Führungsmittel für Drallatrömungen. Gegenstand vorliegender Erfindung bildet ein Führungsmittel für Flüssigkeiten und Gase oder für Gemische aus solchen, mit mut geförderten Stoffteilchen. Es bildet ein Mit tel zur Führung von Drallströmungen, ins besondere für Kreiselmaschinen, wie Flüssig keitsturbinen und Pumpen, Zentrifugen, oder für Brenner- und Zerstäuberdüsen u. a.. m.
Die Anforderungen, welche der Bau von Kreiselmaschinen an die zur Verwendung gelangenden Führungsmittel stellt, sind viel fache, sie sollen die Lenkung einer Strömung mit bestimmter Tangentialkomponente entlang eines Rotationskörpers gestatten.
Sie sollen ferner eine gleichmässige, um den ganzen Kreisumfang voll beai-fschlagte Strömung bilden oder erhalten und gege benenfalls potentielle Energie in kinetische, bzw. -umgekehrt, umsetzen.
Ausserdem soll durch Regeleingriffe die Beaufschlagung bzw. der Durchströmquer- sehnitt unter Konstanthaltung der Strömungs winkel verändert werden können und wenn möglich auch durch getrennt anwendbaren, weiteren Regeleingriff das Verhältnis der Tangential- zur Meridiankomponente der Strömung beliebig geändert werden können.
Mit den derzeit bekannten Führungsmit teln ist es nicht in befriedigender Weise ge lungen, diese Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, und ausserdem weisen bestehende Konstruktionen (z. B. Finksche Drehscha-ifeln usw.) noch verschiedene koyistruktive Nach- teile auf, wie: Vielzahl der durch Regelein griffe zu bewegenden Teile, Schwierigkeit der Dichtung von durch Regeleingriffe zu be wegenden Führungsmitteln bzw. deren Spalt verluste, Kompronüss- durch Endlichkeit der Schatüelzahl usw.
Aus dieser Erkenntnis heraus wurde ver schiedentlich auch versucht, Führungsmittel ohne die genannten Mängel zu schaffen. Ins besondere wurden Ringschützen vorgeschla gen, welche - siehe Fig. 1 Aufriss, Fig. 2 Grundruss - durch Axialverschiebung der Ringschütze 2 mehr oder weniger Durch- strömquerschnitt freigaben.
Die Tangential- strömung sollte dabei durch den spiraligen Zulauf aus dem Spiralgehäuse sowie auch durch axparallelstehende, spiralförmig ge- krümmte 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 öffnungs- verhältnisse, denn die Figur lässt deutlich erkennen, da.ss im Augenblick, da die Ring schütze zu öffnen beginnt, überall dort, wo sich keine spiralförmige Leitfläche befindet, an Stelle der Ausströmung mit einer bestimm ten Tangentialkomponente eine Meridianaus- strömumg stattfindet. Erst bei voller Öffnung der Ringschütze wird auch die Tangential- komponente ihre volle Höhe erreichen.
Die Regulierbarkeit des Durehströmquer- schnittes des Führungsmittels fair eine Drall, Strömung mit einer innerhalb zweier die Strö-. meng begrenzender Rotationsflächen befind lichen, mindestens eingängigen, die Strömung lenkenden Schraubenfläche wird bei vorlie gender Erfindung dadurch erzielt, dass min destens ein Teil der einen strömungsbegren zenden Rotationsfläche in Axialrichtiing ge genüber der andern strömungsbegrenzenden Fläche verschiebbar ist.
Zweckmässig bildet die Schraubenfläche einen Teil eines stationären Leitapparates. Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele im Meridianschnitt. Darin sind 1 und 2 die arömungsbegrenzenden Flächen im Schnitt, wobei sich durch Veränderung der Lage von 2 in Doppelpfeilrichtung der Durchström querschnitt verändert. 3 ist die die Strömungs richtung, insbesondere die Tangentialkompo- nente bestimmende, ein- oder mehrgängige Schraubenfläche im Schnitt.
Sie ist geome trisch entstanden zu denken aus einer schrau benförmigen Bewegung einer Linie oder wie im Bild - einer durch die Axe gehenden Geraden. Je nach Bedarf kann auch nur ein Teil von 2 beweglich, seine Fortsetzung 2" aber fest mit dem übrigen Teil des Füh rungsmittels verbunden sein. Die Vorder kanten von 2 und 2" würden sich dann bei voller öffnimg decken.
Die Schraubenstei- giing der Schraubenfläche und ihr Profil brauchen nur soweit konstant zu sein, als dies im Hinblick auf einen konstanten Austritts winkel 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 bat ungefähr die Form eines Hyperboloides, dessen Erzeugenden die geradlinigen Aus trittsstrahlen darstellen.
Wie in den Fig. 3 und 4 und den folgen den gezeigt ist, schliesst die Erzeugende der einen strömungsbegrenzenden Rotationsfläche mit der Rotationsachse einen spitzen Winkel ein, wodurch bei allen Regulierstellungen des Querschnittes ein kontinuierlicher Strö mungsübergang gewährleistet ist.
In Fig. 3 und Fig.4 ist die Anwendung des Führungsmittels als Ringdüse zur Um- setzeng von Druck- in Geschwindigkeits energie gezeichnet, und zwar Fig.3 für eine einwärts gerichtete, Fig.4 für eine auswärts gerichtete Strömung.
Bei Umkehrung der Strömung entgegen Pfeilrichtung 4 arbeiten die Führungsmittel als Diffiisoren- das heisst zum Umsatz von Geschwindigkeit in Druckenergie, entspre chend umgekehrt: Fig.3 auswärts gehend, Fig.4 einwärts gehend.
Bei den Fig. 3 und 4 wird durch ein zy lindrisches Steuerorgan der Querschnitt. der Strömung genau am Austritt aus bzw. am Eintritt. in die die Strömung lenkenden ehraubenflächen, das heisst am Übergang S S zwischen dein Bereich innerhalb und ausser halb .der die Strömung lenkenden Schrauben flächen reguliert und damit eine Änderung der Beaufschlagung des Führungsmittels un ter Konstanthaltung des Aus- bzw. Eintritts dralles erzielt.
Wird jedoch der Durchströ- mungsquerschnitt durch ein weiteres Regu lierorgan, welches sich in einem gewissen Abstand ausserhalb von den die Strömung lenkenden Schraubenflächen befindet, ver engt, so ist damit die Möglichkeit gegeben, durch einen weiteren, zusätzlich anwendbaren Regeleingriff die Tangentialkomponente der Strömung zu verringern bzw. zu regulieren.
Fig.5 zeigt. beispielsweise in Gegenüber- stellung zu Fig.3 eine zusätzliche Regulier- barkeit, und zwar zum Zwecke der Änderung der Tangentialkomponente bzw. des Dralles der austretenden Strömung. 5 in Fig.5 ist. das erwähnte Steuerorgan zur Veränderung des ringförmigen Durchströmquerschnittes, das in einem Abstand ausserhalb des Raumes der strömungslenkenden Schraubenflächen an geordnet ist.
Bei vollständig zurückgezogenem Steuerorgan 5 bzw. voller Freigabe des Quer schnittes 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 der Stromfäden in Meridianrichtung statt. Im Grenzfall, unmittelbar vor Schliessung der ringförmigen Austxittsöffnling durch das Steuerorgan 5, wird die Tangentialkomponente cler Stromfäden gleich Null sein und eine illeridianausströmung stattfinden.
Die weiteren Figuren zeigen Beispiele von Anwendungen der Führungsmittel für Krei selmaschinen.
Fig. 6 zeigt beispielsweise eine Kreisel maschine, 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 C'bergang des Saugrohres in den Läufer dar. Die Rolle des den Durehströmquerschnitt r e gulierenden Steuerorganes 2, Fig.4, wird in diesem Falle von einem Teil 2, des rotieren den Läufers 8 übernommen, welcher zur Aus- führung dieser Regulierbewegung axial ver schiebbar ist.
Der Läufer von Fig.6 trägt. beispielsweise rein radial gestellte Schau feln 8'.
Fig. 7 zeigt die zugehörigen Geschwin digkeitsdreiecke, und zwar für den Fall Pumpe gezeichnet. Fig.7 kann als Deckblatt. zu Fig. 6 betrachtet werden. Für Punkt T, Fig.6 am Austritt aus der Ringdüse sei:
c, die absolute Austrittsgeschwindigkeit, mit den Komponenten c,r = Radialkomponente, c,a = Axialkomponente, c,", = Meridiankomponente, c,t = Tangentialkomponente, u, die Umfangs geschwindigkeit des Läufers an diesem Ra dius (r,), 2v, die Relativgeschwindigkeit in T, gegenüber dem Läufer; r, ist die durch T, gehende Schnittlinie der kegeligen strö mungsbegrenzenden Rotationsfläche mit der die Strömung leitenden Schraubenfläche.
Der durch T, gehende Stromfaden ist identisch mit. der genannten Schnittlinie z" und c, ist mithin die Tangente an -c, im Punkte T,. Um die vorgenannten Geschwindigkeitsvekto ren in wahrer Grösse darstellen zu können, ist es notwendig, sie in Aufriss- und Kreuz rissprojektion und in einer Umlegung darzu stellen. Alle mit einem Strich versehenen Bezeichnungen bedeuten Aufrissprojektion, mit zwei Strichen Kreuzrissprojektion, wäh rend die Bezeichnungen in der Umlegung mit den Vektoren in wahrer Grösse ohne Strich versehen sind.
Die Ebene des Geschwindig- keitsdreieekes in Punkt T," liegt senkrecht zur Kreuzrissebene; seine Projektion fällt da her zusammen mit c"" = c,,", deren Vektor die Tangente an c," darstellt. Auch c,", und c,,. erscheinen in dieser Projektion in wahrer Grösse, ebenso wie c"". In der Aufrissprojek- tion des Geschwindigkeitsdreieckes in Ti er scheint u1 in wahrer Grösse.
Das Geschwindigkeitsdreieck mit den Vek toren cl, w1, u, liegt in der Tangentialebene an die kegelige, strömungsbegrenzende Ro tationsfläche mit der Spitze S, und an den Punkt T, des Kegelmantels. Die vorgenannten Vektoren erscheinen daher in wahrer Grösse, wenn die genannte Tangentialebene in die Bildebene umgelegt wird. Dies geschieht durch Umlegung der Erzeugenden S"<I>T,",</I> wobei der umgelegte Punkt T1 durch den Kreisbogen aus Ti' und mit S, als Mittelpunkt auf der Mittellinie abgeschnitten wird.
Wir erhalten so das Geschwindigkeitsdreieck c,, w1, u, für den Punkt T,.
Um zur Vereinfachung dieses Beispiels radialgestellte Läuferschaufeln zu bekommen, wurde das Verhältnis cl zu u, so gewählt, dass die Relativgeschwindigkeit am Eintritt in den Läufer rein meridional verläuft. Um auch im Austritt aus dem Läufer radial gestellte Schaufeln zu erhalten, wurde auch die Aus trittsgeschwindigkeit aus dem Läufer w, meri- dional angenommen. Als Beispiel von vor wärts gekrümmten Schaufeln ist in Fig. 8 ein Läufer gezeichnet, welcher an Stelle des Läufers mit radial gestellten Schaufeln in Fig. 6 passen würde.
In diesem Falle würde der Eintritt in den Läufer ein Ringdiffusor sein, welcher als Durchströmquerschnitt regu lierendes Organ die mit dem Saugrohr fest verbundene Steuerkante T1 besitzt.
Durch Axialverschiebung des Läufers wird gleich zeitig im selben Massstabe der Querschnitt des zuerst genannten, als Ringdüse ausgebil deten Saugrohraustrittes wie auch der Quer schnitt des als Ringdiffusor ausgebildeten Läufereintrittes durch die Steuerkante bei 2, bzw. bei T, gesteuert. Dasselbe findet am Austritt aus dem Läufer, der als Ringdüse ausgebildet ist, wie auch beim Eintritt in den Pumpenleitapparat 7, der als Ringdiffusor, ähnlich Fig.3, ausgebildet ist, statt.
Das über die Punkte T" S1 und über die Schnittlinie z1 und über die Vektoren <I>cl,</I> w1,. <B>lt.</B> Gesagte gilt gleichermassen sinngemäss für T2, S2, i2, <I>c2, w2,</I> 2c2, wobei wegen der Kon tinuitätsgleichung die Radialkomponenten er sich inngekehrt wie die Radien verhalten müs sen, nämlich c"/c" <I>-</I> r,/r,
. Diese Bedingung muss erfüllt werden, damit durch AxiaIver- schiebung des Läufers die Dur chströmfläche am Austritt aus dem Saugrohr wie auch am Eintritt in den Läufer und am Austritt aus dem Läufer und am Eintritt in den Leit apparat im richtigen gegenseitigen Verhält nis gesteuert wird und damit die -Kreisel maschinen für jedes Öffnungsverhältnis raum geometrisch wie hydraulisch einwandfrei ar beiten und Stossverluste wie auch Verluste durch verbleibenden Drall am Auslauf absolut vermieden werden, was bisher bei keiner Kreiselmaschine vollkommen erreicht -wurde.
Es erübrigt sieh, darauf hinzuweisen, dass die Regulierung durch Axialverschiebung des Läufers -wesentlich einfacher und in bezug auf -Wirkungsgrad viel vollkommener ist als die bisherigen Regulierungen bei Kreiselmaschi nen, z. B. der Regulierung durch Finksche Drohschaufeln, oder, geschweige denn, der Abdrosselung von Pumpen mittels Regulier schiebers.
Ein weiterer Vorteil, der durch die vorliegende Pumpentype in Erscheinung tritt, ist der, dass für die Einschaltung einer Pumpe an ein unter Druck stehendes Leitungssystem nicht die Gefahr besteht, in den sogenannten unstabilen Bereich des Leistungsdiagrammes zu gelangen, in welchem sonst Pumpen mit vorwärts gestelltem Laufradaustritt kommen.
Dieser unstabile Zustand im Förderdruck vom Augenblick des Einschaltens einer Piunpe an entsteht dadurch, dass die Pumpe zuerst bei geschlossenem Schieber, also beim Durch flug Null, läuft. Hierbei tritt am Aussen rand des Läufers ein Druck entsprechend der Zentrifugalwirkung des rotierenden Flüs sigkeitsringes im Läufer auf, während der - eigentliche Druck der fördernden Pumpe noch um die Geschwindigkeitshöhe mal den Wir kungsgrad des Diffusors nach
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dem Laufrad höher ist.
Die hier vorliegende Pumpentype kann dagegen bei offenen Schiebern, jedoch auf Null-Durchfluss gestelltem Läufer anlaufen und beginnt. im ersten Augenblick der Frei gabe der Durehströmquerschnitte durch Axial verschiebung des Läufers mit dem vollen, durch die Geschwindigkeitsumsetzung im Dif- fusor sich ergebenden dynamischen Druck zu fördern.
Es sei im weiteren noch darauf hingewie sen, dass in Fig.6 im Fall Pumpe, als Zu lauf vom Saugrohr, auch das Führungsmittel 6, Fig.6, entfallen kann, wenn die Schrau benflächen am Eintritt in den Läufer so ge richtet sind, dass der Eintritt bei meridiona- lem Zulauf stossfrei erfolgt.