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Mehrstufige Einrad-Flüssigkeitsringpumpe Die vorliegende Erfindung
betrifft eine mehrstufige Einrad-Flüssigkeitsringpumpe.
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Die bisher bekannten Bauarten von Wasserringpumpen, die als Gaspumpen
sowohl im Vakuum- als auch im Kompressorbetrieb eingesetzt werden können, enthalten
ein oder mehrere Laufräder, die exzentrisch in ihren Gehäusen gelagert sind und
beim Rotieren die Flüssigkeitsfüllung des Gehäuses in Drehung versetzen.
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Der dadurch entstehende rotierende Flüssigkeitsring beschreibt relativ
zum Laufrad gesehen eine radiale Bewegung in die Laufradzellen hinein und wieder
heraus. Dem Prinzip nach liegt also bei dieser Pumpenart eine Kolbenpumpe vor, jedoch
sind die bei Kolbenpumpen bekannten mechanischen Verdränger durch Flüssigkeitskolben
ersetzt, und die Energie des Flüssigkeitsringes ist maßgebend dafür, welche Verdichtungsleistung
der Flüssigkeitskolben beim Verdichten des Gases abgeben kann.
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Diese Energie des Flüssigkeitsringes kann durch entsprechend hohe
Drehzahl der Pumpe vergrößert werden, jedoch setzt die mit der dritten Potenz der
Umfangsgeschwindigkeit zunehmende Reibungsverlustleistung dieser Möglichkeit eine
Grenze.
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Ein weiteres Mittel, um die Verdichtungsleistung einer derartigen
Pumpe zu erhöhen, besteht darin, mehrere Stufen hintereinanderzuschalten. Diese
Möglichkeit wird gern bei Pumpen größerer Förderrnengen angewandt, erfordert aber
einen entsprechenden Bauaufwand. Dieser Aufwand wird noch besonders dadurch erhöht,
daß die Umfangsgeschwindigkeit der nachgeschalteten Räder zweckmäßigerweise größer
zu wählen ist als die der vorgeschalteten Räder, weil das zu verarbeitende Gasvolumen
bei gleichbleibendem Gewicht von Stufe zu Stufe entsprechend dem mit der Vorstufe
jeweils erreichten Verdichtungsverhältnis kleiner wird. Damit nimmt auch die rotierende
Flüssigkeitsmenge von Stufe zu Stufe ab, weil ja die nachgeschalteten Stufen entsprechend
kleinereArbeitsräume erhalten müssen. Andererseits sind die Verdichtungsleistungen
der verschiedenen Stufen einander etwa gleich, so daß von dem jeweiligen Flüssigkeitsring
in jeder nachgeschalteten Stufe eine erhöhte spezifische, d. h. eine auf die rotierende
Flüssigkeitsmenge bezogene erhöhte Leistung aufzubringen ist. Dieser Forderung entspricht
die Vergrößerung der Umfangsgeschwindigkeit der Flüssigkeitsringe in den nachgeschalteten
Stufen.
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Es liegt auf der Hand, daß ein derartiger Aufwand dieHerstellung von
Flüssigkeitsringpumpen für kleine Fördermengen und relativ hohe Drücke unverhältnismäßig
kostspielig macht. Es gibt zwar eine Möglichkeit, auch bei geringerem Bauaufwand
zweistufige Flüssigkeitsringpumpen für geringe Fördermengen zu bauen, indem man
den Flüssigkeitsring zweimal am Umfang des Laufrades radial aus- und wieder eintreten
läßt und die dadurch geschaffenen zwei Arbeitsräume hintereinanderschaltet. Der
erstrebte Erfolg ist aber aus folgenden Gründen unbefriedigend.
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Der zweite dieser beiden Arbeitsräume ist entsprechend dem im ersten
Arbeitsraum erzielten Verdichtungsverhältnis kleiner auszuführen. Das ist zwar leicht
dadurch möglich, daß die Ausbauchung des Gehäuses im Gebiet des zweiten Arbeitsraumes
in bekannter Weise entsprechend kleiner gewählt wird als die im Gebiet des ersten
Arbeitsraumes (s. deutsche Patente 672383 und 689 970). Das hat aber zur
Folge, daß die Umfangsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsringes in dem zweiten Arbeitsraum
kleiner ist als die im ersten Arbeitsraum, weil der Flüssigkeitsring nicht so weit
radial nach außen tritt. Auch eine Vorkrümmung der Schaufeln, durch die die Umfangsgeschwindigkeit
des Flüssigkeitsringes beim Verlassen des Schaufelrades erhöht werden kann, ist
nicht der richtige Weg, um lediglich die Leistungsfähigkeit der Pumpe im zweiten
Arbeitsraum zu erhöhen, weil diese Maßnahme ja auch der Pumpe im ersten Arbeitsraum
zugute kommt.
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Eine bekannte Möglichkeit, die Leistung der Pumpe im zweiten Arbeitsraum
gegenüber der im ersten Arbeitsraum zu erhöhen, besteht darin, den Flüssigkeitsring
im zweiten Arbeitsraum ebenfalls möglichst weit radial (unterUmständen nochweiter
als im ersten Arbeitsraum) nach außen treten zu lassen. Damit aber der für das Ansaugen
des Gases beim Austreten der Flüssigkeit aus den Schaufeln freigegebeneZellenraum
im Gegensatz zu dem des ersten Arbeitsraumes relativ klein bleibt, läßt man den
Flüssigkeitsring im Bereich des zweiten Arbeitsraumes nicht auf der gesamten Breite
des Laufrades austreten, sondern nur in einem schmalen Bereich. Durch diese Maßnahme
erhält die radial weit nach außen tretende Flüssigkeit entsprechend der zunehmenden
Umfangsgeschwindigkeit eine (mit dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit) erhöhte
Energie
aufgezwungen gegenüber der in den deutschen Patenten 672383 und 689970 beschriebenen
Möglichkeiten. Wenngleich diese zuletzt beschriebene Ausführung eine wesentliche
Verbesserung gegenüber der in den angeführten Patenten beschriebenen Bauweise bedeutet,
so ist doch die Wirkungsweise einer derartigen Pumpe angesichts der nachstehend
aufgeführten Mängel weiterhin unbefriedigend.
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Die im Bereich des als zweite Stufe wirkenden Arbeitsraumes aus dem
Laufrad hinausgeschleuderte Flüssigkeitsmenge ist aus den bereits erwähnten Gründen
etwa umgekehrt proportional dem Verdichtungsverhältnis der ersten Stufe kleiner
als die außerhalb des Rades im Arbeitsraum der ersten Stufe strömende Flüssigkeitsmenge.
Die Ausbauchung des Gehäuses im Bereich der zweiten Stufe wird, um die erforderliche
Steigerung der Umfangsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsringes zu erreichen, weiter
radial nach außen geführt werden müssen als die im Bereich der ersten Stufe; dagegen
muß sie in axialer Richtung entsprechend schmal festgelegt werden. Durch diese beiden
Gegebenheiten entsteht im Bereich der zweiten Stufe eine im Verhältnis zu der in
der Ausbauchung (außerhalb des Laufrades) strömenden Flüssigkeitsmenge große benetzte
Oberfläche. Diese große spezifische Oberfläche verzehrt einen erheblichen Teil der
Strömungsenergie des Flüssigkeitsringes, wodurch in gleichem Maße die Verdichtungsleistung
der Pumpe beeinträchtigt wird. Die Leistung der zweiten Stufe und damit der in dieser
Weise ausgeführten Pumpe bleibt daher unbefriedigend.
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Die Erfindung bezweckt nun die Verbesserung der Leistung einer -doppelt
wirkenden Flüssigkeitsringpumpe, bei der beide Arbeitsräume hintereinandergeschaltet
sind und bei .der außerdem die Breiten der Arbeitsräume, in axialer Richtung gemessen,
verschieden sind und der zweite Arbeitsraum schmaler als die Laufradbreite ist.
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Das Neue und Fortschrittliche gegenüber den bisher bekannten Ausführungen
besteht darin, daß der Flüssigkeit bei ihrem Eintreten in die Ausbauchung des zweiten
Arbeitsraumes eine besonders hohe Energie dadurch erteilt wird, daß der Winkel a,
den die radiale Verlängerung des einzelnen Flügels mit der an den Laufradumfang
anzulegenden Tangente bildet, über die Laufradbreite betrachtet, unterschiedlich
gewählt wird, und zwar zweckmäßig derart, daß die Laufradflügel in dem schmalen
Bereich der Ausbauchung des zweiten Arbeitsraumes eine stärkere Vorkrümmung aufweisen
als in ihrer übrigen axialen Erstreckung.
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Es ist offensichtlich, daß die Energie der in die Ausbauchung der
zweiten Stufe hineingeschleuderten Flüssigkeit durch diese Maßnahme wesentlich erhöht
wird.
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Durch diese erfindungsgemäß vorgeschlagene Maßnahme läßt sich also
ohne nennenswerten zusätzlichen Bauaufwand eine zweistufige Flüssigkeitsringpumpe
mit nur einem Laufrad herstellen, die hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit die
bisher bekannten Bauarten wesentlich übertrifft.
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Die Erfindung ist in den Figuren beispielsweise veranschaulicht. Fig.
1 ist ein schematischer Axialschnitt einer Ausführungsform der Erfindung. Fig.2
bis 9 sind verschiedene schematische Querschnitte zu Fig. 1.
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnet in den Figuren gleiche Teile.
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Das Laufrad 1 rotiert in dem außermittig angeordneten Gehäuse 2 und
bringt die in der Pumpe befindliche Flüssigkeitsmenge zum Rotieren. In bekannter
Weise wird durch den Saugschlitz 3 das zu verdichtende Gas angesaugt, komprimiert
und durch den Druckschlitz 4 ausgehoben. Druckschlitz 4 der ersten und Saugschlitz
5 der zweiten Stufe sind miteinander verbunden, so daß das in der ersten Stufe verdichtete
Gas durch den Sangschlitz 5 wieder in das Laufrad eintritt, sodann weiter verdichtet
und endgültig durch den Druckschlitz 6 der zweiten Stufe aus der Pumpe ausgeschoben
wird.
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Die in den Fig. 2 bis 9 gezeichneten Schnitte lassen den Verlauf der
Ausbauchungen der beiden Arbeitsräume erkennen.
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Während innerhalb des Arbeitsraumes der ersten Stufe die Ausbauchung
des Gehäuses auf der gesamten Laufradbreite erfolgt, ist sie innerhalb des Arbeitsraumes
der zweiten Stufe nur in einem schmalen Bereich vorgesehen.
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Entsprechend diesem schmalen Bereich der Ausbauchung im zweiten Arbeitsraum
ist der einzelne Flügel des Laufrades auf einer axialen Erstreckung ca schärfer
in Drehrichtung vorgekrümmt als in den an den Stirnseiten des Laufrades liegenden
Bereichen. Dadurch ergibt sich ein für die zweite Stufe wirksamer Flügelwinkel u,
während der für die Energie der Flüssigkeit im ersten Arbeitsraum maßgebende Winkel
a größer ist.