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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf den industriellen technischen
Bereich und kann bei Pumpen, Kompressoren und Motoren angewendet werden.
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Stand der
Technik
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Eine
rotierende Wirbelmaschine ist bekannt, zum Beispiel
US 532 8325 , die einen Stator und
einen Rotor mit einer ringförmigen
Arbeitsvertiefung umfasst, die Blätter und eine jeweils mit dem
Stator und dem Rotor verbundene Trenneinrichtung umfasst, wobei
die Arbeitsvertiefung mit einem Kanal zur Zuführung des Betriebsmittels zu
dem Rotor und einem Kanal zur Abführung des Betriebsmittels verbunden
ist. Ihre Abschnittsbreite ist gleich einer Differenz von maximalen
und minimalen Radien der Arbeitsvertiefung, die dementsprechend
als Abstand zwischen der Achse und dem am weitesten liegenden Punkt
der Arbeitsvertiefung und als Abstand von der Achse zu dem nahesten
Punkt ermittelt wird (siehe veröffentliche
Anmeldung Nr. WO98/46886, cl. FOID 9/02, FOAD 5/00, 1198).
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Ein
Nachteil der genannten Maschine ist eine niedrige Leistung auf Grund
beträchtlicher
volumetrischer und hydraulischer Verluste, die durch Lecken aus
der Arbeitsvertiefung durch Spalten zwischen dem Rotor und dem Stator
verursacht werden, des Transfers vom Betriebsmittel von dem Hochdruckabschnitt
zu dem Tiefdruckabschnitt durch die Arbeitsvertiefung, einer niedrigen
Intensität
der Wirbelbildung am Eingang der Arbeitsvertiefung und hydraulischer
Verluste der Wirbelströmung
in die Arbeitsvertiefung.
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Gegenstand
der Erfindung
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung besteht darin, Mittel zur Erhöhung der
Maschinenleistungsfähigkeit
auf Kosten der Verminderung der volumetrischen und hydraulischen
Gesamtverluste durch Optimierung des Verhältnisses von dem maximalen Radius
zu der Breite des Arbeitsvertiefungsabschnittes mit Auswirkung Auswirkung
auf die Werte der Verluste aus der Arbeitsvertiefung durch Spalte
zwischen dem Rotor und dem Stator, des Transfers vom Betriebsmittel
von der Hochdruckabschnitt zu dem Tiefdruckabschnitt durch die Arbeitsvertiefung,
der niedrigen Intensität
der Wirbelbildung am Eingang der Arbeitsvertiefung und hydraulischer
Verluste der Wirbelströmung
in die Arbeitsvertiefung zu schaffen.
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Dieses
Ziel ist dadurch erreicht, dass erfindungsgemäß in der rotierenden Wirbelmaschine,
die den Stator und den Rotor mit einer ringförmigen Arbeitsvertiefung, Blätter und
eine jeweils mit dem Stator und dem Rotor entsprechend verbundene
Trenneinrichtung umfasst, wobei die Arbeitsvertiefung mit einem
Kanal zur Zuführung
des Betriebsmittels zu dem Rotor und einem Kanal zur Abführung des
Betriebsmittels verbunden ist und ihre Abschnittsbreite einer Differenz
von maximalen und minimalen Radien der Arbeitsvertiefung gleich
ist, die dementsprechend als Abstand zwischen der Achse und dem
am weitesten liegenden Punkt der Arbeitsvertiefung und als Abstand
von der Achse zu dem nahesten Punkt ermittelt wird, ein Verhältnis von
dem maximalen Radius der Arbeitsvertiefung zu ihrer Abschnittsbreite zwischen
mindestens 4,5 und höchstens
9,5 liegt.
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Zusätzlich ist
es zweckmäßig, dass
ein Winkel zur Einstellung der Blätter im Bereich von 0° bis 26° liegt, und
dass jedes Blatt eine dem Rotor entgegengesetzte Frontkante mit
einem im Bereich von 20° bis
70° liegenden
Richtungswinkel (α)
besitzt. Eine Summe der Blattwinkeleinstellungen und der Richtung
der Frontkante sollte weder unter 22° noch über 94° liegen.
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Dies
hat zur Folge die Erhöhung
der Betriebsleistung der Maschine auf Kosten der Reduzierung der
hydraulischen Verluste der Wirbelströmung des Betriebsfluidums in
der Arbeitsvertiefung und der Reduzierung des Transfers des Betriebsfluidums
von dem Hochdrucksabschnitt der Hochdruckarbeitsvertiefung ausgehend
durch einen Spalt zwischen den Blättern und der Trenneinrichtung
und durch die Arbeitsvertiefung, wobei dafür gesorgt wird, dass Werte des
Frontkantenrichtungswinkels und Blatteinstellungswinkels gleichzeitig
annähernd
ihren Grenzwerten entsprechen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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1 stellt
einen Meridianabschnitt der rotierenden Wirbelmaschine mit in einer
Ebene angeordneten Blättern
dar.
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2 stellt
den Seitenabschnitt der in 1 in der Ebene
A-A dargestellten Maschine dar.
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3 stellt
einen Abschnitt der auf 1 dargestellten Maschine in Ebene
S-S (vergrößert) dar.
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4 stellt
einen Meridianabschnitt einer alternativen Ausführung einer rotierenden Wirbelmaschine
mit Frontkanten von an der zylindrischen Oberfläche angeordneten Blättern dar.
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5 stellt
einen Abschnitt der auf 4 dargestellten Maschine in Ebene
B-B dar.
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6 stellt
einen Abschnitt der auf 5 dargestellten Maschine mit
zylindrischer Ebene T-T (vergrößert) dar.
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7 stellt
einen Seitenabschnitt eines auf 3 und 6 dargestellten
Blattes dar, wobei die Ebene E-E durch das Zentrum dessen Frontkante, senkrecht
zu dessen Meridianebene und der die Ende der Bordkante verbindenden
Sehne verläuft
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Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
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Die
rotierende Wirbelmaschine besteht aus einem Stator 1 und
einem Rotor 2 mit einer zwischen den letzteren liegenden
ringförmigen
Arbeitsvertiefung 3. Die Umrisse der Arbeitsvertiefung
(in der Ebene senkrecht zu der Maschinenachse) und der Umriss des
Arbeitsvertiefungsabschnitts (in der Meridianebene, die durch die
Längsachse
der Maschinenebene verläuft)
können
rundförmig
oder mit unbedeutenden Abweichungen der Rundform (oval) ausgebildet
sein. Die Arbeitsvertiefung umfasst Blätter 4 und eine Trennvorrichtung 5,
die dementsprechend mit dem Stator 1 und dem Rotor 2 verbunden
sind.
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Die
Arbeitsvertiefung steht mit einem im Rotor angeordneten Kanal 6 zur
Zuführung
des Betriebsfluidums und mit einem Kanal 7 zur Evakuierung
des Betriebsfluidums in Strömungsverbindung.
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Der
maximale Radius (R) der Arbeitsvertiefung ist einem Abstand von
der Maschinenachse zu dem am weitesten entfernten Punkt der Arbeitsvertiefung
gleich; Der minimale Radius (r) ist einem Abstand von der Maschinenachse
zu dem am nahesten liegenden Punkt der Arbeitsvertiefung gleich;
die Breite (h) der Arbeitsvertiefung entspricht der Differenz (R-r)
der minimalen und minimalen Radien.
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Das
Verhältnis
(R/h) des maximalen Radius der Arbeitsvertiefung zu deren Abschnittsbreite
liegt zwischen 4,5 und 9,5 (9,5 ≥ R/h ≥ 4,5) Jedes
Blatt 4 (siehe 6 und 7) weist eine
Frontkante 8 auf, die dem Rotor 2 gegenübersteht
und an dem Kreuzpunkt der Oberfläche 9 des
Blattes 4 und der Mittensekante der Fläche 10 des Blattes 4 angeordnet
ist. Die Sekantenmittenfläche 10 des
Blattes 4 ist eine Fläche,
die in zwei Teilen einen Abstand zwischen den konkaven und den konvexen
Abschnitten der Blattflächen,
welche Abschnitte im Hinblick auf die Normale zu diesen Flächen gemessen
wurden. Die Mittelsekante 10 des Blattes 4 kann
als geometrische Stelle von Zentren von Sphären ausgebildet sein, die sich
zwischen den ermittelten Teilen der Blattfläche befinden. Der Winkel α der Blattfrontkantenrichtung, das
heißt
der Winkel zwischen der Meridianebene 11 durch das Zentrum 12 der
Frontkante 8 und der Tangentenlinie 13 zu der
Mittellinie 14 des Seitenabschnittes des Blattes 4 an
dem Überschneidungspunkt
der Mittellinie 14 mit der Frontkante 8 (Im Zentrum 12)
liegt zwischen 20° und
70°. Die
Mittellinie des Seitenabschnittes ist die Linie, die die Sekantenmittelfläche 10 des
Blattes 4 und die Ebene, die durch das Zentrum 12 verläuft, senkrecht
zu der Meridianebene 11 und der die entgegengesetzten Ende der
Frontkante 8 verbindenden Sehne 15 verläuft. Der
Blatteinstellungswinkel β,
das heißt
der Winkel zwischen der Sehne 15 und der Meridianebene 11, die
durch das Zentrum 12 der Frontkante 8 verläuft, liegt
zwischen 0° und
26°. Eine
Summe der Winkel α und β soll von
22° bis
94° liegen
(22° < α + β < 94°).
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Im
Motorbetrieb der rotierenden Wirbelmaschine wird der Betriebsfluidumsstrom
durch den Kanal 6 der Arbeitsvertiefung 3 zugeführt, wobei
er eine Kreisform unter der Wirkung der rundförmigen Abschnitte der Fläche des
Stators und Rotors und der Blättern
annimmt, was eine freie Strömung über die Arbeitsfläche zu dem
Kanal 7 ausschließt.
Infolgedessen steht die Trennvorrichtung 5 unter der Wirkung
des Betriebsfluidumsdifferenzdruckes und der Rotor 2, mit
welchem die Trennvorrichtung verbunden ist, führte eine umlaufende Bewegung
aus, die an der Maschinenwelle ausgeübt wird.
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Im
Pumpen- oder Kompressorbetrieb der Maschine mit Drehung des Rotors 2 nimmt
das Betriebsfluidum unter der Wirkung der Trennvorrichtung 5,
der Blätter 4 und
der rundförmigen
Abschnitte der Fläche
des Stators und des Rotors die wirbelförmige Bewegung an. Eine derartige
Bewegung des Betriebsfluidums verhindert dessen freie Strömung über die
Arbeitsvertiefung in Drehrichtung des Rotors vom Kanal 6 zum
Kanal 7. Demzufolge ist der wirbelförmige Strom des Betriebsfluidums
durch die Trennvorrichtung zu dem Kanal 7 zugeführt und
durch den Kanal 6 ist eine neue Menge an Betriebsfluidum
in die Arbeitsvertiefung angesaugt.
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Die
Veränderung
eines Verhältnisses
(R/h) des maximalen Radius der Arbeitsvertiefung der Maschine zu
deren Abschnittsbreite, zum Beispiel im Sinne einer Erhöhung ist
mit einer Erhöhung
des maximalen Radius der Arbeitsvertiefung (vorausgesetzt, dass
die Charakteristik des Maschinenverbrauch konstant aufrechterhalten
wird) verknüpft
und resultiert einerseits aus der Leckerhöhung aus der Arbeitsvertiefung
der Spalten zwischen dem Rotor und dem Stator zum Gunsten der Erhöhung der
Zone des Durchlassabschnittes des Spaltes zwischen dem Rotor und
dem Stator, und andererseits hat eine Reduzierung der Lecken des
Betriebsfluidums aus dem Hochdruckabschnitt zu dem Tiefdruckabschnitt über die
Arbeitsvertiefung auf Kosten der Erhöhung der Arbeitsvertiefungslänge zur
Folge. Zusätzlich
hat die Erhöhung
von R eine Erhöhung
der zentrifugalen Beschleunigung zur Folge, die durch den Rotor
an dem Betriebsfluidum angebracht ist, was in einer intensiveren
Wirbelbildung am Einlass des Betriebsfluidums zu der Arbeitsvertiefung
resultiert und schließlich eine
Reduzierung des Betriebsfluidumstransfers über die Arbeitsvertiefung zur Folge
hat. Experimentale Daten haben erwiesen, dass die Erreichung von 9,5 ≥ R/h ≥ 4,5 im Hinblick
auf die genannten Merkmale sowie auch auf die hydraulischen Verluste
des Wirbelstroms auf Kosten der Reibung des Betriebsfluidums an
den Blättern,
dem Rotor und dem Stator optimal ist.