-
Die
Erfindung betrifft hydraulische Pumpen, insbesondere hydraulische
Pumpen für
große
Saughöhen
und geringe Förderleistung.
-
Als
große
Saughöhe
wird eine Saughöhe von
mehr als 4 Metern betrachtet. Außerdem wird eine Förderleistung
von weniger als 400 l/h als geringe Förderleistung betrachtet. Eine
vergrößerte Saughöhe und eine
geringer Förderleistung
sind Betriebsbedingungen, die häufig
bei Pumpen für
Systeme zur Rückgewinnung
von Regenwasser angetroffen werden, die zur Versorgung von sanitären Anlagen
oder Waschmaschinen dienen. Die Fluiddurchsätze betragen in diesem Fall
typischerweise 50 bis 400 l/h, und die Saughöhen liegen zwischen 4 und 7
m.
-
Beim
Ansaugen herrscht am Einlaß der Pumpe
ein geringer Druck. Manchmal sinkt der Druck, bis Luftblasen in
dem Fluid auftreten. Bei geringen Förderleistungen ist die Geschwindigkeit
des Fluids vermindert. Die Blasen werden deshalb in der Pumpe nicht
von dem Fluid mitgenommen. Es kommt deshalb manchmal zur Ansammlung
von Blasen im Einlaß der
Pumpe. Das Fluid kann dann nicht mehr ausfließen, und der Einlaßdruck bricht
zusammen. Dies führt
dann zu einem Ausfall der Pumpe.
-
Es
ist auch bekannt, eine Strahlpumpe mit Hydro-Ejektor zu verwenden.
Diese Pumpe ist unter den Bedingungen geringer Förderleistung und großer Saughöhe weniger
ausfallanfällig.
Andererseits ist diese Pumpe jedoch sehr laut, was bei bestimmten
Anwendungen besonders störend
ist.
-
GB-A-877 878 offenbart
eine selbstansaugende Pumpe mit einem Laufrad, das an seinem Umfang
eine Folge von radialen Einkerbungen oder Unregelmäßigkeiten
aufweist, um beim Anlaufen der Pumpe Turbolenzen zu erregen. Diese
Unregelmäßigkeiten
haben keine oder nur geringe Auswirkungen auf den normalen Betrieb
der Pumpe nach dem Anlaufen.
-
JP-A-10 318180 beschreibt
eine selbstansaugende Pumpe mit einem Laufrad, Fluidkanälen, die
durch Wände
voneinander getrennt sind, und Erregungsbereichen, die sich in der
Oberfläche
auf der Seite des Fluideinlasses öffnen. Diese Bereiche vermischen
das Fluid auf der Seite des Fluideinlasses mit Luft.
-
FR-A-742 839 beschreibt
einen Pumpenrotor, der durch Schaufeln gebildet wird, die paarweise durch
seitliche Wangen verbunden sind, so daß geschlossene Kanäle gebildet
werden.
-
Ein
Nachteil in Verbindung mit solchen Laufrädern besteht darin, daß die Blasen
an der Stelle einer radialen Öffnung
nicht die größten Abmessungen haben,
so daß ihre
Evakuierung nicht erleichtert wird.
-
Außerdem begünstigt die
Geometrie dieser Laufräder
nicht die Rückgewinnung
von Fluid, das an einer radialen Öffnung der Räder austritt.
-
Im übrigen sind
die Laufräder
der oben beschriebenen Pumpen nicht besonders dazu angepaßt, in einer
Pumpe mit großer
Saughöhe,
d. h., mehr als 4 Metern, montiert zu werden.
-
Des
weiteren sind diese Laufräder
nicht besonders dazu angepaßt,
in einer Pumpe mit geringer Förderleistung
montiert zu werden, d. h., mit einer Förderleistung zwischen 50 und
400 l/h.
-
Die
vorstehend beschriebenen Pumpen sind außerdem Einkammerpumpen, d.
h. mit einem Rad in einem Spiralgehäuse.
-
Es
besteht somit Bedarf an einem Rad und einer Pumpe, die eines oder
mehrere dieser Probleme überwinden.
-
Gegenstand
der Erfindung ist somit die Konzeption eines neuen Rades, das eine
einwandfreie Funktion der Pumpe mit großer Saughöhe und geringer Förderleistung
ohne Hydro-Ejektor ermöglicht.
-
Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Rad einer hydraulischen Pumpe mit einem Fluid-Einlaß auf einer
Seite, einer radialen Öffnung,
wenigstens einem Fluidkanal, der den Fluid-Einlaß mit der radialen Öffnung verbindet,
und, am Umfang des Rades auf der anderen Seite des Rades, einer
Abstufung, die gegenüber
der Öffnung
winkelversetzt ist.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
ist das Rad nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Fluchtwinkel
zwischen der Abstufung und dem Umfang des Rades in Drehrichtung
des Rades zwischen 10 und 40°,
vorzugsweise zwischen 15 und 25° beträgt.
-
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
beträgt
der Angriffswinkel zwischen der Abstufung und dem Umfang des Rades
in Drehrichtung des Rades zwischen 80 und 100°.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
hat die Abstufung entlang der Rotationsachse des Rades eine Breite
zwischen 40 und 60% der Breite des Kanals.
-
Gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
hat die Abstufung in Radialrichtung eine Tiefe zwischen 9 und 14%
des Durchmessers des Rades.
-
Die
Anordnung kann so getroffen sein, daß die Abstufung eine Winkelausdehnung
zwischen 80 und 120% der Winkelausdehnung des Fluidkanals aufweist.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
weist die zwischen zwei benachbarten Kanälen gebildete Schaufel in der
Nähe des
Fluid-Einlasses einen Krümmungsradius
zwischen 2 und 6 mm auf.
-
Gemäß noch einer
Ausführungsform
bildet das Rad einen ersten Flansch, auf dem der Einlaß angeordnet
ist, einen zweiten Flansch, auf dem die Abstufung ausgebildet ist
und wenigstens eine Schaufel, und die ersten und zweiten Flansche
begrenzen einen der genannten Kanäle.
-
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
hat der Kanal einen Divergenzwinkel zwischen 7 und 15°, vorzugsweise
zwischen 8 und 9°.
-
Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Pumpe mit wenigstens einem solchen Rad.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
hat die Pumpe eine Saughöhe
von mehr als 4 Metern.
-
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
hat die Pumpe eine Förderleistung
zwischen 50 und 400 l/h.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Studium
der nachstehenden, nur als Beispiel dienenden Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen
zeigen:
-
1 einen
Querschnitt eines Beispiels einer Pumpe, in der ein Rad gemäß der Erfindung montiert
werden kann;
-
2 und 3 perspektivische
Ansichten eines Beispiels eines Pumpenrades gemäß der Erfindung;
-
4 einen
Querschnitt vor einer Abstufung an einer Abströmseite des Rades;
-
5 einen
Querschnitt an der Stelle der Abstufung an der Abströmseite des
Rades;
-
6 einen
Querschnitt in einer die Achse des Rades enthaltenen Ebene;
-
7 eine
vergrößerte Darstellung
einer Abstufung gemäß 5,
zur Illustration einer bevorzugten Geometrie dieser Abstufung.
-
Die
Erfindung schlägt
insbesondere ein Rad für
eine hydraulische Pumpe vor, die eine bessere Mitnahme von in einem
Fluid vorhandenen Gasblasen erreicht. Das Rad hat einen Fluid-Einlaß auf einer
Seite, eine radiale Öffnung,
wenigstens einen Fluidkanal, der den Fluid-Einlaß mit der radialen Öffnung verbindet,
und eine Abstufung am Umfang des Rades, die sich auf der anderen
Seite des Rades befindet und gegenüber der Öffnung winkelversetzt ist.
-
1 zeigt
in einem Querschnitt eine Pumpe 1, die ein Rad 2 gemäß der Erfindung
aufweisen kann. Diese Pumpe 1 ist eine Mehrkammerpumpe; sie
hat mehrere aufeinanderfolgende Räder 2 bis 6, die
durch eine Welle 13 angetrieben werden und durch feste
Rücklaufkanäle 7 bis 10 getrennt
sind. Die Pumpe ist dazu vorgesehen, ein Fluid an einem Einlaß 11 anzusaugen
und am Auslaß 12 auszustoßen.
-
Das
Rad 2 ist das Rad, das dem Einlaß 11 am nächsten liegt.
Es handelt sich somit um das Rad an der Stelle, an der der Druck
des Fluids am geringsten ist, und somit das Rad, das potentiell
die meisten Blasen mitnehmen muß.
Die Pumpe arbeitet also mit wenigstens einem ersten Rad gemäß der Erfindung.
Obgleich die beschriebene Ausführungsform
der Pumpe mehrere Räder
aufweist, ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, sich eine Pumpe vorzustellen,
die nur ein einziges Rad aufweist, wie es im folgenden beschrieben
werden wird.
-
2 und 3 zeigen
perspektivische Ansichten des Rades 2. Der in diesen Figuren
dargestellte Pfeil gibt die Drehrichtung des Rades 2 in
der Pumpe 1 an, in diesem Fall in Gegenuhrzeigersinn, wenn
das Rad vom Einlaß 11 her
betrachtet wird. Die 4 und 5 zeigen
Querschnitte des Rades 2 in verschiedenen axialen Positionen. 4 ist
ein Schnitt durch das Rad vor der Abstufung. 5 ist ein
Schnitt durch das Rad an der Stelle der Abstufung. 6 zeigt
einen Schnitt durch das Rad in einer Ebene, die die Achse des Rades
enthält.
Das Rad hat einen Fluid-Einlaß 14,
eine radiale Öffnung 15 und
wenigstens einen Fluidkanal 16, der den Einlaß 14 mit
der radialen Öffnung 15 verbindet.
Das von der Öffnung 14 angesaugte
Fluid durchströmt
somit den Kanal 16 und wird von dem Rad über die
radiale Öffnung 15 ausgestoßen. Das
Rad 2 hat an seinem Umfang eine Abstufung 17.
Die Abstufung ist in einer Stirnfläche des Rades gebildet, die
der Einlaßseite entgegengesetzt
ist. Diese Abstufung ist gegenüber der
radialen Öffnung
winkelversetzt. Aufgrund der Abstufung wird der Abfluß des Fluids
gestört,
und die Blasen und das Fluid werden am Umfang des Rades miteinander
gemischt. Die in dem Fluid vorhandenen Blasen werden folglich zum
Auslaß der
Pumpe oder gegebenenfalls zu dem nachfolgenden Rad mitgenommen.
Der Winkelversatz erlaubt die Aufnahme von Fluid, das aus einer
radialen Öffnung 15 austritt, in
einer Abstufung 17, die in einer der Öffnung nachfolgenden Winkelposition
angeordnet ist. Obgleich man zunächst
denken könnte,
daß dies
den hydraulischen Wirkungsgrad des Rades deutlich beeinträchtigen
würde,
ohne daß man
dafür einen
Vorteil erhält,
zeigt es sich, daß der
hydraulische Wirkungsgrad nicht zu sehr beeinträchtigt wird und daß im Gegenteil
die Mitnahme der Blasen beträchtlich
verbessert wird.
-
Im
gezeigten Beispiel hat das Rad eine Einlaßseite für das Fluid, die durch einen
ersten Flansch 18 gebildet wird. Das Rad 2 hat
außerdem
einen zweiten Flansch 19, der die Abströmseite des Rades für das Fluid
bildet und in der die Abstufung 17 ausgebildet ist. Zwischen
den Flanschen 18 und 19 sind mehrere Schaufeln 20 angeordnet.
Die Schaufeln 20 begrenzen zusammen mit den Flanschen 18 und 19 mehrere
Kanäle 16.
-
Die
Abstufung 17 hat vorzugsweise eine bestimmte Geometrie,
die in 7 genauer dargestellt ist. Die gestrichelte Linie
gibt die kreisförmige
Kontur eines Grundkörpers
eines Rades 2 an. Die Abstufung bildet einen Angriffsrand 21,
der in Umfangsrichtung der zu der Abstufung 17 gehörenden Öffnung 15 am nächsten liegt.
Er bildet mit dem Umfang des Rades bevorzugt einen Angriffswinkel,
der mit α bezeichnet ist
und zwischen 80 und 100° beträgt. Der
Umfang des Rades wird in diesem Beispiel durch die kreisförmige Kontur
des Rades gebildet. Man erreicht so eine gute Mitnahmecharakteristik
für die
Blasen durch das Fluid.
-
Die
Abstufung bildet außerdem
einen Fluchtrand 22, der in Umfangsrichtung am weitesten
von der zu der Abstufung 17 gehörenden Öffnung 15 entfernt
ist. Es handelt sich um den Fluchtrand in Rotationsrichtung des
Rades. Dieser Fluchtrand bildet vorzugsweise einen mit β bezeichneten
Fluchtwinkel, der mehr als 10° beträgt. Es läßt sich
so eine Mitnahme und somit eine wirksame Abförderung der Blasen erreichen.
Noch günstiger
ist es, einen Fluchtwinkel von mehr als 15° zu verwenden, um einen besseren Abtransport
der Blasen zu erreichen. Der Fluchtwinkel ist vorzugsweise kleiner
als 40°,
um einen guten hydraulischen Wirkungsgrad des Rades beizubehalten.
Um einen noch besseren hydraulischen Wirkungsgrad zu erreichen,
ist der Fluchtwinkel vorzugsweise kleiner als 25°. Der beste Kompromiß zwischen
dem hydraulischen Wirkungsgrad und dem Abtransport der Blasen wurde
in diesem Beispiel bei einem Fluchtwinkel von 20° erhalten.
-
Die
Abstufung hat vorzugsweise in Richtung der Drehachse des Rades eine
Dicke, die mehr als 40% der Dicke des Kanals längs dieser Achse beträgt. Eine
solche Dicke erlaubt es, genügend
Fluid mitzunehmen, um die Blasen zu beseitigen. Vorzugsweise verwendet
man auch eine Dicke in Richtung der Drehachse des Rades, die mehr
als 60° der
Dicke des Kanals in Richtung dieser Achse beträgt. Eine solche Dicke erlaubt
es, einen guten hydraulischen Wirkungsgrad beizubehalten. Der beste
Kompromiß zwischen
dem hydraulischen Wirkungsgrad und dem Abtransport der Blasen wurde
bei einer Dicke in Richtung der Achse des Rades erhalten, die 50%
der Dicke des Kanals in Richtung dieser Achse beträgt.
-
Die
Abstufung hat vorzugsweise in Radialrichtung eine Tiefe zwischen
9 und 14 % des Durchmessers des Rades. Je größer die Tiefe, desto besser
die Funktion, auf Kosten des hydraulischen Wirkungsgrades.
-
Die
Ausnehmung hat vorzugsweise eine Winkelausdehnung, die zwischen
80 und 120 % der Winkelausdehnung des Fluidkanals beträgt.
-
Eine
bestimmte Geometrie einer Schaufel 20 ist vorzugsweise
so beschaffen, daß sie
die an der Stelle des Fluid-Einlasses vorhandenen Blasen nicht in
Blasen mit kleineren Abmessungen an der Stelle der radialen Öffnung transformiert.
Zu diesem Zweck verwendet man eine Schaufel zwischen zwei benachbarten
Kanälen,
die in der Nähe
des Einlasses einen Krümmungsradius
zwischen 2 und 6 mm hat. Die Blasen haben somit an der Stelle der
radialen Öffnung
eine größtmögliche Ausdehnung,
so daß ihr Abtransport
erleichtert wird.
-
Vorzugsweise
verwendet man auch einen Kanal, dessen Divergenz gering ist. So
verwendet man vorzugsweise einen Kanal 16, dessen Divergenz
zwischen dem Fluid-Einlaß und
dem Auslaß für das Fluid
zwischen 7 und 15° beträgt. Die
Divergenz wird ausgedrückt
durch die Winkel-Länge
an der Stelle des Einlasses und an der Stelle der radialen Öffnung.
So wird eine gute Führung
des Fluids in dem Kanal aufrechterhalten. Das führt dazu, daß die Ablösungen begrenzt
sind. Rückströmungen,
die auf eine Abbremsung der zu beseitigenden Blasen zurückzuführen sind,
werden somit vermieden. Vorzugsweise verwendet man eine Divergenz
zwischen dem Einlaß und
der radialen Öffnung,
die zwischen 8 und 9° liegt,
um die Ablösungen
noch besser zu begrenzen.
-
Das
Rad 2 ist somit besonders dazu angepaßt, in einer Pumpe mit großer Saughöhe montiert zu
werden, d. h. mit einer Saughöhe
mit mehr als 4 Metern. Dieses Rad ist außerdem besonders dazu angepaßt, in einer
Pumpe mit geringer Förderleistung
montiert zu werden, d. h. einer Förderleistung zwischen 50 und
400 l/h.
-
Das
allgemeine Problem bei der Funktionsweise einer Pumpe mit geringer
Förderleistung
und größerer Saughöhe ist verschieden
von dem Problem der Funktionsweise einer Pumpe während des Anlaufens oder dem
Problem des Wirkungsgrades der Pumpe. Das Rad 2 ermöglicht es,
die Funktionsweise einer Pumpe mit geringer Förderleistung und großer Saughöhe zu verbessern,
d. h., in mit Luft versetztem Wasser. Zum Beispiel kann das Rad 2 die Beseitigung
der Blasen, beispielsweise der Luftblasen, während des Betriebs mit geringer
Förderleistung
verbessern, und dies außerhalb
der Anlaufphase.
-
Eine
Pumpe mit mehreren Rädern,
wie sie vorstehend beschrieben wurden, ist eine Mehrkammerpumpe.
Sie kann mehrere Räder
mit Rücklaufkanälen und
Diffusoren aufweisen. Zum Beispiel kann die Pumpe gegebenenfalls
einen festen Diffusor aufweisen, der zwischen zwei Rädern eingefügt ist.
Der Diffusor kann glatt sein oder Flügel bilden, wie als solches
bekannt ist.
-
Es
versteht sich, daß die
vorliegende Erfindung, wie sie in den nachstehenden Ansprüchen definiert
ist, nicht auf die beschriebenen und dargestellten Beispiele und
Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern auf zahlreiche im Griffbereich des Fachmanns liegende
Arten abgewandelt werden kann.