DE1161481B

DE1161481B - Device for stabilizing the characteristics of centrifugal machines with an axially flowed impeller

Info

Publication number: DE1161481B
Application number: DEV18303A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing M Strscheletzky; Dr-Ing W Schramek; Dipl-Ing W Geissler
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1960-03-19
Filing date: 1960-03-19
Publication date: 1964-01-16
Also published as: CH402614A

Description

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.Device for stabilizing the characteristics of rotary working machines with an impeller through which there is axial flow. The invention relates to a device for stabilization the characteristic (VH characteristic) of centrifugal machines with in a flow channel or the like arranged axially flowed through impeller, in particular of axial pumps and fans.

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.Experience has shown that with such machines the impeller is in optimal operation usually applied uniformly, d. i.e. the inflow velocity of the operating medium is at least approximately over the entire cross-sectional area of the impeller same. On the other hand, the inflow speed of the operating medium changes during partial load operation more or less strong over the cross-sectional area of the impeller. this is due on the one hand to the fact that at partial load, i.e. with a changed assignment between flow volume and delivery head, the individual sections of the impeller blades with increasing distance from the hub, an increasing increase in the energy content (Pressure + kinetic energy) of the operating medium, causing behind the Impeller develops a flow that becomes stronger with increasing distance from the hub is swirled, but has lower axial speeds. On the other hand is the uneven distribution of the inflow velocity of the operating medium over the cross-sectional area of the impeller due to the fact that at Part-load operation is known to be mainly in the edge area of the impeller, the so-called Form rotating stagnation zones ("rotating stall") in which the flow rate is approximately equal to zero and that rotate at a speed that is slightly slower is than the speed of rotation of the impeller.

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.The phenomena mentioned above, namely those with increasing distance from the hub increasing deceleration of the axial velocity of the flow behind the impeller and the formation of the rotating stagnation zones in the edge area of the impeller also cause a ring vortex to form on the wall of the flow channel in front of the impeller. This ring vortex, which, as if by close observation was found, both in the form of a closed ring and in the form of a or can form several ring segments distributed over the circumference, has the property that it runs at approximately the same speed as the so-called congestion zones in the circumferential direction both and approximately perpendicular to it rotates in itself.

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).As a result of the above-mentioned phenomena, there is a Damming up of the operating medium in part of the flow cross-section of the impeller. This results in a more or less pronounced change in the delivery head of the turbomachine and is the cause of the instability of the characteristic (VH characteristic) this machine in the area of a certain zone in the partial load area. This so-called "Unstable zone", in which the delivery head is both smaller than in the point of best efficiency as well as the delivery rate V = 0, is derived from the characteristic curve, also known as the throttle curve, can be seen (see Fig. 1, where the stable part of the characteristic curve is dashed and denoted by a, the unstable zone of the characteristic is hatched and denoted by b, is shown).

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.In order to avoid the instability of the characteristic of the The disadvantages resulting from centrifugal work machines are already various proposals been made. Attempts have already been made to remedy this instability by that in the case of an axial fan in the arrangement impeller-guide vane in front of the impeller a suction ring was arranged. Furthermore, an axial fan Proposed in the arrangement of inlet guide impeller between the impeller and the Flow guide vane a coaxial thin ring, a so-called outer ring, with if possible large diameter, namely with about eight tenths of the outer impeller diameter diameter to be installed. Although attempts have been made through various To achieve the goal of shaping the outer ring, the results were not satisfactory be achieved. An improvement in instability was achieved, but this was the case only at the expense of a significant deterioration in efficiency. the The inventors have now come to the conclusion that a stabilization of the characteristic achieved by gyroscopic work machines in a much more efficient and beneficial manner will. if for the purpose of hindering the formation or preventing the emergence of so-called rotating congestion zones in the outer area of the impeller and of ring vortices on the wall of the flow channel in front of the impeller on the wall during partial load operation of the flow channel a. but preferably distributed over the circumference of the flow channel several, at least approximately in the direction of the machine axis, flow-favorable trained. essentially radial ribs, blades or the like are arranged, whose height is at most half as great as that in the area of their longitudinal extension shortest distance between the inner and outer boundary of the flow cross-section, and its trailing edge immediately in front of the leading edge of the impeller blades and, viewed in the meridional section, this, as is known per se, essentially is adapted.

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.It is true that centrifugal pumps are known in which they are stationary in the flow channel Guide vanes are arranged similar to the ribs of the present invention. These however, extend substantially the entire distance between the inner and the outer limitation of the flow cross-section or, in another case. from the outer limit to almost the middle of the flow cross-section. Partly they serve to the centripetal field mixing processes from the suction side of the impeller overlay forth. They act on the rotating congestion zones and the ring vortices also to a certain extent oppose it, but particularly influence with theirs the part protruding into the area of the flow in the area of the impeller hub is the flow beyond the problem to be solved by the invention in an unintended one unfavorable way, the considerable frictional losses and thus corresponding losses in efficiency has the consequence. The latter is avoided precisely by the ribs according to the invention.

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.Through these ribs, which are approximately perpendicular with their flat extension the direction of rotation of the rotating ring vortices in front of the impeller as well as the rotating one If there are jam zones in the impeller, the rotating jam zones become much more effective dismantled or already prevented from developing than this is possible by a ring is whose profile in sectional planes perpendicular to the direction of rotation of the ring vortices and The congestion zone is relatively small and its flat extension is very high in all points exactly coincides with the direction of rotation, i.e. only revolving around these interference zones counteracts with the frictional effect between fault zones and ring.

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.As the rotating congestion zones change according to the respective conditions to a greater or lesser extent beyond the axial extent of the rotor blades up to extend in front of the impeller and accordingly also the ring vortices in one form more or less large distance from the impeller in front of this, is the trailing edge the rib, blade or the like immediately in front of the leading edge of the impeller blades arranged. The length of the rib in the axial direction is kept as small as possible, but at least as big. that their leading edge is at least the rotating ring vortex partly recorded. The location and shape of the leading and trailing edges of the ribs is made expediently also the respective conditions, d. H. the operating behavior adapted to the requirements of the machines. It follows that it is under Certain circumstances are sufficient if one or more, preferably up to twelve, Distributed on the circumference of the flow channel ribs both with respect to on their longitudinal extent as well as in relation to their radial extent in itself are currently being trained. For example, the ribs with in planes can be perpendicular to the longitudinal direction of the flow channel from the outside inwards steadily tapering Cross-section can be formed. However, it can also prove to be useful that the ribs, especially to generate a positive or negative twist, be formed single or double curved.

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.The application of the device according to the invention is not restricted On axial pumps and fans, they can rather be beneficial in the same way Way also find use with semi-axial pumps and axial compressors.

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.The invention is shown in the drawing in one embodiment and is explained in more detail below on the basis of this. It shows F i g. 2 in a longitudinal section through a flow channel, the impeller of a centrifugal work machine with a rib arranged in front of this, FIG. 3 this is a longitudinal cross-section the line a-a.

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.In the figures, 1 denotes the flow channel, 2 the blades and 3 the hub of the impeller of a centrifugal working machine arranged in the flow channel, for example an axial pump, which is flown against in the direction of the arrow. With The flow to the impeller is directly in front of the impeller on the wall of the flow channel, the rib 4 is arranged, the trailing edge 5 of which is the leading edge 2a of the blades 2 adapted and the leading edge 6 here as one under one Angle of about 45 = straight line inclined against the direction of flow. As shown in FIG. 2 is the axial distance between the leading edge 2a of the blades 2 and the trailing edge 5 of the rib 4 are dimensioned so that the exit end of the rib 4 both the dash-dotted border and hatched rotating ring vortex? in front of the impeller as well as with dashed border and hatched and indicated over the axial length the rotating stagnation zone 8 extending beyond the rotor blades 2 is detected. Like from the Section according to FIG. 3 can be seen, the rib 4 is exactly radial in its Direction from outside to inside, steadily tapering slightly conical profile formed and both in the direction of their exactly with the axis of the flow channel parallel longitudinal direction as well as in the direction of their radial extent in itself straight. Their radial extent is less than 0.5 of the radial extent of the blades. If necessary, can be used to shield the healthy Current against the hub dead area behind the impeller is also a known per se Hub ring with a diameter. depending on the respective hub ratio about 10 to 30% larger than the hub diameter, and an axial length of about 0.1 of the impeller outer diameter be arranged in the F i g. 2 and 3 is shown as a cylindrical ring 9 in phantom, but also, seen in longitudinal section, approximately conical or circular arc-shaped or similar can be.

Claims

Claims: 1 .. Device for stabilizing the characteristic of centrifugal work machines with axially flowed through arranged in a flow channel Impeller, in particular of axial pumps and fans, characterized in that, that for the purpose of hindering the training or preventing the emergence of so-called rotating congestion zones in the outer area of the impeller and ring vortices on the wall of the flow channel in front of the impeller at part load operation on the wall of the flow channel (1) one, but preferably several distributed over the circumference of the flow channel (1), at least approximately in the direction of the machine axis, flow-favorable formed, essentially radial ribs, blades (4) or the like. Arranged are whose height is at most half as large as that in the area of their longitudinal extension shortest distance between the inner and outer boundary of the flow cross-section, and the trailing edge (5) thereof immediately in front of the leading edge (2a) of the impeller blades (2) and, viewed in the meridional section, this, as is known per se, essentially is adapted.

2. Device according to claim 1, characterized in that the ribs (4) with regard to their longitudinal extension and / or with regard to their radial extension are just trained in themselves.

3. Device according to claim 1, characterized in that that the ribs (4) are single or double curved.

4. Setup after a of claims 1 to 3, characterized in that the ribs (4) with in planes perpendicular to the longitudinal direction of the flow channel (1) from the outside to the inside steadily tapered cross-section are formed.

5. Device according to one of the claims 1 to 4, characterized in that behind the impeller a known hub ring (9) from cylindrical, conical, circular arc-shaped or seen in longitudinal section similar shape with a depending on the respective hub ratio for example 10 to 3011 / o larger diameter than the hub diameter and an axial length of about 0.1 of the impeller outer diameter is arranged. Considered publications: French Patent No. 972,989; U.S. Patent Nos. 2,566,795, 2,306 742