DE60026606T2

DE60026606T2 - Schaufel einer Kreiselmaschine und Leistungsregelungsverfahren des Schaufels

Info

Publication number: DE60026606T2
Application number: DE60026606T
Authority: DE
Inventors: Philippe Gyomlai
Original assignee: Jeumont SA
Current assignee: Jeumont SA
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: KR20020070463A; WO2001046593A1; FR2802579A1; EP1240434A1; EP1240434B1; FR2802579B1; DE60026606D1; KR100654305B1; ATE319935T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaufel einer Kreiselmaschine zum Pumpen oder zur Kompression einer Flüssigkeit und im Besonderen auf eine Schaufel einer Pumpe vom Typ der halbaxialen Kreiselpumpe.
In den Kernkraftwerken, die einen mit Druckwasser gekühlten Reaktor aufweisen, wird, um in einem Kreislauf, der Primärkreislauf genannt wird, das Druckwasser, das die primäre Kühlflüssigkeit des Reaktorkerns darstellt, in Umlauf zu bringen, eine Pumpe vom Typ der halbaxialen Kreiselpumpe mit nur einer Pumpenstufe verwendet.
Eine solche halbaxiale Kreiselpumpe weist ein Pumpenlaufrad auf, an dem gebogene Schaufeln in einer halbaxialen Anordnung befestigt sind. Das Pumpenlaufrad wird durch einen elektrischen Motor mittels einer Antriebswelle in Rotation gebracht. Dabei sind die Schaufeln entlang einem ersten Rand fest mit dem Pumpenlaufrad verbunden und weisen jede eine Vorder- und eine Rückseite auf, die nach vorne bzw. nach hinten im Verhältnis zur Bewegungsrichtung des rotierenden Pumpenlaufrads während des Betriebs der Pumpe gerichtet sind.
Die Vorderseite und die Rückseite der Schaufeln der Pumpe bestehen aus gebogenen Flächen, die jeweils mit den Begriffen Vorderseite und Rückseite gekennzeichnet werden können, wobei die Vorderseite eine Außenseite darstellt und die Rückseite eine Innenseite der Schaufel darstellt.
Die Flüssigkeit, die in einer Kreiselmaschine gepumpt oder komprimiert wird, fließt in Kontakt mit den Vorder- und Rückseiten der Schaufeln, von innen nach außen, das heißt zwischen dem ersten Rand der Schaufel, der mit dem Laufrad verbunden ist, und dem zweiten Rand der Schaufel, der die Vorderseite und die Rückseite entlang der Dicke der Schaufel im äußersten Teil der Schaufel verbindet. Dieser zweite Rand der Schaufel, entlang dem die Flüssigkeitsströme sich von den Vorder- und den Rückseiten der Schaufel ablösen, wird Abflussrand genannt. Die Abflussränder der Schaufeln des Pumpenlaufrads sind entlang einer zylindrischen oder konischen Oberfläche angeordnet, die als Achse die Achse des Pumpenlaufrads hat.
Eines der Probleme beim Entwurf und der Wartung von Kreiselmaschinen zum Pumpen oder zur Kompression einer Flüssigkeit betrifft die Einstellung und die Justierung der hydraulischen Leistungen der Maschine.
Die Justierung dieser Leistungen durch Schleifen oder Beschneiden des Ausgangsendes der Schaufeln des Laufrades entlang des Abflussrands der Schaufeln ist bekannt.
Manche Kreiselpumpen weisen eine Last per Radschaufel auf, die groß sein kann. Im Fall zum Beispiel der einstufigen primären Pumpen von Kernkraftwerken, die mit Druckwasser arbeiten und deren einstufiges Laufrad eine relativ geringe Anzahl an Schaufeln aufweist, kann die Last pro Beschaufelung des Laufrads sehr groß sein. Im Besonderen im Fall der primären Pumpen erlaubt es das Endprofil der Schaufeln, das durch Schleifen oder Beschneiden erstellt wurde, nicht immer, Leistungen zu erhalten, die während des Betriebs der Pumpe konstant sind. Tatsächlich hängen die Leistungen, die von der Ablösung der Grenzschichten der sich in Kontakt mit den Seiten der Schaufeln befindlichen Flüssigkeit abhängig sind, von den Schwankungen der physikochemischen Eigenschaften der transportierten Flüssigkeit und dem Oberflächenzustand der Schaufelseiten ab, wobei beides die Bereiche der Ablösung der in Kontakt mit den Seiten fließenden Flüssigkeitsschichten bedingt.
Diese Schwankungen der hydraulischen Leistungen können bei bestimmten Verwendungsarten nachteilig sein, bei denen die erforderliche Durchflussmenge in einem relativ engen Intervall beibehalten werden muss, um eine optimale Leistung und eine optimale Sicherheit der Einrichtung aufrechtzuerhalten. Diese Schwierigkeiten sind im Besonderen im Fall der primären Pumpen anzutreffen, die das Fließen des Kühlwassers im primären Kreislauf eines Kernreaktors, der mit Druckwasser arbeitet, sicherstellt.
Im Dokument FR-A-1.025.250 wird eine Schaufel einer Kreiselpumpe vorgeschlagen, deren Strömungskanal für die Flüssigkeit zumindest eine plötzliche Erweiterung vorsieht, die durch mindestens eine Aussparung erreicht wird, die eine Ablösungslinie der durch den Kanal fließenden Flüssigkeit darstellt.
Bisher war eine Schaufel für eine hydraulische Kreiselmaschine und ein Verfahren zur Justierung einer solchen Schaufel, wodurch zugleich eine Justierung der Leistungen der hydraulischen Maschine und eine Beherrschung der Ablösungen der Grenzschichten der in Kontakt mit den Seiten der Schaufel der Maschine fließenden Flüssigkeit möglich waren, um stabile Leistungen der Kreiselmaschine im Laufe der Zeit sicherzustellen, nicht bekannt. Ziel der Erfindung ist es also, eine Schaufel einer Kreiselmaschine zum Pumpen oder zur Kompression einer Flüssigkeit vorzuschlagen, wobei die Schaufel fest mit einem Laufrad verbunden ist, das drehbar montiert ist, und wobei die Schaufel eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, die nach vorne bzw. nach hinten im Verhältnis zur Bewegungsrichtung des rotierenden Laufrads gerichtet sind und die an einem ihrer Enden zum Abfluss hin in Fließrichtung der Flüssigkeit entlang der Vorder- und Rückseiten der Schaufel durch einen Rand der Schaufel, genannt Abflussrand, begrenzt sind, wobei dieser Rand einen Trennbereich des Flüssigkeitsstroms und der Seiten der Schaufel darstellt, und wobei die Schaufel perfekt angepasste Leistungen aufweist, die auf einfache Weise abgestimmt werden können, um einen stabilen und konstanten Betrieb der Pumpe im Laufe der Zeit sicherzustellen.
Um dies zu erreichen, weist die Schaufel gemäß der Erfindung in einem Teil ihrer äußeren Fläche, die den Abflussrand und zwei Zonen der Vorder- bzw. der Rückseite, die an den Abflussrand angrenzen, beinhaltet, mindestens fünf Kanten auf, die sich in einer Längsrichtung des Abflussrands im Wesentlichen entlang der vollständigen Länge des Abflussrands erstrecken, wobei zumindest eine Kante eine zusätzliche Ablösungslinie für die Flüssigkeit darstellt, die sich entlang dem Abflussrand und/oder der Rückseite erstreckt.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Schaufeln einer Kreiselmaschine, die gemäß einer der unabhängigen Ansprüche 5 und 6 realisiert werden.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren gemäß Anspruch 8 zur Justierung der Flüssigkeitseigenschaften einer Schaufel einer Kreiselmaschine.
Um die Erfindung verständlich zu machen, wird beispielhaft, mit Bezug auf die im Anhang angefügten Figuren, eine gemäß der Erfindung realisierte Schaufel einer primären halbaxialen Kreiselpumpe eines durch Druckwasser gekühlten Kernkraftwerkes und ein Verfahren zur Justierung der Leistungen der Schaufel beschrieben.
1A und 1B stellen Querschnittsansichten eines äußeren Teils dar, der dem Abflussrand einer Schaufel einer halbaxialen Kreiselpumpe benachbart ist, wobei damit zwei Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Veränderung der Leistungen der Schaufel dargestellt werden.
2 ist eine Ansicht analog zu den Ansichten der 1A und 1B, wobei damit ein drittes Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Veränderung der Leistungen einer Schaufel dargestellt wird.
3 ist eine Teildraufansicht eines Laufrades einer halbaxialen Kreiselpumpe und einer Schaufel der Pumpe, die gemäß der Erfindung realisiert wird.
4 ist eine Querschnittsansicht entlang 4-4 des äußersten Teils der Schaufel, der dem Abflussrand benachbart ist.
5 ist eine Querschnittsansicht analog zur Ansicht von 4 einer Schaufel einer Pumpe gemäß der Erfindung und gemäß einer der Ausführungsvarianten.
6 ist eine Teildraufansicht eines Laufrads und einer Schaufel einer Pumpe gemäß der Erfindung und gemäß einer zweiten Ausführungsform.
7 ist eine Querschnittsansicht entlang 7-7 eines äußeren Teils der Schaufel, der dem Abflussrand benachbart ist.
8 und 9 sind Querschnittsansichten analog zur Ansicht von 4 von zwei Ausführungsvarianten des äußersten Teils der Schaufel.
Ein Pumpenlaufrad einer halbaxialen Kreiselpumpe wie eine primäre Pumpe eines mit Druckwasser gekühlten Kernkraftwerkes, wird schematisch in den 3 und 6 dargestellt, die sich auf ein Pumpenlaufrad beziehen, das Schaufeln gemäß der Erfindung aufweist.
Das Pumpenlaufrad, das allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet wird, weist einen Körper 2 von im Wesentlichen kegelstumpfförmiger Form auf, der an einem seiner Enden fest mit einer Nabe 3 mittels eines ersten Flanschs 2' verbunden ist.
Schaufeln 4 sind auf dem Körper 2 des Pumpenlaufrads durch einen Rand 4a entlang einer schraubenförmigen Linie, die als Achse die Achse 6 des Pumpenlaufrads hat, befestigt.
Eine einzige Schaufel 4 wird in 3 dargestellt, aber das Pumpenlaufrad weist mehrere mit der Schaufel 4 identische Schaufeln (z.B. sechs Schaufeln) auf, die entlang des Rands des Körpers 2 des Pumpenlaufrads um die Achse 6 herum verteilt sind.
Die Schaufeln 4 des Pumpenlaufrads 1 sind alle entlang einem Rand, der dem Befestigungsrand auf dem Körper 2 gegenüber liegt, an einem Flansch 5, der Ringflansch genannt wir, befestigt.
Die Flansche 2' und 5 haben als gemeinsame Achse die Achse 6 des Pumpenlaufrads.
Jede der Schaufeln 4 der Pumpe weist eine Vorderseite 8 und eine Rückseite 7 auf, wobei die Vorder- und Rückseite unter Berücksichtigung der Drehrichtung des Pumpenlaufrads um die Achse 6 herum festgelegt werden.
Die Flüssigkeit, die gepumpt wird, zum Beispiel das Druckwasser des Primärkreislaufs eines Kernreaktors, fließt zentrifugal zwischen den aufeinanderfolgenden Schaufeln 4 des Pumpenlaufrads und in Kontakt mit den Seiten der Schaufeln 4, d.h. indem sie sich von der Achse 6 des Pumpenlaufrads entfernt. Auf jeder der Schaufeln 4 stellt der von der Achse 6 am weitesten entfernte Rand 4b den Abflussrand dar, in dessen Nachbarschaft sich die Grenzschichten der Ströme in Kontakt mit den Vorder- und Rückseiten der Schaufel 4 ablösen und den Kontakt mit der Schaufel 4 verlassen.
Die Justierung der hydraulischen Leistungen einer Pumpe durch Beschneiden oder Schleifen der Schaufel in Nachbarschaft zu ihrem Abflussrand 4b ist bekannt.
In den 1A und 1B wird in einer Querschnittsansicht auf einer Ebene wie der Schnittebene 4-4, die in 3 rechtwinklig zum Abflussrand dargestellt wird, ein dem Abflussrand einer Pumpschaufel 4' gemäß dem Stand der Technik benachbarter äußerster Teil dargestellt. Der Abschnitt der Schaufel 4', der nach Außen gerichtet ist, stellt den Abflussrand 4'b dar, der die zum Abfluss hin gerichteten äußersten Teile der Rückseite 7' und der Vorderseite 8' der Schaufel 4' trennt.
Die Rückseite 7' ist vom Abflussrand 4'b durch eine Kante 9' der Rückseite getrennt, die Vorderseite 8' ist vom Abflussrand 4'b durch eine Kante 10' der Vorderseite getrennt.
Die Abflussränder der Schaufeln 4b befinden sich im Allgemeinen auf einem Zylinder vom Durchmesser D, der als Achse die Achse 6 des Pumpenlaufrads hat.
Die hydraulischen Leistungen der Schaufel 4' hängen im Besonderen vom Durchmesser D oder Ausgangsdurchmesser der Schaufel 4' ab. In dem Fall, dass sich die Abflussränder der Schaufeln auf einer konischen Fläche befinden, verändert sich der Durchmesser D mit dem Abflussrand.
Wenn man die Leistungen der Pumpe, zum Beispiel die Durchflussmenge der Pumpe verringern will, ist es möglich, den äußersten Teil der durch den Abflussrand 4'b begrenzten Schaufel 4', zum Beispiel entlang der in 1 dargestellten gestrichelten Linie 11, zu beschneiden. Auf diese Weise wird der Ausgangsdurchmesser der Schaufel 4' verkleinert, der vom Wert D auf den Wert D' übergeht, wobei die Länge D–D' gleich dem Abstand zwischen dem ursprünglichen Abflussrand 4'b und der Beschnittlinie 11, in einer zum Abflussrand und zur Beschnittebene rechtwinkligen Richtung ist.
Die Leistungen der Schaufel 4' sind ebenfalls von der Dünne der Schaufel in der Nachbarschaft des Abflussrands abhängig, wobei die Leistungen umso besser sind, je dünner die Schaufel 4' in ihrem dem Abflussrand benachbarten Teil ist.
Um die Leistungen der Schaufel 4' zu erhöhen, kann also der dem Abflussrand 4b benachbarte äußerste Teil der Schaufel 4' geschliffen werden, entweder durch maschinelle Bearbeitung der Rückseite 7', wie es durch die Schleiflinie 12 dargestellt wird, oder durch maschinelle Bearbeitung der Rückseite 7' als auch der Vorderseite 8', wie es durch die Schleiflinien 13 und 13' in 1B dargestellt wird.
Es kann so geschliffen werden, dass die Kanten der Rück- und der Vorderseite sich entlang einer den beiden Seiten gemeinsamen Kante am Ende des Schleifens praktisch vermischen. Wie aus 2 zu entnehmen ist, kann die Steigerung der Leistungen der Schaufel 4' ebenfalls durch die Ausführung eines Schnitts des äußersten Teils 14 der Schaufel 4' entlang einer Schnittlinie 14', die mit der im Bereich der Kante 10' der Vorderseite an die Vorderseite 8' angelegten Tangente einen Winkel von ca. 90° bildet, erreicht werden. In diesem Fall werden die Leistungen der Schaufel 4' erhöht, indem der Ausgangsquerschnitt der Beschauflung vergrößert wird.
Im Fall des Beschneidens der Schaufel 4' oder des Schleifens der Rückseite, wie es in den 1A und 1B dargestellt ist, werden die Leistungen der Schaufel 4' der Pumpe verändert, wobei sie entweder erhöht oder verringert werden.
Im Fall der Erhöhung der Dünne des äußersten Teils der Schaufel durch Schleifen auf der Rückseite und auf der Vorderseite, wie es in 1B dargestellt ist, wird im Besonderen der Wirkungsgrad der Pumpe erhöht.
Das Zuschneiden der Schaufel, wie es in 2 dargestellt ist, erlaubt es, die Leistungen der Schaufel in einem festgelegten Maß ohne Möglichkeit der Einstellung zu erhöhen.
Diese Ausführungsarten der Justierung der Leistungen einer Schaufel einer Pumpe gemäß dem Stand der Technik ermöglichen keine Beherrschung der Ablösung der Grenzschichten der Flüssigkeitsströme in Kontakt mit der Oberfläche der Schaufel im äußersten Abschnitt, der den Abflussrand und die aneinanderstoßenden Zonen der Rück- und der Vorderseite aufweist.
Das Prinzip der Erfindung besteht darin, eine zusätzliche Ablösungslinie für die Flüssigkeit am Ausgangsende der Laufradschaufel zu schaffen, entweder auf dem Rand der Schaufel, der den Abflussrand darstellt, in der Nähe der Kante der Vorderseite für den von der Vorderseite ankommenden Flüssigkeitsstrom, oder auf der Rückseite der Schaufel in der Nähe der Kante der Rückseite, oder zugleich auf dem Rand der Schaufel und auf der Rückseite.
Genauer gesagt wird im äußersten Bereich der Schaufel, in Richtung der Abflussrands und im Wesentlichen über die gesamte Länge des Abflussrands eine deutliche Unterbrechung im Schaufelprofil maschinell angebracht, derart, dass der Geschwindigkeitsgradient und somit der Gradient des örtlichen Drucks die Ablösung der Grenzschicht an einer bestimmten Stelle, die durch die Position der Unterbrechung festgelegt ist, auslöst. Es kann zum Beispiel eine Seite maschinell angebracht werden, die einen gradlinigen Querschnitt im äußersten Teil der Schaufel aufweist, wobei diese Seite, wenn sie im Rand der Schaufel, der den Abflussrand darstellt, im Querschnitt der Schaufel einen Winkel größer als 45° mit dem Profil der Vorderseite der Schaufel bildet, das heißt mit der Ebene, die die Vorderseite berührt und über die Kante der Vorderseite verläuft.
Durch die Ausführung der Erfindung wird zusätzlich zu den zwei Kanten der Vorderseite und der Rückseite, die die Rückseite und die Vorderseite im Bereich des Abflussrands begrenzen, mindestens eine Kante geschaffen, die sich in Längsrichtung des Abflussrands, im Wesentlichen über die gesamte Länge des Abflussrands erstreckt. So erfolgt die Ablösung der Grenzschichten der Flüssigkeit im Bereich einer durch die maschinell angebrachte Unterbrechung festgelegten Kante. Die Schaufel gemäß der Erfindung weist so mindestens drei Kanten in Richtung des Abflussrands auf. Vorzugsweise wird eine der folgenden Anordnungen gewählt:

A – wenigstens eine der Kanten ist auf dem Rand der Schaufel angebracht,
B – wenigstens eine der Kanten ist auf der Rückseite zurückgesetzt im Verhältnis zur Kante der Rückseite, die den Ausgangsdurchmesser der Schaufel bestimmt, angebracht,
C – die Kanten sind entsprechend einer Mischung aus den Anordnungen A und B angeordnet.

In den 3 und 4 wird eine erste Ausführungsform einer Schaufel 4 gemäß der Erfindung dargestellt, bei der zusätzliche Kanten gemäß der oben angeführten Version A ausgeführt wurden.
Die zusätzlichen Kanten wurden dadurch erhalten, dass durch maschinelle Herstellung einer Nut 15, die einen dreieckigen Querschnitt aufweist, eine Unterbrechung im Abflussrand angebracht wurde, wie es in 4 sichtbar ist. 3 zeigt, dass die Nut 15, die die Unterbrechung des Abflussrands 4b darstellt, sich über die gesamte Länge des Abflussrands 4b erstreckt.
Der Querschnitt der Nut 15, in einer zum Abflussrand rechtwinkligen Ebene, von dreieckiger Form, weist eine Seite entlang dem Abflussrand auf und zwei Seiten zum Innern des äußersten Teils der Schaufel hin, zwischen der Fläche der Rückseite 7 und der Fläche der Vorderseite 8 gerichtet sind, auf.
Die Seite des dreieckigen Querschnitts der Nut 15, die sich auf der Vorderseite befindet, stellt einen Querschnitt einer im wesentlichen ebenen Seite dar, die mit dem Querschnitt des Abflussrands 4b einen Winkel α größer als 30° bildet.
Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen 30 und 90°.
Die Nut 15 beansprucht nur einen Teil der Breite des Abflussrands 4b, so dass ein Rand 16 der Breite l1, der sich über die gesamte Länge des Abflussrands erstreckt, auf der Vorderseite entsteht und ein Rand 17 entlang der gesamten Länge des Abflussrands 4b auf der Rückseite 7 entsteht.
Ebenfalls dadurch bestimmt die Unterbrechung 15 des Abflussrands 4b zusätzlich zur Kante 9 der Rückseite und zur Kante 10 der Vorderseite drei zusätzliche Kanten 18a, 18b und 18c. Die Seite, die sich auf der Vorderseite befindet und die über die Kanten 18a und 18b verläuft, bildet einen Winkel α von mindestens 30° mit dem Abflussrand, wie oben angeführt.
Der Rand 16, der sich auf der Vorderseite 8 befindet, weist eine Breite l1 auf, die zwischen 5 und 50% der Breite des Rands der Schaufel 4 beträgt, die den Abflussrand 4b darstellt.
Die Mindestbreite dieses Rands 16 beträgt 0,5 mm, so dass der Referenzwert des Ausgangsdurchmessers D der Schaufel erhalten bleibt.
Der Rand 17, der sich auf der Rückseite 7 befindet, weist eine möglichst geringe Breite l2 auf, wobei diese Breite jedoch größer als 0,5 mm sein sollte, um den Referenzwert des Ausgangsdurchmessers D der Schaufel 4 zu erhalten.
In 5 wird eine Ausführungsvariante der Schaufel 4 gezeigt; es wird eine Unterbrechung 19 auf der Rückseite 7 der Schaufel 4 erstellt, um zusätzliche Kanten zur Ablösung der Grenzschicht der in Kontakt mit der Rückseite fließenden Flüssigkeit zu erhalten, wobei diese Kanten vom oben erwähnten Typ B sind.
Die Unterbrechung 19 wird in der Form einer Nut von dreieckigem Querschnitt erstellt, die sich in Richtung des Abflussrands 4b im Wesentlichen über die gesamte Länge des Abflussrands erstreckt.
Die Nut 19 von dreieckigem Querschnitt bestimmt drei zusätzliche Kanten, die sich auf der Rückseite 7 befinden.
Die Nut 19 ist im Besonderen durch den Abstand p zwischen der Kante 7 der Rückseite und der Kante 19a, die sich am weitesten von der Kante der Rückseite 9 entfernt befindet, festgelegt.
Die Kanten 19b und 19c befinden sich jeweils im Innern des äußersten Teils der Schaufel 4 und auf der Fläche der Rückseite und näher zur Kante der Rückseite 9 als die Kante 19a.
Die Fläche der Nut 19, die über die Kanten 19a und 19b verläuft, stellt eine im Wesentlichen ebene Seite dar, die die Rückseite 7 entlang der Kante 19a in einem Abstand p von der Kante der Rückseite 9 erneut schneidet, wobei dieser Abstand p größer sein muss als der Abstand, der die Kante der Rückseite vom natürlichen Ablösungspunkt der Grenzschicht der in Kontakt mit der Rückseite fließenden Flüssigkeit trennt, wobei dieser Abstand durch Versuche oder durch Berechnung in Abhängigkeit der Arbeitsbedingungen der Pumpe bestimmt werden kann.
In der Praxis wird der Abstand p zwischen einigen Millimetern und einigen Zentimetern betragen, abhängig vom Pumpenlaufrad und von den ursprünglichen Leistungen der Schaufel der Pumpe, das heißt der Schaufel 4, die nicht die Nut 19 aufweist.
Der Querschnitt der ebenen Seite, die über die Schnittebene über die Kanten 19a und 19b verläuft, bildet einen Winkel γ mit dem Querschnitt der Vorderseite der Schaufel.
In den 6 und 7 wird eine zweite Ausführungsform einer Schaufel 4 gemäß der Erfindung eines Schaufelrads 1 dargestellt, analog zum in 3 dargestellten Pumpenlaufrad. 7 ist ein Querschnitt der Schaufel 4 in einer zum Abflussrand 4b rechtwinkligen Ebene.
Im Verhältnis zu einer Schaufel 4' gemäß dem Stand der Technik, wie sie in 2 dargestellt ist, ist die Schaufel 4 gemäß der Erfindung entlang einer Schnittebene mit Spur 20 in 7 geschnitten, wobei die Spur 20 der Schnittebene mit der Ebene, die die Vorderseite 8 im Bereich der Kante 10 der Vorderseite berührt, einen Winkel α bildet, der kleiner oder gleich 90° ist. Zu bevorzugen für den Winkel α ist ein Wert gleich 80°.
Der Querschnitt des äußersten Teils der Schaufel 4 auf der Rückseite 7 bildet eine Kante 21 auf der Rückseite 7 und eine zusätzliche Kante 22 auf dem Abflussrand 4b, in einem Abstand l von der Kante 10 der Vorderseite. Auf diese Weise wird auf der Vorderseite 8 ein Rand 23 der Breite l entlang dem Abflussrand 4b gebildet. Die Breite l des Rand 23 soll zwischen 5 und 50% der ursprünglichen Breite des Rands 4b betragen, der den Abflussrand bildet, der zwischen der Vorderseite 7 und der Rückseite 8, auf einem Zylinder, der als Achse die Achse des Pumpenlaufrads hat und einen Durchmesser D aufweist, begrenzt ist.
Der Rand 23 soll eine Mindestbreite von 0,5 mm aufweisen, so dass der Referenzwert des Ausgangsdurchmessers der Schaufel erhalten bleibt.
Die zusätzlichen Kanten 21 und 22, die durch den Schnitt entlang der Schnittebene 20 geschaffen werden, lösen die kontrollierte Ablösung der Grenzschicht der Flüssigkeit aus, die in Kontakt mit den Oberflächen der Rückseite und der Vorderseite fließt. Zusätzlich erhöht sich der Ausgangsdurchmesser der Schaufel.
Die Ausführungsform der 6 und 7, in denen komplementäre Kanten auf der Rückseite und dem Abflussrand erstellt werden, entspricht einer Ausführungsform vom oben beschriebenen Typ C, das heißt einer Kombination der Ausführungsformen der Typen A und B.
In 8 und in 9 werden zwei Ausführungsvarianten der Schaufel gemäß der Erfindung dargestellt, die ebenfalls vom Typ C sind, das heißt einer Kombination der Typen A und B entsprechen.
In 8 wird im Querschnitt, in einer zum Abflussrand rechtwinkligen Ebene, der äußerste Teil einer Schaufel 4 einer Pumpe dargestellt, der eine Unterbrechung aufweist, die aus zwei im Wesentlichen ebenen, zueinander rechtwinkligen Seiten 24 und 25 besteht.
Die Seite 24 wird durch Schneiden des äußersten Teils der Schaufel entlang einer praktisch ebenen zur Rückseite 7 rechtwinkligen Fläche realisiert. Die Seite 25 wird durch Schneiden entlang einer praktisch ebenen zur Rückseite 7 parallelen Fläche realisiert. Die Schnittflächen, die die Seiten 24 und 25 bestimmen, erstrecken sich in Längsrichtung des Abflussrands 4b, im Wesentlichen über die gesamte Länge des Abflussrands.
Die Seite 24 und die entsprechende Schnittfläche befinden sich in einem Abstand p von der Kante 9 der Rückseite, das heißt von der Schnittlinie zwischen der Rückseite 7 und dem Zylinder, die als Achse die Achse des Pumpenlaufrads und einen Ausgangsdurchmesser D hat. Die Seite 25 und die entsprechende Schnittfläche sind so angeordnet, dass sie den Abflussrand 4b entlang einer zusätzlichen Kante 26a, die sich in einem Abstand l von der Kante 10 der Vorderseite befindet, erneut schneiden. Zwischen der Kante der Vorderseite und der zusätzlichen Kante 26a stellt sich der Abflussrand 4b in der Form eines Rands der Breite l dar.
Die Dimensionen l und p werden wie zuvor im Fall der in den 5 und 7 dargestellten Ausführungsform festgelegt.
Auf diese Weise weist die Pumpenschaufel 4 auf der Rückseite eine zweite zusätzliche Kante 26b, in einem Abstand p der ursprünglichen Kante der Rückseite, auf.
Eine dritte Kante 26c wird durch die Schnittlinie der Seiten 24 und 25 im inneren Teil der Pumpenschaufel 4, zwischen den Flächen der Rückseite 7 und der Vorderseite 8, festgelegt. In 9 wird eine letzte Ausführungsvariante der Schaufel 4 einer Pumpe gemäß der Erfindung dargestellt, wobei diese Ausführungsform Nuten von dreieckigem Querschnitt analog zu den Nuten der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen kombiniert. Die Nut 15 wird auf dem Abflussrand 4b erstellt und die Nut 19 auf der Rückseite 7.
Die Seite mit Spur 18a, 18b der Nut 18 wird durch den Winkel α ihrer Spur in der zum Abflussrand 4b rechtwinkligen Schnittebene mit der Spur des Abflussrands 4b festgelegt. Die Seite mit Spur 19a, 19b der Nut 19 wird durch den Winkel γ ihrer Spur in der Schnittebene mit der Spur der Rückseite 7 festgelegt.
Die Parameter l1, l2 und p werden wie vorher angegeben festgelegt.
Die Schaufel gemäß der Erfindung ermöglicht es, eine kontrollierte Ablösung der Grenzschichten der Flüssigkeiten zu erhalten, die während des Betriebs der Kreiselmaschine in Kontakt mit der Vorderseite und der Rückseite der Schaufel fließen.
Die Bedingungen der Ablösung der Grenzschichten werden im Besonderen abhängig von den Längen wie l1, l2, l und p, sowie von den Winkeln α und γ bestimmt.
So kann man zugleich die Leistungen der Schaufel abstimmen und extrem stabile Bedingungen für den Betrieb erreichen, selbst im Fall eines Schwankens der physikochemischen Parameter der Flüssigkeit und der Oberflächenzustände der Schaufeln.
Die Schaufeln gemäß der Erfindung können direkt bei der maschinellen Herstellung mit äußersten Teilen, wie sie beschrieben wurden und die an den vorgesehenen Betrieb der Pumpe angepasst sind, erstellt werden.
Die äußersten Teile der Schaufeln können ebenso nach Inbetriebnahme der Pumpe verändert werden, zum Beispiel durch maschinelles Schleifen oder durch Schneiden, um an neue Nutzungsbedingungen angepasst zu werden.
In jedem Fall wird auf dem äußersten Ausgangsteil der Schaufel, zum Beispiel durch maschinelle Bearbeitung, zusätzlich zur Kante der Vorderseite und zur Kante der Rückseite, zumindest eine zusätzliche Kante gebildet, die sich im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Abflussrands erstreckt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen.
Es sind andere Formen der maschinellen Herstellung oder des Schneidens denkbar, um Unterbrechungen im äußersten Teil der Schaufel auszuführen, der den Abflussrand und daran anstoßenden Teile der Rückseite und der Vorderseite aufweist, um zumindest drei Kanten zur Ablösung der Flüssigkeit im äußersten Teil der Schaufel zu erhalten.
Die Erfindung kommt nicht nur bei halbaxialen Kreiselpumpen wie den primären Pumpen der Kernreaktoren zur Anwendung, sondern ebenfalls im Fall von zahlreichen anderen hydraulischen Kreiselmaschinen.

Claims

Schaufel einer Kreiselmaschine zum Pumpen oder zur Kompression einer Flüssigkeit, wobei die Schaufel fest mit einem Rad (1) verbunden ist, das um eine Achse (6) drehbar montiert ist, und die eine Vorderseite (8) und eine Rückseite (7) aufweist, die nach vorne bzw. nach hinten im Verhältnis zur Bewegungsrichtung des rotierenden Rads (1) gerichtet sind und die durch einen Rand (4b) der Schaufel, genannt Abflussrand, begrenzt sind, der sich an einem ihrer äußeren Enden zum Abfluss hin in Fließrichtung der Flüssigkeit entlang der Vorder- und Rückseiten (7, 8) der Schaufel befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel, in einem Teil ihrer äußeren Oberfläche, die den Abflussrand (4b) aufweist, und in einem Teil der Bereiche der Vorderseite (8) und der Rückseite (7), die an den Abflussrand (4b) stoßen, mindestens fünf Kanten (9, 10, 18a, 18b, 18c, 19a, 19b, 19c, 21, 22, 26a, 26b, 26c) aufweist, die sich in einer Längsrichtung des Abflussrands (4b) im wesentlichen entlang der vollständigen Länge des Abflussrands (4b) erstrecken, wobei zumindest eine Kante eine zusätzliche Ablösungslinie für die Flüssigkeit darstellt, die sich entlang dem Abflussrand und/oder der Rückseite (7) erstreckt.
Schaufel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie entlang ihrem Abflussrand (4b) eine Nut (15) aufweist, die einen dreieckigen Schnitt, in einer zum Abflussrand (4b) rechtwinkligen Ebene aufweist, und die auf der Seite der Vorderseite (8) eine erste Seite aufweist, die mit dem Abflussrand (4b) einen Winkel α von mindestens 30° bildet, wobei die erste Seite (18a, 18b) den Abflussrand (4b) entlang einer Kante (18a) schneidet, die mit der Kante (10) der Vorderseite, die durch die Schnittlinie der Vorderseite (8) und des Abflussrands (4b) gebildet wird, einen Rand einer Breite (l1) entlang der Längsrichtung des Abflussrands begrenzt, und wobei die Nut (15) eine zweite Seite aufweist, die den Abflussrand erneut entlang einer zweiten zusätzlichen Kante (18c) schneidet, die mit einer Kante (9) der Rückseite, die durch die Schnittlinie der Rückseite (7) und des Abflussrands (4b) gebildet wird, einen Rand (17) einer Breite (l2) begrenzt.
Schaufel gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α zwischen 30° und 90° liegt und dass die Längen (l1) und (l2) zwischen 5 und 50% der Breite des Abflussrands (4b) betragen, das heißt des Abschnitts der Schaufel in ihrem äußersten Teil, das den Abflussrand (4b) aufweist, wobei diese Längen (l1) und (l2) mindestens gleich 0,5 mm sind.
Schaufel gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Nut (19) aufweist, die auf der Rückseite (7) der Schaufel in Längsrichtung des Abflussrands (4b) maschinell ausgearbeitet ist, wobei diese Nut einen dreieckigen Schnitt in einer zum Abflussrand (4b) rechtwinkligen Ebene aufweist, so dass eine zusätzliche Kante (19a) in einem Abstand (p) von einer Kante (9) der Rückseite, die sich an der Schnittlinie der Rückseite (7) und des Abflussrands (4b) befindet, entsteht, wobei der Abstand (p) größer ist als der Abstand zwischen einem Bereich der natürlichen Ablösung einer Grenzschicht der Flüssigkeit, die in Kontakt mit der Rückseite (7) fließt, und der Kante (9) der Rückseite, wobei dieser Abstand ausgehend von den Arbeitsbedingungen der Kreiselmaschine bestimmt wird.
Schaufel einer Kreiselmaschine zum Pumpen oder zur Kompression einer Flüssigkeit, wobei die Schaufel fest mit einem Rad (1) verbunden ist, das um eine Achse (6) drehbar montiert ist, und die eine Vorderseite (8) und eine Rückseite (7) aufweist, die nach vorne bzw. nach hinten im Verhältnis zur Bewegungsrichtung des rotierenden Rads (1) gerichtet sind und die durch einen Rand (4b) der Schaufel, genannt Abflussrand, begrenzt sind, der sich an einem ihrer äußeren Enden zum Abfluss hin in Fließrichtung der Flüssigkeit entlang der Vorder- und Rückseiten (7, 8) der Schaufel befindet, die zumindest eine Kante aufweist, die eine zusätzliche Ablösungslinie der Flüssigkeit darstellt, wobei der Abflussrand (4b) von der Vorderseite (8) durch eine Kante (10) der Vorderseite getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (4) entlang einer Schnittebene (20) geschnitten ist, die einen Winkel (α) kleiner oder gleich 90° mit der Ebene bildet, die die Vorderseite (8) auf der Höhe der Kante (10) der Vorderseite berührt, wobei die Ebene (20) mit der Rückseite (7) eine zusätzliche Kante (21) in einem Bereich dieser Rückseite (7) bildet, der an den Abflussrand (4b) stößt, und mit dem Abflussrand (4b) eine weitere zusätzliche Kante (22) bildet, wobei diese zusätzliche Kante (22) mit der Kante (10) der Vorderseite einen Rand (23) einer Breite (l) begrenzt, die zwischen 5% und 50% der Breite des Abflussrands (4b) und mindestens 0,5 mm beträgt, wobei die beiden zusätzlichen Kanten (21, 22) sich entlang einer Längsrichtung des Abflussrands (4b) im wesentlichen über die gesamte Länge dieses Abflussrands (4b) erstrecken.
Schaufel einer Kreiselmaschine zum Pumpen oder zur Kompression einer Flüssigkeit, wobei die Schaufel fest mit einem Rad (1) verbunden ist, das um eine Achse (6) drehbar montiert ist, und die eine Vorderseite (8) und eine Rückseite (7) aufweist, die nach vorne bzw. nach hinten im Verhältnis zur Bewegungsrichtung des rotierenden Rads (1) gerichtet sind und die durch einen Rand (4b) der Schaufel, genannt Abflussrand, begrenzt sind, der sich an einem ihrer äußeren Enden zum Abfluss hin in Fließrichtung der Flüssigkeit entlang der Vorder- und Rückseiten (7, 8) der Schaufel befindet, wobei sie zumindest eine Kante aufweist, der eine zusätzliche Ablösungslinie der Flüssigkeit darstellt, wobei der Abflussrand (4b) von der Vorderseite (8) durch eine Kante (10) der Vorderseite getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (4) eine Unterbrechung aufweist, die durch zwei im wesentlichen ebene Seiten (24, 25) begrenzt wird, die entlang Schnittflächen, die rechtwinklig zur Rückseite (7) bzw. parallel zur Rückseite (7) sind, abgeschnitten sind, wobei die zur Rückseite (7) rechtwinklige Seite (24) diese Rückseite entlang einer zusätzlichen Kante (26b) erneut schneidet, wobei sich diese zusätzliche Kante (26b) in einem Abstand (p) von der ursprünglichen Kante (9) der Rückseite befindet, die sich an der Schnittlinie der Rückseite (7) und des Abflussrands (4b) befindet, und die zur Rückseite (7) parallele Seite (25) den Abflussrand (4b) entlang einer weiteren zusätzlichen Kante (26a) erneut schneidet, wobei sie mit der Kante (10) der Vorderseite einen Rand einer Breite (l) begrenzt, wobei diese Breite (l) zwischen 5% und 50% der Breite des Abflussrands (4b) und mindestens 0,5 mm beträgt, und der Abstand (p) größer ist als der Abstand, der die Kante (9) der Rückseite vom Ablösungspunkt der Grenzschicht der Flüssigkeit, die in Kontakt mit der Rückseite (7) fließt, trennt und zwischen einigen Millimetern und einigen Zehntelmillimetern beträgt.
Schaufel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abflussrand (4b) von der Vorderseite (8) und der Rückseite (7) durch die Kante (10) der Vorderseite bzw. die Kante (9) der Rückseite getrennt ist, und dass sie zugleich Folgendes aufweist: eine Nut (15) entlang ihrem Abflussrand (4b), die einen dreieckigen Schnitt, in einer zum Abflussrand (4b) rechtwinkligen Ebene aufweist, und die auf der Seite der Vorderseite (8) eine erste Seite aufweist, die mit dem Abflussrand (4b) einen Winkel α von mindestens 30° bildet, wobei die erste Seite (18a, 18b) den Abflussrand (4b) entlang einer ersten zusätzlichen Kante (18a) schneidet, die mit der Kante (10) der Vorderseite einen Rand einer Breite (l1) entlang der Längsrichtung des Abflussrands (4b) begrenzt, und die eine zweite Seite (18b, 18c) aufweist, die den Abflussrand (4b) entlang einer zweiten zusätzlichen Kante (18c), erneut schneidet, die mit der Kante (9) der Rückseite einen Rand (17) einer Breite (l2) begrenzt, und eine Nut (19), die auf der Rückseite (7) der Schaufel in Längsrichtung des Abflussrands (4b) maschinell ausgearbeitet ist, wobei diese Nut einen dreieckigen Schnitt, in einer zum Abflussrand (4b) rechtwinkligen Ebene aufweist, der auf der entgegengesetzten Seite der Kante (9) der Rückseite durch eine Seite (19a, 19b) begrenzt wird, die mit der Rückseite (7) eine dritte zusätzliche Kante (19a) bildet, die sich in einem Abstand (p) von der Kante (9) der Rückseite befindet, wobei dieser Abstand (p) größer ist als der Abstand zwischen einem Bereich der natürlichen Ablösung einer Grenzschicht der Flüssigkeit, die in Kontakt mit der Rückseite (7) fließt, und der Kante (9) der Rückseite, wobei dieser Abstand ausgehend von den Arbeitsbedingungen der Kreiselmaschine bestimmt wird.
Verfahren zur Einstellung der Leistungen einer Kreiselmaschine zum Pumpen oder zur Kompression einer Flüssigkeit, wobei die Schaufel fest mit einem Rad (1) verbunden ist, das drehbar montiert ist, und die eine Vorderseite (8) und eine Rückseite (7) aufweist, die nach vorne bzw. nach hinten im Verhältnis zur Bewegungsrichtung des rotierenden Rads (1) gerichtet sind und die durch einen Rand (4b) der Schaufel, genannt Abflussrand, begrenzt sind, der sich an einem ihrer äußeren Enden zum Abfluss hin in Fließrichtung der Flüssigkeit entlang der Vorder- und Rückseiten der Schaufel (4) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bearbeitung eines Bereichs der äußeren Oberfläche der Schaufel (4), die den Abflussrand (4b) aufweist, und von Bereichen der Vorderseite (8) und der Rückseite (7), die an den Abflussrand (4b) stoßen, zusätzlich zu einer Kante (9) der Rückseite und einer Kante (10) der Vorderseite, die sich an der Schnittlinie des Abflussrands und der Vorderseite bzw. der Rückseite befinden, mindestens drei zusätzliche Kanten (18a, 18b, 18c, 21, 22, 26a, 26b, 26c, 19a, 19b, 19c) gebildet werden, die sich in einer Längsrichtung des Abflussrands (4b), im wesentlichen über die gesamte Länge des Abflussrands (4b), erstrecken.