DE3724299A1

DE3724299A1 - Pumpe mit ummanteltem vorlaufrad

Info

Publication number: DE3724299A1
Application number: DE19873724299
Authority: DE
Inventors: Sen Yih Meng
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1986-10-09
Filing date: 1987-07-22
Publication date: 1988-04-21
Also published as: NL8700867A; FR2605060B1; FR2605060A1; JPS6394099A; US4708584A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Zentrifugalpumpen und insbesondere ein ummanteltes Vorlaufrad zur Benutzung in einer Zentrifugalpumpe. Die Erfindung richtet sich darauf, die Kavitationsschäden zu vermeiden, die norma lerweise durch eine Rückflußströmung von Flüssigkeit über die Ummantelung des Vorlaufrades entstehen würden.

Es wurde festgestellt, daß die Zufügung einer Ummante lung bei einem sonst mantellosen Vorlaufrad die Bildung von Wirbeln an oder in der Nähe der Spitzen der Schau feln des Vorlaufrades verhindert und auf diese Weise Kavitationsschäden am Vorlaufrad in Verbindung mit die sen Wirbeln vermeidet. Die Hinzufügung einer Ummantelung erzeugt jedoch eigene Probleme, dadurch, daß ein Teil der Flüssigkeit stromab vom Vorlaufrad dazu neigt, über die Außenseite der Ummantelung zurückzufließen, und den Hauptstrom gerade oberhalb der Schaufeln des Vorlauf rades wieder erreicht. Wenn die Rückflußströmung hinter der vorderen oder stromauf gelegenen Kante der Ummante lung austritt, löst sie oft Wirbel ab, die direkt auf die radial mehr auswärts gelegenen Teile der Schaufeln des Vorlaufrades aufprallen. Diese Wirbel erodieren die betroffenen Teile der Schaufeln und führen dazu, daß das Vorlaufrad endlich einen gleichen Verlust an Wir kungsgrad und gleiche strukturelle Schäden erleidet wie ein Vorlaufrad ohne Ummantelung. So werden die Vorteile durch die Verwendung einer Ummantelung zur Vermeidung der Probleme mit den Wirbeln an den Schaufelspitzen aus geglichen durch die Probleme mit den Wirbeln, die sich an der Vorderkante der Ummantelung ablösen.

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um die Probleme mit der Rückflußströmung über ein ummanteltes Vorlaufrad zu lösen. Beispielsweise wurden Labyrinth dichtungen am äußeren Rand der Ummantelung des Vorlauf rades angebracht, um die Rückflußströmung über die Um mantelung zu minimieren. Die Labyrinthdichtung kann je doch noch so gut sein, es gibt immer eine bestimmte Strömung, die die Dichtung passiert und dann die vor erwähnten Wirbelprobleme erzeugt. Außerdem neigen die Labyrinthdichtungen im Laufe der Zeit dazu, ihre Dich tungswirksamkeit zu verlieren. Dies tritt besonders bei Pumpen in Erscheinung, wo Schwingungen und thermodyna mische Belastungen die Dichtung in einem hohen Maße von Abrieb unterwerfen. Eine übermäßige Verwendung von Labyrinthdichtungen konnte benutzt werden, um die Rück flußströmung auf ein Minimum zu reduzieren, wie das in der US-PS 29 84 189 dargestellt ist. Eine solche über mäßige Benutzung von Dichtungen ist jedoch unpraktisch und teuer. Es sind verschiedene andere Verfahren vorge schlagen worden im Hinblick auf die Konstruktion eines ummantelten Vorlaufrades, das die Probleme mit den Wir beln, die von der Ummantelung ausgehen, lösen sollte. Keines dieser Verfahren war jedoch insgesamt wirksam oder praktisch im Hinblick auf die Kosten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein ummantel tes Vorlaufrad vorzusehen, das die Kavitationsschäden, die durch die Rückflußströmung über die Ummantelung ent stehen, zu verhindern.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein ummantel tes Vorlaufrad vorzusehen, das die übermäßige Benutzung von Labyrinthdichtungen nicht erforderlich macht.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe mit ummanteltem Vorlaufrad zu schaffen, die weder durch Wirbelbildung an den Spitzen noch durch Wirbel, die durch Rückflußströmung über das ummantelte Vorlauf rad abgelöst werden, Kavitationsschäden in einem erkenn baren Ausmaß erleidet.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe mit ummanteltem Vorlaufrad vorzusehen, in der die über die Ummantelung zurückströmende Flüssigkeit wieder in den Einlaß zurückgeführt werden kann, wobei das Strö mungsmuster des Eingangs nur minimal gestört wird.

Die vorstehenden und weitere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung gelöst. Allgemein umfaßt die Er findung eine Verbesserung einer Pumpe mit einem umman telten Vorlaufrad, das wenigstens eine schraubenförmige Schaufel aufweist, die ringsum durch eine Ummantelung umgeben ist. Das Vorlaufrad ist drehbar aufgehängt inner halb eines Gehäuses. Typischerweise wird das Gehäuse ei nen Flüssigkeitseinlaß und einen Flüssigkeitsauslaß auf weisen, und es wird ein ringförmiger Raum existieren, der durch einen äußeren Rand der Ummantelung und eine benachbarte Oberfläche des Gehäuses begrenzt wird. Dieser führt eine Rückflußströmung aus Flüssigkeit über die Um mantelung während des Pumpenbetriebs. Die vorliegende Erfindung zeigt eine Verbesserung, die die Kavitations schäden durch diese Rückflußströmung verringert. Die Verbesserung umfaßt:
eine erste Dichtungsvorrichtung, die in der Nähe des stromaufwärts gelegenen Endes der Ummantelung gele gen ist;
eine zweite Dichtungsvorrichtung, die in der Nähe des stromabwärts gelegenen Endes der Ummantelung ange ordnet ist;
eine Leitvorrichtung, die einen Durchgang in dem Gehäuse umfaßt, der eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ringförmigen Raum zwischen der ersten und der zwei ten Dichtungsvorrichtung und einer Mischungszone mit we nigstens einem flüssigkeitsdurchlässigen Wandbereich er möglicht; und
eine Ablenkvorrichtung, die an der äußeren Ober fläche der Ummantelung zwischen den Dichtungsvorrich tungen angebracht ist, um die Flüssigkeitsströmung in die Leitvorrichtung zu führen.

In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich der flüssigkeitsdurchlässige Wandabschnitt in einem Sammelbereich in dem Gehäuse, und es sind Vorrichtungen vorgesehen, die die Rückflußströ mung in die Flüssigkeit zurückführen, die in die Pumpe einfließt.

Andere Aufgaben, Vorteile und neue Eigenschaften der vor liegenden Erfindung werden anhand der folgenden, genauen Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit der Zeichnung betrachtet wird.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

Fig. 1 einen seitlichen Querschnitt eines Ab schnitts einer Zentrifugalpumpe mit einem ummantelten Vorlaufrad, die entsprechend der bevorzugten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung entworfen worden ist.

Gleiche Elemente oder Teile innerhalb der Zeichnungen werden durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorlie genden Erfindung. Es ist ein Plan der wichtigsten Elemen te einer Pumpe mit ummanteltem Vorlaufrad 10 dargestellt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde. Die Pumpe umfaßt ein Gehäuse 12, das einen drehbaren Rotor 14 mit Schaufeln 16 enthält. Ein im wesentlichen zylindrisches Mantelglied 18 ist am äuße ren Ende der Schaufel 16 befestigt und umgibt die Schau feln 16 und den Rotor 14. Wie dargestellt, erstreckt sich das Ummantelungsglied 18 in einen ausgebuchteten Ab schnitt 20 des Gehäuses 12. Eine Labyrinthringvorrich tung 22 ist in der Nähe des stromauf gelegenen Endes des Mantels 18 vorgesehen, und eine stromabwärts gelegene Labyrinthringvorrichtung 24 ist an dem stromab gelegenen Ende des Mantels 18 vorgesehen. Der Zweck der Dichtungs vorrichtungen 22 und 24 liegt natürlich darin, den Fluß von zurückfließender Flüssigkeit zu minimieren, die nor malerweise um den Mantel 18 herum durch die ringförmige Passage in dem ausgenommenen Abschnitt 20 zurückfließen würde, der durch eine äußere Oberfläche des Mantels 18 und die benachbarte, innere Oberfläche des Gehäuses 12 bestimmt ist.

Zwischen den Dichtungsvorrichtungen 22 und 24 ist eine schaufellose Leitvorrichtung vorgesehen. Diese umfaßt einen Durchgang im Gehäuse 12, der eine Flüssigkeitsver bindung zwischen dem Raum zwischen den Dichtungsvorrich tungen 22 und 24 und einer Mischungskammer 28 herstellt. Die Mischungskammer 28 wird durch die Wände 30 begrenzt. Wenigstens ein Teil der Wände 30 sind aus einem flüssig keitsdurchlässigen Material gebildet. In der dargestell ten, bevorzugten Ausführungsform ist die Mischungskammer 28 und die Wände 30 innerhalb des Durchflußsammelbe reichs 32 im Gehäuse 12 begrenzt. Der Durchflußsammel bereich 32 stellt eine Flüssigkeitsverbindung zurück in ein Gebiet in der Nachbarschaft des Einlasses und des Gehäuses 12 durch eine Flüssigkeitseinströmöffnung 34 her.

Im Betrieb wird ein Drehmoment von einem externen An trieb (nicht dargestellt) an den Rotor 14 angelegt. Wenn nun Flüssigkeit durch den Einlaß des Gehäuses 12 ein strömt, verursachen die Schaufeln 16 einen Druckanstieg der eintretenden Flüssigkeit sowie ein Wirbelmuster, welches günstig ist für den Pumpenbetrieb von z. B. dem Laufrad einer Zentrifugalpumpe, welches den Druck der Flüssigkeit weiter erhöht und sie in einen Auslaß des Gehäuses 12 entlädt. Ein Teil der Flüssigkeit, die die Schaufeln 16 passiert, insbesondere derjenige Anteil genau stromabwärts von den Schaufeln 16, neigt dazu, in den ringförmigen Raum einzutreten, der zwischen dem Außenbereich der Ummantelung 18 und dem benachbarten Abschnitt der Ausbuchtung 20 im Gehäuse 12 liegt. Da diese Flüssigkeit unter einem höheren Druck steht als die eintretende Flüssigkeit am Einlaß und wegen der Pumpwirkung, die durch die Bewegung des Außenbereichs der Ummantelung 18 relativ zu dem benachbarten Abschnitt des Pumpengehäuses 12 bewirkt wird, neigt die Flüssigkeit in dem ringförmigen Raum 20 dazu, nach links in Rich tung Einlaß zurückzufließen. Diese Strömung wird hier als Rückflußströmung über die Ummantelung bezeichnet. Sie würde ohne die Maßnahmen der vorliegenden Erfindung Kavi tationsschäden an den Schaufeln 16 des Vorlaufrades ver ursachen, wie dies auch bei den ummantelten Vorlaufrädern nach dem Stand der Technik der Fall war. Es muß außerdem verstanden werden, daß die Rückflußströmung jedenfalls eine im wesentlichen tangentiale oder wirbelförmige Ge schwindigkeitskomponente aufgrund der Drehbewegung der Ummantelung aufweist.

Wegen der Drehbewegung der Ummantelung überträgt diese sowohl hier als auch im Stand der Technik eine im wesent lichen tangentiale Geschwindigkeitskomponente auf die Rückflußströmung. Deshalb würde die Rückflußströmung da zu neigen, starke Wirbel von dem Einlaßende der Ummante lung abzulösen. Diese Tendenz würde dadurch weiter ver stärkt, daß die Rückflußströmung beim Erreichen des Ein laßendes der Ummantelung in einer Axialrichtung fließt, die entgegengesetzt ist zu derjenigen der einströmenden Hauptströmung. Da die Wirbel, die in der Nähe des strom aufwärts gelegenen Endes der Ummantelung 18 erzeugt wer den, sehr stark sind und sehr nahe an den Schaufeln 16 des Vorlaufrades entstehen, prallen sie direkt auf die stromauf gelegenen Schaufelenden. Dadurch erleiden die Schaufeln der Vorlaufräder des Standes der Technik schwere Kavitationsschäden an ihren stromauf gelegenen Enden. Dies kann so weit führen, daß die Wirkung der Pumpe gestört wird und die Schaufeln selbst häufig be schädigt werden.

Die vorliegende Erfindung verhindert die vorerwähnten Probleme des Standes der Technik dadurch, daß eine ring förmige Ausbuchtung 20 in dem Gehäuse 12 vorgesehen wird, die einen ringförmigen Raum bildet, der durch einen äuße ren Rand der Ummantelung und eine benachbarte Oberfläche des Gehäuses begrenzt wird. Labyrinthdichtungsringe 22 und 24 in der Höhe der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Abschnitte der Ummantelung dienen dazu, die Rückflußströmung zu minimieren. Eine jegliche Rückfluß strömung, die an der Dichtungsvorrichtung 24 vorbei sickert, wird durch einen Ablenker 25 in die Leitvorrich tung 26 gelenkt. Nach der Darstellung scheint die Leit vorrichtung 26 eine Strömung mit einheitlichem Quer schnitt über ihre Länge aufzuweisen. Es muß jedoch be achtet werden, daß sich die Leitvorrichtung 26 um den äußeren Umfang der Ausbuchtung 20 herum erstreckt. Da durch sieht die durchfließende Strömung eine Durchtritts fläche mit nach außen hin zunehmendem Durchmesser. Die Leitvorrichtung 26 dient dazu, die Geschwindigkeit der Rückflußströmung zu verringern und eine entsprechende Abnahme des Drucks herbeizuführen, so daß der Druck der Flüssigkeit am Ausgang wesentlich niedriger ist als der jenige am Eingang. Dadurch wird sichergestellt, daß im wesentlichen die gesamte Flüssigkeit, die die Dichtung 24 passiert, radial auswärts durch die Leitvorrichtung 26 abfließt. Der Druckabfall sollte jedoch nicht so groß sein, daß der Druck geringer wird als der Einlaß druck in der Nähe der Dichtung 22. Anderenfalls würde die Flüssigkeit dazu neigen, um die Dichtungsvorrich tung 22 herum einzudringen und das Vorlaufrad auf diese Weise zu umgehen. Dadurch würde der Wirkungsgrad ent sprechend vermindert.

Die Rückflußströmung läuft durch die schaufellose Leit vorrichtung 26 und tritt in die Kammer 28 ein, die von flüssigkeitsdurchlässigen Wänden 30 begrenzt wird. Die Wände 30 bilden den Kern der vorliegenden Erfindung. Die flüssigkeitsdurchlässigen Wände dienen insbesondere da zu, praktisch alle tangentialen Geschwindigkeitskompo nenten der durchfließenden Flüssigkeit zu entfernen. Das Material, aus dem die Wände 30 gebildet werden, ist nicht von wesentlicher Bedeutung. Natürlich muß es mit der zu pumpenden Flüssigkeit verträglich sein. Typischer weise können die Wände aus einem pulverförmigen Metall gebildet sein, das gesintert worden ist, um ein durch lässiges Material zu bilden. Außerdem können ähnliche poröse, keramische Materialien ebenso verwendet werden. Vorzugsweise soll das auszuwählende Material eine Porosi tät von wenigstens 90% aufweisen, d. h. es soll eine Dich te von weniger als 10% der Dichte des Basismaterials auf weisen. Der Rest ist leerer Raum. Natürlich ist es wich tig, daß kein direkter Flußweg durch das Material exi stiert. Statt dessen sollte die ganze Strömung einem ge wundenen Strömungsweg folgen müssen, der seine Richtung ändert, um alle tangentialen Geschwindigkeitskomponenten zu entfernen, so daß die Flüssigkeit, die die poröse Wand verläßt, nur eine Geschwindigkeitskomponente auf weist.

Die Porengröße ist nicht von entscheidender Bedeutung, vorausgesetzt natürlich, daß sie nicht zu klein ist, so daß sie die Flüssigkeitsströmung dadurch wesentlich be hindert oder leicht verstopft wird durch Verschmutzun gen, von denen angenommen werden kann, daß sie sich in der Flüssigkeit befinden. Die maximale Porengröße wird so ausgewählt, daß sie kleiner ist als die Grenzflächen dicke der Flüssigkeit. Eine bevorzugte Porengröße kann entsprechend der folgenden Gleichung berechnet werden:

dies ergibt die Porengröße in Zoll (= 25,4 mm) oder ent sprechend:

dies gibt die Porengröße in Mikron (µm).

In diesen Gleichungen bedeutet D den Durchmesser der Um mantelung des Vorlaufrades in Zoll (= 25,4 mm). UpM be deutet die Drehzahl des Vorlaufrades in Umdrehungen/min, und V bedeutet die kinematische Viskosität der zu pum penden Flüssigkeit in Fuß²/sec (= 9,29 × 10^-2 m²/sec).

In der dargestellten Ausführungsform befindet sich die Mischungskammer mit ihren flüssigkeitsdurchlässigen Wän den 30 innerhalb eines Durchflußsammelbereichs 32, der sich innerhalb des Gehäuses 12 befindet. Die Flüssig keit, die durch die Wände 30 dringt und jetzt keine tangentialen Geschwindigkeitskomponenten mehr besitzt, wird gesammelt und der Flüssigkeit beigemischt, die sich den Schaufeln des Vorlaufrades 16 nähert. Vorzugs weise wird die Flüssigkeit durch eine abgewinkelte Ein strömöffnung zurückgeführt, die eine axiale Geschwin digkeitskomponente hervorruft, die der der eintretenden Flüssigkeit entspricht.

Die Erfindung wurde ausführlich beschrieben im Hinblick auf Rückflußströmungen. Für den Fachmann ist klar, daß sie sich insbesondere auf Flüssigkeiten, wie Wasser, flüssiges Metall zur Kühlung von Reaktoren und Antriebs stoffe für Stahltriebwerke, richtet. Tatsächlich ist ein besonders bevorzugter Anwendungsfall der vorliegen den Erfindung ein Raketentriebwerk, das mit veränderli chen Schubleistungen arbeitet. Die vorliegende Erfin dung erlaubt es der Pumpe, in einem größeren Drehzahl bereich zu arbeiten und damit unterschiedliche Drücke zu erzeugen, ohne daß Kavitation auftritt, wie das sonst der Fall sein könnte.

Claims

1. Pumpe mit einem ummantelten Vorlaufrad, das we nigstens eine schraubenförmige Schaufel umfaßt, die ringsum von einer Ummantelung umgeben ist, wobei das Vorlaufrad und die Schaufel innerhalb eines Gehäuses drehbar befestigt sind und das Gehäuse einen Einlaß und einen Auslaß für Flüssigkeit aufweist und wobei ein ringförmiger Raum, der durch eine Außenseite der Umman telung und eine benachbarte Oberfläche des Gehäuses be grenzt wird, eine Rückflußströmung über die Ummantelung während des Pumpenbetriebs abtransportiert, mit einer Verbesserung zur Verringerung der Kavitationsschäden, die mit der Rückflußströmung in Verbindung stehen, wo bei diese Verbesserung gekennzeichnet ist durch
eine erste Dichtungsvorrichtung (22), die in dem ringförmigen Raum (20) in der Nähe eines stromaufwärts gelegenen Endes der Ummantelung (18) gelegen ist;
eine zweite Dichtungsvorrichtung (24), die in dem ringförmigen Raum (20) in der Nähe eines stromab gelege nen Endes der Ummantelung (18) angeordnet ist;
eine schaufellose Leitvorrichtung (26), die eine Flüssigkeitspassage in das Gehäuse (12) mit einer End öffnung in den ringförmigen Raum (20) zwischen der er sten und der zweiten Dichtungsvorrichtung (22, 24) auf weist;
eine Mischungskammer (28) in Flüssigkeitsverbin dung mit einem anderen Ende des Durchgangs, wobei die Mischungskammer (28) wenigstens einen flüssigkeitsdurch lässigen Wandabschnitt (30) aufweist, der den einzigen Flüssigkeitsauslaß von der Kammer (28) bildet; und
eine Ablenkvorrichtung (25), die am äußeren Rand der Ummantelung (18) zwischen der ersten und zweiten Dichtungsvorrichtung (22, 24) zur Lenkung der Rückfluß strömung in die Leitvorrichtung (26) angeordnet ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Dichtungsvorrichtung (22, 24) Labyrinthdichtungen umfassen.

3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssigkeitsdurchlässige Wandabschnitt (30) aus einem Material mit einer Porosität von wenigstens 90% gebildet ist.

4. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssigkeitsdurchlässige Wandabschnitt (30) eine mittlere Porengröße in Zoll (= 25,4 mm) entsprechend aufweist, wobei D der Durch messer der Ummantelung des Vorlaufrades in Zoll (= 25,4 mm) ist, UpM die Drehzahl des Vorlaufrades in Umdrehungen/min und V kinematische Viskosität der Pum penflüssigkeit in Fuß²/sec (= 9,29 × 10^-2 m²/sec) bedeu tet.

5. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssigkeitsdurchlässige Wandabschnitt (30) in eine Sammelkammer (32) innerhalb des Gehäuses (12) ein geschlossen ist und die Sammelkammer (32) eine Eingangs öffnung (34) umfaßt, durch die die Rückflußströmung wie der in die Pumpe (10) eintritt.

6. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaufellose Leitvorrichtung ( 26) in einem Win kel angeordnet ist, um die Rückflußströmung aufzunehmen.

7. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (25) in der Nähe des Endes der Öffnung der schaufellosen Leitvorrichtung (26) in dem ringförmigen Raum (20) zwischen der ersten und der zwei ten Dichtungsvorrichtung (22, 24) angeordnet ist.

8. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssigkeitsdurchlässige Wandabschnitt (30) aus einem Material mit einer Porosität von wenigstens 90% gebildet ist.

9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssigkeitsdurchlässige Wandabschnitt (30) eine mittlere Porengröße in Zoll (= 25,4 mm) entsprechend aufweist, wobei D der Durch messer der Ummantelung des Vorlaufrades ist, UpM be deutet die Drehzahl des Vorlaufrades in Umdrehungen/min und V ist die kinematische Viskosität der zu pumpenden Flüssigkeit in Fuß²/sec (= 9,29 × 10^-2 m²/sec).

10. Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssigkeitsdurchlässige Wandabschnitt (30) in einer Sammelkammer (32) innerhalb des Gehäuses (12) ein geschlossen ist und die Sammelkammer (32) eine Eingangs öffnung (34) zur Wiedereinführung der Rückflußströmung in die Pumpe (10) umfaßt.

11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die schaufellose Leitvorrichtung (26) zur Aufnahme der Rückflußströmung in einem Winkel angeordnet ist.

12. Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (25) in der Nähe der Endöff nung der schaufellosen Leitvorrichtung (26) in den ringförmigen Raum (20) zwischen der ersten und der zwei ten Dichtungsvorrichtung (22, 24) angeordnet ist.