Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Gehäuse mit einem einen Stator aufnehmenden Statorbereich und einer ein Rotorteil aufnehmenden und von einem Fördermedium durchströmbaren Rotorkammer. Das Rotorteil ist in der Rotorkammer um eine Längsachse drehbar gelagert und weist einen Laufradabschnitt mit Schaufelteilen für das zu fördernde Medium auf. Ein ringförmiger Spalt ist zwischen einem den Stator umlaufenden hinteren Abschnitt des Rotorteils und einer äußeren Seitenwand des Gehäuses gebildet.
Kreiselpumpen mit nasslaufenden Außenläufer-Rotoren sind bekannt. Bei diesen Pumpen tritt das Fördermedium, insbesondere Wasser, über ein Saugrohr in die Rotorkammer ein und wird auf einer Spiralbahn nach außen getragen. Die nach außen hin zunehmende radiale Geschwindigkeit des Fördermediums führt zu einem nach außen zunehmenden Druck, der das Fördermedium in ein Auslassrohr befördert. Das Rotorteil des Motors, das auf einer Welle sitzt, läuft dabei im Fördermedium, das dadurch gleichzeitig die Lager schmieren und den Motor kühlen kann. Die Trennung vom stromführenden Stator des Motors übernimmt eine Abtrennung wie etwa ein Spalttopf oder ein Spaltrohr.
Konstruktionsbedingt gibt es bei diesen Pumpen in der Rotorkammer einen Förderbereich, der von den Schaufelteilen des Rotorteils durchlaufen wird, so dass das Fördermedium radial nach außen beschleunigt wird, und einen den Stator umlaufenden, ringförmigen Bereich, in dem ein Rotorabschnitt des Rotorteils durch die magnetischen Kräfte der Statorwicklungen angetrieben wird und darin umläuft, wobei das Fördermedium beide Bereiche der Rotorkammer erreicht.
Herkömmliche Pumpen mit nasslaufendem Außenläufer-Rotor sind u.a. in den Druckschriften
Einen besseren Wirkungsgrad weisen Pumpen mit nasslaufenden Innenläufer-Rotoren auf. Allerdings ist das Drehmoment dieser Pumpen regelmäßig geringer. Ferner benötigen Pumpen mit Innenläufer-Rotor einen größeren Bauraum.
Aus der
In Anbetracht der beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kreiselpumpe mit zufriedenstellendem Gesamtwirkungsgrad bereitzustellen, die gleichzeitig einen geringen Platzbedarf hat.
Diese Aufgabe wird durch eine Weiterbildung der bekannten Kreiselpumpen gelöst, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass der Spalt einen Verbreiterungsabschnitt aufweist, in dem sich die radiale Abmessung des Spalts in axialer Richtung allmählich vergrößert und der sich an seinem vorderen Ende zu einem von Schaufelteilen des Rotorteils durchlaufbaren Förderbereich der Rotorkammer hin öffnet. Dabei erstreckt sich der Verbreiterungsabschnitt in axialer Richtung über eine Länge, die größer ist als 10%, bevorzugt größer ist als 20%, insbesondere größer ist als 30% der Gesamtlänge des Spalts in axialer Richtung.
Mit anderen Worten hat der radiale Spalt, der zwischen dem Rotorteil und einer Seitenwand des Gehäuses gebildet ist, in axialer Richtung nicht durchwegs eine konstante Spaltbreite, sondern wird in Richtung auf den Förderbereich der Rotorkammer in einem Verbreiterungsabschnitt breiter. Diese Verbreiterung erfolgt allmählich, d.h. nicht in einer einzigen Stufe o. dgl. Insbesondere wird der Spalt in dem Verbreiterungsabschnitt in linearer Weise breiter. Die Länge des Verbreiterungsabschnitts in axialer Richtung ist im Vergleich zu der Gesamtlänge des Spalts groß und beträgt mehr als 10% der Gesamtlänge, insbesondere 30% oder mehr, aber vorzugsweise weniger als 50%. Mit anderen Worten erfolgt die Verbreiterung über eine in axialer Richtung ausgedehnte Strecke. Der gesamte Spalt erstreckt sich dabei in Längsrichtung von dem vorderen Ende des Verbreiterungsabschnitts bis zu dem hinteren Ende des Rotorteils. An das hintere Ende des Verbreiterungsabschnitts schließt sich vorzugsweise ein Spaltabschnitt mit konstanter Spaltbreite in axialer Richtung an, der den hinteren Abschnitt des Rotorteils ringförmig umläuft. Diese konstante Spaltbreite beträgt vorzugsweise mehr als 0,1 mm und weniger als 1,5 mm, insbesondere mehr als 0,3 mm und weniger als 1 mm, da ein Spalt dieser Breite nur einen geringen Einfluss auf die Verluste hat.
Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass ein enger Spalt zwischen einer rotierenden inneren Wand und einer stationären äußeren Seitenwand zu der Entstehung zahlreicher kleiner Walzenbewegungen des Fördermediums im Spalt, den sogenannten Taylor-Couette-Instabilitäten, führt. Diese dicht gepackten Walzen haben hohe turbulente Verluste und führen insgesamt zu einem verringerten Wirkungsgrad der Kreiselpumpe. Wenn jedoch die Spaltbreite zunächst groß ist und in Richtung auf den hinteren Abschnitt des Spalts erst allmählich abnimmt, bildet sich eine einzige kontrollierbare Walzenbewegung bzw. ein einziger Wirbel in dem Verbreiterungsabschnitt aus, der deutlich weniger innere Verluste hat, wodurch die Entstehung zahlreicher kleiner Wirbel in diesem Spaltbereich vermieden wird. Insgesamt werden somit die hydraulischen Verluste im Spalt verringert und der Gesamtwirkungsgrad erhöht. Durch die Verlustoptimierung ergibt sich ein geringerer Bedarf an Antriebsleistung bei gleicher hydraulischer Leistung.
Alternativ oder zusätzlich bildet das hintere Ende des Spalts, das dem Förderbereich abgewandt ist, den Verbreiterungsabschnitt.
Es hat sich unter hydrodynamischen Gesichtspunkten als vorteilhaft erwiesen, dass die radiale Abmessung des Verbreiterungsabschnitts an dessen vorderem Ende mehr als doppelt so groß, bevorzugt mehr als dreimal so groß, insbesondere viermal so groß ist oder mehr als die radiale Abmessung des Verbreiterungsabschnitts an dessen hinterem Ende. Eine große Eingangsbreite des Spalts ausgehend von dem Förderbereich der Rotorkammer unterstützt die Ausbildung einer einzigen Walzenbewegung des Fördermediums, wodurch die entstehenden Wirbelverluste verringert werden. Andererseits ist die radiale Abmessung des Verbreiterungsabschnitts an dessen vorderem Ende vorzugsweise weniger als 20mal, bevorzugt weniger als 10mal so groß wie die radiale Abmessung des Verbreiterungsabschnitts an dessen hinterem Ende. Eine zu große Eingangsbreite unterstützt nämlich eine nicht gewünschte Strömung des Fördermediums in den Spalt hinein.
Im Hinblick auf ein optimales Strömungsverhalten des Fördermediums im Spalt hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass sich der Verbreiterungsabschnitt in axialer Richtung über eine Länge erstreckt, die mehr als dreimal so groß, bevorzugt mehr als fünfmal so groß, insbesondere mehr als achtmal so groß ist wie die radiale Abmessung des Spalts an dem hinterem Ende des Verbreiterungsabschnitts (d.h. demjenigen Ende, das dem Förderbereich abgewandt ist).
Wie bereits angedeutet, kann der sich an das hintere Ende des Verbreiterungsabschnitts anschließende Ringabschnitt des Spalts im Wesentlichen kreiszylindermantelförmig sein. Eine derartige Spaltform behindert ein Umlaufen des Rotors um den Stator nicht und führt zu einem unter hydrodynamischen Gesichtspunkten vorteilhaften Strömungsverhalten des Fördermediums im Spalt.
Im Hinblick auf eine kostengünstige und einfache Fertigung des Rotorteils ist es zweckmäßig, dass das Rotorteil einen sich in Richtung auf den Förderbereich bevorzugt konusförmig verjüngenden Übergangsabschnitt aufweist, der von dem Verbreiterungsabschnitt des Spalts umlaufen wird. Durch Einbau eines Rotorteils mit sich verjüngendem Übergangsabschnitt in einen Zwischenraum zwischen Gehäusewand und Spalttopf entsteht auf einfache Weise ein Verbreiterungsabschnitt, in dem sich die Spaltbreite in Richtung auf den Förderbereich aufweitet. Ein derart geformtes Rotorteil kann deshalb in herkömmliche Pumpengehäuse eingebaut werden, wodurch eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe erhalten wird. Hierdurch können Kosten eingespart werden. Der sich konusförmig verjüngende Übergangsabschnitt des Rotorteils kann von einer der Gehäusewand zugewandten Außenfläche begrenzt werden, die den Teil einer Mantelfläche eines ebenen Kreiskegels bildet.
Der halbe Öffnungswinkel des Konus ist vorzugsweise größer als 10°, bevorzugt größer als 20°, insbesondere größer als 30°, und bevorzugt kleiner ist als 60°, insbesondere kleiner ist als 40°. Mit anderen Worten ist in einer axialen Schnittebene der Schnittwinkel zwischen der der Gehäusewand zugewandten Außenfläche des Übergangsabschnitts und der Längsachse größer als 10°, bevorzugt größer als 20°, insbesondere größer als 30°, und bevorzugt kleiner als 60°, insbesondere kleiner als 40°. Ein solcher Öffnungswinkel des Verbreiterungsabschnitts führt zu besonders geringen Wirbelverlusten im Eingangsbereich des Spalts.
Dabei kann die Dicke des Übergangsabschnitts in radialer Richtung im Wesentlichen der Dicke eines kreiszylindermantelförmigen Rohrabschnitts des Rotorteils entsprechen, der sich an das hintere Ende des Übergangsabschnitts anschließt. Ein derart geformtes Rotorteil erlaubt eine einfache maßliche Überwachung im Fertigungsprozess der Bauteile, insbesondere wenn der Übergangsabschnitt konisch und der sich daran anschließende Rohrabschnitt zylindrisch geformt ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Kreiselpumpe eine in den Innenraum des Gehäuses vorstehende Abtrennung auf, insbesondere in Form eines Spaltrohrs oder Spalttopfs, der den Statorbereich von der Rotorkammer trennt, wobei der hintere Abschnitt des Rotorteils in einem Zwischenraum zwischen der Gehäusewand und einer umlaufenden Wand des Spalttopfs aufgenommen ist.
Dabei kann die umlaufende Wand des Spalttopfs einen im Wesentlichen zylindermantelförmigen Teil und einen im Wesentlichen kegelmantelförmigen Teil aufweisen, die jeweils einer Innenseite des Rotorteils zugewandt sind. Vorzugsweise ist der Spalttopf so geformt, dass er die Konturen des Stators möglichst eng umschließt, während der Rotor mit seiner Innen- und Außenkontur wiederum der Kontur des Spalttopfs folgen kann. Eine derartige Ausgestaltung von Spalttopf und Rotor führt zu besonders geringen Verlusten durch ungewünschte Strömungen in den Spalten auf beiden Seiten des Rotorteils und somit zu einem insgesamt höheren Wirkungsgrad der Pumpe.
In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der kegelmantelförmige Teil der Spalttopfwand, die diesem Teil zugewandte innere Begrenzungsfläche des Rotorteils und die dem Verbreiterungsabschnitt des Spalts zugewandte äußere Begrenzungsfläche des Rotorteils im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, während sie vorzugsweise einen Winkel von mehr als 10°, insbesondere mehr als 30°, aber vorzugsweise weniger als 50° mit der Längsachse einschließen. Ein Rotorteil mit einem derart geformten Übergangsabschnitt zwischen dem den Stator umlaufenden Abschnitt und dem Laufradabschnitt mit Schaufelteilen ist besonders stabil und dreht sich besonders gleichmäßig.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Spalt den Verbreiterungsabschnitt oder einen weiteren Verbreiterungsabschnitt an seinem dem Förderbereich abgewandten hinteren Ende auf. Die Spaltkontur und die Spaltabmessungen des (weiteren) Verbreiterungsabschnitts können mit den oben beschriebenen Konturen und Abmessungen des Verbreiterungsabschnitts übereinstimmen, und es wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In dem weiteren Verbreiterungsabschnitt kann sich eine einzige kontrollierbare Walzenbewegung des Fördermediums ausbilden, die zu deutlich weniger Verlusten führt als ein durchgehend schmaler Spalt, in dem sich bei Drehung des Rotors zahlreiche kleine Walzenbewegungen (Taylor-Couette-Instabilitäten) ausbilden, die zu hohen inneren Verlusten führen. Der Wirkungsgrad der Kreiselpumpe wird dadurch erhöht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Die Pumpe 10 weist ein Gehäuse 4 auf, das im Inneren eine von dem Fördermedium durchströmte Rotorkammer 31 und einen den Stator 2 aufnehmenden Statorbereich 22 ausbildet. Die Rotorkammer 31 und der Statorbereich 22 sind durch einen in das Gehäuseinnere vorragenden Spalttopf 1 voneinander getrennt. Der Spalttopf 1 bildet im Gehäuseinneren eine umlaufende Spalttopfwand 1.1, 1.2 aus, die derart geformt ist, dass ein ringförmiger Zwischenraum zwischen der Spalttopfwand und einer Seitenwand 42 des Gehäuses 4 gebildet ist.
Das Rotorteil 3 weist einen dem Einlassrohr 52 zugewandten vorderen Abschnitt mit den Schaufelteilen 32 auf, die in einen Förderbereich 33 der Rotorkammer 31 hineinragen. Ferner weist das Rotorteil 3 einen hinteren Abschnitt auf, der den Spalttopf 1 ringförmig umläuft und in dem Zwischenraum zwischen der Spalttopfwand 1.1, 1.2 und der Gehäusewand 42 aufgenommen ist. Der hintere Abschnitt der Rotorteils weist einen im Wesentlichen zylindermantelförmigen Rohrabschnitt 3.1 und einen sich konusförmig verjüngenden Übergangsabschnitt 3.2 auf, der den Rohrabschnitt 3.1 mit dem vorderen Rotorteilabschnitt verbindet. Der hintere Abschnitt des Rotorteils 3 wird infolge des durch Wicklungen 6 des Stators 2 erzeugten magnetischen Felds angetrieben, so dass der drehfest damit verbundene vordere Abschnitt des Rotorteils 3 ebenfalls in Drehung versetzt wird. Die sich bewegenden Schaufelteile 32 beschleunigen das Fördermedium radial nach außen.
Zwischen dem hinteren Abschnitt des Rotorteils 3 und der Seitenwand 42 des Gehäuses 4 ist ein Spalt 7 gebildet. Der Spalt 7 umfasst einen Verbreiterungsabschnitt 5, in dem sich die radiale Abmessung des Spalts in axialer Richtung A in Richtung auf den Förderbereich 33 allmählich vergrößert und der an seinem vorderen Ende in den Förderbereich 33 der Rotorkammer 31 übergeht.
Dabei erstreckt sich der Verbreiterungsabschnitt 5 in axialer Richtung über eine Länge L, die größer ist als 10% der Gesamtlänge G des Spalts 7 in axialer Richtung. In der dargestellten Ausführungsform beträgt die Länge L des Verbreiterungsabschnitts 5 etwa 35% der Gesamtlänge G des Spalts 7. Auf diese Weise entsteht ein im Vergleich zu der Gesamtlänge des Rotors in axialer Richtung ausgedehnter Verbreiterungsabschnitt, der zu der Ausbildung einer kontrollierbaren Walzenbewegung des Fördermediums im Übergangsbereich zwischen dem Förderbereich 33 und dem Spalt 7 führt, wodurch hydraulische Spaltverluste vermieden werden können.
Ferner erstreckt sich der Verbreiterungsabschnitt 5 in axialer Richtung A über eine Länge L, die mehr als achtmal so groß ist wie die radiale Abmessung X des Spalts an dem hinterem Ende des Verbreiterungsabschnitts 5, an dem die Spaltbreite klein ist. Zusätzlich ist die radiale Abmessung des Verbreiterungsabschnitts 5 an dessen vorderem Ende mehr als viermal so groß wie an dessen hinterem Ende. Somit weitet sich der Spalt im Verbreiterungsabschnitt stark auf.
Der Rohrabschnitt 3.1 des Rotorteils 3 und der Übergangsabschnitt 3.2 des Rotorteils 3 weisen in radialer Richtung etwa dieselbe Dicke auf. Der Übergangsabschnitt 3.2 verläuft in der Querschnittsansicht der
Der Spalttopf 1 weist ebenfalls einen zylindermantelförmigen Teil 1.1, der von dem Rohrabschnitt 3.1 des Rotorteils 3 umlaufen wird, und einen sich konusförmig verjüngenden Teil 1.2 auf, der von dem Übergangsabschnitt 3.2 des Rotorteils 3 umlaufen wird. An den konusförmigen Abschnitt 1.2 des Spalttopfs 1 schließt sich eine im Wesentlichen flache Decke des Spalttopfs 1 an, die sich etwa in radialer Richtung erstreckt. Dabei folgt der Spalttopf 1 eng den Konturen des Stators, den er umgibt. Die dem Spalttopf 1 zugewandte innere Begrenzungsfläche des Übergangsabschnitts 3.2 und die dem Verbreiterungsabschnitt 5 zugewandte äußere Begrenzungsfläche des Übergangsabschnitts 3.2 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zu dem konusförmigen Teil 1.2 des Spalttopfs.
In
Andere Ausgestaltungen des Verbreiterungsabschnitts 33 sind ebenso vorstellbar. Insbesondere können die konischen Anteile des Spalttopfs und des Rotorteils durch beliebige geometrische Konturen ersetzt werden, die geeignet sind, den Konturen des Stators eng zu folgen, so dass zwischen Rotorteil und Gehäusewand ein Verbreiterungsabschnitt gemäß Anspruch 1 entsteht. Außerdem kann von den parallelen Konturen abgewichen werden. Im Übrigen ist die erfindungsgemäße Kreiselpumpe nicht notwendigerweise auf eine Radialpumpe beschränkt, sondern kann auch eine Diagonalpumpe sein. Ferner kann der Spalt an seinem dem Förderbereich abgewandten Ende einen weiteren Verbreiterungsabschnitt aufweisen.
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