DE1528705A1

DE1528705A1 - Zentrifugalpumpe

Info

Publication number: DE1528705A1
Application number: DE19661528705
Authority: DE
Inventors: Ullery Fred E
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1965-10-22
Filing date: 1966-09-19
Publication date: 1969-05-08
Also published as: GB1085418A; US3356033A

Description

Patentanwalt _{8 München 13 den} jg $ep.1966

Dipl.-Ing. Karl Wessel

8 München 13 HohMStaufenstr. 2, Tel. 53 8111

' . ' 15287O5^PK-¹⁵⁸⁰

F ο r d - W e r k e - Aktiengesellschaft Köln-Niehl
Henry - Ford - Strasse

" Zentrifugalpumpe "

Für diese Anmeldung wird die Priorität der Patentanmeldung Se.No. 500 53¹I vom 22. Oktober 1965 in den Vereinigten Staaten von Nordamerika in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fließmittel-Pumpe und insbesondere auf eine Zentrifugalpumpe.

Es sind Zentrifugalpumpen bekannt, die einen toroidal gestalteten Hohlraum enthalten, der in zwei senkrecht zur Normalebene der Drehung angeordnete Hohlräume unterteilt ist. Die eine Hälfte des Torus enthält Schaufeln und ist drehbar, während die andere Hälfte keine Schaufeln hat und feststeht. Die feststehende Hälfte besitzt normalerweise einen einzigen Fließmitteleinlaß und Auslaß, die zu beiden Seiten eines VerSchlußeinsatzes angeordnet sind. Der Verschlußeinsatz hat normalerweise im Umfang eine Breite, die etwas größer äst, als der Abstand zwischen den Rotorschaufeln und eine Radialfläche besitzt, die mit den Urafangskanten der Schaufeln abdichtend zusammenwirkt. Dadurch wird verhindert, daß das Fließmittel in der feststehenden Hälfte des Torus zwischen Auslaß und Einlaß strömt, wenn die Schaufeln über den Einsatz hinweglaufen.

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Wird der Rotorteil angetrieben, so wird das Pließmittel durch den Einlaß in die Hohlräume zwischen den Eotorschaufeln eingesaugt und durch die Zentrifugalkraft nach außen geschleudert und zwar in Richtung der Bewegung der Schaufeln in den Hohlraum des Toruskreises in dem festste* henden Teil. Infolge der Gestalt der Wand des Torus in dem feststehenden Teil wird das Pließmittel in die Hohlräume zwischen den Rotorschaufeln zurückgerichtet, woselbst dem Pließmittel eine zusätzliche Energie erteilt wird. Die mehrfache Wiederholung dieses Kreislaufes pro Umdrehung ergibt eine Spiralbewegung des Fließmittels bei der Bewegung am Umfang rund um den Torus.herum. Das Pließmittel wird alsdann durch den Auslaß ausgetrieben.

Die bekannten Konstruktionen dieser Art besitzen mehrere Nachteile. Einer besteht darin, daß der Auslaß so neben dem abdichtenden Einsatz angeordnet ist, daß die Bewegungsrichtung der austretenden Flüssigkeit plötzlich geändert wird. Dadurch sinkt die Energie des Fließmittels und der Druck steigt und das Fließmittel sammelt sich am Auslaß, sodaß der Ausstoß der Pumpe verringert wird,

Ein weiterer, gegebenenfalls noch bedeutenderer Nachteil liegt in dem großen Spaltvolumen bzw, der Abmessung der Hohlräume zwischen den Rotorschaufeln, in welchem eine beträchtliche Fließmittelenergie eingeschlossen oder zurückgehalten wird und die über die Niederdruck-Einlaßseite der Pumpe hinweggetragen wird, wenn die Schaufeln über die Abdichtfläche des Einsatzes hinweglaufen.

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Da der Betriebswirkungsgrad einer Pumpe dieser Art fundamental abhängig von der.Fließmittelbewegung mit einer Wirbelkomponente ist, die von den Rotorschaufeln eingeführt und aufrecht erhalten wird, liegt ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen in dem Fehlen von geeigneten Mitteln, den Fließmittelwirbel in der Nachbarschaft des Einlasses wirksam beginnen zu lassen.

Die Erfindung vermeidet die oben angegebenen Nachteile dadurch, daß eine Zentrifugalpumpe konstruiert worden ist, bei der der Auslaß so in der Nähe des äußeren Umfanges Λ

der Statorwand angeordnet ist, daß das Fließmittel ohne Änderung der Bewegungsrichtung ausgestoßen wird. Ferner ist •bei der Konstruktion nach der Erfindung der abdichtende Einsatz zwischen Einlaß und Auslaß so ausgebildet, daß das Fließmittel an den äußeren Umfang des Fließmittelweges zur Auslaßöffnung geleitet wird. Der Einsatz ist so konstruiert, daß ein Teil der normalerweise in den Hohlraum der Rotorschaufeln eingeschlossen ist an die Einlaßseite der Pumpe zurückströmt, um das Einleiten einer Wirbelbewegung für das einströmende Fließmittel zu unterstützen. Außerdem ist ein " einen Wirbel einleitende Schaufel am Pumpeneinlaß vorgesehen, sodaß das Fließmittel in wirksamer Weise in die Hohlräume der Rotorschaufeln eintritt.

Eine der Hauptaufgaben der Erfindung besteht daher darin, den Wirkungsgrad einer Zentrifugalpumpe der genannten Art zu verbessern.

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Eine weitere Aufgabae der Erfindung besteht darin, eine Zentrifugalpumpe zu schaffen, bei der der Pließmittelauslaß mit dem Einsatz zwischen Eintritt und Austritt zusammen wirkt und so angeordnet ist, daß er einen wirksamen Austritt des Pließmittels gewährleistet, unter minimaler Änderung der Bewegungsrichtung des Pließmittels, welches austritt.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, .eine Zentrifugalpumpe zu schaffen, bei der der Einsatz zwischen Eintritt und Austritt einen Fließmittelkanal von allmählich wachsendem Querschnitt zum Plleßmitteleinlaß hAn ergibt, wodurch das Fließmittel, welches normalerweise in dem Hohlraum zwischen den Rotorschaufeln eingeschlossen ist, wenn diese über den Einsatz hinweglaufen, zum Pumpeneinlaß hin zurückströmt und eine Wirbelkomponente an das eintretende Pließmittel erteilt.

Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Zentrifugalpumpe .„ der beschriebenen Art zu schaffen, bei der der durch den Einsatz geschaffene Kanal aus einer gekrümmten Schrägfläche besteht, die sich an den Fließmitteleinlaß anschließt.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine den Wirbel einführende Schaufel am Fließmitteleiniaß derart zu schaffen, daß das eintretende Pließmittel in günstiger Richtung in die Hohlräume der Rotorschaufeln gelangt.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Zentrifugalpumpe der. beschriebenen Art et* schaffen, bei der der Pließmitttleinlaß einen Teil des Einsatzes zwischen Fließmittel-

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eintritt und Austritt bildet und beim Betrieb der Pumpe mit. kleinem Volumen und hoher Geschwindigkeit in der radialen Dichtfläche angeordnet ist, oder beim Betrieb mit größerem Volumen schräg durch die Schrägfläche verläuft.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung anhand der Zeichnung, auf der zeigen:.

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Zentrifugalpumpe gemäß

der Erfindung. ^

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt nach der Linie2-2 der Pig. 1.

Fig. 3 in verrlijertem Haßstab einen Querschnitt nach Linie 3-3 der Fts. 2.

Fig. 4 einen Querschnitt nach Linie 4-4 der Fig. 1.

Fi.?. 5 eine vergrößerte Darstellung einer Einzelheit nach Fig. 4.

Fig. 6 eine Rückansicht der Fig. 1 von rechts sresehen.

Die 7ig, 1 ist etrra maßstäblich und zeigt eine Zentrifugalpumpe, bestehend aus einen drehbaren und einem feststehenden Teil 12 und 1'I₁ die flloßnittel-dicht ineinander greifen. Der Potorteil 12 besteht aus drei Teilen, die durch Bolzen

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oder in anderer Weise aneinander befestigt sind. Er besteht aus einer antreibenden Riemenscheibe 16, einer mit einem Flansch versehenen Nabe oder Hülse 18 und einem radial verlaufenden Torus-Mantelteil 20. Die Hülse IP ist auf dem verdickten Ende 22 einer Welle 2*1 gelagert, die axial nach rechts weist und den Statormantel 26 trägt. Der Statormantel besteht im wesentlichen aus einer dicken Platte, die axial auf einer Hülse 23 gleiten kann. Die Hülse selbst gleitet axial auf der Helle 2k und ist mit ihr nicht drehbar verzapft, wie dargestellt. Der Stator 1*1 wird durch eine Feder 30 gegen den Rotor 12 gedrückt, die sich gegen die Statornabe mit dem einen Ende und gegen den Flansch eines Halteteiles 32 mit dem anderen Ende abstützt. Der Halteteil 32 ist einstellbar auf der Welle 2*1 befestigt.

Die beschriebene Konstruktion ermöglicht eine Axialbewegung des Statormantels 26 zum Rotormantel 20, wenn der Innendruck der Pumpe eine bestimmte Höhe überschreitet, um zu verhindern, daß sich der Druck über einen bestimmten Wert steigert. Hierdurch wird eine weitere Steigerung an Kraftverlust der Maschine vermieden. Dies wird in einzelnen unten beschrieben.

Der Rotor- und Statoraantel 20 und 26 besitzen jeweils halb-toroidal gestaltete Hohlräume 3k und "36. Die Hohlräume sitzen einander gegenüber und ergänzen sich zu einer toroidalen Kammer 38 für den Umfangsstrom eines ^ließmittels, wie z. B. Luft.Wie aus Fig. 1, 2 und 3 erkennbar, besitzt der Rotorhohlraum 3*f eine Anzahl am Umfang verteilter Schaufeln

*J0, die in Drehrichtung des Rotors verlaufen und in axialer 909819/0740

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Richtung eine Breite besitzen, daß sie bis zur inneren radialen Fläche 42 des Rotormantels 20 reichen.

Der Hohlraum 36 des Stators besitzt keine Schaufeln. Wie aus Fig. 4 erkennbar ist der Hohlraum des Stators mit einem einzigen Einsatz oder einer Abdichtung 44 versehen, die die Einlaßöffnung 46 von der Auslaßöffnung 48 am Umfang trennt.

Der Fließmitteleinlaß verläuft schräg durhh den Einsatz 44, zu einem noch zu beschreibenden Zweck. Der Fließmittelauslaß 48 verläuft schräg am äußeren Umfang der Strömungsbahn, sodaß er gegenüber der Strömungsrichtung an dieser Stelle ausgerichtet ist. Dadurch wird eine minimale Änderung in der Bewegungsrichtung des Fließmittels beim Austritt erreicht, wodurch die entwickelte Fließmittelenergie zum größten Teil erhalten bleibt. Die Axialfläche 50 des Einsatzes 44 ist an dieser . Stelle in geeigneter Weise gekrümmt, um das Fließmittel in die Auslaßöffnung zu richten.

Der Einsatz 44 ist an dem Stator in irgendeiner geeigneten Weise befestigt. Er hat eine solche axiale Dicke, daß er den Hohlraum 36 des Stators an dieser Stelle ausfüllt und besitet eine innere radiale Vorderfläche 52, die gegenüber den Kanten der Rotorschaufeln 40 abdichtet,

I Bei den bekannten Zentrifugalpumpen sitzt der Einsatz fest i oder er ist in Breite und Länge durbelaufend. Seine Umfanga-Breite 1st so, daß der schmälste Teil etwas breiter ist, ι

als der Abstand der Rotorschaufeln voneinander. . ,

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Dadurch geht bei den bekannten Konstruktionen ein beträchtlicher Teil an Geschwindigkeitsenergie verloren und zwar durch das eingeschlossene große Volumen an Fließmittel in dem Hohlraum zwischen den Rotorschaufeln, wenn diese über die Einsatzfläche hinweg laufen. Die vorliegende Erfindung verwendet einen Teil dieser Geschwindigkeitsenergie dazu, um eine Wirbelkomponente auf das eintretende Fließmittel wirken zu lassen, wodurch der Wirkungsgrad der Bumpe gesteigert wird.

Der radial innere Teil 54 der Dichtfläche 52 des Einsatzes ist im Umfang breiter, als der Abstand zwischen den Rotorschaufeln und im übrigen beträchtlich breiter, als der radial äußere Teil 56 des Einsatzes, was aus Fig. 5 erkennbar 1st, Der schmale äußere Teil wird dadurch ausgebildet, daß eine im Bogen gekrümmte Nut vorgesehen wird, die eine gebogene oder geneigte Fläche 58 erzeugt. Die Schrägfläche zusammen mit den umgebenden Teilen des Einsatzes und des Statorhohlraumes bilden einen Kanal 60, der Im Querschnitt allmählich wächst und zwar nach der Einlaßseite der Pumpe. Hierdurch wird ermöglichte, daß ein Teil der Ausstoßluft, der normalerweise in dem Hohlraum zwischen den Rotorschaufeln· eingeschlossen ist, über den schmalen Rippenteil 56 des Einsatzes hinwegströmt und entlang der Schrägfläche 58, um in den Einlaß 46 zurückzugelangen. Die Krümmung der Sehräggläche igt so beschaffen, daft eine Wirbelkomponente an das Flieftmittel erteilt wird, welches entlang der Schrägfläohe. strömt sowie an das Fließmittel, welches duroh den Einlaß 46 zufließt. Das eintretende Fließmittel gelangt Jetet in den Hohlraum zwischen den Rotorschaufeln 40 an dtr Nieder-

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druckseite der Pumpe in einer wirksameren Weise und in einer günstigeren Richtung, sodaß ein größerer Ausstoß erreicht werden kann.

Die Schräganordnung der Einlaßöffnung 46 trägt weiterhin zur Entwicklung der Wirbelkomponente für die einströmende Luft bei, indem das eintretende Fließmittel in eine Bahn gerichtet wird, die im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fließmittels entlang des schrägen Kanales verläuft. Hierin liegt eine vorteilhafte Lage für den Einlaß bei einem Pumpenbetrieb mit hohem Volumen und niedriger Geschwindigkeit.

Wied dagegen ein Betrieb mit niedrigem Volumen und hohem Druck gewünscht, so kann der Einlaß an die Fläche 52 des Einsatzes verlegt werden, wie durch gestrichelte Linien dargestellt. Bei dieser Lage strömt der äußere Teil des Fließmittels, der normalerweise in den Hohlräumen zwischen den Rotorschaufeln eingeschlossen 1st entlang dem Schrägkanal 60, wobei Jeder Verlust an Fließmittelvolumen in dem Hohlraum der Rot or schaufeln von dem Einlaß 62 aufgebraucht v;ird. Die beiden Luftvolumen verbinden sich an der Einlaßseite des Einsatzes und die Luft in dem Schrägkanal führt eine Wirbelkomponente an die einströmende Luft heran.

Um weiterhin das Einführen einer Wirbelkomponente in die einströmende Luft zu unterstützen, ist an dem Statormantel ein den Wirbel einführender Schaufelteil 6Ί Befestigt, der

in Ströraungsrichtung hinter dem Fließmitteleinlaß 46 ange-909819/0740

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ordnet ist, Der Schaufelteil ist im Querschnitt gekrümmt, um einen Wirbel zu erzeugen, der den wirksamsten Eintritt in die Hohlräume der Rotorschaufeln ermöglicht.Die Schaufel ist als fest beschrieben, indessen kann sie auch schwenkbar angeordnet sein und durch irgerfeine geeignete, automatische oder von Hand betätigte Einrichtung verstellt wefeden, ohne aus dem Rahmen der Erfindung herauszutreten.

Beim Betrieb, wenn sich der Rotor 12, angetrieben durch z.B. einen Ventilatorriemen, der durch die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ( nicht dargestellt ) angetrieben wird, dreht, so wird ein Strom eintretenden Pließmittels durch z.B. den schräg angeordneten Einlaß 46 eingeleitet, um die Hohlräume zwischen den Rotorschaufeln 40 zu füllen. Wegen der Drehung der Rotorschaufeln und der Neigungsrichtung dieser wird die Luft vorwärts und durch die Zentrifugalkraft gleichzeitig nach außen von den inneren Kanten der Schaufeln aus und in den Statorhohlraum gesbhleudert. Die vertiefte Querschnittsgestalt der Statorwand führt das Fließmittel zurück in die Hohlräume der Rotorschaufeln, woselbst das Fließmittel zusätzliche Energie erhält.

Durch das wiederholte Ausstoßen und Wiederaufnehmen des Fließmittels ergibt sich eine spiralförmige Bahnjies Fließmittels um den Umfang des toroidalen Hohlraumes herum. Die Geschwindigkeit des Fließmittels steigt allmählich und wenn es sich der Auslaßöffnung 48 nähert, strömt das Fließmittel in einer spiralförmigen Bahn, wie durch die Pfeile

in Fig. 4 angedeutet. Da die Aualaßöffnung 48 schräg ange-909819/0740

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ordnet ist und zwar derart, daß sie gegenüber dem Fließmittelstrom, der in sie eintritt, ausgerichtet ist, ergibt sich eine minimale Änderung der Bewegungsrichtung des Fließmittels, wenn es durch die Öffnung strömt und daher außerdem ein geringer Verlust an Geschwindigkeitsenergie. Die Krümmung 50 des Einsatzes trägt dazu bei, daß das Fließmittel in die Auslaßöffnung hineingerichtet wird. Das ausgestoßene Fließmittel gelangt alsdann in ein Auslaßrohr 68 und wird diffung dient, wodurch die Geschwindigkeitsenergie in Druck umgewandelt wird.

An dieser Stelle beginnen die Rotorschaufeln über die radialen Dichtflächen 52 des Einsatzes 44 zu laufen. Der radial äußere Teil der Ausstoßluft, der normalerweise in den.Hohlräumen zwischen den Rotorschaufeln eingeschlossen ist, tritt nun über.die schmale Einsatzrippe 56 hinweg und wird unmittelbar in den sich erweiternden Kanal 60 gedrückt. Die -gebogenen Wände dieses Kanäles führen das Fließmittel in Richtung über den schräg angeordneten Einlaß 46 und erzeugen eine Wirbelkomponente in der eintretenden Luft, Diese Wirbelkomponente wird zusätzlich verstärkt durch den Luftstrom über die Wirbelschaufel 64. Infolgedessen wird die Geschwindigkeitsenergie des über die Sohrägfläohe strömenden Fließmittels der eintretenden Luft erteilt und zwar im wesentlichen tangential zur spiralförmigen Bahn des Toruskreislaufeβ vom Einlaß 46 zum Auslaß 48·

Bs können selbstverständlich geeignete AbschluBeinriohtungtn vorgesehen min die. oju*owo£C6cb oder von Hand betätigt sind, !

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um den Auslaß aus der schräg geneigten öffnung 46 zur Spülöffnung 62 in der Dichtfläche 52 wechseln zu lassen, ohne aus dem Rahmen der Erfindung herauszutreten.

Während die schräg dargestellten Einlaß- und Auslaßöffnungen im Querschnitt eliptisch dargestellt sind, können auch andere geeignete Gestaltungen verwendet werden, ohne aus dem Rahmen des Erfindungsgedankens herauszutreten.

Es ist ersichtlich, daß die Erfindung eine Zentrifugalpumpe schafft, die eine Anzahl Merkmale aufweist, durch die ein verbesserter Wirkungsgrad der Pumpe erreicht wird. Es sind dies eine.Fließmittelauslaßöffnung, die so schräg angeordnet ist, daß sie in einer Linie mit der Bewegungsrichtung des ausgestoßenen Fließmittels liegt, um Verluste durch die öffnung zu vermindern. Andererseits ist ein Einsatz vorgesehen, der eine Krümmung aufweist, um den Fließmittelausstoß durch die Auslaßöffnung zu unterstützen. Weiterhin besitzt der Einsatz eine Ausnehmung, um eine schräge Fläche mit einem Bereich zu schaffen, der zum Fließmitteleinlaß hin allmählich wächst, um etwas Fließmittelenergie zu verwenden, die normalerweise in dem Hohlraum zwischen den Rotorechaufeln eingeschlossen ist und um eine Wirbelkomponente an das eintretende Fließmittel zu erteilen. Es können auch andere Lagen für die Einlaßöffnung vorgesehen werden, um d*n Betrieb der Pumpe zu verändert!. Schließlich kann eine den Wirbel einführende Schaufel vorgesehen seih, um das Einführen der Wirbelkomponente In das eintretende FHeßmittel zu unterstützen. 909819/0740

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Die Erfindung wurde vorzugsweise als Luftpumpe beschrieben, indessen ist sie auch für Flüssigkeiten und andere Fließmittel geeignet.

Die Beschreibung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform. Es sind Abänderungen möglich, ohne aus dem Rahmen der Erfindung herauszutreten.

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Claims

Iy Zentrifugalpumpe, bei der eine im Querschnitt kreisförmige Aussparung, die ringförmig um die Achse herum verläuft, zur Hälfte in einem feststehenden Teil und zur anderen Hälfte in einem drehbaren Teil der Pumpe angeordnet ist und die im drehbaren Teil sitzende Hälfte der Aussparung mit Schaufeln versehen ist, durch die bei ihrer Drehung eine toroidale Strömung in der Aussparung erzeugt wird und

^ bei der die im feststehenden Teil angeordnete Aussparungs-

hälfte mit einem ihren Querschnitt ausfüllenden Einsatz versehen ist, der zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung sitzt und dicht an den gedrehten Schaufeln des drehbaren Teiles anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (52) des Einsatzes (4*1) eine sich an die Einlaßöffnung (46) schließende Aussparung (60) besitzt, in die ein Teil des zwischen den Schaufeln (40) beim überstreichen des Einsatzes (44) zurückgehaltenen Fließmittels eintritt und hierbei dem neu eintretenden Fließmittel Bewegungsenergie erteilt.

2, Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hinter der Einlaßöffnung (46) eine Schaufel (64) vorgesehen ist, die dem eintretenden Fließmittel eine Wirbelbewegungskomponente erteilt,

3. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (46) schräg durch den Einsatz (44) hindurchtritt. 9 09819/0740

4. Zentrifugalpumpe nach Anspanch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (62) in der Dichtfläche des Einsatzes (44) angeordnet ist.

5. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (60) des Einsatzes (44) eine zur Einlaßöffnung (46) sich neigende Schrägfläche (58) besitzt, sodaß ein im Querschnitt sich in Richtung der Einlaßöffnung (46) erweiternder Kanal entsteht.

6. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Auslasses (48) in der Bewegungsbahn des auszustoßenden Fließmittels liegt,

7. Zentrifugalpumpe nahh Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der radial innen liegende Teil (54) der Dichtfläche (52) des Einsatzes (44) an den Schaufeln (40) im Umfang länger ausgebildet ist, als der Schaufelabstand, sodaß Pließmittel beim überstreichen des Einsatzes (44) zurückgehalten wird.

8. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (60) vor der Einlaßöffnung (46) eine Krümmung besitzt, durch die das eintretende Fließmittel eine Wirbelbewegung erhält.

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