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Führungsmittel für Ringströmungen
Gegenstand vorliegender Erfindung bildet ein neuartiges Führungsmittel für Flüssigkeiten und Gase oder für Gemische aus solchen mit mitgeförderten Stoff teilchen.
Er bildet ein Mittel zur Erzeugung bzw.
Führung von Ringströmungen, insbesondere für Kreiselmaschinen, wie Flüssigkeitsturbinen und Ptunpen, Gasturbinen und Ventilatoren, Zentrifugen oder für Brenner-und Zerstäuberdüsen und andere mehr.
Die Anforderungen, welche der Bau von Kreiselmaschinen an die zur Verwendung gelangenden Führungsmittel stellt, sind vielfache ; sie sollen die Lenkung einer Strömung mit bestimmter Tangentialkomponente entlang eines Rotationskörpers gestatten.
Sie sollen ferner eine gleichmässige, um den ganzen Kreisumfang voll beaufschlagte Strömung bilden oder erhalten und gegebenenfalls potentielle
Energie in kinetische bzw. umgekehrt umsetzen.
Ausserdem soll durch Regeleingriffe die Be- aufschlagung bzw. der Durchströmquerschnitt unter Konstanthaltung der Strömungswinkel ver- ändert werden können und, wenn möglich, auch durch einen getrennt anwendbaren, weiteren
Regeleingriff der Tangentialkomponentenanteil an der Strömung, im weiteren "Drall" genannt, beliebig geändert werden können.
Mit den derzeit bekannten Führungsmitteln ist es nicht in beledigender Weise gelungen, diese Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen und ausserdem weisen bestehende Konstruktionen (z. B. Fink'sche Drehschaufeln usw. ) noch ver- schiedene konstruktive Nachteile auf, wie : Vielzahl der durch Regeleingriffe zu bewegenden Teile,
Schwierigkeit der Dichtung von durch Regel- eingriffe zu bewegenden Führungsmitteln bzw. deren Spaltverluste, Kompromiss durch Endlich- keit der Schaufelzahl usw.
Aus dieser Erkenntnis heraus wurde ver- schiedentlich auch versucht, Führungsmittel ohne die genannten Mängel zu schaffen. Insbesondere wurden Ringschützen vorgeschlagen, welche (s. Fig. 1 Aufriss, Fig. 2 Grundriss) durch Axial- verschiebung des Ringschützen mehr oder weniger
Durchströmquerschnitt freigabe. Die Tangen- tialströmung sollte dabei durch den spiraligen Zula1Ú aus dem Spiralgehäuse sowie auch durch achsparallelstehende, spiralförmig gekrümmte Leitflächen 3, welche im Zulauf direkt vor die Ringschützen gestellt wurden, erzielt werden.
Diese Vorschläge ergaben aber nicht den gewünschten konstanten Drall über den ganzen Umfang und für alle Öffnungsverhältnisse, denn die Figur lässt deutlich erkennen, dass im Augenblick, da der Ringschütze zu öffnen beginnt, überall dort, wo sich keine spiralförmige Leitfläche befindet, an Stelle der Ausströmung mit einem bestimmten Tangentialkomponentenanteil, eine mehr meridionale Ausströmung stattfindet (s. Pfeile in Fig. 2). Erst bei voller Öffnun. des Ringschützen wird auch der Tangentialkomponentenanteil seine volle gleichmässige Höhe erreichen.
Auch als Schraubenflächen ausgebildete
Schaufeln sind bei Wasserkraftmaschinen bekannt, doch war entweder keine Regulierung vorgesehen oder dieselbe wurde durch die vorgenannten, bekannten Mittel, insbesondere Drehschaufeln, erzielt.
Die Regulierbarkeit des Querschnittes einer, um den ganzen Umfang voll beaufschlagten
Ringströmung unter Konstanthaltung des ge- wünschten Dralles wird durch die Führungsmittel für Ringströmungen mit einer, innerhalb zweier eine Ringströmung begrenzender Rotationsflächen befindlichen, die Strömung lenkenden Schrauben- fläche gemäss vorliegender Erfindung dadurch erzielt, dass mindestens ringförmige Teile der einen strömungsbegrenzenden Rotationsfläche gegenüber der andern strömungsbegrenzenden
Rotationsfläche in Axialrichtung verschiebbar bzw. verschraubbar sind, um den Durchström- querschnitt bei konstant gehaltenen Strömungs- winkeln zu regeln oder durch einen weiteren
Regeleingriff auch zusätzlich die Strömungs- winkel zu regulieren.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele von Ringdüsen bzw. Diffusoren im Meridian- schnitt. Darin sind 1 und2 bzw. 2"die strömungs- begrenzenden Flächen im Schnitt, wobei sich durch Veränderung der Lage von 2 in Doppel- pfeilrichtung der Durchströmquerschnitt ver- ändert. 3 ist die die Strömungsrichtung, ins- besondere die Drehungskomponente bestimmende, ein-oder mehrgängige Schraubenfläche im
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Schnitt. Sie ist geometrisch entstanden zu denken aus einer schraubenförmigen Bewegung einer Linie oder, wie beim dargestellten Aus- führungsbeispiel, einer durch die Achse gehenden Geraden. Je nach Bedarf kann auch nur der Teil 2 beweglich, seine Fortsetzung 2"aber fest mit dem übrigen Teil des Führungsmittels verbunden sein.
Die Vorderkanten von 2 und 2" würden sich dann bei voller Öffnung decken. Die Schraubensteigung der Schraubenfläche und ihr Profil brauchen nur soweit konstant zu sein, als dies im Hinblick auf einen konstanten Austrittswinkel notwendig ist, während sie ausserhalb von 2, also im Bereich von 2"beispielsweise allmählich auf unendlich übergehen kann. Die in Pfeilrichtung 4 frei austretende Strömung hat die Form eines Hyperboloides, dessen Erzeugenden die geradlinigen Austrittsstrahlen darstellen.
In Fig. 3 und 4 ist die Anwendung des Führungsmittels als Ringdüse zur Umsetzung von Druckin Geschwindigkeitsenergie gezeichnet, u. zw. in Fig. 3 eine in bezug auf die Achse einwärts gerichtete, in Fig. 4 eine in bezug auf die Achse auswärts gerichtete Ringströmung.
Bei Umkehrung der Strömung, also entgegen Pfeilrichtung 4, arbeiten die Führungsmittel als Diffusoren, d. h. zum Umsatz von Geschwindig- keit in Druckenergie, u. zw. entsprechend umgekehrt : bei Fig. 3 für auswärts gerichtete und bei Fig. 4 für einwärts gerichtete Ringströmung.
Bei den Fig. 3 und 4 wurde durch ein zylindrisches Steuerorgan 2 der Querschnitt der Ringströmung genau im Austritt aus den bzw. bei Umkehrung der Strömungsrichtung im Eintritt in die die Strömung lenkenden Schraubenflächen 3 reguliert und damit eine Änderung der Beaufschlagung des Führungsmittels unter Konstanthaltung des Austritts-bzw. Eintrittswinkels erzielt.
Wird jedoch der Durchströmquerschnitt durch ein weiteres Regulierorgan, welches sich in einem gewissen Abstand ausserhalb von den die Ringströmung lenkenden Schraubenflächen befindet, verengt, so ist damit die Möglichkeit gegeben, durch einen weiteren, zusätzlich anwendbaren Regeleingriff den Tangentialkomponentenanteil der Ringströmung zu verringern bzw. zu regulieren.
Fig. 5 zeigt beispielsweise in Gegenüberstellung zu Fig. 3 eine zusätzliche Regulierbarkeit des Tangentialkomponentenanteils bzw. des Dralles der auftretenden Ringströmung. 5 in Fig. 5 ist das Steuerorgan zur Veränderung des ringförmigen Durchströmquerschnittes ausserhalb des Raumes der strömungslenkenden Schraubenflächen.
Bei vollständig zurückgezogenem Steuerorgan 5 bzw. voller Freigabe des Querschnittes wird der durch die Schraubenfläche gegebene maximale Drall beim Verlassen des Führungsmittels vorhanden sein. In dem Masse jedoch, in welchem der Querschnitt durch 5 verengt wird, findet eine Ablenkung des Stromfaden in meri- dionaler Richtung statt. Im Grenzfall, unmittelbar vor Schliessung der ringförmigen Austrittsöffnung durch das Steuerorgan 5, wird die Tangentialkomponente der Stromfäden gleich Null und somit eine meridionale Ausströmung vorhanden sein.
Fig. 6 zeigt ein Anwendungsbeispiel der neuen Ringstromfüh-rungstnittel für Kreiselmaschinen, wobei durch geeignete Hintereinanderschaltung von gegeneinander rotierenden Führungsmitteln die Rolle der strömungsbegrenzenden Rotationsfläche des einen Führungsmittels mit ihrer, den Durchströmquerschnitt bestimmenden Steuerkante vom anderen, relativ dazu rotierenden Führungsmittel übernommen wird.
Fig. 6 zeigt beispielsweise eine Kreiselmaschine, welche sowohl als Pumpe wie auch als Turbine dienen kann. Im Falle einer Pumpe stellt 6 in Fig. 6 eine feststehende, auswärts gehende Ringdüse, ähnlich Fig. 4, als Übergang des Saugrohres in den Läuferteil dar. Über dieser Ringdüse befindet sich noch das zylindrische, ebenfalls feststehende Führungsstück 8. Glockenförmig über 6 und 8 übergestülpt ist der rotierende Läufer mit seinen unteren, zylindrischen Führungsflächen 9 und 9'seiner unteren, die Strömung begrenzenden, sattelförmigen Rota-
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drischen Führungsflächen 13 und 13', seiner Nabe 14 und der Welle 15. Am feststehenden Gehäuse 16 befindet sich der Leitapparat 17, der wiederum ein Führungsmittel analog Fig. 3 darstellt, nur dass der axiale Zu-bzw. Abfluss hier durch ein Spiralrohr 18 erfolgt.
Zurückkommend auf die Funktion der Ringdüse 6 im Falle einer Pumpe (analog Fig. 4) sei gesagt, dass die Rolle des ringförmigen, den Durchströmquerschnitt regulierenden Steuerorganes 2 (Fig. 4) in diesem Falle von einem Teil des rotierenden Läufers, nämlich der inneren Führungsfläche 9 übernommen wird und dass der ganze Läufer mit der Welle 15 zur Durchführung der Regulierbewegung axial verschiebbar ist.
Dasselbe gilt vom Leitapparat 17, entsprechend einem Ringdiffusor nach Fig. 3, der hier durch die mit dem Läufer rotierende Führungsfläche 9' an Stelle von 2 in Fig. 3 reguliert wird. Auch 9' wird also durch dieselbe Axialverschiebung des Läufers gleichzeitig mit 9 verstellt, so dass alle Öffnungsverhältnisse unter konstant erhaltenen Ein-und Austrittswinkeln gleichzeitig an allen Übergangsstellen zwischen Saugrohr und Läufer wie zwischen Läufer und Leitapparat durch alleinige Axialverschiebung des Läufers erzielt werden können.
Es ist mithin erstmalig die in der Hydraulik so sehr gesuchte Möglichkeit gefunden, raumgeometrisch wie hydraulisch streng richtig die Durchströmquerschnitte durch die Kreiselmaschine so zu regulieren, dass die Tangential- komponenten der Strömung am Ein- und Austritt aus dem Laufrad so konstant sind, dass über jeden
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Belastungsbereich bzw. bei jedem Öffnungverhältnis der Kreiselmaschine Stossverluste, wie auch Verluste durch verbleibenden Drall am Auslauf aus der Kreiselmaschine absolut vermieden werden.
Es erübrigt sich, darauf hinzuweisen, dass die Regulierung durch Axialverschiebung des Läufers mechanisch wesentlich einfacher und in bezug auf den Wirkungsgrad viel vollkommener ist wie die bisherigen Regulierungen bei Kreiselmaschinen (z. B. Regulierung durch Fink'sche Drehschaufeln) oder geschweige der Abdrosselung von Pumpen mittels eines Regulierschiebers.
Ein weiterer Vorteil, der durch die neue vorliegende Pumpentype in Erscheinung tritt, ist de-, dass für die Einschaltung einer Pumpe an ein unter Druck stehendes Leitungssystem nicht die Gefahr besteht, in den sogenannten unstabilen Bereich des Belastungsdiagrammes zu gelangen, in welchem sonst Pumpen mit vorwärts oder radial gestelltem Laufradaustritt kommen. Dieser unstabile Zustand im Förderdruck vom Augenblick des Einschaltens einer Pumpe entsteht dadurch, dass die Pumpe zuerst bei geschlossenem Schieber, also beim Durchfluss Null läuft. Hiebei tritt am Aussenrand des Läufers ein Druck entsprechend der Zentrifugalwirkung des rotierenden Flüssigkeitsringes im Läufer auf, während der
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Wirkungsgrad des Leitapparat-Diffusors höher ist.
Die hier vorliegende Pumpentype kann dagegen bei offenen Schiebern, jedoch auf Null-Durchfluss gestelltem Läufer anlaufen und beginnt daher im ersten Augenblick der Freigabe der Durchströmquerschnitte durch Axialverschiebung des Läufers mit dem vollen, durch die Geschwindigkeitsumsetzung im Diffusor sich ergebenden dynamischen Druck zu fördern.
Die die Strömung lenkenden Flächen 11, also die Schaufeln des Läufers sind in Fig. 6 beispielsweise als reine Radialflächen dargestellt. Sie füllen im Profil den Raum zwischen den strömungsbegrenzenden Flächen 10 und 12 aus. Die Eintrittskanten dieser Schaufeln (im Falle einer Pumpe) liegen in der zylindrischen Begrenzungsfläche des Innenmantels des Läufers (Fortsetzung der Führungsflächen 9 und 13) ; die Austrittskanten in der zylindrischen Begrenzungsfläche des Aussenmantels des Läufers (Fortsetzung der Führungsflächen 9'und 13').
Fig. 7 zeigt die zu Fig. 6 gehörenden Geschwindigkeitsdreiecke. Für Punkt 7\'der Fig. 7, entsprechend Tl der Fig. 6 am Austritt aus der Ringdüse des Saugrohres, sei C1 bzw. cl'die Austrittsgeschwindigkeit. Sie fällt in ihrer Richtung mit der Tangente an den durch T gehenden Stromfaden zusammen. Dieser Strom- faden ist identisch mit der Schnittlinie der kegeligen Strömungsbegrenzungsfläche mit der die Strömung leitenden Schraubenfläche. Es zeigt also Cl'in Fig. 7 die Aufrissprojektion der Austrittsgeschwindigkeit als Tangente an diese Schnittlinie, wobei alle mit einem Strich versehenen Bezeichnungen Aufrissprojektion bedeuten und Plie nicht mit Strich versehenen Bezeichnungen darauf hinweisen, dass sie in dieser Projektion in wahrer Grösse erscheinen.
Wird der Punkt Tl um die Achse des Kegels mit der Spitze Si um 900 gedreht, so ergibt sich Punkt Tut mit den entsprechenden Geschwindigkeitsvektoren Cl" und Cl" wobei cl dise Radialkomponente der absoluten Austrittsgeschwindigkeit aus der Ringdüse in wahrer Grösse darstellt. Da C1 in einer Tangentialebene an den Kegel, also einer Ebene durch Ti, SI liegt, muss diese Ebene in die Aufrissebene geklappt werden, damit die absolute Austrittsgeschwindigkeit cl in wahrer Grösse sichtbar wird. Hiezu muss T1, S, gleich gemacht werden T\", S.
Um radial gestellte Läuferschaufeln zu bt ; Kommen, wie in Fig. 6 tatsächlich angenommen wurde, wurde das Verhältnis C1 : Mi (t Umfangsgeschwindig- keit des Läufers im Punkt Ti) so gewählt, dass die Relativgeschwindigkeit am Eintritt in den
Läufer rein meridional verläuft.
Es wurde weiter zur Vereinfachung dieses
Beispiels auch die relative Austrittsgeschwindigkeit aus dem Läufer meridional angenommen, so dass die Schaufeln auch beim Austritt aus dem Läufer (s. Fig. 6) radial angenommen werden 1-konnten.
Die entsprechenden Geschwindigkeitsdreiecke im
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ebenfalls sinngemäss in Fig. 7 eingezeichnet, wobei die Radialkomponente der Absolut-
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schnitt am Austritt dieselbe Wassermenge wie am Eintritt zu fördern. Weiters ist die Umfangsgeschwindigkeit des Läufers am Eintritt Mi.
Es sei im weiteren noch darauf hingewiesen, dass in Fig. 6 als Zulauf vom Saugrohr (im Falle einer Pumpe) auch das Führungsmittel 6 entfallen kann, wenn die Schraubenflächen am Eintritt in den Läufer so gerichtet sind, dass der Eintritt bei meridionalem Zulauf stossfrei erfolgt. Einen solchen Läufer zeigt beispielsweise die Fig. 8, nach welcher die Einhaltung eines bestimmten Tangentialkomponentenanteiles beim Eintritt in den Läufer, wie auch beim Austritt aus dem Läufer, durch die Hintereinanderschaltung eines erfindungsgemässen Ringdiffusors und einer solchen Ringdüse eine einfache, konstruktive Massnahme darstellt.
Die Steuerung der Beaufschlagung dieser beiden Führungsmittel des Läufers geschieht wieder in gleicher Weise bzw. mit ein und derselben Bewegung, wie vordem für den Leitapparat und das Saugrohr beschrieben, durch die erwähnte Axialverstellung des Läufers (Fig. 8). Seine Dimensionen sind in Fig. 8 so ge- wählt1 dass dieser an Stelle des in Fig. 6 gezeichneten Läufers gesetzt werden könnte, natürlich unter entsprechender Berücksichtigung der Darstellung der Geschwindigkeitsvektoren. Auch die An- ordnung des Läufers in Fig. 8 ist dieselbe wie die des Läufers in Fig. 6.