DE216525C - - Google Patents

Description

Elften = (Ejc

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

-JVl 216525-KLASSE 14 c. GRUPPE

WILLY LASCHKE in LAUBAN i. Schl.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 20. Februar 1908 ab.

Die vorliegende Erfindung ist eine Schaufelform für Kreiselräder zu Kraft-, Förder- und Treibzwecken, welche so gestaltet ist, daß bei dem Beschleunigungs- oder. Verzögerungsvorgange Energieverluste durch gegenseitige Verschiebung der Massenteilchen nach Möglichkeit vermieden werden.

Eine solche Schaufelform gemäß der Erfindung für Achsialturbinen ist in der beiliegenden

ίο Zeichnung in den Fig. ι und 2 dargestellt, wobei

Fig. ι einen achsialen Schnitt und
Fig. 2 einen Schnitt nach Linie A-B der Fig. ι zeigt.

Dabei ist das Medium als inkompressibel und die Achsialgeschwindigkeitskomponente c als konstant angenommen. Damit die einzelnen Massenteilchen des strömenden Mediums stets in einer gleichen gegenseitigen Lage bleiben, ist einmal die Schaufel S so gekrümmt, daß auf gleichen Erzeugenden die Massenteilchen gleiche Winkelgeschwindigkeit besitzen, und ferner in ihrer radialen Erstreckung so gestaltet, daß bei entsprechender Form des Gehäuses G der mit der Winkelgeschwindigkeit wachsende Zentrifugaldruck durch sofortigen Umsatz in Geschwindigkeit unter Vermeidung von Stau- und Rückströmungsverlusten unschädlich gemacht und durch Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit des Mediums ein Beitrag zum nutzbringenden Energieumsatz gewährleistet wird.

Zur Wahrung gleicher Winkelgeschwindigkeit der Massenteilchen beim Passieren gleicher Erzeugenden mit konstanter Achsialgeschwindigkeit wird das Medium auf gleichen Abständen von der Drehachse gleichmäßig, längs jeder Erzeugenden jedoch proportional den Achsabständen beschleunigt.

Der Schaufelabstand e muß zur Vermeidung von Rückströmungen die Bedingung erfüllen, daß

•y

worm 45

c² γ

in

50

55

Die neue Art Schaufelkonstruktion ist
den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt, wobei

Fig. 4 eine Vorderansicht, Fig. 5 eine Seitenansicht und Fig. 6 Schaufelschnitte darstellen.

Darin bezeichnen:

I = radiale Schaufellänge,

b = konst. = achsiale .Schaufelbreite,

Ji₁ · ■ · hj[ ~ f (ίί ■ · · I'll) ^z=z veränderliche Schaufelhöhe (am jeweiligen Umfang gemessen),

IvIu — f (V ■· ^ru) = Tangentialbeschleunigung (am jeweiligen Umfang gemessen), ej · ■ ■ e_u =f (rj ■ ■ ■ r_n) = Schaufelabstand,

Umfangsgeschw. d. Med. abhängig v. d. Schaufelbr.

Radius

= Winkelgeschwindigkeit für dieselbe Rotationsebene (konstant).

Nach dem bisher üblichen Konstruktionsverfahren (Fig. 3) wurden für den mittleren Radius der Schaufel die Ein- und Austrittswinkel errechnet und diese Winkelrichtungen durch tangierende Kreise miteinander verbunden. Die Radien der Kreise waren dabei willkürlich. Die Winkel und die Krümmung waren konstant für die Schaufelvorderseite.

Dagegen weist die neue Beschaufelungsart folgende Unterschiede auf:

1. Bei den neuen Schaufeln ergeben sich Winkelunterschiede.

Da das treibende (oder getriebene) Medium bei einer Achsialturbine nach Möglichkeit keine Radialbewegungen vollführen soll, müssen die einzelnen Massenteilchen sich stets in einem Gleichgewichtszustande in bezug auf die Achse

ίο befinden.

Diese Bedingung ist allein erfüllbar, wenn die einzelnen Massenteilchen in jeder Rotationsebene gleiche Winkelgeschwindigkeit (ω) erhalten. (Die Winkelgeschwindigkeit selbst ist wiederum eine Funktion der Schaufelbreite.) Folglich müssen sich bei konstantbleibender Achsialgeschwindigkeitskomponente des strömenden Mediums die Ein- und Austrittswinkel nach der mit wachsendem Radius größer werdenden Umfangsgeschwindigkeit richten.

2. Nach dem neuen Verfahren ist die Schaufelkrümmung veränderlich.

Entsprechend der veränderlichen Umfangsgeschwindigkeit muß zur Wahrung der gleichen Winkelgeschwindigkeit in derselben Drehebene auch die Beschleunigung (oder Verzögerung) in gleichem Maße zunehmen, wodurch sich dann auch wieder die Winkeländerungen von selbst ergeben.

.3. Bei größeren Winkelgeschwindigkeiten und Schaufelhöhen h müssen die Schaufel in ihrer Längserstreckung und dementsprechend auch die Gehäusewandungen G eine ganz bestimmte Form erhalten, wenn in allen Achsabständen gleichmäßige Achsialgesch windigkeiten (c) herrschen sollen.

Man hat dabei mit dem Achsialdruck

Infolgedessen ist auch

Po =

2g

und dem Radialdruck durch die Zentrifugalkraft

— ,„2

2g

zu rechnen. Die gemeinsame Druckresultante muß stets senkrecht zur Gehäusewand stehen. Der Druck

P = »* ('J- Π*) -~_g

ist abhängig von

q-.t

r r

und demnach eine Funktion der Schaufelbreite.

Da das Medium als inkompressibel vorausgesetzt war, ist

_v 2__r.2 — L·.

p = ω

F · γ

Hierin ist

eine Konstante und mithin

ergibt sich

p = ω²-C.

Die Neigung (α) des äußeren Schaufelrandes und der äußeren Gehäusewandung G ist nun ■ gegeben durch

Die jedesmaligen radialen Schaufelhöhen sind zu ermitteln

y.2) Jj- 77

Aus der Gleichung p = to² · C ergibt sich, daß an den Stellen, wo ώ = 0 ist, die äußere Wandung des Gehäuses parallel der Achse verläuft, während dieselbe bei ω_ηΐ!1χ am steilsten ist.

An den Spaltstellen zwischen Leit- und Laufschaufel verläuft die Neigung geradlinig, da cu dort nahezu konstant ist.

Sonst ist die Gehäusekrümmung auf der Strecke des Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorganges eine parabolische.

Bei kleinen Zentrifugaldrücken j> im Verhältnis zu dem Achsialdrucke ft₀ weicht die Gehäuseform im Ganzen nur wenig von der zylindrischen Gestalt ab. Bei umgekehrten Verhältnissen kann man jedoch zu Formen gelangen, welche den üblichen Formen der Hochdruckzentrifugalpumpen sehr ähnlich sind.

Somit ist bis auf die Wahl der absoluten Größe der Beschleunigungen die Form der Vorderseite einer Schaufel für achsiale Strömung einseitig festgelegt.

■Herstellungsschwierigkeiten liegen nicht vor, da die Erzeugenden stets radiale Gerade sind und bei entsprechender Wahl der Winkel die Schaufelform durch die Krümmungskreise der Parabeln gewonnen werden kann. Die Form der Rückseite der Schaufel ist von der Beschaffenheit des strömenden Mediums (spez. Gew. »y« konstant oder mit dem Druck veränderlich) und von der Art der Wirkungsweise der Maschine (Druck- oder Überdruckturbine) abhängig.

Zur Ermittlung der erforderlichen Schaufeldicke muß man die Druckverhältnisse in einem Schaufelkanal berücksichtigen.

Bei der Annahme einer inkompressiblen Flüssigkeit (spez. Gew »yn = konstant) als Medium ergibt sich:

i. durch die Zentrifugalbeschleunigung ein in jeder Rotationsebene einer Schaufel von

Null (innerer Radius) bis zum . Maximum (äußerer Radius) gesetzmäßig längs der Schaufellänge zunehmender Druck (Fig. 8 a). Infolge der in jedem Zylinderschnitt gleichmäßigen tangentialen Beschleunigung (oder Verzögerung) tritt eine parabolische Zu- oder Abnahme des Druckes j> =f (u)² gemäß der linearen Änderung (Fig. 8 b) der Umfangsgeschwindigkeitskomponente des Mediums abhängig von der jeweiligen Weglänge der Schaufelbreite ein (Fig. 8 c);

2. ergibt sich durch die Ablenkung des Mediums von seiner Absolutbahn zunächst ein in gleichen Achsabständen (wegen gleicher Masse und gleicher Beschleunigung oder Verzögerung) über die ganze Schaufelbreite gleich großer Überdruck (Fig. 9 a) auf der Schaufelvorderseite gegenüber dem Druck auf der Schaufelrückseite.

Bei inkompressiblen Medien erfolgt diese Druckzunahme über die Kanal breite (e) nach linearem Gesetz (Fig. 9 b); über die Schaufellänge (I) nimmt das Druckmaximum mit dem Produkt """ "

von

zu (Fig. 9 c).

Dagegen findet infolge des parabolischen Gefälles (h) von den Ein- und Austrittskanten nach dem Scheitel der Schaufelkrümmung zu eine Steigerung des Druckes nach parabolischem Gesetz statt (Fig. 10 a). Bei Rückkrümmung der Schaufel setzt sich dieser Druck bis auf die Differenz der Schaufelhöhen k bei Ein- und Austritt wieder in Geschwindigkeit um (Druck- oder Überdruckturbinen). Bei gleicher Gefällhöhe h herrscht in dem Schaufelspalt kein Überdruck, sondern nur eine Geschwindigkeitsdruckhöhe

H =

(Fig. 10 b).

Während also der absolute Druck in der Schaufel schon allein durch das Produkt aus

—— festgelegt ist und der Energieumsatz

H =

2?

von der Beschleunigung (q) und der Zeit ihrer Wirksamkeit (t) abhängig ist (u = q · t), hat man bei der Wahl des Schaufelabstandes noch zu berücksichtigen, daß der Überdruck auf der Schaufelvorderseite nie größer als der in der kinetischen Energie der achsialen Geschwindigkeitskomponente (c), sondern höchstens gleich diesem werden darf, da sonst Rückströmungsverluste eintreten würden.

Wenn die Strömungsgeschwindigkeiten sich ändern sollten, so daß kein stoßfreier Eintritt bei derselben Umdrehungsgeschwindigkeit mehr stattfindet, so bleibt diese letzte Bedingung doch noch erhalten, da sich dann, wie leicht herzuleiten ist, auch die Beschleunigungen ändern; wenn c' und q' die neuen Größen bedeuten, so ist

Bei inkompressiblen Medien ist demnach Form, Länge, Breite und Abstand der Schaufeln bekannt und diese müssen von gleichbleibender Dicke in tangentialer Richtung sein.

Anders gestalten sich die Verhältnisse bei Gasen und Dämpfen, da mit den auftretenden Druckveränderungen zugleich Volumenveränderangen einhergehen.

Da jedoch stets der Anfangsdruck, die Potentialhöhe und die Beschleunigung bekannt sind, kann man die sich einstellenden Volumenverkleinerungen in tangentialer und radialer Richtung berechnen und durch Verstärken der Schaufelrückseite und der inneren Kanalwandungen unschädlich machen. (Siehe Querschnitt Fig. 7.)

Zum Unterschiede von der bisherigen Art der Schaufelkonstruktion ergeben sich hier Anhalte für die Gestaltung der Schaufelrückseite.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch :

   Schaufelform für Kreiselräder zu Kraft-, Förder- und Treibzwecken, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium infolge gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit der Massenteilchen so verzögert oder beschleunigt wird, daß sich die Massenteilchen nicht gegeneinander verschieben.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.