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Vorrichtung zum Fördern von Flüssigkeiten Die bekannten Schleuderräder
mit zwei Schaufelreihen arbeiten mit Druckunterschieden derart, daß der Treibstrahl
als Injektor wirken soll und an der Mischungsstelle einen Unterdruck unter den Vorstufendruck
erzeugt und so den Förderstrahl ansaugt und mitreißt. Die so hervorgerufene Wirkungsweise
kommt günstigstenfalls derjenigen des bekannten Saugstrahlverfahrens gleich, das
erfahrungsgemäß -nur einen so schlechten Wirkungsgrad aufweist, daß seine Verwendungsmöglichkeit
wirtschaftlich fast ausgeschlossen ist. Hinzu kommt noch, daß diese Schleuderräder
kreisrunde Gehäuse verwenden; durch die eine Umsetzung der dynamischen in statische
Druckhöhe im vornherein ausgeschlossen ist und daß die Einströmung für die Treibschaufeln
direkt radial nach einwärts im Gehäuse erfolgt, die - mit so viel Wirbel- und Druckverlusten
verbunden ist, daß eine technische Verwendbarkeit dadurch ganz unmöglich wird.
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Gegenüber den bekannten Einrichtungen kann dagegen mit vorliegender
Erfindung jeweils eine Drucksteigerung in einer Stufe-erreicht werden, welche die
doppelte Förderhöhe der unter gleichen Betriebsverhältnissen laufenden gewöhnlichen
Zentrifugalpumpe ausmacht, dies sowohl für eine Stufe als auch für die Gesamtheit
mehrerer hintereinandergeschalteter Stufen, bei-einem Wirkungsgrad, der demjenigen
der gewöhnlichen Zentrifugalpumpe gleichkommt. -Diese günstigen Resultate werden
nun dadurch erreicht, daß nach dein neuen Verfahren der Förderstrahl nicht angesaugt
wird, sondern daß der Treibstrahl dem Förderstrahl umgekehrt wie vorher einen statisch
höheren Mündungsdruck als den Vorstufendruck vorlegt, so däß der Förderstrahl im
Gegensatz zu früher einen Widerstand zu überwinden -hat, den derselbe vermöge seiner
dynamischen Druckhöhe nach dem Bernoull.ischen Satze auch zu überwinden imstande
ist.- Der Förderstrahl muß hier also unter -Arbeitsleistung in den Gegendruck des
Treibstrahlmündungsdruckes eindringen, statt wie beim Saugstrahlverfähren angesaugt
und mitgerissen zu werden. Dabei senkt der Treibstrahl den Kompressionsdruck der
jeweiligen Stufe jedenfalls wesentlich ab, allgemein so, weit, daß ihn der Förderstrahl
noch überwinden kann. Während also bei dem bisherigen Saugstrahlverfahren nur'der
Treibstrahl die ganze Arbeit leistet, arbeitet bei dem vorliegenden-Verfahren auch
der Förderstrahl mit, und, da kein Saugen, sondern -raurein Drücken stattfindet,
so kann das neue Verfahren zur Flüssigkeitsförderung als Druckstrahlverfahren und
die Vorrichtungen dazu als Druckstrählrotor bezeichnet werden. Der Energiegewinn
gegenüber dem Saugatrahlverfahren ergibt sich dadurch, daß sich der Treibstrahlrnündungsdruck
nicht unter den Vorstufendruck abzusenken braucht und daher das Schleuderrad spezifisch
langsamer
umlaufen muß als vorher. Die Absenkung wird nämlich im
bewegten Strahle um so größer, je schneller das Schleuderrad umläuft; also muß das
Schleuderrad beim Saug strahlverfahren unter sonst gleichen Verhältnissen schneller
umlaufen als beim Druckstrahlverfahren. Der in der Zeit darstellbare Arbeitsvorgang
des Druckstrahlverfahrens zur Flüssigkeitsförderung ist demnach sehr wesentlich
von dem des bisherigen Saugstrahlverfahrens verschieden.
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Die Vorrichtung zur Ausübung des neuen Verfahrens besteht nun in einem
Schleuderrad mit zwei Schaufelreihen, die ihrerseits zwar verschieden angeordnet
sein können, wie aus dem Nachfolgenden hervorgeht, von denen aber die eine immer
mit der Vorstufe in Verbindung steht und den Förderstrahl bildet, während die andere
den Treibstrahl erzeugt, indem sie mit dem Kompressionsraume des Druckrohres vom
Ende der Diffusorspirale oder deren Verlängerung aus derart verbunden ist, daß der
Diffusor das Laufrad vom Anfange bis zum Ende der Spirale beiderseits umschließt
und so einen geschlossenen Kanal bildet, um Wirbel zu vermeiden. Um nämlich die
absolute Austrittsgeschwindigkeit des gemischten Schleuderstrahles in ruhenden statischen
Druck umwandeln zu können, ist für alle Vorrichtungen ein Gehäuse in der bekannten
Form eines sich spiralförmig allmählich erweiternden Diffusors notwendig. Dabei
kann die Spirale ein oder mehrmal übereinander oder nebeneinander gewunden angeordnet
oder geradlinig fortgesetzt werden, bis die Strömungsgeschwindigkeit umgewandelt
ist, mit einer Ausmündung nach außen: oder mit einer Ausmündung zum. jeweiligen
Stufendruckraum.
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Da die Strömungsgeschwindigkeit im Diffusor bei richtiger Abmessung
desselben vom Anfange der Spirale nach dem Ende zu abnimmt und sich in statischen
Druck verwandelt, so darf nur ein geschlossener Diffusorkanal Verwendung finden
und die Zuströmung für die Treibschaufeln jedesmal erst vom Ende der Spirale .oder
deren Verlängerung aus entnommen werden, um einen gleichmäßigen Einströmungsdruck
ohne Wirbelbildung für die Treibschaufeln zu ermöglichen. Dies kann konstruktiv
in verschiedener Art erreicht werden, ,wie aus dem' Folgenden hervorgeht, was jedoch
am Wesen der Sache jeweils nichts ändert. Die hauptsächlichsten Möglichkeiten sind:
i. Die Spirale kann übereinander oder nebeneinander oder einfach gewunden so angeordnet
werden, daß sie sowohl für eine Stufe als auch für mehrere Stufen hintereinander
nicht geradlinig ausläuft, sondern kurvenförmig zum zentralen Stufendruckrauen ausmündet.
Diese Möglichkeit läßt sich durch die halbschematische, kleine Darstellung schwer
wiedergeben und ist daher zeichnerisch weggelassen.
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z. Kommt eine direkte Verbindung vom Ende der Diffusorspirale oder
ihrer Verlängerung aus in Betracht für den Fall, daß dort die Strömungsgeschwindigkeit
schon in statischen Druck umgesetzt ist.
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3. Kommt auch noch ein vom Ende der Diffusorspirale schleifenförmig
abzweigendes Rohr zur Rückleitung und zentralen Einströmung für die Treibschaufeln
in Betracht.
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Dadurch ist ein wesentliches und neues Anordnungsmerkmal gegeben,
das für alle Vorrichtungen gilt. Die seitliche Darstellung des Difusorgehäuses ist
aber nur in Abb. i gegeben, für die übrigen hinzuzudenken.
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Ferner reicht bei allen Vorrichtungen die Scheidewand zwischen den
beiden Schaufelreihen des Laufrades nicht bis an den Umfang desselben, so daß eine
gemeinsame Ausmündung entsteht und der Förderstrahl noch innerhalb des Schleuderrades
vermöge seiner dynamischen Druckhöhe in den Treibstrahl eindringen kann.
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Dabei wird bei allen konstruktiven Abwandlungen stillschweigend vorausgesetzt,
daß die Schaufeln in radialer und axialer Richtung entsprechend gekrümmt, beide
Schaufelreihen übereinanderliegend oder gegeneinander versetzt sein können, jedoch
immer mit gemeinsamer. Ausmündung.
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Hierzu unterscheidet man noch Druckstrahlrotore mit einseitiger und
solche mit zweiseitiger Einströmung zum Förderkanal, jeweils aus einem oder mehreren
hintereinandergeschalteten Laufrädern bestehend, die von der Einströmungsseite aus
zu- oder abnehmen oder durchweg im Durchmesser gleichbleiben können.
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Hinsichtlich der Anordnung der Schaufelreihen unterscheidet man im
einzelnen noch folgende Vorrichtungen: a) solche mit Laufrädern, bei denen Förder-
und Treibschaufelkranz auf je einer Seite der Schaufelradscheibe sitzen mit gemeinsamer
Ausmündung, b) solche mit Laufrädern, bei denen Förder- und Treibschaufelkranz übereinander
auf der gleichen Seite liegen, c) solche mit Laufrädern, bei denen Förder- und Treibschaufelkranz
nebeneinander auf der gleichen Seite liegen, d) solche mit Laufrädern, die am Umfange
partiell mit Schaufeln besetzt sind. Zur Bemessung der Schaufelkanäle müssen nun
im allgemeinen die folgenden Größen als bekannt vorausgesetzt werden: Art der zu
fördernden Flüssigkeit, Förderhöhe in Meter zwischen Ober- und Unterflüssigkeitsspiegel,
Fördergewicht
bzw. Fördermenge pro Zeiteinheit, Angaben über die Antriebsmöglichkeit bzw. Tourenzahl.
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Zunächst ist zu beachten, daß die absolute Austrittsgeschwindigkeit
als Resultierende aus Relativ- und Umfangsgeschwindigkeit des Förder- und Treibstrahls
an der Mischungsstelle nur von der Förderhöhe abhängt, d. h. dem Höhenunterschied
in Meter zwischen Ober- und Unterflüssigkeitsspiegel zwischen denen gefördert werden
soll. Daher muß diese absolute Austrittsgeschwindigkeit für beide an der Mischungsstelle
unter Berücksichtigung der Reibungswiderstände mindestens gleich der Ausflußgeschwindigkeit
sein, die der halben Förderhöhe als statische Druckhöhe zum Ausfluß entspricht.
Aus der zu wählenden Schaufelkrümmung ergibt sich die Richtung der Relativgeschwindigkeit
zur tangentialen Umfangsgeschwindigkeit und aus der Fliehkraft des im Schaufelkanal
befindlichen Flüssigkeitskörpers bezogen auf den jeweiligen Durchflußquerschnitt
ergibt sich die Größe der Relativgeschwindigkeit, so daß mit der vorher erhaltenen
Größe der absoluten Austrittsgeschwindigkeit das Geschwindigkeitsparallelogramm
an der Mischungsstelle bestimmt werden kann.
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Ferner ergibt sich unter Berücksichtigung des Umstandes, daß im Förderstrahl
der Vorstufendruck am vorteilhaftesten auf konstanter Höhe erhalten werden soll
und daß im Treibstrahl der Überdruck gleich der ganzen Förderhöhe von dessen Einströmungsstelle
bis zur Mischungsstelle auf halbe Förderhöhe abgesenkt werden soll, unter Zuhilfenahme
des Bernoullischen Satzes ebenso der gesamte Geschwindigkeitsverlauf für Förder-und
Treibstrahl.
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Da weiter für beide Schaufelkanäle der Flüssigkeitsstrahl in jedem
Punkte den ganzen Schaufelkanal ausfüllen muß und nicht abgerissen werden darf,
so muß jeweils das Durchflußgewicht bzw. die Durchflußmenge konstant sein.
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F # w - Durchflußmenge - konstant, wenn be7eichnen: F - Querschnittfläche
des Schaufelkanals in m2, w - abs. Strömungsgeschwindigkeit in m/Sek. Daraus läßt
sich dann zu jedem wie vor bestimmtem Werte von w der zugehörige Querschnitt des
Schaufelkanals aus der gegebenen Größe der Durchflußmenge bestimmen. Dabei ist noch
zu berücksichtigen, daß das Durchflußgewicht des Treibstrahls mindestens so groß
sein muß, daß die kinetische Energie des gemischten Schleuderstrahls aus Förder-
und Treibstrahl an der Mischungsstelle gleich oder größer wird als die kinetische
Energie, die erforderlich ist, um das gegebene Durchflußgewicht des Förderstrahls
vom Vorstufendruck auf den jeweiligen Stufendruck zu fördern.
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Die Zeichnung stellt nun mehrere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung
-dar, und es ergeben sich hierzu noch folgende Einzelheiten.
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Bei dem Druckstrahlrotor nach Abb. i a tritt die Flüssigkeit linksseitig
in die Förderschaufeln i ein. Sie sitzen an der Schaufelradscheibe 2, die auf der
Welle 3 aufgekeilt und voll ist und auf der gegenüberliegenden Seite die Treibschaufeln
q. trägt, so daß die Förderschaufeln i in die Treibschaufeln q. noch innerhalb des
Schleuderrades vermöge der dynamischen Druckhöhe des Förderstrahls hineinfördern
können. In der Achsrichtung sind beide Schaufelreihen mit einer Wand 5 geschlossen,
die möglichst dicht an der innen bearbeiteten Fläche des Gehäuses 6 entlang läuft.
Die Welle 3 ist rechtsseitig durch das Gehäuse 6 geführt und vermittels Stopfbüchse
abgedichtet und außerhalb noch entsprechend gelagert. Der Diffusor 7 bildet also
einen geschlossenen Kanal, dessen Wandungen das Laufrad?, beiderseits umschließen,
so daß in radialer Richtung keine direkte Verbindung mit dem zentralen Druckraum
8 besteht. Vielmehr hat der letztere erst vom Ende der Diffusorspirale oder deren
Verlängerung aus Verbindung mit dem Stufendr uckraum.
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Abb. i :b stellt die Seitenansicht einer Gehäusehälfte des eben beschriebenen
Druckstrahlrotors dar, aus welcher der Diffusorkanal ersichtlich ist. An den Endflansch
9 des Diffusors kann sich entweder das Druckrohr, mit oder ohne Abzweigrohr versehen,
zur Entnahme der Flüssigkeit beide öffnungen 7 und 8 umschließend, anreihen oder
auch die schon erwähnte Verlängerung anschließen, die aus einem konisch sich erweiternden
zweiteiligen Rohr besteht, zur Umsetzung der Strömungsgeschwindigkeit in Druck,
falls die Umwandlung im Diffusor nicht vollständig ist.
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Abb. i c zeigt im Axialschnitt wie vor einen gleich großen Druckstrahlrotor,
mit einseitiger Einströmung und Anordnung der Schaufelreihen. beiderseits des Laufrades,
bei dem aber die Zuströmung für die zentrale Kammer io und die Treibschaufeln q.
durch das besondere Abzweigrohr ii vom Ende des Diffusors oder dessen Verlängerung
aus bewerkstelligt wird. Das schleifenförmige Ab-
zweigrohr i i ist auch aus
der Abb. i b in der Umklappung durch die gestrichelte Linie ersichtlich. Das Gehäuse
i2 besteht aus einer einfachen Wandung und ähnelt äußerlich, von der zentralen Kammer
io abgesehen, demjenigen der gewöhnlichen Zentrifugalpumpe. Die Welle ist wie vor
vermittels Stopfbüchse
aus dem Gehäuse geführt und außerhalb noch
entsprechend gelagert. Für die gleichbleibende Wirkungsweise dieses Druckstrahlrotors
ist es belanglos, in welcher Weise die Zuströmung für, die Treibschaufeln vom Diffusorende
aus bewerkstelligt wird.
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Abb. 2 veranschaulicht einen teilweisen Axialschnitt eines zweistufigen
Druckstrahlrotors analog Abb. i - mit einseitiger Einströmung zum Förderkanal und
gleichbleibenden i Laufraddurchmesser. Der Diffusorkanal 15 mündet in, den
Druckraum 16 zwischen den beiden Laufrädern 13 und 14 aus, und ebenso endigt der
Diffusorkanal 17 im Druckraum 18. Jedes Laufrad fördert auf die gleiche Förderhöhe
h, so daß- die Gesamtförderhöhe dieses Druckstrahlrotors 2 h beträgt und derselbe
mit einer absoluten Austrittsgeschwindigkeit umläuft,- die gleich der Ausfiußgeschwindigkeit
ist, die der Flüssigkeitssäule h12 entspricht. Dieser zweistufige Druckstrahlrotor
leistet demnach ebenfalls das doppelte an Förderhöhe wie die unter gleichen Betriebsverhältnissen
- laufende einfache zweistufige Zentrifugalpumpe.
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Abb. 3 zeigt einen teilweisen Axialschnitt eines zweistufigen, aus
zwei symmetrischen Hälften bestehenden Druckstrahlrotors wie vor mit beiderseitiger
Einströmung und von der- Einströmseite aus zunehmendem Laufraddurchmesser. Der Diffusorkanal
ig mündet in den Druckraum 2-2 zwischen den beiden Laufrädern 2o und 2i aus.
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Ebenso endigen die Diffusorkanäle 23 im Druckraum 24 zwischen den
Laufrädern :2i, und es ergeben sich ähnliche Verhältnisse wie vorher mit dem gleichen
Endresultat, daß auch dieser Druckstrahlrotor die doppelte Förderhöhe der unter
gleichen Betriebsverhältnissen laufenden einfachen zweistufigen Zentriftigalpumpe
erreicht. Dasselbe ergibt sich für einen mehrstufigen Druckstrahlrotor.
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Abb. 4 zeigt im Axialschnitt einen Druckstrahlrotor, bei dem Förder-
und Treibschaufelkranz übereinander auf der gleichen Seite liegt,. mit beiderseitiger
Einströmung, bestehend aus einem Laufrad 25 auf außerhalb gelagerter Welle, das
symmetrisch zu beiden Seiten je einen -Förderschaufelkranz 27 und darüberliegend
je einen Treibschaufel= kranz 28 trägt und in der Mitte des ebenso aus zwei symmetrischen
Hälften zusammengesetzten Gehäuses 29- läuft. Die Förderstrahlkanäle sind seitlich
jeweils_ durch die nicht bis an den Umfang reichnden Ummantelungen 30 geschlossen,-
die sich dann jeweils wieder zu den Zustömungsrohren 31
verengen, welche beiderseits
die Druckräume 32 gegen das Gehäuse 2g abdichten. Die darüber angelagerten Treibschaufelkanäle
sind außen jeweils. mit einer Ward 3Ä geschlossen, . die möglichst .dicht der innen
bearbeiteten Gehäusefläche .entlang läuft. Die Druckräume 32 sind symmetrisch angeordnet
und wie-vorher erst vom Ende des- gemeinsamen Diffusors 34-:oder dessen Verlängerung
aus mit dem Druckrohr verbunden, wodurch dieselbe Wirkungsweise wie zuvor erzielt
wird.
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Abb. 5 stellt in teilweisem Axialschnitt und ebensolcher . Draufsicht
mit äußerem Geschwindigkeitsparallelogramm einen Druckstrahlrotor mit beiderseitiger
Einströmung dar, bei dem Förder- und Treibschaufelkranz nebeneinander auf der gleichen
Seite liegen. Der Rotor ist symmetrisch angeordnet und besteht aus- einem Laufrad
35, das in der Mitte des Gehäuses 36 läuft und zu beiden Seiten die Förderstrahlkanäle
37 und danebenauf derselben Seite die Treibstrahlkanäle.38 trägt, die beide -seitlich
jeweils mit einer Wand 39 9 geschlossen sind. Letztere verengt. sich zu den
Einströmungsrohren 40 - für die Förderschaufeln, die. außen jeweils gegen das Gehäuse
abdichten. Die Einströmung für die Treibschaufeln erfolgt durch die Schlitzlöcher
41, die beiderseits in die Wand 39 eingelassen sind. Die Schaufeln sind vorwärts
gekrümmt und können ebenso noch in axialer Richtung gekrümmt sein u_ nd sind, wie
aus der Draufsicht ersichtlich ist,- so gelagert, daß jeweils der Fördersrahl vermöge
seines Geschwindigkeitsdruckes. ebenso wie früher noch innerhalb des Schleuderrades
in den Treibstrahl eindringen kann. - Die symmetrische Gehäuseausbildung kann z:
B. analog Abb. 4 erfolgen, um wiederum- einen geschlossenen Diffusorkanal und. von
seinem Ende bzw. seiner Verlängerung aus gesonderte Zuströmung für die Druckräume
42 bzw. die Treibschaufeln. zu bekommen.
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- Abb. 5-bildet gleichzeitig noch ein Beispiel für Schleuderräder,
die am Umfange partiellmit Schaufeln.besetzt sind. Solche--Schleuderräder kommen
überall -da in Betracht, wo es sich .darum handelt, sehr hohe Drücke und kleine
Fördermengen zu erzeugen: