzlich haben die Schaufeln 36 einen Krümmungswinkel von etwa 60°, was ebenfalls dazu beiträgt, daß örtliche Beschleunigungen verhindert werden und die Verwendung dünner Vorderkanten ermöglicht wird. Ferner steht dies in Beziehung zu den Strömungs­ winkelerfordernissen, welche weiter unten erläutert werden. Der Ausdruck "Krümmungswinkel" bezeichnet den Winkel zwischen einer Radiallinie der Mittelachse der Laufrad­ nabe und einer Tangente in einem beliebigen Punkt an der Vorderkante der Schaufel. Vorzugsweise beträgt dieser Winkel 60°±10° und insbesondere 60°±5° und speziell 60°±2°. Zur weiteren Verminderung der Kavitation der Schaufeloberfläche haben die Schaufeln 36 gemäß Fig. 5 einen bestimmten Anstellwinkel, derart, daß der Anstellwinkel zwischen der Richtung des anströmenden Strömungsmediums, welche durch die Linie 42 dargestellt ist, und der Saugfläche 44 der Schaufel 36, welche durch die Linie 44 dargestellt ist, weniger als ±0,5° beträgt. Die Schaufeln 36 sind zur Erzielung eines genügend stabilen Baus von der Nabe zur Spitze hin verjüngt. Der Spitzen­ keilwinkel der Schaufeln 36 unterliegt jedoch einer Beschränkung durch das Erfordernis, daß der Strömungswinkel ±0,5° betragen muß. An Radien, welche geringer sind als der Spitzen­ radius, unterliegt der Strömungswinkel dem Erfordernis

wobei R_Spitze den Spitzenradius und
R_örtlich den Radius der jeweils interessierenden Stelle zwischen der Nabe und der Spitze bezeichnet.

Alle vorerwähnten Bedingungen dienen der Verhinderung oder Minderung der Kavitation der Schaufeloberfläche. Eine solche Kavitation tritt bei herkömmlichen Schaufeln an der Vorderkante 46 oder in der Nähe der Vorderkante 46 auf, wie dies in Fig. 6 bei 48 dargestellt ist. In Fig. 6 ist ein Strom von Bläschen mit 52 bezeichnet, welche auf die Saugfläche 50 der Schaufel 48 auftreffen und hier zusammenbrechen. Diese Erscheinung ist auf die stumpfe Vorderkante 46 und den großen bei 54 angedeuteten Anstellwinkel zurückzuführen. Demgegenüber haben gemäß Fig. 7 die Schaufeln 36 des Laufrades 28 nach Fig. 1 eine scharfe Vorderkante 56 und einen geringen Anstellwinkel, welcher bei 58 angedeutet ist. Auf diese Weise wird eine Kavitation der Schaufeloberfläche vollständig vermieden. Irgendwelche Spitzenwirbel-Kavitationserscheinungen, welche auftreten können, werden mit der Strömung 59 des Strömungsmediums weggeführt und brechen nicht auf der Oberfläche der Schaufel 36 zusammen.

Eine weitere schwerwiegende Ursache für Beschädigungen her­ kömmlicher Laufräder besteht in der Spitzenwirbel-Kavitation. Hierzu wird auf Fig. 8 bezug genommen. Die Spitzenwirbel- Kavitation wird durch eine Umlenkung des Strömungsmediums zwischen der Spitze 60 der Schaufel 36 und der umgebenden Wandung 62 hervorgerufen, wobei das Strömungsmedium von der Druckseite 66 der Schaufel 36 zur Saugseite 68 der Schaufel 36 gelangt, und zwar in einer helixförmigen Bewegung, wie dies bei 64 angedeutet ist. Dies führt dazu, daß die Kavitationsbläschen auf der Druck­ seite 66 der nachfolgenden Schaufel 36 zusammenbrechen, wie dies in Fig. 9 bei 70 dargestellt ist. Dies führt ebenfalls zu erheblichen Beschädigungen. Die Spitzenwirbel-Kavitation ist eine Funktion des Abstandes zwischen der Schaufelspitze 60 und der umgebenden Wandung 62 sowie eine Funktion des Anstellwinkels der Schaufel 36. Wenn andererseits der Schaufel­ abstand, welcher in Fig. 9 durch 72 dargestellt ist, bei gegebenem Anstellwinkel adäquat gewählt ist, so wird die Spitzenwirbel-Kavitationsenergie zwischen den Schaufeln 36 verzehrt, ohne diese zu beschädigen. Es wurde nun festge­ stellt, daß dieses Ergebnis zuverlässig erzielt werden kann, wenn das Verhältnis des Abstandes 72 zwischen den Schaufeln 36 zu dem Abstand zwischen der Schaufelspitze 60 und der umgebenden Wandung 62 größer als etwa 70 ist.

Claims (3)

1. Strahlpumpe, mit einer im wesentlichen konischen Nabe (32), einer Vielzahl von flügelförmigen Schaufeln (38, 40), welche sich im wesentlichen senkrecht zur Nabenachse erstrecken und mit der Nabe (32) verbunden sind, sowie mit einem die Schaufeln (38, 40) umgebenden Gehäuse (4), dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß sich im Betrieb ein Winkel im Bereich von etwa ±0,5° zwischen der Relativströmungsrichtung (42) des auf die Schaufeln (38, 40) auftreffenden Strömungsmediums und der Saugfläche (44) an den Spitzenvorderkanten der Schaufeln (38, 40) ein­ stellt, und daß das Verhältnis des Abstandes (72) zwischen benachbarten Schaufeln (38, 40) zu dem lichten Abstand zwischen den Schaufelspitzen (60) und der Innenfläche des Gehäuses (4) größer als etwa 70 ist.

2. Strahlpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkel der Vorderkante der Schaufeln (38, 40) weniger als 10° beträgt.

3. Strahlpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Radiallinie durch die Nabenmitte und einer Tangente in einem beliebigen Punkt an der Vorderkante der Schaufeln (38, 40) etwa 60° beträgt.