DE69303411T2

DE69303411T2 - Gehäuse für Flüssigkeitsringpumpe

Info

Publication number: DE69303411T2
Application number: DE69303411T
Authority: DE
Inventors: Douglas E Bissell; Thomas R Dardis; Richard F Gordon
Original assignee: Nash Engineering Co
Current assignee: Nash Engineering Co
Priority date: 1992-04-09
Filing date: 1993-03-04
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2013-03-05
Also published as: FI105284B; ZA931488B; KR930021948A; DE69303411D1; EP0565232A1; FI931577A; FI931577A0; EP0565232B1; CA2090184A1; GB2265944B; GB9304423D0; GB2265944A; BR9301503A; JPH0642478A; US5213479A

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Flüssigkeitsringpumpen und insbesondere Flüssigkeitsringpumpen, bei denen die innere Oberfläche des Gehäuses so geformt ist, daß Flüssigkeitsreibungsverluste in der Pumpe reduziert werden.
Flüssigkeitsringpumpen sind gut bekannt, bspw. durch das Sommer-US-Patent 1 525 332 und das Haavik-U S-Patent 4 613 283. Das russische Erfinderzertifikat 529 295 zeigt, daß die Flüssigkeitsreibung in solchen Pumpen reduziert werden kann, indem das Gehäuse und das Turbinenrad im axialen Schnitt trapezförmig ausgebildet werden. Entsprechend dieser Druckschrift wird durch eine derartige Ausbildung der Pumpe der mit der Flüssigkeit in Kontakt tretende Bereich der Gehäuseoberfläche reduziert, wodurch die hydrodynamischen Verluste in der Pumpe reduziert werden.
Die in dem vorgenannten russischen Erfinderzertifikat gezeigte Pumpenkonstruktion erfordert mehrere Teile mit sehr komplexer Form. Zum Beispiel weist das zentrale Gehäuseelement eine variierende axiale Länge um die Pumpe auf. Als Konsequenz dieses Aspekts der Form des zentralen Elements liegen die Oberflächen der Endgehäuseelemente, die an das zentrale Element angrenzen, nicht in senkrechten Ebenen zur Rotorachse. Die Pumpe des russischen Erfinderzertifikats wäre deshalb relativ schwierig und kostenintensiv herzustellen. Außerdem besteht, obwohl die in dem russischen Erfinderzertifikat gezeigte trapezförmige Form hydrodynamische Verluste in der Pumpe in gewissem Maße reduzieren kann, die Notwendigkeit zur weiteren Reduktion solcher Verluste.
Die WO-A-91/19904 beschreibt eine Flüssigkeitsringpumpe, bei der die innere ringförmige Oberfläche des Gehäuses gekrümmt ist, um sich an den Flüssigkeitsring anzupassen. Dennoch umfaßt die gekrümmte innere ringförmige Oberfläche mehrere Unstetigkeiten, die zu der Gesamtheit der Reibungsverluste der Pumpe beitragen.
Die DE-B-10 14 282 beschreibt eine Flüssigkeitsringpumpe, die eine exzentrische Einkerbung zur Anpassung des Flüssigkeitsrings umfaßt. Die Einkerbung weist einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt mit leicht gerundeten Ecken auf, und diese unregelmäßige Form wird auch zu relativ hohen hydrodynamischen Verlusten in der Pumpe führen.
Im Hinblick auf die voranstehenden Ausführungen ist es ein Gegenstand dieser Erfindung, eine verbesserte Flüssigkeitsringpumpe vorzuschlagen.
Insbesondere ist es Gegenstand dieser Erfindung, Flüssigkeitsringpumpen vorzuschlagen, deren bedingt durch den Kontakt zwischen dem in der Pumpe zirkulierenden Flüssigkeitsring und dem stationären Gehäuse der Pumpe auftretende hydrodynamische Verluste reduziert sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Flüssigkeitsringpumpe vorgeschlagen, mit einem Rotor, der um eine Rotorachse drehbar in einem Ringgehäuse angeordnet ist, um in dem Gehäuse eine Flüssigkeitsmenge in einem Umlaufringraum innerhalb der ringförmigen inneren Oberfläche des Gehäuses auszubilden, so daß sich der Flüssigkeitsring in der Nähe einer Gaseinströmzone der Pumpe von der Rotorachse radial nach außen bewegt und in der Nähe einer Gaskompressionszone der Pumpe wieder radial nach innen bewegt, wobei der Rotor eine Vielzahl von am Umfang beabstandet angeordneten, sich axial erstreckenden Schaufeln aufweist, wobei die einander gegenüberliegenden axialen Enden der radial äußeren Ränder der Schaufeln in axial voneinander beabstandeten ersten und zweiten Ebenen liegen, die im wesentlichen senkrecht zu der Rotorachse ausgerichtet sind, wobei die ringförmige innere Oberfläche des Gehäuses so ausgebildet ist, daß der Schnitt zwischen der ringförmigen inneren Oberfläche und im wesentlichen jeder Ebene, in der die Rotorachse liegt, einen Bogen bildet, der von der Rotorachse nach außen gesehen konkav ist, und wobei die ringförmige innere Oberfläche im wesentlichen frei von Diskontinuitäten in umfänglicher Richtung um die gesamte Pumpe ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bogen axial im wesentlichen über den gesamten Abstand zwischen der ersten und der zweiten Ebene erstreckt, aber nicht wesentlich darüber hinaus, wobei sich der Krümmungsradius des Bogens in Richtung der Rotorrotation in der Nähe der Gaskompressionszone vergrößert. Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Flüssigkeitsringpumpe vorgeschlagen, mit einem Rotor, der drehbar in einem Ringgehäuse angeordnet ist, um in dem Gehäuse eine Flüssigkeitsmenge in einem Umlaufringraum innerhalb der ringförmigen inneren Oberfläche des Gehäuses auszubilden, so daß der Flüssigkeitsring sich in der Nähe einer Gaszuströmzone der Pumpe von der Rotorachse radial nach außen bewegt und in der Nähe einer Gaskompressionszone der Pumpe wieder radial nach innen bewegt, wobei der Rotor eine Vielzahl von am Umfang beabstandet angeordneten, sich axial erstreckenden Schaufeln aufweist, wobei die einander gegenüberliegenden axialen Enden der radial äußeren Ränder der Schaufeln in axial voneinander beabstandeten ersten und zweiten Ebenen liegen, die im wesentlichen senkrecht zur Rotorachse ausgerichtet sind,dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige innere Oberfläche des Gehäuses so ausgebildet ist, daß der Schnitt zwischen der ringförmigen inneren Oberfläche und im wesentlichen jeder Ebene, die die Rotorachse umfaßt, ein Paar von axial aneinandergrenzender, sich axial erstreckenden Bögen ist, die in einer intermediären spitzenähnlichen Region zusammengeführt sind, wobei jeder Bogen von der Rotorachse aus nach außen gesehen konkav ist, wobei das Ende jedes Bogens, der von der spitzenähnlichen Region entfert ist, sich axial zu einer entsprechenden der ersten und zweiten Ebenen aber nicht wesentlich darüber hinaus erstreckt, wobei die intermediären spitzenähnlichen Regionen aller dieser Bogenpaare ungefähr in einer dritten Ebene liegen, die im wesentlichen senkrecht zu der Rotorachse ausgerichtet ist, daß sich der Krümmungsradius von jedem Bogen in Richtung der Rotorrotation in der Nähe der Gaskompressionszone vergrößert und daß die ringförmige innere Oberfläche im wesentlichen frei von Diskontinuitäten in umfänglicher Richtung um die gesamte Pumpe ist. Während im Rahmen der Erfindung noch andere Bogenformen (wie Bögen von Ellipsen, Ovalen, etc.) verwendet werden können, sind die Bögen in den bevorzugten Ausführungsformen kreisförmig, weil Kreise von allen geometrischen Formen das kleinste Verhältnis von Umfang zu Fläche aufweisen. Vorzugsweise erstreckt sich die innere Oberfläche des Gehäuses, die mit dem sich radial außerhalb des Rotors befindenden Teil des Flüssigkeitsrings in Kontakt steht, axial nicht über die senkrecht zur Rotorachse orientierten Ebenen, die die axialen Enden der radialen äußeren Ränder der Rotorschaufeln umfassen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform überspannt jeder Bogen einen Winkel, der nicht größer ist als ungefähr 180º, und jeder Bogen erstreckt sich zu jeder der vorgenannten Ebenen senkrecht zur Rotorachse. Wenn der Rotor jedoch doppelendig ist und eine zentrale Abdeckung aufweist, definiert die zentrale Abdeckung eine dritte Ebene, die senkrecht zur Rotorachse orientiert ist, und jeder Bogen kann sich entweder ohne axiale Unstetigkeit durch diese Ebene erstrecken, oder die innere Oberfläche des Gehäuses kann eine Spitze in der dritten Ebene aufweisen.
Weitere Merkmale der Erfindung, ihre Art und verschiedene Vorteile werden durch die beigefügten Zeichnungen und die nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer erläuternden, konventionellen Flüssigkeitsringpumpe. Figur 1 stellt den Schnitt entlang der Linie 1-1 in Figur 2 dar.
Figur 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Figur 1.
Figur 3 zeigt eine der Figur 2 entsprechende Ansicht einer erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt eine einem Teil der Figur 3 entsprechende Ansicht, allerdings von einer anderen Winkelstellung als im Falle der in Figur 3 dargestellten Pumpe (z.B. von einer Winkelstellung, die der in Figur 1 durch die Linie B1 oder die Linie B2 angezeigten Position vergleichbar ist).
Figur 5 zeigt eine weitere einem Teil der Figur 3 entsprechende Ansicht, allerdings wieder von einer anderen Winkelstellung als im Falle der in Figur 3 dargestellten Pumpe (z.B. von einer Winkelstellung, die der in Figur 1 durch die Linie C1 oder die Linie C2 angezeigten Position vergleichbar ist).
Figur 6 zeigt eine einem Teil der Figur 3 entsprechende Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Figur 7a zeigt eine einem Teil der Figur 3 entsprechende Ansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Figur 7b zeigt eine weitere einem Teil der Figur 3 entsprechende Ansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Figur 8 zeigt eine der Figur 2 entsprechende Ansicht eines weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Flüssigkeitsringpumpentyps.
Figur 9 zeigt eine der Figur 8 entsprechende Ansicht, die veranschaulicht, wie die in Figur 8 dargestellte Pumpe entsprechend der vorliegenden Erfindung modifiziert werden kann.
Figur 10 zeigt eine weitere der Figur 8 entsprechende Ansicht, die eine alternative Modifizierung der in Figur 8 dargestellten Pumpe entsprechend dieser Erfindung veranschaulicht.
Figur 11 zeigt eine der Figur 1 entsprechende Ansicht, die einen weiteren Flüssigkeitsringpumpentyp darstellt, der entsprechend den Prinzipien dieser Erfindung konstruiert ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Obwohl die Grundideen dieser Erfindung genausogut anwendbar sind auf Flüssigkeitsringpumpen, die eine beliebige Anzahl von sich in Umfangsrichtung um die Pumpe abwechselnden Einström- und Kompressionszonen aufweisen, wird die Erfindung zunächst im Zusammenhang mit Pumpen beschrieben, die nur eine Einströmzone und eine Kompressionszone in umfänglicher Richtung aufweisen. Obwohl die Erfindung auf Pumpen anwendbar ist, die viele verschiedene Anschlußkonfigurationen aufweisen (z.B. Anschlüsse durch flache Endplatten oder Anschlüsse durch kegelstumpfartige oder zylindrische Anschlußelemente), wird die Erfindung aufgrund der nachfolgenden Diskussion von Pumpen mit zwei exemplarischen Typen von Anschlußstrukturen vollständig verständlich. Die Erfindung ist auch auf jegliche Stufe oder Stufen von Mehrstufenpumpen anwendbar (z.B. Pumpen, die Gas von einer Stufe entladen und einer weiteren Stufe zuführen), aber auch hier wird die Erfindung aufgrund der folgenden Erklärung ihrer Anwendung auf eine einstufige Pumpe vollständig verständlich.
Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, umfaßt die aus dem Stand der Technik bekannte Flüssigkeitsringpumpe 10 ein stationäres Gehäuse 12 mit einer ringförmigen peripheren Wand 14, die sich zwischen parallelen, beabstandeten Front-(oder Anschluß-) und Rückplatten 16 und 18 erstreckt. Ein Rotor 20 ist über eine Antriebswelle 22 rotierbar in dem Gehäuse 12 angeordnet, wobei sich die Antriebswelle 22 durch die Rückplatte 18 zu geeigneten Antriebsmitteln (nicht dargestellt) wie einem Elektromotor erstreckt. Zwischen der Welle 22 und der Rückplatte 18 ist eine Ringflächendichtung 23a angeordnet.
Der Rotor 20 umfaßt eine ringförmige Nabe 24, die mit der Antriebswelle 22 verbunden ist, eine Vielzahl von Schaufeln 26, die sich von der Nabe radial nach außen erstrecken in Ebenen, die im wesentlichen parallel zu der Achse der Antriebswelle 22 ausgerichtet sind, und eine scheibenähnliche Rückabdeckung 28, die sich ebenfalls von der Nabe radial nach außen erstreckt in einer Ebene, die im wesentlichen senkrecht zu der Achse der Antriebswelle 22 ausgerichtet ist, um die rückwärtigen Teilen von allen Schaufeln 26 zu verbinden. Der Rotor 20 wird durch eine Rotorverschlußmutter 23b auf der Welle 22 gehalten. Der Rotor 20 ist exzentrisch in dem Gehäuse 12 angeordnet, so daß die äußere Peripherie 21 des Rotors in der Nähe des Bodens der Pumpe der inneren Peripherie 15 der ringförmigen Gehäusewand 14 viel näher ist, als an der Oberseite der Pumpe. Obwohl die Schaufeln 26 in den Figuren 1 und 2 gerade dargestellt sind, können die Schaufeln 26 alternativ auch gebogen sein oder entweder hakenförmig nach vorne oder nach hinten relativ zu der Richtung der Rotorrotation gekrümmt sein in einer Art und Weise, wie sie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist.
Eine bestimmte Menge der Pumpflüssigkeit wird im Gehäuse 12 gehalten, so daß die Rotorschaufeln 26 die Pumpflüssigkeit mitnehmen und dadurch einen um die innere Peripherie 15 der ringförmigen Gehäusewand 14 zirkulierenden Ring bilden, wenn der Rotor 20, wie durch den Pfeil 30 in Figur 1 angedeutet, rotiert wird. Die ungefähre innere Grenze oder Oberfläche dieses Flüssigkeitsrings ist in den Figuren 1 und 2 durch die gestrichelten Linien 32 dargestellt.
Wie am besten in Figur 1 zu sehen ist, weil der Rotor 20 exzentrisch relativ zu der Gehäusewand 14 angeordnet ist und also auch exzentrisch zu dem Flüssigkeitsring angeordnet ist, erstrecken sich die Rotorschaufeln 26 viel weiter in den Flüssigkeitsring in der Nähe des Bodens der Pumpe als sie dies in der Nähe des oberen Endes der Pumpe tun. Auf der linken Seite der Pumpe, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, divergiert die innere Oberfläche 32 des Flüssigkeitsrings graduell von der Rotornabe 24 in Richtung der Rotorrotation. Entsprechend vergrößern sich in diesem Bereich der Pumpe (der als die Gaseinströmzone bekannt ist) die Arbeitsräume, die durch benachbarte Rotorschaufeln 26, die Rotornabe 24 und die innere Oberfläche 32 des Flüssigkeitsrings begrenzt sind, graduell im Volumen in Richtung der Rotorrotation. Auf der rechten Seite der Pumpe, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, konvergiert die innere Oberfläche 32 des Flüssigkeitsrings graduell gegen die Rotornabe 24 in der Richtung der Rotorrotation. Entsprechend verringern sich in diesem Bereich der Pumpe (der als Gaskompressionszone bekannt ist) die Arbeitsräume, die durch benachbarte Rotorschaufeln 26, die Rotornabe 24 und die innere Oberfläche 32 des Flüssigkeitsrings begrenzt sind, graduell im Volumen in der Richtung der Rotorrotation.
Das zu pumpende Gas wird über Einströmanschlüsse 34 in der Front- oder Anschlußplatte 16 in die Einströmzone der Pumpe geleitet. Das Gas wird der Pumpe über eine Einströmleitung 44 und ein Einströmverteilergehäuse 42 zugeführt. Es wird durch die Expansion der Arbeitsräume in der Einströmzone in die Pumpe gezogen.
Dieses Gas wird anschließend durch die Kontraktion der Arbeitsräume in der Kompressionszone komprimiert. Das komprimierte Gas wird dann von der Pumpe über einen Auslaßanschluß 36 in der Front- oder Anschlußplatte 16 ausgetragen. Das komprimierte Gas wird von der Pumpe über ein Auslaßverteilergehäuse 46 und eine Auslaßleitung 48 gefördert.
Eine Quelle von Energieverlusten und also Ineffizienz bei Flüssigkeitsringpumpen ist die Flüssigkeitsreibung zwischen dem zirkulierenden Flüssigkeitsring und der Oberfläche des stationären Gehäuses 12 in Kontakt mit dem Flüssigkeitsring. Berücksichtigt man nur den Teil des Flüssigkeitsrings, der sich radial jenseits der radial äußeren Ränder der Schaufeln 26 in der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Pumpe befindet, so ist dieser Teil des Flüssigkeitsrings typischerweise in Kontakt mit einer Gehäuseoberfläche, die die Form eines Rechtecks aufweist, welches in Richtung des Zentrums der Pumpe offen ist (siehe insbesondere Figur 2). Diese offene rechteckige Form weist den größten Umfang am oberen Ende der Pumpe auf, wie in Figur 2 dargestellt, und den kleinsten Umfang am Boden der Pumpe, wie in dieser Figur dargestellt. Auf der linken Seite der Pumpe, wie in Figur 1 dargestellt, vergrößert sich der Umfang der rechteckigen Form graduell vom Boden zum oberen Ende der Pumpe. Auf der rechten Seite der Pumpe, wie in Figur 1 dargestellt, verkleinert sich der Umfang dieser rechteckigen Form graduell vom oberen Ende zum unteren Ende der Pumpe. Anders ausgedrückt benötigt der Teil des Flüssigkeitsrings, der sich radial jenseits des Rotors befindet, in jeder Ebene, die die Rotorachse in den Figuren 1 und 2 umfaßt, typischerweise eine rechteckig geformte Fläche in dieser Ebene. Diese rechteckig geformte Fläche ist durch die radialen äußeren Ränder der Rotorschaufeln und die innere Oberfläche der Gehäuseelemente 14, 16 und 18 begrenzt. Die Größe dieser rechteckigen Fläche ist am unteren Ende der Figur 2 am kleinsten und am oberen Ende der Figur 2 am größten, wobei sie sich auf der linken Seite der Figur 1 vom unteren Ende zum oberen Ende vergrößert und auf der rechten Seite in Figur 1 vom oberen Ende zum unteren Ende verkleinert. Die Größe dieser rechteckigen Fläche wird in jeder Ebene durch die gewünschte Größe des benachbarten Arbeitsraums in dieser Ebene bestimmt.
Die voranstehend beschriebenen rechteckig geformten Flächen sind relativ ineffizient bezüglich des Verhältnisses von Fläche zu Umfang. Mit anderen Worten haben diese Formen einen relativ großen Umfang für die gegebene Fläche, da sie rechteckig sind. Das bedeutet wiederum, daß für ein vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen außerhalb des Rotors eine relativ große Fläche der stationären Gehäuseoberfläche in Kontakt mit der Flüssigkeit ist. Der Flüssigkeitsreibungsverlust ist daher relativ hoch.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die innere Oberfläche des Gehäuses, die in Kontakt mit dem sich radial außerhalb des Rotors befindenden Flüssigkeitsring steht, neu geformt, so daß in jeder der oben genannten Ebenen, die die Rotorachse umfassen, die innere Oberfläche des Gehäuses bogenförmig und nicht rechteckig ist. Dies reduziert die Fläche der Gehäuseoberfläche, die in Kontakt mit dem Flüssigkeitsring steht, und daher die Flüssigkeitsreibungsverluste in der Pumpe.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen einen Weg, wie die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Pumpe in dieser Weise modifiziert werden kann. Außer am extremen unteren Ende der Pumpe, wo die innere Oberfläche des Gehäuseteils 14 axial gerade und parallel zur Rotorachse bleiben kann, wird die innere Oberfläche des Gehäuseelements 14 in allen anderen Ebenen, die die Rotorachse umfassen, wie ein sich axial erstreckender Rundbogen geformt (z.B. Bogen 15a am oberen Ende der Figur 3, Bogen 15b in Figur 4, die der Winkelstellung der Ebene B1 oder B2 in Figur 1 entspricht, und Bogen 15C in Figur 5, die der Winkelstellung der Ebene C1 oder C2 in Figur 1 entspricht). Alle diese Bögen sind vom Rotor 20 nach außen betrachtet konkav. (Obwohl in der speziellen, in Figur 3 dargestellten Ausführungsform die innere Oberfläche des Gehäuseelements 14 am Boden der Pumpe axial gerade und parallel zur Rotorachse ist, kann in anderen Ausführungsformen sogar dieser Teil der inneren Oberfläche des Gehäuses in derselben allgemeinen Weise wie andere Teile dieser Oberfläche leicht gekrümmt sein.) Jeder Bogen erstreckt sich vorzugsweise axial bis zum aber nicht über jedes axiale Ende des Arbeitsbereichs des Rotors an den radialen äußeren Rändern 21 der Rotorschaufeln. Auf diese Weise erstreckt sich jeder Bogen axial bis zu aber nicht über jede der Ebenen D1 und D2, die im wesentlichen senkrecht zu der Rotorachse ausgerichtet sind und die die axialen Enden der äußeren Ränder 21 der Rotorschaufeln umfassen. In jeder Winkelstellung um die Pumpe entspricht die Fläche in der Ebene, die die Rotorachse umfaßt und die begrenzt wird durch (1) den vorgenannten Bogen, (2) die angrenzenden äußeren Rotorschaufelränder 21 und (3) (wenn notwendig) die Ebenen D1 und D2, vorzugsweise annäherend der Fläche in dem Flüssigkeitsring außerhalb des Rotors in dieser selben Winkelstellung in der vergleichbaren Pumpe nach dem Stand der Technik (Figuren 1 und 2). Auf diese Weise kann in jeder Stellung um beide die alte und die neue Pumpe dieselbe Flüssigkeitsmenge außerhalb des Rotors fließen, so daß die Form der inneren Oberfläche des Flüssigkeitsrings durch diese Erfindung im wesentlichen unverändert bleibt. Das Angleichen der vorgenannten Flächen in vergleichbaren neuen und alten Pumpen ist daher ein Weg, durch den der Radius des Bogens in jeder Stellung um die neue Pumpe bestimmt werden kann. Vergleicht man die Figuren 3 bis 5, so wird man feststellen, daß ein relativ kleiner Krümmungsradius verwendet wird, wo eine relativ große Fläche erforderlich ist, wie am oberen Ende der Figur 3. Ein großer Krümmungsradius wird verwendet, wie in Figur 4 dargestellt, wo eine etwas kleinere Fläche benötigt wird, und ein noch größerer Krümmungsradius wird verwendet, wie in Figur 5 dargestellt ist, wo eine noch kleinere Fläche benötigt wird. An der Grenze, wo die kleinste Fläche benötigt wird am Boden der Figur 3, kann der Krümmungsradius als extrem groß oder unendlich angenommen werden.
So wie der Krümmungsradius sich vergrößert, wenn die Fläche, die teilweise durch den vorgenannten Bogen begrenzt wird, sich verkleinert, so verkleinert sich auch der von dem Bogen überspannte Winkel, wenn sich die Fläche verkleinert. Um jedoch einen Wiedereintritt oder eine Schlüssellochform zu vermeiden, ist der von dem Bogen überspannte Winkel vorzugsweise nicht größer als 180º. Wenn eine größere Fläche benötigt wird, als sie mit einem 180º überspannenden Bogen erzielt werden kann, dann (wie in Figur 6 dargestellt) wird der 180º-Bogen vorzugsweise mit Tangenten 15d in den Ebenen D1 und D2 radial nach außen zurück zu dem angrenzenden Rotorschaufelrand verlängert.
Während die in den Figuren 3 bis 6 dargestellten Kreisbögen am vorteilhaftesten sind, weil sie das kleinste Verhältnis von Umfang zu begrenzter Fläche aufweisen, können im Rahmen der Erfindung auch Nichtkreisbögen eingesetzt werden (z.B. Bögen von Ellipsen, Ovalen, etc. oder Mehrfachbögen, die aus kurzen geraden Tangenten zusammengesetzt sind). Z.B. zeigt Figur 7a die Verwendung eines elliptischen Bogens, wobei die Hauptachse der Ellipse parallel zur Rotorachse ausgerichtet ist. Figur 7b zeigt die Verwendung von Kreisbogensegmenten 15e und 15f die durch eine gerade Tangente T verbunden sind. Obwohl die Tangente T in Figur 7b vorhanden ist, ist die Oberfläche immer noch sehr überwiegend gebogen und daher richtig charakterisiert als gebogen.
In allen Fällen ist die innere Oberfläche 15 des Gehäuses, die im Kontakt mit dem Flüssigkeitsring steht, vorzugsweise im wesentlichen frei von Diskontinuitäten in umfänglicher Richtung um die Pumpe. Auf diese Weise ist die innere Oberfläche 15 vorzugsweise im wesentlichen glatt im gesamten Bereich um die Pumpe (so wie die Oberfläche 15 in Figur 1 im gesamten Bereich um die Pumpe glatt ist) unabhängig von der axialen Position, bei der die Oberfläche 15 zu diesem Zwecke betrachtet wird. Das bedeutet, daß die Übergänge von Bogen zu Bogen umfänglich um die Pumpe graduell und im wesentlichen stetig oder glatt sind. Obwohl angenommen wird, daß die umfängliche Glattheit der Oberfläche 15 am besten ist, können in einigen Ausführungsformen leichte Oberflächenunstetigkeiten in umfänglicher Richtung vorhanden sein (siehe z.B. die in Figur 11 dargestellte und nachfolgend im Einzelnen erörterte Ausführungsform). Wenn vorhanden sind solche Unstetigkeiten jedoch vorzugsweise sehr klein und nicht wesentlich genug, um irgendeine signifikante Störung in oder Perturbation des Flusses der angrenzenden Pumpflüssigkeit zu verursachen.
Figur 8 zeigt eine typische Doppelend-Flüssigkeitsringpumpe 110 nach dem Stand der Technik mit eher kegelstumpfartigen als flachen Anschlußelementen. In der Pumpe 110 ist ein Rotor 160 auf einer Welle 180 zur Rotation im Inneren eines stationären Gehäuses 190 montiert. Der Rotor 160 weist eine Nabe 162 und sich radial nach außen erstreckende Schaufeln 164 auf. Die axialen Enden der Schaufeln 164 sind durch ringförmige Endabdeckungen 166 miteinander verbunden. Die Schaufeln 164 sind auch durch eine ringförmige zentrale Abdeckung 168 miteinander verbunden. Der Rotor 160 weist an jedem axialen Ende eine kegelstumpfförmige Ausnehmung auf, die konzentrisch zu der Welle 180 ist. In jede dieser Ausnehmungen paßt ein hohles kegelstumpfförmiges Anschlußeelement 140a, 140b. Jedes Anschlußelement umfaßt eine Gaseinströmleitung 142 und eine Auslaßleitung 146 für ein komprimiertes Gas. Diese Leitungen in jedem der Anschlußelemente 140 kommunizieren mit entsprechenden weiteren Leitungen in einem der Kopfelemente 120a bzw. 120b. Insbesondere kommunizieren die Gaseinströmleitungen 122 in den Kopfelementen 120 mit den Leitungen 142 in den Anschlußelementen 140, und die Gasauslaßleitungen 126 in den Kopfelementen 120 kommunizieren mit den Leitungen 146 in den Anschlußelementen 140. Das dargestellte Gehäuse 190 umfaßt eine sich radial erstreckende, im wesentlichen ringförmige Abdeckung 192, die radial zu der zentralen Abdeckung 168 auf dem Rotor 160 ausgerichtet ist. Die Abdeckungen 168 und/oder 192 können wahlweise entfernt werden.
Die Pumpe 110 arbeitet sehr ähnlich wie zwei Rücken an Rücken angeordnete Pumpen 10. Die Verwendung von kegelstumpfförmigen Anschlußelementen in der Pumpe 110 ermöglicht es, jede axiale Hälfte der Pumpe axial zu verlängern, wobei die Kapazität für einen vorgegebenen Pumpendurchmesser im Vergleich zu Pumpen mit flachen Anschlußeelementen vergrößert wird.
Figur 9 zeigt einen möglichen Weg zum Modifizieren der Pumpe 110 entsprechend dieser Erfindung. In Figur 9 ist die Gehäuseoberfläche, die in Kontakt mit dem sich radial außerhalb jeder axialen Hälfte des Rotors 160 befindenden Teil des Flüssigkeitsrings steht, so unter Verwendung von Bögen (z.B. Bögen 115a) geformt, wie Bögen bei der Pumpe 10 verwendet wurden. Jeder Bogen erstreckt sich axial von der zugehörigen Endabdeckung 166 zur zentralen Abdeckung 168 und ist vom Rotor 160 nach außen betrachtet konkav. Jeder Bogen überspannt vorzugsweise einen Winkel von nicht mehr als 180º. Die Fläche, die durch jeden Bogen und den äußeren Rand der angrenzenden Rotorschaufel begrenzt wird, entspricht in jeder Winkelstellung um die Pumpe vorzugsweise im wesentlichen der rechteckigen Fläche, die durch den Rand der Rotorschaufel und die Gehäuseelemente 190 und 192 in der vergleichbaren, in Figur 8 dargestellten Pumpe begrenzt ist. Kurz gesagt lassen sich alle der in Verbindung mit den Figuren 1 bis 7 erörterten Prinzipien auch wieder auf jeden axialen Endbereich der in Figur 9 dargestellten Pumpe anwenden. Wieder sind die bevorzugten Bögen Kreisbögen, wobei wahlweise auch Bögen mit anderen Formen verwendet werden können.
Figur 10 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Pumpe von dem in Figur 9 dargestellten Typ. In Figur 10 erstreckt sich ein einziger, kontinuierlicher Bogen 115a axial von der einen Rotorendabdeckung 166 zu der anderen Endabdeckung 166. Die Fläche, die durch diesen Bogen und die äußeren Ränder der angrenzenden Rotorschaufel begrenzt wird, entspricht in jeder Winkelstellung im wesentlichen der Fläche, die durch beide Bögen 115a und dieselben Rotorschaufelränder in Figur 9 um die Pumpe begrenzt wird. Wieder lassen sich alle in Verbindung mit den voranstehenden Ausführungsformen erörterten Prinzipien auf die in Figur 10 dargestellte Ausführungsform anwenden.
Alle voranstehend erörterten Ausführungsformen umfassen einen Einström- und einen Kompressionstakt pro Rotorumdrehungszyklus. Es ist jedoch bekannt, daß Flüssigkeitsringpumpen auch mehr als einen Arbeitszyklus pro Rotorumdrehung umfassen können. Z.B. zeigt Figur 11 eine Flüssigkeitsringpumpe 210, die entsprechend der Erfindung konstruiert ist und zwei Einströmzonen und zwei Kompressionszonen aufweist, die abwechselnd um die Pumpe angeordnet sind. Unter der Annahme einer Rotation des Rotors 220 innerhalb des Gehäuses 214 im Uhrzeigersinn weist die Pumpe 210 Einströmzonen zwischen den Ebenen D2 und A1 und zwischen den Ebenen D1 und A2 auf. Die Pumpe 210 weist Kompressionszonen zwischen den Ebenen A1 und D1 und zwischen den Ebenen A2 und D2 auf. An den Ebenen D1 und D2 kann die innere Oberfläche 215 des Gehäuses 214 so ausgebildet sein, wie am Boden der in Figur 3 dargestellten Pumpe (z.B. axial gerade und parallel zu der Achse der Rotorwelle 222 oder zumindest annäherend wie auf diese Weise beschrieben). Wenn man von jeder dieser Ebenen in die nachfolgende Einströmzone fortschreitet, wird die Oberfläche 215 graduell zunehmend axial gebogen, wie voranstehend für die anderen Ausführungsformen beschrieben. Z.B. kann die innere Oberfläche 215 an den Ebenen C4 und C2 so ausgebildet sein, wie die in Figur 5 dargestellte Oberfläche 15; an den Ebenen B4 und B2 kann die innere Oberfläche 215 so ausgebildet sein, wie die in Figur 4 dargestellte Oberfläche 15; und an den Ebenen A1 und A2 kann die Oberfläche 215 so ausgebildet sein, wie die am oberen Ende in Figur 3 dargestellte Oberfläche 15. Danach wird die Oberfläche 215 graduell weniger axial gebogen. Auf diese Weise kann die innere Oberfläche 215 an den Ebenen B1 und B3 wieder so ausgebildet sein wie die in Figur 4 dargestellte Oberfläche 15; und an den Ebenen C1 und C3 kann die Oberfläche 215 wieder so ausgebildet sein, wie die in Figur 5 dargestellte Oberfläche 15. Alle in Verbindung mit den voranstehenden Ausführungsformen erörterten Prinzipien sind wieder auf die Pumpe 210 anwendbar. Der einzige Unterschied ist, daß anstelle eines Arbeitszyklusses pro Rotorumdrehung die Pumpe 210 zwei identische Arbeitszyklen pro Umdrehung umfaßt.
Die Pumpe 210 veranschaulicht die Möglichkeit, daß die innere Oberfläche 215 leichte Unstetigkeiten in Umfangsrichtung aufweist. Z.B. existieren leichte Unstetigkeiten in Umfangsrichtung an den Punkten X der Pumpe 210, obwohl sie so gering sind, daß sie in Figur 11 schwierig zu erkennen sind. Folglich läßt sich die Oberfläche 215, obwohl sogar leichte Unstetigkeiten X in der Pumpe 210 vorhanden sind, als im wesentlichen frei von Unstetigkeiten in Umfangsrichtung der Pumpe charakterisieren. Wie voranstehend erwähnt sind diese Unstetigkeiten so klein, daß sie keine signifikanten Störungen oder Perturbationen im Fluß der angrenzenden Pumpenflüssigkeit verursachen.
Angemerkt sei, daß die voranstehenden Ausführungen lediglich die Prinzipien dieser Erfindung erläutern sollen und daß ein Durchschnittsfachmann verschiedene Modifikationen durchführen kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Z.B. ist es für einen Durchschnittsfachmann offensichtlich, daß die Erfindung genauso auf jede Stufe oder Stufen von Mehrstufenpumpen anwendbar ist, obwohl es sich bei allen beschriebenen Ausführungsformen um Einstufenpumpen handelt.

Claims

1. Flüssigkeitsringpumpe (10, 110, 210) mit einem Rotor (20, 160, 220), der um eine Rotorachse drehbar in einem Ringgehäuse (12, 120, 214) angeordnet ist, um in dem Gehäuse (12, 120, 214) eine Flüssigkeitsmenge in einem Umlaufringraum innerhalb der ringförmigen inneren Oberfläche (15, 115, 215) des Gehäuses (12, 120, 214) auszubilden, so daß sich der Flüssigkeitsring in der Nähe einer Gaseinströmzone der Pumpe von der Rotorachse radial nach außen bewegt und in der Nähe einer Gaskompressionszone der Pumpe wieder radial nach innen bewegt, wobei der Rotor eine Vielzahl von am Umfang beabstandet angeordneten, sich axial erstreckenden Schaufeln (26, 164) aufweist, wobei die einander gegenüberliegenden axialen Enden der radial äußeren Ränder der Schaufeln (26, 164) in axial voneinander beabstandeten ersten und zweiten Ebenen (D1, D2) liegen, die im wesentlichen senkrecht zu der Rotorachse ausgerichtet sind, wobei die ringförmige innere Oberfläche (15, 115, 215) des Gehäuses (12, 120, 214) so ausgebildet ist, daß der Schnitt zwischen der ringförmigen inneren Oberfläche (15, 115, 215) und im wesentlichen jeder Ebene, in der die Rotorachse liegt, einen Bogen bildet, der von der Rotorachse nach außen gesehen konkav ist, und wobei die ringförmige innere Oberfläche (15, 115, 215) im wesentlichen frei von Diskontinuitäten in umfänglicher Richtung um die gesamte Pumpe (10, 110, 210) ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bogen axial im wesentlichen über den gesamten Abstand zwischen der ersten und der zweiten Ebene (D1, D2) erstreckt, aber nicht wesentlich darüber hinaus, wobei sich der Krümmungsradius des Bogens in Richtung der Rotorrotation in der Nähe der Gaskompressionszone vergrößert.

2. Pumpe nach Anspruch 1, wobei jeder Bogen im wesentlichen kreisförmig ist.

3. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei jeder Bogen einem Winkel von nicht mehr als 180º gegen überliegt.

4. Pumpe nach Anspruch 3, wobei jeder Bogen durch jede der ersten und zweiten Ebenen (D1, D2) in unmittelbarer Nähe zum radialen äußeren Rand der Schaufeln (26) eingeschlossen ist.

5. Flüssigkeitsringpumpe (110, 210) mit einem Rotor (160, 220), der drehbar in einem Ringgehäuse (120, 214) angeordnet ist, um in dem Gehäuse eine Flüssigkeitsmenge in einem Umlaufringraum innerhalb der ringförmigen inneren Oberfläche des Gehäuses (120, 214) auszubilden, so daß der Flüssigkeitsring sich in der Nähe einer Gaszuströmzone der Pumpe von der Rotorachse radial nach außen bewegt und in der Nähe einer Gaskompressionszone der Pumpe wieder radial nach innen bewegt, wobei der Rotor eine Vielzahl von am Umfang beabstandet angeordneten, sich axial erstreckenden Schaufeln (164) aufweist, wobei die einander gegenüberliegenden axialen Enden der radial äußeren Ränder der Schaufeln (164) in axial voneinander beabstandeten ersten und zweiten Ebenen liegen, die im wesentlichen senkrecht zur Rotorachse ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige innere Oberfläche (115, 215) des Gehäuses (120, 214) so ausgebildet ist, daß der Schnitt zwischen der ringförmigen inneren Oberfläche (115, 215) und im wesentlichen jeder Ebene, die die Rotorachse umfaßt, ein Paar von axial aneinandergrenzender, sich axial erstreckenden Bögen ist, die in einer intermediären spitzenähnlichen Region zusammengeführt sind, wobei jeder Bogen von der Rotorachse aus nach außen gesehen konkav ist, wobei das Ende jedes Bogens, der von der spitzenähnlichen Region entfert ist, sich axial zu einer entsprechenden der ersten und zweiten Ebenen aber nicht wesentlich darüber hinaus erstreckt, wobei die intermediären spitzenähnlichen Regionen aller dieser Bogenpaare ungefähr in einer dritten Ebene liegen, die im wesentlichen senkrecht zu der Rotorachse ausgerichtet ist, daß sich der Krümmungsradius von jedem Bogen in Richtung der Rotorrotation in der Nähe der Gaskompressionszone vergrößert und daß die ringförmige innere Oberfläche im wesentlichen frei von Diskontinuitäten in umfänglicher Richtung um die gesamte Pumpe ist.

6. Pumpe nach Anspruch 5, wobei der Rotor (160) durch eine in der dritten Ebene angeordnete Ringabdeckung (168) axial unterteilt ist.

7. Pumpe nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei jeder Bogen im wesentlichen kreisförmig ist.

8. Pumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei jeder Bogen einem Winkel von nicht mehr als 180º gegenüberliegt.

9. Pumpe nach Anspruch 8, wobei jeder Bogen durch zwei der ersten bis dritten Ebenen in unmittelbarer Nähe der radialen äußeren Ränder der Schaufeln (164) eingeschlossen ist.