<Desc/Clms Page number 1>
Kreiselpumpe für gasförmige oder flüssige Medien
Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe für gasförmige oder flüssige Medien, die ein Radialschau- felgitter aufweist, das an beiden Stirnseiten geschlossen ist, dessen Beschaufelung von dem gesamten Durchsatz zweimal in einer Richtung senkrecht zur Drehachse dieses Schaufelgitters durchströmt wird und dessen Schaufelparameter (Schaufelkrümmung und Schaufelwinkel) so gewählt werden, dass der Durchsatzströmung die Geschwindigkeitsverteilung annähernd eines Potentialwirbels aufgezwungen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kreiselpumpen für Gase oder Flüssigkeiten zu schaffen, die im Bereich kleiner Re-Zahlen, insbesondere bei Re-Zahlen unter 5. 104 noch mit hohen Wirkungsgraden betrieben werden können und die darüber hinaus gegenüber den bisherigen Konstruktionen leiser laufen und eine wesentlich geringere Baugrösse zulassen.
In der österr. Patentschrift Nr. 189331, die auf einen der Erfinder zurückgeht, wird ein Gebläse beschrieben, bei dem eine das Schaufelgitter umgebende Leitwand zwischen dem Ansaug- und dem Druckbereich so angeordnet ist, dass zwischen dieser Leitwand und dem Schaufelgitter ein in Laufrichtung desselben konvergierender Kanal entsteht. Durch diese Massnahme wurde für dieses Gebläse eine hervorragende Laufruhe erzielt. Es hat sich auch herausgestellt, dass diese Gebläse eine Leistungssteigerung gegen- über den früher bekannten besassen. Bei diesem Gebläse wird der Durchsatzströmung, wenn die Schaufelparameter des Läufers entsprechend gewählt werden, die Geschwindigkeitsverteilung annähernd wie in einem Potentialwirbelfeld aufgezwungen. Das Zentrum des Wirbels liegt dabei stark exzentrisch zur Drehachse des Läufers.
Die Leistung und das Geräuschverhalten dieser bekannten Strömungsmaschine kann weiter verbessert werden, wenn erfindungsgemäss zum Zwecke der Verwendung im Bereich kleiner Re-Zahlen höhere Umsetzungswirkungsgrade in eng begrenzten Bereichen des Schaufelgitters mittels hoher Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Strömungsmedium und den umlaufenden Schaufeln in-diesen Bereichen des Schaufelgitters dadurch erzielt werden, dass die Schaufelparameter so gewählt werden, dass 1.) die dem Wirbelkerngebiet (V) nahen Stromröhren in etwa gegensinniger Richtung umgelenkt werden, 2.) zur Stabilisierung der Lage des Wirbelfeldes ein sich nur aber einen kleinen Schaufelgitterbereich erstreckender und die Saugseite von der Druckseite trennender Leitkörper so angeordnet ist,
dass zwischen der Peripherie des Schaufelgitters und diesem Leitkörper ein Kanal gebildet wird, und
3.) der Ansaugbereich (S) sich in den Radialebenen über einen Zentriwinkel von etwa 1800 erstreckt.
Die Strömungsgeschwindigkeit in einem Potentialwirbelfeld ist umgekehrt proportional dem Abstand vom Wirbelzentrum. Das Geschwindigkeitsprofil einer Wirbelströmung besitzt in. der Nähe des sich um das Zentrum dieser Wirbelströmung zwangsweise ausbildenden Wirbelkerns ein Maximum. Um eine Durchsatzverschiebung mit einem ausgeprägten Maximum zu erhalten, wird bei einer Kreiselpumpe nach der
<Desc/Clms Page number 2>
Erfindung diese Eigenschaft einer Wirbelströmung ausgenützt, wobei ein grosserDurchsatzanteil das Schau- felgitter nahe dem zur Schaufelgitterachse exzentrischen Wirbelzentrum durchströmt.
Es wurde gefunden, dass für den Leitkörper, der den Saugbereich von dem Druckbereich trennt und der das Wirbelfeld stabilisiert, in Beziehung zu allenfalls vorhandenen andern Leitflächen, wie z. B. Ge- i Museteilen od. dgl., eine günstigste Lage sowie optimale Abmessungen angegeben werden können. Die- ser Leitkörper muss dabei relativ zu dem Umfang des Schaufelgitters so ausgebildet und angeordnet sein, dass er an jeder Stelle einen Mindestabstand von der Hälfte der Schaufelerstreckung in radialer Richtung besitzt.
EMI2.1
vum dar, weil der Strömungsmaschinenbauer bisher bemüht war, die impulsübertragenden Maschinenteile einer Strömungsmaschine möglichst gleichmässig zu belasten. Der neuartigen Pumpe wurde deshalb eine neue Bezeichnung, nämlich"Tangentialpumpe"oder"Tangentialgebläse"gegeben.
Untersuchungen, die von den Erfindern ausgeführt wurden, haben gezeigt, dass bei der erfindungsge- i mässen Einstellung der Schaufelwinkel und der Wahl der Schaufelkrümmung die Strömung der wirbelkern-. nahen Stromröhren das umlaufende Schaufelgitter nahezu stossfrei beaufschlagt.
Besondere Merkmale der Erfindung betreffen die Ausbildung des den Wirbelkern stabilisierenden und den Saugbereich von dem Druckbereich trennenden Leitkörpers. Die Möglichkeiten, die durch eine be- sondere Ausbildung des genannten Leitkörpers zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in dem Wirbel- feld gegeben sind, werden näher an Hand der Figuren erläutert. Dieser Leitkörper, der zwischen den in dem Saugbereich und dem Druckbereich in beinahe gegensinniger Richtung strömenden Stromröhren an- geordnet ist, wird weiterhin als der das Wirbelfeld stabilisierende Leitkörper oder kurz Leitkörper be- zeichnet. Im allgemeinen ist der das Wirbelfeld stabilisierende Leitkörper parallel zur Drehachse des
Schaufelgitters angeordnet.
In bestimmten Fällen kann der Leitkörper jedoch auch schraubenförmig um den Schaufelgitterumfang gewunden angeordnet werden, wodurch ein entsprechend schraubenförmig in verschiedener Richtung austretender Strahl erhalten wird. Der Leitkörper kann auch abschnittweise winkel- versetzt angeordnet sein, wodurch ein Schaufelgitter mehrere Strahlen in verschiedenen Richtungen erzeu- gen kann.
In vielen Fällen, insbesondere da, wo die Pumpe oder das Gebläse von einem Gehäuse umgeben wird, ist eine zweite Leitwand vorgesehen. Diese Leitwand ist jedoch nicht unbedingt funktionsnotwen- dig, um das erfindungsgemässe Prinzip der Durchsatzverschiebung in einer Strömungsmaschine zu ver- wirklichen, sie kann also, wenn erforderlich, weggelassen werden.
Diese zweite Leitwand ist, wenn sie vorhanden ist, dem das Wirbelfeld stabilisierenden Leitkörper gegenüber angeordnet und so ausgebildet, dass sich zwischen ihr und dem Schaufelgitter ein in Drehrich- tung des Schaufelgitters divergierender Kanal ergibt. Das gegenüber dem das Wirbelfeld stabilisierenden
Leitkörper sich befindliche Ende dieser Leitwand wird vorzugsweise in einem Abstand von dem Schaufel- gitter angeordnet, der dem Abstand desLeitkörpers von der Schaufelgitterperipherie etwa gleich ist. Die- ser Abstand kann jedoch auch grösser oder kleiner sein.
Da das Geschwindigkeitsprofil der Strömung durch die Grösse und die Lage des sich im Zentrum des
Wirbelfeldes ausbildenden Wirbelkernes bestimmt ist, lässt sich die Tangentialpumpe durch Massnahmen regeln, welche die Konfiguration des Wirbelfeldes beeinflussen.
Insbesondere wirkt sich jede Änderung im Bereich des Kernes und im Bereich der kernnahen Strom- röhren sehr wirkungsvoll aus. Die Erfindung betrifft deshalb auch neue Massnahmen, mit denen sich der
Druck und das Durchsatzvolumen in den erfindungsgemässen Strömungsmaschinen regeln lassen.
Da die Tangentialpumpe im wesentlichen nur Geschwindigkeitsenergie erzeugt, nimmt in erster Nä- herung der erzeugte Gesamtdruck mit der durchgesetztenMenge zu. Damit ist der Druck bei starker Dros- selung sehr klein. Dieser Nachteil kann erfindungsgemäss dadurch vermieden werden, dass der dem Wir- belkern nahe Durchsatzanteil in das Innere des Schaufelgitters reinjiziert wird.
Eine weitere Aufgabe, die mit dem Prinzip der Tangentialpumpe verbunden ist, ist die Umsetzung der druckseitigen Strömungsenergie in statischen Druck. Normale Diffusoren versagen oder arbeiten mit sehr schlechtem Wirkungsgrad, wenn das Geschwindigkeitsprofil der in den Diffuser eintretenden Strömung unsymmetrisch ist. Die Erfindung sieht deshalb neuartige Diffusoren vor, mit denen sich das Geschwindigkeitsprofil der Tangentialpumpe mit hohem Wirkungsgrad im statischen Druck umsetzen lässt. Diese
Massnahmen werden ausführlich in den Figuren erläutert.
An Hand der Figuren soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Gebläse nach der Erfindung senkrecht zu der Drehachse des Schau-
<Desc/Clms Page number 3>
felgitters, längs der Linie I-I in Fig. 2, mit dem das erfindungsgemässe Prinzip der"Durchsatzversehie- bung" verwirklicht werden kann. Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 11- II in Fig. 1. Fig. 3a zeigt ein
Geschwindigkeitsprofil, wie es gemäss der Erfindung angestrebt wird. Fig. 3b zeigt ein Geschwindigkeits- profil, wie es mit bekannten Strömungsmaschinen angestrebt wird. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ) ein zylindrisches Schaufelgitter, wobei schematisch die Isotachen im Inneren des Schaufelgitters und die
Geschwindigkeitsdreiecke nach der zweiten Durchströmung des Schaufelgitters eingezeichnet sind.
Fig. 5 zeigt die Geschwindigkeitsverteilung im Inneren des in Fig. 4 dargestellten Schaufelgitters längs der Sym- metrielinie durch das Kemzentrum noch einmal in graphischer Darstellung. Fig. 6 zeigt einen Längs- schnitt durch ein zylindrisches Schaufelgitter, mit dem das erfindungsgemässe Prinzip der"Durchsatzver- ) schiebung" in anderer Weise verwirklicht werden kann. Die Fig. 7 - 13 zeigen jeweils einen schemati- schen Querschnitt durch ein zylindrisches Schaufelgitter, ähnlich wie es in Fig. 1 dargestellt ist, und durch verschiedene Leitkörperanordnungen, die geeignet sind, die Wirbelströmung im Inneren des zylindrischen
Schaufelgitters verschieden zu beeinflussen.
Fig. 12a zeigt die unterschiedlichen Kennlinien eines erfin- dungsgemässen Radialschaufelgitters, das von der gesamten Durchsatzströmung zweimal durchströmt wird, i und eines Axialschaufelgitters nach dem Stand der Technik. Fig. 14 zeigt die Abhängigkeit des Druckes von dem Volumen, das das Schaufelgitter durchsetzt, einmal in unbeeinflusstem Zustand, das andere Mal unter der Voraussetzung bestimmter Strömungsverhältnisse im Aus- oder Eintrittskanal. Die Fig. 15 - 17 zeigen schematisch Einrichtungen, die eine Umwandlung von Geschwindigkeitsenergie in Druck bei Ge-
EMI3.1
dargestellt ist, und die Fig. 16 und 17 Querschnitte nur durch einen Aus- bzw. Eintrittskanal darstellen.
Fig. 18 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung, die als Bremse in Abhängigkeit von der Drehzahl des Schaufelgitters arbeitet. Fig. 19 zeigt eine andere Ausbildungsform des Schaufelquer- schnitts. Die Fig. 20 und 20a zeigen ein dreistufiges Gebläse nach der Erfindung, wobei Fig. 20 einen
EMI3.2
die Schaufeln der Schaufelzylinder spiralförmig um die Drehachse verlaufen. Fig. 23 zeigt eine mehrstu- fige Ausführungsform der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung nach der Erfindung im Längsschnitt, die als
Bohrlochölpumpe Verwendung findet. Fig. 24 zeigt einen Ausschnitt der in Fig. 23 dargestellten Vorrichtung. Fig. 25 zeigt zwei parallelgeschaltete Schaufelgitter, die in einem Austrittskanal zusammenwirken.
In den Figuren sind schematische Schnittansichten dargestellt. Die Schnitte liegen meistens in Ebenen, in denen einzelne Stromlinien verlaufen. In den Schnitten wird schematisch der Strömungsverlauf des Durchsatzmediums angedeutet. Im Inneren der Schaufelgitter entsprechen die Linien dabei etwa den Isotachen.
In den Fig. 1 und 2 ist im Querschnitt sowie im Längsschnitt ein zylindrisches Radialschaufelgitter 1 dargestellt, das in einem Gehäuse 2 drehbar gelagert ist. Das zylindrische Schaufelgitter 1 weist zwei geschlossene Stirnflächen 6 und 6a auf, mit denen Achsstummel 4 und 4a verbunden sind. Die Lagerung kann auf irgendeine bekannte Art und Weise erfolgen. Zwischen den geschlossenen Stirnscheiben 6 und 6a des Schaufelgitters erstrecken sich die Schaufeln 3, deren Innenkanten und Aussenkanten auf der Innenbzw. Aussenfläche 7 bzw. 8 eines gedachten, zur Drehachse 0 konzentrischen Hohlzylinders liegen. Die Schaufeln 3 selbst sind in Drehrichtung des Schaufelrades konkav gekrümmt.
Die Schaufelwinkel, d. h. die Winkel, welche die Tangenten an die inneren bzw. äusseren Schaufelkanten mit den Tangenten an die inneren bzw. äusseren Mantelflächen 7 bzw. 8 des Hohlzylinders einschliessen sowie die Krümmung der Schaufeln 3 werden so gewählt, dass der Durchsatzströmungdie Geschwindigkeitsverteilung annähernd eines Potentialwirbelfeldes aufgezwungen wird, dessen Zentrum innerhalb und möglichst nahe an der äusseren Peripherie 8 des Schaufelgitters liegt, so dass die dem Wirbelkerngebiet V nahen Stromröhren MF in etwa gegensinniger Richtung umgelenkt werden, wodurch dem Durchsatzmedium eine stark unsymmetrische Geschwindigkeitsverteilung aufgezwungen wird.
Ein grosser Durchsatzanteil durchsetzt das Schaufelgitter in unmittelbarer Nähe des Wirbelkerngebietes V, wobei örtlich zwischen den umlaufenden Schaufeln 3 und diesem Hauptdurchsatzanteil MF hohe Relativgeschwindigkeiten auftreten.
Erfindungsgemäss wird die Lage des Wirbelfeldes mittels eines sich über nur einen kleinen Umfangsbereich des Schaufelgitters erstreckenden und die Saugseite S von der Druckseite P trennenden Leitkörpers 10 stabilisiert. Der Leitkörper 10 ist dabei so angeordnet, dass zwischen der Peripherie 8 des Schaufelgitters 1 und der dieser Peripherie gegenüber angeordneten Wandung 11 des Leitkörpers 10 ein Kanal K gebildet wird, durch den ein Teil der druckseitigen Strömung ausserhalb des Schaufelgitters in dasselbe
<Desc/Clms Page number 4>
zurückströmen kann. Dieser Teil bildet die Wirbelkernströmung V, die die Abdichtung zwischen Saug- undDruckseite übernimmt.
Gemäss der Erfindung beträgt der Abstand der Wandung 11 von der Peripherie 8 des Schaufelgitters mehr als die Hälfte der Schaufelabmessung in radialer Richtung.
Dem Leitkörper 10 gegenüber ist eine Leitwand 9 angeordnet, die zusammen mit der Wandung 12 des Leitkörpers 10 einen druckseitigen Austrittskanal bildet. Bei dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel 'bildet dieser Austrittskanal aus den Wandungen 9 und 12 einen Diffusor. Um die Förderrichtung, d. h. die
Lage des Strömungsverlaufs im Inneren des Schaufelgitters 1 festzulegen, ist nur der Leitkörper 10 erfor- derlich. Die Leitwand 9 ist hiezu nicht nötig. Diese kann also, wenn der Austrittskanal nicht begrenzt sein soll und die Strömung im Austrittskanal nicht durch eine allseitige Begrenzung in einem bestimmten
Sinn beeinflusst werden soll, weggelassen werden.
Durch die Wandung 9 und den Leitkörper 10 wird ein Eintrittsbereich S und ein Austrittsbereich P be- stimmt, die sich zusammen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Zentriwinkel von mehr als 3300 erstrecken. Der Eintrittsbereich S erstreckt sich in den Radialebenen dabei um einen Zentriwin- kel os von mehr'als 1800, dieser Zentriwinkel ist also grösser als der Zentriwinkel ss, über den sich der
Austrittsbereich erstreckt.
Die Wandung 9 besitzt vorzugsweise an jeder Stelle einen Abstand von der Peripherie 8 des Schaufel- gitters 1. An der Stelle 13 ist der Abstand der Wandung 9 von der Peripherie 8 des Schaufelgitters am kleinsten. Vorzugsweise beträgt dieser Abstand mehr als 1/2 der Schaufelabmessung in radialer Richtung.
Der Abstand nimmt stetig in Strömungsrichtung zu.
An Hand der Fig. 3a und 3b soll das erfindungsgemässe Prinzip der "Durchsatzverschiebung" näher er- läutert werden. In Fig. 3b ist schematisch die Geschwindigkeitsverteilung, wie sie mit Strömungsmaschi- nen nach dem Stande der Technik bisher angestrebt wurde, über einem Querschnitt A-B aufgetragen. Das
Geschwindigkeitsprofil dieser Verteilung entspricht dem einer Kanalströmung. Der Strömungsmaschinen- bauer war bisher bestrebt, die den Impulsaustausch bewirkende Beschaufelung gleichmässig zu belasten, um am Austritt der Strömungsmaschine eine nahezu rechteckige Geschwindigkeitsverteilung, wie sie durch das Rechteck A-B-C-D-schematisch angedeutet wird, zu erhalten. In Fig. 3a ist eine Geschwin- digkeitsverteilung dargestellt, wie sie gemäss der Erfindung angestrebt wird.
Dabei entspricht der Quer- schnitt A'-B'dem Querschnitt A-B in Fig. ssb. Ebenso istdas gleiche Rechteckprofil A'-B'-C'-D', wie in Fig. 3b angedeutet. Erfindungsgemäss wird nun eine Geschwindigkeitsverteilung der Durchsatzströmung angestrebt, bei der in einem Bereich E'-F'des Querschnitts wesentlich grössere Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Strömungsmedium und den dieses Strömungsmedium beschleunigenden Maschinenteilen er- halten werden.
Bei einer Geschwindigkeitsverteilung, wie sie in Fig. 3a dargestellt ist, bei der die Geschwindigkei- ten in dem Bereich über E'-F'wesentlich grösser sind als in den Bereichen über A'-E'und F'-B', wird in diesem Bereich über E'-F'fast die ganze Leistung umgesetzt. Die geringe Wirkungsgradverschlechterung für den langsamsten Durchsatzanteil, der sehr klein ist, fällt nicht ins Gewicht.
In den Fig. 4 und 5 wird rein schematisch am Beispiel eines zylindrischen Schaufelgitters dargestellt, wie die erfindungsgemässe Durchsatzverschiebung mittels einer Wirbelströmung erreicht wird. In Fig. 4 ist dazu schematisch der Querschnitt durch ein ähnliches Schaufelgitter wie in Fig. 1 dargestellt. Gleiche
Teile sind aus diesem Grund mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Inneren des Schaufelgitters 1 sind die Isotachen a-f und i dargestellt. Das durch den sich in dem umlaufenden Schaufelgitter 1 ausgebil- denden Unterdruck von der Eintrittsseite S angesaugte Strömungsmedium hat die Tendenz, an der Aus- trittsseiteP das Schaufelgitter 1 möglichst ohne Stossverluste zu verlassen. Durch die oben beschriebene
EMI4.1
felgitter ohne wesentliche Stossyerluste durchströmt.
Bekanntlich nimmt die Geschwindigkeit einer Drall- oder Wirbelströmung im umgekehrten Verhältnis zum Abstand vom Zentrum Z des Wirbels ab. Die grösste Geschwindigkeit ist in der Nähe des Wirbelzentrums, d. h. am Rande des sich zwangsweise ausbildenden Wirbelkerngebietes V. Dieses Wirbelkemgebiet V soll dabei möglichst klein gehalten werden, so dass die wirbelkernnahe Stromröhre möglichst nahe am Kernzentrum verläuft und dieser Stromröhre entsprechend dem hyperbolischen Verlauf der Geschwindigkeit nahe am Wirbelzentrum 0 eine möglichst hohe Geschwindigkeit erteilt wird. Der Isotache i, die die Einhüllende 7 der inneren Schaufelkanten der umlaufenden Beschaufelung berührt, ist dabei die Umlaufgeschwindigkeit dieser inneren Schaufelkanten zugeordnet.
In der Zeichnung ist das Eintritts-Geschwindigkeitsdreieck der Schaufelanströmung des dem Wirbelkem-
EMI4.2
<Desc/Clms Page number 5>
setzt sich zusammen aus dem Vektor V der die Strömungsrichtung und die Geschwindigkeit der dem Wirbel- kerngebiet V am nächsten gelegenen Stromröhre im Inneren des Schaufelzylinders 1 angibt, und dem Vektor
Vu, der die Umfangsgeschwindigkeit der Beschaufelung darstellt. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, erfolgt bei der entsprechenden Einstellung der Schaufelparameter eine stossfreie Anströmung und eine Umströmung der ) Schaufelprofile in nur durch das Wirbelkerngebiet V voneinander getrennten Bereichen des Schaufelgitters.
Dadurch wird Ausbildung des Wirbels erzwungen, die zu den hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen den umlaufenden Schaufeln des Schaufelgitters und dem Durchsatzmedium in den dem Wirbelkern nahen Berei- chen führt. Bei einer andern Einstellung der Schaufelparameter wurde sich eine entsprechend andere Ge- schwindigkeitsverteilung im Inneren des Schaufelgitters ergeben. Die erfindungsgemässe Lehre besteht darin, ) dass die Schaufelparameter so gewählt werden müssen, dass dem das Schaufelgitter durchsetzenden Medium eine Wirbelströmung mit möglichst kleinem Kerngebiet V aufgezwungen wird. In Fig. 4 sind weiter die
Geschwindigkeitsdreiecke an der Austrittsseite des Schaufelgitters dargestellt. Der Geschwindigkeitsvek-
EMI5.1
Umfangsgeschwindigkeit darstellt, zusammen.
Mittels der in Fig. 5 dargestellten Geschwindigkeitsvertei- ! lung im Inneren des Schaufelgitters können annähernd die Werte für die Geschwindigkeitsverteilung am
Austritt des Schaufelgitters angegeben werden.
In Fig. 6 ist ein weiteres Beispiel einer Anordnung dargestellt, mit der sich das erfindungsgemässe
Prinzip der Durchsatzverschiebung erreichen lässt. Diese Anordnung besteht aus zwei nebeneinander ange- ordneten zylindrischen Schaufelgittern 61 und 61'mit einer Beschaufelung 63 und 63', deren Schaufel- winkel und Schaufelkrilmmung vorzugsweise sich in Richtung parallel zur Drehachse 65 ändern, so dass eine Durchsatzverschiebung zur Mitte der Vorrichtung in der dargestellten Weise erreicht wird. Im Inneren der beiden Schaufelgitter befindet sich ein umlaufender rotationssymmetrischer Leitkörper 66, der einen konzentrisch zur Drehachse sich ausbildenden torusförmigen Zirkulationsraum 67 begrenzt.
Die beiden sich um die gemeinsame Achse 65 drehenden Schaufelgitter 61 und 61'sind in ihrer gemeinsamen Be- grenzungsebene von einem ringförmigen Leitkörper 68 umgeben, der den Saugraum S von dem Druckraum
P trennt. Weiter ist ein Schaufelkranz 69 vorgesehen, der rings um das sich drehende Schaufelgitter 61 angeordnet ist, wodurch vermieden wird, dass sich der gesamte Luftraum mit dem Schaufelgitter mit- dreht.
Die Vorrichtung arbeitet folgendermassen : Durch die Fliehkraftwirkung der Schaufeln 63'entsteht im
Zirkulationsraum 67 ein Unterdruck, der einen Impulsaustausch im Schaufelgitter 61 mit negativem Reak- tionsgrad ermöglicht. Das Schaufelgitter 61'besitzt vorzugsweise Schaufeln mit einer grösseren radialen
Schaufelerstreckung, weil dieses Schaufelgitter die Druckseite der Anordnung darstellt und deshalb die
Fliehkraftkomponente besser ausgenutzt werden kann. In der Figur sind schematisch die Austritts- und
Eintrittskomponenten der Durchsatzströmung angedeutet. Ebenso ist schematisch der sich entlang der In- nenkante des ringförmigen Leitkörpers 68 ausbildende Toruswirbelkem V angedeutet.
In den Fig. 7 - 13 sind verschiedene Ausführungsformen des die Saug- von der Druckseite trennenden
EMI5.2
verschiedenste Art beeinflusst werden kann. Beispielsweise können veränderliche Regeleinrichtungen in einem von dem Leitkörper und einem weiteren Leitelement gebildeten Kanal, durch den die Druckseite mit der Peripherie des Schaufelgitters kommuniziert, vorgesehen sein. Mittels dieser Regeleinrichtungen können die rezirkulierten Anteile der Strömung verändert und damit auch die Konfiguration des Wirbelkerngebietes verändert werden. Eine Veränderung des Wirbelkemgebietes hat nach der Lehre der Erfindung eine Veränderung der Durchsatzmenge zur Folge. Es kann also durch die angezeigten Massnahmen in einfacher Weise die Veränderung der Durchsatzmenge vorgenommen werden.
In Fig. 7 ist eine Anordnung gezeigt, bei der das Leitelement 74, das zwischen der Peripherie 8 des Schaufelgitters 1 und der Wandung 71 des Leitkörpers 70 angeordnet ist, einen tragflügelartig profilierten Querschnitt besitzt. Der Querschnitt des zwischen dem Leitkörper 74 und der Wandung 71 in Strömungsrichtung konvergierenden Kanals 73 kann durch eine verstellbare Klappe 75 verringert oder ganz verschlossen werden. Bei ganz geöffneter Stellung, die durch die ausgezogen gezeichneten Umrisse der Klappe 75 dargestellt ist, beträgt die Menge, die das Schaufelgitter durchsetzt, ein Maximum, bei der mit den gestrichelten Umrissen dargestellten Stellung ein Minimum.
In den Fig. 8 und 8a ist ein erfindungsgemässer Leitkörper 80 dargestellt, dessen dem Schaufelgitter 1 zugekehrte Wandung mittels einer Klappe 84, die sich um eine geeignete Lagerung 85 dreht, so verstellt werden kann, dass der zwischen der Peripherie 8 des Schaufelgitters und der Wandung d6 der verstellbaren Klappe 84 des Leitkörpers 80 gebildete Kanal 87 entweder in Umlaufrichtung des Schaufelgitters konver-
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
<Desc/Clms Page number 7>
geschwenkt ist und die Wandungen 134 und 133 nicht mehr eine geschlossene Wandung bilden, strömt ein
Teil der wirbelkernnahen Strömung zwischen diesen beiden Teilen des Leitkörpers zur Saugseite hindurch und bildet eine sogenannte Kurzschlussströmung.
Der tatsächliche Durchsatz durch das Schaufelgittcr 1 wird dadurch grösser als der austretende Anteil, was gleichbedeutend damit ist, dass der ansteigende Ast der Drosselkurve 0 = f () (Fig. 14), der für Strömungsmaschinen mit kleinem Reaktionsgrad typisch ist, angehoben wird. Diese Massnahme hat besonders dann eine grosse Bedeutung, wenn mehrere Strömungs- maschinen parallel betrieben werden. Hiebei ist die Druckziffer und zo die Lieferziffer. Unter der Druck-bzw. Lieferziffer werden die auf die jeweilige Baugrösse gezogenen Kennzahlen für den erzeugten Druck und die geförderte Volumenmenge verstanden
In Fig. 14 ist dieAbhängigkeit des Gesamtdruckes von dem Gesamtdurchsatz aufgetragen (Kurve 141).
Wenn, wie inFig. 13a das tatsächlich geförderte Volumen kleiner als das das Schaufelgitter durchsetzende Volumen ist, wird die Kurve auf die gestrichelten Werte, die mit 142 angedeutet sind, angehoben.
Um den Geschwindigkeitsdruck in statischen Druck umzusetzen, werden Diffusoren verwendet. Da infolge der erfindungsgemässen Durchsatzverschiebung im Austrittsbereich unterschiedlicheGeschwindigkei- ten des Durchsatzmediums vorliegen, sind für die Druckumsetzung der Geschwindigkeitsenergie im Aus- trittsbereich besondere Massnahmen erforderlich.
Bei einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist der Austrittskanal zwischen den Wandungen 9 und 12 als Diffusor ausgebildet. Um die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umzusetzen, wird dieser Kanal vorzugsweise in mehrere Teilkanäle unterteilt, wobei diese Teilkanäle so ausgelegt sind, dass am Ausgang jedes Teilkanals der gleiche statische Druck herrscht.
In Fig. 15 ist eine Anordnung dargestellt, bei der das unterschiedliche Geschwindigkeitsprofil im Austrittskanal zur Erzeugung unterschiedlicher Drücke herangezogen wird. Die Lage der Wirbelströmung im Inneren des Schaufelgitters wird bei dieser Anordnung durch einen Leitkörper 150 und ein weiteres Leitelement 151 in der bereits beschriebenen Art und Weise stabilisiert. Der Austrittskanal ist in zwei getrennte Diffusoren 152 und 153 unterteilt. In dem Diffusor 152 werden die wirbelkernnahen Stromröhren MF zur Druckerzeugung herangezogen, während in dem Diffusor 153 die restliche Durchsatzströmung zur Erzeugung eines von dem genannten Druck verschiedenen Druckes herangezogen wird. Der Diffusor 153 ist wieder in dreiDiffusorenl54-156 unterteilt.
Diese Unterteilung erfolgt vorzugsweise nach dem im letzten Absatz genannten Grundprinzip, wodurch über den Bereich, den der Diffusor 153 einschliesst, ein gleichmässiger Druck erzeugt wird.
Ein weiterer Diffusor, mit dem bei den erfindungsgemässen Gebläsen die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie mit hohem Wirkungsgrad umgesetzt werden kann, ist ohne das dazugehörige Gebläse in Fig. 16 dargestellt. Bei diesem Diffusor sind die Wandungen mit Löchern 160 versehen. Durch diese Perforierungen 160 der Wandungen werden die Grenzschichtablösungen, die den Wirkungsgrad eines Diffusors bekanntlich verschlechtern, verringert. Eine weitere Verringerung der Grenzschichtablösung kann dadurch bewirkt werden, dass ausserhalb des Diffusors ein Unterdruck erzeugt wird. Je höher der Druck ist, gegen den das Gebläse arbeitet, umso mehr entströmt durch die Perforierungen 160, was wieder einem Anheben
EMI7.1
dergibt (s. Fig. 14).
DieKurve 142 in Fig. 14 entspricht dabei der Druckabhängigkeit von der Fördermenge für ein Gebläse, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, dessen Austrittskanal aus einem Diffusor, wie er in Fig. 16 gezeigt ist, besteht.
Eine ähnliche Beeinflussung der Kennlinie, wie sie mittels der in den Fig. 13a und 16 dargestellten Anordnungen des Austrittskanals erfolgen kann, kann auch durch eine besondere Ausbildung des Ansaugkanals, wie sie in Fig. 17 dargestellt ist, erfolgen. Dabei ist der Ansaugstutzen 170 einer erfindungsgemässen Strömungsmaschine von einem Ansaugschacht 171 so umgeben, dass zwischen dem Saugstutzen 170
EMI7.2
werden, tritt Fremdluft durch den Spalt 172 ein, wodurch der Durchsatz und damit der Druck vergrössert wird. Die Dimensionierung der Länge und des Querschnitts des Spaltes ist dann erfindungsgemäss optimal, wenn die sich durch die Randstromröhren der Strömung 173 ergebenden Staudrücke im Spalt 172 bei maximalem Durchsatz dem Druckunterschied zwischen dem Inneren und dem Äusseren des Ansaugkanals das Gleichgewicht halten.
Wenn also der Druck in dem Ansaugstutzen 171 beträchtlich unter dem des den Ansaugstutzen umgebenden Mediums ist, strömt dieses durch den Spalt 172 in den Ansaugschacht 171 und von da aus in den Ansaugstutzen der Strömungsmaschine. Der Durchsatz steigt deshalb an und dementsprechend ebenfalls die von der Vorrichtung erzeugte Druckdifferenz.
In Fig. 18 ist eine Anordnung dargestellt, bei der ein erfindungsgemässesSchaufelgitter in Zusammen- arbeit mit einem Leitkörper 180 und einem Strömungskörper 181. dessen Stellung im Austrittsbereich ver-
<Desc/Clms Page number 8>
änderlich ist, als Bremse dienen kann. Bei kleinen Umlaufgeschwindigkeiten des Schaufelgitters 1 befin- det sich der Strömungskörper 181 in der mit gestrichelten Linien dargestellten Stellung. Der Strömungs- körper ist mittels eines Arms 182 in der dargestellten Weise um einen Drehpunkt 183 drehbar gelagert.
An dem über den Drehpunkt 183 hinausragenden Ende des Arms 182 greift eine Zugfeder 184 an, die, i wenn keine andern Kräfte auf Strömungskörper wirken, diesen in der gestrichelten Stellung halten. In dieser Stellung wird die Ausbildung der Wirbelströmung im Inneren des Schaufelgitters so beeinträchtigt, dass der Durchsatz sehr klein wird. Wie aus der Kurve 121a in Fig. 12a zu ersehen ist, ist bei kleinem
Durchsatz die Leistungsaufnahme des Antriebs des Schaufelgitters gering. Erhöht sich nun die Geschwin- digkeit des Schaufelgitters, dann wirkt in zunehmendem Masse ein Strömungsdruck auf den Profilkörper
181 und dieser wird dadurch in die mit ausgezogenen Linien dargestellte Stellung bewegt.
In dieser Stel- lung kann sich das Wirbelfeld im Inneren des Schdufelgitters störungsfrei ausbilden und, wie wieder ein
Vergleich mit der Kurve 121a in Fig. 12a zeigt, ist die Leistungsaufnahme des Antriebs des Schaufelgit- ters dann gross. Dieser Effekt kann als Bremswirkung ausgenutzt werden.
In den bisher dargestellten Ausführungsbeispielen besitzen die Schaufeln überall eine gleiche Dicke.
Die erfindungsgemässeStrömungsmaschine kann jedoch auch mitProfilschaufeln versehen werden, wie sie beispielsweise in Fig. 19 dargestellt sind. Diese Profilschaufeln 193 können tragflügelartig ausgebildet sein, so dass die Stossverl1Ete an den Anströmkanten noch weiter verringert werden. Die Schaufeln 193 erstrecken sich zwischen den zylindrischen Mantelflächen 7 und 8 eines Hohlzylinders. Sie sind an Schei- ben befestigt, die das Schaufelgitter an beiden Stirnseiten abschliessen. Die Schaufeln sind sowohl an ihren Innenkanten 191, als auch an ihren Aussenkanten 194 gerundet ausgebildet. Der Profilquerschnitt ist vorzugsweise gegen die Innenkante 191 zu verdickt. Die Querschnittsmittellinie ist vorzugsweise gegen die Schaufelperipherie zu stärker gekrümmt, d. h. der Krümmungsradius wird kleiner.
Schaufeln der in Fig. 19 dargestellten Art eignen sich besonders für Läufer aus Kunststoff.
Um die durch die Ablösungserscheinung bedingten Verluste noch weitgehender zu vermindern, kön- nen an den Innenkanten der Schaufeln 193 Hohlkehlen oder Nuten 192 vorgesehen sein. Diese Nuten be- wirken eine Zunahme der Turbulenz in den Grenzschichten, wodurch die Ablösungsverluste verringert werden können.
In den vorangegangenen Beispielen wurden einstufige Strömungsmaschinen nach der Erfindung er- läutert. Es ist auch möglich, die erfindungsgemässen Strömungsmaschinen mehrstufig und/oder mehrflu- tig auszubilden. Dabei können die verschiedenen Stufen in Reihe oder parallelgeschaltet werden. Bei
Reihenschaltung nimmt der Druck von Stufe zu Stufe zu. Bei den erfindungsgemässen Strömungsmaschinen ist die Druckdifferenz zwischen Eintritts- und Austrittsseite gering. Es wird deshalb bei Reihenschaltung zweckmässig jeder Stufe ein Diffusor nachgeschaltet.
In den Fig. 20 und 20a ist ein dreistufiges Gebläse dargestellt. Die Stufen sind allgemein mit 200a,
200b und 200c bezeichnet. Jede dieser Stufen weist ein zylindrisches Schaufelgitter 201a, 201b und 201c auf. Die Schaufelgitter sind koaxial zueinander und in Achsenrichtung nebeneinander in einem Gehäu- se 202 angeordnet. Die Eintrittsseite der ersten Stufe ist mit dem Bezugszeichen 205 angezeigt.
In Fig. 20 ist der Übergang von der zweiten in die dritte Stufe dargestellt. Das Durchsatzmedium strömt aus dem Schaufelgitter 201b, in welchem die Wirbelströmung durch den Leitkörper 206 stabilisiert wird, in den sichelförmigen Raum 203 des Gehäuses, das die Schaufelgitter umgibt, aus. Dieser sichel- förmige Raum wirkt an der Austrittsseite der zweiten Stufe als Diffusor, in welchem eine Druckumsetzung stattfindet. Das Strömungsmedium strömt dann, durch spiralförmig angeordnete Leitwände 207 (Fig. 20a) geführt, zu der nächsten Stufe, in deren Eintrittsseite 204 Leitschaufeln 213 angeordnet sind, die das
Strömungsmedium in diese nächstestufeleiten, die in Fig. 20 die dritte Stufe ist. Aus dieser letzten Stu- fe strömt das Strömungsmedium zu dem Auslass 209 aus.
In Fig. 20a sind die Achsstummel 208 und 208a angedeutet, über welche die Schaufelgitter angetrieben werden. Diese Schaufelgitter selbst sind an ihren
Stirnseiten geschlossen und mit ihren Stirnseiten miteinander verbunden.
InFig. 21 ist eine zweiflutige Anordnung dargestellt. Im Inneren des Schaufelgitters befindet sich ein zweizählig rotationssymmetrischer Körper 212, durch den im Innenraum des Schaufelgitters zwei Zirkula- tionsräume 218 und 218a gebildet werden. Die Lage der Wirbelströmung in jedem der Zirkulationsräume wird durch Leitkörper 213 und 213a stabilisiert. Den Leitkörpern 213 und 213a sind weiter Leitelemente
214 und 214a zugeordnet, wodurch Kanäle 215 und 215a gebildet werden, welche die bereits oben näher erläuterte wirbelanfachende Wirkung besitzen. Der jeweilige Austrittskanal wird weiter durch eine Leit- wand 216 bzw. 216a in ähnlicher Weise, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits beschrieben wurde, begrenzt.
Mehrflutige Anordnungen werden vorteilhafterweise dann verwendet, wenn beispielsweise ein Luft-
<Desc/Clms Page number 9>
strahl oder eine Förderung eines hydraulischen Mediums nach verschiedenen Seiten gleichzeitig erwünscht ist.
In Fig. 25 ist schematisch ein Querschnitt durch eine Vorrichtung gezeigt, die zwei zylindrische
Schaufelgitter 251 und 251'besitzt, deren Beschaufelungen 253 und 253'in einander entgegengesetzten i Richtungen (Pfeile 255 und 255') umlaufen. Die diesen Schaufelgittern zugeordneten Leitkörper 250 und
250'sind spiegelsymmetrisch zu einer von beiden Drehpunkten der Schaufelgitter 251 und 251'gleich weit entfernten Mittelebene X-X angeordnet. Infolge der gegensinnigen Drehrichtung der Schaufelgitter und der spiegelsymmetrischen Anordnung der Leitkörper befindet sich die Druckseite im Mittelraum der aus Leitkörpern und Schaufelgitter bestehenden Anordnung, während sich die Saugseite im Aussenraum ) dieser Anordnung befindet. DieAnordnung eignet sich besonders zum Antrieb kleiner, beispielsweise mus- kelangetriebener Wasserfahrzeuge.
Sie kann aber ebensogut als Antriebseinrichtung kleiner Flugmodelle
Verwendung finden.
Dadurch, dass sich bei der in der Fig. 25 dargestellten Anordnung die Bereiche kleinerer Austrittsge- schwindigkeiten überlagern, während die Randzonen des durch die Leitkörper 250 und 250'gebildeten Kanals jeweils von den schnellsten Stromröhren der aus den Schaufelgittern 251 und 251'austretenden
Strömung durchströmt werden, kann mit dieser Vorrichtung ein nahezu rechteckiges Austrittsgeschwindig- keitsprofil erhalten werden.
In bestimmten Fällen, insbesondere wenn die Anordnung in einem Gehäuse angeordnet ist, können, wie in Fig. 25 dargestellt ist, weitere Leitkörper 256 und 256'angeordnet sein. In der in Fig. 25 darge- stellten Anordnung sind die Leitkörper 256 und 256'getrennt voneinander angeordnet, wodurch ein Teil- strom auch aus dem Mittelbereich des Saugraumes angesaugt wird.
Wenn es erwünscht ist, dem Durchsatzmedium auch eine Geschwindigkeitskomponente in axialer
Richtung zu erteilen, können die Schaufelgitter so angeordnet sein, dass ihre Kanten auf Schraubenlinien um die Drehachse verlaufen. In Fig. 22 sind zwei beispielsweise Ausführungsformen solcher Schaufelgit- ter 220 und 225 dargestellt. Das Schaufelgitter 220 ist dabei aus zwei spiegelsymmetrisch angeordneten
Teilschaufelgittern 221 und 222 zusammengesetzt. Die axialen Geschwindigkeitskomponenten, die dem
Durchsatzmedium durch diese Teilschaufelgitter 221 und 222 erteilt werden, sind demnach entgegenge- setzt.
Es ist gemäss der Erfindung auch möglich, eine mehrstufige Anordnung zu schaffen, die nach dem
Prinzip der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung arbeitet. In den Fig. 23 und 24 ist eine solche mehrstufige
Pumpe dargestellt. Die Fig. 23 ist dabei ein Situationsbild, in welchem der Aufbau der Pumpe im Schnitt dargestellt ist, während Fig. 24 einen Ausschnitt der Fig. 23 darstellt, in welchem die Schaufelgitter 241 und 241'für jeweils eine Stufe dargestellt sind, die den Schaufelgittern 61 und 61'in Fig. 6 entsprechen.
Die Pumpe weist ein Gehäuse 230 auf, dessen Innenwandung in der dargestellten Weise profiliert ist,
EMI9.1
körper 245 gelagert. An diesem Drehkörper sind die Schaufeln der Schaufelgitter 241 und 241'befestigt.
Wie im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben wurde, ändern sich die Schaufelwinkel und die Schaufelkrümmungen in Richtung der Drehachse 240 in der Weise, dass eine Durchsatzverschiebung in jeder Stufe zu den ringförmigen Leitkörpern 244 hin erfolgt. Wie bei der Anordnung in Fig. 6 ist weiter ein an dem Gehäuse befestigter starrer Schaufelkranz 247 in jeder Stufe vorgesehen, der ein Mitrotieren des gesam- tenFördervolumens mit dem sich drehenden Rotationskörper 245 vermeidet. Wenn der die Schaufelung 241 bzw. 241'. tragende rotationssymmetrische Innenleitkörper 245 über einen Antrieb in Drehung versetzt wird, durchströmt das Durchsatzmedium die Zirkulationsräume in der durch die Pfeile angezeigten Richtung.
Dabei werden, jeweils bezogen auf den Druck, der von der vorhergehenden Stufe erzeugt wird, in den der Drehachse fernen Zirkulationsräumen 236 Überdrücke erzeugt. Die in den Fig. 23 und 24 dargestellte Ausführungsform nach der Erfindung findet beispielsweise als Bohrlochölpumpe Verwendung.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.