Die Erfindung betrifft ein Kreiselpumpenlaufrad gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Aus der GB-A 575 346 sowie der DE-C 1 249 693 sind einteilige Laufräder für Kreiselpumpen bekannt, welche im Gebiet kleinster spezifischer Drehzahl arbeiten. Diese Laufräder weisen das Merkmal auf, daß die eigentlichen Schaufelkanäle durch spanabhebende Werkzeuge erstellt werden, einen geradlinigen Verlauf aufweisen und über ihre gesamte Länge über einen konstanten kreisförmigen Querschnitt verfügen.Gegenüber den bekannten, einen sich diffusorförmig erweiternden Schaufelkanal aufweisenden Laufrädern weisen sie den Vorteil der einfachen Herstellbarkeit auf, verfügen aber über den Nachteil eines schlechten hydraulischen Wirkungsgrades.
Eine andere Lösung ist durch die SU-A 620 674 bekannt. Diese zeigt ein sogenanntes offenes Laufrad, bei dem der Schaufelkanal über seine gesamte Länge geöffnet bleibt. Sie stellt insofern eine Besonderheit dar, als daß es sich hier bei den Schaufelkanälen um geöffnete, mit einem Längsschlitz versehene, gebohrte Laufradkanäle handelt. Diese Lösung weist im Bereich des Druckstutzens eine gegenüber den Schaufelkanälen sehr starke Verengung des Austrittsbereiches auf, wodurch hohe Druckverluste entstehen. Der hydraulische Wirkungsgrad ist dadurch erheblich verschlechtert. Weiterhin ergibt sich durch das offene Rad ein höherer Axialschub zur Saugseite hin.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kreiselpumpenlaufrad für kleine Fördermengen und große Förderhöhen eine Steigerung der Druckziffer sowie eine Wirkungsgradverbesserung vorzusehen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung wird gegenüber herkömmlichen Kreiselpumpenlaufrädern mit geschlossenen Deckscheiben eine gravierende Steigerung der laufradtypischen Druckziffer erreicht. Infolge der im Laufradaustrittsbereich offen ausgebildeten Schaufelkanäle existiert ein Impulsaustausch zwischen der Flüssigkeit im Strömungskanal und der im Radseitenraum befindlichen Flüssigkeit. Dies bedingt einen Energiezuwachs, dessen Folge eine Vergrößerung der Förderhöhe sowie eine Erhöhung der Druckziffer ist. Im Gegensatz zu den Seitenkanalpumpen erfolgt hier eine deutliche Wirkungsgradverbesserung, da die bei Seitenkanalpumpen typischen Verlustformen nicht mehr auftreten können.
Durch die in den Ansprüchen 2 bis 4 beschriebenen Ausgestaltungen erfolgt ein schräges Anschneiden der jeweiligen Schaufelkanäle. Dies ermöglicht die verschiedenen Neigungsvariationen von Laufraddeckscheibe und/oder Schaufelkanälen. Dadurch ergibt sich eine allmähliche Öffnung der Schaufelkanäle, aufgrund derer eine günstige Beeinflussung der innerhalb der Schaufelkanäle strömenden Flüssigkeit möglich ist. Hierzu sieht eine weitere im Anspruch 5 beschriebene Ausgestaltung der Erfindung vor, daß der Abstand zwischen Laufraddeckscheibe und gegenüberliegender Gehäusewand maximal der Differenz zwischen am Laufradaustritt in Achsrichtung meßbarer Schaufelkanaltiefe und einer nach außen erfolgenden Verlängerung der Schaufelkanalwand am Laufradaußendurchmesser ermittelbaren Schaufelkanaltiefe entspricht. Die in den Ansprüchen 6 und 7 beschriebenen Ausgestaltungen haben die Form der Schaufelkanalöffnungen zum Gegenstand. Diese Formen ermöglichen eine störungsfreie Beeinflussung der innerhalb der Schaufelkanäle befindlichen Strömungen. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergeben sich relativ stabile Rennlinien bei ebenfalls gutem Saugverhalten. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß mit der erfindungsgemäßen Laufradgestaltung auf den üblicherweise bei Kreiselpumpenrädern vorherrschenden Saugmund bzw. dort angebrachten Drosselspalten verzichtet werden kann. Je nach Art der Herstellung der Schaufelkanäle, sei es nun durch spanabhebende Bearbeitung oder entsprechende gießtechnische Ausbildung können diese Laufräder auch bei einem Förderbereich bis 15 m³/h (n=2900 U/min) Anwendung finden.
Mit der im Anspruch 8 beschriebenen Ausgestaltung der sich von ihrem Beginn an zum Laufradaußendurchmesser hin stetig erweiternden Öffnungen der Schaufelkanäle wird ein weich einsetzender und zum Austritt hin langsam zunehmender Impulsaustausch ermöglicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
Das in Fig. 1 gezeigte Laufrad (1) weist eine Saugöffnung (2) auf, durch welche auch die Befestigungsmittel für die Verbindung mit einer - hier nicht dargestellten - Pumpenwelle eingebracht werden. Die saugseitige Laufraddeckscheibe (3) ist hier glattflächig ausgebildet und weist eine Neigung auf, welche im Bereich des Laufradaußendurchmessers (4) die Schaufelkanäle (5) schräg anschneidet. Bei dem hier gewählten Beispiel erstrecken sich die Schaufelkanäle (5) von der Laufradmitte radial nach außen. Die hier gewählte Form der Laufradkanäle (5) weist einen kreisförmigen Querschnitt auf; es sind jedoch auch andere Querschnittsformen denkbar. So können die Schaufelkanäle (5) beispielsweise durch von außen in das Laufrad eingebrachte Bohrungen hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, durch entsprechende Gießtechniken die Schaufelkanalformen zu erstellen. Desweiteren besteht die Möglichkeit, das Laufrad in einer die Drehachse schneidenden Ebene zu teilen und mittels spanabhebender Bearbeitung in die beiden Teilhälften die Schaufelkanalformen einzuarbeiten und anschließend die beiden Hälften zu einem einheitlichen Ganzen zusammenzufügen. Die hier gezeigten Schaufelkanalbohrungen (5) können ebenso gut auch in tangentialer Richtung verlaufen. Im Bereich des Laufradaußendurchmessers (4) verfügt jeder Schaufelkanal über eine sich nach außen erweiternde Öffnung (6). Desweiteren ist am Außendurchmesser die dort direkt meßbare Schaufelkanalbreite (b) eingezeichnet. Hierbei handelt es sich um die durch den schrägen Abschnitt verkleinerte Schaufelkanalbreite. Die ermittelbare Schaufelkanalbreite (b*), welche der unbeeinflußbaren Schaufelkanalbreite entspricht, ergibt sich, indem diejenige Schaufelkanalwand, welcher der die Öffnung (6) aufweisenden Deckscheibe am nächsten liegt, durch die Öffnung (6) nach außen hin verlängert wird. Wie die Fig. 4 zeigt, bildet der Schnittpunkt (z) dieser Verlängerung (x) mit der zylindrischen Ebene (y) des Laufradaußendurchmessers einen Grenzwert, während die diesem gegenüberliegende Schaufelkanalwand eine andere, die ermittelbare Schaufelkanalbreite (b*) einschließende Begrenzung bildet.
In der Fig. 2 ist eine Vorderansicht des Laufrades (1) gezeigt, der entnehmbar ist, wie die Schaufelkanäle innerhalb des Laufrades verlaufen. Entsprechend der gewählten Anzahl der Schaufelkanäle ergibt sich im Eintrittsbereich des Laufrades eine Überschneidung, erkennbar auch in Fig. 1, wodurch die Fördermenge des Laufrades beeinflußt werden kann. Bei einer geringen Anzahl von Schaufelkanälen und kleinen Schaufelkanalquerschnitten sowie einem geeigneten Laufradeintrittsdurchmesser, ist ein Laufrad herstellbar, dessen Schaufelkanäle (5) sich im Eintrittsbereich nicht überschneiden. Das hier beispielhaft gezeigte Laufrad (1) weist bei gegebenem Außendurchmeser (4) eine Anzahl und Form von Schaufelkanälen (5) auf, die bei dem hier gezeigten Laufradeintritt (2) eine Überschneidung der Schaufelkanäle im Eintritt zur Folge hat.
Je mehr Kanäle über den Umfang verteilt angeordnet sind, auf desto größerem Durchmesser liegen dann die eigentlichen Eintrittskanten der jeweiligen Schaufelkanäle. Durch entsprechende Variation der den Laufradeintritt bildenden Saugöffnung (2) kann ebenfalls die Fördermenge beeinflußt werden.
Die Öffnungen (6) weisen hierbei eine weite (w) auf, welche kleiner als die maximale weite der Schaufelkanäle (5) ausgebildet ist. Durch entsprechende Neigung der Schaufelkanäle oder der Deckscheibe läßt sich die Größe der weite (w) beeinflussen.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel, welches einem Schnitt von III-III von Fig. 2 entspricht, ist der Verlauf der geneigt angeordneten Schaufelkanäle (5) sowie die Neigung der Laufraddeckscheiben (3, 7) erkennbar. Die Schaufelkanäle sowie die Laufraddeckscheiben verlaufen in dem hier gewählten Beispiel geneigt gegenüber senkrecht auf der Drehachse (8) stehenden Ebenen (11, 12). Dabei ist im jeweiligen Wechsel der eine Schaufelkanal zur saugseitigen Deckscheibe (3) und der daneben verlaufende Schaufelkanal zur druckseitigen Deckscheibe (7) geneigt. Durch eine entsprechende Auswahl der Neigungswinkel der Schaufelkanäle und/oder der Deckscheibenneigungswinkel ergibt sich ein Anschnitt der Schaufelkanäle im Laufradaustrittsbereich. Somit ist in einfacher Weise eine Gestaltung der eigentlichen Schaufelkanalöffnung (6) möglich bzw. deren in Fig. 2 gezeigten Weite (w) möglich. In der rechten Bildhälfte ist weiterhin dargestellt, daß dem Laufrad auf der Saugseite die Gehäusewand (9) und auf der Druckseite die Gehäusewand (10) gegenüberliegen. Diese weisen hier zwar einen parallelen Verlauf zur jeweiligen Laufraddeckscheibe auf, dies ist jedoch keine zwingende Voraussetzung. Es sind auch unterschiedliche Neigungen denkbar.
Aus der Fig. 4 ist ersichtlich, daß im Bereich der Öffnungen (6) zwischen Laufraddeckscheibe (3) und saugseitiger Gehäusewand (9) ein Abstand (s) besteht, der kleiner ist als die Differenz (d) der am Laufradaußendurchmeser (4) meßbaren Schaufelkanalbreite (b) und der ermittelbaren Schaufelkanalbreite (b*). Für eine zuverlässige Wirkung der Öffnungen (6) darf der Abstand (s) maximal der Differenz (d) entsprechen. Ein größerer Wert würde nicht den notwendigen Effekt hervorbringen. Der in dem Ausführungsbeispiel verwendete Abstand (s) ist hier kleiner als die gezeigte Differenz (d).
Entsprechend dem gewählten Abstand (s) ist in einfacher Weise eine Beeinflussung der Pumpenkennlinie möglich.
Der Wert (b*) ist ermittelbar, indem die mit der Öffnung (6) versehene und dem Gehäuse nächstgelegene Schaufelkanalwand nach außen in Richtung Laufradaußendurchmesser (4) verlängert wird. Ausgehend von dem Schnittpunkt (z) zwischen Verlängerung (x) und der zylindrischen Ebene (y) des Laufradaußendurchmessers wird in den Schaufelkanal hinein die Schaufelkanalbreite (b*) ermittelt. Dies kann sowohl für die Saug- als auch für die Druckseite des Laufrades gelten.
Hierbei wird der Abstand (s) immer für eine Laufradseite ermittelt, also saug- oder druckseitig. Entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten können die Abstände (s) zwischen saugseitiger Gehäusewand und Laufraddeckscheibe bzw. zwischen druckseitiger Gehäusewand und Laufraddeckscheibe gleiche oder unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Falls die geöffneten Schaufelkanäle nur auf einer Laufradseite angebracht sind, dann entspricht der Abstand (s) maximal der Differenz (d). Bei einer beidseitigen Anbringung der geöffneten Schaufelkanäle würde sich der Abstand (s) entsprechend den auf der jeweiligen Laufradseite vorherrschenden Abmessungen orientieren.