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Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Kreiselpumpe weist mindestens ein Laufrad auf, dem eine Leiteinrichtung nachgeordnet ist. Die Leiteinrichtung weist Leitschaufeln auf. Zwischen den Leitschaufeln werden Leitkanäle für das Fördermedium gebildet. Solche Leiteinrichtungen können als Leiträder ausgebildet sein. Aus dem Laufrad austretendes Fördermedium tritt in die Leiteinrichtung ein. In der Leiteinrichtung wird kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt. Weiterhin findet eine Umlenkung des Mediums statt. Der Drall wird zwecks einer Zuströmung zu einer nächsten Stufe häufig reduziert.
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In der
DE 39 12 279 C2 wird eine Kreiselpumpe ein- oder mehrstufiger Bauart mit mindestens einem Laufrad beschrieben. Dem Laufrad ist in Strömungsrichtung ein Leitrad nachgeordnet. Das Leitrad weist mehrere Leitschaufeln auf.
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Die
DE 198 22 223 A1 beschreibt eine mehrstufige Kreiselpumpe. In den Stufengehäusen der Kreiselpumpe sind Laufräder rotierend angeordnet. Das Fördermedium strömt einem ersten Laufrad zu und erfährt dadurch eine Druckerhöhung. Dem Laufrad nachgeordnet ist ein Leitradteil mit dem Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umgewandelt wird. Auch lenkt das Leitradteil das Fördermedium in seiner Strömungsrichtung um.
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Die
DE 33 15 350 C2 betrifft ein Leitrad für Kreiselpumpen mit diffusorförmig erweiterten Leitkanälen. Die äußere radiale Leitkanalbegrenzung wird durch ein das Leitrad aufnehmendes Gehäuse gebildet.
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Bei herkömmlichen mehrstufigen Kreiselpumpen wird das aus dem Laufrad austretende Fluid in einem nachfolgenden Leitrad zunächst verzögert und anschließend in einer Überströmgeometrie der nachfolgenden Rückführpartie zugeführt. Hierdurch ergibt sich ein erhöhter radialer Bauaufwand. Insbesondere Stufen von Höchstdruckkreiselpumpen weisen dabei sehr große Stufendurchmesser bezogen auf den Laufradaußendurchmesser auf. Häufig ist der Stufeninnendurchmesser dabei um mehr als den Faktor 1,5 größer als der Laufraddurchmesser. Die Verzögerung der Strömung erfolgt in einem Leitraddiffusor. Die Reduktion der Umfangsgeschwindigkeitskomponente erfolgt in einer Rückführbeschaufelung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe mit einem möglichst kleinen radialen Bauraum anzugeben. Die Kreiselpumpe soll dabei einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen. Eine Strömungsablösung soll dabei weitgehend verhindert werden. Weiterhin soll eine möglichst verlustarme Verzögerung gewährleistet werden. Die Kreiselpumpe soll sich durch eine möglichst kostengünstige Konstruktion und zuverlässige Betriebsweise auszeichnen. Weiterhin soll eine möglichst lange Lebensdauer gewährleistet sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Erfindungsgemäß sind am Austritt zumindest eines Teils der Leitkanäle zusätzliche Führungselemente angeordnet. Durch diese Integration der Führungselemente in die Leiteinrichtung wird eine Strömungsablösung deutlich verringert. Weiterhin erhöhen die Führungselemente den Stufenwirkungsgrad merklich. Zudem eröffnen die Führungselemente neue Freiheiten bei der Konstruktion der Leiteinrichtung. So ist es beispielsweise möglich, dass die Leitschaufeln weniger stark am Austritt gekrümmt sein müssen. Bei herkömmlichen Kreiselpumpen war eine starke Umlenkung am Leitradaustritt erforderlich, da die aus dem Leitrad kommende Strömung in diesem Bereich stark ablösungsgefährdet ist und somit die Strömung hier nicht umgelenkt werden darf. Daher mussten bei herkömmlichen Kreiselpumpen die Leitschaufeln im Bereich kleiner Radien stark gekrümmt werden, um dennoch eine Umlenkung zu realisieren. Durch die erfindungsgemäße Integration von Führungselementen am Austritt der zwischen den Leitschaufeln gebildeten Leitkanäle ist eine solch starke Krümmung der Leitschaufeln nicht mehr zwangsläufig erforderlich.
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Vorzugsweise sind die Führungselemente als Schaufeln ausgebildet, die zumindest teilweise in die Leitkanäle hineinragen. Bei dieser Variante bilden die Führungselemente Zwischenschnitt-Schaufeln. Die Leitschaufeln des Leitrades erstrecken sich von eifern Eintritt bis zu einem Austritt. Der Eintritt und der Austritt der Leiteinrichtung ist dabei als Eintritt bzw. Austritt in die Leitkanäle definiert, die zwischen den Leitschaufeln gebildet werden. Die als Zwischenschnitt-Schaufeln ausgebildeten Führungselemente sind am Austritt zumindest eines Teils der Leitkanäle angeordnet und ragen vorzugsweise in die Leitkanäle noch hinein. Erfindungsgemäß erstrecken sich diese Zwischenschnitt-Schaufeln vom Austritt der Leitkanäle in Strömungsrichtung hinaus zur nächsten Stufe hin.
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Die Führungselemente weisen dabei eine Krümmung zur Umlenkung der Strömung auf. Durch die gekrümmten Zwischenschaufeln, die sich anfangs mit den Leitschaufeln überdecken, wird eine Strömungsablösung deutlich verringert und somit der Wirkungsgrad der Kreiselpumpe gesteigert. Dies spart Betriebskosten ein. Weiterhin werden dadurch Abnutzungseffekte verhindert, sodass die erfindungsgemäße Kreiselpumpe weniger reparaturanfällig ist und eine lange Lebensdauer aufweist.
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Vorzugsweise ist das Laufrad als Radialrad ausgebildet. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn das Laufrad axial ausschüttend ist. Solche Laufräder werden auch als Zwitter-Laufräder bezeichnet. Während bei herkömmlichen radialen Laufrädern die Strömungsausschüttung in radialer Richtung erfolgt, ist die Abströmung bei einem Zwitter-Laufrad axial gerichtet. Somit ergibt sich ein S-Schlag im Meridianschnitt des Zwitter-Laufrads.
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Diese erfindungsgemäße Kombination eines Zwitter-Laufrades und der Integration von Führungselementen bei der sich anschließenden Leiteinrichtung bringt erhebliche Vorteile mit sich. Bei herkömmlichen Kreiselpumpen mit konventionellen radial ausschüttenden Radiallaufrädern wird das aus dem Laufrad austretende Fluid in einem nachfolgenden Leitrad zunächst verzögert und anschließend in einer Überströmgeometrie der nachfolgenden Rückführpartie zugeführt. Hierdurch ergibt sich ein deutlich erhöhter radialer Bauaufwand. Insbesondere die Stufen von Höchstdruckkreiselpumpen weisen dabei sehr große Stufendurchmesser bezogen auf den Laufrad-Außendurchmesser auf. Der Stufeninnendurchmesser ist dabei im Verhältnis zum Laufrad-Außendurchmesser häufig um mehr als das 1,5-fache größer. Bei diesen herkömmlichen Kreiselpumpen erfolgt die Verzögerung der Strömung im Leitraddiffusor. Die Reduktion der Umfangs geschwindigkeitskomponente erfolgt durch die nachfolgende Rückführbeschaufelung.
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Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Zwitter-Laufrads tritt die Strömung axial aus dem Laufrad aus. Die Strömung wird dann in einer einzigen Komponente verzögert, umgelenkt und der Drall, zwecks Zuströmung zur nächsten Stufe, reduziert. Bei herkömmlichen Kreiselpumpen mit Zwitter-Laufrädern führt dies in der Regel zu deutlich höheren Verlusten als bei konventionellen Hydrauliken, mit einem reinen Radialrad, die jedoch wiederum mehr Bauraum erfordern. Die erfindungsgemäße Kombination eines Zwitter-Laufrades mit einer sich anschließenden Leiteinrichtung, die Führungselemente aufweist, ermöglicht eine kompakte Bauform der Kreiselpumpe mit minimalen Stufendurchmessern und gewährleistet gleichzeitig eine verlustarme Verzögerung und eine Verbesserung der Abströmung. Somit ist eine Kreiselpumpe geschaffen, die trotz kompakter Bauform einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Die Zuströmung zur nächsten Stufe wird dadurch erheblich verbessert.
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Vorzugsweise weist das Laufrad eine Deckscheibe auf. Somit handelt es sich bei dem Laufrad um ein geschlossenes Laufrad, bei dem das Fluid in axialer Richtung eintritt, dann radial umgelenkt wird, aber schließlich doch, in Folge des S-förmigen Meridians, axial ausgeschüttet wird. Dabei erweist es sich als günstig, wenn das Laufrad eine Tragscheibe aufweist. Vorzugsweise ist die Tragscheibe zumindest bereichsweise ab gedreht. Durch ein Abdrehen des äußeren Bereiches der Tragscheibe wird eine axiale Ausschüttung ermöglicht. Es ergibt sich ein S-förmiger Meridianschnitt. Die Bauweise führt zu einem verringerten Stufendurchmesser. Dadurch wird Material eingespart.
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Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist zwischen dem Laufrad und der Leiteinrichtung ein Raum vorhanden. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Radseitenraum.
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Die Leiteinrichtung ist mit dem Pumpengehäuse fest verbunden bzw. kann von dem Stufengehäuse selbst gebildet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt:
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1 einen Axialschnitt, der ein Laufrad und eine Leiteinrichtung zeigt,
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2 eine perspektivische Darstellung des Laufrads und der Leiteinrichtung,
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3a eine perspektivische Ansicht mit Stromlinien auf Basis einer Strömungssimulation,
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3b eine perspektivische Ansicht mit Stromlinien auf Basis einer Strömungssimulation,
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3c eine perspektivische Ansicht mit Strömungsvektoren auf Basis einer Strömungssimulation,
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4 eine perspektivische Ansicht der Leiteinrichtung,
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5a eine perspektivische Darstellung der Leiteinrichtung mit Strömungsvektoren auf Basis einer Strömungssimulation,
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5b eine perspektivische Darstellung der Leiteinrichtung mit Strömungsvektoren auf Basis einer Strömungssimulation,
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5c eine perspektivische Darstellung der Leiteinrichtung mit Strömungsvektoren auf Basis einer Strömungssimulation.
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1 zeigt exemplarisch einen Ausschnitt einer mehrstufigen Kreiselpumpe. Die Pumpe umfasst mehrere hintereinandergeschaltete Stufen, von der in 1 exemplarisch eine Stufe dargestellt ist. Dabei ist ein Laufrad 1 auf einer Welle 2 angeordnet. Ein Stufengehäuse 3 umgibt das Laufrad 1. Ein Fluid strömt in axialer Richtung in das Laufrad 1 ein, wird dann in eine radiale Richtung umgelenkt und verlässt das Laufrad 1 schließlich wieder in axialer Richtung. Das Fluid strömt dann in eine Leiteinrichtung 4, die im Ausführungsbeispiel als Leitrad ausgebildet Ist und vom Stufengehäuse 3 gebildet wird.
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Das Laufrad 1 weist eine Deckscheibe 5 und eine Tragscheibe 6 auf. Die Tragscheibe 6 ist in ihrem äußeren Bereich abgedreht. Somit erstreckt sich die Deckscheibe 5 in radialer Richtung weiter als die Tragscheibe 6. Dadurch wird ein axial ausschüttendes Laufrad 1 geschaffen, das auch als Zwitter-Laufrad bezeichnet wird. Der Name Zwitter-Laufrad ergibt sich, weil es sich um ein Radialrad handelt, bei dem die Ausströmung jedoch axial gerichtet ist. Dies wird durch das Abdrehen der Tragscheibe 6 in ihrem äußeren Bereich ermöglicht.
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Zwischen dem Laufrad 1 und der Leiteinrichtung 4 ein Raum 10 vorhanden. Dabei handelt es sich um einen Radseitenraum.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Laufrads 1, das auf einer Welle 2 angeordnet ist. Das Fördermedium strömt von dem Laufrad 1 in die Leiteinrichtung 4.
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Die Leiteinrichtung 4 umfasst Leitschaufeln 7. Zwischen benachbarten Leitschaufeln 7 werden Leitkanäle 8 gebildet.
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Erfindungsgemäß sind am Austritt der Leitkanäle 8 Führungselemente 9 angeordnet.
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Die 3a, 3b, 3c zeigen, dass sich durch Integration der Führungselemente 9 in die Leiteinrichtung 4 die Strömungsablösung stark verringern lässt.
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4 zeigt eine perspektivische Darstellung der Leiteinrichtung 4. Man erkennt, dass die Führungselemente 9 als Schaufeln ausgebildet sind. Diese weisen eine Krümmung zur Umlenkung der Strömung auf. Erfindungsgemäß ragen die Führungselemente zumindest teilweise in die Leitkanäle 8 hinein. Die Führungselemente 9 erstrecken sich ausgehend vom Austritt der Leitkanäle 8 stromabwärts zunehmend in axialer Richtung.
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Die 5a, 5b und 5c zeigen Strömungsvektoren auf drei unterschiedlichen Schnittebenen aus einer Strömungssimulation. Die Führungselemente 9 sorgen für eine Umlenkung der Strömung in axialer Richtung.
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Die erfindungsgemäße Kombination einer Zwitter-Hydraulik bestehend aus einem Laufrad 1, welches als Zwitter-Laufrad ausgeführt ist, einer Leiteinrichtung 4, welche als Zwitter-Leitrad ausgeführt ist, und der Integration von Führungselementen 9, die als Zwischenschnitt-Schaufeln am Leitradaustritt angeordnet sind, führt zu einer Kreiselpumpe, die eine kompakte Bauform aufweist und dabei einen hohen Stufenwirkungsgrad besitzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3912279 C2 [0003]
- DE 19822223 A1 [0004]
- DE 3315350 C2 [0005]
