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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zentrifugalpumpe und insbesondere eine Zentrifugalpumpe, bei der ein rotierendes Pumpenrad als Rotor in einem zylinderförmigen Gehäuse angeordnet ist.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Zentrifugalpumpen bekannt. Beispielsweise offenbart das Dokument
DE 197 13 854 A1 ein Gerät zur Unterstützung von Fließbewegungen von inhomogenen Flüssigkeiten wie Gülle oder Abwasser. Das darin enthaltene Flügelrad läuft innerhalb eines Lochsiebmantels und in einem umgebenden Gehäuse feststehend eingebaut ist. Die äußeren Kanten der Flügel berühren diesen Lochsiebmantel und zerkleinern dadurch feste Teile, die von dem strömenden flüssigen Medium mitgeführt werden.
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Das Dokument
DE 101 12 018 A1 offenbart eine Tauchpumpe zur Förderung inkompressibler und inhomogener Fördermedien. Deren Laufrad weist abgewinkelte Flügelabschnitte auf. Ferner ist diese Tauchpumpe mit einem Gehäuse versehen, das das Laufrad ringförmig umschließt und im Bereich der abgewinkelten Flügelabschnitte eine Anzahl in Mantelrichtung, also parallel zur Achse der Drehbewegung des Laufrads, verlaufende ungefähr halbzylindrische Taschen aufweist. Dadurch soll um das Laufrad herum die Entstehung von Wirbeln in der Strömung des Fördermediums begünstigt werden mit dem Ziel, dass diese Wirbel das Laufrad in der Art von außen anliegenden Wälzkörpern in der gewünschten Lage halten mit dem Ergebnis eines verringerten Verschleißes am Lager.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, eine verbesserte Zentrifugalpumpe zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Hauptanspruch angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Eine verbesserte Zentrifugalpumpe weist danach ein Gehäuse und einen darin angeordneten Rotor auf, dessen Innenraum vorzugsweise axial mit einem Fördermedium beaufschlagbar ist und der eine Anzahl Flügel umfasst, die an ihren in Bezug auf die Achse der vorgesehenen Drehung radial äußeren Endabschnitten zur Umfangsrichtung hin abgebogen sind, sowie einen den Rotor ganz oder teilweise umschließenden Gehäusezwischenmantel mit einer Anzahl von Durchbrüchen für den Durchtritt des aus dem Innenraum des Rotors beim Betrieb der Zentrifugalpumpe abströmenden Fördermediums.
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Dies könnte den Vorteil haben, dass sich gegenüber einer bekannten Zentrifugalpumpe mit technisch einfachen Modifikationen eine höhere Leistung ergibt.
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In einer weiteren eigenständigen Verbesserung der Zentrifugalpumpe hat der Gehäusezwischenmantel eine Vielzahl von Durchbrüchen, insbesondere eine Anzahl im Bereich von 50 bis 450.
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Dies könnte den Vorteil haben, dass sich mit technisch einfachen Modifikationen eine ruhigere und gleichmäßigere Förderung ergibt.
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In einer weiteren eigenständigen Verbesserung der Zentrifugalpumpe spannt der Rotor einen wenigstens teilweise zylindrischen Innenraum auf, den der Gehäusezwischenmantel vorzugsweise vollständig und vorzugsweise als Rohrabschnitt oder Rohrsieb ausgebildet ringförmig und wiederum vorzugsweise eng umschließt.
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Dies könnte wiederum den Vorteil haben, dass sich mit technisch einfachen Modifikationen eine ruhigere und gleichmäßigere Förderung ergibt.
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In einer weiteren eigenständigen Verbesserung der Zentrifugalpumpe sind die Durchbrüche in Bezug auf die zur Achse radiale Richtung geneigt durch den Gehäusezwischenmantel geführt in Anpassung an eine in Umfangsrichtung weisende Komponente der Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden Fördermediums beim Betrieb der Zentrifugalpumpe.
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Dies könnte wiederum den Vorteil haben, dass sich mit technisch einfachen Modifikationen eine ruhigere und gleichmäßigere Förderung ergibt.
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In einer weiteren eigenständigen Verbesserung der Zentrifugalpumpe sind die Durchbrüche gerade und vorzugsweise prismatische Kanäle, die wiederum vorzugsweise den Querschnitt eines Kreises, eines Langlochs oder einer Ellipse aufweisen.
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Dies könnte den Vorteil haben, dass der Gehäusezwischenmantel besonders einfach herstellbar ist
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In einer zur vorangehenden alternativ weiter verbesserten Zentrifugalpumpe weichen die Durchbrüche von einer prismatischen Form ab und sind einseitig oder beidseitig verjüngend ausgebildet. Eine beidseitige Verjüngung kann eine konvergente oder divergente Form aufweisen, wobei mit einer konvergenten Form beispielsweise eine Lavaldüse angenähert werden kann.
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Dies könnte wiederum den Vorteil haben, dass sich mit technisch einfachen Modifikationen eine ruhigere und gleichmäßigere Förderung ergibt.
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Eine weitere eigenständige Verbesserung der Zentrifugalpumpe wird erreicht, wenn das Verhältnis zwischen der Wandstärke des Gehäusezwischenmantels und dem Durchmesser der Durchbrüche einen Wert von 0,3–30 einhält. Alternativ oder kumulativ dazu können die Durchbrüche in der Art von Düsen ausgebildet sein, die nach außen von dem Gehäusezwischenmantel abstehen. Diese Möglichkeit kommt insbesondere dann in Betracht, wenn der Gehäusezwischenmantel Durchbrüche mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist und ein vorgegebenes Verhältnis zwischen den Durchmessern und der Wandstärke eingehalten werden soll.
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Die vorangehend vorgeschlagenen Modifikationen könnten wiederum den Vorteil haben, dass sich eine ruhigere und gleichmäßigere Förderung ergibt.
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In einer weiteren eigenständigen Verbesserung der Zentrifugalpumpe bilden die Durchbrüche auf dem Gehäusezwischenmantel ein unregelmäßiges Muster aus.
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Dies könnte wiederum den Vorteil haben, dass sich mit technisch einfachen Modifikationen eine ruhigere und gleichmäßigere Förderung ergibt.
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In einer zur vorangehenden alternativ weiter verbesserten Zentrifugalpumpe bilden die Durchbrüche auf dem Gehäusezwischenmantel hingegen ein regelmäßiges Muster aus.
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Dies könnte wiederum den Vorteil haben, dass der solcherart ausgestaltete Gehäusezwischenmantel besonders einfach herstellbar ist.
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In einer weiteren eigenständigen Verbesserung der Zentrifugalpumpe sind die Durchbrüche auf dem Gehäusezwischenmantel in einem gleichmäßigen und vorzugsweise kartesischen Gitter angeordnet sind, das vorzugsweise entlang der Mantel- und Umfangsrichtung ausgerichtet ist.
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Dies könnte wiederum den Vorteil haben, dass der solcherart ausgestaltete Gehäusezwischenmantel besonders einfach herstellbar ist.
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In einer diesbezüglich weiteren Verbesserung der Zentrifugalpumpe sind auf dem rechteckigen Gitter in Umfangsrichtung zwischen 12 und 30 und/oder in Mantelrichtung zwischen 4 und 15 Durchbrüche vorhanden, z. B. sind hier pro dm2 Gehäusezwischenmantelfläche zwischen 1 und 1500 Durchbrüche vorhanden.
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Sämtliche vorangehend angegebenen Verbesserungen der Zentrifugalpumpe sind unabhängig von der Art und Gestalt des Rotors und finden auf ein- und mehrstufige Verdichter und Pumpen gleichermaßen Anwendung.
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In einer weiteren eigenständigen Verbesserung der Zentrifugalpumpe sind die äußeren Endabschnitten der Flügel des Rotors in einer zur Neigungsrichtung der Durchbrüche entgegen gesetzten Richtung abgebogen.
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In einer weiteren eigenständigen Verbesserung der Zentrifugalpumpe ist der Querschnitt des Rotors auf allen zur Achse senkrecht verlaufenden Ebenen identisch.
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Eine beispielhafte Zentrifugalpumpe einschließlich zweckmäßiger Modifikationen und Ausgestaltungen wird nachfolgend im Einzelnen mit Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
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1 Eine perspektivische Ansicht der aus dem Gehäuse entnommenen Teile einer beispielhaften Zentrifugalpumpe; und
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2 Eine Schnittansicht durch Teile der beispielhaften Zentrifugalpumpe gemäß 1 in der zur Achse R der Drehbewegung des Rotors senkrecht verlaufenden Ebene A-A.
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Eine beispielhafte Zentrifugalpumpe 1 umfasst in an sich bekannter Art ein die beweglichen Teile und das Fördermedium umschließendes Gehäuse 1 mit einem Einlass und einem Auslass für das Fördermedium. Das Gehäuse 1 ist in den Zeichnungen nicht dargestellt. Auf dessen Form kommt es nur insoweit an, als darin die gemäß 1 vorgesehenen Teile Platz finden müssen. Dabei handelt es sich im Einzelnen um einen in Bezug auf die Achse R drehbar aufgehängten Rotor 2 und einen diesen ringförmig in der Art eines groben Rohrsiebs umschließende Gehäusezwischenmantel 11.
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Der von dem Rotor 2 aufgespannte oder überstrichene Innenraum ist dazu vorgesehen, beim Betrieb der beispielhaften Zentrifugalpumpe 1 das Fördermedium aufzunehmen. Dazu hat der Rotor 2 eine Gestalt, die einen Zutritt des Fördermediums in den Innenraum aus axialer Richtung vorzugsweise an einer Stelle in der Nähe der Achse R erlaubt. Durch diese Möglichkeit eines Zutritts lässt sich der Rotor 2 axial mit dem Fördermedium beaufschlagen. Dabei kann die Beaufschlagung je nach Einsatzsituation einseitig oder alternativ auch beidseitig vorgesehen sein. Um das im Innenraum des Rotors 2 befindliche Fördermedium zu dessen Drehbewegung mitzunehmen, ist der Rotor 2 wiederum in an sich bekannter Art mit einer Anzahl von Flügel 21, 22, 23, 24 versehen. Der in den Figuren dargestellte Rotor 2 weist genau vier Flügel 21, 22, 23, 24 auf, die an einer Antriebswelle 25 angebracht sind und in einem ersten, zur Achse R näheren Zentrumsabschnitt nahezu eben und gerade in radialer Richtung bezüglich der Achse R nach außen verlaufen. Dagegen sind die Flügel 21, 22, 23, 24 in einem zweiten, zur Achse R ferneren Randabschnitt und insbesondere in den aus den Zeichnungen erkennbaren Randstreifen 211, 221, 231, 241 einheitlich in Umfangsrichtung abgebogen. Vorliegend wird für einen Punkt außerhalb der Achse R die Umfangsrichtung definiert als die zur Achse R senkrechte tangentiale Richtung an einen darum konzentrisch und durch den betrachteten Punkt hindurch verlaufenden Zylinder. Als Mantelrichtung wird die zur Achse R parallele tangentiale und damit senkrecht zur Umfangsrichtung verlaufende Richtung durch den bezeichneten Punkt bezeichnet.
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In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die achsenfernen Randabschnitte, nämlich die Randstreifen 211, 221, 231, 241, um ungefähr 45° gegenüber dem achsennahen ebenen Zentrumsabschnitt des jeweiligen Flügels 21, 22, 23 bzw. 24 abgebogen. Dadurch ist der Rotor 2 besser an die dynamische Strömung des Fördermediums beim Betrieb der Zentrifugalpumpe angepasst, was sich wie folgt erklären lässt. Das aufgrund der Fliehkraft den Rotor 2 im Bereich Randstreifen 211, 221, 231, 241 ungefähr radial strömende Fördermedium verliert beim Austritt aus dem Innenraum einen Teil der in Umfangsrichtung weisenden Komponente der Strömungsgeschwindigkeit. Aus der Sicht eines mit dem Rotor 2 mitdrehenden Betrachters bleibt die betrachtete Strömung demnach in radialer Richtung zunehmend hinter der Drehung des Rotor 2 zurück. Die Strömung folgt dadurch den gegen die Drehrichtung abfallenden Randstreifen 211, 221, 231, 241.
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In einer weitergehend verbesserten eigenständigen Ausgestaltung können die Randstreifen 211, 221, 231, 241 bogenförmig sein. Dies ist dem Fachmann allerdings u. a. aus der Literatur gut bekannt und wird vorliegend deshalb nicht dargestellt. In der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform sind lediglich an den Übergängen zwischen den achsennahen Zentrumsabschnitten und den achsenfernen Randabschnitten, also den Randstreifen 211, 221, 231, 241 längliche Radien vorgesehen, um dort eine glatte und ungestörte Strömung zu erhalten.
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Die beispielhafte Zentrifugalpumpe 1 sieht zudem im Sinne einer eigenständigen Ausgestaltung einen Rotor 2 vor, der in jeder zur Achse R senkrechten Schnittebene dieselbe Gestalt aufweist. Zudem ist der Rotor 2 in der beispielhafte Zentrifugalpumpe gerade in dem Sinne, dass die zur Achse R in einem bestimmten Abstand liegenden Punkte auf den Flügeln 21, 22, 23, 24 gerade und zur Achse R parallele Linien sind. Dadurch kann dieser besondere Rotor 2 vergleichsweise einfach hergestellt werden. Dem Fachmann ist allerdings bekannt, dass zum Erhalt besonderer Strömungsverhältnisse ein von der vorliegend beschriebenen Gestalt abweichend geformter der Rotor zweckmäßig sein kann. Insbesondere ist bei der Auslegung des Rotors zu beachten, dass bei vorgegebener Drehzahl des Rotors die erzielbare Fördermenge mit der axialen Länge des Rotors zunimmt, wohingegen der erzielbare Druck sich mit dessen Durchmesser erhöht. Grenzen ergeben sich allerdings aus den Eigenschaften des Fördermediums und den geometrischen Verhältnissen in den durchströmten Bereichen der Zentrifugalpumpe.
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In der beispielhafte Zentrifugalpumpe ist der Rotor 2 zudem wie eingangs ausgeführt von einem Gehäusezwischenmantel 11 umschlossen. Dieser Gehäusezwischenmantel 11 kann ein Teil des Gehäuses der Zentrifugalpumpe oder ein in das die Zentrifugalpumpe insgesamt umschließende Gehäuse eingebautes zusätzliches Teil sein. Jedenfalls steht der Gehäusezwischenmantel 11 gegenüber dem die beispielhafte Zentrifugalpumpe insgesamt umschließenden Gehäuse oder Gehäuseteil fest und hat die Aufgabe, die Strömung des aus dem Innenraum des Rotors 1 austretenden Fördermediums vorteilhaft zu beeinflussen. Dazu ist der Gehäusezwischenmantel 11 in Verwirklichung eines erfindungsgemäßen Aspekts mit einer Vielzahl von Durchbrüchen 111, 112 versehen, von denen hier nur zwei exemplarisch ausgewählte in den Figuren mit Bezugszeichen versehen sind.
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Diese Vielzahl an Durchbrüchen 111, 112 soll das aus dem Innenraum des von dem Gehäusezwischenmantel 11 umschlossen Rotors 2 austretende Fördermedium in einzelnen Strömen in geeigneter Weise in einen beruhigten Bereich Innerhalb des die Zentrifugal pumpe insgesamt umgebenden Gehäuses abgeleitet werden. Diese geeignete Weise ist aus der Sicht des Fachmanns natürlich in Bezug auf das technische Ziel einer optimalen Förderleistung der Zentrifugalpumpe zu verstehen. Um diesem Ziel besonders nahe zu kommen, ist in der beispielhafte Zentrifugalpumpe als weitere eigenständige Ausgestaltung der Gehäusezwischenmantel 11 ringförmig und in der Art eines Rohrsiebs ausgebildet.
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Außerdem ist in der beispielhafte Zentrifugalpumpe 1 als weitere eigenständige Ausgestaltung der Rotors 2 derart ausgestaltet, dass sich ein wenigstens teilweise zylindrischer Innenraum ergibt. Insbesondere wird dies dadurch erreicht, dass die Außenkanten der Flügel 21, 22, 23, 24 zur Achse R parallel und in gleichem Abstand verlaufen. Dadurch kann der Gehäusezwischenmantel 11 diesen zylindrischen Teil des Innenraums im Sinne einer weiteren eigenständigen Ausgestaltung so eng umschließen, dass zwischen den Randstreifen 211, 221, 231, 241 der Flügel 21, 22, 23, 24 und dem Gehäusezwischenmantel 11 keine für die Förderleistung erheblich nachteiligen Wirbel in der Strömung des Fördermediums auftreten.
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Darüber hinaus nähert sich die beispielhafte Zentrifugalpumpe 1 im Sinne einer weiteren eigenständige Ausgestaltung dadurch dem beschriebenen Ziel an, dass die Gehäusezwischenmantel 11 eine im Vergleich mit dem Durchmesser des zylindrischen Teils des Innenraums des Rotors 2 nicht unerheblich kleine Wandstärke aufweist. Dadurch wirken die Durchbrüche 111, 112 wie Kanäle, die die Strömung des Fördermediums quasi kanalisieren, d. h. im Wesentlichen stabilisieren und ausrichten. Der Fachmann weiß aus seiner einschlägigen Ausbildung, wie die Abmessungen der durchströmten Querschnitte mit der Viskosität des vorgesehenen Fördermediums in Beziehung zu setzen sind, um die sog. Reynoldszahl zu bestimmen, die eine Aussage über die Qualität der Strömung in dem beschriebenen Sinne erlaubt. Bei der Auslegung wird der Fachmann auch beachten, dass sich Druck, Fördermenge, Geräuschfrequenz und Geräuschpegel der Pumpe vom Verhältnis der Anzahl der Flügel des Rotors und dem Durchmesser der Kanäle abhängen.
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Schließlich sieht die beispielhafte Zentrifugalpumpe 1 als weitere eigenständige Ausgestaltung zur Annäherung an das genannte Ziel vor, die Durchbrüche 111, 112 in Bezug auf die zur Achse R radiale Richtung in Umfangsrichtung zu neigen. Außerdem ist diese Neigung in Bezug auf die für die durch den betreffenden Durchbruch 111, 112 quasi kanalisierte Strömung wirksame Hauptflussrichtung zu verstehen. Deren Bestimmung fällt jedenfalls für die bevorzugte Ausführungsform leicht. Da dort die Durchbrüche 111, 112 vor allem zur Erleichterung der Herstellung als zylindrische Bohrungen ausgestaltet sind, übernimmt die Hauptflussrichtung die Neigung der Achse der Bohrungen jedenfalls qualitativ und teilweise.
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Im Fall abweichend gestalteter Durchbrüche wird sich der Fachmann gegebenenfalls im Rahmen von eigenen Versuchen ein Bild von der sich jeweils ergebenden Hauptflussrichtung machen. Im Allgemeinen ist die Hauptflussrichtung des durch einen Durchbruch 111, 112 gebildeten Kanals geneigt, wenn eine darin aufgrund eines Druckgefälles in Abwesenheit des Rotors 2 erzeugte Strömung in Förderrichtung eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung erkennen lässt. Damit ist auch klar, dass die erwähnte Neigung der Hauptflussrichtung den gewünschten Erfolg vor allem dann hervorbringt, wenn sie einen entlang der vorgesehenen Drehbewegung positiven Winkel zur radialen Richtung an die Achse R aufweist. Dann fällt die geneigte Hauptflussrichtung der Strömung durch die Durchbrüche 111, 112 des Gehäusezwischenmantels 11 mit der von der Bewegung des Rotors 2 dem aus dessen Innenraum austretenden Fördermedium aufgeprägten Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung zusammen. Wegen dieser Übereinstimmung führen die Durchbrüche 111, 112 das Fördermedium in der vorgeschlagenen Situation also glatter aus dem Innenraum des Rotors 2 und dem sich daran anschließenden Randbereich ab als bspw. Durchbrüche mit exakt radialer Hauptflussrichtung.
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Zur weiteren Verbesserung vor allem hinsichtlich der Herstellung des Gehäusezwischenmantels 11 sieht die beispielhafte Zentrifugalpumpe 1 als weitere eigenständige Ausgestaltung vor, dass die als zylindrische Bohrungen angelegten Durchbrüche 111, 112 durchweg eine einheitliche Neigung aufweisen und auf der Gehäusezwischenmantel ein regelmäßiges Muster in der Art einer Anordnung auf einem kartesischen, d. h. rechtwinkligen Gitter bilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zentrifugalpumpe (nicht insgesamt dargestellt)
- 1
- Gehäuse (teilweise nicht dargestellt
- 2
- Rotor
- 21, 22, 23, 24
- Flügel
- 211, 221, 231, 241
- Randstreifen
- 25
- Antriebswelle
- R
- Achse der Drehbewegung
- 11
- Gehäusezwischenmantel
- 111, 112
- Durchbrüche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19713854 A1 [0002]
- DE 10112018 A1 [0003]
