CH655365A5 - Kreiselpumpe mit spiralgehaeuse und radialem oder halbaxialem laufrad. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Kreiselpumpe mit Spiralgehäuse und radialem oder halbaxialem Laufrad, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstantem Drall und radial konstanter Meridiangeschwindigkeit der Strömungswinkel (ßia) am äusseren Durchmesser des Laufradeintritts zwischen 10° und 17° liegt und der in Umfangsrichtung gemessene Schaufelwinkel über die ganze radiale Erstreckung am Laufradeintritt um 6° bis 8° grösser ausgeführt ist als der Strömungswinkel (ßia) und dass der Verlauf der Spiralgehäusefläche bis mindestens 351,5° des Umfanges nach dem Drallsatz (cu • r = konst.) ausgelegt ist, wobei die Querschnittsflächen des Spiralgehäuses um 10 bis 15% kleiner ausgeführt sind als entsprechende, reibungsfrei berechnete Querschnittsflächen.

Eine Erhöhung der Fördermenge von Kreiselpumpen kann erreicht werden durch eine Steigerung des Massendurchflusses und eine Erhöhung der Drehzahl. Beide Massnahmen führen aber zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und damit zu einer Steigerung der Kavitationsbeanspruchung. Durch die Implosion der Kavitationsblasen tritt eine Materialabtragung ein, die bei entsprechend hoher Geschwindigkeit und voll beanspruchter Saughöhe in kurzer Zeit zu einer Zerstörung der Laufradschaufeln und letztendlich zum Ausfall der Pumpe führt.

Zur Vermeidung solcher Kavitationsschäden werden vielfach kavitationsbeständigere Werkstoffe verwendet. Zur Verhinderung der Kavitation selbst können auch die Zulaufverhältnisse geändert werden. So kann die Saughöhe verringert oder die geodätische Zulaufhöhe vergrössert werden.

Hier bietet sich z.B. der Einbau einer Vorpumpe an. Die genannten Massnahmen führen jedoch sämtlich zu einem erhöhten baulichen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kavita-tionsverschleiss allein durch gestalterische Massnahmen an der Kreiselpumpe auf ein Minimum zu reduzieren, die Aufbietung zusätzlicher Mittel aber zu vermeiden. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches genannten Merkmale.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Diagramme über die Druckverteilung längs der Laufradschaufel bei unterschiedlichen Anströmwinkeln bzw. Stosswinkeln am Eintritt, die

Fig. 2 den relativen NPSH3»« und relativen wia-Verlauf in Abhängigkeit vom Strömungswinkel ßia für Q = konst. und n = konst., die

Fig. 3 ein Diagramm über den Druckverlauf am Umfang des Laufradaustritts bei drei relativ verschieden grossen Spiralquerschnitten, und die

Fig. 4 an vier Stellen am Umfang des Laufradaustritts gemessene, auf die drei relativ unterschiedlichen Spiralquerschnitte bezogene Einzelkennlinien.

Bei den bekannten Verfahren zur hydraulischen Auslegung von Laufrädern wird zur Vermeidung von Kavitation darauf geachtet, dass die Relativgeschwindigkeit längs der Stromfäden stetig abfällt und die Anströmung entlang der Schaufeleintrittskante geometrisch stossfrei erfolgt. Um minimale NPSH-Werte zu erreichen, werden optimale Schaufeleintrittswinkel vorgeschrieben und bestimmte Profilierungen der Eintrittskante angegeben. Bei der Berechnung der Spirale schwanken die Angaben in der Literatur beträchtlich. Theoretisch müssen die Spiralquerschnitte mit einem Reibungszuschlag berechnet werden. Dieser Zuschlag schwankt jedoch zwischen 0 und 100%. Angaben und theoretische Ableitungen für minimale NPSH-Werte bedeuten aber nicht schon, dass kein Kavitationsverschleiss mehr auftreten kann. Bei niedrigen NPSH-Werten wird nämlich die zulässige Saughöhe und damit der Unterdruck vor dem Laufrad entsprechend grösser. Es kann daher nicht Ziel der Erfindung sein, den NPSH-Wert zu verbessern, sondern bei dem der jeweiligen Eintrittsgeometrie zugehörigen NPSH-Wert zu gewährleisten, dass keine Kavitationserosion auftritt.

Es ist allgemein bekannt, dass der Hauptparameter für den Kavitationsverschleiss die Relativgeschwindigkeit wi ist. Ausserdem sind aufgrund praktischer Erprobung die Grenzgeschwindigkeiten für die verschiedenen Werkstoffe bekannt. Die örtliche Relativgeschwindigkeit wi ist aber nur zum Teil von der Eintrittsgeometrie und damit von der Umfangsgeschwindigkeit ui und der Meridiangeschwindigkeit Cmi abhängig. Vielmehr wird die Relativgeschwindigkeit von einer Anzahl weiterer Parameter überlagert:

Hier ist zunächst der Stosswinkel am Schaufeleintritt zu nennen.

Der Stosswinkel Aß wird definiert als die in Umfangsrichtung gemessene Differenz des Schaufelwinkels ßisch und des Strömungswinkels ßistrbei radial konstanter Meridiangeschwindigkeit Cm. Es ist also

Aßl = ßlSch ßlStr.

Ein positiver Stosswinkel +Aßi ergibt einen Eintrittsstoss zur Druckseite und ein negativer Stosswinkel —Aßi einen Eintrittsstoss zur Saugseite. Ein radiales oder halbaxiales Laufrad wird theoretisch und meist auch in der Praxis optimal geometrisch stossfrei, d.h. tangential zum Schaufelwinkel mit Aß = 0 angeströmt.

Es wurde aber nun gefunden, dass entgegen der Theorie das Kavitationsverhalten bei stossfreier Anströmung nicht optimal ist. In der Fig. 1 ist die Druckverteilung längs der Laufradschaufel eines radialen Laufrades sowohl auf der Druck- als auch auf der Saugseite dargestellt. Bei einem Stosswinkel von Aß = -3° zeichnet sich ein ausgeprägtes Unterdruckgebiet bis zu 70% der Schaufellänge ab. Bei tangentialem Eintritt Aß = 0° ist das Unterdruckgebiet zwar abgeschwächt, es nimmt aber immer noch 60% der Schaufellänge ein. Erst bei einem positiven Stosswinkel von Aßi = +8° verschwindet das Unterdruckgebiet bis auf einen kleinen Bereich am Schaufeleintritt. Nun gilt: Je grösser der Unterdruck desto kleiner der Abstand zum Dampfdruck. Je grösser das Unterdruckgebiet desto grossflächiger die Kavitationsangriffe. Aufgrund des erfindungsgemäss gewählten Schaufelwinkels wird die Laufschaufel, unabhängig von der praktisch üblichen relativen Schaufeldicke, mit einem Stoss in Richtung zur Druckseite von Aß = ßisch - ßistr = 6° bis 8° angeströmt.

Als weiterer Parameter ist der Strömungswinkel am Laufradeintritt zu berücksichtigen.

Der NPSH-Wert bei 3% Förderhöhenabfall erreicht ein Minimum bei einem Strömungswinkel ßia am Aussendurch-messer der Laufradeintrittsgrenzen in Umfangsrichtung von etwa 10°. Die Relativgeschwindigkeit wia am Aussendurch-messer des Laufradeintritts hat aber ihr Minimum bei einem ßia von etwa 35°. Bei vorgegebener Menge und Drehzahl, also Q = konst. und n = konst., sind NPSH:,', und wia im Bereich ßia = 10° bis 35° gegenläufig. Wie die Fig. 2 zeigt, ist bei minimalem NPSHs idie Relativgeschwindigkeit l,3mal grösser als Wia min. Bei minimaler Relativgeschwindigkeit ist nun der NPSH3*ü-Wert etwa 4,4mal grösser als NPSIfe min. Obwohl der Kavitationsverschleiss bei gleicher Schleppenlänge der Blasen um so schwächer wird je kleiner die Relativgeschwin2

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digkeit ist, ist jedoch leicht zu erkennen, dass bei dem starken Anstieg des NPSHb^-Wertes der Betrieb der Pumpe in vielen Fällen nur noch mit Zulauf, d.h. mit erhöhtem Bauaufwand möglich ist. Die Fig. 2 zeigt, dass der zwischen 10° und 17° liegende Bereich für ßiastr im Hinblick auf Saugverhalten und Kavitationsverschleiss nicht überschritten werden sollte.

Schliesslich übt noch die Gestaltung des Spiralgehäuses einen wesentlichen Einfluss auf das Kavitationsverhalten der Kreiselpumpe aus.

Die vorangegangenen Überlegungen hinsichtlich Strömungswinkel und Stosswinkel gelten nur bei einer symmetrischen Druckverteilung sowohl am Laufradeintritt als auch am Laufradaustritt. Eine hinter dem Laufrad erfolgende Störung, die im Diffusor oder in der Spirale auftreten kann, be-einflusst nicht nur die Strömung am Laufradaustritt, sie wirkt sich vielmehr bis zum Laufradeintritt aus. Ein symmetrischer, d.h. konstanter Druckverlauf am Laufradaustritt ist nur dann gegeben, wenn auch die Druckverteilung am Umfang der Spirale konstant ist. Nun wurde gefunden, dass mit den nach bekannten Theorien ausgelegten Spiralen kein konstanter Druck am Laufradaustritt erreicht werden kann. Die Fig. 3 zeigt, dass der Druckverlauf nur dann konstant ist, wenn die nach dem Drallsatz cu • r = konst. bestimmten Spiralquerschnitte um 10 bis 15% kleiner ausgeführt werden als reibungsfrei gerechnet. Es gilt also für

= 1,0:

,/opt

Asp ausgeführt AsP reibungsfrei

< 0,85 bis 0,9

g

Bei Spiralgehäusekreiselpumpen mit drallfreier Zuströ-mung wird

Hlh =

U2 • Cu2

Die Fig. 4 zeigt dies.

Ist nun der gemessene Druck der Einzelkennlinie kleiner als der der ebenfalls eingezeichneten Gesamtkennlinie, so muss Mitdrall (in Drehrichtung) und bei höherem-Druck s Gegendrall (entgegen Drehrichtung) vorhanden sein. In Fig. 4 erkennt man, dass für eine zu gross ausgelegte Spirale

(-

<!°pi

<1,0)

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Der der erfindungsgemässen Auslegung entsprechende Druckverlauf ist in der Fig. 3 mit der Ziffer 2 belegt.

Werden die Spiralquerschnitte grösser ausgeführt, so stellt sich der mit 1 bezeichnete Druckverlauf ein. Im Spornbereich von 0 bis 45° tritt ein starker Druckeinbruch auf und danach ein Druckanstieg bis zum Spiralende. Sind die Spiralquerschnitte zu klein ausgeführt, so ergibt sich, wie die Kurve 3 zeigt, von 0° bis 70° ein starker Druckanstieg und dann ein stetiger Druckabfall. Ein ungleicher Druck am Laufradumfang kann nun verschiedene Auswirkungen haben. Nach Euler gilt für die Förderhöhe allgemein

Ul • Cul U2 • Cu2

Hlh — 1

Ein Druckunterschied ist also nur möglich, wenn cU2 sich ändert, d.h. der Abströmwinkel oder die Minderleistung am Umfang unterschiedlich ist. Messungen zeigen aber, dass die geringfügig unterschiedlichen Cu2-Werte nur zu einem geringen Teil die Ursache für die Druckänderungen sind. Ist aber U2 • cU2 konst., so muss am Laufradeintritt ein Drall vorhanden sein, d.h. ui • Cui kann nicht 0 sein. In der Tat kann man messtechnisch nachweisen, dass am Eintritt ein unterschiedlicher, aber örtlich feststehender Drall über den Umfang vorhanden ist.

Legt man in Fig. 3 bei 45°, 135°, 225° und 315° (I, II, III und IV) Schnitte und zeichnet die Schnittpunkte über Q/QoPt auf, so erhält man vier örtlich gemessene Einzelkennlinien.

an der Stelle I (cp = 45°) ein starker Mitdrall am Laufradeintritt gegeben ist. Bei II ist noch ein geringer Mitdrall da und an den Stellen III und IV entsteht Gegendrall.

Bei Überlast, also zu enger Spirale, ist die Drallverteilung 15 gerade umgekehrt. Bei I und II Gegendrall und bei III und IV Mitdrall. Der unterschiedliche Drall bleibt - wie erwähnt -örtlich stehen, so dass eine Laufradschaufel abwechselnd mit grösserer und kleinerer Geschwindigkeit angeströmt wird. Jede örtliche Druckabsenkung bzw. Geschwindigkeitszu-20 nähme fördert die Bildung von Kavitationsblasen. Da die Blasenbildung aber auch nur in einem abgegrenzten Teil des Laufradeintritts auftreten kann, ist es möglich, dass ohne messbare Verschlechterung des NPSH3°.-Wertes Kavitationsverschleiss auftritt.

25 Bei zu grossen Spiralflächen nimmt die Fördermenge zu, die prozentualen Reibungsverluste aber werden kleiner, so dass trotz der unsymmetrischen Druckverteilung der Gesamtwirkungsgrad gleich oder geringfügig grösser werden kann. Dies führt dann in der Praxis dazu, dass man, um die Menge 30 zu steigern, die Spiralquerschnitte durch Zurückschneiden des Sporns örtlich vergrössert. Die Folgen sind Druckeinbrüche im Spornbereich, da die Spiralflächen nicht mehr dem Drallsatz folgen.

Voraussetzung für die Vermeidung von Kavitationsverschleiss sind also nicht nur um 10 bis 15% engere Spiralflächen als reibungsfrei gerechnet, sondern die Spiralflächen müssen über den ganzen Umfang von 360° dem Drallsatz folgen, d.h. es muss cu • r = konst. sein. Bei der üblichen Berechnung der Spirale, in der von einer unendlich dünnen Zunge ausgegangen wird, gilt dies für den Verlauf der Spiralgehäusefläche über den gesamten Umfang. In der Praxis macht allerdings die mit einer bestimmten Dicke ausgeführte Spiralzunge eine in ihrem Bereich erfolgende Korrektur der Spiralfläche nötig, so dass der Bereich von 360° nicht erreicht wird. Die Erfindung sieht jedoch vor, dass der Flächenverlauf mindestens über 351,5° vom Umfang nach dem Drallsatz ausgeführt ist. Dieser Wert wurde durch Versuche bestätigt.

Ist der Sporn dicker und damit die nicht nach dem Drall-so satz festgelegten Flächen über dem Umfang grösser als 8,5°, so besteht nicht nur die Gefahr des Kavitationsverschleisses an den Laufradschaufeln, sondern durch den örtlichen Druckeinbruch bildet sich ein Rückströmgebiet entlang der Deckscheibe, das zu Spaltkavitation am saugseitigen Spalt-55 ring führen kann. Der Einfluss wird dabei um so grösser, je kleiner die spezifische Drehzahl der Pumpe ist. Durch Untersuchungen wurde bestätigt, dass ein kavitationsfreier Betrieb nicht allein damit erzielt werden kann, dass das Laufrad optimal gestaltet und angeströmt wird. Sehr wichtig ist 60 auch die daran angepasste Spirale. Da die einzelnen Parameter je nach Schnelläufigkeit mehr oder weniger dominant sind, müssen alle Einflüsse, die zur Materialzerstörung führen könnten, zusammen ausgeschaltet werden.

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