DE29521677U1

DE29521677U1 - Kreiselpumpenlaufrad radialer Bauart

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Publication number: DE29521677U1
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Original assignee: Tuchenhagen GmbH
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Priority date: 1995-08-17
Filing date: 1995-08-17
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2005-08-18

Description

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Kreiseipumpenlaufrad radiaier Bauart

Die Neuerung betrifft ein Kreiseipumpenlaufrad radialer Bauart.

Insbesonderabei Kreiselpumpen, die im Nahrungsmittel und Getränkebereich Einsatz finden, ist es üblich, sogenannte offene Laufräder radialer Bauart zu verwenden. Offene Laufräder sind solche, bei denen die Deckwand oder die sogenannte Deckscheibe fehlt und die Schaufeln allein mit der Nabenwand oder der sogenannten Rückfläche verbunden sind ([*]: Pfieiderer/Petermann, Strömungsmaschinen, 4. Auflage, 1S72, Seiten 175, 285 ff;. Offene Laufräder haben den Vorteil, daß die Schaufelkanäle, falls erforderlich, gut zu bearbeiten sind (oft werden geschliffene oder polierte Oberflächen gefordert) und die Schaufelkanäle zu Inspektionszwecken einsehbar sind. Darüber hinaus sind sie gegenüber geschlossenen Laufrädern, die eine Deckscheibe aufweisen, leichter im Durchfluß zu reinigen (sie sind ClP-reinigungsfähig, was soviel bedeutet wie "Reinigung an Ort und Stelle im Durchfluß"), da ein offener Kanal zwangsläufig eine kleinere berandende Oberfläche aufweist und der bei geschlossenen Laufrädern vorhandene saugseitige enge Radseitenraum zwischen Gehäuse und Deckscheibe gänzlich entfällt. Bei iangsarnläufigen offenen Laufrädem radiaier Bauart ist allerdings der hydraulische Wirkungsgrad schlechter als bei geschlossenen Laufrädem, da durch die Druckdifferenz zwischen Schaufelvorderseite und Sehaufelrückseite ein Spaltverlust entsteht (siehe [*], Seite 285 ff).

Offene und geschlossene Kreiselpumpenlaufräder radialer Bauart haben eine gemeinsame Eigenschaft: sie üben, falls keine Abhilfe durch zusätzliche Maßnahmen geschaffen wird, axiale Kräfte auf die Pumpenwelle aus (siehe (*], Seite 289 ff). Übliche Ausgleichsmaßnahmen, wie z.B. Dichtungsspalt auf der Rückseite des Laufrades in Verbindung mit Löchern in der Nabenwand bzw. Rückfläche des Laufrades oder die Anbringung von sogenannten Rückschaufeln im druckseitigen Radseitenraum (siehe {*], Seite 293 ff) sind zumindest bei Kreiselpumpen, die im Nahrungsmittel- und Getränkebereich Einsatz finden, ungeeignet und in den meisten Anwendungsfällen nicht tolerierbar, da durch diese Ausgleichsmaßnah-

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men zusätzlich besonders reinigungskritische Bereiche geschaffen werden, die einer CIP-Reinigung schlecht zugänglich sind.

Aus der DE 38 43 428 C2 ist ein Kreiselpumpenlaufrad radialer Bauart und kleiner spezifischer Drehzahl bekannt, bei dem die Schaufelkanäle in ihrem Austrittsbereich jeweils eine zum Radseitenraum gerichtete, den einzelnen Schaufelkanal seitlich anschneidende Öffnung aufweisen, wobei die in radialer Richtung gemessene Länge der Öffnungen gleich oder kleiner einer halben Schaufelkanallänge ist. Gemäß Anspruch 5 dieser Druckschrift ist weiterhin vorgesehen, daß die Schaufelkanäle und die Oberfläche der Laufraddeckscheibe zueinander geneigt verlaufen. Zieht man zur Interpretation der bekannten Ausführungsform des Kreispumpenlaufrades gemäß den Ansprüchen 1 und 5 die Figuren 1 bis 3 und die diesbezügliche Beschreibung, Spalte 3, Zeilen 30 bis 53, insbesondere Zeilen 37 bis 43, zu Rate, so stellt man fest, daß zwar bekannt ist, im jeweiligen Wechsel, den einen Schaufelkanal zur saugseitigen Deckscheibe und den daneben verlaufenden Schaufelkanal zur druckseitigen Rückfläche im jeweiligen Austrittsbereich anzuschneiden und damit zu öffnen, jedoch erfaßt dieses wechselseitige Öffnen des Schaufelkanals nur einen Teilbereich desselben im Austrittsbereich des Kreiselpumpenlaufrades zum jeweiligen Radseitenraum. Ein vollständiges Öffnen des Schaufelkanals zum jeweiligen Radseitenraum würde den mit dem bekannten Kreiselpumpenlaufrad gewünschten Effekt (vgl. Spalte 1, Zeilen 37 bis 50) gänzlich zunichte machen. Für diesen Sachverhalt spricht auch die in Anspruch 6 beanspruchte spezielle Bemessungsvorschrift für das Ausmaß des Anschneidens bzw. Öffnens des Schaufelkanals zum jeweiligen Radseitenraum hin (vgl. hierzu auch die Beschreibung, Spalte 3, Zeilen 54 bis 68 und Spalte 4, Zeilen 1 bis 21).

Des weiteren ist in der US-PS 25 47 786 ein Kreiselpumpenlaufrad beschrieben, bei dem eine gerade Anzahl von Schaufelkanälen vorgesehen ist, die entweder von der Anströmseite oder von der Rückfläche des Laufrades, jeweils an ihrem Austrittsbereich beginnend, teilweise offen ausgeführt sind, wobei die diesbezüglichen Öffnungen benachbarter Schaufelkanäle im jeweiligen Wechsel zwischen Anströmseite und Rückfläche des Laufrades aufeinanderfolgen. Wie die Zeichnung (Figuren 1 und 2) und die zugeordnete Beschreibung sowie die Ansprüche

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offenbaren, ist das bekannte Laufrad jedoch in seinem Nabenbereich, sowohl auf der Anströmseite als auch auf der Rückseite, durch relativ breitflächige Rippen ringförmig geschlossen. Die Anströmseite des Laufrades macht dies in besonderer Weise deutlich (s. Rippenflächen 15). Weiterhin ist erkennbar (insbesondere Figur 1), daß der anströmseitige Eintrittsdurchmesser des Laufrades kleiner als der Durchmesser der rückflächenseitigen äußersten radialen Nabenausformung (s. Bereich mit Bezugszeichen 19) ausgeführt ist.

Da das bekannte Laufrad gemäß US-PS 25 47 786, in radialer Richtung gesehen, beidseitig im an den Nabenbereich angrenzenden Bereich vollumfänglich geschlossen ist, kann es zumindest hier die Vorteile des offenen Laufrades nicht besitzen. So ergeben sich durch diese teilweise geschlossene Ausbildung, mit Blick auf die Herstellung als Gußteil, beispielsweise kompliziertere Gußformen zu seiner Herstellung. Der vorstehend erwähnte Durchmesserunterschied zwischen anströmseitigem Eintrittsdurchmesser und rückflächenseitiger Nabenausformung schafft diesbezüglich ein zusätzliches Erschwernis. Eine einfach trennbare Gußform ist dadurch nicht ausführbar. Soll das Laufrad, wie dies heute vielfach aufgrund der sehr weit fortgeschrittenen Umformtechnik möglich ist, aus einem Blechteil gepreßt werden, so ist die Herstellung der bekannten Laufradform aus einem einzigen Blechteil nicht realisierbar.

Darüber hinaus treten bei dem bekannten Laufrad infolge des vorstehend beschriebenen Durchmesserunterschiedes axiale Kräfte auf, die entweder besondere Maßnahmen bezüglich eines Druckausgleichs zwischen Anströmseite und Rückfläche oder Vorkehrungen an der Lagerung der Pumpenwelle zwecks Aufnahme der aus den Druckunterschieden resultierenden Kräfte erfordern.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Neuerung, ein Kreiselpumpenlaufrad radialer Bauart zu schaffen, das die Vorteile des vollständig offenen und jene des geschlossenen in sich vereint, ohne die Notwendigkeit des bei beiden bekannten Laufradformen gegebenenfalls notwendigen Axialschubausgleichs.

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Die Aufgabe wird durch Anwendung der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des vorgeschlagenen Kreiselpumpenlaufrades sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die mit der Neuerung erzielbaren Vorteile sind nur in vollem Umfang erreichbar für eine gerade Anzahl von Schaufeln, da nur dann sichergestellt ist, daß kein Spaltverlust durch Druckdifferenz zwischen Schaufelvorder- und Schaufelrückseite entsteht. In Verbindung mit dem darüber hinaus vorgeschlagenen Merkmal, daß Deckscheiben- und Rückflächensegment im jeweiligen Wechsel aufeinanderfolgen, wird neuerungsgemäß erreicht, daß zwischen benachbarten Schaufelkanälen keine Verbindung und damit keine Spaltströmung, die den hydraulischen Wirkungsgrad u.a. negativ beeinflußt, gegeben ist.

Da das Kreiselpumpenlaufrad gemäß der Neuerung keine, über seinen Umfang gesehen, geschlossene Deckscheibe und Rückfläche besitzt, sondern nur Deckscheiben- und Rückflächensegmente aufweist, bildet es im eingebauten Zustand im Zusammenwirken mit dem Pumpengehäuse auch keinen ringförmig in sich geschlossenen deckscheiben- und rückflächenseitigen Radseitenraum aus, der jeweils hinsichtlich einer einwandfreien CIP-Reinigung problematisch wäre. Insofern gehen die Vorteile des vorgeschlagenen Kreiselpumpenlaufrades gemäß der Neuerung noch über jene des bekannten offenen Laufrades radialer Bauart hinaus, da hier der rückflächenseitige Radseitenraum nach wie vor vorhanden und reinigungstechnisch problematisch ist.

Die axialen Strömungskräfte auf das vorgeschlagene Kreiselpumpenlaufrad sind hinreichend ausgeglichen, ohne daß es hierzu besonderer zusätzlicher Vorkehrungen bedarf. Dies resultiert zum einen aus der Tatsache, daß benachbarte Schaufelkanäle im jeweiligen Wechsel durch ein Deckscheiben- oder ein Rückflächensegment geschlossen sind und somit, zumindest im radialen Erstreckungsbereich der Schaufeln, hinreichend gleiche Druckverteilungen auf beiden Seiten des Kreiselpumpenlaufrades vorliegen und in Umfangsrichtung jeweils ohnehin keine unterschiedliche Druckverteilung entstehen kann. Im Nabenbereich ist zum anderen ein Durchgriff der Strömung, insbesondere durch die nachfolgend erwähnte Ausbildung der Rückfläche im Bereich des durch das Deckscheibensegment be-

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grenzten Schaufelkanals, von der Deckflächen- zur Rückflächenseite gegeben, wodurch auch hier keine resultierenden Axialkräfte entstehen.

Aus dem von Axialkräften weitestgehend freien Laufrad resultiert schließlich ein Kreiselpumpen-Aggregat (Kreiselpumpe in Verbindung mit einem elektrischen Antriebsmotor), das signifikante Kostenvorteile gegenüber bekannten Aggregaten aufweist, da sich gezeigt hat, daß allein die standardmäßige Lagerung der Welle im Antriebsmotor, vorzugsweise in einem Normmotor, eine hinreichende Lagerung des fliegend auf dieser Welle angeordneten Laufrades sicherstellt. Sonderlager oder zusätzliche Lagerträger zwischen Pumpe und Antriebsmotor, wie sie bislang erforderlich waren, werden mit der vorgeschlagenen Lösung überflüssig.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Kreiselpumpenlaufrades gemäß der Neuerung ist im Eintrittsbereich des durch das jeweilige Deckscheibensegment begrenzten Schaufelkanals eine, in radialer Richtung gesehen, äußerste radiale Nabenausformung vorgesehen, die die Rückflächensegmente der benachbarten Schaufelkanäle flächig und vollumfänglich miteinander verbindet.

Wird diese äußerste radiale Nabenausformung, wie dies gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung auch vorgeschlagen wird, jeweils bis an den Eintrittsbereich des durch das jeweilige Deckscheibensegment abgedeckten Teils des Schaufelkanals herangeführt, dann wird dadurch erreicht, daß im Eintrittsbereich des Kreiselpumpenlaufrades eine eindeutige Anströmung der einzelnen Schaufelkanäle ohne Verwirbelung und Ausgleichsströmungen zwischen den benachbarten Schaufelkanälen vorliegt, woraus eine Verbesserung des hydraulischen Wirkungsgrades resultiert.

Eine radiale Erstreckung der äußersten radialen Nabenausformung über den Eintrittsbereich hinaus ist nicht sinnvoll, da dadurch Vorteile des offenen Schaufelkanals (z.B. gute Bearbeitbarkeit der Oberfläche) teilweise verloren gehen und die Herstellbarkeit als Gußteil oder Blechpreßteil (Ausformung aus der Gußform bzw. Ausheben aus dem Umformwerkzeug) erschwert wird.

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Ein Ausführungsbeispiel des Kreiselpumpenlaufrades gemäß der Neuerung mit einer beispielhaft gewählten Anzahl &eegr; = 6 Schaufeln ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht des Kreiselpumpenlaufrades in Richtung seiner Anströmung, wobei die Deckscheibensegmente zum besseren Verständnis der Laufradgeometrie kreuzschraffiert angelegt sind und

Fig. 2 einen Meridianschnitt durch das Kreiselpumpenlaufrad gemäß Figuri entsprechend dem dort mit A-B-C gekennzeichneten Schnittverlauf.

Ein mit &eegr; = 6 Schaufeln 3.1 bis 3.6 ausgestattetes Kreiselpumpenlaufrad 1 (Figur 1) weist zwangsläufig auch sechs Schaufelkanäle 5J. bis 5J> auf. Aus der Ansichtsdarstellung gemäß Figur 1 und in Verbindung mit dem Meridianschnitt gemaß Figur 2 wird deutlich, daß nach der gewählten Nomenklatur der Schaufelkanal 5/1 durch ein Deckscheibensegment 4.1, der Schaufelkanal 5^3 durch ein Deckscheibensegment 4.3 und der Schaufelkanal 5J>_durch ein Deckscheibensegment 4.5 auf der Anströmseite des Kreiselpumpenlaufrades 1 geschlossen ist (kreuzschraffierte Flächen). Demgegenüber ist der Schaufelkanal 5^2 durch ein Rückflächensegment 4.2, der Schaufelkanal 5^4 durch ein Rückflächensegment 4.4 und der Schaufelkanal 5Ji durch ein Rückflächensegment 4.6 auf der der Anströmseite des Kreiselpumpenlaufrades 1 abgewandten Seite jeweils geschlossen. Es ist weiterhin ersichtlich, daß durch die vorgeschlagene Anordnung von Deckscheiben- und Rückflächensegmenten 4.1, 4.3, 4.5 bzw. 4.2, 4.4, 4.6, die, in Umfangsrichtung betrachtet, im jeweiligen Wechsel aufeinanderfolgen, keine Schaufelkante gebildet werden kann, die Vorder- und Rückseite der betreffenden Schaufel - und damit zwei benachbarte Schaufelkanäle - jeweils auf kurzem Weg miteinander verbindet. Dadurch werden Spaltströmungen und wirkungsgradmindernde Effekte aufgrund einer Druckdifferenz zwischen Schaufelvorder- und Schaufelrückseite wirksam verhindert.

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Ausgehend von einer anströmseitigen Umfangsfläche einer Nabe 2 ist im Eintrittsbereich des durch das jeweilige Deckscheibensegment 4.1, 4.3 und 4.5 begrenzten Schaufelkanals 5A_, 5l3 und 5J5, in radialer Richtung gesehen, eine äußerste radiale Nabenausformung 2a vorgesehen, die die Ruckflächensegmente 4.2, 4.4 und 4.6 der Schaufelkanäle 5j2, 5&Lgr; und SJLflächig und vollumfänglich miteinander verbindet (vgl. Figur 1). Wird ein möglichst hoher hydraulischer Wirkungsgrad angestrebt, ist die äußerste radiale Nabenausformung 2a so groß auszubilden, daß sie jeweils, in radialer Richtung gesehen, bis an den Eintrittsbereich des durch das jeweilige Deckscheibensegment 4.1, 4.3 und 4.5 abgedeckten Teils des Schaufelkanals 5J_-, 5j3 und S₁S heranreicht (siehe hierzu insbesondere Figur 2, unterer Teil). Sobald die Strömung die Anströmkante der jeweiligen Schaufel erreicht, wird sie durch diese und die vorgenannte Maßnahme zur Nabenausformung 2a in die zugeordneten benachbarten Schaufelkanäle kanalisiert. Dadurch werden eine einwandfreie Anströmung der einzelnen Schaufelkanäle begünstigt und ein peripherer Austausch von Strömung zwischen benachbarten Schaufelkanälen erschwert, wodurch Verwirbelungen in diesem Bereich weitgehend vermieden werden.

Die Nabe 2 weist, wie dies allgemein üblich ist, eine Nabenbohrung 2b und eine Mitnehmernut 2c auf. Darüber hinaus ist aus Gründen der leichteren Demontage des Kreiselpumpenlaufrades 1 ein Abziehloch 6 vorgesehen (Figur 2).

Infolge der Möglichkeit des Durchgriffs der Strömung zwischen Laufradvorderund Laufradrückseite im Bereich der äußersten radialen Nabenausformung 2a ergeben sich dort zwangsläufig keine axialen Strömungskräfte auf das Kreiselpumpenlaufrad 1

(s. Figur 2, unterer Teil). Selbst wenn infolge strömungsmechanischer Wirkungen die jeweilige Druckverteilung, was nicht gegeben ist, auf die Deckflächen- und die Rückflächensegmente 4.1, 4.3,4.5 bzw. 4.2, 4.4, 4.6 unterschiedlich wäre, könnten sich diese Unterschiede durch die neuerungsgemäße Anordnung dieser Flächen, über den Umfang gesehen, nicht ausbilden. Somit ergeben sich aus diesem Sachverhalt auch keine axialen Kräfte auf das Kreiselpumpenlaufrad 1 insgesamt

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und damit auf die Pumpenwelle. Das neuerungsgemäße Kreiselpumpenlaufrad 1 weist, in sich gesehen, einen hinreichenden Kräfteausgleich auf, wodurch sich die vorstehend erwähnten Vorteile ergeben.

Bei dem beispielhaft dargestellten Kreiselpumpenlaufrad 1 ist die Drehrichtung mit D gekennzeichnet; es handelt sich in diesem Falle um eine rückwärts gekrümmte
Beschaufelung, wobei im Ausführungsbeispiel die jeweilige Schaufel in sich einfach gekrümmt ist. Das neuerungsgemäße Prinzip ist jedoch auch ohne weiteres auf rein radial orientierte oder vorwärts gekrümmte Schaufeln anwerdbar. Die drei Beschaufelungsformen können nun wiederum jeweils räumlich gekrümmte, das heißt dreidimensionale Schaufeln aufweisen. Das gewählte Ausführungsbeispiel bezieht sich darüber hinaus auf ein langsamläufiges Kreiselpumpenlaufrad radialer Bauart (sogenannter Langsamläufer); die vorgeschlagene
Neuerung erstreckt sich ohne Einschränkung jedoch auch auf mittelläufige Kreiselpumpenlaufräder (sogenannte Mittelläufer).

Claims

015GM4A0 * :**· · * . : : 30.11.1997 *" " Schutzansprüche

1. Kreiselpumpenlaufrad radialer Bauart, dadurch gekennzeichnet,

• daß eine gerade Anzahl &eegr; Schaufeln (3.1 bis 3.n) vorgesehen ist,

• daß der einzelne Schaufelkanal (5.1 bis 5.n) zwischen den ihn jeweils begrenzenden Schaufeln (3.1;3.2;3.3;...;3.n) entweder von einem Deckscheibensegment (4.1 ;4.3;4.5;...;4.n-1) oder von einem Rückflächensegment (4.2;4.4; 4.6;...;4.n) berandet ist,

• wobei, in Umfangsrichtung betrachtet, Deckscheiben- und Rückflächensegment im jeweiligen Wechsel aufeinanderfolgen,

• und daß jeder Schaufelkanal vom Eintritts- zum Austrittsbereich des Kreisei pumpen lauf rades (1) durchgängig offen ausgebildet ist.

2. Kreiselpumpenlaufrad radialer Bauart nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß im Eintrittsbereich des durch das jeweilige Deckscheibensegment (4.1;4.3;4.5;...;4.n-1) begrenzten Schaufelkanals (5.1;5.3;5.5;...;5.n-1) eine, in radialer Richtung gesehen, äußerste radiale Nabenausformung (2a) vorgesehen ist, die die Rückflächensegmente (4.2;4.4;4.6;...;4.n) der Schaufelkanäle (5.2;5.4;5.6;...;5.n) flächig und . vollumfänglich miteinander verbindet.

3. Kreiseipumpenlaufrad radialer Bauart nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste radiale Nabenausformung (2a), in radialer Richtung gesehen, jeweils bis an den Eintrittsbereich des durch das jeweilige Deckscheibensegment (4.1;4.3; 4.5;...;4.n-1) abgedeckten Teils des Schaufelkanals (5.1;5.3;5.5;...;5.n-1) heranreicht.