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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem halbaxialen Laufrad.
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Das Strömungsverhalten zu fördernder Medien innerhalb von Fass- oder Behälterpumpen ist bislang noch weitgehend unerforscht. Üblicherweise werden in Fass- und Behälterpumpen entweder axiale Laufräder verwendet, die insbesondere bei niedrigem Druck und der Anforderung eines hohen Fördervolumens Anwendung finden, oder aber bei einer Anforderung von hohen Drücken radiale Laufräder.
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Im Fall des Einsatzes eines radialen Laufrades treten jedoch mit sinkendem Volumenstrom höhere Drehzahlen auf, bis die höchsten Drehzahlen praktisch im Leerlauf erreicht werden. Ein derartiger Betrieb bedeutet eine hohe thermische Belastung für das Motorgehäuse und die eingesetzten elektronischen Bauteile. Darüber hinaus entwickelt sich eine störende Geräuschkulisse sowie ein höherer Verschleiß in dieser Betriebsform.
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Im Fall des Einsatzes eines axialen Laufrades sinkt die Drehzahl mit sinkendem Volumenstrom, aber die Leistung steigt an, so dass der Motor mehr belastet oder sogar überlastet wird und somit ebenfalls höhere thermische Belastung erfährt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bestehenden Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Im Einzelnen stellt sich also zunächst die Aufgabe, die Drehzahl und die Leistung über den Volumenstrom konstant zu halten, gleichzeitig aber den Wirkungsgrad möglichst zu steigern. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Strömungsmaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere sinnvolle Ausgestaltungen sowie die Verwendung einer derartigen Strömungsmaschine können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Im Rahmen der Entwicklung wurde nach Alternativen zu den bereits bekanntermaßen eingesetzten axialen und radialen Laufrädern gesucht. Aus dem Bereich der Kreiselpumpen ist ferner das so genannte halbaxiale Laufrad bekannt, welches bislang allerdings lediglich in diesen Kreiselpumpen eingesetzt worden ist. Kreiselpumpen sind aufgrund ihrer Dimensionen mit den Fasspumpen nicht vergleichbar, da die Fasspumpen durch eine vergleichsweise kleine Einführöffnung in den Behälter eingebracht werden müssen und deswegen eine zylindrische Begrenzung im Bauraum aufweisen, während Kreiselpumpen als Teile von industriellen Anlagen praktisch beliebige Dimensionen annehmen können.
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Durch den Einsatz eines halbaxialen, vorzugsweise doppelt gekrümmten Laufrades mit axialer Längsspaltgestaltung im Zusammenhang mit einem hieran angepassten Leitrad ergibt sich eine Strömungsmaschine, welche in einem Röhrengehäuse angeordnet werden kann und daher als Fass- oder Behälterpumpe einsetzbar ist. Hierbei werden die Vorteile eines halbaxialen Laufrades mit den spezifischen Randbedingungen in einer Fasspumpenumgebung zu einer neuen Hydraulikeinheit kombiniert. Die halbaxiale Laufradform erlaubt eine Realisierung einer nahezu konstanten Leistungsaufnahme, unabhängig von den geforderten Volumenströmen. Aufgrund dieser konstanten Leistungsaufnahme entfallen Leistungsspitzen insbesondere im Bereich des Leerlaufs, so dass eine bessere Dimensionierung des Motors zum Antrieb des Laufrades ermöglicht wird. Dadurch, dass das halbaxiale Laufrad einen Gleichlauf unabhängig vom Volumenstrom auf geringem Drehzahlniveau des eingesetzten Universalmotors erlaubt, können Motoren mit deutlich geringerer Leistung eingesetzt werden, was zum einen einen Kostenvorteil bringt, zum anderen aber ein deutlich ruhigeres Laufverhalten der Strömungsmaschine bewirkt.
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Im zweiten Schritt kann bei verbesserter Q-H-Kennlinie die Drehzahl gesenkt werden und damit die Geräuschbelastung, die Leistung und die thermische Belastung abermals verringert werden
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Im Einzelnen weist das halbaxiale Laufrad einen glockenförmigen Abweiser auf, sowie ein außenliegendes Deckband, zwischen denen eine Mehrzahl von Schaufeln aufgespannt sind. Abweiser und Deckband geben hierbei die Strömungsrichtung des zu fördernden Mediums vor, welches gleichzeitig in axialer und radialer Richtung gefördert wird.
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Dementsprechend weisen mit einigem Vorteil auch die Schaufeln, welche zwischen dem Abweiser und dem Deckband aufgespannt sind, eine doppelte Krümmung auf, nämlich sowohl in die axiale als auch überlagert in die radiale Richtung.
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Das Deckband besitzt eine dem Röhrengehäuse zugewandte Außenflanke, die zwischen sich und dem Röhrengehäuse einen Längsspalt einschließt. In diesem Längsspalt kann von dem Laufrad bereits gefördertes Medium gegebenenfalls wieder entgegen der Strömrichtung im Laufrad abfließen, wobei sich aufgrund des so genannten Lomakin-Effekts eine Stabilisierung des Laufrades einstellt. Auch diese weitere Stabilisierung trägt zur Laufruhe der Gesamtanordnung bei. Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Längsspalt eine konstante Breite von wenigstens näherungsweise 0,2 mm aufweist. Es kann dem Längsspalt an der Außenflanke des Deckbands oder aber auch alternativ oder ergänzend an der Gehäusewand unter lokaler Vergrößerung der Spaltbreite eine Rillenanordnung zugeordnet sein, in der sich der Rückstrom in Gegenstromrichtung verfängt und Verwirbelungen bildet. Durch diese Wirbelbildung wird der Rückstrom reduziert und damit der Wirkungsgrad der Anordnung nochmals verbessert. Die Rillen können sowohl radial und damit steigungsfrei sein, als auch gewindeförmig angeordnet, d.h. mit einer Steigung versehen sein.
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Um eine geeignete Leitung des Hauptstroms innerhalb des Laufrades zu fördern, weist das Deckband auf seiner dem Abweiser zugewandten Seite eine Aufwölbung auf, die den Durchgang durch das Laufrad in Kombination mit der konvexen Form des Abweisers verengt und damit die Fließgeschwindigkeit innerhalb des Laufrades erhöht.
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Zwischen dem rotierenden Laufrad und dem feststehenden, in dem Röhrengehäuse aufgenommenen Leitrad ist ein axialer Spalt vorgesehen, welcher von dem aus dem Laufrad axial austretenden Hauptstrom überwunden werden muss, bevor der Hauptstrom in den Bereich des Leitrades eintritt. Es hat sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erwiesen, den axialen Spalt in einer Breite von etwa 2 bis 3 mm auszugestalten.
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Das Leitrad selbst kann mit einigem Vorteil zunächst im Wesentlichen zylindrisch geformt sein, also eine zylindrische Achse darstellen, welche jedoch mit einigem Vorteil wenigstens einen sich in Stromrichtung verjüngenden Konusabschnitt besitzt. Während der Durchmesser des Leitrades nach dem Übergang vom Laufrad zunächst der axialen Abströmung am Laufrad entspricht, verringert sich durch die Verjüngung in Stromrichtung wieder die Fördergeschwindigkeit des Mediums, so dass das Leitrad hier als Diffusor wirkt. Es erhöht sich jedoch im Gegenzug der Druck, so dass durch diese Maßnahme eine größere Förderhöhe erreicht werden kann.
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Ferner können auch dem Leitrad eine Mehrzahl von Lamellen zugeordnet sein, welche ihrerseits ebenfalls eine doppelte Krümmung, also eine axiale mit einer überlagerten radialen Krümmung, aufweisen. Auch hieraus ergibt sich eine besonders verlustarme Strömungsleitung in das sich anschließende Steigrohr, welche gegenüber bekannten Gestaltungen deutlich verlustärmer ist.
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Das Röhrengehäuse kann ferner eine nach innen gewölbte Einlaufkontur aufweisen, so dass die eventuell auftretenden Rückströme durch diese Wölbung direkt nach außen gedrückt werden und den Hauptstrom in das Laufrad hinein möglichst wenig beeinflussen. Im Bereich der Einlaufkontur ist das Laufrad so positioniert, dass es über die Einlaufkontur nicht übersteht, sondern allenfalls bündig abschließt oder gegenüber dieser zurückversetzt ist.
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Neben einer Verwendung einer derartigen Strömungsmaschine als Fass- oder Behälterpumpe sind auch andere Verwendungen denkbar, insbesondere auch eine Förderung von gasförmigen Medien wie Luft in einer Lüfteranlage und dergleichen mehr.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Abweiser eines erfindungsgemäßen axialen Laufrades in einer perspektivischen Darstellung von schräg oben,
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2 den Abweiser gemäß 1 nach der Hinzufügung von Schaufeln in einer perspektivischen Darstellung von schräg oben,
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3 den Abweiser gemäß 2 nach der weiteren Hinzufügung eines Deckbandes und damit erfolgter Vervollständigung zu einem Laufrad in perspektivischer Darstellung,
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4 ein Leitrad zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine in einer perspektivischen Darstellung,
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5 eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine in einer Meridianschnittdarstellung, sowie
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6 eine Variante der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine gemäß 5, ebenfalls in einer Meridianschnittdarstellung.
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1 zeigt einen Abweiser 11 eines Laufrades 10, welches als halbaxiales Laufrad 10 ausgestaltet werden soll. Der Abweiser 11 drückt das zu fördernde Medium in einen Strömungskanal, welcher sowohl einen radialen Anteil als auch einen axialen Anteil besitzt, was eine nahezu konstante Leistungsaufnahme weitgehend unabhängig von den zu fördernden Volumenströmen ermöglicht. 2 zeigt den um eine Mehrzahl von Schaufeln 12 ergänzten Abweiser 11, wobei die Schaufeln 12 doppelt gekrümmt sind. Die Schaufeln 12 weisen also gleichzeitig eine Krümmung in axialer und in radialer Richtung auf, so dass sie dem zu fördernden Volumenstrom des Mediums eine dementsprechende Richtung vorgeben können. In 3 ist ein vollständiges Laufrad 10 dargestellt, welches im Vergleich zur 2 zusätzlich über ein Deckband 13 verfügt, welches an seiner Außenflanke 15 eben ist, aber auf seiner dem Abweiser 11 zugewandten Seite eine Aufwölbung 14 besitzt. Hierdurch wird das zu fördernde Medium nochmals in radialer Richtung begrenzt und aufgrund der Aufwölbung 14 im weiteren Strömungsverlauf zunächst in axialer, dann auch in radialer Richtung abgeleitet und beschleunigt.
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4 zeigt das sich an das Laufrad 10 gemäß 3 anschließende Leitrad 20. Das Leitrad 20 weist zunächst eine Achse 21 auf, welche im Wesentlichen zylindrisch gebildet ist. In seinem an das Laufrad 10 anschließenden Bereich weist das Leitrad 20 wiederum einen entsprechend breiteren zylindrischen Abschnitt auf. Zwischen diesem und einem weiteren zylindrischen Abschnitt ist ein Konusabschnitt 23 angeordnet, über den sich das Leitrad 20 in Strömungsrichtung verjüngt. Von der dem Laufrad 10 zugewandten Kante bis in den Bereich der zylindrischen Achse 21 weist das Leitrad 20 eine Mehrzahl von Lamellen 22 auf, welche doppelt gekrümmt sind, also eine Krümmung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung aufweisen. Dies erlaubt eine besonders verlustarme Strömungsleitung in das Steigrohr hinein, da der vom Laufrad 10 ankommende Volumenstrom in seiner Bewegungsrichtung aufgefangen und in die gewünschte rein axiale Richtung umgelenkt wird.
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5 zeigt in Meridialschnittdarstellung die Gesamtanordnung aus Röhrengehäuse 1, darin drehfest aufgenommenem Leitrad 20 und von diesem aus gesehen stromaufwärts liegendem, über eine Antriebswelle 3 rotierbarem Laufrad 10. Im Betrieb dieser Strömungsmaschine wird zunächst eine Hauptströmung 5 zum Laufrad gezogen, welches diese Hauptströmung aufgrund seiner Rotation in dem Röhrengehäuse 1 in Richtung des Leitrads 20 weiterfördert. In der Hauptströmung 5 erhöht sich hierbei aufgrund der durch die Schaufeln 12 übertragenen Kraft zwischen dem Abweiser 11 und dem Deckband 13 die Geschwindigkeit, es wird beschleunigt und weitergefördert. Das Deckband 13 weist hierzu eine Aufwölbung 14 auf, welche gemeinsam mit dem glockenförmigen Schnitt des Abweisers 11 zu einem Kanal für die Hauptströmung 6 wird. Die von dem Laufrad 10 kommende Hauptströmung 6 wird über einen axialen Spalt 18 hinweg zu dem Leitrad 20 gefördert, welches in dem Röhrengehäuse 1 drehfest aufgenommen ist. Das Leitrad 20 lenkt mit seinen Lamellen 22 die Hauptströmung 8 in eine axiale Strömung um und wird aufgrund des Konusabschnitts 23, welcher sich in Strömungsrichtung verjüngt, die Fließgeschwindigkeit des Mediums senken und gleichzeitig den Förderdruck erhöhen.
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6 ergänzt die Darstellung in 5 um eine Mehrzahl von Rillen, welche in das Deckband 13 an dessen Außenflanke 15 eingebracht sind. Da hinter dem Laufrad 10, also zwischen diesem und dem Leitrad 20, der Druck höher ist als im Einlaufbereich des Röhrengehäuses 1, entsteht über einen zwischen dem Deckband 13 und dem Röhrengehäuse 1 notwendig bestehenden Längsspalt 17 ein Rückstrom, welcher das Fördervolumen der Gesamtanordnung vermindert. Um diese Spaltströmung 7 zu verringern, dienen die genannten Rillen 16, in welchen sich Teile der Spaltströmung 7 verfangen und Wirbel bilden, die die Spaltströmung 7 reduzieren. Gleichzeitig ergibt sich durch das Vorhandensein der Spaltströmung 7 eine Stabilisierung des Laufrades 10 aufgrund des so genannten Lomakin-Effekts. Die dennoch durchkommende Spaltströmung 7 wird aufgrund der nach außen gewölbten Einlaufkontur 2 am unteren Ende des Röhrengehäuses 1 direkt zur Seite abgelenkt und damit aus dem Bereich der Hauptströmung 5 fortgeleitet, um diese nicht zu stören.
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Vorstehend beschrieben ist somit eine Strömungsmaschine mit einem Röhrengehäuse und einem halbaxialen Laufrad, welche sich zur Verwendung in einer Fass- und Behälterpumpe eignet. Die Einzelkomponenten der Hydraulik sind in fast allen Pumpen zu finden, sind in diesem besonderen Fall jedoch speziell für die Fass- und Behälterpumpenanwendung in einem Röhrengehäuse optimiert worden. Die hierbei entwickelte doppeltgekrümmte, geschlossene halbaxiale Laufradform mit einem axialen Längsspalt und die konsequente Auslegung aller Komponenten in Richtung einer konstanten Leistungsaufnahme, welche vom Volumenstrom unabhängig ist, stellt den wesentlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung dar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Röhrengehäuse
- 2
- Einlaufkontur
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Meridian
- 5
- Hauptströmung zum Laufrad
- 6
- Hauptströmung vom Laufrad
- 7
- Spaltströmung vom Laufrad
- 8
- Hauptströmung im Leitrad
- 10
- Laufrad
- 11
- Abweiser
- 12
- Schaufel
- 13
- Deckband
- 14
- Aufwölbung
- 15
- Außenflanke
- 16
- Rillen
- 17
- Längsspalt
- 18
- radialer Spalt
- 20
- Leitrad
- 21
- Achse
- 22
- Lamelle
- 23
- Konusabschnitt
