Experimentelle Untersuchung unterschiedlicher offener und geschlossener Kühlwasserpumpenlaufräder konventioneller Bauart

Aufgabe der Kühlwasserpumpe ist es, den für den Wärmeaustausch zwischen Bauteil und Kühlmedium notwendigen Förderstrom bereitzustellen. Die an das Kühlmedium übertragene Wärmemenge beträgt in etwa 20 – 30 % der mit dem Kraftstoff zugeführten Energie. Bei zu kleinem Förderstrom oder Förderdruck können sich örtlich Dampfpolster (Filmsieden) an heißen Bauteilen bilden, welche aufgrund ihrer isolierenden Wirkung den Wärmeübergang empfindlich beeinträchtigen und somit zur Bauteilüberhitzung führen können. Außerdem können die an kühleren Oberflächen zusammenbrechenden Dampfblasen zur Materialerosion führen (Kavitation), weswegen ihre Entstehung unbedingt vermieden werden sollte. Die Gefahr des Filmsiedens ist bei heißen Brennraumwandtemperaturen und niedriger Motordrehzahl bzw. Pumpendrehzahl, z. B. im Stand nach einer schnellen Autobahnfahrt, besonders groß. Infolge der Druckabsenkung am Laufradeintritt können ebenfalls Dampfblasen entstehen, die zu dessen Zerstörung sowie zum Abfall der Förderhöhe führen können. Auf diese Problematik wird später noch genauer eingegangen. [...]

Bei den Kreisbogenschaufeln wird zwischen Einbogen- und Zweibogenschaufeln unterschieden. Der Verlauf der Relativgeschwindigkeit ist bei Einbogenschaufeln sehr ungünstig (Bild 2.28). Zuerst erfolgt eine sehr starke Verzögerung bis unter die Austrittsgeschwindigkeit w2 und anschließend wieder eine Beschleunigung auf w2. Die zu starke Verzögerung führt zu hohen Strömungsverlusten und sollte deshalb vermieden werden, was bei Einbogenschaufeln jedoch nicht möglich ist. Wird die Schaufelform aus zwei Kreisbögen zusammengesetzt, läßt sich eine zu starke Verzögerung vermeiden, statt dessen erhält man aber eine plötzliche Beschleunigungsänderung infolge der Krümmungsänderung (Kurve b). Die hierbei auftretenden Verluste können so groß sein, daß die der Einbogenschaufeln noch übertroffen werden, weswegen sich die Konstruktion von Schaufeln aus mehreren Kreisbögen meist nicht lohnt. [...]

Die Verwendung rückwärts gekrümmter Schaufeln hat demnach einen höheren hydraulischen Wirkungsgrad zur Folge, bringt aber auch Nachteile mit sich. Bei gleicher Förderhöhe erfordert ein kleiner Winkel β2 eine größere Umfangsgeschwindigkeit, was zu größeren Radreibungsverlusten führt. Außerdem führt der höhere Spaltdruck zu größeren Spaltverlusten. Dennoch vermögen diese Verluste den Vorteil des besseren hydraulischen Wirkungsgrades nicht auszugleichen, weswegen man bei Kreiselpumpen in der Regel nur rückwärts gekrümmte Schaufeln mit Austrittswinkeln β2 = 20...40° vorfindet. Die Gründe, weshalb bei Kreiselpumpen in vereinzelten Fällen dennoch vorwärts gekrümmte Schaufeln zum Einsatz kommen, liegen zum einen in der platz- und materialsparenden Bauweise aufgrund des kleineren notwendigen Laufraddurchmessers, zum anderen in der geringeren Geräuschentwicklung der mit niedrigerer Umfangsgeschwindigkeit umlaufenden Schaufeln. [...]