DE4015331A1 - Einschaufelrad fuer kreiselpumpen - Google Patents
Einschaufelrad fuer kreiselpumpenInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Einschaufelrad für
Kreiselpumpen zur Förderung von mit festen Beimengungen
durchsetzten Flüssigkeiten, insbesondere zur Förderung von
Schmutzwasser mit langfaserigen Bestandteilen, wobei zwischen
der vorderen und der hinteren Deckscheibe des Einschaufelrades
und der Schaufel, deren Stärke sich über deren Erstreckung
verändert, ein Kanal gebildet wird.
Der Konstrukteur eines vornehmlich in der Abwasserförderung zu
verwendenden Einschaufelrades steht vor einer komplexen
Aufgabenstellung. Er muß nicht nur das Einschaufelrad und
dessen Kanal so gestalten, daß eine Anlagerung fester
Bestandteile im Förderweg, vor allem aber eine dadurch
hervorgerufene Verstopfung, mit Sicherheit vermieden werden.
Er muß auch bedacht sein, die hierzu in einem gewissen
Widerspruch stehende Forderung nach einer möglichst günstigen
Massenverteilung des zwangsläufig unsymmetrisch gestalteten
Einschaufelrades zu erfüllen. Und nicht zuletzt hat er einen
hohen Energieumsatz in dem von ihm entwickelten Einschaufelrad
anzustreben.
Die Erfüllung der genannten Forderungen wird beeinträchtigt
durch verschiedenartige Probleme, die sich aus den
Förderbedingungen und den Besonderheiten des Einschaufelrades
ergeben und die sich in einer vielfach nicht vorhersehbaren
Weise gegenseitig beeinflussen und überlagern können.
In der Mehrzahl aller Einsatzfälle werden Kreiselpumpen mit
Einschaufelrädern mit einer konstanten Antriebsdrehzahl
betrieben. Die Förderbedingungen einer solchen Kreiselpumpe
sind normalerweise aber einer ständigen Änderung unterworfen.
So schwankt beispielsweise die Zulaufhöhe zwischen einem
Maximal- und einem Minimalwert. Der Arbeitspunkt der
Kreiselpumpe, also der Schnittpunkt zwischen der konstanten
Pumpenkennlinie und der variablen Anlagenkennlinie, ist somit
ebenfalls der Änderung unterworfen.
Mit der Verschiebung des Arbeitspunktes ist nun sowohl eine
Änderung der relativen Schaufelzuströmgeschwindigkeit wie eine
Änderung der relativen Anströmrichtung verbunden. Hieraus
ergibt sich eine statische Druckverteilung längs der
Schaufelkontur, die für die jeweilige Schaufelform spezifisch
ist. Aus der Integration der Druckverteilung von der Schaufel
eintritts- bis zur Schaufelaustrittskante ergibt sich eine
Schaufelkraft, die relativ zu einem ortsfesten Bezugspunkt als
auslenkende Querkraft umläuft. Diese Querkraft, die auch als
hydrodynamischer Auftrieb bezeichnet wird, bildet eine
harmonisch wirkende Erregerkraft, die in einem schwingungs
fähigen System, also z. B. einer Anlage, große Probleme
verursachen kann. Sie sollte daher möglichst klein gehalten
werden.
Ein weiteres Problem der Einschaufel- oder Einkanalräder
bildet die mechanische Unwucht, die aus der ungleichen
Massenverteilung des Laufrades resultiert. Es läge nun nahe,
die mechanische Unwucht zur Kompensation des hydrodynamischen
Auftriebes einzusetzen, wobei die sich bei vektorieller
Addition der beiden Kräfte ergebende Restkraft durch ein
Zusatzgewicht ausgeglichen würde. Nun sind aber die
mechanische Unwucht und die Fliehkräfte lastunabhängige
Kräfte, während der hydrodynamische Auftrieb mit der
Fördermenge auch den Angriffswinkel relativ zur Schaufel
ändert. Daraus ergibt sich, daß sich eine Kompensation der
mechanischen Unwucht und der hydrodynamischen Kraft nur für
einen Arbeitspunkt der Kreiselpumpe erreichen läßt.
Es besteht daher die Forderung, neben der hydrodynamischen
Auftriebskraft auch die mechanische Unwucht des
Einschaufelrades möglichst klein zu halten. Für die Schaufel
gilt es eine geometrische Gestaltung anzustreben, deren
hydrodynamischer Auftrieb keine Richtungsänderung innerhalb
des Arbeitsbereiches erfährt. Bei einem Tragflügel würde man
hier von einem druckpunktfesten Profil sprechen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Schaufelgestaltung ist
die Optimierung des Kavitationsverhaltens der Kreiselpumpe.
Durch früh kavitierende Einschaufelräder können aufgrund der
systembedingten hydrodynamischen Unsymmetrie stationäre und
instationäre Erregerkräfte freigesetzt werden, die in Form von
Schwingungen auftreten und die den Betrieb der Kreiselpumpe
gefährden.
Aus der Literatur sind verschiedene Beiträge bekannt, die sich
mit dem Massenausgleich und der Verstopfungsgefahr eingehend
beschäftigen. Es wurde dabei allerdings dem gegenseitigen
Einfluß der verschiedenen auf das Laufrad wirkenden Kräfte
weniger Beachtung geschenkt. Vor allem dem Einfluß der
Kavitation wurde nicht die Bedeutung beigemessen, die ihm in
Wirklichkeit zukommt.
So befaßt sich die US-PS 17 54 992 mit dem Problem des
Ausgleichs der Massenunwucht an einem Einschaufel- bzw.
Einkanalrad. Zur Bewältigung dieses Problems sieht die
zitierte Patentschrift zwei Maßnahmen vor: Erstens besitzt die
den Kanal bildende Schaufel eine über ihre Erstreckung stetig
abnehmende Stärke, so daß, trotz der unsymmetrischen
Massenverteilung, eine insgesamt relativ geringe Massenunwucht
verursacht wird. Zweitens ist auf der Rückseite des Laufrades
ein dem Massenausgleich dienendes Gegengewicht angeordnet. Als
mögliche dritte Maßnahme ist noch die Anordnung von Hohlräumen
auf der Rückseite des Einschaufelrades vorgesehen, wobei der
Anbringungsort zur Optimierung des Unwuchtausgleichs variiert
werden kann.
Ausgehend von der Feststellung, daß auch die zur Förderung von
festen Beimengungen besonders geeigneten Kanalräder unter
ungünstigen Umständen weiterhin zur Verstopfung neigen, sann
die Fachwelt auf eine Lösung des Problems. In der Annahme, daß
Unregelmäßigkeiten in der Kanalführung und dadurch bedingtes
ungleichmäßiges Fließverhalten zu Ablagerungen und zur
Verstopfung führt, trachtete man nach einer möglichst
gleichmäßigen Kanalführung.
Durch den Aufsatz "Pumpen regeln Wasserhaushalt"
(VDI-Nachrichten Nr. 25/23. Juni 1965) wurde dann eine Laufradform
für Abwasseranlagen vorgeschlagen, die zur Vermeidung einer
akuten Verstopfungsgefahr mit einem glatten Durchgang
ausgestattet war. Wesentlich für dieses Laufrad war im
übrigen, daß der Querschnitt des Eintritts über die gesamte
Kanallänge erhalten blieb.
Durch die US-PS 45 75 312 wurde ein ähnlich gestaltetes
Laufrad bekannt, bei dem sich allerdings die Form des
Kanalquerschnittes über den Verlauf veränderte. Dabei sollte
aber die Querschnittsgröße gleichbleiben oder zum Auslaß hin
leicht zunehmen. Da die im Querschnitt einem Rohrbogen
ähnliche Kanalführung aber mit einer sehr dicken Schaufel
erkauft werden mußte, sah die US-PS 45 75 312 die Möglichkeit
vor, die Schaufel teilweise hohl auszubilden. Dies beseitigt
allerdings noch nicht das Problem der Radunwucht, die ja nicht
vollständig und für einen gesamten Drehzahlbereich
ausgeglichen werden kann. Hier fällt vor allem die selbst bei
einer teilweise ausgehöhlten Schaufel noch verhältnismäßig
große Masse ins Gewicht. Im übrigen erfordert ein solches
Laufrad einen erhöhten Aufwand bei der Herstellung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einschaufelrad
der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei Erfüllung
der Grundvoraussetzung der Verstopfungsfreiheit eine bezüglich
der mechanischen Unwucht und des hydrodynamischen Auftriebes
ausgewogene Gestaltung besitzt und die eine im Einlaufbereich
des Einschaufelrades vorhandene Kavitation auf ein für den
störungsfreien Betrieb unschädliches Minimum reduziert.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der an der Skelettlinie der Schaufel gemessene Schaufelwinkel
vom Eintritt bis mindestens 90 Grad des Drehwinkels 0 Grad
oder kleiner ist, während der Schaufelwinkel am Auslaß positiv
ist.
Dieser Lösung liegt folgende Überlegung zugrunde:
In der Praxis ist davon auszugehen, daß erste Dampfblasen an der Schaufel dann entstehen, wenn der statische Druck der Strömung auf den Dampfdruck absinkt. Die durch die Schaufel erzeugte Druckdifferenz überlagert sich dem mittleren Druck der Zuströmung. Der sich im System einstellende Minimaldruck, der sich zwangsläufig im Bereich des Schaufelanfangs bildet, ist vom Niveau der mittleren Relativgeschwindigkeit und vor allem von der mittleren Dralländerung abhängig. Die mittlere Dralländerung wiederum wird bestimmt durch den Schaufelwinkel. Ein längs des Strömungsweges gleichbleibender oder abnehmender Schaufelwinkel, wie er in der Erfindung realisiert wird, hat eine kleine mittlere Dralländerung und damit einen weniger tief abgesenkten mittleren Druck zur Folge. Durch die erfindungsgemäße Formgebung der Schaufel wird also eine frühzeitige, intensive Blasenbildung verhindert. Die bei einem Abschwimmen und Implodieren der Blasen (Kavitation) negativ beeinflußte Laufruhe der Kreiselpumpe wird somit vermieden.
In der Praxis ist davon auszugehen, daß erste Dampfblasen an der Schaufel dann entstehen, wenn der statische Druck der Strömung auf den Dampfdruck absinkt. Die durch die Schaufel erzeugte Druckdifferenz überlagert sich dem mittleren Druck der Zuströmung. Der sich im System einstellende Minimaldruck, der sich zwangsläufig im Bereich des Schaufelanfangs bildet, ist vom Niveau der mittleren Relativgeschwindigkeit und vor allem von der mittleren Dralländerung abhängig. Die mittlere Dralländerung wiederum wird bestimmt durch den Schaufelwinkel. Ein längs des Strömungsweges gleichbleibender oder abnehmender Schaufelwinkel, wie er in der Erfindung realisiert wird, hat eine kleine mittlere Dralländerung und damit einen weniger tief abgesenkten mittleren Druck zur Folge. Durch die erfindungsgemäße Formgebung der Schaufel wird also eine frühzeitige, intensive Blasenbildung verhindert. Die bei einem Abschwimmen und Implodieren der Blasen (Kavitation) negativ beeinflußte Laufruhe der Kreiselpumpe wird somit vermieden.
Die Unteransprüche nennen vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung.
Anhand eines Ausführungsbeispieles wird der Erfindung näher
erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäß
gestaltetes Laufrad und in
Fig. 2 einen Radialschnitt durch das Laufrad der Fig. 1.
Das durch ein Gießverfahren hergestellte Einschaufelrad bildet
zwischen einer vorderen Deckscheibe (1) , einer hinteren
Deckscheibe (2) und einer Schaufel (3) einen Kanal (4), dessen
Querschnitt vom Einlauf (5) des Einschaufelrades zum Austritt
(6) hin abnimmt.
Die mit einer Saugseite (7) und einer Druckseite (8)
ausgestattete Schaufel (3) besitzt einen abgeflachten
Schaufelkopf (9). Im Gegensatz zum herkömmlichen Schaufelkopf,
der mit einem Abrunderadius von der halben Schaufeldicke
versehen ist, ergibt sich an einem Schaufelkopf mit einem sehr
großen Abrunderadius eine Staupunkt-Strömung, die eine
abweisende Wirkung auf im Strömungsmedium enthaltene
Feststoffe ausübt. Die Abflachung, die im Grenzfall einen
unendlich großen Abrundradius besitzt, verhindert also das
Anlagern langfaseriger Bestandteile.
Das Einschaufelrad ist so gestaltet, daß die Saugseite der
Schaufel auf den ersten 180 Grad des Drehwinkels einen
konzentrisch zur Drehachse des Einschaufelrades angeordneten
Halbkreis bildet. Der Bedingung der Erfindung folgend, ist
somit hier der an der Skelettlinie (10) der Schaufel (3)
gemessene Schaufelwinkel β vom Schaufelkopf (9), dem Eintritt
(5) in das Laufrad, bis 180° des Drehwinkels kleiner als 0°,
während er am Austritt (6), also im Bereich des Schaufelendes
(11), positiv ist.
Die Saugseite (7) der Schaufel (3) bildet auf den ersten 180°
des Drehwinkels einen konzentrisch zur Drehachse des
Einschaufelrades angeordneten Halbkreis mit dem Radius r.
Die Schaufel (3) besitzt eine zum Auslaß hin stetig abnehmende
Dicke. Sie hat somit eine für das Unwuchtverhalten des
Einschaufelrades günstige Massenverteilung. Dieser Vorteil
läßt sich für das Einschaufelrad insgesamt feststellen, da es
keine großen Materialanhäufungen, insbesondere im äußeren
Umfangsbereich, besitzt.
Die Saugseite (7) und die Druckseite (8) der Schaufel (3)
verlaufen, in der Meridiandarstellung gesehen, auf ihrer
gesamten Erstreckung achsparallel, wobei sie mit einer Rundung
in die Deckscheiben (1) und (2) übergehen. Der Radius einer
solchen Rundung entspricht hier etwa einem Drittel der Breite
des Kanals (4) am Austritt (6). Er kann bis zur Hälfte der
Kanalbreite am Austritt (6) des Einschaufelrades betragen.
Das erfindungsgemäße Einschaufelrad verfügt über eine
vergleichsweise unkomplizierte Gestalt. Es ist daher nicht nur
leicht gießbar, es läßt sich auch in Blechbauweise herstellen,
was vor allem zusätzliche Vorteile im bezug auf das
Unwuchtverhalten mit sich bringt.
Claims (7)
1. Einschaufelrad für Kreiselpumpen zur Förderung von mit
festen Beimengungen durchsetzten Flüssigkeiten,
insbesondere zur Förderung von Schmutzwasser mit
langfaserigen Bestandteilen, wobei zwischen der vorderen
und der hinteren Deckscheibe des Einschaufelrades und der
Schaufel, deren Stärke sich über deren Erstreckung
verändert, ein Kanal gebildet wird, dadurch
gekennzeichnet, daß der an der Skelettlinie (10) der
Schaufel (3) gemessene Schaufelwinkel (β) vom Einlauf (5)
bis mindestens 90 Grad des Drehwinkels 0 Grad oder kleiner
ist, während der Schaufelwinkel (β) am Austritt (6)
positiv ist.
2. Einschaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckseite (8) und die Saugseite (7) der Schaufel
(3), mit Ausnahme möglicher Übergangsbereiche zu den
Deckscheiben (1, 2), in der Meridiandarstellung gesehen,
auf ihrer gesamten Erstreckung achsparallel sind.
3. Einschaufelrad nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Druckseite (8) und/oder die
Saugseite (7) der Schaufel (3) mit einer Rundung in die
Deckscheiben (1, 2) übergehen, deren Radius etwa einem
Drittel der Breite des Kanals (4) am Austritt (6) des
Einschaufelrades entspricht.
4. Einschaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Saugseite (7) der Schaufel (3) auf den ersten 180
Grad des Drehwinkels einen konzentrisch zur Drehachse des
Einschaufelrades angeordneten Halbkreis bildet.
5. Einschaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der den Übergang zwischen der Saugseite (7) und der
Druckseite (8) der Schaufel (3) bildende Schaufelkopf
einen Abrundradius besitzt, der wesentlich größer ist als
die halbe Schaufeldicke.
6. Einschaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schaufelkopf (9) eine ebene Fläche bildet.
7. Einschaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Einschaufelrad aus Blech besteht, wobei die
Schaufel aus zwei miteinander verschweißten, jeweils die
Saug- und die Druckseite der Schaufel bildenden Blechen
besteht.
Priority Applications (6)
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