DE3038735C2 - Kreiselpumpe - Google Patents

Description

mit
O₀

Innendurchmesser des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts (5); D\ Innendurchmesser des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Laufradabschnitts (6); K] dimensionsloser Koeffizient von 0,17 bis 0,13; G Kavitations-Schnelläufigkeitszahl der Pumpe im Bereich 5000 bis 11 000;

und wobei der Steigungswinkel (ßo) der Schraubenschaufeln (12) des Saugradabschnitts (5) am Umfang im Eintrittsquerschnitt bestimmt wird aus der Beziehung

± 1,5°

mit

Größe des Radialspaltes am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts (5).

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kreiselpumpe mit einem dem Kreiselpumpenlaufrad vorgeschalteten und mit diesem auf einer gemeinsamen Welle sitzenden Vorsatzläufer, dessen Schraubenschaufeln veränderlicher Steigung in einem sich in Strömungsrichtung verjüngenden Abschnitt des Gehäuses rotieren. Eine solche Kreiselpumpe ist aus der DE-OS 19 31 527 bekannt.

Bei Kreiselpumpen dieser Bauart dient der Vorsatzläufer zur Verbesserung der Betriebsbedingungen und der Anströmung des Kreiselpumpenlaufrades, insbesondere zur Erhöhung des Druckniveaus am Eintritt in das Kreiselpumpenlaufrad zum Zwecke der Verringerung oder Unterdrückung der Kavitation an dieser Stelle.

Nicht immer befriedigend ist die Saugfähigkeit dieser Pumpen. Diese ergibt sich aus der Kavitations-Schnellläufigkeitszahl Ck mit

Je größer der Ct-Wert, desto besser ist die Saugfähigkeit der Pumpe. Wenn die Saugfähigkeit der Pumpe nicht ausreichend ist, kommt es zur Kavitation, die eine Verminderung der Förderhöhe und des Wirkungsgrades verursacht

Die Besonderheit des Problems besteht darin, dati eine Erhöhung der Saugfähigkeit der Pumpe üblicherweise eine Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge hat. Deshalb weisen Pumpen mit hoher Saugfähigkeit in

ίο der Rigel einen geringeren Wirkungsgrad auf, die Pumpen aber mit hohem Wirkungsgrad sind durch eine kleine Saugfähigkeit gekennzeichnet.

Die bekannten Pumpen erreichen Werte bis etwa Ca = 5000. Dabei weist der Vorsatzläufer eine hohe Kavitationsstabilität auf und erzeugt eine Förderhöhe, die für einen kavitationslosen Betrieb des Kreiselpumpenlaufrades ausreicht. Zur Erhöhung der Saugfähigkeit ist es aus der DE-OS 15 28 836 dabei auch bekannt, die Steigerung der Schraubenschaufeln des Vorsatzläufers in Strömungsrichtung zunehmen zu lassen und aus DE-OS 15 28 662 ist die gleiche Maßnahme in Verbindung mit einem sich in Strömungsrichtung verengenden Pumpengehäuse bekannt.
Bei allen diesen bekannten Ausbildungen umschließt das Pumpengehäuse den Vorsatzläufer mit minimalem Spiel, d. h. daß der Radialspalt zwischen dem Außenrand der Vorsatzläuferschaufeln und der Gehäuseinnenfläche nur das Freigehen des Läufers gewährleisten soll und so klein gehalten ist wie fertigungstechnisch und betrieblich möglich. Man will auf diese Weise Rückströmungen vermeiden, die sich sonst im Bereich der Schaufelräder einstellen wurden.

In der DE-OS 28 54 656 ist eine Kreiselpumpe der betrachteten Art vorgeschlagen, bei der der Vorsatzläufer so ausgebildet ist, daß an der Eintrittsstelle zwischen dem Außenrand seiner Schiaubenschaufeln und der Gehäuseinnenwand ein Radialspalt verbleibt, der bis zum Ende seines Saugradabschnitts auf den betriebstechnisch notwendigen Minimalwcrt abnimmt. Hier ist die Abnahme des Radialspalts aber nicht zustandegebracht durch eine sich in Strömungsrichtung verjüngende Ausbildung des Gehäuses, dieses hat vielmehr einen zylindrischen Kanal für den Vorsatzläufer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kreiseipumpe erhöhter Saugfähigkeit und dennoch guten Wirkungsgrades zu schaffen und dabei eine Beziehung für die Geometrie des Durchströmkanals am Eintritt in die Pumpe in Abhängigkeit von den Kenndaten des Vorsatzläufers anzugeben.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Vorsatzläufer mit konstantem Außendurchmesser ausgeführt ist und an seinen eintrittsseitig im Bereich des sich verjüngenden Gehäuseabschnitts gelegenen Saugradabschnitt sich ein Laufradabschnitt anschließt, wobei der Innendurchmesser des Gehäuses im Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts bestimmt wird aus der Beziehung

C_t = 5,62 ·

In dieser Beziehung ist
η — Drehzahl (U/min),
Q — Fördermenge (m³/s) und
h — Haitedruckhöhe (m).

(D D₀

K₁-(C₁₁- 10-⁴ + 2,1)²

60

65 Innendurchmesser des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts (5);
Innendurchmesser des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Laufradabschnitts (6);
dimensionsloser Koeffizient von 0,17 bis 0,13;
Kavitations-Schnelläufigkeitszahl der Pumpe im Bereich 5000 bis 11 000;

und wobei der Steigungswinkel der Schraubenschaufeln des Saugradabschnitts am Umfang im Eintrittsquerschnitt bestimmt wird aus der Beziehung Do Innendurchmesser des Gehäuses 1 am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts 5;

Δ Größe des Radialspalts am Eintrhtsquerschnitt des Saugradabschnitts 5.

± 1.5°

Größe des Radialspaltes im Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts.

Eine solche Pumpe hat eine wesentlich erhöhte Saugfähigkeit. Aufgrund des Radialspaltes zwischen dem Außendurchmesser des Saugradabschnitts des Vorsatzläufers und dem Innendurchmesser des Gehäuses teilt sich der Flüssigkeitsstrom am Eintritt in den Vorsatzläufer in zwei Ströme, deren einer durch den Radialspalt strömt und deren andere in den Saugradabschnitt eintritt. Aus der Analyse der eingangs genannten Beziehung für die Kavitations-Schnelläufigkeitszahl G ergibt sich, daß bei einer Verminderung des Durchsatzes der geförderten Flüssigkeit für gleichbleibende Werte der Drehzahl und der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl der Betrieb des Vorsatzläufers ohne Kavitationsausbildung bei kleineren Haitedruckhöhen möglich ist. Diese Verminderung der Größe der Haitedruckhöhe bei unveränderten Werten der Fördermenge und der Drehzahl bedeutet eine wesentliche Erhöhung der Pumpensaugfähigkeit.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch den Längsschnitt einer Kreiselpumpe mit radialem Austritt aus dem Kreiselpumpenlaufrad;

F i g. 2 schematisch den Längsschnitt einer Kreiselpumpe mit axialem Austritt aus dem Kreiselpumpenlaufrad;

Fig.3 Abwicklung eines zylindrischen Querschnittes des Saugradabschnitts des Vorsatzläufers;

F i g. 4 die graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Koeffizienten des Gehäusedurchmessers am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts und der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl:

F i g. 5 die graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl und der spezifischen Fördermenge für zwei Werte des Steigungswinkels der Saugradschaufeln bei der Pumpenbauart nach Fig. 1.

Die Kreiselpumpe hat eine Gehäuse 1, das einen Saugstutzen 2 und ein Spiralgehäuse 3 aufweist. Auf der im Gehäuse 1 rotierenden Welle 4 sitzt eintrittsseitig ein Vorsatzläufer mit einem Saugradabschniu 5 und einem Laufradabschnitt 6 sowie ein Kreiselpumpenlaufrad 7. Die Schraubenschaufeln 9 des Laufradabschtiitts 6 des Vorsatzläufers sind einstückig mit einer Nabe 8 ausgeführt und bilden zwischen sich Schaufelkanäle 10 zum Durchfluß der Flüssigkeit; ebenso sind die Schraubenschaufeln 12 des Saugradabschnitts 5 einstückig mit einer Nabe 11 ausgeführt und bilden zwischen sich Schaufelkanäle 13. Die Steigung der Schaufeln 12 des Saugradabschnitts 5 vergrößert sich in Richtung des Flüssigkeitsstroms.

In F i g. 1 und 2 sind folgende Größen bezeichnet:

S Schraubenliniensteigung der Schaufel 12 des Saugradabschnitts 5;

D\ Innendurchmesser des Gehäuses 1. vorliegend im Stutzen 2, am Eintriitsquerschnitt des Laufradabschnitts 6:

Fig.2 zeigt eine Pumpe mit einem Kreiselpumpenlaufrad 14 mit axialem Austritt. Dieses ist in drei Abschnitte unterteilt, nämlich in einen Laufradabschnitt 16. in einen Diagonal-Druckerhöhungsabschnitt 17 und in einen Austrittsabschnitt 18. Bei dieser Ausbildung entspricht der Laufradabschnitt 16 dem Laufradabschnitt 6 der Ausbildung gemäß F i g. 1 und der Eintrittsquerschnitt des Kreiselpumpenlaufrades 14 ist gleichzeitig der Eintrittsquerschnitt des Laufradabschnitts. Der Innendurchmesser des Gehäuses ändert sich in Richtung des rlüssigkeitsstroms vom maximalen Wert D₀ am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts 5 bis zum minimalen Wert D\ am Eintrittsquerschnitt des Kreiselpumpenlaufrades 14 und steigt dann wieder bis zum Wert D?

am Querschnitt vor dem Spiralgehäuse 3.

In dieser Ausbildungsform ist die Welle 4 auf Lagern 15 gelagert.

Der Verlauf der Steigungswinkel /?der Schaufeln 12 des Saugradabschnitts 5 bezüglich der jeweiligen Querebene ist aus Fig. 3 ersichtlich. Dabei ist die Axialgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms durch den Pfeil Q und die Richtung der Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln durch U\ angegeben.
Fig.4 zeigt die durch Versuche mit vier Pumpen ermittelten Beziehungen zwischen dem Koeffizienten Kn. des Gehäusedurchmessers am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts 5 und der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl Cr, dabei ist

D₀

mit

Do Innendurchmesser des Gehäuses am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts 5; Q Durchflußmenge der Pumpe und η Drehzahl der Welle 4.

F i g. 5 zeigt die Beziehungen zwischen der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl der Pumpe und der spezifischen Durchflußmenge —. Dieses Diagramm betrifft

so eine Pumpe gemäß Fig. 1 und zwar die Kurve 20 mit einem Eintritts-Steigungswinkel/ιΌ der Schaufeln 12 von 5° und die Kurve 12 mit einem Winkel/<b von 10°.

Im Betrieb der Kreiselpumpe wird die Welle 4 angetrieben und die Flüssigkeit durch den Stutzen 2 des Gehäuses 1 dem Vorsatziäufer zugeführt. Ein Teil der Flüssigkeit strömt durch die Schaufelkanäle 13 des Saugradabschnitts 5 und der andere Teil der Flüssigkeit durch den Spielraum Δ zwischen dem Gehäuse 1 und den Schaufeln 12 zum Laufradabschniti 6. Die Schaufeln

bo 12 bewirken eine Druckerhöhung der in den Laufradabschnitt 6 gelangenden Flüssigkeit, und in dessen Schaufelkanälen 10 kommt es zu einer weiteren Druckerhöhung der Flüssigkeit, die dann dem Kreiselpumpenlaufrad / zugeführt wird. Dieses bringt dann den Flüssig-

b5 keitsdruck auf den erforderlichen Wert.

Diese aufeinanderfolgenden Flüssigkeitsdruckerhöhungen gewährleisten einen Betrieb aller Puinpenräder 5. 6. 7 ohne Kavitationsausbildune. Aus dem Kreisel-

pumpenlaufrad 7 gelangt die Flüssigkeit in den Austritt 3 und weiter in eine Druckleitung.

Der Betrieb der in F i g. 2 dargestellten Pumpe entspricht dem Betrieb der in F i g. 1 dargestellten Pumpe.

Aus der Theorie und aus Versuchsergebnissen, die für einige Pumpen der in Fi g. 1 und 2 dargestellten Bauart erhalten wurden, sind die Beziehungen zwischen der Kennziffer Ko₁, für den Eintrittsdurchmesser des Gehäuses 1 und der Kavitations-Schnelläufigkeitszahl Ci in F i g. 4 wiedergegeben. Die sich für Pumpen mit superhoher Saugfähigkeit auf dem Versuchsweg ergebenden Kurven können annähernd in analytischer Form geschrieben werden:

Ko₀ = a (C_k- 10-"+ 2,I)²

(5)

Hier liegt der Faktor a in Übereinstimmung mit der Streuung der Kurven in F i g. 4 zwischen 0,85 und 1,15.

Zur Sicherung einer superhohen Saugfähigkeit der Pumpe ist die Größe des Durchmessers Do des Gehäuses 1 am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts 5 aus folgender Gleichung zu ermitteln:

D₀ = α (Q · ΙΟ'⁴ + 2,1)²

i/i

(6)

D₁ = K₀, ■ \l±

(7)

10-" + 2.I)²

Hier ist ATi =0,17 bis 0,13.

Die Erhöhung der Saugfähigkeit der Pumpe ergibt sich hierbei erstens aus der Vergrößerung der Querschnittsfläche ihres Strömungskanals und der hieraus resultierenden Verminderung der Ausflußzahl φ am Eintrittsquerschnitt des Saugrades 5, die das Verhältnis zwischen der Axialgeschwindigkeit C\ des Flüssigkeitsstroms und der Umfangsgeschwindigkeit U, des Rades 5 auf seinem Außendurchmesser angibt Dieser Umstand gewährleistet eine Verminderung der axialen Komponente der Strömungsgeschwindigkeit und einen minimalen Abfall des statischen Drucks im Flüssigkeitsstrom, was eine erste Erhöhung der Saugfähigkeit der

25

Üblicherweise haben Pumpen mit hoher Saugfähigkeit einen relativ niedrigen Wirkungsgrad von ^=0,5 bis 0,65, was durch Verminderung der Ausflußzahl (φ\ <0,l) infolge vergrößerter Fläche des Durchflußkanal-Querschnittes, verringerter Axialgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrornes und der Strömungsablösungen im Laufrad bedingt ist.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der vorliegenden Pumpe mit hoher Saugfähigkeit ist der Innendurchmesser des Gehäuses 1 von der nach Formel (6) berechneten Größe Do in Stromrichtung bis auf die Größe D\ verkleinert, die nach folgender Formel ermittelt wird:

40

Hier ist Kp, der Koeffizient des Durchmessers des Gehäuses 1 am Eintrittsquerschnitt des Laufradabschnitts 6 und beträgt für einen erhöhten Wirkungsgrad 6 bis 7.

Aus den Formeln (6) und (7) wird die Gleichung des Verhältnisses der Änderung des Innendurchmessers des Gehäuses 1 erhalten, die eine maximale Saugfähigkeit des Saugradabschnitts 5 und einen maximalen Wirkungsgrad des Laufradabschnitts 6 gewährleistet:

(8) Pumpe ergibt.

Zweitens ergibt sich eine Erhöhung der Saugfähigkeit der Pumpe durch die Vergrößerung des Radialspalts Δ zwischen dem Außendurchmesser des Saugradabschnitts 5 und dem Innendurchmesser des Gehäuses 1. Dies ist oben im Zusammenhang mit der Aufteilung des Flüssigkeitsstroms in einen den Saugradabschnitt 5 und einen den Spalt Δ durchströmenden Teilstrom ausgeführt, woraus sich ergeben hatte, daß wegen der Verkleinerung des vom Saugradabschnitt 5 zu erfassenden Durchsatzvolumens eine kleinere Haitedruckhöhe Δhk möglich wird, was eine Erhöhung der Saugfähigkeit der Pumpe bedeutet.

Aus der Theorie der Anströmung eines Flachgitters aus unendlich dünnen Platten durch einen Idealflüssigkeitsstrom folgt, daß die Kavitationssicherheit des Saugradabschnitts 6 umso besser ist, je kleiner der Steigungswinkel/?der Schaufel 12 ist:

C₁ · U ; Xg ß₀

Hier ist
C] axiale Geschwindigkeit der Flüssigkeit am Eintritt in den Saugradabschnitt 5;

U\ Umfangsgeschwindigkeit des Saugradabschnitts 5; ßo Steigungswinkel der Schaufel 12 am Eintritt;
Ahk Haitedruckhöhe.

Versuche haben erwiesen, daß für Pumpen mit hoher Kavitationssicherheit, bei denen die vorgeschalteten Vorsatzläufer kleine Steigungswinkel ßo der Schaufeln (/?o^2O^c) aufweisen, der Kennwert ßo bei konstantem Durchmesser des Vorsatzläufers und des Gehäuses in der Praxis keinen Einfluß auf die Kavitationsdaten der Pumpe hat. Dies gilt bei kleinem Radialspiele/zwischen Vorsatzläufer und Gehäuse.

Bei der vorliegenden Pumpe mit einem Saugradabschnitt 5 konstanten Durchmessers und einem konvergierenden Gehäuse 1, das am Eintritt ein relativ großes Radialspiel Δ beläßt, ermöglicht eine Verkleinerung von ßo in Übereinstimmung mit den in F i g. 5 angegebenen Versuchsdaten eine wesentliche Erhöhung der Kavitations-Schneiläufigkeitszahl Ck. Zum Vergleich mit den Anfangswerten G=4000 bis 5000 wurden Werte Ck=8000 erhalten.

Versuche mit verschiedenen Größen des Steigungswinkels ßo und des Radialspiels Δ ermöglichten, das optimale Verhältnis zwischen diesen Größen, die eine maximale Erhöhung der Saugfähigkeit der Pumpe gewährleisten, festzulegen:

ßo - (10 - 33 · Δ/Di)" ± 1,5°

Die in Fig.4 dargestellten Versuchskurven wurden mit Pumpen erhalten, bei denen gleichzeitig ein großes Radialspiel Δ am Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts 5 und ein kleiner Steigungswinkel ßo der Schaufeln 12 in Übereinstimmung mit der Formel 10 angenommen waren. Es haben sich durch die Anwendung der Formeln 8, 10 Kavitations-Schnelläufigkeitszahlen von 6000 bis 10 000 und Wirkungsgrade η von υ,6 bis 0,8 ergeben.

65 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kreiselpumpe mit einem dem Kreiselpumpenlaufrad (7) vorgeschalteten und mit diesem auf einer gemeinsamen Welle (4) sitzenden Vorsatzläufer, dessen Schraubenschaufeln (12) veränderlicher Steigung in einem sich in Strömungsrichtung verjüngenden Abschnitt des Gehäuses (1) rotieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsatzläufer (5/6; 5) mit konstantem Außendurchmesser ausgeführt ist und an seinen eintrittsseitig im Bereich des sich verjüngenden Gehäuseabschnitts gelegenen Saugradabschnitt (5) sich ein Laufradabschnitt (6, 16) anschließt, wobei der Innendurchmesser (Do) des Gehäuses (1) im Eintrittsquerschnitt des Saugradabschnitts (5) bestimmt wird aus der Beziehung

   D₀ = Df K_x (C_k- 10-" + 2,I)²