EP3295034A1 - Kreiselpumpe mit verschiebbarem rotor - Google Patents

Kreiselpumpe mit verschiebbarem rotor

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Publication number
EP3295034A1
EP3295034A1 EP16733866.4A EP16733866A EP3295034A1 EP 3295034 A1 EP3295034 A1 EP 3295034A1 EP 16733866 A EP16733866 A EP 16733866A EP 3295034 A1 EP3295034 A1 EP 3295034A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
impeller
main body
centrifugal pump
cover body
impeller main
Prior art date
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Granted
Application number
EP16733866.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3295034B1 (de
Inventor
Gerald Feichtinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bitter Engineering & Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Bitter Engineering & Systemtechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Bitter Engineering & Systemtechnik GmbH filed Critical Bitter Engineering & Systemtechnik GmbH
Publication of EP3295034A1 publication Critical patent/EP3295034A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3295034B1 publication Critical patent/EP3295034B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • F04D15/0038—Varying behaviour or the very pump by varying the effective cross-sectional area of flow through the rotor
    • 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
    • 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
    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
    • F04D29/042—Axially shiftable rotors

Definitions

  • the invention relates to a centrifugal pump, in particular water pump, which is designed as a radial pump or Halbaxialpumpe, with a rotatably mounted in a housing about an axis and connected to a drive shaft impeller, which impeller has a rotor blades having impeller main body and a Laufraddeckusion, wherein for adjusting the impeller outlet width the impeller of the impeller main body and the impeller cover body are axially displaceable relative to each other via an adjusting device.
  • Centrifugal pumps which can be regulated by impeller outlet width adjustment, are known.
  • the regulation of the impeller outlet width has the advantage of lower losses and higher efficiency in comparison with a throttle control over split ring valves, as is known, for example, from EP 1 657 446 A2, since no energy is destroyed, but only the energy required in each case Fluid is transferred.
  • the impeller blades are connected to a drive and pressure ⁇ side impeller wheel.
  • the adjustment of the impeller outlet width between an idling position and a pumping position is effected by an intake-side control disk, which has slots corresponding to the impeller blades and co-rotates with the impeller support disk.
  • the US 4,798,517 A discloses a pump with an impeller blades wear ⁇ the impeller whose outlet width is variable by a suction-side control disk, wherein the control disk has the impeller blades corresponding slots to be pushed over the impeller blades.
  • a similar variable geometry centrifugal pump is also known from US 5,169,286 A or US 4,828,455 A, respectively.
  • a disadvantage is that in operating areas of the pump, in which the unneeded ⁇ te impeller blade outlet width through the slots of the control disk protrudes into the water space, relatively high flow losses occur, whereby the efficiency of the pump is deteriorated in these operating areas.
  • Another disadvantage is that this concept applies only to two-dimensional blade Contours, but not for three-dimensional, so spatially curved impeller molds, as they are known for example from AT 506 342 Bl, DE 100 50 108 A or JP S59-165895 A, can use. With three-dimensionally curved impeller blades, the pump efficiency of centrifugal pumps can be significantly improved.
  • the flow rate change is effected by a drive and pressure side axially displaceable control disk.
  • conveying blades are arranged which delimit pump delivery spaces with an axial conveying wall.
  • the pump chambers are axially limited on the axial conveying wall side by the end face of the control disk.
  • US 6,074,167 A discloses a variable geometry centrifugal pump wherein the impeller has an inner disk and an outer ring between which two-dimensional helically-curved impeller blades are interposed. Between the inner disc and the outer ring is an axially displaceable control disc, which has spiral slots for the impeller blades. By axial displacement of the control disc between the inner disc and the outer ring of the impeller by means of a Actuator, the impeller blade length between short impeller blade for low flow rates and long impeller blades for high flow rates can be switched.
  • the invention is therefore an object of the centrifugal pumps - especially with spatially curved impeller geometry - to ensure an active and reliable control with very low drive power over the entire speed and temperature range.
  • the impeller main body is arranged axially displaceable on the drive shaft, wherein the adjusting device is operatively connected to the impeller main body.
  • impeller cover body can deviate from a purely cylindrical disc shape.
  • the front side of the impeller cover body facing the impeller main body may have an area which is concavely curved, for example, which is designed in accordance with the optimum flow conditions in the vane passages.
  • Actively connected means that the adjusting device physically communicates with its function for adjusting the impeller main body with the impeller main body.
  • this compound may be mechanical, hydraulic, pneumatic or electromagnetic type.
  • the inventive design of the impeller results in consequence of the pressure distribution on the impeller a significantly lower axial thrust compared to conventional impeller designs and thus lower adjustment forces.
  • the impeller cover body is rigid, ie non-rotatable and non-displaceable, connected to the pump shaft.
  • the impeller cover body is thus immovably and non-rotatably drivably connected to the drive shaft.
  • the impeller cover body has groove-shaped pockets for receiving the impeller blades on the front side facing the impeller main body, the pockets preferably being closed on the rear side of the impeller cover body facing away from the impeller main body.
  • the depth of the pockets of the impeller cover body is dimensioned so that the pockets when the axial displacement of the impeller main body, the impeller blades completely or - up to a defined minimum impeller outlet width - can accommodate predominantly.
  • the impeller cover body is arranged on the suction side facing away from the impeller main body, and the suction-side impeller main body
  • the impeller main body should be pivotable relative to the impeller cover body about the axis of rotation by at least a defined angular range, to allow a displacement of the impeller blades in and out of the pockets.
  • the angle range is defined by the pitch of the three-dimensionally curved impeller blades. In an axial adjustment of the impeller main body so this is rotated according to the pitch of the impeller blades relative to the angular position of the impeller cover body.
  • the impeller main body is arranged on the side facing away from the drive side of the impeller.
  • the impeller cover body is conveniently arranged on the side facing away from the suction mouth drive side of the impeller.
  • the impeller main body is sealed on the side facing away from the impeller cover body relative to the housing via at least one labyrinth seal. It is particularly advantageous if in each case a labyrinth seal between the impeller main body and the housing of the pump is arranged both in the region of the suction mouth of the impeller, as well as near the exit from the impeller.
  • the labyrinth seal consists in a known manner of intermeshing elements of the impeller main body and the housing, in the simplest case of an annular projection of the one part which engages in a corresponding shaped and dimensioned annular groove of the other part.
  • the adjustment of the impeller main body can be done in various ways mechanically, electromagnetically, pneumatically, hydraulically or thermally.
  • Mechanical adjustments can be realized for example by helical or thrust gear.
  • the adjusting device may comprise a rotatable via an actuator threaded spindle and a spindle nut, wherein the threaded spindle is rotatably mounted within the drive shaft designed as a hollow shaft and the spindle nut is in contact with the impeller main body, and wherein the spindle nut and the Impeller main body in the axial direction immovable, preferably rotatable relative to each other, are connected together.
  • the adjusting device may comprise a sliding gear with a sliding via an actuator push rod, which is connected to a sliding sleeve, wherein the push rod is mounted axially displaceable within the drive shaft designed as a hollow shaft and the push sleeve with the impeller main body is connected, and wherein the thrust sleeve and the impeller main body in the axial direction immovable, preferably rotatable relative to each other, are interconnected.
  • the electromagnetic actuator has at least one electromagnet fixed to the housing and at least one preferably annular permanent magnet fixedly connected to the impeller main body, preferably the at least one permanent magnet in the region of an impeller main body and the housing sealing labyrinth seal is arranged.
  • FIG. 1 shows a centrifugal pump according to the invention in a first embodiment in a longitudinal section.
  • FIG. 2 shows a centrifugal pump according to the invention in a second embodiment in a longitudinal section.
  • FIG. 3 shows a centrifugal pump according to the invention in a third embodiment in a longitudinal section
  • FIG. 4 shows a centrifugal pump according to the invention in a fourth embodiment in a longitudinal section in a first end position.
  • FIG. 6 shows a centrifugal pump according to the invention in a fifth embodiment in a longitudinal section in a first end position.
  • FIG. 7 shows this centrifugal pump in a second end position in a longitudinal section
  • FIGS. 6 and 7 shows an impeller of the centrifugal pump shown in FIGS. 6 and 7 in an oblique view. Functionally identical parts are provided in the embodiments with the same reference numerals.
  • FIGS. 1 to 7 each show a centrifugal pump 1 with a two-part housing 2, in which a multi-part impeller 3 is arranged.
  • the impeller 3 is composed of an impeller main body 4 and an impeller cover body 5, wherein a plurality of three-dimensionally curved impeller blades 6 are fixedly connected to, for example, integral with the impeller main body 4.
  • the impeller cover body 5 is non-rotatably and also non-displaceably connected to a drive shaft 7, which is mounted by means of shaft bearings 9 in the housing 2 rotatably about the axis 8.
  • the drive shaft is driven, for example via a pulley 7a via a traction means not further shown.
  • the impeller main body 4 is mounted in each case axially displaceable on the impeller cover body 5. A direct connection between the drive shaft 7 and impeller main body 4 is not provided in the examples.
  • the impeller main body 4 is disposed on the suction side 10 of the centrifugal pump 1 and forms the suction port 11.
  • the impeller cover body 5 is arranged on the drive side 12 and has a front side 13 facing the impeller main body 4 which, together with the impeller blades 6 and the inner side 14 of the impeller main body 4, spans closed blade channels 15.
  • the impeller cover body 5 has on the front side 13 groove-like pockets 16, which are formed according to the three-dimensional curvature of the impeller blades 6.
  • the pockets 16 are designed to be closed towards the rear wheel 17 of the wheel cover body 5 facing away from the wheel main body 4 and designed so that the wheel blades 6 can be inserted at least predominantly.
  • the impeller blades 6 and the pockets 16 form a positive fit in the direction of rotation, so that the impeller main body 4 is driven via this form fit by the impeller cover body 5, while the impeller cover body 5 is driven directly by the drive shaft 7.
  • the housing 2 of the centrifugal pump forms an outlet spiral 2a.
  • the suction-side impeller main body 4 is mounted axially displaceably in the hub 5a of the impeller cover body 5.
  • the impeller blades 6 of the impeller main body 4 can dip in the pockets 16, whereby the impeller vane outlet width b between a minimum value and a maximum value can be adjusted by displacing the impeller main body 4.
  • a smooth sliding of the impeller main body 4 on the impeller cover body 5 can be achieved when the impeller material is modified with lubricants.
  • the pockets 16 in the impeller cover body 5 may be covered with a cover 17 forming the back 17 of the impeller cover body 5b in order to avoid pressure-side flow losses.
  • labyrinth seals 20, 21 are arranged between the impeller main body 4 and the housing 2, wherein in the embodiment variants shown in FIGS first labyrinth seal 20 in the region of the suction mouth 11 and an outer second labyrinth seal 21 in the region of the pressure side 18 facing outer diameter 4b of the impeller main body 4 is provided.
  • first labyrinth seal 20 in the region of the suction mouth 11 and an outer second labyrinth seal 21 in the region of the pressure side 18 facing outer diameter 4b of the impeller main body 4 is provided.
  • the first and second labyrinth seals 20, 21 are combined and arranged directly adjacent.
  • Each labyrinth seal 20, 21 consists of intermeshing elements 20a, 20b; 21a, 21b of the impeller main body 4 and the housing 2, that is, for example, an annular projection 20a, 21a of the one part, for example, the impeller main body 4, which engages in a corresponding annular groove 20b, 21b of the other part, for example, the housing 2.
  • the cylindrical projections 20a, 21a form, together with the corresponding annular grooves 20b, 21b of the housing 2, the labyrinth seals 20, 21.
  • the impeller main body 4 is moved via an adjusting device 22 in the axial direction along the axis 8 of the drive shaft 7 - in the embodiment variants shown in FIGS. 1 to 5 against the force of a restoring force formed by a return spring 23.
  • the adjustment of the impeller main body 4 can be effected in various ways mechanically, electromagnetically, pneumatically, hydraulically or thermally.
  • a mechanical adjustment in FIG. 3, an electromagnetic adjustment is provided.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention, wherein the adjusting device 22 has a helical gear 24 with a rotatable via an actuator 25 threaded spindle 26 and a spindle nut 27, wherein the threaded spindle 26 and the spindle nut 27 are formed as a coarse thread drive.
  • the threaded spindle 26 is rotatably supported within the formed as a hollow shaft drive shaft 7 via slide bearings 19 and secured axially. Between the threaded spindle 26 and the drive shaft 7, a seal 19 a is arranged.
  • the spindle nut 27 is connected to the impeller main body 4, wherein the spindle nut 27 and the impeller main body 4 are non-slidably and rotatably connected with each other in the axial direction.
  • the threaded spindle 26 can be rotated via the actuator 25 clockwise or counterclockwise.
  • the spindle nut 27 is in unregulated operation, for example in case of failure of the actuator 25, of the bearing in the impeller cover 5, designed as a compression spring return spring 23, the hub 4a of the impeller main body 4 and a thrust bearing 28 moves against a stop 29 on the threaded spindle 26, thereby fail-safe setting the maximum impeller outlet width bmax.
  • the spindle nut 27 In controlled operation, the spindle nut 27, depending on the required function, via the actuator 25 and the threaded spindle 26 against the thrust bearing 28, the hub 4a of the impeller main body 4 and the return spring 23 moves and thus set the desired impeller blade outlet width b.
  • the actuator 25 may be formed by a stepper motor 30 and a spur gear 31, for example.
  • FIG. 2 shows a second variant according to the invention, wherein the adjusting device 22 has a thrust mechanism 32 with a push rod 33 and a push sleeve 34.
  • the push rod 33 is slidably mounted in the hollow drive shaft 7 via slide bearings 19 and sealed by at least one seal 19a.
  • the push rod 33 protrudes centrally through the bearing 35 of the actuator 25, wherein at the first end 33 a of the push rod 33, a stop 29, which may be secured against rotation, is fixedly connected to the push rod 33.
  • the push rod 33 can be moved via the actuator 25 in the direction of the pulley 7a.
  • the push sleeve 34 is fixedly connected to the push rod 33.
  • the push rod 33 In unregulated operation, for example in case of failure of the actuator 25, the push rod 33 is moved by the mounted in the impeller cover body 5 return spring 23, the hub 4a of the impeller main body 4 and the thrust bearing 28 in the suction side until the stop 29 on the bearing 35 of the actuator 25th is present, which fails to set the maximum impeller blade outlet width bmax.
  • the push rod 33 In controlled operation, the push rod 33, depending on the required function, is moved via the actuator 25 in the direction of the pulley 7a and thus deflected via the push sleeve 34, the thrust bearing 28 and the hub 4a of the impeller main body 4 against the spring formed as a compression spring 23 and thus the desired impeller outlet width b set.
  • the actuator 25 may be, for example, a pneumatic, hydraulic or electric lifting element.
  • FIG. 3 shows a third variant according to the invention, wherein the adjusting device 22 has an electromagnetic actuator 25.
  • the adjusting device 22 has at least one permanently connected to the impeller main body 4 permanent magnet 36 and a fixedly connected to the housing 2 electromagnet 37.
  • the permanent magnets 36 and corresponding electromagnets 37 can in the area of the outer labyrinth seal 21 be arranged.
  • the impeller main body 4 In uncontrolled operation, for example, in the event of failure of the actuator 25, the impeller main body 4 is moved by the return spring 23 and the hub 4a of the impeller main body 4 mounted in the impeller cover body 5, for example as a compression spring, toward the suction side 10 until the hub 4a of the impeller main body 4 is present at the arranged on the drive shaft 7 stop 29, wherein failsafe sets the maximum impeller vane outlet width bmax.
  • the impeller main body 4 In controlled operation, by appropriate energization of the electromagnet 37, depending on the required function, the impeller main body 4 is moved against the return spring 23 in the direction of the drive side 12 and thus set the desired impeller blade outlet width b.
  • the adjusting device 22 has a helical gear 24 with a threaded spindle 26 which can be rotated via an actuator 25 and a spindle nut 27.
  • the threaded spindle 26 is rotatably supported within the formed as a hollow shaft drive shaft 7 via slide bearings 19 and secured axially. Between the threaded spindle 26 and the drive shaft 7, a seal 19 a is arranged.
  • the spindle nut 27 is connected to the impeller main body 4, wherein the spindle nut 27 and the impeller main body 4 are non-slidably and rotatably connected with each other in the axial direction.
  • the threaded spindle 26 can be rotated via the actuator 25 clockwise or counterclockwise.
  • the spindle nut 27 is moved in unregulated operation, for example in case of failure of the actuator 25, of the bearing in the impeller cover body 5, designed as a compression spring return spring 23 in the end position shown in Fig. 4 with maximum impeller blade outlet width bmax.
  • the spindle nut 27, depending on the required function, via the actuator 25 and the threaded spindle 26 moves against the return spring 23 and thus set the desired impeller blade outlet width b.
  • the actuator 25 may be formed by a stepper motor 30 and a spur gear 31, for example.
  • FIGS. 6 and 7 show a fifth embodiment variant according to the invention, wherein the adjusting device 22 has a thrust mechanism 38 with a push rod 33 and a push sleeve 34.
  • the push rod 33 is slidably mounted in the hollow drive shaft 7 via slide bearings 19 and sealed by at least one seal 19a.
  • the push rod 33 is connected at a first end 33a via a linkage 38 with the actuator 25 and can be moved via this in the direction of the pulley 7a.
  • the push sleeve 34 is fixedly connected to the push rod 33.
  • the push rod 33 is moved, depending on the required function, via the actuator 25 in the direction of the pulley 7a and therewith with deflected over the thrust sleeve 34, the thrust bearing 28 and the hub 4a of the impeller main body 4 and thus set the desired impeller vane outlet width b.
  • the actuator 25 may be, for example, a pneumatic, hydraulic or electric lifting element.
  • Fig. 8 shows an impeller main body 4 of the impeller 3 of the centrifugal pump 1 shown in Figs. 6 and 7.
  • the impeller main body 4 includes a plurality of three-dimensionally curved impeller blades 6, in the embodiment each blade 6 having a first portion 6a and a substantially axial one having subsequent second section 6b.
  • the first section 6a is substantially two-dimensional, ie in a normal plane ⁇ on the axis 8 of the drive shaft 7 and push rod 33, curved and formed so that it can dip into the groove-shaped pockets 16 of the impeller cover body 5.
  • the impeller blades 6 are curved three-dimensionally. This second section 6b also remains outside the pockets 16 in the second end position shown in FIG.
  • an active and reliable control of the centrifugal pump 1 with very low drive power can be achieved over the entire speed and temperature range.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe (1), insbesondere Wasserpumpe, welche als Radialpumpe oder Halbaxialpumpe ausgebildet ist, mit einem in einem Gehäuse (2) um eine Achse (8) drehbar angeordneten und mit einer Antriebswelle (7) verbundenen Laufrad (3), welches Laufrad (3) einen Laufradschaufeln (6) aufweisenden Laufradhauptkörper (4) und einen Laufraddeckkörper (5) aufweist, wobei Laufradhauptkörper (4) und Laufraddeckkörper (5) relativ zueinander über eine Verstelleinrichtung (22) axial verschiebbar sind. Um über den gesamten Drehzahl-, und Temperaturbereich eine aktive und zuverlässige Regelung der Kreiselpumpe (1) mit sehr geringer Antriebsleistung zu erreichen, ist vorgesehen, dass der Laufradhauptkörper (4) axial verschiebbar auf der Antriebswelle (7) oder dem Laufraddeckkörper (5) angeordnet ist, wobei die Verstelleinrichtung (22) mit dem Laufradhauptkörper (4) wirkverbunden ist.

Description

KREISELPUMPE MIT VERSCHIEBBAREM ROTOR
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, insbesondere Wasserpumpe, welche als Radialpumpe oder Halbaxialpumpe ausgebildet ist, mit einem in einem Gehäuse um eine Achse drehbar angeordneten und mit einer Antriebswelle verbundenen Laufrad, welches Laufrad einen Laufradschaufeln aufweisenden Laufradhauptkörper und eine Laufraddeckscheibe aufweist, wobei zur Verstellung der Laufradaustrittsbreite des Laufrades der Laufradhauptkörper und der Laufraddeckkörper relativ zueinander über eine VerStelleinrichtung axial verschiebbar sind.
Insbesondere bei als Kühlmittelpumpen von Brennkraftmaschinen zum Antrieb von Fahrzeugen ergibt sich die Forderung nach geringem minimalen Kühlmittelstrom in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine und einer bedarfsgerechten Regelung entsprechend dem Betrieb der Brennkraftmaschine.
Kreiselpumpen, welche durch Laufradaustrittsbreitenverstellung geregelt werden können, sind bekannt. Die Regelung der Laufradaustrittsbreite hat im Vergleich mit einer Drosselregelung über Spaltringschieber, wie sie beispielsweise aus der EP l 657 446 A2 bekannt ist, den Vorteil von geringeren Verlusten und eines höheren Wirkungsgrades, da keine Energie vernichtet wird, sondern nur die jeweils benötigte Energie auf das Fluid übertragen wird.
Bei der EP 2 299 120 AI sind die Laufradschaufeln mit einer antriebs- und druck¬ seitigen Laufradtragscheibe verbunden. Die Verstellung der Laufradaustrittsbreite zwischen einer Leerlaufstellung und einer Pumpstellung erfolgt durch eine saug- seitige Steuerscheibe, welche den Laufradschaufeln entsprechende Schlitze aufweist und mit der Laufradtragscheibe mitrotiert.
Die US 4,798,517 A offenbart eine Pumpe mit einem Laufradschaufeln tragen¬ dem Laufrad, dessen Austrittsbreite durch eine saugseitige Steuerscheibe variierbar ist, wobei die Steuerscheibe den Laufradschaufeln entsprechende Schlitze aufweist, um über die Laufradschaufeln geschoben zu werden. Eine ähnliche Zentrifugalpumpe mit variabler Geometrie ist jeweils auch aus der US 5,169,286 A oder der US 4,828,455 A bekannt.
Nachteilig ist, dass in Betriebsbereichen der Pumpe, bei denen die nicht benötig¬ te Laufradschaufelaustrittsbreite durch die Schlitze der Steuerscheibe hindurch in den Wasserraum ragt, relativ hohe Strömungsverluste entstehen, wodurch der Wirkungsgrad der Pumpe in diesen Betriebsbereichen verschlechtert wird. Ein weiterer Nachteil ist, dass diese Konzept sich nur für zweidimensionale Schaufel- konturen, aber nicht für dreidimensional, also räumlich gekrümmte Laufradschaufelformen, wie sie beispielsweise aus der AT 506 342 Bl, der DE 100 50 108 A oder der JP S59-165895 A bekannt sind, einsetzen lassen. Mit dreidimensional gekrümmten Laufradschaufeln lässt sich der Pumpenwirkungsgrad von Kreiselpumpen wesentlich verbessern.
Eine weitere Zentrifugalpumpe mit variabler Geometrie, wobei die Laufradschau- felaustrittsbreite durch eine Steuerscheibe verändert wird, welche über die Laufradschaufeln des axial unverschiebbaren Laufrades geschoben wird, ist aus der US 4,828,454 A bekannt. Die in dieser Veröffentlichung beschriebene Lösung unterscheidet sich von den beschriebenen vor allem dadurch, dass die nicht benötigte Laufradschaufelaustrittsbreite nicht in den Wasserraum, sondern in Nuten der saugseitigen Steuerscheibe ragt, die am Laufradsaugmund- und Laufrad- Außendurchmesser abgedeckt werden. Auch hier treten Strömungsverluste auf, wenn auch etwas geringer als bei den oben genannten Veröffentlichungen. Die Deckscheibe wird hydraulisch in axialer Richtung verschoben und mechanisch mittels Feder rückgestellt, wobei die Laufradschaufelaustrittsbreite desto geringer ist je höher der Pumpen-Förderdruck ist. Daher ist nur eine Förderstrom be- grenzung möglich, aber die Forderungen nach geringem minimalen Kühlmittelstrom in der Warmlaufphase und eine bedarfsgerechte Regelung entsprechend dem Betrieb der Brennkraftmaschine ist nicht realisierbar. Aufgrund des Platzbedarfs des Verstellmechanismus und der Rückstellfedern in die Deckscheibe können nur saugseitig offene Laufradbauformen eingesetzt werden, der Strömungskanal kann nicht optimal, gestaltet werden. Eine ähnliche Lösung ist auch aus der US 2005/118018 A bekannt, wobei hier aber eine exzentrisch angebrachte Versteileinrichtung vorgesehen ist.
Bei der in der DE 103 44 309 AI beschriebenen Förderpumpe erfolgt die Fördermengenänderung durch eine antriebs- und druckseitig angeordnete axial verschiebbare Steuerscheibe. An der Antriebswelle sind in einem der Antriebsseite abgewandten Bereich Förderschaufeln angeordnet, die mit einer axialen Förderwand Pumpenförderräume begrenzen. Die Pumpenräume sind auf der der axialen Förderwand gegenüberliegenden Seite axial durch die Stirnseite der Steuerscheibe begrenzt.
Die US 6,074,167 A offenbart eine Zentrifugalpumpe mit variabler Geometrie, wobei das Laufrad eine innere Scheibe und einen äußeren Ring aufweist, zwischen welchen zweidimensional spiralförmig gekrümmte Laufradschaufeln angeordnet sind. Zwischen der inneren Scheibe und dem äußeren Ring befindet sich eine axial verschiebbare Steuerscheibe, welche spiralförmige Schlitze für die Laufradschaufeln aufweist. Durch axiales Verschieben der Steuerscheibe zwischen der inneren Scheibe und dem äußeren Ring des Laufrades mittels eines Aktuators kann die Laufradschaufellänge zwischen kurzen Laufradschaufel für geringe Fördermengen und langen Laufradschaufeln für hohe Fördermengen umgeschaltet werden.
Ferner ist aus der US 2010 006 044 A eine Wasserpumpe mit variabler Kapazität bekannt, wobei nicht die Laufradbreite, sondern die axiale Position des Laufrades verstellt wird. Die Regelung erfolgt dabei durch Erhöhung oder Verminderung der Spaltverluste, wodurch die Pumpe mit relativ schlechtem Wirkungsgrad betrieben werden muss.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei Kreiselpumpen - insbesondere mit räumlich gekrümmter Laufradschaufelgeometrie - über den gesamten Drehzahl- und Temperaturbereich eine aktive und zuverlässige Regelung mit sehr geringer Antriebsleistung zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass der Laufradhauptkörper axial verschiebbar auf der Antriebswelle angeordnet ist, wobei die Versteileinrichtung mit dem Laufradhauptkörper wirkverbunden ist.
Unter Laufradhauptkörper ist hier jener erste Teil des mehrteiligen Laufrades zu verstehen, welcher die Laufradschaufeln trägt, also mit welchem die Laufradschaufeln fest und unbeweglich verbunden sind. Jener zweite Teil des Laufrades, welcher die Schaufelkanäle an der dem Laufradhauptkörper abgewandten Stirnseite abschließt, wird hier als Laufraddeckkörper bezeichnet. Der Laufraddeckkörper kann dabei von einer rein zylindrischen Scheibenform abweichen. Insbesondere kann die dem Laufradhauptkörper zugewandte Frontseite der des Laufraddeckkörpers eine beispielsweise konkav gekrümmte Fläche aufweisen, welche entsprechend den optimalen Strömungsbedingungen in den Schaufelkanälen gestaltet ist.
Wirkverbunden heißt, dass die Versteileinrichtung physikalisch ihrer Funktion zur Verstellung des Laufradhauptkörpers mit dem Laufradhauptkörper in Verbindung steht. Je nach Ausbildung der Versteileinrichtung kann diese Verbindung mechanischer, hydraulischer, pneumatischer oder elektromagnetischer Art sein.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Laufrades ergibt sich zu Folge der Druckverteilung am Laufrad ein signifikant geringerer Achsschub im Vergleich zu herkömmlichen Laufradbauformen und damit geringere Verstellkräfte.
Vorzugsweise ist der Laufraddeckkörper starr, also drehfest und verschiebefest, mit der Pumpenwelle verbunden. Der Laufraddeckkörper ist somit unverschiebbar und unverdrehbar mit der Antriebswelle antriebsverbunden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Laufraddeckkörper auf der dem Laufradhauptkörper zugewandten Frontseite nutförmige Taschen zur Aufnahme der Laufradschaufeln aufweist, wobei vorzugsweise die Taschen auf der dem Laufradhauptkörper abgewandten Rückseite des Laufraddeckkörpers geschlossen sind. Die Tiefe der Taschen des Laufraddeckkörpers ist dabei so dimensioniert, dass die Taschen bei axialer Verschiebung des Laufradhauptkörpers die Laufradschaufeln vollständig oder - bis auf eine definierte minimale Laufradaustrittsbreite - überwiegend aufnehmen können.
Dadurch, dass der Laufraddeckkörper auf der der Saugseite abgewandten Seite des Laufradhauptkörpers angeordnet ist, und der saugseitige Laufradhauptkörper
- und nicht der Laufraddeckkörper - verstellt wird, können Strömungsverluste vermieden werden. Saugseitig gibt es keine axial vorspringenden Teile, welche sich eventuell Nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirken könnten. Die Laufradschaufeln können in Taschen des Laufraddeckkörpers eintauchen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Laufradschaufeln - zumindest innerhalb des Durchmessers des Saugmundes
- dreidimensional gekrümmt sind. Dies ermöglicht besonders gute Wirkungsgrade der Kreiselpumpe. Geht die räumliche Krümmung der Laufradschaufeln über den Durchmesser des Saugmundes hinaus, so können auch die Taschen entsprechend der dreidimensionalen Laufradschaufelform dreidimensional gekrümmt sein. In diesem Falle sollte der Laufradhauptkörper relativ zum Laufraddeckkörper um die Drehachse um zumindest einen definierten Winkelbereich schwenkbar ausgebildet sein, um ein Verschieben der Laufradschaufeln in die und aus den Taschen zu ermöglichen. Dabei wird der Winkelbereich durch die Steigung der dreidimensional gekrümmten Laufradschaufeln definiert. Bei einer axialen Verstellung des Laufradhauptkörpers wird dieser also entsprechend der Steigung der Laufradschaufeln relativ zum Winkellage des Laufraddeckkörpers verdreht.
Abgesehen von dieser geringfügigen Relativverdrehbewegung bei Verschiebung des Laufradhauptkörpers ist der Laufradhauptkörper mit dem Laufraddeckkörper antriebsverbunden und wird also von diesem angetrieben, also um die Drehachse gedreht. Diese Antriebsverbindung erfolgt am einfachsten direkt durch den in Drehrichtung wirkenden Formschluss zwischen den Laufradschaufeln und den Taschen. Um ein selbständiges Verstellen der Laufradaustrittsbreite zu Folge der Drehbewegung des Laufrades zu vermeiden, ist es günstig, wenn die axiale Position des Laufradhauptkörpers durch die Versteileinrichtung in jeder Verstelllage fixierbar ist.
Besonders geringe Verstell kräfte für die Laufradaustrittsbreitenverstellung werden benötigt, wenn der axial verschiebbare Laufradhauptkörper den Saugmund der Kreiselpumpe ausbildet. Insbesondere bei dreidimensional gekrümmten Laufradschaufeln mit geschlossenen Schaufelkanälen haben Berechnungen und Versuche ergeben, dass die Laufradaustrittsbreitenverstellung durch Verschiebung des Laufradhauptkörpers besondere Vorteile im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Verschiebung einer Steuerscheibe bringt, da wesentlich geringere Verstellkräfte nötig sind. Der Grund dafür ist, dass sich die beidseits auf den Laufradhauptkörper wirkenden Druckkräfte bei saugseitiger Anordnung des Laufradhauptkörpers zumindest annähernd aufheben, sodass die auf den Laufradhauptkörper wirkende resultierende Axialkraft sehr klein oder sogar annähernd Null ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Laufradhauptkörper auf der der Antriebsseite abgewandten Seite des Laufrades angeordnet ist. Der Laufraddeckkörper ist dabei günstigerweise auf der dem Saugmund abgewandten Antriebsseite des Laufrades angeordnet.
Um in jeder Verschiebestellung des Laufradhauptkörpers druck- und Strömungsverluste so klein wie möglich zu halten, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Laufradhauptkörper auf der dem Laufraddeckkörper abgewandten Seite gegenüber dem Gehäuse über zumindest eine Labyrinthdichtung abgedichtet ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn sowohl im Bereich des Saugmundes des Laufrades, als auch nahe dem Austritt aus dem Laufrad jeweils eine Labyrinthdichtung zwischen dem Laufradhauptkörper und dem Gehäuse der Pumpe angeordnet ist. Die Labyrinthdichtung besteht in bekannter Weise aus sich verkämmenden Elementen des Laufradhauptkörpers und des Gehäuses, im einfachsten Fall aus einem ringförmigen Vorsprung des einen Teils, der in eine entsprechende geformte und dimensionierte Ringnut des anderen Teils eingreift.
Die Verstellung des Laufradhauptkörpers kann auf verschiedenste Weise mechanisch, elektromagnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder thermisch erfolgen.
Mechanische Verstellungen können beispielsweise durch Schraubgetriebe oder Schubgetriebe realisiert werden.
Bei einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante mit einem Schraubgetriebe kann die Versteileinrichtung eine über einen Aktuator verdrehbare Gewindespindel und eine Spindelmutter aufweisen, wobei die Gewindespindel innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle drehbar gelagert ist und die Spindelmutter mit dem Laufradhauptkörper in Kontakt steht, und wobei die Spindelmutter und der Laufradhauptkörper in axialer Richtung unverschiebbar, vorzugsweise relativ zueinander drehbar, miteinander verbunden sind. Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante mit einem Schubgetriebe kann die Versteileinrichtung ein Schubgetriebe mit einer über einen Aktua- tor verschiebbaren Schubstange aufweisen, welche mit einer Schubmuffe verbunden ist, wobei die Schubstange innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle axial verschiebbar gelagert ist und die Schubmuffe mit dem Laufradhauptkörper verbunden ist, und wobei die Schubmuffe und der Laufradhauptkörper in axialer Richtung unverschiebbar, vorzugsweise relativ zueinander drehbar, miteinander verbunden sind.
In einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante mit einem elektromagnetischen Aktuator ist vorgesehen, dass der elektromagnetische Aktuator zumindest einen gehäusefesten Elektromagneten und zumindest einen vorzugsweise ringförmigen Permanentmagneten aufweist, welcher fest mit dem Laufradhauptkörper verbunden ist, wobei vorzugsweise der zumindest einen Permanentmagneten im Bereich einer den Laufradhauptkörper und das Gehäuse abdichtenden Labyrinthdichtung angeordnet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der nichteinschränkenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe in einer ersten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe in einer dritten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt;
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe in einer vierten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt in einer ersten Endstellung;
Fig. 5 diese Kreiselpumpe in einer zweiten Endstellung in einem Längsschnitt;
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe in einer fünften Ausführungsvariante in einem Längsschnitt in einer ersten Endstellung;
Fig. 7 diese Kreiselpumpe in einer zweiten Endstellung in einem Längsschnitt; und
Fig. 8 ein Laufrad der in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellten Kreiselpumpe in einer Schrägansicht. Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 bis Fig. 7 zeigen jeweils eine Kreiselpumpe 1 mit einem zweiteiligen Gehäuse 2, in welchem ein mehrteiliges Laufrad 3 angeordnet ist. Das Laufrad 3 besteht aus einem Laufradhauptkörper 4 und einem Laufraddeckkörper 5, wobei mehrere dreidimensional gekrümmte Laufradschaufeln 6 fest mit dem Laufradhauptkörper 4 verbunden, beispielsweise einstückig mit diesem hergestellt sind. Der Laufraddeckkörper 5 ist drehfest und auch verschiebefest mit einer Antriebswelle 7 verbunden, welche mittels Wellenlager 9 im Gehäuse 2 drehbar um die Achse 8 gelagert ist. Die Antriebswelle wird beispielsweise über eine Riemenscheibe 7a über ein nicht weiter dargestelltes Zugmittel angetrieben.
Der Laufradhauptkörper 4 ist jeweils axial verschiebbar am Laufraddeckkörper 5 gelagert. Eine direkte Verbindung zwischen der Antriebswelle 7 und Laufradhauptkörper 4 ist in den Beispielen nicht vorgesehen. Der Laufradhauptkörper4 ist auf der Saugseite 10 der Kreiselpumpe 1 angeordnet und bildet den Saugmund 11 aus. Der Laufraddeckkörper 5 ist auf der Antriebsseite 12 angeordnet und weist eine dem Laufradhauptkörper 4 zugewandte Frontseite 13 auf, welche zusammen mit den Laufradschaufeln 6 und der Innenseite 14 des Laufradhauptkörpers 4 geschlossene Schaufelkanäle 15 aufspannt. Der Laufraddeckkörper 5 weist auf der Frontseite 13 nutartige Taschen 16 auf, welche entsprechend der dreidimensionalen Krümmung der Laufradschaufeln 6 geformt sind. Die Taschen 16 sind zur dem Laufradhauptkörper 4 abgewandten Rückseite 17 des Laufraddeckkörpers 5 hin geschlossen ausgeführt und so gestaltet, dass die Laufradschaufeln 6 zumindest überwiegend eingeschoben werden können.
Die Laufradschaufeln 6 und die Taschen 16 bilden in Drehrichtung einen Form- schluss, sodass der Laufradhauptkörper 4 über diesen Formschluss durch den Laufraddeckkörper 5 angetrieben wird, während der Laufraddeckkörper 5 direkt durch die Antriebswelle 7 angetrieben wird.
Im Bereich der Druckseite 18 bildet das Gehäuse 2 der Kreiselpumpe eine Austrittsspirale 2a aus.
Der saugseitige Laufradhauptkörper 4, ist in der Nabe 5a des Laufraddeckkörpers 5 axial verschiebbar gelagert. Die Laufradschaufeln 6 des Laufradhauptkörpers 4 können in die Taschen 16 eintauchen, wodurch die Laufradschaufelaustrittsbreite b zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert durch Verschieben des Laufradhauptkörpers 4 eingestellt werden kann. Ein ruckfreies Gleiten des Laufradhauptkörpers 4 am Laufraddeckkörper 5 kann erreicht werden, wenn der Laufradwerkstoff mit Schmiermitteln modifiziert ist. Die Taschen 16 im Laufrad- deckkörper 5 können mit einer die Rückseite 17 des Laufraddeckkörpers 5 bildenden Abdeckung 5b abgedeckt sein, um druckseitige Strömungsverluste zu vermeiden.
Um in jeder Stellung des Laufradhauptkörpers 4 Strömungsverluste durch Kurzschlussströmungen zwischen Druckseite 18 und Saugseite 10 zu vermeiden, sind zwischen dem Laufradhauptkörper 4 und dem Gehäuse 2 Labyrinthdichtungen 20, 21 angeordnet, wobei bei den in den Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigten Ausführungsvarianten eine innere erste Labyrinthdichtung 20 im Bereich des Saugmundes 11 und eine äußere zweite Labyrinthdichtung 21 im Bereich des der Druckseite 18 zugewandten Außendurchmessers 4b des Laufradhauptkörpers 4 vorgesehen ist. Bei den in den Fig. 4 bis Fig. 7 dargestellten Ausführungsvarianten sind die erste und zweite Labyrinthdichtungen 20, 21 kombiniert und unmittelbar benachbart angeordnet. Jede Labyrinthdichtung 20, 21 besteht aus sich verkämmenden Elementen 20a, 20b; 21a, 21b des Laufradhauptkörpers 4 und des Gehäuses 2, also beispielsweise aus einem ringförmigen Vorsprung 20a, 21a des einen Teils, beispielsweise des Laufradhauptkörpers 4, der in eine korrespondierende Ringnut 20b, 21b des anderen Teils, beispielsweise des Gehäuses 2 eingreift. Die zylindrischen Vorsprünge 20a, 21a bilden zusammen mit den korrespondierenden Ringnuten 20b, 21b des Gehäuses 2 die Labyrinthdichtungen 20, 21 aus.
Der Laufradhauptkörper 4 wird über eine Versteileinrichtung 22 in axialer Richtung entlang der Achse 8 der Antriebswelle 7 - bei den in den Fig. 1 bis Fig. 5 gezeigten Ausführungsvarianten entgegen der Kraft einer durch eine Rückstellfeder 23 gebildeten Rückstellkraft - verschoben.
Die Verstellung des Laufradhauptkörpers 4 kann auf verschiedenste Weise mechanisch, elektromagnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder thermisch erfolgen. In den Fig. 1 und Fig. 2 ist eine mechanische Verstellung, in Fig. 3 eine elektromagnetische Verstellung vorgesehen.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante der Erfindung, wobei die Versteileinrichtung 22 ein Schraubgetriebe 24 mit einer über einen Aktuator 25 verdrehbaren Gewindespindel 26 und einer Spindelmutter 27 aufweist, wobei Gewindespindel 26 und die Spindelmutter 27 als Steilgewindeantrieb ausgebildet sind. Die Gewindespindel 26 ist innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 7 über Gleitlager 19 drehbar gelagert und axial gesichert. Zwischen der Gewindespindel 26 und der Antriebswelle 7 ist eine Dichtung 19a angeordnet. Die Spindelmutter 27 ist mit dem Laufradhauptkörper 4 verbunden, wobei die Spindelmutter 27 und der Laufradhauptkörper 4 in axialer Richtung unverschiebbar und relativ zueinander drehbar miteinander verbunden sind. Die Gewindespindel 26 kann über den Aktuator 25 im oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden. Die Spindelmutter 27 wird im ungeregelten Betrieb, beispielsweise bei Ausfall des Aktuators 25, von der im Laufraddeckkörper 5 gelagerten, als Druckfeder ausgebildeten Rückstellfeder 23, der Nabe 4a des Laufradhauptkörpers 4 und einem Axiallager 28 gegen einen Anschlag 29 auf der Gewindespindel 26 bewegt, wodurch sich ausfallssicher die maximale Laufrad- schaufelaustrittsbreite bmax einstellt. Im geregelten Betrieb wird die Spindelmutter 27, je nach geforderter Funktion, über den Aktuator 25 und die Gewindespindel 26 gegen das Axiallager 28, die Nabe 4a des Laufradhauptkörpers 4 und die Rückstellfeder 23 bewegt und damit die gewünschte Laufradschaufelaustritts- breite b eingestellt. Der Aktuator 25 kann beispielsweise durch einen Schrittmotor 30 und einen Stirnradantrieb 31 gebildet sein.
Fig. 2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsvariante, wobei die Versteilvorrichtung 22 ein Schubgetriebe 32 mit einer Schubstange 33 und einer Schubmuffe 34 aufweist. Dabei ist die Schubstange 33 in der hohl ausgebildeten Antriebswelle 7 über Gleitlager 19 verschiebbar gelagert und über zumindest eine Dichtung 19a abgedichtet. Die Schubstange 33 ragt zentrisch durch die Lagerung 35 des Aktuator 25 hinaus, wobei am ersten Ende 33a der Schubstange 33 ein Anschlag 29, welcher verdrehgesichert sein kann, fest mit der Schubstange 33 verbunden ist. Die Schubstange 33 kann über den Aktuator 25 Richtung der Riemenscheibe 7a bewegt werden. Am zweiten Ende 33b der Schubstange 33 ist die Schubmuffe 34 fest mit der Schubstange 33 verbunden. Im ungeregelten Betrieb, beispielsweise bei Ausfall des Aktuators 25, wird die Schubstange 33 von der im Laufraddeckkörper 5 gelagerten Rückstellfeder 23, der Nabe 4a des Laufradhauptkörpers 4 und dem Axiallager 28 in Richtung Saugseite bewegt, bis der Anschlag 29 an der Lagerung 35 des Aktuator 25 ansteht, wodurch sich ausfallssicher die maximale Laufradschaufelaustrittsbreite bmax einstellt. Im geregelten Betrieb wird die Schubstange 33, je nach geforderter Funktion, über den Aktuator 25 Richtung der Riemenscheibe 7a bewegt und damit über die Schubmuffe 34, das Axiallager 28 und die Nabe 4a des Laufradhauptkörpers 4 gegen die als Druckfeder ausgebildete Rückstellfeder 23 ausgelenkt und somit die gewünschte Laufradschaufelaustrittsbreite b eingestellt. Der Aktuator 25 kann beispielsweise ein pneumatisches, hydraulisches oder elektrisches Hubelement sein.
Fig. 3 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsvariante, wobei die Versteileinrichtung 22 einen elektromagnetischen Aktuator 25 aufweist. Die Versteileinrichtung 22 weist zumindest einen fest mit dem Laufradhauptkörper 4 verbundenen Permanentmagneten 36 sowie einen fest mit dem Gehäuse 2 verbundenen Elektromagneten 37 auf. Die Permanentmagnete 36 und korrespondierende Elektromagnete 37 können dabei im Bereich der äußeren Labyrinthdichtung 21 angeordnet sein. Im ungeregelten Betrieb, beispielsweise bei Ausfall des Ak- tuators 25, wird der Laufradhauptkörper 4 von der im Laufraddeckkörper 5 gelagerten, beispielsweise als Druckfeder ausgebildeten Rückstellfeder 23 und der Nabe 4a des Laufradhauptkörpers 4 in Richtung der Saugseite 10 bewegt, bis die Nabe 4a des Laufradhauptkörpers 4 am an der Antriebswelle 7 angeordneten Anschlag 29 ansteht, wobei sich ausfallssicher die maximale Laufradschaufelaus- trittsbreite bmax einstellt. Im geregelten Betrieb wird, durch entsprechende Bestromung des Elektromagneten 37, je nach geforderter Funktion, der Laufradhauptkörper 4 gegen die Rückstellfeder 23 in Richtung der Antriebsseite 12 bewegt und damit die gewünschte Laufradschaufelaustrittsbreite b eingestellt.
Bei der in den Fig. 4 und Fig. 5 dargestellten vierten Ausführungsvariante weist die Versteileinrichtung 22 wie in Fig. 1 ein Schraubgetriebe 24 mit einer über einen Aktuator 25 verdrehbaren Gewindespindel 26 und einer Spindelmutter 27 auf. Die Gewindespindel 26 ist innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 7 über Gleitlager 19 drehbar gelagert und axial gesichert. Zwischen der Gewindespindel 26 und der Antriebswelle 7 ist eine Dichtung 19a angeordnet. Die Spindelmutter 27 ist mit dem Laufradhauptkörper 4 verbunden, wobei die Spindelmutter 27 und der Laufradhauptkörper 4 in axialer Richtung unverschiebbar und relativ zueinander drehbar miteinander verbunden sind.
Die Gewindespindel 26 kann über den Aktuator 25 im oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden. Die Spindelmutter 27 wird im ungeregelten Betrieb, beispielsweise bei Ausfall des Aktuators 25, von der im Laufraddeckkörper 5 gelagerten, als Druckfeder ausgebildeten Rückstellfeder 23 in die in Fig. 4 dargestellte Endstellung mit maximaler Laufradschaufelaustrittsbreite bmax bewegt. Im geregelten Betrieb wird die Spindelmutter 27, je nach geforderter Funktion, über den Aktuator 25 und die Gewindespindel 26 gegen die Rückstellfeder 23 bewegt und damit die gewünschte Laufradschaufelaustrittsbreite b eingestellt. Der Aktuator 25 kann beispielsweise durch einen Schrittmotor 30 und einen Stirnradantrieb 31 gebildet sein.
Die Fig. 6 und Fig. 7 zeigen eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsvariante, wobei die Versteilvorrichtung 22 ein Schubgetriebe 38 mit einer Schubstange 33 und einer Schubmuffe 34 aufweist. Dabei ist die Schubstange 33 in der hohl ausgebildeten Antriebswelle 7 über Gleitlager 19 verschiebbar gelagert und über zumindest eine Dichtung 19a abgedichtet. Die Schubstange 33 ist an einem ersten Ende 33a über ein Gestänge 38 mit dem Aktuator 25 verbunden und kann über diesen in Richtung der Riemenscheibe 7a bewegt werden. Am zweiten Ende 33b der Schubstange 33 ist die Schubmuffe 34 fest mit der Schubstange 33 verbunden. Im geregelten Betrieb wird die Schubstange 33, je nach geforderter Funktion, über den Aktuator 25 Richtung der Riemenscheibe 7a bewegt und da- mit über die Schubmuffe 34, das Axiallager 28 und die Nabe 4a des Laufradhauptkörpers 4 ausgelenkt und somit die gewünschte Laufradschaufelaustritts- breite b eingestellt. Der Aktuator 25 kann beispielsweise ein pneumatisches, hydraulisches oder elektrisches Hubelement sein.
Fig. 8 zeigt einen Laufradradhauptkörper 4 des Laufrades 3 der in den Fig. 6 und Fig. 7 abgebildeten Kreiselpumpe l .Der Laufradhauptkörper 4 beinhaltet mehrere dreidimensional gekrümmte Laufradschaufeln 6, wobei im Ausführungsbeispiel jede Laufschaufel 6 einen ersten Abschnitt 6a und einen im Wesentlichen daran axial anschließenden zweiten Abschnitt 6b aufweist. Der erste Abschnitt 6a ist im Wesentlichen zweidimensional, also in einer Normalebene ε auf die Achse 8 der Antriebswelle 7 bzw. Schubstange 33, gekrümmt und so ausgebildet, dass er in die nutförmigen Taschen 16 des Laufraddeckkörpers 5 eintauchen kann. Im zweiten Abschnitt 6b sind die Laufradschaufeln 6 dreidimensional gekrümmt. Dieser zweite Abschnitt 6b bleibt auch in der in Fig. 7 gezeigten zweiten Endstellung außerhalb der Taschen 16.
In jeder der Ausführungsvarianten kann über den gesamten Drehzahl-, und Temperaturbereich eine aktive und zuverlässige Regelung der Kreiselpumpe 1 mit sehr geringer Antriebsleistung erzielt werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Kreiselpumpe (1), insbesondere Wasserpumpe, welche als Radialpumpe oder Halbaxialpumpe ausgebildet ist, mit einem in einem Gehäuse (2) um eine Achse (8) drehbar angeordneten und mit einer Antriebswelle (7) verbundenen Laufrad (3), welches Laufrad (3) einen Laufradschaufeln (6) aufweisenden Laufradhauptkörper (4) und einen Laufraddeckkörper (5) aufweist, wobei zur Verstellung der Laufradaustrittsbreite (b) des Laufrades (3) der Laufradhauptkörper (4) und der Laufraddeckkörper (5) relativ zueinander über eine Versteileinrichtung (22) axial verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufradhauptkörper (4) axial verschiebbar auf der Antriebswelle (7) oder dem Laufraddeckkörper (5) angeordnet ist, wobei die Versteileinrichtung (22) mit dem Laufradhauptkörper (4) wirkverbunden ist.
2. Kreiselpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufraddeckkörper (5) starr mit der Antriebswelle (7) verbunden ist.
3. Kreiselpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufraddeckkörper (5) auf der dem Laufradhauptkörper (4) zugewandten Frontseite (13) nutförmige Taschen (16) zur Aufnahme der Laufradschaufeln (6) aufweist, wobei vorzugsweise die Taschen (16) auf der dem Laufradhauptkörper (4) abgewandten Rückseite (17) des Laufraddeckkörpers (5) geschlossen ausgebildet sind.
4. Kreiselpumpe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (6) - zumindest im Bereich des Saugmundes (11) - dreidimensional gekrümmt sind, wobei vorzugsweise die Taschen (16) ebenfalls entsprechend der dreidimensionalen Laufradschaufelform dreidimensional gekrümmt sind.
5. Kreiselpumpe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufradhauptkörper (4) relativ zum Laufraddeckkörper (5) um die Achse (8) um zumindest einen definierten einen Winkelbereich schwenkbar angeordnet ist.
6. Kreiselpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufradhauptkörper (4) mit dem Laufraddeckkörper (5) antriebsverbunden und durch diesen angetrieben ist.
7. Kreiselpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufradhauptkörper (4) den Saugmund (11) der Kreiselpumpe (1) ausbildet.
8. Kreiselpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufraddeckkörper (5) auf der dem Saugmund (11) abgewandten Antriebsseite (12) des Laufrades (3) angeordnet ist.
9. Kreiselpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Laufradhauptkörper (4) und dem Laufraddeckkörper (4) geschlossene Schaufelkanäle (15) ausgebildet sind.
10. Kreiselpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufradhauptkörper (4) auf der dem Laufraddeckkörper (5) abgewandten Seite gegenüber dem Gehäuse (2) über zumindest eine Labyrinthdichtung (20, 21) abgedichtet ist.
11. Kreiselpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteileinrichtung (22) ein Schraubgetriebe (24) mit einer über einen Aktuator (25) verdrehbaren Gewindespindel (26) und einer Spindelmutter (27) aufweist, wobei die Gewindespindel (26) innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle (7) drehbar gelagert ist und die Spindelmutter (27) mit dem Laufradhauptkörper (4) verbunden ist, und wobei die Spindelmutter (27) und der Laufradhauptkörper (4) in axialer Richtung unverschiebbar, vorzugsweise relativ zueinander drehbar, miteinander verbunden sind.
12. Kreiselpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteileinrichtung (22) ein Schubgetriebe (32) mit einer über einen Aktuator (25) verschiebbaren Schubstange (33) aufweist, welche mit einer Schubmuffe (34) verbunden ist, wobei die Schubstange (33) innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle (7) axial verschiebbar gelagert ist und die Schubmuffe (34)mit dem Laufradhauptkörper (4) verbunden ist, und wobei die Schubmuffe (34) und der Laufradhauptkörper (4) in axialer Richtung unverschiebbar, vorzugsweise relativ zueinander drehbar, miteinander verbunden sind.
13. Kreiselpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteileinrichtung (22) einen elektromagnetischen Aktuator (25) aufweist.
14. Kreiselpumpe (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Aktuator (25) zumindest einen gehäusefesten Elektromagneten (37) und zumindest einen vorzugsweise ringförmigen Permanentmagneten (36) aufweist, welcher fest mit dem Laufradhauptkörper (4) verbunden ist, wobei vorzugsweise der zumindest einen Permanentmagne- ten (36) im Bereich einer den Laufradhauptkörper (4) und das Gehäuse (2) abdichtenden Labyrinthdichtung (20, 21) angeordnet ist.
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