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Regeleinrichtung für Kreiselpumpen Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung
für Kreiselpumpen, und zwar insbesondere für solche Pumpen, die dazu benutzt werden,
bei Flugtriebwerken den zur Nachverbrennung verwendeten Brennstoff zu fördern und
die mit einer zentralen Ansaugleitung für große Fördermengen versehen sind.
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Die Brennstoffpumpen für die Aufheizung oder Wiederaufheizung von
Triebwerken müssen, je nach den geforderten Belastungen, mit zufriedenstellendem
Wirkungsgrad eine sehr unterschiedliche Menge von Brennstoff zu den Einspritzdüsen
fördern.
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Bei bestimmten Triebwerkstypen muß z. B. ein und dieselbe Pumpe Brennstoffmengen
fördern können, die sich von schwachen Fördermengen im Reiseflug in der Höhe bis
zu Fördermengen, die nahezu hundertmal größer sind, in geringer Flughöhe mit großen
Machzahlen und bei niedriger Außentemperatur erstrecken.
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Das Fördern des Brennstoffes zur Nachverbrennung wird oft mittels
einer durch eine besondere Turbine angetriebenen Pumpe besorgt. Diese Turbopumpe
gestattet es, indem die Drehgeschwindigkeit dieser Turbine in Abhängigkeit der Höhe
verändert wird, die notwendigen Brennstoffördermengen zu gewährleisten, aber der
Gesamtwirkungsgrad der aus Triebwerk und Turbopumpe bestehenden Anlage ist zwangläufig
ziemlich schlecht. Zum Beispiel erfolgt im Falle eines Turbotriebwerkes die Energieübertragung
zur Turbine, die im allgemeinen durch Entnahme komprimierter Luft auf der Ausflußseite
des Verdichters des Turbotriebwerkes vor sich geht, nicht mit einem guten Wirkungsgrad,
wobei dieser übrigens noch durch die Veränderung der Drehgeschwindigkeit der Turbopumpenanlage
verringert wird.
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Man hat deshalb versucht, die Veränderung der Fördermenge der Pumpe
durch andere Mittel zu erreichen und hat bereits vorgeschlagen, dies durch Drosseln
der Fördermenge zu bewerkstelligen, und zwar entweder strömungsabwärts oder strömungsaufwärts
der Pumpe, wobei diese mit einer im wesentlichen konstanten Drehgeschwindigkeit
betrieben wurde. Die Drosselung strömungsabwärts ruft jedoch eine Erhitzung des
Brennstoffes hervor. Die Drosselung strömungsaufwärts bringt den Nachteil mit sich,
daß dadurch mit der Kreiselpumpe eine Vorrichtung geschaffen wird, die einer volumetrischen
Pumpe gleichkommt und zu bestimmten Arten der Steuerung der Nachverbrennung, welche
mit einem Drosselregelventil arbeiten, nicht geeignet ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin,
eine Regeleinrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der ein quasi
drehzahlveränderliches Kennlinienfeld erzielt wird, ohne daß für sie eine drehzahlgeregelte
Antriebsmaschine oder eine Drosselung mit den vorgenannten Nachteilen notwendig
wäre.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Pumpe mindestens
eine außermittige Ansaugleitung aufweist, die zur proportionalen Reduzierung von
Fördermenge und Förderhöhe den Schaufelkanälen auf einem den verlangten Förderdaten
entsprechenden Radius zwischen den Schaufeleintritts-und den Schaufelaustrittskanälen
den Förderstrom im Teillastbereich zuführt. Man benutzt somit bei geringen Fördermengen
nur den äußeren radialen Teil der Pumpenschaufeln und der darin strömenden Flüssigkeitssäule.
Dabei ist auch der Förderdruck verringert, so daß die obenerwähnte Erhitzung nicht'
zu befürchten ist.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachstehenden
Beschreibung an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen F i
g. 1 und 2 in schematischer Darstellung das Prinzip der erfindungsgemäßen Einrichtung,
F i g. 3 Kennlinien dieser Einrichtung, F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen
Teil einer erfindungsgemäßen Pumpe, F i g. 5 einen ähnlichen Längsschnitt wie F
i g. 4 durch eine erfindungsgemäße Ausführungsart, bei der die Pumpe einen doppelwandigen
Rotor besitzt, F i g. 6 einen ähnlichen Längsschnitt wie F i g. 4 durch eine weitere
Ausführungsart,
F i g. 6a einen Schnitt längs der Linie A-A in F
i g. 6, mit teilweise fortgebrochenen Teilen, F i g. 7 und 7 a das Geschwindigkeitsdiagramm
der äußeren Strömungszuführung am Eintritt eines einwandigen Rotors ohne und mit
Eintrittsleitrad, F i g. 8 eine ähnliche Schnittansicht wie F i g. 5 in vergrößertem
Maßstab, die insbesondere die äußere Zuführung durch Öffnungen der vorderen Rotorwand
im einzelnen zeigt, F i g. 8 a das zugehörige Eintrittsgeschwindigkeitsdiagramm
an den Rotorschaufeln, nach F i g. 8, F i g. 8 b eine ähnliche Darstellung wie F
i g. 8, jedoch einer anderen Ausführungsart, F i g. 9 eine der F i g. 4 ähnliche
Schnittdarstellung in vergrößertem Maßstab, die eine andere Anordnung der äußeren
Zuführung zeigt, F i g. 10 eine der F i g. 9 ähnliche Schnittdarstellung, die eine
weitere geänderte Anordnung zeigt, F i g. 10a einen Schnitt längs der Linie B-B
in F i g. 10, F i g. 11 einen Längsschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen
Pumpe, die einen teilweise offenen Rotor besitzt, F i g. 11 a eine Teildarstellung
des Rotors nach F i g. 11, und zwar in Ansicht in Richtung des Pfeiles f in F i
g. 11, F i g. 11b einen Schnitt längs der Linie Z-Z in F i g. 11 und 11a und F i
g. 12 einen ähnlichen Schnitt wie in F i g. 11 b, der eine andere Anordnung zeigt.
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In F i g. 1 und 2 ist das Laufrad der Kreiselpumpe schematisch bei
a dargestellt, die zentrale Ansaugleitung liegt bei b und die außermittigen Zufuhrleitungen
bei c. Die schraffierten Teile stellen die Teile dar, wo sich das Strömungsmittel
befindet. Bei großen Fördermengen wird das Strömungsmittel bei b angesaugt
und füllt alle Schaufeln und das Laufrad a
der Pumpe. Bei kleinen Fördermengen
ist die zentrale Ansaugleitung b geschlossen, und das durch die Leitungen c angesaugte
Strömungsmittel füllt nur den äußeren Teil der Pumpe.
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In F i g. 3, wo die Fördermengen Q auf der Abszisse und die Förderdrücke
P auf der Ordinate für eine konstante Drehgeschwindigkeit der Pumpe aufgetragen
sind, stellt die Kurve 1 die Pumpenkennlinie bei großen Fördermengen (Ausbildung
nach F i g. 1) und die Kurve 2 die Kennlinie bei kleinen Fördermengen (Ausbildung
nach F i g. 2) dar. Man sieht, daß bei der Ausführung nach F i g. 2 der Auslaßdruck
beträchtlich verringert ist.
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Bei der Ausführungsart nach F i g. 4 umfaßt die Kreiselpumpe folgendes:
eine zentrale Zufuhröffnung 3, das Laufrad 4, die Schaufel 5, die Welle 6, auf der
das Rad 4 aufgekeilt ist, und den Diffusor 7. Der Brennstoff kommt über die Leitung
8 an und wird unter Druck aus dem Diffusor 7 zum Verwendungsort abgeleitet.
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Gemäß der Erfindung steht eine ringförmige, im Gehäuse eingelassene
Sammelleitung 9 einesteils mit dem Pumpenraum an einem Ort zwischen dem Eingang
und dem Diffusor der Pumpe über mehrere Zufuhrkanäle 10 und andererseits
über einen Eingangskanal 11 mit der Hauptzufuhrleitung 8 in Verbindung. Ein Rückschlagventil
13 ist in dem Kanal 11 angeordnet. Ein Gabelrohr 12 verbindet das Rückschlagventil
13 mit der Hauptzufuhrleitung B. Zwischen dem Gabelrohr 12 und der Zufuhrleitung
3 ist in der Brennstoffeinlaßleitung 8 ein Schieber 14 angeordnet. In der Stellung
für große Fördermengen ist der Schieber 14 geöffnet, und der ganze Brennstoff strömt
durch die zentrale Zufuhrleitung 3. Das Rückschlagventil13 verhindert dabei, daß
der Brennstoff in die''' Zufuhrleitung 8 zurückfließt.
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In der Stellung für geringe Fördermengen ist der Schieber 14 geschlossen
und der Brennstoff strömt vollständig durch das Gabelrohr 12, den Kanal 11, die
Sammelleitung 9 und die Zufuhrkanäle 10, wobei das Rückschlagventil 13 den Brennstoff
aus der Zufuhrleitung 8 in die Zufuhrkanäle 10 und zum Pumpenraum einläßt. Das Strömungsmittel
kommt dann nicht mit dem zentralen Teil der Schaufeln in Berührung; nur der äußere
Teil der Schaufeln ist wirksam. Der Auslaßdruck und die Fördermenge werden also
geringer.
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Das Rückschlagventil13 kann durch ein Ventil ersetzt werden, dessen
Regelung mit der Regelung des Schiebers 14 verbunden ist.
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Die Vorrichtung kann auch gemäß einer in F i g. 5 dargestellten abgeänderten
Art bei einem mit doppelten Wänden 4a und 4b versehenen Rotor verwendet
werden, wobei die Rotorwand 4a bzw. die vordere Wand des Rotors ,gegenüber dem ringförmigen
Zu fuhrdurchlaß 10b Öffnungen 10a besitzt.
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Es ist verständlich, daß, wenn die Pumpe zur Speisung der Nachverbrennung
dient, der Brennstoff durch eine sogenannte Vordruckpumpe in die Zufuhrleitung 8
eingeführt und unter Druck aus dem Diffusor 7 zu den Einspritzbrennerdüsen der Nachverbrennung
geleitet wird.
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Um eine bessere Progressivität der Regelung zu erhalten, kann gemäß
der Ausführungsart nach F i g. 6 und 6a eine gewissermaßen über die ganze Breite
des Rotors kontinuierlich veränderliche Zuströmung vorgesehen sein, und zwar mittels
einer mit Fenstern versehenen Scheibe 15, die vor einem Verteiler 16 drehbar gelagert
angeordnet ist. Diese Scheibe 15 ist mit mehreren Reihen von Öffnungen 17, 18, 19
versehen, die gegenüber Schlitzen 20 des Verteilers zu liegen kommen können. In
der in der Zeichnung dargestellten Lage liegen nur die Öffnungen 17 der inneren
Reihe gegenüber den Schlitzen 20 und schaffen einen Durchgang für das Strömungsmittel,
das, wenn die Hauptleitung 8 geschlossen ist, von dem Raum 21 her eintritt.
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Wie es in F i g. 6 gestrichelt dargestellt ist, kann man durch Drehen
der Scheibe 15 nach und nach die Öffnungen der mittleren Reihe in eine Stellung
18a gegenüber den Schlitzen 20 und weiterhin die Öffnungen der äußeren Reihe in
die Stellung 19b führen. Wenn man die Scheibe noch weiter dreht, führt man die Öffnungen
in die Stellung 17 c, 18 c und 19 c, wo sie alle durch die Verteilereinrichtung
16 abgedeckt sind; die Zufuhrleitung 8 ist dann über einen Schieber, wie z. B. den
Schieber 14 nach F i g. 4, geöffnet.
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Die erfindungsgemäße Anordnung, von der im vorstehenden einige Ausführungsarten
als Beispiele beschrieben wurden, bringt gegenüber bekannten Einrichtungen, die
darin bestehen, die Fördermenge der Pumpe zu drosseln oder einen Teil davon abzuleiten,
insbesondere folgende Vorteile: eine geringere Erhitzung bei geringen Fördermengen,
eine geringere Leistung für die Förderung bei kleinen Mengen für eine gleiche Druckhöhe,
eine stabilere Arbeitsweise.
Die beschriebenen Ausführungsarten
können im Rahmen der Erfindung verschiedenartig abgewandelt und verbessert werden.
Insbesondere läßt sich eine Pumpe schaffen, die mehrere Förder- und Druckstufen
hat, in denen Sammelleitungen, nach Art der Sammelleitung 9, und Leitungen, wie
z. B. 10, in verschiedenen Durchmesserbereichen und mit unterschiedlichen Querschnitten
vorgesehen werden.
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An Stelle von Zufuhrkanälen mit Kreisquerschnitt, die gleichmäßig
über den Umfang verteilt sind, kann man für die Hilfszuführungen Leitungen in Form
von abschnittweise verteilten Rinnen oder vorzugsweise einen einzigen ununterbrochenen
ringförmigen Kanal anordnen.
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Die Zwischenregelungen der Fördermenge innerhalb einer jeden Stufe
können durch übliche Mittel, wie z. B. eine veränderliche Auslaßdrosselung, bewerkstelligt
werden.
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Um insbesondere die Dauerfestigkeit der Rotorschaufeln zu verbessern,
können verschiedene Anordnungen getroffen werden, die den Zweck haben, den Eintrittswinkel
der durch die äußeren Zufuhröffnungen eintretenden Flüssigkeit auf die Rotorschaufeln
zu vergrößern. Solche Anordnungen sind beispielsweise im Zusammenhang mit F i g.
7 bis 12 beschrieben.
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In F i g. 7 ist das Geschwindigkeitsdiagramm am Eintritt in die Schaufeln
4c eines mit einfacher Wandung versehenen Rotors 4 schematisch dargestellt, wobei
diese Schaufeln unmittelbar über eine Rinne oder einen ringförmigen Zufuhrkanal10c
gespeist werden. Für eine gegebene Umfangsgeschwindigkeit ü wird die Relativgeschwindigkeit
iv (die auf den Schaufeln einen Stoß verursacht, wenn das Schaufelprofil schlecht
angepaßt ist) vermindert, indem der absolute Geschwindigkeitsvektor c um einen Winkel
a geneigt ist, wie man in F i g. 7 a sehen kann. Dort wird die Neigung des Vektors
c mittels eines Verteilers 22 erhalten, der vorn mit in Drehrichtung des Rotors
geneigten Zufuhrkanälen 22a versehen ist. Zugleich bildet die Relativgeschwindigkeit
einen größeren Winkel mit der Umfangsgeschwindigkeit ü, woraus sich ein größerer
Eintrittswinkel in der Beschaufelung und damit ein weniger spitzes Schaufelprofil
ergibt; damit wird die Herstellung vereinfacht.
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Die F i g. 8 und 8 a zeigen ein Anwendungsbeispiel der mit Doppelwänden
4a, 4b versehenen Rotorausführung. Die Zufuhröffnungen 23 (angeordnet in
der Wand 4a, und zwar in ähnlicher Weise wie die Öffnungen 10a in F i g. 5) haben
Achsen (XY, X'Y'), die zu einem Angriffsrand 23a tangential geneigt sind, wobei
diese Eintrittskante genügend scharf ist, um einen der erhöhten Umfangsgeschwindigkeit
des Rotors entsprechenden Anprallstoß der Flüssigkeitsschicht zu vermeiden.
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Anstatt nur in Tangentialrichtung geneigt zu sein, können die Zufuhröffnungen
außerdem in Radialrichtung geneigt sein. Eine solche tangential und radial geneigte
Öffnung ist mit gestrichelten Linien in F i g. 8 dargestellt; ihre Achse ist in
F i g. 8 a längs von XY und in F i g. 8 längs von Xl'Yi projiziert.
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Ebenso wie ihre Neigung wird die Verteilung der Öffnungen auf dem
Umfang vorteilhafterweise so gewählt, daß die Zuführung möglichst auf der Druckseite
der Schaufel 4c erhalten wird, um auf die interzellulare Zirkulationsströmung im
gewünschten Sinn einzuwirken. Die in F i g. 8 und 8 a dargestellten Zufuhröffnungen
sind geradlinig. Oft muß man diese Lösung wählen, da sie leichter hergestellt werden
kann. Wenn es indessen die Gießverhältnisse gestatten, kann man diesen Öffnungen
vorteilhafterweise eine geeignet gekrümmte Gestalt geben, wie sie z. B. bei 24 in
F i g. 8b dargestellt ist.
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Insbesondere aus F i g. 8 ist ersichtlich, daß die Zufuhröffnungen
vorteilhafterweise in einem dickeren Wandungsteil der vorderen Wand 4a eingearbeitet
sind, um ihnen eine gewisse Führungslänge (im Verhältnis zum Durchmesser) zu geben,
die ausreicht, um auf eine genauere Art die Zufuhrrichtung zu bestimmen. Dieser
dickere Wandungsteil kann als Träger eines Labyrinthes 25 verwendet werden. Ein
äußeres Labyrinth 26 kann dadurch auf einen geringeren Radius gebracht werden, und
der hydraulische Längskraftausgleich des Rotors kann einfacher erhalten werden.
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Es ist ferner möglich, eine zweite äußere (nicht dargestellte) Strömungszuführung
vorzusehen, die in bezug auf die Achse UV der Schaufelströmung zu der ersten Strömungszuführung
symmetrisch ist, um auf den durchführbaren Fördermengensprung und auf die zwischen
den Schaufelräumen stattfindende interzellulare Zirkulation einzuwirken. Die Flügel
müssen dann eine geeignete Form haben.
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Um dem in die Pumpe eintretenden Brennstoff eine Umfangskomponente
zu geben und um den Vordruck zu erhöhen, kann man auch dem Brennstoff in der Zufuhrkammer
eine bestimmte Bewegungsgröße verleihen. Gemäß der in F i g. 9 dargestellten Ausführungsart
führt man in die Zufuhrkammer 9 wieder einen Teil des in den Diffusor 7 geförderten
Brennstoffes ein, und zwar über einen Kanal 27a, der in eine in dieser Kammer angeordnete
Strahldüse 27 mündet. Der über die Leitungen 11 ankommende angesaugte Brennstoff
wird durch den unter Förderdruck stehenden Brennstoff in Richtung des Auslasses
der Strahldüse 27 mitgerissen. Der letzteren wird man eine geeignete in Tangentialrichtung
und eventuell in Radialrichtung geneigte Stellung geben. Die Zufuhrleitungen 10
erhalten dann ebenfalls die notwendige Schrägstellung, derart, daß sie sich der
Strömung nicht widersetzen. Sie können übrigens zu einem einzigen kreisförmigen
Ringkanal vereinigt sein, der dem Brennstoff in Tangentialrichtung eine vollständige
Strömungsfreiheit läßt.
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Bei der Ausführungsart nach F i g. 10 und 10 a wird die äußere Strömungszuführung
von der Kammer 9 her über eine bestimmte Anzahl von vorn in Drehrichtung des Rotors
4 geneigten und auf einer Kreislinie mit dem Radius r1 angeordneten Leitungen 28
bewerkstelligt. Einen Teil der durch die Pumpe geförderten Flüssigkeit führt man
über in entgegengesetzter Richtung geneigte und auf einer Kreislinie mit dem Radius
r2, der im Falle einer Kreiselpumpe größer ist als der Radius ri, angeordnete Kanäle
29 zurück. Ein Teil des durch die Kanäle 28 eingeführten Strömungsmittels kehrt
über die Kanäle 29 in die Kammer 9 zurück, wo er dazu dient, das Strömungsmittel
vor der Strömungszuführung in Drehung zu versetzen.
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Der in F i g. 9 und 10 gezeigte Rotor 4 besitzt eine einzige
Wand. Selbstverständlich könnten die dargestellten Anordnungen auch bei Pumpen mit
doppelwandigen Rotoren angewandt werden.
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Im Falle von Pumpen mit einem offenen oder teilweise offenen Rotor
(und insbesondere, wenn der
Rotor einen. vorn angestückten Teil
besitzt) wird die äußere Zuführung _ yorteilbafterweise mit einer Anordnung.kombiniert,
wie sie in F i g. 11 und 12 dargestellt ist,- in der Weise, daß das Schaufelnde
aus einem Frässtück besteht, _ mit spitzem Winkel an der Eintrittskante um Erosion
durch Flüssigkeitsstoß auf- die Schaufeln zu vermeiden.
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Gemäß F i g. 11 besitzt der Rotor 4 eine hintere Wand 30 und
eine vordere Wand 31, die durch eine Verschraubung oder Vernietung 31a getragen
, wird, wobei- der äußere Teil 32 der Flügel dort, - wo die äußere. Zufuhr über
die Kanäle 10 stattfindet, offen gelassen ist. Das Frässtück des Außenteils, das
im Profil einen spitzen- Vorderkantenwinkel 32a besitzt, ist aus F i g. -11a, ersichtlich
(die eine Ansicht auf einen Teil des Rotors darstellt, in dem nur eine einzige Schaufel
veranschaulicht ist) und aus F i g. 11 b (die einen Schnitt längs der Linie Z-Z
in den F i g. 11 und 11a .darstellt).
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Das Profil des Schaufelendes kann für eine zweite äußere Zuführung,
die symmetrisch zur ersten erfolgt (in F i g. 11 bei 33 mit gestrichelten Linien
dargestellt), vorgesehen sein. Das Schaufelprofil selbst ist in bezug auf die Achse
UV der Strömung etwa symmetrisch, - wie es. F i g. 12 zeigt, und besitzt
zwei Angriffskanten 31a, 32b, die in einem spitzen Winkel angeschrägtsind.
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Die zuletzt beschriebenen Anordnungen sind aus herstellungstechnischen
Gründen im Falle .von geschlossenen Rotoren (doppelte Wände) öder im Falle eines
halb geschlossenen Rotors (mit hinterer Wand) schwierig durchführbar. IDägegen können
sie im Fälle eines offenen Rotors sehr- leicht zur Anwendung kommen. Die Form -des
äußeren Endes der Schaufel -kann dann in einer Gestalt vorgesehen sein, die dem
Profil angepaßt ist, um eine äußere Zuführung ohne Eintrittsstoß zu erhalten.
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Im Rahmen der Erfindung können die einzelnen Merkmale der Ausführungsarten
auch in jeder beliebig .geeigneten .Weise kombiniert bzw. durch äquivalente technische
Mittel ersetzt werden.