EP1538338B1 - Radialpumpe - Google Patents

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EP1538338B1
EP1538338B1 EP03450273A EP03450273A EP1538338B1 EP 1538338 B1 EP1538338 B1 EP 1538338B1 EP 03450273 A EP03450273 A EP 03450273A EP 03450273 A EP03450273 A EP 03450273A EP 1538338 B1 EP1538338 B1 EP 1538338B1
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EP
European Patent Office
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radial
impeller
housing
covering ring
flow pump
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EP03450273A
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EP1538338A1 (de
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Alfred Ing. Götschhofer
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TCG Unitech Systemtechnik GmbH
Original Assignee
TCG Unitech Systemtechnik GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/165—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps
    • F04D29/167—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps of a centrifugal flow wheel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0027—Varying behaviour or the very pump
    • F04D15/0033—By-passing by increasing clearance between impeller and its casing

Definitions

  • the invention relates to a radial pump with a housing in which a driven by a shaft impeller is rotatably mounted with a on the suction side of the impeller in the housing axially in the direction of the impeller between two end positions slidably mounted cover ring, wherein by moving the cover ring from a through a housing stop limited first end position between a wheel and housing formed gap is releasable.
  • Such pumps are in mier Kunststoff configurations, for example, known from DE 41 42 120 A1 and US 2,786,420 A1.
  • a cooling water pump for an internal combustion engine is known.
  • a displaceable in the axial direction cover ring is inserted.
  • the cover ring is adjustable by an actuator in dependence on parameters of the internal combustion engine. Due to the displacement of the cover ring, the width of a gap between the ring and the impeller of the water pump is variable, so that the cooling water flow rate is variable. This makes it possible to shorten the warm-up phase of the internal combustion engine and to reduce the amount of harmful exhaust gas components.
  • the disadvantage is that a significant control engineering effort is required to change the position of the cover ring.
  • cooling water pumps of internal combustion engines are designed so that even at relatively low engine speeds high coolant flows can be provided.
  • the delivered volume flow, but also the power consumption of the pump is much higher than necessary, which adversely affects fuel consumption. Apart from that, it can come in the high speed range to cavitation phenomena.
  • the object of the invention is to reduce the flow rate and the power consumption at high speeds in the simplest possible way.
  • the cover ring formed at least by a restoring element restoring force in the direction of the first end position.
  • the restoring element is formed by a resilient biasing means, preferably a return spring, which acts in the direction of the impeller axis on the cover ring.
  • the cover ring can be positioned in at least one defined position, preferably at least in the first end position, by a positioning element preferably formed by a latching device.
  • a positioning element preferably formed by a latching device.
  • the positioning element has an approximately radially with respect to the impeller axis spring-loaded, preferably formed by a ball pressure body which is slidably disposed along a guide surface and which cooperates in the defined position with a reciprocally shaped locking element.
  • the latching element may be, for example, a bulge in the guide surface.
  • the guide surface is formed by a suction-side inner surface of the housing and the pressure body is arranged in the lateral region of the cover ring, wherein preferably a compression spring acting on the pressure body is arranged in a radial bore of the cover ring.
  • the guide surface is formed by the jacket region of the cover ring and that the pressure body is arranged in the region of an inner surface of the housing on the suction chamber side, wherein a pressure spring acting on the pressure body is preferably arranged in a radial bore of the housing.
  • the guide surface is inclined with respect to the wheel axis by an angle less than about 20 °, preferably less than about 10 °.
  • the radial pump 1 has a housing 2, in which a shaft 3 for driving an impeller 4 by means of a bearing 5 is rotatably mounted.
  • the suction side of the radial pump 1 is denoted by reference numeral 6, the pressure side by reference numeral 7.
  • the impeller 4 around the housing 2 forms a spiral channel 8.
  • a cover ring 9 is slidably disposed in the housing 2 in the direction of the impeller axis 10 between a first and a second end position. In the first end position shown in FIG. 1, a gap 11 formed between impeller 4 and housing 2 is covered by the cover ring 9, so that leakage flows between pressure side 7 and suction side 6 are prevented.
  • the cover ring 9 is moved by at least one return element 12 in the first end position or held in this.
  • the return element 12 shown in FIG. 2 consists of a restoring spring 14 formed by a spring plate, which acts in the axial direction on the cover ring 9.
  • the positioning element 13 shown in Fig. 3 is disposed in the jacket portion 15 of the cover ring 9 and has a spring-loaded by a compression spring 16 pressure body 17, wherein the compression spring 16 is disposed in a radial bore 18 in the jacket portion 15 of the cover ring 9.
  • the pressure body 17 may be formed for example by a ball.
  • the pressure body 17 rests on a guide surface 19 formed by a suction-side inner surface 2a of the housing 2 and slides along the axial deflection of the cover ring along this, wherein the pressure body 17 engages in the first end position in a formed by a recess 20 form element and thus the position stabilized the cover ring 9.
  • the guide surface 19 is slightly inclined relative to the impeller axis 10, wherein the angle ⁇ between the guide surface 19 and the impeller axis 10 is less than about 10 °.
  • the cover ring 9 rests against a stop 21 formed by the housing 2.
  • the cover ring 9 is moved in response to the pressure difference between the pressure p 2 of the pressure side 7 and the pressure p 1 of the suction side 6 from the first end position determining a rest position in the second end position.
  • the cover ring 9 Up to a predefined speed of the impeller 4, which is associated with a certain flow, the cover ring 9 is positioned in the first end position shown in Fig. 1 with a very small gap 11 with respect to the impeller 4, so that an optimal Efficiency is achieved.
  • This position is defined on the one hand by the stop 21 in the housing, on the other hand by the return element 12 and the positioning element 13.
  • the return element 12 and the positioning element 13 can also be used in combination in order to ensure a demand-oriented control characteristic.
  • the reset and positioning elements 12, 13 are designed so that at a certain pressure difference p 2 - p 1, an axial displacement of the cover ring 9 takes place away from the impeller 4. Depending on the design of the reset and positioning elements 12, 13, this axial adjustment can take place continuously or abruptly above a certain speed.
  • the increasing axial gap 11 between the impeller 4 and cover ring 9 causes a reduction in the flow rate and thereby also a reduction in power consumption at high speeds. Furthermore, the cavitation occurring in the high speed range is prevented.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Radialpumpe mit einem Gehäuse, in welchem ein durch eine Welle angetriebenes Laufrad drehbar gelagert ist, mit einem auf der Saugseite des Laufrades im Gehäuse axial in Richtung der Laufradachse zwischen zwei Endlagen verschiebbar gelagerten Deckring, wobei durch Verschieben des Deckringes aus einer durch einen Gehäuseanschlag begrenzten ersten Endlage ein zwischen Laufrad und Gehäuse ausgebildeter Spalt freigebbar ist.
  • Solche Pumpen sind in mierschiedlichen Ausgestaltungen, beispielwiese aus DE 41 42 120 A1 und aus US 2 786 420 A1 bekannt.
  • Aus der DE 41 42 120 A1 ist eine Kühlwasserpumpe für eine Brennkraftmaschine bekannt. In eine zwischen einem wasserführenden Kanal und einem Wasserpumpengehäuse angeordnete Öffnung ist ein in axialer Richtung verschiebbarer Deckring eingesetzt. Der Deckring ist durch ein Stellglied in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine verstellbar. Durch die Verschiebung des Deckringes ist die Breite eines Spaltes zwischen dem Ring und dem Laufrad der Wasserpumpe variabel, so dass der Kühlwasserdurchsatz veränderbar ist. Dies ermöglicht es, die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine zu verkürzen und die Menge der schädlichen Abgasbestandteile zu verringern. Nachteilig ist, dass zur Veränderung der Lage des Deckringes ein erheblicher steuerungstechnischer Aufwand erforderlich ist.
  • Insbesondere Kühlwasserpumpen von Brennkraftmaschinen sind so konzipiert, dass bereits bei relativ niedrigen Motordrehzahlen hohe Kühlmitteldurchflüsse bereitgestellt werden können. Bei hohen Motordrehzahlen ist der geförderte Volumenstrom, aber auch die Leistungsaufnahme der Pumpe viel höher als erforderlich, was sich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Abgesehen davon, kann es im hohen Drehzahlbereich zu Kavitationserscheinungen kommen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise die Durchflussmenge und die Leistungsaufnahme bei hohen Drehzahlen zu vermindern.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Deckring selbsttätig in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite des Laufrades verstellbar ist. Durch den durch die Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite verschiebbaren Deckring wird der Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse selbständig der aktuellen Laufraddrehzahl angepasst, wodurch aufwendige Stellglieder entfallen können.
  • Gemäß der Erfindung ist weiters vorgesehen, dass auf den Deckring eine zumindest durch ein Rückstellelement gebildete Rückstellkraft in Richtung der ersten Endlage einwirkt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das Rückstellelement durch eine elastische Vorspanneinrichtung, vorzugsweise eine Rückstellfeder, gebildet ist, welche in Richtung der Laufradachse auf den Deckring einwirkt.
  • Gemäß der Erfindung ist weiters vorgesehen, dass der Deckring in zumindest einer definierten Lage, vorzugsweise zumindest in der ersten Endlage, durch ein vorzugsweise durch eine Rasteinrichtung gebildetes Positionierelement positionierbar ist. Dadurch können Flattererscheinungen des Deckringes in bestimmten Drehzahlbereichen, welche ein zyklisches Öffnen und Schließen des Spaltes zwischen Gehäuse und Laufrad bewirken würden, verhindert werden. Vorteilhafter Weise ist dabei vorgesehen sein, dass das Positionierelement einen etwa radial bezüglich der Laufradachse federbelasteten, vorzugsweise durch eine Kugel gebildeten Druckkörper aufweist, welcher entlang einer Führungsfläche gleitbar angeordnet ist und welches in der definierten Lage mit einem reziprok geformten Rastelement zusammenwirkt. Das Rastelement kann beispielsweise eine Ausbuchtung in der Führungsfläche sein.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Führungsfläche durch eine saugseitige Innenfläche des Gehäuses gebildet ist und der Druckkörper im Mantelbereich des Deckringes angeordnet ist, wobei vorzugsweise eine auf den Druckkörper wirkende Druckfeder in einer radialen Bohrung des Deckringes angeordnet ist. Gemäß einer dazu reziproken Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Führungsfläche durch den Mantelbereich des Deckringes gebildet ist und dass der Druckkörper im Bereich einer saugraumseitigen Innenfläche des Gehäuses angeordnet ist, wobei vorzugsweise eine auf den Druckkörper einwirkende Druckfeder in einer radialen Bohrung des Gehäuses angeordnet ist.
  • Um die Rückstellbewegung des Deckringes zu unterstützen, ist es vorteilhaft, wenn die Führungsfläche bezüglich der Laufradachse um einen Winkel kleiner als etwa 20°, vorzugsweise kleiner als etwa 10° geneigt ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    eine erfindungsgemäße Radialpumpe in einem Längsschnitt,
    Fig. 2
    das Detail II aus Fig. 1 und
    Fig. 3
    das Detail III aus Fig. 1.
  • Die Radialpumpe 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in welchem eine Welle 3 zum Antrieb eines Laufrades 4 mittels eines Lagers 5 drehbar gelagert ist. Die Saugseite der Radialpumpe 1 ist mit Bezugszeichen 6, die Druckseite mit Bezugszeichen 7 bezeichnet. Um das Laufrad 4 herum bildet das Gehäuse 2 einen Spiralkanal 8 aus. Auf der Saugseite 6 des Laufrades 4 ist im Gehäuse 2 ein Deckring 9 in Richtung der Laufradachse 10 zwischen einer ersten und einer zweiten Endlage verschiebbar angeordnet. In der in Fig. 1 dargestellten ersten Endlage wird ein zwischen Laufrad 4 und Gehäuse 2 ausgebildeter Spalt 11 durch den Deckring 9 verdeckt, so dass Leckageströme zwischen Druckseite 7 und Saugseite 6 unterbunden werden.
  • Der Deckring 9 wird durch zumindest ein Rückstellelement 12 in die erste Endlage bewegt bzw. in dieser festgehalten. Das in Fig. 2 dargestellte Rückstellelement 12 besteht aus einer durch ein Federblech gebildeten Rückstellfeder 14, welche in axialer Richtung auf den Deckring 9 einwirkt.
  • Durch ein Positionierelement 13 wird der Deckring 9 in einer vordefinierten Lage, etwa der ersten Endlage, gehalten. Dadurch wird ein Flattern des Deckringes 9 bei kritischen Drehzahlen verhindert. Das in Fig. 3 dargestellte Positionierelement 13 ist im Mantelbereich 15 des Deckringes 9 angeordnet und weist einen durch eine Druckfeder 16 federbelasteten Druckkörper 17 auf, wobei die Druckfeder 16 in einer radialen Bohrung 18 im Mantelbereich 15 des Deckringes 9 angeordnet ist. Der Druckkörper 17 kann beispielsweise durch eine Kugel gebildet sein. Der Druckkörper 17 liegt auf einer durch eine saugseitige Innenfläche 2a des Gehäuses 2 gebildeten Führungsfläche 19 auf und gleitet bei axialer Auslenkung des Deckringes an dieser entlang, wobei der Druckkörper 17 in der ersten Endlage in ein durch eine Einbuchtung 20 gebildetes Formelement einrastet und somit die Position des Deckringes 9 stabilisiert. Um die Rückstellbewegung des Deckringes 9 in Richtung der ersten Endlage zu unterstützen, ist die Führungsfläche 19 bezüglich der Laufradachse 10 leicht geneigt ausgebildet, wobei der Winkel α zwischen der Führungsfläche 19 und der Laufradachse 10 kleiner als etwa 10° ist. In der ersten Endlage liegt der Deckring 9 an einem durch das Gehäuse 2 gebildeten Anschlag 21 an.
  • Der Deckring 9 wird in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen dem Druck p2 der Druckseite 7 und dem Druck p1 der Saugseite 6 aus der eine Ruhelage bestimmenden ersten Endlage in die zweite Endlage bewegt. Bis zu einer vordefinierten Drehzahl des Laufrades 4, welcher eine bestimmte Durchflussmenge zugeordnet ist, ist der Deckring 9 in der in Fig. 1 dargestellten ersten Endlage mit sehr geringem Spalt 11 bezüglich dem Laufrad 4 positioniert, so dass ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird. Diese Position wird einerseits durch den Anschlag 21 im Gehäuse, andererseits durch das Rückstellelement 12 und das Positionierelement 13 definiert. Je nach Auslegung können Rückstellelement 12 und Positionierelement 13 auch kombiniert angewendet werden, um eine bedarfsgerechte Regelcharakteristik zu gewährleisten.
  • Die Rückstell- und Positionierelemente 12, 13 sind so ausgelegt, dass bei einer bestimmten Druckdifferenz p2 - p1 eine axiale Verschiebung des Deckringes 9 vom Laufrad 4 weg stattfindet. Je nach Auslegung der Rückstell- und Positionierelemente 12, 13 kann diese axiale Verstellung kontinuierlich oder ab einer bestimmten Drehzahl abrupt erfolgen.
  • Der sich vergrößernde axiale Spalt 11 zwischen Laufrad 4 und Deckring 9 bewirkt eine Reduzierung der Durchflussmenge und dadurch auch eine Reduzierung der Leistungsaufnahme bei hohen Drehzahlen. Weiters wird die im hohen Drehzahlbereich auftretende Kavitation verhindert.

Claims (7)

  1. Radialpumpe (1) mit einem Gehäuse (2), in welchem ein durch eine Welle (3) angetriebenes Laufrad (4) drehbar gelagert ist, mit einem auf der Saugseite (6) des Laufrades (4) im Gehäuse (2) axial in Richtung der Laufradachse (10) zwischen zwei Endlagen verschiebbar gelagerten Deckring (9), wobei durch Verschieben des Deckringes (9) aus einer durch einen Gehäuseanschlag (21) begrenzten ersten Endlage ein zwischen Laufrad (4) und Gehäuse (2) ausgebildeter Spalt (11) freigebbar ist, wobei der Deckring (9) selbsttätig in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite (7, 6) des Laufrades (4) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckring (9) in zumindest einer definierten Lage, vorzugsweise zumindest in der ersten Endlage, durch ein durch eine Rasteinrichtung gebildetes Positionierelement (13) positionierbar ist.
  2. Radialpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Deckring (9) eine zumindest durch ein Rückstellelement (12) gebildete Rückstellkraft in Richtung der ersten Endlage einwirkt.
  3. Radialpumpe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (12) durch eine elastische Vorspanneinrichtung, vorzugsweise eine Rückstellfeder (14), gebildet ist, welche in Richtung der Laufradachse (10) auf den Deckring (9) einwirkt.
  4. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierelement (13) einen etwa radial bezüglich der Laufradachse (10) federbelasteten, vorzugsweise durch eine Kugel gebildeten Druckkörper (17) aufweist, welcher in der definierten Lage mit einem reziprok geformten Rastelement zusammenwirkt und entlang einer Führungsfläche (19) gleitbar angeordnet ist, wobei das Rastelement vorzugsweise durch eine Einbuchtung (20) in der Führungsfläche (19) gebildet ist.
  5. Radialpumpe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche (19) durch eine saugseitige Innenfläche (2a) des Gehäuses (2) gebildet ist und der Druckkörper (17) im Mantelbereich (15) des Deckringes (9) angeordnet ist, wobei vorzugsweise eine auf den Druckkörper (17) wirkende Druckfeder (16) in einer radialen Bohrung (18) des Deckringes (9) angeordnet ist.
  6. Radialpumpe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche (19) durch den Mantelbereich (15) des Deckringes (9) gebildet ist und dass der Druckkörper (17) im Bereich einer saugraumseitigen Innenfläche (2a) des Gehäuses (2) angeordnet ist, wobei vorzugsweise eine auf den Druckkörper (17) einwirkende Druckfeder (16) in einer radialen Bohrung (18) des Gehäuses (2) angeordnet ist.
  7. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche (19) bezüglich der Laufradachse (10) um einen Winkel (α) kleiner als etwa 20°, vorzugsweise kleiner als etwa 10° geneigt ist.
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