DE10258922A1

DE10258922A1 - Saugkanal

Info

Publication number: DE10258922A1
Application number: DE10258922A
Authority: DE
Inventors: Stefan Bross; Peter Amann; Isabel Goltz
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB AG
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-07-01
Also published as: DK1573208T3; DE50312675D1; CN100507282C; US20050265866A1; SI1573208T1; EP1573208A1; CY1110708T1; WO2004055381A1; US7798772B2; CN1726347A; EP1573208B1; ATE466197T1; JP4312720B2; ZA200504431B; ES2344942T3; PT1573208E; JP2006509948A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, in deren Gehäuse ein oder mehrere Laufräder axialer oder halbaxialer, offener oder geschlossener Bauart angeordnet sind. Einem ersten Laufrad ist ein Saugkanal vorangestellt, in dessen Wandfläche mehrere über den Umfang verteilte und in Strömungsrichtung verlaufende Nuten angeordnet sind. In der Gehäusewand des Saugkanals ist zwischen einem Laufradeintritt des ersten Laufrades und den nächstgelegenen Enden der Nuten eine geschlossene ringförmige Wandfläche ausgebildet, wobei die Nuten ausschließlich mit dem Raum im Saugkanal in Wirkverbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, in deren Gehäuse ein oder mehrere Laufräder axialer oder halbaxialer, geschlossener oder offener Bauart angeordnet sind und einem ersten Laufrad ein Saugkanal vorangestellt ist, in dessen Wandfläche mehrere über den Umfang verteilte Nuten angeordnet sind.
Bei spezifisch schnellläufigen Pumpen ist häufig im Fördermengenbereich von 65–80 % des Auslegungsvolumenstromes ein signifikanter, lokal begrenzter Anstieg des zugehörigen NPSH-Verlaufes gegeben. Mitunter, je nach Pumpenbauart, kann der zugehörige Verlauf der Q-H Kennlinienverlauf zusätzlich eine Instabilität aufweisen, die allgemein als Kennlinienknick oder als Sattel bezeichnet wird.
Solche Kennlinienformen sind bedingt durch die Ausbildung des sogenannten Teillastwirbels, der bei einer Reduzierung des Volumenstromes im Außenbereich eines Laufradeintritts auftritt. Ein Teillastwirbel nimmt maßgeblichen Einfluss auf die Laufradzuströmung, die unter dessen Einwirkung eine Verblockung des meridionalen Strömungsquerschnitts und hohe Geschwindigkeitskomponenten in Laufraddrehrichtung (Gleichdrall) erfährt.

Durch die DE 25 58 840 C2 ist eine Lösung zur Vermeidung der Nachteile eines Teillastwirbels bekannt, wobei vor einem Laufradeintritt ein Diffusor angeordnet ist. Mittels dieser Lösung wird ein Teillastwirbel in seiner Wirkungsrichtung umgekehrt, bevor er vor dem Laufradeintritt angeordnete Bauteile erreichen kann und daran Zerstörungen verursacht.

Andere Maßnahmen zur Beeinflussung eines Teillastwirbels sind in der EP 1 069 315 A2 , insbesondere bei der Würdigung des Standes der Technik, beschrieben. Die Maßnahmen „Casing Treatment, Separator oder Active Control" erfordern entweder zusätzliche Aggregate in der Maschinenperipherie (Active Control), reduzieren den Wirkungsgrad auch im Bestpunkt der Maschine (Casing Treatment) oder sind mit erhöhtem konstruktiven Aufwand verbunden (Separator). Die Schrift selbst schlägt die Verwendung einer Vielzahl von „grooves" vor, die gemäß der Literaturstelle „An Improvement of Performance-Curve Instability in a Mixed-Flow Pump by J-Grooves", May 29-June 1, 2001, New Orleans, Louisana, FEDSM 2001-18077, Proceedings of 2001 ASME Fluids Engineering Division Summen Meeting (FEDSM'01), aufgrund ihres abgeknickten J-förmigen Verlaufes allgemein als J-Grooves bezeichnet werden.

Bei den J-Grooves handelt es sich um flache, in anderer Ausführung auch räumlich gekrümmt verlaufende Nuten, die im Pumpengehäuse in Strömungsrichtung vor und oberhalb der am Laufradeintritt offen auszubildenden Laufradbeschaufelung angebracht sind. Für die Funktionsfähigkeit der Nuten ist maßgeblich, daß sie den Außendurchmesser des Laufrades teilweise überdecken. Im Bereich der Laufradüberdeckung muß das Laufrad offen ausgebildet sein, um eine Verbindung zwischen einer mit höherem Druck versehenen Fluidzone im Bereich der offenen Laufradbeschaufelung und den darüber angeordneten Anfängen der J-Grooves zu erhalten. Durch diese konstruktive Maßnahme wird über die J-Grooves eine flüssigkeitsführende Verbindung zu der davor gelegenen Zuströmzone geschaffen. Durch die in Hauptströmungsrichtung angeordneten J-Grooves fördert die offene Laufradbeschaufelung permanent einen Teilstrom bereits geförderten Fluids vor das Laufrad und in den Bereich der Laufradzuströmung zurück. Diese J-Grooves haben den Nachteil, dass deren Rückförderung ständig über den gesamten Fahrbereich der Strömungsmaschine hinweg aktiv ist. Infolgedessen fällt der Spitzenwirkungsgrad einer damit ausgerüsteten Strömungsmaschine ab.

Ein weiterer Nachteil ist die Interaktion zwischen den freien Laufradschaufelspitzen und den gegenüberliegenden, gehäusefesten Nutteilen der J-Grooves, welche zu erhöhten Geräusch- und Schwingungserscheinungen führt. Deren Verminderung ist in der vorgenannten Literaturstelle, Seite 2, im Zusammenhang mit der 3 und deren zugehörigen Erklärung beschrieben. Dazu sind die oberhalb der freien Schaufelspitzen angeordneten Enden der J-Grooves durch eine umlaufende Ringnut miteinander verbunden. Über diese zusätzlich im Gehäuse anzubringende Ringnut erfolgt an den Stirnseiten der einzelnen J-Grooves ein Druckausgleich zwischen denselben. Und die Anordnung solcher räumlich gekrümmter J-Grooves, die sich vom Zulaufbereich mit konstantem Durchmesser in abknickender Weise in eine kegelförmige Gehäusewandfläche hinein erstrecken, erfordert einen hohen fertigungstechnischen Herstellungsaufwand. Diese Art einer Teillastwirbelbeeinflussung ist mit erheblichen Nachteilen verbunden.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei spezifisch schnellläufigen Kreiselpumpen mit Laufrädern halbaxialer oder axialer, offener oder geschlossener Bauart, eine einfache Möglichkeit zur Verbesserung des NPSH-Verhaltens und zur Verbesserung des Teillastverhaltens zu erreichen. Gleichzeitig soll das Problem gelöst werden, bei bereits im Einsatz befindlichen Kreiselpumpen in einfacher Weise eine nachträgliche Verbesserung vornehmen zu können, ohne dabei das Betriebsverhalten im normalen Fahrbereich der Kreiselpumpe in negativer Weise zu beeinflussen.

Die Lösung dieses Problems sieht vor, dass in der Gehäusewand des Saugkanals Nuten eingebracht sind und daß zwischen einem Laufradeintritt des ersten Laufrades und den nächst gelegenen Enden der Nuten eine geschlossene ringförmige Wandfläche ausgebildet ist, wobei die Nuten ausschließlich mit dem Saugkanal in Wirkverbindung stehen. Ein erstes Laufrad ist als Sauglaufrad ausgebildet. Die in der Gehäusewand des Saugkanals ausgebildete, geschlossene ringförmige Wandfläche ist zwischen den in Zuströmrichtung vor dem Laufradeintritt gelegenen Enden der Nuten und dem Lauf radeintritt des ersten Laufrades angeordnet. Ein solches Sauglaufrad kann eine spezifische Schnellläufigkeit nq ≥ 70 min^–1 aufweisen.

Durch diese Lösung bleibt der optimale Betriebspunkt einer Kreiselpumpe in unveränderter Weise bestehen und wird, ebenso wie die übrigen Betriebspunkte, in keiner Weise negativ beeinflußt. Ein im Teillastbetrieb sich ausbildender Teillastwirbel, auch großer Prärotationswirbel genannt, wird jedoch mit Hilfe der länglichen Vertiefungen geschwächt. Die länglichen Nuten bewirken eine mittels Reibung erfolgende Energieübertragung von dem wandnahen Bereich des Teillastwirbels auf viele kleine, sich in den Nuten ausbildenden Wirbeln. Durch diese nur im Teillastbetrieb auftretende Energieübertragung wird die Umfangskomponente und damit die Intensität des entstehenden Teillastwirbels drastisch reduziert und infolgedessen das Teillastverhalten der Kreiselpumpe verbessert. Da die Nuten ihre Energie dissipierende Wirkung nur im Zusammenwirken mit einem aus dem Laufrad austretenden Teillastwirbel entfalten, bleibt die Laufradzuströmung für die übrigen Betriebspunkte unbeeinflußt. Eine negative Auswirkung auf eine normale Laufradzuströmung findet nicht statt und damit ergibt sich auch keine negative Auswirkung auf den Wirkungsgradverlauf. Im Gegensatz zu den vorbekannten Lösungen in Form der J-Grooves erfolgt bei der Erfindung keine Vermischung einer vom Laufrad über die Nuten zurückgeförderten Strömung mit einer dem Laufrad zuströmenden Hauptströmung.

Durch die bewußte Vermeidung jeglicher Einspeisung energiereichen Mediums in die Nuten wird im Normalbetrieb eine Störung der Laufradzuströmung verhindert. Erst wenn vom Laufrad eine Störung in der Form des sich ausbildenden Teillastwirbels induziert wird, setzt gewissermaßen eine Wechselwirkung zwischen den Nuten und dem Teillastwirbel ein. Diese Wechselwirkung führt zu einer Selbstregulierung. Dabei wird die Energie des Teillastwirbels in den Nuten durch Bildung einer Vielzahl von kleinen Nutenwirbeln dissipiert, was eine erhebliche Schwächung des Teillastwirbels bedingt. Diese Funktion kann nur erreicht werden, wenn die im Saugkanal vor dem Laufrad befindli chen Nutenden durch eine ringförmige geschlossene Wandfläche von einer Zufuhr bereits geförderten Fluids zuverlässig abgeschnitten sind.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Nuten zwischen stegförmigen Ausbildungen der Gehäusewand des Saugkanals angeordnet sind. Bei denjenigen Anwendungsfällen, bei denen eine Bearbeitung eines Saugkanals nicht oder nur mit erheblichen Schwierigkeiten möglich ist, kann auch ein die Nuten oder Stege beinhaltender ringförmiger Einsatz in einen bestehenden Saugkanal einer Pumpe eingeschoben werden.

Ein solcher Einsatz ermöglicht eine einfache maschinelle Herstellung der Nuten und kann problemlos in die Saugkanäle neu herzustellender oder bereits ausgelieferter Pumpen eingebaut werden. Infolge der geringen, nur wenige Millimeter betragende Nuttiefen, die nur im Bereich der wandnahen Grenzschichten ausgebildet sind, ist ein solcherart gestalteter Einsatz in der Lage, auch nachträglich bei bereits ausgelieferten oder in Anlagen installierten Kreiselpumpen eine Verbesserung des Teillastverhalten zu erreichen. Dazu muß nur der, den Einsatz aufnehmende Saugkanal eventuell im Innendurchmesser geringfügig erweitert werden, um eine einsprechende Durchmessergröße eines genuteten Einsatzes aufnehmen zu können. Hier findet eine Art Baukasten Verwendung, um mittels einer geschickten Durchmesserabstufung bei einer Vielzahl von Pumpentypen eine Verwendung eines solchen Einsatzes zu ermöglichen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die geschlossene ringförmige Wandfläche eine von der Intensität eines Teillastwirbels abhängige axiale Erstreckung auf. Die Länge der axialen Fläche ist mindestens so groß, daß eine Interferenz zwischen den Laufradschaufeln am Laufradeintritt und den davor angeordneten Nutenden mit Sicherheit unterdrückt wird. Somit wird die Entstehung von störenden Geräuschen und Schwingungen in einfachster Weise verhindert. Auf der anderen Seite ist die Länge der axialen Ringfläche nicht größer gewählt, als sie der Erstreckung des sich langsam bildenden, noch unschädlichen Teillastwirbels entspricht. Erst wenn der sich ausbildende Teillastwirbel eine größere Intensität erhält, ist es möglich, daß dessen sogenannte Ablöselinie sich vom Laufrad löst und die geschlossene ringförmige Wandfläche überspringt. Als Folge davon tritt der Teillastwirbel vollständig aus dem Laufrad aus. Er ist dabei gegen die Zuströmung gerichtet und rotiert in Laufraddrehrichtung um die Maschinenachse. Infolge der tangentialen Überströmung der Vertiefungen und der Entstehung vieler kleiner Wirbel in den Vertiefungen wird ein Großteil der im Teillastwirbel befindlichen Energie dissipiert und die Wirkung des Teillastwirbel drastisch abgeschwächt.

Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung weist die geschlossene ringförmige Wandfläche eine von der Intensität eines Teillastwirbels abhängige axiale Erstreckung in der Größenordnung von 0,005–0,02 mal Laufradeintrittsdurchmesser auf. Und die Längen der Nuten oder Stege liegen in der Größenordnung von 0,03–0,5 mal Laufradeintrittsdurchmesser. Dabei liegen die Tiefen der Nuten oder die Höhen der Stege in der Größenordnung von 0,005–0,02 mal Laufradeintrittsdurchmesser.

Und nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung entspricht das Produkt aus Nutbreite b mal Nutanzahl n einem Verhältnis von n·b = 0.45 – 0.65·π·D
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
1 NPSH-Kurven gattungsgemäßer Kreiselpumpen, die mit und ohne Nuten ausgestattet sind, die
2 eine Strömungsdarstellung eines Rückströmgebietes an einer Axialpumpe mit offenem Laufrad im Normalbetrieb, die
3 eine Strömungsdarstellung an einer Halbaxial- und Axialpumpe mit ge schlossenen Laufrad und im Normalbetrieb, die
4 eine Strömungsdarstellung eines Teillastwirbels an einer Axialpumpe im Teillastbetrieb, die
5 verschiedene Geschwindigkeitsdreiecke in einem Zylinderschnitt einer Axialmaschine beim Austreten des Teillastwirbels aus dem Laufrad, die
6 anhand eines Zylinderschnittes die Strömungsverläufe eines Teillastwirbels in den Nuten, die
7 eine Darstellung der Strömung in den Nuten und die
8 + 9 Q-H- und NPSH- Kurven mit verbesserter Charakteristik.
1 zeigt in einem Diagramm beispielhaft und mit strichpunktierter Linie eine typische NPSH-Kurve von Kreiselpumpen mit schnellläufigen Laufrädern axialer oder halbaxialer Bauart. Auf der Abszisse sind die Werte für die Fördermenge Q und auf der Ordinate sind die Werte für das NPSH aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß im Betriebspunkt Q_Opt, dem Bestpunkt der Fördermenge, das NPSH einen geringen Wert aufweist. Im Teillastbetrieb dagegen ist der NPSH-Verlauf durch einen lokalen Anstieg, die sogenannte NPSH-Spitze, gekennzeichnet, die bei vorgegebenem, gestrichelt dargestellten, maximal zulässigen NPSH_A-Wert einer zugehörigen Anlage den Betriebsbereich bei Q_min einschränkt. Ein Betrieb unterhalb dieses Betriebspunktes ist nicht zulässig, da andernfalls kavitationsbedingte Zustände innerhalb der Pumpe auftreten, die einen Dauerbetrieb nicht zulassen.
In dem Diagramm ist mit durchgezogener Linie eine weitere NPSH-Kurve eingezeichnet, die einer Kreiselpumpe mit gleichen Betriebspunkten entspricht, in deren Saugkanal aber zusätzlich erfindungsgemäß angeordnete Nuten angebracht sind. Der für eine solcherart gestaltete Kreiselpumpe ermittelte Kurvenverlauf verdeutlicht in überzeugender Weise die wesentlich günstigeren NPSH Eigenschaften. Der für einen Teillastbetrieb typische lokale NPSH Anstieg ist zwar immer noch gegeben, er befindet sich aber gegenüber einer Pumpe ohne Nuten auf einem deutlich niedrigeren Niveau. Eine solcherart verbesserte Pumpe verfügt über einen wesentlich erweiterten Betriebsbereich.
Die 2 zeigt im Bestpunkt Q_Opt einer Kreiselpumpe 1 die bestehenden Strömungsverhältnisse am Beispiel eines offenen Axialrades. Ein Laufrad 2 dreht sich in einem Gehäuse 3. Während der Drehbewegung des Laufrades 2 bildet sich zwischen dem Gehäuse 3 und den freien Schaufelspitzen 4 des Laufrades 2 ein mit dem Laufrad umlaufendes Rückströmgebiet R in Form einer schwachen Wirbelströmung aus. Diese Rückströmung R ist bedingt durch den Druckaustausch zwischen den Strömungsgebieten benachbarter Schaufelkanäle und dem im Bereich von freien Schaufelspitzen 4 erfolgenden Druckausgleich zwischen Saug- und Druckseite von Schaufeln 5. Ein solches mit dem Laufrad 2 rotierendes Rückströmgebiet R beansprucht etwa eine Zone, welche einer Schaufelbreite B entspricht.
Dieses Rückströmgebiet R weist entlang der Gehäusewand 6 eine durch Pfeile dargestellte Strömungsrichtung auf, die entgegengesetzt zur Laufradanströmung LA verläuft. An derjenigen Stelle, an der das Rückströmgebiet R seine Strömungsrichtung umkehrt, ist eine sogenannte Ablöselinie SL eingezeichnet. Hierbei handelt es sich gewissermaßen um eine Grenzlinie, welche am Umfang der Gehäusewand 6 verläuft. Im Bereich dieser Linie SL ist die Energie der Laufradanströmung LA größer als die Energie des Rückströmgebietes R und dadurch dessen Strömungsumkehr bedingt. Bei Pumpen mit offenen halbaxialen oder axialen Laufrädern existiert ein solches Rückströmgebiet R über den gesamten Betriebsbereich und ist auch im Bereich des Punktes besten Wirkungsgrades vorhanden.
Gemäß 3 existiert ein gleichartiges Rückströmgebiet bei zwei verschiedenen Bauarten von geschlossenen Laufrädern. Die obere Darstellung der 3 zeigt die Verhält nisse bei einer halbaxialen Pumpenkonstruktion, während in der unteren Darstellung die Verhältnisse bei einer Axialpumpe gezeigt sind. Bei diesen Laufrädern vermeidet eine sogenannte Deckscheibe 7 einen Energieaustausch über die Schaufelspitzen 4 und zwischen Saug- und Druckseite einer Laufradschaufel 5. Dafür existiert bei solchen Laufrädern 2 eine geringe Spaltströmung LF zwischen der Gehäusewand 6 und der Deckscheibe 7, für die der Druckunterschied vor und hinter dem Laufrad verantwortlich ist. Durch entsprechend geringe Spaltspiele zwischen Deckscheibe 7 und Gehäusewand 6 werden solche Leckverluste gravierend reduziert.
Die 4 zeigt am Beispiel eines offenen Laufrades 2 die im Teillastbetrieb sich einstellende Ausbildung eines Teillastwirbels PLV. Dies und die folgenden Ausführungen gelten ebenso für ein Laufrad in geschlossener Bauart. Ein solcher mit dem Laufrad rotierender Teillastwirbel PLV tritt im Bereich des Laufradaußendurchmessers D an den Laufradeintrittskanten 8 und entgegen der Laufradanströmung LA aus dem Laufrad 2 heraus und strömt in den Saugkanal 9 zurück. Bei der Entstehung des rotierenden Teillastwirbels PLV kommt es zu einer starken, instationären Wechselwirkung zwischen der Laufradzuströmung und der Schaufelumströmung, die sich insbesondere durch einen abrupten Anstieg der NPSH-Werte äußert. Die Stärke dieses Anstiegs ist von der Intensität des sich ausbildenden Teillastwirbels abhängig. Die in der 4 eingekreisten Positionen X und Y sind Einzelheiten und dienen der Darstellung der Geschwindigkeitsdreiecke von 5. Eine Vielzahl von Nuten 10 sind über den Umfang verteilt und vor dem Laufrad 2 in der Wandfläche 6 des Saugkanals 9 angeordnet.
5 zeigt die Geschwindigkeitsverhältnisse eines ausgebildeten Teillastwirbels PLV an den Stellen X und Y von 4. Die Stelle X zeigt die Geschwindigkeitsverhältnisse im wandnahen Bereich des aus dem Laufrad 2 austretenden Teillastwirbels PLV und die Stelle Y die Verhältnisse im wandfernen, wieder in das Laufrad 2 eintretenden Teillastwirbels PLV. Für die Darstellung werden die Geschwindigkeitsdreiecke an den Stellen X und Y gezeichnet, welche sich zusammensetzen aus den Richtungs- und Grö ßenpfeilen für die Absolutgeschwindigkeit c, die Relativgeschwindigkeit w und die Umfangsgeschwindigkeit u.
An der Stelle X ergibt sich die Absolutgeschwindigkeit c_x aus der wandnahen Umfangsgeschwindigkeit u_x einer Schaufel 5 und aus der aus dem Laufrad austretenden, rückströmenden Relativgeschwindigkeit w_x des Teillastwirbels PLV und ist durch eine hohe Umfangskomponente c_ux gekennzeichnet. Die Pfeile mit der Geschwindigkeitsangabe c_∞ symbolisieren dagegen innerhalb des Saugkanals 9 die ungestörte Zuströmung zum Laufrad mit den hier im Schnitt gezeichneten und ein Profil aufweisenden Schaufeln 5.
Analog dazu ist bei y ein Geschwindigkeitsdreieck gezeichnet, welches an der Stelle y im Bereich der Eintrittsstelle des Teillastwirbels PLV in das Laufrad 2 gegeben ist. Da die Eintrittsstelle y auf einem kleineren Durchmesser liegt, ist die Umfangsgeschwindigkeit u_y entsprechend geringer. Und infolge des in seiner Energie geschwächten Teillastwirbels PLV ist auch dessen Absolutgeschwindigkeit c_y entsprechend geringer, woraus sich eine Relativgeschwindigkeit w_y ergibt, die in diesem Beispiel gewissermaßen um 90° versetzt zur Relativgeschwindigkeit w_x eines austretenden Stromfadens des Teillastwirbels PLV verläuft.
Ursächlich für die Schwächung des Teillastwirbels PLV ist insbesondere die Umfangskomponente c_ux, die zu einer tangentialen Überströmung der achsparallelen Nuten 10 führt, wie sie in 4 und in 6, der Draufsicht auf eine Abwicklung der Gehäusewand 6, gezeigt sind. An dieser Wandfläche der Gehäusewand 6 laufen die äußeren Schaufelenden 4 permanent vorbei. In der Gehäusewand 6 sind mehrere, über den Umfang verteilt angeordnete Nuten 10 angebracht, die in Richtung der Laufradzuströmung c_∞ verlaufen. Von den in Zuströmrichtung verlaufenden und in der Wandfläche 6 des Saugkanals 9 angeordneten Nuten 10 sind deren Nutenden 11 mit Abstand vor der Schaufeleintrittskante 8 am Außendurchmesser D des Laufrades 2 angeordnet. Der Anfang dieser in Zuströmrichtung verlaufenden beziehungsweise achsparallelen Nuten 10 ist hier nicht gezeigt, da die Länge der Nuten 10 in Abhängigkeit von den Förder mengen und der Laufradbauform gewählt wird. Die Längen dieser Nuten 10 bewegen sich in der Größenordnung von 0,03–0,5 mal Laufradeintrittsdurchmesser. Im Normalbetrieb strömt ein zuströmendes Fluid durch die Nuten 10 hindurch ohne dabei das Betriebsverhalten der Kreiselpumpe negativ zu beeinflussen.
Weiterhin sind in 6 in gestrichelter Darstellung verschiedene Ablöselinien SL₁, SL₂ und SL₃ gezeigt. Die Ablöselinien SL₁, SL₂ zeigen die saugseitigen Grenzen eines sich ausbildenden Rückströmgebietes R bei unterschiedlichen Betriebszuständen. Im Bereich des Bestpunktes Q_opt liegt die Ablöselinie SL₁ innerhalb der Breite der Laufradschaufeln 5 und wandert mit zunehmendem Teillastbetrieb vor die Laufrad- oder Schaufeleintrittskante 8 bis zur Ablöselinie SL₂. Im Normalbetrieb verbleibt die Lage dieser Ablöselinie SL₂ immer vor dem Laufrad 2 im Bereich einer geschlossenen ringförmigen Wandfläche 12. Durch diese Wandfläche 12 ist sichergestellt, daß das aus dem Gebiet R rückströmende Fluidmaterial nicht in die Nuten 10 eintreten kann. Die entgegen der Laufrad-Zuströmrichtung LA betrachtete Länge L der vor dem Laufradeintritt und bis zu den Nutenden 11 reichenden Wandfläche 12 liegt in einer Größenordnung, die den Verhältnissen von 0.005–0.02 × Laufradeintrittsdurchmesser entspricht. In dem hier verwendeten Beispiel eines Axialrades entspricht der Laufradeintrittsdurchmesser gewöhnlich dem Laufradaußendurchmesser D. Bei einem Halbaxialrad ist er entsprechend kleiner. Und bei einem geschlossenen Laufrad entspricht er dem Durchmesser bis zum Innendurchmesser einer Deckscheibe 7.
Erst bei einer Ausbildung des Teillastwirbels PLV überspringt die Ablöselinie SL₂ die geschlossene ringförmige Wandfläche 12 und erreicht die mit Nuten 10 versehene Wandfläche 6. Die Grenze einer sich dann einstellenden axialen Ausdehnung des Teillastwirbels PLV ist durch die Ablöselinie SL₃ dargestellt.
Erreicht also der Teillastwirbel PLV eine entsprechend große Energie, überspringt er die vor dem Laufrad befindliche ringförmige, geschlossene Wandfläche 12 und strömt in den Saugkanal 9 zurück. Infolge der überwiegend in Umfangsrichtung verlaufenden Absolutgeschwindigkeitskomponente c_ux strömt der im Saugkanal 9 ausgebildete Teillastwirbel PLV vornehmlich tangential über die Nuten 10 hinweg. Dabei wird seine Drallenergie in vielen kleinen Wirbeln dissipiert, die sich innerhalb der Nuten 10 ausbilden. Dies führt beim Teillastwirbel PLV zu einem Entzug an Geschwindigkeitsenergie, so daß der Teillastwirbel PLV insgesamt schwächer und in seiner axialen und radialen Ausdehnung erheblich reduziert wird. Er erstreckt sich daher nur bis zur Ablöselinie SL₃, bei der eine Strömungsumkehr des Teillastwirbels PLV erfolgt. Durch die gleichzeitig bedingte Reduzierung der Drallkomponente des Teillastwirbels wird auch, neben der Verminderung des NPSH-Anstieges, auch die Kennlinienstabilität der Kreiselpumpe bei Teillast entscheidend verbessert. Die Funktionsweise der Nuten 10 basiert damit auf einer Energieübertragung mittels Reibung von einem großen Prärotationswirbel in Form des Teillastwirbels PLV auf viele kleine Wirbel, die sich jeweils in den Nuten 10 befinden.
In der 7, einem Schnitt gemäß der Linie A – A von 6, ist innerhalb der Nuten 10 die Entstehung vieler kleiner Energie dissipierender Wirbelsysteme 13 dargestellt. Ursächlich für die vielen kleinen Wirbelsysteme 13 ist die Umfangskomponente c_ux der Teillastwirbelströmung, die tangential zur Nutrichtung verläuft.
In den einander zugeordneten Diagrammen der 8 und 9 ist eine Gegenüberstellung gezeigt. Bei der Darstellung der 8 entspricht der strichpunktiert gezeichnete Kurvenverlauf der Q-H-Kennlinie einer Kreiselpumpe ohne Nuten im Saugkanal. Ab dem gekennzeichneten Betriebspunkt Q_PLV weist die Q-H-Kurve einen deutlichen Knick in der Kennlinie auf. Die Förderhöhe nimmt dabei zu kleineren Mengen hin ab. Ursächlich dafür ist die Wirkung eines sich ausbildenden Teillastwirbels PLV. Dagegen weist die durchgezogene dargestellte Q-H-Kennlinie einen steigenden Verlauf ohne Kennlinienkick auf. Dies ist die Kennlinie einer Kreiselpumpe, deren Saugkanal mit im Abstand vor dem Laufrad endenden Kanälen oder Nuten 10 versehen ist. Der strichpunktierte Kurvenverlauf mit dem Kennlinienknick ist bedingt durch die Ausbildung eines Teillastwirbels und den dadurch bewirkten Beeinträchtigungen der Laufradzuströmung.
Demgegenüber stellte sich bei der gleichen Pumpe ein durchgezogen gezeichneter Kennlinienverlauf ein, wenn vor dem Sauglaufrad in der Wandfläche 6 des Saugkanals 9 eine entsprechende Anbringung von Nuten 10 erfolgte. Die übereinstimmenden Kurvenverläufe im normalen Betriebsbereich rechts von Q_PLV belegen in überzeugender Weise die Wirkungsweise der Nuten beim Normalbetrieb.
In der unterhalb von 8 angeordneten 9 sind in die zugehörigen NPSH-Kurven gezeichnet. Der strichpunktiert dargestellte NPSH-Verlauf entspricht einer Pumpe, in deren Saugkanal 9 keine Nuten angeordnet sind. Demgegenüber zeigt der durchgezogene Kennlinienverlauf eine Pumpe, in deren Saugkanal 9 mehrere Nuten 10 angeordnet sind. Bedingt durch den von den Nuten 10 in seiner Wirkung stark reduzierten Teillastwirbel PLV wird das NPSH-Verhalten einer solchen Pumpe entscheidend verbessert. Dieser NPSH-Verlauf überschreitet den vorgegebenen Anlagenwert NPSH_A nicht mehr und stellt damit keine NPSH-bedingte Betriebsgrenze Q_min mehr da. Durch die Art der Energiereduzierung des Teillastwirbels PLV und der dadurch reduzierten instationären Wechselwirkung ergeben sich, insbesondere im Betriebsbereich um PLV, verbesserte Strömungsverhältnisse, in deren Folge das NPSH – Verhalten verbessert und eine Pumpenkennlinie stabilisiert wird.
Es ist somit der Verdienst der Erfinder, erkannt zu haben, daß eine mit Abstand vor dem Laufrad in der Gehäusewand der Saugöffnung/Zulauföffnung angeordnete Profilierung in Form von Nuten ausschließlich auf einen im Teillastbetrieb aus dem Laufrad austretenden Teillastwirbel bremsend einwirkt. Als zusätzlicher überraschender Effekt hat sich ein unverändertes Geräuschverhalten der Kreiselpumpe ergeben. Bereits ausgelieferte und in Anlagen eingebaute Pumpen können damit problemlos umgerüstet werden, da deren Geräuschverhalten auf deren bisherigen Niveau verbleibt.

Claims

Kreiselpumpe, in deren Gehäuse ein oder mehrere Laufräder axialer oder halbaxialer, offener oder geschlossener Bauart angeordnet sind und einem ersten Laufrad ein Saugkanal vorangestellt ist, in dessen Wandfläche mehrere über den Umfang verteilte und in Strömungsrichtung verlaufende Nuten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gehäusewand (3) des Saugkanals (9) zwischen einem Laufradeintritt des ersten Laufrades (2) und den nächst gelegenen Enden (11) der Nuten (10) eine geschlossene ringförmige Wandfläche (12) ausgebildet ist, wobei die Nuten (10) ausschließlich mit dem Raum im Saugkanal in Wirkverbindung stehen.
Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (10) zwischen stegförmigen Ausbildungen der Gehäusewand (3) angeordnet sind.
Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Einsatz, insbesondere eines dünnwandigen, ringförmigen, Nuten (10) oder Stegen aufweisenden Elementes.
Kreiselpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene ringförmige Wandfläche (12) eine von der Intensität eines Teillastwirbels (PLV) abhängige axiale Erstreckung in der Größenordnung von 0,005–0,02 mal Laufradeintrittsdurchmesser aufweist.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Nuten (10) oder Stege in der Größenordnung von 0,03–0,5 mal Laufradeintrittsdurchmesser liegen.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefen (t) der Nuten (10) oder die Höhe (h) der Stege in der Größenordnung von 0,005–0,02 mal Laufradeintrittsdurchmesser liegen.
Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Nutbreite b mal Nutanzahl n einem Verhältnis von n·b = 0.45 – 0.65·π·Dentspricht.