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Einrichtung zur Stabilisierung der Charakteristik von Kreiselradarbeitsmaschinen mit in einem Strömungskanal angeordnetem, axial durchströmten Laufrad
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stabilisierung der Charakteristik (Vil-Kennlinie) von
Kreiselradarbeitsmaschinen mit in einem Strömungskanal od. dgl. angeordnetem, axial durchströmtem
Laufrad, insbesondere von Axialpumpen und-ventilatoren.
Bei solchen Maschinen wird bei optimalem Betrieb das Laufrad erfahrungsgemäss meist gleichförmig beaufschlagt, d. h. die Zuströmgeschwindigkeit des Betriebsmediums ist über den ganzen Querschnitts- bereich des Laufrades hinweg zumindest ungefähr gleich. Dagegen ändert sich bei Teillastbetrieb die Zu- strömgeschwindigkeit des Betriebsmediums über den Querschnittsbereich des Laufrades hinweg mehr oder weniger stark.
Dies ist zum einen darauf zurückzuführen, dass bei Teillast, also bei geänderter Zuord- nung zwischen Strömungsvolumen und Förderhöhe, die einzelnen Partien der Laufradschaufeln mit zuneh- mendem Abstand von der Nabe eine zunehmende Erhöhung des Energieinhaltes (Druck+ kinetische Energie des Betriebsmediums bewirken, wodurch sich hinter dem Laufrad eine Strömung ausbildet, die mit zunehmendem Abstand von der Nabe stärker drallbehaftet ist, aber kleinere axiale Geschwindigkeiten aufweist.
Zum andern ist die ungleiche Verteilung der Zuströmgeschwindigkeit des Betriebsmediums über den Querschnittsbereich des Laufrades hinweg darauf zurückzuführen, dass sich bei Teillastbetrieb bekanntlich hauptsächlich im Randbereich des Laufrades die sogenannten rotierenden Stauzonen (" rotating stall") ausbilden, in denen die Durchströmgeschwindigkeit ungefähr gleich Null ist und die mit einer Geschwindigkeit rotieren, die etwas kleiner ist als die Drehgeschwindigkeit des Laufrades.
Vorstehend genannte Erscheinungen, nämlich die mit wachsendem Abstand von der Nabe zunehmende Abbremsung der axialen Geschwindigkeit der Strömung hinter dem Laufrad und die Ausbildung der rotierenden Stauzonen im Aussenbereich des Laufrades verursachen darüber hinaus die Entstehung eines Ringwirbels an der Wand des Strömungskanals vor dem Laufrad. Dieser Ringwirbel, der sich, wie durch eingehende Beobachtungen festgestellt wurde, sowohl in Form eines geschlossenen Rings wie auch in Form eines oder mehrerer über den Umfang verteilter Ringsegmente ausbilden kann, hat die Eigenschaft, dass er mit ungefähr derselben Geschwindigkeit wie die sogenannten Stauzonen in Umfangsrichtung sowohl als auch etwa senkrecht dazu in sich selbst rotiert.
Als Folge der vorstehend genannten Erscheinungen ergibt sich eine Stauung des Betriebsmediums in einem Teil des Durchflussquerschnitts des Laufrades. Dies hat eine mehr oder weniger starke Veränderung der Förderhöhe der Strömungsmaschine zur Folge und ist die Ursache für die Instabilität der Charakterstik - Kennlinie) dieser Maschine im Bereich einer gewissen Zone im Teillastgebiet. Diese sogenannte "instabile Zone", innerhalb der die Förderhöhe H kleiner ist als die Förderhöhe bei der dem Punkt besten Wirkungsgrades entsprechenden Fördermenge V und auch kleiner ist als bei der Fördermenge V = 0, ist aus der Kennlinie, auch Drosselkurve genannt, zu ersehen (vgl. Fig. l, wo der stabile Teil der Kennlinie strichpunktiert und mit a bezeichnet, die instabile Zone der Kennlinie schraffiert und mit b bezeichnet, dargestellt ist).
Zwecks Vermeidung der durch die Instabilität der Charakteristik der Kreiselradarbeitsmaschinen sich ergebenden Nachteile sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden. So hat man versucht, diese Instabilität dadurch zu beheben, dass bei einem Axialventilator in der Anordnung Laufrad-Nachleitrad vor
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dem Laufrad ein Saugring angeordnet wurde. Des weiteren wurde bei einem Axialventilätor in der Anordnung Vorleitrad-Laufrad vorgeschlagen, zwischen dem Laufrad und dem Vorleitrad einen koaxialen dünnen Ring, einen sogenannten Aussenring, mit möglichst grossem Durchmesser, nämlich mit einem etwa 8/10 des äusseren Laufraddurchmessers betragenden Durchmesser, einzubauen. Obwohl dabei versucht wurde, durch verschiedene Formgebung des Aussenrings zum Ziel zu kommen, konnten keine befriedigenden Ergebnisse erzielt werden.
Zwar wurde eine Verbesserung der Instabilität erreicht, aber dies nur auf Kosten einer erheblichen Verschlechterung des Wirkungsgrades.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zu Grunde, dass eine Stabilisierung der Charakteristik von Krei-
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rotierenden Stauzonen im Aussenbereich des Laufrades und von Ringwirbeln an der Wand des Strömungskanals vor dem Laufrad bei Teillastbetrieb an der Wand des Strömungskanals eine, vorzugsweise aber auf den Umfang des Strömungskanals verteilt mehrere, zumindest angenähert in Richtung der Maschinenachse verlaufende, strömungsgünstig ausgebildete, im wesentlichen radiale Rippen, Schaufeln od. dgl.
angeordnet werden, deren Höhe höchstens halb so gross ist wie der im Bereich ihrer Längserstreckung kürzeste Abstand zwischen der inneren und der äusseren Begrenzung des Strömungsquerschnitts, und deren Austrittskante unmittelbar vor der Eintrittskante der Laufradschaufeln liegt und, im Meridianschitt betrachtet, dieser, wie an sich bekannt, im wesentlichen angepasst ist.
Durch diese Rippen, die mit ihrer ebenen Erstreckung etwa senkrecht zur Drehrichtung der rotierenden Ringwirbel vor dem Laufrad sowie der rotierenden Stauzone im Laufrad stehen, werden die rotierenden Stauzonen nämlich viel wirkungsvoller abgebaut bzw. schon an ihrem Entstehen gehindert, als dies durch einen Ring möglich ist, dessen Profil in Schnittebenen senkrecht zur Drehrichtung der Ringwirbel und Stauzonen relativ gering ist und dessen ebene Erstreckung in allen Punkten sehr genau mit der Drehrichtung übereinstimmt, dem Umlaufen dieser Störzonen also lediglich mit der Reibungswirkung zwischen Störzonen und Ring entgegenwirkt.
Da sich die rotierenden Stauzonen entsprechend den jeweiligen Verhältnissen mehr oder weniger stark über die axiale Erstreckung der Laufschaufeln hinaus bis vor das Laufrad erstrecken und sich dementsprechend auch die Ringwirbelin einem mehr oder weniger grossen Abstand vom Laufrad vor diesem ausbilden, wird der axiale Abstand zwischen der Austrittskante der Rippe, Schaufel od. dgl. und der Eintrittskante der Laufschaufeln möglichst klein gewählt, auf jeden Fall aber so klein, dass zumindest der austrittsseitige Teil der Rippe in die rotierende Stauzone hineinragt. Die Länge der Rippe in axialer Richtung wird dabei möglichst klein gehalten, jedoch mindestens so gross, dass ihre Eintrittskante den rotierenden Ringwirbel mindestens zum Teil erfasst.
Die Lage und Form der Eintritts- und Austrittskante der Rippe wird zweckmässig ebenfalls den jeweiligen Verhältnissen, d. h. den an das Betriebsverhalten der Maschine gestellten Anforderungen angepasst. Daraus ergibt sich, dass es unter Umständen genügt, wenn die eine oder auch die mehreren, vorzugsweise bis zu zwölf, auf den Umfang des Strömungskanals verteilt angeordneten Rippen sowohl in bezug auf ihre Längserstreckung als auch in bezug auf ihre radiale Erstreckung in sich gerade ausgebildet werden. Beispielsweise können die Rippen mit in Ebenen senkrecht zur Längsrichtung des Strömungskanals von aussen nach innen sich stetig verjüngendem Querschnitt ausgebildet werden. Es kann sich aber auch als zweckmässig erweisen, dass die Rippen, insbesondere zur Erzeugung eines positiven oder negativen Dralles, einfach oder doppelt gekrümmt ausgebildet werden.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel gezeigt und wird im folgenden an Hand dieses noch näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die VH-Kennlinie, Fig. 2 in einem Längsschnitt durch einen Strömungskanal das Laufrad einer Kreiselradarbeitsmaschine mit einer vor diesem angeordneten Rippe und Fig. 3 hiezu einen Querschnitt längs der Linie a-a.
In den Fig. 2 und 3 bezeichnet 1 den Strömungskanal, 2 die Schaufeln und 3 die Nabe des im Strömungskanal angeordneten Laufrades einer Kreiselradarbeitsmaschine, beispielsweise einer Axialpumpe, das in Richtung des Pfeiles angeströmt wird. Mit Bezug auf die Anströmung des Laufrades ist unmittelbar vor demselben an der Wand des Strömungskanals die Rippe 4 angeordnet, deren Austrittskante 5 der Eintrittskante 2a der Laufschaufeln 2 angepasst und deren Eintrittskante 6 hier als eine unter einem Winkel von etwa 45 gegen die Strömungsrichtung geneigte Gerade ausgebildet ist.
Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, ist der axiale Abstand zwischen der Eintrittskante 2a der Laufschaufeln 2 und der Austrittskante 5 der Rippe 4 so bemessen, dass das austrittsseitige Ende der Rippe 4 sowohl den mit strichpunktierter Begrenzung und schraffiert angedeutetem rotierendem Ringwirbel 7 vor dem Laufrad als auch die mit gestrichelter Begrenzung und schraffiert angedeutete und sich über die axiale Länge der Laufschaufeln 2 hinaus erStrecken- de rotierende Stauzone 8 erfasst.
Wie aus dem Schnitt gemäss Fig. 3 zu ersehen ist, ist die in genau radialer Richtung verlaufende Rippe 4 mit einem von aussen nach innen sich stetig verjüngenden, schwach kegel-
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förmigen Profil ausgebildet und sowohl in Richtung ihrer genau mit der Achse des Strömungskanals parallel verlaufenden Längsrichtung als auch in Richtung ihrer Radialerstreckung in sich gerade. Ihre radiale Er- streckung ist mit weniger als 0, 5 der radialen Erstreckung der Laufschaufeln bemessen.
Erforderlichenfalls kann zur Abschirmung der gesunden Strömung gegen das Nabentotgebiet hinter dem Laufrad zusätzlich ein an sich bekannter Nabenring mit einem Durchmesser, der in Abhängigkeit vom jeweiligen Nabenverhält- nis 10 - 30po grösser als der Nabendurchmesser ist, und einer axialen Länge von etwa 0, 1 des Laufrad- aussendurchmessers angeordnet sein, der in den Fig. 2 und 3 als zylindrischer Ring 9 strichpunktiert ein- gezeichnet ist, aber auch, im Längsschnitt gesehen, etwa konisch oder kreisbogenförmig oder ähnlich aus- gebildet sein kann.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Einrichtung zur Stabilisierung der Charaktersitik von Kreiselradarbeitsmaschinen mit in einem
Strömungskanal angeordnetem, axial durchströmtem Laufrad, insbesondere von Axialpumpen und-venti- latoren, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Behinderung des Ausbildens bzw. Verhinderung des Ent- stehens von sogenannten rotierenden Stauzonen im Aussenbereich des Laufrades und von Ringwirbeln an der
Wand des Strömungskanals vor dem Laufrad bei Teillastbetrieb an der Wu'bd des Strömungskanals (l) eine, vorzugsweise aber auf den Umfang des Strömungskanals (1) verteilt mehrere, zumindest angenähert in
Richtung der Maschinenachse verlaufende, strömungsgünstig ausgebildete, im wesentlichen radiale Rip- pen, Schaufeln od. dgl.
(4) angeordnet sind, deren Höhe höchstens halb so gross ist wie der im Bereich ihrer Längserstreckung kürzeste Abstand zwischen der inneren und der äusseren Begrenzung des Strömungs- querschnitts, und deren Austrittskante (5) unmittelbar vor der Eintrittskante (2a) der Laufradschaufeln (2) liegt und, im Meridianschnitt betrachtet, dieser, wie an sich bekannt, im wesentlichen angepasst ist.
2. Einrichtung nachAnspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (4) in bezug auf ihre Längs- erstreckung und/oder in bezug auf ihre radiale Erstreckung in sich gerade ausgebildet sind.
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Device for stabilizing the characteristics of centrifugal machines with an impeller arranged in a flow channel and through which there is an axial flow
The invention relates to a device for stabilizing the characteristic (Vil characteristic) of
Centrifugal work machines with or in a flow channel. The like. Arranged, axially flowed through
Impeller, in particular of axial pumps and fans.
In such machines, experience has shown that the impeller is usually evenly acted upon during optimal operation, i.e. H. the inflow speed of the operating medium is at least approximately the same over the entire cross-sectional area of the impeller. In contrast, during partial load operation, the inflow speed of the operating medium changes more or less strongly over the cross-sectional area of the impeller.
On the one hand, this is due to the fact that at partial load, i.e. with a changed allocation between flow volume and delivery head, the individual parts of the impeller blades increase the energy content (pressure + kinetic energy of the operating medium as the distance from the hub increases) a flow forms behind the impeller, which is more swirled with increasing distance from the hub, but has lower axial velocities.
On the other hand, the uneven distribution of the inflow speed of the operating medium across the cross-sectional area of the impeller is due to the fact that, during partial load operation, it is known that the so-called rotating stagnation zones ("rotating stall") form mainly in the edge area of the impeller, in which the flow speed is approximately zero and which rotate at a speed that is slightly less than the speed of rotation of the impeller.
The phenomena mentioned above, namely the deceleration of the axial velocity of the flow behind the impeller, which increases with increasing distance from the hub, and the formation of the rotating congestion zones in the outer area of the impeller also cause an annular vortex to develop on the wall of the flow channel in front of the impeller. This ring vortex, which, as has been determined by detailed observations, can develop in the form of a closed ring as well as in the form of one or more ring segments distributed over the circumference, has the property that it moves at approximately the same speed as the so-called stagnation zones in the circumferential direction both and approximately perpendicular to it rotates in itself.
As a result of the phenomena mentioned above, the operating medium is stagnated in a part of the flow cross-section of the impeller. This results in a more or less strong change in the delivery head of the turbomachine and is the cause of the instability of the characteristic curve of this machine in the area of a certain zone in the partial load area. This so-called "unstable zone", within which the delivery head H is smaller than the delivery head at the delivery rate V corresponding to the point of best efficiency and also smaller than at the delivery rate V = 0, can be seen from the characteristic curve, also known as the throttle curve ( cf. Fig. 1, where the stable part of the characteristic curve is shown with dash-dotted lines and denoted by a, the unstable zone of the characteristic curve hatched and denoted by b).
Various proposals have already been made in order to avoid the disadvantages resulting from the instability of the characteristics of the gyro-driven machines. Attempts have been made to remedy this instability by placing an impeller / guide vane in front of an axial fan
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a suction ring was placed on the impeller. Furthermore, in the case of an axial valve with the inlet guide impeller-impeller arrangement, it was proposed to install a coaxial thin ring, a so-called outer ring, with the largest possible diameter, namely with a diameter of about 8/10 of the outer impeller diameter, between the impeller and the inlet guide impeller. Although attempts were made to achieve the goal by differently shaping the outer ring, no satisfactory results could be achieved.
An improvement in instability was achieved, but only at the cost of a considerable deterioration in efficiency.
The invention is now based on the knowledge that a stabilization of the characteristics of circles
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rotating congestion zones in the outer area of the impeller and of annular eddies on the wall of the flow channel in front of the impeller during partial load operation on the wall of the flow channel one, but preferably several, essentially radial, flow-favorably formed, at least approximately in the direction of the machine axis distributed over the circumference of the flow channel Ribs, blades or the like.
are arranged, the height of which is at most half the size of the shortest distance in the area of their longitudinal extent between the inner and outer delimitation of the flow cross-section, and the trailing edge of which lies directly in front of the leading edge of the impeller blades and, viewed in the meridian section, this, as is known per se , is essentially adapted.
Due to these ribs, which, with their flat extension, are approximately perpendicular to the direction of rotation of the rotating ring vortices in front of the impeller and the rotating stagnation zone in the impeller, the rotating stagnation zones are dismantled much more effectively or prevented from developing than is possible with a ring , whose profile in cutting planes perpendicular to the direction of rotation of the ring vortices and congestion zones is relatively small and whose planar extent corresponds very precisely to the direction of rotation in all points, thus counteracting the revolving of these fault zones only with the frictional effect between fault zones and ring.
Since the rotating stagnation zones, depending on the respective conditions, extend to a greater or lesser extent beyond the axial extent of the rotor blades up to in front of the impeller and accordingly the ring vortices also form at a greater or lesser distance from the impeller in front of it, the axial distance between the trailing edge becomes of the rib, blade or the like and the leading edge of the rotor blades are selected to be as small as possible, but in any case so small that at least the exit-side part of the rib protrudes into the rotating stagnation zone. The length of the rib in the axial direction is kept as small as possible, but at least so large that its leading edge at least partially covers the rotating ring vortex.
The position and shape of the leading and trailing edges of the rib is also expediently dependent on the respective conditions, i. H. adapted to the requirements placed on the operating behavior of the machine. This means that it may be sufficient if the one or more, preferably up to twelve, ribs distributed over the circumference of the flow channel are designed to be straight, both in terms of their longitudinal extent and in relation to their radial extent . For example, the ribs can be designed with a cross-section that tapers continuously from the outside to the inside in planes perpendicular to the longitudinal direction of the flow channel. However, it can also prove to be expedient for the ribs to be designed with a single or double curvature, in particular for generating a positive or negative twist.
The invention is shown in the drawing in an exemplary embodiment and is explained in more detail below with reference to this. 1 shows the VH characteristic, FIG. 2 shows a longitudinal section through a flow channel, the impeller of a centrifugal work machine with a rib arranged in front of it, and FIG. 3 shows a cross section along the line a-a.
In FIGS. 2 and 3, 1 denotes the flow channel, 2 the blades and 3 the hub of the impeller of a centrifugal machine, for example an axial pump, which is arranged in the flow channel and which is flown against in the direction of the arrow. With regard to the flow towards the impeller, the rib 4 is arranged immediately in front of it on the wall of the flow channel, the trailing edge 5 of which is adapted to the leading edge 2a of the rotor blades 2 and the leading edge 6 of which is designed here as a straight line inclined at an angle of about 45 against the direction of flow is.
As can be seen from Fig. 2, the axial distance between the leading edge 2a of the blades 2 and the trailing edge 5 of the rib 4 is dimensioned so that the exit end of the rib 4 both the dash-dotted and hatched rotating vortex 7 in front of the The impeller as well as the rotating stagnation zone 8, indicated by a dashed boundary and hatched and extending beyond the axial length of the rotor blades 2, are recorded.
As can be seen from the section according to FIG. 3, the rib 4, which runs in exactly the radial direction, is provided with a slightly conical shape that tapers continuously from the outside inwards.
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shaped profile and both in the direction of its exactly parallel to the axis of the flow channel longitudinal direction and in the direction of its radial extent in itself straight. Their radial extent is less than 0.5 of the radial extent of the rotor blades.
If necessary, a known hub ring with a diameter that, depending on the respective hub ratio, is 10-30po larger than the hub diameter and an axial length of about 0.1 des can be used to shield the healthy flow from the dead hub area behind the impeller The impeller outer diameter can be arranged, which is shown in phantom as a cylindrical ring 9 in FIGS. 2 and 3, but can also, seen in longitudinal section, be approximately conical or circular or similar.
PATENT CLAIMS: 1. Device for the stabilization of the characteristics of gyroscope machines with in one
Axially flowed through impeller arranged in a flow channel, in particular from axial pumps and fans, characterized in that for the purpose of hindering the formation or prevention of the formation of so-called rotating stagnation zones in the outer area of the impeller and of annular eddies on the
Wall of the flow channel in front of the impeller during partial load operation at the Wu'bd of the flow channel (1), but preferably several distributed over the circumference of the flow channel (1), at least approximately in
Essentially radial ribs, blades or the like running in the direction of the machine axis and designed to be aerodynamically favorable.
(4) are arranged, the height of which is at most half as great as the shortest distance in the area of their longitudinal extent between the inner and outer delimitation of the flow cross-section, and their trailing edge (5) directly in front of the leading edge (2a) of the impeller blades (2 ) and, viewed in the meridional section, this, as known per se, is essentially adapted.
2. Device according to Claim l, characterized in that the ribs (4) are straight in terms of their longitudinal extension and / or in terms of their radial extension.