DE202015106841U1

DE202015106841U1 - Zentrifugal-axiale Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE202015106841U1
Application number: DE202015106841.7U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-01-19
Anticipated expiration: 2025-12-17

Abstract

Strömungsmaschine mit zwei Flügelsätzen (4, 6) auf einer Achse, dadurch gekennzeichnet, dass
das Innenprofil der Flügel (4) des ersten Satzes im Querschnitt ein Bogen ist, und
dieser Bogen ist zur seiner Drehfläche so orientiert, dass der Winkel, der von der Drehfläche und von einer zum Bogen im Punkt des Gaseintrittes gerichteten Tangente gebildet wird, dem Winkel der drehenden Flügeln einer Axial-Strömungsmaschine entspricht, und
der Winkel, der von der Drehfläche und einer Tangente zum Bogen des Querschnittes der Flügel (4) gebildet wird, im Gasaustrittspunkt dem Winkel einer zentrifugalen Strömungsmaschine entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft Strömungsmaschinen, beispielsweise Verdichterstufen und Triebwerke von Apparaten mit Senkrechtstart und Senkrechtslandung.
Bekannt sind Radial-Strömungsmaschinen, die ein Kreiselrad mit Flügeln haben, bei denen die Flächen parallel zur Drehachse des Rotors sind. Die Bewegung der Gasmasse erfolgt durch Zentrifugalkräfte, die das Gas auf die radiale Richtung umleiten. Energieverluste ergeben sich bei der Veränderung der Gasbewegung und bei einem verhältnismäßig langen Weg der Gase im Spiralgehäuse.
Bekannt sind axiale Strömungsmaschinen, die ein Kreiselrad mit Flügeln haben, dessen Flächen im Winkel zu Raddrehachse orientiert sind. Die Bewegung der Gasmasse ist eine Spiralbewegung. Die Spiralachse fällt mit der Raddrehachse zusammen. Energieverluste entstehen durch die unproduktive Wirbelung der Gasmasse in die rotierende Bewegung und durch Zentrifugalbeschleunigung.
Bekannt sind koaxiale Triebwerke von Drehflüglern, in denen sich zwei Flügelsätze in entgegengesetzten Richtungen drehen. Auf solche Weise neutralisiert sich das reaktive Drehmoment, das auf den Flugapparat wirkt. Ein Nachteil dieses Triebwerkes sind Verluste, die mit Zentrifugalbeschleunigung der Luftmasse verbunden sind.
Bekannt sind axiale Verdichter, in denen mit den Flügeln gewirbelte Gasmasse durch die zum Gehäuse bewegungslosen Schaufeln ausgeglichen wird, und eine Nutzleistung wie Druck auf die bewegungslosen Schaufeln in die axiale Richtung erzeugt. Energieaufwand für die Zentrifugalbeschleunigung ist dabei unproduktiv.
Bekannt ist die technische Lösung, die zum Vorgänger genommen wurde, „Das Kreiselrad einer axialen Strömungsmaschine oder Verdichters und das Strömungsmaschinenrahmen eines Zweistufen-Doppelstromtriebwerks, das solch ein Kreiselrad benutzt” (Patent RU 2460905 C2 ). In dieser technischen Lösung bewirkt der Energiefluss in der radialen Richtung teilweise die Nutzleistung durch den Druck auf die Innenfläche der kegelförmigen Bahn oder den Leitschaufelträger. Aber der größte Teil der Energie von der radialen Verdichtung der Gasmasse bleibt ungenützt und geht nicht in die Nutzleistung ein. Ebenso ungenützt bleibt die Rotationsenergie des Gases. Und es entsteht ein Problem mit der Vorzugsverdichtung des Gases in der radialen Richtung, was die negative Wirkung des Überstroms des Gases auf den Stirnseiten der Flügel aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist das Erstellen einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Verdichterstufe mit gleichmäßiger Verdichtung des Gases auf der Drehfläche, die von den Flügeln der Strömungsmaschine oder des Verdichters gebildet wird, und mit einer besseren Nutzung der Energie der Zentrifugal- und Axialkraft des Gases, so dass der Wirkungsgrades gesteigert ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Strömungsmaschine aus zwei Flügelsätzen besteht. Der erste Flügelsatz nimmt beim Drehen den Gasstrom aus dem nicht angeregten Zustand. Der zweite Flügelsatz kann in Bezug auf das Apparategehäuse bewegungslos sein, oder kann sich in Gegenrichtung zum ersten Flügelsatz drehen. Die Form und das Profil des Querschnittes vom ersten Flügelsatz sind so erstellt, dass das Gas dabei die größtmögliche Beschleunigung in der axialen, radialen und drehenden Bewegung bekommt. Das Gas, wenn es sich durch das innere gewölbte Profil des ersten Flügelsatzes in der axialen, radialen und drehenden Richtung bewegt, strömt beim Ausgang von der Kante auf die Kante des zweiten Flügelsatzes. Die Längskanten des zweiten Flügelsatzes werden in jedem Punkt senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor des einlaufenden Gases orientiert. Bei der Weiterströmung durch das gewölbte Profil des zweiten Flügelsatzes wechselt das Gas seine Strömung auf die Parallele zur Drehachse der Strömungsmaschine. In der Variante mit der Gegendrehung des zweiten Flügelsatzes besteht der resultierende Gasgeschwindigkeitsvektor V aus der Normalgeschwindigkeit und der Längsgeschwindigkeit bezüglich der inneren Flügelfläche; beim Ausgehen von dem Flügel wird der Vektor dann parallel der Strömungsmaschinenachse gerichtet. Es ist auch möglich dem von den Kanten des zweiten Flügelsatzes ausgehenden Gas eine andere Richtung geben durch die Veränderung des Profils des Flügelquerschnittes. Zum Beispiel bei der Annäherung zur Flügeldrehachse oder beim Abstand davon. Solche Gasströmungen ermöglichen dann die Beschleunigungsenergie der Gasmasse in der zentrifugalen, axialen und drehenden Richtungen maximal auszunutzen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind darin mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Detailansicht einer Strömungsmaschine parallel zur Drehachse von der Seite des ersten Flügelsatzes, kombiniert mit einer Ansicht F ohne Ringe 5, 7 und mit einer Ansicht E-E – ohne den ersten Flügelsatz;
2 eine Schnittansicht der Strömungsmaschine durch eine Fläche, die auf der Drehachse der Strömungsmaschine verläuft;
3 eine Schnittansicht eines Details der Strömungsmaschine durch die Fläche, die auf der Drehachse der Strömungsmaschine verläuft;
4 eine Schnittansicht der Flügel durch eine Fläche, die senkrecht zur Längslinie des ersten Flügelsatzes ist;
5 eine schematische Detailansicht einer Strömungsmaschine parallel zur Drehachse von der Seite des ersten Flügelsatzes, kombiniert mit einer Ansicht F ohne Ringe 5, 7 und mit einer Ansicht E-E – ohne den ersten Flügelsatz;
6 eine Schnittansicht der Strömungsmaschine durch die Fläche, die auf der Drehachse der Strömungsmaschine verläuft;
7 eine Schnittansicht der Strömungsmaschine durch eine Fläche, die auf der Drehachse der Strömungsmaschine verläuft.
Die Strömungsmaschine besteht aus dem Gehäuse 1 mit einem Antrieb 2, der die Nabe 3 mit eingestellten Flügeln 4 und im Fall der koaxialen Variante auch den zweiten Flügelsatz 6 durch den Gegenrotationsmechanismus 8 zum Drehen antreibt. Der erste Flügelsatz 4 wird an den peripheren Stirnseiten durch den Ring 5 verbunden. Der zweite Flügelsatz 6 wird an den peripheren Stirnseiten durch den Ring 7 verbunden. Wenn die Erfindung als Verdichterstufe verwendet wird, kann der Ring 5 entfallen, und die bewegungslosen Flügel werden mit peripheren Stirnseiten am Außengehäuse des Verdichters befestigt, das den Innengasweg des Verdichters bildet.
Die von dem Antrieb 2 angetriebene Nabe 3 hat Flügeln, die mit einem gewölbten Profil im Querschnitt erstellt sind. Das Innenprofil der Flügel 4 des ersten Flügelsatzes ist im Querschnitt bogenförmig. Das Profil des ersten Flügelsatzes 4 und der Anlaufwinkel in Abhängigkeit von der Entfernung des Drehpunktes und von der Drehzahl muss die maximale Gasvergrößerung mit Erhaltung der Laminarströmung sicherstellen.
Das Gas, das sich am Innenprofil des ersten Flügelsatzes 4 unter Wirkung der Zentrifugalkraft beschleunigt, strömt in der radialen Richtung, und unter der Wirkung des gewölbten Profils strömt es in der axialen Richtung und gleichzeitig mit der Flügeldrehung bekommt es die resultierende Geschwindigkeitsvektor, die von der linearen Geschwindigkeit eines bestimmten Punktes der drehenden Flügel 4, von dem Flügelprofil im Hochdruckgebiet und von der Linienrichtung der Austrittskante der Flügel 4 zur Strömungsmaschinedrehachse abhängt. In diesem Fall ist die ganze Linie der Kante von dem ersten Flügelsatz 4 von der Seite des Stromaustrittes geradlinig und zum Strömungsmaschinedrehpunkt gerichtet. Es gibt noch eine mögliche Orientierung von der Längslinie der Kante vom ersten Flügelsatz. Zum Beispiel mit dem gewölbten Profil, das sich im Spiegelbild zum zweiten Flügelsatz orientiert. Die Längslinie der Flügel 6 hat eine Säbelform und das gewölbte Profil im Querschnitt. Die Längslinie der Flügel 6 orientiert sich zum resultierenden Geschwindigkeitsvektor des Gases, das von den Kanten der Flügel 4 so austritt, wenn bei der Annäherung der unteren Kante von der Flügel 4 mit der oberen Kante der Flügel 6 der Gasstrom bei einem bestimmten Winkel zur Kantenlinie der Flügel 6 eintritt. Dieser Winkel wird nach der geplanten Richtung des weiteren Gasaustrittes aus der Flügel 6 bestimmt. Auf den dargestellten Grafiken bildet der Winkel des Gasstromeintrittes etwa 90 Grad zur bewegungslosen Flügel 6, und das Gas, das aus dieser Flügel 6 austritt, strömt parallel zur Flügeldrehachse 4. Es gibt auch andere Varianten der Stromrichtung des Gases, das von der unteren Kante der bewegungslosen Flügel 6 ausgeht, zum Beispiel, auf die Annäherung mit der Drehachse oder auf die Entfernung. Aber in jedem Fall wird das Ziel der Nutzung der ganzen Energie der strömenden Gasmasse sowohl in der zentrifugalen als auch in der axialen Richtung erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

RU 2460905 C2 [0006]

Claims

Strömungsmaschine mit zwei Flügelsätzen (4, 6) auf einer Achse, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenprofil der Flügel (4) des ersten Satzes im Querschnitt ein Bogen ist, und dieser Bogen ist zur seiner Drehfläche so orientiert, dass der Winkel, der von der Drehfläche und von einer zum Bogen im Punkt des Gaseintrittes gerichteten Tangente gebildet wird, dem Winkel der drehenden Flügeln einer Axial-Strömungsmaschine entspricht, und der Winkel, der von der Drehfläche und einer Tangente zum Bogen des Querschnittes der Flügel (4) gebildet wird, im Gasaustrittspunkt dem Winkel einer zentrifugalen Strömungsmaschine entspricht.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bogen zu seiner Drehfläche so orientiert ist, dass der Winkel, der von der Drehfläche und von einer zum Bogen im Punkt des Gaseintrittes gerichteten Tangente gebildet wird, zwischen 3° und 70° beträgt und der Winkel, der von der Drehfläche und einer Tangente zum Bogen des Querschnittes der Flügel (4) gebildet wird, im Gasaustrittspunkt zwischen 70° und 95° beträgt.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenprofil der Flügel (6) des zweiten Satzes im Querschnitt ein Bogen ist, der sich in einer Fläche mit dem Geschwindigkeitsvektor des Gases, das aus dem drehenden Flügelsatz austritt, befindet.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgeschwindigkeitsvektor beim Austritt aus dem zweiten Flügelsatz (6) parallel zur Strömungsmaschinedrehachse gerichtet ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgeschwindigkeitsvektor beim Austritt aus dem zweiten Flügelsatzes (6) auf die Annäherung mit der Strömungsmaschinedrehachse oder auf die Entfernung von dieser gerichtet ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flügeln (6) des zweiten Satzes in Gegenrichtung zu den Flügeln des ersten Satzes drehen können.