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Die Erfindung betrifft eine strömungsführende Einrichtung einer Strömungsmaschine, wobei die Einrichtung ein Schaufeln aufweisendes, als Profilteil ausgeführtes zentrales Teil umfasst.
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Eine solche strömungsführende Einrichtung ist aus der
DE 10 2007 027 370 A1 als ein aus einem einzigen Blechschnitt gebogenes Blechlaufrad bekannt. Zur Befestigung auf einer Welle wird ein zwischen den Schaufeln befindlicher Materialbereich zu deren Rückseite hin umgebogen. Nachteilig bei dieser Ausführung ist jedoch, dass die Befestigung der Schaufeln an der Welle sehr instabil ist.
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Die
GB 1 140 334 A beschreibt ein Laufrad, bei dem die Laufradschaufeln durch Umformen einer Blechscheibe gebildet werden. Zwischen den Schaufelflächen der Blechscheibe sind Verbindungsmittel ausgeformt, an denen wiederum zur Bildung abgedeckter Schaufelkanäle zwei Deckscheiben befestigt sind. Ein solches Laufrad erfordert einen hohen Materialeinsatz.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine strömungsführende Einrichtung zur Energieübertragung, umfassend ein Schaufeln aufweisendes zentrales Teil einer Strömungsmaschine, weiterzuentwickeln, wobei die Montage stark vereinfacht und der Materialeinsatz reduziert sein soll. Des Weiteren liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen zentralen Teils zu entwickeln.
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Die Lösung dieses Problems sieht bei der strömungsführenden Einrichtung vor, dass das Profilteil als ein Abschnitt eines Strangprofils ausgebildet ist. In Abhängigkeit von einer Betriebs-Anforderung wird von einem Strangprofil ein entsprechend langer Abschnitt abgetrennt, der das funktionswesentliche zentrale Teil zur Herstellung der genannten strömungsführenden Einrichtung darstellt. Aus einem beliebig langen Strangprofil lassen sich zahlreiche Abschnitte herstellen, die beispielsweise zu Laufrädern gleicher oder unterschiedlicher Breite verarbeitet werden.
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Bei dem Profil wird zwischen einem Tragbereich und mindestens einem Schaufelbereich unterschieden, wobei die Schaufelbereiche radial abstehend am Tragbereich angeordnet sind. Die Schaufelbereiche bilden je nach vorgegebenem Profil die späteren Schaufeln eines abgeschnittenen Profilteils in einer hydraulisch vorteilhaften Form aus. Der Verbindungsbereich zwischen dem Tragbereich und dem Schaufelbereich wird als Fußpunkt bezeichnet.
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Die Anordnung der Schaufeln ist besonders vorteilhaft, wenn zwischen einem durch den Fußpunkt der Schaufel laufenden Radialstrahl des Tragbereiches und einer Tangente der Mittellinie des Schaufelbereiches im Fußpunkt ein positiver oder negativer Winkel β zwischen 0° und 75° ausgebildet ist, insbesondere zwischen 0° und 45°. Winkelvorgaben in diesem Bereich führen zu vorteilhaften hydraulischen Eigenschaften bei einer Strömungsmaschine.
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Eine Verbesserung der hydraulischen Eigenschaften der Strömungsmaschine lässt sich erzielen, wenn der Schaufelbereich ganz oder teilweise einen bogenförmigen Verlauf aufweist. Dadurch wird die Energieübertragung in der Strömungsmaschine verbessert.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Strangprofil durch Strangpressen, Umformen oder spanende Bearbeitung hergestellt. Das Strangprofil kann als Strangpressteil plastisch geformt oder aus einem länglichen Halbzeug spanend oder durch Umformung herausgearbeitet werden. Beim Strangpressen ergibt sich beispielsweise der Vorteil, dass die Positionen der Schaufeln durch eine formgebende Matrize dauerhaft und sehr präzise festgelegt sind. Insbesondere bei mehreren Schaufeln kann deren Form und Anordnung durch das Strangpressen genau festgelegt werden. Von Vorteil ist dabei, dass sich das Halbzeug zur Herstellung der strömungsführenden Einrichtung, nämlich das Strangprofil, in Abhängigkeit vom Material und der Geometrie des Profils auf die jeweils vorteilhafteste Weise herstellen lässt.
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Zur Verbesserung der hydraulischen Eigenschaften ist es vorteilhaft, wenn am Profilteil die Schaufeln in einem gewissen Winkel zur Fließrichtung des Mediums stehen. Damit die Schaufelbereiche eines Profilteils bereits den notwendigen Anstellwinkel in axialer Richtung aufweisen, wird in einer weiteren Ausführungsform das Strangprofil bei der Herstellung gewendelt ausgeführt. Bei Verwendung eines gewendelten Strangprofils ist eine Nachbearbeitung des abgeschnittenen Profilteils nicht mehr oder nur noch in geringem Umfang notwendig.
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Die Wahl des Torsionswinkels α, mit dem das Strangprofil gewendelt wird, ist stark abhängig von der späteren Anwendung. Im einfachsten Fall wird man einen festen Torsionswinkel α für das gesamte Strangprofil mit beliebiger Länge vorsehen. Die einzelnen Abschnitte weisen dann eine einheitliche Schaufelstellung auf, unabhängig von der Länge des Abschnitts.
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Eine weitere Verbesserung der hydraulischen Eigenschaften lässt sich erzielen, indem man bei der Herstellung des Strangprofils bereits die Wendelung mit variablem Torsionswinkel α ausführt. Für die Länge der einzelnen Abschnitte wird dem Strangprofil ein festes Muster wiederkehrend aufgeprägt. Werden die vordefinierten Abschnitte vom Strangprofil abgetrennt, so erhält man geometrisch ähnliche Schaufeln mit der vorteilhaften Geometrie.
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Der Torsionswinkel sollte bei den Strangprofilen im Bereich zwischen 0° und 75° liegen, insbesondere zwischen 25° und 45°, so lassen sich die Anstellwinkel der Schaufeln optimal auf die hydraulischen Anforderungen anpassen.
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Zur weiteren Verbesserung der hydraulischen Eigenschaften ist den einzelnen Schaufeln bei der Herstellung des Strangprofils, beispielsweise durch Wahl einer entsprechenden Strangpressmatrize, eine gewundene Form gegeben. Ebenso kann diese den einzelnen Bauteilen durch Umformung gegeben werden. Das Umformverfahren wird auf den verwendeten Werkstoff angepasst. Für das Strangprofil sind außerdem Schaufelformen realisierbar, bei denen die Schaufeln am Fußpunkt breiter oder schmaler werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Tragbereich Verbindungsbereiche zu anderen Bauteilen der Strömungsmaschine auf. Von Vorteil ist dabei, dass eine Drehmomentübertragung mittels gängiger Verbindungstechniken erfolgen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Verbindungsbereich des Tragbereichs als Nabe ausgebildet. Die Nabe kann in vorteilhafter Weise inklusive der Einbringung einer Verdrehsicherung jedweder Art, wie Passfeder-Nuten oder Verzahnungen, bereits durch die Strangpressmatrize abgebildet werden. Eine nachträgliche Bearbeitung des Abschnitts, beispielsweise das Bohren der Nabe, entfällt. Das erfindungsgemäße Bauteil kann direkt ohne weitere Nachbearbeitung auf eine Welle gefügt werden, wodurch eine einfache und kostengünstige Herstellung und Montage ermöglicht ist.
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Alternativ hierzu lässt sich bei dem Tragbereich des Profilteils als Verbindungsbereich eine Welle oder ein Wellenzapfen ausbilden. Hierzu wird beim Strangpressen ein Profil hergestellt, dessen Haltebereich als zylindrischer Kern ausgebildet ist. Die gewählte Länge eines Abschnitts umfasst den Bereich mit den Schaufeln und den angrenzenden Bereich der Welle. Mit einem Bearbeitungsschritt werden in dem Bereich der Welle die Schaufelbereiche entfernt, beispielsweise durch abdrehen, schneiden, umbiegen oder ähnliches. Von Vorteil ist hierbei, dass das derart entstandene Bauteil aus Welle und Schaufeln einstückig ausgebildet ist, wodurch seine Stabilität erhöht wird.
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Ebenso ist es vorteilhaft, die Länge der Welle so zu wählen, dass zwischen dem Antrieb und dem Laufrad eine Abdichtvorrichtung, insbesondere eine Gleitringdichtung, anordenbar ist. Von Vorteil ist hierbei, dass auf dem einstückigen Bauteil bereits der notwendige Bauraum für die Abdichtung vorgesehen wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Strangprofil aus Kunststoffen, oder hochgradig, mit verschiedenen Werkstoffen, gefüllten Kunststoffen hergestellt. Von Vorteil ist hierbei, dass diese standardmäßig in Extrudern verarbeitet werden und hohe Oberflächenqualitäten und Maßhaltigkeiten zu erreichen sind. Das Strangprofil ist auch aus metallischen Knetlegierungen herstellbar. Diese sind ebenfalls für eine Bearbeitung im Extruder geeignet und ermöglichen verschiedene Formen der Nachbearbeitung.
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Zudem können die hochgradig gefüllten Kunststoffe auch durch Behandlungen, wie einen Ausgasungs- oder Sinterprozess, in einen keramischen, glasartigen oder metallischen Werkstoff oder Werkstoffverbund umgewandelt werden. Eine weitere Behandlung, wie die Infiltration des umgewandelten Werkstoffes zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften, kann ebenfalls zweckmäßig sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist an dem Profilteil mindestens ein strömungsführendes Begrenzungselement angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass die Strömungsführung durch ein derartiges Begrenzungselement verbessert ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Begrenzungselement ganz oder teilweise als ring- oder scheibenförmiges Bauteil ausgebildet. Diese als Trag- oder Deckscheibe ausgeführten Begrenzungselemente erhöhen den Wirkungsgrad bei einem Kreiselpumpen- oder Turbinenlaufrad.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Behandlungen zur Werkstoffeinstellung verbunden werden mit der Verbindung mit dem oder den Begrenzungselementen wie Deck und/oder Tragscheibe, beispielsweise durch Löt- oder Sinterprozesse.
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Die Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer strömungsführenden Einrichtung mit den dargestellten Eigenschaften. Bei dem Verfahren wird in einem ersten Schritt ein stangenförmiges Strangprofil mit einem Tragbereich und mindestens einem radial abstehenden Schaufelbereich versehen. Von diesem Strangprofil wird senkrecht zur Längsachse ein Abschnitt als ein Profilteil in der Form des Strangprofils abgetrennt und am Tragbereich wird eine Befestigungsvorrichtung ausgebildet. Von Vorteil ist hierbei, dass durch wenige Bearbeitungsschritte aus einem einfach herstellbaren Halbzeug eine strömungsführende Einrichtung, beispielsweise ein Laufrad für eine Kreiselpumpe herstellbar ist.
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In einer Variante des Verfahrens wird einem nächsten Schritt das Profilteil durch Nachbearbeitung in eine hydraulisch vorteilhafte Form gebracht. Die kann durch spanende oder umformende Nachbearbeitung, des mindestens einen Schaufelbereichs und/oder der Verbundstelle der Schaufelbereichs mit dem Haltebereich erfolgen. Dieser Schritt kann bei besonders günstiger Wahl der Parameter bereits beim Abtrennen des Profils vorgenommen werden.
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In einer weiteren Variante des Verfahrens wird das Strangprofil mit einem festen und/oder variablen Torsionswinkel α gewendelt. Dies hat den Vorteil, dass spezielle Geometrien ermöglicht werden, die die hydraulischen Eigenschaften der strömungsführenden Einrichtung deutlich verbessern.
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In einem weiteren Schritt kann das Strangpressteil mit einer Tragscheibe und/oder einer Deckscheibe verbunden werden, wodurch sowohl offene als auch geschlossene Laufräder herstellbar sind. Abschließend kann am Haltebereich des Profilteils eine Befestigungsmöglichkeit ausgeführt werden.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Herstellung einer strömungsführenden Einrichtung, insbesondere eines Laufrades für eine Kreiselpumpe, stark vereinfacht wird. Ebenso lassen sich Laufräder beliebiger Breite ohne wesentlichen Konstruktionsaufwand herstellen.
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Für strömungsführende Einrichtungen, die aus keramischen oder hartmetallischen Werkstoffen hergestellt werden, sieht eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass das Strangprofil als Grünkörper ausgeführt wird, dass von dem Strangprofil ein Abschnitt entnommen wird, dass dieser Abschnitt bedarfsweise mit Trag- und/oder Deckscheibe, die ebenfalls als Grünkörper ausgeführt sind, versehen wird und dass abschließend der zusammengesetzte Grünkörper gesintert wird. Von Vorteil ist dabei, dass die strömungsführende Einrichtung einstückig gesintert ausführbar ist.
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Die erfindungsgemäße strömungsführende Einrichtung eignet sich besonders für den Einsatz in einer Kreiselpumpe, wobei die Kreiselpumpe mindestens einstufig und mindestens einströmig ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Kreiselpumpenlaufrad einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus der Kombination der bisher dargestellten und sind deshalb hier nicht weiter ausgeführt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen die
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1a–b ein offenes Laufrad mit einer Deckscheibe, die
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2a ein Strangprofil, die
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2b einen Abschnitt von dem Strangprofil von 2a, die
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3a ein Strangprofil mit Torsionswinkel α = 0°, die
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3b ein Strangprofil mit Torsionswinkel α = 0°, die
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4 ein Strangprofil mit äußerem Tragbereich, die
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5 verschiedene Ausführungsformen des Torsionswinkels, die
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6a–d verschiedene Ausführungen der erfindungsgemäßen Einrichtung und die
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7 eine Kreiselpumpe mit der erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Die 1 zeigt ein Laufrad 1, wie es bei einer Kreiselpumpe zum Einsatz kommt, in der offenen Bauart. Dabei ist ein erfindungsgemäßes zentrales Teil 2 mit einer Tragscheibe 3 ausgestattet. Dargestellt sind in 1a die Aufsicht und in 1b eine isometrische Ansicht des Laufrades 1 mit hier acht Schaufeln. Die Schaufeln sind aus Schaufelbereichen 4 ausgebildet, deren Form auf die hydraulische Beanspruchung abgestimmt ist. Im dargestellten Beispiel haben die Schaufeln einen bogenförmigen Verlauf 5. Über einen Tragbereich 6 sind die Schaufelbereiche 4 einstückig miteinander verbunden. Eine Nabe 7 umfasst ein zentrales Loch 8 zur Aufnahme einer Welle, insbesondere einer Antriebswelle. Sowohl die Schaufelbereiche 4 als auch die Nabe 7 sind mit der Tragscheibe 3 fest verbunden. Die Verbindung kann je nach Werkstoff über Fügen, Löten, Kleben, Schweißen oder anders erfolgen.
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Die 2a zeigt ein Strangprofil 9 wie es für die Herstellung des in 1 dargestellten Laufrades 1 verwendet wurde. Das Strangprofil 9 weist die Form der Schaufelbereiche 4 auf, die einen bogenförmigen Verlauf 5 aufweisen. Ein Winkel β beschreibt die Lage der vom Tragbereich 6 radial abstehenden Schaufelbereiche 4. Der Tragbereich 6 bildet gleichzeitig die Nabe 7. Das Strangprofil 9 ist gerade gestaltet. Eine Torsion des Strangprofils 9 wurde nicht vorgenommen, weshalb ein Torsionswinkel α in diesem Fall 0° beträgt. Eine Länge L definiert die Gesamtlänge des Profils.
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Die 2b zeigt ein Profilteil 10 als Abschnitt von dem in 2a dargestellten Strangprofil 9. Das Profilteil 10 hat eine Länge l, wobei l < L ist. Die Schaufelbereiche 4 sind deutlich als Schaufeln und der Tragbereich 6 ist als Nabe 7 zur Aufnahme einer Welle ausgebildet. Dieses Profilteil 10 ist in dieser Form bereits als Laufrad 1 in Sternform für eine Kreiselpumpe nutzbar.
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Die 3a zeigt in Auf- und Seitenansicht, am Beispiel eines einfachen achtschaufeligen Profils, die Gestaltung eines Strangprofils 9 ohne Zentralloch mit einem Torsionswinkel α gleich 0°. Dargestellt sind die acht Schaufelbereiche 4 und der massiv ausgebildete Tragbereich 6. Von der Länge L des gesamten Profils lässt sich ein Profilteil 10 mit der Länge l abtrennen.
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Dagegen zeigt 3b ein Strangprofil mit ebenfalls acht Schaufelbereichen 4, wobei hier im Tragbereich 6 eine Nabe 7 ausgebildet ist. Die Darstellung der Seitenansicht zeigt, dass dieses Strangprofil gewendelt, also als ein Wendelprofil 11, ausgeführt ist, wobei der Torsionswinkel α größer 0° ist. Von diesem Wendelprofil 11 können Profilteile 10 mit der Länge l abgetrennt werden, deren Schaufelbereiche 4 eine hydraulisch vorteilhafte Form aufweisen.
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In 4 ist eine alternative Form des Strangprofils 9 mit einem äußerem Tragbereich 6 und davon ausgehenden inneren Schaufelbereichen 4 dargestellt. Der Verbindungsbereich zwischen dem Tragbereich und dem Schaufelbereich wird als Fußpunkt bezeichnet. Die Anordnung der Schaufeln ist besonders vorteilhaft, wenn zwischen einem durch den Fußpunkt der Schaufel laufenden Radialstrahl des Tragbereiches und einer Tangente der Mittellinie des Schaufelbereiches im Fußpunkt ein positiver oder negativer Winkel β zwischen 0° und 75° ausgebildet ist. Die Wahl des Winkels β hängt von den hydraulischen Anforderungen ab.
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In 5 sind verschiedene Gestaltungen des Torsionswinkels α in Abhängigkeit von der Länge L des Strangprofils dargestellt. Der Torsionswinkel α kann nach der strichpunktierten Kurve 14 gleich bleibend 0° oder gemäß der gestrichelten Kurve 15 einen konstanten Wert ungleich 0° annehmen. Ebenfalls möglich ist eine beliebige längenabhängige Funktion des Torsionswinkels α, wie in der durchgezogenen Kurve 17 dargestellt. Ausgehend vom Nullpunkt bis zu einer Trennlinie 16 des Strangprofils 9 ist mit einer Länge l ein Profilteil 10 mit einem sich periodisch wiederholenden Torsionswinkel α = variabel abtrennbar. Hiermit ist für jedes folgende Profilteil 10 die gleiche Torsionsfolge möglich, wobei die Länge L des Strangprofils 9 einem ganzzahligen Vielfachen Periode der Länge l eines Abschnitts, also eines Profilteils 10, entspricht. Mit einer nachfolgenden Bearbeitung können damit besonders strömungsgünstige Schaufelformen für ein solcherart erstelltes Laufrad 1 erzeugt werden.
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Der Torsionswinkel α kann so gewählt werden, dass für eine spätere Verwendung rechts- oder linksdrehende Laufräder möglich sind.
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Die 6 zeigt die verschiedenen Bauformen von Laufrädern 1, die sich aus einem Profilteil 10, das der Abschnitt eines oben beschriebenen Strangprofils 9 oder Wendelprofils 11 ist, herstellen lassen.
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Die 6a zeigt einen Abschnitt des Strangprofils 9, der bereits nachbearbeitet ist. Die Form der Schaufelbereiche 4 wurde an die hydraulischen Anforderungen sowie an ein das Laufrad aufnehmendes Gehäuse angepasst. Der Tragbereich 6 ist mit einer Nabe 7 und einem Loch 8 für die Aufnahme einer Welle ausgeführt. Ein sternförmiges Laufrad 1 ohne Trag- und Deckscheibe kann so auf einfachste Weise gefertigt werden.
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Die 6b zeigt das Laufrad 1 der 6a, bei dem eine druckseitige Tragscheibe 3 angefügt wurde. Die geometrische Form der Tragscheibe 3 hängt von der Anwendung des Laufrades 1 ab und orientiert sich zusätzlich an den räumlichen Vorgaben im Pumpengehäuse. Eine solche Laufradform ist auch als offenes Laufrad bekannt.
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Die 6c zeigt ein sogenanntes geschlossenes Laufrad 1, bei dem zusätzlich zum Aufbau der 6b noch eine saugseitige Deckscheibe 18 angebracht wurde. Die geometrische Form dieser Deckscheibe 18 hängt von dem bearbeiteten Abschnitt des Strangprofils 9, dem Profilteil 10 und der Anwendung des Laufrades 1 ab und orientiert sich ebenfalls an den räumlichen Vorgaben im Pumpengehäuse.
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Die 6d zeigt eine weitere Variante des Laufrades 1, bei dem eine Welle 19 zur Befestigung vorgesehen ist. Die Welle 19 ist hierbei so lang ausgeführt, dass es möglich ist, eine Dichtung, vorzugsweise eine Gleitringdichtung, anzubringen. Bei dieser Variante erfolgt im fluidberührten Raum keine Drehmomentübergabe.
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Die 7 zeigt eine Kreiselpumpe 20 mit einem mehrere Schaufeln aufweisenden Laufrad 1, einer Tragscheibe 3 und einer Deckscheibe 18. Entsprechend der Ausführung nach 6d ist eine Welle 19 mit einer Dichtung 21 ausgebildet, die hier als Gleitringdichtung ausgeführt ist und ein Pumpengehäuses 22 der Kreiselpumpe 20 abdichtet. Auf die Welle 19 wird von außerhalb eines Fluidraumes 23 ein Drehmoment 24 übertragen werden.
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Details, wie sie für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Einrichtung beispielsweise in einer Kreiselpumpe 20 notwendig sind, lassen sich einfach einarbeiten. So besteht die Möglichkeit, übliche Einrichtungen von Kreiselpumpen, wie hier exemplarisch als Spaltbereich 25 dargestellt, in vorteilhafter Weise an dem Laufrad 1 vorzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- α
- Torsionswinkel
- β
- Winkel
- L
- Länge des Profils
- l
- Länge des Abschnitts
- 1
- Laufrad
- 2
- zentrales Teil
- 3
- Tragscheibe
- 4
- Schaufelbereich
- 5
- bogenförmiger Verlauf
- 6
- Tragbereich
- 7
- Nabe
- 8
- Loch
- 9
- Strangprofil
- 10
- Profilteil
- 11
- Wendelprofil
- 12
- Tangente
- 13
- Mittellinie
- 14
- Kurve α gleich 0°
- 15
- Kurve α konstant ungleich 0°
- 16
- Trennebene
- 17
- freie Kurve α(L)
- 18
- Deckscheibe
- 19
- Welle
- 20
- Kreiselpumpe
- 21
- Dichtung
- 22
- Pumpengehäuse
- 23
- Fluidraum
- 24
- Drehmoment
- 25
- Spaltbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007027370 A1 [0002]
- GB 1140334 A [0003]
