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Partiell beaufschlagte Flügelradpumpe Bei der Erfindung handelt es
sich um grundlegende Verbesserungen von partiell beaufschlagten Flügelradpumpen,
die als Kombination einer Wasserringpumpe und einer rotierenden Verdrängerpumpe-mit
kreisender Hilfsflüssigkeit betrachtet werden können. Bei diesen Pumpen entsteht
durch entsprechende Anordnung der Ein- und Austrittsöffnungen bei nicht vollständiger
Füllung ein Flüssigkeitsring, welcher Gasförderung gestattet, mit kreis- oder ellipsenförmigem
Leitkanatquerschnitt. Das Wesen der Erfindung besteht in erster Linie darin, daß
die Laufradschaufeln wenigstens im Bereich der radialen Erstreckung des Leitkanals
schraubenförmig ausgebildet sind; das schraubenartig ausgebildete Ende der Laufradschaufeln
kann auch in den Leitkanal vorspringen, und in diesem können auch schräg gestellte
oder schraubenförmige Leitschaufeln angeordnet sein. Außerdem handelt es sich bei
der Erfindung um eine Anzahl hiermit zusammeniiängender . Konstruktionseinzelheiten,
durch :welche noch besondere Vorteile erzielt wercten.
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Der Hauptvorteil der Erfindung liegt darin, daß die bisher regellose
und schädlich verlaufende schraubenförmige Flüssigkeitsbewegung. zu einer zwangsläufigen
gemacht und in feste Bahnen gelenkt wird. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Leistungssteigerung
und Verbesserung der Wirkungsweise. Diese Vorteile lasen sich am besten zeigen,
wenn man die Flüssigkeitsbewegungen bei den neuen Pumpen in Vergleich zu denen der
bisherigen Systeme stellt, weshalb in den Zeichnungen von den letzten ausgegangen
wird.
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Die Abb. i und 3 geben schematisch die Form der bekannten Svsteme
an: die Abb. 4 bis 15 geben in Schnitten parallel und senkrecht zu den Achsen beispielsweise
Ausführungsformen der neuen Pumpenart an so,v:e Abbildungen und Schnitte durch die
Schaafeln.
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Bei den alten Ausführungen gemäß Abb. i und 2 tritt die Flüssigkeit
durch die Eintrittsöffnung e ein, wird durch den Kanal L geleitet und tritt bei
a aus. Es ist nun bekannt. daß bei derartig strömender Flüssigkeit eine Zusatzbewegung
auftritt, die an Abb. 3 näher erläutert wird. Durch den Unterschied der Drücke bei
i, i', 2, 2'. 3, 3' tritt ein Strömen in Richtung der eingezeichneten Kreispfeife
ein, welches nichts weiter als einen wirbelartigen Austausch von Kanal- und Schaufelradzellenflüssigkeit
ist. Da dieser Bewegung außerdem die Transportbewegung längs des Kanals überlagert
ist. so ist das Ergebnis eine ständige schraubenförmig fortschreitende Absolutströmung.
Durch das mehrfache Eintreten der Flüssigkeit in das Laufrad R wird 1?nergie mehrfach
übertragen, so daß man mit einer Pumpe dieser Art höhere Drücke
zu
erzielen vermag, als mit einer normalen %Vasserringpumpe. Einer weittragenden Ausnutzung
dieses Vorteils stand bisher der niedrige Wirkungsgrad, den man mit den primitiven
bisherigen Formen erzielte, im Wege. Das wiederholte Ein- und Austreten der Flüssigkeit
war mit großen Verlusten verbunden, da die Schaufeln, und bei den Ausführungsformen
nach Abb. i auch der Kanal L, der Relativbewegung der Flüssigkeit in keiner Weise
angepaßt waren. Bei Ausführungsformen nach Abb. 2 hat man gemäß amerikanischen Patentschriften
allerdings bereits eine einfache Schrägstellung oder halbmondförmige Krümmung der
Schaufeln vorgeschlagen; es ist aber aus dem Bau von hochwertigen Turbopumpen bekannt,
daß eine nur einfache Krümmung dieser Art zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades
nicht ausreichend ist und insbesonders auch, daß die Schaufelrückseite bei Strömungen
eine ausschlaggebende Rolle spielt; dies aber ist bisher in keiner Weise beachtet
worden.
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Gemäß der Erfindung werden nun in Erkenntnis aller dieser Verhältnisse
die Radschaufeln im Bereich des Kanals L dem Wiedereintritt der Flüssigkeit im nach
dem Mittelpunkt zu gelegenen Halbbereich (Abb..l) desselben und dem Wiederaustritt
im nach dem äußeren Umfang zu gelegenen Halbbereich (Abb. ¢) so angepaßt, daß die
schraubenförmige Absolutströmung des Fördergutes in dem Teil seiner Bahn, die im
Rad verläuft, nicht gestört wird. Für diesen Radteil ergibt sich damit eine Form,
die einer Schraubenfläche ständig veränderlicher Steigung ähnlich ist. Äußerlich
zeigt sich dies darin, daß die Schaufelfläche räumlich gekrümmt und nicht. mehr
in der Ebene abwickelbar ist.
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Mit anderen Worten: Während bei den bekannten Pumpen nach Abb. i die
Schaufelräder linear verlaufen und bei denen nach Abb.2 nach einer Zylinderfläche,
also zwei dimensional gekrümmt sind, sind die der räumlichen Strömung angepaßten
Schaufelblätter der vorliegenden Erfindung drei dimensional gekrümmt.
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Eine bessere Anpassung erhält. man ferner, wenn man, wie in Abb. 5,
die die beschriebene Schaufelform in mehreren Schnitten erläutert, das gekrümmte
Schaufelradende nasenförmig in den Leitkanal vorspringen läßt.
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Zu der Abb. 5 ist in bezug auf die Schaufelkrüminung noch festzustellen,
daß sie im Schnitt 11-I1 durch die Eintrittsverhältnisse absolut festgelegt ist,
wie dies immer bei Radschaufeln der Fall ist, während von Schnitt L 1I-111 ab der
Austrittswinkel der zu erzielenden Charakteristik entsprechend gewählt werden muß.
Die gezeichnete Schaufel ist hier scharf vorwärts gekrümmt, wodurch große Förderhöhen
erzielt werden.
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Es ist ferner angebracht, den Mittelpunkt der Wirbelbewegung (Abb.
3, zwischen i, i') ganz zu vermeiden, indem man hier eine Führung f (Abb.4) anordnet.
Dieser Führungskern kann entweder durch Dippen mit dein feststehenden Gehäuse oder
durch die Schaufeln mit dem Rad selbst verbunden sein.
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Für den Kanal L ergibt sich ein kreis- oder ellipsenförmiges Profil
im Meridianschnitt, wobei es angebracht ist, dieses Profil im Rad durch einen entsprechend
ausgebildeten Wandteil s (Abb. 6) fortzusetzen.
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Durch das Anpassen der Radschaufeln im Kanalbereich an die Flüssigkeitsströmung
wird die sonst wild und unregelmäßig verlaufende Flüssigkeitsbewegung in vorgeschriebene
Bahnen gelenkt und zur besseren Aus- . nutzung gebracht. Man kann hierin nun noch
weitergehen und durch Anordnung besonderer Leitschaufeln im Kanal L den Zwang ]auf
vervollständigen. Je nach dem Gegendruck, den das Fördergut zu überwinden hat, wird
ein mehr oder weniger häufiges Ein- und Austreten in das Rad stattfinden, d. h.
die absolute Bahn wird eine mehr oder minder steilgängige Schraube sein. Um nun
den besten Wirkungsgrad der Pumpe nicht zu sehr an einen Punkt ihrer O-H-Charakteristik
zu binden, was bei vollständig abschließenden Leitkanalschaufeln offenbar der Fall
.wäre, ist es zweckmäßig, dieselben nur über einen Teil des Kanalquerschnittes reichen
zu lassen, um der Strömung eine gewisse Änderungsmöglichkeit zu lassen. In diesem
Fall ist es richtig, die Leitschaufeln am inneren Umfang des Kanals L anzuordnen.
Sie hindern das bei hohem Gegendruck hier stattfindende tangentiale Rückströmen
der Flüssigkeit und entlasten das Rad (Abb. 6).
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Pumpen nach Abb. i haben im Gegensatz zu denen nach Abb. 2 den großen
Vorteil, daß sie bei Anwesenheit einer gewissen Flüssigkeitsmenge unter Bildung
eines sog. Wasserringes W (Abb. i) Auch Gase zu fördern vermögen, d. h. im praktischen
Sprachgebrauch, sie sind selbstansaugend. Diesen Vorteil kann man auch mit dem Gegenstand
der vorliegenden Erfindung erreichen, und zwar erfindungsgemäß mit weit geringerem
Verlust an Wirkungsgrad. Zweckmäßig verwendet man dazu die Ausführung nach Abb.
; und den Erläuterungsskizzen (Abb. ä, q und io).
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Die Radschaufeln erhalten außer ihrem für den Zweck der Erfindung;
notwendigen Profil im Bereich des Kanals L eine Verlängerung v
nach
der Nabe zu, die dicht zwischen den Gehäusewandungen läuft. Die Hauptaustrittsöf(nung
a wird nach der inneren Kanalwand
zu verlegt, so daß infolge der
Zentrifugalkraft stets ein Flüssigkeitsrest im Gehäuse verbleiben muß. Der Kalial
erhält hinter dieser Austrittsöffnung einen Fortsatz fa, der zweckmäßig allmählich
ausläuft, bis zu der Stelle, wo das Rad vollständig dicht im Gehäuse läuft. Man
sieht, daß dadurch ein Flüssigkeitsring ff/' gebildet wird, der Gase, die
durch die auch möglichst zentral gelegte Eintrittsöffnung e eingesaugt werden, im
Bereich a-q zusammendrückt und durch die besonders für diesen Zweck in der Nähe
der Radnabe vorgesehenen Gasaustrittsöffnungen q hinausdrückt. Im Gegensatz zu den
bekannten Pumpen nach Abb. i hat man den großen Vorteil, daß man nicht die gesamte
Flüssigkeit unter großem Verlust an Wirkungsgrad entgegen der Zentrifugalkraft in
der Nähe der Radnabe hinausdrücken muß, so daß man auch auf Hilfsmittel, die zu
diesem Zweck zur Verbesserung des Wirkungsgrades vorgeschlagen wurden, wie z. B.
Einziehen des Kanals L gegen den Austritt a zu
nach der Mitte, verzichten
kann. Der Wiedereintritt der Hilfsflüssigkeit bei Gasförderung in die Schaufelzellen
im Bereich a-q erfolgt der Konstruktion entsprechend von außen durch die Umgrenzungsfläche
der Schaufelenden.
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Gegenüber Pumpen nach Abb.2 hat matt dann außer dem Vorteil der Selbstansaugung
auch den Gewinn an Förderhöhe zu verzeichnen, der durch die Flüssigkeitsbewegung
von der nach dem Zentrum zu verschobenen Eintrittsöffnung e zum Kanal
L hin bedingt wird. Die zweckmäßigste Form des Fort-Satzes n (Abb. 8 und
9) wird aus konstruktiven Rücksichten unter Beachtung der hier geltenden Vorgänge
festgelegt. Es handelt -sich darum, eine Flüssigkeitsmenge zur Dichtlaufstelle zu
treiben, die dort in das Schaufelrad eindringen und die Luft verdrängen soll. Dieses
Vorwärtstreiben kann erfahrungsgemäß bis zu einem höheren Gegendruck als dem der
Umfanggeschwindigkeit des Rades entsprechenden Zentrifugaldruck getrieben werden,
da durch die Radschaufeln ein Bitschleppen der Flüssigkeit in der Art eines Reibungsvorganges
stattfindet.. Dies Mitschleppen wird um so stärker, wenn. die Flüssigkeitsschicht
zwischen Rad und Wand dünn ist. Daraus folgt, daß bei gegebenem bzw. v erlangtem
Kompressionsenddruck, der die Spaltbreite bestimmt, die Zlenge durch die Spaltlänge
gegeben ist. Im Grenzfall kann der Fortsatz also das Radprofil umfassen.
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An Hand der Abb. 8 und 9 sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß
diese neuartige Ausbildung der Kombination vori Gas- und Flüssigkeitsförderung in
einer Pumpe sich dadurch deutlich von andern unterscheidet, daß hier zwei Pumpen
in einem Radgehäuse hintereinander in verschiedenen Sektoren angeordnet sind. Abb.8
zeigt die Iteaktionsflüssigkeitspumpe, die nur den Bereich e-a einnimmt, und in
Abb.9 sieht man die Wasserringluftpumpe, die nur im Bereich e-q arbeitet.
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Bei Ausbildung der Pumpe der vorliegenden Erfindung nach Abb. 7, also
in Vertikalanordnung, ergeben sich weitere wesentliche Vorteile vor allem durch
Anordnung des Kanals L oberhalb des Schaufelrades. Bei Gasförderung erreicht man
einen guten Abschluß der gasgefüllten Schaufelradzellen an der Austrittsöffnung
a durch die im darüber angeordneten Druckraum O (Abb. 7) befindliche Flüssigkeit
und ein leichtes Entweichen des Gases im Bereich der Austrittsöffnung q (Abb. io)
durch seinen Auftrieb. Außerdem wird die Hilfsflüssigkeit immer noch durch die Schwere
im Wirkungsbereich des Schaufelrades gehaltert, auch wenn sie in so geringer Menge
vorhanden ist, daß sie eben ausreicht, um die Schaufelradzellen an der Dichtlaufstelle
in der Nähe der Gasaustrittsöffnung zu füllen. Aber auch bei Vollfüllung hilft die
Schwerkraft beim Fördervorgang im Kanal, da sie die Flüssigkeit im Wirkbereich der
Schaufeln hält und so ein stärkeres Mitschleppen bewirkt.
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Um bei einer Pumpe vorgeschriebener Größenverhältnisse die Fördermenge
zu erhöhen, kann man, wie in Abb. i i beispielsweise dargestellt ist, den Kanal
zu beiden Seiten des Rades in der vorbeschriebenen Ausbildung anordnen. Damit begegnet
man infolge der Symmetrie der Anordnung gleichzeitig sehr wirksam etwaigen einseitigen
Kraftwirkungen der Strömung. Mehrstufenanordnung zur Erzielung höherer Drücke ist
natürlich in bekannter Weise auch möglich.
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Bei Besprechung der Abb. 3 wurde betont, daß die erstrebte Flüssigkeitsbewegung
im Leitkanal, die zu eitler wiederholten Energieübertragung führt, durch den Unterschied
der Drücke bei i und i' aufrechterhalten wird bzw. zustandekommt und daß man im
Kern der Flüssigkeitsbewegung zweckmäßig die Führung f anordnet. In den bei Abb.
q. erläuterten Ausführungsformen ist dieser Tatsache Rechnung getragen. Es liegt
nun nahe, das Prinzip noch weiter zu entwickeln, wobei man auf Ausführungsformen.
kommt, wie eine solche in Abb. 12 beispielsweise dargestellt ist. Man kann hier
die Flüssigkeit am Radumfange aus- und in der Nähe des Zentrums wieder eintreten
lassen, erhält so einen hohen Druckunterschied und damit eine kräftige Bewegung
in radialer Richtung. Es tritt hierbei eine starke Verschiebung in den einzelnen
Komponenten
der Flüssigkeitsbewegung ein. Während bei den ersten Beispielen die in die Drehrichtung
fallende Komponente der schraubenförmig fortschreitenden Flüssigkeitsbewegung überwiegt,
verschiebt sich jetzt das Verhältnis in den Abb. q. und 12 stetig nach der Richtung
hin, daß die Umlaufkomponente, die das Kreisen um die Schraubenachse bedingt, einen
immer größeren Anteil erhält. Diese Änderung der Strömung kann so weit getrieben
werden, bis man überhaupt nichts mehr von einer schraubenförmig fortschreitenden
Flüssigkeitsbewegung in einem Kanal, der auch teilweise mit Leitschaufeln versehen
sein kann, festzustellen vermag, sondern die durch die Leitschaufeln abgeteilten
Kanalstücke nehmen die Form einzelner länglicher Leitkammern an, in die vom Radumfange
her Flüssigkeit ein- und in der Nähe des Kreiselzentrums wieder ins Rad hinausströmt.
'Man kann diesen Vorgang richtig so deuten, daß man bei einer mehrstufigen Kreiselpumpe,
bei der die Förderflüssigkeit vom Umfange einer Stufe unter Beibehaltung ihres dortigen
Druckes durch einen Leitapparat dem Einlaufmund der nächsten Stufe zuströmt. nicht
zu einem neuen Rad weitergeht, sondern durch den Leitapparat eine in demselben Rade
gelegene Zelle beaufschlagt.
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Um bei diesen einzelnen Druckstufen bessere Abdichtungsmöglichkeiten
zu schaffen, kann man die einzelnen Kanäle des Leitapparates gemäß Abb. 14 entweder
auf verschiedenen Radien ausmünden lassen oder ,gemäß der Abb. 15 in verschiedenen
zur Radachse senkrechten Ebenen.