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Hydraulische Strömungsmaschine Die Erfindung betrifft eine hydraulische
Strömungsmaschine, insbesondere Wasserturbine oder -pumpe. Bei derartigen ilaschinen
ist zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse mindestens ein Dichtungsspalt vorhanden,
der von der Flüssigkeit infolge des Druckgefälles zwischen Laufradeintritts- und
Austrittsseite axial durchströmt wird.
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Es ist andererseits bekannt, die Wellen von Strömungsmaschinen in
wassergeschmierten Lagerschalen aus Gummi oder einem anderen gummielastischen Werkstoff
zu lagern. Hierbei muß jedoch für die Zufuhr des zur Schmierung und Kühlung erforderlichen
Wassers zum Lager eine besondere Einrichtung,.z; B, eine Schmiermittelpumpe vorgesehen
sein.
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Erfindungsgemäß wird nun bei einer Strömungsmaschine der eingangs
genannten Gattung mit mindestens einem Dichtungsspalt zwischen Laufrad und Gehäuse
eine der Flächen des
Dichtungsspaltes mit einer Schicht aus gummielastischem
Werkstoff belegt, die damit zur unmittelbaren Lagerung des Laufrades dient.
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Dieser Lagerung wird das zur Schmierung und Kühlung dienende Wasser
selbsttätig durch das ohnehin zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite
des Laufrades und damit auch zwischen den beiden Enden des Dichtungsspaltes bestehende
Druckgefälle zugeführt, so daß die sonst hierfür erforderliche zusätzliche Einrichtung
entfällt.
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Außerdem wird hierbei mindestens eine der sonst erforderlichen zwei
Lagerstellen der Welle des Laufrades eingespart, wodurch sich weiterhin die Möglichkeit
ergibt, die Baulänge der Maschine erheblich zu verringern.
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Infolge der unmittelbaren Lagerung des Laufrades selbst im Gehäuse,
ohne Zwischenschaltung einer auf Biegung beanspruchten Welle, kann die biegekritische
Drehzahl des Laufrades weit über die Betriebsdrehzahl gelegt werden, was vor allen
Dingen bei mehrstufigen Pumpen zu betrieblichen Vorteilen führt. Auch bei hoher
Betriebsdrehzahl braucht die kritische Drehzahl nicht durchlaufen zu werden.
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Zudem wirkt die gummielastische Lagerschicht an sich schon schwingungsdämpfend.
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Es ist zweckmäßig, wenn die gummielastische Schicht im Gehäuse angeordnet
ista entweder unmittelbar oder mittels einer Tragbuchse, da es dann möglich ist,
in der im übrigen vollwandige, d. h. ohne die sonst üblichen z. B. achsparallelen
Nuten, ausgebildeten Schicht an deren am geringsten belasteten Stelle ihres Innenumfanges
eine etwa achsparallele Nut vorzusehen, in der zwischen Laufrad und Schicht eingedrungene
Festkörpers z. B, Sand, durch die den Dichtungsspalt axial durchströmende Flüssigkeit
herausgespült wird.
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Der Spaltverlust im Dichtungsspalt wird durchdiese Nut, die nur eng
zu sein braucht, nur unwesentlich erhöht, Die Anlaufkante, d. h. die in Drehrichtung
des Laufrades vorn liegende kante, der Nut soll abgeflacht seine um hier ein Abstreifen
des Flüssigkeitsfilms zu vermeiden.
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Als brauchbar hat sich eine gummielastische Schicht erwiese1i, deren
Stärke bei einer Shore-A-Härte von 3c bis So Grad, vorzugsweise t Cad is 55 Grad,
etwa 2 m. beträgt. Die Lagerbreite beträgt dabei zweckmäßig etwa 15 bis 25 . des
Lagerdurchmessers und das relative Lagerspiel etwa o,l bis o,2 @.
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Genestand einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist eine Wasserpumpe,
insbesondere Umwälzpumpe, bei der ein mit dem Laufrad unmittelbar verbundener Motoranker
im Pumpengehäuse umläuft und in diesem auf der dem mittels der gummielastischen
Schicht gelagertem Laufrad abgewandten Seite ebenfalls mittels einer vom Wasser
überströmten Schicht im Pumpengehäuse gelagert ist, wobei der innerhalb des Umfangs
dieser. Schicht liegende Teil der Strinfläche des Motorankers mit der Eintrittsseite
des Laufrades über mindestens eine Ausgleichsbohrung verbunden ist.
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Auch an dieser unmittelbaren Lagerstelle des Ankers wird der Schmiermittelfluß
durch das im Laufrad aufgebaute Flüssigkeitsdruckgefälle bewirkt.
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Die erfindungsgemäse Ausbildung der Strömungsmaschine eignet sich
auch für andere niedrigviskose Flüssigkeiten, wobei selbstverständlich der Werkstoff
der gummielastischen Schicht gegenüber der Flüssigkeit beständig sein muß.
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Die Erfindung ist an einigen Ausführungsbeispielen und in weiteren
Einzelheiten in der Zeichnung erläutert, Es zeigt Fig. 1 in Seitenansicht im Schnitt
eine doppelflutige Kreiselpumpe, Fig. la in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch
eine Lagerstelle des Laufrades dieser Kreiselpumpe, Fig. 2 im Schnitt eine Teilansicht
einer Francis-Turbine, Fig. 2a einen Schnitt A-A gemäß Fig. 2 durch eine Lagerstelle
des Laufrades dieser Turbine, Fig. 3 im Schnitt eine halbaxiale Kreiselpumpe, Fig.
4 im Schnitt eine Umwälzpumpe Fig. 4a einen Schnitt B-B gemäß Fig. 4 dUrch eine
axiale Lagerstelle dieser Pumpe Die in Fig. 1 gezeigte doppelflutige Kreiselpumpe
besteht aus dem aus den beiden Teilen 1 und 2 zusammengesetzten Gehäusen, an dessen
Unterem Teil 2 im Lagerbock 3 angesetzt ist, in dem mittels eines Pendelkugellagers
4 die Welle 5 gelagert ist, Das Pendelkugellager stützt die Welle 5 axial und an
seinem Sitz auch radial ab, so daß die beispielsweise vom Antriebsflansch 6 angeleiteten
Kräfte die Welle 5 nicht wesentlich verlagern können. Das flüssige Medium tritt
durch die beiden seitlichen Zulaufkanäle 9 auf der Welle 5 befestigten doppelflutigen
Laufrad, 8 zu und verläßt es über den Spiralkanal 10.
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Nahe dem äußeren Ümfang des Eintritts der Schaufelkanäle im Laufrad
8 sind beidseitig die Dichtungsspalte vorgesehen, die das umlaufende Laufrad 8 gegen
das Gehäuse 1, 2 derart
abdichten, daß zwischen Eintritt und Austritt
kein Druckausgleich stattfinden kann. Da jedoch diese Dichtungsspalte berührungsfreie
Dichtungen darstellen, ist hier ein gewisser Leckstrom des Mediums unvermeidbar,
Dieser Leckstrom 15 wird nun zur Schmierung und Kühlung der den Dichtungsspalt 14
begrenzenden Flächen, die als Lagerflächen für das Laufrad 8 dienen, ausgenutzt1
indem z, B. die gehäuseseitige Fläche. - Fig. 1 zeigt - von einer Gummischicht 12
gebildet wird, die vorzugsweise mittels eines anvulkanisierten Stützringes 11 in
das Gehäuse 1, 2 eingesetzt ist unc? auf der das Laufrad 8 mittels eines Laufringes
13 gleitend gelagert ist.
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Der Laufring 13 ist entbehrlich, wenn der Werkstoff des Laufrades
8 selbst gute Laufeigenschaften gegen Gummi aufweist.
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Während des Betriebes sind jedoch die Laufflächen durch hydrodynamische
Flüssigkeitsschmierung, die sich insbesondere infolge der gummielastischen Eigenschaften
der einen Lagerfläche in günstiger Weise ausbildet, voneinander getrennt. Beim An-und
Auslauf sind dagegen gute Laufeigenschaften der Geçenfläche wichtig.
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Die Abdichtung der Welle 5 gegenüber dem Gehäuse nach au3en hin erfolgt
über eine weiche Stopfbuchsenpackung 7, an deren Stelle jedoch eine Gleitringdichtung
mit radialen Dichtflächen wegen ihrer besserenradialen Nachgiebigkeit Vorteile bietet,
da die Lagerung des Laufrades in gummielastischem Werkstoff eine gewisse radiale
i-Tachgiebigkeit des Laufrades bedingt, wodurch wiederum gewisse Fluchtungsfehler
in der gesatten Lagerung unschädlich bleiben.
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Wie leicht zu ersehen ist die Baulänge der erfindungsgemäßen Pumpe
infolge Wegfalls der zweiten äu,3eren starren Lagerung erheblich geringer als bei
den bisher bekannten Ausführungen.
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Infolge der unmittelbaren Lagerung des Laufrades 8 im Gehäuse erfährt
die Welle 5 vom Laufrad 8 her keine Biegebeanspruchungen,
was die
bereits oben angeführten Vorteile mit sich bringen. Darüber hinaus ist ein gummielastischer
Werkstoff weniger durch Einwirkungen der Kavitation gefährdet.
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Durch Anformen einer Umlenknase 16 an die gummielastische Schicht
12 können an den gezeigten Stellen Kavitationserscheinungen vermieden werden.
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Bei der in Fig, 2 gezeigten Francis-Turbine strömt das Druckwasser
vom äußeren Ringkanal 17 her über die verstellbaren Leitschaufeln 19 zum Laufrad
18. Ein geringer Teil 20 des Druckwassers strömt jedoch über den Dichtungsspalt
14 am Laufrad vorbei, Dieser Leckstrom 20 dient jedoch wiederum zur Schmierung und
Kühlung der in gleicher Weise, wie Fig, 1 und la gezeigt, ausgebildeten Lagerstelle
zwischen Laufrad 18 und Gehäuse 1.
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Um einen axialen Druckausgleich auf beiden Seiten des Laufrades 18
zu erzielen, ist auf der der Abströmseite des Laufrades 18 abgewandten Seite des
Laufrades ein in den Abmessungen gleiches gummielastisches Lager vorzusehen, das
ebenfalls von einem Leckstrom durchströmt wird. Das Laufrad 18 ist außerdem mit
einer Ausgleichsbohrung versehen, die Druckgleichheit zwischen beiden Seiten des
Laufrades herbeiführt, In entsprechender Weise kann auch bei einer Kreiselpumpe
gemäß Fig. 1, jedoch in einflutiger Ausführung, ein Axialschub vermieden werden.
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In Fig, 2a ist gezeigt, wie durch Anordnung einer schmalen Nut 29
mit abgeschrägten Kanten in der g'ummielastischen Schicht 12 die Selbstreinigung
des Lagers von etwa in den Spalt geratenen Festkörpern, z, B. Sand, bewirkt werden
kann.
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In Fig. 3 ist eine halbaxiale } reiselpumpe gezeIgt. Vom unteren Ende
des Außenrohres 22 strömt das Wasser in Richtung 24 dem am unteren Ende der lotrechten
Welle 25 befestigen Laufrad 28 zu. Die Lagerung des unteren Endes der Welle 25 erfolgt
mittels des ar. unteren Ende des Kopfstückes 26 des Innenrohres 27 im Laufrad 28
angeordneten Lagers, das aus der Gummischicht 12 und ae Laufring 13 besteht.
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Die im Laufrad 28 vorgesehenen Ausgleichsbohrungen 21 ermöglichen
die erforderliche Durchströmung des Dichtungsspaltes zwischen Laufrad 28 und Kopfstück
26, der von der gummielastischen Schicht 12 und dem Laufring 13, die auch in ihrer
gegenseitigen Anordnung vertauscht werden können, begrenzt ist Die Welle 25 ist
an ihren oberen Enden axial und radial unnachgiebig gelagert.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Umwälzpumpe ist das Laufrad 30 unmittelbar
an der einen Stirnfläche eines Ankers 31 eines Elektromotors befestigt und zusammen
mit dem Anker 31 im Pumpengehäuse gelagert. Die Lagerung erfolgt sowohl auf der
Laufradseite als auch auf der dem Laufrad 30 abgewandten Seiten in der in den zuvor
gezeigten Beispielen dargestellten Weise mittels die Dichtungsspalte begrenzender
Schichten »2 aus gummielastischem Werkstoff und Laufringen 12. Um eine Durchströmung
auch des an der dem Laufrad 30 abgewandten Ende des Ankers 31 als Lager vorgesehenen
Dichtungsspaltes und zugleich einen axialen Druckausgleich zu erzielen, sind in
Anker 3; Ausgleichsbohrungen 21 vorgesehen, Diese Umwälzpumpe weist keine äußeren
Lager auf. Auch der Stator 32 des Motors ist in das Pumpengehäuse mit einbezogen
und kann durch ein Spaltrohr 33 gegenüber den inneren der Pumpe abgeschlossen sein.
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Zur axialen Abstützung des Laufrades 3o und Ankers 31 im Pumpengehäuse
sind, wie Fig. 4a zeigt, in diesem radial sich erstreckende und durch Zwischenräume
37 voneinander getrennte und mit abgeflachten Anlaufkanten versehene gummielastische
Sehichten 36 vorgesehen, die an planen Laufringen 38 des Laufrades 3c bzw. Ankers
31 gleiten und ebenfalls durch die die Dichtungsspalte durchströmende Flüssigkeit
geschmiert werden.