DE68903773T2

DE68903773T2 - Rotierende stroemungsmaschine, anwendbar als pumpe, verdichter, propeller, generator oder arbeitsturbine.

Info

Publication number: DE68903773T2
Application number: DE8989400766T
Authority: DE
Inventors: Pierre Carrouset
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-03-24
Filing date: 1989-03-17
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2009-03-18
Also published as: DE68903773D1; EP0408618A1; RU2013662C1; AU636292B2; ES2037974T3; CN1022505C; ATE83298T1; JP2578232B2; CA1338464C; EP0334737B1; WO1989009342A1; US5139391A; AU3295289A; FR2629142A1; CN1038686A; GR3007266T3; EP0334737A1; JPH03503437A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Maschinen, welche kinetische Energie und Zentrifugalkraft dazu benutzen, Übertragungen zwischen Arbeitsgrößen und Fluiden und andersherum durchzuführen.
Die bekannten Geräte wie z.B. Propeller, Zentrifugalturbinen, Propellerzentrifuge usw. treffen beim Erfassen des Fluids auf notorische Schwierigkeiten, sobald man sich Extrembedingungen nähert, insbesondere im Falle einer bedeutenden Zunahme der Rotationsgeschwindigkeiten. Der verwendete Terminus "NPSH" "Net Positive Suction Head" - minimaler absoluter Druck beim Ansaugen beschreibt genau das Hindernis, das man trifft. Die Verwendung der seit Leonardo da Vinci wohl bekannten Archimedischen Schraube mit zunehmendem Durchmesser in Form einer Aufladungsschraube ist die bekannteste Abhilfe zur Vermeidung der Kavitation von Flüssigkeiten oder der übermässigen Expansion der Gase beim Eintritt.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Maschine, welche die vorgenannten Nachteile abschwächt durch:
- die direkte Einführung des Fluids durch das Innere einer Archimedischen Schraube mit zunehmendem Durchmesser, welche als Rotor dient,
- die obligatorische Anwesenheit einer entgegenwirkenden, kreisförmigen Umhüllung, welche die Fluidstrahlen zum genannten Rotor führt und komprimiert,
- schließlich eine bessere Aerodynamik der Angriffskanten der Eintritts- und Führungselemente, durch den neuen Fluidkreislauf ermöglicht.
Diese Maschine ist von einem Typ umfassend wenigstens eine als hohle Spirale gewundene Schaufel und wenigstens ein um die Rotationsachse der genannten Maschine angeordnetes Blatt, wobei Schaufel und Blatt in einer kreisförmigen Umhüllung enthalten sind, welche den Rotor äußerlich umhüllt, um einen Eintritt für ein Fluid zu bilden und dessen Entweichen zu verhindern. Gemäß einem ersten Kennzeichen umfaßt diese Maschine - einen Rotor, welcher wenigstens ein um dessen Rotationsachse angeordnetes Blatt aufweist, welches vorne an seiner Außenkante wenigstens eine als hohle Spirale gewundene Schaufel empfängt, wobei beide mit unterschiedlicher Steigung, aber gleichzeitig sowohl diametral als longitudinal gegenüber der Rotationsachse verlaufen, -eine am Vorderende des Rotors befindliche kreisförmige Umhüllung, welche Kompressionselemente für das Fluid aufweist, um einen Eintritt für das Fluid zu bilden, dessen Entweichen zu verhindern und es zu komprimieren, wobei das genannte Fluid dann einerseits von den Schaufeln des Rotors in einen peripheren Fluß mitgenommen und andererseits von den Blättern des Rotors in einen zentralen Fluß kanalisiert wird.
Weitere Kennzeichen der Erfindung sind im folgenden aufgeführt:
-Das Profil der Rotations-Hüllfläche der Angriffskante der Schaufeln wird seitlich beiderseits seiner Symmetrieachse im hinteren Teil des Rotors von einem ebenen Abschnitt begrenzt, welcher im wesentlichen parallel zur Achse oder leicht konisch zu ihr ist, und zum vorderen Teil des Rotors hin von einem zusammenlaufenden Abschnitt verlängert wird.
- An seinem nächst zur Achse gelegenen Anfang verbindet sich jedes Blatt mit einer Schaufel und beide haben kurzzeitig einen gemeinsamen Verlauf.
- Mit zunehmender Entfernung von der Achse wird die Steigung der Schaufeln geringer.
- Die Blätter weisen eine in der Rotationsrichtung des Rotors gebogene Umfangskante auf, und die Schaufeln weisen einerseits eine äußere Angriffskante auf, welche sich schnabelförmig zum hinteren Teil des Rotors neigt, um das Eindringen des peripheren Flusses des Fluids zu verbessern, und andererseits eine ebenfalls schnabelförmig zum hinteren Teil des Rotors gekrümmte innere Kante, um die Umwandlung des peripheren Flusses in einen zentralen Fluß zu begünstigen.
- Der Rotor kann Blätter aufweisen, welche auf die Schaufelzwischenräume begrenzt sind, deren Vorderkante sich radial zwischen den Schaufeln auf einem Umfangsabschnitt zwischen deren unteren und oberen Ende erstreckt, um den peripheren Fluß des Fluids nach hinten zu kanalisieren.
-Der Umfangsteil der Schaufel kann geringer werden oder verschwinden in Höhe des vorderen Teils der Verlängerung des Blattes, um danach wieder zu wachsen bzw. erneut zu erscheinen, um sich an das nächste Blatt anzuschließen.
-Das Innere der Blätter kann mit der Welle des Rotors verbunden werden, deren Durchmesser entlang deren Achse breiter wird, um eine geschlossene oder halboffene Turbine zu bilden.
-Nach einer bevorzugten Ausführungsform ragen die Blätter über den hinteren Teil und den größten Durchmesser der Schaufeln des Rotors um eine Zentrifugalturbine zu erzeugen, wobei das Ende der Blätter seitlich nach außen gerichtet ist und in Höhe des Turbinenausgangs eine gegenüber der Rotationsachse geneigte hintere Fläche aufweist.
-Gemäß einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Maschine ist die den Rotor außen umgebende kreisförmige Umhüllung statisch; sie definiert einen axialen Eintritt des Flusses zum Rotor und ist inwendig mit wenigstens einer Lamelle verbunden, welche dann dem Fluß des Fluids eine periphere Orientierung verleiht. Der axiale Eintritt ist beispielsweise mit Elementen verbunden, welche das Fluid mittels eines Flansches bringen.
-Gemäß einer zweiten Variante ist die kreisförmige Umhüllung drehbar; sie ist beispielsweise mittels einer den Rotor durchdringende Welle angetrieben, umgibt ihn außen und definiert eine schraubenförmige Zufuhr, welche in ihrem Inneren wenigstens eine spiralig gewundene Lamelle aufweist, welche, durch die auf diese Weise gelieferte kinetische Energie und durch die fliehende Form der genannte(n) inneren Lamelle(n) einen kreisförmigen peripheren Fluß des Fluids erzwingt, welcher sich mit dem peripheren Fluß des Rotors verbindet.
-Gemäß einer dritten Variante umfaßt die kreisförmige Umhüllung über den festen axialen Eintritt hinaus einen drehbaren Impulsgeber, welcher beispielsweise von einer den Rotor durchdringenden Welle angetrieben und mit spiralförmig gewundene Schaufeln tragenden Blätter ausgestattet ist, und dessen Inneres sich dem Profil der Rotations-Hüllfläche der Angriffskante der Schaufeln des Rotors anpaßt, wobei die Blätter auf die Schaufelzwischenräume begrenzt sind mit einer sich radial und auf einem Umfangsabschnitt zwischen den genannten Schaufeln innerhalb eines zwischen der Basis und der Spitze gelegenen Raums erstreckenden Vorderkante, um den peripheren Fluß des Fluids nach hinten zu kanalisieren, so daß insgesamt die Lamellen des axialen Eintritts dem Fluß des Fluids eine periphere Orientierung verleihen und dann der genannte Impulsgeber den Fluß des Fluids komprimiert, um ihn zwischen seinen Schaufeln hindurchzuzwängen, wogegen seine Blätter ihm im Rotor einen Überdruck geben.
Im folgenden werden weitere Eigenschaften aufgeführt:
- Die kreisförmige Umhüllung besteht im Bereich des größeren Durchmessers der Schaufeln des Rotors aus vollkommen kreisförmigen Elementen wie beispielsweise zylindrischen bzw. konischen Ringen, Bohrungen usw.
- Die Anzahl der Blätter des Rotors und der Lamellen der Umhüllung kann unterschiedlich sein, um durch mitschwingende Flüsse des Fluids verursachte Oberschwingungen zu vermeiden.
- Die Maschine kann mit am hinteren Ende des Rotors angeordneten Diffusoren versehen werden, um den Fluß des Fluids auszurichten und dessen Reaktionskräfte zu optimieren.
- Eine statische Kammer ist vorgesehen, welche das Innere der kreisförmigen Umhüllung umgibt bzw. vorne über diese ragt und sich dann zu deren Inneren biegt, um einen Ejektor zu bilden, wobei die Kammer ergänzt sein mag durch ein statisches Gehäuse, welches die gesamte Maschine umschließt und dessen Endkanten über den vorderen und hinteren Teil der Maschine ragen und sich nach innen biegen, das Gesamte überdeckend, wobei vorne ein zweiter Ejektor und hinten ein diesen speisendes Abzweigelement für das Fluid gebildet werden, so daß dem zugeführten Niveau des eingetretenen Fluids ein Induktionseffekt hinzugefügt wird.
- Die Lamelle(n) der kreisförmigen Umhüllung entfernt/entfernen sich in Höhe des vorderen zentralen Teils von der durch die Angriffskante der Schaufeln des Rotors beschriebenen Drehfläche und verschwindet/verschwinden sogar, um eine zentrale Öffnung zu definieren, vor allem wenn keine Welle vorhanden ist.
- Der durch das Profil der Rotations-Hüllfläche der Angriffskante der Schaufeln des Rotors definierte ebene Abschnitt und die kreisförmigen Elemente der kreisförmigen Umhüllung und evtl. ein an sich bekannter, am vorderen Teil des Flansches der wenigstens halbgeschlossenen, hinter dem Rotor angeordneten Zentrifugalturbine vorgesehener Dichtungsring und evtl. die hintere Bohrung der statischen Kammer stehen einander gegenüber und haben ein geeichtes Spiel.
- Eine derartige Maschine kann als Antriebselement oder Generator verwendet werden. In einem solchen Falle sind die Kanäle der Zentrifugalturbine mit Injektoren versehen, welche mit einer Fluid- und/oder Elektrodenzufuhr verbunden sind, letztere elektrisch gespeist.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Flüssigkeitslager bestehend aus Alveolen, welche mittels Öffnungen von verringertem Durchmesser mit einer Druckflüssigkeits-Zufuhr verbunden sind, vorgesehen, und zwar entweder in der Bohrung des an sich bekannten, vorne an der wenigstens halbgeschlossenen hinter dem Rotor angeordneten Zentrifugalturbine vorgesehen Dichtungsringes im Falle der drehbaren kreisförmigen Umhüllung, oder aber im Falle der statischen kreisförmigen Umhüllung mit Impulsgeber in der hinten am statischen axialen Eintritt vorgesehenen und zur Zentrierung des hinteren Teils der drehbaren kreisförmigen Umhüllung oder des hinteren Teils des Impulsgebers angebrachten Bohrung.
Die beigefügte Zeichnung ist lediglich informativer und nicht limitierender Art, da diese Maschine mittels geometrischer, absichtlich schematisierter Grundelementen beschrieben ist, um das Verständnis extrem komplizierter Formen zu erleichtern. In der Praxis sind die Formen weicher und runder, um das Fließen des Fluids zu harmonisieren und zu begünstigen.
Es wird Bezug genommen auf folgende Zeichnungen:
- Fig. 1 ist eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Maschine von unten.
- Fig. 2 ist ein Aufriß eines Rotors und ein Schnitt einer kreisförmigen Umhüllung der Maschine gemäß Fig. 1 und zeigt ausgangsseitig als Platten ausgebildete Diffusoren.
- Fig. 3 ist eine Ansicht derselben Maschine von oben.
- Fig. 4 zeigt ein Beispiel von Blättern mit einigen entsprechenden Schnitten.
- Fig. 5 zeigt einen Profiltyp eines Rotors mit einem ebenen Abschnitt hinten.
- Fig. 6 ist ein Aufriß und eine Draufsicht einer Schaufel und stellt einige korrespondierende Schnitte dar, wobei der Aufriß die Variation der zunehmenden Steigung mit zunehmendem Durchmesser zeigt.
- Fig. 7 ist die Ansicht eines Rotors mit Blättern, welche auf die Schaufelzwischenräume begrenzt sind.
- Fig. 8 und Fig. 15 zeigen Umhüllungen mit schraubenförmiger Zufuhr und spiralig gewundenen Lamellen als Schnitt und Draufsicht.
- Fig. 9 zeigt ein Aufriß eines drehbaren Impulsgebers.
- Fig. 10 ist ein als Zentrifugalturbine verwandelter Rotor, dessen Blattenden nach hinten und gegenüber der Rotationsachse geneigt sind, als Ansicht von unten und Seitenansicht.
Um das Verständnis der folgenden Zeichnungen zu erleichtern sind Schnitte durch die durch die vorgenannten Elemente gebildeten Umdrehungsvolumina in Detail dargestellt.
- Fig. 11 zeigt eine Maschine, deren kreisförmige Umhüllung statisch ist, wobei die Blätter sich vom Rotor entfernt haben und vom Zentrum verschwunden sind.
- Fig. 12 zeigt eine Maschine, deren kreisförmige Umhüllung drehbar und durch eine den Rotor durchdringende Welle angetrieben ist; es erscheinen Elektroden, Injektoren, die statischen Kammern und Umhüllungen mit ihren Ejektoren, die Abdichtungen mit kontrolliertem Spiel und das Flüssigkeitslager.
- Fig. 13 zeigt eine Maschine, deren kreisförmige Umhüllung eine feste axiale Zufuhr umfaßt, sowie einen durch eine den Rotor durchdringende Welle angetriebenen drehbaren Impulsgeber; ebenfalls gezeigt werden die Abdichtungen mit kontrolliertem Spiel und das Flüssigkeitslager.
- Fig. 14 zeigt auf einem Rotor das Verschwinden und Wiedererscheinen der sich strahlenförmig ausbreitenden Schaufel.
Mit Bezug auf diese Zeichnung besteht die Maschine aus wendelförmigen Blättern 11. Am vorderen Teil dieser Wendel sind Schaufeln 12 befestigt und spiralförmig gewickelt. Das Ganze bildet einen Rotor 10. Blätter 11 und Schaufeln 12 vereinigen sich in 30 am vorderen Ende des Rotors 10, um eine minimale Anzahl an Staupunkten zu bieten, welche den Fluß des im Zentrum des Rotors 10 erscheinenden Fluids stören könnten.
Die durch die das Blatt 11 bedeckende Schaufel 12 gebildete Angriffskante vergrößert ihren Durchmesser in Richtung des Pfeils 15 und schreitet gleichzeitig longitudinal in Richtung des Pfeils 13, wobei sie die Fluidströmung erfaßt, welche nach außen zu fliehen tendiert.
Eine entgegenwirkende den Rotor 10 umgebende kreisförmige Umhüllung 14 wirkt dem Fliehen des Fluids entgegen und komprimiert es. Zu diesem Zwecke ist sie mit Kompressionselementen versehen. Es ist zu bemerken, daß das Fluid nach der Trennung der Blätter 11 von den Schaufeln 12 über zwei Abflußwege innerhalb des Rotors 10 verfügt: entweder fließt es direkt hinter dem Rotor 10 unter Nutzung des Raums unterhalb des inneren Abschnitts der Schaufel 12 in Höhe des Durchmessers direkt oberhalb davon, oder es entfließt zwischen den Schaufeln 12. Wenn der hintere Teil des Rotors 10 wenigstens teilweise verstopft ist, kann das Fluid nur nach außen entweichen; weil aber die kreisförmige Umhüllung 14 eine strahlenförmige Rückausdehnung verhindert, entsteht lokal ein Überdruck, der das Eindringen des Fluids in den Rotor 10 erzwingt. Die genannten Elemente sind in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt.
Das Eindringen von Fluidströmung wird umso mehr vereinfacht, als die Kanten der Blätter 11 und der Schaufeln 12 in Richtung des Abflusses des Fluids profiliert sind: Deren Kanten stellen sich schnabelförmig dar. Die Vorderkante 50 der Blätter 11 tendiert dazu, zwischen den Schaufeln 12 länger zu werden, deren Hinterkanten verliert sich im Fluid oder verbreitert sich und verbindet sich mit einem komplementären Element, wie z.B. einem Flansch. Die außeren Angriffskanten 51 der Schaufeln 12 weisen einen Schliff auf, der gemäß einem Toleranzkompromiß zwischen Aufnahme und Abweisung des Fluids festgelegt ist; deren Innenkante 52 ist ein Element, welches das Fluid von außen nach innen einführt und den internen Fluß führt.
Vorzugsweise weist der Körper der Schaufel 12 zwischen dem äußeren Schnabel 51 und dem inneren Schnabel 52 eine konvexe Form nach hinten und eine konkave Form nach vorne, womit beim Drücken des Fluids die Tätigkeit der genannten äußeren (51) und inneren Schnabel (52) ergänzt wird. Das soeben Erläuterte wird in den Fig. 4 und 6 dargestellt.
Das Profil der Rotations-Hüllfläche der Kante der Schaufeln 12 weist im hinteren Teil des Rotors 18 einen zur Achse im wesentlichen parallelen ebenen Abschnitt 20 auf, um eine Dichtigkeit mit einem ihm gegenüber vorgesehenen Dichtungsring zu gewährleisten. Das genannte Profil konvergiert dann nach vorne in 21. Es wird eine Halbkugelform bevorzugt, es können aber konische, spitzbogenförmige gewählt werden; das Profil kann sogar teilweise senkrecht zur Rotationsachse sein, je nach den unterschiedlichen Parametern der zu lösenden Aufgaben. Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Profils.
In einer besonderen Ausgestaltung sind die Blätter 11 des Rotors 10 nur zwischen den Schaufeln 60 enthalten. Sie erstrecken sich radial zwischen den Schaufeln 12 auf einem Umfangsabschnitt. Sie halten mechanisch die Schaufeln 12 untereinander zusammen und erleichtern das Einführen des Fluids in das Innere des Rotors 10 oder drücken die Fluidströmung in Richtung auf die Kompressionselemente der kreisförmigen Umhüllung zurück. Fig. 7 stellt diese Art der Ausgestaltung dar. Wenn die Blätter 11 über den hinteren Teil und den größten Durchmesser der Schaufeln 12 ragen, nutzt somit der Rotor 10 die Zentrifugalkraft, wodurch also eine Zentrifugalturbine 90 entsteht. Das Ende der Blätter 11 schleudert das Fluid nach außen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Ende der Blätter nach hinten wie in 91 orientiert. Da die Turbine entweder geschlossen oder offen und in einem Körper enthalten ist, wird das Fluid dann nach hinten zurückgeworfen. Um die Eintrittsreaktionen des Flusses des Fluids auf die Rotation der Zentrifugalturbine auszunutzen, werden die Enden der Blätter 11 vorzugsweise ebenfalls gegenüber der Rotationsachse geneigt, wie in 92 gezeigt. Fig. 10 ist ein Beispiel des oben Erläuterten.
Die Steigung der Schaufeln 12 verringert sich mit zunehmender Entfernung von der Achse, weil die Geschwindigkeit des Fluids im Zentrum größer als an der Peripherie der Umhüllung 14 und die Neigung der Schaufel 12 von dieser Geschwindigkeit abhängig ist.
Gemäß Fig. 14, wo die schraffierten Teile leere Räume darstellen, wird der Radialteil der Schaufel 12 geringer oder er verschwindet in Höhe des vorderen Teils 71 der Verlängerung des Blattes 11, um danach in 72 wieder zu wachsen bzw. erneut zu erscheinen, um sich dann an das nächste Blatt 11 anzuschließen, um eine bessere Ausfüllung des Rückens des Blattes zu ermöglichen. Der innere oder hintere Teil der Blätter 11 kann sich mit der Welle verbinden, deren Durchmesser sich verbreitert, um eine Art schildförmigen Flansch zu bilden, und somit die Gestaltung von offenen oder halbgeschlossenen Zentrifugalturbinen zu ermöglichen. Die Anzahl der Blätter 11 und der Lamellen 101 kann unterschiedlich sein, um die durch mitschwingende Flüsse des Fluids verursachten Oberschwingungen zu vermeiden. Diffusoren 130 sind am hinteren Ende der Maschine angebracht, um den Fluß des Fluids auszurichten und dessen Reaktionskräfte zu optimieren. Die Maschine kann ohne die entgegenwirkende kreisförmige Umhüllung 14 nicht wirksam arbeiten. Die feste Umhüllung umfaßt einen vorzugsweise Lamellen 101 aufweisenden vorderen axialen Eintritt 100, wobei die Lamellen interne Kanäle bilden und in Richtung auf die Rotation des Rotors zunehmend geneigt sind. Eine interessante Lösung besteht darin, die Lamellen 101 des Rotors 10 in deren hinteren Bereich 170 zum Zentrum hin zu wegzurücken oder sogar die Lamellen 101 in dieser Zone zu entfernen, wobei eine Öffnung 171 definiert wird. Tatsächlich ist der Fluß im allgemeinen gegen das Zentrum hin am wenigstens gestört im Falle einer Fluidzufuhr mittels einer Kanalisation. Die am nächsten zur Achse befindlichen Lamellen 101 bieten durch die erforderliche Feinheit des Konstruktionsgewebes größere Nachteile, als sie durch eine bessere Führung des Fluids in diesem zentralen Abschnitt einen eventuellen Vorteil bieten würden. Die Freiheit, über die das Fluid durch einen größeren Abstand zwischen den Lamellen 101 und dem Rotor verfügt, macht es möglich, mit geringerer Wirksamkeit aber größerer Schmiegsamkeit die Umwandlung der Orientierung des Flusses des Fluids in den durch die Lamellen 101 gebildeten Kanälen zu erreichen. Die statische kreisförmige Umhüllung 14 ist oft in einem Mantel und/oder einem Körper eingeschlossen, welcher mit den Zuführungselementen für das Fluid verbunden ist, z.B. mittels eines Flansches 102. Fig. 11 stellt das Beispiel solcher Ausgestaltungen dar.
In der Variante gemäß Fig. 12 ist die kreisförmige Umhüllung 14 drehbar, sie weist eine aus spiralig gewundenen Lamellen 122 gebildete schraubenförmige Zufuhr 121 auf. Sie kann durch eine Welle 120 angetrieben werden, die z.B. den Rotor 10 durchdringt. Wenn der Antrieb von außen ohne zentrale Welle erfolgt, öffnen sich die Lamellen 122 der drehbaren kreisförmigen Umhüllung 14 im Zentrum, um den Eintritt des Fluids in diese privilegierte Zone zu erleichtern. Die Entfernung der Lamellen 122 der drehbaren kreisförmigen Umhüllung 14 in deren hinteren Bereich 170 von den Schaufeln 12 des Rotors 10 ist ebenfalls eine mögliche Formel, um die "hydraulische" Geschmeidigkeit des Systems zu verbessern.
Eine dritte Formel zur Ausführung der kreisförmigen Umhüllung 14 ist in Fig. 13 dargestellt und besteht von vorne nach hinten aus:
- der statischen kreisförmigen Umhüllung 14, welche wie zuvor beschrieben einen axialen Eintritt 100 aufweist,
- einem drehbaren Impulsgeber 140, welcher durch eine vorzugsweise den Rotor 10 durchdringende Welle 141 angetrieben ist, und den genannte Rotor 10 außen umgibt.
Der Impulsgeber 140 besteht aus
- spiralförmig gewundenen Schaufeln 143, welche gemeinsame Züge mit den zuvor beschriebenen Schaufeln 12 aufweisen,
- Blättern 142, welche ebenfalls einen offensichlichen gemeinsamen Zug mit den Blättern 11, welche auf die Schaufelzwischenräume 60 begrenzt sind, aufweisen.
Das Fluid dringt durch den axialen Eintritt 100 ein und wird durch die Lamellen 100 der statischen kreisförmigen Umhüllung 14 abgelenkt, welche es zur Peripherie hin in demselben Sinn führt wie der Rotationssinn des . Das Fluid wird somit komprimiert und dringt zwischen die Schaufeln 143 des Impulsgebers mit Hilfe der in den Schaufelzwischenräumen befindlichen Blätter 142. Der Fluß wird dem Rotor 10 unter der Wirkung des Impulsgebers 140 mit dem gewünschten Überdruck zugeführt. Die Fig. 7, 9, 11 und 13 zeigen Auführungsbeispiele dieser Formel. Es wird auf ergänzende Punkte hingewiesen, insbesondere:
Nahe dem oberen Abschnitt der Schaufeln 12 des Rotors 10 befindet sich ein ebener Abschnitt 20, und gemäß möglichen Varianten der kreisförmigen Umhüllung 14 sind vorgesehen kreisförmige Flächen 151, übereinander angeordnete Bohrungen, Ringe usw., wobei alle in der Lage sind, eine Dichtigkeit mit Hilfe von geeichten Spielen 181 zu gewährleisten.
Ebenfalls betroffen sind der an sich bekannte, am vorderen Flansch der Zentrifugalturbinen 90 vorgesehene Dichtungsring, der hintere Teil des Impulsgebers 140 und die die kreisförmige Vorrichtung 14 vorzugsweise umgebende Bohrung einer statischen Kammer 160.
Allerdings sind diese zwischen kreisförmigen Flächen mit geringem Spiel erreichten Dichtigkeiten nie vollkommen, und trotz eines teilweise intensiven Schleifens kommt ein Leck zustande. Die statische Kammer 160 ermöglicht es, diese Leckströmungen umzulenken und sie zu nutzen, indem sie diese vorne an der kreisförmigen Umhüllung 14 mittels eines zum vorderen Teil der Umhüllung 14 gebogenen Injektors 161 wiedereinführt; das eingesogene Fluid nutzt den durch den Ejektor 161 gebotenen Induktionseffekt, der die Einführung des Fluids erleichtert.
Eine statische Umhüllung 162, welche die gesamte Maschine umgibt, stellt insofern einen weiteren Vorteil dar, als sie ermöglicht, einen zweiten Ejektor 163 hinzuzufügen. Dieser bezieht sein Antriebsfluid am Ausgang der Zentrifugalturbine 90 mittels einer Abzweigvorrichtung 164, welche gleichsam einen umgekehrten Ejektor darstellt. Die Fig. 11, 12 und 13 zeigen Beispiele solcher Anbringungen.
Diese Maschine kann als Triebwerk genutzt werden durch Verwendung der von dem zwischen vorderer und hinterer Fläche bestehenden Druckunterschied erzeugten Kraft. Eine bedeutende Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeiten kann z.B. erreicht werden durch Einführung und Entzündung eines Treibstoffs mittels Injektoren 190 und Elektroden 191 in die Kanäle der Zentrifugalturbine. Diese Injektoren 190 und diese Elektroden 191 können andere Funktionen erfüllen wie z.B. Mischungen von Fluiden, Änderungen der lokalen elektrisierenden Bedingungen u.s.w. Diese Elemente sind in Fig. 12 dargestellt.
Der an sich bekannte, vorne an dem Flansch der Zentrifugalturbine 90 angeordnete Dichtungsring 180, oder die hinter dem statischen axialen Eintritt 100 angeordnete Bohrung, welche den Impulsgeber 140 enthält, erhält schließlich vorteilhafterweise ein Flüssigkeitslager bestehend aus Alveolen 200, welche durch geeichte Öffnungen 201 mit einem Druckfluid versorgt werden. Das mit der Verwendung dieses Flüssigkeitslagers verfolgte Ziel ist die mechanische Sicherung der vorhandenen Ringe zueinander, da bei einer drehbaren kreisförmigen Umhüllung 14, ob mit einer schraubenförmigen Zufuhr 121 oder in Form eines Impulsgebers 140, der Verbindungspunkt der Umhüllung mit der Welle sehr weit versetzt ist gegenüber dem hinteren Abschnitt der genannten kreisförmigen Umhüllung 14.
Die gesamte Vorrichtung wird auf diese Weise besser gesichert, und eine relative Zentrierung verhindert nachteilige Reibungen.
Diese verschiedenen Elemente werden in den Fig. 12 und 13 gezeigt.
Jedenfalls ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungen begrenzt; im Gegenteil deckt sie alle Varianten, die ihr hinzugefügt werden könnten, ohne über ihren Bereich und ihr Wesen hinauszugehen. Insbesondere können Kühlvorrichtungen, welche die Senkung der Temperatur des wiederverwendeten Fluids ermöglichen, hinzugefügt werden, sowie alle bekannten Vorrichtungen zur Ausführung von Zentrifugalpumpen und -kompressoren sind Ergänzungen, und als solche bei dieser Erfindung anwendbar. Die Konstruktion dieses Maschinentyps läßt sich durch den Zusatz von Hohlkehlen, die ebenfalls zum Erreichen einer besseren Aerodynamik der internen Kreisläufe beitragen, beträchtlich versteifen. Es ist also angebracht anzuerkennen, daß die Entwicklungen von Formen, welche aus den üblichen und naturmäßigen Gesetzen zum Fluß von Fluiden und zur Mechanik resultieren, Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind wenn das Wesentliche des allgemeinen Charakters der oben beschriebenen Maschine beibehalten wird,.
Die Konstruktion der Maschinen, Pumpen, Turbinen, Antriebseinheiten usw. gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus in Formen und Werkzeugen gegossenen Materialien insbesondere unter Verwendung der Verlorenes- Wachs-Technik erfolgen. Lösungen durch Zusammenbau von ursprünglich getrennten Teilen, wie z.B. gepreßten Blechen, sind ebenfalls zulässig. Metalle, Kompositwerkstoffe, Kunststoffe und deren Hybride können auch verwendet werden.
Die Anwendung der Maschinen gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft alle Übertragungen von gasförmigen, flüssigen oder pastösen Fluiden. Unterdruckpumpen, Gaskompressoren und das Nachverdichten von Wasserdampf sind besonders angesprochen. Im allgemeinen betriftt die Erfindung alle Fluide unter geringem absolutem Druck oder unter ausgeglichener Wasserdampfspannung. Die Verwandlung von Energie in Kraft durch Druck- und Geschwindigkeitsunterschiede, welche zwischen Ansaug- und Verdrängungsflächen erzeugt werden, ermöglicht es, die Verwendung dieser Maschine in allen Fällen in Betracht zu ziehen, wo die Anwendung einer Kraft von Nutzen ist: Steuerung, Druckgenerierung, Massenübertragung usw. Die Zufuhr von Injektoren und Elektroden ermöglicht die Realisierung von Interaktionen zwischen den sich gegenüberstehenden Elementen (Fluide, Treibstoffe, Verbrennungshilfstoffe, Elektrizität, usw.) und läßt die Verwendung dieser Maschine insbesondere als Triebwerk oder Generator zu.

Claims

1. Strömungsmaschine, verwendbar als Pumpe, Kompressor, Triebwerk, Generator oder Antriebsturbine von einem Typ umfassend wenigstens eine als hohle Spirale gewundene Schaufel und wenigstens ein um die Rotationsachse der genannten Maschine angeordnetes Blatt, wobei Schaufel und Blatt in einer kreisförmigen Umhüllung enthalten sind, welche den Rotor äußerlich umhüllt, um einen Eintritt für ein Fluid zu bilden und dessen Entweichen zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits das genannte Blatt (11) vorne an seiner Außenkannte mit der genannten Schaufel (12) zusammentrifft, wobei beide mit unterschiedlicher Steigung, aber gleichzeitig sowohl diametral (15) als auch longitudinal (13) gegenüber der Rotationsachse verlaufen, und daß andererseits die am Vorderende des Rotors (10) angeordnete kreisförmige Umhüllung (14) Kompressionselemente für das Fluid aufweist, welche den für das Fluid verfügbaren relativen Raum nach hinten hin verringern, so daß das Fluid zuerst von den Schaufeln (12) des Rotors (10) in einen peripheren Fluß mitgenommen und durch die die Zufuhr des Fluids erzwingende kreisförmige Umhüllung komprimiert und dann von den Blättern (11) des Rotors (10) in einen zentralen Fluß kanalisiert wird.

2. Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Rotations-Hüllfläche der Angriffskante der Schaufeln (12) seitlich beiderseits seiner Symmetrieachse im hinteren Teil des Rotors (10) von einem ebenen Abschnitt (20) begrenzt wird, welcher im wesentlichen parallel zur Achse oder leicht konisch zu ihr ist, und zum vorderen Teil des Rotors (10) hin von einem zusammenlaufenden Abschnitt (21) verlängert ist.

3. Strömungsmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Blatt (11) sich an seinem nächst zur Achse gelegenen Anfang mit einer Schaufel (12) verbindet (30) und daß beide kurzzeitig einen gemeinsamen Verlauf besitzen.

4. Strömungsmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Schaufeln (12) mit zunehmender Entfernung von der Achse geringer wird.

5. Strömungsmaschine gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Blätter (11) eine zwischen den Schaufeln (12) langgezogene und in der Rotationsrichtung des Rotors (10) gebogene Umfangskante (50) aufweisen und daß die Schaufeln (12) einerseits eine äußere Angriffskante (51), welche sich schnabelförmig zum hinteren Teil des Rotors (10) neigt, um das Eindringen des peripheren Flusses des Fluids zu verbessern, und andererseits eine ebenfalls schnabelförmig zum hinteren Teil des Rotors (10) gekrümmte innere Kante (52) aufweisen, um die Umwandlung des peripheren Flusses in einen zentralen Fluß zu begünstigen.

6. Strömungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (10) Blätter (11) umfaßt, welche auf die Schaufelzwischenräume (60) begrenzt sind und deren vordere Kante sich radial und auf einem Umfangsabschnitt zwischen den Schaufeln in einem zwischen der Basis und der Spitze der genannten Schaufeln definierten Raum erstreckt, um den peripheren Fluß des Fluids nach hinten zu kanalisieren.

7. Strömungsmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsteil der Schaufel (12) in Höhe des vorderen Teils (71) der Verlängerung des Blattes (11) geringer wird oder verschwindet, um danach wieder zu wachsen bzw. erneut zu erscheinen (72), um sich an das nächste Blatt (11) anzuschließen.

8. Strömungsmaschine nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Blätter (11) mit der Welle (81) des Rotors (10) verbunden ist, deren Durchmesser entlang deren Achse breiter wird, um eine geschlossene oder halboffene Turbine zu bilden.

9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 7 und 8, deren Blätter (11) über den hinteren Teil und den größten Durchmesser der Schaufeln (12) des Rotors (10) ragen, um eine Zentrifugalturbine (90) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Blätter (11) seitlich nach außen gerichtet ist und in Höhe des Turbinenausgangs eine nach hinten gerichtete und gegenüber der Rotationsachse (92) geneigte äußerste Fläche aufweist.

10. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 umfassend eine kreisförmige statische Umhüllung, welche außen den Rotor (10) umgibt und zuerst einen axialen Eintritt (100) des Flusses zum Rotor (10) definiert, dadurch gekennzeichnet daß die Fluid-Kompressionselemente der genannten Umhüllung innerhalb dieser und mit ihr verbunden wenigstens eine Lamelle (101) mit einem konkaven kreisförmigen hinteren Profil umfassen, welche wenigstens teilweise den vorspringenden Abschnitt der Drehfläche der Schaufeln (12) oder der Blätter (11) des Rotors umgibt und welche dann dem Fluß des Fluids eine periphere Orientierung verleiht, wobei der axiale Eintritt (100) beispielsweise mit den Zuführungselementen für das Fluid mittels eines Flansches (102) verbunden ist.

11. Strömungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Blätter (11) und der Lamellen (101) unterschiedlich ist, um die durch die mitschwingenden Flüsse des Fluids verursachten Oberschwingungen zu vermeiden.

12. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Umhüllung (14) drehbar ist, beispielsweise mittels einer den Rotor (10) durchdringende Welle (120) angetrieben, den Rotor (10) außen umgibt und eine die Fluid-Kompressionselemente umfassende schraubenförmige Zufuhr (121) definiert, wobei in ihrem Inneren wenigstens eine spiralig gewundene Lamelle (122) vorgesehen ist, welche zwingt, durch die auf diese Weise gelieferte kinetische Energie und durch die fliehende Form der genannten inneren Lamelle(n) (122) einen kreisförmigen peripheren Kompressionsfluß des Fluids zu generieren, welcher sich mit dem peripheren Fluß des Rotors (10) verbindet.

13. Strömungsmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am hinteren Ende der Maschine Diffusoren (130) angebracht sind, um den Fluß des Fluids auszurichten und die Reaktionskräfte zu optimieren.

14. Strömungsmaschine nach den Ansprüchen 1, 10 und 11 gemeinsam, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Umhüllung (14) über den festen axialen Eintritt (100) hinaus einen zwischen dem axialen Eintritt (100) und dem Rotor (10) angeordneten drehbaren, beispielsweise von einer den Rotor (10) durchdringenden Welle (141) angetriebenen Impulsgeber (140) umfaßt, welcher mit spiralförmig gewundene Schaufeln (143) tragenden Blättern (142) ausgestattet ist und dessen Inneres sich dem Profil der Rotations-Hüllfläche der Angriffskante der Schaufeln (12) des Rotors (10) anpaßt, wobei die Blätter (142) auf die Schaufelzwischenräume begrenzt sind mit einer sich radial und auf einem Umfangsabschnitt zwischen den genannten Schaufeln innerhalb eines zwischen der Basis und der Spitze gelegenen Raums erstreckenden Vorderkante, um den peripheren Fluß des Fluids nach hinten zu kanalisieren, so daß insgesamt die festen Lamellen (101) der Fluid- Kompressionselemente des axialen Eintritts (100) dem Fluß des Fluids eine periphere Orientierung verleihen und dann der genannte Impulsgeber (140) den Fluß des Fluids komprimiert, um ihn zwischen seine Schaufeln (143) hineinzuzwängen, wogegen seine Blätter (142) ihm im Rotor (10) einen Überdruck geben.

15. Strömungssmaschine nach einem der Ansprüche 1, 10, 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Umhüllung (14) im Bereich des größeren Durchmessers der Schaufeln (12) des Rotors (10) aus vollkommen kreisförmigen Elementen (151) besteht, wie beispielsweise zylindrischen bzw. konischen Ringen, Bohrungen usw.

16. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine statische Kammer (160) das Innere der kreisförmigen Umhüllung (14) umgibt bzw. vorne über diese ragt, sich dann zum Inneren der kreisförmigen Umhüllung (14) biegt, um einen Ejektor (161) zu bilden, wobei die Kammer ergänzt sein kann durch ein statisches Gehäuse (162), welches die gesamte Maschine umschließt, und dessen Endkanten über den vorderen und hinteren Teil der Maschine ragen und sich nach innen biegen, das Gesamte überdeckend, wobei vorne ein zweiter Ejektor (163) und hinten ein diesen speisendes Abzweigelement (164) für das Fluid gebildet werden, so daß dem zugelassenen Niveau des Fluids ein Induktionseffekt hinzugefügt wird.

17. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lamelle(n) (101) (142) der kreisförmigen Umhüllung (14) in Höhe des vorderen zentralen Teils von der durch die Angriffskante der Schaufeln (12) des Rotors (10) beschriebenen Drehfläche entfernt/entfernen (170), und sogar verschwindet/verschwinden um eine zentrale Öffnung (171) zu bilden.

18. Strömungsmaschine nach den Ansprüchen 1, 2, 9, 14 und 15 gemeinsam, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Profil der Rotations- Hüllfläche der Angriffskante der Schaufeln (12) des Rotors (10) definierte ebene Abschnitt (20) und die kreisförmigen Elemente (151) der kreisförmigen Umhüllung (14) und evtl. ein an sich bekannter, am vorderen Teil des Flansches der wenigstens halbgeschlossenen, hinter dem Rotor (10) angeordneten Zentrifugalturbine (90) vorgesehener Dichtungsring (180), und evtl. die hintere Bohrung der statischen Kammer (160), sich gegenüberstehen und ein geeichtes Spiel (181) haben.

19. Strömungsmaschine nach Ansprüchen 1 und 9, verwendbar als Antriebselement, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle der Zentrifugalturbine (90) mit Injektoren (190) versehen sind, welche mit einer Fluid- und/oder Elektrodenzufuhr (191) verbunden sind, letzere elektisch gespeist.

20. Strömungsmaschine nach Ansprüchen 9 und 18 und einem der Ansprüche 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitslager bestehend aus Alveolen (200), welche mittels Öffnungen (201) von verringertem Durchmesser mit einer Druckflüssigkeits-Zufuhr in Verbindung gebracht sind, angeordnet ist entweder in der Bohrung des an sich bekannten, vorne an der wenigstens halbgeschlossenen hinter dem Rotor (10) angeordneten Zentralturbine (90) vorgesehenen Dichtungsrings, oder in der hinten an dem statischen axialen Eintritt (100) vorgesehenen und zur Zentrierung des hinteren Teils der drehbaren kreisförmigen Umhüllung (121) oder des hinteren Teils des Impulsgebers (140) angebrachten Bohrung.