DE4205542A1 - Selbstansaugende seitenkanalpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstansaugende Kreiselpumpe in einer ein- oder mehrstufigen Bauweise, in der jede Stufe als Druckseite aus einem Stufenmantel mit einer Austrittsöffnung und einer Ausnehmung für ein rotierendes Krei­ selrad, sowie aus einer Saugseite als Seiten­ kanalgehäuse mit einer Ansaugöffnung und einem Seitenkanal besteht.

Bei derartigen Seitenkanalpumpen wird die Arbeit vom offenen Kreiselrad mit sternförmig angeordne­ ten Schaufeln nur an einen Teil des Förderstroms, den Zirkulationsstrom, und von diesem durch Im­ pulsaustausch im Seitenkanal an den Förderstrom übertragen. Da sich dieser Arbeitsübertragungsvor­ gang durch Impulsaustausch in Form einer dreidi­ mensionalen Strömung auf der ganzen Länge des Sei­ tenkanals mehrfach wiederholt, ist mit Seitenkanal­ pumpen eine höhere Arbeitsübertragung als mit allen anderen Strömungsmaschinen erreichbar. Sie werden allerdings infolge der geringeren Wirkungsgrade vorwiegend für kleinere Förderströme ausgeführt, wobei relativ hohe Drücke erreicht werden.

Das Fördermedium strömt der Pumpe über den Saug­ stutzen zu und wird im Seitenkanal und insbesondere im Kreiselrad in Bewegung versetzt, so daß die Arbeitsübertragung beginnt.

Die Flüssigkeit im Laufrad bewegt sich nahezu mit der Winkelgeschwindigkeit des Kreiselrades und wird durch die Zentrifugalkraft radial zur Peri­ pherie bewegt, wobei die Umfangskomponente der theoretischen Flüssigkeitsgeschwindigkeit ansteigt. Zwischen den Radien tritt die Flüssigkeit mit er­ höhter Geschwindigkeit aus dem Kreiselrad in den Seitenkanal ein und überträgt ihre Bewegungsgröße an die im Seitenkanal strömende Flüssigkeit mit geringerer Bewegungsenergie. Dadurch bildet sich eine räumliche Zirkulationsströmung zwischen Krei­ selrad und Seitenkanal aus, die in Förderrichtung bewegt wird, wobei entsprechend der Kontinuitäts­ gleichung gleichzeitig ein Teil der energiearmen Flüssigkeit zwischen den Radien aus dem Seiten­ kanal in das Kreiselrad strömt.

Durch die mehrfache Wiederhohlung des Impulsaus­ tauschvorgangs auf der ganzen Länge des Seiten­ kanals, der sich über etwa 270 bis 320° des Um­ fangs erstreckt, ist eine hohe Arbeitsübertragung möglich.

Bei bekannten Seitenkanalpumpen hat der saugseitige Stufenmantel eine Öffnung, wo der Förderstrom entweder vom Sauggehäuse oder von der vorhergehenden Stufe dem Kreiselrad zuströmt.

Das druckseitige Gehäuse ist mit einem Seitenkanal versehen. Der Seitenkanal beginnt an der gleichen Stelle, wo sich im saugseitigen Stufenmantel die Eintrittsöffnung befindet. Der Seitenkanal verläuft dann über einen radialen Bereich von ca. 75 bis 80% in gleicher Breite und gleicher Tiefe und endet dann in der druckseitigen Öffnung. Zusätzlich ist eine kleine Öffnung für die Luftförderung vorgesehen.

Die Kreiselräder haben gerade Schaufeln, d. h. die Radschaufeln sind nicht verschränkt. Dies hat den Vorteil, daß sich ein geringer Axialschub bildet. Zusätzlich sind im Radboden Ausgleichsbohrungen angebracht, die einen Teil des Förderstroms zum Stufenmantel zurückfördern, um hier ein hydro­ statisches Lager aufzubauen, und sie sorgen dafür, daß das Kreiselrad hydraulisch ausbalanciert wird. Dies bedeutet, Axialschub und hydrostatisches Lager sorgen gleichzeitig dafür, daß das Kreiselrad saug­ seitig nicht anläuft und sich stets mittig zwischen Stufenmantel und Seitenkanalgehäuse einpendelt. Die Kreiselräder sind auf der Pumpenwelle nicht befestigt, d. h. sie haben eine lose Passung. In der Praxis ist es jedoch so, daß sich je nach För­ dermedium und Betriebsdauer das Kreiselrad auf der Pumpenwelle mittig festsetzt und damit nicht mehr in axialer Richtung pendeln kann.

Durch die geraden Kreiselradschaufeln bildet sich bei diesen Seitenkanalpumpen in der Hydraulik ein kleiner Axialschub aus. Zusätzlich wird durch die im Radboden der Kreiselräder befindlichen Bohrungen ein Axialschubausgleich durchgeführt und die Fläche zwischen Kreiselrad und Stufenmantel wird als hydro­ statisches Lager ausgebildet. Durch das Vorhanden­ sein einer einzigen Öffnung im Stufenmantel kann sich hier zwischen Kreiselrad und Stufenmantel ein recht großes hydrostatisches Lager (Schmierfilm) aufbauen, so daß hierdurch ein Anlaufen des Kreisel­ rades an das saugseitige Gehäuse verhindert wird. Allerdings kann hier bei extremen Förderbedingungen z. B. bei starken Druckimpulsen, Druckschwankungen, kurzfristiger Betrieb gegen eine geschlossene Druck­ leitung oder bei Trockenlauf das Kreiselrad saug­ seitig ungehindert anlaufen, weil der Axialschub­ ausgleich nicht mehr funktioniert und sich auch ein hydrostatisches Lager nicht aufbauen kann. Dies för­ dert dann den Verschleiß bei diesen bekannten Seitenkanalpumpen.

Bei einer weiteren bekannten Seitenkanalpumpe ist ist das Seitenkanalgehäuse sowohl saug- als auch druckseitig angeordnet. Am Beginn des Seitenkanals befindet sich die saugseitige Öffnung, der Seiten­ kanal vergrößert sich im Bereich der saugseitigen Öffnung und am Ende der saugseitigen Öffnung hat der Seitenkanal seine größte Breite und Tiefe. Der Seitenkanal erstreckt sich etwa auf 75-80% des Umfangs. Am Ende des saugseitigen Seitenkanals ver­ jüngt er sich auf einem relativ kurzen Stück und wird zusätzlich in radialer Richtung gesehen nach innen geführt.

Der druckseitige Stufenmantel ist in Strömungsricht­ ung gesehen hinter dem Kreiselrad angeordnet. An der Stelle, wo sich an der Saugseite das Ende des Seitenkanals befindet, befindet sich hier in der Druckseite die Öffnung, die entweder zum Druckge­ häuse oder zum saugseitigen Teil der nächsten Stufe führt. Die Öffnung ist entweder in radialer Richtung nach innen gezogen oder aber die Druckseite hat zusätzlich eine kleine Luftöffnung, mit der erreicht wird, daß die Seitenkanalpumpe Luft aus dem saug­ seitigen Rohrleitungssystem evakuieren kann.

Die Kreiselräder dieser älteren Seitenkanalpumpe weisen verschränkte Radschaufeln auf. Je nach hy­ draulischer Größe ist die Verschränkung der Radschau­ feln größer oder kleiner. Die Verschränkung der Schaufeln hat zur Folge, daß mit dieser Seitenkanal­ pumpe eine höhere Druckziffer erreicht wird, d. h., bei gleicher hydraulischer Leistung ergibt sich eine größere Förderhöhe pro Kreiselrad. Gleichzeitig erhöht sich durch dieses Kreiselrad der Axialschub. Infolge des hohen Axialschubes ist es erforderlich, die Kreiselräder auf der Pumpenwelle festzusetzen, z. B. durch Verstemmen oder Verschrauben, oder aber wie z. B. bei Edelstahlpumpen durch geeignete Ab­ standsscheiben, die den Axialschub auffangen.

Bei der letztgenannten Pumpentype sind zusätzlich im Radboden des Kreiselrades mehrere hydraulische Ausgleichsbohrungen eingebracht worden, die zusätz­ lich Förderflüssigkeit von der Druck- zur Saugseite transportieren, um so eine bessere Schmierung der saugseitigen Flächen zu erhalten. Die Strömungs­ richtung der Förderflüssigkeit verläuft von der Saug- zur Druckseite. Dabei wird die Förderflüssig­ keit zwischen Kreiselrad und saugseitigem Gehäuse­ teil einer Drucksteigerung unterzogen. Am Ende des saugseitigen Seitenkanals wird die Förderflüs­ sigkeit umgelenkt und durch das Kreiselrad hindurch zur Öffnung in die Druckseite geführt.

Der Axialschub geht bei dieser älteren Seitenkanal­ pumpe in Richtung Saugseite, d. h., in Richtung Seitenkanalgehäuse. Bedingt durch die Unterbrechung des Seitenkanals zwischen Kreiselrad und dem saug­ seitigen Gehäuseteil, baut sich ein hydrostatisches Lager nur schlecht auf. Es bildet sich somit kaum ein Schmierfilm, wodurch sich der Verschleiß erhöht, der durch den hohen Axialschub noch vergrößert wird. Um diesen Verschleiß zu unterbinden, müssen die Kreiselräder auf der Pumpenwelle arretiert werden. Auch die im Radboden befindlichen Ausgleichsbohrungen fördern zwar den Aufbau eines Gleitfilmes, sie können jedoch nicht den Axialschub unterbinden. Zufolge des Seitenkanals ist im saugseitigen Teil die Gleitfläche sehr gering, so daß sich kein ordnungs­ gemäßes hydrostatisches Lager aufbauen kann. Mit­ tels des arretierten Kreiselrades wird zwar eine exakte Fixierung des Kreiselrades zwischen den beiden hy­ draulischen Teilen erreicht, andererseits aber die Demontage und die Montage dieser Seitenkanalpumpe erschwert, weil eine große Fachkenntnis voraus gesetzt wird, so daß insbesondere das Aus­ wecheseln verschliessener Kreiselräder mit sehr großen Schwierigkeiten verbunden ist.

Ausgehend von einer Seitenkanalpumpe mit einem saugseitigen Seitenkanal liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Seitenkanalpumpe zu schaffen, mit der die Nachteile der älteren Pumpen vermieden werden und mit der gegenüber den bekannten Pumpen außer einer höheren Druckziffer und einem höheren Wirkungsgrad ein verbessertes Ansaugverhalten und eine Geräuschminderung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Seiten­ kanal nur in dem saugseitigen Pumpengehäuse angeordnet und die Ansaugöffnung direkt mit dem Anfangsteil des Seitenkanals verbunden ist;
daß im Bereich der Ansaugöffnung der druckseitige Stufenmantel mit einer Flüssigkeitsrückführöffnung versehen ist;
daß ein gegen Rotation gesichertes Kreiselrad auf der Pumpenwelle in axialer Richtung verschiebbar und mittels Anschlagelementen einen genauen Spalt bildend angeordnet ist;
daß die Schaufeln des Kreiselrades mit einer Ver­ schränkung versehen sind, die von der Druckseite aus gesehen zur Drehrichtung nacheilend ist.

Der nur saugseitig angeordnete Seitenkanal mit der am Anfangsteil des Seitenkanals angeordneten mit diesem verbundenen Ansaugöffnung verbessert das Ansaugverhalten des zu fördernden Mediums und bewirkt eine verbesserte Anströmung an die Schau­ feln, wodurch sich eine Geräuschminderung einstellt. Über die Flüssigkeitsrückführöffnung in dem druck­ seitigen Stufenmantel wird der Seitenkanal von Beginn an mit Hilfsflüssigkeit gefüllt, so daß der gesamte Seitenkanal für die Zuführung der Hilfsflüssigkeit genutzt und damit das Ansaugverhalten der Pumpe weiter verbessert wird. Die Verschränkung der Schaufeln ergibt eine höhere Druckziffer, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird. Die genaue, mittige Anordnung der Kreiselräder ergibt gleiche Spalte auf beiden Stirnseiten der Kreiselräder, wodurch die Strömungsverhältnisse innerhalb der Pumpe und die Laufeigenschaften der Pumpe verbessert werden.

Der Wirkungsgrad der Pumpe wird noch dadurch ver­ bessert, daß zusätzlich zu der Verschränkung der Schaufeln des Kreiselrades die Austrittsöffnung in dem Stufenmantel der Druckseite unter einem Winkel angeordnet ist, der der Schräge der Schau­ feln angepaßt ist, wobei gleichzeitig die Flächen der Austrittsöffnung gerundet sind. Durch diese Anordnung verbessert sich der Strömungswiderstand im Bereich der Austrittsöffnung bei gleichzeitiger Verbesserung des Übergangs von der Saug- zur Druck­ seite.

Aufgrund der höheren Druckziffer können bei gleicher Leistung Pumpenstufen eingespart werden, so daß der Bauaufwand geringer und damit die Pumpe in der Herstellung billiger wird. Die höhere Druckziffer, bei gleichzeitig höherem Wirkungsgrad, bewirken eine Einsparung an Antriebsleistung, so daß auch der Pumpenbetrieb verbilligt wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Seitenkanalpumpe aufgrund der axial verschiebbaren Kreiselräder leichter montiert und demontiert werden kann, so daß das Auswechseln verschliessener Teile auf der Baustelle von Nicht-Fachleuten durch­ geführt werden kann. Insgesamt erbringt die erfind­ ungsgemäße Seitenkanalpumpe eine höhere Betriebs­ sicherheit.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine dreistufige Kreiselpumpe;

Fig. 2 den Ausschnitt einer Pumpenstufe;

Fig. 3 eine Ansicht auf die Innenseite des Seitenkanalgehäuses mit dem Seitenkanal;

Fig. 4 eine Ansicht auf die Innenseite des Stufenmantels;

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des Stufenmantels mit dem Kreiselrad.

In Fig. 1 sind drei Pumpenstufen 2 bis 4 der Krei­ selpumpe 1 dargestellt, wobei die Ansaug- und Druckstutzen, sowie der Antrieb für die Pumpe nicht dargestellt sind. Auf einer Welle 6 sind die in Richtung des in den Fig. 3 + 4 dargestellten Pfeiles 24 rotierenden Kreiselräder 5 rotationsfest aber verschiebbar angeordnet. Aufgrund einer verschränkten Anordnung der Schaufeln 17 der Kreiselräder 5 stellt sich ein Axialschub in Richtung des Pfeiles 21 ein. Um ein Anlaufen der Kreiselräder 5 an das Seitenkanalgehäuse 12 zu vermeiden und gleichzeitig gleiche Spalte 9 auf beiden Seiten des Kreiselrades 5 zu gewährleisten, sind Anschlagelemente 7 und 8 vorgesehen. Das Anschlagelement 7 ist fest in das Seitenkanalgehäuse 12 eingelassen. Das Anschlagelement 8 ist fest mit dem Kreiselrad 5 verbunden und rotiert mit diesem um. Aus Verschleißgründen können die Anschlagele­ mente 7, 8 aus Oxidkeramik bestehen. Der drucksei­ tige Stufenmantel 10 weist für das rotierende Kreiselrad 5 eine Ausnehmung 22 und in der Wand 23 eine Austrittsöffnung 11 auf, die unter einem Winkel α₂ geneigt mit abgerundeten Flächen 18 verläuft. Das saugseitige Seitenkanalgehäuse 12 ist mit einem Seitenkanal 13 versehen, der von dem Anfangsteil 15 bis zu dem Endteil 20 reicht. Eine Ansaugöffnung 14 ist im Bereich des Anfangsteils 15 angeordnet und steht mit dem Seitenkanal 13 in Verbindung. Der Ansaugöffnung 14 ist im druck­ seitigen Stufenmantel 10 eine Flüssigkeitsrück­ führöffnung 16 zugeordnet. Fernerhin weist der Stufenmantel 10 eine Luftaustrittsöffnung 19 auf, die zwischen der Innenkante des Seitenkanals 13 und der Nabe des Kreiselrades 5 liegt. Die Schau­ feln 17 des Kreiselrades 5 sind mit einer Ver­ schränkung ausgebildet, die unter einem Winkel α₁ verläuft und demzufolge von der Druckseite aus gesehen zur Drehrichtung 24 nacheilend ist.

Claims (6)

1. Selbstansaugende Kreiselpumpe in einer ein- oder mehrstufigen Bauweise, in der jede Stufe als Drucksseite aus einem Stufenmantel mit einer Aus­ trittsöffnung und einer Ausnehmung für ein rotierendes Kreiselrad, sowie aus einer Saug­ seite als Seitenkanalgehäuse mit einer Ansaug­ öffnung und einem Seitenkanal besteht, dadurch gekennzeichnet,
daß der Seitenkanal (13) nur in dem Seitenkanal­ gehäuse (12) angeordnet und die Ansaugöffnung (14) direkt mit dem Anfangsteil (15) des Seitenkanals (13) verbunden ist;
daß im Bereich der Ansaugöffnung (14) der druck­ seitige Stufenmantel (10) mit einer Flüssigkeits­ rückführöffnung (16) versehen ist;
daß ein gegen Rotation gesichertes Kreiselrad (5) auf der Pumpenwelle (6) in axialer Richtung verschiebbar und mittels Anschlagelementen (7, 8) genaue Spalte (9) bildend angeordnet ist;
daß die Schaufeln (17) des Kreiselrades (5) mit einer Verschränkung versehen sind, die von der Druckseite aus gesehen zur Drehrichtung nacheilend ist.

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nacheilende Verschränkung der Kreisel­ räder unter einem Winkel (α₁) zwischen 10 und 30°, vorzugsweise zwischen 18 und 24° verläuft.

3. Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die druckseitig angeordnete Austrittsöffnung (11) eine Austrittsschräge (α₂) aufweist, die dem Winkel (α₁) der Verschränkung der Schaufeln (17) des Kreiselrades (5) entspricht.

4. Kreiselpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöff­ nung (11) abgerundete Flächen (18) aufweist.

5. Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsrückführöffnung (16) in radi­ aler Richtung etwa mittig zur Ansaugöffnung (14) angeordnet ist und in axialer Richtung die Ansaug­ öffnung (14) teilweise überdeckt.

6. Kreiselpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stufenmantel (10) im Bereich des Endteils (20) des Seitenkanals (13) mit einer zusätzlichen Luftaustrittsöffnung (19) versehen ist, die etwa auf der Mitte zwischen dem Endteil (2) und dem Zentrum der Kreiselpumpe liegt.