DE2313403A1

DE2313403A1 - Axial-stroemungsmaschine

Info

Publication number: DE2313403A1
Application number: DE2313403A
Authority: DE
Inventors: Harvey Ernest Richter
Original assignee: TEC GROUP
Current assignee: TEC GROUP
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1973-03-17
Publication date: 1973-10-04
Also published as: GB1390741A; US3786996A; FR2177400A5; IT981970B

Description

AXIAL-STROMUNGSMASCHINE

Die Erfindung betrifft Strömungsmaschinen, insbesondere Axial-Strömungsmaschinen mit einem Gehäuse, einem in diesem Gehäuse drehbar gelagerten zylindrischen Laufrad mit einem Eintritts- und einem Austrittsende und einem dazwischenliegenden definierten Strömungsdurchlaß sowie mehreren, jeweils an einer Innenwandung des Laufrads befestigten und von dort radial nach innen verlaufenden Laufschaufeln.

Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Axial-Strömungsmaschine mit einer Laufschaufelausbildung besonderer Art zu schaffen.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Laufschaufeln jeweils in einer längs zur Schaufel verlaufende« messerartigen Schneide enden, die über die Länge der Schaufel zwischen deren entgegengesetzten Enden mit fortschreitend zunehmendem radialem Abstand von der Innenwandung des Laufrads verläuft.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte Axial-Strömungsmaschine zu schaffen, die sich für eine Vielzahl unterschiedlicher Verwendungszwecke eignet und gleichzeitig strengen Leistungsanforderungen unter harten Einsatzbedingüngen bei minimaler Wartungsanfälligkeit genügt.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Axial-Strömungsmaschine der beschriebenen Art zu schaffen, die in besonderer Weise geeignet ist, einen im wesentlichen verstopfungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Damit verbunden ist das Ziel, eine Maschine dieser Art mit einer neuen und verbesserten Laufschaufelanordnung zu schaffen, die durch eine schlagmesserartige Schneidwirkung Fremdkörper, wie z.B. Tang, Klärschlamm usw., die normalerweise dazu neigen, herkömmliche Maschinen dieser Art zu verstopfen und zum Stillstand zu bringen, zerschneidet und zu einem leicht zu fördernden Ablauf zerkleinert.

Die Erfindung hat weiter die Aufgabe, eine Maschine der beschriebenen Art zu schaffen, die sich durch korn-

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pakte Bauart sowie schnelle und einfache Herstellung, Montage und Wartung auszeichnet.

Weitere Aufgaben der Erfindung sind teils augenscheinlich, teils werden sie nachstehend im einzelnen aufgezeigt.

Ein besseres Verständnis der Aufgaben, Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Zusammenhänge der Erfindung ergibt sich aus der folgenden eingehenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Verwirklichung des Grundgedankens der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels anschaulich dargestellt wird.

In den Zeichnungen ist

pig. 1 eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Maschine,

Pig. 2 eine axiale Endansicht in vergrößertem Maßstab, die als Teilansicht eine Projektion des Schaufelprofils der Maschine nach Fig. 1 zeigt,

Fig. 3 eine weitere Teilansicht in vergrößertem Maßstab mit einem Schnitt, der im wesentlichen längs der Linie 5-3 in Fig. 2 verläuft, und

Fig. 4 eine weitere Teilansicht in vergrößertem Maßstab mit einem Schnitt, der im wesentlichen längs der Linie 4-4 in Fig. 3 verläuft.

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Im einzelnen zeigen die Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung der Anschaulichkeit halber als Teil einer als Ganzes mit 10 bezeichneten Axial-Strömungsmaschine. Die Erfindung kann zwar in verschiedenen Formen Anwendung finden, wie z.B. als Strömungskraftmaschine der in dem am 22. August I96I erteilten TJ.S. Patent Nr. 2 997 015 der Anmelderin mit dem Titel "Marine Propulsion Device" (Schiffsantrieb) beschriebenen Art, wird Jedoch hier beispielhaft-im Zusammenhang mit einer Pumpe dargestellt und beschrieben. Ferner kann die Erfindung für eine Vielzahl unterschiedlicher Pumpaufgaben, wie z.B. das Pumpen von Schlamm, Abwasser, Sand usw., eingesetzt werden, eignet sich aber ebenso gut auch für Baggerarbeiten, das Umpumpen von Öl, zum Obsternten und Unkrautjäten sowie andere industrielle Prozesse, bei denen eine Pumpwirkung erforderlich ist.

Bei der Pumpe 10 handelt es sich um eine Axialpumpe mit zentralem Strömungsdurchlaß der in dem am 4· Oktober 1966 erteilten U.S. Patent Nr _β 3 276 382 der Anmelderin mit dem Titel " Fluid Flow Device" (Strömungsmaschine) beschriebenen Art. Die Pumpe 10 besitzt ein im wesentlichen zylindrisches Laufrad 12 mit Laufschaufeln 14· Das Laufrad 12 bildet einen Durchlaß für fließende Medien wie z.B. Flüssigkeiten, Gase oder Feststoffe oder Mischungen und/oder Lösungen von Flüssigkeiten, Gasen und Feststoffen. Das Laufrad 12 ist drehbar in einem als Ganzes mit 16 bezeichneten Gehäu

Haschinen dieser Art werden normalerweise angetrieben und benötigen eine geeignete Kraftquelle, wie z.B. einen Motor (nicht gezeigt), um eine mit einem Getriebe in Antriebs verbindung stehende Antriebswelle 18 in eine drehende Bewegung zu versetzen. Außerdem sind geeignete Lager erforderlich, um das Laufrad 12 in Längsrichtung zu positionieren und drehbar in Gehäuse 16 zu lagern. Bekanntlich ergeben sich bei herkömmlichen Maschinen dieser Art gewisse Probleme. Bestimmte mechanische Dichtungsaufgaben im Zusammenhang mit Haschinen dieser Art, die bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten lange Zeit erhebliche Schwierigkeiten bereitet hatten, konnten vom Erfinder des Gegenstands dieser Anmeldung kürzlich gelost werden. Vom gleichen Erfinder wurde auch eine Möglichkeit zur schnellen und einfachen Einstellung der Dichtkräfte bzw. Anpreßdrücke zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen geschaffen. Eine zwangläufige mechanische Gleitringdichtung, die diese Schwierigkeiten überwindet, ist Gegenstand der Patentanmeldung der Anmelderin, in der die spezifische Ausbildung des in Fig. 1 gezeigten Gehäuses und Laufrads vollständig beschrieben wird. Der Gegenstand besagter Patentanmeldung wird durch Hinweis in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen.

Das Gehäuse 16 definiert und umschließt eine Schmier-

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mittelkammer mit einem das Laufrad 12 umgebendoi ringförmigen Teil im Unterteil 20 des Gehäuses 16. Geeignete Antriebs- und Lagerelemente sind im Gehäuse 16 angeordnet und gewährleisten eine drehbare Lagerung des Laufrads 12. Das Laufrad 12 ist mit einem (nicht dargestellten) Außenzahnkranz versehen, der auf einer Außenwandung des Laufrads angeordnet ist und mit einem geeigneten Zahnrad in Eingriff steht, das seinerseits in Antriebsverbindung mit der Antriebswelle 18 steht, wie in der oben erwähnten Patentanmeldung der Anmelderin gezeigt.

Eine Schwierigkeit, die bei zahlreichen unterschiedlichen Anwendungsarten von Axial-Strömungsmaschinen seit eh und je auftritt, ergibt sich daraus, daß diese Maschinen mit gutem Wirkungsgrad arbeiten müssen, ohne durch Fremdkörper in flüssigen oder sonstigen das Laufrad durchströmenden Medien verstopft zu werden, da dies unerwünschte und kostspielige Ausfallzeiten zur Folge hat.

Zur Lösung dieses Problems bei einer Axial-Strömungsmaschine mit umkehrbarer Strömungsrichtung, bei der das Medium den Strömungsdurchlaß je nach der Drehrichtung des Laufrads in der einen oder anderen Längsrichtung durchströmen kann, ist das Laufrad 12 des dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Schaufeln 14

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▼ersehen, die sich von einer in Umfangsrichtung verlaufenden Innenwandung 22 des Laufrads radial nach innen erstrecken, wobei jede Schaufel 14 sich in der Weise verjüngt, daß ihre radiale Länge von einem Ende 14b »um entgegengesetzten Ende 14a fortschreitend kürzer wird. Wenn also das linke Ende des Laufrads 12 nach der Darstellung in Fig. 3 als das normale Eintrittsende anzusehen ist, so verjüngen sich die Schaufeln 14 bei der dargestellten Ausführungsform jeweils über die Länge der Schaufel zum normalen Eintrittsende des Laufrads hin, wobei die radial am weitesten nach innen ragende Seite der Schaufel I4 jeweils mit einer messerartigen Schneide 24 (Fig. 4) versehen ist.

Die Schaufeln I4 sind sämtlich spiralförmig ausgebildet, vorzugsweise mit echt schraubenförmigem Verlauf. In Drehung versetzt, wirken sie wie ein Propeller und fordern das fließende Medium durch das Laufrad 12. Durch die Schaufeln Η wird auf den Umfang jedes beliebigen Stroms eines fließfähigen durch das Laufrad 12 geförderten Materials direkt eine treibende Kraft ausgeübt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein stetiger, axial gerichteter, kraftvoller Förderstrom in einer im wesentlichen verstopfungsfrei arbeitenden Maschine erzielt, in der mehrere Schaufeln 14 mit im wesentlichen parallel· Anstellung und gleicher Steigung in gleichen Abständen zueinander an der Innen-

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fläche des Laufrads 12 um dessen Hauptlängsachse angeordnet sind* Von einem axialen Ende des Laufrads 12 aus in Richiung der Hauptlängsachse des Laufrads gesehen, wie in Fig. 2 gezeigt, überlappen sich die Schaufeln 14 nicht. Vielmehr zeigt sich bei Projektion des Schaufelprofils in eine Ebene senkrecht zur Hauptachse des Laufrads, daß jede Schaufel I4 mit Abstand zu einer benachbarten Schaufel I4 angeordnet ist, wobei die Spitze 26 jeder Schaufel 14 an derena Punkt " maximaler radialer Tiefe symetrisch mit Abstand zu den anderen Schaufeln I4 um die Hauptachse des Laufrads angeordnet ist. Fig. 2 zeigt ferner, daß die Steigung und Anstellung jeder Schaufel I4 selektiv so bemessen und geformt ist, daß die rechtwinklige Projektion jeder Schaufel I4 in eine senkrecht zur Hauptachse des Laufrads liegende Ebene sich bei der dargestellten Dreischaufelanordnung umfänglich über weniger als 120° bzw. l/n des Umfangs des Laufrads 12 erstreckt, wenn "n" die Anzahl der am Laufrad 12 angeordneten Schaufeln I4 angibt.

Durch die vorstehend beschriebene schraubenförmige Ausbildung der Schaufeln mit axialer Verjüngung ergibt sich eine wesentlich verbesserte messerartige Schneidwirkung, die durch Verjüngung der Querschnittsdicke jeder Schaufel in Richtung auf ihre innere Schneide 24 (Figo 4) weiter verstärkt wird. Eine schnelle und einfache War-

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tung der messerartigen Schaufel-Schneiden 24 ist dadurch gewährleistet, daß alle Schaufeln 14 austauschbaren, einzeln montierten Messervorrichtungen 28 versehen sind, an denen sich die vorzugsweise mit Hohlschliff geschärften und über die ganze Länge der Schaufel I4 verlaufenden Schneiden 24 befinden. Die Messervorrichtungen 28 sind mit geeigneten Befestigungs«. teilen z.B_o der in der zeichnung gezeigten Kopfschraube 30 an der jeweiligen Schaufel Η befestigt, und zwar vorzugsweise mit Überlappung relativ zur zugehörigen Schaufel I4, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. Ausbau und Austausch der Messervorrichtungen 28 werden durch die offenbarte erfindungsgemäße Anordnung der Laufschau-· fein und den axial ungehinderten mittigen Strömungs-· durchlas der Maschine weiter vereinfacht«

Im Betrieb teilt das rotierende Laufrad 12 den durch den Strömungsdurchlaß geförderten Medien eine Zentrifugalkraft mit. Dabei wirken die Schaufeln I4 in beträcht« licher Tiefe auf den Umfang eines Förderstroms ein. Etwaige Fremdstoffe in den fließenden Medien werden nach außen, zum Außenumfang des Förderstroms gedrängt, wo die Umfangsgeschwindigkeit und Schneidwirkung der Schaufeln 14 am größten ist. Etwaige, auf die Schaufeln I4 auf·· treffende Fremdkörper werden also insbesondere von den verjüngten Endabschnitten 14a der Schaufeln I4 mit kräftiger, schlagmesserartiger Wirkung zerteilt» Be-

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dingt durch die propellerartige Schubwirkung der Schaufeln 14 in Verbindung mit deren schraubenförmiger Ausbildung und der offenbarten Verjüngung Jeder Schaufel 14 in Richtung des verjüngten Endabschnitts 14a» gleiten die in den fließenden Medien enthaltenen Fremdkörper an der Schneide 24 der Schaufel entlang, so daß von den aufeinanderfolgenden Schaufeln I4 des stetig rotierenden Laufrads 12 eine kontinuierliche Schneidwirkung ausgeht und die Fremdkörper sukzessive erfaßt und zu einem leicht zu fördenden Ablauf zerkleinert werden. Diese Schneidwirkung hat sich bei der Zerkleinerung langfaseriger Stoffe, wie z.B. Tang, als äusserst wirksam erwiesen, insbesondere deshalb, weil längliche Fremdkörper dieser Art normalerweise bei Eintritt in die Maschine 10 in Strömungsrichtung axial ausgerichtet werden. Die konisch verjüngte' Querschnittsform der Schaufeln 14» wie sie am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist, trägt weiter dazu bei, Feststoffe physisch zu serkleinern.

Die Ausbildung des Laufrads mit einem mittig angeordneten, axial ungehinderten Strömungsdurchlaß ermöglicht die Förderung einer Vielzahl unterschiedlicher Stoffe durch das Laufrad 12, dhne daß dabei Verstopfungen auftreten. Es können Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase sowie Mischungen oder Lösungen derselben in unterschiedlichen Kombinationen gefördert werden,, Wirkungsgrad und

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Wirksamkeit des Laufrads 12 steigen kontinuierlich mit steigender Drehzahl und Leistung. Der Axialschub einer Schaufel 14 der offenbarten Ausführung nimmt mit steigender Schaufelgeschwindigkeit ohne Abfall der Schubleistung zu. Die konisch verjüngte radiale Bemessung der Schaufel 14 relativ zum Laufrad 12 vereinfacht zudem die Säuberung der Maschine durch Umkehrung der Drehrichtung, wenn dies erwünscht ist. Nach Durchströmen der Schaufeln 14 tritt das geförderte Medium in einer kreisenden Wirbelbewegung aus. Diese Bewegung kann in Verbindung mit der den fließenden Medien mitgeteilten Geschwindigkeit für bestimmte Verwendungszwecke ein zusätzlicher Vorteil sein. So könnte die offenbarte Maschine beispielsweise ohne irgendwelche Düsen, Filter usw. dazu verwendet werden, heißes Seewasser mit Tang, Muschelschalen usw. in einer homogenisierten Mischung ins Freie zu pumpen, wie dies bei bestimmten industriellen Prozessen erforderlich ist. In dem gepumpten Material könnte bei verstopfungsfreiem Betrieb auf wirksame V/eise ein, auf die angewandte Antriebsleistung bezogen, maximaler Temperaturabfall erzielt werden. Infolge des kreisenden Strömungsbildes der geförderten Medien würde die erfindungsgemäße Axial-Strömungsmasehine eine hohe absolute Geschwindigkeit des gepumpten Mediums im Verhältnis zur absoluten Leitungsgeschwindigkeit bewirken. Die kreisende Strömung dient zudem dazu,

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das gepumpte Medium bei seinem Austritt aus der Enge des Laufrads 12 oder der angeschlossenen Rohrleitung fiber eine wesentlich größere Fläche zu verteilen. Ferner bewirkt die erfiridungsgemäße Axial-Strömungsmaschine bei bestimmten Medien, beispielsweise Flüssigkeiten, eine weitere Zerstäubung. Dadurch wird die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen des gepumpten Mediums «aximiert und der Wärmetibergang vergrößert. Temperaturabfall und Mengenleistung können ebenfalls durch Regelung der Leistung der Pumpe gesteuert werden. Zudem ist es möglich, die Betriebskennwerte der Maschine und die Abmessungen des Kerns des Medienstroms, auf den die Schaufeln 14 direkt einwirken, den Erfordernissen unterschiedlicher Einsatzbedingungen als Kraftströmungsmaschine oder Pumpe entsprechend zu verändern.

Den Fachmann dürfte klar sein, daß innerhalb des durch die Lehren dieser Erfindung abgesteckten Rahmens diverse Abänderungen, Anpassungen und Variationen dee vorstehend an Hand eines spezifischen Beispiels Offenbarten möglich sind.

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Claims

667 St. Ingbert, den 16, März 1973 Tec I-boe/Kl Patentansprüche

1. Axial-Strömungsmaschine (10) mit einem Gehäuse (16), einem in dem Gehäuse (16) drehbar gelagerten zylindrischen Laufrad (12) mit einem Eintritts- und einem Austrittsende und einem dazwischenliegenden, definierten Strömungsdurchlas sowie mehreren, jeweils an einer Innenwandung (22) des Laufrads 02) befestigten und von
dort radial nach innen verlaufenden Laufschaufeln (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (14) jeweils in einer längs zur Schaufel (14) verlaufenden messerartigen Schneide (24) enden, die über" die Länge der Schaufel (14) zwischen deren entgegengesetzten Enden
(14a» 14^) mit fortschreitend "unehmendem radialem Abstand von der Innenwandung (22) des Laufrads (12) verläuft.

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2. Maschine nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (14) i™ wesentlichen gleichförmig ausgebildet sind und jede Schaufel (14) entsprechende Änderungen in der Verjüngung der Schneide (24) über die Länge der Schaufel (14) aufweist.

5· Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale radiale Abstand der messerartigen Sehneide (24) jeder Schaufel (14) von der Innenwandung (22) des Laufrads (12) geringer ist als dessen Halb-Besser. .

4» Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (14) mit Abstand zueinander an dem Laufrad (12) schraubenförmig und im wesentlichen sysaeetrisoh um die Hauptlängsachse des Laufrads (12) angeordnet sind.

5* Maschine nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß eine Projektion der Schaufeln (14) in eine senkrecht zur Hauptachse des Laufrads (12) liegende Ebene ein Schaufelprofil ergibt, bei dem jede Schaufel (I4) Bit Abstand zur benachbarten Schaufel (Η) angeordnet ist.

6· Maschine nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schaufeln (Η) mit im wesentlichen gleicher Anstellung angeordnet sind und im wesentlichen'

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die gleiche Steigung aufweisen.

7· Haschine nach Anspruch 4ι dadurch gekennzeichnet» daß, wenn "n" die Anzahl der vorhandenen Schaufeln (Η) bezeichnet, die Anstellung und Steigung jeder Schaufel (14) so gewählt ist, daß die Projektion jeder Schaufel (Η) in eine senkrecht zur Hauptachse des Laufrads (12) liegende Ebene sich über weniger als l/n des Umfangs der Innenwandung (22) des Laufrads (12) erstreck^.

8. Axial-Strömungsmaschine (10) mit einem Gehäuse (16), einem in dem Gehäuse (16) drehbar gelagerten zylindrischen Laufrad (.12) und einer an einer Innenwandung (22) des Laufrads (12) befestigten und von dort radial nach innen verlaufenden Laufschaufel (14)» dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel (14) eine radial innen von der Innenwandung (22) des Laufrads (12) angeordnete vorstehende Schneide (24) aufweist, daß die Schaufel (I4) über die Länge der Schaufel zwischen deren entgegengesetzten Enden (14a, 14b) konisch verjüngt ausgebildet ist, wobei ihre Schneide (24) mit über die Länge der Schaufel (14) fortschreitend zunehmendem radialem Abstand von der Innenwandung (22) des Laufrads (12) angeordnet ist, und daß sich die Schneide (24) der Schaufel (14) an einer länglichen Messervorrichtung (28) befindet, die lösbar an der Schaufel (Η) befestigt ist und sich über die ganze Länge der Schaufel (Η) erstreckt.

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9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Laufschaufel (14) so ausgebildet ist, daß seine Dicke von der Innenwandung (22) des Laufrads (12) zur vorstehenden Schneide (24) der Laufschaufel (14) fortschreitend abnimmt.

10. Axial-Strömungsmaschine (10) mit einem Gehäuse (16), einem in dem Gehäuse (16) drehbar gelagerten zylindrischen Laufrad (12) mit einem Eintritts- und einem Austrittsende und einem dazwischenliegenden Strömungsdurchlaß sowie einer an einer Innenwandung (22) des Laufrads (12) befestigten und von dort radial nach innen verlaufenden Laufschaufel (14)» dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel (14) konisch verjüngt ausgebildet ist und relativ zur Innenwandung (22) des Laufrads (Ϊ2) und über die Länge der Schaufel (14) vom Austritts- zum Eintrittsende des Laufrads (12) in ihrer radialen Abmessung fortschreitend abnimmt.

11. Haschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel (I4) in einer radial nach innen ragenden, über die Länge der Schaufel (Η) verlaufenden Sohneide (24) endet und daß die vorstehende Schneide (24) der Schaufel (I4.) an einem mit der Schaufel (Η) lösbar verbundenen Messerelement (28) ausgebildet ist.

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