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Einstufige Hohlläufer-Kreiselpumpe Die Zentrifugalpumpen, der heute
meist üblichen Bauart besitzen neben den bekunntenf Vorzügen folgende zwei grundsätzliche
Nachteile: a) Zwischen dem stehenden Körper und: dem .drehenden Schaufelrad bleibt
immer ein Spalt vorhanden, der Punkte der Pumpe von verschiedenem Druck miteinander
verbindet. In; diesem Spalt können nicht nur mitgerissene Fremdkörper Anlaß zu Betriebsstörungen
geben, sondern es können- dadurch auch erhebliche Leistungsverluste bewirkt werden,
da ein Teil der Flüssigkeit durch ihn wieder von der Druckseite nach der Saugseite
zurückfiießeni kann. Da dieser Spalt konstruktionsbedirggt immer eine merkliche
Breite besitzt, so können Schaufelräder großen Durchmessers für kleine Fördermengen
gar nicht benutzt -,verden. Besonders groß ist der Spaltverlust natürlich dann,
wenn die Flüssigkeit unter hohem Druck steht, also bei erheblichem Reaktionsgrad
der Pumpe. Es erscheint darum vom Standpunkt der Spaltverluste aus betrachtet günstig,
Laufräder mit nach vorn gekrümmten. Schaufeln zu benutzen, denn bei dieser Pumpentype
hat die Flüssigkeit an der Peripherie der Pumpe eine relativ hohe Geschwindigkeit
und darum einen verhältnismäßig kleinen Druck.
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b) Es ist nötig, die Energie der Bewegung., die die Flüssigkeit an
der Peripherie des Schaufelrades besitzt, in Druck umzusetzen. Hierzu benutzt man
Diffusoren:, nämlich schlank erweiterte Rohre. Die Umwandlung ist aber immer mit
hohen Verlusten verbunden, dpa der Diffusor, um die über den ganzen Umfang des Laufrades
verteilte Flüssigkeit zu erfassen, unvermeidlich eine im Verhältnis zum Querschnitt
große benetzte Oberfläche haben muß. Je
kleiner aber die Geschwindigkeit
der Flüssigkeit an, der Peripherie des Schaufelrades ist, um so. weniger fallen
diese Verluste ins Gewicht. Diesbezüglich ist es also günstiger, Schaufelräder mit
nach rückwärts gekrümmten Schaufeln zu benutzen.
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Die Forderungen unter a) und b) widersprechen sich also und lassen
darum eine einwandfreie technische Lösung überhaupt nicht zu. Man hat daher bis
heute z. B. den Weg eingeschlagen, auch, für kleine Druckhöhen doch vielstufige
Pumpen zu, verwenden, bei denen pro Stufe weder allzu große Druckunterschiede noch
allzu große Geschwindliigkeiten der Flüs-sigkeit auftreten. Diese Vergrößerung der
Stufenzahl kompliziert und verteuert die Maschine, und außerdem führt auch die häufige
Richtungsänderung des Flüssigkeitsstromes wieder zu zusätzlichen Verlusten.
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Aus diesen Gründen ergibt sich die Tatsache, daß für eine bestimmte
Druckhöhe eine Wasserturbine einstufig ausgeführt werden kann und dabei einen guten
Wirkungsgrad besitzt, daß aber für die gleicher Druckhöhe die Kreiselpumpe, die
ja eigentlich nur die Umkehrung der Turbine sein sollte, mehrstufig ausgeführt werden
muß und dennoch einen bedeutend schlechteren Wirkungsgrad hat als die entsprechende
Turbine.
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Eine weitere Schwierigkeit bereitet bei dien Pumpen für höhere Drücke
auch die Beherrschung des Axialschubes, der kritischen Drehzahl und der
Ab-
dichtung. Diesbezüglich sind aber bereits. Wege zur wesentlichen Verbesserung
beschritten worden. Kennzeichnend hierfür ist insbesondere, dlaß man ein rotierendes
Pumpeng ehäuse verwendet, das die Lauf radschaufeln trägt, den Leitapparat umn,schließt
und nach beiden Seiten zu je einer Hohlwelle ausgezogen ist, an die das Zulauf-
und das: Ab@lau.frahr angeschlossen ist. Auch bei dieser Lösung? bleibt aber ein
Spalt zwischen dem umlaufenden, äußeren und den feststehenden, inneren Teilen erhalten,
durch den. die zu verpumpende Flüssigkeit unter Umgehung der Laufschaufeln von der
Hochdruckseite nach der Niederdruckseite zurückströmen kann.
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Ferner ist eine Kreiselpumpe bekannttgewordlen, bei, der die Lauf-
und Leiträder von einem druckfesten, rotierendem Gehäuse umhüllt werden und! bei
der die Laufräder mit diesem Gehäuse fest verbunden sind. Es bleibt hierbei aber
ebenfalls ein Spalt zwischen den Laufschaufeln und dien fest-,stehenden Teilen übrig,
durch dien die Flüssigkeit unter Umgehung der Laufschaufel von dieren Austritt wieder
zu deren Eintritt zurückfluten kann..
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Alle diese Mängel zu beheben, ist die Aufgabe der hier beschriebenen
Pumpenbauart. Sie ermöglicht die Herstellung einstufiger Pumpen auch für sehr hohe
Drücke und! gestattet auch für kleine Fördermengen die Verwendung großer Radlurch
messer. Vor allem wird der Spalt, durch den Flüssigkeit unter Umgehung der Schaufeln
aus dem Druckraum in: den Saugraum zurückgelangen kann:, vollständig vermieden.
Sie gestattet auch die Verwendung von Diffusoren mit im Verhältnis zum Querschnitt
kleiner benetzter Oberfläche. Ähnlich wie bei dien! bereits bekannten Pumpen wird
ein rotierendes Pumpengehäuse verwendet, bei dem ein Teil desselben als Zahnrad
odier als. Riemscheibe oder als Rotor für die Wicklung eines Elektromotors ausgebildet
sein kann.
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Im Gegensatz zu den diesbezüglich bekannten Ausführungen verbleibt
aber seitlich der Laufschaufeln kein Spalt mehr, durch dien die Flüssigkeit aus
dem Druckraum in den Saugraum zurücktreten könnte.
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Das vom drehenden Gehäuse umhüllte Leitrad zeigt eine Kombination
von Leitschaufeln und einen, Diffusor und ist gegen die Auslaufwelle dies, Leitrades
in bekannter Weise durch eine Stopfbüchse abgedichtet.
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Diese Pumpe arbeitet wie andere bereits bekannte Konstruktionen. besonders
günstig in senkrechter Lage, und der drehende Saugstutzen kann. unmittelbar in die
zu fördernde Flüssigkeit eintauchen.. Wasserzufluß- und Wasserabfluß erfolgt zentral
von unten nach oben.
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Die inneren Reibungsverluste bleiben klein, da die starken Richtungsänderungen
des Flüssigkeitsstromes dort vorgenommen werden, wo die Geschwindigkeit relativ
klein ist. Durch die Fliehkraft wird die Flüssigkeit fest an das Gehäuse gepreßt,
dessen ihrem jeweiligen Drall entspricht. Deshalb ist besonders beim Langsamläufer
der Wirkungsgrad auch bei Teilbelastung gut und der Kraftaufwand bei Leerlauf gering.
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Von den vielen Konstruktionsmöglichkeiten sind zwei in den Abb. i
bi,s 7 schematisch dargestellt, um die Arbeitsweise daran zu veranschaulichen.
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Abb. i stellt einen Längsschnitt durch eine solche Pumpe dar, und
zwar durch einen Lanäsamläufer; Abb. 2 zeigt hierzu den Horizontalschnitt A-A; Abb.
3 zeigt den Horizontalschnitt B-B; Abb. 4 zeigt denLängsschnitt durch einen Schnellläufer;
Abb. 5 zeigt hierzu den Horizontalschnitt C-C, Abb. 6 den Horizontalschnitt D-D
und Abb. 7 einen Längsschnitt E-E.
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Hierin bedeutet i drehendes Geh.äu.s.e, das nach oben und unten zu
je einer Hohlwelle ausgezogen ist; 2 Zahnrad, 3 Stopfbüchse, 4 Stopfbüchse (nicht
in. allen Fällen notwendig), 5 feststehende Platte, die das Kugellager ro trägt,
6 Ablaufrohr (meist feststehend), das mit dem Leitrad:? fest und, dicht verbunden
isst, 7 Leitrad, in dem die Leitschaufeln. oder Diffusoren untergebracht sind, S
Platte, die mit dem drehenden Gehäuse i mittels der Schaufeln 9 fest verbunden ist,
9 Schaufeln, vorwiegend radial gerichtet, ihre Einlauf- und Auslaufköpfe sind jedoch
meist geneigt, ro Kugellager, das sowohl radiale als auch axiale Beanspruchung aufzunehmen
vermag, i i feststehendes Zulaufrohr, 12 feststehende Platte, 13 Kugellager, 14
Leitrad, meist feststehend und mit Körper 15 über die Leitschaufeln 16 fest verbunden.,
15 kegelförmiger Körper, kann z. B. mit dem Leitrad 14 und dien Schaufeln 16 aus
einem Stück gegossen sein, 16 Leitschaufel, 17 drehendes Gehäuse, mit dem Körper
1 8 über die Schaufeln i9 fest verbunden, 18 kegelförmiger
Körper,
l)9 Schaufel, am Einlauf- und am Ablaufende etwas gekrümmt, je nach der Schnellläufigkeit.
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Diese Kreiselpumpe arbeitet wie folgt: Durch das Zahnrad a angetrieben
kommt das Gehäuse:. i in: schnelle Drehung. Infolge der Fliehkraft wird das Wasser
oder eine andere Flüssigkeit aus dem Rohr i i angesaugt, gelangt erst nach obern,
dann zwischen. dien Schaufeln g nach außen und bildet null) (mit dem drehenden Gehäuse
i gleiche- WinkeIg!eschwin,diigkeit besitzend) einen; schnell drehenden Wirbel.
Im entsprechend geformten Leitrad 7 wird die Richtung der Strömung stoßfrei zur
Achse hingelenkt, und die Flüssigkeit tritt durch das Ablaufrohr 6 nach ob-en aus.
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Zwischen dem drehenden Gehäuse i und dem Leitrad 7 besteht natürlich
ein Zwischenraum, der auch als Spalt bezeichnet werden kann. Dieser, kann aber unbedenklich
recht groß gewählt werden, denn die Flüssigkeit, die hier bereits unter großem Druck
steht, kann durch ihn in, keiner Weise unter Umgehung der Schaufeln wieder dem Saugrohr
zuströmen.
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Sind die Schaufeln radial angeordnet, so ist in diesem Zwischenraum
bereits die halbe Förderhöhe erreicht. Der Rest liegt noch in Form von. Bewegungsenergie
vor. Durch stoßfreie Verlangsamung dieser wird schließlich im Ablauf 6 die volle
Förderhöhe erzielt. Da die Flüssigkeit im Leitrad vorn außen nach innen geleitet
wird, so wird sie bestmöglich.st zusammengehalten, die benetzte Oberfläche ist klein
und diie Länge des Diffusors etwa gleich dem Radius, statt gleich dem Umfang, wie
bei heute üblichen Kreiselpumpen üblich. Wird die Menge der strömenden Flüssigkeit
herabgesetzt, z. B. durch Verminderung der Drehzahl oder durch Drosselung in der
Druckleitung o:dier auch in der Saugleitung, so bleibt der Wirkungsgrad dennoch
gut, denn die Neigung des Leitschaufeleinlaufes bleibt annähernd tangential gerichtet,
fast in Übereinstimmung mit den theoretischen: Erfordiernissen, und die Neigung
der Laufschaufel an der Einlaufkante ist ja beim Langsamläufer doch der Senkrechten.
immer nahe. Wenn dieser letzte Winkel etwas unrichtig wird, so bleibt das auch,
nur von geringer Bedeutung für den Wirkungsgrad. Läuft die Pumpe aber ganz leer,
so, preßt sich die Flüssigkeit darin infolge, der Fliehkraft fest an das Gehäuse
an, das ja mit gleicher Geschwindigkeit dlreht, bleibt also diesbezüglich reibungslos.
Lediglich ani der Oberfläche des Leitrades 7 findet Reibung statt, die nicht sehr
bedeutend ist. Da kein Spaltverlust mehr zu befürchten ist, läßt sich nun der Durchmesser
der Pumpe so groß konstruieren, als die Festigkeit des Materials es zuläßt.
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Bei der Kreiselpumpe nach Abb. 3 wird das Gehäuse l)7 in Drehung versetzt.
Der Flüssigkeitsstrom tritt auch von: unten ein, läuft erst zwischen: den. drehenden
Laufschaufeln l)9 nach oben, und dann wird durch. die stehenden Leitschaufeln 16
die Energie der Bewegung wieder in. Energie der Lage umgeformt. Bei dieser Bauart
ist die Flielrkraftwirkung weniger maßgebend, und die Schaufelform "!ewinnt an Bedeutung.
Werden die beid::en, kegelförmigen Körper 15 und l)8 konstruktiv immer kleiner gehalten,
so gehen die Schaufeln l)9 und 16 schließlich in zwei Propellerräder über, die sich
gegenüberstehen.. Auch in diesem Falle ist aber, kein Spalt vorhanden, durch den
die Flüssigkeit unter Umgehung der Schaufeln auf die Saugseite zurückgelangen könnte.
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Bei der hier vorgeschlagenen! Kreiselpumpe erweist es: sich oft als
zweckmäßig, nur ein Kugellager als Traglager zu benutzen und im übrigen die Grundbüchsen
der Stopfbüchsen zur Lagerung heranzuziehen.
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Die Bauart dieser Pumpe läßt sich natürlich je nach Verwendungszweck
abwandeln. Man kannt sie auch in mehreren Stufen hintereinander,schialten, man kann
aber auch beiden Wellen die Möglichkeit zur Drehung geben. Dreht z. B. das Gehäuse
17 mit 3ooo Umdrehungen pro Minute in einer Richtung, das Leitrad 14 aber mit
3000 Umdrehungen in entgegengesetzter Richtung, und ist letzteres mit Schöpfschaufeln
ausgestattet, so läßt sich ohne allzu hohe Materialbeanspruchung fast die vierfache
Förderhöhe mit einer Stufe erzielen.
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Sind beide Teile, 14 und 17, direhbar, wird die eine Welle angetrieben,
die andieren zum Abtrieb benutzt, und wird die Flüssigkeit aus der Druckleitung
wieder der Saugleitung zugeführt, so, ergibt sich eine hydraulische Kupplung oder
durch verschiedene Schaufelneigungen ein Drehzahlwandler, dessen Kennzeichen wiederum
das Nichtvorliandwnsein von Spaltverlusten bleibt.
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Schließlich kann: diese Kreiselpumpe, in umgekehrter Richtung von
der Flüssigkeit durchströmt, auch als Kraftmaschine dienen.
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Sodann läßt sich das Leitrad auch so: konstruieren, diaß es während
des Betriebes im Durchmesser verstellt werden kann. Das ergibt darin eine Kreiselpumpe
mit während des Betriebes verstellbarem Druck, trotz unveränderter Drehzahl.