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Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit wenigstens einem Pumpenlaufrad und mit wenigstens einer zwischen dem Pumpenlaufrad unter dem Pumpengehäuse angeordneten Gleitringdichtung zur Abdichtung des Laufradspaltes zwischen der Saug- und Druckseite der Kreiselpumpe, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Pumpenlaufrades für eine solche Kreiselpumpe.
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Kreiselpumpen weisen konstruktionsbedingt einen Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse auf. Einerseits besteht zwar die Notwendigkeit ausreichend Freiraum zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse bereitzustellen, um einen gewissen Achsversatz ohne drohende Schäden durch Auslenkung der Welle bzw. des Laufrades zu vermeiden, andererseits besteht jedoch der Wunsch, den Spalt möglichst klein zu dimensionieren, um die durch ihn hervorgerufenen hydraulischen Verluste zu minimieren. Letztere entstehen durch die Rückströmung des Fördermediums von der Druckseite des Laufrades über den Spalt zur Saugseite. Erschwerend kommt hinzu, dass die Spaltweite im Betrieb durch Materialabtrag kontinuierlich zunehmen kann.
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In gängigen Kreiselpumpen wird ein Spaltring eingesetzt, um den radialen Spalt zwischen Laufrad und Pumpengehäuse zu reduzieren und den möglichen Achsversatz zwischen Laufrad und Pumpengehäuse auszugleichen. Jedoch treten auch bei dieser Lösung hydraulische Verluste durch den Bypass am Spaltring auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Abdichtung des Laufradspaltes dahingehend zu optimieren, dass die auftretenden hydraulischen Verluste durch den Strom von der Druckseite zur Saugseite minimiert werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Kreiselpumpe durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1. Entsprechend wird vorgeschlagen, eine Gleitringdichtung zur Abdichtung des Laufradspaltes einzusetzen, deren Gleitflächen in Axialrichtung der Kreiselpumpe gegenüberliegend angeordnet sind. Die Gleitringdichtung umfasst eine rotierende Komponente, die zusammen mit dem Laufrad um die Drehachse der Pumpe rotiert. Eine stationäre Komponente der Gleitringdichtung ist drehfest innerhalb des Pumpengehäuses angeordnet. Die Gleitflächen der beiden Komponenten verlaufen idealerweise orthogonal zur Axialrichtung bzw. Rotationsachse der Pumpe. Durch den Druckunterschied zwischen Saug- und Druckseite wird das Pumpenlaufrad und somit die rotierende Komponente der Gleitringdichtung in axialer Richtung auf die stationäre Komponente bewegt, wodurch eine optimale Abdichtung erzwungen wird und die eingesetzte Gleitringdichtung gleichermaßen als Axiallager für das Pumpenlaufrad wirkt.
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Durch die erzielte axiale Dichtung können die über den Laufradspalt bei einer radialen Abdichtung auftretenden hydraulischen Verluste reduziert werden.
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Die eingesetzte Gleitringdichtung besteht aus einer stationären sowie einer rotierenden Komponente. Zumindest die jeweiligen Gleitflächen der Komponenten bestehen oder umfassen Keramik und/oder einen Kohlenstoffwerkstoff, insbesondere Graphit, und/oder einen Kohlenstoffverbundwerkstoff, wie bspw. Siliziumcarbid. Dabei können beide Gleitflächen aus identischen oder unterschiedlichen Materialarten gefertigt sein.
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Die rotierende Komponente der Gleitringdichtung kann ein rotierender Lagerring sein oder einen solchen umfassen, der mit dem Pumpenlaufrad bzw. einem Bauteil des Pumpenlaufrades rotationsfest verbunden ist. Der Lagerring kann auf einer axialen Stirnkante des Pumpenlaufrades im Bereich um seinen Saugmund angeordnet sein, d.h. der Lagerring verläuft um den Saugmund des Laufrades. Das Pumpenlaufrad kann mehrteilig ausgestaltet sein, wobei die Befestigung des rotierenden Lagerrings an der Deckscheibe des Laufrades erfolgen kann.
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Die rotierende Komponente, insbesondere der rotierende Lagerring, umfasst eine Gleitfläche, insbesondere ringförmige Gleitfläche. Wie bereits vorstehend angedeutet wurde, verläuft die Gleitfläche senkrecht zur Rotationsachse bzw. Axialachse der Pumpe. Vorstellbar ist es, dass die Gleitfläche eine durchgängige Fläche ist, insbesondere eine durchgängige Ringfläche ist. Da die Gleitringdichtung im Betrieb vom Fördermedium der Pumpe umströmt wird, ist eine ausreichende Schmierung der Gleitringdichtung sichergestellt. Optional kann jedoch vorgesehen sein, dass die Gleitfläche der rotierenden Komponente ein oder mehrere Schmiernuten aufweist, bei der Ausführung als Lagerring in Form von Radialnuten. Die Ausbildung von Schmiernuten verbessert die Schmierfilmbildung zwischen den Gleitflächen der Gleitringdichtung. Die Ausbildung der Schmiernuten an der rotierenden Komponente der Gleitringdichtung kann jedoch noch einen weiteren technischen Vorteil aufweisen. Sind die Schmiernuten als Radialnuten auf einer ringförmigen Gleitfläche der rotierenden Komponente ausgebildet, so stellt sich durch die Rotation der Komponente eine Pumpwirkung ein, wodurch ein Förderstrom entgegengesetzt zum druckbedingten Volumenstrom durch den Spalt entsteht. Idealerweise wird dadurch der druckbedingte Volumenstrom weiter reduziert, so dass eine weitere Minimierung der hydraulischen Verluste durch den Spalt erzielt werden kann. Es spricht jedoch nichts dagegen, die Gleitfläche der stationären Komponente der Gleitringdichtung ebenfalls oder alternativ mit Schmiernuten auszustatten.
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Der Lagerring bzw. die rotierende Komponente der Gleitringdichtung kann auf dem Laufrad bzw. einer entsprechende Laufraddeckscheibe nach deren Fertigung aufgesteckt und mechanisch befestigt sein. Vorstellbar ist es ebenso, dass der Lagerring bzw. die rotierende Komponente während des Herstellungsprozesses des Laufrades befestigt wird. Vorstellbar ist es beispielsweise, dass Laufrad bzw. zumindest das den Lagerring tragende Bauteil des Laufrades per Spritzguss aus Kunststoff herzustellen. In diesem Fall bietet es sich an, die rotierende Komponente, restriktive den rotierenden Lagerring direkt während des Spritzgiessens des Laufrades in selbiges einzuspritzen.
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Vorstellbar ist es beispielsweise, dass die rotierende Komponente wenigstens eine Hinterschneidung aufweist, die durch das Spritzgussmaterial des Pumpenlaufrades zumindest teilweise umschlossen wird, wodurch die rotierende Komponente in Axialrichtung am Pumpenlaufrad fixiert ist. Eine geeignete Hinterschneidung kann durch eine Variation des Außendurchmessers der rotierenden Komponente bzw. des Lagerrings erreicht werden. Von besonderem Vorteil ist insbesondere eine stufenartige Durchmesseränderung am Aussenumfang des Lagerrings. Vorteilhafterweise ist der Bereich des Lagerrings mit dem größeren Aussendurchmesser laufradnah montiert, während der Bereich mit verringerten Aussendurchmesser am laufradfernen Ende des Lagerrings ausgebildet ist.
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Die Montage und drehfeste Festlegung der stationären Komponente der Gleitringdichtung erfolgt unmittelbar oder mittelbar am Pumpengehäuse, insbesondere im Saugkanal des Pumpengehäuses. Die Lagerung der stationären Komponente an der Gehäusewand kann nachgiebig sein, um etwaige Abweichungen von der Planparallelität der aufeinander laufenden Gleitflächen der Gleitringdichtung ausgleichen zu können. Eine nachgiebige Lagerung der stationären Komponente kann mittels Elastomer, insbesondere einem O-Ring, erfolgen, mittels diesem die Komponente auf einer Fläche des Pumpengehäuses gelagert ist. Eine gewisse Nachgiebigkeit der stationären Komponente wird demzufolge in Kompressionsrichtung des Elastomers erreicht. Vorstellbar ist es beispielsweise, dass hierdurch eine gewisse axiale Bewegung oder Verkippung der stationären Komponente vom Laufrad weg möglich ist. Bevorzugt weist der Saugkanal an seiner Innenwand eine geeignete, insbesondere ringförmige Anschlagsfläche auf, die senkrecht zur Rotationsachse bzw. Axialachse verläuft. Auf dieser Anschlagsfläche kann die stationäre Komponente nachgiebig gelagert sein, insbesondere liegt die stationäre Komponente in Axialrichtung zwischen Anschlagsfläche und Laufrad.
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Mittels eines Dichtungsträgers kann die Axialbewegung der stationären Komponente in Richtung des Laufrades begrenzt werden, wodurch die stationäre Komponente in einem gebildeten Raum zwischen Gehäusewand, insbesondere der vorgenannten Anschlagsfläche, und Dichtungsträger gesichert ist. Der Dichtungsträger ist dabei an der Gehäusewand fixiert, insbesondere drehfest fixiert. Ferner kann der Dichtungsträger ringförmig ausgeführt sein, wobei sein Innendurchmesser größer als der Aussenumfang des Saugmundes des Laufrades dimensioniert ist, so dass letzterer zumindest geringfügig innerhalb der Bohrung des Dichtungsträgers aufnehmbar ist.
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Idealerweise sind die stationäre Komponente als auch der Lagerträger ringartig ausgebildet, wobei der stationäre Lagerring und der Lagerträger koaxial angeordnet sind. Der Innendurchmesser der Bohrung des Lagerträgers ist größer dimensioniert als der Innendurchmesser des Lagerrings, wodurch die Gleitfläche des stationären Lagerrings für den Kontakt zur Gleitfläche des rotierenden Lagerrings freigelegt wird.
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Die stationäre Komponente wird bevorzugt über eine mechanische Verbindung mit dem Dichtungsträger gegen Rotation um die Axialachse gesichert. Denkbar ist es, dass ein oder mehrere in Axialrichtung auskragende Elemente der stationären Komponente ausgebildet sind, die in entsprechende komplementäre Nuten des Lagerträgers eingreifen und somit eine drehfeste Verbindung ermöglichen.
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Neben der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Pumpenlaufrades für eine Kreiselpumpe, insbesondere für eine Kreiselpumpe gemäß der vorstehend erläuterten Erfindung. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 12 aus, wonach das Pumpenlaufrad oder zumindest ein Teil des Pumpenlaufrades per Spritzgussverfahren hergestellt wird und die rotierende Komponente der Gleitringdichtung beim Spritzgiessen des Pumpenlaufrads zumindest teilweise umspritzt wird.
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Die rotierende Komponente und/oder die stationäre Komponente bzw. deren Gleitflächen umfassen vorzugsweise Keramik und/oder einen Kohlenstoffwerkstoff und/oder einen Kohlenstoffverbundwerkstoff. Die rotierende Komponente ist insbesondere ringförmig als Lagerring ausgestaltet. Die Komponente wird beim Spritzgiessen des Laufrades in oder an der Spritzgussform derart angebracht, sodass die rotierende Komponente im Bereich des Saugmundes des Laufrads um- bzw. hinterspritzt wird.
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Bei Ausführung der rotierenden Komponente als Lagerring ist bevorzugt an dessen Ringumfang eine stufenartige Außendurchmesservergrößerung vorgesehen, die beim Spritzgiessen des Laufrades eine Hinterschneidung bildet, die durch das Spritzgussmaterial hinterspritzt wird. Im Ergebnis ist diese Hinterschneidung durch das Laufradmaterial umschlossen, so dass der Lagerring axial am Saugmund fixiert ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Stufe ein oder mehrere sich in axialer Richtung durch die Stufe erstreckende Nuten aufweist. Durch diese Nuten kann das Spritzgussmaterial durch die Nuten hinter die Hinterschneidung fliessen. Zudem wird durch die befüllten Nuten des Lagerrings eine drehfeste Fixierung am Pumpenlaufrad erreicht.
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Das Pumpenlaufrad kann mehrteilig gefertigt werden, bspw. bestehend aus einer Deckscheibe und einer Tragscheibe. Zumindest die Deckscheibe wird per Spritzguss produziert, wobei im Bereich insbesondere um den Saugmund der Deckscheibe die rotierende Komponente der Gleitringdichtung eingespritzt wird. Die Tragscheibe kann vorzugsweise ebenfalls per Spritzguss herstellbar sein. Beide Teile des Laufrades können aus Kunststoff bestehen. In einem nachgelagerten Schritt können Deck- und Tragscheibe verbunden werden, insbesondere verschweißt werden, bevorzugt mittels Ultraschallschweißen.
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Vorstellbar ist es ebenso, dass die rotierende Komponente, sprich der Lagerring, erst nach Erstellung des Pumpenlaufrades und Einspritzen am Pumpenlaufrad mittels materialabtragendem Verfahren auf sein Endmaß gefertigt wird. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Gleitfläche der rotierenden Dichtungskomponente möglichst genau auf Planparallelität mit dem komplementären stationären Dichtungsteil zu bearbeiten.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Darstellung des Laufrades einer erfindungsgemäßen Kreiselpumpe,
- 2: eine Draufsicht auf das Laufrad gemäß 1,
- 3a, 3b: Schnittdarstellungen des Laufrades entlang der Schnittachsen A-A und B-B,
- 4: eine Einzeldarstellung des rotierenden Lagerrings der Gleitringdichtung,
- 5: Eine perspektivische Draufsicht auf das Gehäuse der Kreiselpumpe mit entnommenem Laufrad,
- 6: eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Kreiselpumpe,
- 7: eine Prinzipskizze des Spritzgusswerkzeuges für die Herstellung des Pumpenlaufrades und
- 8: eine alternative Ausführung des rotierenden Lagerrings für das Pumpenlaufrad.
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1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf das Pumpenlaufrad 1 einer erfindungsgemäßen Kreiselpumpe. Das Pumpenlaufrad 1 ist mehrteilig ausgestaltet und setzt sich aus einer Deckscheibe 2 und einer Tragscheibe 3 zusammen. Zumindest die Deckscheibe 2 wird aus Kunststoff per Spritzgussverfahren hergestellt. Deckscheibe 2 und Tragscheibe 3 werden mittels Ultraschallschweißen verbunden.
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Das Laufrad 1 umfasst eine koaxial zur Rotationsachse liegende Saugöffnung 4, die durch eine zylindrische Auskragung 4a der Deckscheibe 2 gebildet ist. Am stirnseitigen äusseren Ende der Auskragung 4a ist der mit dem Laufrad 1 rotierende Lagerring 10 der Gleitringdichtung angeordnet. Die aussen liegende Ringfläche 10a stellt die rotierende Gleitfläche der Gleitringdichtung dar und ist im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als durchgängige Ringfläche ausgestaltet. Eine dazu alternative Ausführungsform des Lagerrings 10 zeigt die Ausführung der 8, auf die später nochmals eingegangen wird.
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Die Deckscheibe 2 des Laufrades 1 wir per Spritzgussverfahren aus Kunststoff gefertigt. Der aus Keramik und/oder einem Kohlenstoffwerkstoff und/oder einem Kohlenstoffverbundwerkstoff bestehende Lagerring 10 wird erfindungsgemäß beim Spritzgiessen der Deckscheibe 2 eingespritzt, so dass dieser in Axialrichtung der Pumpe am Saugmund 4 fixiert ist. Die Axialfixierung wird durch eine Hinterspritzung 11 des Lagerrings 10 erreicht. Die dazu benötigte Formgebung des Lagerrings 10 soll nachfolgend anhand der Detaildarstellung der 4 aufgezeigt werden.
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Die perspektivische Ansicht des Lagerrings 10 zeigt die stufenartige Kontur des Aussenumfangs. Dabei ist der Innendurchmesser über die axiale Länge konstant, der Aussenumfang umfasst jedoch einen Teilbereich 12a mit größerem Aussendurchmesser und einen Teilbereich 12b mit reduziertem Aussendurchmesser. Der Teilbereich 12a mit größeren Aussendurchmesser liegt am Saugmund 4 des Laufrades 1 an. Durch die stufenartige Durchmesserreduzierung wird eine Hinterschneidung 11 des Lagerrings 10 gebildet, die beim Spritzgiessen der Deckscheibe 2 hinterspritzt werden kann, um die angesprochene axiale Fixierung zu erreichen.
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Der Bereich 12a mit größerem Außendurchmesser ist zudem mit axial verlaufenden Nuten bzw. Ausnehmungen 13 versehen, die sich in axialer Richtung vollständig durch den Teilbereich 120a erstrecken. Beim Spritzgießen der Deckscheibe 2 kann das Spritzgussmaterial insbesondere auch durch die Nuten 13 zum Bereich 12b mit reduziertem Durchmesser fliessen, wodurch die Stufe 11 durch das Material der Deckscheibe 2 vollständig umschlossen wird. Erkennbar ist dies in der Schnittdarstellung entlang der Schnittachse B-B der 3, die eine vollständige Umschliessung des Teilbereichs 12a durch das Material 2a der Deckscheibe 2 zeigt. Im Schnitt A-A der 3a verläuft die Schnittebene im Bereich einer Nut 13, weshalb der Aussendurchmesser des Teilbereichs 12a im Gegensatz zur 3b kleiner ausfällt. Die Tatsache, dass die Nuten 13 mit dem Material der Deckscheibe 2 gefüllt sind, hilft auch das Drehmoment der Pumpenwelle über das Laufrad 1 auf den Lagerring 10 zu übertragen. Ohne die Nuten 13 bestünde die Gefahr einer relativen Verdrehung des Lagerrings 10 zum Laufrad 1.
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Für das Spritzgiessen der Deckscheibe 2 des Laufrades 1 können beispielswiese die in 7 skizzierten Werkzeuge 20, 21 verwendet werden. Das Werkzeug 21 bildet die Form für die Aussenkontur des Deckscheibe 2, während das Werkzeug 20 die Form für die Innenkontur der Deckscheibe 2 darstellt. Für die Herstellung wird zunächst das Werkzeug 21 auf einem Dorn aufgespannt und der Lagerring 10 eingelegt. Nach dem Aufsetzen des zweiten Werkzeuges 20 wird der gebildete Hohlraum zwischen den Werkzeugen 20, 21 ausgespritzt, sodass die Deckscheibe mit dem hinterspritzten Lagerring 10 am Saugmund 4 entsteht.
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Der stationäre Teil der Gleitringdichtung besteht aus dem stationären Lagerring 30, der mittels eines Lagerringträgers 31 in axialer Richtung festgelegt wird. Der Schnittdarstellung der 6 ist der Saugkanal 40 im Pumpengehäuse 50 zu entnehmen. Der Saugkanal weist hierbei eine Doppelstufe mit dem ersten Absatz 41 und dem zweiten, näher am Laufrad befindlichen Absatz 42 auf, die jeweils durch eine stufige Durchmesservergrößerung des Saugkanals 40 gebildet sind.
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Auf der ersten Stufe 41 wird der stationäre Lagerring 30 auf einem O-Ring 32 gelagert, wodurch der Lagerring 30 geringfügig vom Laufrad wegbewegt werden kann, um etwaige Abweichungen von der Planparallelität der Gleitflächen 10a, 30a ausgleichen zu können. Auf der nächsten Stufe 42 wird dann der Lagerringträger 31 aufgesetzt und am Gehäuse 50 drehfest sowie in axialer Richtung unbeweglich fixiert. Der Lagerring 30 liegt also in Axialrichtung zwischen Laufrad 1 und Pumpengehäuse 50.
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Sowohl Lagerringträger 31 als auch Lagerring 30 haben kreisrunde Öffnungen, die koaxial zueinander liegen. Der Innendurchmesser des Lagerringträgers 31 ist größer gewählt, so dass die Gleitfläche 30a des Lagerrings 30 freigelegt wird (siehe 5). Ferner ist der Innendurchmesser des Lagerringträgers 31 größer als der Aussendurchmesser des zylindrischen Saugmundes 4 des Laufrades 1 gewählt, so dass die zylindrische Auskragung 4a des Laufrades im Innendurchmesser des Lagerringträgers 31 aufgenommen werden kann.
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Die 5 zeigt zudem, dass der Lagerringträger 31 mit axialen Nuten 33 versehen ist, die sich in Axialrichtung zum Laufrad 1 hin erstreckende komplementäre Auskragungen 34 des Lagerrings 30 eingreifen. Durch diesen mechanischen Formschluss wird eine drehfeste Verbindung zwischen Lagerring 30 und Lagerringträger 31 geschaffen.
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Die Gleitfläche 10a des rotierenden Lagerrings 10 kann entweder als durchgängige Ringfläche 10 gestaltet sein (1), alternativ kann die Gleitfläche 100a des Lagerrings 100 auch mit mehreren Radialnuten 110 versehen sein, die als Schmiernuten für eine ausreichende Schmierung der aufeinander gleitenden Flächen 100a und 30a sorgen. Die Ausbildung der Schmiernuten 110 am Lagerring 100 hat jedoch noch einen weiteren technischen Vorteil. Durch die Rotation des Lagerrings 100 setzt aufgrund der Radialnuten 110 eine Pumpwirkung ein, wodurch ein Förderstrom entsteht, der dem druckbedingten Volumenstrom durch den Spalt entgegenwirkt. Idealerweise wird dadurch der druckbedingte Volumenstrom reduziert, so dass etwaige hydraulische Verluste durch den Spalt weiter minimiert werden können.
