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Die
Erfindung betrifft eine Pumpe mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Sie
geht von der europäischen Offenlegungsschrift
EP 1 256 722 A2 aus. In
dieser ist eine Pumpe für flüssige Medien, insbesondere
eine Kühlwasserpumpe für Brennkraftmaschinen mit
innerer Verbrennung, beschrieben. Die Pumpe verfügt über ein
in einem Gehäuse angeordneten und um eine Drehachse antreibbares
Förderrad. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine saugt das
Förderrad Flüssigkeit über eine Saugleitung
an und fördert dieses druckseitig weitgehend radial nach
außen in das Kühlsystem der Brennkraftmaschine.
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Das
Förderrad versetzt die Strömung des Kühlwassers
hierbei vor der Pumpe durch innere Reibung und Wandreibung in eine
Rotationsbewegung mit einer Geschwindigkeit, die im Vergleich zu
der Fördegeschwindigkeit nicht unerheblich ist. Durch diese
Rotationsbewegung des Kühlwassers wird der Anströmungswinkel
der Strömung zum Förderrad verschlechtert, also
dessen Wirkungsgrad reduziert. Darüber hinaus kommt es
durch die zusätzliche Geschwindigkeitskomponente der Anströmung
in tangentialer Richtung letztlich auch zu höheren inneren Reibungsverlusten
der Strömung. Wenn sich diese Rotationsbewegung der Anströmung
ungehindert stromauf fortsetzt und in den Bereich der Umlenkung der
Strömungsführung kommt, kann die Rotationsbewegung
dort in Bereichen eine der normalen Strömungsrichtung entgegen
gesetzte Strömung bzw. Wirbel erzeugen, welche lokal den
hydraulischen Querschnitt reduzieren und somit höhere Druckverluste
zu weiteren Strömungsverlusten führen. Alle diese
Verluste führen schließlich zu einer höheren Leistungsaufnahme
der Pumpe und damit im Fall einer Kühlmittelpumpe einer
Brennkraftmaschine zu einem höheren Kraftstoffverbrauch.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Strömungsverluste
für eine gattungsgemäße Pumpe zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Durch
das Vermeiden einer durch das Förderrad einer Kreiselpumpe
stromaufwärts induzierten Rotationsströmung werden
die Verluste der Strömung reduziert. Dadurch wird entweder
bei gleicher Pumpe mehr Fördermenge oder Förderdruck
erreicht oder es wird durch eine kleinere Pumpe oder geringere Drehzahlen
der Pumpe ein gleicher Förderdruck bei gleicher Fördermenge
erzielt, womit die Leistungsaufnahme der Pumpe und der Kraftstoffverbrauch
der Brennkraftmaschine reduziert werden.
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Die
Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen
2 bis 4 sind besonders bevorzugte Ausführungsvarianten,
mit denen der Wirkungsgrad der Pumpe noch weiter erhöht
wird.
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Im
Folgenden ist die Erfindung anhand von vier Figuren anhand des Standes
der Technik und eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles näher
erläutert.
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1 zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht auf eine Pumpe gemäß dem
Stand der Technik.
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2 zeigt
einen Schnitt durch eine Pumpe gemäß dem Stand
der Technik.
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3 zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgestaltete
Pumpe 1.
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4 zeigt
einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete
Pumpe.
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Im
Folgenden gelten in allen vier Figuren für gleiche Bauelemente
die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt
eine dreidimensionale Aufsicht auf eine Pumpe 1 gemäß dem
Stand der Technik. Die Pumpe 1 weist ein transparent dargestelltes
Gehäuse 2 auf. In dem Gehäuse 2 ist
ein Förderrad 4 angeordnet, welches um eine Drehachse 3 drehbar
ist. Beim Drehen des Förderrades 4 um die Drehachse 3 saugt
das Förderrad 4 aus einer Saugleitung 2' eine Flüssigkeit
an und fördert diese weitgehend radial nach außen
in eine Abführleitung 6. Die Drehung des Förderrades 4 ist
durch einen Rotationspfeil schematisch dargestellt. Eine Strömungsrichtung
der Flüssigkeit ist ebenfalls schematisch durch Pfeile
dargestellt. Deutlich erkennbar ist wie durch innere Reibungseffekte
in der Flüssigkeit und in der Wechselwirkung mit der Saugleitung 2' bzw.
dem Gehäuse 2 die Flüssigkeit in eine
Drehbewegung vor dem Förderrad 4 versetzt wird.
Durch diese Rotationsbewegung der Flüssigkeit in Strömungsrichtung
vor dem Förderrad 4 ist der Wirkungsgrad der gattungsgemäßen
Pumpe 1 reduziert.
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2 zeigt
einen Schnitt durch die Pumpe 1 aus 1, bekannt
aus dem Stand der Technik. Auch in der Schnittdarstellung der Pumpe 1 ist
erkennbar, wie die Strömung vor dem Förderrad 4 in eine
Rotation versetzt wird, bevor sie anschließend weitgehend
radial nach außen in die Abführleitung 6 gefördert
wird. Die Strömungs- bzw. Drehrichtung der Flüssigkeit,
sowie die Drehrichtung des Förderrades 4 sind
wiederum durch Pfeile schematisch dargestellt.
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3 zeigt
die Aufsicht auf eine dreidimensional dargestellte erfindungsgemäß ausgestaltete Pumpe 1.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Pumpe 1 ist
weitgehend identisch mit der Pumpe aus den 1 und 2,
jedoch weist die erfindungsgemäß ausgestaltete
Pumpe 1 sechs Strömungsleitrippen 5 auf
(drei Strömungsleitrippen 5 sind erkennbar), die in
Strömungsrichtung der Flüssigkeit (durch Pfeile schematisch
dargestellt) vor dem Förderrad 4 in dem Gehäuse 2 bzw.
in der Saugleitung 2' angeordnet sind. Die Strömungsleitrippen 5 ragen
radial nach innen, weitgehend in Richtung der Drehachse 3.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Strömungsleitrippen 5 in
der Drehrichtung des Förderrades 4 einen radial
nach innen weisenden Winkel auf, der kleiner als 90° bezüglich
dem Gehäuse 2 und/oder der Saugleitung 2' ist.
Wiederum in einem weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Wandstärken der Strömungsleitrippen 5 radial
nach innen verjüngt. In einem dritten besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiel sind die Strömungsleitrippen 5 in
der Drehrichtung des Förderrades 4 um die Drehachse 3 gewendelt.
Darüber hinaus ist auch jede beliebige Kombination dieser Ausgestaltungsvarianten
möglich. Auch eine Variation der Anzahl an Strömungsleitrippen 5 ist
möglich.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist nun die
Anströmung vor dem Förderrad 4 in dem Gehäuse 2 bzw.
der Saugleitung 2' weitgehend gerade, wie aus den schematischen
Strömungspfeilen erkennbar ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
weist die Pumpe 1 ein Gehäuse 2 sowie
eine Saugleitung 2' auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel
kann das Gehäuse 2 mit der Saugleitung 2' auch
einstückig ausgeführt sein.
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4 zeigt
einen Schnitt durch die erfindungsgemäß ausgestaltete
Pumpe 1 aus 3. In 4 ist eine
Querschnittsveränderung der Strömungsleitrippe 5 in
der Strömungsrichtung deutlich erkennbar. Diese Querschnittsveränderung
kann in anderen Ausführungsbeispielen auch flacher oder steiler
ausfallen.
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Eine Beschreibung der Erfindung mit anderen
Worten:
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Die
vom Laufrad 4 im Stand der Technik induzierte Rotationsbewegung
in der Anströmung zeigt sich, wegen den in Bezug auf das
Strömungsmedium mit dem Radius des Gehäuses 2 und/oder
der Saugleitung 2' wachsenden Geschwindigkeiten der Förderradoberfläche,
hauptsächlich nahe des Außendurchmessers. Bei
geschlossenen Förderrädern 4, die einen
mitlaufenden Ring auf den Leitschaufeln haben, gilt das im besonderen,
da die zusätzliche Oberfläche des Ringes im radial
außen liegenden Bereich der Anströmung eine zusätzliche
Angriffsfläche für die Reibung bietet. Die dem
normalen Förderstrom überlagerte induzierte Rotationsbewegung
der Strömung tendiert von sich aus durch die Fliehkraft weiter
radial nach außen.
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Daher
kann die Rotationsbewegung wirksam durch die erfindungsgemäßen
drallbrechenden Strömungsleitrippen 5 unterbunden
werden, welche axial zum Laufrad in Strömungsrichtung gerichtet
und welche im strömungsführenden Bauteil nahe
vor dem Förderradeintritt radial an der Außenwand
verteilt sind. Da die zu vermeidende Rotationsbewegung hauptsächlich
radial außen verläuft, kann die Höhe der
Strömungsleitrippen 5 gering gehalten werden. Dadurch
bleibt der Strömungsbereich vor dem Förderradeintritt
fast oder ganz im Querschnitt frei erhalten. Um die volle Wirkung
der Strömungs leitrippen 5 zu erhalten, ist deren
Länge in Strömungsrichtung entsprechend der Geschwindigkeit
des Förderstromes geeignet zu gestalten.
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Einen
weiteren, im Vergleich zum drallbrechenden Effekt jedoch deutlich
geringeren positiveren Effekt kann man zusätzlich generieren,
indem man die der Erfindung zugrunde liegenden Strömungsleitrippen 5 mit
einem geeigneten Anstellwinkel ausführt, wodurch sie zusätzlich
im radial außen liegenden Bereich des Laufradeintrittes
die Funktion von Leitschaufeln ausüben. Dieser Effekt würde
wie oben geschildert nur für einen bestimmten Drehzahlbereich
gut funktionieren. Vorteilhaft würde man einen geeigneten
Winkel für einen Drehzahlbereich wählen, der den
größten Anteil in einem typischen Fahrprofil der
Brennkraftmaschine hat, in welchem eine entsprechende Anordnung
mit einer Kühlmittelpumpe verwendet wird.
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Durch
das Vermeiden einer durch das Förderrad 4 stromaufwärts
induzierten Rotationsströmung werden die Verluste in der
Strömung reduziert. Dadurch wird entweder bei gleicher
Pumpe 1 mehr Fördermenge oder Förderdruck
erreicht oder es wird durch eine kleinere Pumpe 1 oder
geringere Drehzahlen der Pumpe 1 ein gleicher Förderdruck
bei gleicher Fördermenge erzielt, womit die Leistungsaufnahme
der Pumpe in vorteilhafter Weise reduziert wird.
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- 1
- Pumpe
- 2
- Gehäuse
- 2'
- Saugleitung
- 3
- Drehachse
- 4
- Förderrad
- 5
- Strömungsleitrippe
- 6
- Abführleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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