DE1083481B

DE1083481B - Laufrad fuer Kreiselradmaschinen

Info

Publication number: DE1083481B
Application number: DEM39320A
Authority: DE
Inventors: Alexander Garve
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1958-10-17
Filing date: 1958-10-17
Publication date: 1960-06-15

Description

DEUTSCHES

Die vorliegende Erfindung betrifft ein einseitig offenes Laufrad aus Leichtmetallguß einer Kreiselradmaschine für zentrifugale Strömung mit im Meridianschnitt stark gewölbter Radscheibe, die auf der Eintrittsseite unmittelbar, auf der Rückseite jedoch nur durch vorwiegend radial stehende Rippen mit der Radnabe verbunden ist.

Es sind sowohl Radialverdichter als auch Pumpen zur Förderung von Flüssigkeiten sowie Wasserturbinen mit derartig ausgesteiften Laufrädern bekanntgeworden. Ihr Vorteil besteht vorneihmlich darin, daß der Läufer sehr leicht, d. h. mit einem sehr geringen Schwungmoment GD² (G=Trägheitsdurchmesser) gebaut werden kann. Trotzdem halben solche Läufer bisher besonders im Verdichterbau praktisch keine Verbreitung gefunden, obwohl gerade hier im Interesse großer Leistungen bei kleinen Einbaumaßen hohe Drehzahlen erstrebt werden, die wiederum zwecks schneller Anpassung an andere Lastzustände (z. B. bei Aufladegruppen für Brennkraftmaschinen) ein geringes Schwungmoment bedingen. Dies liegt offenbar daran, daß die von den Rippen an die Umgebung (Luft, Wasser u. a.) abgegebene Energie erhebliche Verluste verursacht, welche den Wirkungsgrad solcher Läufer wesentlich vermindern, so daß man bei Radial-Verdichtern die massive Radscheibe mit von innen nach außen abnehmender Wandstärke (»Scheibe gleicher Festigkeit«) vorzog.

Die rationelle Fertigung solcher Läufer mit Vollwandscheiben, für die an sich das Gießverfahren im Hinblick auf die Vielgliedrigkeit der gesamten Form am geeignetsten erscheint, wird aber durch die starke Massenanhäufung in der Nabennähe sowie durch die sehr unterschiedlichen Materialstärken der Schaufeln und der Scheibe unerträglich erschwert. Dies gilt auch für den Leichtmetallguß, der den Vorzug geringeren spezifischen Gewichts und damit eines geringen GD² hat.

Die bestehenden Mangel der bekannten Kreiselradmaschinen behebt die vorliegende Erfindung dadurch, daß die Radscheibe am radial äußeren Ende der Rippen und gegebenenfalls auch radial weiter innen einen an sich bekannten axial vorstehenden ringförmigen Steg aufweist und daß die Rippen entweder in bekannter Weise bis auf eine enge .Spaltweite an die Gehäusewand herangeführt oder durch einen gegebenenfalls aus Segmenten zusammengesetzten Blechring abgedeckt sind. In beiden Fällen wird durch die die Hohlräume abschließende Wand ein energieverzehrender Strömungskreislauf unterbunden.

Im folgenden wird die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen mit weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 die Rückseite der Radscheibe eines Radialverdichters,

Anmelder:

Maschinenfabrik

Augsburg-Nürnberg A. G.,

Augsburg 2, Stadtbachstr. 7

Alexander Garve, Augsburg-Hochzoll,
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 2 einen Meridianschnitt des Verdichters nach Fig. 1,

Fig. 3 die Rückseite eines Radialverdichterrades, dessen Laufschaufelenden über den Scheibenkranz des Rades hinausragen,

Fig. 4 einen Meridianschnitt des Verdichterrades nach Fig. 3 einschließlich Gehäuse,

Fig. 5 die Ansicht einer Schaufel in Blickrichtung des Pfeiles V (in Fig. 4),

Fig. 6 die Rückseite des Läufers einer Radialturbine mit radial frei stehenden Schaufelenden und

Fig. 7 einen Meridianschnitt durch die Turbine nach Fig. 6.

In Fig. 1 und 2 ist 1 eine Welle, auf der das Laufrad 2 befestigt ist, das seinerseits von den Gehäusewänden 3 und 4 umschlossen ist. Das Laufrad 2 besteht aus der Nabe 6, der Radscheibe 7, den Laufschaufeln 8 und den Rippen 9. Die Scheibe 7 ist ferner mit einem ringförmigen Steg 5 versehen, der hier lediglich zur Materialwegna'hme beim statischen Auswuchten dient. In dieser und allen weiteren Figuren zeigt der Pfeil· 0 die Durchströmrichtung des Strömungsmittels an.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Radscheibe 7 nur auf der Eintrittsseite unmittelbar, auf der Austritteseite hingegen nur durch die Rippen 9 mit der Nabe 6 verbunden ist. Scheibe 7 und Rippen 9 bilden somit sektorförmige Hohlräume 11, die von der auf Spaltweite mit üblichem Laufspiel .? an die Rippen 9 herangezogenen Wand 4 abgeschlossen sind.

In Fig. 3 und 4 sind die den Fig. 1 und 2 entsprechenden Teile mit gleichen Bezug.szeidb.en versehen. Die Radnabe 16 ist in der Mitte mit einer tiefen Aussparung versehen und durch Rippen 16 a versteift. Die Radscheibe 17 hat einen gegenüber dem Schaufelaußendurchmesser D_A geringeren Durchmesser D_SJ so daß die Austrittsenden der Schaufeln 18 über die Scheibe 17 radial herausragen. Vorzugsweise ist D_s = 0,75 D_A, Diese Maßnahme hat wegen der Zu-

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nähme des Schwungmomentes mit dem Quadrat-des Trägheitsdurchmessers wesentliche Bedeutung für die Schnelläufigkeit des Läufers. Es sei hierzu bemerkt, daß radial über die Scheibe hinausragende Schaufelenden an sich bekannt sind und hierfür ein selbständiger Schutz nicht in Anspruch genommen werden soll.

Die frei überstehenden Enden der Schaufeln 18 sind nach der Scheibe hin etwa T-förmig verstärkt, und zwar mit einer der Kehlung des Schaufelkanals entsprechenden Ausrundung mit dem Radius r. Die T-förmige Verstärkung erhöht die Schwingungsfestigkeit des überstehenden S chaufel teils, und die Ausrundung bewirkt neben einer Verbesserung der Kerbfestigkeit, daß längs der Kehlung des Schaufelkanals, womit hier die Eckenausrundung der Kanalquerschnitte zu verstehen ist, keine Unstetigkeit auftritt, die ein Ablösen der Strömung zur Folge haben könnte. Außerdem ist der Spalt 12 in Richtung der Spaltströmung, im vorliegenden Falle eines Radialverdichters also, entgegengesetzt zur Drehrichtung des Laufrades (Pfeil b) diffusorartig erweitert, um die Spaltverluste zu reduzieren.

Zum Zwecke der Gewichtsverminderung ist bei diesem Laufrad ferner die Zahl der Schaufeln 18 doppelt so groß wie die Zahl der Rippen 19. Um trotzdem eine gute Lastverteilung zu erreichen, ist in diesem Falle der ringförmige Steg 15 so bemessen, daß er einen wesentlichen Teil der aus der Fliehkraft der zwischen den Rippen 19 befindlichen Schaufeln sich ergebenden Belastung aufnehmen und auf die Rippen 19 übertragen kann. Die Rippen 19 sind nach dem Radinnern zu mit Durchbrüchen 20 versehen, die ebenfalls zu einer Gewichtsverminderung beitragen.

Zur Steigerung der Formfestigkeit kann man nun zweckmäßig sowohl die Schaufeln 8 bzw. 18 und die Rippen 9 bzw. 19 so ausbilden und anordnen, daß mindestens das Austrittsende der einer Rippe zugeordneten Schaufel mit der Rippe in derselben Ebene, vorzugsweise einer durch die Rotorachse gehenden Ebene, liegt. Auf diese Weise werden Biegespannungen weitgehend vermieden.

Die Zeichnungen der Fig. 1 bis 4 lassen bereits erkennen, daß die gezeigten Laufräder gießtechnisch auch für lunker- und seigerungsempfindliche Gießwerkstoffe keine Schwierigkeiten bereiten, da die bei Scheiben gleicher Festigkeit in Nabennähe erforderliche Materialanhäufung nicht mehr vorhanden ist. Man kann daher diese Laufräder mit wesentlich verminderter Ausschußgefahr gießen, was bei Verwendung von Leichtmetall oder einer Leichtmetall-Legierung eine bedeutende Massenverringerung ergibt.

In Fig. 6 und 7 ist 21 die Turbinenwelle, auf der das Laufrad 22 befestigt ist, das seinerseits von den Gehäusewänden 23 und 24 umschlossen ist. Das Laufrad besteht wiederum aus der Nabe 26, der Scheibe 27., auf deren Rückseite ringförmige Stege 25 und 25 a konzentrisch angeondnet und durch schräg zur Radialen verlaufende Rippen 29 und radiale Rippen 29 α untereinander bzw. mit der Nabe 26 verbunden sind. Die schräg zur Radialen verlaufenden Rippen 29 bilden einen mäandrierenden Kranz, der einen besseren Temperaturausgleich über den Umfang der Scheibe 27 gestattet. Die Schaufeln 28 ragen wiederum über die Scheibe 27 bzw. den äußeren Steg 25 hinaus. Die Rippen 29 α weisen nach dem Radinnern zu Durchbräche 30 auf.

Während die Rippen 29 wie bei den weiter oben erläuterten Verdichtern von der Gehäusewand 24 abgedeckt sind, ist für den Abschluß der von den Rippen 29 α gebildeten Hohlräume ein einteiliger oder geteilter Blechring 31 vorgesehen, der in Umfangsnuten des Steges 25 a und der Nabe 26 eingestemmt ist. Die Anordnung solcher Blechwände ist besonders dann vorteilhaft, wenn zwischen Gehäusewand und Läufer ein Kühlmittel zur Kühlung des Läufers bzw. des äußeren Scheibenkranzes geleitet werden soll. Die Stege 25 und 25 a werden ebenso wie die Stege 5 und ίο 15 der Fig. 1 bis 4 mindestens als selbsttragende Ringe bemessen, um zu verhindern, daß sie andere tragende Teile des Läufers zusätzlich belasten.

Claims

Patentansprüche:

1. Einseitig offenes Lauf rad aus Leichtmetallguß einer Kreiselradmaschine für zentrifugale Strömung mit im Meridianschnitt stark gewölbter Radscheibe, .die auf der Eintrittsseite unmittelbar, auf der Rückseite jedoch nur durch vorwiegend radial stehende Rippen mit der Radnabe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Radscheibe (7, VI₁ 27) am radial äußeren Ende der Rippen (9, 19, 29) und gegebenenfalls auch radial weiter innen einen an sich bekannten axial vorstehenden ringförmigen Steg (5, 15, 25 bzw. 25 α) aufweist und daß die Rippen entweder in bekannter Weise bis auf eine enge Spaltweite (s) an die Gehäuse-wand (4) herangeführt oder durch einen gegebenenfalls aus Segmenten (31) zusammengesetzten Blechring abgedeckt sind.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dessen Schaufeln mindestens am Austrittsende radial gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rippe (9, 19) mindestens mit dem Austrittsende je einer Schaufei (8, 18) in derselben Ebene liegt.

3. Laufrad nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Schaufeln (18) ein ganzes Vielfaches der Anzahl der Rippen (19) ist und daß der Durchmesser des ringförmigen Steges (15) etwa drei Viertel des Laufraddurchmessers beträgt (Fig. 3 und 4).

4. Laufrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Radscheibe (17) sich radial auswärts nur bis zum ringförmigem Steg (15) erstreckt, so daß die radial verlaufenden Enden der Schaufeln (18) frei überstehen (Fig. 3 und 4).

5. Laufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die über den ringförmigen Steg (15) hinausragenden Schaufelteile auf der Scheibenseite eine T-förmige Verstärkung mit einer der Kehlung des Schaufelkanals entsprechenden Ausrundung (r) aufweisen (Fig. 5).

6. Laufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (12) zwischen der T-förmigen Verstärkung und der. Gehäusewand (4) entgegen der Drehrichtung diffusorartig erweitert ist (Fig. 5).

7. Laufrad nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (19, 29 a) mit Durchbrächen (20, 30) versehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 971 472;
deutsche Patentanmeldung D 20681a/46a⁹ (bekanntgemacht am 26. 6. 1952);

Stodola, »Dampf- und Gasturbinen«, Springer-Verlag, 1924, Abschnittes, S. loOff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen