Einschaufelrad für Kreiselpumpen

Gegenstand der Erfindung ist ein Einschaufelrad für Kreiselpumpen zur Förderung von mit festen Beimengungen durchsetzten Flüssigkeiten, insbesondere zur Förderung von Schmutzwasser mit langfaserigen Bestandteilen, wobei zwischen der vorderen und der hinteren Deckscheibe des Einschaufelrades und der Schaufel, deren Stärke sich über deren Erstreckung verändert, ein Kanal gebildet wird.

Der Konstrukteur eines vornehmlich in der Abwasserförderung zu verwendenden Einschaufelrades steht vor einer komplexen Aufgabenstellung. Er muß nicht nur das Einschaufelrad und dessen Kanal so gestalten, daß eine Anlagerung fester Bestandteile im Förderweg, vor allem aber eine dadurch hervorgerufene Verstopfung, mit Sicherheit vermieden werden. Er muß auch bedacht sein, die hierzu in einem gewissen Widerspruch stehende Forderung nach einer möglichst günstigen Massenverteilung des zwangsläufig unsymmetrisch gestalteten Einschaufelrades zu erfüllen. Und nicht zuletzt hat er einen hohen Energieumsatz in dem von ihm entwickelten Einschaufelrad anzustreben.

Die Erfüllung der genannten Forderungen wird beeinträchtigt durch verschiedenartige Probleme, die sich aus den Förderbedingungen und den Besonderheiten des Einschaufelrades ergeben und die sich in einer vielfach nicht vorhersehbaren Weise gegenseitig beeinflussen und überlagern können.

In der Mehrzahl aller Einsatzfälle werden Kreiselpumpen mit Einschaufelrädern mit einer konstanten Antriebsdrehzahl betrieben. Die Förderbedingungen einer solchen Kreiselpumpe sind normalerweise aber einer ständigen Änderung unterworfen. So schwankt beispielsweise die Zulaufhöhe zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert. Der Arbeitspunkt der Kreiselpumpe, also der Schnittpunkt zwischen der konstanten Pumpenkennlinie und der variablen Anlagenkennlinie, ist somit ebenfalls der Änderung unterworfen.

Mit der Verschiebung des Arbeitspunktes ist nun sowohl eine Änderung der relativen Schaufelzuströmgeschwindigkeit wie eine Änderung der relativen Anströmrichtung verbunden. Hieraus ergibt sich eine statische Druckverteilung längs der Schaufelkontur, die für die jeweilige Schaufelform spezifisch ist. Aus der Integration der Druckverteilung von der Schaufel¬ eintritts- bis zur Schaufelaustrittskante ergibt sich eine Schaufelkraft, die relativ zu einem ortsfesten Bezugspunkt als auslenkende Querkraft umläuft. Diese Querkraft, die auch als hydrodynamischer Auftrieb bezeichnet wird, bildet eine harmonisch wirkende Erregerkraft, die in einem schwingungs- fähigen System, also z . B. einer Anlage, große Probleme verursachen kann. Sie sollte daher möglichst klein gehalten werden.

Ein weiteres Problem der Einschaufel- oder Einkanalräder bildet die mechanische Unwucht, die aus der ungleichen Massenverteilung des Laufrades resultiert. Es läge nun nahe, die mechanische Unwucht zur Kompensation des hydrodynamischen Auftriebes einzusetzen, wobei die sich bei vektorieller Addition der beiden Kräfte ergebende Restkraft durch ein Zusatzgewicht ausgeglichen würde. Nun sind aber die mechanische Unwucht und die Fliehkräfte lastunabhängige Kräfte, während der hydrodynamische Auftrieb mit der Fördermenge auch den Angriffswinkel relativ zur Schaufel ändert. Daraus ergibt sich, daß sich eine Kompensation der

mechanischen Unwucht und der hydrodynamischen Kraft nur für einen Arbeitspunkt der Kreiselpumpe erreichen läßt.

Es besteht daher die Forderung, neben der hydrodynamischen Auftriebskraft auch die mechanische Unwucht des Einschaufelrades möglichst klein zu halten. Für die Schaufel gilt es eine geometrische Gestaltung anzustreben, deren hydrodynamischer Auftrieb keine Richtungsänderung innerhalb des Arbeitsbereiches erfährt. Bei einem Tragflügel würde man hier von einem druckpunktfesten Profil sprechen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Schaufelgestaltung ist die Optimierung des Kavitationsverhaltens der Kreiselpumpe. Durch früh kavitierende Einschaufelräder können aufgrund der systembedingten hydrodynamischen Unsymmetrie stationäre und instationäre Erregerkräfte freigesetzt werden, die in Form von Schwingungen auftreten und die den Betrieb der Kreiselpumpe gefährden.

Aus der Literatur sind verschiedene Beiträge bekannt, die sich mit dem Massenausgleich und der Verstopfungsgefahr eingehend beschäftigen. Es wurde dabei allerdings dem gegenseitigen Einfluß der verschiedenen auf das Laufrad wirkenden Kräfte weniger Beachtung geschenkt. Vor allem dem Einfluß der Kavitation wurde nicht die Bedeutung beigemessen, die ihm in Wirklichkeit zukommt.

So befaßt sich die US-PS 17 54 992 mit dem Problem des Ausgleichs der Massenunwucht an einem Einschaufel- bzw. Einkanalrad. Zur Bewältigung dieses Problems sieht die zitierte Patentschrift zwei Maßnahmen vor: Erstens besitzt die den Kanal bildende Schaufel eine über ihre Erstreckung stetig abnehmende Stärke, so daß, trotz der unsymmetrischen Massenverteilung, eine insgesamt relativ geringe Massenunwucht verursacht wird. Zweitens ist auf der Rückseite des Laufrades ein dem Massenausgleich dienendes Gegengewicht angeordnet. Als

mögliche dritte Maßnahme ist noch die Anordnung von Hohlräumen auf der Rückseite des Einschaufelrades vorgesehen, wobei der Anbringungsort zur Optimierung des Unwuchtausgleichs variiert werden kann.

Ausgehend von der Feststellung, daß auch die zur Förderung von festen Beimengungen besonders geeigneten Kanalräder unter ungünstigen Umständen weiterhin zur Verstopfung neigen, sann die Fachwelt auf eine Lösung des Problems. In der Annahme, daß Unregelmäßigkeiten in der Kanalführung und dadurch bedingtes ungleichmäßiges Fließverhalten zu Ablagerungen und zur Verstopfung führt, trachtete man nach einer möglichst gleichmäßigen Kanalführung.

Durch den Aufsatz "Pumpen regeln Wasserhaushalt" (VDI- Nachrichten Nr. 25/23. Juni 1965) wurde dann eine Laufradform für Abwasseranlagen vorgeschlagen, die zur Vermeidung einer akuten Verstopfungsgefahr mit einem glatten Durchgang ausgestattet war. Wesentlich für dieses Laufrad war im übrigen, daß der Querschnitt des Eintritts über die gesamte Kanallänge erhalten blieb.

Durch die US-PS 45 75 312 wurde ein ähnlich gestaltetes Laufrad bekannt, bei dem sich allerdings die Form des Kanalguerschnittes über den Verlauf veränderte. Dabei sollte aber die Querschnittsgröße gleichbleiben oder zum Auslaß hin leicht zunehmen. Da die im Querschnitt einem Rohrbogen ähnliche Kanalführung aber mit einer sehr dicken Schaufel erkauft werden mußte, sah die US-PS 45 75 312 die Möglichkeit vor, die Schaufel teilweise hohl auszubilden. Dies beseitigt allerdings noch nicht das Problem der Radunwucht, die ja nicht vollständig und für einen gesamten Drehzahlbereich ausgeglichen werden kann. Hier fällt vor allem die selbst bei einer teilweise ausgehöhlten Schaufel noch verhältnismäßig große Masse ins Gewicht. Im übrigen erfordert ein solches Laufrad einen erhöhten Aufwand bei der Herstellung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einschaufelrad der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei Erfüllung der Grundvoraussetzung der Verstopfungsfreiheit eine bezüglich der mechanischen Unwucht und des hydrodynamischen Auftriebes ausgewogene Gestaltung besitzt und die eine im Einlaufbereich des Einschaufelrades vorhandene Kavitation auf ein für den störungsfreien Betrieb unschädliches Minimum reduziert.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der an der Skelettlinie der Schaufel gemessene Schaufelwinkel vom Eintritt bis mindestens 90 Grad des Drehwinkels 0 Grad oder kleiner ist, während der Schaufelwinkel am Auslaß positiv ist.

Dieser Lösung liegt folgende Überlegung zugrunde:

In der Praxis ist davon auszugehen, daß erste Dampfblasen an der Schaufel dann entstehen, wenn der statische Druck der Strömung auf den Dampfdruck absinkt. Die durch die Schaufel erzeugte Druckdifferenz überlagert sich dem mittleren Druck der Zuströmung. Der sich im System einstellende Minimaldruck, der sich zwangsläufig im Bereich des Schaufelanfangs bildet, ist vom Niveau der mittleren Relativgeschwindigkeit und vor allem von der mittleren Dralländerung abhängig. Die mittlere Dralländerung wiederum wird bestimmt durch den Schaufelwinkel. Ein längs des Strömungsweges gleichbleibender oder abnehmender Schaufelwinkel, wie er in der Erfindung realisiert wird, hat eine kleine mittlere Dralländerung und damit einen weniger tief abgesenkten mittleren Druck zur Folge. Durch die erfindungsgemäße Formgebung der Schaufel wird also eine frühzeitige, intensive Blasenbildung verhindert. Die bei einem Abschwimmen und Implodieren der Blasen (Kavitation) negativ beeinflußte Laufruhe der Kreiselpumpe wird somit vermieden.

Die Unteransprüche nennen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäß gestaltetes Laufrad und in

Fig. 2 einen Radialschnitt durch das Laufrad der Fig. 1.

Das durch ein Gießverfahren hergestellte Einschaufelrad bildet zwischen einer vorderen Deckscheibe (1), einer hinteren Deckscheibe (2) und einer Schaufel (3) einen Kanal (4), dessen Querschnitt vom Einlauf (5) des Einschaufelrades zum Austritt (6) hin abnimmt.

Die mit einer Saugseite (7) und einer Druckseite (8) ausgestattete Schaufel (3) besitzt einen abgeflachten Schaufelkopf (9). Im Gegensatz zum herkömmlichen Schaufelkopf, der mit einem Abrunderadius von der halben Schaufeldicke versehen ist, ergibt sich an einem Schaufelkopf mit einem sehr großen Abrunderadius eine Staupunkt-Strömung, die eine abweisende Wirkung auf im Strömungsmedium enthaltene Feststoffe ausübt. Die Abflachung, die im Grenzfall einen unendlich großen Abrundradius besitzt, verhindert also das Anlagern langfaseriger Bestandteile.

Das Einschaufelrad ist so gestaltet, daß die Saugseite der Schaufel auf den ersten 180 Grad des Drehwinkels einen konzentrisch zur Drehachse des Einschaufelrades angeordneten Halbkreis bildet. Der Bedingung der Erfindung folgend, ist somit hier der an der Skelettlinie (10) der Schaufel (3) gemessene Schaufelwinkel ß vom Schaufelkopf (9), dem Eintritt (5) in das Laufrad, bis 180° des Drehwinkels kleiner als 0°,

während er am Austritt (6), also im Bereich des Schaufelendes (11), positiv ist.

Die Saugseite (7) der Schaufel (3) bildet auf den ersten 180° des Drehwinkels einen konzentrisch zur Drehachse des Einschaufelrades angeordneten Halbkreis mit dem Radius r.

Die Schaufel (3) besitzt eine zum Auslaß hin stetig abnehmende Dicke. Sie hat somit eine für das Unwuchtverhalten des Einschaufelrades günstige Massenverteilung. Dieser Vorteil läßt sich für das Einschaufelrad insgesamt feststellen, da es keine großen Materialanhäufungen, insbesondere im äußeren Umfangsbereich, besitzt.

Die Saugseite (7) und die Druckseite (8) der Schaufel (3) verlaufen, in der Meridiandarstellung gesehen, auf ihrer gesamten Erstreckung achsparallel, wobei sie mit einer Rundung in die Deckscheiben (1) und (2) übergehen. Der Radius einer solchen Rundung entspricht hier etwa einem Drittel der Breite des Kanals (4) am Austritt (6). Er kann bis zur Hälfte der Kanalbreite am Austritt (6) des Einschaufelrades betragen.

Das erfindungsgemäße Einschaufelrad verfügt über eine vergleichsweise unkomplizierte Gestalt. Es ist daher nicht nur leicht gießbar, es läßt sich auch in Blechbauweise herstellen, was vor allem zusätzliche Vorteile im bezug auf das Unwuchtverhalten mit sich bringt.