Kreiselpumpe: von der hydraulischen Auslegung zur CAD-Baugruppe
Aus einem vorgegebenen Betriebspunkt entwickelte ich die hydraulische Auslegung, die 3D-Baugruppe und die Fertigungszeichnungen einer einstufigen Kreiselpumpe. Das Projekt verbindet Berechnung und konstruktive Umsetzung in Solid Edge.
Projektstand: Hydraulische Auslegung, CAD und Zeichnungen ausgearbeitet; noch ohne Prototyp, CFD-Analyse und experimentellen Leistungsnachweis.
Ausgangsaufgabe
Eine einstufige Kreiselpumpe sollte ausgehend vom Betriebspunkt hydraulisch dimensioniert und konstruktiv ausgearbeitet werden. Förderstrom, Förderhöhe und Drehzahl bilden dabei die Verbindung zwischen der hydraulischen Aufgabenstellung und der späteren Geometrie.
Mein Beitrag
Ich bearbeitete die hydraulische Auslegung nach der Entwurfsmethodik von Gülich in Excel und übertrug die Ergebnisse in eine CAD-Konstruktion mit Solid Edge. Dazu gehören die Modellierung der Pumpenkomponenten, die Zusammenstellung der Baugruppe sowie technische Zeichnungen und Stücklisten.
Hydraulische Auslegung: vom Betriebspunkt zur Laufrad- und Spiralgehäusegeometrie
Die Excel-Berechnung verbindet den vorgegebenen Betriebspunkt mit den Abmessungen und Winkeln des Laufrads. Aus diesen Entwurfsgrößen entstehen die Meridiankontur, die räumlichen Schaufelkurven und die Querschnitte des Spiralgehäuses.
Die Aufnahme dokumentiert einen Arbeitsstand mit noch offenen Zellbezügen. Die folgenden Erläuterungen beschreiben den Entwurfsweg und unterscheiden Vorgaben, Annahmen und berechnete Größen.
Betriebspunkt und erste Kennwerte
Die Auslegung beginnt mit einem Förderstrom von 85 m³/h, einer Förderhöhe von 38 m und einer Drehzahl von 2.900 min⁻¹. Für Wasser wird eine Dichte von 1.000 kg/m³ angesetzt. Daraus ergeben sich eine metrische spezifische Drehzahl nq von etwa 29,12 und eine hydraulische Leistung von rund 8,81 kW. Die Förderhöhe ist eine Entwurfsvorgabe; eine gemessene Kennlinie liegt für diesen Stand nicht vor.
- Förderstrom Q
- 85 m³/h
- Förderhöhe H
- 38 m
- Drehzahl n
- 2.900 min⁻¹
- Spezifische Drehzahl nq
- 29,12
Vom Förderstrom zu den Laufradabmessungen
Für die Strömung durch das Laufrad wird zunächst ein zusätzlicher Volumenstrom für interne Leckage berücksichtigt. Mit einem ersten Zuschlag von 5,5 % steigt der interne Auslegungsstrom auf etwa 89,68 m³/h. Eintrittsdurchmesser, Nabenabmessungen und verfügbare Strömungsfläche werden gemeinsam betrachtet. Im gezeigten Entwurf beträgt d1 rund 85,04 mm; als Austrittsdurchmesser sind 210 mm und als Austrittsbreite 17,85 mm gewählt.
Die Rechnung berücksichtigt sechs Schaufeln, einen Austrittsmetallwinkel von 16° und Ansätze für Schaufelverengung, Schlupf und hydraulischen Wirkungsgrad. Diese Größen beeinflussen gemeinsam Geschwindigkeiten und Förderhöhe. Ein gewählter Einzelwert ersetzt deshalb nicht den Abgleich des gesamten Entwurfs.
Eintrittswinkel und räumliche Schaufelgeometrie
Am Eintritt ändern sich Umfangsgeschwindigkeit und Strömungsverhältnisse über die Kanalbreite. Deshalb werden Nabe, mittlere Stromlinie und Deckscheibe getrennt betrachtet. Aus dem Verhältnis der meridionalen Geschwindigkeit cm1 zur Umfangsgeschwindigkeit u1 wird der Strömungswinkel bestimmt und im gezeigten Rechenschritt um einen Inzidenzansatz von 2° ergänzt. Daraus folgen Eintrittsmetallwinkel von ungefähr 40,82° an der Nabe, 33,40° in der Mitte und 27,30° an der Deckscheibe.
Die drei Meridiankonturen werden jeweils in zehn Abschnitte geteilt. Der Schaufelwinkel wird zwischen Eintritt und Austritt abgestuft. Aus Abschnittslänge und lokalem Winkel entsteht eine Umfangsverschiebung; zusammen mit dem jeweiligen Radius ergibt sie die Winkelzunahme für die projizierte Schaufelkurve. Die berechneten Punkte verbinden die hydraulische Auslegung mit dem Aufbau der dreidimensionalen Schaufelfläche im CAD.
Δu = Δm / tan(β) · Δε = Δu / r
Leckageströme und volumetrischer Wirkungsgrad
Eine getrennte Berechnung betrachtet die Leckage im Ringspalt und den Durchfluss durch sechs Ausgleichsbohrungen mit 4 mm Durchmesser. Druckdifferenz, Spaltgeometrie und Reibungsansatz werden miteinander verknüpft. Reynolds-Zahl, Reibungsbeiwert und Strömungsgeschwindigkeit werden in aufeinanderfolgenden Rechenschritten aktualisiert.
Der Modellansatz ergibt rund 2,26 m³/h im Spalt und 2,30 m³/h durch die Bohrungen. Zusammen mit dem Nutzförderstrom folgen etwa 89,56 m³/h interner Volumenstrom und ein rechnerischer volumetrischer Wirkungsgrad von ungefähr 94,9 %. Das ist eine Modellgröße aus den angesetzten Randbedingungen und kein gemessener Pumpenwirkungsgrad.
Dimensionierung des Spiralgehäuses
Im Spiralgehäuse wird der aus dem Laufrad austretende Förderstrom entlang des Umfangs gesammelt. Aus einer gewählten Sammelgeschwindigkeit von etwa 9,57 m/s folgt im verwendeten Ansatz eine volle Bezugsfläche von rund 2.468 mm². Bei einem Verhältnis von Breite zu Höhe von 1 ergeben sich dafür etwa 49,68 mm je Richtung.
Das Tabellenblatt „12.28“ verteilt die Querschnittsfläche auf Umfangspositionen in Schritten von 30°. Mit Aε = (ε/360°) A360 wächst die zugeordnete Fläche mit der gesammelten Teilmenge. Aus der gewählten Breite werden Querschnittshöhe und äußerer Konturradius abgeleitet. Eine Winkelverschiebung von 12,28° sowie geometrische Korrekturen ergänzen die Positionierung der Querschnitte für die CAD-Konstruktion.
Welle und Saugverhalten in der Vorbemessung
Das Blatt „ShaftDiameter“ verbindet die hydraulische Leistung über einen angenommenen Wirkungsgrad mit Leistung und Drehmoment an der Welle. Bei 0,77 ergeben sich etwa 11,44 kW und 37,66 Nm. Ein angenommener Biegeanteil, Lastfaktoren und ein Sicherheitsfaktor führen zu einem ersten Widerstandsdurchmesser von rund 25,86 mm; im weiteren Entwurf ist ein Durchmesser von 30 mm gewählt. Dieser Ansatz ist eine Vorbemessung und keine vollständige Ermüdungs- oder Durchbiegungsprüfung.
Die Berechnung schätzt außerdem NPSHR über eine gewählte Saug-Schnelllaufzahl ab. Der Wert von etwa 3,92 m ist ein Entwurfsansatz. NPSHA = 8 m ist im Blatt vorgegeben. Die tatsächliche Sauginstallation und ein späterer Versuch müssen davon getrennt beurteilt werden.
Vom Rechenwert zur Schaufelgeometrie
Bei der Ausarbeitung des Laufrads unterteilte ich die Schaufelskelettlinie in zehn Segmente. Den Schaufelwinkel variierte ich vom Eintritt zum Austritt über diese Abschnitte. Das Profil wurde zunächst auf der Nabenkontur aufgebaut und anschließend zur Deckscheibenkontur weitergeführt. Damit wird im Projekt nachvollziehbar, wie hydraulische Entwurfsgrößen in eine räumliche Schaufelgeometrie übersetzt wurden.
Konstruktion als zusammenhängendes System
Die Baugruppen- und Explosionsdarstellungen zeigen das Zusammenwirken von Gehäuse, Laufrad, Welle und den zugehörigen Bauteilen. Schnittdarstellungen ergänzen die äußere Ansicht um die innere Anordnung. Die Zeichnungsableitung verbindet die CAD-Arbeit mit der Vorbereitung der Bauteilfertigung.
Ergebnis und Entwicklungsstand
Vorhanden sind eine ausgearbeitete hydraulische Berechnung, die 3D-Baugruppe und Fertigungszeichnungen. Die Geometrie ist ein konstruktiv ausgearbeiteter Erstentwurf. Insbesondere der vergleichsweise große Schaufelumschlingungswinkel ist Gegenstand weiterer hydraulischer Prüfung. Ein Prototyp, CFD-Ergebnisse und gemessene Kennlinien liegen für diesen Stand noch nicht vor.
Was das Projekt sichtbar macht
Der Schwerpunkt liegt auf der durchgängigen Verbindung von Berechnung, CAD-Modellierung und technischer Dokumentation. Der dargestellte Bearbeitungsstand ermöglicht eine fachliche Diskussion der Konstruktion; ein experimenteller Nachweis der Pumpenleistung ist ein nachfolgender Entwicklungsschritt.
