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Einrichtung zur Stabilisierung der Charakteristik von Kreiselradarbeitsmaschinen
mit axialdurchströmtem Laufrad Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stabilisierung
der Charakteristik (VH-Kennlinie) von Kreiselradarbeitsmaschinen mit in einem Strömungskanal
od. dgl. angeordnetem axial durchströmtem Laufrad, insbesondere von Axialpumpen
und -ventilatoren.
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Bei solchen Maschinen wird bei optimalem Betrieb das Laufrad erfahrungsgemäß
meist gleichförmig beaufschlagt, d. h., die Zuströmgeschwindigkeit des Betriebsmediums
ist über den ganzen Querschnittsbereich des Laufrades hinweg zumindest ungefähr
gleich. Dagegen ändert sich bei Teillastbetrieb die Zuströmgeschwindigkeit des Betriebsmediums
über den Querschnittsbereich des Laufrades hinweg mehr oder weniger stark. Dies
ist zum einen darauf zurückzuführen, daß bei Teillast, also bei geänderter Zuordnung
zwischen Strömungsvolumen und Förderhöhe, die einzelnen Partien der Laufradschaufeln
mit zunehmendem Abstand von der Nabe eine zunehmende Erhöhung des Energieinhaltes
(Druck + kinetische Energie) des Betriebsmediums bewirken, wodurch sich hinter dem
Laufrad eine Strömung ausbildet, die mit zunehmendem Abstand von der Nabe stärker
drallbehaftet ist, aber kleinere axiale Geschwindigkeiten aufweist. Zum anderen
ist die ungleiche Verteilung der Zuströmgeschwindigkeit des Betriebsmediums über
den Ouerschnittsbereich des Laufrades hinweg darauf zurückzuführen, daß sich bei
Teillastbetrieb bekanntlich hauptsächlich im Randbereich des Laufrades die sogenannten
rotierenden Stauzonen (»rotating stall«) ausbilden, in denen die Durchströmgeschwindigkeit
ungefähr gleich Null ist und die mit einer Geschwindigkeit rotieren, die etwas kleiner
ist als die Drehgeschwindigkeit des Laufrades.
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Vorstehend genannte Erscheinungen, nämlich die mit wachsendem Abstand
von der Nabe zunehmende Abbremsung der axialen Geschwindigkeit der Strömung hinter
dem Laufrad und die Ausbildung der rotierenden Stauzonen im Randbereich des Laufrades
verursachen darüber hinaus die Entstehung eines Ringwirbels an der Wand des Strömungskanals
vor dem Laufrad. Dieser Ringwirbel, der sich, wie durch eingehende Beobachtungen
festgestellt wurde, sowohl in Form eines geschlossenen Ringes wie auch in Form eines
oder mehrerer über den Umfang verteilter Ringsegmente ausbilden kann, hat die Eigenschaft,
daß er mit ungefähr derselben Geschwindigkeit wie die sogenannten Stauzonen in Umfangsrichtung
sowohl als auch etwa senkrecht dazu in sich selbst rotiert.
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Als Folge der vorstehend genannten Erscheinungen ergibt sich eine
Stauung des Betriebsmediums in einem Teil des Durchflußquerschnittes des Laufrades.
Dies hat eine mehr oder weniger starke Veränderung der Förderhöhe der Strömungsmaschine
zur Folge und ist die Ursache für die Instabilität der Charakteristik (VH-Kennlinie)
dieser Maschine im Bereich einer gewissen Zone im Teillastgebiet. Diese sogenannte
»instabile Zone«, in der die Förderhöhe sowohl kleiner ist als im Punkt besten Wirkungsgrades
als auch bei der Fördermenge V = 0, ist aus der Kennlinie, auch Drosselkurve genannt,
zu ersehen (vgl. F i g. 1, wo der stabile Teil der Kennlinie strichpunktiert und
mit a bezeichnet, die instabile Zone der Kennlinie schraffiert und mit b bezeichnet,
dargestellt ist).
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Zwecks Vermeidung der durch die Instabilität der Charakteristik der
Kreiselradarbeitsmaschinen sich ergebenden Nachteile sind schon verschiedene Vorschläge
gemacht worden. So hat man schon versucht, diese Instabilität dadurch zu beheben,
daß bei einem Axialventilator in der Anordnung Laufrad-Nachleitrad vor dem Laufrad
ein Saugring angeordnet wurde. Des weiteren wurde schon bei einem Axialventilator
in der Anordnung Vorleitrad-Laufrad vorgeschlagen, zwischen dem Laufrad und dem
Vorleitrad einen koaxialen dünnen Ring, einen sogenannten Außenring, mit möglichst
großem Durchmesser, nämlich mit einem etwa acht Zehntel des äußeren Laufraddurchmessers
betragenden Durchmesser, einzubauen. Obwohl dabei versucht wurde, durch verschiedene
Formgebung des Außenringes zum Ziel zu kommen, konnten keine befriedigenden Ergebnisse
erzielt werden. Zwar wurde eine Verbesserung der Instabilität erreicht, aber dies
nur auf Kosten einer erheblichen Verschlechterung des Wirkungsgrades.
Die
Erfinder sind nun zu der Erkenntnis gelangt, daß eine Stabilisierung der Charakteristik
von Kreiselradarbeitsmaschinen auf eine viel wirksamere und vorteilhaftere Art erreicht
wird. wenn zwecks Behinderung des Ausbildens bzw. Verhinderung des Entstehens von
sogenannten rotierenden Stauzonen im Außenbereich des Laufrades und von Ringwirbeln
an der Wand des Strömungskanals vor dem Laufrad bei Teillastbetrieb an der Wand
des Strömungskanals eine. vorzugsweise aber auf den Umfang des Strömungskanals verteilt
mehrere, zumindest angenähert in Richtung der Maschinenachse verlaufende, strömungsgünstig
ausgebildete. im wesentlichen radiale Rippen, Schaufeln od. dgl. angeordnet sind,
deren Höhe höchstens halb so groß ist wie der im Bereich ihrer Längserstreckung
kürzeste Abstand zwischen der inneren und der äußeren Begrenzung des Strömungsquerschnittes,
und deren Austrittskante unmittelbar vor der Eintrittskante der Laufradschaufeln
liegt und, im Meridianschnitt betrachtet, dieser, wie an sich bekannt, im wesentlichen
angepaßt ist.
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Es sind zwar Kreiselpumpen bekannt, bei denen im Strömungskanal feststehende
Leitschaufeln ähnlich den Rippen der vorliegenden Erfindung angeordnet sind. Diese
erstrecken sich jedoch im wesentlichen über den ganzen Abstand zwischen der inneren
und der äußeren Begrenzung des Strömungsquerschnittes oder, in einem anderen Fall.
von der äußeren Begrenzung bis nahezu zur Mitte des Strömungsquerschnitts. Zum Teil
dienen sie dazu, dem Zentripetalfeld Mischvorgänge von der Saugseite des Laufrades
her zu überlagern. Sie wirken zwar den rotierenden Stauzonen und den Ringwirbeln
ebenfalls in einem gewissen Grad entgegen, beeinflussen aber insbesondere mit ihren
in das Gebiet der Strömung im Bereich der Laufradnabe hineinragenden Teil die Strömung
über die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe hinaus in einer nicht beabsichtigten
ungünstigen Weise, die erhebliche Reibungsverluste und damit entsprechende Wirkungsgradeinbußen
zur Folge hat. Letzteres wird aber gerade durch die Rippen nach der Erfindung vermieden.
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Durch diese Rippen, die mit ihrer ebenen Erstreckung etwa senkrecht
zur Drehrichtung der rotierenden Ringwirbel vor dem Laufrad sowie der rotierenden
Stauzonen im Laufrad stehen, werden die rotierenden Stauzonen nämlich viel wirkungsvoller
abgebaut bzw. schon an ihrem Entstehen gehindert, als dies durch einen Ring möglich
ist, dessen Profil in Schnittebenen senkrecht zur Drehrichtung der Ringwirbel und
Stauzonen relativ gering ist und dessen ebene Erstreckung in allen Punkten sehr
genau mit der Drehrichtung übereinstimmt, dem Umlaufen dieser Störzonen also lediglich
mit der Reibungswirkung zwischen Störzonen und Ring entgegenwirkt.
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Da sich die rotierenden Stauzonen entsprechend den jeweiligen Verhältnissen
mehr oder weniger stark über die axiale Erstreckung der Laufschaufeln hinaus bis
vor das Laufrad erstrecken und sich dementsprechend auch die Ringwirbel in einem
mehr oder weniger großen Abstand vom Laufrad vor diesem ausbilden, ist die Austrittskante
der Rippe, Schaufel od. dgl. unmittelbar vor der Eintrittskante der Laufradschaufeln
angeordnet. Die Länge der Rippe in axialer Richtung wird dabei möglichst klein gehalten,
jedoch mindestens so groß. daß ihre Eintrittskante den rotierenden Ringwirbel mindestens
zum Teil erfaßt. Die Lage und Form der Eintritts-und Austrittskante der Rippt wird
zweckmäßig ebenfalls den jeweiligen Verhältnissen, d. h. den an das Betriebsverhalten
der Maschinen gestellten Anforderungen angepaßt. Daraus ergibt sich, daß es unter
Umständen genügt, wenn die eine oder auch die mehreren, vorzugsweise bis zu zwölf,
auf den Umfang des Strömungskanals verteilt angeordneten Rippen sowohl in bezug
auf ihre Längserstreckung als auch in bezug auf ihre radiale Erstreckung in sich
gerade ausgebildet werden. Beispielsweise können die Rippen mit in Ebenen senkrecht
zur Längsrichtung des Strömungskanals von außen nach innen sich stetig verjüngendem
Querschnitt ausgebildet werden. Es kann sich aber auch als zweckmäßig erweisen,
daß die Rippen, insbesondere zur Erzeugung eines positiven oder negativen Dralles,
einfach oder doppelt gekrümmt ausgebildet werden.
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung beschränkt sich nicht
auf Axialpumpen und -ventilatoren, sie kann vielmehr in der gleichen vorteilhaften
Weise auch bei Halbaxialpumpen und Axialkompressoren Verwendung finden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel gezeigt
und wird im folgenden an Hand dieses noch näher erläutert. Es zeigt F i g. 2 in
einem Längsschnitt durch einen Strömungskanal das Laufrad einer Kreiselradarbeitsmaschine
mit einer vor diesem angeordneten Rippe, F i g. 3 hierzu einen Querschnitt längs
der Linie a-a.
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In den Figuren bezeichnet 1 den Strömungskanal, 2 die Schaufeln und
3 die Nabe des im Strömungskanal angeordneten Laufrades einer Kreiselradarbeitsmaschine,
beispielsweise einer Axialpumpe, das in Richtung des Pfeiles angeströmt wird. Mit
Bezug auf die Anströmung des Laufrades ist unmittelbar vor demselben an der wand
des Strömungskanals die Rippe 4 angeordnet, deren Austrittskante 5 der Eintrittskante
2a der Laufschaufeln 2 angepaßt und deren Eintrittskante 6 hier als eine unter einem
Winkel von etwa 45= gegen die Strömungsrichtung geneigte Gerade ausgebildet ist.
Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, ist der axiale Abstand zwischen der Eintrittskante
2a der Laufschaufeln 2 und der Austrittskante 5 der Rippe 4 so bemessen, daß das
austrittsseitige Ende der Rippe 4 sowohl den mit strichpunktierter Begrenzung und
schraffiert angedeuteten rotierenden Ringwirbel ? vor dem Laufrad als auch die mit
gestrichelter Begrenzung und schraffiert angedeutete und sich über die axiale Länge
der Laufschaufeln 2 hinaus erstreckende rotierende Stauzone 8 erfaßt. Wie aus dem
Schnitt gemäß F i g. 3 zu ersehen ist, ist die Rippe 4 mit in ihrer genau radialen
Richtung von außen nach innen sich stetig verjüngendem schwach kegelförmigem Profil
ausgebildet und sowohl in Richtung ihrer genau mit der Achse des Strömungskanals
parallel verlaufenden Längsrichtung als auch in Richtung ihrer Radialerstreckung
in sich gerade. Ihre radiale Erstreckung ist mit weniger als 0.5 der radialen Erstreckung
der Laufschaufeln bemessen. Erforderlichenfalls kann zur Abschirmung der gesunden
Strömung gegen das Nabentotgebiet hinter dem Laufrad zusätzlich ein an sich bekannter
Nabenring mit einem Durchmesser. der in Abhängigkeit vom jeweiligen Nabenverhältnis
etwa 10 bis 30°/o größer als der Nabendurchmesser ist, und einer axialen Länge von
etwa 0,1 des Laufradaußendurchmessers
angeordnet sein, der in den
F i g. 2 und 3 als zylindrischer Ring 9 strichpunktiert eingezeichnet ist, aber
auch, im Längsschnitt gesehen, etwa konisch oder kreisbogenförmig oder ähnlich ausgebildet
sein kann.