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Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad, das eine Tragscheibe aufweist, auf der Schaufeln angeordnet sind, die mit einer Deckscheibe zumindest teilweise in Kontakt stehen.
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Ein Laufrad ist ein rotierendes und mit Schaufeln besetztes Bauteil einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Kreiselpumpe. Hier wird durch Strömungsumlenkung an den Schaufeln mechanische Leistung in Förderleistung umgesetzt.
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Zur Aufnahme der Schaufeln besitzen alle Laufräder eine hintere Tragscheibe und bei geschlossenen Laufrädern auch eine vordere Deckscheibe. Bei einer anderen Betrachtungsweise verfügt ein Laufrad über eine innere und bei geschlossenem Laufrad auch über eine äußere Deckscheibe.
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In der
DE 10 2016 225 018 A1 ist ein solches radiales Laufrad einer Kreiselpumpe exemplarisch beschrieben. Zwischen einer Tragscheibe und einer Deckscheibe sind Schaufeln angeordnet. Das Fluid strömt in axialer Richtung dem Laufrad zu, wird um 90 ° umgelenkt und tritt dann in radialer Richtung aus dem Laufrad aus.
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Neben Laufrädern auf metallischer Basis sind auch Laufräder aus Kunststoff bekannt. Laufräder aus Kunststoff überzeugen hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit als auch ihrer Verschleißfestigkeit beim Einsatz in Kreiselpumpen.
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Kunststofflaufräder werden in der Regel zweiteilig im Spritzgussverfahren erzeugt. Ein Teil besteht aus einer Tragscheibe mit angeformten Schaufeln und der zweite Teil bildet die Deckscheibe des Laufrads. In einem zweiten Fertigungsschritt werden beide Teile meist mittels Ultraschall verschweißt.
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Beim Ultraschallschweißen wandelt ein Generator Netzspannung in eine hochfrequente Wechselspannung um, die in eine mechanische Schwingung konvertiert wird. Die Schwingungen werden über eine Sonotrode in die zu fügenden Teile eingeleitet, wodurch es zur Erwärmung und zum Plastifizieren des Materials kommt. Nach Beenden der Schalleinleitung sorgt eine kurze Abkühlphase unter Druck für eine homogene Schweißverbindung der beiden Fügepartner.
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Die
DE 10 2014 226 525 A1 offenbart ein Kreiselpumpenlaufrad mit einem nichtmetallischen Laufradteil und einem mit dem Laufradteil verbundenen metallischen Nabenteil, das auf einer Welle angeordnet ist. Zwischen dem Laufradteil und dem Nabenteil besteht eine lösbare Verbindung.
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Neben der Verbindung mit der Laufradwelle ist gerade die Kontaktbindung der Deckscheibe mit den Schaufeln im Bereich des Saugmunds enormen Belastungen ausgesetzt. Hier wird eine ultraschallverschweißte Verbindung besonders beansprucht. Ungünstigerweise sind hydraulisch optimierte Laufräder insbesondere am Saugmund oft geschwungen ausgebildet, wodurch sich ein unvorteilhafter Winkel für das Ausbilden einer stabilen Verbindung für das Ultraschallschweißen ergibt. Aufgrund schwacher Verbindungen im Bereich des Saugmunds können ultraschallverschweißte Kunststofflaufräder schon nach kurzer Laufzeit schadhaft werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad anzugeben, das eine zuverlässige Verbindung zwischen der Deckscheibe und den Laufradschaufeln auch bei hydraulisch optimiert ausgebildeter Form gewährleistet. Das Kunststofflaufrad soll zudem einfach, schnell und kostengünstig realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad und einem Verfahren zur Erzeugung des Laufrads gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß weist jede Schaufel eines Laufrads einen Vorsprung zur Ausbildung einer Verbindung mit der Deckscheibe auf.
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In einer besonders günstigen Variante der Erfindung erstreckt sich je ein Vorsprung weitestgehend über die gesamte Länge einer Schaufel, wodurch eine besonders sichere und stabile Verbindung mit der Deckscheibe ausgebildet werden kann.
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In einer weiteren Variante der Erfindung geht die Schaufel bereichsweise, fließend in die Form des Vorsprungs über und bildet somit eine Einheit, die teilweise in die Deckscheibe eingreift.
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In einer alternativen Variante der Erfindung weist jede Schaufel des Laufrads einen ersten Abschnitt auf, der sich von einer Eintrittskante stromabwärts erstreckt. An diesen ersten Abschnitt schließt unmittelbar ein zweiter Abschnitt an. Vorzugsweise ist der Vorsprung im ersten Abschnitt ausgebildet. In einer alternativen Variante der Erfindung kann der Vorsprung auch auf dem zweiten Abschnitt angeordnet sein.
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Darüber hinaus kann in einer Variante der Erfindung ein dritter Abschnitt unmittelbar an den zweiten Abschnitt anschließen. Der dritte Abschnitt erstreckt sich vorzugsweise bis an die Austrittskante der Schaufel.
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In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung erstreckt sich der Vorsprung über den gesamten ersten Abschnitt. Dabei erstreckt sich der erste Abschnitt selbst auf dem Rücken der Schaufel über mehr als 10 %, vorzugsweise mehr als 19 %, insbesondere mehr als 28 %, der Schaufellänge.
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Idealerweise ist der Vorsprung so auf dem ersten Abschnitt angeordnet, dass er die ganze Schaufelbreite einnimmt. In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Vorsprung keilförmig ausgebildet. Dabei weist er zur Eintrittskante der Schaufel hin eine Abrundung auf, die an einen Keilkamm anschließt. Auf der Druck- und auf der Saugseite der Schaufel weist der Keil steile Flanken auf. Vorzugsweise sind die Flanken mit unterschiedlicher Steigung ausgebildet, wodurch der Eingriff in die Nut der hydraulisch optimal geformten Deckscheibe mit zuverlässigem Halt ausgeführt ist.
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In einer Variante der Erfindung wird der keilförmige Vorsprung von der Eintrittskante in Richtung des zweiten Abschnitts hin breiter. Dabei weist der Keilkamm hinter der Abrundung in Richtung des zweiten Abschnitts ein kleines Plateau auf.
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Vorteilhafterweise weist die Deckscheibe je eine Nut auf, in die ein Keil einer Schaufel eingreift. Dadurch wird eine stabile und zuverlässige Verbindung zwischen Deckscheibe und den Schaufeln begründet, die insbesondere im Saugbereich dauerhaft den Belastungen standhalten kann.
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Vorzugsweise weist die Nut einen trapezförmigen Querschnitt auf. Dabei laufen die Flanken der Nut zu der Nutdecke hin etwas zu, wodurch die Nut teilweise etwas schmaler als der Keil ausgebildet ist. Die Nut weist eine Länge auf, die mindestens der Keillänge entspricht. Darüber hinaus weist die Nut eine Höhe von mindestens 10 %, vorzugsweise von mindestens 20 %, insbesondere von mindestens 30 %, der Schaufelhöhe auf.
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In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist der spitzzulaufende Keil zumindest teilweise etwas breiter als die Nut ausgebildet, wodurch beim Aufstecken der Deckscheibe an beiden Flanken des Keils ein linienförmiger Kontakt zur Deckscheibe gewährleistet ist. Dieser linienförmige Kontakt wird durch das Verfahren des Ultraschallverschweißens in eine stoffschlüssige Verbindung überführt, wodurch gerade im Saugbereich des Laufrads eine zuverlässige, belastbare und langlebige Verbindung entsteht.
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In einer Variante der Erfindung ist der keilförmige Vorsprung an seiner breitesten Stelle breiter als die Nut ausgebildet, weist dabei aber eine geringere Höhe auf. Dadurch wird zwischen Vorsprung und Nut ein Hohlraum ausgebildet. Die linienförmigen, stoffschlüssigen Verbindungen sind hierbei an der druckseitigen steilen Flanke und an der saugseitigen steilen Flanke des Keils angeordnet.
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Aufgrund der besonderen, keilförmigen Gestaltung des Vorsprungs entstehen zwei linienförmige Kontaktstellen mit der Deckscheibe, die beim Energieeintrag durch die Sonotrode beim Ultraschallverschweißen in einem nahezu rechten Winkel zur Sonotrode stehen, was zur stabilen Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung führt. Insbesondere bei bekannten, hydraulisch optimiert ausgebildeten Laufrädern konnte bislang der günstige Winkel der Energieeintragung so nicht gewährleistet werden.
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Durch die vorteilhafte Form des Vorsprungs in Form eines Keils, der an den Flanken zwei stoffschlüssige Verbindungen zur Deckscheibe bildet, wird eine besonders zuverlässige Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe erzielt. Aufgrund der Verdopplung der Verbindungslinien sowie durch die konstruktive Gewährleistung eines günstigen Energieeintragswinkels beim Ultraschallverschweißen wird ein besonders belastbares Kunststofflaufrad realisiert.
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Im zweiten Abschnitt der Schaufel, der unmittelbar an den ersten Abschnitt anschließt, ist eine Erhöhung ausgebildet. Die Erhöhung ist vorzugsweise prismenförmig ausgebildet und dient als Energierichtungsgeber für das Ultraschallverschweißen, wodurch eine linienförmige, stoffschlüssige Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe erzeugt wird. Die Verbindung zu der Schaufel im zweiten Abschnitt ist meist weniger stark beansprucht und die Form der Deckscheibe ermöglicht meist einen Energieeintrag beim Ultraschallverschweißen im rechten Winkel, wodurch eine zuverlässige Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe realisiert werden kann.
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In einer alternativen Variante der Erfindung kann der Energierichtungsgeber auch auf dem ersten Abschnitt zur Ausbildung einer linienförmigen, stoffschlüssigen Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe angeordnet sein. In einer speziellen Ausführung der Erfindung kann der Energierichtungsgeber zusätzlich auf dem Vorsprung angeordnet sein.
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Für das Fügen von Kunststoffteilen mithilfe von Ultraschallschweißen werden die Fügezonen gewöhnlich mit Energierichtungsgebern versehen. Energierichtungsgeber sind vorzugsweise 0,4 - 0,6 mm hohe, umlaufende, angespritzte Materialstege mit dreieckigem Querschnitt.
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Durch den Energierichtungsgeber wird eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung beim Ultraschallverschweißen erreicht. Die Reibungswärme führt zu einem zügigen Anschmelzen der prismenförmigen Erhöhung, was zu einer zuverlässigen stoffschlüssigen Verbindung führt.
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In einer günstigen Variante der Erfindung erstreckt sich die prismenförmige Erhöhung komplett über den zweiten Abschnitt. Dies führt zu einer über die ganze Schaufellänge ausgebildeten, stoffschlüssigen Verbindung, wodurch die Deckscheibe besonders zuverlässig mit den Schaufeln des Laufrads verbunden ist.
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In einer besonders günstigen Variante der Erfindung weisen der erste Abschnitt einen Vorsprung aber keinen Energierichtungsgeber, der zweite Abschnitt einen Vorsprung mit Energierichtungsgeber und der dritte Abschnitt weder einen Vorsprung noch einen Energierichtungsgeber auf. Durch diese Variante wird im ersten Abschnitt, wo sich das Ultraschallverschweißen schwierig gestaltet, zusätzlich zu einem Verschweißen an den linienförmigen Kontaktstellen ein Formschluss realisiert. Im zweiten Abschnitt erfolgt dann zusätzlich ein Verschweißen über den Energierichtungsgeber, wodurch die Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe in diesem Bereich besonders stabil ist. Im dritten Abschnitt wird auf eine form- und stoffschlüssige Verbindung zwischen Schaufel und Deckscheibe verzichtet, um hier durch das Einbringen von Nuten die Deckscheibe nicht unnötig zu schwächen.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich der zweite Abschnitt auf dem Rücken der Schaufel bevorzugt über mehr als 50 %, vorzugsweise mehr als 65 %, insbesondere mehr als 80 % der Schaufellänge.
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In einer günstigen Variante der Erfindung erstreckt sich der dritte Abschnitt auf dem Rücken der Schaufel über mehr als 6 %, vorzugsweise mehr als 9 %, insbesondere mehr als 12 % der Schaufellänge, bis hin zur Austrittskante der Schaufel.
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Vorzugsweise ist die Deckscheibe und die Tragscheibe mit den Schaufeln aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Polysulfon oder einem Polyphenylsulfid oder einem Polyethersulfon, gebildet.
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Polysulfon ist ein amorpher Kunststoff, der zu den hochtemperaturbeständigen Hochleistungsthermoplasten gezählt wird. Polysulfon ist glasklar mit einem leichten Gelbstich und in einem Bereich von -100 bis 190 °C hart, steif und zäh. Darüber hinaus besitzt Polysulfon eine hohe Chemikalienbeständigkeit.
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Polyphenylensulfid (PPS) ist ein hochtemperaturbeständiger, thermoplastischer, teilkristalliner Hochleistungskunststoff. PPS weist gute mechanische Eigenschaften und eine gute chemische Beständigkeit gegenüber nahezu allen Lösemitteln, vielen Säuren und Laugen auf.
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Erfindungsgemäß wird das Kunststofflaufrad für eine Kreiselpumpe in einem Verfahren mit folgenden Schritten erzeugt: Zunächst wird die Tragscheibe mit den Schaufeln und die Deckscheibe mit den Nuten getrennt in einem Spritzgussverfahren aus einem Kunststoff, vorzugweise einem Hochleistungskunststoff, insbesondere einem Polysulfon oder Polyphenylensulfid, gebildet. Die Deckscheibe wird auf die Tragscheibe mit den Schaufeln aufgesetzt, so dass der keilförmige Vorsprung jeder Schaufel in eine Nute der Deckscheibe eingreift. Durch das Eingreifen des keilförmigen Vorsprungs in die Nut werden zwei linienförmige, stoffschlüssige Kontaktstellen der Schaufel mit der Deckscheibe ausgebildet. Bei Energiezufuhr mittels Ultraschall werden die Kontaktstellen angeschmolzen und bilden stoffschlüssige, linienförmige Verbindungen.
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Beim Ultraschallschweißen wird die zum Plastifizieren benötigte Wärme durch die Umwandlung von Ultraschallschwingungen in mechanische Schwingungen erzeugt und mit einem bestimmten Anpressdruck über die Sonotrode den zu schweißenden Teilen zugeleitet. Das entstandene Teil wird positionsgenau gehalten und kühlt unter Nachdruck ab.
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Mithilfe des erfindungsgemäßen Vorsprungs, der in eine Nut eingreift und somit je zwei stoffschlüssige Verbindungen statt einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Deckscheibe und Schaufeln ausbildet, erfährt die bisher schwache Verbindung am Saugmund eine deutliche Verstärkung. Eine konstruktiv durch zwei stoffschlüssige Kontaktlinien verstärkte Verbindung zwischen den Schaufeln und der Deckscheibe eines Kunststofflaufrades kann den Belastungen im Förderbetrieb zuverlässig standhalten. Zudem ist die Lösung kostengünstig, einfach und schnell zu realisieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung des Laufrads,
- 2 eine perspektivische Darstellung der Tragscheibe mit Schaufeln,
- 3 eine Detaildarstellung des Vorsprungs der Schaufel in der Nut der Deckscheibe,
- 4 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Tragscheibe mit Schaufeln.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Laufrades 1 für eine Kreiselpumpe. In dieser Ausführungsvariante ist das Laufrad 1 aus Polyphenylensulfid gebildet. Auf der Tragscheibe 2 sind die Schaufeln 3 fest angeformt. Auf den Schaufeln 3 sitzt die Deckscheibe 4 auf, die im Bereich des Saugmundes 21 für jede Schaufel 3 eine Nut 10 aufweist, in die je ein Vorsprung 5 eingreift.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Tragscheibe 2 mit den Schaufeln 3. Eine Schaufel 3 erstreckt sich von der Eintrittskante 7 des Fluids radial nach außen gekrümmt bis zur Austrittskante 9, die bündig mit der Tragscheibe 2 abschließt. Dabei weist die Schaufel 3 auf ihrem Schaufelrücken 16 einen ersten Abschnitt 6, einen zweiten Abschnitt 8 und einen dritten Abschnitt 22 auf. Der erste Abschnitt 6 erstreckt sich von der Eintrittskante 7 in Richtung Austrittskante 9 und ist der Fluidströmung zugewandt. Der zweite Abschnitt 8 schließt unmittelbar an den ersten Abschnitt 6 an und erstreckt sich in Richtung der Austrittskante 9. Der dritte Abschnitt 22 schließt an den zweiten Abschnitt 8 und erstreckt sich bis zur Austrittskante 9 an. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der erste Abschnitt über 25 %, der zweite Abschnitt über 70 % und der dritte Abschnitt über 5 % der Schaufellänge.
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Im ersten Abschnitt 6 ist der Vorsprung 5 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Vorsprung 5 über die komplette Fläche des ersten Abschnitts 6 auf dem Schaufelrücken 16. Der Vorsprung 5 weist eine Abrundung 20 zur Eintrittskante 7 hin auf und ist keilförmig ausgebildet. Im ersten Abschnitt 6 weist der keilförmige Vorsprung 5 die Breite der Schaufel 3 auf und läuft dann schmaler werdend zu bis zum Plateau 19, das sich an die Abrundung 20 in Richtung Austrittskante 9 anschließt. Auf der Druckseite der Schaufel 3 weist der Vorsprung 5 die steile Flanke 17 und auf der Saugseite die steile Flanke 18 auf.
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Im zweiten Abschnitt 8 ist die Erhöhung 12 angeordnet. Die Erhöhung 12 ist als Energierichtungsgeber mit einem dreieckigen Querschnitt ausgebildet und erstreckt sich als prismenförmiger Körper über den ganzen zweiten Abschnitt 8.
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3 zeigt eine Detaildarstellung des Vorsprungs 5 der Schaufel 3 in der Nut 10 der Deckscheibe 4. Die Nut 10 weist eine Nuthöhe 15 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel 30 % der Deckscheibenhöhe 14 entspricht. Die Breite des Vorsprungs 5 ist in Nähe des Schaufelrückens 16 breiter ausgebildet als die Breite der Nut 10. Aufgrund dieses vorteilhaften Übermaßes des keilförmigen Vorsprungs 5 bildet sich sowohl auf der saugseitigen Flanke 18 als auch auf der druckseitigen Flanke 17 je eine linienförmige Kontaktstelle 11 aus. Dabei weisen die linienförmigen Kontaktstellen 11 in Richtung einer anzusetzenden Sonotrode einen günstigen Winkel zur Energieeinbringung auf, wodurch sich zwei zuverlässige, stoffschlüssige, linienförmige Verbindungen ausbilden lassen. Oberhalb des Vorsprungs 5 und innerhalb der Nut 10 ist ein Hohlraum 13 angeordnet, der durch das Übermaß des keilförmigen Vorsprungs 5 begründet ist.
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Im zweiten Abschnitt 8 der Schaufel 3 ist mithilfe des prismenförmigen Energierichtungsgebers eine stoffschlüssige, linienförmige Verbindung 21 ausgebildet.
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4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Variante der Tragscheibe 2 mit sechs Schaufeln 3. Jeweils eine Schaufel 3 erstreckt sich von der Eintrittskante 7 des Fluids radial nach außen gekrümmt bis zur Austrittskante 9. Die Austrittskante 9 schließt nahtlos an den Rand der Tragscheibe 2 an.
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Die Schaufel 3 umfasst auf ihrem Schaufelrücken 16 drei Abschnitte 6, 8 und 22. Der erste Abschnitt 6 erstreckt sich von der Eintrittskante 7 in Richtung Austrittskante 9 und nimmt 14 % der Schaufellänge ein. Der zweite Abschnitt 8 schließt unmittelbar an den ersten Abschnitt 6 an und erstreckt sich auf 78 % der Schaufellänge. Der dritte Abschnitt 22 schließt an den zweiten Abschnitt 8 unmittelbar an, wobei dessen Anteil 8 % an der Schaufellänge beträgt.
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Der Vorsprung 5 ist im ersten Abschnitt 6 angeordnet und erstreckt sich über die komplette Fläche des ersten Abschnitts 6 auf dem Schaufelrücken 16. Der Vorsprung 5 weist eine langgezogene Abrundung 20 im direkten Anschluss zur Eintrittskante 7 auf und ist in einer breiten Keilform ausgebildet. Auf diese Weise wird im ersten Abschnitt 6 beim Verschweißen mit der Deckscheibe 4 an den linienförmigen Kontaktstellen ein Formschluss realisiert.
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Die Erhöhung 12 ist als Energierichtungsgeber mit einem dreieckigen Querschnitt ausgebildet und erstreckt sich als prismenförmiger Körper über den ganzen zweiten Abschnitt 8, wodurch beim Verschweißen über den Energierichtungsgeber die Verbindung zwischen Schaufel 3 und Deckscheibe 4 besonders stabil ausgebildet wird. Der dritte Abschnitt 22 ist ohne den Vorsprung 5 und ohne die Erhöhung 12 ausgebildet. Dadurch wird beim Verschweißen mit der Deckscheibe 4 im dritten Abschnitt 22 auf eine form- und stoffschlüssige Verbindung zwischen Schaufel 3 und Deckscheibe 4 verzichtet, um die Deckscheibe 4 am äußeren Rand durch das Einbringen von Nuten 10 nicht zu schwächen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225018 A1 [0004]
- DE 102014226525 A1 [0008]
