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Die Erfindung betrifft ein Kreiselpumpenlaufrad mit einem nichtmetallischen Laufradteil und einem mit dem Laufradteil verbundenen metallischen Nabenteil, das auf einer Welle angeordnet ist.
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Kreiselpumpenlaufräder, die vollständig aus Metall bestehen, werden gewöhnlich auf einer Welle dadurch befestigt, dass sie mit ihrer Nabenbohrung auf ein Wellenende aufgeschoben werden und durch eine Mutter gegen einen Bund der Welle gepresst werden. Eine solche Befestigungsmethode ist bei Kreiselpumpenlaufrädern gemäß dem Oberbegriff der Erfindung unvorteilhaft, da diese einen nichtmetallischen Laufradteil umfassen. Viele nichtmetallische Materialien, wie beispielsweise Polymerguss oder Kunststoff, neigen unter Druckbelastung zum Fließen.
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In der
DE 44 44 965 A1 wird ein Kreiselpumpenlaufrad beschrieben, das ein nichtmetallisches Laufradteil und ein metallisches Nabenteil umfasst. Nabenteile sind Bauteile die auf der Antriebswelle angeordnet sind und diese umgeben. Das Nabenteil ist mit einer zentrischen Aufnahmeöffnung versehen. Die Aufnahmeöffnung weist ein Gewinde auf, in die das Wellenende einschraubbar ist. Das Laufradteil aus einem Kunststoff ist am Nabenteil angeformt. Das Nabenteil weist dazu einen Ring auf, der perforiert ausgebildet ist und mit dem Kunststoffmaterial des Laufradteils umspritzt wird. Bei diesem Kreiselpumpenlaufrad besteht eine nicht lösbare Verbindung zwischen Nabenteil und Laufradteil.
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In der
DD 18 758 wird eine völlig andere Möglichkeit zur Befestigung von Laufrädern aus einem keramischen Werkstoff beschrieben. Bei dieser Methode kommt, im Gegensatz zu Kreiselpumpenlaufrädern gemäß dem Oberbegriff der Erfindung, kein Nabenteil zum Einsatz. Anstelle eines Nabenteils wird ein Zwischenflansch eingesetzt. Dieser Zwischenflansch ist zwischen dem Wellenende und dem Laufrad angeordnet. Das Laufrad und der Zwischenflansch sind mit einer Bohrung versehen. In der Bohrung ist ein Schraubbolzen angeordnet, der an einem Ende mit einem Kopf und an dem anderen Ende mit einem Gewinde versehen ist, auf das eine Mutter aufgeschraubt wird. Durch Aufdrehen einer Mutter auf das Gewinde werden das Laufrad und der Zwischenflansch gegeneinander verspannt. Der Zwischenflansch seinerseits ist über eine Verschraubung mit der Welle verbunden. Dazu ist die Welle an einem Ende mit einem Flanschring ausgebildet, in dem die Bohrungen für die Schraubverbindungen zwischen Flansch und Welle angeordnet sind. Diese Konstruktion der Befestigung mithilfe eines Zwischenflansches ist sehr aufwendig und sperrig, da der Zwischenflansch im Gegensatz zu einem Nabenteil nicht auf der Welle angeordnet ist, sondern am Wellenende zwischen der Welle und dem Laufrad platziert ist.
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Die
DE 2 319 463 beschreibt einen Rotor für eine Pumpe zur Kühlung von Verbrennungsmotoren. Der Rotor besteht aus einem metallischen Nabenteil, das auf die Welle im Presssitz aufgeschoben wird. Auf dieses metallische Nabenteil wird das Laufradteil aufgegossen. Das Laufradteil besteht aus einer thermohärtbaren Harzmischung. Auch bei dieser Konstruktion wird ein nicht lösbarer, fester Verbund zwischen Nabenteil und Laufradteil hergestellt.
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Die
DE 76 10 913 beschreibt eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad aus Kunststoff. Im Nabenbereich des Laufrades ist eine Kreisscheibe aus einem Metall angeordnet. Das Laufrad weist zur Lagerung eine Metallbuchse auf, an der die Kreisscheibe befestigt ist. Die Kreisscheibe ist vollständig in den Kunststoff des Laufrades eingebettet. Somit besteht eine unlösbare Einheit zwischen dem Kunststofflaufrad und der metallischen Kreisscheibe.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kreiselpumpenlaufrad anzugeben, das beim Auftreten von Verschleißerscheinungen kostengünstig wieder instand gesetzt werden kann. Zudem sollen die Instantsetzungsarbeiten schnell und kostengünstig durchgeführt werden können. Das Kreiselpumpenlaufrad soll mit einem geringen Kostenaufwand gefertigt werden können und dabei eine hohe Qualität aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen Laufradteil und Nabenteil eine lösbare Verbindung besteht.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Kreiselpumpenlaufrädern wird somit das nichtmetallische Laufradteil nicht um das metallische Nabenteil herum gegossen. Stattdessen sind Laufradteil und Nabenteil über Mitnehmerelemente lösbar miteinander verbunden. Bei dem Nabenteil handelt es sich vorzugsweise um ein einstückig ausgebildetes metallisches Bauteil.
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In weiterer Ausgestaltung sind die die Mitnehmerelemente mehrteilig ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich um eine zweiteilige Ausführung. Vorzugsweise weisen die Mitnehmerelemente jeweils eine Hülse und ein Verbindungselement auf, mit denen sich eine zuverlässige Schraubverbindung herstellen lässt.
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Vorteilhafterweise sind die Hülsen in Vertiefungen an einer Stirnseite, insbesondere wellenseitige Stirnseite, des Laufradteils angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei den Vertiefungen um Bohrungen, die in das nichtmetallische Laufradteil eingebracht werden, wobei sich insbesondere runde Bohrungen eignen. Dazu können entlang einer kreisförmigen Anordnung mehrere Bohrungen an der Stirnseite, beispielsweise im Bereich der Trägerplatte, des Laufradteils eingebracht werden. Dabei erweist es sich als günstig, wenn die Anzahl der Bohrungen der Anzahl der Schaufeln des Laufradteils entspricht. Zudem sind die Vertiefungen vorzugsweise an Positionen der Trägerplatte eingebracht, an denen die Schaufeln angreifen. Nach dem Einbringen der Vertiefungen in das nichtmetallische Laufradteil, werden die Hülsen der Mitnehmerelemente in die Vertiefungen platziert und dort befestigt. Dazu können die Hülsen in die Vertiefungen beispielsweise eingepresst und/oder eingeklebt werden. Dabei sitzen die Hülsen spielfrei in den Vertiefungen des Laufradteils.
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Alternativ ist es vorteilhaft, wenn die Hülsen an einer Stirnseite des Laufradteils eingegossen sind. Dadurch kann auf den Arbeitsgang des Bohrens verzichtet werden.
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In beiden Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Hülsen eine geeignete Verdrehsicherung aufweisen.
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In weiterer Ausgestaltung sind die Verbindungselemente an einem Ring des Nabenteils angeordnet und greifen zumindest teilweise in die Hülsen ein. Vorzugsweise sind die Verbindungselemente in die Hülsen eingeschraubt. Dadurch wird eine zuverlässige Verbindung zwischen Laufradteil und Nabenteil hergestellt.
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Vorzugsweise handelt es sich bei den Verbindungselementen um Schrauben. Bei dieser Variante sind die Hülsen mit einem Innengewinde versehen, in das das Außengewinde der als Schrauben ausgeführten Verbindungselemente eingreift.
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Die Schrauben weisen vorzugsweise einen Kegelansatz auf und werden in Bohrungen am Ring des Nabenteils platziert und dann in die Hülsen eingeschraubt. Die Bohrungen weisen komplementär zu den Kegelansätzen ausgebildete Senkansätze auf. Dadurch entsteht eine spielfreie oder weitgehend spielfreie Konstruktion, bei der die Einzelteile der Mitnehmerelemente lösbar miteinander verbunden sind.
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Durch dieses erfindungsgemäße Konzept der Zweiteilung der Mitnehmerelemente mit einer Hülse, die nicht lösbar in einer Vertiefung des nichtmetallischen Laufradteils festgelegt ist und einem Verbindungselement, das eine lösbare Verbindung zwischen der Hülse und dem metallischen Nabenteil herstellt, ist es möglich, bei Verschleißerscheinungen am Kreiselpumpenlaufrad lediglich das nichtmetallische Laufradteil samt der darin angeordneten Hülsen auszutauschen und das metallische Nabenteil weiter zu verwenden. Dies ist insbesondere deshalb günstig, da die Verschleißerscheinungen in erster Linie an dem nichtmetallischen Laufradteil auftreten. Insbesondere an den Schaufeln des Laufradteils, die in direktem Kontakt mit teilweise aggressiven Strömungsmedien stehen, treten Abnutzungserscheinungen auf. Es ist erheblich günstiger, nur das nichtmetallische Laufradteil auszutauschen als das gesamte Kreiselpumpenlaufrad mitsamt dem metallischen Nabenteil.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion besteht darin, dass keine Spannungen mehr in dem erfindungsgemäßen Kreiselpumpenlaufrad auftreten, die bei herkömmlichen Kreiselpumpenlaufrädern aus Polymerguss, aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungswerte von Laufradteil und Nabenteil, beim Eingießen zustande kommen.
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Vorzugsweise weist das Nabenteil einen Vorsprung auf, der in das Laufradteil hineinragt. Dieser Vorsprung ist hohlzylinderförmig ausgeführt und umgibt die Welle. An diesen hohlzylindrigen Vorsprung des Nabenteils schließt sich dessen Ring an.
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Während der Vorsprung in die Nabe des Laufradteils hineinragt, ist der Ring des Nabenteils parallel zu der wellenseitigen Stirnseite des Laufradteils ausgerichtet und liegt an der stirnseitigen Fläche des Laufradteils an.
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Bei einer Variante der Erfindung schließt sich an diesen Ring noch ein Fortsatz an, der ebenfalls hohlzylinderförmig ausgebildet ist und somit die Welle umgibt.
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Vorzugsweise weist das metallische Nabenteil an seiner Innenseite mindestens eine Nut auf, in die eine Passfeder eingreift, welche eine Verbindung zwischen Welle und Nabenteil zur Drehmomentübertragung herstellt.
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Bei einer Variante der Erfindung ist zur Fixierung des Laufradteils an einem Wellenende eine Scheibe angeordnet. Dazu weist das nichtmetallische Laufradteil vorzugsweise strömungsseitig eine kreisförmige Aussparung auf, in die die Scheibe positioniert wird. Die Scheibe weist Bohrungen, beispielsweise entlang ihres Umfangs, auf. Mittels geeigneter Schrauben wird die Scheibe über die Bohrungen am Wellenende befestigt. Dadurch werden das Nabenteil und das Laufradteil gegeneinander verspannt.
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Bei der Montage des Kreiselpumpenlaufrads wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst werden das metallische Nabenteil und das nichtmetallische Laufradteil verbunden. Das vormontierte zweiteilige Kreiselpumpenlaufrad wird auf das Wellenende geschoben.
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Dann werden das Laufradteil und Nabenteil mittels der Scheibe gegeneinander verspannt, die am Wellenende befestigt wird.
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Vorzugsweise ist auf der Scheibe strömungsseitig eine Kappe angeordnet. Da die Kappe mit Strömungsmedium in Kontakt kommt, ist sie in der Regel aus einem korrosionsbeständigen Material gefertigt.
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Das Laufradteil besteht bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung aus einem keramischen Werkstoff. Vorzugsweise eignet sich dazu ein Keramik-Kunststoff-Verbundwerkstoff. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn dieser Siliziumcarbidteilchen umfasst, die in einer Polymermatrix angeordnet sind.
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Das metallische Nabenteil besteht vorzugsweise aus einem nicht rostenden Duplex-Stahlguss.
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Das Verfahren zur Fertigung und Montage des erfindungsgemäßen Kreiselpumpenlaufrades umfasst folgende Schritte:
- – Fertigung des nichtmetallischen Laufradteils, vorzugsweise mittels eines Gussverfahrens.
- – Einbringen von Vertiefungen in das Laufradteil, vorzugsweise durch Bohrungen entlang eines Umfangs an der wellenseitigen Stirnseite des Laufradteils.
- – Einfügen und Festlegen von Hülsen in den Vertiefungen, vorzugsweise durch Einpressen und/oder Einkleben der Hülsen in den Vertiefungen des Laufradteils.
- – Alternativ werden die Hülsen bei der Fertigung des nichtmetallischen Laufradteils mit eingegossen.
- – Einfügen des metallischen Nabenteiles in das nichtmetallische Laufradteil wobei auf die Flucht von Bohrungen und Innengewinde der Hülsen zu achten ist.
- – Einfügen von Verbindungselementen in die Bohrungen entlang des Rings des Nabenteils und einschrauben der Verbindungselemente in die Hülsen. Eine Schraubensicherung ist vorzusehen.
- – Aufschieben des vormontierten Kreiselpumpenlaufrades auf das Wellenende bis es am Ring des Nabenteils anschlägt.
- – Verspannung von Laufradteil und Nabenteil mittels einer Scheibe die am Wellenende angeschraubt wird.
- – Befestigen der Kappe am montierten Kreiselpumpenlaufrad.
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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. Dabei zeigt:
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1 einen Axialschnitt durch das Gehäuse einer Kreiselpumpe mit darin angeordnetem Kreiselpumpenlaufrad,
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2 eine Explosionszeichnung des Kreiselpumpenlaufrads mit Welle,
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3 einen Axialschnitt durch das Kreiselpumpenlaufrad auf einem Wellenende.
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1 zeigt ein Kreiselpumpenlaufrad 1, das in einem Gehäuse 2 einer Kreiselpumpe angeordnet ist. Das Gehäuse 2 umfasst eine Ansaugöffnung 3, durch den Fördermedium angesaugt wird und mittels des Kreiselpumpenlaufrads 1 in Richtung einer Ausströmöffnung 4 gefördert wird und dann die Kreiselpumpe verlässt.
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Das Kreiselpumpenlaufrad 1 ist auf einer Welle 5 angeordnet. Die Welle 5 wird von einem nicht dargestellten Motor in Rotation versetzt. Dabei wird das Drehmoment über zwei Passfedern 6 auf das metallische Nabenteil 8 und über die Mitnehmerelemente 12 auf den nichtmetallischen Laufradteil 7 des Kreiselpumpenlaufrades 1 übertragen.
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Das Kreiselpumpenlaufrad 1 besteht aus einem nichtmetallischen Laufradteil 7 und einem metallischen Nabenteil 8. Im Ausführungsbeispiel ist das nichtmetallische Laufradteil 7 aus einem Keramik-Kunststoff-Verbundmaterial gefertigt, bei dem Siliziumcarbidpartikel in einer Polymermatrix eingebettet sind.
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Das Nabenteil 8 ist aus einem nicht rostenden Duplexstahlguss gefertigt, das ein ferritisch-austenitisches Gefüge aufweist.
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Das nichtmetallische Laufradteil 7 ist einstückig ausgeführt und wird im Gussverfahren hergestellt Es weist eine Trägerplatte 9 auf, an der Schaufeln 10 angeformt sind. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Radialkreiselpumpenlaufrad.
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2 zeigt eine perspektivische Explosionszeichnung des Kreiselpumpenlaufrads 1 mit dem Ende der Welle 5. Erfindungsgemäß weist das nichtmetallische Laufradteil 7 Vertiefungen 11 auf. Bei den Vertiefungen 11 handelt es sich um Bohrungen, die nach oder noch vor dem vollständigen Aushärten in das Laufradteil 7 eingebracht bzw. wenn sie bereits bei der Herstellung vorgegossen waren, dann fertigbearbeitet werden.
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3 zeigt, dass im zusammengebauten Zustand in die Vertiefungen 11 Mitnehmerelemente 12 eingreifen. Jedes Mitnehmerelement 12 besteht aus einer Hülse 13 und einem Verbindungselement 14. Bei der Hülse 13 handelt es sich um einen hohlzylindrischen Körper, der an einer Stirnseite geschlossen ist. Jede Hülse 13 weist ein Innengewinde auf. Das Verbindungselement 14 ist als Schraube ausgeführt, die ein Außengewinde aufweist.
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Alternativ können die Hülsen 13 an der wellenseitigen Stirnseite des Laufradteils 7 eingegossen sein.
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2 zeigt, dass das Nabenteil 8 einen Ring 15 aufweist, der entlang seines Umfangs mit mehreren Bohrungen 16 versehen ist.
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Bei der Montage des Kreiselpumpenlaufrads 1 auf der Welle wird dabei wie folgt vorgegangen:
Zunächst werden die Hülsen 13 in die Vertiefungen 11 eingeführt. Ein geeigneter Kleber bzw. Epoxidharz überbrückt Toleranzen und fixiert.
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Dann wird das Nabenteil 8 in das Laufradteil 7 geschoben bis die Fläche 19 des Laufradteiles 7 am Ring 15 des Nabenteiles 8 anliegt. Auf die Flucht der Bohrung 16 und Innengewinde in den Hülsen 13 ist zu achten.
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Dann werden die Verbindungselemente 14 in die Bohrungen 16 eingeführt und in die Hülsen 13, welche in den Vertiefungen 11 angeordnet sind, eingeschraubt und gesichert.
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Zur weiteren Fixierung des Nabenteiles 8 mit dem Laufradteil 7 können noch Schrauben 20 in weitere dafür vorgesehene Gewindehülsen oder Gewindebohrungen 21 im nichtmetallischen Material des Laufradteils 7 eingeschraubt sein und beispielsweise als Transportsicherung oder Montagehilfe dienen, wenn die Hülsen 13 nicht in die Vertiefungen 11 eingepresst oder eingeklebt sind.
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Das vormontierte Kreiselpumpenlaufrad wird auf das Ende der Welle 5 aufgeschoben. Über die Passfedern 6 wird die Welle 5 drehfest mit dem Nabenteil 8 verbunden, wobei die Passfedern 6 in Nuten 17 des Nabenteils 8 eingreifen. Die Nuten 17 erstrecken sich in axialer Richtung im Innern des Nabenteils 8.
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Als nächstes wird eine Scheibe 23 mittels Schrauben 24 an der Stirnseite der Welle 5 befestigt. Dazu sind in der Scheibe 23 Bohrungen 25 eingebracht, durch die die Schrauben 24 gesteckt werden und dann in mit einem Innengewinde versehenen Bohrungen an der Stirnseite der Welle 5 greifen. Bei den Schrauben 24 handelt es sich um Zylinderschrauben. Durch das Anziehen der Schrauben 24 werden das Nabenteil 8 und das Laufradteil 7 gegeneinander verspannt.
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Schließlich wird die Kappe 26 in eine zentrische Bohrung 27, die mit einem Innengewinde versehen ist, eingeschraubt. Dazu weist die Kappe 26 einen Zapfen 28 auf, der mit einem Außengewinde versehen ist.
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3 zeigt, dass zwischen der Scheibe 23 und dem Laufradteil 7 ein Elastomerring 29 angeordnet sein kann. Durch Anziehen der Schrauben 24 wird gegen diesen Elastomerring 29 verspannt. Somit wird ein „Fließen” des nichtmetallischen Laufradteils 7 verhindert.
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In 3 erkennt man, dass zwischen der Kappe 26 und der Scheibe 23 ein O-Ring 30 angeordnet ist. Zwischen der Kappe 26 und dem Laufradteil 7 befindet sich ein O-Ring 31. Ebenso ist zwischen dem Ring 15 des Nabenteils 8 und der Fläche 19 des Laufradteils 7 ein O-Ring 32 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kreiselpumpenlaufrad
- 2
- Gehäuse
- 3
- Ansaugöffnung
- 4
- Ausströmöffnung
- 5
- Welle
- 6
- Passfeder
- 7
- Laufradteil
- 8
- Nabenteil
- 9
- Trägerplatte
- 10
- Schaufel
- 11
- Vertiefungen
- 12
- Mitnehmerelement
- 13
- Hülse
- 14
- Verbindungselement
- 15
- Ring
- 16
- Bohrungen mit Kegelansatz
- 17
- Nut
- 18
- Vorsprung
- 19
- Fläche
- 20
- Schrauben
- 21
- Gewindebohrung
- 22
- Senkansatz
- 23
- Scheibe
- 24
- Schrauben
- 25
- Bohrungen
- 26
- Kappe
- 27
- Bohrung
- 28
- Gewindezapfen
- 29
- Elastomerring
- 30
- O-Ring
- 31
- O-Ring
- 32
- O-Ring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4444965 A1 [0003]
- DD 18758 [0004]
- DE 2319463 [0005]
- DE 7610913 [0006]
