<Desc/Clms Page number 1>
Schaufel für Strömungsmaschinen, insbesondere Strömungsgetriebe.
Bei vielen Strömungsmaschinen, wie Kreiselpumpen, Wasserturbinen oder Strömungsgetrieben ist es im allgemeinen notwendig, zur Erreichung günstiger Wirkungsgrade und Betriebseigenschaften die Schaufelflächen räumlich gekrümmt und mit oft verhältnismässig komplizierten Formen auszuführen.
Die Herstellung solcher Schaufelungen ist, wenn sie hydraulisch hochwertig sein sollen, wie es insbesondere bei Strömungsgetrieben (nach dem sogenannten Föttingerprinzip) verlangt wird, schwierig und kostspielig und besonders die nachträgliche Kontrolle der exakten Herstellung, sowie die nachträgliche Oberflächenbearbeitung machen Schwierigkeiten. Daher hat man beispielsweise bei Strömungsgetrieben versucht, wenigstens einige der Schaufelkränze im Getriebekreislauf so anzuordnen, dass einfachere Schaufelflächen entstehen. Dies geschah etwa durch die Anwendung rein radialer oder rein axialer Schaufelkränze mit in der Meridionalriehtung der Strömung liegenden Schaufeln. Solche Anordnungen zwingen aber anderseits zu Kompromissen in der Getriebeauslegung ; besonders erhöht sich bei solchen Getrieben die Zahl der notwendigen Schaufelkränze.
Es wurde beispielsweise mit drei-oder mehrstufigen Turbinen gearbeitet, so dass ein derartiger Getriebekreislauf aus sechs und mehr Kränzen bestehen musste.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die an und für sich zweckmässigen räumlichen Schaufeln beizubehalten, jedoch die Formgebung der Schaufeln so zu gestalten, dass die Herstellung,
Nacharbeit und Kontrolle trotz der räumlichen Form mit sehr einfachen Mitteln möglich wird. Es wurde bisher nicht erkannt, dass vor allem beim Bau von Strömungsgetrieben eine räumliche Schaufelung, die die zu stellenden Bedingungen in besonders günstiger Weise erfüllt, durch eine Schraubenfläche allgemeiner Art erzielt werden kann.
Die gewöhnliche Schraubenfläche entsteht dadurch, dass alle Punkte einer starren Kurve (der "Erzeugenden") gleichzeitig eine Drehbewegung um eine gerade Achse und eine fortschreitende Bewegung parallel zu dieser Achse beschreiben. Die fortschreitende und Drehbewegung sind, wenn eine
Schraube mit gleichförmiger Steigung entstehen soll, in ihren Geschwindigkeiten proportional zu einander. Die der neuen Schaufelausbildung zugrunde liegende verallgemeinerte Schraubenfläche besitzt keine Gerade, sondern eine kreisförmige Achse, die in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Schaufelrades und konzentrisch zu dieser liegt (Leitkreis der Schraube). Die Schraubenfläche entsteht dadurch, dass eine gerade oder bogenförmige Erzeugende von beliebiger Lage zum Leitkreis ihre Schraubenlinie um den Leitkreis beschreibt.
Meist wird ausserdem die Steigung dieser Schraubenfläche ungleichförmig sein, d. h. die Fortschrittsgeschwindigkeit in Richtung des Leitkreises ist nicht proportional der Drehgeschwindigkeit um den Leitkreis.
Um zunächst die Erfindung allgemein zu kennzeichnen, sei darauf hingewiesen, welchen grundsätzlichen Unterschied die erfindungsgemässe Schaufelausbildung gegenüber bisherigen Bestrebungen im Pumpen-und Turbinenbau, überhaupt Schraubenflächen zu verwenden besitzt. Es ist schon vorgeschlagen worden, Schaufeln als gewöhnliche Schraubenflächen, d. h. mit gerader Achse auszuführen.
Die Achse dieser Schrauben fällt naturgemäss mit der Drehachse des Schaufelrades zusammen. Diese Grundbedingung bildet von vornherein eine wesentliche Einschränkung für die Ausbildung-und Anwendungsmöglichkeiten derartiger Flächen überhaupt. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass eine Möglichkeit besteht, von der Turbinendrehachse als Schraubenachse sich frei zu machen. Dazu wird die eingangs beschriebene um einen Leitkreis laufende verallgemeinerte Schraubenfläche gewählt ; der Leitkreis liegt zweckmässigerweise in einer Ebene senkrecht zur Turbinendrehachse
<Desc/Clms Page number 2>
und konzentrisch zu dieser, wodurch die Fläche einen geometrisch völlig veränderten Charakter erhält.
Die weitere Beschreibung zeigt, dass diese Regelfläche noch bei vielen Schaufelformen angewandt werden kann, wo die Verwendung der üblichen geradachsigen Schraube nicht nur unzweckmässig, sondern unmöglich wird.
Ein besonders grosser Vorteil der Schraubenflächen gemäss der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass sich Schaufeln ergeben, die mit sehr guter Annäherung senkrecht auf den Radböden stehen.
Weiterhin ergeben sieh bei solchen Schraubenfläehenschaufelungen sehr günstige Kanalformen, die noch durch entsprechende Profilierung der Schaufeln je nach den Erfordernissen des Einzelfalls in gewissen Grenzen verändert werden können.
Ferner kann bei einer solchen Schraubenfläche die Herstellung weitgehend mechanisiert und damit in ihrer Genauigkeit erheblich gegenüber den bisher übliehen Methoden verbessert und vereinfacht werden. Beispielsweise kann die Herstellung durch entsprechendes Schablonieren und die Bearbeitung durch Führung des Werkzeugs an entsprechenden Lenkern gesehen und auch die Kontrolle kann mit Hilfe ähnlicher Einrichtungen sehr einfach erfolgen.
Schliesslich hat sieh noch gezeigt, dass Schraubenflächen, die nach der oben angegebenen Konstruktionsregel entwickelt wurden, in Flüssigkeitsgetrieben auch hinsichtlich der Strömungsverluste sehr günstige Ergebnisse zeigen. Die Strömung in einem solchen Getriebe mit in sieh geschlossenem fortwährenden Flüssigkeitsumlauf nimmt nämlich einen andern Strömungszustand an, als in einem gewöhnlichen Pumpen-oder Turbinenrad, das von der Arbeitsflüssigkeit jeweils nur einmal durchströmt wird. Die umlaufende Flüssigkeit im Strömungsgetriebe hat in dem in sieh geschlossenen Kreislauf sozusagen Zeit, sieh auf einen dem Umlauf entsprechenden möglichst günstigen Strömungszustand allmählich einzustellen.
Gerade diesem Strömungszustand kommt nun, wie sich gezeigt hat, die Sehraubenflächenschaufelung besonders entgegen.
Die nachfolgend beschriebenen Figuren bringen in schematischer Form Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes : Fig. 1 zeigt den Profilschnitt (Meridiansehnitt) durch ein Flüssigkeitsgetriebe, bestehend aus drei Schaufelrädern S, T, U. Fig. 2 gibt den Aufriss des aus Fig. 1 herausgegriffenen Schaufelrades 8 wieder. Fig. 3 deutet an, wie veränderliche Schaufelwinkel durch eine ungleichförmige Steigung erreicht werden. Fig. 4 zeigt die Anpassung der erfindungsgemässen Schrauben- flächenschaufelung an beliebige Profilformen bei Strömungsgetrieben. Fig. 5 stellt ein Beispiel für die Anwendung auf Franeis-Turbinenlaufräder dar.
Fig. 6 veranschaulicht eine einfache Sehabloniervorrichtung, die den beschriebenen Anforderungen zur Herstellung und Kontrolle von Schaufelmodellen entspricht.
Das in Fig. l und 2 hervorgehobene Schaufelrad 8 dreht sich um die Achse AA (Fig. l), die im Aufriss (Fig. 2) als Punkt Ao erscheint. Im Interesse einer einfachen Darstellung wurde als Erzeugende der Schraubenfläche eine durch die kreisförmige Achse LL (den zur Drehachse AA des Getriebes konzentrischen Leitkreis) gehende Gerade L', ill', N'bzw. 1, Mi, gewählt. Diese Gerade wird auf dem Leitkreis LL (von dem in Fig. 1 der Durchstosspunkt L'durch die Darstellungsebene gekennzeichnet ist) verschraubt, u. zw. ist in Fig. 2 zunächst vereinfachen angenommen worden, dass gleichzeitig mit der Drehung der Geraden um die Achse eine stetige Steigung in Richtung des Leitkreises stattfindet.
Die einzelnen Abschnitte sind daher durch die untereinander gleichen Teilbögen 1-2, 2-3,... 11-12, 12-18 auf der Leitlinie kenntlich gemacht. Begrenzt werden die Abschnitte auf der erzeugenden Geraden und damit die entstandene Sehraubenfläehe durch den äusseren Radboden Bs und den inneren Bi.
EMI2.1
Nui... N4... N13'Die entstandene Schaufel ist in Fig. 2 durch die strahlenförmig in Richtung der Erzeugenden gehende Sehraffur herausgehoben. Die beschriebene Erzeugende L', M', N'in Fig. 1 bzw. 1, J/i, 2i in Fig. 2 kann, wie schon angedeutet, auch eine in geeigneter Weise gekrümmte Linie sein.
Ausserdem kann die Erzeugende, statt den Leitkreis zu sehneiden, auch eine andere räumliche
EMI2.2
Je nach den hydraulischen Erfordernissen sind veränderliche Schaufelwinkel und damit ver- änderliche Steigungen der Schaufelsehraubenfläehen erforderlich, die, wie Fig. 3 zeigt, durch ungleichförmige Steigung erzielt werden. Die in Fig. 2 konstanten Steigungsabsehnitte sind gemäss Fig. 3 in entsprechend gesetzmässig veränderter Grösse angenommen, so dass hier also die Teilbögen 1-2, 2-3,... nicht mehr einander gleich sind. Die erzeugende Gerade 1, Ml, NI legt bei gleicher Drehung ungleiche Steigungsstücke zurück.
Es entstehen so die für den jeweiligen Anwendungsfall am Ein-und Austritt gewünschten Sehaufelwinkel, sowie eine geeignete Überführung der Schaufelfläche aus einer Neigung in die andere. Im übrigen entspricht die in Fig. 3 dargestellte Schaufel 8 dem gleichen Meridianprofil S der Fig. 1.
Fig. 4 zeigt wiederum wie Fig. 1 den Meridianschnitt durch ein an sich beliebiges Strömungsgetriebe. Während in Fig. 1 vereinfachend der Schnitt aus konzentrisehen Kreisen zusammengesetzt war, ist in dieser Fig. 4 jedoch, wie es häufig der Wirklichkeit entspricht, ein Profilsehnitt gewählt, dessen Form wesentlich von einem einfachen Ring konstanter Dicke abweicht. Auch hier ist es, wie Fig. 4 zeigt, möglich, für eine Schaufel Tl einen Leitkreis L/oder auch wie für die Schaufel 81 gezeigt, mehrere Leitkreise L ?', L3'zu finden, die Achsen für günstige Schaufelflächen sind.
Besonders vorteil-
<Desc/Clms Page number 3>
haft ist es den'Durchstosspunkt des Leitkreises im Meridianschnitt so zu legen, dass dieser Punkt (L/ usw. ) Mittelpunkt eines Ersatzkreises werden kann, der im Bereich der Schaufel (Tl usw. ) sieh möglichst nahe dem mittleren Stromfaden QQ anpasst ; oder mit andern Worten, dass die die Schraubenfläche erzeugenden Fahrstrahlen den mittleren Stromfaden möglichst angenähert senkrecht schneiden.
Ausserdem zeigt Fig. 4 an Hand der Schaufel su, dans es möglich ist, ein und dieselbe Schaufel aus mehreren Teilen verschiedener Schraubenflächen zusammenzusetzen.
Ein ohne weiteres verständliches Beispiel einer Schraubenfläehe als Schaufelfläche für eine Francis-Turbine stellt Fig. 5 dar. Die Drehachse ist XX, das Laufradprofil ist durch F, G, H, J eingeschlossen. Der Leitkreis YY ist so gewählt, dass die Schraubenfläche für die Laufschaufeln sich etwa dem mittleren Stromfaden Q besonders günstig anpasst.
Selbstverständlich ist es möglich, in der durch die verschiedenen Beispiele gekennzeichneten Weise die Mittelfläche einer Schaufel oder ihre Druck-oder Rückenfläche oder auch beide Oberflächen durch entsprechende Verschraubung gemäss der Erfindung herzustellen. Im letzteren Falle ist eine allseitige Schaufelbearbeitung mit geeigneten Vorrichtungen möglich.
Eine geeignete Sehabloniervorrichtung, die den beschriebenen Anforderungen zur erfindungsgemässen Herstellung von Schaufelmodellen entspricht und die in Fig. 6 dargestellt ist, sei hier noch erläutert. Ein geschlossener Ring R, dessen mittlerer Durchmesser D von gleichem Mass wie der zugeordnete Leitkreis LL ist, trägt ein auf diesem Ring verschiebbares Stück V. Zweckmässigerweise wird man die gewünschte Lage des Gleitringes V auf dem Ringkörper R durch die angedeutete Gradeinteilung G bestimmen. Um seine Achse frei drehbar trägt Teil V einen ringförmigen Werkzeugträger Z, dessen Lage gegenüber dem Gleitstück V durch eine weitere Gradeinteilung H eingestellt werden kann.
In dem Ausführungsbeispiel trägt der Ring Z einen mit einer Schneide X versehenen Dorn W, von dem ohne weiteres einzusehen ist, dass seine Schneide X bei gleichzeitiger Drehung des Ringes Z und Verschiebung des Gleitstüekes V eine Schraubenlinie gemäss der Erfindung beschreibt.
Selbstverständlich kann an Stelle des Dornes W auch ein anderes geeignetes Mess-oder Bearbeitungs- werkzeug angeordnet werden. Der Werkzeugträger W wird vorteilhaft so ausgebildet, dass verschiedene Werkzeuge wahlweise angewandt werden können. Für die werkstattmässige Herstellung einer Schablone nach diesem Verfahren ist es nur nötig, etwa die zugeordneten Skalenteilungen G und H in ihrer Folge für eine bestimmte Schaufel anzugeben.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schaufel für Strömungsmaschinen, insbesondere Strömungsgetriebe, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelfläche als Schraubenfläche ausgebildet ist, welche durch Verschrauben einer geradlinigen oder bogenförmigen Erzeugenden um einen in einer Normalebene zur Drehachse des Schaufelrades und konzentrisch zu dieser Drehachse liegenden Leitkreis entsteht.