DE2514970A1

DE2514970A1 - Rotodynamische fluidmaschine

Info

Publication number: DE2514970A1
Application number: DE19752514970
Authority: DE
Inventors: Michael Leslie Ryall
Original assignee: Weir Pumps Ltd
Current assignee: Weir Pumps Ltd
Priority date: 1974-04-09
Filing date: 1975-04-05
Publication date: 1975-10-23
Also published as: NL7503937A; JPS50141711A; SE419116B; JPS5551120B2; FR2267463A1; SE7504018L; CA1014010A; IT1032619B; FR2267463B1

Description

-³AlENTANWALTi]

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHONWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL.-CHEM. ALEK VON KREISLER

DIPL-CHEM. CAROLA KELLER «BKHtfiSÄlöfeSe» DIPL-ING. SELTING

DR.-ING. K.W. EISHOLD 5 KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

4. April 1975 Sg-Is

Weir Pumps Limited

149 Newlands Road, Glasgow G44 4EX / Großbritannien

Rotodynamische Fluidmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf Fluidmaschinen für vergleichsweise geringe Förderhöhen. Derartige Pumpen werden beispielsweise für die Landdränage, in der Kanalisation und in Abflußsystemen sowie als Wasserturbinen für die Stromerzeugung eingesetzt.

Bekannte Pumpen für geringe Förderhöhen sind Schraubenradpumpen, Radial-Axlal-Pumpen (mixed-flow pumps) und Axialpumpen als Spiralgehäuse-Pumpen oder Schöpfpumpen, und Verdrängerpumpen mit Archimedischen Spiralen. Es ist für die Arbeitsbedingungen, unter denen diese Pumpen eingesetzt werden, kennzeichnend, daß der in den Sumpf, aus dem die Pumpe heraus fördert, hineingelangende Fluß hinsichtlich seiner Quantität in weiten Grenzen variieren kann, was beispielsweise auf unterschied-

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liehe Regenmengen und Ablaufwassermengen zurückzuführen ist. Dies bedeutet, daß die Pumpen in wirtschaftlich arbeitenden Pumpenanlagen, die einen möglichst geringen Leistungsverbrauch aufweisen, entweder imstande sein müssen, bei niedrigen Durchflußraten mit hohem Wirkungsgrad zu arbeiten, oder daß mehrere parallel betriebene Pumpen installiert werden müssen, die entsprechend der anfallenden Plußmenge zugeschaltet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein Speicherbecken an der Saugseite der Pumpe vorzusehen, um einen intermittierenden Pumpenbetrieb durchzuführen.

Ein weiteres Merkmal der Betriebsbedingungen solcher Pumpen besteht darin, daß der einlaufende Fluß eine erhebliche Menge an Feststoffen in Suspension mitführen kann, von denen einige Abrieb verursachen können, und daß ziemlich große feste Brocken in den Sumpf hineingelangen können, was insbesondere zu Zeiten starker Regenfälle der Fall ist, sowie dann, wenn das spezifische Gewicht solcher Feststoffe demjenigen des Wassers nahekommt.

Für derartige Einsätze mit geringen Förderhöhen werden häufig Pumpen mit Archimedischen Spiralen benutzt. Dabei handelt es sich um großvolumige langsamlaufende Verdrängerpumpen, die systembedingt teuer sind. Sie müssen den ansteigenden Kanälen,in welchen sie arbeiten, sorgfältig angepaßt werden, wobei auf ein möglichst geringes Spiel zwischen dem Rotor und dem Kanal zu achten ist, um einen günstigen Wirkungsgrad zu erhalten. Dies verursacht erhebliche Konstruktions- und Fertigungskosten. Die Pumpen haben allerdings den Vorteil,

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daß der Wirkungsgrad über einen weiten Durchflußbereich ziemlich gut ist, da die von einer Verdrängerpumpe absorbierte Leistung geringer wird, wenn die Durchflußrate sich verringert. Die Beibehaltung des hohen Wirkungsgrades hängt jedoch davon ab, daß das Arbeitsspiel zwischen Rotor und Kanal im Einsatz klein bleibt. Außerdem muß die Pumpe zur Erzielung eines günstigen Wirkungsgrades mit niedriger Drehzahl betrieben werden, um die Flüssigkeitsreibung an den großen Flächen geringzuhalten. Da das zu pumpende Wasser oft Partikel enthält, die Abrieb verursachen, besteht die Gefahr, daß das Spiel mit der Zeit größer wird. Ferner ist es unmöglich, dieselbe Größe des Arbeitsspaltes bei geringen Fördermengen und bei großen Fördermengen beizubehalten, weil das Wasser bei voller Pumpenauslastung eine nach unten gerichtete Kraft auf den Rotor ausübt, wodurch dieser sich verformt. Der Arbeitsspalt muß so gewählt werden, daß er bei maximaler Rotorverformung die kleinste Größe hat. Bei geringen Fördermengen ist das Gewicht des Wassers kleiner, so daß die Verformung des Rotors ebenfalls kleiner und der Spalt breiter ist. Dies wirkt sich nachteilig auf den Wirkungsgrad und den Energieverbrauch bei geringen Fördermengen aus.

Wenn Axialpumpen für die beschriebenen Einsatzarten verwandt werden, können sie nur so konstruiert sein, daß die von den Pumpen absorbierte Leistung bei konstanter Geschwindigkeit in dem Maße steigt, wie die Fördermenge abnimmt. Radial-Axialpumpen verursachen die gleichen Probleme, weil sie nicht so konstruiert werden können, daß sie bei konstanter Geschwindigkeit weniger LeistungsVerluste haben, wenn die zu fördernde Flüssig-

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keitsmenge geringer wird. Um die Leistungscharakteristiken beim Arbeiten gegen eine nahezu konstante Druckhöhe, beispielsweise bei der Bodenentwässerung oder in Abflußsystemen, zu erhöhen, werden häufig Antriebe mit variabler Geschwindigkeit eingesetzt. Hierfür benötigt man einen aufwendigen Motor mit Kommutator, einer Fluidkupplung oder einem anderen steuerbaren System. Axialpumpen und Axial-Radialpumpen erfordern besondere Vorkehrungen bei der Konstruktion des Sumpfes am Pumpeneinlaß oder Speicherbecken, um das Problem der Bewältigung unterschiedlicher Flüssigkeitsmengen zu lösen und geeignete Saugbedingungen zu schaffen. Diese Faktoren können sehr hohe Planungskosten verursachen.

Ein Kennzeichen von Turbinen, die mit geringen Druckhöhen betrieben werden, besteht darin, daß die zur Verfügung stehende Durchflußrate in weiten Grenzen variieren kann. Wenn solche Einsatzbedingungen vorliegen, verwendet man normalerweise Kaplan-Turbinen oder Francis-Turbinen. Diese Turbinen verwenden zur Anpassung an die unterschiedlichen Durchflußmengen komplizierte Torsteuersysteme für die einlaufende Strömung. Diese Torsteuersysteme werden bei Kaplan-Turbinen noch dadurch ergänzt, daß die Anstellwinkel der axial angeströmten Laufradflügel verstellt werden können. Ein derartiger Verstellmechanismus für den Anstellwinkel der Laufradflügel ist kompliziert und teuer, jedoch notwendig, um einen erheblichen Leistungsabfall bei geringen Durchflußraten zu vermeiden. Da die Verwendung verstellbarer Flügel an dem Rotor einer Francis-Turbine nicht praktikabel ist, ist der Abfall des Wirkungsgrades bei geringen Durchflußmengen bei Francis-Turbinen größer als

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bei Kaplan-Turbinen.

Bei den bekannten rotodynamisehen Pumpen oder Kreiselpumpen ist es nötig, ein Rohrsystem oder eine Flüssigkeitsführung zwischen dem Auslaß der Pumpe,der normalerweise entweder unter oder nur geringfügig über dem Flüssigkeitsstand im Einlaßsumpf der Pumpe liegt, und dem Niveau, auf das die Flüssigkeit gepumpt werden soll und das im allgemeinen etwas mehr als 2 m oberhalb des Eingangsniveaus liegt, vorzusehen. Dieses zusätzliche Rohrsystem verursacht zusätzlich zur Pumpe Kosten. Darüber hinaus muß der Sumpf am Pumpeneinlaß sorgfältig und aufwendig konstruiert sein, um geeignete Ansaugbedingungen für gewisse rotodynamisehe Pumpen bekannter Bauart zu schaffen. Beispielsweise muß der Sumpf in bestimmten Fällen relativ tief sein, damit keine Luftstrudel am Einlaß des Pumpenansäugröhres mitgerissen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine rotodynamische Maschine zu schaffen, die unabhängig von der jeweiligen Fördermenge in weiten Grenzen mit gleichem Wirkungsgrad betrieben werden kann, eine einfache Konstruktion ohne kritische Toleranzen aufweist, und imstande ist, auch solche Flüssigkeiten ohne Schaden zu verarbeiten, die Feststoffe mitführen und Abrieb verursachen.

Nach der Erfindung ist bei einer rotodynamisehen Pumpe zum Fördern von Flüssigkeit von einem niedrigen Niveau mit freier Oberfläche zu einem höheren Niveau, mit einem auf der Höhe des unteren Niveaus liegenden Ein-

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laß und einem auf der Höhe des oberen Niveaus liegenden Auslaß vorgesehen, daß zwischen einem Laufrad und dem Auslaß ein Diffusor angeordnet ist, und daß das Laufrad und der Diffusor die gesamte Einrichtung zum Zurückhalten und Führen der Flüssigkeit zwischen dem Laufrad und dem Diffusor darstellt.

Ferner ist gemäß der Erfindung bei einer rotodynamischen Flüssigkeitsturbine, bei welcher die hydraulische Energie durch das Herabsinken von Flüssigkeit von einem oberenNLveau mit freier Oberfläche auf ein unteres Niveau mit freier Oberfläche gewonnen wird, mit einem Einlaß in Höhe des oberen Niveaus und einem Auslaß in Höhe des unteren Niveaus vorgesehen, daß die Turbine ein Laufrad und eine Vorrichtung zur Beschleunigung der Flüssigkeit zwischen dem Einlaß und dem Laufrad aufweist, und daß das Laufrad und die Vorrichtung zur Beschleunigung von Flüssigkeit die einzige Einrichtung zum Zurückhalten und Führen von Flüssigkeit zwischen dem Einlaß und dem Auslaß bilden.

Schließlich ist erfindungsgemäß bei einer rotodynamischen Fluidmaschine für den Betrieb in Flüssigkeiten, mit einem Einlaß und einem in vertikalem Abstand davon liegenden Auslaß vorgesehen, daß das auf einer Welle montierte Laufrad von einem äußeren Mantel umgeben ist und Flügel trägt, die zusammen mit dem Mantel zahlreiche Flüssigkeitsdurchgänge längs des Laufrades bilden, wobei die in den Flüssigkeitsdurchgängen befindliche Flüssigkeit, einen Strudel bildend, gegen den äußeren Mantel gedrückt wird und sich an der radial innen liegenden Grenzfläche des Strudels eine freie Oberfläche

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ausbildet, und daß oberhalb des Laufrades eine sich in Achsrichtung erstreckende Energieumwandlungsvorrichtung angeordnet ist, deren Außenradius sich nach oben, vergrößert .

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Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert .

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer rotodynamisehen Pumpe für relativ geringe Förderhöhen.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Pumpe, die derjenigen der Fig. 1 ähnlich ist, jedoch einen angetriebenen Diffusor aufweist, und

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer rotodynamischen Pumpe mit einem festen Diffusor.

Die in Fig. 1 abgebildete rotodynamische Pumpe besitzt einen hohlen dünnwandigen Rotor in Form eines Flügelrades 10, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und im wesentlichen vertikal montiert ist. Das Flügelrad ist sowohl am unteren als auch am oberen Ende offen, Die Form des Flügelrades kann beträchtlich variieren, jedoch ist bei der dargestellten Ausführungsform der Innendurchmesser am oberen Ende 12 größer als der Innendurchmesser am unteren Ende 14. Der Innendurchmesser vergrößert sich kontinuierlich vom unteren bis zum oberen Ende. Das Rotorflügelrad 10 hat daher eine Hohlkonusform.

An dem Flügelrad sind im "Inneren der ringförmigen Kammer 16 Flügel 18 angebracht, die sich durch die gesamte Kammer hindurch erstrecken. Die Flügel 18 sind so angeordnet, daß sie sich vom Boden 14 des Rotors 10 oder

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von der Nähe des Bodens aus bis zu einer Höhe 7I erstrecken, die vorzugsweise dicht unterhalb des oberen Endes 12 des Rotors liegt. Auf diese Weise wird entlang des Rotors ein spiralförmiger Weg gebildet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die Flügel mit ihren inneren Rändern an dem unteren Teil des Flügelrades 10 an einer Nabe 20 befestigt, die auf einer vertikalen Antriebswelle 22 befestigt ist und sich mit dieser dreht. Das rotierende Flügelrad wird weiter von einem inneren Mantel 24 verstärkt, der oberhalb der Nabe 20 an den spiralförmigen Flügeln 18 angebracht ist, Ein äußerer Mantel 26 ragt über das untere Ende der Nabe 11 hinaus,und die an dem Mantel 26 befestigten Flügel 18 haben schräge Stirnkanten, so daß sie von dem äußeren Mantel 26 aus radial nach innen zur Nabe 20 ragen.

Die Antriebswelle 22 rotiert in einem oberen Radialdrucklager 30, das in einer starren Lagerfassung 3I montiert ist. Das untere Ende der Welle 2 ist in einem in dem Pumpensumpf J>6 montierten Radiallager 3^ gelagert.

Die gesamte Pumpe ist an einer Halterung 32 in einer öffnung 38 eines aus Beton bestehenden Führungsabschnittes 54 vertikal hängend angebracht. Die öffnung 38 ist in Draufsicht kreisförmig und verjüngt sich von oben nach unten. Die konvergierende Fläche hat die Form einer auf dem Kopf stehenden Glocke, was für einen leistungsfähigen Betrieb der Pumpe wichtig ist.

Das Flügelrad 10 der Pumpe ist so montiert, daß es

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an seinem unteren Ende 14 bis unter den Flüssigkeitsstand 4O im Sumpf J56, aus dem die Flüssigkeit abgesaugt werden soll, ragt. Es ist generell von Wichtigkeit, daß sowohl der äußere Mantel 26 als auch die Enden 28 der Flügel l8 bis unter den Flüssigkeitsspiegel ragen. In dem Sumpf sind fest angebrachte (nicht dargestellte) Führungsmittel angebracht, die die Strömung zu der kreisförmigen Öffnung am unteren Ende 14 des Flügelrades leiten und ein Vorrotieren der zu pumpenden Flüssigkeit verhindern.

Oberhalb des Flügelrades 10 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung der Rotationsenergie in statische Energie bzw. ein Diffusorabschnitt 42 vorhanden, der einen äußeren und einen inneren kegelstumpfförmigen Mantel 44 bzw. 46 aufweist. Die Mantel bilden einen ringförmigen Kanal 48, dessen Durchmesser nach oben hin ansteigt, und in dem Leitflügel 75 zwischen den Mänteln 44 und 46 angeordnet sind.

Der Diffusorabschnitt 42 ist frei drehbar auf der Pumpenwelle 22 montiert. Zu diesem Zweck sind ein oberes Radiallager 50 und ein unteres Radialdrucklager 52 vorgesehen. Der Diffusorabschnitt 42 wird durch den Durchgang der gepumpten Flüssigkeit in Drehung versetzt,

Das aus dem Diffusorabschnitt 42 austretende Fluid durchströmt einen stationären Diffusorabschnitt ^k, der keine Flügel aufweist und zweckmäßigerweise von der die öffnung 38 bildenden Betonstruktur gebildet wird. Der stationäre Abschnitt 54 ist glockenförmig gestaltet. Die Betonkonstruktion mit der öffnung

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ist innerhalb des Beckens angeordnet, in das die Flüssigkeit hineingepumpt werden soll.

Wenn das oben beschriebene Flügelrad 10 von einem (nicht dargestellten) Motor am oberen Ende der Welle 22 angetrieben wird, wird Flüssigkeit in den schraubenförmigen Kanal 16 eingezogen und durch die Flügel 18 des Flügelrades in Rotation bzw. in einen Wirbel versetzt. Dieser Wirbel bewirkt, daß die Flüssigkeit in dem äußeren Mantel 26 des Flügelrades 10 nach oben fließt, und daß sich an der Innenseite (am Innendurchmesser) des Flüssigkeitsstrudels eine flüssigkeitsfreie Oberfläche 60 ausbildet. Die Oberfläche 6θ der Flüssigkeit ist im Querschnitt im wesentlichen kreisförmig, obwohl die radiale Tiefe der Flüssigkeit zwischen zwei Flügeln variiert und an der Vorderfläche eines Flügels am größten ist. Die Flüssigkeit wird schließlich mit Geschwindigkeitskomponenten sowohl in tangentialer als auch in vertikaler Richtung in den drehbaren mit Flügeln versehenen Diffusorabschnitt 42 entlassen und strömt von dort in den stationären flügellosen Diffusorabschnitt 5^· Wenn die Flüssigkeit spiralförmig an der Oberfläche der Diffusorabschnltte 42 und 54 entlang aufwärtsströmt, wird ihre Geschwindigkeitsenergie in statische oder stationäre Energie umgewandelt. Die gekrümmte Oberfläche des stationären flügellosen Diffusorabschnlttes 54 sollte so ausgebildet sein, daß eine kräftige wirbelfreie Verteilung der Flüssigkeit erfolgt, wenn diese spiralförmig an dem Diffusorabschnitt hochströmt .

Die in Fig. 2 abgebildete modifizierte Ausfuhrungsform

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gleicht derjenigen der Fig. 1, mit der Ausnahme, daß der drehbare Diffusorabschnitt 42 angetrieben ist. In Fig. 2 sind diejenigen Teile, die denjenigen der Fig. 1 gleichen, mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. In Abänderung dazu wird die Pumpenwelle 22 jedoch über ein Getriebe 72 von einem Elektromotor 70 angetrieben. Ein erster Ausgang "Jk des Getriebes versetzt die Pumpenwelle in Drehung und ein zweiter Ausgang 76 treibt den Diffusorabschnitt 42 über ein rohrförmiges Verbindungsstück 78 an, das die Pumpenwelle 22 koaxial umgibt.

Die Zahnräder des Getriebes 72 sind so ausgewählt, daß der Diffusorabschnitt 42 mit geringerer Geschwindigkeit rotiert als die Pumpenwelle 22.

Bei einer modifizierten Ausführungsform der in den Fig. 1 und 2 abgebildeten Diffusoren ist der äußere Mantel des Diffusors feststehend und der innere Mantel, an dem die Flügel befestigt sind, rotiert in dem äußeren Mantel. Zwischen den äußeren Flügelkanten und dem äußeren Mantel ist ein geringes Spiel vorgesehen. Dieses Ausführungsbeispiel ist zeichnerisch nicht dargestellt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind mehrere nacheinander angeordnete Diffusoren vorgesehen.

In allen anderen Punkten ist das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 gleich demjenigen der Fig. 1.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der drehbare Diffusorabschnitt 42 fortgelassen und das Flügelrad 10 fördert direkt in einen feststehenden

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Diffusorabschnitt 54.

Auch in Fig. 3 sind diejenigen Teile, die denjenigen der Fig. 1 und 2 gleichen, mit den dort verwendeten Bezugszeichen bezeichnet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das untere Ende der Welle 22 hier nicht in einem Lager gelagert ist, sondern daß von dem Tragrahmen 32 ein Ansatz nach unten ragt, der ein Zwischenlager 134 für die Welle trägt.

Der feststehende Diffusorabschnitt 54 braucht nicht mit FührungsflugeIn versehen zu sein, jedoch sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 solche Führungsflügel 73 vorgesehen.

Weitere modifizierte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Pumpe sind in im wesentlichen gleicher Weise konstruiert wie die oben beschriebenen, jedoch mit einem bemerkenswerten Unterschied. Bei dieser modifizierten Ausführungsform ist der äußere Mantel 26 des Flügelrades 10 nicht an den Rotorflügeln 18 befestigt und rotiert auch nicht. Die Flügel des Flügelrades sind an dem konisch ausgebildeten inneren Mantel 24 und der Nabe 20 befestigt, die von der Antriebswelle 22 gedreht werden, und laufen mit feinem Spiel zwischen ihren Außenkanten und der Innenfläche des äußeren Mantels 26 um.

Bei einer weiteren (nicht dargestellten) Abänderung ist der Außendurchmesser des Flügelrades über die Länge des Flügelrades konstant, was bedeutet, daß der äußere Mantel zylindrisch ist.

Während des Betriebes wird bei jeder der beschriebenen

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Pumpen, wenn der Flüssigkeitsstand in dem Pumpensumpf 36 fällt, weniger Flüssigkeit in das Flügelrad 10 eingezogen, was auf die Form des Vorderendes der spiralförmigen Flügel zurückzuführen ist. Daher nimmt die radiale Tiefe des rotierenden Flüssigkeitsstrudels im Inneren des Flügelrades ab. Da der Wirbel, in den dieser dünnere rotierende Flüssigkeitsstrudel versetzt wird, sich nur wenig von demjenigen unterscheidet, in dem ein radial stärkerer Strudelring bei größeren Fördermengen versetzt wird, bleibt die von dem Flügelrad erzeugte Saughöhe nahezu konstant. Die Leistungsaufnahme des Rotors fällt nahezu proportional mit der Reduzierung der zu pumpenden Flüssigkeitsmenge. Auf diese Weise steigen sowohl die volumetrische Strömungsrate durch die Pumpe als auch die aufgenommene Leistung, wenn der Flüssigkeitsstand im Sumpf steigt, und sie fallen in dem Maße, wie der Flüssigkeitsstand im Sumpf abfällt. Die Pumpe ist auf diese Weise selbstregelnd und arbeitet vom Maximaldurchsatz bis zu einem ganz kleinen Bruchteil dieses Maximaldurchsatzes mit hohem Wirkungsgrad. Ihre Leistungsfähigkeit bei bestem Wirkungsgrad schneidet im Vergleich zu konventionellen Zentrifugalpumpen, Axial-Radialpumpen oder Axialpumpen günstig ab, weil keine Scheiben-Reibungsverluste vorhanden sind, wie sie bei herkömmlichen Zentrifugalpumpen und Radial-Axialpumpen (mixed flow pumps) auftreten. Außerdem sind die Leckverluste, die zwischen Rotor und Diffusor auftreten, nur ganz gering. Die Reibungsverluste in den Flüssigkeitsdurchgängen im Inneren des Flügelrades und in dem rotierenden Diffusorabschnitt können bei einer Pumpe der beschriebenen Art sehr gering gehalten werden, weil die Relativgeschwin-

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digkeiten der Flüssigkeit im Vergleich zu konventionellen rotodynamisehen Pumpen für die gleiche Förderhöhe gering sind, und weil es zweckmäßig und wirtschaftlich ist, den Konus und die Flügel von Flügelrad und Diffusor aus dünnem korrosionsbeständigem Blech aus Edelstahl oder einer Kupferlegierung herzustellen oder aus verstärktem oder unverstärktem Kunststoff. All diese Lösungen ergeben sehr glatte Oberflächen, Auch der stationäre Diffusorabschnitt oberhalb des Rotors kann mit sehr glatter Oberfläche hergestellt werden.

Die oben beschriebenen Pumpen eignen sich sehr gut zum Pumpen von Flüssigkeiten, die Festkörper in Suspension enthalten, wie Kanalisationsabwässer und Dränageabwässer von Sturmdränagen. Diese Eignung beruht auf der Tatsache, daß die Pumpe, weil kein Pumpengehäuse benötigt wird, so konstruiert werden kann, daß sie mit geringeren maximalen Relativgeschwindigkeiten läuft als herkömmliche rotodynamisehe Pumpen für ähnliche Einsätze. Auf diese Weise wird die Gefahr der Beschädigung durch aufstoßende Festkörper und Abrieb vermindert. Da nur eine sehr begrenzte Abhängigkeit von feinen Toleranzen bzw. von engem Spiel gegeben ist, werden die Schwierigkeiten der Beibehaltung eines derartigen Spiels bei Abrieb, wie sie in archimedischen Schraubenpumpen und konventionellen rotodynamisehen Pumpen auftreten, vermieden. Die großen Abstände der Flügel in der Pumpe lassen es zu, mit der Pumpe auch großes Feststoffgut zu fördern. Die Förderung von solchem Feststoffgut kann dadurch unterstützt werden, daß eine kurze (nicht abgebildete) Einführungsvorrichtung für die Schraube am unteren Ende der Rotorwelle angebracht wird.

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Die vertikale Aufhängung der Pumpe oberhalb des Pumpeneinlaßsumpfes und der Verzicht auf ein konventionelles Pumpengehäuse sind die Gründe für geringe Installationskosten und geringen Raumbedarf. Die Rotoren können ohne Schwierigkeiten vertikal angehoben werden, um Inspektionen oder Wartungsarbeiten durchführen zu können.

Die oben beschriebenen Pumpen können auch als Turbinen für geringe Druckhöhen betrieben werden, wenn der Flüssigkeitsstrom umgedreht wird. Der volumetrische Fluß wird dabei dadurch reguliert, daß ein ringförmiges Absperrorgan am oberen Ende der Pumpe angehoben und abgesenkt wird, um die radiale Tiefe des spiralförmig in die Öffnung 58 einströmenden Flusses und damit die Ausgangsleistung der Turbine zu beeinflussen. Die Turbine besitzt einen hohen maximalen Wirkungsgrad und halt einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Durchflußbereich bei konstanter Geschwindigkeit aufrecht. Man verfügt damit über eine vorzügliche hydraulische Kraftmaschine für die Stromerzeugung.

Mit den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen und Modifizierungen der Erfindung ist es nicht nötig, komplexe Mehrfachtore und Flügel mit variablen Anstellwinkeln, wie sie für Kaplan- und Franc!s-Flüssigkeitsturbinen eingesetzt werden, zu verwenden. Die erfindungsgemäße Maschine kann jedoch hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit mit den genannten Maschinen über einen weiten Durchflußbereich hinweg konkurrieren.

Wenn eine Pumpe nach den Fig. 1 und 2 für Flüssigkeiten benutzt wird, die Festkörper in Suspension enthalten,

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wird durch die Verwendung eines drehbaren Diffusorbereiches 42,der rotierende Flügel 75 aufweist, sichergestellt, daß allen Festkörperbestandteilen von den Flügeln sowohl im Flügelrad 10 als auch in dem drehbaren Diffusorbereich 42 Zentrifugalkräfte mitgeteilt werden. Auf diese Weise können alle Feststoffe, die durch die Bodenöffnung in das Flügelrad 10 eintreten, zwangsweise bis zum oberen Ende des drehbaren Diffusorbereich.es 42 getrieben werden, unabhängig von der volumetrisehen Durchflußrate der Flüssigkeit. Die kinetische Energie der Feststoffteile reicht zusammen mit der auf die Feststoffteile einwirkenden Mitreißwirkung des Flüssigkeitsstromes im allgemeinen aus, um die Feststoffteile über den verbleibenden flachen stationären glockenförmigen Diffusorbereich 54,Q.h. auf das Niveau des Pumpenauslasses, anzuheben. In Fällen, in denen ausnahmsweise schwer zu pumpende Feststoffe vorliegen, kann der stationäre Diffusorbereich 54 am oberen Pumpenende fortgelassen werden. Dabei erleidet man eine gewisse Einbuße hinsichtlich der Wirksamkeit des Diffusors und daher eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrades der Pumpe. Große Abstände zwischen den Flügeln in dem drehbaren Diffusor bedeuten, daß großformatige Feststoffe damit gefördert werden können.

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Claims

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Ansprüche

1.)Rotodynamisehe Pumpe zum Fördern von Flüssigkeit von einem niedrigen Niveau mit freier Oberfläche zu einem höheren Niveau, mit einem auf der Höhe des unteren Niveaus liegenden Einlaß und einem auf der Höhe des oberen Niveaus liegenden Auslaß, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Laufrad (10) und dem Auslaß ein Diffusor (42) angeordnet ist, und daß das Laufrad (10) und der Diffusor (42) die gesamte Einrichtung zum Zurückhalten und Führen der Flüssigkeit zwischen dem Laufrad (10) und dem Diffusor (42) darstellt.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Pumpe mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit antreibende Antriebsvorrichtung vorgesehen ist.

j5. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen des Laufrades (10) und des Diffusors (42) im wesentlichen vertikal verlaufen.

4. Rotodynamisehe Flüssigkeitsturbine, bei welcher die hydraulische Energie durch das Herabsinken von Flüssigkeit von einem oberen Niveau mit freier Oberfläche auf ein unteres Niveau mit freier Oberfläche gewonnen wird, mit einem Einlaß in Höhe des oberen Niveaus und einem Auslaß in Höhe des unteren Niveaus, dadurch gekennzeichnet, daß

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die Turbine ein Laufrad (10) und eine Vorrichtung (42) zur Beschleunigung der Flüssigkeit zwischen dem Einlaß und dem Laufrad aufweist, und daß das Laufrad und die Vorrichtung (42) zur Beschleunigung von Flüssigkeit die einzige Einrichtung zum Zurückhalten und Führen von Flüssigkeit zwischen dem Einlaß und dem Auslaß bilden.

5. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen des Laufrades (10) und der Vorrichtung (42) zur Beschleunigung von Flüssigkeit im wesentlichen vertikal verlaufen.

6. Rotodynamische Fluidmaschine für den Betrieb in Flüssigkeiten, mit einem Einlaß und einem in vertikalem Abstand davon liegenden Auslaß, dadurch gekennzeichnet, daß das auf einer Welle (22) montierte Laufrad (10) von einem äußeren Mantel (26) umgeben ist und Flügel (18) trägt, die zusammen mit dem Mantel zahlreiche Flüssigkeitsdurchgänge längs des Laufrades bilden, wobei die in den Flüssigkeitsdurchgängen befindliche Flüssigkeit, einen Strudel bildend, gegen den äußeren Mantel gedrückt wird und sich an der radial innen liegenden Grenzfläche des Strudels eine freie Oberfläche (60) ausbildet, und daß oberhalb des Laufrades eine sich in Achsrichtung erstreckende Energieumwandlungsvorrichtung (42) angeordnet ist, deren Außenradius sich nach oben vergrößert.

7. Fluidmaschine nach Anspruch 6, dadurch g e -

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kennzeichnet, daß die Welle (22) im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist.

8. Fluidmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichne t , daß der Radius des äußeren Mantels (26) sich nach oben hin vergrößert.

9- Fluidmaschine nach Anspruch 6 oder 7* dadurch gekennzeichnet , daß der äußere Mantel (26) zylindrisch ausgebildet ist.

10. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (18) spiralförmig montiert sind.

11. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (18) an einer von dem unteren Ende der Welle (22) getragenen Nabe (20) befestigt sind.

12. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel (26) mit der Welle (22) montiert und die Flügel (18) an ihm befestigt sind.

15. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel (26) drehfest angebracht ist, und daß zwischen den Flügeln (l8) und dem Mantel (26) ein Spiel vorhanden ist.

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14. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis Γ3, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Mantel (24) vorgesehen ist, der vom oberen Ende der Nabe (20) ausgeht und die Flügel (18) oberhalb der Nabe stützt.

15. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel (26) und die Flügel (18) bis unter das untere Ende der Nabe (20) ragen, und daß die unteren Enden der Flügel (l8), soweit sie von der Nabe (20) radial nach außen abstehen, nach unten abgeschrägt sind.

16. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 15* dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumwandlungsvorrichtung (42) drehbar um die Achse des Laufrades (10) montiert ist und Flügel (75) aufweist.

17. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumwandlungsvorrichtung (42) frei um die Welle (22) des Laufrades drehbar ist.

18. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumwandlungsvorrichtung (42) mit einer Geschwindigkeit angetrieben ist, die geringer ist als die Drehgeschwindigkeit des Laufrades (10).

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19· Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflügel (75) der Energieumwandlungsvorrichtung (42) zum inneren Mantel (46) hin geformt und an diesem befestigt sind.

20. Fluidmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußerer Mantel (44), der die Energieumwandlungsvorrichtung bildet, feststehend angeordnet ist, und daß zwischen den Außenkanten der Führungsflügel (75) und dem äußeren Mantel (44) ein Laufspiel vorhanden ist.

21. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumwandlungsvorrichtung einen ringförmigen, glockenförmig erweiterten feststehenden Durchlaß (54) aufweist.

22. Fluidmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumwandlungsvorrichtung (42) und das Laufrad (10) über ein Getriebe (72) vom selben Motor (70) angetrieben sind, und daß die Übersetzungsverhältnisse so gewählt sind, daß die Energieumwandlungsvorrichtung (42) mit geringerer Geschwindigkeit rotiert als das Laufrad (10).

23. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere drehbare Energieumwandlungsvorrichtungen in Reihe hintereinander angeordnet sind.

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24. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad '1O) und die Erargieumwandlungsvorrichtung (42) aus Metallblech bestehen.

25. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad QO) und die Energieumwandlungsvorrichtung (42) aus Kunststoff bestehen.

26. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des unteren Endes des Laufrades (10), jedoch im Abstand davon, stationäre Leitbleche zur Verhinderung einer Vor-Rotation der in die als Pumpe betriebene Maschine einströmende Flüssigkeit vorgesehen sind.

27. Fluidmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis l8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Turbinenbetrieb an dem Einlaß eine Absperrvorrichtung zur Regulierung des die Maschine passierenden Fluidflusses vorgesehen ist.

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