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Die Erfindung betrifft ein Laufrad für Kreiselpumpen mit mindestens einer Schaufel zur Förderung feststoffhaltiger Medien.
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Bei Kreiselpumpen zur Förderung feststoffhaltiger Medien können unterschiedliche Laufräder eingesetzt werden, beispielsweise Kanalräder, Freistromräder oder Einschaufler. Bei Kanalrädern handelt es sich um offene oder geschlossene Laufräder mit reduzierter Schaufelzahl. Bewährt haben sich 1, 2 bzw. 3 Schaufeln in radialen oder halbaxialen Laufrädern.
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Auch Freistrompumpen kommen zur Förderung von feststoffhaltigen Medien zum Einsatz. Solche Freistrompumpen werden auch als Wirbelpumpen bezeichnet, deren Förderleistung von einer rotierenden, mit Schaufeln besetzten Scheibe, dem sogenannten Freistromrad, auf das Strömungsmedium übertragen wird.
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Daneben kommen auch halboffene Laufräder im Abwasserbereich zum Einsatz.
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Bei der Gestaltung der Laufräder spielt die Schaufelform eine entscheidende Rolle. Insbesondere die Konstruktion der Eintrittskante ist von großer Bedeutung. Bei Abwasserpumpen belegt sich die Eintrittskante häufig mit im Fördermedium vorhandenen Fasern. Die Fasern werden häufig nicht von dem Laufrad-Eintrittskanten abtransportiert, da aufgrund des Strömungswiderstands auf der Saug- und Druckseite die jeweiligen Widerstandskräfte im Gleichgewicht sind. Kommt es zu einer Anlagerung von Fasern an den Eintrittskanten, können weitere Fasern sich anlagern, sodass sich größere Belegungen bilden können. Begünstigt wird dieses Verhalten insbesondere bei der Gewährleistung hoher Kugeldurchgänge. Der Kugeldurchgang ist ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung der Einsatzfähigkeit von Abwasserpumpen. Der Kugeldurchgang wird auch als freier, unverengter Laufraddurchgang bezeichnet und beschreibt den größten zulässigen Durchmesser der Feststoffe, um einen verstopfungsfreien Durchgang zu gewährleisten.
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Die für einen ausreichenden Kugeldurchgang notwendigen großen Strömungsquerschnitte begünstigen den Aufbau von Belegungen. Insbesondere bei Teillast, zum Beispiel kleinen Volumenströme, führen große Strömungsquerschnitte zu nicht durchströmten Totwasserzonen. Die Totwasserzonen führen zu Verblockungen. Insbesondere wenn ein großer Kugeldurchgang erforderlich ist, treten häufig solche Belegungen der Schaufeln, insbesondere bei den Eintrittskanten auf.
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Bei Einschauflern führen solche Belegungen dazu, dass eine höhere Leistung zum Betrieb der Kreiselpumpe erforderlich ist. Bei Mehrschauflern kann es durch die Belegungen auch zu einer asymmetrischen Strömung in den Kanälen kommen. Solche asymmetrischen Strömungen beeinflussen nicht nur die erforderliche Leistung, sondern auch den geförderten Volumenstrom sowie die Förderhöhe.
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Die
DE 40 15 331 A1 beschreibt ein Laufrad mit nur einer Schaufel. Das durch ein Gießverfahren hergestellte Einschaufelrad bildet zwischen einer vorderen Deckscheibe und einer hinteren Tragscheibe einen Kanal, dessen Querschnitt zum Einlauf des Einschaufelrades zum Austritt hin abnimmt. Die Saugseite bildet auf den ersten 180° des Drehwinkels einen konzentrisch zur Drehachse angeordneten Halbkreis. Das Einschaufelrad ist so gestaltet, dass ein Auftreten von Kavitationserosion verhindert wird.
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Im Gegensatz zu Einschaufelrädem zeichnen sich Laufräder mit mehreren Schaufeln durch einen höheren Wirkungsgrad aus. Allerdings werden an solche Laufräder auch besondere Anforderungen bezüglich der Verhinderung von Ablagerungen durch feste Bestandteile gestellt. Bei mehrschaufligen Laufrädern müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um Verstopfungen zu vermeiden.
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In der
EP 1 357 294 A2 wird eine Kreiselpumpe zum Fördern von Abwässern beschrieben. Die Pumpe weist einen zylindrischen Einlass auf und umfasst ein Pumpengehäuse, ein Pumpenlaufrad mit einer zentralen Nabe und Schaufeln. Die vorderen Kanten nach hinten und innerhalb des Einlassteils liegen in einer Ebene, die hauptsächlich senkrecht zur Drehachse verläuft. An dem Pumpengehäuse ist ein Element zum Abkratzen von Ablagerungen an den Vorderkanten angebracht.
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Werden halboffene Zweischaufler mit axial vorgezogenen Eintrittskanten ausgeführt, ähneln diese Freistromrädern mit geringer Schaufelzahl. Letztere werden im Normalfall zylindrisch ausgeführt, das heißt einer durchgehenden zylindrischen und damit zweidimensionalen Skelettlinie wird eine konstante Dicke überlagert. Der Laufradtyp wird häufig mit Schaufelzahlen von mehr als sechs eingesetzt.
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Zunehmend werden Pumpen mit hohen Drehzahlen betrieben. Die Leistungsbegrenzung führt dabei zur Reduzierung der Schaufelzahl.
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Eine geringe Schaufelzahl ist häufig erforderlich, um auch bei geringen Leistungen ausreichend große Laufraddurchmesser mit günstigen Breiten/Durchmesser- Verhältnissen zu kombinieren. Ziel einer stark verringerten Schaufelzahl ist es, durch Ausführung einer langen Schaufel einen geringen Staffelungswinkel und damit eine steile Kennlinie (Leistungsbegrenzung) zu erreichen.
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Mit geringen Austrittswinkeln wird dabei trotz geringer Schaufelzahl versucht die Laufrad-Abströmung zu vergleichmäßigen, um Rückströmungen zu vermeiden. Mit abnehmender Schaufelzahl und fallenden Austrittswinkel steigt die Belastung des axialen Eintrittsbereiches der Freistromräder stark an. Größere Unterdruckwerte der Saugseite bedeuten dann Rückströmungen auf der Druckseite der Schaufel. Oft wird deshalb die Druckseite verdickt um diese Rückströmungen zu verringern. Die Freistromräder (F-Räder) haben eine ziehbare Schaufel um den Fertigungsprozess so einfach wie möglich zu gestalten. Sie haben keine Hinterschneidungen und können sehr einfach abgeformt werden. Diese Notwendigkeit besteht aber nur für die Schaufeldruckseite. Die Saugseite oder Vorderseite kann frei profiliert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Laufrad für eine Abwasserpumpe anzugeben, bei der Ablagerungen wirksam vermieden werden. Gleichzeitig soll das Auftreten von Kavitationserosion vermieden werden. Das Laufrad soll kostengünstig zu fertigen sein. Weiterhin soll es einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der eingesetzten Kreiselpumpe gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Laufrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Die mindestens eine Schaufel des Laufrades ragt von einer Tragscheibe in Richtung der Zuströmung des Mediums. Dabei ist die Schaufel mit einem Winkel α ausgerichtet. Der Winkel α wird gebildet von einer Lotrechten zur der Tragscheibe zu einer saugseitigen Fläche der Schaufel. Der Winkel α wird von der Lotrechten hin zur saugseitigen Fläche in positiver Richtung gezählt. Weiterhin ist die Gestaltung der Schaufel durch einem Winkel β definiert. Der Winkel β wird zwischen der Lotrechten zur Tragscheibe und einer druckseitigen Fläche der Schaufel gebildet. Der Winkel β wird von der Lotrechten hin zur druckseitigen Fläche in positiver Richtung gezählt. Erfindungsgemäß ist der Winkel β gleich oder kleiner als 0° ausgeführt ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist der Winkel α gleich oder größer als 0° ausgeführt.
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Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wird das Laufrad vorzugsweise in einem normalen Meridianschnitt entsprechend der besonderen Erfordernisse des F-Rades ausgelegt. Der erfindungsgemäß gestaltete druckseitige Tropfen wird so ausgeführt, dass die gesamte Druckseite eine zylindrische Fläche ohne Hinterschneidungen bildet. Die Druckseite wird vollständig ausfüllt, um die Schaufel in axialer Richtung ziehbar zu gestalten. Als Ergebnis bekommt man eine hydraulisch stoßfrei ausgelegte Schaufel, welche trotzdem axial aus der Form ziehbar ist.
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Die normale Saugseitenausführung gewährleistet einen verbesserten Schutz vor dem Auftreten von Kavitation. Außerdem führt die erfindungsgemäße Konstruktion zu Wirkungsgradsteigerungen.
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Die Druckseitenausfüllung reduziert bei geringer Schaufelzahl, vorzugsweise von weniger als drei Schaufeln, die aus Überlastung resultierenden Rückströmgebiete. Die Anwendung ist bei Freistromrädern besonders wichtig, wenn bei 2-poligen Betrieb die Eintrittsgeschwindigkeiten und damit das Potential zur Dampfbildung stark steigen.
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Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung ist das Laufrad halboffen ausgeführt. Vorzugsweise erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Laufrad als Radialrad gestaltet ist. Das Laufrad kann eine oder mehr Schaufeln aufweisen. Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung weist das Laufrad genau zwei Schaufeln auf. Die beschriebene Gestaltung bietet die Möglichkeit, das Laufrad sowohl als Freistromrad als auch als halboffenes Laufrad einzusetzen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt:
- 1 einen Axialschnitt durch eine Abwasserpumpe,
- 2 einen Blick auf den Saugmund der in 1 dargestellten Abwasserpumpe,
- 3 eine perspektivische Draufsicht auf ein Laufrad,
- 4 einen Schnitt durch das Laufrad gemäß der Darstellung in 3.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Abwasserpumpe. Bei der in 1 dargestellten Kreiselpumpe handelt es sich um eine Tauchmotorpumpe. Das mit Beimengungen versetzte Abwasser tritt durch den Saugmund 1 in die Pumpe ein. Laufrad 2 ist drehfest mit einer Welle 3 verbunden, welche das Laufrad 2 in Rotation versetzt. Das Laufrad 2 ist in einem Pumpengehäuse 4 angeordnet, das im Ausführungsbeispiel als Spiralgehäuse ausgeführt ist.
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In den Saugmund 1 der Pumpe hinein ragt ein Einsatz 5, der im Ausführungsbeispiel als Schleißwand bzw. Schleißring ausgeführt ist. Die Welle 3 wird von einem Antrieb 6 in Rotation versetzt, der im Ausführungsbeispiel als Elektromotor ausgeführt ist. Der Antrieb 6 umfasst einen Rotor 7 und einen Stator 8.
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Das Pumpengehäuse 4 wird durch einen Gehäusedeckel 9 abgedichtet. Der Gehäusedeckel 9 ist mit einer Gleitringdichtung 10 gegenüber der Welle 3 abgedichtet. Die Welle 3 wird über Lagerelemente 11 abgestützt.
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2 zeigt eine Sicht auf die Kreiselpumpe mit Blick auf den Saugmund 1. Das Laufrad 2 umfasst gemäß der Darstellung in 2 zwei Schaufeln 12. Das Laufrad 2 weist in seiner Mitte eine Nabe 13 auf und ist über ein Befestigungsmittel über diese Nabe 13 mit der Welle 3 verbunden. Über einen Druckstutzen 14 verlässt das Fluid die Kreiselpumpe.
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3 zeigt das Laufrad 2 in einer perspektivischen Darstellung. Das Laufrad 2 dreht sich mit Blick auf die Darstellung gemäß 3 entgegen der Uhrzeigerrichtung. Das Laufrad 2 ist mit zwei Schaufeln 12 ausgestattet, die auf einer Tragscheibe 15 befestigt sind. In den Ausführungsbeispielen sind die beiden Schaufeln 12 und die Tragscheibe 15 einstückig ausgebildet. Die Schaufeln 12 weisen einen gekrümmten Verlauf auf. Das Laufrad 2 ist halboffen ausgeführt und als Radialrad ausgebildet.
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Das mit festen Beimengungen versetzte Medium strömt axial durch den Saugmund 1 in das Laufrad 2 und dann radial nach außen vom Laufrad 2 weg, sodass das Medium durch den Druckstutzen 14 die Kreiselpumpe verlässt.
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Die Schaufeln 12 weisen einen rückwärts gekrümmten Verlauf auf. Alle Schaufeln 12 des Laufrades 2 sind kongruent zueinander ausgebildet und weisen die gleiche Form auf. Jede Schaufel 12 erstreckt sich von der Nabe 13 mit einer Krümmung radial nach außen. Bei der Darstellung gemäß 3 sind die beiden Schaufeln 12 um 180° zueinander versetzt angeordnet.
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Die Schaufeln 12 weisen saugseitige Flächen 16 und druckseitige Flächen 17 auf.
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4 zeigt einen Schnitt durch das Laufrad 2. Die Schaufeln 12 ragen von der Tragscheibe 15 in Richtung der Zuströmung des feststoffhaltigen Mediums. Die saugseitigen Flächen 16 weisen mit einem Winkel α zur Lotrechten 18 der Tragscheibe 15 auf. Der Winkel α wird von der Lotrechten 18 zur saugseitigen Fläche 16 in positiver Richtung gezählt. Vorzugsweise ist der Winkel α gleich oder größer als 0° ausgeführt.
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Mit Blick auf die Zeichnung gemäß 4 ist, bei einer Analogie zu einem Zifferblatt einer Uhr, bei welcher die Lotrechte 12 Uhr anzeigt, die Ausrichtung der saugseitigen Fläche 16 nach 12 Uhr. Erfindungsgemäß sind bei einer Analogie zu einem Zifferblatt einer Uhr die saugseitigen Flächen 16 mit maximal 12 Uhr ausgerichtet, aber insbesondere nach 12 Uhr.
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Die druckseitigen Flächen 17 weisen mit einem Winkel β zur Lotrechten 18 der Tragscheibe 15 auf. Der Winkel β wird von den druckseitigen Flächen 17 zur lotrechten 18 in positiver Richtung gezählt.
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Mit Blick auf die Zeichnung gemäß 4 ist, bei einer Analogie zu einem Zifferblatt einer Uhr, bei welcher die Lotrechte 12 Uhr anzeigt, die Ausrichtung der druckseitigen Fläche 17 vor 12 Uhr. Erfindungsgemäß sind bei einer Analogie zu einem Zifferblatt einer Uhr die druckseitigen Flächen 17 mit maximal 12 Uhr ausgerichtet, aber insbesondere vor 12 Uhr.
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Sämtliche Druckseiten der Schaufeln 12 sind ohne Hinterschneidungen ausgebildet. Die Druckseiten sind vollständig ausgefüllt, um die Schaufel 12 in axialer Richtung ziehbar zu gestalten. Gleichzeitig ist die Schaufel 12 hydraulisch stoßfrei ausgelegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4015331 A1 [0008]
- EP 1357294 A2 [0010]
