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Die Erfindung betrifft eine selbstansaugende Pumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Selbstansaugende Pumpen sind im Stand der Technik bekannt und werden seit vielen Jahren erfolgreich in der Prozessindustrie eingesetzt. Prozessindustrie meint hier insbesondere die Getränketechnik, Lebensmitteltechnik, Pharmazie und Biochemie.
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Solche Pumpen sind beispielsweise als selbstansaugende Kreiselpumpen ausgeführt. Zwischen Einlass und Auslass einer solchen Kreiselpumpe können eine erste Kammer und eine zweite Kammer vorgesehen sein, in der jeweils ein Laufrad angeordnet ist. Jedes Laufrad ist Teil einer Pumpstufe, wobei die dem Einlass näherliegende Pumpstufe die selbstansaugende Eigenschaft erzeugt.
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Eine erste selbstansaugende Kreiselpumpe dieser Art ist in der
EP 1 191 228 A2 vorgeschlagen. Eine weitere selbstansaugende Kreiselpumpe ist in der
DE 10 2007 032 228 A1 dargestellt.
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Diese beiden Kreiselpumpen besitzen zusätzlich zur Kreiselpumpstufe eine Flüssigkeitsringpumpstufe, die zu pumpendes Fluid direkt aus dem Einlass der Kreiselpumpe aufnimmt. Mit Hilfe der Flüssigkeitsringpumpstufe kann ein Unterdruck erzeugt werden, der Fluid aus der an den Einlass angeschlossenen Leitung ansaugt.
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Eine Rückführleitung verbindet den Überdruckbereich der Kreiselpumpstufe mit dem Einlass der Flüssigkeitsringpumpstufe. Hierdurch wird eine Flüssigkeitsvorlage gewährleistet, die beim Anfahren der Kreiselpumpe zur Erzeugung des Flüssigkeitsringes notwendig ist.
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Das Laufrad der Kreiselpumpstufe ist mit dem Laufrad der Flüssigkeitsringpumpstufe über einen Wellenabschnitt verbunden, welcher eine Öffnung einer Gehäusewand durchsetzt. In beiden Fällen ist der Wellenabschnitt bis zu seinem dem Laufrad der Kreiselpumpe zugewandten Wellenende zylindrisch gestaltet.
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Eine bedeutende Kenngröße solcher selbstansaugenden Kreiselpumpen ist der NPSH-Wert. Dabei steht NPSH für „Net Positive Suction Head” und wird oftmals mit dem Begriff „Haltedruckhöhe” gleichgesetzt. Mit dieser Kenngröße wird angegeben, welcher Überdruck des zu pumpenden Fluides am Einlass der Pumpe oberhalb des Dampfdruckes dieses Fluides herrschen muss, um Kavitation im Inneren der Pumpe zu vermeiden. Diese Drucküberhöhung muss in der Prozessanlage erzeugt werden. Daher wird eine Pumpe angestrebt, die einen möglichst niedrigen NPSH-Wert aufweist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine selbstansaugende Pumpe mit einer verbesserten Haltedruckhöhe vorzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpe mit den Merkmalen des ersten Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 12 geben vorteilhafte Weiterbildungen dieser Erfindung an.
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Die selbstansaugende Pumpe besitzt ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass. Ein erstes Laufrad besitzt einen ersten Pumpabschnitt, der in einer ersten Kammer angeordnet ist. Ein zweites Laufrad trägt einen zweiten Pumpabschnitt, welcher in einer zweiten Kammer angeordnet ist. Zwischen den Pumpabschnitten ist ein Wellenabschnitt vorgesehen, welcher Wellenabschnitt ein Wellenende umfasst und eine Öffnung einer Gehäusewand durchsetzt. Die Strömung des zu pumpenden Fluides, insbesondere einer Flüssigkeit mit Gasanteilen, entlang des Wellenabschnittes wird verbessert, indem der Wellenabschnitt zwischen einer Einschnürung und dem Wellenende sich von dem Wellenende zu der Einschnürung hin verjüngend ausgeformt ist und erstes Laufrad und Wellenabschnitt zwischen Einschnürung und erstem Pumpabschnitt einen glatten Verlauf aufweisen.
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Ein glatter Verlauf im Sinne dieses Textes ist eine Oberflächenform von Wellenabschnitt und Laufrad, bei der Stufen, Knicke, Absätze und ähnliche Strukturen so gestaltet und ihrer Anzahl möglichst reduziert sind, dass Wirbel im vorbeiströmenden Fluid auf ein Minimum, beziehungsweise in einen nicht mehr feststellbaren Bereich, reduziert sind.
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Diese Gestaltung der Pumpe verbessert die Strömungsverhältnisse zwischen den Pumpabschnitten. Durch die Verjüngung des Wellenabschnitts wird der Strömungswiderstand an der Engstelle verringert. Durch den vergrößerten Querschnitt ist die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Wellenabschnitts verringert, wodurch der statische Druckverlust reduziert wird. Der glatte Verlauf verringert die Gefahr von Verwirbelungen. Beides bewirkt im Zusammenspiel eine Absenkung der Gefahr des Auftretens von Kavitation, so dass eine geringere Drucküberhöhung notwendig ist. Der NPSH-Wert der Pumpe wird somit gegenüber dem Stand der Technik verbessert. Diese erreichten Vorteile überwiegen den Nachteil in Bezug auf die Stabilität des zweiten Laufrades, der sich aus der Einschnürung ergibt und der zunächst von dem Gedanken einer Einschnürung der Welle abhält.
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Der Strömungsverlauf zwischen den Wellenabschnitten wird verbessert, wenn die dünnste Stelle des Wellenabschnitts in der zweiten Kammer angeordnet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen die dünnste Stelle des Wellenabschnitts in der Öffnung anzuordnen. Hierdurch ergibt sich ein großer Durchtrittsquerschnitt für Fluid, so dass eine große Menge Fluid mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit und einer stark reduzierten Anzahl an Wirbeln zwischen den Pumpstufen fließen kann.
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Die Pumpe besitzt einen baulich einfachen Antrieb, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung erstes Laufrad und zweites Laufrad gemeinsam fliegend gelagert sind.
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Nach einer wiederum anderen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Wellenabschnitt am zweiten Laufrad ausgebildet ist. Hieraus ergeben sich als zusätzliche Vorteile eine einfache Herstellung der Pumpe und die Möglichkeit, ein Baukastensystem selbstansaugenden und nicht selbstansaugenden Pumpen zu erzeugen, bei dem die unterschiedlichen Typen viele Gleichteile aufweisen.
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Eine andere Weiterbildung bezieht sich auf die Verbindung der Laufräder. Der Wellenabschnitt ist demnach so geformt, dass er einen Gewindeabschnitt einer das erste Laufrad tragenden Antriebswelle aufnimmt. Dies ist ein vorteilhaft einfacher Aufbau, der zudem die Vorteile hinsichtlich eines Baukastensystems vertieft.
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Eine im Rahmen dieser Erfindung befindliche Weiterbildung der Pumpe ist, dass das erste Laufrad eine erste Klemmfläche aufweist, die mit einer zweiten Klemmfläche, die am zweiten Laufrad ausgebildet ist, zusammenwirkt und über die Klemmflächen eine Klemmkraft zur Klemmung des ersten Laufrads auf einem Kegelstumpf, der an einer das erste Laufrad tragenden Antriebswelle ausgebildet ist, in das erste Laufrad eingeleitet wird. Dies ist ein einfacher, kostengünstiger Aufbau, der vorteilhaft gleichzeitig die Befestigung beider Laufräder bewirkt.
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Nach einer nächsten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das zweite Laufrad eine gewindeartig auf einem Zylinder angeordnete Schaufel umfasst. Dies bedeutet eine einfache, kostengünstige Herstellung des zweiten Laufrades, beispielsweise nach der
DE 20 2004 013 752 U1 .
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Die Pumpstufe mit der wenigstens einen gewindeartigen Schaufel kann in ihrer Pumpwirkung zusätzlich verbessert werden, die Schaufel an ihrem dem Wellenabschnitt zugewandten Ende eine Verlängerung aufweist.
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Für die vorgenannten Anwendungen im hygienischen bis aseptischen Bereich ist es vorteilhaft, die Pumpe so auszuführen, dass das erste Laufrad Teil einer normalsaugenden Zentrifugalpumpe ist.
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Ebenfalls im Hinblick auf die Anwendung und gerade im Zusammenwirken mit einer Zentrifugalpumpstufe ist eine vorteilhafte Ausführungsform eine Pumpe bei der das zweite Laufrad Teil einer Flüssigkeitsringpumpstufe ist.
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Die Wirbelbildung im gepumpten Fluid wird vorteilhaft verringert, wodurch das Auftreten von Kavitation ebenfalls verringert wird, wenn die Pumpe derart weitergebildet ist, dass eine Stirnfläche, die an dem zweiten Laufrad auf der dem Wellenabschnitt zugewandten Seite ausgebildet ist, glatt in den Wellenabschnitt übergeht.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels und seiner Weiterbildungen sollen die Erfindung näher erläutert und die Darstellung der Wirkungen und Vorteile vertieft werden.
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Es zeigen:
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1: Perspektivischer Blick auf eine selbstansaugende Kreiselpumpe;
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2: Längsschnitt durch eine selbstansaugende Kreiselpumpe;
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3: Schnitt durch Detailansicht A;
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4: Perspektivische Darstellung des zweiten Laufrades.
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In 1 ist eine selbstansaugende Kreiselpumpe 1 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Diese Kreiselpumpe 1 umfasst eine Flüssigkeitsringpumpstufe 2 und eine normalsaugende Zentrifugalpumpe 3. Der Flüssigkeitsringpumpstufe 2 ist ein Einlass 4 der selbstansaugenden Kreiselpumpe 1 zugeordnet. Fluid, insbesondere Flüssigkeit, der unter Umständen Gas beigemengt ist, tritt durch den Einlass 4 der Kreiselpumpe 1 ein und gelangt zunächst in die Flüssigkeitsringpumpstufe 2. Anschließend wird das Fluid an die Zentrifugalpumpe 3 übergeben. Das von dort ausgestoßene Fluid verlässt durch den Auslass 5 die selbstansaugende Kreiselpumpe 1. Eine Rückführleitung 6 zweigt von der Zentrifugalpumpe 3 ab. Fluid strömt durch diese Rückführleitung 6 aus der Kreiselpumpe 1 zurück in die Flüssigkeitsringpumpstufe 2 und steht dort für die Ausbildung des Flüssigkeitsrings schon beim Starten der Kreiselpumpe 1 zur Verfügung.
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Die selbstansaugende Kreiselpumpe 1 ruht auf Füßen 7 und besitzt eine Abdeckung 8, unter der Antriebs- und Steuermittel untergebracht sind, wobei mit diesen Antriebs- und Steuermitteln die Pumpwirkung der selbstansaugenden Kreiselpumpe 1 steuerbar ist.
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In 2 ist die selbstansaugende Kreiselpumpe 1 in einem Längsschnitt dargestellt.
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Ein mehrere Einzelteile umfassendes Gehäuse 9 beherbergt die Flüssigkeitsringpumpstufe 2 und die normalsaugende Zentrifugalpumpe 3. Das Gehäuse 9 wird von einer Laterne 10 getragen, welche eine Verbindung zu einem Motor 11 herstellt. Dieser Motor 11 ist typischerweise als Elektromotor ausgeführt und wird von einer Steuerelektronik 12 angesteuert. Motor 11 und Steuerelektronik 12 sind unter der Abdeckung 8 angeordnet und werden von den Füßen 7 getragen.
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Der Motor 11 besitzt eine Motorwelle 13, mit welcher eine Antriebswelle 14 lösbar und drehfest verbunden ist. Diese Antriebswelle 14 trägt ein erstes Laufrad 15 und ein zweitens Laufrad 16. Die Laufräder 15 und 16 sind mittels Motorwelle 13 und Antriebswelle 14 gemeinsam fliegend gelagert und werden von den Lagern der Motorwelle 13 drehbar unterstützt.
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Das erste Laufrad 15 ist Teil der normalsaugenden Zentrifugalpumpe 3 und weist einen ersten Pumpabschnitt 17 auf. Dieser ist in einer ersten Kammer 18 angeordnet. Bei Drehung der Antriebswelle 14 strömt Fluid im Bereich einer Rotationsachse der Antriebswelle 14 und damit des ersten Laufrades 15 ein und wird von dem ersten Pumpabschnitt 17 radial nach außen und dort in Umfangsrichtung bewegt und unter Druck gesetzt.
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Das zweite Laufrad 16 ist Teil der Flüssigkeitsringpumpstufe 2 und umfasst einen zweiten Pumpabschnitt 19. Dieser zweite Pumpabschnitt 19 ist in einer zweiten Kammer 20 angeordnet und so ausgebildet, dass in dieser bei Drehung der Antriebswelle 14 ein Flüssigkeitsring erzeugt wird, wobei eine Symmetrieachse des Flüssigkeitsrings radial zur Rotationsachse der Antriebswelle versetzt ist. Durch den Flüssigkeitsring und dem zu ihm exzentrisch angeordneten zweiten Laufrad 16 entsteht ein Unterdruck innerhalb der Flüssigkeitsringpumpstufe 2, der ein Ansaugen von Fluid durch den Einlass 3 bewirkt.
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Die Detailansicht A ist in 3 vergrößert dargestellt und zeigt einen Ausschnitt aus den Laufrädern und dem Bereich der Verbindung beider Laufräder miteinander.
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Die Antriebswelle
14 durchsetzt das Gehäuse
9 in dem Bereich, in dem Gehäuse
9 und Laterne
10 miteinander verbunden sind. Dabei umgibt die Laterne
10 die Antriebswelle
14. Die Abdichtung eines Innenraumes des Gehäuses
9 gegen die Atmosphäre erfolgt mittels einer Gleitringdichtung. Diese Gleitringdichtung umfasst einen rotierenden Gleitring
21, der mit der Antriebswelle
14 mitdrehend angeordnet ist. Der rotierende Gleitring
21 steht in gleitendem Kontakt mit einem stehenden Gleitring
22, der derart im Gehäuse
9 montiert ist, dass er nicht mitrotiert. Eine Weiterbildung der Gleitringdichtung ist eine gespülte Ausführung nach der
DE 203 16 570 U1 .
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Die erste Kammer 18 ist von der zweiten Kammer 20 durch eine Gehäusewand 23 getrennt. In dieser Gehäusewand 23 ist eine Öffnung 24 vorgesehen, welche von einem Wellenabschnitt 25 durchsetzt wird.
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Der Wellenabschnitt 25 ist in diesem Beispiel als Teil des zweiten Laufrades 16 ausgeführt und umfasst ein Wellenende 26 und eine Einschnürung 27. Das Wellenende 26 steht in mechanischem Kontakt mit dem ersten Laufrad 15. Die Übergangsstelle zwischen erstem Laufrad 15 und Wellenabschnitt 25 ist mit Hilfe einer Dichtung 28 abgedichtet. Die Dichtung 28 ist als Rundschnurring ausgeführt, der in einer angepassten Kontur derart aufgenommen ist, dass kein Spalt zwischen ihm und der Aufnahme verbleibt. Dies ist für hygienische Anwendung vorteilhaft, da Ablagerungen von Schmutz verhindert werden.
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Der Wellenabschnitt 25 ist zwischen der Einschnürung 27 und dem Wellenende 26 sich von dem Wellenende 26 zu der Einschnürung 27 hin verjüngend ausgeformt. Ein Durchmesser des Wellenabschnitts 25 nimmt vom Übergang zum ersten Laufrad 15 zur Einschnürung 27 hin ab. Zugleich weisen zweites Laufrad 15 und Wellenabschnitt 25 zwischen Einschnürung 27 und erstem Pumpabschnitt 17 einen glatten Verlauf auf. Die Einschnürung 27 bewirkt zusammen mit dem glatten Verlauf eine gleichmäßigere Verteilung und Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich der Kreiselpumpe. Insbesondere werden Spitzen der Strömungsgeschwindigkeit verringert bis weitgehend vermieden, es findet eine Geschwindigkeitsverringerung über den gesamten Querschnitt statt. Hierdurch wird der NPSH-Wert verringert.
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Der glatte Verlauf ist im mathematischen Sinn gegeben, wenn die Schnittkurve in 3 einer Kurve mit stetiger Steigung folgt. Dies bedeutet, dass Knicke, Stufen oder Absätze vermieden werden soweit dies technisch machbar ist. In Rahmen dieser Erfindung glatt ist auch gegeben, wenn die Dichtung 28 einen freiliegenden Abschnitt besitzt, der die Oberfläche von Wellenabschnitt 25 und erstem Laufrad 15 unterbricht und stückweise mit einer Wölbung freiliegt. Solange eine überwiegend laminare Strömung entlang der Oberfläche von Wellenabschnitt 25 und erstem Laufrad 15 ausbildbar bleibt, ist ein hinreichend glatter Verlauf gegeben.
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Eine weitere Verbesserung des Strömungsverlaufes ist gegeben, wenn wie im gezeigten Beispiel eine Stirnfläche 29 des zweiten Laufrades mit einer Hohlkehle 30 und dadurch mit einem glatten Verlauf in den Wellenabschnitt 25 übergeht. Ist der Wellenabschnitt 25 einteilig mit dem zweiten Laufrad 16 ausgeführt, ist die Hohlkehle 30 besonders einfach und glatt herstellbar.
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Der Wellenabschnitt erreicht in der Einschnürung 27 seine dünnste Stelle vorzugsweise in der zweiten Kammer 20 und/oder in der Öffnung 24 in der Gehäusewand 23. Die Einschnürung 27 kann wie dargestellt eine Ausdehnung in Längsrichtung des Wellenabschnitts besitzen. Durch diese Platzierung und gegebenenfalls Ausdehnung der Einschnürung 27 ist es möglich, bei großem Strömungsdurchlass die Öffnung 24 klein zu halten, so dass die Funktionen von Flüssigkeitsringpumpstufe 2 und normalsaugender Zentrifugalpumpe 3 trotz Erhöhung der durchströmbaren Querschnittsfläche nicht beeinträchtigt werden.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Verbindung der Antriebswelle 14 mit erstem Laufrad 15 und zweitem Laufrad 16, die zur Aufnahme der aus der fliegenden Lagerung resultierenden Kräfte sehr gut geeignet ist und dabei eine hohe Genauigkeit und geringe Spalte zum Gehäuse 9 ermöglicht.
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Die Antriebswelle 14 weist an seinem der Motorwelle 13 abgewandten Ende einen Kegelstumpf 31 auf, der in einem zylindrischen Gewindeabschnitt 32 endet. Diese Gewindeabschnitt 32 ist in einem Gewinde im Wellenabschnitt 25 unter Ausformung einer Schraubverbindung aufgenommen. Das erste Laufrad 15 weist eine erste Klemmfläche 33 auf, die mit einer am Wellenabschnitt 25 ausgebildeten zweiten Klemmfläche 34 in mechanischen Kontakt bringbar ist. Herstellen der Schraubverbindung unter Beteiligung des Gewindeabschnitts 32 bewirkt Klemmkräfte die vom zweiten Laufrad 16 über erste Klemmfläche 33 und zweite Klemmfläche 34 in das erste Laufrad 15 eingeleitet werden und eine Klemmung auf den Kegelstumpf 32 bewirken.
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Das zweite Laufrad weist als Grundkörper einen Zylinder 35 auf. Auf diesem ist wenigstens eine gewindeartig umlaufende Schaufel 36 vorgesehen. Diese Schaufel 36 dient zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Flüssigkeitsringes in der zweiten Kammer 20 sowie zur schraubenartigen Durchförderung der Gasphase durch die zweite Kammer 20. Diese wenigstens eine Schaufel 36 bildet den zweiten Pumpabschnitt 19. An ihrem Ende kann die Schaufel eine Verlängerung 37 aufweisen, welche in axialer Richtung über die Stirnfläche 29 hinausragt. Diese läuft in dem Spalt um, der zwischen dem Ende der Schaufel 36 und der Gehäusewand 23 besteht und verbessert dort die Ausbildung des Flüssigkeitsringes.
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Einen perspektivischen Blick auf das zweite Laufrad 16 zeigt 4. Das zweite Laufrad 16 hat in dieser Abbildung drei Schaufeln 36 und jede der Schaufeln weist an ihrem Ende Verlängerungen 37 auf, die in axialer Richtung orientiert sind. Verlängerungen 37 sind sowohl auf der dem Einlass 4 zugewandten Seite als auch auf der Seite des Wellenabschnitts 25 vorgesehen. Der Zylinder 35, der mit einer Stirnscheibe 38 verschlossen ist, besitzt einen Auszug 39 mit angeordneten Schlüsselflächen, mit dem das zweite Laufrad 16 auf den Gewindeabschnitt 32 aufschraubbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- selbstansaugende Kreiselpumpe
- 2
- Flüssigkeitsringpumpstufe
- 3
- normalsaugende Zentrifugalpumpe
- 4
- Einlass
- 5
- Auslass
- 6
- Rückführleitung
- 7
- Füße
- 8
- Abdeckung
- 9
- Gehäuse
- 10
- Laterne
- 11
- Motor
- 12
- Steuerelektronik
- 13
- Motorwelle
- 14
- Antriebswelle
- 15
- erstes Laufrad
- 16
- zweites Laufrad
- 17
- erster Pumpabschnitt
- 18
- erste Kammer
- 19
- zweiter Pumpabschnitt
- 20
- zweite Kammer
- 21
- rotierender Gleitring
- 22
- stehender Gleitring
- 23
- Gehäusewand
- 24
- Öffnung
- 25
- Wellenabschnitt
- 26
- Wellenende
- 27
- Einschnürung
- 28
- Wellendichtung
- 29
- Stirnfläche
- 30
- Hohlkehle
- 31
- Kegelstumpf
- 32
- Gewindeabschnitt
- 33
- erste Klemmfläche
- 34
- zweite Klemmfläche
- 35
- Zylinder
- 36
- Schaufel
- 37
- Verlängerung
- 38
- Stirnscheibe
- 39
- Auszug
- A
- Detailansicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1191228 A2 [0004]
- DE 102007032228 A1 [0004]
- DE 202004013752 U1 [0020]
- DE 20316570 U1 [0039]
