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Die Erfindung betrifft eine Freistrompumpe mit einem Laufrad, das Schaufeln zur Förderung feststoffhaltiger Medien aufweist.
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Solche Freistrompumpen werden auch als Wirbelpumpen bezeichnet, deren Förderleistung von einer rotierenden mit Schaufeln versehenen Scheibe, dem sogenannten Freistromrad, auf das Strömungsmedium übertragen wird. Freistromräder eignen sich besonders zur Förderung von mit festen Beimengungen versetzten Medien, wie beispielsweise Schmutzwasser. Das Freistromrad ist ein Radialrad, das einen großen Durchgang für die im Fördermedium enthaltenen Feststoffe ermöglicht und wenig störanfällig ist.
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In der
WO 2004/065796 A1 wird eine Freistrompumpe zur Förderung von mit festen Beimengungen versetzten Flüssigkeiten beschrieben. Zwischen dem Laufrad und der saugseitigen Gehäusewand besteht ein Abstand, damit Festkörper die Freistrompumpe ohne Verstopfungen passieren können. Der Übergang der saugseitigen Gehäusewand zu der Wand des radial zum Laufrad gelegenen Gehäuseraums erfolgt stufenlos. Der Gehäuseraum ist asymmetrisch gestaltet.
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In der
EP 1 616 100 B1 wird eine Freistrompumpe beschrieben, deren Laufrad aus einer mit offenen Schaufeln bestückten Tragscheibe besteht. Die Schaufeln weisen unterschiedliche Höhen auf. Eine saugseitige Gehäusewand verläuft konisch. Der Abstand der Gehäusewand zu den Vorderkanten der höheren Schaufeln des Laufrads nimmt mit dem Durchmesser ab. Eine Passage mit einer Mindesterstreckung folgt gleichbleibend einer Vorderkante einer zum Laufradaustritt hin geneigten Schaufel geringerer Höhe.
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Als Kugeldurchgang wird ein freier, unverengter Laufraddurchgang bezeichnet. Er beschreibt den größten zulässigen Durchmesser der Feststoffe, um einen verstopfungsfreien Durchgang zu gewährleisten. Er wird als Kugeldurchmesser in Millimeter angegeben. Der Kugeldurchgang entspricht maximal der Nennweite des Saug- bzw. Druckstutzens. Damit dieser maximal mögliche Kugeldurchgang bei Kreiselpumpen, insbesondere bei Freistrompumpen, erreicht wird, muss auch innerhalb der Pumpe der Weg zwischen den bewegten und feststehenden Bauteilen mindestens der Nennweite des Saug- bzw. Druckstutzens entsprechen, andernfalls ist der Kugeldurchgang entsprechend kleiner.
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Überschreitet der schaufellose Raum zwischen der Schaufelfront und der gegenüberliegenden Gehäusewand ein gewisses Maß, reduziert sich die Effizienz der Freistrompumpe. Je größer der Abstand zwischen dem Laufrad und der saugseitigen Gehäusewand ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad der Freistrompumpe.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Freistrompumpe anzugeben, die Medien auch mit größeren Feststoffen fördern kann und dabei einen bauartgemäß möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist. Die Freistrompumpe soll sich durch eine möglichst kostengünstige Herstellungsweise auszeichnen und eine hohe Lebensdauer gewährleisten. Zudem soll die Freistrompumpe möglichst vielfältig einsetzbar und wenig störanfällig sein, sowie einen günstigen NPSH-Wert aufweisen. Kavitationsschäden sollen vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Freistrompumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß verzweigen sich die Schaufeln. Ausgehend von einem Ursprungsschaufelabschnitt zweigt mindestens ein weiterer Schaufelabschnitt ab. Die Schaufeln erstrecken sich vorzugsweise in gekrümmter Weise von innen nach außen in radialer Richtung. An einem Verzweigungspunkt, zweigt ein erster Schaufelabschnitt ab. Mit weiter zunehmendem Radius können weitere Verzweigungspunkte folgen. Bei einer Variante der Erfindung bilden abzweigende Schaufelabschnitte Ausgangspunkte für weitere Abzweigungen.
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Durch die erfindungsgemäße Abzweigungskonstruktion der Schaufeln wird ein kaskadierendes Laufrad geschaffen. Durch die Abzweigungen werden freie Räume vermieden, in denen es zu unerwünschten Wirbelbildungen kommt, durch die der Wirkungsgrad der Pumpe herabgesetzt würde. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe wird ein Pumpvolumen geschaffen, das zu einem hohen Wirkungsgrad bei geringer Durchflussmenge führt. Die erfindungsgemäße Freistrompumpe weist aufgrund der Verzweigungskonstruktion einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad auf und gewährleistet dabei gleichzeitig eine zuverlässige Förderung feststoffhaltiger Medien, ohne dass es zu Verstopfungen kommt.
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Im Vergleich zu herkömmlichen Freistromrädern mit Schaufeln, die von innen nach außen immer dicker werden, ist das erfindungsgemäße Laufrad deutlich leichter. Innerhalb einer Schaufel weist die erfindungsgemäße Konstruktion Räume zwischen den Schaufelabschnitten auf, die zu einer Art Materialeinsparung führen. Dadurch wird ein leichtes Laufrad geschaffen, das einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung setzt der Ursprungsschaufelabschnitt an einem Nabenkörper des Laufrades an. Der Nabenkörper dient der Befestigung des Laufrades auf einer Welle und ist auf der Tragscheibe des Laufrades ausgebildet bzw. wird von der Tragscheibe gebildet. Der Ursprungsschaufelabschnitt setzt am Nabenkörper an und erstreckt sich mit einer Krümmung von innen nach außen. Ab einem bestimmten Radius zweigt ein erster Schaufelabschnitt ab.
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Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung liegt der erste Verzweigungspunkt in Höhe des Einlaufradius des Saugmundes, sodass das Medium axial durch den Saugmund in einen Bereich des Laufrades einströmt, der in der Mitte nicht verzweigt ist und dann das Medium durch die Rotationsbewegung des Laufrades radial nach außen in die verzweigten Bereiche der Schaufeln gefördert wird.
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Vorzugsweise befindet sich der erste Verzweigungspunkt innerhalb der ersten Hälfte der Schaufel, bezogen auf die radiale Erstreckung der Schaufel beginnend vom Ursprung. Bei einer besonders günstigen Variante zweigt ein Schaufelabschnitt im ersten Drittel des vorangegangenen Schaufelabschnitts ab, wobei es sich besonders vorteilhaft erweist, wenn der nachfolgende Schaufelabschnitt in einem ersten Teilbereich des vorangegangenen Schaufelabschnitts beginnt.
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Der Ursprungsschaufelabschnitt und alle weiteren abzweigenden Schaufelabschnitte der Schaufel weisen vorzugsweise einen entgegen der Drehrichtung gekrümmten Verlauf auf, sogenannte rückwärts gekrümmte Schaufeln. Jede Schaufel steht mit ihren einzelnen Schaufelabschnitten von der Tragscheibe in Saugrichtung hervor.
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Bei einer Variante der Erfindung weisen die jeweils nachfolgenden abzweigenden Schaufelabschnitte gegenüber den vorangeordneten Schaufelabschnitten eine stärkere Krümmung auf.
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Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung erstrecken sich der Ursprungsschaufelabschnitt und/oder die jeweils abzweigenden Schaufelabschnitte zum Außendurchmesser des Laufrades.
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Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung ist das Laufrad mit den Schaufeln einstückig ausgebildet. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Laufrad und/oder die Schaufeln aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sind. Vorzugsweise kommt dabei ein Gusswerkstoff zum Einsatz.
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Zwischen den Schaufeln sind Räume zum Eintauchen einer Kugel um eine bestimmte Tiefe ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird ein ausreichender Kugeldurchgang bei gleichzeitig hohem Förderungswirkungsgrad der Pumpe gewährleistet. Die Ausbildung von verzweigten Schaufeln mit jeweils ausreichenden Zwischenräumen zwischen den Schaufeln erlaubt es, den Abstand zwischen der zulaufseitigen Gehäusewand und der Schaufelfront zu reduzieren und dabei dennoch einen ausreichenden Kugeldurchgang zu gewährleisten. Dadurch weist die Freistrompumpe einen hohen Wirkungsgrad auf und gewährleistet gleichzeitig eine zuverlässige Förderung feststoffhaltiger Medien, ohne dass es zu Verstopfungen kommt.
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Bei einer Variante der Erfindung sind alle Schaufeln des Laufrades kongruent zueinander ausgebildet und weisen die gleiche Form auf.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt:
- 1 einen schematischen Meridianschnitt durch eine Freistrompumpe,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Freistromrades mit drei Schaufeln,
- 3 eine Draufsicht des Freistromrades gemäß der Darstellung in 2,
- 4 eine perspektivische Darstellung eines Freistromrades mit zwei Schaufeln,
- 5 eine Draufsicht des Freistromrades gemäß der Darstellung in 4.
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In 1 ist eine Freistrompumpe dargestellt, in deren Gehäuse 1 ein Laufrad 2 positioniert ist. Das Laufrad 2 ist drehfest mit einer Welle verbunden, die in 1 nicht dargestellt ist. Der Befestigung des Laufrades 2 dient ein Nabenkörper 4, der eine Bohrung 5 zum Eindrehen einer Schraube aufweist. Das Laufrad 2 ist als Freistromrad ausgebildet. Auf einer Tragscheibe 6 des Laufrades 2 sind mehrere Schaufeln 7 angeordnet. Zwischen dem Laufrad 2 und der einlassseitigen Gehäusewand 8 wird ein schaufelfreier Raum 9 gebildet.
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Der Saugmund 10 wird von einem saugseitigen Gehäuseteil 11 gebildet. Der Saugmund 10 bildet einen Eintritt für das feststoffhaltige Medium und weist einen Durchmesser D auf. Das saugseitige Gehäuseteil 11 ist als Saugdeckel ausgebildet.
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Das Laufrad 2 ist in einem Pumpengehäuse 15 angeordnet.
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Die Frontseite des Freistromrades 2 weist an ihrem äußeren Rand einen Abstand A zur Innenseite des saugseitigen Gehäuseteils 11 auf. Dabei ist der Abstand A vorzugsweise als die Strecke definiert, den eine Normale, welche senkrecht zur saugseitigen Gehäusewand 8 steht, zum äußeren Rand der Schaufelfront des Laufrades 2 hat. Der Abstand A ist kleiner als der Durchmesser D.
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Die Höhe h der Schaufeln 7 nimmt im Ausführungsbeispiel in radialer Richtung ab, so dass die Schaufelfront einen leicht schrägen oder kegelförmigen Verlauf aufweist.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Laufrades, das als Freistromrad ausgebildet ist. Bei dem Laufrad 2 handelt es sich um ein offenes Radialrad, das keine Deckscheibe aufweist.
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Auf der Tragscheibe 6 sind drei Schaufeln 7 angeordnet. Die Schaufeln 7 sind kongruent. Jede Schaufel 7 weist einen Ursprungsschaufelabschnitt 12 auf, der sich vom Nabenkörper 4 mit einer Krümmung radial nach außen erstreckt.
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Vom Ursprungsschaufelabschnitt 12 zweigt ab einem Verzweigungspunkt 13 ein Schaufelabschnitt 14 ab. Sowohl der Ursprungsschaufelabschnitt 12 als auch der abzweigende Schaufelabschnitt 14 erstrecken sich bis zum Außendurchmesser des Laufrades 2.
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Der Verzweigungspunkt 13 befindet sich in Höhe des Einlaufradius des Saugmundes 10, der in 1 dargestellt ist.
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Die Schaufelabschnitte 12, 14 weisen einen entgegen der Drehrichtung gekrümmten Verlauf auf. Die weisen einen rückwärts gekrümmten Verlauf auf. Der abzweigende Schaufelabschnitt 14 weist gegenüber dem Ursprungsschaufelabschnitt 12 eine stärkere Krümmung auf.
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3 zeigt eine Draufsicht auf das Laufrad 2 gemäß der Darstellung in 2. Die drei Schaufeln 7 sind um 120° zueinander versetzt angeordnet. Die Schaufelabschnitte 12, 14 weisen am Außendurchmesser des Laufrades 2 einen Winkelabstand 15 von 40° auf.
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4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Laufrades 2, bei der auf einer Tragscheibe 6 zwei Schaufeln 7 angeordnet sind. Die Schaufeln 7 sind um 180° zueinander versetzt am Nabenkörper 4 des Laufrades 2 angeordnet. Vom jeweiligen Ursprungsschaufelabschnitt 12 zweigt bei einem ersten Verzweigungspunkt 13 ein Schaufelabschnitt 14 ab, von dem wiederum ab einem zweiten Verzweigungspunkt 16 ein weiterer Schaufelabschnitt 17 abzweigt. Alle Schaufelabschnitte 12, 14, 17 erstrecken sich bis zum Außendurchmesser des Laufrades 2.
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Im Ausführungsbeispiel ist das Laufrad 2, das aus der Tragscheibe 6 mit den Schaufeln 7 und dem Nabenkörper 4 besteht, einstückig ausgebildet. Es besteht aus einem Gusswerkstoff. Zwischen den Schaufeln 7 sind Räume 18 zum Eintauchen einer Kugel ausgebildet. Dadurch wird ein Kugeldurchgang gewährleistet, der eine Förderung auch von feststoffhaltigen Medien gewährleistet.
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5 zeigt eine Draufsicht des Laufrades 2 gemäß der Darstellung in 4. Der Winkelabstand 15 zwischen den Schaufelabschnitten 12 und 14 beträgt vorzugsweise zwischen 30° und 60°, im Ausführungsbeispiel beträgt der Winkelabstand 15 ca. 45 °. Der Winkelabstand 19 zwischen den Schaufelabschnitten 14 und 17 beträgt vorzugsweise zwischen 20° und 50°, im Ausführungsbeispiel beträgt der Winkelabstand ca. 38°. Die Schaufeln 7 sind um einen Winkel von 180° versetzt zueinander angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/065796 A1 [0003]
- EP 1616100 B1 [0004]
