DE3823514A1

DE3823514A1 - Seitenkanalmaschine

Info

Publication number: DE3823514A1
Application number: DE19883823514
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Ing Kayser-Herold
Original assignee: KAYSER HEROLD UWE
Current assignee: KAYSER HEROLD UWE
Priority date: 1988-07-12
Filing date: 1988-07-12
Publication date: 1990-01-18
Also published as: DE3823514C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Seitenkanalmaschine mit axialer Beschaufelung für den Einsatz als Pumpe oder Verdichter. Es ist allgemein bekannt, daß die Betriebscharakteristik und insbesondere der Wirkungsgrad von Seitenkanalmaschinen entscheidend von Art und Gestaltung des Schaufelrades abhängen (Schrifttumsangabe 1-3). So betragen beispielsweise die Schaufelradverluste in herkömmlichen Seitenkanalmaschinen bis zu 75% der Gesamtverluste [1]. Es ist auch allgemein bekannt, daß herkömmliche Seitenkanalmaschinen nur mit radialen Schaufelrädern ausgeführt worden sind, obwohl durch Offenlegungsschrift DE-OS 19 21 945 eine Seitenkanalmaschine mit axialer Beschaufelung vorgeschlagen und erörtert wurde. Zu den wesentlichen Verlustquellen herkömmlicher radialer Schaufelräder zählen bekanntlich die Stoß-, Reibungs- und Spaltverluste. Gelingt es daher, ein verlustärmeres Schaufelrad zu verwenden, dann ließen sich gleichzeitig die maßgeblichen Kenngrößen Wirkungsgrad, Druckziffer und Lieferzahl in wünschenswerter Weise erhöhen.

Es ist allgemein bekannt, daß die Arbeitsweise der Seitenkanalmaschinen darauf beruht, daß das Fluid in der Seitenkanalmaschine mehrmals das Schaufelrad durchläuft und nach jedem solchen Durchlauf den im Schaufelrad gewonnenen peripheralen Impuls auf die im Seitenkanal enthaltene Flüssigkeitssäule überträgt. Der Druckaufbau im Seitenkanal ist somit dem pro Zeiteinheit in den Seitenkanal übertragenen peripheralen Impuls des sog. Massenaustauschstromes proportional. Der Massenaustauschstrom entspricht dabei dem Meridianvolumenstrom durch das Schaufelrad.

Anhand der allgemein bekannten Entwurfsgleichung für Seitenkanalmaschinen [1] läßt sich der Einfluß der wesentlichen Bestimmungsgrößen auf die Betriebscharakteristik einer Seitenkanalmaschine beurteilen:

In Gl. 1 bedeuten:

H = Förderhöhe
A = Massenaustauschstrom = Meridianmassenstrom
g = Erdbeschleunigung
f = Querschnitt des Seitenkanals
V = Fördervolumenstrom
c _au = Mittlere Umfangskomponente der Strömung am Schaufelaustritt

Gemäß Gl. 1 muß ein möglichst günstiges Schaufelrad große Meridianmassenströme A liefern, d. h., insbesondere eine große Schluckzahl aufweisen, und gleichzeitig große Umfangskomponenten c _au am Schaufelaustritt aufweisen. Die Umfangskomponente c _au wird dabei maßgeblich vom Reaktionsgrad r der Schaufeln bestimmt [1].

Aus Gl. 1 geht jedoch nicht unmittelbar hervor, welche Schaufelart, z. B. axial oder radial, die vorgenannten Bedingungen am besten erfüllt, da grundsätzlich jede Schaufel mit einem Reaktionsgrad zwischen 0 und 1 in einer Seitenkanalmaschine verwendbar ist. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß Axialräder aufgrund ihrer größeren Schluckzahlen um ein Mehrfaches größere Meridianmassenströme bzw. Massenaustauschströme ermöglichen als Radialräder vergleichbarer Durchmesser. Es ist auch allgemein bekannt, daß sich bei Axialrädern durch geeignete Wahl des Reaktionsgrades, z. B. r = ¹/₃, die angestrebten großen Umfangskomponenten c _au am Schaufelaustritt erzielen lassen.

Eine nähere Untersuchung der in DE-OS 19 21 945 bekanntgewordenen axialen Beschaufelung zeigt jedoch erhebliche Ausführungsmängel, durch die keine nennenswerten Vorteile gegenüber herkömmlichen radialen Beschaufelungen erzielt werden können. Insbesondere sind die vorgeschlagenen Ein- und Austrittwinkel sowie die Profilkonturen nicht den Erfordernissen angepaßt. Durch die gegenüber der lichten Weite des Seitenkanals etwa halb so große Schaufellänge ergeben sich außerdem unverhältnismäßig große Rückströmbereiche bei entsprechender Verminderung der Druckziffer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit, insbesondere Wirkungsgrad und Druckziffer von Seitenkanalmaschinen mit axialer Beschaufelung wesentlich zu erhöhen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Hieraus sich ergebende technische Vorteile der Erfindung sind zumindest folgende:

Dadurch, daß die axialen Schaufelblätter zweiflutig durchströmt werden und auf diese Weise über die gesamte lichte Weite des Seitenkanals wirken, wird auf das Fluid bei jedem Umlauf durch den Seitenkanal doppelt so viel Energie bzw. peripheraler Impuls übertragen wie bei der einflutigen, herkömmlichen Axialschaufel gemäß DE-OS 19 21 945, die nur über die halbe lichte Weite des Seitenkanals wirkt. Aus der Theorie der Seitenkanalmaschinen [1 bis 3] folgt außerdem, daß die Druckziffer der erfindungsgemäßen zweiflutigen axialen Beschaufelung mindestens doppelt so groß ist wie bei der einflutigen Bauweise gemäß DE-OS 19 21 945. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße zweiflutige axiale Beschaufelung geringere schädliche Rückströmbereiche im Seitenkanal auf als bei herkömmlichen einflutigen Axialschaufeln, da die mittlere Verweilzeit eines Fluidelementes im Seitenkanal zwischen Austritt und Wiedereintritt in den Schaufelbereich nur halb so groß ist wie bei der einflutigen Bauweise mit halber Schaufellänge.

Durch die über die gesamte Schaufellänge verlaufende Profilverwindung werden im Auslegungspunkt erfindungsgemäß die Stoßverluste über die gesamte Eintrittslänge der Axialschaufel vermieden, während dies bei den in DE-OS 19 21 945 vorgeschlagenen Axialschaufeln mit konstantem Anstellwinkel nicht oder nur in einem begrenzten Bereich der Eintrittskante möglich ist. Darüber hinaus läßt sich durch die erfindungsgemäße Profilverwindung über die gesamte Schaufellänge das Geschwindigkeitsprofil des toroidalen Wirbelkerns im Seitenkanal im Hinblick auf die angestrebte Leistungscharakteristik einstellen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 wird das Profil der zweiflutigen Axialschaufeln im Hinblick auf eine maximale Druckziffer optimiert. Aus der Theorie der Seitenkanalmaschinen läßt sich unter anderem ableiten, daß die maximale Druckziffer dann erzielt wird, wenn das Produkt aus meridionaler und aus peripheraler Austrittsgeschwindigkeit auf dem Schaufelbereich seinen größten Betrag annimmt. Aus der Theorie der Strömungsmaschinen [1] ist allgemein bekannt, daß dieses Produkt maßgeblich vom Reaktionsgrad der Beschaufelung bestimmt wird. Erfindungsgemäß läßt sich mit der axialen Beschaufelung ein optimaler Reaktionsgrad, bei welchem die Druckziffer maximal wird, bestimmen und konstruktiv verwirklichen. Aus den Ähnlichkeitsgesetzen der Strömungsmechanik läßt sich ableiten, daß der optimale Reaktionsgrad ¹/₃ beträgt, woraus erfindungsgemäß eine leichte Hakenform des Schaufelprofils über die gesamte Schaufellänge folgt. Erfindungsgemäß ist daher auch die Schaufel-Austrittskante leicht vorwärts gerichtet.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen Fig. 1a, 1b und 1c.

Es zeigt Fig. 1a einen Meridianschnitt durch eine erfindungsgemäße Seitenkanalmaschine mit einem zweiflutigen axialen Schaufelkranz an Laufrad 1 innerhalb eines zweiflutigen Seitenkanals 2 a, 2 b, dem Seitenkanalgehäuse 3 sowie der Antriebswelle 4. Jede der zweiflutigen Axialschaufeln besteht aus einem inneren Schaufelbereich 1 a und einem äußeren Schaufelbereich 1 b, wobei der innere Schaufelbereich 1 a und der äußere Schaufelbereich 1 b zueinander entgegengerichtete Anstellwinkel ±β₁ besitzen. Der innere Schaufelbereich 1 a und der äußere Schaufelbereich 1 b sind im Bereich OO zusammengesetzt. Die entgegengerichteten Anstellwinkel ±β₁ zwischen innerem Schaufelbereich 1 a und äußerem Schaufelbereich 1 b werden erfindungsgemäß durch Profilverwindung über die gesamte Schaufellänge 1 erzielt. Dabei verschwindet der Anstellwinkel am Übergang von innerem Schaufelbereich 1 a zum äußeren Schaufelbereich 1 b an der Stelle OO örtlich. Der Bereich OO mit verschwindendem Anstellwinkel liegt erfindungsgemäß im Mittelkreis des toroidalen Austauschwirbels 5. Der Verlauf des Austauschwirbels 5 beim Betrieb der Seitenkanalmaschine entspricht dem meridionalen Massenaustauschstrom, der wechselweise die beiden Seitenkanalhälften 2 a und 2 b durchströmt. Die Meridiangeschwindigkeit c _ma im inneren Schaufelbereich 1 a ist demgemäß der Meridiangeschwindigkeit c _mb im äußeren Schaufelbereich entgegengerichtet.

Aus Fig. 1a ist außerdem zu ersehen, daß das Fluid bei jedem Umlauf im Seitenkanal 2 a, 2 b gemäß Austauschwirbel 5 zweimal die Schaufelradebene durchquert und dabei doppelt so viel Energie und peripheralen Impuls zugeführt bekommt wie bei einer einflutigen Axialbeschaufelung gemäß DE-OS 19 21 945.

Es zeigt Fig. 1b den Grundriß des erfindungsgemäßen zweiflutigen Axialrades.

Es zeigt Fig. 1c eine Projektion der Schaufelbereiche 1 a, 1 b in Richtung der Schaufelachse 6, aus der insbesondere die Profilverwindung und die leichte Hakenform des Schaufelprofils mit der leicht vorwärts gerichteten Austrittskante zu ersehen sind. Dabei sind insbesondere die Eintrittswinkel ±β₁ 90° und die Austrittswinkel ±β₂ 90°.

Weitere Vorteile dieses Ausführungsbeispiels bestehen darin, daß

- die die gesamte Beschaufelung aus einem Blechteil geformt werden kann, und daß
- der auf die Laufradlagerung wirkende Axialschub vollständig ausgeglichen ist, da die Axialkraft auf den inneren Schaufelbereich 1 a entgegengesetzt gleich der Axialkraft auf den äußeren Schaufelbereich 1 b ist, und daß
- die Schallemission aufgrund des geringen, im Schaufelraum eingeschlossenen Gasvolumens und der geringen Stoß- und Reibungseffekte wesentlich geringer ist als bei herkömmlichen Seitenkanalmaschinen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2a, 2b und 2c dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben: Es zeigt Fig. 2a einen Meridianschnitt durch eine Seitenkanalmaschine mit einem zweiflutigen Axialrad 7 in einem zweiflutigen Seitenkanal 8 a, 8 b sowie den inneren Axialschaufeln 9 a und den äußeren Axialschaufeln 9 b, welche durch einen Teilungsring 10 voneinander abgegrenzt sind. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a, 1b und 1c werden die entgegengerichteten Anstellwinkel von innerer Axialschaufel 9 a und äußerer Axialschaufel 9 b durch Profilschränkung im Bereich des Teilungsrings 10 erzielt. Die Axialschaufeln 9 a und 9 b weisen daher keine oder nur geringe Profilverwindung sowie ebene Ein- und Austrittsflächen auf, wodurch in besonderen Fällen der Herstellungsaufwand geringer wird.

Aus dem Strömungsbild gemäß Fig. 2a ist insbesondere der Austauschwirbel gemäß Stromlinie 11 zu erkennen, welcher symmetrisch zum Teilungsring 10 verläuft. Es zeigt Fig. 2b eine Teilabwicklung des zweiflutigen Axialrades 7 mit der inneren - gestrichelt eingezeichneten - Axialschaufel 9 a und der äußeren Axialschaufel 9 b sowie die maßgeblichen Geschwindigkeitsdreiecke für die Ein- und Austrittsströmungen der inneren und äußeren Axialschaufeln 9 a und 9 b.

In Fig. 2b bedeuten:

c _m = Meridiangeschwindigkeit
w = Relativgeschwindigkeit
c = Absolutgeschwindigkeit
u = Umfangsgeschwindigkeit der Schaufel
b₁ = Anstellwinkel am Schaufeleintritt

In Fig. 2b gelten folgende Indizes:

"i" für innere Beschaufelung
"a" für äußere Beschaufelung
"1" für den Schaufeleintritt
"2" für den Schaufelaustritt

Aus den Geschwindigkeitsdreiecken gemäß Fig. 2b werden insbesondere die entgegengerichteten Durchflutungen bzw. Meridiangeschwindigkeiten c _m von inneren Axialschaufeln 9 a und äußeren Axialschaufeln 9 b deutlich.

Wie aus Fig. 2b zu ersehen ist, läßt sich der Schaufelwinkel im Auslegungspunkt so wählen, daß örtlich stoßfreier Eintritt an innerer und äußerer Beschaufelung 9 a, 9 b möglich ist. Es zeigt Fig. 2c eine Normalansicht des zweiflutigen Axialrades 7 mit den inneren Axialschaufeln 9 a und den äußeren Axialschaufeln 9 b, dem Teilungsring 10, dem Gehäuse 12, dem Ansaugstutzen 13, dem Unterbrecher 14 und dem Austrittsstutzen 15. Der Drehsinn des Axialrades 7 ist durch Pfeil 16 angegeben. Der Unterbrecher 14 ist in herkömmlicher Weise ausgeführt, wobei insbesondere auch der selbstansaugende Betrieb als Pumpe ermöglicht wird.

Schrifttumsangabe:

[1] Pfleiderer, C.  Die Kreiselpumpen, 5. Aufl. Anhang B₂ Springer Verl. 1961
[2] Gabi, M.  Theoretische und experimentelle Untersuchung der Strömung in Seitenkanalverdichtern Dr. Ing. Diss. Univers. Karlsruhe, 1982
[3] N. N.  Technisches Handbuch Verdichter 3. Aufl. Kap. 5.5 VEB Technik, Berlin, 1983

Claims

Anspruch 1: Seitenkanalmaschine, gekennzeichnet durch ein zweiflutiges axiales Schaufelrad innerhalb eines zweiflutigen Seitenkanals mit Anstellwinkeln der inneren, achsnäheren Schaufelbereiche, die den Anstellwinkeln der äußeren, achsferneren Schaufelbereiche entgegengerichtet sind und einer Gesamtlänge der inneren und äußeren Schaufelbereiche, die gleich dem lichten Durchmesser des Seitenkanals ist, wobei die Meridiangeschwindigkeiten im inneren Schaufelbereich den Meridiangeschwindigkeiten im äußeren Schaufelbereich entgegengerichtet sind.
Anspruch 2: Seitenkanalmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegengerichteten Anstellwinkel ±β₁ der Schaufelbereiche 1 a und 1 b durch Profilverwindung stetig über die gesamte Schaufellänge l von einem positiven Anstellwinkelbereich +β₁ vom Fuß des inneren Schaufelbereichs 1 a bis zur Schaufelmitte OO in einen negativen Anstellwinkelbereich -β₁ des äußeren Schaufelbereiches 1 b von der Schaufelmitte OO zur Schaufelspitze übergeht, wobei in der Schaufelmitte OO der Anstellwinkel örtlich verschwindend klein wird.
Anspruch 3: Seitenkanalmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegengerichteten Anstellwinkel ±β₁ durch Profilschränkung zwischen den inneren Axialschaufeln 9 a und den äußeren Axialschaufeln 9 b erzielt wird.
Anspruch 4: Seitenkanalmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den inneren Axialschaufeln 9 a und den äußeren Axialschaufeln 9 b ein Teilungsring 10 angeordnet ist.
Anspruch 5: Seitenkanalmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Schaufeln eine dem Reaktionsgrad von etwa ¹/₃ entsprechende Hakenform mit leicht vorwärtsgerichteter Austrittskante aufweisen.