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Dokumentenidentifikation DE69620635T2 16.06.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000870111
Titel PUMPENLAUFRAD MIT GETRENNTEN, VERSETZTEN LEITSCHAUFELN
Anmelder Flowserve Management Co., Irving, Tex., US
Erfinder PATON, Alan, Nottinghamshire NG23 5AU, GB;
SCHIAVELLO, Bruno, Millburn, US;
RIGAMONTI, Giovanni, I-20030 Sevesco, IT
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69620635
Vertragsstaaten AT, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.12.1996
EP-Aktenzeichen 969444793
WO-Anmeldetag 23.12.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/US96/20248
WO-Veröffentlichungsnummer 0009723732
WO-Veröffentlichungsdatum 03.07.1997
EP-Offenlegungsdatum 14.10.1998
EP date of grant 10.04.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.06.2005
IPC-Hauptklasse F04D 29/22

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft ein Fluidlaufrad für eine Kreiselpumpe, insbesondere eine einstufige Kreiselpumpe mit zentraler Ansaugung mit einem offenen oder einem abgedeckten Laufrad für Anwendungen bei niedrigem Volumenstrom und großer Druckhöhe.

Es sind viele verschiedene Arten von Kreiselpumpen mit zentraler Ansaugung erhältlich, aber nicht viele sind speziell für geringe Volumenströme gestaltet, wo eine große Druckhöhe zusammen mit einer guten Effizienz, einer guten Ansaugleistung und einer hohen Pumpenzuverlässigkeit (oder einer geringen Wartungsbedürftigkeit) erwünscht ist. In den meisten Fällen wird eine Niedrigvolumenstromeinsatz mit einer Pumpe erfüllt, die für eine höheren Volumenstrom dimensioniert ist, als für die geplante Anwendung erforderlich. Dies stellt die erforderliche Pumpkapazität bereit, aber es bedeutet, dass die Pumpe außerhalb ihrer Auslegung arbeiten muss, wobei nicht nur Energie verschwendet wird, sondern auch die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung durch die in hohem Maße unstetigen hydraulischen Lasten aufgrund einer inneren Strömungstrennung erhöht ist. Ferner ist die Erzeugung einer großen Druckhöhe bei einem geringen Volumenstrom schwieriger, da unter Aufrechterhaltung vernünftiger Niveaus der hydraulischen Last sowohl für stetige als auch für unstetige Komponenten radialer und axialer Kräfte ein hoher Druckhöhenkoeffizient erzielt werden muss, um die Druckhöhe für einen gegebenen Laufraddurchmesser zu maximieren.

Die gebräuchlichste Pumpengestaltung weist ein Laufrad mit einer geringen Breite und einer geringen Schaufelanzahl auf, was zu einem Laufrad mit einem großen Durchmesser und zu einer großen/schweren Pumpe führt. Die Saugleistung in Relation zur Kavitation ist nur einigermaßen.

Einige für diesen Zweck gestaltete spezielle Pumpen weisen ein enges Auslassgehäuse mit einem geringen Durchmesser mit einem entsprechend schmalen Laufrad mit vielen Schaufeln und einem optimierten Durchmesser auf. Laufräder mit vielen Schaufeln für den Niedrigvolumenstromeinsatz weisen im allgemeinen keine Einlassbedingungen auf, die für die schlechte Anpassung des Schaufelwinkels an den Strömungswinkel und die Blockierung (oder den Verschluss) des Einlasses geeignet sind, welcher durch die Schaufeln selbst verursacht wird. Infolgedessen ist die Wahrscheinlichkeit für eine schlechte Kavitation erhöht, die mehrere negative Effekte nach sich zieht, nämlich: a) die Pumpe erzeugt einen deutlichen Abfall der Druckhöhe und der Effizienz, solange nicht durch starkes Anheben des Zufuhrbehälters ein hoher Ansaugdruck bereitgestellt wird (was die Installationskosten des Behälters erhöht), oder in dem die Drehzahl des Pumpenmotors verringert wird; b) die Pumpe ist aufgrund von Druckpulsationen, die durch große Dampfvolumina im Inneren der Pumpe erzeugt werden, einem in hohem Maße unstetigen Volumenstrom, sogar Stößen ausgesetzt, wodurch die Pumpenzuverlässigkeit verringert und die Wartungskosten erhöht werden; und c) das Laufrad kann neben anderen Pumpenkomponenten, wie z.B. dem Schleißring, den Ansaugschaufeln, der Strömungszunge oder den Diffuserschaufeln durch Kavitationserosion schnell beschädigt werden.

Die Kavitation, die zu einer Beschädigung und einem Effizienzverlust beiträgt, wird durch den Abfall der Druckhöhe des Hydraulikdrucks am Einlass des Laufrads unter den Dampfdruck des Betriebsfluids verursacht. Dies führt zur Bildung von Blasen und ihrem anschließenden Kollabieren an der Oberfläche des Laufrades. Das Kollabieren von Millionen derartiger Blasen, von denen jede einen Mikrostoß erzeugt, erodiert die Laufradoberfläche lokal und verursacht schließlich eine Bildung von Vertiefungen, eine Perforation und ein Versagen des Laufrades.

Die DE-A-8 32 548 zeigt ein Fluidlaufrad für eine Kreiselpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und umfasst eine Nabe mit einem inneren Ring von Schaufeln und einem äußeren Ring von Schaufeln, die durch einen von Laufradschaufeln freien mittleren Bereich getrennt sind. Die Schaufeln des inneren Rings (d) sind gekrümmt dargestellt.

Für eine Pumpe, die mit niedriger Kapazität und großer Druckhöhe arbeiten muss, ist es in hohem Maße wünschenswert, eine nahe an der Betriebskapazität liegende Auslegungskapazität zu haben, um all die mit einem außerhalb des Auslegungsbetriebes verbundenen negativen Effekte zu minimieren. Eine derartige Pumpe sollte für einen niedrigen Strömungskoeffizienten, einen hohen Druckhöhenkoeffizienten, eine hohe Effizienz und eine niedrige Nettoansaugdruckhöhe (NPSH, net positive suction head) optimiert sein. Dies legt die Verwendung eines geringen Laufraddurchmessers und einer großen Anzahl von Schaufeln mit einem steilen Schaufelwinkel und einer geringen Breite am Auslass des Flügelrades zusammen mit einer geringen Schaufelobstruktion (einer geringen Anzahl von Schaufeln) und einem kleinen Schaufelwinkel am Einlass nahe.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Fluidlaufrad für eine Kreiselpumpe bereitgestellt, wobei das Laufrad eine Nabe aufweist, die eine im wesentlichen scheibenähnliche Form mit einer ersten oberen Oberfläche und einer zweiten unteren Oberfläche, einen Mittelpunkt und einen Rand, eine Rotationsachse, Kreissymmetrie um die Achse hat, drehantreibbar ist, und eine erste Mehrzahl von Schaufeln, die im wesentlichen axial und senkrecht von der ersten oberen Oberfläche der Nabe vorstehen und sich radial nach außen von einem ersten inneren Ort um die Rotationsachse zu einem ersten äußeren Ort um die Rotationsachse erstrecken, sowie eine zweite Mehrzahl von Schaufeln aufweist, die von der ersten Mehrzahl von Schaufeln getrennt ist, wobei die zweite Mehrzahl von Schaufeln im wesentlichen axial und senkrecht von der ersten Oberfläche der Nabe vorsteht und sich radial nach außen von einem zweiten inneren Ort um die Rotationsachse zu einem zweiten äußeren Ort um die Rotationsachse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass jede der zweiten Mehrzahl von Schaufeln gekrümmt ist.

Die Erfindung erstreckt sich ebenso auf eine Kreiselpumpe mit einem Gehäuse, einem Saugeinlass, einem Auslass und einem Laufrad, wobei das Laufrad wie eben beschrieben ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese umgesetzt werden kann, wird nun beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:

1 eine schematische Vorderansicht ist, in der ein Querschnitt eines Kreiselpumpenlaufrades mit einer im wesentlichen scheibenähnlichen Nabe zusammen mit ersten und zweiten Mehrzahlen von Schaufeln dargestellt ist,

2 eine schematische Draufsicht des Flügelrades ist, in der eine offene, nicht abgedeckte Ausführungsform des Laufrades dargestellt ist, und

3 eine schematische Draufsicht des Laufrades ist, in der eine abgedeckte Ausführungsform dargestellt ist.

Die oben beschriebenen Konstruktionsprobleme werden durch Verwendung einer getrennten, versetzten Reihe gekrümmter Schaufeln am Einlass des Laufrades unter Beibehaltung eines Konzepts mit mehreren Schaufeln am Auslass gelöst, um einen höheren Auslassdruckhöhenkoeffizienten zu erzeugen. Somit sind die Schaufeleinlasswinkel optimiert und, durch die Wahl von weniger Einlassschaufeln, die Einlassobstruktion ist verringert. Die Fähigkeit der resultierenden Pumpe, bei niedrigen Ansaugdrücken zu arbeiten, ist somit verbessert und die große Druckauslasshöhenfähigkeit der Pumpe wird aufrechterhalten. Die Zeichnungen des Laufrades umfassen nicht das Pumpengehäuse mit seinem Sockel, seinen Einlass- und Auslassanschlüssen und seinen Drehantriebseinrichtungen. Diese sind von üblicher Konstruktion.

Die 1 und 2 sind schematische Darstellungen eines offenen Laufrades 100, in denen eine Querschnittsansicht (in Richtung der Pfeile 1-1 in 2) bzw. eine Draufsicht eines Laufrades für eine Fluidkreiselpumpe dargestellt ist, das getrennte, versetzte und gekrümmte Einlassschaufeln aufweist. Das Laufrad 100 weist eine scheibenähnliche Nabe 105 mit einer Kreissymmetrie, eine erste (obere) Oberfläche 101, eine zweite (untere) Oberfläche 102, eine Rotationsachse A-A und eine nichtzylindrische Bohrung 103 zur Aufnahme eines Drehantriebselements auf. Es ist zu beachten, dass die nichtzylindrische Bohrung 103 ebenso eine Welle sein kann, die von der zweiten Oberfläche der Nabe vorsteht, wie durch räumliche Beschränkungen und Konstruktionsüberlegungen für die Anwendung bestimmt wird.

Eine erste Mehrzahl von Schaufeln 110 erstreckt sich von einem im wesentlichen kreisförmigen Ort 210 nahe dem Mittelpunkt der Nabe nach außen zu einem anderen Ort 150 nahe dem Rand der Nabe und steht im wesentlichen axial und senkrecht von der ersten Oberfläche 101 der Nabe 105 vor. Das Laufrad 100 rotiert gemäß 2 im Gegenuhrzeigersinn und die Schaufeln 110 sind so angeordnet, dass die äußeren Enden den inneren Enden folgen, wenn sich das Laufrad 100 dreht. Dies führt zu einem Druckanstieg vom Mittelpunkt des Laufrades 100 zu dessen Rand. Es ist zu beachten, dass die Schaufeln 110 zur Vereinfachung der Darstellung mit einem im wesentlichen geraden radialen Aufbau gezeigt sind, sie können aber auch mit variierenden Graden an Krümmung gestaltet sein, wie durch die Anwendung vorgegeben wird. Darüber hinaus kann der Schaufelwinkel B2b (zu sehen in 2) am Außenrand des Laufrades von nahezu 0° (tangentiale Schaufel) bis 90° (radiale Schaufel) variieren.

Eine zweite Mehrzahl von Schaufeln 120, die ebenfalls im wesentlichen axial und senkrecht von der ersten Oberfläche 101 der Nabe 105 vorsteht, verläuft von einem anderen Ort 220 näher am Mittelpunkt der Nabe 105 zu dem Ort 210 in der Nähe des Mittelpunktes der Nabe 105. Diese Schaufeln 120 sind gekrümmt und von den Schaufeln 110 der ersten Mehrzahl von Schaufeln getrennt sind sind, da vorzugsweise weniger Schaufeln 120 vorhanden sind, zu den Schaufeln 110 versetzt. Es wäre möglich, die gleiche Anzahl von Schaufeln 120 zu haben, wie Schaufeln 110 vorhanden sind, aber es ist im allgemeinen bevorzugt, um den Einlassströmungspfad nicht über Gebühr zu beschränken (oder zu verschließen), weniger Einlassschaufeln 120 zu haben. Die Möglichkeit einer derartigen Beschränkung des Einlassströmungspfades ist ohne weiteres aus 2 ersichtlich, in der die Anzahl der Einlassschaufeln 120 nur ein Viertel der Anzahl der Pumpenschaufeln 110 beträgt.

Der Querschnitt in 1 verläuft entlang der Linie 1-1 in 2 und beide Figuren sind mit Buchstaben a, b, c, d und e beschriftet, um die in der Figur zu sehenden Teile der Pumpenschaufeln 110 zu bezeichnen. Die Buchstaben w, x, y und z kennzeichnen die in 1 sichtbaren Abschnitte der Einlassschaufeln 120. 2 zeigt ferner das Laufrad 100 mit einer Nabe 105 mit einem gezahnten Rand, der von dem Rand zwischen den Schaufeln 110 zurück verlagert ist, um die Zentrifugalbelastungen auf die Nabe zu verringern. Jedoch kann der Rand vollständig kreisförmig sein, wie es für bestimmte Anwendungen erforderlich sein kann.

3 zeigt ein Laufrad 200, wie in 2, außer das dieses abgedeckt ist. Die Abdeckung 180 ist mit einem inneren Rand 170 und einem äußeren Rand 190 und als die Schaufeln 110 überlagernd gezeigt, von denen eine Anzahl in der Figur mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Sie ist an den Schaufeln 110 befestigt (üblicherweise mit dem Laufrad gegossen) und kann, in Abhängigkeit von Gesamtkonstruktionsüberlegungen, ein größeres oder ein geringeres Ausmaß an Abdeckung der Schaufeln als das gezeigte aufweisen. Die Abdeckung 180 verringert das Hineinziehen von sich drehendem Fluid zwischen das Gehäuse und das Laufrad 200 während des Betriebs und verringert ferner den Lärm und den Verschleiß des Gehäuses und des Laufrades 200, die aufgrund von in dem gepumpten Fluid durch ein offenes Laufrad 100 induzierter Turbulenz auftreten würden. Die Abdeckung 180 kann die zweite Mehrzahl von Schaufeln abdecken, falls dies bei einigen Anwendungen erforderlich ist.

Im Betrieb arbeitet das Laufrad 100 oder 200 im wesentlichen auf dieselbe Art und Weise. Das Laufrad 100, 200 dreht sich, wie in den 2 und 3 gezeigt ist, im Gegenuhrzeigersinn in einem Pumpengehäuse (nicht gezeigt) und nimmt Arbeitsfluid von dem Gehäuseeinlass (nicht gezeigt) auf. Mit einer geeigneten Ausrichtung der Schaufeln kann sich das Laufrad selbstverständlich im Uhrzeigersinn drehen. Einlassschaufeln 120 setzen das Fluid zur wirksamen Erhöhung der lokalen Ansaugdruckhöhe vorab unter Druck und treiben das Fluid von dem Einlass nach außen zu den Pumpenschaufeln 110, die die Geschwindigkeit und den Druck des Fluids erhöhen und das Fluid mit dem gewünschten hohen Auslassdruckkoeffizienten zum Gehäuseauslass (nicht gezeigt) fördern. Durch das vorab unter Druck setzen des Fluids erhöhen die Einlassschaufeln 120 wirksam die Ansaugdruckhöhe, wodurch eine Beschädigung durch Kavitation und Pumpeneffizienzverluste verringert oder beseitigt werden. Dies erlaubt die Verwendung von geeignet dimensionierten Pumpen für jede Anwendung und führt zu Einsparungen durch den Betrieb von Pumpen innerhalb ihrer Konstruktionsparameter.


Anspruch[de]
  1. Fluidlaufrad (100) für eine Kreiselpumpe, wobei das Laufrad eine Nabe (105) aufweist, die eine im wesentlichen scheibenähnliche Form mit einer ersten oberen Oberfläche (101) und einer zweiten unteren Oberfläche (102) hat, einen Mittelpunkt und einen Rand, eine Rotationsachse, kreissymmetrisch um die Achse ist, drehantreibbar ist, und eine erste Mehrzahl von Schaufeln (110), die im wesentlichen axial und senkrecht von der ersten oberen Oberfläche (101) der Nabe vorstehen und sich radial nach außen von einem ersten inneren Ort um die Rotationsachse zu einem ersten äußeren Ort um die Rotationsachse erstrecken, sowie eine zweite Mehrzahl von Schaufeln (120) aufweist, die von der ersten Mehrzahl von Schaufeln (110) getrennt ist, wobei die zweite Mehrzahl von Schaufeln im wesentlichen axial und senkrecht von der ersten Oberfläche (101) der Nabe vorsteht und sich radial nach außen von einem zweiten inneren Ort um die Rotationsachse zu einem zweiten äußeren Ort um die Rotationsachse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass jede der zweiten Mehrzahl von Schaufeln (120) gekrümmt ist.
  2. Laufrad nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der zweiten Mehrzahl von Schaufeln (120) geringer ist als die Anzahl der ersten Mehrzahl von Schaufeln (110).
  3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, das ferner eine zu der ersten Oberfläche der Nabe (105) im wesentlichen parallele Abdeckung (180) umfasst, die zumindest die erste Mehrzahl von Schaufeln (110) bedeckt und an ihr befestigt ist.
  4. Laufrad nach Anspruch 3, wobei die Abdeckung darüber hinaus zumindest einen Abschnitt der zweiten Mehrzahl von Schaufeln (120) bedeckt.
  5. Laufrad nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Abdeckung einen gezahnten Rand aufweist.
  6. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Rand der Nabe (105) zwischen den Schaufeln der ersten Mehrzahl von Schaufeln (110) bis zu einem Durchmesser erstreckt, der geringer ist als sein Durchmesser unter den Schaufeln, um einen gezahnten Rand zu bilden.
  7. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Radius des ersten inneren Ortes im wesentlichen gleich dem Radius des zweiten äußeren Ortes ist.
  8. Laufrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der zweiten Mehrzahl von Schaufeln (120) um eine Längsmittellinie gekrümmt ist.
  9. Kreiselpumpe mit einem Gehäuse, das einen Saugeinlass, einen Auslass und ein Laufrad aufweist, wobei das Laufrad gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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