DE2434397C2 - Radialturbine - Google Patents

Description

a) der Schaufelvorderkantenwinkel ist kleiner als 20 Grad,

b) beim Eintritt des Fluids ist die Skelettlinie des Profils gekrümmt, wobei die Profilaußenkante sich allmählich in Richtung der aus der Einströmdüse austretenden Strömung aufweitet und die Profilinnenkante mit der Strömung einen Winkel von 20 Grad bildet,

c) die Profilaußenkanten und die Profilinnenkanten verlängern sich anschließend je in einen Kreisbogen, der sich über wenigstens 140 Grad erstreckt.

2. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einströmwinkel zwischen 80 und 90 Grad beträgt.

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Die Erfindung betrifft eine Radialturbine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Sie betrifft insbesondere eine Turbine, die für hohe Drehzahlen bestimmt ist. Unter »hoher Drehzahl« versteht man Drehzahlen von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute, die bis zu 100 000 Umdrehungen pro Minute erreichen können.

Eine derartige Radialturbine, die im allgemeinen mit komprimierter Luft läuft, besteht im wesentlichen aus einem Schaufelrad, wobei jede Schaufel ein bestimmtes Profil aufweist, um den besten Wirkungsgrad zu erzielen, und bei welcher eine oder mehrere Einströmdüsen wenigstens einen unter Druck stehenden Fluidstrom auf die Schaufeln blasen und wo, bedingt durch einen bestimmten Schaufelwinkel, die Ablenkung des Fluidstroms die Antriebskraft erzeugt. Die Verteilung des Fluidstroms von der Einströmdüse bis zu den Schaufeln kann über einen spiralförmigen Kanal von abnehmender Tiefe erfolgen, der das Schaufelrad an einem Teil seines Umfangs umgibt. Dies ist der Fall bei der Turbine, welche in einem französischen Patent 10 63861 beschrieben ist.

Man hat versucht, Turbinen in der Textilindustrie zu verwenden, zum Beispiel zum Drehantrieb von Spindein, auf welche man eine Wickelhülse für Fäden steckt. Aber man stößt auf Probleme bei der Anwendung.

Eines hängt mit dem Betriebsgeräusch zusammen, das sich besonders deshalb stellt, da die Turbine von Düsen versorgt wird, die mit Überschallgeschwindigkeit <>■> durchströmt werden, was dann zutrifft, wenn der Druck des strömenden Mediums hoch ist. Die Turbine kann nun einen derartigen Lärm erzeugen, dessen Höhe und Stärke ihn schnell unerträglich machen. Dieses Lärmproblem hätte nun zur Folge, daß die Anwendungsmöglichkeiten der Turbine stark eingeschränkt würden.

Andere Probleme stellen sich insbesondere in dem hier erwähnten Zusammenhang mit der Anwendung der Turbine zum Drehantrieb einer Spindel, die eine Hülse trägt, wobei diese Hülse an ihrem Umfang mit einem Leitzylinder in Verbindung steht, der ihr eine konstante Umfangsgeschwindigkeit vorschreibt. Dem Anwachsen des Winkels entsprechend verringert sich die Winkelgeschwindigkeit ebenso wie die der Turbine. Diese letztgenannte muß daher ein von ihrer Drehgeschwindigkeit gesteuertes Kurvenscheibenpaar aufweisen und sich, dem Winkel widerstehend, dem Kurvenscheibenpaar so gut wie möglich annähern.

Die Turbinen, welche an diese Funktion am besten angepaßt sind, sind die »Hochdruckturbinen«, d. h. sie werden von Fluiden versorgt, die unter Relativdrücken von 3 bis 8 bar und darüber stehen; diese Turbinen weisen eine flache Drehmomentkurve auf.

Andererseits weisen Hochdrtickturbinen im allgemeinen die unangenehme Eigenschaft auf, einen mittelmäßigen Wirkungsgrad zu haben, vor allem bei geringen und mittleren Geschwindigkeiten.

Darüber hinaus kann man auf Konstruktionsprobleme bei den geringen Abmessungen einer Turbine stoßen, die für den Antrieb einer Spindel verwendet wird.

Diese Nachteile sollen durch die Erfindung behoben werden.

Sie geht aus von einer Radialturbine, die ein Schaufelrad enthält, das in einem Ringkanal liegt, der in einem Turbinengehäuse angeordnet ist, und wobei wenigstens eine Einströmdüse in dem Turbinengehäuse angebracht ist, wobei der Ringkanal ebensoviele Umfangsnuten wie Einströmdüsen enthält, deren Tiefe allmählich von der Einströmdüse weg bis zu einer Berührungszone am Umfang des Schaufelrades auf Null abnimmt wobei eine Abdichtzone gebildet wird, die vor der nächsten Einströmdüse liegt. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schaufelprofil des Schaufelrades folgende Merkmale aufweist:

a) der Schaufelvorderkantenwinkel ist kleiner als 20 Grad,

b) beim Eintritt des Fluids ist die Skelettlinie des Profils gekrümmt, wobei die Profüaußenkante sich allmählich in Richtung der aus der Einströmdüse austretenden Strömung aufweitet und die Profilinnenkante mit der Strömung einen Winkel von 20 Grad bilden,

c) die Profilaußenkanten und die Profilinnenkanten verlängern sich anschließend je in einen Kreisbogen, der sich über wenigstens 140 Grad erstreckt.

Die erfindungsgemäße Turbine wird vorteilhaft mit einer Gasströmung versorgt, die unter hohem Druck steht, d. h. deren Druck zwischen 3 und 8 bar liegt.

Jede Umfangsnut, die man auch als »Kanal zur Verteilung der Strömung auf die Schaufeln« bezeichnen kann, gestattet es dem Fluid, gleichzeitig mehrere Schaufeln anzuströmen. Die Abdichtungszone ist vorzugsweise wesentlich kürzer als die Nut, das Fluid strömt auf diese Weise die Mehrzahl der Schaufeln gleichzeitig an.

Man gibt als Schaufelvorderkantenwinkel den geringstmöglichen Wert vor, er liegt unter 20 Grad. Mit »Schaufelvorderkantenwinkel« bezeichnet man den

Winkel, den die an die Außen- und Innenkanten des Profils angelegten Tangenten bilden, wenn sie vom Scheitel des Profils aus angelegt werden. Die Skelettlinie des Profils ist in der Weise gekrümmt, daß die aus der Einströmdüse austretende Strömung tangential zur Profilaußenkante verläuft und die Profilinnenkante unter einem geringen Winkel angeströmt wird, der kleiner als 20 Grad ist Auf diese Weise erreicht man, daß zwischen den Außen- und Innenkanten von zwei aufeinanderfolgenden Schaufeln eine trichterförmige Eintrittsöffnung für das Fluid entsteht Das Profil ist sowohl an den Innen- wie an den Außenkanten kreisbogenförmig verlängert und erstreckt sich wenigstens über 140 Grad. So bildet man zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaufeln einen Ringkanal von geringer Dicke, der eine Ablenkung des strömenden Mediums von mindestens 140 Grad ermöglicht

Die unter a) genannte Eigenschaft erlaubt es, den Stoß beim Auftreffen der Strömung auf die Schaufelvorderkante und die dadurch verursachten Fnergieverluste so gering wie möglich zu halten. Ferner erlaubt es die unter b) genannte Eigenschaft, die Strömung abzufangen und dabei größere Energieverluste zu vermeiden, welche dann entstünden, wenn der Einfallswinkel groß wäre. Die unter c) genannte Eigenschaft erlaubt es, einen großen Ablenkwinkel des strömenden Mediums unter dem Druck zu erhalten, der notwendig ist, damit ein guter Wirkungsgrad erzielt wird.

Das Zusammenwirken der unter a), b) und c) genannten Merkmale gestattet es, einen guten Wirkungsgrad der mit hohem Druck gespeisten Turbine zu erreichen. Aber man hat vor allem festgestellt, daß die Kombination dieser Eigenschaften mit der Art und Weise der Verteilung der Ströme durch mehrere Schaufeln überspannende Nuten es erlaubt, das Betriebsgeräusch in großem Umfang zu verringern, wobei der Geräuschpegel nunmehr weit unter die zulässige Grenze gedruckt wird.

Der Einströmwinkel liegt zwischen 80 und 90 Grad, wobei dieser Winkel derjenige ist, den die geometrische Achse der Einströmdüse mit dem Radius bildet, welcher jenen Punkt überstreicht, wo die Achse mit der Umfangslinie des Schaufelrades zusammentrifft. Die Einströmdüsen sind daher leicht tangential auf den Ringkanal gerichtet.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele und Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt in der Seitenansicht im Schnitt längs b-b der F i g. 2 ein Turbinengehäuse einer Radialturbine gemäß der Erfindung.

F i g. 2 zeigt das Turbinengehäuse gemäß F i g. 1 in der Profilansicht, im Schnitt längs a-a.

F i g. 3 ist eine Teilansicht des Profils und stellt einen Schnitt einer Turbine gemäß den F i g. 1 und 2 dar.

F i g. 4 ist eine Ansicht, die das Profil des Schaufelrades einer Turbine gemäß der Erfindung zeigt.

F i g. 5 stellt das Schallfrequenzspektrum einer Turbine gemäß der Erfindung und das Spektrum einer Turbine üblicher Bauart dar.

Die Turbine, die in den F i g. 1 bis 4 dargestellt ist, weist ein Turbinengehäuse 1 auf, dessen allgemeine Form etwa kreisförmig ist und einen Ringkanal 2 für das Schaufelrad enthält. Das Turbinengehäuse 1 enthält zwei Einströmdüsen, die in zylindrischen Bohrungen 3 und 4 angeordnet sind und einen Winkelabstand von 180 Grad haben. Die Bohrungen 3 und 4, und infolgedessen die Einströmdüsen, sind tangential zum Ringkanal 2 angeordnet. Der Finströmwinkel α beträgt dann 90 Grad. Der Ringkanal 2 ist mit zwei Umfangsnuten 5 und 6 versehen, die sich etwa über einen Bogen von 155 Grad erstrecken, und zwar vom Verlassen der Bohrungen 3 und 4 im Ringkanal 2 weg bis zu einer Abdichtzone 7 hin, die über einen Bogen von 25 Grad reicht Die Tiefe jeder Nut nimmt gleichmäßig im Drehsinn der Fluidströmung ab, d. h. vom Verlassen der Einströmdüse weg, bis sie an ihrem Ende zu Null wird. Jede Umfangsnut, die, wie man aus F i g. 2 und 3 ersieht,

ίο im Schnitt ein halbkreisförmiges Profil aufweist, bildet einen Kanal zur Verteilung der Strömung unter den Schaufeln, wobei dieser Kanal es dem Fluid ermöglicht mehrere Schaufeln gleichzeitig anzuströmen. Das Fluid wird an die Einströmdüsen über einen am Umfang des Gehäuses angeordneten Verteilungskanal 17 aufgeteilt, der von einer Zuführungsleitung 18 versorgt wird. Das Fluid verläßt die Turbine durch den Schalldämpfer 19, der in bekannter Weise aus porösem Material besteht Das Schaufelrad 8, das in Fig.4 dargestellt ist, weist dreißig Schaufeln 9 auf, deren Profil in F i g. 4 dargestellt ist Die Schaufelvorderkante 10 weist einen kleinen Winkel A auf, der etwa bei 20 Grad liegt Die Skelettlinie des Profils ist gekrümmt. Die Profilaußenkante 11 weist ein leichtgekrümmtes Kurvenstück auf, auf das ein gerades Stück folgt Die Profilinnenkante 12 weist eine stärker betonte Krümmung in der entgegengesetzten Richtung auf. Die Aufteilung des Profils ist derart, daß die Strömung, welche die Einströmdüse mit einem Einströmwinkel von 90 Grad verläßt tangential zur Profilaußenkante verläuft und auf die Profilinnenkante unter einem kleinen Winkel von maximal 20 Grad trifft. Man legt auf diese Weise zwischen zwei Schaufeln 9 und 91 eine trichterförmige Eintrittsöffnung 13 fest, welche die Strömung aufnimmt. Das Profil wird an der Profilaußenkante ebenso wie an der Profilinnenkante durch einen Kreisbogen 14,15 vervollständigt, der sich über 140 Grad erstreckt. Auf diese Weise wird zwischen zwei Schaufeln 9 und 91 ein Ringkanal 16 gebildet, der eine Ablenkung des Fluids von 140 Grad hervorruft.

to In Fig.3 ist das Schaufelrad 8 dargestellt, das mit einer Spindel 20 verbunden ist, die zum Drehantrieb dient. Die Spindel 20 ist dazu bestimmt, eine Hülse zum Aufwickeln von Textilfaden aufzunehmen.

Beispiel

Man verwendet eine Turbine gemäß den F i g. 1 bis 4, deren Rad 30 Schaufeln besitzt und einen Durchmesser von 90 mm hat, zum Antrieb einer Spindel, die zur Aufnahme einer Hülse vorgesehen ist. Das Betriebsgerausch wird bestimmt; das Spektrum, das in einem schallgedämpften Raum aufgenommen wird, wird mit aufgezeichnet. Folgende Betriebsbedingungen liegen vor:

— einströmendes Fluid:
Preßluft,

— Druck (abgelesen am Manometer): 4,2 bar,

Geschwindigkeit:
480 m pro Sekunde,

— Durchfluß durch die Einströmdüse: etwa 2 g pro Sekunde,

— Turbine mit zwei Einströmdüsen,

— Drehgeschwindigkeit:

20 000 Umdrehungen pro Minute.

Die Analyse des Geräusches ergibt das in Fig. 5 aufgezeichnete Spektrum 21. In dieser Darstellung zeigt

die Kurve 24 die zulässige Grenze; oberhalb von Kurve 23 liegt die Gefahrenzone und unterhalb von Kurve 25 die ungefährliche Zone. Man erkennt eine einzige Spitze oberhalb 80 Dezibel, die bei einer niedrigen Frequenz von etwa 330 Hertz entsteht und die innerhalb der Grenze des zulässigen Lärms bleibt. Allerdings ist dieses Geräusch kein Geräusch von der Turbine, sondern ein Geräusch des Kugellagers, das mit der Frequenz der Spindel zusammenhängt. Der allgemeine Geräuschpegel, integriert zwischen 0 und 20 000 Hertz, beträgt 82,5 Db, das entspricht 77 Db.A.

Zum Vergleich wurden die Geräusche einer mit einem identischen Schaufelrad ausgerüsteten Turbine analysiert, das in einem Turbinengehäuse eingebaut war, dessen Kanal keine Umfangsnut aufwies. Der Einströmwinkel betrug 70 Grad und man verwendete eine einzige Einströmdüse. Folgende Betriebsbedingungen lagen vor:

— einströmendes Fluid:
Preßluft,

— Druck (abgelesen am Manometer):
5 bar,

— Geschwindigkeit:
480 m pro Sekunde,

— Durchfluß:

2 g pro Sekunde,

— Drehgeschwindigkeit:

21 000 Umdrehungen pro Minute.

Die Analyse des Geräusches ergibt das Spektrum 22, dargestellt in Fig.5. Bis etwa 1800 Hertz stimmen die Kurven 21 und 22 etwa überein. Darüber hinaus sind die zwei Kurven deutlich verschieden. Für Frequenzen von 0 bis 20 000 Hertz ergibt sich ein Gesamtpegel von 94,5 Db, das entspricht 91 Db.A. Vor allem stellt man bei einer Frequenz von ungefähr 5200 Hertz eine Spitze

von 83 Db fest und eine Spitze von 90 Db bei ungefähr 10 500 Hertz. Die letztgenannte, die in der Gefahrenzone liegt, ist besonders unerfreulich, sie wird schnell unerträglich.

Die Turbine gemäß den Fig. 1 bis 4 mit einem Schaufelrad von 90 mm Durchmesser, die unter den irn _: Beispiel angegebenen Bedingungen versorgt wird, ; liefert bei 16 000 Umdrehungen pro Minute eine ^: Leistung von 90 Watt, der Gesamtwirkungsgrad er- , reicht 0,2. Bei 30 000 Umdrehungen pro Minute >; gestattet dieselbe Turbine bei mehreren Einströmdüsen, E Leistungen zu entwickeln, die 750 Watt erreichen können, wobei der Betrieb stets leise bleibt. Allerdings setzt dieses Maß keine Grenze und man kann noch viel höhere Leistungen und Geschwindigkeiten erreichen.

Das obengenannte Beispiel zeigt den Fortschritt, der durch eine Turbine gemäß der Erfindung erzielt wird, wenn man ein Turbinengehäuse mit Umfangsnut und ein Schaufelrad mit besonderem Profil kombiniert. Die bedeutende Verringerung des Betriebsgeräusches erlaubt es, die Turbine selbst dort einzusetzen, wo früher ihre Anwendung kaum in Betracht gezogen wurde. Die von der Turbine bei ihrer geringen Baugröße entwickelte Leistung macht sie sehr gut für zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten geeignet, wie den Antrieb von Spindeln zum Aufspulen von Fäden. Der Wirkungsgrad kann als annehmbar bezeichnet werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das beschriebene Beispiel, sondern kann auch andere Varianten einschließen, insbesondere was die Anzahl der Einströmdüsen und der Umfangsnuten betrifft, sowie die Form des Querschnitts dieser Nuten, den Durchmesser der Turbine, die Zahl der Schaufeln usw.

Sie ist zum Drehantrieb aller Teile anwendbar, die mit hoher Drehzahl laufen. Sie ist besonders gut geeignet zum Antrieb von Spindeln, die für die Aufnahme von Hülsen für Textilfaden bestimmt sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Radialturbine, die ein Schaufelrad enthält, das in einem Ringkanal liegt, der in einem Turbinengehäuse angeordnet ist, und wobei wenigstens eine Einströmdüse in dem Turbinengehäuse angebracht ist, wobei der Ringkanal ebensoviele Umfangsnuten wie Einströmdüsen enthält, deren Tiefe allmählich von der Einströmdüse bis zu einer Berührungszone am Umfang zwischen dem Schaufelrad und dem ι ο Ringkanal auf Null abnimmt, wobei eine Abdichtzone gebildet wird, die vor der folgenden Einströmdüse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil des Schaufelrades folgende Merkmale aufweist: