DE4200507A1 - Variable stroemungsmaschine - Google Patents

Variable stroemungsmaschine

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Description

Herkömmliche Strömungsmaschinen bestehen aus einem unveränderlichem Laufrad und einer Leitvorrichtung, welche meist aus einem unveränderlichem Spiralgehäuse und eventuell in Kombination mit Finkschen Drehschaufeln und/oder Eintrittsleitdrehschau­ feln bestehen.
Aufgrund ihrer geometrischen Vorgaben können diese Strömungsmaschinen nur ex­ tern durch Ventile und Drehzahlveränderungen und/oder intern durch Drehschaufelver­ stellungen geregelt werden.
Bei Abweichung solcher Strömungsmaschinen vom Auslegepunkt treten teilweise erhebliche Wirkungsgradverluste auf, da diese Strömungsmaschinen nicht optimal an den veränderten Volumenstrom angepaßt werden können.
Die Besonderheit der "Variablen Strömungsmaschine" liegt in ihrer geometrischen Veränderlichkeit begründet, da sie neben externer Regelung insbesondere durch An­ passung der Laufradbreite und der Spiralgehäuseform geregelt werden kann, wodurch die Wirkungsgradeinbußen bei Abweichung vom Auslegepunkt minimiert werden kön­ nen.
Darum eröffnet die "Variable Strömungsmaschine" bei Pumpen- und Turbinenanla­ gen mit wechselnden Volumenströmen beziehungsweise Betriebszuständen die Möglichkeit der Energieeinsparung.
Fig. 1 zeigt das Laufrad mit variabler Laufradbreite und das Spiralgehäuse mit variabler Spiralform.
Fig. 2 zeigt den Schnitt A-A der Fig. 1.
Das beschaufelte Laufrad (1, 2) ist auf einer Hohlwelle (6) befestigt, durch die eine sich mitdrehende Schubstange (5) verläuft, welche in einem Laufradaufsatz (3) endet, der aus einer Scheibe (3a) mit Schlitzen in Laufradschaufelform, so daß der Laufradauf­ satz (3) zwischen dem Laufrad (1) und der eventuell vorhandenen Deckscheibe (4) auf den Laufradschaufeln (2) verschiebbar ist, einem Umlenkabschnitt (3b), der die Strö­ mung von der axialen in die radiale Richtung umlenkt (Pumpe), beziehungsweise um­ gekehrt (Turbine), und einem Ring (3c) zur Versteifung und Verluststrombegrenzung besteht.
Die radiale Strömung befindet sich im Laufrad (1) zwischen den Laufradschaufeln (2) und wird axial begrenzt durch die Deckscheibe (4) und durch die Laufradaufsatz­ scheibe (3a), welche über die Schubstange (5) verstellbar ist, womit die Laufradbreite und somit die Laufradform, beziehungsweise die spezifische Drehzahl, variierbar sind.
Das Spiralgehäuse (7, 8) besitzt einen rechteckigen Querschnitt (13), in welchem eine Blattfeder (9) in logarithmischer Spiralform verläuft. Diese Blattfeder (9) ist mit ihrem einen Ende (9a) an der Spiralgehäusenase (8a) und mit ihrem anderen Ende (9b) am Rand des Schlittentisches (10a) am Schlitten (10) befestigt. Der Schlitten (10) ist über eine Hydraulik (11) verstellbar. An dem Schlitten (10) neben der Blattfederbefesti­ gung (9b) befindet sich ein Gelenk (12a). Eine Diffusorklappe (12) ist einerseits an die­ sem Gelenk (12a) und andererseits an einer Spiralgehäuselängsnut (8c) beweglich befe­ stigt.
Je nach Stellung des Schlittens (10) über die Hydraulik (11) verändert sich die Spi­ rale der Blattfeder (9), wobei sich der Spiralgehäusequerschnitt (13) und die Spiralform ändern, ebenso verändert sich hierbei auch die Stellung der Diffusorklappe (12).
Fig. 3 zeigt das oben beschriebene Laufrad mit variabler Laufradbreite und die zweite Möglichkeit der variablen Spiralgehäuseform über die Spiralbreite.
Fig. 4 zeigt den Schnitt B-B der Fig. 3.
Fig. 5 zeigt den Ausschnitt C-C der Fig. 4.
Im Spiralgehäuse (14, 14b) befindet sich ein Spiralkolben (15), der in einen Ringkol­ ben (15a) übergeht, der sich zwischen dem Gehäuserückwanddeckel (14c) und dem Ge­ häusezylinder (14d) befindet. Der Spiralkolben (15) stellt eine der Seitenbegrenzungen des Strömungsquerschnittes (13) dar. Die Breite des Strömungsquerschnittes (13) kann durch Änderung der Spiralkolbenstellung (15) verändert werden, welches durch Druck­ veränderung des Hydraulikfluides (16) erreicht wird. Bei Druckerhöhung des Hydraulikfluides (16) wird der Ringkolben (15a) zum Spiralgehäusedeckel (14b) hin verstellt, und bei Druckverminderung des Hydraulikfluides (16) drückt das Förderfluid, welches die Maschine durchströmt, den Spiralkolben (15) und somit den Ringkolben (15a) vom Spiralgehäusedeckel (14b) weg, wobei sich jeweils der Strömungsquerschnitt (13) verändert. Der Spiralkolben (15) befindet sich in Ruhestellung, wenn der Hydrau­ likfluiddruck (16) gleich dem Förderfluiddruck ist.
Am Spiralkolbenende (15b) neben der Spiralgehäusenase (14a) befindet sich ein Gelenk (17a), an dem die Diffusorklappe (17) einerseits und an der Spiralgehäuselängs­ nut (14e) andererseits beweglich befestigt ist. Je nach Spiralkolbenstellung (15) verän­ dert sich die Stellung der Diffusorklappe (17).

Claims (17)

1. Strömungsmaschine als Kraft- und/oder Arbeitsmaschine mit einem in einem Spiralgehäuse (7, 8, 14) angeordneten Laufrad (1, 2, 3, 4, 5, 6), gekennzeichnet durch eine Laufrad-Verstelleinrichtung (3, 5) zur Veränderung der wirksamen axialen Breite des Laufrades (1, 2, 3, 4, 5, 6) und durch eine Gehäuse- Verstelleinrichtung (10, 11, 14, 15, 16) zur Veränderung des Strömungsquerschnittes (13) im Gehäuse (7, 8, 14).
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Schaufeln (2) bestückte Laufrad (1, 2, 3, 4, 5, 6) eine die eine axiale Begrenzung der jeweiligen Durchströmquerschnitte bildende Deckscheibe (4) sowie einen die andere axiale Begrenzung bildenden Laufradaufsatz (3) aufweist, der durch die Laufrad-Verstelleinrichtung (3, 5) axial gegenüber der Deckscheibe (4) verschiebbar ist.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufrad-Verstelleinrichtung (3, 5) eine Schubstange (5) aufweist, die an ihrem einen Ende den Laufradaufsatz (3) trägt.
4. Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckscheibe (4) mit den Schaufeln (2) des Laufrades (1, 2, 3, 4, 5, 6) auf einer Hohlwelle (6) angeordnet ist, durch die die Schubstange (5) geführt ist.
5. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufradaufsatz (3) aus einer Scheibe (3a) besteht, in der der Schaufelform angepaßte Schlitze vorgesehen sind, durch die die Schaufeln (2) relativ verschiebbar hindurchragen.
6. Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufradaufsatz (3) zwischen der Deckscheibe (4) und einer Rückwand (1) des Laufrades (1, 2, 3, 4, 5, 6) angeordnet ist.
7. Strömungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufradaufsatz (3) mit einem sich axial erstreckenden Ring (3c) die Laufrad- Rückwand (1) verschieblich übergreift.
8. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufradaufsatz (3) einen zentrischen Strömungsumlenkabschnitt (3b) aufweist.
9. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt (13) im Gehäuse (7, 8, 14) rechteckig ausgebildet ist.
10. Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radial außenliegende Wandung des Strömungskanals (13) durch eine Blattfeder (9) gebildet ist, die in logarithmischer Spiralform verläuft, an ihrem einen Ende (9a) ortsfest am Gehäuse (8a) festgelegt und an ihrem anderen Ende (9b) von der Gehäuse-Verstelleinrichtung (10, 11) beaufschlagt ist.
11. Strömungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse-Verstelleinrichtung (10, 11) einen über einen Antrieb (11) verschiebbaren Schlitten (10) aufweist, an dem das andere Ende (9b) der Blattfeder (9) befestigt ist.
12. Strömungsmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem anderen Ende (9b) der Blattfeder (9) eine Diffusor-Klappe (12) vor­ beziehungsweise nachgeschaltet ist.
13. Strömungsmaschine nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende (9a) der Blattfeder (9) an der Spiralgehäusenase (8a) befestigt ist.
14. Strömungsmaschine nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die eine axiale Wandung des Strömungskanals (13) durch einen Kolben (15) gebildet ist, der eine radial außenliegende Wandung in logarithmischer Spiralform und eine radial innenliegende Wandung in zylindrischer Form aufweist, und der an seinem anderen axialen Ende (15a) mit der Gehäuse-Verstelleinrichtung (14c, 14d, 15a, 16) beaufschlagt ist.
15. Strömungsmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse-Verstelleinrichtung (14c, 14d, 15a, 16) über ein Hydraulikfluid (16) einen verschiebbaren Ringkolben (15a) aufweist, der mit dem Kolben (15) verbunden ist.
16. Strömungsmaschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spiralende (15b) des Kolbens (15) eine Diffusor-Klappe (17) vor­ beziehungsweise nachgeschaltet ist.
17. Strömungsmaschine nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die innere zylindrische Wand des Kolbens (15) den Laufradaufsatzring (3c) radial, relativ axial verschiebbar, überdeckt.
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