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Kreiselpumpe Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad,
das außerhalb eines die Ansaug- und Drucköffnung verbindenden freien Strömungsraumes
in einer Radkammer angeordnet ist, wobei durch hydraulische Kupplung bei rotierendem
Laufrad im Strömungsraum näherungsweise ein Potentialwirbel entsteht und das Laufrad
oder die dasselbe aufnehmende Radkammer am Laufradaustritt eine konzentrische Begrenzung
aufweist.
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Solche Kreiselpumpen sind bekannt, bei welchen ein scheibenförmiges
Laufrad mit Vertiefungen oder Laufradkanälen vorgesehen ist, deren Tiefe vom Laufradzentrum
nach außen zunimmt und dann bis zum eigentlichen Laufradaustritt wieder abnimmt.
In diesem Laufrad findet somit an allen Stellen eine praktisch stauungsfreie Umlenkung
der Strömung statt, und da außerdem die Tiefe der Laufradkanäle bis zum eigentlichen
Laufradaustritt stetig abnimmt, entsteht eine intensive Durchströmung des ganzen
Laufrades, wobei diese Strömung mit relativ hoher, weitgehend radial nach außen
oder axial gerichteter Meridiangeschwindigkeitskomponente aus dem Laufrad austritt.
Die somit bei den bekannten Pumpen auftretende, im Verhältnis zur Nutzströmung im
freien Strömungsraum sehr intensive Laufradströmung bringt verschiedene Nachteile
mit sich. Ein großer Teil der kinetischen Energie der aus dem Laufrad austretenden
Strömung trägt dadurch weder zum Druckaufbau noch zur Beschleunigung des Wirbels
im Strömungsraume bei. Diesen Umständen wird es in erster Linie zugeschrieben, daß
die bekannten Pumpen einen sehr niedrigen Wirkungsgrad aufweisen. Die intensive
Durchströmung des Laufrades durch einen erheblichen Teil des Nutzflusses der Pumpe
erhöht die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens von Feststoffen auf das Laufrad. Trotz
der relativ intensiven Durchströmung des Laufrades ergeben sich bezogen auf die
Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades geringe Förderhöhen, und es hat sich gezeigt,
daß die maximal erreichbaren Förderhöhen beschränkt sind.
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Es ist das Ziel der Erfindung, alle Eigenschaften der erwähnten bekannten
Pumpen durch eine grundlegende Umgestaltung der Strömungsverhältnisse bedeutend
zu verbessern. Die erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte
konzentrische Begrenzung am Laufradaustritt so ausgebildet ist, daß die Merdiankomponente
der Absolutgeschwindigkeit am Laufradaustritt weitgehend radial nach innen gerichtet
ist. Vorzugsweise wird eine starke Umlenkung und Stauung am Laufradaustritt durch
eine als Ganzes im wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung im Laufrad liegende
Begrenzung vorgesehen, wodurch im Laufradraum selbst innerhalb der Begrenzung eine
Stagnation der Strömung und erhebliche Druckumsetzung stattfindet, welche die Durchströmung
des Laufrades herabsetzt und infolge des Druckaufbaus und der Umlenkung am Laufradaustritt
die erwähnte nach innen, d. h. nach dem Laufradeintritt gerichtete Strömung verursacht.
Durch diese Stauung und neuartige Lenkung der Laufradströmung kann die hydraulische
Kupplung bei hohem Wirkungsgrad in überraschender Weise verbessert werden. Der Gesamtwirkungsgrad
der Pumpe kann erheblich gesteigert werden, und die Förderhöhe beträgt bei gleicher
Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades ungefähr das Doppelte derjenigen der bekannten
Pumpen, wie Versuche gezeigt haben. Dank der gestauten und damit gedrosselten Durchströmung
des Laufrades und dem Druckaufbau im Laufradraum sinkt außerdem die Wahrscheinlichkeit
des Auftreffens von Feststoffen auf das Laufrad erheblich. Die maximal zulässige
Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades und damit die erreichbaren
Förderhöhen
sind praktisch nicht durch strömungstechnische Gegebenheiten begrenzt, wie dies
bei den bekannten Pumpen festgestellt wurde.
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In der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel sowie einige Ausführungsvarianten
der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe dargestellt.
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F i g. 1 zeigt einen axialen Schnitt und F i g. 2 einen Radialschnitt
durch die Pumpe; F i g. 3 zeigt eine Ausführungsvariante des Laufrades in Ansicht;
F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Laufrades im Schnitt; F i g.
5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Laufrades im Schnitt, und F i g. 6
zeigt eine Stirnansicht teilweise im Schnitt des Laufrades nach F i g. 5.
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Das Laufrad 3 weist eine Nabe 13 und eine sich nach außen leicht verjüngende
scheibenförmige Rückwand 14 auf. Von der Rückwand 14 ragen beim Ausführungsbeispiel
nach F i g. 1 und 2 ebene, radial stehende Schaufeln 15 nach vorn, die sich
von der Nabe bis an den Radumfang erstrecken. Rückenschaufeln 16 halten den
Druck auf der Rückseite der Radscheibe 14 auf dem gewünschten Wert.
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Das Laufrad 3 ist in einer zylindrischen Radkammer 17 vollständig
seitlich des im Trommelgehäuse 1 gebildeten Strömungsraumes 18 angeordnet.
An diesen Strömungsraum schließt ein Druckstutzen 19 tangential an. Koaxial zur
Pumpenachse bzw. der Achse des Strömungsraumes 18 ist die Ansaugöffnung 20
angeordnet.
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Im Betrieb wird nach vollständiger Füllung des Strömungsraumes 18
mit der zu fördernden Flüssigkeit das Laufrad 3 in der in F i g. 2 durch Pfeil angedeuteten
Richtung in rasche Drehung versetzt. Dabei wird vorderhand die in den radialen Kanälen
zwischen den Schaufeln 15 befindliche Flüssigkeitsmenge in Rotation versetzt und
radial nach außen beschleunigt. Ein radialer Austritt der Flüssigkeit aus dem mit
Schaufeln besetzten Radraum wird jedoch durch die konzentrisch außerhalb des Laufrades
liegende zylindrische Begrenzung der Radkammer 17 verhindert, vielmehr werden die
Flüssigkeitsteilchen mit einer weitgehend radial nach innen gerichteten Meridiankomponente
der Absolutgeschwindigkeit in den Strömungsraum 18 austreten. Dort geben
sie ihre Rotationsenergie an die im Strömungsraum 18 befindliche Flüssigkeit
ab und versetzen auch diese in Rotation. Ist einmal die gesamte Flüssigkeitsmenge
im Strömungsraum in Rotation versetzt, so wird sich am Umfang dieses Raumes ein
erheblicher überdruck aufbauen. Die am äußeren Ende des Laufrades austretenden einzelnen
Flüssigkeitsströme können gewissermaßen als in den Strömungsraum 18 eintretende
Schaufeln betrachtet werden, die vor den äußeren Teilen des Laufrades praktisch
mit gleicher Geschwindigkeit rotieren wie das Laufrad selbst und die beim Einwärtsströmen
ihre Rotationsenergie an die im Strömungsraum 18 rotierende Flüssigkeitsmenge
übertragen. In dieser Weise wird eine intensive hydraulische Kupplung zwischen dem
Laufrad und der im Strömungsraum 18 befindlichen Flüssigkeitsmenge erzielt, wobei
diese Flüssigkeitsmenge nicht nur außen, sondern vor allem auch innen durch die
außerhalb des Laufrades einwärts strömende Zirkulation in Umfangsrichtung beschleunigt
wird. Selbstverständlich werden sich aus den aus dem Laufrad austretenden Strömen
der Zirkulation auch Teilchen abspalten und mit der Nutzflüssigkeit durch den Strömungsraum
nach außen fließen.
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Bei der bisher beschriebenen Pumpe wird somit im Gegensatz zur Arbeitsweise
bekannter ähnlicher Pumpen der Nutzfluß praktisch vollständig in den Strömungsraum
verdrängt. Ein erster wesentlicher Vorteil dieser Tatsache liegt darin, daß grobe
Verunreinigungen weitgehend vom Laufrad ferngehalten und längs der dem Laufrad gegenüberliegenden
Wand des Strömungsraumes nach außen gefördert werden. Die dargestellte Pumpe weist
aber auch eine ganze Anzahl weiterer, teils völlig überraschender Vorteile auf.
Durch die aus den radialen Kanälen des Laufrades austretenden, als Wirbelzöpfe zu
betrachtenden Teilströme wird die im Strömungsraum befindliche Flüssigkeitsmenge
durch Impulsaustausch in rasche Rotation versetzt. Ein Impulsaustausch dürfte auch
in einem weiteren Sinn auftreten, indem bereits am Impulsaustausch beteiligte verzögerte
Teilchen sogleich wieder in einen der Kanäle zwischen den Schaufeln 15 eintreten,
beschleunigt und wieder in den Strömungsraum ausgeworfen werden, womit eine sehr
intensive hydraulische Kupplung zwischen dem Laufrad und der Flüssigkeitsmenge im
Strömungsraum 18 hergestellt wird. Tatsächlich werden höhere maximale Pumpendrücke
erzielt, als sie theoretisch durch die Umlaufgeschwindigkeit am Umfang des Laufrades
gegeben sind. Es wurde auch festgestellt, daß durch den äußerst intensiven Impulsaustausch
gerade die äußeren Enden der Schaufeln 15 sehr stark beansprucht werden. Es kann
daher besonders zur Förderung feststoffhaltiger Flüssigkeiten von Vorteil sein,
die Schaufeln zur Herabsetzung der Abnutzung aus einem plastischen, nachgiebigen
Material, beispielsweise Gummi, Kunststoff od. dgl., herzustellen.
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Im weiteren wurde die überraschende Tatsache festgestellt, daß die
Liefermenge der Pumpe bei gegebenen Dimensionen der Ansaugöffnung des Sirö. mungsraumes
und des Druckstutzens praktisch unabhängig ist von der Drehzahl und dem Durchmesser
des Laufrades. Die Druckhöhe der Pumpe ist abhängig vom Durchmesser des Laufrades,
der Schaufelzahl, der Schaufeltiefe, der Drehzahl und dem Durchmesser des Gehäuses.
Die Relation zwischen Liefermenge und Druckhöhe ist veränderbar durch Variation
des Innen- und Außendurchmessers des mit Schaufeln besetzten Radraumes. Es wurde
ein absolut geometrisches Verhalten der verschiedenen Bezugswerte festgestellt.
Die obenerwähnten vorteilhaften Charakteristiken der Pumpe gelten auch bei der Förderung
von Flüssigkeiten mit hoher Stoffdichte, beispielsweise bis 12 o/oigen Zellstoff-
oder Holzschliffsuspensionen, von Gemischen mit bis zu 60 Gewichtsprozent Sand und
von Flüssigkeiten hoher Viskosität wie schwerem Heizöl, die besser gefördert werden,
als in normalen Während beim Ausführungsbeispiel gerade Schaufeln 15 dargestellt
sind, können die Schaufeln gemäß F i g. 3 vorwärts gekrümmt sein. Sie könnten jedoch
unter Umständen auch rückwärts gekrümmt sein. Bei niedrigen spezifischen Drehzahlen
wird man vorwärts gekrümmte, bei hohen spezifischen Drehzahlen rückwärts gekrümmte
Schaufein verwenden. Die Schaufeln können außerdem senkrecht zur Radscheibe
14 bzw. zu einer Radiaiebene bzw. die geraden Schaufeln gemäß F i g. 2 in
einer Axialebene liegen, oder aber die Schaufeln könnten gegenüber
einer
Radialebene geneigt sein. Sie können vorzugsweise etwa dreieckigen Querschnitt,
d. h. an der Radscheibe 14 eine verhältnismäßig breite Basis aufweisen und am freien
Ende in einer Kante spitz zulaufen.
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Während beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 die Umlenkung
der Zirkulation im Laufrad durch die rein zylindrische Form der Radkammer 17 bewirkt
wird, kann das Laufrad selbst im Meridianschnitt ein Profil aufweisen, das diese
Umlenkung bewirkt. Gemäß F i g. 4 ist das Laufrad am Umfang geschlossen, wobei die
Austrittsflächen 21 gegen die Radachse geneigt sind. Um die Ausbildung einer geschlossenen,
vom Nutzfluß möglichst getrennten Zirkulation noch weiter zu unterstützen, kann
gemäß F i g. 5 und 6 in das Laufrad ein ringförmiger Füllkörper 22 eingesetzt sein.
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Es wäre auch möglich, eine möglichst stoßfreie Umlenkung in ähnlicher
Weise durch entsprechende Gestaltung des Gehäuses außerhalb des Radraumes zu bewirken,
indem etwa gemäß der punktierten Linie in F i g. 1 unten das Gehäuse mit einer gerundeten
Vertiefung 23 versehen würde. Natürlich müßte die Gehäusewand eine entsprechend
geänderte Form aufweisen. Es wäre bei einer solchen Ausführung auch möglich, die
Schaufeln mit in die gerundete Vertiefung des Gehäuses eingreifenden, in F i g.
1 punktiert angedeuteten Flügeln 24 zu versehen, in welchem Fall allerdings
das Gehäuse nicht mehr einteilig ausgeführt werden kann.
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Um die obenerwähnte Zirkulation im und unmittelbar außerhalb des Laufrades
und einen intensiven Impulsaustausch durch die erwähnten in den Strömungsraum austretenden
Wirbelzöpfe zu erreichen, sollen die zwischen den Schaufeln 15 liegenden Kanäle
ziemlich tief ausgebildet sein, d. h., die Tiefe dieser Kanäle bzw. die Höhe der
Schaufeln soll beispielsweise etwa gleich oder größer sein als der Abstand zwischen
den Schaufeln am Umfang des Laufrades. Mit anderen Worten besteht eine gewisse Relation
zwischen der Höhe der Schaufeln und deren Zahl, d. h., bei hohen Schaufeln kann
deren Zahl entsprechend reduziert werden. Man hat also beispielsweise bei einer
bestimmten Größe des Laufrades die Wahl zwischen acht Schaufeln von etwa 70 mm Tiefe
oder 16 Schaufeln von beispielsweise etwa 40 mm Tiefe. Um die Frequenz des Impulsaustausches
auf angemessener Höhe zu halten, wird auch zwischen der Drehzahl und der Schaufelzahl
eine bestimmte Relation bestehen. d. h., mit zunehmender Drehzahl kann man die Schaufelzahl
reduzieren. Die Ausbildung des Laufrades wird auch etwas von der Art der zu fördernden
Flüssigkeit abhängen. Zur Förderung reiner Flüssigkeiten wird man verhältnismäßig
viel Schaufeln anordnen und zu der erzwungenen Umlenkung nach F i g. 4 bzw. 5 und
6 greifen, während man zur Förderung stark verunreinigter Flüssigkeiten eher geringe
Schaufelzahlen wählt und mit der freien Umlenkung gemäß F i g. 1 und 2 arbeitet.
Bei breitem Gehäuse bzw. breitem Strömungsraum wird man weniger Schaufeln anbringen
als bei schmalem Gehäuse, bzw. Strömungsraum.