DE3031686C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine axiale Strömungsarbeitsmaschine mit ei­ nem motorisch angetriebenen, eine Nabe besitzenden Laufrad, das von einem zylindrischen Gehäuse umgeben ist, mit einem dem Laufrad zugeordneten Hilfslaufrad geringerer radialer Er­ streckung, wobei das Laufrad dem Fördermedium radial innen eine geringere Energie zuführt als radial außen.

Es ist bekannt, daß bei axialen Strömungsarbeitsmaschinen wie Axialventilatoren, Axialverdichtern und Axialpumpen bei star­ ker Drosselung unterhalb des normalen Betriebsbereichs, also bei kleinerer Fördermenge, eine Instabilität der Kennlinie auftritt, eine Kennlinienunstetigkeit, die in der Kennlinie links vom sogenannten "Abrißpunkt" beginnt. Diese Kennlinien­ unstetigkeit ist auf Ablösungserscheinungen zurückzuführen, wenn sich die rotierende Relativströmung in zwei typischen Bereichen des Axiallaufrades ablöst, nämlich in einzelnen Schaufelkanälen als instationäre, rotierende Ablösung, die in der Literatur meist als "rotating stall"-Phänomen bekannt ist, und an der rotierenden Laufradnabe, eine in der Litera­ tur als "Nabentotwasser" bekannte Ablösung. Die Ablösung in einzelnen Schaufelkanälen bringt mit sich, daß die hiervon momentan betroffenen Schaufelkanäle infolge der pulsierenden und stark verwirbelten Strömung nahezu verstopft sind, während die restlichen Kanäle normal durchströmt werden, wobei die Störzone mit einer bestimmten Umfangsgeschwindigkeit rela­ tiv zur umlaufenden Beschaufelung auch ihrerseits umläuft. Durch das Entstehen des sogenannten "Nabentotwassers" wird eine Einschnürung der gesunden Strömung bewirkt, wobei sich das Totwassergebiet mit abnehmendem Volumenstrom vergrößert und der Ablösepunkt sich stromaufwärts verlagert. Diese Ab­ lösungserscheinungen haben den Nachteil, daß sie einerseits die Laufschaufeln rein festigkeitsmäßig gefährden und ande­ rerseits die Ursache für starke Geräusche sind, so daß sie schon aus akustischen Gründen unerwünscht sind. Infolge des unkontrollierbar schwankenden Betriebspunktes treten zusätz­ liche dynamische Belastungen auf, die zu Schwingungsbrüchen an den rotierenden Laufschaufeln und zu Schwingungen der ge­ samten Anlage führen können. Der Geräuschpegel steigt infolge des instabilen Betriebsverhaltens an. Man hat bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, um die Strömung zu stabilisieren. So z. B. hat man in der deutschen Patentschrift 6 97 816 vorgeschlagen, auf der Druck­ seite des Laufrades ein zur Achse der Strömungsarbeitsmaschine konzentrisch liegendes ringförmiges Führungsblech anzuordnen. Aus der schweizerischen PS 2 88 243 ist der Vorschlag bekanntgewor­ den, bei einer axialen Strömungsarbeitsmaschine vor dem Laufrad ein Leitrad und zwischen diesen bei­ den einen koaxialen zylindrischen Ring anzuordnen. Ein ande­ rer bekannter Vorschlag besteht darin, vor dem Laufschaufel­ eintritt eine Stabilisierungsfläche vorzusehen, wie z. B. in der deutschen Gebrauchsmusterschrift 19 49 833 empfohlen wird. Alle obigen Maßnahmen haben jedoch zu keinem befriedigenden Er­ gebnis geführt: Zwar scheint es, als ob man dadurch eine ge­ wisse Stabilisierung der Strömung erreichen könnte, nach wie vor treten aber die unerwünschten Ablösungserscheinungen auf, von denen oben die Rede war. Man hat schließlich mit der deutschen PS 14 28 077 auch noch einen Ringspalt für die Rück­ führung von Medium in den Raum vor dem Laufrad und später in einer Weiterentwicklung eine Stabilisierungseinrichtung in Form eines By-Pass-Kanals mit Rückströmgitter vorgeschla­ gen. Auch bei diesen Anordnungen werden jedoch die Ablösungs­ erscheinungen zwar örtlich stabilisiert, können aber nicht verhindert werden, ganz abgesehen davon, daß die in diesen Vorveröffentlichungen vorgeschlagenen Maßnahmen auch recht aufwendig sind. Überdies scheint es, als wenn das "Nabentot­ wasser" durch die obigen Maßnahmen kaum verringert werden könnte.

Bei der Anordnung nach der gattungsgemäßen DE-PS 62 510 ist einer axialen Strömungs­ arbeitsmaschine bereits ein Hilfslaufrad kleinerer radialer Erstrec­ kung zugeordnet worden, der den Zweck hat, die geringere Leistung des Laufrades an dessen innerem Laufradquerschnitt gegenüber der Leistung am äußeren Flügelumfang zu erhöhen und die unnützen Luftwirbelungen zu beseitigen. Das vor­ geschaltete, gleichlaufende Hilfs-Radiallaufrad soll eine Grenzschichtbeschleunigung vor dem Laufradeintritt im ablöse­ gefährdeten Nabenbereich erzeugen, um die unerwünschten Ver­ wirbelungen und Ablösungserscheinungen zu verhindern. Versuche haben ergeben, daß durch die oben beschriebene Maßnahme die Strömungsablösung im Nabenbereich nicht in we­ sentlichem Umfange beeinflußt werden kann, so daß auch die hier vorgeschlagene Lösung nicht befriedigend ist. Mit dem­ selben Problem beschäftigt sich auch die DE-AS 10 64 191. In dieser deutschen Auslegeschrift 10 64 191 ist zu diesem Zweck vorgeschlagen worden, zwischen dem Laufrad und einem Nach­ leitrad bzw. einem Vorleitrad einen Nabenring oder Nabenrin­ ge vorzusehen, solche Nabenringe evtl. auch nach dem Nach­ leitrad anzubringen.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße axiale Strömungsarbeitsmaschine dahingehend zu verbessern, daß bei hoher Leistungsdichte und großem Reaktionsgrad insbesondere im Bereich stark gedrossel­ ter Betriebszustände die an der Laufradnabe in den Schaufel­ kanälen auftretenden Ablösungserscheinungen weiter verringert wer­ den.

Zu dem obengenannten Zweck ist gemäß der Erfindung bei der neuen Anordnung vorgesehen, daß die Energiezufuhr lediglich im ablösungsgefährdeten Nabenbereich des Laufrades durch entsprechende Auslegung des Schaufelprofils verringert ist, daß das Hilfslaufrad von einem koaxial angeordneten Außenring umgeben ist und daß das Hilfslaufrad in entgegengesetzter Richtung zum Laufrad umläuft.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß man, um die Ablöseerscheinungen zu vermeiden, im Bereich der Schaufelba­ sis die Totaldruckerhöhung absenken und zu diesem Zweck die Schau­ felprofilkrümmung gegenüber derjenigen von herkömmlichen Schaufeln verringern muß, wobei man sich der Profilkrümmung an der Schaufelspitze nähern kann, und daß man, um den in­ folge der vorgenannten Maßnahme auftretenden Energieverlust auszugleichen (weil dem Förderstrom im Nabenbereich infolge der geringeren Druckerhöhung weniger Energie zugeführt wird), dem Hauptlaufrad im Nabenbereich ein Hilfslaufrad vorschal­ ten muß, um den Fehlbetrag an Energiezufuhr zu kompensieren.

Es wird hierbei eine Anordnung geschaffen, mit deren Hilfe mit relativ geringem, übersichtlichem Aufwand bei axialen Strömungsarbeitsma­ schinen für möglichst große Volumenzahlen, möglichst große Druckzahlen und möglichst hohe Reaktionsgrade die an der Laufradnabe und/oder in den Schaufelkanälen auftretenden Ab­ lösungserscheinungen mit all ihren unangenehmen Folgen ver­ mieden werden können.

Mit der Erfindung wird also erreicht, daß die Kennlinienun­ stetigkeit beseitigt, also der Abrißpunkt in Richtung auf kleine Volumenströme hin verlagert wird, um auf diese Weise den stabilen Betriebsbereich zu verbreitern. Weiterhin wird die Absenkung des Geräuschpegels bei gedrosselten Betriebszuständen und schließlich auch noch eine gezielte Verringerung des die Strömung nicht durchlassenden Nabenbereiches des Laufrades ermöglicht, wodurch das Geschwindigkeitsprofil am Maschinen­ austritt vergleichmäßigt wird, indem der Totwasserkern, der sich beim Übergang der Strömung von dem durch den Nabenkör­ per bedingten Ringquerschnitt auf den sich am Maschinenaus­ tritt anschließenden Kreisquerschnitt eines angeschlossenen Rohres bildet, verkleinert wird.

Es ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Lösung verschiedene Vorteile: Kompaktheit, hoher Reaktions­ grad, große Volumenzahlen, große Druckzahlen, Vergrößerung des stabilen Betriebsbereiches, d. h. Verlagerung des Abriß­ punktes zu kleineren Volumenströmen hin, Verbesserung des Geräuschverhaltens und Vergleichmäßigung des Geschwindig­ keitsprofils am Maschinenaustritt.

In der nachfolgenden Beschreibung sind mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen axialen Strömungsarbeitsmaschine anhand der Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Axiallüfters gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht in schematischer Darstellung und

Fig. 2 eine Variante zu der Anordnung nach Fig. 1, wiederum in einer Seitenansicht und in schema­ tischer Darstellung.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Axiallüfter erfolgt die Energiezufuhr durch das Laufrad 1, das von einem zylindrischen Gehäuse 2 umgeben ist, dem das Nachleitrad 3 in Strömungsrichtung nachgeschaltet ist. Dem Laufrad 1 ist ein mit diesem koaxiales Hilfslauf­ rad 4 vorgeschaltet, dessen Schaufeln, wie ersichtlich ist, geringere radiale Erstreckung als die Schaufeln des Laufrades 1 haben. Dieses Hilfslaufrad 4 ist von einer koaxialen ringförmigen Trennwand in Form eines Außenringes 5 umgeben, dessen Durchmesser kleiner als derjenige des Gehäuses 2 ist. Hierbei sind das Laufrad 1 und das Hilfslaufrad 4 so aufeinander abgestimmt, daß sich am Austritt 6 des Laufrades eine über die gesamte Schaufelhöhe konstante totale Druckerhöhung ergibt. Das axiale Hilfslaufrad 4 läuft in entgegen­ gesetzter Richtung (Pfeil 7) zum Laufrad 1 (Pfeil 8) um. Dem Hilfslaufrad 4 kann ein eigener separater Antriebsmotor zugeordnet sein, der Antrieb kann jedoch auch vom Antrieb des Laufrades 1 abgeleitet werden. Infolge des geringeren Außendurchmessers des Hilfslaufrades 4 kann dieses mit höherer Drehzahl umlaufen. Der dem Hilfslaufrad 4 zugeord­ nete Außenring 5 kann stationär sein, er kann jedoch auch mit dem Hilfslaufrad 4 umlaufen. Dieser Außenring kann sich in axialer Richtung über eine Länge erstrecken, die gleich wie oder kleiner als die Länge des Hilslaufrades ist, wobei er außerhalb des Laufrades 1 bleibt; der dem Hilfslaufrad zugeordnete Außenring kann sich jedoch auch in axialer Richtung über eine größere Länge als diejenige des Hilfslaufrades 4 und hierbei in den Bereich des Laufrades 1 hinein erstrecken. Dem Laufrad 1 ist ein mit diesem umlaufender Zwischenring 9 zugeordnet, der sich über die gesamte axiale Länge des Laufrades 1 oder über einen Teil von dessen Länge erstreckt und zweckmäßigerweise bis außerhalb des Eintrittsbereichs 10 des Laufrades reicht und dessen Durchmesser größer als derjenige des dem Hilfslaufrad 4 zugeordneten Außen­ ringes 5 ist, wobei er im Bereich von dessen hinterem Ende beginnt. Mit Hilfe des Außenringes 5 wird also die Zuströmung zur Axialstufe in einen Hauptstrom 11 und einen Nebenstrom 12 unterteilt, der mit mehr Energie angereichert ist. Der Zwischenring 9 verhindert die Vermischung von Haupt- und Nebenstrom im Eintrittsbereich des Laufrades oder über dessen gesamte axiale Erstreckung.

Bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 2 sitzt an der Nabe 13 das Laufrad 14, das von einem zylindrischen Gehäuse 15 umgeben ist, dem ein Nachleitrad 16 in Strömungsrichtung gemäß Pfeil 17 nachgeschaltet ist. In diesem Falle ist dem Laufrad 14 ein mit diesem ko­ axiales Hilfslaufrad 18 nachgeschaltet, dessen Schaufeln geringere radiale Erstreckung als diejenigen des Laufrades 14 haben. Diesem Hilfslaufrad 18 ist seinerseits in Strömungsrichtung gesehen ein Hilfsleitrad 19 etwa gleicher Größe nachgeschaltet. Außerdem ist noch ein Außenring 20 vorgesehen, dessen Durchmesser kleiner als derjenige des Gehäuses 15 ist und der das Hilfslaufrad 18, zweckmäßigerweise jedoch auch das Hilfsleitrad 19, von außen her umgibt. Hierbei sind das Laufrad 14 und das Hilfslaufrad 18 so aufeinander abge­ stimmt, daß die Strömung am Austritt der Maschine über den gesamten Ringquerschnitt eine konstante Energie­ zufuhr erfährt. Das Hilfslaufrad 18 (Pfeil 21) läuft wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 in entgegengesetzter Richtung zum Laufrad (Pfeil 22) um. Dem Hilfslaufrad kann wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein eigener separater Antriebsmotor zugeordnet sein, es kann jedoch auch der Antrieb des Hilfslauf­ rades vom Antrieb des Laufrades abgeleitet sein. Der dem Hilfslaufrad zugeordnete Außenring 20 kann stationär sein, er kann jedoch auch mit dem Hilfslaufrad umlaufen. Es ist vorgesehen, daß der dem Hilfslaufrad zugeordnete Außenring 20 sich in axialer Richtung über eine Länge erstreckt, die annähernd der Länge des Hilfslaufrades und/oder des Hilfsleitrades 19 entspricht, wobei er außerhalb des Bereichs des dem Laufrad nachgeschalteten Leitrades 16 bleibt. Der dem Hilfslaufrad 18 zugeordnete Außenring kann sich jedoch auch bis in den Bereich des dem Laufrad 14 nachgeschalteten Leitrades 16 hinein erstrecken und dieses hierbei in ein Außenleitrad und ein Innenleitrad unter­ teilen oder statt dessen kann man auch einen dem Leitrad 16 zugeordneten separaten Außenring 23 wählen, der vom Außenring 20 getrennt ist. Auf alle Fälle wird hierbei die Abströmung des Laufrades 14 in einen durch das Außenleitrad strömenden Hauptstrom gemäß Pfeil 24 und einen Nebenstrom 25 unterteilt, der das Hilfslaufrad 18 durchströmt. Diesem Zwecke dient auch die Maßnahme, daß dem Laufrad 14 ein mit diesem umlaufender Zwischenring 26 zugeordnet ist, der sich über die gesamte axiale Länge des Laufrades oder über einen Teil von dessen Länge erstreckt und zweckmäßigerweise aus dem Austrittsbereich des Laufrades heraussteht und dessen Durchmesser kleiner als derjenige des dem Hilfslaufrad 25 zugeordneten Außenringes 20 ist.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Axiallüftern geht man also so vor, daß man einerseits im ablösungsgefährdeten Nabenbereich des Laufrades zur Verringerung der Umlenkung der Relativströmung und somit auch der Schaufelgitter­ belastung die Energiezufuhr in den innerhalb des ablöse­ gefährdeten Nabenbereichs liegenden Profilschnitten verringert und somit auch die absolute Geschwindigkeit Δ c _u kleiner macht und andererseits zum Ausgleich der Verringerung in der Energiezufuhr und zum annähernden Konstanthalten der auslegungsbedingten Energiemenge in diesen Schaufelschnitten vor und/oder nach dem Laufrad Energie wieder zuführt.

Claims (9)

1. Axiale Strömungsarbeitsmaschine mit einem motorisch an­ getriebenen, eine Nabe (13) besitzenden Laufrad (1, 14), das von einem zylindrischen Gehäuse (2, 15) umgeben ist, mit einem dem Laufrad zugeordneten Hilfslaufrad (4, 18) ge­ ringerer radialer Erstreckung, wobei das Laufrad dem Fördermedium radial innen eine geringere Energie zuführt als radial außen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Energiezufuhr lediglich im ablösungsge­ fährdeten Nabenbereich des Laufrades (1, 14) durch entsprechende Auslegung des Schaufelprofils verringert ist, daß das Hilfslaufrad (4, 18) von einem koaxial angeordneten Außenring (5, 20) umgeben ist und daß das Hilfslaufrad (4, 18) in entgegenge­ setzter Richtung zum Laufrad (1, 14) umläuft.

2. Axiale Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (1, 14) und das Hilfs­ laufrad (4, 18) so aufeinander abgestimmt sind, daß sich hin­ ter den Laufrädern eine über die gesamte Schaufelhöhe an­ nähernd konstante Totaldruckerhöhung ergibt.

3. Axiale Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufgeschwindigkeit des Hilfslaufrades (4, 18) größer als diejenige des Laufrades (1, 14) ist.

4. Axiale Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hilfslaufrad (4, 18) ein eigener separater Antriebsmotor zugeordnet ist.

5. Axiale Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Hilfslaufrad (4, 18) zugeordnete Außenring (5, 20) stationär ist.

6. Axiale Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Hilfslaufrad (4) zugeordnete Außenring (5) sich in axialer Richtung über eine größere Länge als diejenige des Hilfslaufrades (4) und bis zum Laufrad (1) hin erstreckt.

7. Axiale Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfslaufrad (4) vor dem Laufrad (1) vorgesehen ist.

8. Axiale Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Laufrad (1) ein mit diesem umlaufen­ der Zwischenring (9) zugeordnet ist, der sich über die gesam­ te axiale Länge des Laufrades (1) oder über einen Teil von des­ sen Länge erstreckt und bis außerhalb des Eintrittsbereiches des Laufrades (1) reicht und dessen Durchmesser größer als derjenige des Außenringes (5) ist, wobei er im Bereich von dessen hinterem Ende beginnt.

9. Axiale Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfslaufrad (18) dem Laufrad (14) nachgeschaltet ist und zwischen Laufrad (14) und Hilfs­ laufrad (18) ein Leitrad (16) vorgesehen ist und daß der dem Hilfslaufrad (18) zugeordnete Außenring (20) sich bis in den Be­ reich des Leitrades (16) hinein erstreckt.