DE69811608T2

DE69811608T2 - Pumpenlaufrad

Info

Publication number: DE69811608T2
Application number: DE69811608T
Authority: DE
Inventors: Ulf Arbeus
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: Xylem IP Holdings LLC
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2018-10-15
Also published as: EP0916851A1; BR9804382A; BG63473B1; EE9800325A; SG70132A1; US6142736A; TW483989B; EA199800935A1; KR19990044907A; YU49045B; PT916851E; JPH11173294A; MY129531A; HRP980600B1; YU51998A; HU221153B1; NO322538B1; AU9323498A; NZ332884A; PL189277B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Pumpenlaufrad und im spezielleren ein Pumpenlaufrad für Zentrifugalpumpen oder Pumpen des halbaxialen Typs zum Pumpen von Fluiden, wobei es sich in erster Linie um Abwasser handelt.
In der Literatur sind eine große Anzahl Typen von Pumpen und Pumpenlaufrädern für diesen Zweck beschrieben, die jedoch alle gewisse Nachteile besitzen. Dies betrifft in erster Linie Probleme hinsichtlich eines Verstopfens und einer geringen Effizienz.
Abwasser enthält eine große Anzahl verschiedener Arten von Verunreinigungen, deren Menge und Struktur von der Jahreszeit sowie von den Bereichen abhängig sind, in denen das Abwasser anfällt. In Städten sind Kunststoffmaterial, Hygieneartikel, Textilien usw. häufig, während es in industriellen Umgebungen zur Entstehung von Verschleiß hervorrufenden Partikeln kommen kann. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die größten Probleme in Verbindung mit Lumpen und dergleichen auftreten, die an den Vorderkanten der Flügel hängen bleiben und sich um die Laufradnabe herumwickeln. Solche Vorfälle führen zu häufigen Serviceintervallen und verminderter Effizienz.
In der Landwirtschaft und der Zellstoffindustrie werden verschiedene Arten von Spezialpumpen verwendet, die Stroh, Gras, Blätter und andere Arten von organischem Material bewältigen sollten. Zu diesem Zweck sind die Vorderkanten der Flügel nach hinten angestellt, um eine Beförderung der Verunreinigungen nach außen zum Rand hin anstatt ein Hängen Bleiben derselben an den Kanten hervorzurufen. Häufig werden verschiedene Arten von Zerkleinerungseinrichtungen verwendet, um das Material zu zerschneiden und für eine leichtere Strömung zu sorgen. Beispiele hierfür sind gezeigt in der SE-435 952, der SE-375 831 und der US-4 347 035.
Da es sich bei Verunreinigungen in Abwasser um andere Arten handelt, die schwieriger zu bewältigen sind, und da die Betriebszeiten für Abwasserpumpen normalerweise viel länger sind, erfüllen die vorstehend genannten Spezialpumpen die Anforderungen beim Pumpen von Abwasser nicht, und zwar weder vom Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit noch vom Gesichtspunkt der Effizienz.
Eine Abwasserpumpe arbeitet häufig bis zu 12 Stunden am Tag, wobei dies bedeutet, dass der Energieverbrauch zu einem großen Teil von der Gesamteffizienz der Pumpe abhängig ist.
Tests haben bewiesen, dass sich die Effizienz für eine erfindungsgemäße Abwasserpumpe im Vergleich zu bekannten Abwasserpumpen um bis zu 50% verbessern läßt. Da die Folgekosten für eine elektrisch betriebene Pumpe normalerweise völlig durch die Energiekosten (ca. 80%) bestimmt sind, ist es evident, dass eine solche dramatische Steigerung von extremer Bedeutung ist.
In der Literatur sind die Ausbildungen der Pumpenlaufräder in sehr allgemeiner Weise beschrieben, insbesondere was die Anstellung der Vorderkanten anbelangt. Eine eindeutige Definition für diese Anstellung existiert nicht.
Tests haben gezeigt, dass die Ausbildung der Anstellwinkelverteilung an den Vorderkanten sehr wichtig ist, um die erforderliche Selbstreinigungsfähigkeit des Pumpenlaufrads zu erzielen. Die Art der Verunreinigungen verlangt ebenfalls unterschiedliche Anstellwinkel, um eine gute Funktion zu schaffen.
Die Literatur enthält keinerlei Information darüber, was notwendig ist, um einen gleitenden Transport von Verunreinigungen in Radialrichtung nach außen entlang der Vorderkanten der Flügel zu erzielen. Erwähnt ist nur in allgemeiner Weise, dass die Kanten stumpfwinklig, nach hinten angestellt usw., sein sollen. Siehe SE-435 952.
Wenn kleinere Verunreinigungen, wie Gras und anderes organisches Material gepumpt werden, können relative kleine Winkel ausreichend sein, um den radialen Transport zu erzielen sowie die Verunreinigungen in dem Schlitz zwischen dem Pumpenlaufrad und dem umschließenden Gehäuse zu zerkleinern. In der Praxis wird die Zerkleinerung dadurch erzielt, dass die Teile durch die Berührung mit dem Laufrad und dem Gehäuse zerschnitten werden, wenn sich das Laufrad mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 10 bis 25 m/s dreht. Dieser Schneidprozess wird durch Ausbilden der Oberflächen mit Schneidvorrichtungen, Schlitzen oder dergleichen verbessert. Vergleiche SE-435 952. Solche Pumpen werden für den Transport von Pulpe, Dünger usw. verwendet.
Bei der Ausbildung eines Pumpenlaufrads mit Flügelvorderkanten, die nach hinten angestellt sind, um eine Selbstreinigung zu erzielen, entsteht ein Konflikt zwischen der Verteilung des Anstellwinkels, der Leistung sowie anderen Auslegungsparametern. Im Allgemeinen trifft es zu, dass ein gesteigerter Anstellwinkel ein geringeres Verstopfungsrisiko bedeutet, jedoch nimmt gleichzeitig auch die Effizienz ab.
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit zum Ausbilden der Vorderkante des Flügels in optimaler Weise, was die Erzielung verschiedener Funktionen und Qualitäten für ein zuverlässiges und wirtschaftliches Pumpen von Abwasser anbelangt, das Verunreinigungen wie Lumpen, Fasern usw. enthält.
Die Erfindung enthält im Prinzip drei Komponenten, die in den Ansprüchen dargestellt sind.
Die erste Komponente, die in Fig. 5 gezeigt ist, quantifiziert ein Band der Anstellwinkelverteilung, die eine gute Funktion und Effizienz zulässt. Der Bereich steht in Verbindung mit der Größe, der Umfangsgeschwindigkeit und der Materialreibung. Die unabhängige Variable, die zur Beschreibung hiervon verwendet wird, wird hier als standardisierter Radius bezeichnet und ist wie folgt definiert:
Standardisierter Radius = (r - r&sub1;)/(r&sub2; - r&sub1;) Gleichung 1
Dabei ist r&sub1; der Radius der Nabenverbindung, r&sub2; ist der Radius nach außen zu dem Umfang der Vorderkante, und der Radius nach einem Zylinderkoordinatensystem, der seinen Ursprung im Zentrum der Laufradachse hat definiert die kürzeste Distanz zwischen dem Ist-Punkt sowie einem Punkt auf der Verlängerung der Laufradachse.
Das Grundprinzip bei diesem Teil der Erfindung besteht darin, dass der Anstellwinkel de Vorderkante beträchtlich nach außen vergrößert ist, und zwar von einem Minimum von 40 Grad an der Nabenverbindung zu einem Minimum von 55 Grad an dem Umfang. Die obere Grenze, 60 bis 75 Grad, definiert eine Grenzlinie, über der die Effizienz sowie auch die Zuverlässigkeit in negativer Weise beeinflusst werden.
Der zweite Bereich der Erfindung betrifft ein spezielles Ausführungsbeispiel, das genau diese vorteilhafte Fähigkeit besitzt, dass der Anstellwinkel nahezu unabhängig von dem Betriebspunkt ist, d. h. von verschiedenen Strömungen und Höhen, wobei dies auch verschiedenen Geschwindigkeitsdreiecken entspricht ( , , ).
Die Definition des Anstellwinkels erfolgt nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen Pumpenlaufrads, Fig. 2 zeigt einen Radialschnitt durch eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pumpe, während Fig. 3 eine schematische axiale Ansicht des Einlasses des Laufrads zeigt. Fig. 4 zeigt eine Vergrößerung eines Bereichs an der Vorderkante eines Laufradflügels, während Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Relation zwischen einer Anstellung der Vorderkante nach hinten und einem Standardradius gemäß der Erfindung zeigt.
In den Zeichnungen bezeichnet 1 eine Laufradnabe und 2 einen Flügel mit einer Vorderkante 3. 4 bezeichnet die Verbindung der Vorderkante mit der Nabe, und 5 bezeichnet den Umfang der Kante. 7 bezeichnet die Wand des Pumpengehäuses, 8 das Ende der Nabe, 9 bezeichnet die Rotationsrichtung, α den Anstellwinkel, WR die projizierte relative Geschwindigkeit, die Geschwindigkeit des Fluids in einem korotierenden Koordinatensystem, und z bezeichnet die Erstreckungsrichtung der Laufradachse.
Zum Ausbilden einer gewünschten Pumpenlaufradgeometrie in optimaler Weise ist eine korrekte Definition des Anstellwinkels eine Voraussetzung. Der exakte Anstellwinkel α ist im Allgemeinen eine Funktion der Geometrie der Vorderkante in einer Meridionalansicht (r - z) sowie in einer Axialansicht (r - θ), siehe Fig. 2 und 3.
Die exakte Definition ist eine Funktion einer Kurve, die die Form der Vorderkante 3 beschreibt, sowie der lokalen relativen Geschwindigkeit an dieser Kurve. Dies läßt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:
Unter Verwendung traditioneller Bezeichnungen des Geschwindigkeitsdreiecks ( , , ) ist die relative Geschwindigkeit (r) eine Funktion des Positionsvektors in einem korotierenden zylindrischen Koordinatensystem. Normalerweise läßt sich die relative Geschwindigkeit (r, θ, z) auch anhand ihrer Komponenten (Wr, Wθ, Wz) erläutern.
Die dreidimensionale Kurve entlang der Vorderkante 3 kann in einem entsprechenden korotierenden Koordinatensystem als Funktion beschrieben werden, die von dem Positionsvektor abhängig ist, d. h. = (r, θ, z).
Ein Infinitesimalvektor, der an jeder Stelle parallel zu der Vorderkante ist, läßt sich definieren als d . Aus der Definition des skalaren Produkts erhält man einen Ausdruck für den Anstellwinkel α, der definiert ist als Winkel zwischen der Senkrechten auf d und R, wobei R, die projizierte relative Geschwindigkeit, als orthogonale Projektion von R auf die Richtung von bei Null-Inzidenz ist. Dies bedeutet, dass R und gleich oder nahe bei dem Sollbetriebspunkt liegen, der gelegentlich auch als Punkt der besten Effizienz bezeichnet wird.
α = π/2 - arccos[(d · R)/( d · R )] Gleichung 2
Unter der Annahme, dass die absolute Einlassgeschwindigkeit keinerlei Umfangskomponente aufweist, was normal ist, ist Wθ gleich der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads.
Unter Verwendung dieser Definitionen und Annahmen zeigt es sich im folgenden, dass α strömungsunabhängig ist. Die Bedingungen dafür sind, dass die Vorderkante in einer Ebene liegt, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der Richtung z der Laufradachse ist, und dass die Vorderkante sich dort befindet, wo die absolute Einlassgeschwindigkeit im Wesentlichen axial ist, was bedeutet, dass die radiale Komponente von R nahezu Null beträgt. Aus denselben Gründen ist die Umfangskomponente von R, d. h. in θ-Richtung, gleich der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads sowie strömungsunabhängig. Die axiale Komponente von R ergibt einen vernachlässigbaren Beitrag zu α, da dRz gemäß obigen Ausführungen Null ist. Dies folgt aus der Definition des skalaren Produkts. Somit hat die strömungsabhängige Variable R in Gleichung 2 keinen Einfluss auf α, da der Zähler sowie auch der Nenner sich proportional ändern.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich die Vorderkante des Flügels in einer Ebene, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der Laufradachse ist. Auf der Basis des Wissens, dass die Pumpe sehr häufig in einem breiten Gebiet arbeitet, was Volumenströmung und Höhe anbelangt, ermöglicht das bevorzugte Ausführungsbeispiel die Aufrechterhaltung der Selbstreinigungsfähigkeit unabhängig von unterschiedlichen Betriebsbedingungen.
Der dritte Bereich der Erfindung betrifft ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem die Verbindung der Vorderkante mit der Nabe sich in der Nähe des Endes 8 der Nabe 1 befindet, i. e. letztere keine zentral vorstehende Spitze aufweist. Dies vermindert das Risiko, dass sich Verunreinigungen um den zentralen Teil des Laufrads herumwickeln.

Claims

1. Pumpenlaufrad eines Zentrifugal-Typs oder halbaxialen Typs zur Verwendung bei einer Pumpe zum Pumpen von Abwasser, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad mit einem oder mehreren Flügeln (2) versehen ist, deren Vorderkanten (3) in Richtung auf den Umfang nach hinten angestellt sind, dass der exakte Anstellwinkel (α), der an jedem Punkt an der Vorderkante als Winkel zwischen der Senkrechten (6) auf die Vorderkante und der projizierten relativen Geschwindigkeit ( R) des gepumpten Mediums an diesem Punkt definiert ist, einen Wert hat, der innerhalb eines Bereichs liegt, der begrenzt ist durch den das Intervall von 40 bis 55 Grad an der Verbindung (4) der Vorderkante mit der Nabe (1) und von 60 bis 75 Grad an dem Umfang (5) sowie dazwischen im Wesentlichen gleichmäßig variiert.

2. Pumpenlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (a) zwischen der Senkrechten (6) auf die Vorderkante (3) und der projizierten relativen Geschwindigkeit ( R) des gepumpten Mediums an jedem Punkt an der Vorderkante einen Wert hat, der innerhalb eines Bereich liegt, der begrenzt ist durch den Bereich von 45 bis 55 Grad an der Verbindung (4) der Vorderkante mit der Nabe (1) und von 62 bis 72 Grad an dem Umfang (5) sowie dazwischen im Wesentlichen gleichmäßig variiert.

3. Pumpenlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (3) des Flügels (2) sich im Wesentlichen in einer zu der Laufradachse (z) rechtwinkligen Ebene befindet, in der die absolute Geschwindigkeit des gepumpten Mediums in erster Linie axial ist.

4. Pumpenlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (4) der Vorderkante (3) mit der Nabe (1) sich nahe bei dem Ende (8) der Nabe befindet.