DE3544566A1

DE3544566A1 - Laufrad fuer eine zentrifugalpumpe

Info

Publication number: DE3544566A1
Application number: DE19853544566
Authority: DE
Inventors: Russell Allan Coalville Leicestershire Loxley
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1984-12-22
Filing date: 1985-12-17
Publication date: 1986-07-03
Also published as: GB2168764A; JPS61210298A; FR2575235A1; GB2168764B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Laufrad von Zentrifugalpumpen und insbesondere auf ein Laufrad, welches in der Lage ist, einen befriedigenden Betrieb sicherzustellen, wenn das zu pumpende Strömungsmittel aus einer Mischung von gasförmigen und flüssigen Komponenten besteht, beispielsweise einer Mischung aus Brennstoff und Luft.

Niederdruck-Brennstoff pumpen, wie sie im Brennstoffsystem von Gasturbinen-Flugtriebwerken benutzt werden, müssen in der Lage sein Brennstoff dem Triebwerk auch unter Notbedingungen zuzuführen, wenn freie Luft oder Brennstoffdampf im Brennstoff vorhanden ist, wenn dieser auf das Laufrad der Pumpe auftritt. Derartige Bedingungen treten ein wenn die Brennstoff-Tank-Förderpumpen des Flugzeugs entweder zu arbeiten aufhören oder abgeschaltet sind. Die Zwei-Komponentenströmung wird durch den hieraus resultierenden niedrigen Pumpeneinlaßdruck in der Förderleitung verursacht, denn dadurch wird die gelöste Luft und der gelöste Brennstoffdampf vom Brennstoff freigegeben, rlerkörnrnl iche Brennstoff-Zentrifugalputnpen besitzen ein zufriedenstellendes verhalten, wenn die zu pumpende Gas/Fiüssigkeits-Mischung einen mäßigen Anteil von Gas aufweist. Wenn es jedoch erforderlich ist, Mischungen mit einem hohen Anteil von Gas zu pumpen, dann besteht die Gefahr, daß die Pumpwirkung plötzlich zusammenbricht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Laufrad einer Zentrifugalpumpe derart auszubilden, daß auch größere Anteile von Gas und Dampf pro Volumeneinheit der Flüssigkeit verarbeitet werden können

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als dies bei herkömmlichen Laufradausbildungen mit gleichen Gesamtabmessungen möglich ist. In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen soll unter "Gas" und "gasförmig" auch "Dampf" und "dampfförmig"

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verstanden werden.

Die Erfindung geht aus von einem Laufrad für en,e *« Zentrifugalpumpe, die einen zentralen Einlaß und mehrere im Winkelabstand zueinander angeordnete Laufradschaufeln aufweist, die zwischen sich mehrare divergente Strömungskanäle definieren. Hierbei wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Auslaßabschnitte der Kanäle weit mehr divergent sind als die Einlaßabschnitte, und die Einlaßabschnitte der Kanäle mit Leitschaufeln versehen sind, die so angeordnet sind, daß sie das vom Mittelzulauf anströmende Mittel abfangen, wodurch dann wenn das Strömungsmittel eine wesentliche gasförmige Komponente besitzt, die mit einer Flüssigkeitskomponente gemischt ist, die Flüssigkeitskomponente durch die Leitschaufelanordnung konzentriert wird, um Flüssigkeitsschichten zu bilden, die därüberfließen, während sich die gasförmige Komponente in den Einlaßabschnitten der Kanäle sammelt, daß die Leitschaufelanordnung so ausgebildet ist, daß die Flüssigkeitsschichten als Strahlschichten durch die gesammelte gasförmige Komponente in die Auslaßabschnitte der Kanäle einstehen um sich darin zu sammeln und später eine normale Pumpwirkung durchzuführen, indem die gesammelte Flüssigkeit mit den Laufschaufeln in Berührung gelangt, und

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daß die Strahlschichten nicht mit den Laufschaufeln in Berührung stehen und dadurch wirksam sind, die gesammelte gasförmige Komponente einzusaugen und wieder mit der flüssigen Komponente im Auslaßabschnitt der Kanäle zu vermischen, wobei die Blasen klein genug sind, um mehr durch die Zentrifugalpumpkräfte als durch die Auftriebskräfte beeinflußt zu werden.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß das Konzept der Erzeugung diskreter Flüssigkeitsstrahlen zur Erzeugung einer Pumpwirkung in dem Laufrad einer Zentrifugalpumpe im Gegensatz zu der herkömmlichen Wirkung von Zentrifugalpumpen liegt, bei denen die Pumpwirkung auf den divergierenden Kanälen zwischen den Schaufeln beruht, wodurch die kinetische Energie in den Kanaleinlässen in Druck am Kanalauslaß umgewandelt wird, wobei soweit als möglich eine Kavitation verhindert wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Leitschaufeln baulich mit den Laufradschaufeln vereinigt. In diesem Fall umfassen die Leitschaufeln vorzugsweise Einlaßflächen der Laufschaufeln und es besteht ein nicht konformer übergang zwischen der Einlaßfläche und dem folgenden Flankenabschnitt jeder Laufschaufeln, um ein Abbrechen der Flüssigkeitsschichten von den Laufschaufeln zu gewährleisten, damit die Strahlschichten gebildet werden. Zweckmäßigerweise besteht der nicht konforme übergang aus einer Ecke, wo Einlaßfläche und folgender Flankenabschnitt aufeinandertreffen .

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Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel umfaßt die Leitschaufelanordnung diskrete Leitschaufeln, die im Abstand von den Laufschaufeln angeordnet sind und einen spitzen Einlaßwinkel aufweisen.

Der bevorzugte Bereich von Einlaßwinkeln der Leitschaufeln beträgt 10 bis 50°.

:.Um die richtige Gestalt der Kanäle zu erhalten, sind "die Laufschaufeln etwa stromlinienförmig im Sehnenquerschnitt ausgebildet.

Die Kanäle zwischen den Laufschaufeln umfassen vorzugsweise mittlere Übergangsabschnitte zwischen Einlaß- und Auslaßabschnitt, wobei die Mittelabschnitte längsmittellinien besitzen, die auf einer Spirale liegen, so daß die Strahlschichten ohne auf die Laufschaufeln aufzutreffen, verlaufen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1a eine Ansicht einer herkömmlichen Brennstoffpumpe mit Zentrifugal laufrad zur Brennstofförderung in einem Gasturbinen-Flugtriebwerk ;

1b eine Seitenansicht des Laufrades gemäß Fig. 1a;

Fig. 2 eine der Fig. la entsprechende Ansicht eines Brennstoffpumpenlaufrades gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht, welche ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, das einer Prüfung unterworfen wurde, um seine Arbeitscharakteristiken kennenzulernen ;■"

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie A-A nach Fig. 3 eines vereinfachten Laufrades und des umgebenden Gehäuses;

Fig. 5 eine Fotografie der Pumpe gemäß Fig. 3 und 4 während der Prüfung;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche

die Versuchsergebnisse zeigt, die sich beim Lauf einer Pumpe gemäß Fig. 3-5 herausstellten.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Hier ist das Laufrad 100 einer den Stand der Technik bildenden Niederdruck-Brennstoffpumpe für das Brennstoff-Zuführungssystem eines Gasturbinenfluatriebwerks dargestellt. Diese Pumpe umfaßt eine massive Scheibe 102, die auf einer Antriebswelle 104 befestigt ist und acht dünne Schaufeln 106 lagert, die Kanäle 108 zwischen

sich definieren. Diese Kanäle 108 sind nach dem Umfang der Scheibe 102 hin divergierend. Das Laufrad dreht sich in Richtung des Pfeiles R und es ist natürlich von einem Gehäuse umgeben, wobei die Welle 104 in Lagern des Gehäuses läuft. Das Gehäuse und die Lager sind in Fig. 1 nicht dargestellt, aber schematisch aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich.

Schaufeln 106 haben die Form dünner "Wände" aus Metall oder anderem Material, und diese stehen rechtwinklig auf der Scheibenoberfläche 102 und sie werden aus Gründen der Einfachheit der Herstellung gewöhnlieh einstückig mit der übrigen Scheibe in einer geeigneten Form gegossen- Die Schaufeln 106 erstrecken sich von ihren Vorderrändern 110 nach ihren Hinterrändern 112 in Spiralform und Vorderrand und Hinterrand treffen die Tangenten der Scheibenradien an jenen Punkten unter gewissen Schaufeleinlaß- und Auslaßwinkeln "i" und "d". Der Winkel i liegt gewöhnlich im Bereich zwischen 0 und 25° und der Winkel "d" beträgt gewöhnlich 30 bis 60°.

Im Betrieb tritt der zu fördernde Brennstoff im Mitteleinlaß des Laufrades 10 in Richtung des Pfeiles I über einen nicht dargestellten, aber ähnlich wie bei Fig. ausgebildeten Einlaßkanal ein. Der Brennstoff bewegt sich nach der Außenseite des zentralen Einlasses, wo er durch die Vorderränder 110 der Schaufeln 106 aufgenommen und in die relativ schmalen Einlasse der Kanäle 108 zwischen die Schaufeln gedruckt wird. Die

Die Pumpwirkung beruht auf der Zentrifugalwirkung des sich drehenden Laufrades 100 auf den Brennstoff, wodurch dieser beschleunigt und durch die divergierenden Kanäle 108 zwischen die Schaufeln 106 gedruckt wird, wodurch die kinetische Energie des Brennstoffs in Druck umgesetzt wird, und dieser letztere Effekt wird unterstützt durch den Sammelraurn im Pumpengehäuse (Fig. 4), in den der Brennstoff von den Auslassen der Kanäle 108 einströmt.

Im Normalbetrieb bei großer Flughöhe wird bei Benutzung eines Brennstoff-Fördersystems mit einer bekannten Niederdruckbrennstoffpumpe der beschriebenen Bauart das Brennstoffsystem immer voll Brennstoff sein, und zwar wegen der Wirkung der Flugzeug-Brennstofftank-Hilfspumpen, und es ist kein freies Gas oder kein freier Dampf am Einlaß der Niederdruckpumpe vorhanden. Wenn jedoch die Hilfspumpen abgeschaltet werden sollten oder ausfallen, dann bewirkt der in den Förderleitungen der Hilfspumpen absinkende Druck, daß gelöstes Gas und gelöster Brennstoffdampf vom Brennstoff freigegeben werden. Das Vorhandensein von viel Gas und Dampf in Form von Blasen im Brennstoff beeinträchtigt jedoch die Leistung einer Niederdruck-Brennstoff pumpe, die ein Laufrad 100 der beschriebenen Bauart besitzt und dies kann zu einem Zusammenbrechen der Pumpfähigkeit führen, und infolgedessen kann die Brennstoffzufuhr nach dem Triebwerk aufhören. Um zu gewährleisten, daß das Triebwerk weiterhin Leistung erzeugt, ist ein Niederdruck-Brennstoffpumpen-Laufrad erforderlich, welches immer noch einen ausreichenden Brennstoffdruck im Sammelraum erzeugen kann,

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selbst wenn die Pumpe mit Brennstoff gespeist wird, die einen maximalen Anteil von Gas und Dampf enthalten kann.

Fig. 2 zeigt eine Laufradausbildung gemäß der Erfindung, die in der Lage ist, eine größere Gas- und Dampfmenge zusammen mit Brennstoff zu verarbeiten als das Laufrad gemäß Fig. 1. Es zeigt sich, daß der Unterschied zwischen dem Laufrad 100 gemäß Fig. 1 und dem Laufrad 200 gemäß Fig. 2 in der Ausbildung der Schaufeln liegt. Um die Arbeitsweise des Laufrades 200 zu veranschaulichen, ist die Flüssigkeitsströmung in einem Schnitt des Laufrades veranschaulicht .

Auch hier empfängt das Laufrad das aus vermischten Komponenten bestehende Strömungsmittel im zentralen Einlaßbereich, und es sind Blasen von Luft und Brennstoffdampf 202 in dem gesamten flüssigen Brennstoff 204 enthalten. Wie bei dem herkömmlichen Laufrad wird auch hier durch Zentrifugalwirkung das vermisch- ] te Strömungsmittel vom Mitteleinlaß nach außen geschleudert, wo es die Einlasse der Kanäle 206 zwischen den großen Laufradschaufeln 208 erreicht, die weiter unten beschrieben sind. Wenn sich das Strömungsmittel in die Einlasse der Kanäle 206 bewegt, dann trifft die Strömungsmittelmischung auf die Vorderränder einer j

Gruppe kleiner Leitschaufeln 210, die zwischen benach- j barten Laufradschaufeln 208 angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel liegen die Vorderränder der Leitschaufeln 210 auf dem halben Wege zwischen den Vorderrändern benachbarter Laufradschaufeln 208.

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Wenn die Strömungsmittelmischung eine Leitschaufel 210 erreicht, dann wird sie vom Vorderrand der Leitschaufel aufgefangen und längs der Seite der Schaufel in Form einer relativ dünnen Schicht 211 aus Brennstoff gedruckt und es werden dadurch eine Menge Gas- und Dampfblasen vom Brennstoff getrennt und als gas- und dampfgefüllter Raum 212 in den inneren Teilen eines jeden Kanals 206 gesammelt. Die Brennstoffschicht 211 bildet - nachdem sie am Hinterrand jeder Leitschaufel 210 vorbeigeströmt ist, in jedem Kanal 206 eine Strahlschicht 214, und diese Strahlschicht folgt einem angenähert spiralförmigen Pfad längs der Längsmittellinie des Kanals 206 oder in der Nähe desselben wegen der Kombination der radialen und in Drehrichtung verlaufenden Geschwindigkeitskomponenten. Die Strahlschichten 214 stellen die primären Mittel dar, durch die Brennstoff in die inneren Teile der Kanäle 206 gepumpt wird. Es wird jedoch auch etwas Brennstoff/Gas-Gemisch durch die Vorderränder der großen Laufradschaufeln 208 abgefangen und strömt längs der konvexen Seiten als Brennstoffschicht 216 ab. Die Gas- und Dssipfkomponenten werden aus den Brennstoffschichten 216 herausgedrückt und in dem Raum 212 gesammelt. Auf diese Weise wird der Brennstoff als Brennstoff-Strahlschicht 214 und Brennstoffschicht 216 gepumpt und füllt den Auslaß der Pumpe, und es wird eine Front 215 zwischen dem flüssigen Brennstoff und dem gesammelten Gas und Dampf gebildet, wobei die Brennstoff-Strahlschicht 214 und die Brennstoffschicht 216 auf die Front bzw. Zwischenfläche 215 auftreffen und eine erhebliche Turbulenz verursachen .

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Die Luft und der Dampf werden auch wirksam durch das Verfahren gepumpt. Das Pumpen von Luft und Dampfkomponenten zusammen mit flüssigen Komponenten geschieht wenn die Relativgeschv/indigkeit zwischen der Strahlschicht 214 und der Zwischenfläche 215 ausreicht, um das einströmende Gdsvolumen wieder in die Flüssigkeit zu miscnen, i*.ut:;i ,das Gas im Raum 212 in die Strahlschicht eingesaugt j wird und das eingesaugte Gas dann in dem flüssigen

Brennstoff durch die Turbulenz gefangen wird, die erzeugt wird, wenn die Strahlschicht 214 und das andere Brennstoff blatt 216 auf die Zwischenfläche f 215 auftreffen. Die Zwischenfläche 215 kann als

j "Mischfront" bezeichnet werden. Der Gaspumpprozess

j setzt sich fort, wenn Luft und Dampf, die durch die

S Turbulenz in die Flüssigkeit hinter der Mischfront

als kleine Blasen wieder vermischt sind, die durch die Zentrifugalkräfte mehr beeinflußt werden als

durch die Auftriebskräfte, und die Blasen werden in der Flüssigkeit infolge des erhöhten Druckes, der

! durch die Pumpwirkung in den äußeren Abschnitten des

Kanals 206 erzeugt wird_; wieder gelöst.

j Im Betrieb dreht sich das Laufrad 200 mit einer

Drehzahl, die auf die Drehzahl des Triebwerks abgestimmt ist, da der Antrieb des Laufrades von einem

Zubehörgetriebe abgenommen wird, das vom Triebwerk angetrieben wird, l/nter normalen Betriebsbedingungen ist der in das Laufrad 200 vom Einlaß her eintretende Brennstoff frei von Luft- oder Dampfblasen, und in diesem Falle arbeitet das Laufrad in der gleichen Weise wie ein herkömmliches Laufrad unter den gleichen

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Bedingungen arbeiten würde. Wenn jedoch genügend Blasen vorhanden sind, ändert das Laufrad 200 seine Betriebsart von Pumpen auf jene, die in Fig. 2 dargestellt ist, so daß der Auslaß der Pumpe mit Flüssigkeit angefüllt verbleibt und die Zwischenfläche 215 zwischen Gas und Flüssigkeit sich nach innen oder außen in dem Kanal 206 „ bewegt, bis die Rate mit der Luft und Dampf wieder ''I * mit dem Brennstoff vermischt werden, die Rate aus- $% * gleicht, mit der er sich in dem Ratm 212 ansammelt. I ^

Nunmehr wird die Ausbildung der großen Schaufeln 208 betrachtet und durch die folgenden Auslegungsbetrachtungen bestimmt.

Die konkaven Flanken der Laufradschaufeln haben eine Gestalt und Orientierung, die jenen Schaufeln 106 gemäß Fig. 1a ähnlich ist, wobei ein gleicher Austrittswinkel am Umfang der Laufradscheibe und ein gleicher Einlaßwinkel im Mittelbereich der Laufradscheibe vorhanden ist und der Hauptunterschied darin besteht, daß vorzugsweise wie dargestellt, die konkaven Seiten der Schaufeln 208 kürzer sind als die Schaufeln 106 gemäß Fig. 1a bei gleicher Größe der Laufscheibe um zu gewährleisten, daß die Einlasse nach den Kanälen 206 breit genug sind, um eine zufriedenstellende Anpassung an die Leitschaufeln 210 zu gewährleisten.

(II) Die konvexen Flanken der Laufradschaufeln haben eine Gestalt und Orientierung, die von der Forderung abhängt, daß in den inneren Teilen der Kanäle 206 sie vorzugsweise parallel zu den Leitschaufeln 210 und zu

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der Strahlschicht 214 verlaufen, aber in den äußeren Teilen der Kanäle ist ihre Krümmung derart, daß sie graduell mehr an die konkaven Seiten herangeführt werden und veranlaßt werden, einen Auslaßwinkel anzunehmen, der vergleichbar ist mit jenem der konkaven Seiten. Eine angenäherte Unterscheidung kann zwischen Einlaßabschnitten der Kanäle 206 getroffen werden, die ■die Leitschaufeln 210 enthalten und den Mittelab-.schnitten der Kanäle, die die Strahlschichten 214 enthalten (die Einlaß- und Mittelabschnitte zusammen werden als "innere Teile" der Kanäle bezeichnet) und die Auslaßabschnitte der Kanäle, die eine mehr divergente Form haben, um einen schnellen Druckanstieg über das %;Laufrad zu erhalten. Die ungefähre Teilung zwischen Mittelabschnitt und Außenabschnitt der Kanäle ist in Fig. 2 durch die strichlierte Linie D angedeutet. ;Die kombinierte Wirkung der Auslegungsbetrachtungen (I) und (II) besteht darin, die Laufradschaufeln etwa stromlinienförmig zu gestalten.

(III) Die Vorderränder der Laufradschaufeln können vielleicht auf einem etwas größeren Radius angeordnet sein als jene der Leitschaufeln 210, um zu gewährleisten, daß sie nicht so viel Flüssigkeitsmischung abschöpfen, daß eine Störung der Funktion der Strahlschicht 214 eintritt und ihre Vorderränder sind etwas gegenüber Berührung mit der Flüssigkeitsmischung durch die Vorderränder der Leitschaufeln abgeschirmt.

Andere Konstruktionserfordernisse sind die Einlaßwinkel der Vorderränder der Leitschaufeln 210. Diese

sind so gewählt, daß die Gaspumprate optimiert wird, indem die höchste Geschwindigkeit für die Strahlschichten erlangt wird und diese Einlaßwinkel liegen wahrscheinlich zweckmäßig in dem Bereich zwischen 10 und 50°. Es ist wichtig, daß die Strahlschichten eine sehr hohe Geschwindigkeit besitzen, weil hierdurch sowohl das Einsaugen von Luft durch die Strahlschichten und auch die Turbulenz an der Gas-Flüssigkeitsgrenze 215 infolge des Aufpralls der Strahlschichten maximiert wird. Diese Turbulenz trägt dazu bei, Luft in die Flüssigkeit aufzunehmen und es wird die eingesaugte Luft in eine große Anzahl kleiner Blasen aufgebrochen, die sich in der Flüssigkeit leichter lösen als eine kleinere Zahl großer Blasen, und außerdem sind diese kleinen Blasen weniger durch Auftriebskräfte beeinflußbar.

Um die Wirkungsweise der Erfindung zu testen, wurde ein einfaches Pumpenlaufrad konstruiert und hinsichtlich des Verhaltens von mit Luft durchsetzten Brennstoffs konstruiert und berechnet. Die Konstruktion und die Abmessungen des Versuchslaufrades 300 und seines Gehäuses 302 sind schematisch in Fig. 3 und 4 dargestellt. Das Gehäuse 302 umfaßt einen Einlaßkanal 303, einen Auslaßraum 305 und Lager 307, die die Laufradwelle 309 abstützen. Es ist ersichtlich, daß das Laufrad 300 acht einfache keilförmige Laufradschaufeln 304 besitzt. Jede Schaufel 304 weist eine gerade Seite 306, die den konkaven Seiten der

Schaufeln 208 in Fig. 2 äquivalent ist und eine gegenüberliegende Seite 308 auf, die drei Facetten oder Abschnitte umfaßt, die Strömungsbedingungen erzeugen, welche annähernd den Strömungsbedingungen entsprechen, die durch die beiden Gruppen von Schaufeln nach Fig. 2 erzeugt werden. Dem Laufrad wurde eine Mischung aus Luft und Brennstoff zugeführt.

Der Vorderrand einer jeden Schaufel 304 weist eine '' ■ flache Einlaßleitfläche 310 auf, die der Schaufel einen Einlaßwinkel von etwa 30° verleiht. Diese Fläche schöpft das vermischte Strömungsmittel und leitet es weiter während der flüssige Brennstoff von den gasförmigen und dampfförmigen Phasen getrennt wird, wie dies die Leitschaufeln 210 gemäß Fig. 2 bewirkten. Um eine Trennung der Brennstoffströmung über der Einlaßfläche 310 von der folgenden Fläche 312 zu gewährleisten, welche einen Übergang zwischen _ti der Einlaßfläche 310 und der Auslaßfläche 314 darstellt, ist die Einlaßfläche 310 nicht konform mit der Übergangsoberfläche 312, d.h. es befindet sich eine scharfe Ecke am Übergang dieser beiden Flächen und deshalb kann der Brennstoff der abrupten Richtungsänderung nicht folgen. Demgemäß wird, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, eine Strahlschicht erzeugt, die Luft und Dampf einsaugt und auf den sich langsamer bewegenden Brennstoff auftrifft, der den Auslaßraum 305 ausfüllt.

Die Einlaßseite des Pumpengehäuses 302 war aus transparentem Plastikmaterial gefertigt, und die Fotografie

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gemäß Fig. 5 wurde während eines Versuchs aufgenommen. Es ist ersichtlich, daß trotz der groben Gestalt und gleichförmigen Natur der Schaufeln 304 die Strahlschicht (mit Pfeil versehen), die durch die Einlaßleitfläche 310 erzeugt wurde, klar sichtbar ist und ebenso die Mischfront oder die Zwischenfläche.

Die Fotografie wurde aufgenommen bei einem Zwischenraum von 0,076 mm zwischen dem transparenten Gehäuse und den Spitzen der Rotorschaufeln 304, weil das Strömungsmuster im Rotor durch den BrennstoffίIm am Gehäuse beeinträchtigt worden wäre, wenn ein größeres Spiel benutzt würde. Jedoch ergab sich eine bessere Leistung mit einem größeren axialen Spiel.

Bei einer Reihe von Versuchen wurde die Luft-Flüssigkeits-Strömung durch Drosselung des Einlasses nach der Pumpe erzeugt, wodurch bewirkt wurde, daß Luft aus der Lösung im Brennstoff infolge der Pumpenwirkung ausgetrieben wurde, und zwar in der gleichen Weise wie dies bei einem Brennstoffsystem eines Flugzeugs geschieht, was oben beschrieben wurde. Bei einer weiteren Serie von Versuchen wurde die Luft-Flüssigkeits-Strömung dadurch erzeugt, daß Luft in die Brennstoffströmung stromauf des Pumpeneinlasses eingespritzt wurde. Bei den Versuchen zeigte sich, daß die Pumpe bis herab zu der geringen Druckdifferentialen über dem Schaufelrad in einem weiten Bereich von Gas/Flüssigkeitsverhältnissen sehr stabil arbeitete. Bei hohen Gas/Flüssigkeitsverhältnissen (mehr als ungefähr 0,15) leiden

herkömmliche Pumpen unter einem plötzlichen Zusammenbruch der Pumpfähigkeit bei etwa 80% der normalen Druckzunahme über dem Laufrad bei der jeweiligen betrachteten Geschwindigkeit, während die erfindungsgemäße Pumpe nicht zusammenbrach. Diese Charakteristik ist aus Fig. 6 ersichtlich, wo der Druckanstieg über der Pumpe gegen den gedrosselten Einlaßdruck nach der Pumpe bei progressiv vergrößerten Werten von Gas-Flüssigkeitsverhältnissen (G/L) aufgetragen ist. Der Teil der Kurve zwischen den strichlierten Linien ist der angenäherte zusätzliche Arbeitsbereich, den die erfindungsgemäße Pumpe gegenüber herkömmlichen Pumpen besitzt. Die Versuche mit eingespritzter Luft zeigten, daß bei einer simulierten Höhe von 6096 m (20 000 Fuß) mit Avtur Brennstoff bei + 20⁰C und einer Pumpendrehzahl von 6500 u/min die Pumpe gemäß Fig. 3 und 4 einen Druckanstieg von 450 k/Pa (65 psi) bei einer Brennstoff strömung von 4546 l/h (1000 Gallons pro Stunde) bei unvermischtem Brennstoff ohne Luft (Q-Gas-Flüssigkeitsverhältnis) erlangt werden konnte, während sich sin Druckanstieg von 331 k/Pa (48 psi) bei der gleichen Strömungsrate und einem Gas-Flüssigkeitsverhältnis von 0,25 ergab.

Da eine Gasaufnahme auf beiden Seiten der Strahlschicht erfolgt, würde ein Ventilationskanal 316 in jeder Schaufel, wovon ein Beispiel strichliert in Fig. 3 dargestellt ist, die Leistung des Laufrades verbessert haben, weil dann mehr Gas und Dampf in den Raum hinter die Strahlschicht hatte eindringen können

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In Fig. 2 kann eine Ventilation des Raumes hinter der Strahlschicht erfolgen, weil jene Strahl-Schicht durch eine Leitschaufel erzeugt wird, die im Abstand zu der Hauptschaufel liegt.

Die Erfindung wurde vorstehend im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit zum Pumpen von Brennstoff in Gasturfbinentriebwerks-Brennstoffsystemen erörtert, jedoch kann die Erfindung auch bei Pumpen Anwendung finden, die andere Arten von Flüssigkeits-Gas-Dampf-Mischungen erarbeiten, z.B. Mischungen von Wasser und Dampf in Kraftwerksanlagen oder Verarbeitungsanlagen.

Claims

Laufrad für eine Zentrifugalpumpe ·. Patentansprüche:

I. Laufrad für eine Zentrifugalpumpe, mit einem

zentralen Strömungsmitteleinlaß und mit mehreren, im Winkelabstand zueinander angeordneten Laufradschaufeln, die zwischen sich eine Mehrzahl

von divergierenden Strömungsmittelkanälen definieren,

dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßabschnitte der Kanäle (206) beträchtlich mehr divergieren als ihre Einlaßabschnitte, daß die Einlaßab-

_t schnitte der Kanäle (206) mit Leitschaufeln (210)

versehen sind, die so angeordnet sind, daß sie

\ r λ das Strömungsmittel (202, 204), welches aus dem

» Einlaß des Laufrades (200) ausströmt, abfängt,

wodurch dann wenn das Strömungsmittel einen beträchtlichen Anteil gasförmiger Komponenten (202),

\ vermischt mit einer flüssigen Komponente (204)

! aufweist, die flüssige Komponente (204) durch die

Leitschaufel (210) konzentriert wird, um Flüssig- '■ keitsschichten (211) zu erzeugen, die darüber

» fließen und di? gasförmige Komponente (202)

sammelt sich im Einlaßabschnitt der Kanäle (206), und daß die Leitsc laufein (210) in die Flüssigkeitsschichten (211) eintauchen, wenn die Strahlsch ichter, (214) durch die gesammelte gasförmige Komponente (212) in die Auslaßabschnitte der Kanäle (206) eintreten, um sich dort zu sammeln und darauf 'h ¹ZrV - -eine normale Pumpwirkung durchführen, durch "^§i^' ~"~ ' Berührung der gesammelten Flüssigkeit mit "l^i den Laufradschaufeln (208), wobei die Strahl- j "'-J ^r'^r schichten (214) nicht in Berührung mit den ,, '^Λ;' , Laufradschaufeln (208) gelangen und dadurch

, ** wirksam sind, um die gesammelte gasförmige

"'* Komponente (212) aufzunehmen und diese mit

. · " der flüssigen Komponente in den Auslaßabschnitten , des Kanals (206) als Blasen wieder zu vermischen, ,^, welche klein genug sind, damit sie stärker durch , die Zentrifugalpumpkräfte als durch die Auftriebs· kräfte beeinflußt werden.

Z. Laufrad nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (310) baulich mit den Laufradschaufeln (304) vereinigt sind.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln Einlaßflächen (310) der Laufschaufeln (304) umfassen, und daß keine Konformität zwischen jeder Einlaßfläche (310) und dem folgenden Flankenabschnitt (312) jeder Laufschaufel (304)

besteht, um ein Abbrechen der Flüssigkeitsschichten von den Laufschaufeln zu gewährleisten, und um die Strahlschichten zu bilden .

4. Laufrad nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die nicht konforme Ausbildung eins Ecke umfaßt, wo die Einlaßfläche (310) und der folgende Flankenabschnitt (312) aufeinandertreffen.

5. Laufrad nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelanordnung einzelne Leitschaufeln (210) aufweist, die von den Laufradschaufeln (208) im Abstand angeordnet sind und einen spitzen Einlaßwinkel aufweisen.

6. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln (208) im Sehnenquerschnitt etwa stromlinienförmig gestaltet sind.

7. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (206) zwischen den Laufradschaufeln (208) MitteJabschnitte aufweisen, die einen Übergang zwischen ihren Einlaß- und Auslaßabschnitten darstellen, wobei die Mittelabschnitte Längsrnittellinien annähernd spiraliger Form besitzen, wodurch bewirkt wird, daß sich die Strahlschichten (214'

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anpassen, ohne auf die Laufradschaufeln aufzutreffen.

8. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelanordnung (210) einen Einlaßwinkei zwischen 10 und 50° besitzt.