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Schraubenpumpe, insbesondere zur Erzielung großer Geschwindigkeiten
bei kleiner Druckhöhe. Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Schrati@enpumpe,
insbesondere zur Erzielung großer Geschwindigkeiten bei kleiner Druckhöhe, die aus
folgenden Elementen besteht: i. Einer Eintrittskammer, bestehend aus einer oder
mehreren Leitungen, (1:e das Wasser mit einer Geschwindigkeit liefert, welche sich
aus einer Bewegung hauptsächlich parallel zur Laufradachse und einem Umlauf um diese
Achse zusammensetzt.
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Um den Betrag dieser Geschwindigkeit möglichst groß zu erhalten, wird
dIie Pumpe möglichst tief angeordnet, das so erhaltene Anfangsgefälle (der Druck
der Atmosphäre inbegriffen) wird zur Erzeugung einer Geschwindigkeit ausgenutzt.
deren Wert gegenüber dem von der Pumpe erzeugten Nettogefälle groß ist.
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Es ist klar. claß durch Ausnutzung des Gefälles zur Erteilung einer
der Umlaufgeschwindigkeit des Laufrades nahezu gleichkommenden. Umla.ufgeschwincligkeit
die relative Geschwindigkeit (Geschwindigkeitstinterschied,) zwischen den Laufradschaufeln,
uln(1 dem Wasser Leim Eintritt in die Pumpe sehr gering gehalten werden kann.
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=. Ein Laufrad von hauptsächlich ach:sialein Stromlauf oder von annähernd
der Bauart der Schiffsschrauben, Glas auf eine MVassermen;.#e einwirkt, die bereits
in den Eintrittskatmnern in Bewegung gesetzt worden ist. Diese schraubenförmige
Bauart wird angewendet. um große Wassermengen mit möglichst geringer Änderung der
Stromrichtuing durch ein Laufrad von möglichst kleinem Durchmesser hindurchfließen
zu lassen. Das Wasser tritt in (las Laufrad ein und verläßt es in ungefähr gleicher
Entfernung von der La:ufradachse, so daß nur eine :geringe Zentrifugalwirkung vorhanden
ist, d.ie für Zentrifugalpumpen eine Grtindbediingttii:g zur Erzeugung von Druckhöhen
bildet. Tatsächlich kann für besonders hohe Geschwindigkeitendas Laufrad mit einer
schwachen Einwärtsströmung ausgebildet werden, um weiter das von der Pumpe erzeugte
Nettogefälle zu verringern, wodurch rfas effektive Gefälle teilweise durch: einen
geringen Betrag von entgegenwirkender Zentrifugalkraft ini hlügelra.rl ausgeglichen
wird'. D-'e Radflügel sind als angenäherte Schraubenflächen ausgebildet, so daß
sie den Wirbel des durch das Laufrad hindurehfließenden Wassers vergrößern: ihre
Eintrittskanten bilden einen spitzen Winkel finit der Drehrich4unä.
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3. Einer von hauptsächlich konischen Wänden begrenzten ringförmigen
Kammer, in welcher (las aus dem Laufrad austretende M'asser i n einem vollen Körper
umläuft, bevor es in das Austrittsgehäuse gelangt. Die konischen Wände sind derart
ausgebildet, daß durch eine allmählich zunehmende Querschnittsfläche eine Verringerung
der Wassergeschwindigkeit zwischen dem Laufrad und dem Austrittsgehäuse erzielt
wird. Die ringartige Form `flirser haminer gestattet dem Wasser, in einem l;e"elsclirati@benförmigen
Wege vom Laufrari zu,ti Austrittsgehäuse zu fließen.
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.1. Finetn Austritts@gehätise, das dazu dient, las Wasser aus der
Ringkammer in seiner natürlichen Wirbelrichtung zu empfangen und
es
in einer Kegelschraube zu der tangential angesetzten Ausflußleitung zu führen. Die
Kegelschraube (Schnecke) ist rund um den Umfang der Ringkammer herumgewunden, und'
die Querschnittsfläche. der Leitung vergrößert sich genügend .mit dem Fortschreiten
längs d-es erwäh :nten Unifanges, nicht. nur um die Förderung des gesammelten Stromes
zu erleichtern, sondern auch um fortlaufend und allmählich die Geschwindigkeit -des
Wasserstromes beim Durchgang durch die Schnecke zu verringern. Die anschneidend
angesetzte Ausflußleitung kann gleichfalls sich erw eitern, damit die,Querschnittsvergrößerung
und daher die Geschwindigkeitsverringerung fortgesetzt werden können. Ein solches
Gehäuse dient mithin: zur Umwandlung des hohen Geschwind'igkeits,gefälles des aus
dem Laufrad austretenden Wassers in: Druckgefälle beim Austritt aus der Pumpe. Die
dem Spiralgehäu:se .gegebene weite Schraubenform vermeidet unerwünschte Energieverluste
und gestattet diie Herabsetzung auf- ein Minimum der Abmessungen und, des Gewichtes.
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Die Verwendung :einer einzigen, vollständig um den Umfang geführten
Leitung an Stelle einer großen Anzahl von D.ifftrsions- oder Erweiterungsschaufeln
ermöglicht dhe Anordnung einer langen Leitung mit genügender allmählicher Zunahme
im Querschnitt :und einem Minimum an Krümmung, wobei große Reibungsflächen .und:
Stoßverluste wie .bei einer Anzahl von kleinen Leitungen vermieden «-erden.
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Auf beiliegender Zeichnung ist diie Erfindung in Form einiger Ausführungsbeispiele
zum Ausdruck gebracht.
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Abb. i ist ein Aehsi.alschrni.tt .durch: eine Pumpe gemäß der Erfindung,
wobei die Radflügel in dlie Schnittfläche verlegt gedacht sind: diese Art der Veransch'aulic'hung
ist auch in den Abb. 3, 5 Bund, 7 gewählt worden.
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Abb. ia ist ein Schnitt nach Linie ia-i" der Abb. i.
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Abb.2 ist eine Aufsicht auf ,eine andere Ausführung .der Pumpe.
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AU). 3 ist Achsialschnitt durch die Pumpe nach Abb. 2, und
Abb. 4. ist eine Seitenansicht hierzu.
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Abb. 5 ist AchsiaIsch:n:itt- durch eine weitere Ausführungsform der
Pumpe, und Abb. 6 ist eine Seitenansicht hiervon.. Abb.7 zeigt in einem Achsiatschnitt
eine weitere Ausführungsform.
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Aibb.8 veranschaulicht schematisch eine Pumpenanlage.
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Wie aus A.bb. i und ia hervor-geht, besteht das Pumpengehäuse aus
zwei Teilen, dem Zuflußgehäuse (links) und dem Abflußgehäuse (rechts). Das Zuflußgehäuse
besitzt eine Außenwand, 21 und eine Innenwand 22, zwisehen denen. eine ringförmige,
sich verengende Eintrittskammer 23 gebildet wird. Inneer'ha.lb dd.eser Kammer 23
sind Leitschaufeln 24 vorgesehen, welche schraubenförmig um die Pumpenachse geführt
sind. Diese Leitschaufeln 24 dienen gleichzeitig als Verstärkungselemente zwischen
der Außenwand 21 und -.der Innenwand 22, die ferner dias Wellenlager 37 trägt. Die
beiden Gehäuseteile besitzen zwecks gegenseitiger Verbindung je einen Flansch
25 bzw. 26. Das Ausflußgehäuse besteht ebenfalls aus einer äußeren Wand 27 und einer
inneren Wand 28, zwischen,denen sich der Austrittsraum 29 und die Austrittsteitung
35 befinden. Die Austrittskammer 35 besitzt eine Schneckenform. Die Wände 27 und:
28 werden durch Umdrehtingsfläch en, erhalten, die sich mehr und mehr der Senkrechten
zur Achse zuneigen. Zwischen. den Wänden 27 und 28 ist noch die Abschlußwand 32
bis, 34, die sichi -allmählich von der Achse entfernt. So liegt diese Wand bei 3o
verhältnismäßig nahe am Laufrad, ist dann um .die Achse in der Richtung .des Pfeiles
2o um 9o° geführt, welche Stellung in dieser Abbildung nicht gezeigt ist, aber der
punktierten Linie 31 entspricht; bei i8o° Drehung erscheint die Wand b:ei 32 (entspricht
der angedeuteten Linie 32') ; bei 27o° Führung erreicht .diese Wand eine der angedeuteten
Linie 33 entsprechende Stellung; bei 36o° Führung erscheint sie in der Stellung,
wie mit 34 angedeutet. Die Austrittsleitung 35 von sich verstärkender spiralförmiger
Form ist mithin von ,den Wändien 27, 28 und 32 bis 34 begrenzt und mündet im die
anschneidend) angesetzte Abfllußleitung 44. Die Welle 38 läuft in Lagern 36 und;
37 und trägt d'ne Nabe 39 der Flügel 40, die von..diieser radial auslaufen. Der
Raum zwischen .den Leitschaufeln 24 und den Radflügeln 40 ist mit 41 bezeichnet.
Die gestrichelte Pfeillinie 42-d.3 deutet den Weg des Wassers durch .die Pumpe an.
Diese Pfeillinie zeigt in Punktfolge den Wasserweg hinter den dargestellten Teilen
und den: in diesem Schnitt sichtbaren Wasserweg.
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Das Laufrad 39, 4o erhält eine Umdrehung im Sinne des Pfeiles, 20.
Die Eintrittskammer 23 erhält das Wasser unter :einem gewissen Druck (Gefälle).
Da .die Eintrittskammer 23 sich. verjüngt, .so nimmt die Geschwindigkeit des Wassers
in dem Maße, wie es sich dem Laufrad nähert, entsprechende zu. Die schraubenförmiggeneigten
Schaufeln 24 führen das Wasser mit wachsender Geschwindigkeit -und in einer Wirbelrichtung
in den Raum 41, wie mit dein strichliierten bzw. punktierten. Pfeil 42-43 angedeutet
ist. Das Laufrad' wird in der gleichen Richtung düreh. ein solches Drehmoment in
Umdrehung versetzt, so daß das Wasser aus dem Rat-In 41 aufgefangen, seine
Energie
erhöht und mit dieser erhöhten Energie in den. Raum 29 gedrückt wird, von wo es
in die sich ausweitendeLeitung35 fließt, die seine Geschwindigkeit vermindert und
seine kinetische Energie bei 29 in potentielle Energie in der Ausflußleitung umwandelt.
Wie durch den Pfeil q.2-43 gezeigt, erhält das Wasser in der Eintrittskammer bis
zum Laufrad den Lauf einer sich verkleimernd:en Kegelschraube; irrt Laufrad selbst
erhält es eine hauptsächlich schraubenförmige Bewegung, und .hierauf folgt es einer
:ich erweiternden Kegelschraube vom Laufrad bis zu seinem Austritt aus dem schneckenförmigen
Gehäuse.
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In den Abb. 2, 3 und 4 besitzt die Pumpe eine bei 47 mit einem Elektromotor
48 gekuppelte Welle 38. Das Pumpengestell 46 und der Motor 48 ruhen auf der Grundplatte
45 auf. Die Bezugszeichen stimmen. mit den Abb. i und ia überein, doch sollen hier
die wichtigsten Punkte der Abweichungen in den Abb. 2, 3 und 4 besondens hervorgehoben
werden. Die Zuflußleirung 23 nimmt gegen. das Laufrad hin im Durchmesser ab, um
die Geschwindigkeit des Wassers zu erhöhen ; die Leitschaufeln 21 gehen alle von
einem mittleren Kern 22' aus. Bei Abb. i ist der Wasserdurch,lauf im Laufrad etwas
verjüngt gehalten, hingegen ist er bei Abb.3 auseinandiergehend dargestellt. Das
Wasser fließt der Pumpe in achsialer Richtung zu und verläßt sie in rechtem Winkel
zur Pumpenachse. Die sclinecken.förmnige --#,llstrittslei.ttlng ist längs einer
Kegelfläche mit geraden. Erzeugenden geführt gedacht.
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In den Ausführungen nach A@bb. 5 und 6 wird das Wasser der Pumpe in
einem rechten Winkel zur Pumpenachse sowohl zugeführt als auch abgeleitet. Die Zuflußleitung
23' besitzt die Form einer sich verjüngenden Schnecke, die das Wasser lrnit allmählich
anwachsender Wirbelt schwin.digkeit dien Radflügeln 4o zuführt, wo eine weitere
Gescliw-ilidigkeit durch die auf das Laufrad wirkende Kraft hinzukommt, worauf diese
Geschwindigkeit in der sich erweiternden schneckenförmigen Austrittsleitung 35 in
statische Druckhöhe verwandelt wird.
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In 7 leiten die Schaufeln 24 in der verengten Zuflußleitung 23 das
zuströmende Wasser 49 mit wachsender Wirbelgeschwindigkeit zum Laufrad 39, .I0,
voti, wo es mit einem abnehmenden Wirbel in den ringförmigen Verteiler 35' und schließlich
in die Wassermenge 50 mit freiem Wasserspi.e-el 51
gedrückt wird. Die
Verstärkungsschaufeln 52 sind derart geneigt angeordnet, daß sie der Stromrichtung
nur ihre Kante entgegensetzen. Die Leitschaufeln 2.1 versehen gleichfalls den Dienst
von Stütz- oderTerstärkungsschaufeln. Wie ferner aus .dieser Abbildung hervorgeht,
wird die Wand 28 mit ihren angeschlossenen Teilen von den auf der Wand 27 aufruhenden
Stützschaufeln 52 getragen, die letztere Wand hingegen unter Zwischenschaltung von
Flanschen 26 und 25 von der Wand; 21; schließlich wird das Gewicht der ganzen Einrichtung
von den Schaufeln 24 bzw. der Bodenwand 22 aufgenommen.
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Bei Pumpen, die in offene Behälter anstatt in geschlossene Leitungen
fördern, kann die Gewinnung der Wirbelgeschwindiigkeit beim Austritt aus dein Laufrad
gänzlich in der ringförmigen., aus zwei gekrümmten komischen Wänden gebildeten Verteilungskammer
durchgeführt werden; eine solche Kammer ist in Abb. 7 gezeigt, und, es ist in diesem
Falle möglich, das schneckenförmige Austrittsgehäuse ganz fortzulassen. Die Wege
der Wasserteikhen werden Kegelschrauben, und der Vorgang wird dem früher beschriebenen
gleich sein. Anstatt jedoch alle Wasserteilchen in einer einzigen Leitung zu sammeln,
findet der Austritt gleichförmig verteilt durch eine rund uln die Pumpenachse angeordnete,
ringförlnige Austrittsöffnung statt.
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Wie in Ablb.8 veranschaulicht, erhält -die vom Motor 48 angetriebene
Pumpe 13 Wasser aus dem Behälter 55 durch die Leitung 56 und drückt es durch
die Leitung 4,4 in den Behälter 59. Das Wasser tritt in die Pumpe ein unter dem
Einfluß -des Gefälles )t., - Höhenunterschied zwischen dem Flüssigkeitsspiegel im
Behälter 55 und der Pumpenachse - und des durch die Pfeile 58 veranschaulichten
atmosphärischen, Druckas und wird unter Bewältigung der Druckhöhe h. und des auf
den Inhalt des Förderbehälters lastenden Luftdruckes, dargestellt .durch Pfeile
52, in diesen gedrückt. Um die Vorteile der Erfindung in bezug auf Einrichtung und
Betrieb der Pumpe im richtigen Maße zu verwerten, wird diese in einer solchen Höhe
angeordnet, daß das Anfangsgefälle (lt, plus atmosphärischen Druck) möglichst groß
ist hinsichtlich des Nettogefälles lt., das von der Pumpe aufgebracht, werden muß.
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Bei .dieser Lagerung erhält nach Ansicht des Erfinders die Pumpe das
Wasser mit einer potentiellen Energie entsprechend, der Anfangsdruckhöhe, und durch
die Umwandlung eines großenTeiles dieser Energie in kinetische beim Eintritt in:
.das Laufrad können entsprechende Geschwindigkeiten für das Wasser erhalten werden.
Die Geschwindigkeit des Wassers in der Pumpe ist somit nur durch die verfügbare
Anfangsdruekhöhe bestimmt und stellt in keiner Beziehung zu dein von der Pumpe aufzubriiigen:den
Nettogefälle. Durch Ztlfülirung dlieser Geschwindigkeit zum Eintrittsraum am Laufrad,
und: zwar geneigt in tangentialer Richtung hinsichtlich -der Laufradachse,
wird
das Wasser in .das Lauftad mit einer von hoher Geschwindigkeit eintreten.. Ohne
die relative Gesch-vin.digkeit zwischen, dem Laufrad und diem Wasser zu erhöhen,
kann die Umlaufgeschwindigkeit des Laufrades um .den Betrag der Wirbelgeschiwindi,gkeit
des Wassers erhöht werden, und somit kann das Laufrad mit Geschwindigkeiten umlaufen,
die in keinem Verhältnis zu Bern von der Pumpe aufzubringenden Nettogefälle stehen.
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Durch, eine derartige Neigung der Bewegungsrichtung des Wassers innerh'a'lb
der Pumpe, daß .es eine beträchtliche achsiale Geschwindigkeitskomponente wie auch
eine tangertiale Komponente enthält, können enge Wasserwege und ein Rad; von geringem
Durchtn.esser in Anwendung kommen, wodurch Pumpen von kleinen Abmessungen, geringem
Gewicht und hoher Geschwindigkeit gegeben sind. Obgleich in Abb.8 der Wasserspiegel
des Speisewhs!sers bedeutend höher liegt als die Pumpe, so ist es doch in gewissen
Fällen, wo die Widerstandishöhe (Nettogefälle) sehr gering ist, möglich, schon durch
den atmosphärischen Druck allein die erforderliche Anfangsgeschwindigkeit zu erhalten,
so daß der Wasserspiegel: innerhalb :gewisser Grenzen niedriger liegen, kann als
die Pumpe.
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In anderer Hinsicht betrachtet, besteht die Erfindung in dler Kombination
der Wirkung eurer Pumpe mit derjenigen. einer Turbine. Das Laufrad erfüllt die Dienste
-eines Pumpenlaufrad es sowohl als auch eines Tunbinen-Iaufrades ; das .unter dem
Druck des Anfangsgefälles eintretende Wasser verläßt die Eintrittskammer mit einer
derart gerichteten Gesch@vindigkeit, d@aß ein Vorwärtsdtrehmoment auf das Laufrad
ausgeübt wird, ähnlich. wie beimEinführen des Wasser in ein Laufrad aus den Leitschaufeln
!ei rner Turbine; das Laufrad wirkt dann auf dieses Wasser wie eine Pumpe ein. Das
auf die Pumpenwelle wirksam zu machende 1loment ist lediglich die Differenz zwischen
dem von dem Laufrad auf das austretende Wasser ausgeübten Drehmoment und dem von
.dem eintretenden Wasser auf das Laufrad einwirkenden. Die Pumpe kann daher mit
einern geringen erteilten Drehmoment und folglich mit hoher Geschwindigkeit arbeiten.
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Um die Vorteile der angeführten Methoden zu erhalten, ist es erforderlich,
-die hohe Austrittsgeschwindigkeit beim Verlassen des Laufrades, die durch die angegebenen
l2aßnahmen entsteht, wieder in Druckhöhe an der Pumpenaustrittsseibe zu verwandeln,
möglichst ohne Verlust. Dieser Aufgabe wird durch -die neue Ausbildung des: Austrittsgehäuses
Rechnung getragen, das mithin ein wichtiges Moment der Erfindung darstellt.
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Ein: wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß kein
plötzliches Ablenken des aus dem Laufrad austretenden Wasisers (zwischen den Punkten,
wo es das Laufrad verläßt und in das die Geschwindigkeit herabsetzende Spiralgehäuse
-eintritt) in eigne Eherne senkrecht zur Laufradachse, wie es bei sonstigen Pumpen
der Fall ist, oder in die achsidle Richtung ,stattfindfet, was bei manchen Pumpen
.durch die Diffusionsscbatrfeln veranlaßt wird.
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Zu den Vorteilen des Erfindungsgegenstand-es gehören die Verminderung
der Punipenabmessun g und des Gewichtes sowie die Möglichkeit der Anpassung dler
Pumpe an geringe Nettohähen, wenn ein unmittelbarer Antrieb durch Dampfturbinen,
Efektrotnotor oder andere schnellaufende Maschinen Verwendu-ng findet.