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Die
Erfindung betrifft eine einstufige, radial wirkende Strömungs-Arbeitsmaschine
zur Förderung von
flüssigen
oder gasförmigen
Medien. Maschinen dieser Art sind gekennzeichnet durch ein Laufrad
(2), in welches das Fördermedium
in Achsrichtung eintritt und in Radialrichtung oder in Radialrichtung
mit einer Axialkomponente wieder austritt. Die genannten Strömungsmaschinen – verkürzt Radialmaschinen bezeichnet – haben
in der Regel ein Gehäuse
spiralförmiger
Bauweise, das die vom Laufrad (2) erzeugte Strömungsgeschwindigkeit
in erwünschten
statischen Druck umsetzt. Statt eines spiralförmigen Gehäuses kann dem Laufrad (2)
auch ein zylinderförmiges
oder konisch ausgeformtes Rohrstück
nachgeschaltet werden, welches Leiteinrichtungen enthält, die
dem aus dem Laufrad (2) austretenden Förderstrom den noch enthaltenen
Drall entnehmen und in Druck umformen.
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Strömungs-Arbeitsmaschinen
der vorbeschriebenen Bauweise sind seit langem bekannt. Ihr Nachteil
besteht in den hohen Fertigungskosten, die mit der Herstellung der
Radialgehäuse
beziehungsweise der nachgeschalteten, Leiteinrichtungen tragenden
Gehäuseteile
verbunden sind. Es wurden deshalb in letzter Zeit zunehmend Maschinen
mit radialer oder angenähert
radialer Laufraddurchströmung
gebaut, welche auf die dem Laufrad (2) in Strömungsrichtung
nachgeschalteten speziellen Gehäuseteile
verzichten. Durch diese Maßnahme
werden zwar Herstellkosten gespart, es entstehen aber beim Betrieb
laufende Kosten, weil die vom Laufrad (2) der Strömung erteilte
Drallbewegung nicht oder nur zum geringen Teil wieder in Druck umgesetzt
werden kann und somit Energie verlorengeht. Die hier vorliegende Erfindung
zeigt ein Verfahren auf und nennt die zugehörigen Einrichtungen, mit denen
der Energieverlust hinter dem Laufrad (2) weitgehend und
mit geringfügigem
Bauaufwand zu vermeiden ist.
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Erläuterungen
zum Stand der Technik und zur Funktionsweise der Erfindung sind
in den nachfolgenden Figuren wiedergegeben:
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I Geschwindigkeitsdreieck der Eintrittsseite
einer herkömmlichen
Radialmaschine
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II Geschwindigkeitsdreieck
der Austrittsseite einer herkömmlichen
Radialmaschine
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III aus
Ein- und Austrittsseite zusammengesetztes Geschwindigkeitsdreieck
einer herkömmlichen
Radialmaschine
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IV Geschwindigkeitsdreiecke
gemäß der vorliegenden
Erfindung
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V Darstellung
der nach Potentialwirbel verwundenen Leitschaufeln (5)
im Einströmrohr
(1)
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VI Darstellung
radial stehender Leitschaufeln (5) auf dem Einströmrohr (1)
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VII Darstellung der in einer trennenden Wand (11)
eingebrachten Öffnungen
(12) zur Erzeugung eines Potentialwirbels (15)
vor dem Einströmrohr
(1) und dem Laufrad (2)
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Das
Funktionsprinzip einer Strömungs-Arbeitsmaschine
lässt sich
anhand der sogenannten Geschwindigkeitsdreiecke beschreiben. Geschwindigkeitsdreiecke
sind Graphen, welche Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtung von
Fördermedien und
fördernden
Einrichtungen zeichnerisch darstellen; sie werden nach Größe und Richtung
maßstäblich aufgetragen.
Die I und II zeigen
in abstrakter Form die Geschwindigkeitsdreiecke von Maschinen bisheriger
Bauweise. Das zu fördernde
Medium tritt durch ein Eintrittsrohr (1) mit der Geschwindigkeit
c1 in das Laufrad (2) ein. Dieses
besitzt Schaufeln (3) und rotiert mit der Umfangsgeschwindigkeit
u1. Ein sich mit dem Rad bewegender Beobachter
würde die
Strömung
mit einer Geschwindigkeit w1 empfinden und
die Schaufel (3) so anordnen, dass die Richtung ihrer Eintrittskante
genau der Richtung von w1 entspricht. Die
Strömung
tritt durch die Beschaufelung und verlässt diese in Richtung der Schaufelhinterkante
mit der Geschwindigkeit w2. Die Strömung vor
dem Rad lässt
sich mit dem Geschwindigkeitsdreieck aus c1,
u1 und w1 beschreiben,
wie in I dargestellt.
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II zeigt
für dasselbe
Laufrad (2) die Strömung
auf der Austrittsseite. Das Laufrad (2) rotiert mit der
Umfangsgeschwindigkeit u2. Für den ruhenden
Beobachter addieren sich die Geschwindigkeiten w2 und
u2, so dass er hinter dem Laufrad (2)
die Geschwindigkeit c2 feststellen wird.
In dem nachgeschalteten Austrittsrohr (4) sollte sich im
Idealfall die achsparallele Geschwindigkeit c3 einstellen.
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Die
Geschwindigkeitsdreiecke werden übereinander
gezeichnet, III, und ergeben so eine Grafik,
aus welcher der Fachmann mit einem Blick das Verhalten der Maschine
erkennen kann.
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Bei
Radialmaschinen mit Laufrad (2) und nachgeschaltetem Gehäuse oder
Leitrad wird die Geschwindigkeit c2 so umgeformt,
dass das Fördermedium
die Maschine mit c3 – der Rohrgeschwindigkeit – verlässt. Bei
Radialmaschinen ohne Gehäuse oder
Leitrad geht die Energiedifferenz zwischen c2 und
c3 verloren. Da die Energie einer Strömung quadratisch
mit der Geschwindigkeit wächst,
kann der Energieverlust erheblich sein. Man hat bisher ihn in Kauf
genommen, weil der Wegfall voluminöser Gehäuse oder komplizierter Nachleiteinrichtungen
die gesamte Maschine stark vereinfacht und verbilligt.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, eine Strömungs-Arbeitsmaschine mit radialem
oder nahezu radialem Laufrad (2) so zu gestalten, dass
der beschriebene Energieverlust vermieden wird ohne auf Gehäuse oder
Nachleiträder
zurückzugreifen.
Dies wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Maßnahme erreicht.
Sie besteht darin, das Laufrad (2) so anzuströmen, dass
die Abströmgeschwindigkeit
c2 ebenso groß wird wie die Rohrgeschwindigkeit
c3. Das lässt sich durch Einrichtungen
verwirklichen, welche in den nachfolgenden Ansprüchen beschrieben sind. Sie
erteilen der Strömung
vor dem Eintritt in das Laufrad (2) eine rotierende Komponente.
Die Rotationsrichtung muss dem Drehsinn des Laufrads (2) entgegengesetzt
sein. IV zeigt die Strömungsdreiecke
eines solchen Verfahrens. Die Zuströmung erhält eine Umfangskomponente cu. In Kombination mit der Umfangsgeschwindigkeit
u1 ergibt sich eine neue, größere Relativgeschwindigkeit
w1. Die Umlenkung in der Beschaufelung des
Laufrads wird man nun so wählen,
dass die Abströmgeschwindigkeit
w2 zusammen mit der Umfangsgeschwindigkeit
u2 eine Absolutgeschwindigkeit c2 ergibt, die nach Größe und Richtung der Rohrgeschwindigkeit
c3 entspricht oder angenähert entspricht. Die Strömung hinter
dem Laufrad (2) enthält
dann keine Umfangskomponente, d. h. keinen Strömungsdrall mehr; damit entstehen auch
keine Drallverluste, was zu deutlicher Energieeinsparung führt.
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Die
Umfangskomponente cu in der Zuströmung kann
auf unterschiedlichem Wege erzeugt werden. Bekannt in dieser Hinsicht
ist der sogenannte Drallregler. Er wurde lange Zeit gebraucht, um
bei einer Radialmaschine Druck und Menge zu verstellen und besteht
aus lanzetförmigen,
ebenen Schaufeln, die radial im Eintrittsrohr (1) angeordnet
sind. Sie lassen sich über
einen außenliegenden
Ring gemeinsam verdrehen bis zum völligen Absperren der Strömung. Aufgrund
der ungünstigen
Formgebung regelt diese Einrichtung nur in unmittelbarer Nähe der Kennlinie
der Radialmaschine; im restlichen Arbeitsbereich wirken die Schaufelblätter als
Drosseln, so dass sich der Name Dralldrossel eingeführt hat.
Neben den erheblichen Herstellkosten, die etwa 30 bis 40 Prozent
des gesamten Maschinenpreises ausmachen können, hat gerade die verlustreiche
Arbeitsweise zum Verschwinden des Drallreglers beigetragen.
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Die
Umfangskomponente cu in der Zuströmung wird
sinnvollerweise durch einen Kranz von fachgerecht ausgeführten Leitschaufeln
(5) erreicht. Sie müssen
längs der
ganzen Eintrittskante der Schaufel (3) des Laufrads (2)
den gleichen Zuströmwinkel
erzeugen. Das lässt
sich nur verwirkli chen, wenn die Leitschaufeln (5) im Eintrittsrohr
(1) so hergestellt sind, dass sie einen Potentialwirbel
erzeugen. Ein Potentialwirbel folgt ganz allgemein dem Gesetz cu·r
= const, wobei cu für die Umfangsgeschwindigkeit
und r für
den Radius innerhalb des Wirbels stehen. Eine Stromlinie, die unmittelbar
an der Wandung des Eintrittrohrs (1) anliegt, tritt direkt
am Schnittpunkt zwischen Eintrittskante der Schaufel (3) und
Deckscheibe (16) des Laufrads (2) in den beschaufelten
Raum ein; für
sie reicht es aus, wenn sie die in IV beschriebene
Umfangskomponente cu aufweist. Eine Stromlinie,
welche in der Mitte der Schaufeleintrittskante in den beschaufelten
Raum eintritt, wird nicht mehr am Rand des Eintrittrohrs (1) verlaufen,
sondern weiter in der Mitte. Da dort der Abstand zur Mittellinie
(6) des Rohres und somit der Radius der Stromlinie kleiner
ist, muss nach dem Gesetz des Potentialwirbels die Drehgeschwindigkeit
cu an dieser Stelle größer sein. Diesem Umstand muss eine
Leitschaufelreihe angepasst sein. Je näher eine Stromlinie an der
Mittellinie (6) eines Wirbels liegt, umso stärker muss
das Schaufelblatt die Strömung umlenken.
Wenn die Leitschaufeln (5) mit konstantem Krümmungsradius
gefertigt sind, muss das Profil bei Annäherung an die Mittellinie (6)
länger
werden um den Potentialwirbel zu erzeugen. Eine weitere Eigenart
des Potentialwirbels besteht darin, dass er um die Mittellinie (6)
einen Kern in der Strömung
bildet, der anderen Gesetzen folgt. In Kenntnis dieser Tatsachen
wird man die Leitschaufeln (5) von der Rohrwandung beginnend
nur ein gewisses Stück
in die Strömung
hineinragen lassen und sie nach dem Gesetz des Potentialwirbels
an der Rohrwandung weniger krümmen
als in der Nähe
der Mittellinie (6). V zeigt
Leitschaufeln (5), bei der diese Merkmale verwirklicht
sind.
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VI zeigt
eine andere Ausführung
von Leitschaufeln (5), mit der die Zuströmung zum
Laufrad (2) nach dem Potentialwirbelgesetz erreicht werden
kann, wenn vor dem Eintrittsrohr (1) ein größerer Raum
liegt. Die Leitschaufeln (5) werden mit ihren Seitenkanten
auf den Flansch des Eintrittsrohrs (1) gesetzt, ihre Eintrittskanten
(7) und Austrittskanten (8) sind parallel zur
Mittellinie (6) des Eintrittsrohrs (1) ausgerichtet
und die Austrittskante (8) ist gegenüber der Eintrittskante (7)
im Drehsinn des Potentialwirbels um einige Winkelgrade versetzt.
Im Eintrittsrohr (1) herrscht infolge der Durchtrittsgeschwindigkeit der
Hauptströmung
Unterdruck, welcher dazu führt, dass
das Fördermedium
von außen
nach innen durch die Leitschaufeln (5) gezogen wird. Durch
den Versatz der Austrittskante (8) gegenüber der
Eintrittskante (7) erhält
das durchtretende Medium einen Drall im Sinne des Potentialwirbels.
Dieser zunächst nur
in den Randbezirken des Eintrittsrohrs (1) vorhandene Drall
verteilt sich nach kurzer Laufstrecke über den ganzen Rohrquerschnitt,
und zwar nach Maßgabe
des Potentialwirbels. Unmittelbar vor der Laufschaufel (3)
der Radialmaschine entsteht so – wie
weiter oben beschrieben – die
der Laufschaufel (3) angepasste cu-Verteilung.
Das Eintrittsrohr (1) hat in der Regel einen konischen
Querschnittsverlauf. Ein zweites, kürzeres Abdeckrohr (9)
wird über
die Leit schaufeln (5) gesetzt und mit diesen verbunden. Es
bildet zusammen mit dem Eintrittsrohr (1) im Bereich der
Leitschaufeln (5) einen zylindrischen Ringspalt und weiter
stromab mit dem kegelförmigen
Eintrittsrohr (1) einen durch Konuswände begrenzten Ringspalt. Diese
Strömungsführung sorgt
für einen sauberen Übergang
zum Potentialwirbel. Die Leitschaufeln (5) sind keinen
großen
Belastungen unterworfen und können
auch sehr kostengünstig
aus tiefgezogenem Kunststoff hergestellt werden. In diesem Fall
werden sie vorteilhafterweise als profilierte Hohlschaufeln (10)
ausgeführt.
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Aus
Gründen
des Arbeitsschutzes und um das Ansaugen von Fremdkörpern zu
vermeiden wird die Öffnung
des Eintrittsrohrs (1) häufig mit einem Schutzgitter
abgedeckt. Die Wirksamkeit der auf den Flansch gesetzten Leitschaufeln
(5) lässt
sich einfach mit diesem Gitter variieren, indem man durch Wahl unterschiedlicher
Maschenweite den strömungstechnischen
Widerstand des Gitters verändert.
Der unterschiedliche Widerstand des Schutzgitters ändert das
Mengenverhältnis
von der Hauptströmung
im Eintrittsrohr (1) und der Spaltströmung mit dem Drallimpuls. Dadurch
kann die Vordrall-Komponente
cu geändert
und der Arbeitspunkt auf der Kennlinie der Maschine verschoben werden.
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Eine
weitere, sehr kostengünstige
Ausführung
der Erfindung zeigt VII. Dort ist in Front- und
Draufsicht eine Radialmaschine dargestellt, welche in eine zwei
Räume trennende
Wand (11) eingebaut ist. Die Wand (11) weist eine
oder mehrere Öffnungen
(12) auf, durch welche das Fördermedium vom Raum hohen Drucks
(13) zum Raum niedrigen Drucks (14) zurückströmt. Auf
der Seite niedrigen Drucks (14) ist vor jeder Öffnung (12)
eine Lenkeinrichtung angebracht, welche das Fördermedium parallel zur trennenden
Wand und tangential an der Ansaugöffnung des Eintrittsrohrs (1)
vorbei führt.
Durch diese Art des Ausblasens wird eine Rotationswalze (15)
im Medium des gesamten Raums niedrigen Drucks (14) erzeugt.
Nach dem Gesetz des Potentialwirbels nimmt die Rotationsgeschwindigkeit
in Richtung auf die Mittellinie (6) des Eintrittsrohrs
(1) zu und kann dort erhebliche Beträge erreichen, wenn die Ausblasöffnungen
möglichst
weit entfernt von der Mittellinie (6) des Eintrittsrohrs
(1) angebracht werden. Natürlich fehlt die rückströmende Fördermenge in
der Leistungsbilanz der Radialmaschine. Es ist deswegen erforderlich,
die rückgeführte Menge durch
passende Klappen, Schieber oder andere Dosiereinrichtungen zu begrenzen
und feinfühlig
einzustellen.