Axialpumpe

Die Erfindung betrifft eine Axialpumpe mit einem Laufrad für Betriebsbereiche bei theoretischen, spezifischen Drehzahlen größer als 500.

Für die Auslegung und Berechnung von Kreiselpumpen-Laufrädern bedient man sich im allgemeinen der sogenannten spezifischen Drehzahl n _q . Diese Drehzahl wird nach der ähnlichkeitsmechanik abgeleitet und ist die Drehzahl einer geometrisch ähnlichen, einstufigen, einflutigen Kreiselpumpe mit dem Förderstrom Q _q = Im ³ /h und der Förderhöhe Hq=Im. Insbesondere ist

wobei n die Nenndrehzahl in l/min ist; Q _opt ist der Förderstrom in m ³ /s und H _opt die Förderhöhe in m, beide bestimmt im Punkt des größten Wirkungsgrades der Pumpe. Die spezifische Drehzahl n _q ist eine für eine bestimmte Pumpe charakteristische Größe und legt im Regelfall hinsichtlich des besten Wirkungsgrades die optimale Form des Laufrades fest.

Einer spezifischen Drehzahl n _q lassen sich aber nicht nur bestimmte Laufradgeometrien zuordnen, sondern auch verschiedene Betriebseigenschaften, wie Kennlinienverlauf, Wirkungsgrad, Spaltverluste, Saugverhalten und hydraulische Kräfte. Dabei steigen mit sinkender spezifischer Drehzahl n _q vor allem die inneren Verluste, nämlich Radreibungs- und Spaltverluste. Die besten Wirkungsgrade erreicht man in Abhängigkeit vom Förderstrom Q in einem Bereich zwischen n _q von 40 bis 60 l/min.

Jenseits der Grenze von n _q = 400-500 l/min mit dem Einsatz von Propellern existiert derzeit keine geeignete hydraulische Laufradbauform. Es müßten für diese extremen Förderbedingungen, nämlich großen Förderströmen auf sehr geringen Förderhöhen, die im Regelfall unterhalb von 2 m liegen, unwirtschaftlich große Propeller mit extrem geringer Drehzahl eingesetzt werden. Bei Wahl einer technisch noch sinnvollen Nenndrehzahl ergibt sich unmittelbar aus Formel (1), daß für den Betriebspunkt trotzdem theoretische spezifische

Drehahlen erreicht werden, die weit über den eben angegebenen Werten liegen, so daß übliche Propellerbauarten weit im hydraulischen überlastbereich arbeiten müßte.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Axialpumpe so auszugestalten, daß sie auch bei geringen Förderhöhen in Richtung auf hohe Förderströme mit möglichst optimalem Wirkungsgrad ohne nachteilige Betriebseigenschaften arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch eine Axialpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfϊndungsgemäß ist vorgesehen, daß das Laufrad ein Schraubenpropellerlaufrad ist. Damit wird eine Kreiselpumpencharakteristik mit einer Verdrängerpumpencharakteristik kombiniert.

Vorteilhaft wird dabei das Schraubenpropellerlaufrad aus rein volumetrischen Gesichtspunkten für einen theoretischen, maximalen Förderstrom Qm _ax , _th nach der Formel

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wobei n die Nenndrehzahl und V _vo i das geometrische Volumen des Schraubenpropellerlaufrades ist, berechnet. Aufgrund dieser volumetrischen Auslegung kann somit unter Wahl einer definierten Geometrie und Drehzahl prinzipiell jeder hydraulisch sinnvolle, maximale Förderstrom erreicht werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt:

Figur 1 verschiedene Radformen für Laufräder optimiert für die jeweilige spezifische

Drehzahl n _q ;

Figur 2 eine qualitative Darstellung der Pumpenkennlinien für Förderhöhe H, Leistung

P und Wirkungsgrad η bei den Radformen nach Figur 1 ;

Figur 3 eine beispielhafte Darstellung der Kennlinien von Förderhöhe H, der Leistung

P bzw. des Wirkungsgrades η in Abhängigkeit vom Förderstrom bei einer Axialpumpe mit Propeller bzw. einer Axialpumpe nach der Erfindung;

Figur 4 Ansichten eines Schraubenpropellerlaufrades für eine Axialpumpe der vorliegenden Erfindung; und

Figur 5 eine Schnittansicht einer Axialpumpe mit Schraubenpropellerlaufrad.

Kreiselpumpen werden nach ihrer spezifischen Drehzahl in Gruppen eingeteilt:

n _q = 10-30 l/min Radialrad n _q =30-80 l/min Francisrad n _q =80-160 l/min Halbaxialrad n _q =l 60-500 l/min Propellerrad

Beispiele für spezifische Drehzahlen aus den jeweiligen Bereichen sind in Figur 1 dargestellt. Für jeden Einsatzfall von gewünschtem Förder ström bzw. gewünschter Förderhöhe kann man unter Wahl der Nenndrehzahl eine bestmögliche Hydraulik bezüglich Bauform und Wirkungsgrad einsetzen, wobei die Formel (1) verwendet wird.

Figur 2 zeigt für die spezifischen Drehzahlen der Laufrad-Bauformen aus Figur 1 jeweils charakteristische Kennlinienverläufe, wobei für jede Bauform Förderhöhe H, Leistung P und Wirkungsgrad η in Abhängigkeit vom Förderstrom Q aufgetragen sind. Man erkennt, daß sich entsprechend der spezifischen Drehzahl auch die Form der Pumpenkennlinie ändert, der Verlauf beispielsweise der Q-H-Kurve ändert von flachen Kennlinien für kleine spezifische Drehzahlen, also Radialräder, in sehr steile Verläufe für große spezifische Drehzahlen, also Propeller.

Beispiel 1

Der Betriebspunkt einer Axialpumpe soll bei Q = 4000 m ³ /h bei einer Förderhöhe H = 0.72 m liegen. üblicherweise würde nun, um eine physikalisch sinnvolle spezifische Drehzahl zu erhalten, die Nenndrehzahl der Pumpe auf etwa n = 300 l/min begrenzt, was für den Betriebspunkt einer spezifischen Drehzahl n _q = 405 l/min entspricht. Nach dem Cordier-

Diagramm ergäbe sich damit optimalerweise eine Propellerpumpe der Baugröße DN 800. Aus Kostengründen müssen allerdings oftmals kleine Baugrößen bei größerer Drehzahl und den damit verbundenen Nachteilen eingesetzt werden. Wenn die Nennweite auf DN 600 beschränkt und bei einer Drehzahl von n = 740 l/min gearbeitet würde, entspräche dies hier einer theoretischen spezifischen Drehzahl ri _q = 998 l/min. Ein Propeller üblicher Bauart n _q = 200-400 l/min würde somit weit im hydraulischen überlastbereich weitab vom Optimum mit stark ansteigenden NP SHA- Werten und hohen Strömungsgeschwindigkeiten mit der Gefahr von Kavitation und Schwingungen arbeiten.

Beispiel 2

Anstelle des Propellers soll nunmehr gemäß der vorliegenden Erfindung ein Scliraubenpropellerlaufrad eingesetzt werden, wieder der Baugröße DN 600 mit n = 520 l/min, was im Betriebspunkt einer theoretischen spezifischen Drehzahl ri _q = 701 l/min entspricht. Dabei wird das Schraubenpropellerlaufrad aus rein volumetrischen Gesichtspunkten für einen theoretischen maximalen Förderstrom berechnet, der sich aus der Formel (2) ergibt.

Zur weiteren Auslegung eines solchen Schraubenpropellerlaufrades wird die empirisch gefundene Beziehung

(3) H ₀ = n ₀ - u _o

verwendet. Dabei ist H ₀ die Nullförderhöhe, also die maximal erreichbare Förderhöhe bei Q=O m ³ /h, u _a ist die Umfangsgeschwindigkeit des Schraubenpropellerlaufrades am Außendurchmesser. Der Nulldruckkoeffizient n ₀ bestimmt somit die Steilheit der Kennlinie und damit die erreichbaren Förderhöhen bei Förderströmen Q < Q _max und ist abhängig von der Bauform des Schraubenpropellerlaufrades und des Pumpengehäuses und wird experimentell validiert.

Der volumetrische Wirkungsgrad η _v wird experimentell bestimmt. Er genügt der Formel

VV ßmax "" ßmax.r/i ' ⁷ Iv ^•

Ersetzt man in der Formel (4) den Faktor Q _{maXj th} durch die Formel (2), erhält man einen Zusammenhang zwischen gewählter Geometrie und gemessener Kennlinie des Schraubenpropellerlaufrades in verschiedenen Gehäusebauformen mit unterschiedlichen Spaltweiten. Die Kenntnis über die Werte von n ₀ und η _v bei gewählten Spaltweiten zwischen Schraubenpropellerlaufrad und Gehäuse sowie gewählter geometrischer Form und Beschaufelung sind, wie oben angesprochen, Gegenstand des Know-How der hier vorliegenden Erfindung.

Figur 3 zeigt beispielhaft Pumpenkennlinien für Axialpumpen mit Propeller einerseits und Axialpumpen mit Schraubenpropellerlaufrad andererseits. Man erkennt einen breiten Bereich optimaler Wirkungsgrade für Förderströme von etwa Q = 1000 bis 2600 m ³ /h beim Schraubenpropellerlaufrad. Hingegen ist beim Propeller ein ausgeprägter optimaler Förderstrom bei etwa Q = 2200 m ³ /h zu erkennen. Anhand der Kennlinie kann auch leicht festgestellt werden, daß etwa ab einem Förderstrom von Q = 2800 mVh und darüber sowohl die Förderhöhe H als auch der Wirkungsgrad η deutlich über den Werten für den Propeller liegen. Für Betriebspunkte in diesem Einsatzbereich, was einer theoretischen spezifischen Drehzahl n _q > 500 l/min entspricht, stellt das Schraubenpropellerlaufrad somit eindeutig die bessere Wahl dar. Der Propeller würde weit hinter seinem Optimum betrieben werden.

Es zeigt sich, daß das Schraubenpropellerlaufrad unabhängig von der Nennweite bei geringen Förderhöhen von weniger als 2 m einen besonders ruhigen Lauf hat. Aufgrund des Förderverhaltens, das eher einer Verdrängerpumpe ähnlich ist, zeigen sich auch durchaus akzeptable Wirkungsgrade in Richtung großer Förderströme. Der bei Propellerpumpen übliche instabile Kennlinienbereich wurde bei Schraubenpropellerlaufrädern nicht beobachtet.

Figur 4 zeigt eine Ansicht eines Schraubenpropellerlaufrades 10 mit drei Flügeln 12 von der Seite und von vorn. Das Schraubenpropellerlaufrad 10 schließt ein durch seine Bauform festgelegtes geometrisches Volumen V _vo i ein. Dieses bestimmt zusammen mit der Nenndrehzahl n den theoretischen maximalen Förderstrom der Axialpumpe, der nach der Formel (2) berechnet wird.

Figur 5 zeigt ein Schnittbild einer Axialpumpe 100, die mit einem Schraubenpropellerlaufrad 10 gemäß Figur 4 ausgestattet ist. Die Drehzahl der Axialpumpe 100 wird durch den Motor 20 bestimmt bzw. kann über eine entsprechende Steuereinheit eingestellt werden. Die geometrischen Abmessungen und Formgebungen des Schraubenpropellerlaufrads 10 können dem Bedarfsfall angepaßt werden. Auch die Gehäusebauform kann auf den jeweiligen Einsatzfall zugeschnitten werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.