Zentrifugalpumpe. Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Zentrifugalpumpe. Sie ist dadurch ge kennzeichnet, dass durch Vergrösserung der Breite der Laufradkanäle vom Eintritt zum Austritt im Azialschnitt gesehen die Kanal querschnitte nach dem Austritt hin zuneh men, zum Zwecke, durch Ablösung im Kanal eine Unterdruckzone zu erzwingen und da durch gashaltige Fördermedien in allen prak- tiseh vorkommenden Konsistenzen fördern zu können.
Beiliegende Zeichnung zeigt einige bei spielsweise Ausführungsformen des Latürades der Pumpe gemäss der Erfindung.
Fig.1 und \? stellen in Quer- und Längs- sehnitt ein Laufrad zeit drei Schaufeln dar. Fig.3 ist ein Querschnitt durch ein so genanntes offenes Laufrad mit zwei überste benden Schaufeln, und Fig. 4 stellt eine Pumpenanlage für stark schaumbildende Flüssigkeiten dar.
Im Atialsehnitt der Fig-. 2 erweitert sich der Laufradkanal in der Atialriehtung bis auf eine Austrittsbreite hl, so dass der zwi schen zwei Schaufeln 1. liegende Kanal eine derartige Quersehnittszunahme aufweist, dass infolge derFlüssigkeitsströmung eineAblösung des Flüssigkeitsstromes vom Schaufelriicken und dadurch ein verstärkter Unterdruck er zwungen wird.
Die Formgebung der drei Schaufeln 1 richtet sich nicht nur nach rein hydraulischen Gesichtspunkten, sondern auch nach der Beschaffenheit des Fördergutes. Die Eintrittskanten 3 der Schaufeln liegen teil- weise in dem durch die beiden in Fig. '3 durch die punktierten Mantellinien 10 angegebenen zylindrischen Axialrarrm des Rades. Sie kön nen in einer andern Ausführungsform auch ganz in diesem Raume liegen. Der Durchlauf- querschnitt kann sich vom Eintritt 2 bis zu den Eintrittskanten 3 verengen.
Die Arbeitsweise des Laufrades soll im folgenden an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert werden.
Bei den klassisehen Kreiselpumpen waren die Verhältnisse immer so, dass Fremdkörper in der Förderflüssigkeit, wie z. B. Diekstoffe oder Suspensionen, infolge ihrer Trägheit und ihrer äussern Reibung in der kurzen Durch- strömzeit durch den Schaufelkanal zu wenig beschleunigt wurden. Die kleineren Geschwin digkeiten im gezeigten Laufrad schaffen nun aber die für die Förderung von Fremdkör pern notwendigen Bedingungen.
Das Querschnittverhältnis zwischen Schau felkanaleintritt 3 und -austritt 4. kann bis zu 1:10 betragen, wobei dieses Verhältnis sehr stark abhängig ist vom Luftgehalt des Fördergutes oder von der Konzentration des zu fördernden Diekstoffes. Durch eine Reduk tion der Sehaufelzahn und/oder entsprechende Formgebung der Schaufeln 1 kann dieses Ver hältnis stark geändert werden.
Würde das in Fig.1 und 2 dargestellte Laufrad nach den bisher üblichen hydrau- lisehen Gesichtspunkten konstruiert, so er hielte es eine Austrittsbreite b, also den in Fig.2 in strichpunktierten Linien angegebe- neu A-xYialschnitt, und hätte sieben bis nein Schaufeln.
Angenommen, die Flüssigkeitsfläche E (Fug. 1 und 2) werde in Richtung des Pfeils (Fug. 1) in Rotation versetzt. Unter der Ein wirkung der Zentrifugalkräfte hat dann die flüssige Fläche I,' das Bestreben, aus dem Laufrad auszutreten. Diese Flüssigkeitsfläche muss aber sofort durch nachströmende Flüs sigkeit ersetzt werden.
Infolge des sehr grossen Unterschiedes in den Querschnittflächen von Ein- und Austritt des Schaufelkanals kann die Flüssigkeit aber nicht so rasch nachströ men, dass die Eintrittsmenge der tatsächlich möglichen Austrittsmenge entsprechen würde. Infolge dieses ungenügenden Nachströmens von Flüssigkeit tritt am Schaufelrücken eine Ablösung auf, das heisst es entsteht ein Va kuumraum R (Fig.1), durch welchen die Saugwirkung des Rades erhöht wird.
Aus dem Flüssigkeitsstrom, der nur am Schaufelbauch anliegt, -wird durch Ejektorwirkung ein Teil der Luftblasen in die Vakulim(Unterdruck-)- zone R abgesaugt. .
Für die sieh im Laufrad einstellenden Strömungszustände, welche die Luftmitförde- rtuig ergeben, sind die nach aussen sich erwei ternden Laufradbreiten des Axialschnittes (Fig.2), die negative Schaufelüberdeckung (Fug. l) und die Laufraddrehung massgebend. Es ist aus der Strömungslehre wirklicher Flüs sigkeiten bekannt, dass Formgebungseinflüsse (z.
B. die Hintereinanderschaltung zweier senkrecht zueinander angeordneter 90 -Bogen zu einem Raumkrümmer oder die tangentiale [Umfangs-] Einströmung in ein Rohr beim Zyklonabscheider) oder Grenzschichtbedin- g@.mgen (z. B. im einfachen Rohrbogen oder im Spiralgehäitse von Kreiselplumpen) zu Se- kundärströmungen Anlass geben.
Diese Sekun därströmungen überlagern sich der Transport- strömung, so dass daraus schraubenförmige Gesamtströmungen resultieren, die im weite ren Verlaufe der Strömung infolge der Rei bung wieder in gewöhnliche Transportströ- mungen abklingen.
Die Gesetzmässigkeiten solcher Gesamtströmungen lassen sich aus einer idealisierten Strömung ableiten, welche aus der Überlagerung einer Zirkulationsströ- mung um einen isolierten Wirbelfaden (Stab wirbel) und einer in der Richtung der Wir belfadenachse liegenden Transportströmung entsteht. Im Wirbelkern (= Wirbelfaden oder Stabwirbel) herrscht dabei der tiefste Druck.
Er ist befähigt, Dampf- oder Luftblasen mit zuführen, da er mit konstanter Winkel geschwindigkeit rotiert, seine Teilchen also nicht mehr den Gesetzen der Zirkulations- strömung unterliegen, die sich ausserhalb des Wirbelfaden(Kern-)querschnittes einstellt.
Solche Schrauben(Drall-)strömungen be sitzen aber noch die Eigenschaft, da.ss sie sich in stetig erweiterten, geradlinigen Kanälen (Diffusoren) nicht so leicht von der Wand ablösen wie drallfreie Strömungen (daher grössere Erweiterungswinkel zulassen und bes sere Wirkungsgrade für die Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck ergeben) lind sich auch bei plötzlich erweiterten Kanalströmun gen früher an die Wand des erweiterten Quer schnittes anlegen als eine drallfreie Transport strömung.
Beim vorliegenden Laufrad stellt sich nun durch die besondere Formgebung des Lauf rades im Axialschnitt (Verbreiterung von den Kanten 3 bis zum Austritt, eventuell mit vor angehender Verengung vom. Eintritt 2 bis zu den Kanten 3), durch die Lage der Schaufel eintrittskante, durch die negative Schaufel überdeckung, durch Grenzschiehteinflüsse und durch Zentrifugahvirkungen wegen des La.uf- radumlaufes in jedem Lalüradkanal zwischen dem Ablöseraum R und dem nachfolgenden Schaufelbauch eine schraubenförmige Strö mung ein,
wie dies versuchsmässig festgestellt wurde. Man kann sich dies versinnbildlichen, wenn man beachtet, dass sich die Strömung im Laufradkanal unmittelbar nach der Um lenkung in die radiale Richtung von der saug seitigen Laufraddeckscheibe und von der Schaufelrückseite ablöst.
Ist der Ablöseraum R voraussetzungsgemäss mit Luft gefüllt, so würde sich die Strömung an der freien Ober fläche in bekannter Weise unmittelbar nach der Ablösung bei ruhendem Kanal in ent gegengesetzter Richtung zur Transportströ- mutig einrollen (Wirbelwalzenbilclutig). Durch die zentrifugale Wirkung infolge des Lauf- radumlaufes@ wird nun. dieses Einrollen der Strömung zxt dem sonst üblichen Wirbel un terbunden.
Es entsteht vielmehr ein Hufrollen (Umschlagen) in der Richtung der Transport strömung unter dem Einfluss der Zentrifugal kraft. Diese Seknndärströxniuigsfortn ergibt nun bei ihrer Uberlageruno, über die Trans- portstrÖmung entlang der Sehaufelv order- f_iäche die geschilderte\sehraubenförmio-e Strö mung.
Diese weist ähnliche Eigenschaften auf, wie dies bei Drallströmungen in geraden, ru henden Kanälen bekannt ist, also Luftmit- nahtnefähigkeit im. Kernraum und infolge der ihr innewohnenden Eigendrehung (Sehratt- hun;) die Fähigkeit, sieh wegen des ausser halb des Laufrades in Umlauf befindlichen Wasserringes unmittelbar vor dem Austritt auf den ganzen Kanalaustrittsquerschnitt (in allen Kanälen spielt sich der gleiche Vorgang ab) zu verbreitern.
Es tritt also unmittelbar vor dem Laufrad austritt ein ähnlicher Wassersprung auf, wie dies nach einer plötzlichen Erweiterung in einem geraden Kanal bekannt ist. Solche Sprungstellen der Strömung sind aber (wie dies z. B. bei Wasserstrahl-Luftpumpen be kannt ist) imstande, durch die sich in der Grenzfläche Wasser-Luft einstellenden Misch vorgänge Luft abzufördern.
Die -esehilderten Strömungsvorgänge kön nen, da sie räumlicher Art sind, in der ebenen Darstellung- der Für. l nicht. wiedergegeben werden.
Ein Teil der Luft. wird vom Wasser phy - sikaliseh bis zum Sättigungswert gelöst, ein Teil wird feinverteilt in das das Laufrad um- oebende Gehäuse gefördert.
Der Vorteil der ili den Fig. 1 und 2 gezeigten Radausbildung besteht daher darin, trotz Luftzutritt in das Kaufrad eine stabile, nicht abreissende Flüs- sigkeitsströmung zu erhalten, was bei den Laufrädern der bisherigen verschiedensten Zentrifugal- und Kanalradpumpen nicht der Fall war.
Der gleiche Vorgang stellt sieh auch bei der Mitführung von Dampfblasen ein. Bei der Mitnahme der Dampfblasen im Kern der schraubenförmigen Transportströmung sowie der Mischung an der äussern Radumfangszone von R sind die Dampfblasen allseits vom Was ser um=eben. Bei der Kondensation in Gebie ten höheren Druckes tritt dabei wohl das Kavitationsgeräusch auf, infolge der ringsum vom Wasser umschlossenen Dampfblasen kann aber keine Kav itationszerstörung an den Ka nal- oder Schaufelflächen entstehen.
Aus obigem wird verständlich, dass mit dem gezeigten Laufrad z. B. lufthaltige Flüs sigkeiten ohne Schwierigkeiten gefördert wer den können. Das bisher so gefürchtete Ein dringen von Luft in Zentrifugalpumpen bil det nun keinen Nachteil mehr.
Dank der geringen Schaufelzahl und der dadurch bedingten grossen Kanalquerschnitte können die Radinnen- und die Schaufelflächen sauber bearbeitet -erden. Dies reduziert den Reibungswiderstand im Laufrad und erhöht den hydraulischen Wirkungsgrad der Pumpe.
Dank der oben geschilderten. -N#@Tirkuno@ im Rade ist eine positive Schaufelüberdeeli#unf.;@ nicht mehr notwendig. Es ist im Gegenteil für die Förderung lufthaltiger Substanzen von Vorteil, eine um den Winkel a negative Schau felüberdeckung zu wählen, denn dadurch kann zusammen mit. der Radverbreiterung zum Austritt die Luft mitgefördert werden.
Vergleichende Versuche mit. einem gezeig ten und einem Laufrad bisheriger Bauart. ha ben ergeben, dass ersteres bezüglich hy drau- lisehem @V irkungsgrad und Förderhöhe dein letzteren gleichwertig ist.
Bis heute scheiterte die Förderung von schaumbildenden, savonnierenden Flüssigkei ten oder Dickstoffen mittels Zentrifugalpum- pen daran, da.ss beim Eintritt, der Substanz in das Laufrad der Schaum abgestossen wurde und dann auf der Ansaugseite einen Schaum zapfen bildete, der eine weitere Förderung verhinderte.
Beim beschriebenen Laufrad hin gegen wird der Schaum bei verhältnismässig kleinen (Tesehwindi,keiten in den Bereich der Schaufeln gesaugt und in den Schaufelkanä len wird die Luft von der Unterdruckzone aufgenommen, während die fast luftfreie Flüs- sigkeit der Schaufeloberseite entlang strömt. Bei sehr starker Schaumbildung besteht auch die Möglichkeit, die Pumpe mit dem beschrie benen Laufrad bei offen liegendem und nur zum Teil vom Fördermittel erfüllten Einlauf querschnitt laufen zu lassen. Das heisst, dass die eintretende Flüssigkeit (z. B. Schaum) nur einen Teil des Eintrittsquerschnittes des Saugstutzens ausfüllt.
Dies ist in Fig. 4 ver anschaulicht, wo eine Rinne 6 das Fördergut 13 zum Saugstutzen der Pumpe 8 leitet. Da im Schaum der Quotient Luft/Flüssigkeit = 100:1 oder noch grösser ist, fällt also mehr Luft im Laufradeintritt an, als das Laufrad zu verarbeiten imstande ist. Im Laufrad wird zuerst Flüssigkeit und Luft getrennt, wobei die Luft in den Vakuumraum R wandert.
Für die über das Fördervermögen des Rades hin ausgehende Luftmenge muss also die Möglich keit des saugseitigen Entweichens der über schüssigen Luft gegeben werden, was durch den nur zum Teil gefüllten Saugstutzenquer- schnitt gewährleistet ist. Dadurch wird eine kontinuierliche, stossfreie Förderung erzielt.
Hochkonzentrierte Dickstoffe setzen ihrer Förderung mittels Zentrifugalpumpen beson dere Schwierigkeiten entgegen. Bei diesen ver drängen die Eigeryschaften des beigegebenen Fremdstoffes, z. B. Zellstoff, Holzschliff, Kar- toffelpülpe, Spinat, Tomatenpuree usw., die Eigenschaften der Flüssigkeit fast ganz. Innere und äussere Reibungen werden bedeu tend erhöht und in gleichem Masse gehen die Fliesseigenschaften zurück. Oft ist ein be deutender Prozentsatz des geförderten Stoffes Luft.
So sind diese Dickstoffe mehr oder we niger elastische Flüssigkeiten oder Pasten, die ganz andere Fliesseigenschaften haben als Wasser. In der Tat zei-en denn auch solche Dickstoffe durch ihr Verhalten in Zentrifugal pumpen bisheriger Bauart, dass sie sich in folge ihrer Trägheit und Reibung als Förder- gut nicht mehr mit Wasser vergleichen lassen. .Aus obigen Darlegungen über die Wirkungs weise des beschriebenen Laufrades erkennt man, dass dieses ohne weiteres in der Lage ist, solche hoehkonzentrierte Dickstoffe zu för dern.
Flüssigkeiten, die faserige, breiige und knollige Feststoffe enthalten, erheischen eine besondere Ausbildung von Ein- und Austritts kanten sowie eine entsprechende Wahl der Schaufelkanalquerschnitte, um ein Hängen bleiben und ein Verstopfen der Kanäle zu vermeiden.. Diesen Bedingungen kann das be schriebene Laufrad sehr leicht genügen. Stark abgerundete Schaufeleintrittskanten ohne tote Ecken verhindern ein Hängenbleiben von Fa sern. Die durch die geringe Schaufelzahl sich ergebenden grossen Eintrittsquerschnitte gestatten selbst grossen Fremdkörpern den Durchtritt.
Bei verhältnismässig kleinen Ein- und Austrittsgeschwindigkeiten und entspre chend grossen Querschnitten können knöllen- artige Feststoffe ohne Beschädigung gefördert werden. Gerade bei solchen knollenartigen Sulystanzen ist eine grosse Saugwirkung be sonders notwendig, das beschriebene Laufrad also besonders geeignet.
Die Luftmitförderung, ihre Lösung und Kompreäsion erfolgt im Laufrad. Sie ist nicht an eine bestimmte Gehäuseform gebunden. Es ist gleichgültig, ob ein Spiralgehäuse oder ein rotationssymmetrisches Gehäuse vorgesehen wird. Im allgemeinen schreiben die Eigen schaften der zu fördernden Flüssigkeit . die Zweckmässigkeit der einen oder andern Ge häuseform vor.
Das beschriebene Laufrad kann entweder horizontal oder vertikal gelagert werden. Eine Entlüftung des Pumpengehäuses vor dem Anlassen der Pumpe ist bei Verwendung eines beschriebenen Laufrades nicht. notwen dig, denn dieses ist selbstansaugend.
Das Laufrad kann auch zur Förderung von Wasser gebraucht. werden. Bei kleinen Schaufelzahlen und kleinen Wassergeschwin digkeiten im Laufrad werden die Reibungs verluste verringert, und es wird infolgedessen der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe erhöht.
Genügt der in einem einzigen Laufrad er zeugte manometrische Druck nicht, so kann die Pumpe mehrstufig gebaut und mit einem beschriebenen Laufrad als Zubringerrad aus gerüstet werden. Die andern Stufen können z. B. für Reinwasserförderimg, Kondensatför- derung usw. bisher bekannte Laufräder auf weisen.