Zusammenfassung
Vorgestellt wird eine Kreiselpumpe, die im Gegensatz zum Stand der Technik eine verbesserte Fluidführung aufweist, wodurch eine höhere Energieumsetzung pro Stufe, somit eine höhere Druckdifferenz pro Stufe und letztlich ein besserer Wirkungsgrad erzielt wird. Durch die längere Verweildauer des Fluids im Rotor können höhere Umfangsgeschwindigkeiten erzielt werden und die im Ringraum (12) angeordneten und axial schraubenförmig verlaufenden Schaufeln (8) bewirken eine effektive Umlenkung des Fluids in axiale Richtung und die Überführung in die anschließende Verzögerungsstufe (4). Durch die Trennung der Drallreduktion in zwei separate Bauteile wird eine wesentlich höhere Energieumsetzung erzielt, die nicht an einen einzigen Betriebspunkt gebunden ist. Einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Energieumsetzung wird durch die Scherung des Fluids im Ringraum (12) und den Verzicht von Schaufelarbeit im rückwärtigen Bereich der schraubenförmig verlaufenden Schaufeln (8) erzielt.
Stand der Technik
Bekannte Kreiselpumpen sind i. a. so gestaltet, dass die gesamte Strömungsgeometrie und insbesondere die Schaufeln in Rotor und Stator einem bestimmten Betriebspunkt der Pumpe entsprechen. Das hat zur Folge, dass die Pumpe außerhalb dieses Betriebspunktes erhebliche Wirkungsgradeinbußen aufweist. Ebenso ist es für herkömmliche Pumpen üblich, den Drehimpuls des Fluids mit einem Verzögerungsgitter in eine statische Drückerhöhung zu wandeln, das in radialer Richtung gegenüber dem Abströmbereich des Rotors angeordnet ist und den Volumenstrom in einem das Verzögerungsgitter umschließende und schneckenförmig gestalteten Strömungskanal in eine zylindrische Rohrleitung zu überführen. Sobald das Fluid den Rotor verlassen hat, kann diesem keine weitere Energie mehr zugeführt werden, was im Zusammenhang mit der kontinuierlichen bzw. laminaren Durchströmung der Pumpe eine relativ geringe Energieumsetzung pro Stufe zulässt, da es bei weiterer Belastung zu Kavitation kommt.
Erzielte Vorteile
Durch die hier beschriebene Kreiselpumpe wird im Wesentlichen eine erhöhte Energieumsetzung am Fluid pro Pumpenstufe und somit eine höhere Energiedichte und ein besserer Wirkungsgrad erzielt. Die Umfangsgeschwindigkeit des Fluids am Rotorausgang ist hier nicht mehr durch die maximalen Schaufelarbeit begrenzt, sondern hängt nur noch von der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors am Strömungsausgang ab. Das Fluid muss in der angrenzenden Umlenkstufe (3) nicht einer bestimmten Rückenkrümmung von Umlenkschaufeln folgen, wobei in herkömmlichen Kreiselpumpen die Kavitation auf der rückwärtigen Schaufelseite die limitierende Größe ist. Stattdessen wird das Fluid über schraubenförmig angeordnete Schaufeln (8) dermaßen in die angrenzende Verzögerungsstufe (4) geleitet, dass die Vorderseite der schraubenförmig angeordneten Schaufel (8) das Fluid ohne den Umweg über eine mit zunehmenden Radius angeordnete Verzögerungsstufe unmittelbar in ein in Richtung der Maschinenachse gerichtetes Verzögerungsgitter leitet. Durch die geringe Höhe des an den Rotor angrenzenden Ringraums, in dem die schraubenförmigen Schaufeln angeordnet sind, wird eine hohe Scherungswirkung am Fluid ermöglicht, die bis in den Ringraum hineinwirkt. Hierdurch ist die Energiezufuhr räumlich nicht mehr, wie bisher üblich, auf den Rotor begrenzt, sondern ein erheblicher Teil wird durch die große Oberfläche der angrenzenden schraubenförmigen Schaufeln umgesetzt.
Durch eine rampenförmige Vergrößerung des hinter der schraubenförmigen Schaufel befindlichen Bereiches wird die kavitationsfreie Füllung des hinter der schraubenförmigen Schaufel angeordneten Volumens und somit die Zuführung des Volumenstromes zur Vorderseite der schraubenförmigen Schaufel erzielt. Auf der Rückseite der schraubenförmigen Schaufel wird somit nominell keine Energie umgesetzt.
Durch die angrenzende Verzögerungsstufe (4) steht großer nahe der Maschinenachse gelegener Bauraum für ein Umlenkgitter mit vielen gekrümmten Schaufeln (9) zur Verfügung, so dass die Umlenkung des Fluids und somit der Drallabbau aufgrund der großen Oberfläche kavitationsfrei und unabhängig von der Größe des Volumenstroms erfolgen kann.
Funktion
Die Funktion ist ähnlich zu bekannten Kreiselpumpen. Das Fluid wird über den Ansaugstutzen (16) in die Pumpe geleitet. Über die Welle (17) wird der Rotor (2) angetrieben, der einen Drehimpuls des Fluids bewirkt. Das Fluid strömt axial durch die Zuströmöffnung (18) in den Rotor ein und wird durch die Rotorschaufeln (6) in Rotation versetzt. In der Umlenkstufe (3) wird das Fluid durch schraubenförmig verlaufende Schaufeln (8) um 90 Grad in axiale Richtung umgelenkt. Durch die spezielle Gestalt dieser Schaufeln und die besondere Form des hinter den Schaufeln liegenden Bereichs, wie in den Patentansprüchen beschrieben, ist der Betrieb des Pumpenrotors mit einer wesentlich höheren Umfangsgeschwindigkeit und somit eine größere Energieumsetzung pro Stufe möglich. Durch die geringe Höhe des am Außenbereich des Rotors angrenzenden Ringraumes (12) wird die Scherung des Fluids zur weiteren Energieumsetzung am Fluid genutzt. In der anschließenden Verzögerungsstufe (4) steht ein großer Raum für eine hohe Anzahl von Schaufeln zur Verfügung, die eine optimale und von der Größe des Volumenstromes unabhängige Drallreduktion und somit statische Druckerhöhung ermöglichen. Das Fluid verlässt die Pumpe über den Druckstutzen (19).
Verwendung
Die hier vorgestellte Kreiselpumpe ist in nahezu allen Bereichen einsetzbar, in denen große Volumenströme mit einem geringen maschinellen Aufwand und einem guten Wirkungsgrad gefördert werden, wie beispielsweise:
- Wasserversorgung und -verteilung
- Trinkwasserversorgung in städtischen und ländlichen Netzwerken
- Druckerhöhungssysteme in Gebäuden
- Förderung von Grund- oder Oberflächenwasser
- Beregnungsanlagen in der Landwirtschaft
- Heizungs-, Klima- und Kühlkreisläufe
- Zirkulationspumpen in Heizsystemen
- Pumpen in Kühlwasserkreisläufen von Industrieanlagen oder Rechenzentren
- Kältemittelpumpen in Klimaanlagen
- Industrieanlagen / Prozessindustrie
- Chemie- und Petrochemieanlagen (z. B. Wasser, Lösungsmittel, schwach aggressive Flüssigkeiten)
- Lebensmittelindustrie, z. B. bei der CIP-Reinigung
- Papier- und Zellstoffindustrie
- Energie- und Kraftwerkstechnik
- Speisewasserpumpen in Dampfkraftwerken
- Kondensatpumpen
- Kühlmittelpumpen in thermischen und nuklearen Kraftwerken
- Landwirtschaft und Bewässerung
- Feldbewässerung, Sprinkleranlagen
- Drainage und Entwässerung
- Gülle- oder Düngemittelpumpen
- Schiffs- und Meerestechnik
- Ballastwasserpumpen, Kühlwassersysteme, Feuerlöschpumpen
- Gebäudetechnik / Sanitär
- Abwasser- und Grauwasserpumpen (ggf. als Tauchkreiselpumpe)
- Druckerhöhungsanlagen
Zeichnungsreferenzen
- Gehäuse
- Rotor
- Umlenkstufe
- Verzögerungsstufe
- Schaufelstufen Rotor
- Rotorschaufeln
- Abströmbereich
- Schraubenförmig verlaufende Schaufel
- Gekrümmte Schaufel
- Verzögerungsgitter
- Gekrümmte Rampe
- Ringraum
- Kreiszylinderlfäche
- Dichtlippe
- Leitgeometrie
- Ansaugstutzen
- Welle
- Zuströmöffnung
- Druckstutzen
