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Zentrifugalpumpenlaufrad Gegenstand der Erfindung ist ein Zentrifugalpumpenlaufrad
zur Förderung von Flüssigkeiten, das zur gleichzeitigen Mitförderung von Luft bzw.
Gasen sowie zum Ansaugen von Luft geeignet ist, dadurch gekennzeichnet. daß es eine
an sich bekannte negative Schaufelüberdeckung aufweist, die Schaufeleintrittskanten
in den axialen Einlauf vorgezogen sind, der Querschnitt sich vom axialen L aufradeinlauf
bis zur erfolgten Umlenkung verengt und daß die Laufradkanäle, im '--X1 eridianschnitt
gesehen, sich gegen den Austritt hin erweitern (Fig. 2).
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Im Kreiselpumpenbau sind sogenannte Kanallaufräder bekannt, welche
parallelwandige Meridianbegrenzungen besitzen. Sie haben nur wenige Schaufeln, im
allgemeinen zwei. Auch bei diesen Rädern entsteht eine Unterdruckzone. Solche Laufräder
sind aber nach den allgemeinen Erfahrungen der Pumpenindustrie nicht luftsaugend,
sie können -daher auch nicht Luft mitfördern. Neben einem schlechteren Wirkungsgrad
als die bisherige klassische Kreiselpumpe haben sie auch eine stark verminderte
Saugfähigkeit. Beides ist eine Folge .der für die geringe Schaufelzahl ungünstigen
Laufrad'kanalausbildung, da sich die Strömung bei diesen Rädern schon vor der Umlenkung
von der axialen in die radiale Richtung, also noch vor dem Schaufeleintritt vom
saugseitigen Laufradboden ablöst, was erfahrungsgemäß, wie aus der Kreiselpumpenliteratur
bekannt ist, auch zu großen Verlusten Anlaß gibt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Laufrades wird dagegen die
Strömung bis zur erfolgten Umlenkung von der axialen in die radiale Richtung
beschleunigt,
d. h. ablösungsfrei geführt. Wegen .der bis in die Umlenkzone vorgezogenen Schaufeleintrittskante
kann erst im Laufradkanal eine Ablösung vom saugseitigen Laufradboden und der Schaufelunterseite
entstehen. Die Ablösungsräume in den einzelnen Schaufelkanälen stehen daher im Gegensatz
zur Kanalra.dpumpe miteinander auch am Laufradeintritt nicht in Verbindung. Durch
die Eigenheit der sich -dabei einstellenden und durch Versuche nachweisbaren Strömungsformen,
die bisher nicht zur Anwendung kamen, sondern im klassischen Kreiselpumpenbau auf
das strikteste vermieden wurden, wird die Mitförderung von Luft und Gas zu Flüssigkeiten
ermöglicht. Im weiteren hat sich gezeigt, daß durch diese Strömungsformen Dickstoffe
mit so hohen Konzentrationen stetig und störungsfrei gefördert werden 'können, wie
dies bisher nicht möglich war. Dabei ist bei der neuen Ausbildung der Wirkungsgrad
der erfindungsgemäßen Pumpe zumindest gleich hoch wie jener der klassischen Kreiselpumpe,
stellt also auch in dieser Richtung einen wesentlichen Fortschritt gegenüber den
bisherigen Dickstoffpumpen dar.
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Die Zeichnung zeigt einige beispielsweise Ausführungsformen des Laufrades
gemäß der Erfindung. Fig. i und 2 stellen in Quer- und Längsschnitt ein Laufrad
mit drei Schaufeln dar; Fig. 3 ist ein Querschnitt durch ein sogenanntes offenes
Laufrad mit zwei Schaufeln, und Fig. 4 zeigt eine Pumpenanlage mit dem erfin-,dungsgemäßen
Laufrad für stark schäumende Flüssigkeiten.
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Im Meridianschnitt der Fig. 2 erweitert sich der Laufrad'kanal in
der Meridianströmungsrichtung bis auf eine Austrittsbreite bz, so daß der zwischen
zwei Schaufeln i liegende Kanal die Wirkung eines Ejektors hat (Fig. i). Die Schaufelüberdeckung
a ist negativ in der Weise, daß keine zellenartigen Laufradkanäle entstehen. Das
Querschnittsverhältnis zwischen Schaufelkanaleintritt 3 und -austritt ¢ kann bis
,zu i : io betragen, wobei dieses Verhältnis sehr stark abhängig ist vom Luftgehalt
des Fördergutes und/oder von der Konzentration des zu fördernden-Dickstoffes. Durch
eineReduktion der Schaufelzahl und/oder entsprechende Formgebung der Schaufeln i
kann dieses Verhältnis stark variiert werden. Die Formgebunz der Schaufeln i richtet
sich nicht nur nach rein hydraulischen Gesichtspunkten, sondern auch nach der Beschaffenheit
,des Fördergutes. Die Eintrittskanten 3 der gleichartig ausgebildeten und zur Drehachse
gleichliegenden Schaufeln sind in den axialen, zwischen den strichpunktierten Linien
io der Fig. 2 liegenden Einlauf des Laufrades vorgezogen. Der Durchlaufquerschnitt
verengt sich vom Radeintritt 2 bis zu den Scbaufeleintrittskanten 3. Dadurch entsteht
eine ablösungsfreie beschleunigte Zus.trömung zu .den Laufradkanälen.
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Würde das in Fig. i und 2 dargestellte Laufrad nach,den bisher üblichen
hydraulischen Grundsätzen konstruiert, so erhielte es eine Austrittsbreite b, also
den in Fig.2 in gestrichelten Linien angegebenen Verlauf im Meridia,nschnitt, und
hätte sieben bis neun Schaufeln.
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Die Arbeitsweise des neuartigen Laufrades soll sm folgenden an -Hand
der Fig. i und 2 erläutert werden: Angenommen die Flüssigkeitsfläche E (Fi.g. i
und 2) werde in Richtung des Pfeiles (Fig. i) in Rotation versetzt. Unter der Einwirkung
der Zentrifugalkräfte hat dann,die flüssige Fläche E das Bestreben, aus. dem Laufrad
auszutreten. Diese Flüssigkeitsfläche muß aber sofort durch nachströmende Flüssigkeit
ersetzt werden. Infolge des sehr großen Unterschiedes in den Querschnittflächen
von Ein- und Austritt des Schaufelkanals kann die Flüssigkeit aber nicht so rasch
nachströmen, daß die Eintrittsmenge der beim Anlauf der Pumpe tatsächlich auftretenden
Austrittsmenge entsprechen würde. Infolge dieses ungenügenden Nachströmens von Flüssigkeit
entsteht nun im Laufradkanal ein Ablöseraum R, der für eine rationelle Luftförderung
durch die sich einstellen-.den Strömungsvorgänge eine wichtige Voraussetzung ist.
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Die geschilderten Strömungsvorgänge können, da sie räumlicher Art
sind, in d'er ebenen Darstellung der Fig. i nicht wiedergegeben werden.
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Ein Teil der Luft wird vom Wasser physikalisch bis zum Sättigungswert
gelöst, ein Teil wird fein verteilt in das das Laufrad umgebende Gehäuse gefördert.
Der Vorteil der in den Fig. i und 2 .gezeigten Radausbildung besteht daher darin,
trotz Luftzutritt in das Laufrad eine stabile, nicht abreißen-de Flüssigkeitsströmung
aufrechtzuerhalten, was bei den Laufrädern der bisherigen verschiedensten Zentrifugal-
und Kanalradpumpen nicht der Fall ist.
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Wegen der geringen Schaufelzahl und der dadurch bedingten großen Kanalquerschnitte
können dieRadinnen- und die Schaufelflächen sauber bearbeitet werden. Dies reduziert
den Reibungswiderstand im Laufrad und erhöht den hydraulischen Wirkungsgrad der
Pumpe. Auch die allgemein übliche postive Schaufelüberdeckung ist nicht mehr notwendig.
Es ist im Gegenteil für die Förderung stark lufthaltiger Substanzen Bedingung, eine
um den Winkel a negative Schaufelüberdeckung zu wählen, denn nur auf diese Weise
ergeben sich mit der Radverbreiterung zum Austritt als gemeinsame Maßnahme die notwendigen
großen Kontaktflächen beim Mischvorgang.
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Vergleichende Versuche mit einem erfindungsgemäßen und einem Laufrad
bisheriger Bauart haben ergeben, daß ersteres. bezüglich hydraulischem Wirkungsgrad
dem letzteren gleichwertig ist.
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Bis heute scheiterte die Förderung von schaumbildenden, seifenartigen
Flüssigkeiten mittels Zentrifugalpumpen .daran, daß beim Eintritt der Substanz in
das Laufrad .der Schaum abgestoßen wurde, wodurch sich auf der Ansaugseite ein Schaumzapfen
bildete, der eine weitere Förderung verhinderte. Beim erfindungsgemäßen Laufrad
hingegen gelangt der Schaum bei verhältnismäßig kleinen Geschwindigkeiten in den
Bereich der Schaufeln. Bei Schaumförderung ist es zweckmäßig,
die
Pumpe mit dem et-findungsgeinäßen Laufrad mit offen liegendem und nur zum Teil vom
Fördermittel erfüllten Einlaufclu@ersclinitt laufen zu lassen. Das heißt, daß die
eintretende Flüssigkeit, z. B. Schaum, nur einen Teil des Eintrittsquerschnittes
des Saugstutzens ausfüllt. Dies ist in Fig. q. veranschaulicht, wo eine Rinne6 das
Fördergut 13 zum Saugstutzen? der Pumpe 8 leitet. Da im Schaum der Ouotient Luft/Flüssigkeit
- ioo : i oder noch größer ist, fällt also mehr Luft im Laufradeintritt an, als
das Laufrad verarbeiten kann.
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Für die über das Fördervermögen des Rades hinausgehende Luftmenge
muß also die Möglichkeit des saugseitigen Entweichens der überschüssigen Luft gegeben
werden, was durch den nur zum Teil gefüllten Saugstutzenquerschnitt gewährleistet
ist, durch den Luft abgeschieden wird. Dadurch wird eine kontinuierliche, stoßfreie
Förderung erzielt.
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Hochkonzentrierte Dickstoffe setzen ihrer Förderung mittels Zentrifugalpumpen
besondere Schwierigkeiten entgegen. Bei diesen verdrängen die Eigenschaften des
beigegebenen Fremdstoffes, z. B. Zellstoff, Holzschliff, Kartoffelpülpe, Spinat,
Tomatenpuree usw., die Eigenschaften der Flüssigkeit fast ganz. Innere und äußere
Reibungen werden bedeutend erhöht, und in gleichem Maß gehen die Fließeigenschaften
zurück. Oft ist ein bedeutender Prozentsatz des geförderten Stoffes Luft. So sind
diese Dickstoffe mehr oder weniger elastische Flüssigkeiten oder Pasten, die ganz
andere Fließeigenschaften haben als Wasser. In der Tat zeigen dann auch solche Dickstoffe
durch ihr Verhalten in Rohrleitungen, daß sie sich infolge ihrer Trägheit und Reibung
als Fördergut nicht mehr mit Wasser vergleichen lassen. Aus obigen Darlegungen über
die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Laufrades erkennt man, daß dieses ohne weiteres
in der Lage ist, solche Dickstoffe in Konzentrationen zu fördern, wie es bisher
für Kreiselpumpen nicht mehr möglich war; Betriebsresultate bestätigen dies.
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Flüssigkeiten, die faserige, breiige und knollige Feststoffe enthalten,
erheischen eine besondere Ausbildung von Ein- und Austrittskanten, der Kanal-und
Schaufelwinkel sowie eine entsprechende Wahl der Schaufelkanalquerschnitte, um ein
Hängenbleiben und ein Verstopfen der Kanäle zu vermeiden. Diesen Bedingungen kann
das erfindungsgemäße Laufrad ebenfalls genügen. Stark profilierte Schaufeleintrittskanten
ohne tote Ecken, sowie die einseitige Beaufschlagung der Schaufeln im Rad verhindern
ein Hängenbleiben von Fasern. Die durch die geringe Schaufelzahl sich ergebenden
großen Eintrittsquerschnitte gestatten selbst großen Fremdkörpern den Durchtritt.
Dank der besonderer flechtartigen Strömungen und der großen Querschnitte werden
knollenartibe Feststoffe ohne Beschädigung gefördert. Gerade bei solchen knollenartigen
Substanzen ist eine große Saugwirkung notwendig, das erfindungsgemäße Laufrad also
besonders geeignet.
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Die Luftmitförderung ist, wie auch Versuche gezeigt haben, nicht an
eine bestimmte Gehäuseform gebunden. Es ist gleichgültig, ob ein Spiralgehäuse oder
ein rotationssymmetrisches Gehäuse vorgesehen wird. Im allgemeinen ist die Zweckmäßigkeit
der einen oder anderen Gehäuseform durch die Eigenschaften der zu fördernden Flüssigkeit
bedingt.
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Das erfindungsgemäße Laufrad kann entwedv-r horizontal oder vertikal
gelagert werden, und der Eintritt des Fördergutes in die Pumpe kann radial oder
axial erfolgen.
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Beim Anlauf der Pumpe ist es nur notwendig, daß diese mit Wasser gefüllt
ist, die Saugleitung wird durch das erfindungsgemäße Laufrad wegen seiner Luftsaugefähigkeit
selbsttätig entlüftet.
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Das neue Laufrad kann auch zur Förderung von Wasser gebraucht werden,
wobei der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe nicht schlechter als der der klassischen
vielschaufligen Pumpe ist.
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Genügt der in einem einzigen Laufrad erzeugte manometrische Druck
nicht, so kann die Pumpe mehrstufig bebaut und mit einem erfindungsgemäßen Laufrad
als Zubringerrad ausgerüstet werden. Die anderen Stufen können z. B. für Reinwasserförderung,
Isondensatförderung usw. bisher bekannte. Laufräder aufweisen. Auf diese Weise lassen
sich die Vorteile der Erfindung auch bei mehrstufigen Pumpen ausnutzen.