DE4239071C2 - Tauchpumpenaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Tauchpumpenaggregat gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Derartige Aggregate werden beispielsweise im Bereich der Abwasser­ technik eingesetzt. Sie dienen dabei nicht nur zur Förderung reiner oder verschmutzter Flüssigkeiten, sondern auch zum Transport von in der Flüssigkeit mitgeführten Feststoffen. Solche Aggregate sind daher konstruktiv so ausgelegt, daß Feststoffteile bis zur Größe einer durch die Einlaßöffnung passenden Kugel gefördert werden können. Sie werden daher auch häufig z. B. in der Bau- oder Nahrungsmittel­ industrie verwendet.

Um den Durchgang von großen Feststoffteilen zu ermöglichen, ist es bekannt, das Laufrad als Einschaufel-, Kanal- oder Freistromlaufrad auszubilden. Die Einlaßöffnung befindet sich in der Regel an der Unterseite der Pumpe direkt unter dem Laufrad. Die Auslaßöffnung in Form des Druckstutzens ist in der Regel radial zum Lauf­ rad angeordnet. Eine solche Pumpe ist beispielsweise aus US-PS 4,454,993 oder US-PS 4,697,746 bekannt. Diesen Pumpen ist al­ lerdings ein Schnitzelwerk in Förderrichtung vor dem Laufrad zu­ geordnet, das die Feststoffteile vor Eintritt in den Bereich des Pum­ penlaufrades zerkleinern soll.

Weiter sind Tauchpumpenaggregate mit konzentrischem Gehäuse bekannt, aus dem das Fluid radial abgeführt und danach in einem Krümmer in die achsparallele Richtung gelenkt wird.

Aus US-PS 4,134,711 ist ein Pumpenaggregat ähnlicher Bauart be­ kannt, bei dem das Pumpengehäuse eine exzentrische Ausbuchtung in der Gehäusewand aufweist, die für die druckseitige Strömung eine Stauzone bildet, in der das Fluid in eine im wesentlichen achspar­ allele Richtung umgelenkt und durch einen Kanal zum Druckstutzen geführt wird. Bei dieser bekannten Ausführung ist der Kanal durch ein parallel zum Motorgehäuse verlaufendes Rohr gebildet, das radial erheblich über die Außenkontur des Motorgehäuses hervorsteht.

All diesen bekannten Tauchpumpenaggregaten gemeinsam ist ein vergleichsweise schlechter Wirkungsgrad, da innerhalb des Pumpen­ gehäuses bei der Umwandlung kinetischer in potentielle Energie große Verluste auftreten. Ein weiterer Nachteil dieser Bauart besteht darin, daß aufgrund des radial herausgeführten Druckstutzens das Pumpenaggregat vergleichsweise ausladend gebaut ist, was insbeson­ dere dann von Nachteil ist, wenn es um den Einsatz in engen Schächten, Rohren oder dergleichen geht. Insbesondere bei dem aus US-PS 4,134,711 bekannten Pumpenaggregat steht der parallel zum Motorgehäuse angeordnete Kanal in Form eines Rohres mit deutli­ chem Abstand zu diesem, was in radialer Richtung einen enormen Platz beansprucht. Dadurch, daß die Umlenkzone dort weit außerhalb des Laufrades angeordnet ist, wird nicht nur die Baugröße nachteilig geprägt, sondern auch der Wirkungsgrad.

Ausgehend von dem letztgenannten Stand der Technik liegt der vor­ liegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Tauchpumpen­ aggregat zu schaffen, das insbesondere bei großem freien Förderquer­ schnitt einen besseren Wirkungsgrad aufweist und das im Vergleich zu dem bekannten Tauchpumpenaggregat schlanker ausgebildet wer­ den kann.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Erfindung sieht also vor, bei einem gattungsgemäßen Tauchpumpenaggregat die Ausbuchtung für die Stauzone so zu dimen­ sionieren, daß darin ein Kreis einschreibbar ist, dessen Radius r zwischen einem und zwei Dritteln des Kugeldurchmessers d liegt, der den freien Durchgang des Tauchpumpenaggregates bestimmt. Dabei soll der Mittelpunkt M dieses Kreises auf einem konzentrisch zur Pumpenachse angeordneten Kreisbogen liegen, dessen Durchmesser B im Bereich zwischen D - d/6 und D + d/4 liegt, wobei D der Innen­ durchmesser des Pumpengehäuses und der Grund der Ausbuchtung Teil einer Kugelfläche ist. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgese­ hen, daß der zum Druckstutzen führende Kanal innerhalb des Ag­ gregatgehäuses liegt und zwei auf unterschiedlichem Druckniveau befindliche Durchbrechungen aufweist, um einen Teil der Förder­ flüssigkeit als Kühlstrom für den Motor abzuzweigen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird im Vergleich zu bekannten Konstruktionen ein deutlich besserer Wirkungsgrad erreicht, da die Umwandlung von kinetischer in potentielle Energie verlustärmer erfolgt. Die im Bereich der Stauzone vorgenommene Umlenkung der Strömung in die achsparallele Richtung unter gleichzeitiger Reduzie­ rung der Geschwindigkeit auf das Druckstutzenniveau gewährleistet eine verlustarme Energieumwandlung im Druckbereich des Aggregats.

Die Umfangskomponente der das Laufrad verlassenden Strömung c_u baut sich nach dem Flächensatz

r·c_u = const.

bis zur Wand des konzentrischen Gehäuses hin ab. Diese Umfangs­ komponente an der Gehäusewand liegt bei den meisten der bekannten Pumpen im Bereich der zwei- bis fünffachen Stutzengeschwindigkeit des jeweiligen Aggregats. Durch die Verformung der konzentrischen Wand zu einer Stauzone mit einem in diesem Bereich anschließenden, zum Druckstutzen führenden Kanal kann ein Teil der im drallbehaf­ teten Förderstrom vorhandenen kinetischen Energie in potentielle Energie umgesetzt werden. Gleichzeitig wird eine Umlenkung der Strömung in eine etwa achsparallele Richtung, also in der Regel vertikale Richtung vorgenommen, wodurch sich der Aggregatdurch­ messer erheblich verringern läßt, weil der Querschnitt des Kanals auch einen Teil der zwischen dem Laufrad und dem konzentrischen Gehäuse liegenden Fläche überdecken darf. Die Lage des Mittel­ punktes M, von dem aus der Kreisbogenteil für die Ausbuchtung zu ziehen ist (vorzugsweise mit dem Radius r = d/2), ist so gewählt worden, daß der Abstand vom Kreisbogen des konzentrischen Gehäu­ ses (Durchmesser D) nicht größer als d/4 ist. Der Übergang von der Stauzone zum konzentrischen Gehäuse sollte abgerundet, und zwar mit einem Übergangsradius r_ü ausgeführt sein.

Versuche haben gezeigt, daß der zusätzliche Druckhöhenaufbau durch die erfindungsgemäße Lösung - bei der der Mittelpunkt M der Aus­ buchtung auf dem Durchmesser D des konzentrischen Gehäuses liegt und der Radius dieser Ausbuchtung dem halben Kugeldurchmesser entspricht, wobei der Grund der Ausbuchtung Teil einer Kugelfläche ist - verglichen mit einem Tauchpumpenaggregat gleicher Förderlei­ stung und gleichem freien Förderdurchgang nach dem Stand der Technik in der Größenordnung von 6 bis 10% der von der Pumpe geleisteten Förderhöhe liegt. Dieser Prozentsatz ist etwa der Verbes­ serung des Pumpenwirkungsgrades gleichzusetzen.

Neben der Wirkungsgraderhöhung durch die verbesserte Fluidstrom­ führung innerhalb des Aggregates ergibt sich der Vorteil, daß das Aggregat in schlankerer Form gebaut werden kann, wodurch der Ein satzbereich vergrößert und der Materialaufwand verringert wird.

Die Baugröße des Aggregats, insbesondere des Motors, kann ver­ ringert werden, wenn stets eine ausreichende Kühlung gewährleistet werden kann. Diese erfolgt dadurch besonders effektiv, daß man die Förderflüssigkeit als Kühlflüssigkeit einsetzt. Die konstruktiv ein­ fache Lösung besteht darin, den innerhalb des Aggregatgehäuses liegenden und zwischen Stauzone und Druckstutzen verlaufenden Kanal am Anfang und Ende mit Durchbrechungen zu versehen. Durch die auf verschiedenem Druckniveau liegenden Öffnungen wird ein Teilförderstrom zur Motorkühlung durch den Ringraum zwischen Aggregatgehäuse und gekapseltem Stator geleitet.

Um bei einem möglichst großen freien Förderdurchgang einen ver­ gleichsweise guten Wirkungsgrad zu erreichen, wird das Aggregat vorteilhaft mit einem Einschaufel-, Kanal- oder einem Freistrom­ laufrad ausgerüstet, wobei die das Kreiselrad umgebende Wand dann zweckmäßigerweise Teil eines schalenförmigen Gehäuseteils ist, das zum Aggregatgehäuse gehört und beispielsweise den unteren Gehäu­ seteil bildet. Bin solches schalenförmiges Gehäuseteil kann kosten­ günstig aus kaltverformtem Stahlblech gebildet sein, was zudem noch den Vorteil hat, daß die Rauhigkeit der Oberfläche sehr gering ist, was wiederum der Verbesserung des Wirkungsgrades zugute kommt.

Die die Stauzone bildende Ausbuchtung in der Gehäusewand wird vorteilhaft so ausgebildet, daß der Querschnitt dieser Ausbuchtung im Staubereich einem Kreisbogen folgt, wobei der Durchmesser dieses Kreises dem der Einlaßöffnung und dem des Kanals und des Druck­ stutzens entspricht. Hierdurch ist weitgehend sichergestellt, daß all das, was durch die Einlaßöffnung in das Aggregat eintreten kann auch wieder herausgefördert wird, insbesondere sich nicht innerhalb des Aggregates festsetzt.

Um eine möglichst gute Umsetzung von kinetischer in potentielle Energie zu erreichen, wird die Ausbuchtung, welche die Stauzone bildet, vorteilhaft so in der Gehäusewand angeordnet, daß sie in Strömungsrichtung gesehen etwa tangential an den konzentrischen Teil der Gehäusewand anschließt. Als einflußreich hat sich auch der Übergangsradius von der Stauzone auf den konzentrischen Teil des Gehäuses erwiesen. Dieser Übergangsradius r_ü sollte sich zwischen den Grenzen

d/8 r_ü d/4

bewegen.

Insbesondere dann, wenn die Förderflüssigkeit Feststoffpartikel mitführt, wird im Bereich der Stauzone eine erhöhte abrasive Be­ anspruchung festzustellen sein. Es ist daher zweckmäßig, diesen Teil der Wandung entweder aus entsprechend verschleißfestem Material zu bilden oder aber mit verschleißfestem Material zu belegen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in stark vereinfachter Darstellung ein Tauchpumpenag­ gregat im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das untere Gehäuseteil des Aggrega­ tes,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Schnittlinie III-III in Fig. 2 und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Pumpengehäuse­ wand im Bereich des Laufrades und der Stauzone sowie die Anordnung des die Stauzone mit dem Druckstutzen verbindenden Rohres innerhalb des Gehäuses.

In Fig. 1 ist ein Tauchpumpenaggregat dargestellt, das einen ge­ kapselten Motor 1 aufweist, der innerhalb des im wesentlichen zylin­ drischen Aggregatgehäuses 2 sitzt. Die elektrische Versorgungslei­ tung 3 des Motors 1 ist aus dem Motorgehäuse 4 und dem Aggregat­ gehäuse 2 nach oben herausgeführt. Das Motorgehäuse 4 sitzt leicht außermittig innerhalb des Aggregatgehäuses 2, wobei zwischen dem Außenumfang des Motorgehäuses 4 und der Innenseite des Aggregat­ gehäuses 2 in diesem Bereich ein Ringraum 5 gebildet ist. Dieser Ringraum wird nach oben durch die Stirnwand 6 des Aggregatgehäu­ ses und nach unten durch eine ringförmige Stirnwand 7 abgeschlos­ sen, die Teil des eigentlichen Pumpengehäuses bildet.

Die Welle 8 des Motors 1 ist aus dem Motorgehäuse 4 nach unten herausgeführt und in diesem Bereich demgegenüber abgedichtet. Das untere freie Wellenende ragt in den Pumpenraum 9 hinein und trägt dort ein Laufrad 10 in Form eines Freistromlaufrades. Das Laufrad ist nach oben hin durch ein scheibenförmiges Laufradteil 11 abge­ schlossen, das senkrecht zur Welle 8 angeordnet ist und Laufrad­ schaufeln 12 trägt.

Der Pumpenraum 9 wird durch das untere Ende des. Motorgehäuses 4 sowie die Stirnwand 7 nach oben hin begrenzt. Die seitliche und untere Begrenzung wird durch ein Formteil 13 gebildet, das etwa schüsselförmig ausgeformt ist, aus kaltverformtem Blech besteht und mit dem übrigen Aggregatgehäuse 2, insbesondere dem Fuß 14, fest verbunden ist.

Der Fuß 14 schließt bündig an die zylindrische Außenkontur des übrigen Aggregatgehäuses 2 an und weist (nicht dargestellt) ausrei­ chend große Ausnehmungen zum freien Durchgang des Fördermedi­ ums auf. Das Formteil 13 weist im Bereich unter dem Laufrad 10, also in Verlängerung der Welle 8, eine kreisrunde Ausnehmung 15 auf, welche die Einlaßöffnung der Pumpe bildet.

Die Auslaßöffnung des Aggregates wird durch einen an der oberen Stirnseite angeordneten Druckstutzen 16 gebildet, der über ein im Ringraum 5 des Aggregatgehäuses 2, etwa parallel zur Längsachse des Aggregates und der Welle 8 angeordnetes Rohr 17 mit dem Pumpenraum 9 verbunden. Das Rohr 17 mündet in die Stirnwand 7, und zwar im Bereich oberhalb einer eine Stauzone bildenden Aus­ buchtung 18 im Formteil 13. Das Rohr 17 schließt etwa in Höhe des scheibenförmigen Laufradteiles 11 an den Pumpenraum 9 an.

Kurz oberhalb seines Anschlusses an den Pumpenraum 9, jedoch oberhalb der Stirnwand 7, also schon im Bereich des Ringraumes 5 weist das Rohr 17 Ausnehmungen 19 in Form von kreisförmigen Durchbrechungen auf. Entsprechende Ausnehmungen 20 sind nahe dem oberen Ende, also nahe am Druckstutzen 16 im Rohr 17 vor­ gesehen. Diese Ausnehmungen 19 und 20 liegen im Betrieb der Pumpe auf unterschiedlichem Druckniveau, so daß sich neben dem durch das Rohr 17 fließenden Hauptförderstrom ein neben dem Rohr 17 über die Ausnehmungen 19 aus diesem austretender und über die Ausnehmungen 20 wieder eintretender Nebenförderstrom ein stellt, der den Ringraum 5 durchströmt und somit den Motor 1 kühlt. Dieser Kühlförderstrom kann durch entsprechende Dimensionierung der Ausnehmungen 19 und 20 sowie weitere geeignete strömungstechni­ sche Maßnahmen innerhalb des Ringraumes 5 entsprechend den Kühlerfordernissen eingestellt werden.

Das Formteil 13 ist anhand der Fig. 2 bis 4 im einzelnen darge­ stellt. Es weist im Bereich des eigentlichen Pumpenraumes eine etwa konzentrische Gehäusewand 21 auf, die im Bereich 22 tangential in den entsprechenden Wandteil der Ausbuchtung 18 übergeht. Der Bereich 22 ist in Draufsicht (Fig. 2) also sowohl tangential zu dem konzentrischen Gehäusewandteil 21 als auch zu dem der exzentrisch fluchtend zum Rohr 17 angeordneten Ausbuchtung 18. Die Gehäuse­ wand 21 geht nach oben mit kleinem Radius in einen horizontalen Teil 23 über, mit dem sie mit dem übrigen Aggregatgehäuse 2 ver­ bunden ist. An diesen horizontalen Teil 23 schließt sich, wie in Fig. 3 und Fig. 4 erkennbar, noch ein kragenförmiger Teil 24 an.

Nach unten hin geht die Gehäusewand 21 mit großem Radius in einen ebenfalls horizontalen, jedoch nach innen verlaufenden Wandteil 25 über, der den Pumpenraum 9 in diesem Bereich nach unten begrenzt. Im Bereich unterhalb des Laufrades 10 läuft der horizontale Wandteil 25 schalenförmig nach unten zur Ausnehmung 15 hin zu, dieser scha­ lenförmige Teil ist mit 26 bezeichnet. Der Radius r, mit dem die Gehäusewand 21 in den Wandteil 25 übergeht entspricht dem Radius r der Ausbuchtung 18, die in diesem Bereich einer Kugeloberfläche folgt. Der Radius r ist halb so groß wie der Durchmesser d der Einlaßöffnung 15, des Rohres 17. Diesem Durchmesser d entspricht auch etwa der Abstand zwischen dem Laufrad und den darunter liegenden Gehäuseteilen des Formteiles 13. Auf diese Weise wird ein freier Durchgang in der Größenordnung einer Kugel mit dem vor­ genannten Durchmesser d durch das gesamte Pumpenaggregat ge­ währleistet.

Während die Gehäusewand 21 in Strömungsrichtung, die in Fig. 4 mit dem Pfeil 27 gekennzeichnet ist, tangential in die Ausbuchtung 18 übergeht, wird in Gegenrichtung ein Vorsprung 28 gebildet, dort wo sich die Tangenten der Gehäusewandteile 21 des konzentrischen Teiles und der Ausbuchtung 18 schneiden.

Die geometrischen Beziehungen des Formteils 13 sind bereits ein­ leitend erläutert worden, sie sind in Fig. 2 im einzelnen dargestellt. Dabei ist mit d der Kugeldurchmesser der größten Kugel angegeben, die mit dem Förderstrom durch das Aggregat hindurchgefördert werden kann. Mit D ist der Durchmesser des konzentrischen Teils des Pumpengehäuses, also im konzentrischen Bereich der Gehäuse­ wand 21 angegeben. Die Ausbuchtung 18, die einer Kugeloberfläche mit dem Radius r folgt, ist so angeordnet, daß der Mittelpunkt M dieser Kugel auf einem konzentrisch zum Pumpenlaufrad 10 angeord­ neten Kreisbogen mit dem Durchmesser B liegt. Dieser Durchmesser B kann im Bereich zwischen B_max und B_min frei gewählt werden, wobei B_max durch den Durchmesser D des konzentrischen Gehäuse­ teils 21 zuzüglich eines Viertels des Kugeldurchmessers d und B_min durch den vorerwähnten Durchmesser D abzüglich eines Sechstels des Kugeldurchmessers d bestimmt ist, also folgende Beziehung gilt:

B_max = D + d/4 B D - d/6 = B_min

Der bereits eingangs erwähnte Übergangsradius r_ü beträgt in der dargestellten Ausführungsform ein Sechstel des Kugeldurchmessers, er kann jedoch zwischen einem Achtel und einem Viertel des Kugel­ durchmessers d liegen

d/4 r_ü d/8.

Es versteht sich, daß der Kugeldurchmesser d nicht nur die Aus­ bildung des Formteils 13 bestimmt, sondern in gleicher Weise den Durchmesser der Ausnehmung 15, den des Rohrs 17 und den des sich daran anschließenden Druckstutzens 16.

Beim Betrieb der Pumpe ist das Aggregat teilweise oder vollständig in Förderflüssigkeit eingetaucht. Das Fördermedium tritt durch die Einlaßöffnung 15 in den Pumpenraum 9 ein und wird durch das Laufrad 10 in Bewegung versetzt, und zwar in radialer und tangentia­ ler Richtung. Es wird dann durch die Gehäusewand 21 geführt und über den Bereich 22 zur Ausbuchtung 18 gelenkt. Hier bildet sich nun eine Stauzone, die Förderflüssigkeit wird nach oben umgelenkt, wo sie in das Rohr 17 eintritt und schließlich am Druckstutzen 16 austritt. Der sich dabei bildende Teilförderstrom zur Kühlung ist bereits weiter oben beschrieben worden.

Claims (5)

1. Tauchpumpenaggregat mit freiem Durchgang für Kugeln bis zum Durchmesser d, im wesentlichen bestehend aus einem Elektromo­ tor (1) und einer davon angetriebenen Kreiselpumpe, die achsgleich angeordnet sind, mit einer Einlaßöffnung (15) und einer als Druckstutzen (16) ausgebildeten Auslaßöffnung und mit einem etwa kon­ zentrischen Pumpengehäuse mit einem Innendurchmesser D, dessen Gehäusewand (21) eine Ausbuchtung (18) aufweist, die für die druck­ seitige Strömung eine Stauzone bildet, in der das Fluid in eine im wesentlichen achsparallele Richtung umgelenkt und durch einen Kanal (17) zum Druckstutzen (16) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ausbuchtung (18) ein Kreis einschreibbar ist, dessen Radius r zwischen einem und zwei Dritteln des Kugeldurchmessers d liegt und daß der Mittelpunkt M dieses Kreises auf einem konzen­ trisch zur Pumpenachse angeordneten Kreisbogen liegt, dessen Durch­ messer B im Bereich zwischen D - d/6 und D + d/4 liegt, daß der Grund der Ausbuchtung (18) Teil einer Kugelfläche ist und daß der Kanal (17) innerhalb des Aggregatgehäuses (2) liegt und mindestens zwei auf unterschiedlichem Druckniveau befindliche Durchbrechungen (19; 20) aufweist, um einen Teil der Förderflüssigkeit als Kühlstrom für den Motor (1) abzuzweigen.

2. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Radius r dem halben Kugeldurchmesser d entspricht.

3. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Pumpe ein Einschaufel-, Kanal- oder Frei­ stromlaufrad (10) aufweist und daß die das Kreiselrad (10) umge­ bende Wand (21) Teil eines aus Blech geformten schalenförmigen Gehäuseteils (13) ist.

4. Tauchpumpenaggregat nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand (21) in dem zur Stauzone führenden Bereich (22) (in Strömungsrichtung 27 gese­ hen) etwa tangential zur ihrem konzentrischen Teil und zur Ausbuch­ tung (18) hin verläuft und von der Ausbuchtung (18) gerundet mit einem Übergangsradius r_ü in den konzentrischen Gehäusewandteil übergeht, wobei der Übergangsradius r_ü zwischen einem Achtel und einem Viertel des Kugeldurchmessers d beträgt.

5. Tauchpumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand zumindest im Bereich der Stauzone mit verschleißfestem Material belegt ist.