[0001] Die Erfindung betrifft eine.Seitenkanalpumpe mit einem Gehäuse mit Gehäuseeinlaß
und Gehäuseauslaß, bei der die bei Seitenkanalpumpen im allgemeinen auf die Laufradwelle
wirkenden Radialkräfte kompensiert sind, so daß die Pumpe zur Erzeugung hoher und
höchster Drücke geeignet ist.
[0002] Zur Erzielung hoher Drücke bei relativ geringen Förderströmen eignen sich bekanntermaßen
mehrstufige Seitenkanalpumpen besonders gut. Besonders einfach sind mehrstufige Seitenkanalpumpen
aufzubauen, wenn man nur ein Laufrad verwendet, das mehrere im Durchmesser unterschiedliche
Schaufelzellenkränze mit relativ kurzen Schaufeln jeweils auf beiden Seiten des Laufrades
anordnet. Üblicherweise sind hierbei die am äußeren Umfang angeordneten Schaufelzellen
durch einen Mittelsteg in axialer Richtung voneinander getrennt und arbeiten in einem
gemeinsamen Seitenkanal. Da der Druck im Fördermedium vom Einlaß des Seitenkanales
bis zu dessen Auslaß in Laufrichtung stetig zunimmt, ergibt sich durch den auf das
Laufrad wirkenden Druck eine resultierende Kraftkomponente in radialer Richtung. Diese
radiale Kraft nimmt bei hohen Förderdrücken erheblicheAusmaBe an. Bei Hochdruckpumpen
dieser Gattung müssen folglich verstärkte Wellen und ebenfalls verstärkte Lager vorgesehen
werden, was erhebliche Mehrkosten, insbesondere für die Wellendichtungen mit sich
bringt und auch zu einem unerwünscht großen Durchmesser des ersten, laufradinneren
Förderkranzes führt.
[0003] Aus der DE-OS 21 05 121 ist eine Seitenkanalpumpe bekannt, bei der zum Ausgleich
dieser Radialkräfte Drucktaschen im Gehäuse angeordnet sind, die über Leitungen mit
der Saug- und der Druckseite der Pumpe verbunden sind. Die Anordnung der Drucktaschen
und der Verbindungsleitungen ist hierbei derart, daß der in den Drucktaschen herrschende
Druck auf einen speziellen, dafür vorgesehenen Teil des Laufrades wirkt und zwar so,
daß die durch den Pumpvorgang auf das Laufrad radial nach innen wirkenden Kräfte kompensiert
werden. Diese Lösung bedingt jedoch zusätzliche Regelorgane in den Verbindungsleitungen,
um eine entsprechende Abstimmung der in den Drucktaschen aufgebauten Druckverhältnisse
auf die jeweiligen Förderhöhe bzw. den Förderdruck der Pumpe zu erreichen. Darüber
hinaus wird mit dieser Anordnung ein zu Leckageverlusten führender Kurzschluß der
Pumpe in Kauf genommen, der zu einer Strömung von Fördermedium von der Druckseite
über die Drosselspalte der Drucktaschen zur Saugseite führt. Diese Verluste setzen
insbesondere bei kleinen Volumenströmen den hydraulischen Wirkungsgrad der Pumpe erheblich
herab.
[0004] Aus der DE-OS 31 28 374 ist eine Seitenkanalpumpe bekannt, deren Laufrad auf beiden
Seite je einen Schaufelkranz mit geschlossenen Schaufelzellen aufweist, wobei voneinander
getrennte Seitenkanäle diesen Schaufelkränzen gegenüberliegend angeordnet sind, die
jeweils eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung, sowie einen Unterbrecher
aufweisen. Das Fördermedium strömt in dieser Pumpe in zwei voneinander getrennten
Förderströmen über die Seitenkanäle vom jeweiligen Seitenkanaleintritt zum jeweiligen
Seitenkanalaustritt. Auch bei dieser Pumpe treten jedoch die eingangs genannten Radialkräfte
auf.
[0005] Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung
eine Seitenkanalpumpe so zu verbessern, daß die Welle des Laufrades im wesentlichen
lediglich Drehmomente übertragen bzw. aufnehmen muß.
[0006] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Eintrittsöffnungen mit dem Gehäuseeinlaß
und die Austrittsöffnungen mit dem Gehäuseauslaß zur Aufteilung und anschließenden
Wiedervereinigung der Förderströme verbunden sind, und daß die Eintrittsöffnung, die
Austrittsöffnung und der Unterbrecher gegenüber der ersten Laufradseite in Umlaufrichtung
des Laufrades um einen solchen Winkelbetrag zu den entsprechenden Elementen auf der
zweiten Laufradseite versetzt angeordnet sind, daß den Radialkräften auf der ersten
Laufradseite,die aus den Druckdifferenzen in den Förderströmen zwischen den Einlässen
und den Auslässen resultieren, dem Betrag nach gleiche, jedoch in entgegengesetzter
Richtung wirkende Radialkräfte auf der zweiten Laufradseite gegenüberstehen.
[0007] Durch diese sehr leicht konstruktiv darzustellende Maßnahme kompensieren sich die
zwangsläufig auftretenden Radialkräfte bereits im Laufrad, so daß keine Radialkräfte
mehr auf die Welle des Laufrades wirken. Dadurch kann man zum einen die Lagerung der
Welle mit der dazugehörigen Abdichtung in kostengünstiger Weise kleiner dimensionieren,
ohne daß dadurch die Lebensdauer der Pumpeherabgesetzt wird. Darüber hinaus kann durch
die geringere Dimensionierung der Laufradwelle ein innerer Schaufelkranz mit geringem
Durchmesser und entsprechend geringer Umfangsgeschwindigkeit im Betrieb vorgesehen
werden. Dadurch, daß die Umfangsgeschwindigkeit gering ist, wird der den Wirkungsgrad
senkende Beschleunigungsstoß auf das Fördermedium beim Eintritt in die Pumpe verringert.
[0008] Weiterhin ist es durch die erfindungsgemäße Anordnung möglich, eine Vielzahl von
Schaufelkränzen unterschiedlichen Durchmessers mit entsprechenden Seitenkanälen, also
eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Pumporganen auf einem einzigen Laufrad anzubringen,
was wegen der bisher auftretenden Radialkräfte nicht möglich war und durch Aufteilung
der Druckstufen auf mehrere jeweils separat gelagerte Laufräder umgangen wurde.
[0009] Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich noch ein weiterer Vorteil bei vielstufigen
Laufrädern dadurch, daß die einzelnen Schaufelkränze jeweils mit axial und radial
offenen Schaufelzellen aufgebaut werden können, wobei die Abdichtung zwischen den
Förderstufen durch radiale Dichtspalten bewerkstelligt wird, so daß die Schaufelzellenkränze
in den theoretischen Minimalabständen abgestuft sein können. Durch diese Minimalabstufung
wird wiederum der oben erläuterte Beschleunigungsstoß auf das Fördermedium vom Eintritt
der einen in die darauffolgende Stufe mit seinen nachteiligen Wirkungen verringert.
Auch diese Möglichkeit konnte bisher nicht genutzt werden, da durch diese Bauweise
sehr breite Laufräder entstehen, die zu unerwünscht großen Lagerabständen führen.
[0010] Bei der vorliegenden Seitenkanalpumpe wirken also die beiden voneinander dichtend
getrennten Laufrad- und Seitenkanalseiten invers, d.h., daß der jeweilige Druckaufbau
entlang des Seitenkanalumfanges der einen Seite um 180° um die Wellenachse versetzte
also entgegengesetzt zur anderen Seitenkanalseite erfolgt. Somit stehen sich an jedem
Punkt des Seitenkanalumfanges gleichgroße Radialkräfte gegenüber, so daß sich die
beidseitig des Laufrades entstehenden Radialkräfte selbsttätig und ohne Zusatzeihrichtungen
in jedem Betriebspunkt der Pumpe im wesentlichen verlustlos ausgleichen.
[0011] Durch den radialkräftefreien Aufbau der Pumpe werden auch die sonst auftretenden
Schwingungen der Welle durch deren Durchbiegung vermieden, so daß sich dadurch die
Lebensdauer der Pumpe weiter erhöht.
[0012] Das Kippmoment, das durch die auf den zwei Laufradseiten entgegengerichteten Axialkräfte
erzeugt wird, verläuft entgegengesetzt demjenigen Kippmoment, das durch die Radialkräfte
auf die beiden Radseiten wirkt. Man kann also bei entsprechender Dimensionierung der
Tiefe des Laufrades einen Momentenausgleich und somit eine im wesentlichen kräftefreie
(bis auf die Drehmomente) Welle erreichen.
[0013] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigt
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Seitenkanalpumpe entlang der Linie I-I aus Fig. 2,
Figur 2 eine Ansicht in Pfeilrichtung (A) der Seitenkanalpumpe nach Fig. 1 mit abgenommenem
stirnseitigen Gehäusedeckel,
Figur 3 eine Aufsicht auf das Laufrad aus Fig.1 und 2,
Figur 4 einen Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 3,
Figur 5 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV aus Fig. 6, des ersten Seitenkanalteiles
aus Fig. 1 mit strichpunktiert eingezeichnetem Laufrad,
Figur 6 einen Schnitt entlang der Linie III-III aus Fig. 5,
Figur 7 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI aus Fig. 8 des zweiten Seitenkanalteiles
aus Fig. 1 mit strichpunktiert eingezeichnetem Laufrad,
Figur 8 einen Schnitt entlang der Linie V-V aus Fig. 7,
Figur 9 einen Halbschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Laufrades
mit Schaufelzellenkränzen und strichpunktiert angedeuteten Seitenkanälen und mit axialen
Endstufen-Dichtspalten zur Trennung der Förderströme und mit axialen Zwischenstufenspalten,
und
Figur 10 einn Halbschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Laufrades
mit Schaufelzellenkränzen mit strichpunktiert angedeuteten Seitenkanälen und radialen
Endstufen-Dichtspalten am äußeren Umfang und radialen Zwischenstufendichtspalten.
[0014] Die in den Fig. 1 bis 8 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Pumpe zeigt eine
zweistufige, doppelströmige Seitenkanalpumpe mit radialem Endstufen-Dichtspalt 36
und besteht aus einem Gehäuse 10 und einem Laufrad 30. Das Gehäuse 10 ist mehrteilig
ausgebildet und besteht aus einem Gehäusering 11 mit Gehäuseeintrittsöffnung 12 und
Austrittsöffnung 13 (Fig. 2), einem stirnseitigen Gehäusedeckel 14, einem antriebsseitigen
Lagerdeckel 15 und den beiden Seitenkanalteilen 16 und 16'.
[0015] In den Seitenkanalteilen 16 und 16' sind die Seitenkanäle 17 und 17' mit Seitenkanaleintrittsöffnungen
18 und 18', Seitenkanalaustrittsöffnungen 19 und 19', Uberleitungskanälen 21 und 21',
sowie die Seitenkanalunterbrecher 20 und 20' angeordnet.
[0016] Der Gehäusedeckel 14 und der;Lagerdeckel 15 sind im Gehäusering 11 durch Rundschnurringe
24 abgedichtet und mit Gehäuseschrauben 26 (durch Mittellinien angedeutet) mit dem
Gehäusering 11 verschraubt. Die im Gehäuse 10 angeordneten Seitenkanalteile 16 und
16' sind voneinander durch einen Rundschnurring 25 abgedichtet und werden vom Gehäusedeckel
14 und Lagerdeckel 15 in axialer Richtung fixiert. Im Lagerdeckel 15 des Gehäuses
10 ist eine über Packungsringe 27 abgedichtete Welle 28 gelagert, die durch einen
nicht dargestellten Antriebsmotor, beispielsweise einen Elektromotor, in Pfeilrichtung
(Fig. 2) in Drehung versetzt wird. Auf dem freien Ende der Welle 28 ist das Laufrad
30 mittels einer Paßfeder 29 befestigt.
[0017] Das zweistufige Laufrad 30 weist auf seiner ersten Seite Schaufelzellenkränze 31,
31a, auf seiner zweiten Seite Schaufelzellenkränze 31', 31'a auf, die aus radial und
axial offenen Schaufelzellen 32, 32a bzw. 32', 32'a gebildet sind.
[0018] Das durch die Gehäuseeintrittsöffnung 12 des Gehäuses 10 eintretende Fördermedium
teilt sich in einem Verteilerkanal 23, der in das Gehäuse 10 eingearbeitet ist, in
zwei Förderströme, die getrennt in die Seitenkanaleintrittsöffnungen 18 und 18' über
Zuführkanäle 37, 38 in den Seitenkanalteilen 16 und 16' gelangen. Hierbei sind die
Seitenkanaleintrittsöffnungen 18 auf der einen Seite des Laufrades um 180° um die
Wellenachse versetzt zu den Seitenkanaleintrittsöffnungen 18' auf der anderen Laufradseite
angeordnet. Das in die Seitenkanäle 17, 17' der ersten Stufe eintretende Fördermedium
gelangt in die Schaufelzellen 32, 32' der Schaufelzellenkränze 31, 31' des rotierenden
Laufrades 30. In den Schaufelzellen 32 und 32' bilden sich durch die Fliehkraft Verdrängerströmungen
aus, die jeweils in einer schraubenförmig gewundenen Strombahn über die gesamte Länge
der Seitenkanäle fließen und wechselseitig in die Schaufelzellen 32 und 32' des Laufrades
30 wieder eintreten. Durch dieses ständige Wiedereintreten wird auf den im Seitenkanal
langsamer fließenden Förderstrom geringeren Energiezustandes (Druck, Geschwindigkeit),
Energie durch Impulsaustausch vom schneller umlaufenden Flüssigkeitsinhalt höheren
Energiezustandes der Schaufelzellen 32, 32' des Laufrades 30 übertragen.
[0019] Am Ende der Seitenkanäle 17, 17' tritt das Fördermedium über Uberleitungskanäle 21,
21' in die Seitenkanäle 17a und
17'a der zweiten Stufe ein, wo über die Schaufelzellen 32a und 32'a der Schaufelzellen
kränze 31a und 31'a des Laufrades 30 ein weiterer Impulsaustausch,wie oben für erste
Stufe beschrieben,erfolgt. Nach dieser weiteren Energiezufuhr gelangt das Fördermedium
über die Seitenkanalaustritte 19 und 19' in den Seitenkanalteilen 16 und 16' in einen
Zubringerkanal 22 im Gehäuse 10 und von dort durch die Austrittsöffnung 13 aus dem
Gehäuse heraus.
[0020] Der Druckaufbau in den Seitenkanälen 17 und 17a des Seitenkanalteils 16 erfolgt aufgrund
des Winkelversatzes (um teil 180°) zum Seitenkanal/16' mit Seitenkanälen 17' und 17'a
invers . Dies heißt, daß der an jedem Punkt des Umfanges der Seitenkanäle 17 und 17a
des Seitenkanalteiles 16 in radialer Richtung auf die Welle einwirkenden Kraft eine
dem Betrag nach gleichgroße Gegenkraft von jedem Punkt des Umfanges der Seitenkanäle
17' und 17'a des Seitenkanalteiles 16' entgegenwirkt.
[0021] Die beiden laufradäußeren Schaufelzellenkränze 31a und 31'a sind durch einen relativ
breiten Steg voneinander getrennt, der somit eine zylindrische Außenfläche des Laufrades
bildet. Die beiden Seitenkanalteile 16, 16' bilden zusammen einen ebenso breiten "Steg"
zwischen den beiden äußeren Seitenkanälen 17a, 17'a, so daß die beiden Förderströme
der Endstufen über einen radialen Endstufen-Dichtspalt 36 voneinander abgedichtet
sind. Die Abdichtung zwischen den Stufen auf den jeweiligen Laufradseiten erfolgt
bei dieser Ausführungsform durch axiale Zwischenstufen-Dichtspalte 33, 33.
[0022] Bei entsprechend geschickter Wahl bzw. Berechnung der radialen und axialen Abmessungen
der Schaufelkränze werden nicht nur die auf die Welle wirkenden Radialkräfte kompensiert,
sondern auch die durch sie verursachten Drehmomente um den Laufradmittelpunkt, der
dieses auf der Welle kippen läßt, da die auf das Laufrad in axialer Richtung wirkenden
Kräfte ein zu den erstgenannten Drehmoment entgegengesetztes Moment erzeugen.
[0023] In den Figuren 9 und 10 sind lediglich Halb-Querschnitte durch Laufräder weiterer
bevorzugter Ausführungsformen gezeigt, wobei die dazugehörigen Seitenkanalteile mit
Seitenkanälen, Uberströmkanälen, Dichtspalten usw. entsprechend der oben beschriebenen
Ausführungsform gestaltet sind, soweit nichts gegenteiliges beschrieben ist.
[0024] Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 sind auf der einen Seite des Laufrades Schaufelzellenkränze
31, 31a, 31b und auf der anderen Seite Schaufelzellenkränze 31', 31'a und 31'b angeordnet,
denen Seitenkanäle (strichpunktiert angedeutet)17, 17a, 17b bzw. 17', 17'a, 17'b gegenüberliegen.
Die trennende Abdichtung zwischen den Endstufen 17b, 17'b auf den beiden Laufradseiten
erfolgt über axiale Endstufen-Dichtspalte 34 und 34', die zwischen dem Laufrad 30
und den Seitenkanalteilen 16, 16' angeordnet sind.
[0025] Bei der in Fig. 10 gezeigten weiteren bevorzugten Ausführungsform der Seitenkanalpumpe
erfolgt die Abdichtung der Förderströme sowohl von Stufe zu Stufe als auch der beiden
Endstufen zueinander über radiale Dichtspalte 35, 35a, 35', 35'a und 36. Bei diesem
Laufrad nehmen die Durchmesser der Schaufelzellenkränze nur um den minimal möglichen
Betrag zu, da die Abdichtung von Stufe zu Stufe im wesentlichen ausschließlich durch
radiale Spalte erfolgt. Dadurch, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelzellen
von Stufe zu Stufe lediglich um einen geringen Betrag steigt, ergibt sich beim Eintritt
des Fördermediums in den jeweils nächsten Seitenkanal nur ein geringer, den Wirkungsgrad
der Pumpe vermindernder Beschleunigungsstoß. Auf diese Weise ist es möglich, relativ
viele Stufen bei einer Seitenkanalpumpe mit einem einzigen Laufrad hintereinander
zu schalten, so daß hohe Drücke trotz des geringen Bauaufwandes (wenige Teile, geringe
Montagekosten) erzielbar sind. Derart breite Laufräder, die sich durch eine solche
Konstruktion ergeben, konnten bis jetzt nicht eingesetzt werden, da durch die Laufradbreite
ein unerwünscht großer Abstand der beiden Wellenlager bedingt war.
1. Seitenkanalpumpe mit einem Gehäuse mit Gehäuseeinlaß und Gehäuseauslaß,
mit einem Laufrad auf einer Welle,
mit mindestens je einem Schaufelkranz mit radial
und axial offenen Schaufelzellen auf der ersten
und auf der zweiten Seite des Laufrades,
mit durch Dichtspalte voneinander -getrennten Seitenkanälen, jeweils mit Eintrittsöffnung,
Austrittsöffnung und Unterbrecher, wobei die Seitenkanäle gegenüber den Schaufelkränzen
so angeordnet sind, daß ein Förder- medium in zwei im wesentlichen voneinander getrennten Förderströmen die Seitenkanäle
vom jeweiligen Seitenkanaleintritt bis zum jeweiligen Seitenkanalaustritt unter Druckzunahme
durchströmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eintrittsöffnungen (18, 18') mit dem Gehäuseeinlaß (12) und die Austrittsöffnung
(19, 19') mit dem Gehäuseauslaß (13) zur Aufteilung und Wiedervereinigung der Förderströme
verbunden sind, und
daß die Eintrittsöffnung(en) (18), die Austrittsöffnung(en) (19) und der(die) Unterbrecher
(20, 20a) gegenüber der ersten Laufradseite in Umlaufrichtung des Laufrades (30) um
einen solchen Winkelbetrag (α) zu den entsprechenden Elementen (18', 19', 20', 20'a)
gegenüber der anderen Laufradseite versetzt angeordnet ist(sind), daß den Radialkräften
auf der ersten Laufradseite, die aus den Druckdifferenzen in den Förderströmen zwischen
den Einlässen und Auslässen resultieren, dem Betrag nach gleiche, jedoch in entgegengesetzer
Richtung wirkende Radialkräfte auf der zweiten Laufradseite gegenüberstehen.
2. Seitenkanalpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein axialer Endstufen-Dichtspalt
(34, 34') zur dichtenden Trennung der beiden Förderströme am äußeren Umfang des Laufrades
(30) angeordnet ist.
3. Seitenkanalpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß auf mindestens einer Laufradseite mindestens zwei Schaufelzellenkränze (31, 31a,
31b; 31', 31'a, 31'b) mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet sind, deren jeweilige
Seitenkanäle (17, 17a, 17b; 17', 17'a, 17'b) in Reihe geschaltet sind.
4. Seitenkanalpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung zwischen
den im Durchmesser unterschiedlichen Schaufelzellenkränzen (31, 31') des Laufrades
(30) und den in Seitenkanalteilen (16, 16') eingearbeiteten Seitenkanälen (17, 17'),
radiale Zwischenstufendichtspalte (35, 35') angeordnet sind.
5. Seitenkanalpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung zwischen
den im Durchmesser unterschiedlichen Schaufelzellenkränzen (31, 31') des Laufrades
(30) und den in den Seitenkanalteilen (16, 16') eingearbeiteten Seitenkanälen (17,
17'), axiale Zwischenstufendichtspalte (33, 33') angeordnet sind.
6. Seitenkanalpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaufelzellenkränze (31, 31a, 31b; 31', 31'a, 31'b) und die zugehörigen Seitenkanäle
(17, 17a, 17b; 17', 17'a, 17'b) hinsichtlich der Wirkflächen des Förderstromdruckes
auf das Laufrad so bemessen sind, daß sich die aus den axialen und die aus den radialen
Kräften resultierenden Drehmomente um den Laufradmittelpunkt gegenseitig aufheben.
7. Seitenkanalpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Laufradseiten und die zugehörigen Seitenkanäle (17, 17a, 17b; 17',
17'a, 17'b) im wesentlichen identisch geformt sind und daß der Winkelbetrag (α) der
Versetzung 180° beträgt.