DE10027676C2 - Bauteil für eine Strömungsmaschine zur Erzeugung einer gerichteten Kraft - Google Patents

Abstract

Bauteil für eine Strömungsmaschine zur Erzeugung einer gerichteten Kraft in der ein Fluid durch ein Druckgefälle zwischen Zufluß und Abfluß des Bauteils eine Folge von n Stufen durchfließt, die jeweils aus einer Düse, einer ersten Umlenkschaufel, einem Diffusor und einer zweiten Umlenkschaufel bestehen, wobei die Düse und Diffusor durch vorzugsweise parallelwandige Rotationshohlräume mit einer gegen die Hauptachse des Bauteils geneigten gemeinsamen Wand, vorzugsweise einer Kegelfläche, gebildet werden, und wobei die erste Umlenkschaufel die Strömungsrichtung wendet und vom Düsenabfluß in den Diffusorzufluß lenkt, und wobei die zweite Umlenkschaufel die Strömungsrichtung ebenfalls wendet und vom Diffusorabfluß einer Stufe in den Düsenabfluß der Folgestufe lenkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Strömungs­ maschine, die mittels Impulsaustausch zwischen einem strömenden Fluid und einer festen Wand eine gerichtete Kraft erzeugt, die als Antriebs- oder als Haltekraft genutzt werden kann, und sie betrifft Strömungsmaschinen, die dieses Bauteil enthalten.

Strömungsmaschinen zur Erzeugung einer gerichteten Kraft sind Energiewandler, welche durch Interaktion mit einem ruhenden oder strömenden Fluid eine Kraft erzeugen, die in der Regel als Antriebskraft genutzt wird. Beispiele nach dem Stand der Technik sind hierzu die Schiffsschraube, der Flugzeugpropeller, das Düsentriebwerk und der Raketenantrieb. Diese Antriebe steigern den Strömungsimpuls eines Fluids, das sind in der Regel Luft oder Wasser oder Raketentreibstoff, entgegen der Bewegungs­ richtung. Dadurch entsteht nach dem Impulssatz eine gerichtete Kraft, welche als Schubkraft wirkt und ein Schiff, ein Flugzeug oder eine Rakete antreiben kann. Die Energie zur Steigerung des Strömungsimpulses stammt aus dem Antrieb der Strömungsmaschine, z. B. aus Flugzeugturbine, Schiffsdiesel oder Raketenmotor. Die Schubkraft steigt mit der Impulsänderung des Fluides, also mit steigendem Massenstrom und mit steigender Geschwindigkeit der abströmenden Fluidmenge.

Nachteilig bei diesen Antrieben ist, daß das beschleunigte Fluid die durch den Antrieb übertragene kinetische Energie im Nachstrom abtransportiert. So ist zum Beispiel das Wasser vor dem Bug eines fahrenden Motorbootes in Ruhe, während sein Kielwasser erhebliche Turbulenzen enthält. Diese Turbulenzen transportieren kinetische Energie, die letztendlich aus dem Kraftstoff des Motors stammt und für den Antrieb des Schiffes verloren ist. Daraus folgt, daß der Wirkungsgrad eines Strömungsantriebes um so geringer ist, je mehr kinetische Energie in seinem Nachstrom abtransportiert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Abtransport von kinetischer Energie im Nachstrom von Strömungsantrieben zu senken und damit den Wirkungsgrad des Antriebes zu steigern. Die Erfindung wird unter Bezug auf die einzige Figur beschrieben.

Nach dem Stand der Technik ist bekannt, daß strömende Fluide eine Kraftwirkung auf feste Wände ausüben können. Nach dem Impulssatz für strömende Medien ist die Summe der äußeren Kräfte eines durchströmten Raumes gleich der Summe der Impulsänderungen der durch den Strömungsraum fließenden Fluidmenge. Für inkompressible Medien und stationäre Strömung gilt (siehe Hering, Martin, Stohrer: Physik für Ingenieure, Springer Verlag, 6. Auflage, Seite 116):

Daraus läßt sich zum Beispiel die Kraft ermitteln, welche die Flanschschrauben eines Rohrkrümmers aufnehmen müssen, der von einem Fluid durchströmt wird. Nach einem Rechenbeispiel aus der gleichen Quelle (s. o., Seite 117) erfährt die Wand eines Rohrkrümmers von 90° Biegung und 10 cm Nennweite, der bei 5 bar Druck von 200 Litern Wasser pro Sekunde durchflossen wird, eine resultierende Kraft von 12,7 kN, die wiederum durch die Flanschverschraubung über äußere Zugkräfte in Höhe von 9,0 kN aufgenommen wird.

Die durch das Fluid ausgeübte Wandkraft setzt sich danach aus einer statischen und einer dynamischen Komponente zusammen. Die statische Komponente wächst linear mit dem statischen Druck des Fluids (F-stat = pA), die dynamische Komponente mit dem Quadrat der Fließgeschwindigkeit (F-dyn = ρv²A). Die Impulskraft einer Strömung entsteht durch Änderung der Strömungsrichtung und wächst mit dem Winkel phi der Richtungsänderung um den Faktor sin(phi/2). Die größtmögliche Kraftwirkung erfährt danach eine Wand, welche die Richtung einer schnellen Strömung umkehrt. Dieser Effekt wird bekanntlich bei der Peltonturbine genutzt, die mittels einer Düse einen Freistrahl hoher Geschwindigkeit erzeugt und dessen Richtung durch Becherschaufeln um fast 180° wendet. Die Düse der Peltonturbine wandelt dabei den statischen Druck des zuströmenden Fluids in Strömungsgeschwindigkeit um, und die Becherschaufeln erzeugen die Antriebskraft der Turbine.

Die Wandlung von statischem Druck in Strömungsgeschwindig­ keit (oder umgekehrt) wird durch die Bernoulli'sche Gleichung beschrieben, den Energiesatz der Strömungslehre. Danach wandelt eine Düse den statischen Druck eines Fluids in Geschwindigkeit, indem die Strömung durch die Düse beschleunigt wird, während ein Diffusor Geschwindigkeit in Druck umsetzt, indem die Strömung verzögert wird. Beide Vorgänge werden bei der Energiewandlung in Strömungsmaschinen vielfach eingesetzt. Wenn es sich um inkompressible Fluide handelt, läßt sich die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit in einer Düse bzw. einem Diffusor mit Hilfe der Kontinuitätsbedingung aus der Querschnittsänderung in Düse oder Diffusor ermitteln. Bei kompressiblen Medien ist ggf. eine Dichteänderung zu berücksichtigen.

Düse und Diffusor können geometrisch als sich verjüngende oder erweiternde Rohrstücke ausgeführt werden, oder aber als Rotationshohlräume, die radial von außen nach innen (Düse) oder von innen nach außen (Diffusor) durchströmt werden (siehe Fister, Werner: Fluidenergiemaschinen, Band 2, Kap. 7.1.2.2 Diffusoren). Im Unterschied zu Rohrstücken mit veränderlichem Querschnitt entstehen in parallelwandigen Rotationshohlräumen keine Impulskräfte.

Nach diesen Ausführungen sind die Grundelemente zur Konstruktion des erfindungsgemäßen Bauteils aus dem Stand der Technik bekannt:

• 1. Nach dem Impulssatz ist die Summe der äußeren Kräfte eines Strömungsraumes gleich der Änderung des Strömungs­ impulses.
• 2. Die Kraftwirkung einer Strömung auf eine Wand wächst linear mit dem statischen Druck, quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit, und mit sin(phi/2) bei Änderung der Strömungsrichtung um den Winkel phi.
• 3. Druck und Geschwindigkeit einer Strömung kann nach Bernoulli mittels Düse und Diffusor geändert werden.
• 4. Parallelwandige durchströmte Rotationshohlräume wirken als Düse oder Diffusor ohne nach außen wirkende Impulskraft.

Das Bauteil besteht nun aus einer Folge von n axial hintereinander angeordneten Stufen. Jede Stufe besteht aus je zwei Hohlräumen, einer Düse und einem Diffusor, die durch ringförmige Umlenkschaufeln von je 180° verbunden und durch eine gemeinsame Wand getrennt sind. Der Ausgang einer Stufe mündet in den Eingang der Folgestufe. Der Eingang der ersten Stufe ist der Zufluß des Bauteils, der Ausgang der letzten Stufe ist der Abfluß des Bauteils (ggf. fehlt bei der ersten oder der letzen Stufe eine Düse bzw. ein Diffusor). Zwischen Zufluß und Abfluß ist eine Druckdifferenz erforderlich, welche das Fluid durch die Maschine treibt.

Die Wände von Düse und Diffusor werden vorzugsweise von parallelwandigen, koaxialen Kegelflächen gebildet, welche das Fluid in einem Neigungswinkel gegen die gemeinsame Hauptachse der Maschine führen. Das Fluid wird durch die Düse radial von außen nach innen fließend auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und durch eine ringförmige innere Schaufel um 180° in den Eingang des Diffusors gewendet. Im Diffusor wird es wiederum radial von innen nach außen fließend auf niedrige Geschwindig­ keit verzögert und durch eine ringförmige äußere Schaufel erneut um 180° in den Düseneingang der Folgestufe gewendet.

Das Bauteil für eine Strömungsmaschine erhält so die Form eines durch Kegelflächen segmentierten Rohres, in dem das Fluid zwischen Zufluß und Abfluß radial von außen nach innen und dann von innen nach außen fließt, und n-mal eine Folge von Düse, innere Ringschaufel, Diffusor, äußere Ringschaufel durchläuft, wobei die Strömungsrichtung zwischen den Wänden von Düse und Diffusor um den halben Kegelwinkel gegen die Hauptachse des Bauteils geneigt ist. Düse und Diffusor ändern die Strömungsrichtung nicht und verursachen keine Impulskräfte. Die Ringschaufeln wenden die Strömungsrichtung um 180° und erzeugen entgegengesetzt wirkende Wandkräfte. Weil die Strömung innen schneller fließt als außen ist die Wandkraft der inneren Ringschaufel größer als die Wandkraft der äußeren Ringschaufel. Innere und äußere Schaufelkräfte heben sich daher nur teilweise auf. Durch die Neigung der Wandflächen von Düse und Diffusor gegen die Hauptachse der Maschine sind die Wandkräfte der Schaufeln ebenfalls gegen ihre Hauptachse geneigt und haben eine radiale und eine axiale Kraftkomponente. Die radial wirkende Kraftkomponente jeder Schaufel hat keine Außenwirkung. Die axial wirkenden Kraftkomponenten addieren sich zu einer in Richtung der Wandneigung wirkenden Kraft, die als Antriebskraft genutzt werden kann.

Eine Strömungsmaschine mit diesem Bauteil kann aktiv oder passiv, und offen oder geschlossen sein und danach in drei verschiedenen Ausführungen konzipiert werden:

• 1. Passiv, offen
• 2. Aktiv, offen
• 3. Aktiv, geschlossen

Eine passive Maschine fördert das Fluid nicht selbst, sondern wird passiv durchströmt. Die für den Fluidtransport erforderliche Druckdifferenz zwischen Zufluß und Abfluß wird vorzugsweise durch Staudruck erzeugt.

Eine aktive Maschine besitzt einen eigenen Antrieb für den Transport des Fluids durch seine n Stufen, beispielsweise eine Pumpe oder einen angetriebenen Propeller. Über den Antrieb läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids und damit die äußere Kraftwirkung der Maschine aktiv regeln.

Eine offene Maschine wird vom Fluid seiner Umgebung durchströmt, in der Regel ist das Luft oder Wasser.

Eine geschlossene Maschine beinhaltet stets die gleiche Fluidmenge ohne Fluidaustausch mit der Umgebung. Bei ihr sind Zufluß und Abfluß miteinander gekoppelt und das Fluid wird im Inneren der Maschine über ihren Antrieb umgewälzt.

Bei offenen Maschinen besitzt das Fluid im Nachstrom keine bzw. nur eine geringe Drallkomponente (sofern bei aktiven Maschinen der Antrieb vor dem Zufluß plaziert wird). Dadurch ist der Verlust an kinetischer Energie geringer als bei Schrauben- oder Propellerantrieben.

Geschlossene Maschinen verlieren keine kinetische Energie durch abströmendes Fluid.

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch das Bauteil.

Claims (5)

1. Bauteil für eine Strömungsmaschine zur Erzeugung einer gerichteten Kraft, in der das Fluid durch ein Druckgefälle zwischen Zufluß und Abfluß des Bauteils eine Folge von n Stufen durchfließt, die jeweils aus einer Düse, einer ersten Umlenkschaufel, einem Diffusor und einer zweiten Umlenkschaufel bestehen, wobei die erste Umlenkschaufel die Strömungsrichtung wendet und vom Düsenabfluß in den Diffusor­ zufluß lenkt, und wobei die zweite Umlenkschaufel die Strömungsrichtung ebenfalls wendet und vom Diffusorabfluß einer Stufe in den Düsenzufluß der Folgestufe lenkt, und Düse und Diffusor durch vorzugsweise parallelwandige Rotationshohlräume mit einer gegen die Hauptachse des Bauteils geneigten gemeinsamen Wand, vorzugsweise einer Kegelfläche, gebildet werden.

2. Strömungsmaschine mit Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefälle zwischen Zufluß und Abfluß durch Staudruck erzeugt wird.

3. Strömungsmaschine mit Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefälle zwischen Zufluß und Abfluß durch einen Strömungsantrieb erzeugt wird, beispielsweise einen angetriebenen Propeller, der vorzugsweise im Zufluß des Bauteils plaziert wird.

4. Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Zufluß und Abfluß des Bauteils miteinander verbunden sind und der Antrieb das Fluid in einem geschlossenen Kreislauf umwälzt.

5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Maschine entstehende gerichtete Kraft als Antriebskraft oder Haltekraft eingesetzt wird.