EP0721546B1 - Strömungsmaschine mit verringertem abrasiven verschleiss - Google Patents

Strömungsmaschine mit verringertem abrasiven verschleiss Download PDF

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EP0721546B1
EP0721546B1 EP94927620A EP94927620A EP0721546B1 EP 0721546 B1 EP0721546 B1 EP 0721546B1 EP 94927620 A EP94927620 A EP 94927620A EP 94927620 A EP94927620 A EP 94927620A EP 0721546 B1 EP0721546 B1 EP 0721546B1
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EP
European Patent Office
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impeller
turbo
wall surface
machine according
ring
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94927620A
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English (en)
French (fr)
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EP0721546A1 (de
Inventor
Sönke BRODERSEN
Peter Hergt
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KSB AG
Original Assignee
KSB AG
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Filing date
Publication date
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Application filed by KSB AG filed Critical KSB AG
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Application granted granted Critical
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Expired - Lifetime 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
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/165—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps
    • F04D29/167—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps of a centrifugal flow wheel
    • 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
    • F04D29/2266—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures for sealing or thrust balance
    • 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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    • F04D29/40—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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D7/00—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04D7/02—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts of centrifugal type
    • F04D7/04—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts of centrifugal type the fluids being viscous or non-homogenous

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, for promotion of media loaded with solid particles, with one or several impellers arranged within a housing, the Impellers are provided with at least one wheel disc, a wheel side space is formed between the housing and the wheel disc and a gap seal between the wheel disc and the housing is arranged.
  • turbomachines which are pumps, Turbines, pump turbines or the like can be found in the most diverse areas of technology application. It is has long been the desire of the designers, for machines that exposed to material wear due to abrasive particles are to improve their service life.
  • the first measures in general are the use of particularly hard and wear-resistant materials.
  • particularly wear-sensitive areas for example Centrifugal pumps have the wheel side spaces and those in it Area seals are proven.
  • Kick through one Material wear an enlargement of the column of the seals on, there are increased hydraulic losses and as a result of which a reduced efficiency. Furthermore arise this causes strong vibrations in multi-stage machines, which up to can lead to failure of the unit.
  • a measure is known from EP-B 0 346 677 in which a a shaft seal receiving space and one Shaft seal itself should be protected from wear.
  • the room is behind the impeller and is through a Gap seal compared to the actual one, a higher pressure having wheel side space separately.
  • a centrifugal pump is known from DE-OS 22 10 556, at with the help of particularly wear-resistant Housing parts, such as the spiral space and the impeller side space limiting wear plates, the service life of the machine should be improved. Furthermore, this machine can by feeding in solid-free material Wheel side space and also the seal before wearing Particles are protected.
  • Another measure shows the DE-OS 23 44 576, whose Construction in the area of the gap seals additional Provides funding channels, the entrances of which are circulating Annular chamber is connected upstream.
  • DE-OS 38 08 598 tries with the help of a certain inclination the peripheral wall surface of the space downstream of an impeller to increase the stability.
  • US-A 1 634 317 is an axial thrust compensation device known for pump impellers.
  • Diameter split ring seals arranged.
  • a split ring seal is always on the outer circumference Cover plate and a second split ring seal interacting with it is on a smaller diameter at the other Cover plate arranged.
  • the suction mouth of the impeller is immersed Formation of a liquid-permeable gap in a paragraph of the housing.
  • the rotating wall surface parts of the Sealing gaps have additional blading. A flow generated with this affects the pressure at the impeller outlet opposite. This is supposed to reduce the pressure losses in the wheel space be kept low while being effective Axial thrust compensation.
  • the invention addresses the problem set out above described wear problems basically in their cause to reduce or eliminate.
  • the solution to this problem provides that the wheel side spaces delimiting stationary Wall surface in the direction of a flow near the wall in front of the Gap seal has an annular projection, the Form the flow near the wall along the stationary one Wall surface of a wheel side space in the direction of the rotating Wheel disc of an impeller and in areas higher Rotational movement of the flow medium conducts, the gap at least 2 mm between the projection and the wheel disc It has been recognized that the abrasive particles are always in close to the standing, d. H. of the non-rotating wall surfaces hike radially inwards.
  • Dependent on of the performance data of the turbomachine can Designs in relation to the impeller outer radius different, d. H. for the respective purpose most suitable radii.
  • This can e.g. B. in Area of an impeller outlet, immediately in front of one Gap seal or a shaft seal, in the area in between, but also in a wheel side space between the shaft and Gap seal can be arranged.
  • the wheel side spaces delimit stationary wall surface in the direction of a flow close to the wall has an annular recess in front of the gap seal, whose shape is the flow near the wall along the stationary one Wall surface of a wheel side space in the direction of the rotating Wheel disc of an impeller and in higher areas Rotational movement of the flow medium conducts, the depth the recess at least three times the local Boundary layer thickness corresponds.
  • an impeller 2 with an outer radius r 2 is arranged within a housing 1, the blades 3 of which are arranged between a pressure-side impeller cover plate 4 and a suction-side impeller cover plate 5. Opposite these are stationary housing wall surfaces, a pressure-side 6 and a suction-side housing wall surface 7.
  • the impeller 2 is surrounded by a spiral space 8 which is connected to a pressure connection 9. Due to the pressure gradient within the wheel side spaces, part of the medium located within the housing 1 flows to the gap seal 10 in the area of the impeller inlet or to the pressure-side gap seal 11 in the area of a shaft seal. As is known, the wheel-side friction on the impeller cover disks 4, 5 generates a flow in the pressure-side wheel side space 12 and in the suction-side wheel side space 13.
  • FIG. 2 shown another embodiment of a multi-stage Fluid machine. If they were operated as a pump, that would particle-laden medium through the suction nozzle 14.1, 14.2 den Flow impellers 2.1, 2.2. In contrast to the embodiment 1 have the wheels 2.1, 2.2 of the first stage only in the area of the shaft passage between the individual stages a gap seal on the pressure side.
  • FIGS. 3 to 14 and 18 to 23 uniformly in construction. It These are exemplary designs between one each on the left side as a stationary wall surface and a wall surface arranged to rotate on the right. According to Fig. 1, these would be designs that in Area of a suction side wheel side space 13 are used could. The axis of rotation for the rotating wall surface part is always below the respective display.
  • the representations shown here would be in correspondingly also for the pressure side wheel side space 12 apply, but then the presentation is reversed would be seen. For the sake of simplicity, this is limited Description on the above mentioned definition.
  • the width t 1 of the ring 17 should be greater than half the wheel side space width b, that is to say t 1 / b ⁇ 0.5.
  • the effectiveness can also be determined on other radii r 1 .
  • the difference between the wheel side space width b minus the width t 1 of the ring 17 is that it must not be less than 2 mm.
  • the gap has no function as a sealing gap; such would be destroyed by particles flowing through it.
  • the minimum gap width of 2 mm or larger prevents increased wear within the gap area. This also applies to the representations in the other figures below.
  • the rotating cover plate 5 is a ring 20 on the rotating cover plate 5 arranged, which is larger in diameter than that fixed housing ring 17 is located.
  • the fixed Ring 17 facing the bottom of the rotating ring 20 is with Buckets 19 equipped that a higher area Generate rotational movement and thus the particle-laden Deflect the flow near the wall to the outer diameter of the impeller.
  • the blades 19 can also have a promotional effect generating grooves are arranged, for example, in the Material of the impeller can be introduced.
  • a bevel of the Gap between the two advantageous the one radially outward directed forced movement of the particles causes.
  • the shovels or grooves can be both in the axial direction and perpendicular to Direction of rotation can be arranged as well as under a certain angle to the axis direction.
  • the rotating ring 20 is smaller Diameter than the fixed ring 17 arranged and has via grooves or blades 19 to produce a higher one Rotational movement to deflect the particles flow close to the wall.
  • the grooves or blades 19 are relative their capacity so that their energy the Slightly influenced flow near the wall. But they are like that small that there is no amplifying circular flow inside of the wheel side space 13 produce what with the previously known outer auxiliary blades reinforced the case.
  • Buckets shown can also be wholly or partly of Cover disc-shaped elements in the manner of a closed Impeller be covered.
  • the housing ring 17 is included a radially outwardly facing disc 23 which the Deflection of the particle-laden flow near the wall reinforced. Furthermore, here are the rotating impeller cover plates 5 equipped with or without short blades 19. The disk 23 can be on the ring 17 both on its end face as well as be provided in the central area.
  • FIG. 13 and 14 show a plan view of the housing-fixed Ring 17, which according to FIG. 13 as a closed ring, 14 but also as a split ring can be trained.
  • the division can be chosen in this way be that several ring segments 17.2 have an arrangement, which has a shovel-shaped course relative to the housing wall 7 demonstrate.
  • the center or centers of the ring segments 17.2 are outside the center of the axis of rotation, however shifted in the associated vertical and / or horizontal Cutting plane.
  • the individual ring segments open here Direction of rotation of the - not shown - impeller Outside. Thus, a different job and thus an influence on the flow can be obtained.
  • the arrow shows the direction of rotation of the impeller.
  • the depth t 2 should be such that it corresponds to at least three times the local boundary layer thickness.
  • the boundary layer thickness results from the usual calculations (e.g. according to Schlichting: boundary layer theory, G. Braun, Düsseldorf 1982). The boundary layer thickness is largely dependent on the medium, the impeller speed, the radius r 1 or r 1 'and the width b of the wheel side space 13.
  • Another form of influencing the flow near the wall is 21 to 25.
  • this can be done in one stationary wall surface 7 incorporated grooves 27 or projecting blades 28, which are in the direction of rotation of the Impeller or the opposite rotating Develop the disk surface radially outwards. You lead the particles brought up by the flow near the wall at the radially outward contour of the grooves 27 or Scoops 28 along outward.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, zur Förderung von mit festen Partikeln beladenen Medien, mit einem oder mehreren innerhalb eines Gehäuses angeordneten Laufrädern, die Laufräder mit mindestens einer Radscheibe versehen sind, zwischen Gehäuse und Radscheibe ein Radseitenraum ausgebildet ist, und zwischen Radscheibe und Gehäuse eine Spaltdichtung angeordnet ist.
Derartige Strömungsmaschinen, wobei es sich um Pumpen, Turbinen, Pumpturbinen oder dergleichen handeln kann, finden in den unterschiedlichsten Gebieten der Technik Anwendung. Es ist seit langem das Bestreben der Konstrukteure, bei Maschinen, die einem Materialverschleiß durch abrasive Partikel ausgesetzt sind, deren Standzeiten zu verbessern.
Erste Maßnahmen dazu sind im allgemeinen die Verwendung von besonders harten und verschleißbeständigen Werkstoffen. Als besonders verschleißempfindliche Bereiche zum Beispiel bei Kreiselpumpen haben sich die Radseitenräume und die in diesem Bereich befindlichen Dichtungen erwiesen. Tritt durch einen Materialverschleiß eine Vergrößerung der Spalte der Dichtungen auf, so entstehen erhöhte hydraulische Verluste und als Folge davon ein verringerter Wirkungsgrad. Des weiteren entstehen dadurch bei mehrstufigen Maschinen starke Schwingungen, die bis zum Ausfall des Aggregates führen können.
Durch die EP-B 0 346 677 ist eine Maßnahme bekannt, bei der ein eine Wellenabdichtung aufnehmender Raum und eine Wellenabdichtung selbst vor Verschleiß geschützt werden soll. Der Raum befindet sich hinter dem Laufrad und ist durch eine Spaltdichtung gegenüber dem eigentlichen, einen höheren Druck aufweisenden Radseitenraum getrennt.
Durch die DE-OS 22 10 556 ist eine Kreiselpumpe bekannt, bei der mit Hilfe von besonders verschleißbeständigen Gehäuseteilen, wie den Spiralraum und den Laufradseitenraum begrenzenden Schleißplatten, die Standzeit der Maschine verbessert werden soll. Des weiteren kann bei dieser Maschine durch Einspeisung von feststofffreiem Material der Radseitenraum und auch die Dichtung vor verschleißenden Partikeln geschützt werden.
Wiederum eine andere Maßnahme zeigt die DE-OS 23 44 576, deren Konstruktion im Bereich der Spaltdichtungen zusätzliche Förderkanäle vorsieht, deren Eintritten eine umlaufende Ringkammer vorgeschaltet ist. Mittels dieser Maßnahme soll in die Spaltdichtung eintretendes Fördermedium von den abrasiven Partikel befreit werden. Die Partikel werden in der Ringkammer ausgesondert, durch die Förderkanäle in den Radseitenraum transportiert und das davon befreite Wasser strömt dann im quasi feststofffreien Zustand der eigentlichen Spaltdichtung zu. Diese Maßnahme mag zwar einen gewissen Anfangserfolg zeigen, aber nach einer kurzfristigen Betriebsdauer werden die Förderkanäle in ihrer Wirkung nachlassen. Denn im Bereich des Spalteintrittes wird sich in Verbindung mit nachströmendem Medium eine Konzentrationserhöhung der Partikel einstellen und damit der Verschleiß beschleunigt.
Eine andere Maßnahme ist durch die EP-B 0 288 500 bekannt, bei der auf der Außenseite von Laufraddeckscheiben Hilfsschaufeln angebracht sind. Diese Hilfsschaufeln sind aber durch ringförmige Stege unterbrochen und sollen damit den Flüssigkeitsstrom im Radseitenraum reduzieren. Wie aber praktische Versuche gezeigt haben, vermag auch diese Lösung den Verschleiß nicht zu verhindern.
Die DE-OS 38 08 598 versucht mit Hilfe einer bestimmten Neigung der Umfangswandfläche des einem Laufrad nachgeordneten Raumes die Standfestigkeit zu erhöhen.
Durch die US-A 1 634 317 ist eine Axialschub-Ausgleichseinrichtung für Pumpenlaufräder bekannt. Zu diesem Zweck sind an beiden Laufraddeckscheiben auf unterschiedlichen Durchmessern Spaltringdichtungen angeordnet. Eine Spaltringdichtung befindet sich dabei immer am Außenumfang einer Deckscheibe und eine damit zusammenwirkende zweite Spaltringdichtung ist auf kleinerem Durchmesser an der anderen Deckscheibe angeordnet. Der Saugmund des Laufrades taucht unter Bildung eines flüssigkeitsdurchlässigen Spaltes in einem Absatz des Gehäuses ein. Die rotierenden Wandflächenteile der Dichtungsspalte verfügen über eine zusätzliche Beschaufelung. Eine damit erzeugte Strömung wirkt dem Druck am Laufradaustritt entgegen. Damit sollen die Druckverluste im Radseitenraum gering gehalten werden bei gleichzeitig wirkungsvollem Axialschubausgleich.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die vorstehend geschilderten Verschleißprobleme grundsätzlich in ihrer Ursache zu verringern bzw. zu beseitigen. Die Lösung dieses Problems sieht vor, daß die Radseitenräume begrenzende stillstehende Wandfläche in Richtung einer wandnahen Strömung vor der Spaltdichtung einen ringförmigen Vorsprung aufweist, dessen Form die wandnahe Strömung entlang der stillstehenden Wandfläche eines Radseitenraumes in Richtung der rotierenden Radscheibe eines Laufrades und in Bereiche höherer Rotationsbewegung des Strömungsmediums leitet, wobei der Spalt zwischen Vorsprung und der Radscheibe mindestens 2 mm beträgt.Es wurde erkannt, daß die abrasiven Partikel immer in der Nähe der stehenden, d. h. der nicht rotierenden Wandflächen radial einwärts wandern. Aufgrund der durch die Radseitenreibung eines Laufrades entstehenden Förderwirkung radial nach außen, welche bei den bekannten Laufrädern durch äußere Hilfsschaufeln noch verstärkt wird, strömt im gleichen Maße partikelhaltiges Medium an den stillstehenden Wandflächen radial einwärts und den Dichtungen zu. Demzufolge sieht die erfindungsgemäße Lösung eine Vermeidung des radial einwärts gerichteten Partikeltransports im Bereich der stillstehenden Begrenzungswände vor und, falls dies nicht vollständig möglich ist, vor den Spaltdichtungen die Überleitung der wandnahen Partikel bzw. einer damit behafteten wandnahen Strömung in einen Bereich höherer Rotationsbewegung des Fördermediums. Aus diesem Bereich sind dann die Partikel problemlos nach außen und von den gefährdeten Wandflächen weg förderbar. In Abhängigkeit von den Leistungsdaten der Strömungsmaschine können die Gestaltungen in bezug auf den Laufradaußenradius auf unterschiedlichen, d. h. für den jeweiligen Verwendungszweck bestgeeigneten Radien angeordnet werden. Dies kann z. B. im Bereich eines Laufradaustrittes, unmittelbar vor einer Spaltdichtung oder einer Wellendichtung, im Bereich dazwischen, aber auch in einem Radseitenraum zwischen Welle und Spaltdichtung angeordnet sein. Eine andere Lösung der Erfindung, die mit den Merkmalen des Anspruches 9 beschrieben ist, sieht vor, daß die Radseitenräume begrenzende stillstehende Wandfläche in Richtung einer wandnahen Strömung vor der Spaltdichtung eine ringförmige Ausnehmung aufweist, deren Form die wandnahe Strömung entlang der stillstehenden Wandfläche eines Radseitenraumes in Richtung der rotierenden Radscheibe eines Laufrades und im Bereiche höherer Rotationsbewegung des Strömungsmediums leitet, wobei die Tiefe der Ausnehmung mindestens dem Dreifachen der örtlichen Grenzschichtdicke entspricht. Die Unteransprüche der Erfindung beschreiben hierzu weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die im Zusammenhang mit den einzelnen Figurenbeschreibungen näher erläutert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Hierbei zeigen die
Fig. 1
als Beispiel einer Strömungsmaschine eine einstufige Kreiselpumpe mit Spiralgehäuse im Schnitt, die
Fig. 2
als Strömungsmaschine eine mehrstufige Kreiselpumpe mit den Laufrädern nachgeordneten Leiträdern und die
Fig. 3 bis 14, 18 bis 25
Details der Gestaltungen zwischen einer stillstehenden und rotierenden Wandfläche.
In der Fig. 1 ist innerhalb eines Gehäuses 1 ein Laufrad 2 mit einem Außenradius r2 angeordnet, dessen Schaufeln 3 zwischen einer druckseitigen Laufraddeckscheibe 4 und einer saugseitigen Laufraddeckscheibe 5 angeordnet sind. Diesen gegenüberliegend befinden sich stillstehende Gehäusewandflächen, eine druckseitige 6 und eine saugseitige Gehäusewandfläche 7. Das Laufrad 2 ist von einem Spiralraum 8 umgeben, der mit einem Druckstutzen 9 in Verbindung steht. Aufgrund des Druckgefälles innerhalb der Radseitenräume strömt ein Teil des innerhalb des Gehäuses 1 befindlichen Mediums zur Spaltdichtung 10 im Bereich des Laufradeintritts bzw. zur druckseitigen Spaltdichtung 11 im Bereich einer Wellenabdichtung. Die Radseitenreibung an den Laufraddeckscheiben 4, 5 erzeugt bekanntermaßen eine Strömung in dem druckseitigen Radseitenraum 12 und in dem saugseitigen Radseitenraum 13.
Hierbei ist die Strömungsbedingung in den verschiedenen Räumen, erklärt am Beispiel der Radseitenräume 12, 13, differenziert zu betrachten. In einem saugseitigen Radseitenraum 13 oder einem dementsprechenden Raum ergibt sich eine Durchströmung infolge des existierenden Druckgefälles. Das Medium strömt also vom Bereich eines höheren Druckes zum Bereich eines niedrigeren Druckes, z. B. bei einer Pumpe vom Laufradaustritt zum Laufradeintritt. Dieser Strömung ist eine Strömung überlagert, die aufgrund der Radseitenreibung zwischen rotierender Fläche und diese benetzendem Medium entsteht. Gleiches gilt für einen druckseitigen Radseitenraum 12 bzw. einem entsprechenden Raum, wenn dort die Möglichkeit für eine Durchströmung durch das Medium gegeben ist. Dies könnte eine Axialschubentlastungsbohrung sein, oder jede andere, eine Durchströmung ermöglichende Öffnung. Für den Fall jedoch, daß keine Durchströmung des Raumes existiert, kommt es dennoch zu einer radial einwärts gerichteten Strömung an einer stehenden Wandfläche. Ursächlich dafür ist dann die Radseitenreibung. Aufgrund dieser entsteht an der rotierenden Fläche eine Strömung mit einer radial auswärts gerichteten Komponente, die zu einer Rückströmung an der stillstehenden Wandfläche, also zu einer Zirkulation, führt. In all den beschriebenen Durchströmungs- oder Zirkulationsfällen strömt das mit abrasiven Partikeln beladene Medium den stillstehenden Flächen folgend radial einwärts.
In entsprechender Weise verhält sich dies in der in Fig. 2 gezeigten anderen Ausführungsform einer mehrstufigen Strömungsmaschine. Bei deren Betrieb als Pumpe würde das partikelbehaftete Medium durch die Saugstutzen 14.1, 14.2 den Laufrädern 2.1, 2.2 zuströmen. Im Gegensatz zur Ausführungsform der Fig. 1 weisen die Laufräder 2.1, 2.2 der ersten Stufe nur im Bereich des Wellendurchganges zwischen den einzelnen Stufen eine druckseitige Spaltdichtung auf.
Nach Verlassen der ersten Laufräder strömt das Medium durch Leiteinrichtungen 15.1, 15.2 und fließt einem zweiflutigen Laufrad 16 einer zweiten Stufe zu. Von dort tritt es in einen Spiralraum 8 ein, von wo aus es über einen Druckstutzen 9 abströmt. Die am Beispiel der Fig. 1 näher beschriebene Umgebung des Laufrades gilt in entsprechender Weise auch für das Ausführungsbeispiel der Fig. 2.
Mit Ausnahme der Fig. 13, 14, 21, 24 und 25 sind die Darstellungen der Fig. 3 bis 14 und 18 bis 23 vom Aufbau her einheitlich. Es handelt sich hier um beispielhafte Gestaltungen zwischen einer jeweils linksseitig als stillstehend angeordneten Wandfläche und einer rechtsseitig rotierend angeordneten Wandfläche. Entsprechend der Fig. 1 wären dies also Gestaltungen, welche im Bereich eines saugseitigen Radseitenraumes 13 Verwendung finden könnten. Die Drehachse für den rotierenden Wandflächenteil befindet sich immer unterhalb der jeweiligen Darstellung. Selbstverständlich würden die hier gezeigten Darstellungen in entsprechender Weise auch für den druckseitigen Radseitenraum 12 gelten, wobei dann aber die Darstellung spiegelverkehrt zu sehen wäre. Der Einfachheit halber beschränkt sich die Beschreibung auf die vorstehend erwähnte Festlegung.
In den Fig. 3 bis 8 ist ein an der feststehenden Gehäusewand 7 angebrachter vorspringender Ring 17 zu sehen, dem gegenüber mit einem Spalt 18 die rotierende Laufraddeckscheibe 5 angeordnet ist. Die entlang der feststehenden Gehäusewand 7 radial einwärts wandernde Strömung mit den abrasiven Partikeln wird durch den hier verwendeten Ring 17 in Richtung Laufrad und damit zur rotierenden Laufraddeckscheibe 5 umgelenkt und von dort mit der durch die Radseitenreibung bedingten Strömung nach außen abgeführt.
Die Breite t1 des Ringes 17 sollte größer sein als die Hälfte der Radseitenraumbreite b, das heißt t1/b ≥ 0,5. In praktischen Versuchen hat sich als besonders vorteilhaft eine Anordnung des Ringes 17 auf einem relativen Radius r1 erwiesen, der in Bezug auf den Außenradius r2 des Laufrades bzw. dessen Laufraddeckscheibe 5 dem Verhältnis r1/r2 ungefähr 0,8 entspricht. Die Wirksamkeit ist auch noch auf anderen Radien r1 feststellbar. Für den Spalt S, als Differenz der Radseitenraumbreite b minus der Breite t1 des Ringes 17 gilt, daß er nicht kleiner als 2 mm sein darf. Der Spalt hat keinesfalls die Funktion eines Dichtspaltes; ein solcher würde durch hindurchströmende Partikel zerstört werden. Durch die Mindestspaltbreite von 2 mm oder größer, wird innerhalb des Spaltbereiches das Auftreten eines erhöhten Verschleißes verhindert. Dies gibt in entsprechender Weise auch für die Darstellungen in den nachfolgenden anderen Figuren.
In der Fig. 4 sind an der rotierenden Laufraddeckscheibe 5 in gleicher Höhe wie der vorstehende Ring 17 und ebenfalls mit geringem Abstand dazu mehrere Schaufeln 19 an der Laufraddeckscheibe angebracht. Die radiale Erstreckung dieser Schaufeln 19 ist gleich oder ungleich der radialen Erstreckung des Ringes. Gemäß Fig. 5 sind die Schaufeln 19 benachbart auf größerem Durchmesser und mit einer größeren radialen Erstreckung an der rotierenden Laufraddeckscheibe 5 befestigt.
Die in den Fig. 3 bis 5 gezeigten strichpunktierten Linien, welche den Ring 17 einschließen, symbolisieren Bereiche unterschiedlicher Neigungen der Ringoberflächen.
In Fig. 6 ist an der rotierenden Deckscheibe 5 ein Ring 20 angeordnet, der sich auf größerem Durchmesser als der feststehende Gehäusering 17 befindet. Die dem feststehenden Ring 17 zugekehrte Unterseite des rotierenden Ringes 20 ist mit Schaufeln 19 ausgestattet, die einen Bereich höherer Rotationsbewegung erzeugen und somit die partikelbehaftete wandnahe Strömung zum Laufradaußendurchmesser ablenken. Anstelle der Schaufeln 19 können auch eine Förderwirkung erzeugende Nuten angeordnet werden, die beispielsweise in das Material des Laufrades eingebracht sein können. Bei Paarungen von Ring und Schaufeln bzw. Nuten ist eine Schrägung des Spaltes zwischen beiden vorteilhaft, die eine radial nach außen gerichtete Zwangsbewegung der Partikel bewirkt. Die Schaufeln oder Nuten können sowohl in axialer Richtung und senkrecht zur Umdrehungsrichtung angeordnet sein als auch unter einem bestimmten Winkel zur Achsrichtung.
Gemäß Fig. 7 ist der rotierende Ring 20 auf kleinerem Durchmesser als der feststehende Ring 17 angeordnet und verfügt über Nuten oder Schaufeln 19 zur Erzeugung einer höheren Rotationsbewegung zwecks Ablenkung der partikelbehafteten wandnahen Strömung. Die Nuten oder Schaufeln 19 sind bezüglich ihrer Förderleistung so bemessen, daß ihre Förderenergie die wandnahe Strömung geringfügig beeinflußt. Sie sind aber so klein, daß sie keine verstärkende Zirkularströmung innerhalb des Radseitenraumes 13 produzieren, was mit den bisher bekannten äußeren Hilfsschaufeln verstärkt der Fall ist.
Gemäß der Fig. 8 sind ober- und unterhalb des stillstehenden und vorstehenden Ringes 17 am rotierenden Laufradteil 5 kurze Schaufeln 19.1, 19.2 angeordnet. Die Spalte 21, 22 zwischen dem Ring 17 und den Schaufeln verlaufen in schräger Richtung.
Die in den Fig. 5 bis 8 sowie die in den nachfolgenden Figuren gezeigten Schaufeln können auch ganz oder teilweise von deckscheibenförmigen Elementen nach Art eines geschlossenen Laufrades abgedeckt sein.
In den Abbildungen der Fig. 9 bis 12 ist der Gehäusering 17 mit einer radial nach außen weisenden Scheibe 23 versehen, die den Ablenkvorgang der partikelbehafteten wandnahen Strömung verstärkt. Des weiteren sind hier die rotierenden Laufraddeckscheiben 5 mit oder ohne kurze Schaufeln 19 ausgestattet. Die Scheibe 23 kann an dem Ring 17 sowohl an dessen Stirnseite als auch in dessen mittlerem Bereich vorgesehen sein.
Die in den Fig. 11 gezeigten strichpunktierten Linien, welche die Scheibe 23 einschließen, symbolisieren auch hier Bereiche unterschiedlicher Neigungen der Scheibenoberflächen.
Die Fig. 13 und 14 zeigen eine Draufsicht auf den gehäusefesten Ring 17, welcher nach der Fig. 13 als ein geschlossener Ring, gemäß der Fig. 14 jedoch auch als ein geteilter Ring ausgebildet sein kann. Die Teilung kann hierbei so gewählt sein, daß mehrere Ringsegmente 17.2 eine Anordnung aufweisen, die gegenüber der Gehäusewand 7 einen schaufelförmigen Verlauf zeigen. Der oder die Mittelpunkte der Ringsegmente 17.2 befinden sich außerhalb des Mittelpunktes der Drehachse, aber verschoben in der zugehörigen vertikalen und/oder horizontalen Schnittebene. Die einzelnen Ringsegmente öffnen sich hierbei im Umdrehungssinne des - nicht dargestellten - Laufrades nach außen. Somit kann eine unterschiedliche Anstellung und damit eine Beeinflussung der Strömung erlangt werden. Der Pfeil zeigt die Laufraddrehrichtung an.
Die Fig. 18 bis 20 zeigen Wandflächengestaltungen, bei denen anstelle eines vorstehenden Ringes die Wand selbst über eine Art Ausnehmung 25 verfügt, deren als Abströmkante 26 ausgebildeter Auslauf auf die gegenüberliegende rotierende Laufraddeckscheibe 5 zeigt. Je nach Betrachtungsweise kann diese Wandflächengestaltung auch als eine den Radseitenraum 13 oder 14 verengende Formgebung angesehen werden. Dieser ist dann eine die Umlenkung der partikelbehafteten wandnahen Strömung bewirkende Ausnehmung 25 nachgeordnet. Die Umlenkung der partikelbehafteten wandnahen Strömung entlang der stillstehenden Gehäusewandfläche 7 erfolgt zum Radseitenraum 13 mit darin vorherrschender höherer Rotationsbewegung. Auch hierbei können an den rotierenden Laufraddeckscheiben 5 Schaufeln 19 mit einer geringen radialen Erstreckung angebracht sein, um den ablenkenden Effekt der Partikel in einen Bereich höherer Rotationsenergie zu beschleunigen.
Am Beispiel der Fig. 18 sind die Verhältnisse näher spezifiziert. Der in Fig. 18 angegebene Winkel α sollte 30° nicht überschreiten; für das Verhältnis der Länge l zur Tiefe t2 der Ausnehmung 25 gilt, daß es den Wert l/t2 = 3 nicht unterschreiten soll. Die Tiefe t2 sollte so bemessen sein, daß sie mindestens dem Dreifachen der örtlichen Grenzschichtdicke entspricht. Die Grenzschichtdicke ergibt sich aus den üblichen Rechengängen (z. B. nach Schlichting: Grenzschichttheorie, G. Braun, Karlsruhe 1982). Die Grenzschichtdicke ist hierbei zu einem großen Teil abhängig vom Medium, der Laufraddrehzahl, vom Radius r1 bzw. r1'sowie von der Breite b des Radseitenraumes 13.
Eine andere Form der Beeinflussung der wandnahen Strömung ist in den Fig. 21 bis 25 gezeigt. Zum einen können dies in eine stillstehende Wandfläche 7 eingearbeitete Nuten 27 oder vorspringende Schaufeln 28 sein, die sich in Drehrichtung des Laufrades bzw. der gegenüberliegenden rotierenden Scheibenfläche radial nach außen entwickeln. Sie führen dabei die durch die wandnahe Strömung herangeführten Partikel an der radial nach außen gerichteten Kontur der Nuten 27 oder Schaufeln 28 entlang nach außen. Für den Transport eines Partikelteilchens vom inneren Bereich des Radseitenraumes nach außen sind mehrere Umläufe innerhalb des Radseitenraumes erforderlich, bis es innerhalb einer Spirale oder einer Leiteinrichtung abgeführt werden kann.
Gemäß der Fig. 24 ist eine Art sägezahnförmige Gestaltung der stillstehenden Gehäusewandfläche 7 vorgenommen worden, wobei der flache Anstieg 29 der Kontur sich in Drehrichtung der rotierenden Wandfläche 5 erstreckt. Mit Hilfe dieser Maßnahme werden die Partikel immer wieder von der stehenden Wand abgestoßen und gelangen in Bereiche mit einer höheren örtlichen Rotationsgeschwindigkeit des Mediums, um somit nach mehreren Umläufen wieder den Radseitenraum 13 oder 14 verlassen zu können. Die Fig. 25 zeigt eine Draufsicht auf eine derartig gestaltete Wandfläche 7.

Claims (13)

  1. Strömungsmaschine, zur Förderung von mit festen Partikeln beladenen Medien, mit einem oder mehreren innerhalb eines Gehäuses (1) angeordneten Laufrädern (3,16,2.1,2.2), wobei die Laufräder (2.1,2.2,3,16) mit mindestens einer Radscheibe (5,6) versehen sind, zwischen Gehäuse (1) und Radscheibe (5,6) ein Radseitenraum (12,13) ausgebildet ist, und zwischen Radscheibe (5,6) und Gehäuse (1) eine Spaltdichtung (10,11,11.1,11.2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Radseitenräume (12,13) begrenzende stillstehende Wandfläche (6,7) in Richtung einer wandnahen Strömung vor der Spaltdichtung (5,6,11.1,11.2) einen ringförmigen Vorsprung (17) aufweisen, deren Form die wandnahe Strömung entlang der stillstehenden Wandfläche (6,7) eines Radseitenraumes (12,13) in Richtung der rotierenden Radscheibe (4.6) eines Laufrades (3,2.1,2.2) und in Bereiche höherer Rotationsbewegung des Strömungsmediums leitet, wobei der Spalt (18) zwischen Vorsprung (17) und der Radscheibe mindestens 2 mm beträgt.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den stillstehenden Gehäusewandflächen (6, 7) eine in axialer Richtung vorspringende Ringfläche oder ein Ring (17) angeordnet ist.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberliegend dem Endbereich der Ringfläche oder des Ringes (17) an der rotierenden Wandfläche (4, 5) mehrere kurze Schaufeln oder Nuten (19) angebracht sind.
  4. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringfläche oder der Ring (17) mit einem an der rotierenden Wandfläche (4, 5) auf größerem oder kleinerem Durchmesser angeordneten, beschaufelten oder genuteten Ringfläche (1) oder Ring (20) zusammenwirkt.
  5. Strömungsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringfläche oder der Ring (17) mit einem sich in radialer Richtung erstreckenden vorspringenden Scheibenelement (23) versehen ist.
  6. Strömungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberliegend dem Bereich des Scheibenelementes (23) an der rotierenden Wandfläche (4, 5) mehrere kurze Schaufeln (19) oder Nuten angeordnet sind.
  7. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringfläche oder der Ring (17) aus mehreren Segmenten (17.2) besteht, wobei der Mittelpunkt jedes Segmentes (17.2) außerhalb der Drehachse angeordnet ist.
  8. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am rotierenden Ring (20) angebrachte Nuten oder Schaufeln (19) schräg zur Drehachse verlaufen.
  9. Strömungsmaschine, zur Förderung von mit festen Partikeln beladenen Medien, mit einem oder mehreren innerhalb eines Gehäuses (1) angeordneten Laufrädern (2.1,2.2,3,16), wobei die Laufräder (2.1,2.2,3,16) mit mindestens einer Radscheibe (5,6) versehen sind, zwischen Gehäuse (1) und Radscheibe (5,6) ein Radseitenraum (12,13) ausgebildet ist, und zwischen Radscheibe (5,6) und Gehäuse (1) eine Spaltdichtung (10,11,11.1,11.2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Radseitenräume (12,13) begrenzende stillstehende Wandfläche (6,7) in Richtung einer wandnahen Strömung vor der Spaltdichtung (5,6,11.1,11.2) eine ringförmige Ausnehmung (25) aufweist, deren Form die wandnahe Strömung entlang der stillstehenden Wandfläche (6,7) eines Radseitenraumes (12,13) in Richtung der rotierenden Radscheibe (4,6) eines Laufrades (2.1,2.2,3) und in Bereiche höherer Rotationsbewegung des Strömungsmediums leitet, wobei die Tiefe (t2) der Ausnehmung (25) mindestens dem Dreifachen der örtlichen Grenzschichtdicke entspricht.
  10. Strömungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die stillstehende Wandfläche (6, 7) eine ringförmige Ausnehmung (25) eingeformt ist, wobei der Übergang zwischen Ausnehmung (25) und stillstehender Wandfläche (6, 7) mit einer Abströmkante (26) versehen ist.
  11. Strömungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der Abströmkante (26) an der rotierenden Wandfläche (4, 5) mehrere kurze Schaufeln (19) oder Nuten angebracht sind.
  12. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der stillstehenden Wandfläche (6, 7) mehrere Nuten (27) und/oder Schaufeln (28) angebracht sind, die sich in Drehrichtung der gegenüberliegenden rotierenden Wandfläche radial nach außen entwickeln.
  13. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die stillstehende Wandfläche (6, 7) mit sich nach außen entwickelnden, eine flache Anstiegsfläche (29) aufweisenden Nuten versehen ist.
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