EP0684386A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Förderung eines Fluides - Google Patents

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EP0684386A1
EP0684386A1 EP94810225A EP94810225A EP0684386A1 EP 0684386 A1 EP0684386 A1 EP 0684386A1 EP 94810225 A EP94810225 A EP 94810225A EP 94810225 A EP94810225 A EP 94810225A EP 0684386 A1 EP0684386 A1 EP 0684386A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
centrifugal pump
impeller
flow
speed profile
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP94810225A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Dr. Guelich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sulzer Pumpen AG
Original Assignee
Sulzer Pumpen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sulzer Pumpen AG filed Critical Sulzer Pumpen AG
Priority to EP94810225A priority Critical patent/EP0684386A1/de
Priority to US08/417,289 priority patent/US5545008A/en
Publication of EP0684386A1 publication Critical patent/EP0684386A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/688—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for liquid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/2261—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures
    • F04D29/2272—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures for influencing flow or boundary layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/24—Vanes
    • F04D29/242—Geometry, shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/445—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for liquid pumps
    • F04D29/448—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for liquid pumps bladed diffusers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/914—Device to control boundary layer

Definitions

  • the invention relates to a method for delivering a fluid according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a device, in particular a centrifugal pump, for delivering a fluid according to the inventive method.
  • a centrifugal pump is a turbomachine in which mechanical energy is transferred to a liquid using a rotating impeller. The kinetic energy is partly converted into pressure energy in the impeller and partly in the downstream guiding device.
  • Centrifugal pumps are built in one or more stages (with impellers connected in series), single-flow or multi-flow (with impellers connected in parallel). The flow rate can be regulated by throttling the pressure line, changing the speed or, for axial and semi-axial impellers, by adjusting the impeller blades.
  • Pre-swirl control by generating a swirl with an upstream, adjustable stator is also used in single-stage centrifugal pumps for larger flow rates.
  • the operating behavior of centrifugal pumps can be described by characteristic curves as a function of the flow rate Q, for example the delivery head H as an H (Q) line.
  • An H (Q) line is referred to as a stable characteristic if the H (Q) line is continuous as a function of the flow rate Q. falls. If the H (Q) line has a positive gradient in its course, this is referred to as an unstable characteristic.
  • an unstable characteristic When operating a pump with an unstable characteristic, it is possible, for example, that a full load range is not reached because the pump may not be able to be operated when starting up in the unstable range. Furthermore, it may be impossible to operate pumps in parallel due to an unstable characteristic. Furthermore, flow-related pulsations can occur in an unstable area of a characteristic curve. Complex flow phenomena in the centrifugal pump are the cause of an unstable characteristic.
  • the present invention is based on the object of developing a method for delivering a fluid in accordance with the preamble of claim 1 in such a way that the operating behavior of a centrifugal pump, in particular in part-load operation, is improved.
  • a centrifugal pump which has the features according to the invention has a stable H (Q) line. This ensures stable operation of the centrifugal pump, especially in the partial load range.
  • a centrifugal pump can have a closed, a semi-open or an open impeller.
  • An impeller comprises at least one blade and one support disk.
  • a closed impeller also has a cover plate.
  • a fluid conveyed by the impeller of the centrifugal pump flows through the centrifugal pump to form a flow profile or a speed profile.
  • the flow profile at the impeller outlet strongly influences the pressure recovery in the diffuser and therefore the entire delivery head, especially in part-load operation.
  • An unstable H (Q) characteristic curve of a centrifugal pump arises from the fact that the speed profile does not change continuously when the flow rate Q changes, but suddenly changes.
  • a change in the speed profile as a function of the flow rate Q arises from the fact that the flow in the impeller and in the guide device is largely present in the area of the maximum efficiency of the centrifugal pump, but that flow detachments occur in the middle part-load range in the impeller and in the guide device, and that with a closed one Sliders at the impeller inlet and at the impeller outlet have fully developed recirculation zones.
  • An advantage of the present invention can be seen in the fact that the speed profile is changed continuously as a function of the flow rate, that is to say that a sudden change in the speed profile during the transition from one load state, such as the maximum efficiency, to another load state, for example a partial load range is avoided.
  • a stable characteristic curve can be achieved, for example, by avoiding that a recirculation zone at the impeller outlet can jump from the supporting disc to the cover disc.
  • a centrifugal pump can be designed such that the speed profile changes continuously depending on the flow rate from the design flow rate to the zero flow rate.
  • An advantage of the present invention is to be seen in that the speed profile at the impeller outlet opening is influenced in such a way that a low-energy flow zone does not occur simultaneously on the support disk and on the cover disk, which would result in an unstable speed profile which is inconsistent, sudden and could change in an uncontrolled manner.
  • the method according to the invention has the effect that the impeller and / or the stator and / or the centrifugal pump is designed in such a way that an asymmetrical speed profile is generated at the impeller outlet opening outside the range of the maximum efficiency, and in particular shortly before a flow separation in the guiding device, which destabilizing Avoids the influence of low-energy zones occurring simultaneously on the support disk and cover disk.
  • the preferred speed profile for the present invention lies between an inner streamline and an outer streamline of the centrifugal pump.
  • a centrifugal pump has an impeller with a center of rotation.
  • the effective speed of a fluid in a centrifugal pump is represented by a speed vector, which can be broken down into a radial component of the speed vector and a tangential component of the speed vector.
  • the radial component of the speed vector lies in a common plane with the center of rotation of the impeller.
  • the radial component of the speed vector is particularly suitable as the speed profile in order to detect low-energy flow zones.
  • a speed profile in a different orientation can also be suitable, for example a Speed profile that includes the entire speed vector, both the radial and the tangential component of the speed vector.
  • H (Q) line shows a characteristic curve of a centrifugal pump, namely the delivery head H as a function of the flow rate Q, or in function Q / Q BEP , as the quotient of the flow rate Q with respect to the flow rate Q BEP at the best point.
  • the course of this H (Q) line depends on the flow course of a fluid in the centrifugal pump, in particular on a plurality of geometric parameters which relate to the design of the centrifugal pump.
  • Centrifugal pumps often have an unstable H (Q) characteristic, as is characterized by the area A1 on a second characteristic A i .
  • the first characteristic curve A s shows an H (Q) characteristic curve with a continuously falling profile, which is referred to as a stable H (Q) characteristic curve, within which the centrifugal pump can be operated reliably.
  • FIG. 3 shows a cross section through a centrifugal pump 10 with a radial, closed impeller 1, a shaft 2, a pressure housing 16 and a stator 5.
  • the fluid flows from a suction nozzle 3 into an impeller inlet opening 8, through the impeller 1, and enters at the impeller outlet opening 9 via a stator 5 into the pressure port 4.
  • the closed impeller 1 comprises a support disk 6, a cover disk 7 and at least one blade 7a arranged between them.
  • a stator 5 is shown with guide vanes.
  • the transition between the impeller outlet opening 9 and the spiral housing 19 or the pressure port 4 can, however, also be designed as a vane-free annular space.
  • a flow with a velocity profile 11 is formed between the support disk 6 and the cover disk 7, which is delimited by an inner streamline d and an outer streamline c. 2a-2d different speed profiles 11, which occur between the inner and outer flow line (c, d), are shown as a function of the flow rate Q, or as a function of the quotient Q / Q BEP .
  • a continuously changing speed profile is understood to mean a profile with the properties that certain areas of the speed profile do not suddenly change the flow direction as a function of the flow rate Q, as is the case, for example, with the unstable profile A i in FIGS.
  • the outer streamline c can be observed, but that the velocity profile changes as a function of the flow rate Q without a sudden change in flow, which manifests itself in the present example in such a way that the backflowing portion of the fluid with the stable profile A s against the outer streamline c as the flow rate Q decreases.
  • the unstable profile Ai which represents the flow behavior of known centrifugal pumps, shows an unsteady, jumping behavior starting from FIGS. 2D to 2a.
  • the components of the centrifugal pump 10 which determine the speed profile 11 of the delivery flow Q are designed according to the invention in such a way that the speed profile 11, as shown with the stable profiles As, changes continuously when the flow rate Q changes.
  • further components can be designed accordingly, such as the impeller inlet 8 and the impeller outlet 9, and components connected upstream and downstream, such as a stator 5.
  • the speed profile 11 can be influenced by further measures, such as openings 15 which are provided in the impeller 1 and flow through the liquid, or by designing the gap flow introduction 14a in such a way that liquid flows out of the gap 14, so that in particular the speed profile 11 in Area of the impeller inlet 8 is influenced.
  • the design of the components of the impeller 1 or of the centrifugal pump 10 which determine the speed profile 11 of the flow rate Q between the inner and outer flow lines c, d allows a large number of design options.
  • a person skilled in the art knows how to design the components in order to achieve a constantly changing speed profile 11.
  • a person skilled in the art relies on numerical calculation methods to design the components according to a target.
  • the impeller 1 has a center of rotation 1a.
  • the speed profile shown in FIGS. 2a to 2d lies between the inner and outer streamlines c and d, and lies in a common plane with the center of rotation 1a, and therefore comprises the radial component of the speed vector.
  • the impeller and possibly also the guide device are designed in such a way that there is a constant development of the speed profile 11 as a function of the flow rate Q, in particular at the impeller inlet 8 and at the impeller outlet 9.
  • a low-energy flow zone is created the outer streamline c to avoid a destabilizing flow change, especially with semi-axial or axial centrifugal pumps.
  • the impeller 1 and the guiding device 5 can be designed in such a way that the separation of the flow in the guiding device does not take place in the area where the characteristic curve of the static pressure at the impeller outlet is flat or unstable.
  • the impeller and guide device are shaped in particular in such a way that an asymmetrical speed profile is generated at the impeller outlet 9 shortly before a flow separation in the guide device, so that the destabilizing influence of low-energy flow zones occurring simultaneously on the inner and outer flow line c, d is avoided becomes.
  • This is also important for the stability of the characteristic of pumps with two-flow impellers, which are usually designed symmetrically, and thus by definition generate a symmetrical speed profile due to their geometry.
  • Fig. 3 a closed impeller is shown. In the case of a semi-open or open impeller, the outer and inner streamlines c, d would partially abut the housing 16.
  • Fig. 4 shows a plan view of a support disk 6 of an impeller 1 with blades 7a.
  • the speed profile 11 can be determined, inter alia, by the configuration of the blades, for example by the blade spacing A2, and / or the blade outlet angle beta2 and / or the angular profile of the blade 7a and / or by the impeller outlet width B2. Breakthroughs 15 are also visible, which are arranged in such a way that the speed profile 11 is specifically changed, in which the breakthroughs 15 are arranged, for example, in a low-energy flow zone.
  • FIG. 5 shows a plan view of a guide device with a guide wheel 5, the choice of the inlet width A3 also influencing the speed profile 11.
  • intermediate blades 7b can also be arranged in the impeller 1, which extend over a partial width B3 of the impeller outlet width B2 in order to influence the flow of the fluid.
  • FIG. 7 shows a gap 14 of a centrifugal pump 10 with a fluid flow 23a, 23b, 23c emerging between the impeller 1 and the housing 16 or a sealing ring 20.
  • the direction of flow of the exiting fluid stream can be influenced with a guide element 21, so that, depending on the requirement, a fluid stream 23a, 23b, 23c of different flow direction results, in order to thereby influence the velocity profile 11.
  • a tripping edge 22 can also be used to influence the speed profile 11, which in the present exemplary embodiment is arranged on the outer streamline c of the impeller 1.

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Abstract

Eine Kreiselpumpe (10) fördert ein Fluid von einer Laufradeintrittsöffnung (8) über eine Laufradaustrittsöffnung (9) in einen Druckstutzen (4). Das Fluid weist zwischen der äusseren Stromlinie (c) und der inneren Stromlinie (d) ein Geschwindigkeitsprofil auf. Das Verfahren erlaubt ein Fluid derart mit einer Kreiselpumpe (10) zu fördern, dass das Geschwindigkeitsprofil in Abhängigkeit des Förderstromes (Q) stetig verändert wird, das heisst, dass ein plötzliches Umschlagen des Geschwindigkeitsprofils beim Übergang von einem Lastzustand, wie zum Beispiel dem Wirkungsgradmaximum, auf einen anderen Lastzustand, wie zum Beispiel einem Teillastbereich, vermieden wird, was eine stabile H(Q)-Kennlinie zur Folge hat. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Förderung eines Fluides gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere eine Kreiselpumpe, zur Förderung eines Fluides gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren.
  • Eine Kreiselpumpe ist eine Strömungsmaschine, bei der mit einem rotierenden Laufrad mechanische Energie an eine Flüssigkeit übertragen wird. Die Bewegungsenergie wird zum Teil im Laufrad, zum Teil in der nachgeschalteten Leitvorrichtung in Druckenergie umgewandelt. Je nach Austrittsrichtung der Flüssigkeit unterscheidet man radiale, halbaxiale und axiale Laufräder. Kreiselpumpen werden einstufig oder mehrstufig (mit hintereinandergeschalteten Laufrädern), einflutig oder mehrflutig (mit parallelgeschalteten Laufrädern) gebaut. Der Förderstrom kann durch Drosselung in der Druckleitung, durch Drehzahländerung oder, bei axialen und halbaxialen Laufrädern, durch Verstellen der Laufradschaufeln geregelt werden. Auch Vordrallregelung durch Erzeugung eines Dralles mit einem vorgeschalteten, verstellbaren Leitrad wird bei einstufigen Kreiselpumpen für grössere Förderströme benutzt.
  • Das Betriebsverhalten von Kreiselpumpen lässt sich durch Kennlinien in Funktion des Förderstromes Q beschreiben, so zum Beispiel die Förderhöhe H als eine H(Q)-Linie. Eine H(Q)-Linie wird als eine stabile Kennlinie bezeichnet, wenn die H(Q)-Linie in Funktion des Förderstromes Q stetig fällt. Weist die H(Q)-Linie in ihrem Verlauf einen positiven Gradienten auf, so wird dies als eine unstabile Kennlinie bezeichnet. Beim Betrieb einer Pumpe mit einer unstabilen Kennlinie ist es zum Beispiel möglich, dass ein Vollastbereich nicht erreicht wird, weil die Pumpe beim Hochfahren im unstabilen Bereich unter Umständen nicht betrieben werden kann. Weiter kann es auf Grund einer unstabilen Kennlinie unmöglich sein, Pumpen parallel zu betreiben. Weiter können in einem unstabilen Bereich einer Kennlinie strömungsbedingte Pulsationen auftreten. Komplexe Strömungsphänomene in der Kreiselpumpe sind die Ursache für eine unstabile Kennlinie.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Förderung eines Fluides nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass das Betriebsverhalten einer Kreiselpumpe, insbesondere im Teillastbetrieb, verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen.
  • Die Weiterbildungen gemäss den Unteransprüchen 2 bis 7 beziehen sich auf weitere, vorteilhafte Verfahren.
  • Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einer Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 19.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind darin zu sehen, dass eine Kreiselpumpe, welche die erfindungsgemässen Merkmale umfasst eine stabile H(Q)-Linie aufweist. So ist insbesondere im Teillastbereich ein stabiler Betrieb der Kreiselpumpe gewährleistet.
  • Eine Kreiselpumpe kann ein geschlossenes, ein halboffenes oder ein offenes Laufrad aufweisen. Ein Laufrad umfasst mindestens eine Schaufel und eine Tragscheibe. Ein geschlossenes Laufrad weist zudem eine Deckscheibe auf. Ein durch das Laufrad der Kreiselpumpe gefördertes Fluid strömt durch die Kreiselpumpe unter Ausbildung eines Strömungsprofiles beziehungsweise eines Geschwindigkeitsprofiles. Der Strömungsprofil am Laufradaustritt beeinflusst stark den Druckrückgewinn im Leitapparat und somit die gesamte Förderhöhe, dies insbesondere im Teillastbetrieb. Eine unstabile H(Q)-Kennlinie einer Kreiselpumpe entsteht dadurch, dass sich das Geschwindigkeitsprofil bei einer Veränderung des Förderstromes Q nicht stetig verändert, sondern plötzlich umschlägt. Eine Veränderung des Geschwindigkeitsprofils in Abhängigkeit des Förderstromes Q kommt dadurch zustande, dass im Bereich des Wirkungsgradmaximums der Kreiselpumpe die Strömung im Laufrad sowie in der Leitvorrichtung weitgehend anliegt, dass im mittleren Teillastbereich aber Strömungsablösungen im Laufrad und in der Leitvorrichtung auftreten, und dass bei einem geschlossenen Schieber am Laufradeintritt sowie am Laufradaustritt voll ausgebildete Rezirkulationszonen vorhanden sind.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass das Geschwindigkeitsprofil in Abhängigkeit des Förderstromes stetig verändert wird, das heisst, dass ein plötzliches Umschlagen des Geschwindigkeitsprofils beim Übergang von einem Lastzustand, wie zum Beispiel dem Wirkungsgradmaximum, auf einen anderen Lastzustand, wie zum Beispiel einem Teillastbereich, vermieden wird. So lässt sich zum Beispiel dadurch eine stabile Kennlinie erzielen, dass vermieden wird, dass eine Rezirkulationszone am Laufradaustritt von der Tragscheibe zur Deckscheibe springen kann. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren ist eine Kreiselpumpe derart auslegbar, dass sich das Geschwindigkeitsprofil in Abhängigkeit des Förderstromes vom Auslegungsförderstrom bis zum Nullförderstrom stetig verändert.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass das Geschwindigkeitsprofil an der Laufradaustrittsöffnung derart beeinflusst wird, dass nicht gleichzeitig an der Tragscheibe und an der Deckscheibe eine energiearme Strömungszone auftreten, was ein instabiles Geschwindigkeitprofil zur Folge haben würde, das sich unstetig, plötzlich und auf unkontrollierte Weise verändern könnte. Das erfindungsgemässe Verfahren bewirkt, dass das Laufrad und/oder das Leitrad und/oder die Kreiselpumpe derart ausgestaltet ist, dass ausserhalb des Bereichs des Wirkunggradmaximums, und insbesondere kurz vor einer Strömungsablösung in der Leitvorrichtung an der Laufradaustrittsöffnung ein asymmetrisches Geschwindigkeitsprofil erzeugt wird, was den destabilisierenden Einfluss von gleichzeitig an Tragscheibe und Deckscheibe auftretenden, energiearmen Zonen vermeidet.
  • In einer Kreiselpumpe ergeben sich eine Vielzahl von Strömungsprofilen. Das für die vorliegende Erfindung bevorzugte Geschwindigkeitsprofil liegt zwischen einer inneren Stromlinie und einer äusseren Stromlinie der Kreiselpumpe. Eine Kreiselpumpe weist ein Laufrad mit ein Drehzentrum auf. Die effektive Geschwindigkeit eines Fluides in einer Kreiselpumpe wird mit einem Geschwindigkeitsvektor dargestellt, der sich in eine radiale Komponente des Geschwindigkeitsvektors sowie in eine tangentiale Komponente des Geschwindigkeitsvektors zerlegen lässt. Die radiale Komponente des Geschwindigkeitsvektors liegt in einer gemeinsamen Ebene mit dem Drehzentrum des Laufrades. Als Geschwindigkeitsprofil eignet sich insbesondere die radiale Komponente des Geschwindigkeitsvektors, um energiearme Strömungszonen zu erfassen. Natürlich kann auch ein Geschwindigkeitsprofil in einer anderen Ausrichtung geeignet sein, so zum Beispiel ein Geschwindigkeitsprofil, das den gesamten Geschwindigkeitsvektor umfasst, sowohl die radiale als auch die tangentiale Komponente des Geschwindigkeitsvektors.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    Ein stabile sowie ein unstabile Förderkennlinie einer Kreiselpumpe;
    Fig. 2a, 2b, 2c, 2d
    Geschwindigkeitsprofile bei verschiedenen Förderströmen;
    Fig. 3
    ein radiales Laufrad mit Leitrad,
    Fig. 4
    eine Draufsicht auf eine Tragscheibe eines Laufrades,
    Fig. 5
    eine Draufsicht auf eine Leiteinrichtung,
    Fig. 6
    eine Anordnung einer Zwischenschaufel in einem Laufrad;
    Fig. 7
    verschiedene Ausbildungen eines Spaltes.
  • In Fig. 1 ist eine Kennlinie einer Kreiselpumpe, nämlich die Förderhöhe H in Funktion des Förderstromes Q, beziehungsweise in Funktion Q/QBEP, als Quotient des Förderstromes Q bezüglich dem Förderstrom QBEP am Bestpunkt, dargestellt. Der Verlauf dieser H(Q)-Linie hängt ab vom Strömungsverlauf eines Fluides in der Kreiselpumpe, insbesondere von einer Mehrzahl von geometrischen Parametern, welche die Gestaltung der Kreiselpumpe betreffen. Kreiselpumpen weisen häufig eine instabile H(Q)-Kennlinie auf, wie dies an einer zweiten Kennlinie Ai durch den Bereich A1 gekennzeichnet ist.
  • Dieser instabile Bereich A1 erweist sich beim Hochfahren einer Kreiselpumpe wie auch bei einem Teillastbetrieb innerhalb des instabilen Bereiches als nachteilig aus, da eine Kreiselpumpe nur innerhalb eines stabilen Bereiches zuverlässig betreibbar ist. Die erste Kennlinie As zeigt eine H(Q)-Kennlinie mit einem stetig fallenden Verlauf, was als eine stabile H(Q)-Kennlinie bezeichnet wird, innerhalb dessen die Kreiselpumpe zuverlässig betreibbar ist.
  • Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Kreiselpumpe 10 mit einem radialen, geschlossenen Laufrad 1, einer Welle 2, einem Druckgehäuse 16 sowie einem Leitrad 5. Das Fluid strömt von einem Saugstutzen 3 in eine Laufradeintrittsöffnung 8, durch das Laufrad 1 hindurch, und tritt an der Laufradaustrittsöffnung 9 über ein Leitrad 5 in den Druckstutzen 4 ein. Das geschlossene Laufrad 1 umfasst eine Tragscheibe 6, eine Deckscheibe 7 sowie mindestens eine dazwischen angeordnete Schaufel 7a. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Leitrad 5 mit Leitschaufeln dargestellt. Der Übergang zwischen der Laufradaustrittsöffnung 9 und dem Spiralgehäuse 19 beziehungsweise dem Druckstutzen 4 kann jedoch auch als schaufelloser Ringraum ausgeführt sein.
  • Zwischen der Tragscheibe 6 und der Deckscheibe 7 bildet sich bei einem fliessenden Fluid ein Strömung mit einem Geschwindigkeitsprofil 11 aus, das durch eine innere Stromlinie d sowie eine äussere Stromlinie c begrenzt wird. In den Fig. 2a - 2d sind verschiedene Geschwindigkeitsprofile 11, die zwischen der inneren und äusseren Stromlinie (c,d) auftreten, in Funktion des Förderstromes Q, beziehungsweise in Funktion des Quotienten Q/QBEP dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass die das Geschwindigkeitsprofil 11 bestimmenden Komponenten eines Laufrades 1 beziehungsweise einer Kreiselpumpe 10 derart ausgelegt sind, dass sich im Auslegepunkt der Kreiselpumpe bzw. bei Q/QBEP = 1, ein ungefähr symmetrisches Geschwindigkeitsprofil ergibt, wie dies in Fig. 2d mit dem Profil As dargestellt ist.
  • Die Fig. 2c, 2b, und 2a zeigen je ein Geschwindigkeitsprofil 11 mit einem stabilen Profil As sowie mit einem instabile Profil Ai bei abnehmender Flussrate Q, wobei in Fig. 2a eine Flussrate Q/QBEP = 0 dargestellt ist. Das stabile Profil As wird in Funktion der Flussrate Q stetig verändert, indem der rückfliessende Anteil gegen die äussere Stromlinie c hin zunimmt. Unter einem sich stetig verändernden Geschwindigkeitsprofil wird in der vorliegenden Patentschrift ein Profil mit den Eigenschaften verstanden, dass gewisse Bereiche des Geschwindigkeitsprofils in Abhängigkeit der Flussrate Q nicht plötzlich die Flussrichtung ändern, wie dies zum Beispiel beim instabilen Profil Ai in Fig. 2b und 2c gegen die äussere Stromlinie c hin zu beobachten ist, sondern dass sich das Geschwindigkeitsprofil in Funktion der Flussrate Q ohne einen plötzlichen Strömungsumschlag verändert, was sich im vorliegenden Beispiel derart äussert, dass der rückfliessende Anteil des Fluides beim stabilen Profil As gegen die äussere Stromlinie c hin bei abnehmender Flussrate Q ständig zunimmt. Im Gegensatz dazu zeigt das instabile Profil Ai, welches das Strömungsverhalten bekannter Kreiselpumpen darstellt, ausgehend von Fig.2d bis Fig. 2a ein unstetes, springendes Verhalten. Das instabile Profil Ai gemäss Fig. 2c weist an beiden Stromlinien c, d eine rückfliessende Strömung auf, wobei das instabile Profil Ai sich bei einer weiteren Reduktion der Flussrate Q/QBEB = 0.25, gemäss Fig. 2b, derart verändert, dass keine rückfliessende Strömung mehr auftritt. Bei einer weiteren Reduktion der Flussrate Q/QBEP = 0 steigt die Strömung an der äusseren Stromlinie c kräftig an, wogegen an der inneren Stromlinie d eine ausgeprägte Rückströmung auftritt. Dieser Strömungsumschlag des instabilen Profils Ai ist der Grund für eine instabile H(Q)-Linie, wie dies in Fig. 1 mit Ai dargestellt ist.
  • Die das Geschwindigkeitsprofil 11 des Förderstromes Q bestimmenden Komponenten der Kreiselpumpe 10 sind erfindungsgemäss derart ausgestaltet, dass sich das Geschwindigkeitsprofil 11, wie mit den stabilen Profilen As dargestellt, bei einer Veränderung der Flussrate Q stetig verändert. Nebst der Ausgestaltung des Laufrades 1 mit mindestens einer Schaufel 7a, der Tragscheibe 6 sowie der Deckscheibe 7 können weitere Komponenten entsprechend ausgestaltet werden, wie der Laufradeintritt 8 und der Laufradaustritt 9, sowie dem Laufrad 1 vor- und nachgeschaltete Komponenten, wie ein Leitrad 5. Das Geschwindigkeitsprofil 11 kann durch weitere Massnahmen beeinflusst werden, so durch Durchbrechungen 15, die im Laufrad 1 angebracht sind und durch die Flüssigkeit strömt, oder durch eine Ausgestaltung der Spaltstromeinleitung 14a derart, dass Flüssigkeit aus dem Spalt 14 strömt, sodass insbesondere das Geschwindigkeitsprofil 11 im Bereich des Laufradeintritts 8 beeinflusst wird.
  • Die Auslegung der das Geschwindigkeitsprofil 11 des Förderstromes Q zwischen der inneren und äusseren Stromlinie c, d bestimmenden Komponenten des Laufrades 1 beziehungsweise der Kreiselpumpe 10 erlaubt eine Vielzahl von gestalterischen Ausführungsmöglichkeiten. Einem Fachmann ist jedoch bekannt, wie die Komponenten auszulegen sind, um ein sich stetig veränderndes Geschwindigkeitsprofil 11 zu erlangen. Ein Fachmann stützt sich zum Beispiel auf numerische Berechnungsmethoden, um die Komponenten einer Zielvorgabe entsprechend auszulegen. Das Laufrad 1 weist ein Drehzentrum 1a auf. Das in den Fig. 2a bis 2d dargestellte Geschwindigkeitsprofil liegt zwischen der inneren und äusseren Stromlinie c und d, und liegt in einer gemeinsamen Ebene mit dem Drehzentrum 1a, und umfasst daher die radiale Komponente des Geschwindigkeitsvektors.
  • Das Laufrad und ev. auch die Leitvorrichtung wird derart ausgelegt, dass sich eine stetige Entwicklung des Geschwindigkeitsprofils 11 in Funktion des Förderstromes Q ergibt, insbesondere am Laufradeintritt 8 sowie am Laufradaustritt 9. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2a bis 2d wird eine energiearme Strömungszone an der äusseren Stromlinie c vermieden, um insbesondere bei halbaxialen oder axialen Kreiselpumpen einen destabilisierenden Strömungsumschlag zu vermeiden. Weiter können das Laufrad 1 und die Leitvorrichtung 5 derart ausgestaltet werden, dass die Ablösung der Strömung in der Leitvorrichtung nicht in dem Bereich stattfindet, wo die Kennlinie des statischen Druckes am Laufradaustritt flach oder unstabil ist.
  • Die Formgebung von Laufrad und Leitvorrichtung erfolgt insbesondere in der Weise, dass kurz vor einer Strömungsablösung in der Leitvorrichtung ein asymmetrisches Geschwindigkeitsprofil am Laufradaustritt 9 erzeugt wird, so dass der destabilisierende Einfluss von gleichzeitig an der inneren und äusseren Stromlinie c,d auftretenden, energiearmen Strömungszonen vermieden wird. Dies ist ebenfalls wichtig für die Kennlinienstabilität von Pumpen mit zweiströmigen Laufrädern, die üblicherweise symmetrisch ausgeführt werden, und somit aufgrund ihrer Geometrie definitionsgemäss ein symmetrisches Geschwindigkeitsprofil erzeugen. In Fig. 3 ist ein geschlossenes Laufrad dargestellt. Bei einem halboffenen oder offenen Laufrad würde die äussere und innere Stromlinie c,d teilweise am Gehäuse 16 anliegen.
  • Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf eine Tragscheibe 6 eines Laufrades 1 mit Schaufeln 7a. Das Geschwindigkeitsprofil 11 lässt sich unter anderem durch die Ausgestaltung der Schaufeln bestimmen, so zum Beispiel durch den Schaufelabstand A2, und/oder den Schaufelaustrittswinkel beta2 und/oder den Winkelverlauf der Schaufel 7a und/oder durch die Laufradaustrittsbreite B2. Weiter sind Durchbrüche 15 sichtbar, die derart angeordnet sind, dass das Geschwindigkeitsprofil 11 gezielt verändert wird, in dem die Durchbrüche 15 zum Beispiel in einer energiearmen Strömungszone angeordnet werden.
  • Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Leiteinrichtung mit einem Leitrad 5, dessen Wahl der Eintrittsweite A3 das Geschwindigkeitsprofil 11 ebenfalls beeinflusst.
  • Wie in Fig. 6 dargestellt, können im Laufrad 1 auch Zwischenschaufeln 7b angeordnet sein, die sich über eine Teilbreite B3 der Laufradaustrittsbreite B2 erstrecken, um die Strömung des Fluides zu beeinflussen.
  • Fig. 7 zeigt einen Spalt 14 einer Kreiselpumpe 10 mit einem zwischen dem Laufrad 1 und dem Gehäuse 16 beziehungsweise einem Dichtring 20 austretenden Fluidstrom 23a, 23b, 23c. Die Strömungsrichtung des austretenden Fluidstromes kann mit einem Leitelement 21 beeinflusst werden, sodass sich je nach Erfordernis ein Fluidstrom 23a, 23b, 23c unterschiedlicher Strömungsrichtung ergibt, um dadurch das Geschwindigkeitsprofil 11 zu beeinflussen. Zur Beeinflussung des Geschwindigkeitsprofils 11 kann auch eine Stolperkante 22 dienen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel an der äusseren Stromlinie c des Laufrades 1 angeordnet ist.
  • Weitere Beispiele von Möglichkeiten zur Beeinflussung des Geschwindigkeitsprofils 11 ergeben sich zum Beispiel durch die folgenden Massnahmen:
    • Die das Strömungsverhalten bestimmenden Komponenten der Kreiselpumpe werden gezielt derart ausgelegt, dass bei einer axialen oder halbaxialen Kreiselpumpe an der äusseren Stromlinie c eine energiereiche Zone erzeugt wird.
    • Die Verwindung der Schaufel 7a wird bei halbaxialen oder axialen Laufrädern derart ausgeführt, dass die Ablösung der Strömung an der Nabe erfolgt, bevor an der äusseren Stromlinie c eine energiearme Zone auftritt.
    • Das Verhältnis der Schaufellänge zur Schaufelteilung wird bei halbaxialen oder axialen Laufrädern derart gewählt, dass eine energiearme Zone an der äusseren Stromlinie c vermieden wird.
    • Die Eintrittsweite A3 des Leitrades 5 zwischen der äusseren Stromlinie c und der inneren Stromlinie d variiert in der Breite, um ein asymmetrisches Geschwindigkeitsprofil 11 zu bewirken.
    • Die Eintrittsöffnung 18 des Leitrades 5 und die Laufradaustrittsöffnung 9 sind in einer Richtung axial zur Welle 2 gegeneinander versetzt.
    • Die das Strömungsverhalten bestimmenden Komponenten der Kreiselpumpe werden gezielt derart ausgelegt, dass eine Strömungsablösung im Leitrad 5 auftritt, bevor die Spaltdruckkennlinie flach oder unstabil ist.
    • Der Schaufelabstand A2 am Laufradaustritt zwischen der inneren Stromlinie d und der äusseren Stromlinie c wird in seiner Breite variiert, um ein asymmetrisches Geschwindigkeitsprofil zu erzeugen.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Förderung eines Fluides mit einer Kreiselpumpe (10), die das Strömungsverhalten bestimmende Komponenten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Veränderung des Förderstroms (Q) das Fluid mindestens unmittelbar nach Laufradaustritt (9) und/oder vor Laufradeintritt (8) ein Geschwindigkeitsprofil (11) aufweist, das stetig verändert wird, um einen plötzlichen Strömungsumschlag des Fluides zu vermeiden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kreiselpumpe (10) eine äussere und innere Strömungslinie (c,d) bestimmende Flächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeitsprofil (11) zwischer der äusseren Stromlinie (c) und der inneren Stromlinie (d) verläuft, und dass das Geschwindigkeitsprofil (11) mindestens eine radiale Komponente der Strömung umfasst, die bezüglich dem Drehzentrum (1a) des Laufrades (1) in einer gemeinsamen Ebene verläuft.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der äusseren Stromlinie (c) oder an der inneren Stromlinie (d) eine energiearme Zone erzeugt wird, um ein asymmetrisches Geschwindigkeitsprofil (11) zu erzeugen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der äusseren Stromlinie (c) eine energiereiche Zone erzeugt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Veränderung des Förderstromes (Q) die Veränderung des Geschwindigkeitsprofils (11) gegen eine der Stromlinien (c,d) hin deutlich grösser wird als gegen die gegenüberliegende Stromlinie (c,d) hin.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeitsprofil (11) in Abhängigkeit des Schaufelabstandes (A2) und/oder des Schaufelaustrittswinkels (beta2) und/oder des Winkelverlaufes der Schaufeln (7a) und/oder der Laufradaustrittsbreite (B2) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid über einen Spalt (14) zugeführt wird, um das Geschwindigkeitsprofil (11) zu beeinflussen.
  8. Kreiselpumpe (10) mit ein Laufrad (1) und mindestens einer Schaufel (7a), wobei das Laufrad (1) einen Laufradeintritt (8) und einen Laufradaustritt (9) aufweist, zur Förderung eines Fluides nach einem Verfahren gemäss einen der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Kreiselpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (1) Durchbrüche (15) zum Zuführen oder Abführen des Fluides aufweist, um das Geschwindigkeitsprofil (11) zu beeinflussen.
  10. Kreiselpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (15) im Bereich energiearmer Zonen angeordnet sind.
  11. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stolperkante (22) an einer der Stromlinien (c,d) angeordnet ist, um bei Teillastbetrieb eine definierte Stelle der Strömungsablösung zu bewirken.
  12. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (1) mindestens eine Zwischenschaufel (7b) aufweist, deren Breite (B3) weniger als die Breite (B2) der Schaufel (7a) beträgt.
  13. Kreiselpumpe mit einem halbaxialen oder axialen Laufrad nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwindung der Schaufel (7a) so gross gewählt ist, dass die Ablösung der Strömung an der Nabe erfolgt, bevor an der äusseren Stromlinie (c) eine energiearme Zone auftritt.
  14. Kreiselpumpe mit einem halbaxialen oder axialen Laufrad nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Schaufellänge zur Schaufelteilung derart ausgeführt ist, dass eine energiearme Zone an der äusseren Stromlinie (c) vermieden wird.
  15. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiselpumpe ein Leitrad (5) umfasst, dessen Eintrittsweite (A3) zwischen der äusseren Stromlinie (c) und der inneren Stromlinie (d) variiert, um ein asymmetrisches Geschwindigkeitsprofil (11) zu bewirken.
  16. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (18) des Leitrades (5) und die Laufradaustrittsöffnung (9) in einer Richtung axial zur Welle (2) gegeneinander versetzt sind.
  17. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die das Strömungsverhalten bestimmenden Komponenten der Kreiselpumpe derart ausgelegt sind, dass eine Strömungsablösung im Leitrad (5) auftritt, bevor die Spaltdruckkennlinie flach oder unstabil ist.
  18. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiselpumpe ein zweiströmiges Laufrad (1) aufweist, und dass die beiden Laufradhälften asymmetrisch ausgebildet sind.
  19. Mehrstufige Kreiselpumpe umfassend eine Kreiselpumpe (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 18.
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