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Kreiselpumpe zum Fördern von insbesondere feststoffhaltigen
Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe zum Fördern von insbesondere feststoffhaltigen Flüssigkeiten, mit einem die Ansaug- und die Drucköffnung enthaltenden, laufradfreien Wirbelraum und einem seitlich an ihn anschliessenden Laufrad, wobei durch den vom umlaufenden Laufrad geförderten Teilstrom durch hydraulische Kupplung im Wirbelraum ein Potentialwirbel entsteht und aufrechterhalten wird.
Solche Pumpen sind bekannt und eignen sich dank des freien Strömungsraumes zwischen Ansaug- und Drucköffnung, in welchem sich keine Schaufeln oder sonstige einragende Teile befinden, zur Förderung von feststoffhaltigen Flüssigkeiten, beispielsweise Abwässern. Der Hauptnachteil aller bekannten Pumpen dieser Art liegt im niedrigen Wirkungsgrad, der bei den besten bekannten Pumpen etwa 30% beträgt. Der Grund für diesen schlechten Wirkungsgrad ist unter anderem die mangelhafte hydraulische Kupplung zwischen dem Schaufelrad und der im erwähnten Strömungsraum befindlichen Flüssigkeitsmenge.
Es ist selbstverständlich, dass bei Pumpen der eingangs beschriebenen Art eine Zentrifugalbeschleunigung aller Wasserteilchen sowohl in dem mit Schaufeln besetzten Radraum als auch im seitlich der Schaufeln gelegenen Strömungsraum stattfindet. Da zwischen dem Schaufelrad und der mit ihm hydraulisch gekuppelten, im Strömungsraum befindlichen Flüssigkeitsmenge ein gewisser Schlupf besteht, wird die Zentrifugalbeschleunigung der im Radraume befindlichen Flüssigkeitsmenge stärker sein als an einer entsprechend weit von der Pumpenachse entfernten Stelle des Strömungsraumes.
Von dieser naheliegenden Tatsache ausgehend, fussten die bekannten Pumpen stets auf der Idee, die intensive Radialströmung durch das Schaufelrad aus demselben mit auswärts gerichteter Radialkomponente austreten zu lassen, so dass also praktisch die gesamte, das Schaufelrad radial durchströmende Flüssigkeitsmenge als Nutzfluss zu betrachten war. Das hatte jedoch zur Folge, dass gerade an den innen liegenden Stellen des Strömungraumes die Flüssigkeit sehr schwach beschleunigt wurde und dass daher der Nutzfluss durch den Strömungraum, der für die Förderung grober Verunreinigungen verantwortlich ist, verhältnismässig gering war.
Um dieses Verhältnis zu verbessern und eine Verstopfung der Schaufelkanäle durch einen zu intensiven Nutzfluss durch das Schaufelrad zu vermeiden, wurde denn auch zum Kompromiss gegriffen, dass die axiale Tiefe des Schaufelrades sehr gering gewählt wurde und das Schaufelrad nur mit verhältnismässig flachen, muldenartigen Vertiefungen versehen wurde, was sich zusätzlich darin auswirkt, dass eine schlechte hydraulische Kupplung zwischen dem Schaufelrad und der im Strömungsraum befindlichen Flüssigkeitsmenge stattfindet und dass ausserdem der Wirkungsgrad dieser Kupplung denkbar schlecht ausfällt.
Es wurde nun festgestellt, dass entgegen der an sich naheliegenden bekannten Auffassung die radiale Durchströmung des Schaufelrades derart vollständig umgelenkt wird, dass sie sich praktisch überhaupt nicht direkt in einem Druckaufbau am Pumpenaustritt, sondem zur Erzielung einer engen hydraulischen Kupplung zwischen dem Schaufelrad und der im Strömungsraum befindlichen Flüssigkeitsmenge auswirkt.
Dabei wird angestrebt, die Strömung durch das Schaufelrad nicht mehr als Nutzfluss aus der Pumpe austreten zu lassen, sondern scheinbar zu vernichten, indem die hohe kinetische Energie der aus dem Rad-
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raum austretenden Flüssigkeit möglichst vollständig auf die im Strömungsraum befindliche Flüssigkeitmenge übertragen wird.
Die Kreiselpumpe gemäss Erfindung ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsbegrenzung des Laufrades oder die Radkammer, zur Umlenkung des vom Laufrad nach auswärts geförderten Teilstromes, zylindrisch oder mit gegen die Radachse in der Austrittsrichtung einwärts geneigtem Austritt gestaltet ist.
Dadurch erhält das Laufrad oder die dasselbe aufnehmende Radkammer eine auf den radial nach auswärts fliessenden Teilstrom stauend wirkende konzentrische Begrenzung, derart, dass durch diese im Verein mit dem nach aussen zunehmenden Querschnitt aufweisenden Laufradkanälen ein Druckumwandlungsraum gebildet wird, in welchem die dem Teilstrom erteilte Geschwindigkeitsenergie vor Austritt aus dem Laufrade teilweise in Druckenergie umgewandelt wird, wobei die erwähnte konzentrische Begrenzung derart geformt bzw. angeordnet ist, dass der Teilstrom am Umfang des Laufrades nach innen umgelenkt wird, so dass er einen Wirbelring bildet, der die hydraulische Kupplung mit dem im Wirbelraum umlaufenden Potentialwirbel durch Eingriff in denselben herstellt.
Durch die allen hergebrachten Prinzipien widersprechende Umlenkung der Schaufelradströmungnach innen wird eine weitgehend in sich geschlossene Zirkulation im Schaufelrad und im angrenzenden Teil des Strömungsraumes erzeugt, so dass der Nutzfluss praktisch vollständig in den Strömungsraum verdrängt wird, jedoch durch die erwähnte Zirkulation mit dem Schaufelrad hydraulisch sehr eng gekuppelt ist, u. zw. nicht nur im äusseren Teil des Strömungsraumes, sondem praktisch an allen Stellen desselben. Die hydraulische Kupplung über die ganze radiale Ausdehnung des Strömungsraumes wirkt sich vor allem in zweierlei Hinsicht äusserst vorteilhaft und völlig überraschend aus.
Der Wirkungsgrad steigt gegenüber den besten bekannten Pumpen sprunghaft von 30% auf bis über 70% und die Förderhöhe übersteigt die sich aus der Umlaufgeschwindigkeit am Schaufelradumfang ergebende theoretisch mögliche maximale Förderhöhe.
In den Zeichnungen sind ein Ausführungsbeispiel sowie einige Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen Kreiselpumpe dargestellt. Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt und Fig. 2 einen Radialschnitt durch die Pumpe, Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante des Schaufelrades in Ansicht, Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Schaufelrades im Schnitt, Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Schaufelrades im Schnitt und Fig. 6 zeigt eine Stimansicht, teilweise im Schnitt, des Schaufelrades nach Fig. 5.
Das Pumpengehäuse 1 ist am Flansch eines teilweise in Ansicht dargestellten Motors 2 festgeschraubt und das Schaufelrad 3 der Pumpe ist auf das mit Gewinde versehene Ende der Motorwelle 4 aufgeschraubt und mittels einer Gegenschraube 5 gesichert. In einem Gehäuseteil 6 ist ein ringartiger Dichtungsträger 7 axial verschiebbar, aber durch einen Stift 8 gegen Drehung gesichert, durch Federn 9 belastet angeordnet, derart, dass eine im Träger 7 angebrachte Ringdichtung 10 stets satt gegen eine am Schaufelrad 3 angebrachte Ringdichtung 11 gepresst wird. Der Pumpenraum ist somit gut abgedichtet und eventuell trotzdem gegen die Motorseite durchsickernde Flüssigkeit wird in einem Ringraum 12 gesammelt und kann aus demselben abgelassen werden.
Das Schaufelrad 3 weist eine Nabe 13 und eine sich nach aussen leicht verjüngende, scheibenförmige Rückwand 14 auf. Von der Rückwand 14 ragen beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 ebene, radial stehende Schaufeln 15 nach vorne, die sich von der Nabe bis an den Radumfang erstrekken. Rückschaufeln 16 halten den Druck auf der Rückseite der Radscheibe 14 auf dem gewünschten Wert.
Das Schaufelrad 3 ist in einer zylindrischen Radkammer 17 vollständig seitlich des im Trommelgehäuse 1 gebildeten Strömungsraumes 18 angeordnet. An diesen Strömungsraum schliesst tangential ein Druckstutzen 19 an. Koaxial zur Pumpenachse bzw. zur Achse des Strömungsraumes 18 ist die Ansaugöffnung 20 angeordnet. Die Weite des Strömungsraumes 18 und des Druckstutzen 19 sind vorzugsweise so bemessen, dass eine ohne Spiel durch die Ansaugöffnung 20 einführbare Kugel an allen Stellen des Strömungsraumes 18 und durch den Druckstutzen 19 frei durchtreten kann.
Im Betrieb wird nach vollständiger Füllung des Strömungsraumes 18 mit der zu fördernden Flüssigkeit das Schaufelrad 3 in der in Fig. 2 durch Pfeil angedeuteten Richtung in rasche Drehung versetzt.
Dabei wird zunächst die in den radialen Kanälen zwischen den Schaufeln 15 befindliche Flüssigkeitmenge in Rotation versetzt und radial nach aussen beschleunigt. Ein radialer Austritt der Flüssigkeit aus dem mit Schaufeln besetzten Radraum wird jedoch durch die unmittelbar ausserhalb des Rades liegende zylindrische Begrenzungsfläche der Radkammer 17 verhindert, so dass die radial beschleunigten Flüssigkeitsteilchen vorerst im wesentlichen axial in den Strömungsraum 18 austreten werden. Dort geben sie ihre Rotationsenergie an die im Strömungsraum 18 befindliche Flüssigkeit ab und versetzen auch
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diese in Rotation.
Ist einmal die gesamte Flüssigkeitsmenge im Strömungsraum in Rotation versetzt, so wird sich am Umfang dieses Raumes ein erheblicher Überdruck aufbauen und die am äusseren Umfang im wesentlichen axial aus dem Schaufelrad austretenden Teilchen werden somit die Tendenz haben, nicht radial nach aussen, nach dieser Zone höheren Druckes, sondern nach innen gegen die Gebiete niedrigeren Druckes abzuströmen. Es wird daher ein erheblicher Anteil der durch das Schaufelrad nach aussen geför- derten Flüssigkeit ausserhalb der Schaufelkanten durch den angrenzenden Teil des Strömungsraumes 18 nach innen zurückströmen und innen émeut in die zwischen den Schaufeln 15 gebildeten Kanäle eintreten.
Es wird sich daher im Schaufelrad und unmittelbar ausserhalb desselben eine Flüssigkeitszirkulation etwa im Sinne der in Fig. 1 unten in strichpunktierten Linien angedeuteten Strömungslinien ergeben, welche Zirkulation weitgehend getrennt ist von dem durch den Strömungsraum 18 fliessenden Nutzfluss der Pumpe. Die am äusseren Ende des Schaufelrades austretenden einzelnen Flüssigkeitsströme können ge- wissermassenals in den Strömungsraum 18 eintretende Schaufeln betrachtet werden, die vor den äusse- ren Teilen des Schaufelrades praktisch mit gleicher Geschwindigkeit rotieren wie das Schaufelrad selbst und die beim Einwärtsströmen ihre Rotationsenergie an die im Strömungsraum 18 rotierende Flüssigkeitsmenge übertragen.
In dieser Weise wird eine intensive hydraulische Kupplung zwischen dem Schaufelrad und der im Strömungsraum 18 befindlichen Flüssigkeitsmenge erzielt, wobei diese Flüssigkeitmenge nicht nur aussen, sondern vor allem auch innen durch die ausserhalb des Schaufelrades einwärts strömende Zirkulation in Umfangsrichtung beschleunigt wird. Selbstverständlich werden sich aus den aus dem Schaufelrad austretenden Strömen der Zirkulation auch Teile abspalten und mit der Nutzflüssigkeit durch den Strömungsraum nach aussen fliessen.
Bei der dargestellten und beschriebenen Pumpe wird somit im Gegensatz zur Arbeitsweise bekannter ähnlicher Pumpen der Nutzfluss praktisch vollständig in den Strömungsraum verdrängt. Ein erster wesentlicher Vorteil dieser Tatsache liegt darin, dass grobe Verunreinigungen gar nicht in Beruhrung mit dem Schaufelrad kommen, sondern längs der dem Schaufelrad gegenüberliegenden Wand des Strömungsraumes nach aussen gefördert werden. Die dargestellte Pumpe weist aber auch eine ganze Anzahl weiterer, teils völlig überraschender Vorteile auf. Durch die aus den radialen Kanälen des Laufrades austretenden, als Wirbelzöpfe zu betrachtenden Teilströme wird die im Strömungsraum befindliche Flüssigkeitsmenge durch Impulsaustausch in rasche Rotation versetzt.
Ein Impulsaustausch dürfte auch in einem weiteren Sinne auftreten, indem bereits am Impulsaustausch beteiligte verzögerte Teile sogleich wieder in einen der Kanäle zwischen den Schaufeln 15 eintreten, beschleunigt und wieder in den Strömungsraum ausgeworfen werden, womit eine sehr intensive hydraulische Kupplung zwischen dem Schaufelrad und der Flüssigkeitsmenge im Strömungsraum 18 hergestellt wird. Tatsächlich werden höhere maximale Pumpendrücke erzielt, als sie theoretisch durch die Umlaufgeschwindigkeit am Umfang des Schaufelrades gegeben sind. Es wurde auch festgestellt, dass durch den äusserst intensiven Impulsaustausch gerade die äusseren Enden der Schaufeln 15 sehr stark beansprucht werden.
Es kann daher besonders zur Förderung feststoffhaltiger Flüssigkeiten von Vorteil sein, die Schaufeln zur Herabsetzung der Abnützung aus einem plastischen, nachgiebigen Material, beispielsweise Gummi, Kunststoff od. dgl. herzustellen.
Die Druckhöhe der Pumpe ist abhängig vom Durchmesser des Schaufelrades, der Schaufelzahl, der Schaufeltiefe, der Drehzahl und dem Durchmesser des Gehäuses. Die Beziehung zwischen Liefermenge und Druckhöhe ist veränderbar durch Variation des Innen- und Aussendurchmessers des mit Schaufeln besetzten Radraumes. Es wurde ein absolut geometrisches Verhalten der verschiedenen Bezugswerte festgestellt. Von besonderer Bedeutung ist die absolute Stabilität der Beziehung zwischen Liefermenge und Druckhöhe (Q-H-Charakteristik). Der Axialschub des Schaufelrades ist bei Anordnung der Rückschaufein 16 praktisch vernachlässigbar.
Die oben erwähnten vorteilhaften Charakteristiken der Pumpe gelten auch bei der Förderung von Flüssigkeiten mit hoher Stoffdichte, beispielsweise von bis zu 12'eigen Zellstoff- oder Holzschliffsuspensionen, von Gemischen mit bis zu 60 Grew.-% Sand und von Flüssig-' keiten hoher Viskosität, wie schwerem Heizöl, die besser gefördert werden als in normalen Zentrifugalpumpen.
Während beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 und 2 gerade Schaufeln dargestellt sind, können die
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spezifischen Drehzahlen rückwärtsgekrümmte Schaufeln verwenden. Die Schaufeln können ausserdem senkrecht zur Radscheibe 14 bzw. zu einer Radialebene bzw. die geraden Schaufeln gemäss Fig. 2 in Axialebenen liegen oder aber die Schaufeln knntengegenüber einer Radialebene geneigt sein. Sie können vorzugsweise etwa dreieckigen Querschnitt, d. h. an der Radscheibe 14 eine verhältnismässig breite Basis aufweisen und am freien Ende in einer Kante spitz zulaufen.
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Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. l und 2 die Umlenkung der Zirkulation im Schaufelrad durch die rein zylindrische Form der Radkammer 17 bewirkt wird, kann das Schaufelrad selbst im Meridianschnitt ein Profil aufweisen, das diese Umlenkung bewirkt. Gemäss Fig. 4 ist das Schaufelrad am Umfang geschlossen, wobei die Austrittsflächen 21 gegen die Radachse geneigt sind. Um die Ausbildung einer geschlossenen, vom Nutzfluss möglichst getrennten Zirkulation noch weiter zu unterstützen, kann gemäss Fig. 5 und 6 in das Schaufelrad ein ringförmiger Füllkörper 22 eingesetzt sein.
Es wäre auch möglich, eine möglichst stossfreie Umlenkung in ähnlicher Weise durch entsprechende Gestaltung des Gehäuses ausserhalb des Radraumes zu bewirken, indem etwa gemäss der punktierten Linie in Fig. 1 unten das Gehäuse mit einer gerundeten Vertiefung 23 versehen wird. Natürlich mässte die Gehäusewand eine entsprechend geänderte Form aufweisen. Es wäre bei einer solchen Ausführung auch möglich, die Schaufeln mit in die gerundete Vertiefung des Gehäuses eingreifenden, in Fig. l punktiert angedeuteten Flügeln 24 zu versehen, in welchem Falle allerdings das Gehäuse nicht mehr einteilig ausgeführt werden kann.
An Stelle des im Ausführungsbeispiel nach Fig. l und 2 dargestellten Trommelgehäuses könnte auch
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tet. An Stelle des in Fig. 2 dargestellten tangentialen Abgangs des Druckstutzen 19 könnte auch ein radialer Druckstutzen vorgesehen sein. Die Pumpe könnte für bestimmte Zwecke auch mit einem Leitapparat ausgerüstet werden.
Um die oben erwähnte Zirkulation im und unmittelbar ausserhalb des Schaufelrades und einen intensiven Impulsaustausch durch die erwähnten, in den Strömungsraum austretenden Wirbelzöpfe zu erreichen, sollen die zwischen den Schaufeln 15 liegenden Kanäle ziemlich tief ausgebildet sein, d. h. die Tiefe dieser Kanäle bzw. die Höhe der Schaufeln soll beispielsweise etwa gleich oder grösser sein, als der Abstand zwischen den Schaufeln am Umfang des Schaufelrades. Es besteht also eine gewisse Relation zwischen der Höhe der Schaufeln und deren Zahl, d. h. bei hohen Schaufeln kann deren Zahl entsprechend vermindert werden. Man hat also beispielsweise bei einer bestimmten Grösse des Schaufelrades die Wahl zwischen acht Schaufeln von etwa 70 mm Tiefe oder sechzehn Schaufeln von beispielsweise etwa 40 mm Tiefe.
Um die Frequenz des Impulsaustausches auf angemessener Höhe zu halten, wird auch zwischen der Drehzahl und der Schaufelzahl eine bestimmte Relation bestehen, d. h. mit zunehmender Drehzahl kann man die Schaufelzahl vermindern. Die Ausbildung des Schaufelrades wird auch etwas von der Art derzufördemden Flüssigkeit abhängen. Zur Förderung reiner Flüssigkeiten wird man verhältnismässig viel Schaufeln anordnen und zu der erzwungenen Umlenkung nach den Ausführungsformen gemäss Fig. 4 bzw.
Fig. 5 und 6 greifen, wogegen man zur Förderung stark verunreinigter Flüssigkeiten eher geringe Schaufelzahlen wählt und mit der freien Umlenkung gemäss der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 arbeitet.
Bei breitem Gehäuse bzw. breitem Strömungsraum wird man weniger Schaufeln anordnen als bei schmalem Gehäuse bzw. Strömungsraum.
Der Radraum und der Strömungsraum können statt radial auch halbaxial, d. h. durch konische Flächen begrenzt, ausgeführt sein.
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1. Kreiselpumpe zum Fördern von insbesondere feststoffhaltigen Flüssigkeiten, mit einem die Ansaug-und die Drucköffnung enthaltenden, laufradfreien Wirbelraum und einem seitlich an ihn anschlie- ssenden Laufrad, wobei durch den vom umlaufenden Laufrad geförderten Teilstrom durch hydraulische Kupplung im Wirbelraum ein Potentialwirbel entsteht und aufrechterhalten wird, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Umfangsbegrenzung des Laufrades (3) oder die Radkammer (17), zur Umlenkung des vom Laufrad nach auswärts geförderten Teilstromes, zylindrisch oder mit gegen die Radachse in der Austrittsrichtung einwärts geneigtem Austritt gestaltet ist.