DE1064191B

DE1064191B - Einrichtung zur Abschirmung der normalen Stroemung gegen das Abloesungsgebiet im Nabenbereich von Axialstroemungsmaschinen

Info

Publication number: DE1064191B
Application number: DEV10966A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing F Schluenkes; Dr-Ing M Strscheletzky
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1956-07-26
Filing date: 1956-07-26
Publication date: 1959-08-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Abschirmung der normalen Strömung (der »gesunden Strömung«) gegen das Ablösungsgebiet, das innerhalb der Drallströmung im Nabenbereich von Axialströmungsmaschinen, insbesondere Axialventilatoren oder Axialpumpen auftritt.

Bekanntlich haben Drallströmungen in Rotationshohlräumen um ihre Drehachse ein Ablösungsgebiet, auch Totgebiet oder Nabentotwasser genannt, dessen radiale Erstreckung von der Stärke der radialen Verteilung des Dralls und von der Durchflußmenge abhängig ist. Dieses Ablösungsgebiet stört die drallbehaftete, sogenannte »gesunde Durchströmung«, deren Meridionalgeschwindigkeit in praktischen Fällen aus axialen und radialen Strömungskomponenten besteht.

Von besonderer Bedeutung sind diese Drallströmungen bei Strömungsmaschinen, wie bei Axialventilatoren und Axialpumpen, denn hier steht die Stärke des Dralls in unmittelbarer Abhängigkeit von der Energieumsetzung. Wird nämlich bei derartigen Strömungsmaschinen in Punkten starker Drosselung die eindeutige Zuordnung von Strömungsvolumen (V, Fig. 1) und Förderhöhe (H, Fig. 1) sprunghaft unterbrochen, d. h. wenn die Radialkomponenten der Meridionalgeschwindigkeit durch das Laufrad bzw. Vorleitrad so groß werden, daß an deren äußeren Begrenzung ein Staupunkt auftritt, der in einem schmalen äußeren Ringquerschnitt eine starke drallbehaftete Rückströmung zur Folge hat, so entsteht der sogenannte »Wandaufstau«, durch den eine instabile Kennlinie, auch Drosselkurve genannt, entsteht. In Fig. 1 der Zeichnung ist die stabile Kennlinie strichpunktiert und mit α bezeichnet, während b die instabile Kennlinie darstellt.

Bisher hat man versucht, diese Instabilität dadurch zu vermeiden, daß bei einem Axialventilator in der Anordnung Laufrad—Nachleitrad vor dem Laufrad ein Saugring angeordnet worden ist. Des weiteren ist auch schon bei einem Axialventilator der Bauart Vorleitrad—Laufrad zwischen dem Laufrad und dem Vorleitrad ein koaxialer dünner Ring, ein sogenannter Außenring, mit möglichst großem Durchmesser, nämlich mit einem etwa acht Zehntel des äußeren Laufraddurchmessers betragenden Durchmesser, eingebaut worden. Allerdings konnten durch diese Ausführungen nicht in allen Fällen die störenden Einflüsse auf die gesunde Durchströmung vermieden, also eine stabile Kennlinie erzielt werden, obwohl versucht wurde, durch verschiedene Formgebung des Außenringes zum Ziel zu kommen.

Nun ist es zwar bekannt, daß bei Strömungsmaschinen der genannten Art, die ja stets einen Nabenkörper haben, das durch den Strömungsdrall hervor-Einrichtung

zur Abschirmung der normalen Strömung gegen das Ablösungsgebiet

im Nabenbereich
von Axialströmungsmaschinen

Anmelder:
J. M. Voith G.m.b.H., Heidenheim/Brenz

Dipl.-Ing. F. Schlünkes, Heidenheim/Brenz,

und Dr.-Ing. M. Strscheletzky, Friedrichshafen,

sind als Erfinder genannt worden

gerufene Ablösungsgebiet (Nabentotgebiet) erst dann zur Wirkung kommt, wenn das Verhältnis der axialen zu den tangentialen Strömungskomponenten so klein geworden ist, daß die radiale Erstreckung des Totgebietes größer wird als die Nabe der Strömungsmaschine. Von diesem Zustand ab macht sich das um die Nabe liegende Totgebiet (Nabentotwasser) störend bemerkbar. Diese Störungen verursachen ein starkes Ansteigen der Geräusche, unter Umständen mechanische Vibrationen und in krassen Fällen einen Zusammenbruch der gesunden Strömung. Bis jetzt ist aber keine brauchbare Lösung zur Vermeidung der störenden Einflüsse des Nabentotgebietes vorgeschlagen worden.

So wäre es zwar möglich, derartige Störungen dadurch zu vermeiden oder zumindest zu verringern, daß die Laufradnabe von vornherein für einen bestimmten Drosselpunkt, d. h. mit einem entsprechend vergrößerten Durchmesser, ausgeführt wird. Dann würde allerdings der Ventilator bei normalen, also ungedrosselten oder nur wenig gedrosselten Betriebsverhältnissen mit einem nicht mehr annehmbaren schlechten Wirkungsgrad arbeiten. Die andere Möglichkeit, nämlich den Nabendurchmesser veränderbar zu machen, ihn also jedem Betriebszustand oder gewissen Betriebsbereichen jeweils anzupassen, dürfte auf große technische Schwierigkeiten stoßen.

Die Erfinder haben nun erkannt, daß die genannten Schwierigkeiten behoben werden können, wenn die gesunde Strömung gegen die Störungen aus dem Nabentotgebiet abgeschirmt wird durch einen koaxialen Ring (Nabenring), der gemäß der Erfindung einen Durchmesser aufweist, welcher in Abhängigkeit von dem Nabenverhältnis etwa 10 bis 3OVo größer als der

909 609/368

Claims

Xabendurclimesser ist und der eine axiale Länge aufweist, die etwa 0,1 des Laufradaußendurchmessers beträgt. Der Xabenring kann zylindrisch oder konisch oder auch im Längsschnitt gesehen kreisbogenförmig oder stromlinienförmig ausgebildet sein, wobei bei konischer oder kreisbogenförmiger Ausbildung der dem Laufrad am nächsten liegende Durchmesser die genannte Abmessung besitzt. Ein solcher Nabenring kann aus dünnem Blech hergestellt werden und ist daher sehr billig. Die Lage dieses Xabenringes ist jeweils abhängig von der besonderen Ausbildung der Strömungsmaschine. So kann beispielsweise bei einem Axiallüfter mit einem hinter dem Laufrad angeordneten Xachleitrad eine stabile Kennlinie durch Anordnung des Xabenringes zwischen dem Laufrad und dem Xachleitrad erzielt werden. Bei größeren Axialventilatoren mit einer längeren Laufradnabe kann es auch angebracht sein, hinter dem Nachleitrad zusätzlich einen zweiten, unter Umständen im Vergleich zum ersten Xabenring sogar längeren Xabenring einzubauen, dessen Durchmesser und Profil nicht unbedingt gleich dem des ersten Xabenringes zu sein braucht. Da für die Ausbildung sowohl des Nabentotgebietes als auch des Wandaufstaugebietes nicht nur die Stärke des Dralls der Drallströmung, sondern auch die Verteilung des Dralls über den Radius ausschlaggebend ist, so können einmal die Störungen aus dem Wandaufstaugebiet und das andere Mal die Störungen aus dem Nabentotgebiet überwiegenden Einfluß auf die gesunde Strömung ausüben. Aus diesen Gründen genügt es unter Umständen, nur einen Außenring nach dem vorstehend genannten bekannten Vorschlag oder aber nur einen Nabenring nach der vorliegenden Erfindung zu verwenden. In den Fällen aber, in denen der Einfluß der beiden Störungsgebiete auf die gesunde Strömung etwa gleich groß ist, wird eine stabile Kennlinie gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung durch die Anordnung sowohl eines Nabenringes als auch eines Außenringes erzielt. Auf diese Art wird die Möglichkeit geschaffen, bei jedem Axial ventilator unabhängig von der Art der Beschaufelung und der Schaufelstellung eine stabile Kennlinie zu erzielen. Die vorliegende Erfindung wird mit Vorteil an Axialventilatoren oder Axialpumpen verwendet, die bei einem bestimmten Nabendurchmesser durch den vorgegebenen Betriebspunkt am wirtschaftlichsten sind und bei denen Zustände starker Drosselung vorkommen können, beispielsweise bei einer Anlage, bei der zwei oder mehr Axialventilatoren im Parallelbetrieb arbeiten, die mit kleinem Nabendurchmesser ausgeführt werden müssen, um gute Wirkungsgrade im normalen Betriebsbereich zu erreichen. Bei Parallelbetrieb besteht nämlich die Gefahr, daß sich die beiden Ventilatoren gegenseitig derartig beeinflussen, daß einer der beiden Ventilatoren in das Instabilitätsgebiet umschlägt. In diesem Fall garantiert erst der Stabilisierungsring einen strömungsfreien Parallelbetrieb. Ein anderer Fall sei der, daß ein Ventilator mit an und für sich schon großem Nabendurchmesser im Laufe seines Betriebes stärker gedrosselt wird. Auch hier wird erst durch einen Stabilisierungsring ein einwandfreies Arbeiten während der ganzen Betriebsdauer erreicht. Die Erfindung ist in der Zeichnung am Beispiel eines Axialventilators schematisch dargestellt. Es Fig. 1 die instabile Kennlinie eines Axialventilators ohne Abschirmring (Kurve b) und in strichpunktierter Darstellung den Verlauf der stabilen Kennlinie bei Anwendung von Stabilisierungsringen (Kurve α), Fig. 2 einen Axialventilator mit einem hinter dem Laufrad angeordneten Nachleitrad und Fig. 3 die Anordnung der Abschirmringe in einem Axialventilator mit Vorleitrad. Bei dem Axialventilator nach Fig. 2 ist hinter dem ίο Laufrad 1 ein Nachleitrad 2 angeordnet und dazu ein das Ablösungsgebiet der Laufradnabe 3 abschirmender Nabenring 4 fest eingebaut. Hinter dem Nachleitrad 2, nämlich am Nabenteil 3 a, ist noch ein zweiter Nabenring 40 angeordnet, der infolge des verhältnismäßig langen Nabenteiles 3 a entsprechend langer und außerdem in Anlehnung an die Verjüngung dieses Nabenteiles konisch ausgebildet ist. Des weiteren ist bei dieser Ausführung noch vor dem Laufrad 1 ein Außenring 5 zur Abschirmung des Wandaufstaues an der Ventilatorwand 6 gegen die gesunde Strömung angeordnet. Durch den Pfeil 7 ist die Strömungsrichtung der Luft angedeutet. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung des Axialventilators ist vor dem Laufrad 1 ein Vorleitrad 8 angeordnet. Hier sind sowohl der Nabenring 4 als auch der Außenring 5 zwischen dem Laufrad 1 und dem Vorleitrad 8 eingebaut. Eine ausreichende Abschirmwirkung kann auch durch Anordnung des Außenringes vor dem Leitrad 8 erreicht werden, wie das in Fig. 3 durch den strichpunktierten Ring 5' angedeutet ist. Die beiden Ringe 4 und 5 müssen nicht unbedingt genau itieinanderliegen, sondern es kann je nach Bauart und je nach der Beschaufelung des Ventilators unter Umständen eine gegenseitige Verschiebung in axialer Richtung für den Verlauf der Kennlinie von Vorteil sein. In Fig. 3 ist der Außenring 5 gegenüber dem Nabenring 4 zurückverlegt. Der Außenring ist hier zylindrisch ausgebildet, während der Nabenring im Längsschnitt gesehen kreisbogenförmiges Profil aufweist. Auch bei dieser Ventilatorausführung ist hinter dem Laufrad noch ein zweiter Nabenring4Oj und zwar diesmal mit konischem Profil, eingebaut. PaTENTANSPKÜCHE:

1. Einrichtung zur Abschirmung der normalen Durchfluß strömung (der »gesunden Strömung«) gegen das Ablösungsgebiet, das innerhalb der Drallströmung im Nabenbereich von Axialströmungsmaschinen, insbesondere Axialventilatoren oder Axialpumpen, auftritt, bestehend aus einem im Strömungskanal angeordneten Leitring (Nabenring), dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Nabenringes in Abhängigkeit von dem jeweiligen Nabenverhältnis etwa 10 bis 30% größer als der Nabendurchmesser ist und die axiale Länge des Ringes etwa 0,1 des Laufradaußendurchmessers beträgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenring in an sich bekannter Weise zylindrisch ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenring konisch ausgebildet ist, wobei der dem Laufrad am nächsten liegende Durchmesser desselben die im Anspruch 1 gekennzeichnete Abmessung aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenring im Längsschnitt gesehen kreisbogenförmig ausgebildet ist, wobei der dem Laufrad am nächsten liegende Durch-