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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Kreiselpumpen und insbesondere eine verbesserte
Laufradnabenanordnung für
Kreiselpumpen, wie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 dargelegt.
Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der US-A-4780053
bekannt.
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Technischer
Hintergrund der Erfindung
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Kreiselpumpen
sind lange bekannt und finden in den verschiedensten Umgebungen
und Einsatzgebieten breite Anwendung. Eine Kreiselpumpe enthält typischerweise
ein mit Schaufeln oder Flügeln versehenes
Rad, das als Laufrad bezeichnet wird. Das Laufrad erteilt der durch
die Pumpe geleiteten Flüssigkeit
Bewegung. Eine Kreiselpumpe gibt einen relativ gleichmäßigen Flüssigkeitsstrom
ab. Der Druck zum Erreichen der erforderlichen Druckhöhe wird
durch Zentrifugalbeschleunigung der Flüssigkeit in dem umlaufenden
Laufrad erzeugt. Die Flüssigkeit fließt axial
auf das Laufrad zu, wird von den Schaufeln abgelenkt und fließt durch Öffnungen
zwischen den Schaufeln nach außen.
Auf diese Weise werden der Flüssigkeit
eine Richtungsänderung
sowie eine Beschleunigung erteilt. Dies führt zu einem Druckanstieg am
Pumpenausgang. Wenn die Flüssigkeit
das Laufrad verlässt,
kann die Flüssigkeit
durch einen Ring aus feststehenden Diffusorschaufeln treten, der das
Laufrad umgibt und allgemein als Diffusor bezeichnet wird. In dieser
Einrichtung mit sich allmählich
erweiternden Kanälen
wird die Geschwindigkeit der Flüssigkeit
vermindert und ihre kinetische Energie wird in Druckenergie umgewandelt.
In einigen Kreiselpumpen ist jedoch kein Diffusor vorhanden und
die Flüssigkeit
geht direkt von dem Laufrad in den Ausströmraum. Der Ausströmraum ist
eine allmähliche
Erweiterung des Spiralgehäuses
der Pumpe.
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Kreiselpumpenlaufräder enthalten
typischerweise eine einstückig
gebildete Laufradnabe. Die Laufradnabe, die eine zylindrische Konfiguration
haben kann, verläuft
axial stromaufwärts
der Laufradschaufeln und dreht sich mit dem Laufrad. Alternativ ist
die Laufradnabe gestutzt, so dass sie nicht axial über die
Einlassseite des Laufrads hinaus verläuft. Alle Pumpenlaufräder einschließlich solcher
mit einstückig geformten
Naben oder solcher mit einer kleinen oder ohne Nabe unterliegen
bei verminderten Fließgeschwindigkeiten
einem Rückfluss,
und typischerweise unterliegen Laufradkonstruktionen zur Bearbeitung
von Feststoffen über
einen Großteil
des nutzbaren Fließgeschwindigkeitsbereichs
der Pumpe einem Rückfluss.
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Laufräder werden
genutzt, um verflüssigte Materialien
zu pumpen, die Material-Faserstränge enthalten.
Die Material-Faserstränge
können
beispielsweise recyceltes Altpapiermaterial, Kunststofffasern von
Zeitungspackbändern,
Bucheinbände
aus Kunststoff und Getränkebehälter zusammen
mit Metallklammern oder anderen Fremdstoffen, die darin enthalten
sein können,
umfassen.
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Wenn
Fasermaterial enthaltende verflüssigte Materialien
durch Laufräder
mit einstückig
gebildeten Naben gepumpt werden, besteht die Neigung, dass sich
lange Fasern um die Laufradnabe wickeln und sich in Toträumen ansammeln,
wo keine Durchströmung
herrscht, sich akkumulieren und den Flüssigkeitsstrom zu dem und durch
das Laufrad blockieren. Diese Art der Pumpenblockierung ist bei
Pumpen, die zylindrisch geformte Laufradnaben haben, die sich stromaufwärts oder
vor die Laufradschaufeln erstrecken, besonders problematisch, jedoch
nicht auf solche beschränkt.
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Pumpen,
die eine nur wenig oder gar nicht überstehende Nabe am Einlass
haben, sind auch der Blockierung ausgesetzt. Wenn beispielsweise
eine lange, fadenähnliche
Fasern enthaltende Flüssigkeit mit
Laufrädern
gepumpt wird, die nur eine kleine oder gar keine Nabe am Einlass
haben, sammeln sich die Fasern, die leichter als die gepumpte Flüssigkeit
sind (eine geringere Dichte haben), im Auge des Laufrads an, wenn
ein Saugstrom-Rückfluss
in dem Laufrad herrscht. Die Rotation der zurückströmenden Flüssigkeit drängt durch Zentrifugalkraft
die Fasern in die Mitte des Laufradauges, wobei sie einen Ball bilden, der
den Zustrom zum Laufrad blockiert.
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Eine
verbesserte Laufradvorrichtung für Kreiselpumpen
und ein Verfahren zur Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme
werden daher angestrebt.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Kurz
beschrieben schafft die Erfindung eine Laufradanordnung für Kreiselpumpen.
Die Anordnung enthält
ein Laufrad, das eine axial sich nach außen erstreckende Nabe mit einer
drehbar darauf angebrachten losen kegelförmigen Buchse hat. Die Anordnung
reduziert Blockierungen, die an der Einlassseite des Laufrads auftreten,
wenn verflüssigte
Materialien gepumpt werden.
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In
einer Ausführungsform
enthält
die Laufradanordnung ein Laufrad, das eine Einlassseite und eine
Lagernabe hat, wobei die Lagernabe sich axial von der Einlassseite
des Laufrads nach außen
erstreckt. Eine konische Buchse ist drehbar auf der Lagernabe angebracht.
Die Berührungsflächen entweder
des Lagers oder der konischen schwimmenden Buchse können mit
einem Polymer zur Reduzierung der Oberflächenreibung beschichtet sein.
Die Lagernabe kann auch eine Bohrung zur Aufnahme einer Antriebswelle
aufweisen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren zum Reduzieren von Blockierungen
am Einlass einer Laufradanordnung geschaffen, das den Schritt umfasst:
Pumpen einer Fördermenge
durch eine Laufradanordnung, die an der Einlassseite des Laufrads
eine drehbar angebrachte konische Buchse aufweist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Aspekte, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet, besser ersichtlich.
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer Kreiselpumpe, die ein Laufrad mit
Diffusorschaufeln aufweist;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform
einer Laufradanordnung gemäß der Erfindung;
und
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3 ist
eine Querschnittsansicht der Laufradanordnung aus Figur und 2.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
eine typische Kreiselpumpe 8, die ein Laufrad 11 enthält. Wie
zu erkennen ist, enthält
die Pumpe Diffusorschaufeln 9. 2 und 3 zeigen
eine Laufradanordnung 10 für eine Kreiselpumpe 8 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung. Die Laufradanordnung 10 enthält ein Laufrad 11,
das eine Vielzahl von radial angeordneten Laufradschaufeln 12 und
eine in einem Stück
gebildete Lagernabe 14 hat. Eine lose, im wesentlichen konisch
geformte Buchse 13 ist auf einem axial verlaufenden Abschnitt
der Lagernabe 14 angebracht, der auf der Einlassseite des
Laufrads 11 angeordnet ist. Mit der drehbaren Anbringung
an der Lagernabe 14 kann die konische Buchse 13 sich
getrennt von dem Laufrad 11 frei drehen. Eine Halteeinrichtung 15 wird
verwendet, um die konische Buchse 13 an der Lagernabe 14 zu
sichern.
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Wie 2 zeigt,
umfasst das Laufrad 11 eine Basis 16, auf der
sechs radial angeordnete Schaufeln 12 angebracht sind.
Die Schaufeln 12 verlaufen von dem Umfang des Laufrads 11 radial
nach innen zu der Lagernabe 14. Die Laufradschaufeln 12 können hinsichtlich
der Größe, Form,
Menge und Ausrichtung variieren, um in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung
die Pumpenleistung zu optimieren. Die Basis 16 sollte mindestens
eine darauf angeordnete Schaufel 12 haben. Der radial am
weitesten innen liegende Abschnitt 28 der Schaufeln 12 und
die Lagernabe 14 bilden einen Bereich, der als "Laufradauge" 27 bezeichnet
wird.
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Wie 3 zeigt,
verläuft
die Laufradnabe 14 axial nach außen (das heißt stromaufwärts) von
der Einlassfläche 17 des
Laufrads 12 und weist eine Bohrung zur Aufnahme einer Antriebswelle 18 auf.
Eine konische Buchse 13 ist drehbar auf der Lagernabe 14 des
Laufrads 11 angebracht. Die konische Buchse 13 ist
getrennt von der Lagernabe 14 frei drehbar, da ein radialer
Spalt 19 zwischen der äußeren Oberfläche 35 der
Lagernabe 14 und der Innenbohrung 34 der konischen
Buchse 13 vorhanden ist. Die konische Buchse 13 hat
ein Ende 31 mit großem
Durchmesser und ein Ende 32 mit kleinem Durchmesser. Das
Ende 32 mit kleinem Durchmesser ist stromaufwärts des Endes 31 mit
großem
Durchmesser angeordnet. Mit dieser Ausrichtung erweitert sich die
konische Buchse 13 von dem Ende 32 mit kleinem
Durchmesser zu dem Ende 31 mit großem Durchmesser in ihrem Verlauf
zur Laufrad-Einlassfläche 17.
Das kegelförmige Profil
der konischen Buchse 13 ist in 3 zu erkennen.
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Die
konische Buchse 13 kann aus einem Lager- oder Polymermaterial
mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten, vorzugsweise einer TEFLON-Verbindung
hergestellt sein. TEFLON, auch als Polytetrafluorethylen bekannt,
ist ein eingetragenes Warenzeichen von DuPont. Eine Oberfläche der
konischen Buchse 13 und/oder die Lageroberfläche der Lagernabe 14 können ebenfalls
mit einem Material mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten beschichtet
sein. Für
den Durchschnittsfachmann ist offensichtlich, dass andere Konfigurationen
einer schwimmenden Buchse ebenfalls möglich sind und erstrebenswert
sein können,
und zwar in Abhängigkeit
von den speziellen Pumpbedingungen, dem zu pumpenden Material und
der gewünschten
Anwendung.
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Wie 2 und 3 zeigen,
sichert die Halteeinrichtung 15 die schwimmende konische
Buchse 13 auf der Lagernabe 14. In der dargestellten
Ausführungsform
ist die Halteeinrichtung 15 eine Mutter mit Innengewinde,
die lösbar
auf einem Gewindestumpf 29 der Welle 18 angebracht
werden kann. Die Halteeinrichtung 15 umfasst eine Haltefläche 26,
die an einem axialen Ende 30 der Lagernabe 14 anliegt.
In der bevorzugten Ausführungsform
sind axiale Spalte 22, 23 zwischen der großen Stirnfläche 24 der
konischen Buchse 13 und der Laufrad-Einlassfläche 17 und/oder
zwischen der kleinen Stirnseite 25 der konischen Buchse 13 und
der Haltefläche 26 vorgesehen,
wodurch die konische Buchse 13 frei drehbar ist und auf
der Lagernabe 14" schwimmt". Andere Halteeinrichtungen 15 werden
innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung auch in Betracht gezogen
und können
jede Art einer festen oder lösbaren
Halteeinrichtung zum Befestigen der schwimmenden konischen Buchse 13 auf
der Lagernabe 14 umfassen. Derartige Halteeinrichtungen 15 können entweder
an der Antriebswelle 18 oder direkt an der Lagernabe 14 befestigt
sein.
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Während des
Betriebs kann die schwimmende konische Buchse 13 ihre Rotation
mit dem Laufrad 11 frei stoppen, wenn an die äußere Oberfläche der Buchse
ein Widerstand (Drehmoment) angelegt wird, beispielsweise durch
die einströmende
Flüssigkeit und
lange, sich verwickelnde Fasern, die möglicherweise versuchen, sich
um die Buchse 13 zu wickeln. Da die Konfiguration der konischen
Buchse 13 kein Drehmoment an die langen Fasern anlegt,
sind sie frei und werden mit dem flüssigen Pumpmaterial durch das
Laufrad weiterbefördert.
Da die konische Buchse 13 ferner aus einem Material mit
verringerter Reibung aufgebaut ist, widersteht sie in vorteilhafter Weise
der Anbindung von langen Fasern um die konische Buchse 13.
Da das Ende 31 mit großem Durchmesser
der konischen Buchse 13 konstruktionsgemäß im wesentlichen
die Mitte des Laufradauges 27 füllt, entsteht kein Totraum
(Bereich ohne durch Strömung),
in dem sich unerwünschte
Fasern oder Materialien ansammeln können, die eine geringere Dichte
als die Dichte der gepumpten Flüssigkeit haben.
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Eine
beispielhafte Anwendung der Laufradanordnung für Kreiselpumpen ist die Bearbeitung
von recyceltem Altpapiermaterial. Dieses Papiermaterial enthält typischerweise
Fasern mit verschiedenen Längen
und aus verschiedenen Materialien. Kunststofffasern von Zeitungspackbändern, Bucheinbände aus
Kunststoff und Getränkebehälter zusammen
mit Metallklammern bilden oftmals lange Fasern oder Stränge, die
sich um rotierende Laufradnaben wickeln können. Diese Kunststofffasern
sind im allgemeinen leichter oder haben eine geringere Dichte als das
gepumpte Material und neigen dazu, sich in Toträumen im Auge 27 des
Laufrads 11 anzusammeln, wo keine Durchströmung herrscht,
und den Laufradeinlass zu blockieren. Die Laufradanordnung 10 verhindert,
dass sich diese Fasern um die Laufradnabe 14 wickeln, wodurch
eine unerwünschte
Blockierung der Pumpe an der Laufrad-Einlassfläche 17 verhindert
wird.
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Obgleich
die Erfindung im Rahmen beispielhafter Ausführungsformen beschrieben wurde,
ist sie nicht darauf beschränkt.
Die beigefügten
Patentansprüche
sollen in breitem Sinn ausgelegt werden, so dass sie andere Varianten
und Ausführungsformen der
Erfindung einschließen,
die der Durchschnittsfachmann vollzieht, sofern sie nicht vom Schutzumfang
der beigefügten
Patentansprüche
abweichen.