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Rotationsströmungsmaschine mit Kurzschlußregelung Die Erfindung betrifft
eine Rotationsströmungsmaschine, z. B. Pumpen, Ventilatoren u. a., deren Leistungsregelung
rnntteils Kurzschluß zwischen Druck-und Ansaugeöffnung stattfindet.
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Es sind mehrere Verfahren und Mittel zur Regelung derLeistungbei derartigen
Maschinenbekannt, nämlich: 1. Drosselregelung, wobei ein Ventil in der Ansauge-
oder Druckleitung vorgesehen ist. Der nicht benötigte Druck wird einfach weggedrosselt.
Diese Ausführung hat einen sehr ungünstigen Wirkungsgrad, kann aber billig hergestellt
werden.
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1. a) Eine Variante dieser Drosselregelung ist die Kurzschlußregelung,
bei der dasjenige, welches nicht benötigt wird, kurzgeschlossen wird.
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2. Ein halbelliptisches Ventil in dem Ansaugerohr. Dieses Verfahren
der Zurückregelung isst nur sehr beschränkt brauchbar. Für eine größere Zurückregelung
ist sie gleich schlecih.t wie die Drosselregelung und etwas teurer, weil die Welle
schwerer ausgeführt werden muß.
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3. Verstellbare Einlaßschaufel. Für einen mäßigen Regelbereich ist
dieses Verfahren sehr gut brauchbar. Bei einer Leistung gleich Null ist der Kraftverbrauch
derselbe wie bei der Drosselregelung. Die Ausführung ist aber teuer wegen der kinematisch
verwickelten Verhältnisse. Es gibt bei dieser Ausführung viele Drehpunkte und Hebel.
Die Anwendung ist nicht für alle Pumpen und Gebläse möglich. Bei niedrigen Leistungswerten
ist die Nutzwirkung gering.
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4, Verstellbare Schaufel. Diese können in der Hauptsache für Axialmaschinen
benutzt werden und #:ind dann in einem großen Bereich sehr wirksam. Der Verstellmechanismus
ist kinematisch, aber sehr verwickelt, also kostspielig in der Ausführung. Der Mechanismus
ist verletzbar, wenn das zu fördernde Medium Verunreinigungen enthält.
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5. Ansaugekammer mit parallel verstellbaren Einlaßschaufeln. Dieses
Verfahren ist etwas weniger wirksam als das unter 3 genannte Verfahren. Die Konstruktion
ist aber viel einfacher und verhältnismäßig nicht viel teurer als, bei einer Maschine
mit nur einer Ansaugekammer. Dieses Verfahren ist vor allem gut für z. B. Saugzugventilatoren.
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b. Verstellbarer Radboden. Dieses Verfahren ist nur geeignet für Zentrifugalmaschinen
und ist dann sehr wirksam in einem großen Bereich. Die Konstruktion ist verhältnismäßig
teuer und kinematisch nicht verwickelt. Sie ist aber nur geeignet für mäßige Umdrehungszahlen.
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7. Regelbare Umdrehungszahl. Dieses Verfahren ist für die Strömungsmaschine
außerordentlich wirtschaftlich, für die Antriebsmaschine meistens aber nicht. In
der Reihenfolge des sinkenden Kostenpreises können als Antriebsmaschinen benutzt
werden: a) Dampf- oder Wasserturbinen, b) Elektromotoren mit Ward-Leonard-Schaltung,
c) Reihenmotoren (nur für Gleichstrom), d) Drehstromkommutatormotoren, e) Schleif
ringankermotoren, f) Kurzschlußankermotoren mit vorgeschaltetem Widerstand.
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d) hat eine sehr günstige Nutzwirkung. e) und f) beruhen auf Sch.lupfregelung.
Für e) ist der Verlust etwa proportional dem Schlupf, für f) wesentlich größer.
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Weiterhin können zwischengeschaltet werden: g) ein stufenloser Drehzahlregler;
dieser ist nicht brauchbar, weil das größte Drehmoment geliefert werden muß bei
der niedrigsten Drehzahl, während dies für Strömungsmaschinen gerade umgekehrt ist,
h) eine regelbare hydraulische Kupplung, i) eine regelbare elektrodynamische Kupplung.
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h) und i) stimmen, was den Nutzeffekt und Preis anbetrifft, nahezu
überein. Auch die Zuverlässigkeit liegt bei gurten Ausführungen nahezu in derselben
Höhe. Sie sind ziemlich -teuer, für mäßigen Regelbereich aber sehr gut brauchbar.
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Der Verlauf des Kraftverbrauches bei der Regelung der Leistung für
einen quadratisch abnehmenden Widerstand ist für die obengenannten Regelverfahren
in Fg. 1 grafisch dargestellt; worin die Ziffern 1 bis 7 mit den vorbeschriebenen
Regelverfahren übereinstimmen,
während mit 8 die Kurve der
theoretischen verlustfreien Drehzathlregelung angedeutet wird.
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Der Zweck der Erfindung ist, eine Rotationsströmungsmaschine zu schaffen,
deren Leistungsregelung mittels eines Kurzschlusses zwischen der Druck-und Ansaugeöffnung
stattfindet und welche die Vorteile einer Regelung mit verstellbaren Einlaßschaufeln
und die Einfachheit und Zuverlässigkeit der Drosselregelung hat.
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Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß gemäß der Erfindung die kurzgeschlossene
Strömung so in die Ansaugeöffnung geführt wird, daß eine Rotation des Hauptstromes
erzeugt wird. Diese Rotation kann gemäß der Erfindung durch die Zuführung der kurzgeschlossenen
Strömung über ein Schneckengehäuse oder über einen Satz Leitschaufeln erzeugt werden.
Die Regelung der Größe des kurzgeschlossenen Stromes kann dabei gemäß der Erfindung
durch ein oder mehrere Organe, wie Klappen. Schieber u. dgl., vorgenommen werden.
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Nach einer Ausführungsform gemäß der Erfindung wird eine zylindrische
Büchse verwendet, welche zwecks Regelung des kurzgeschlossenen Stromes in der Ansaugeöffnung
verschoben werden kann.
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Der Platzbedarf für eine derartige Rotationsströmungsmaschine ist
nicht größer als der der Maschine mit einer der obengenannten Regelvorrichtungen:
Der Kostenaufwand ist sehr niedrig, weil einfache Gußstücke oder Blechplattenkonstruktionen
schon genügen. Durch die Anwendung von mehreren gekuppelten Ventilen kann der Nutzeffekt
der Maschine bei Volleistung ebenso günstig sein wie bei der Ausführung ohne jede
Regelung.
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Der Verlauf des Kraftverbrauches der Maschine gemäß der Erfindung-
ist in Fig. 1 mit der dick ausgezogenen Linie 10 angedeutet.
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Ausführungsformen der Maschine gemäß der Erfindung sind beispielsweise
in den Zeichungen dargestellt.
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Fig.2 zeigt grafisch den Effekt der Regelung gemäß der Erfindung;
Fig.3 zeigt eine Ausführungsform mit Teilschnitt von der Seite gemäß der Linie III
in Fig. 4; Fig.4 zeigt eine Seitenansicht derselben Ausführung; Fig.5 zeigt eine
Ausführungsform einer Radialmaschine mit teilweisem Schnitt gemäß der Linie V-V
in Fig. 6; Fig. 6 zeigt einen Schnitt der Radialmaschine nach Fig. 5 gemäß der Line
VI-VI; Fig. 7 zeigt einen Schnitt einer Axialmasch.ine. Zwischen der Druck- und
Ansaugeöffnung einer Rotationsströmungsmaschine, z. B. einer Pumpe oder eines
Gebläses, befindet sich eine KurzschluBleitung 1, durch welche ein Teil der
durch den Rotor 2. strömenden Fördermenge zurückgeführt wird und sich also in einem
Dauerkreislauf befindet. Diese Ausführung ist als Regelverfahren bekannt. Es befindet
sich dann in der Kurzschlußleitung eine Drosselklappe oder ein Drosselschieber,
mit welchem der kurzgeschlossene Teil der Fördermenge eingestellt werden kann.
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Nach der Erfindung wird nun eine derartige Zurückführung des kurzgeschlossenen
Teiles der Fördermenge vorgenommen, daß die in die Ansaugeleitung 3 kommende Strömung
eine Rotation des angesaugten Mediums hervorruft. Die Charakteristik der Strömungsmaschine
wird von dieser Rotation stark bee influßt. Die Maschine wird sich für eine Drehrichtung
der induzierten Strömung in der Richtung des. Rotors verhalten, als ob sie mit einer
niedrigeren Drehzahl liefe, .im Falle einer entgegengesetzten Drehrichtung, als
ob sie mit einer höheren Drehzahl liefe. Für die Anwendung als Regelung wird hauptsächlich
die erstgenannte Ausführung in Frage kommen, wobei die induzierte Strömung sich
mit der Bewegung des Rotors mitbewegt.
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Durch die Regelung der kurzgeschlossenen Meng e mi t einer Klappe,
einer Zunge oder einer Schiebebüchse kann ein großer Bereich der Fördermengen von
der Strömungsmaschine eingestellt werden. Die einfachste, aber naturgemäß am wenigsten
wirksame Regelung der kurzgeschlossenen Drehströmung ist die mittels einer Drosselklappe
in der Kurzschlußleitung.
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Besser ist eine Zungenklappe 4 oder ein Schieber, welcher ein Volumen
durchlassen wird, das für einen bestimmten Druckunterschied nahezu proportional
der freigegebenen Öffnung ist. Der Schieber kann vorzugsweise als ringförmiger Schieber
in die Ansaugeleitung der Maschine eingesetzt werden. Die Kurzschlußleitung 1 wird
über ein Schneckengehäuse 5 um die Ansaugeleitung 3 herumgeführt. Die kurzgeschlossene
Menge kann geregelt werden mittels Verstellung -der Zungenklappe 4.
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Die induzierte Drehung des Hauptstromes wird noch beschleunigt in
der verlustfreien Düse. In Fig. 2 ist die Charakteristik der Maschine bei geschlossener
Klappe 4 durch den Verlauf der Kurve A gezeigt. Der Arbeitspunkt wird bestimmt durch
den Schnitt von A mit der Kurve C, welche den Zusammenhang zwischen der durch ein
System strömenden Menge L' und dem dafür benötigten Druck p zeigt. In sehr vielen
Fällen wird diese Kurve C wie eine nahezu quadratische Parabel verlaufen.
In dem Arbeitspunkt 1 wird eine Menge h1 geliefert gegen einen Druck p1.
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Soll nun eine Menge h,, durch dasselbe System strömen, dann wird der
dafür benötigte Druck p, betragen.
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Der neue Arbeitspunkt kann mit der Klappe 4 der Ausführung gemäß Fig.
3 und 4 eingestellt werden. Diese wird so weit geöffnet, daß eine Menge h,k kurzgeschlossen
wird. Die durch die kurzgeschlossene Strömung induzierte Drehung des Hauptstromes
verursacht eine Veränderung der Charakteristik im Sinne. einer verringerten Drehzahl.
Die neue Charakteristik wird dann einen Verlauf B bekommen. Der Rotor der Maschine
nimmt diese Veränderung so auf, als ob er auf den Arbeitspunkt 2 eingestellt wäre.
Die Leistung, welche die Strömungsmaschine in diesem neuen Ar-. beitspunkt aufnehmen
wird, wird bestimmt durch das Produkt der totalen von dem Rotor verdrängten Menge
L', und des Druckes p, dividiert durch den Nutzeffekt der Maschine im Arbeitspunkt
2. Letzterer unterscheidet sich nur wenig von dem Nutzeffekt hei Vollast, weil die
Wirkung der Mitdrehung ja verglichen werden kann mit einer Verringerung der Drehzahl,
welche strömungstechnisch nahezu ganz. ohne Verluste stattfinden würde. Nur die
relative Verschiebung des Arbeitspunktes nach links auf der Kennlinie verursacht
einige Änderung in dem Nutzeffekt, aber es hängt von dem Arbeitspunkt 1 ab, ob dies
eine Verbesserung oder eine Verschlechterung sein wird. Abgesehen von diesen Feinheiten
wird der einzige Verlust in dem Arbeitspunkt also bestehen aus der Pumparbeit für
die Kurzschließung des Stromes h,k. In Abhängigkeit von der Ausführung wird diese
Kurzschließung geringer zu sein brauchen. je nachdem die Induktion der Rotation
der Hauptströmung besser versorgt wird. Das abgebildete Schneckengehäuse ist dazu
sehr geeignet. Es können al:er mit nahezu demselben Erfolg feste Leitschaufeln
benutzt
werden. Die Ausführung wird dadurch etwas teurer werden, jedoch weniger Platz bedürfen.
Diese Ausführung kommt sowohl für Radialmaschinen (Fig. 3, 5 und 6) wie für Axialmaschinen
(Fig. 7) in Frage.
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Für einen bestimmten Vodlastarbeitspunkt ist in Fig. 1 durch die Kurve
10 angedeutet, wie der Kraftverbrauch bei der Regelung gemäß der Erfindung verlaufen
wird.
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Der Querschnitt der Kurzschlußleitung und die Form des Schneckengehäuses
müssen naturgemäß angepaßt werden an die Maschinen, für welche sie benutzt werden
sollen. So wird für eine Niederdruckmaschine die Kurzschlußleitung größer sein müssen
als für eine Hochdruckmaschine. Die Verluste durch eine Regelung gemäß der Erfindung
werden denn auch bei Hochdruckmaschinen geringer sein als bei Niederdruckmaschinen.
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In den Fig. 5 und 6 ist das Gehäuse der Strömungsmaschine mit 7 bezeichnet.
Das Schaufelrad 2 ist auf der Triebwelle 8 angeordnet, welche sich in dem Lager
9 drehen kann und mittels einer geeigneten Kraftquelle angetrieben wird. Der Regelschieber
10
ist büchsenförmig ausgeführt und kann mittels Handgriffe 11, welche in
schraubenlinienförmigen Öffnungen 12 in der Ansaugeleitung 13 verschiebbar sind,
mehr oder weniger nach innen geschoben werden, derart, daß der Kurzschlußstrom größer
oder kleiner gemacht werden kann. Die Leitschaufeln sind mit 14 angedeutet, und
die Bahn des kurzgeschlossenen Luftstromes ist mit Pfeilen angedeutet worden.
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Bei der Axialströmungsmasoh@ine nach Fig. 7 befindet sich das Schaufelrad
2 im Herzen des Gehäuses wie der Antriebsmotor 15, auf dessen Welle das Schaufelrad
angeordnet ist. Der Motor 15 ist mittels Stützen 16 mit der Innenwand des Gehäuses
7 verbunden. In der Gehäusewand sind Öffnungen 21 angebracht, an welche sich ein
ringförmiger Umkehrkanal 17 anschließt, in welchem verschiebbare Büchsen 18, 19
angeordnet sind. Die äußere Büchse 19 ist bei 20 an der Seite des Maschineneinlasses
nach innen umgebogen. Die zwei Büchsen sind gekuppelt, so daß in der einen Stellung
(in Fig. 7 an der Unterseite) die Öffnungen 21 frei sind und das Medium durch den
Kanal 17 an den Leitschaufeln 22 und den umgebogenen Enden 20 entlang in der Pfeilrichtung
drehend zum Einlaß der Maschine zurückgeführt wird. In der anderen Stellung (Fig.
7 an der Oberseite) sind die Büchsen 18, 19 nach innen geschoben, wobei alle Durchgänge,
also auch der ringförmige Kanal 17, abgeschlossen sind.
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Die Konstruktion gemäß der Erfindung kann angewendet werden bei Pumpen
und Ventilatoren, sowohl in der radialen (zentrifugalen) wie in der axialen Ausführung,
ebenso bei den möglichen Zwischenformen (Franci,s-Laufräder, Eck-Axialventilatorel,
Gleichdruckventilatoren nach Schicht us.w.). Insbesondere kommt die Regelung gemäß
der Erfindung in Frage bei Saugzugventilatoren für Kessel und bei Maschinen, die
verunreinigte oder aggressive Media fördern, weil nur ein sehr einfach bewegtes
Teil, z. B. in der Form einer Klappe oder eines Schiebers, benutzt wird, weshalb
die Zuverlässigkeit im Vergleich zu anderen Regelkonstruktionen maximal ist.