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Die
Erfindung betrifft ein Laufrad mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln.
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Derartige
Laufräder
haben gegenüber
einfach gekrümmten
Schaufelrädern,
die selbst mit Deckscheibe maximal nur einen Wirkungsgrad von 55
% erreichen den Vorteil, daß sie
auf Grund ihrer räumlich
gekrümmten
Schaufeln einen Wirkungsgrad von bis zu 80 % erreichen können. Ein
Hindernis für deren
großtechnischen
Einsatz im Kühlmittelpumpen-,
Motoren- und Automobilbau ist jedoch deren kostenintensive Herstellung.
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Im
Stand der Technik werden daher solche sehr komplizierten Schaufelräder mit
räumlich
gekrümmten
Schaufeln sehr kostenintensiv vorwiegend als Feingussteil im Wachsausschmelzverfahren
oder als Sandformguss hergestellt. Da die Möglichkeiten zum Putzen und
Polieren der Gussflächen
im Inneren des Laufrades begrenzt sind, ist demzufolge auch die erzielbare
Oberflächengüte begrenzt.
Daher wird selbstverständlich
durch die verbleibende relativ hohe Oberflächenrauhigkeit der maximal
erzielbare Wirkungsgrad wiederum negativ beeinflusst.
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Preiswertere
Herstellungsverfahren die darüber
hinaus zudem eine hohe Oberflächengüte erzielen,
wie beispielsweise das Spritzgießen, sind auf Grund der komplizierten
Entformbarkeit solcher Schaufelräder
mit räumlich
gekrümmten
Schaufeln nicht einsetzbar.
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In
der
DE 16 28 210 A1 wird
eine Schweißkonstruktion
eines Radialschaufelrades mit unkomplizierter Schaufelgeometrie,
bestehend aus U-förmigen,
blechgeformten Baueinheiten vorbeschrieben.
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Dieses
in der
DE 1 628 210
A1 vorbeschriebene, als Turbogebläserad Einsatz findende Radialschaufelrad
kann gewünschtenfalls
mit zusätzlich
in axialer Richtung gekrümmten
Blättern
aufgebaut werden.
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Doch
mit einer solch leicht abgewandelten Bauform eines Radialschaufelrades
können
keinesfalls die mit einem Laufrad mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln
zu erreichenden Wirkungsgrade erzielt werden.
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Aus
der
DE 25 35 196 A1 ist
weiterhin ein in horizontal kreisförmiger Richtung aus Radsegmenten
zusammengesetztes, an den Stoßstellen
mit Nuten und Leisten versehenes und im Bereich dieser Stoßstellen
mit Klammern zusammengehaltene Radiallüfterad bekannt geworden mit
dem jedoch ebenfalls keinesfalls die mit einem Laufrad mit dreidimensional,
räumlich
gekrümmten
Schaufeln zu erreichenden Wirkungsgrade erzielt werden können. In der
DE 26 02 136 A1 wird
darüber
hinaus eine weitere Schweißkonstruktion
aus vorgeformten Blechsegmenten zur Herstellung von Radialpumpenrädern vorbeschrieben.
Dabei werden Blechformteile an eine von einem Rohr abgeschnittene
Nabe angeschweißt.
Ein derartiges Herstellungsverfahren ist jedoch für Pumpenräder mit
hoher spezifischer Drehzahl, wie Francis – oder Diagonalpumpenräder nicht einsetzbar,
da die dreidimensional gekrümmte Schaufelform
als Blechformteil selbst mit sehr großem Aufwand kaum herstellbar
ist. Zudem tritt beim Verschweißen
dieser Blechformteile dann sowohl gegenüber der Nabe wie auch zwischen
den Schaufeln untereinander stets ein Verzug ein, der selbstverständlich negative
strömungstechnische Auswirkungen
zur Folge hat und dadurch den erzielbaren Wirkungsgrad deutlich
vermindert. Gleichzeitig werden auf Grund des Verzuges zusätzlich Nacharbeiten
zur Gewährleistung
des Dichtspaltes gegenüber
dem Gehäuse
erforderlich. Darüber
hinaus führen
die zur Verbindung der Baugruppen erforderlichen Schweißarbeiten
zu Unwuchten am geschweißten
Rad und erfordern daher weitere Nacharbeiten.
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Somit
können
auch mittels dem in der
DE
26 02 136 A1 vorgestellten Herstellungsverfahren trotz hohem
Fertigungs – und
Montageaufwand stets nur Radiallaufräder mit einfach gekrümmten Schaufeln und
zwangsläufig
verhältnismäßig niedrigem
Wirkungsgrad hergestellt werden.
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Auch
die in der
DE 33 43
752 A1 zur Herstellung eines offenen Laufrades vorgestellte
Schweißkonstruktion
besteht ebenso wie die vorgenannte Schweißkonstruktion aus Laufradsegmenten
welche an einer Nabe angeschweißt
sind. Diese ist daher, ebenso wie die vorgenannte Bauform zur Herstellung eines
Radialpumpenrades ungeeignet und weist nahezu analog die bereits
vorgenannten Nachteile auf.
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Aus
der
DE 41 39 293 A1 ist
weiterhin ein modular aufgebautes Radiallüfterrad aus einem Faser-Kunststoff-Verbund
bekannt, dessen schaufeltragenden Elemente wiederum aus einzelnen,
aus faserverstärkten
Kunststoffen bestehenden kasten- oder U-förmigen Segmenten bestehen,
welche aneinandergefügt,
und in axialer Richtung beidseitig durch stoff- oder formschlüssiges Aufbringen
einer Boden- und/oder Deckscheibe verstärkt und versteift werden.
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Auch
bei dieser Bauform handelt es sich jedoch um ein Radialschaufelrad
mit dem keinesfalls die mit einem Laufrad mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln
erreichenden Wirkungsgrade erzielt werden können. In der
DE 43 21 173 A1 wird nun
eine weitere Laufradbauform eines offenen Laufrades vorgestellt.
Die einzelnen Baugruppen des Laufrades dieser Bauform, wie die Nabe,
die schaufeltragenden Elementen und die Schaufeln selbst, bestehen
aus polymeren Verbundmaterialien und werden miteinander zum Schaufelrad
verklebt. Auch diese Herstellung von Schaufelräder ist wiederum mit einem
sehr hohen Fertigungs – und
Montageaufwand verbunden. Zudem gelingt es auch mittels dieser Bauform
nicht Diagonalschaufelräder
mit exakt definierten, dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufelformen und hoher
Schaufeloberflächengüte herzustellen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein in allen Einsatzwerkstoffen
wie beispielsweise Stahl, Sintermetall, Aluminium, Kunststoff, Keramik
u.a.m. herstellbares Laufrad mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln
zu entwickeln, welches sich durch exakt definierten Schaufelformen,
eine hohe Schaufeloberflächengüte, gute Rundlaufeigenschaften,
eine hohe Zuverlässigkeit, einen
minimalen Fertigungs- und Montageaufwand sowie gleichzeitig einen
hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe einerseits mittels eines Laufrades mit dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufeln
dadurch gelöst, dass
das Laufrad aus Laufradsegmenten (1) mit jeweils einem
Nabenklemmbereich (9) und einem Spannringanlagebund (10)
besteht und am Nabenklemmbereich (9) eine dreidimensional
gekrümmte Schaufel
(6) mit einem Laufradsegmentboden (5) angeordnet
ist, wobei an der gegenüberliegenden Schaufelseite
ein Spannringanlagebund (10) mit einer Laufradsegmentdecke
(4) so angeordnet ist, dass die Laufradsegmentdecke (4),
die dreidimensional, räumlich
gekrümmte
Schaufel (6) und der Laufradsegmentboden (5) einander
Z-förmig
benachbart sind, und alle das Laufrad bildenden Laufradsegmente
(1) mittels eines am Spannringanlagebund (10)
angeordneten Spannringes funktions- und betriebssicher untereinander
verspannt werden können.
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Die
Teilung der einzelnen Segmente wird erfindungsgemäß so gewählt, dass
diese stets im Bereich der Schaufeln erfolgt wobei gleichzeitig
durch formschlüssige
Auf – und
Anlageflächen
eine exakte Positionierung zum nächsten
Segmentboden beziehungsweise zur nächsten Segmentdecke erreicht wird.
Auf Grund der speziellen erfindungsgemäßen Gestaltung der Auf – und Anlageflächen, welche
aus mehreren winklig einander berührenden Teilflächen bestehen,
wird eine eindeutige Fixierung der Laufradsegmente in axialer und
radialer Richtung gewährleistet.
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Somit
ist es möglich
allein durch das Aneinanderfügen
einzelner identisch aufgebauter erfindungsgemäßer Laufradsegmente ein komplettes Schaufelrad
zusammenzufügen
und nachfolgend mittels eines Spannringes am Saugmund zu verspannen.
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Der
Spannring hat dabei die Aufgabe im Betriebszustand die Zentrifugalkräfte des
erfindungsgemäßen Laufrades
aufzunehmen und gleichzeitig den erforderliche Dichtspalt zwischen
Pumpenrad und Pumpengehäuse
zu gewährleisten.
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Andererseits
kann die Aufgabe der Erfindung auch mittels eines Laufrades mit
dreidimensional, räumlich
gekrümmten
Schaufeln dadurch gelöst
werden, dass das erfindungsgemäße Laufrad
wiederum aus einzelnen Laufradsegmenten (1) besteht welche nun
aus einer dreidimensional gekrümmte
Schaufel (6) mit an der Schaufelinnenseite angeordneter
Rastklinke (15) und Arretierungsnoppen (16) bestehen, und
dass jeweils an der gegenüberliegenden
Schaufelseite eine Laufradsegmentdecke (4) mit einem Spannringanlagebund
(10) angeordnet ist, wobei die Schaufelinnenseiten der
das Laufrad bildenden Laufradsegmente (1) mittels deren
Rastklinken (15) und deren Arretierungsnoppen (16)
in zugeordneten Aussparungen (17) einer rotationsellipsoidförmigen Bodenscheibe
(14) eingehangen sind, und alle Laufradsegmente (1)
mittels eines am Spannringanlagebund (10) angeordneten
Spannringes funktions- und betriebssicher gegeneinander verspannt
werden können.
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Die
Randkontur der Laufradsegmentdecke schließt dabei erfindungsgemäß formschlüssig an die
Auf – und
Anlageflächen
der benachbarten Segmente an.
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Auch
in dieser Bauform ergeben mehrere Laufradsegmente aneinandergefügt eine
komplette Deckscheibe mit den dazugehörigen Schaufeln.
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An
den Schaufeln sind jedoch in Richtung der Bodenscheibe Arretierungsnoppen
und Rastklinken angeordnet, die in den zugeordneten Aussparungen
und/oder Vertiefungen der zugehörigen
erfindungsgemäßen Bodenscheibe
verrastet werden.
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Nachfolgend
wird dieses so zusammengefügte
erfindungsgemäße Schaufelrad
ebenfalls mittels eines Spannringes verspannt.
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Auch
in dieser erfindungsgemäßen Bauform hat
der Spannring die Aufgabe im Betriebszustand die Zentrifugalkräfte des
erfindungsgemäßen Laufrades
aufzunehmen und gleichzeitig den erforderlichen Dichtspalt zwischen
Pumpenrad und Pumpengehäuse
zu gewährleisten.
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Vorteilhaft
ist bei dieser Bauform mit einer Bodenscheibe, dass in der Bodenscheibe
(je nach verwendetem „Laufradsegment" – Werkstoff und Einsatzfall)
ein Insert angeordnet werden kann, welches zur verdrehsicheren Befestigung
des Laufrades auf der Pumpenwelle dient.
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In
beiden Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Lösung ermöglicht die
Segmentierung des Laufrades eine einfache Herstellung der komplizierten
Schaufelgeometrie bei hoher Oberflächengüte.
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Im
Rahmen der Segmentierung wird dabei ein nach herkömmlicher
Vorgehensweise konstruiertes Schaufelrad für die gießereitechnische Herstellung
in Laufradsegmente entsprechend der Anzahl der Schaufeln so geteilt,
dass die einzelnen Laufradsegmente über jeweils eine räumlich gekrümmte Schaufel
verfügen.
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Diese
Laufradsegmente werden dann erfindungsgemäß, wie bereits erläutert, mittels
eines Spannringes, oder mittels einer Bodenscheibe und eines Spannringes
miteinander verbunden.
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Durch
das nachfolgende Aneinanderfügen der
einzelnen Baugruppen entlang ihrer Auf – und Anlageflächen sowie
dem anschließenden
erfindungsgemäßen Verspannen
der Baugruppen mittels des Spannringes miteinander wird bei minimalem Aufwand
eine einfache schnelle und unkomplizierte Montage der einzelnen
Baugruppen bei stets gewährleisteten
hohen Rundlaufeigenschaften des erfindungsgemäßen, fertig montierten Laufrades
ermöglicht,
wobei der erfindungsgemäße Spannring gleichzeitig
stets der Gewährleistung
des erforderlichen Dichtspaltes zwischen dem Pumpenrad und dem Pumpengehäuse dient.
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In
beiden Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Lösung kann
vorteilhafterweise in der Aufnahmebohrung des Laufrades eine Aufnahmehülse angeordnet
sein. Mittels dieser Aufnahmehülse
kann das jeweilige, zuvor beschriebene, fertigmontierte erfindungsgemäße Laufrad
auf der Pumpenwelle angeordnet werden.
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Nachfolgend
soll die erfindungsgemäße Lösung nun
an Hand zweier Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit zwölf
Figuren näher
erläutert.
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Dabei
zeigen
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1:
die Draufsicht auf eine der beiden möglichen Bauformen des erfindungsgemäßen Laufrades
im komplett zusammengefügten
Zustand;
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2:
Unteransicht der bereits in 1 dargestellten
Bauform des erfindungsgemäßen Laufrades;
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3:
das erfindungsgemäße Laufrad
gemäß 1 ohne
Spannring;
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4:
das erfindungsgemäße Laufrad
gemäß 2 ohne
Aufnahmehülse;
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5:
Laufradsegment in der Ansicht gemäß 1;
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6:
Laufradsegment in der Ansicht gemäß 2;
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7:
Laufradsegment gemäß 6,
betrachtet aus einer etwas geänderter
Perspektive,
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8:
die Draufsicht auf eine zweite mögliche
Bauform des erfindungsgemäßen Laufrades
im fertig montierten Zustand;
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9:
Ansicht der Bauform nach 7 jedoch ohne Bodenscheibe und
ohne Spannring;
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10:
Laufradsegment der Bauform nach 7 oder 8;
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11 :
Draufsicht auf die Bodenscheibe eines Laufrades nach 8;
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12:
Unteransicht der Bodenscheibe nach 11.
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In
der 1 ist eine der möglichen Bauformen des erfindungsgemäßen Laufrades
dargestellt. Das Laufrad selbst ist dabei in einzelne Laufradsegmente 1 unterteilt.
Die Teilung der einzelnen Laufradsegmente 1 ist so gewählt, dass
diese im Bereich der Schaufeln erfolgt wobei durch die erfindungsgemäße Gestaltung
der formschlüssigen
Auf – und
Anlagefläche 13 eine
exakte Positionierung zum nächsten „Segment" – Boden 5 beziehungsweise
zur nächsten „Segment" – Decke 4 erreicht
wird.
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Auf
Grund dieser erfindungsgemäßen Gestaltung
der Auf – und
Anlageflächen 13,
welche aus mehreren winklig einander berührenden Teilflächen bestehen,
wird eine eindeutige Fixierung der Laufradsegmente 1 in
axialer und radialer Richtung gewährleistet.
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Die
Montage erfolgt so, dass zunächst
einzelne Baugruppen aus mehreren Laufradsegmenten 1 zusammengefügt und dann
diese Baugruppen unter – und
miteinander zum kompletten Pumpenrad verspannt werden.
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Zusätzlich sind
diese Laufradsegmente 1 dann nochmals radial mittels eines
Spannringes 2 miteinander verspannt. Dabei hat dieser Spannring 2 die
Aufgabe insbesondere die Zentrifugalkräfte im Betriebszustand des
erfindungsgemäßen Laufrades aufzunehmen
und gleichzeitig den erforderlichen Dichtspalt zwischen Pumpenrad
und Pumpengehäuse
zu gewährleisten.
Selbstverständlich
können
die Laufradsegmente 1 miteinander auch ohne Spannring 2 je
nach Materialbeschaffenheit der Laufradsegmente 1 durch
Kleben, Sintern o.ä.
unlösbar
miteinander verbunden werden.
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Im
zusammengefügten
Zustand bilden die Laufradsegmente sowohl den Saugmund mit den Eintrittsöffnungen 3,
die Decke 4, den Boden 5, die Schaufeln 6 und
auch die Austrittsöffnungen 7.
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Die 2 zeigt
nun die bereits in 1 dargestellte Bauform des erfindungsgemäßen Laufrades
in der Unteransicht. Dabei wird die im Boden 5 angeordnete
Aufnahmehülse 8,
mittels der das fertigmontierte erfindungsgemäße Laufrad auf der Pumpenwelle
angeordnet wird, wie auch der die Laufradsegmente miteinander verspannende
Spannring 2 sichtbar.
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In
den Figuren 3 und 4 ist nun
dieses erfindungsgemäße Laufrad
gemäß der 1 und 2 ohne
Spannring und ohne Aufnahmehülse dargestellt.
Dadurch wird der an den jeweiligen Laufradsegmenten angeordnete
Nabenklemmbereich 9 wie auch der an jedem Laufradsegment
angeordnete Spannringanlagebund 10 ersichtlich.
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Die 5 zeigt
ein einzelnes Laufradsegment in der Draufsicht. Dabei wird die dreidimensional
geformte Schaufel 6, die Decke 4, der Boden 5 wie
auch die erfindungsgemäße Gestaltung
der Auf – und
Anlageflächen 13 deutlich.
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In
der 6 ist nun dieses Laufradsegment aus 5 in
der Unteransicht mit der diesem Element zugeordneten Schaufel 6 und
der an der Vorderkante der Schaufel befindlichen Strömungseintrittskante 11,
dem zugeordneten Boden 5 und insbesondere der jedem Laufradsegment
zugehörige
Abschnitt der Aufnahmebohrung 12 dargestellt.
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In
der 7 wird das in 6 dargestellte Laufradsegment
aus einer etwas geänderter
Perspektive betrachtet. Dabei wird neben der dreidimensional, räumlich gekrümmten Schaufel 6,
dem Nabenklemmbereich 9, der Decke 4, dem Boden 5 und dem
Spannringanlagebund 10 insbesondere auch die erfindungsgemäße Gestaltung
der Auf – und
Anlageflächen 13 sichtbar.
Diese Auf – und
Anlageflächen 13 gewährleisten
die erfindungsgemäße einfache
und exakte Positionierung der Laufradsegmente zueinander.
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Die 8 zeigt
nun die Draufsicht auf eine andere erfindungsgemäße Bauform des erfindungsgemäßen Laufrades
im komplett montierten Zustand. Dabei sind die einzelnen Laufradsegmente 1 mittels deren
Arretierungsnoppen und Rastklinken in den zugeordneten Aussparungen
und oder Vertiefungen einer Bodenscheibe 14 mit Aufnahmebohrung
eingehangen und gegeneinander mittels eines Spannringes 2 verspannt.
Dieser Spannring 2 hat dabei wiederum im Betriebszustand
die Aufgabe die Zentrifugalkräfte
des erfindungsgemäßen Laufrades
aufzunehmen und gleichzeitig den erforderlichen Dichtspalt zwischen
Pumpenrad und Pumpengehäuse
zu gewährleisten.
Auch in dieser 8 sind die erfindungsgemäßen Auf – und Anlageflächen 13 sichtbar,
die wie bereits beschrieben eine einfache und exakte Positionierung
der Laufradsegmente zueinander gewährleisten.
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Selbstverständlich können die
Baugruppen je nach Materialbeschaffenheit des Laufradsegmentes auch
ohne Spannring beispielsweise durch Kleben, Sintern o.ä. unlösbar miteinander
verbunden werden.
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In
der 9 ist nun eine Ansicht der zusammengefügten Laufradsegmente 1 in
der erfindungsgemäßen Bauform
nach 7 jedoch ohne Bodenscheibe und ohne Spannring
dargestellt. Diese Darstellung zeigt neben den dreidimensional gekrümmten Schaufeln 6 der
Laufradsegmenten 1 die an diesen Schaufeln 6 in
Richtung Bodenscheibe angeordneten Klinken 15 und Arretierungsnoppen 16,
welche einer exakten Positionierung und verdrehsicheren Verbindung
dieser Laufradsegmente mit der in den 11 und 12 dargestellten
Bodenscheibe dienen.
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Die 10 zeigt
nun ein einzelnes dieser Laufradsegmente gemäß 9 mit der
Decke 4 dieses Laufradsegmentes, der Schaufel 6 und
dem Spannringanlagebund 10 des Laufradsegmentes, den Auf – und Anlagefläche 13 sowie
der Klinke 15 und dem Noppen 16 zur lagesicheren
Verbindung des Laufradsegmentes mit der zu dieser erfindungsgemäßen Bauform
gehörenden
Bodenscheibe gemäß den 11 und 12.
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Diese
Bodenscheibe 14 des Laufrades ist nun in einer räumlichen
Draufsicht in 11 dargestellt. Die in der Bodenscheibe 13 angeordneten
Aussparungen 17 dienen der Aufnahme der an den Laufradsegmenten
angeordneten Klinken. In die kreisförmigen Vertiefungen 18 werden
die an den Laufradsegmenten angeordneten Arretierungsnoppen eingesetzt.
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In
der 12, der Unteransicht zu der in 11 dargestellten
Bodenscheibe, wird neben den bereits beschriebenen Aussparungen 17 und
den Vertiefungen 18 das zentrisch in der Bodenscheibe angeordnete
Insert 19 sichtbar, mittels der das fertigmontierte erfindungsgemäße Laufrad
verdehsicher auf der Pumpenwelle angeordnet werden kann.
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Auf
Grund der erfindungsgemäßen Lösung ist
es gelungen ein in allen Einsatzwerkstoffen wie beispielsweise Stahl,
Sintermetall, Aluminium, Kunststoff, Keramik u.a.m. herstellbares
Laufrad mit dreidimensional, räumlich
gekrümmten
Schaufeln zu entwickeln, welches sich durch exakt definierte Schaufelformen,
eine hohe Schaufeloberflächengüte, gute Rundlaufeigenschaften,
eine hohe Zuverlässigkeit, minimalen
Fertigungs- und Montageaufwand und darüber hinaus einen hohen Wirkungsgrad
auszeichnet.
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- 1
- Laufradsegment
- 2
- Spannring
- 3
- Eintrittsöffnungen
- 4
- Decke
- 5
- Boden
- 6
- Schaufel
- 7
- Austrittsöffnungen
- 8
- Aufnahmehülse
- 9
- Nabenklemmbereich
- 10
- Spannringanlagebund
- 11
- Strömungseintrittskante
- 12
- Aufnahmebohrung
- 13
- Auf – und Anlagefläche
- 14
- Bodenscheibe
- 15
- Klinke
- 16
- Arretierungsnoppen
- 17
- Aussparungen
- 18
- Vertiefung
- 19
- Insert