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Dokumentenidentifikation DE3887672T2 01.09.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0322504
Titel Pumpe mit gekapseltem Sauglaufrad.
Anmelder Rockwell International Corp., El Segundo, Calif., US
Erfinder Meng, Sen Yih, Reseda California 91335, US
Vertreter Wächtershäuser, G., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 80331 München
DE-Aktenzeichen 3887672
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 29.07.1988
EP-Aktenzeichen 881123210
EP-Offenlegungsdatum 05.07.1989
EP date of grant 02.02.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.09.1994
IPC-Hauptklasse F04D 29/22

Beschreibung[de]
1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Pumpe gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Pumpe ist aus EP-A-0 168 603 bekannt.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine gekapselte Saugeinrichtung zur Verwendung mit einer Kreiselpumpe, spezieller zum Ausschließen von Kavitationsschäden, wie sie normalerweise von einer Umwälzströmung eines Fluids um den Mantel der Saugeinrichtung herrühren würden.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Das Hinzufügen eines Mantels zu einer sonst mantellosen Saugeinrichtung trägt dazu bei, die Ausbildung von Wirbeln an der Spitze oder um dieselbe der Saugeinrichtungsblätter zu verhindern, was demgemäß solchen Wirbeln zugeordnete Kavitationsschäden an der Saugeinrichtung minimiert. Das Hinzufügen eines Mantels kann jedoch bewirken, daß ein Teil des Fluids stromabwärts bezüglich der Saugeinrichtung um den Außenumfang des Mantels rückgeführt wird und dann in die Hauptflußstrahlen oberhalb des Saugeinrichtungsblatts wiedereintritt. Wenn das rückgeführte Fluid aus dem Raum hinter der vorderen oder stromaufwärtigen Kante des Mantels hervortritt, drückt es häufig Wirbel beiseite, die direkt auf die radial mehr außerhalb liegenden Bereiche der Saugeinrichtungsblätter auftreffen. Diese Wirbel rufen in Bereichen der Blätter eine Erosionswirkung hervor, und sie führen letztendlich dazu, daß die Saugeinrichtung einen Verlust ihres Wirkungsgrades und der Baufestigkeit erleidet. Die Verwendung eines Mantels zum Verhindern von Schwierigkeiten, wie sie mit der Bildung von Wirbeln an Blattspitzen zusammenhängen, wird durch die Schwierigkeiten verschlimmert, die mit Wirbeln zusammenhängen, die an der Vorderkante des Mantels abgedrängt werden.

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um die Probleme zu überwinden, die mit der um eine gekapselte Saugeinrichtung herum rückgeführten Strömung zusammenhängen. Z.B. wurden Labyrinthdichtungen um den Außenumfang des Saugeinrichtungsmantels angeordnet, um die Umwälzströmung über dem Mantel zu minimieren. Jedoch ist unabhängig davon, wie gut die Labyrinthdichtung ist, immer eine Strömung in gewissem Ausmaß vorhanden, die über die Dichtung läuft, was dann die vorstehend genannten Wirbelbildungsprobleme hervorruft.

Darüber hinaus neigen Labyrinthdichtungen mit fortschreitender Zeit dazu, ihre Dichtungswirksamkeit zu verlieren, besonders bei Pumpen, bei denen Schwingungen und thermodynamische Vorgänge die Dichtung Reibprozessen jeglichen Ausmaßes unterwerfen. Es könnten Labyrinthdichtungen in extensiver Weise verwendet werden, um die Umwälzströmung auf ein Minimum zu verringern, wie im US-Patent Nr. 2,984,189 vorgeschlagen. Eine solche extensive Verwendung von Dichtungen ist unpraktisch und teuer. Verschiedene andere Verfahren wurden hinsichtlich des Aufbaus einer gekapselten Saugeinrichtung vorgeschlagen, um die Probleme zu überwinden, die mit Wirbeln zusammenhängen, die vom Mantel ausgehen.

Aufgabe der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine gekapselte Saugeinrichtung anzugeben, bei der Kavitationsschäden minimiert sind, die von um den Mantel herum umgewälztem Fluid herrühren.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe mit gekapselter Saugeinrichtung anzugeben, die kein erkennbares Ausmaß an Kavitationsschäden erleidet, und zwar weder von Wirbeln an den Spitzen noch von Wirbeln, die durch Fluid abgedrängt werden, das um die gekapselte Saugeinrichtung herum umgewälzt wird.

Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe mit gekapselter Saugeinrichtung anzugeben, bei der Fluid, das um den Mantel herum umgewälzt wird, direkt mit minimaler Störung des Einlaßströmungsmusters in den Fluideinlaß wiedereingeleitet werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorstehenden und andere Aufgaben werden durch die Erfindung gelöst. Allgemein gesagt, betrifft die Erfindung eine Verbesserung bei einer Pumpe mit gekapselter Saugeinrichtung, mit mindestens einem spiralförmigen Blatt, das an seinem Umfang von einem Mantel umgeben wird. Die Saugeinrichtung ist drehbar innerhalb des Pumpengehäuses angebracht. Typischerweise weist das Gehäuse einen Fluideinlaß und einen Fluidauslaß auf, und durch den Außenumfang des Mantels und durch benachbarte Oberflächen des Gehäuses wird ein ringförmiger Raum festgelegt, der während des Betriebs der Pumpe eine rückgeführte Fluidströmung über den Mantel leitet. Die Erfindung gibt eine Verbesserung zum Verhindern von Kavitationsschäden an, wie sie mit einer solchen Rückführungsströmung zusammenhängen.

Die Erfindung weist folgendes auf:

- eine stromabwärtige, erhöhte Ringlippe am Saugeinrichtungsmantel;

- eine erste Dichtungseinrichtung, die im Gehäuse ausgebildet ist und der Ringlippe zugehörig ist;

- einen Formflügel mit einer zweiten Dichtungseinrichtung, die einem stromabwärtigen Segment des Mantels zugehörig ist;

- eine ringförmige Kammer, die stromabwärts bezüglich des Saugeinrichtungsblatts ausgebildet ist;

- eine erste Wirbelzelle zwischen der ersten Dichtungseinrichtung und der zweiten Dichtungseinrichtung; und

- mindestens eine Sekundärwirbelzelle, die durch ein stromabwärtiges Segment des Formflügels und das Pumpengehäuse gebildet wird, welche Sekundärwirbelzelle mit einer Ringkammer in Verbindung steht, die durch das Pumpengehäuse gebildet wird.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Pumpe mindestens einen Fluidkanal auf, der innerhalb der Gehäusewand ausgebildet ist und mit einer stromaufwärtigen Fluidquelle in Verbindung steht.

Andere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematischer seitlicher Querschnitt einer gemäß dem Stand der Technik aufgebauten Kreiselpumpe.

Fig. 2 ist ein schematischer seitlicher Querschnitt einer gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung aufgebauten Kreiselpumpe mit gekapselter Saugeinrichtung.

Fig. 3 ist ein seitlicher Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispieles einer gemäß der Erfindung aufgebauten, wirbelsicheren Saugeinrichtung.

Die gleichen Elemente oder Teile sind in allen Figuren der Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles

Wie aus Fig. 2 erkennbar, ist dort ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das die wesentlichen Elemente einer erfindungsgemäß aufgebauten Tauchpumpe 10 mit gekapselter Saugeinrichtung aufweist. Die Pumpe verfügt über ein Gehäuse 12, das einen drehbaren Rotor 14 enthält, der mit einem Flügelrad versehen ist. Ein im wesentlichen zylindrisches Mantelteil 18 ist an der Außenkante 28 eines Blattes 22 befestigt und umgibt die Blätter 22. Wie dargestellt, weist das Mantelteil 18 stromabwärts eine erhöhte Ringlippe 34 auf. Innerhalb des Gehäuses 12 ist eine Labyrinthdichtungseinrichtung 36 ausgebildet, die der erhöhten Lippe 34 zugeordnet ist. Eine zweite Labyrinthdichtungseinrichtung 32 ist im stromabwärtigen Bereich eines Formflügels 44 ausgebildet. Zwischen der ersten Labyrinthdichtungseinrichtung und dem Flügelrad 16 ist eine ringförmige Kammer 30 vorhanden. Eine erste Wirbelzelle 38 wird durch eine Oberfläche des Gehäuses 12 und durch einen Saugeinrichtungsmantel 24 zwischen Dichtungseinrichtungen 32 und 36 gebildet. Gerade stromabwärts bezüglich der ersten Wirbelzelle 38 sind eine Reihe sekundärer Wirbelzellen 40 vorhanden. Der Zweck der Dichtungseinrichtungen 32, 36 und der Wirbelzelle 38 wie auch der sekundären Wirbelzellen 40 ist der, die Strömung rückgeführten Fluids zu minimieren, das normalerweise durch einen ringförmigen Kanal 36 (siehe Figuren 2 und 3) um den Mantel 18 herum strömen würde, welcher Kanal durch die Außenfläche des Mantels 24 und die benachbarte Innenfläche von 44 festgelegt ist.

Der durch die Außenfläche des Formflügels 44 und die benachbarte Innenfläche des Gehäuses 12 festgelegte ringförmige Raum 42 sorgt für eine Fluidverbindung zwischen dem ringförmigen Raum 26, der ringförmigen Kammer 30 und einer ringförmigen Kammer 46.

Im Betrieb wird von einer externen (nicht dargestellten) Antriebsquelle ein Drehmoment auf den Rotor 14 übertragen. Wenn Fluid durch den Einlaß 50 des Gehäuses 12 eingeleitet wird, übertragen die Blätter 22 ein Wirbelmuster, das für den Pumpbetrieb z. B. der Saugeinrichtung einer Kreiselpumpe günstig ist, wobei die letztere den Druck des Fluids erhöht und es in einen Ausströmraum 52 des Gehäuses 12 ausgibt. Ein Teil des durch die Blätter 22 laufenden, hereinströmenden Fluids, insbesondere der Teil gerade stromaufwärts bezüglich der Blätter 22 neigt dazu, in den ringförmigen Raum 26 einzutreten, der zwischen dem Außenumfang des Mantels 24 und dem Formflügel 44 festgelegt ist. Gleichzeitig wird dafür gesorgt, daß hereinströmendes Fluid, das in die ringförmige Kammer 30 eintritt, schließlich durch den Ausströmraum 52 ausströmt, und zwar durch die Wirkung des Flügelrades 16 in Zusammenspiel mit der ungekapselten Saugeinrichtung 18.

Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3, und wie durch Pfeile in Fig. 3 dargestellt, die eine nicht versenkbare Pumpe mit gekapselter Saugeinrichtung zeigt, wird eine Druckdifferenz zwischen dem durch den Kanal 26 über die Dichtungseinrichtung 32 und in die Wirbelzelle 38 ausleckenden Fluid durch eine Fluidmenge hervorgerufen, die in die Ringkammer 30 und dann durch die Dichtungseinrichtung 36 läuft, um sich mit dem vorstehend genannten Fluid in der Wirbelzelle 38 zu vereinigen. Wie es nachfolgend detaillierter diskutiert wird, wird das Fluid von der Wirbelkammer 38 dann durch Sekundärwirbelzellen 40, den ringförmigen Raum 42 in eine konkave ringförmige Kammer 46 geleitet, wo es wieder in den Fluidstrom des Haupteinlasses eingeführt werden kann. Wie es aus Fig. 2 erkennbar ist, wird das Fluid aus der Kammer 46 in die Einlaßfluidquelle rückgeführt, anstatt daß es in den Fluideinlaßstrom an den Blättern 22 zurückfließt, wie bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Quelle kann ein See geschmolzenen Metalls sein, wie er sich in einem Reaktor mit geschmolzenem Metall befindet, oder es kann ein Brennstoffbehälter sein, wie er bei einem Raketenmotor verwendet wird.

Würde die gerade beschriebene Fluidströmung bei der in Fig. 1 dargestellten Saugeinrichtung aus dem Stand der Technik auftreten, würde sie zu einer Strömung über den Mantel führen, die hier als Umwälzströmung bezeichnet wird, die ohne die Erfindung Kavitationsschäden am Blatt 22 der Saugeinrichtung hervorrufen könnte. Es ist auch zu beachten, daß die Umwälzströmung aufgrund des Drehvorgangs des Mantels eine erhebliche tangentiale oder Wirbel-Geschwindigkeitskomponente erzeugen würde.

Die Erfindung vermeidet Kavitationsschäden und andere oben genannte Probleme (siehe Fig. 2 und 3) dadurch, daß ein verkürzter Saugeinrichtungsmantel 24 mit erhöhter Ringlippe 34 am stromabwärtigen Ende des Saugeinrichtungsmantels 24 vorhanden ist, die dazu dient, teilweise die ringförmige Kammer 30 zu bilden. Eine erste Labyrinthdichtungseinrichtung 36 wird durch eine Innenfläche des Gehäuses 12 festgelegt. Der Formflügel 44 weist die Labyrinthdichtung 32 auf, die zusammen mit dem Gehäuse 12 und dem Mantel 18 die Wirbelzelle 38 und die Sekundärwirbelzellen 40 festlegen. Der vorstehend genannte Kanal 42 steht ausgehend von den Wirbelzellen 40 mit der ringförmigen Kammer 46 für anschließendes Rückführen in Verbindung, wie oben beschrieben.

Um die Umwälzströmung und mögliche Kavitationsschäden wegen des rückgeführten Fluids zu minimieren, wird dafür gesorgt, daß eine Menge an Fluid von der ringförmigen Kammer 30 über die Dichtungseinrichtung 36 in die Wirbelkammer 38 strömt, in der sie starke Wirbel erzeugt. Diese Wirbel erzeugen einen Unterdruck in der Nähe der Dichtung 32. Eine Fluidmenge vom Einlaß 50 strömt durch den ringförmigen Raum 26 und wird in die Wirbelzelle 38 eingeleitet. Dort vermischt sie sich mit dem in der ringförmigen Kammer 30 strömenden Fluid. Diese Fluidmischung strömt dann durch die Sekundärwirbelzellen 40, um die Wirbelgeschwindigkeit weiter zu verringern, bevor sie auf den Formflügel 44 stromaufwärts bezüglich der gekapselten Saugeinrichtung 18 trifft.

Die einzigartige Konstruktion der Erfindung schafft Dichteinrichtungen, die zusammen mit einer Anordnung primärer und sekundärer Wirbelzellen dahingehend wirken, daß sie die Geschwindigkeit an den Blättern 22 der geformten Saugeinrichtung minimieren, um dadurch Kavitationsschäden zu vermeiden. Die Erfindung führt ferner zu einer Pumpenkonstruktion mit verbesserter Saugwirkung.

Während die Erfindung für rückgeführte Fluide in groben Zügen beschrieben wurde, ist es für den beschlagenen Fachmann ersichtlich, daß sie auch auf Flüssigkeit wie Wasser, flüssige Metalle, wie sie als Kühlmittel in Reaktoren verwendet werden, und auf Treibstoffe anwendbar ist, die für Brennkraftmaschinen verwendet werden. Tatsächlich ist eine besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung ein Raketenmotor, der bei veränderlichen Schubwerten arbeitet. Die Erfindung erlaubt es, daß die Pumpe in einem größeren Bereich von Drehzahlen und Druckdifferenzen ohne Kavitation arbeiten kann, als dies sonst möglich wäre.

Offensichtlicherweise sind angesichts der obigen Lehren viele Modifizierungen und Änderungen der Erfindung möglich. Es ist daher zu beachten, daß die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche anders ausgeführt werden kann, als es speziell beschrieben ist.


Anspruch[de]

1. Pumpe mit gekapselter Saugeinrichtung mit mindestens einem schraubenförmigen Blatt (22), das am Umfang von einem Mantel (18) umgeben wird, wobei das Saugeinrichtungsblatt drehbar innerhalb eines Pumpengehäuses (12) angebracht ist, welches Pumpengehäuse (12) einen Fluideinlaß (50) und einen Fluidauslaß (52) aufweist, und wobei ein ringförmiger Raum, der durch den Außenumfang dem Mantels und die benachbarte Fläche des Gehäuses festgelegt ist, während des Betriebs der Pumpe ein rückgeführtes Fluid über den Mantel (18) fördert, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale zum Vermeiden von Kavitationsschäden, die mit der rückgeführten Strömung zusammenhängen:

- eine stromabwärtige, erhöhte Ringlippe (34) am Saugeinrichtungsmantel;

- eine erste Dichtungseinrichtung (36), die im Gehäuse (12) ausgebildet ist und der Ringlippe (34) zugehörig ist;

- ein Formflügel (44) mit einer zweiten Dichtungseinrichtung (32), die einem stromabwärtigen Segment (12) des Mantels (18) zugehörig ist;

- eine ringförmige Kammer (46), die stromabwärts bezüglich des Saugeinrichtungsblatts ausgebildet ist;

- eine erste Wirbelzelle (38) zwischen der ersten Dichtungseinrichtung (36) und der zweiten Dichtungseinrichtung (32); und

- mindestens eine Sekundärwirbelzelle (40), die durch ein stromabwärtiges Segment des Formflügels (44) und das Pumpengehäuse (12) gebildet wird, wobei die Sekundärwirbelzelle (40) mit einem ringförmigen Raum (42) in Verbindung steht, der durch den Formflügel (44) und das Pumpengehäuse (12) gebildet wird.

2. Pumpe nach Anspruch 1, ferner mit mindestens einem fluidfördernden, ringförmigen Raum, der innerhalb der Gehäusewände ausgebildet ist und der mit einer konkaven, ringförmigen Kammer stromaufwärts bezüglich der Formrippe (44) und einer stromaufwärtigen Fluidquelle in Verbindung steht.

3. Pumpe nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Dichtungseinrichtung (32, 36) Labyrinthdichtungen aufweisen.







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