4.7 Schaufelradformen

Schaufelradbauarten wie geschlossene und offene Ausführung wurden bereits in Kap. 4.1 gezeigt. Hier soll näher auf die speziellen Schaufelradformen eingegangen werden. Die Berechnungsvorschriften der hier angesprochenen Pumpenkennzahlen sind in  Kap. 4.2 ausführlich dargestellt.

Die Grundform eines Schaufelrades ist das Radialrad (siehe untenstehende Tabelle). Es besitzt axialen Zulauf, die Strömung wird umgelenkt und es wird dann ungefähr radial durchströmt und radial in die nachfolgende Leiteinrichtung überführt. Soll die Drehzahl erhöht werden, ohne die Fördermenge und die Förderhöhe zu verändern, d.h. das Austrittsdreieck bleibt unverändert, so muss der Außendurchmesser des Schaufelrades kleiner werden.

Wird die Drehzahl so weit gesteigert, dass sich der Außendurchmesser D_2 bis auf D'_2 verkleinern muss  und der Eintrittsdurchmesser D_1 beibehalten wird, würden sich wegen der nun entstehenden kleinen Differenz zwischen D'_2 und D_1 sehr kurze Schaufeln mit schlechter Fluidführung ergeben. Aus diesem Grund muss die Schaufeleintrittskante zur Verlängerung der Schaufeln in den Saugmund vorgezogen werden. Es ergibt sich die Form des Mittelläufers.

Da jetzt zur Krümmung der Schaufel durch die Kanalform auch noch die Flusslinien im Meridianschnitt gekrümmt sind, erhält man doppeltgekrümmte Schaufeln. Bei einer weiteren Erhöhung der Drehzahl kann die Austrittskante nur durch eine Schrägstellung geändert werden. Die Saugkante wird noch weiter in den Saugmund hineingezogen. Es ergibt sich der sogenannte Schnellläufer. Bei weiterer Drehzahlsteigerung erhält man den Schnellstlauf oder das Axialrad.

Nachfolgend eine Zusammenstellung der Schaufelradbauformen mit entsprechenden spezifischen Drehzahlen, Laufzahlen, Leiteinrichtungen und Bezeichnungen:

Das Francisrad wird auch mittelläufiges Radialrad genannt.

Das Cordier-Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen Schaufelradform, Auslegungsdrehzahl und Raddurchmesser. Aus diesem Diagramm können die wirkungsgradoptimalen Außendurchmesser oder Drehzahlen bei gegebenen Auslegungspunkten der Pumpe errechnet werden:

Im Bild rechts sind für einige PKW- und Nfz- Kühlmittelpumpen-Schaufelräder die ausgeführten Durchmesser- und  Laufzahlen eingezeichnet.

Zu beachten ist, dass im hier gezeigten Cordier-Diagramm nicht die spezifische Drehzahl n_q, sondern die Laufzahl σ verwendet wird. Die Laifzahl muss also ggf. umgerechnet werden. Konstruierte Schaufelräder sollten prinzipiell immer im Cordier-Diagramm hinsichtlich ihrer wirkungsgradoptimalen Auslegung überprüft werden.

Mit den obigen Ausführungen zu Bauformen der Schaufelräder und den dazugehörigen spezifischen Drehzahlen bzw. Laufzahlen und aus Erfahrungswerten bei ausgeführten Schaufelrädern lassen sich Aussagen zu Vergleichen zwischen unterschiedlichen Schaufelkrümmungen und Fertigungsmaterialien anstellen:

Vergleich räumlich gekrümmtes und einfach gekrümmtes Schaufelrad:
Die Form der Pumpenschaufelräder hängt von der sogenannten Radformkennzahl (spezifische Drehzahl oder ggf. Laufzahl) ab. Die Radformkennzahl wiederrum ist abhängig vom Verhältnis der Antriebsdrehzahl, dem Volumenstrom und der zugehörigen Druckerhöhung. Dabei steigt die spezifische Drehzahl mit wachsender Auslegungsdrehzahl, steigendem Volumenstrom und gleichzeitig fallender Druckerhöhung. Jede spezifische Drehzahl führt zu einer Radbauform, die zu einem maximal erreichbaren Wirkungsgrad führt.

Liegt die spezifische Drehzahl bei ca.n_q= 40, dann fällt das Schaufelrad in den Bereich mittelläufiger Radialräder. Dabei ist die Austrittskante achsparallel ausführbar bei leicht in den Saugmund vorgezogenen Schaufeln. Hydraulisch gesehen ist jedes Schaufelrad mit vorgezogenen Schaufeln mehr oder weniger stark räumlich gekrümmt auszuführen, damit die Strömung auf allen Stromlinien stoßfrei in den Schaufelkanal eintreten kann und eine möglichst gleichmäßige Meridiangeschwindigkeitsverteilung erlangt wird.

Durch die stoßfreie Anströmung des Schaufelprofils werden die lokalen Übergeschwindigkeiten gering gehalten, was zu einer guten Saugfähigkeit und damit zu einem niedrigen Kavitationswert NPSH führt. Aus experimentellen Untersuchungen ist zu entnehmen, dass bei der vorliegenden spezifischen Drehzahl insbesondere bei relativ kleinen Pumpen auf eine räumliche Krümmung (Verwindung) der Laufschaufeln verzichtet werden kann, ohne nennenswerte Einbußen für den Wirkungsgrad zu generieren.
Bei spezifischen Drehzahlen oberhalb von 50 min^{-1} ist mit einem Wirkungsgradgewinn von 4 %-7 % bei räumlicher Schaufelkrümmung zu rechnen.

Vergleich Kunststoff-Schaufelrad und Blech-Schaufelrad:
Generell sind Saugverhalten und Wirkungsgrad von Blech-Schaufelrädern aufgrund von fertigungsbedingten Einschränkungen im Umformvorgang schlechter als bei Kunststoffrädern. Das betrifft die Schrägung (Vorziehen) der Laufschaufeln als Saugmund sowie die halboffene Bauweise im Tragscheibenbereich (Boden) zwischen den Schaufeln als auch Einschränkungen bei Schaufelzahl und Schaufelhöhe bei einer Blechausführung. Die Blechbauweise hat dagegen auch Vorteile gegenüber der Kunststoffbauweise. Insbesondere sind hier die sehr dünnen Schaufeln mit geringer Versperrung des Strömungsquerschnittes zu nennen sowie die höhere Steifigkeit gegen Durchbiegung. Die halboffene Bauweise der Blechräder wirkt sich bei günstig ausgelegter Pumpenrückwand i.d.R. nicht nennenswert negativ auf Förderhöhe und Wirkungsgrad aus.

 

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