DE1930481A1

DE1930481A1 - Schaufel- oder Fluegelrotor

Info

Publication number: DE1930481A1
Application number: DE19691930481
Authority: DE
Inventors: Clifford Makin
Original assignee: Makearn Holdings Ltd
Current assignee: Makearn Holdings Ltd
Priority date: 1968-06-19
Filing date: 1969-06-16
Publication date: 1970-01-02
Also published as: BE734809A; NL6909433A; IL32415A0; AT308549B; FR2011959A1; GB1277416A; CH530560A

Description

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Ferniprecher: SO»JO ^r * S98012

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Telegrammantchrm: βλτεμταμμ/χιτε TelegrammanichrlH Bihrpal.nl. Harn· PATENTANWALTS Babelzpal München T.I.χ Ot 229 853 _, _ΑΛ Telex 05 245 62

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Bayrische V*reln»bsnk München 952287 Dreidner Bank AG Herne 202 4M Pontichedtkonto Dortmund 558 68

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Ref._: M 01 716

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MAEBARN HOIBINGS LIMITED, Gloucester, ENGLAND

"Schaufel- oder Plügelrotor"

Die Erfindung besieht sich auf Schaufel- oder Plügelrotoren, deren Schaufeln oder Flügel im Betrieb dazu dienen, der Fluidströmung durch oder längs der Rotoren eine Änderung in der radialen Strömungskomponente zu verleihen. Vorzugsweise wird die Erfindung bei Impellerrädern von Zentrifugal- oder sogenannten "Halbaxial"-Pumpen verwendet. Unter "halbazial" versteht man auf dem Fachgebiet Pumpen mit teilweise zentrifugaler, teilweise axialer Funktion, wobei ein alternativer Ausdruck manchmal mit "teilaxial" verwendet wird.

Die Erfindung; soll nun insbesondere mit Bezug auf solche Impellerräder beschrieben werden, ist in ihrer Verwendung hierauf jedoch nicht beschränkt. So können beispielsweise, falls dies zweckmäßig erscheint, die verschiedenen beschriebenen Merkmale bei Schaufeln eines ühirbinenrotors zu Anwendung gebracht werden.

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Alle Schaufel- oder Flügelrotoren, insbesondere Pumpen-Impellerräder, leiden an Leistungsverlusten aufgrund von Wirbeln oder Cavitation auf der Niederdruckseite der Schaufeln oder Flügel j erfindungsgemäß sollen nun zentrifugale oder halbaxiale Impellerräder mit verbessertem Wirkungsgrad aufgrund einer Verminderung in der Neigung zur Wirbelbil-dung oder zur Cavitation vorgeschlagen werden·

Erfindungsgemäß weist ein Schaufel- oder Flügelrotor wenigstens einen Flügel oder eine Schaufel mit einem Querschlitz oder einer Öffnung oder einer Reihe von Schlitzen oder Öffnungen auf, die im wesentlichen quer zur gesamten axialen Breite von Flügel oder Schaufel sich erstrecken, so daß tatsächlich die letztere in zwei Schaufel- oder Flügelteile im Abstand voneinander unterteilt wird und ein Durchlaß quer zur Schaufel oder zum Flügel zwischen diesen Teilen an einer Strömungszwischenstellung geschaffen wird.

Im folgenden wird Bezug genommen auf eine "Zwischenströmungsstellungⁿ| hierunter wird eine Stellung zwischen den strömungsauf wärts und strömungsabwärts liegenden Begrenzungen gesehen, in denen die Schaufel oder der Flügel direkt auf das Medium einwirkt oder das Medium direkt auf diesen einwirkt, welches sich relativ zu Schaufel oder Flügel während der Drehung des Rotors bewegt. Bei einer Schaufel eines Zentrifugal-Impellerrades beispielsweise befindet sich diese Stellung unter einem Zwischenradius bezüglich des "Auges" und des Umfangs des Impellerrades. Ein Impellerrad nach der Erfindung besitzt wenigstens eine Schaufel oder einen Flügel, die so ausgebildet sind, daß sie einen !Durchlaß durch den letzteren von Hochdruekauf Niederdruckbereiche während der Drehung des Impellerrades in einer Strömungszwischenstellung schaffen; um jedoch das Druekverhältnis noch weiter für eine gegebene spezifische Bimpengeschwindigkeit zu erhöhen, können eine Tielzahl solcher Kanäle vorgesehen sein. In diesem Fall wird die Schaufel oder

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der Flügel wirksam in verschiedene voneinander getrennte Teile unterteilt.

Vorzugsweise erstreckt der Kanal sich quer über die volle axiale Länge von Schaufel oder Flügel» die so vollständig in zwei Teile getrennt werden. Hierdurch ergeben sich die maximalen Vorteile der Erfindung ,es soll jedoch auch darauf hingewiesen werden, daß aus Festigkeitsgründen "bzw. zum Zwecke der Verstärkung beispielsweise die Teile durch ein oder mehrere relativ schmale Rippen verbunden sein können, die steh quer zum Kanal erstrecken.

Obwohl es sich bei dieser einen Schaufel oder diesem einen Flügel um die einzige Schaufel handeln kann, die in der beschriebenen Weise angeordnet mSx und geformt ist, mit einem geeigneten Ausgleich des Rotors zur Aufrechterhaltung eines dynamischen Ausgleiches^ sind normalerweise ein oder mehrere ähnliche Schaufeln oder Flügel symmetrisch bezüglich der Drehachse angeordnet, wodurch eine abgeglichene Anordnung geschaffen wird. Alle oder nur einige der Schaufeln oder Flügel des Rotors können in der vorher beschriebenen Weise angeordnet sein. Der oder jeder erfindungsgemäß vorgesehene Kanal kann schräg durch die Tiefe der Schaufel.hindurch geneigt verlaufen, um die Tendenz der Strömung, direkt hindurchzugehen, zu vermindern.

Erfindungsgemäß werden wesentlich Wirbel und Gegenströmungen des Mediums reduziert sowie der Druckunterschied zwischen den Stellen hohen und niedrigen Druckes in der Zwischenströmungsstellung, während der Gesamtd%ckunterschied, gemeinhin als Druckverhältnis bezeichnet, zwischen den strömungsaufwärts und strömungsabwärts liegenden Begrenzungen beibehalten oder gesteigert wird, d.h. zwischen dem Auge und dem Umfang der Zentrifugalund halbaxialen Impel!erräder.

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Die Erfindung ist äußerst weitgehend anwendbar auf beschäufelte oder mit Flügeln versehene Rotoren und ein beachtlicher Bereich unterschiedlicher Anordnungen und Konstruktionen kann

erfindungsgemäß verwendet werden, um einen gesteigerten Wirkungsgrad zu schaffen.

Eine Zentrifugalpumpe mit einem Impeller nach der Erfindung soll nun beispielsweise beschrieben werden, wobei diese Ausführungsformen verschiedene Modifikationen des Impellerrades nach der Erfindung zeigji, die beispielsweise in den beiliefc genden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Figur 1 ein Axialschnitt durch die komplette Pumpe ist;

Figur 2 ist eine Einlaßstimansicht des entsprechenden Impellerrades und zeigt dessen neuartige Anordnung;

Figur 3 ist eine ähnliche Anordnung und zeigt Modifikationen im Impellerrad.

Abgesehen vom Impeller 1 ist die Pumpe von im wesentlichen konventioneller Form und besitzt ein Spiralgehäuse 2 mit einem tangentialen Auslaß 3 und einem Axialauslaß 4, der in den Mittelberelch oder das "Auge" des Impellerrades 1 führt. Das Impeller- oder Laufrad ist auf einer Welle 5 gelagert, die ψ von einem Ende eines die Wellenlager 7 enthaltenden Lagergehäuses 6 vorsteht. Das Gehäuse 6 ist über Flansche gegen eine röhrenförmige Verlängerung 8 des Gehäuses 2 verbolzt, wobei die Verlängerung eine Wellenabdichtung 9 enthält. Eine Sekundärabdichtung 10 ist am benachbarten Ende des Lagergehäuses 6 angeordnet und Basislagerungsflansche 11 bzw. 12 sind integral mit dem Gehäuse 2 und dem Lagergehäuse 6 gegossen.

Das Impellerrad 1 ist von der Bauart mit einer Bückenplatte, die an einem Ende mit einem Ansatz 14 gegossen ist, durch die , sie auf der Welle 5 gelagert ist, auf der anderen Seite ist es mit einer Vielzahl von Schaufeln 15 besetzt, die von im wesent-

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lichen gewölbter Gestalt sind und in einer im wesentlichen Spiralen Reihe zwischen dem das Auge des Impellerrades bildenden inneren Radius und einem äußeren Radius am Umfang des Im-.pellerrades sich erstrecken. Erfindungsgemäß jedoch sind die Schaufeln vom Auge zum Umfang nicht kontinuierlich, wogegen bei einem Üblichen Impellerrad dieser Art jede Schaufel kontinuierlichen Verlauf besitzt.

Insbesondere nach Figur 2 besitzt jede der vier gleichen Schaufeln 15 einen schrägen Schlitz 16 (axial sum Impellerrad gesehen) an einer radialen Zwischenstellung, dessen genauer Ort von den Betriebsfaktoren abhängt und ganz genau durch Experiment festgelegt werden kann· Er kann entsprechend Faktoren wie Impellerradgröße» Arbeitsgeschwindigkeit und Pluidviskosität schwanken, in einigen fällen kann es sich als wünschenswert herausstellen, eine Vielzahl von Schlitzen, beispielsweise 16, an verschiedenen Stellen längs jeder Schaufel 15 vorzusehen. Jeder Schlitz 16 besitzt gerade parallele Seiten und verläuft an dem betrachteten Zwischenradius im wesentlichen entsprechend des Umfange und quer zur vollen axialen Breite der entsprechenden Schaufel, so daß jede Schaufel in zwei getrennte Schaufelteile 15a und 15b unterteilt wird, die teilweise mit einem Abstand sieh überlappen und einen Durchlaß zwischen den sich überlappenden Bereichen bilden. Hierdurch werden die bereits beschriebenen Vorteile sowie der zusätzliche Vorteil erreicht, daß durch das in der Sat vorhandene Abblasmedium bei hohem Brück gegen Sie Biederdruckseite jeder Schaufel eine verminderte Reibung während des Durchganges des Mediums durch das Impellerrad hervorruft. Das Ergebnis ist in gesteigertem Wirkungsgrad für eine gegebene spezifische Geschwindigkeit einem gesteigerten Druckverhältnis zu sehen.

Die erste, in Pigur 5 dargestellte Modifikation hat vier Schaufeln 17, die grundsätzlich ähnlich den bereits beschriebenen Schaufeln 15 sind und in feile 17a und 17b durch Schlit-

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ze 18 unterteilt sind. Die sich überlappenden Enden der Schaufelteile 17a und 17b laufen nun aus dem Radius hinaus, wie bei 19 und 20 jeweils dargestellt, wodurch ein stromlinienförmiger Kanal durch jeden Schlitz 18 von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite der entsprechenden Schaufel 17 gebildet wird. Die zweite Modifikation arbeitet mit einer im wesentlichen ähnlichen Schaufelanordnung, nur, daß anstatt des Schützens einer sonst normalen Schaufel wie 17 jede gestrichelt bei 22 dargestellte Schaufel genauer in zwei getrennte feile 22a und 22b unterteilt ist, wobei der äußere Teil 22 leicht in Drehrichtung R vorgeschoben ist. Dies erleichtert die Vorkehrungen für einen stromlinienförmigen Strömungskanal durch den Zwischenschlitz 23 zwischen den Teilen der sich überlappenden Enden, die von einer normaleren Schaufelform sein können,_s so daß tatsächlich die Schaufelteile so angesehen werden können, daß sie mit zwei gesonderten und teilweise überlappenden Schaufeln versehen sind, die über den Umfang, wie gezeigt, versetzt sind, wobei eine von diesen vom Auge des sich überlappenden Bereiches abgeht, während die andere sich von diesem Bereich zum Umfang erstreckt. Obwohl nur eine der Schaufeln 17 zum Zwecke der Darstellung in dieser Weise zur Bildung einer Schaufel 22 modifiziert dargestellt wurde, soll darauf hingewiesen werden, daß sämtliche Schaufeln in der gleichen Art und Weise normalerweise Kodifiziert werden.

Das Ersetzen jeder Schaufel wie in figur 2 durch zwei im Grunde gesonderte überlappende Schaufeln tritt in der dritten Modifikation stärker hervor, wo, wieder in gestrichelten Linien mit Bezug auf eine der Schaufeln 17 ein Kanal 24 zwischen ziemlich gesonderten Schaufelteilen 25a und 25b mit einem beachtlichen Abstand hierzwischen im überlappenden Bereich.vorgesehen ist. In diesem Pail hat das Impellerrad tatsächlich eine Reihe von vier Innenschaufeln (gebildet durch die Teile 25a,), die teilweise überlappen und fingerartig mit einer Reihe ▼on äußeren Schaufeln (gebildet durch die Teile 25b) ineinander

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greifen, von denen jedes vielmehr in einer Stellung in der Mitte zwischen den beiden unmittelbar benachbarten Innenschaufeln als bei der zweiten Modifikation angeordnet ist. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die inneren Teile 22a und 25a der Schaufeln 22 und 25 über den größten Seil ihres Radius nur nicht in den Bereichen der Kanäle 23 und 24 - das gleiche Profil wie die Schaufelteile 17a aufweisen.

In einer schließlich noch genannten Modifikation nach Figur 3 ist eine zusätzliche Reihe von vier kurzen Schaufeln vorgesehen, von denen eine gestrichelt bei 26 dargestellt ist, die vom Umfang nach innen sich erstrecken und mehr oder weniger zentral zwischen den Hauptschaufeln angeordnet sind. So enden die zusätzlichen Schaufeln an ihren innen gelegenen Enden an einem Zwischenradius, an dem ein'Durchlaß des Mediums durch sie auftreten kann. Es soll darauf hingewiesen werden, daß in diesem Fall die Anordnung der Hauptschaufeln einfache Schlitze wie in Figur 2 dargestellt, aufweisen kann oder durch die Schaufelan-* ordnungen der beschriebenen Modifikationen ersetzt werden kann.

Die Erfindung wurde zwar insbesondere mit Bezug auf Pumpenimpellerräder oder Laufräder beschrieben, selbstverständlich läßt sich diese aber allgemein auf Rotoren von Strömungsmaschinen anwenden, auf die im Betrieb -das Fluid wirkt oder die auf das Fluid wirken. Es soll auch darauf hingewiesen werden, daß die versetzten Schaufelanordnungen ..jaach der zweiten und dritten Modifikation auch eine Vielzahl von Durchlässen zwischen den Schaufelteilen an verschiedenen radialen Zwischenströmungsstellen aufweisen können, so daß jede die tatsächliche radiale Breite des Impellerrades überspannende Schaufel drei oder mehr versetzte Teile aufweist, die in radialer Richtung sich überlappen.

Patentansprüche 909881/1029 .

Claims

H 01 716

PATENTANSPRÜCHE

Schaufel- oder Flügelrotor, der der Fluids tr ömung durch oder längs des Rotors eine Änderung in der radialen Strömungskomponente erteilt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Schaufel oder ein Flügel einen Querschlitz oder eine Queröffnung oder eine Reihe von Schlitzen oder Öffnungen aufweist, die über im wesentlichen die gesamte axiale Breite von Schaufel oder Flügel sich erstrecken, so daß letztere in zwei im Abstand angeordnete Schaufel- oder Flügelteile unterteilt werden und ein Durchlaß durch Schaufel oder Flügel zwischen diesen Teilen in einer Strömungszwischenstellung geschaffen wird.
2.) Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Kanal quer zur vollständigen axialen Breite von Schaufel oder Flügel sich erstreckt. ■
3.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Impellerrad für eine zentrifug^ae oder halbaxiale Pumpe ausgebildet ist, derart, daß diese Zwischenströmungsstellung sich unter einem Zwischenradius bezüglich des Auges und des Umfangs des Impellerrades befindet.
4.) Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel- oder Flügelteile getrennt Ton einer Gegen- oder Rückplatte des Rotors vorragen.
5.) Rotor nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor voll ummantelt ist, wobei diese Schaufel- oder Flügelteile getrennt von der Gegen- oder Rüokplatte und einer Stirn- oder Torderplatte des Impellerrades vorragen.

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6.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel oder der Flügel eine aus einer Vielzahl geschlitzter oder geöffneter Schaufeln oder Flügel ist, •die symmetrisch bezüglich der Drehachse des Rotors angeordnet sind, derart, daß eine ausgeglichene Anordnung geschaffen wird.
7·) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schlitz oder jede öffnung einen Durchlaß aufweist, der schräg durch die Tiefe der entsprechenden Schaufel bzw. der entsprechenden flügel geneigt ist, derart, daß die Neigung für die Strömung, direkt hindurchzugehen, reduziert wird.
8·) Rotor nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Enden der gesonderten Schaufel- oder Flügelteile aus dem Radius laufen, derart, daß eine im wesentlichen stromlinienförmige Strömung durch den Kanal hervorgerufen wird.
9.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel- oder Flügelteile aufeinander ausgerichtet sind, derart, daß tatsächlich ein normales Schaufel- oder Flügelprofil in Axialrichtung abgesehen von der Trennung in zwei 5ö©ile geschaffen wird.
10.) Rotor nach Anspruch 2, oder Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Teile der oder jeder geschlitzten oder geöffneten Schaufel in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind, wobei der radial außen liegende feil den inneren in die beabsichtigte Drehrichtung führt. .
11.) Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Teile von is wesentlichen typischer integraler Schaufeloder Flügelform sind.

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12.) Rotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich-. net, daß die Schaufelteile eine beachtliche Überlappung in der radialen Richtung im Bereich des Durchlasses zwischen ihnen aufweisen.
13.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede geschlitzte oder geöffnete Schaufel an einer Vielzahl von radialen Strömungszwischenstellungen geöffnet oder geschlitzt ist, derart, daß tatsächlich die Schaufel in mehrere im Abstand angeordnete !Teile unterteilt wird«
14.) Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe zusätzlicher kurzer Schaufeln oder Flügel bzw. Blätter, die nach innen vom Umfang des Rotors verlaufen und an einem Zwischenradius enden, zwischen einer Reihe von Hauptschaufeln oder -flügeln positioniert sind, die Über die volle tatsächliche radiale Breite des Rotors sich erstrecken, von denen wenigstens eine diese geschlitzte oder geöffnete Schaufel bildet.

15·) Pumpe oder Turbine mit einem Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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