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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kreiselaggregate für Fluide,
wie eine Pumpe oder einen Kompressor, und insbesondere auf ein Kreiselaggregat
für Fluide,
bei dem Geräusch
und Druckpulsation in geeigneter Weise herabgesetzt werden können.
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Am
Auslass eines Laufrads tritt aufgrund der Dicke einer Schaufel und
einer Sekundärströmung oder
einer Grenzschicht, die sich zwischen den Schaufeln einstellt, eine
Durchsatzverteilung ein, die in Umfangsrichtung nicht gleichförmig ist.
Ein solcher nicht gleichförmiger,
pulsierender Durchfluss beeinträchtigt
die Vorderkante der Schaufeln eines Diffusors oder eine Spiralzunge,
was zu einer periodischen Druckpulsation führt und Geräusch verursacht. In manchen
Fällen
lässt eine
solche Druckpulsation den Diffusor und ferner ein Gehäuse oder
außerhalb
davon über
einen Anschlussabschnitt ein äußeres Gehäuse vibrieren,
wodurch die Schwingung sich in die die Pumpe umgebende Luft fortsetzt
und Lärm
verursacht.
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Aus
dem Stand der Technik sind einige Vorschläge zur Reduzierung der Druckpulsation
und des Geräusches
bei Kreiselaggregaten bekannt.
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Die
WO-A-93/10358 offenbart einen Kreiselverdichter, bei welchem die
Vorderkanten von Schaufeln eines Arbeitsrads mit Vertiefungen versehen sind,
die die Drehradien dieser Kanten in den Körper der Schaufeln verkleinern.
Dies bedeutet, dass nach der WO-A-93/10358 ein radialer Abstand zwischen einer
Drehachse und der Vorderkante der Arbeitsradschaufel, gemessen längs einer
Senkrechten, auf der Drehachse in der Mitte der Arbeitsradschaufel-Vorderkante
kleiner gemacht ist als an den beiden Enden der Arbeitsradschaufel-Vorderkante.
In diese Vertiefungen treten stationäre Elemente eines Auslasssystems
in einer Form ein, die dem Profil der Vertiefungen folgt.
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Die
US-A-2 362 514 offenbart einen Kreiselverdichter mit einem Gehäuse und
einem Laufrad, das in dem Gehäuse
angeordnet ist und eine Vielzahl von am Umfang im Abstand angeordneten
Schaufeln aufweist. In dem Gehäuse
ist ferner ein Diffusor angeordnet, der das Laufrad umgibt, um einen
Teil der Geschwindigkeitsenergie eines von dem Laufrad geförderten
Mediums in Druckenergie umzuwandeln. Dieser Diffusor hat eine Vielzahl
von am Umfang angeordneten Schaufeln, wobei die Diffusorschaufeln und
die Laufradschaufeln benachbarte Ränder haben, die in entgegengesetzten
Richtungen zur Drehachse hin abgeschrägt sind. Die Diffusorschaufeln und
die Laufradschaufeln haben benachbarte Abschnitte, die in entgegengesetzten
Richtungen bezogen auf Ebenen durch ihre Füße und senkrecht zur Drehebene
geneigt sind.
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Die
FR-A-352 787 offenbart eine Axial-Radial-Pumpe in Diffusorbauweise,
d. h. die FR-A-352 787 ist auf eine Laufrad-/Diffusorkombination
gerichtet. Bei der Anordnung, wie sie in der FR-A-352 787 offenbart
ist, hat der Durchfluss am Auslass des Laufrads und am Einlass des
Diffusors Geschwindigkeitskomponenten nicht nur in einer Diametralrichtung, sondern
auch in Axialrichtung. Bei der in der FR-A-352 787 offenbarten Anordnung
sind sowohl die Abdeckung als auch die Nabe in der gleichen Richtung
geneigt, und der von der Abdeckung und der Nabe gebildete Durchflusskanal
ist nach oben rechts geneigt. Dadurch strömt das Fluid in dem Laufrad
nach oben rechts und aus dem Auslass des Laufrads in einer Richtung
nach oben und nach rechts. Das ist auch der Fall bei dem stationären Durchflusskanal,
der von den Diffusorschaufeln gebildet wird und der so gestaltet
ist, dass er sich vom Einlass nach oben rechts gerichtet erstreckt,
wodurch das Fluid in dem Kanal nach oben rechts strömt.
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Bei
der Axial-Radial-Pumpe, wie sie in der FR-A-352 787 offenbart ist,
sind die Vorderkante der Laufradschaufel und die Hinterkante der
Diffusorschaufel in der gleichen Richtung projiziert auf die Meridionalebene
geneigt, jedoch sind sowohl die Laufradschaufelhinterkante als auch
die Diffusorschaufelvorderkante bezüglich einander in Umfangsrichtung
in Stirnansichten nicht versetzt. Deshalb erreicht der fluktuierende,
von dem Laufrad ausgehende Durchfluss die Diffusorschaufelvorderkante gleichzeitig über einem
Bereich von der Abdeckungsseite aus zur Nabenseite, so dass der
fluktuierende Durchfluss die Diffusorschaufelvorderkante so beeinflusst,
dass viel Lärm
erzeugt wird.
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Die
US-A-3 628 881 offenbart ein System zur Reduzierung der Amplitude
von fluidgetragenem Geräusch,
das von einer Kreiselpumpe erzeugt wird, die ein verbessertes Laufrad
hat und bei der die Schaufeln in einer einzigen Reihe angeordnet
und bezüglich
der Abdeckungen so abgeschrägt
sind, dass die Spitzen benachbarter Schaufeln sich in Umfangsrichtung überlappen.
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Die
US-A-2 160 666 offenbart ein Gebläse in Radialbauweise mit einer
Spirale und einem Gebläserad,
das aus einer Nabe besteht, an der eine Vielzahl von Schaufeln befestigt
sind. Die Schaufeln sind mit gekrümmten vorderen Enden versehen.
Die gekrümmten
vorde ren Enden erstrecken sich in Drehrichtung des Gebläserads.
In der Nähe
eines Punkts, an dem die Schaufeln an der Nabe befestigt sind, sind
die Schaufeln nach hinten in Axialrichtung aus der Drehrichtung
von dem Punkt aus geneigt, an dem die Schaufeln an der Nabe befestigt
sind. Ein gekrümmtes Öffnungsteil,
das in einer Einlassöffnung der
Spirale angebracht ist, dient als stationäres Teil. An den Schaufeln
ist ein Abdeckring, der als eine feste Fortsetzung des Öffnungsteils
ausgebildet ist.
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Bei
einer Kreiselpumpe, wie sie in Sulzen Technical Review, Band 62,
Nr. 1 (1980), S. 24 bis 26, offenbart ist, wird der Lärm dadurch
reduziert, dass der Radius der Vorderkante der Schaufeln des Laufrads
oder die Umfangslage der Hinterkante der Schaufeln in Richtung der
Drehachse variiert wird. Außerdem
sind bei einem elektrischen Gebläse,
wie es in der japanischen Offenlegungsschrift 51-91006 offenbart
ist, ein Druckerhöhungsabschnitt
und ein Lärmreduzierabschnitt
(der Lärmreduzierabschnitt
ist der Abschnitt, an dem die Umfangsposition einer Spiralzunge
in der Richtung längs
der Drehachse geändert
wird) an der Spiralwand eines Spiralgehäuses ausgebildet und der Umfangsabstand
des Geräuschreduzierabschnitts
im Wesentlichen gleich ausgebildet wie der Umfangsabstand zwischen
den Vorderkanten der Schaufeln, die sich am nächsten beieinander in dem Laufrad
befinden, so dass der Durchfluss aus dem Laufrad nicht insgesamt
gleichzeitig auf die Spiralzunge trifft. Auf diese Weise ergibt sich
eine Verschiebung in der Phase in der Richtung längs der Drehachse bei der gegenseitigen
Beeinflussung zwischen dem Durchfluss und der Spiralzunge, wodurch
die periodische Druckpulsation abgemindert wird, was zu einer Reduzierung
des Lärms führt.
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Bei
dem oben beschriebenen Stand der Technik besteht jedoch ein Problem
darin, dass, wenn der Radius der Vorderkante der Schaufel des Laufrads
in der Richtung längs
der Drehachse geändert
wird, seine Druckhöhe
oder sein Wirkungsgrad aufgrund der Tatsache verringert wird, dass
das Verhältnis
zwischen dem Radius der Vorderkante der Laufradschaufel und dem
Radius der Hinterkante der Diffusorschaufel oder dem Radius der
Spiralzungen in der Richtung längs
der Drehachse geändert
wird. Wenn sich weiterhin der äußere Radius
der Hauptabdeckung und der Frontabdeckung des Laufrads voneinander
in Zuordnung zu der Tatsache unterscheiden, dass der Vorderkantenradius
der Laufradschaufel in der Richtung längs der Drehachse geändert wird,
ergibt sich ein axialer Schub aufgrund der Differenz zwischen den
projizierten Flächen
der Hauptabdeckung und der Frontabdeckung in der Richtung längs der
Drehachse. In dem Fall, in dem die Umfangsposition der Vorderkante
der Laufradschaufeln in der Richtung längs der Drehachse geändert wird, obwohl
die Umfangsentfernung zwischen der Vorderkante der Laufradschaufel
und der Hinterkante der Diffusorschaufel oder der Spiralzunge geändert wird, ist
die Größe einer
solchen Änderung nicht
optimiert worden. In dem Fall, in dem die Umfangsposition der Spiralzunge
in der Richtung längs
der Drehachse geändert
wird und die Größe einer
solchen Änderung
im Wesentlichen gleich der Umfangsentfernung zwischen den Hinterkanten
der Laufradschaufeln ist, die sich am nächsten beieinander befinden,
wird der Abschnitt zur Bewirkung der Druckwiedergewinnung in dem
Spiralgehäuse
kürzer,
wodurch eine ausreichende Druckrückgewinnung
nicht erreicht werden kann.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kreiselaggregat
für Fluide
bereitzustellen, bei denen die Verringerung der Druckhöhe und des Wirkungsgrads
oder das Auftreten eines axialen Schubs gesteuert wird, während Geräusch und Druckpulsation
reduziert werden.
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Dieses
Ziel wird nach der Erfindung durch ein Kreiselaggregat für Fluide
nach dem Anspruch 1 erreicht.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen des Kreiselaggregats für Fluide nach der Erfindung
sind Gegenstand der Ansprüche
2 bis 4.
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Nachstehend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben,
in denen
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1 eine
perspektivische Schnittansicht einer Diffusorpumpe ist, die eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2 eine
Schnittansicht einer Diffusorpumpe ist, die eine Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung zeigt,
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3 eine
detaillierte Stirnschnittansicht längs des Abschnitts III-III
von 2 ist,
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4 eine
Abwicklung ist, die durch Projizieren der Vorderkante der Laufradschaufel
und der Hinterkante der Diffusorschaufel auf einen kreisförmigen zylindrischen
Abschnitt A-A von 3 erhalten wird,
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5 eine
Schnittansicht einer Diffusorpumpe ist, die eine Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung zeigt,
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6 eine
Schnittansicht einer Diffusorpumpe ist, die eine Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung zeigt,
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7 eine
Schnittansicht einer Diffusorpumpe ist, die eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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8 eine
Schnittansicht einer Diffusorpumpe ist, die eine Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung zeigt,
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9 eine
Schnittansicht einer Diffusorpumpe ist, die eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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10 eine
Schnittansicht einer Diffusorpumpe ist, die eine Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung zeigt,
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11 eine
detaillierte Stirnschnittansicht einer Diffusorpumpe ist, die eine
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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12 eine
Schnittansicht einer Diffusorpumpe ist, die eine Ausführung der
vorliegenden Erfindung zeigt,
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13 eine
detaillierte Stirnschnittansicht längs des Abschnitts XIII-XIII
von 12 ist, die eine Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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14 eine
Abwicklung ist, die durch Projizieren der Hinterkante der Laufradschaufel
und der Vorderkante der Diffusorschaufel auf einen kreisförmigen zylindrischen
Abschnitt A-A von 13 erhalten wird,
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15 eine
Abwicklung einer weiteren Ausgestaltung ist, die durch Projizieren
der Vorderkante der Laufradschaufel und der Hinterkante der Diffusorschaufel
auf den kreisförmigen
zylindrischen Abschnitt A-A von 13 erhalten
wird,
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16 die
Durchsatzverteilung am Auslass eines Laufrads veranschaulicht,
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17 ein
Frequenzspektrum des Geräusches
und der Druckschwankung einer Pumpe zeigt,
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18 ein
Frequenzspektrum des Geräusches
und der Druckschwankung einer Pumpe zeigt, bei der die vorliegende
Erfindung zur Anwendung kommt, und
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19 die
Richtung veranschaulicht, längs der
die Druckdifferenzkraft zwischen der Druckseite und der Saugseite
der Laufradschaufel erfindungsgemäß zur Einwirkung kommt.
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Es
wird nun eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anhand von 1 beschrieben. Um
eine Welle 2 dreht sich in einem Gehäuse 1 ein Laufrad 3,
während
an dem Gehäuse 1 ein
Diffusor 4 befestigt ist. Das Laufrad 3 hat eine
Vielzahl von Schaufeln 5, während der Diffusor 4 eine
Vielzahl von Schaufeln 6 aufweist, wobei eine Hinterkante 7 der Schaufel 5 des
Laufrads 3 und eine Vorderkante 8 der Schaufel 6 des
Diffusors 4 so ausgebildet sind, dass ihre Radien jeweils
längs der
Drehachse variiert sind. 2 zeigt auf einer Meridionalebene
Ausgestaltungen eines Laufrad- und Diffusorpaars, wie es in 1 gezeigt
ist. Die Schaufelhinterkante 7 des Laufrads 3 hat
ihren maximalen Radius auf einer Seite 7a zu einer Hauptabdeckung 9a hin
und ihren minimalen Radius auf einer Seite 7b zu einer
Frontabdeckung 9b hin. Die Schaufelvorderkante 8 des
Diffusors 4 ist auf der Meridionalebene ebenfalls mit der gleichen
Ausrichtung wie die Schaufelhinterkante 7 des Laufrads 3 geneigt
und hat ihren maximalen Radius auf einer Seite 8a zur Hauptabdeckung 9a hin sowie
ihren minimalen Radius auf einer Seite 8b zur Frontabdeckung 9b hin. 3 zeigt
im Einzelnen die Nachbarschaft der Laufradschaufelhinterkante 7 und der
Diffusorschaufelvorderkante 8 des Schnitts längs der
Linie III-III von 2. Die Laufradschaufel 5 und die
Diffusorschaufel 6 haben eine dreidimensionale Form, d.
h. die Umfangspositionen der Schaufeln ändern sich in Richtung längs der
Drehachse und der Radius der Laufradschaufelhinterkante 7 und
der Radius der Diffusorschaufelvorderkante 8 ändern sich
in Richtung längs
der Drehachse so, dass die Umfangsposition der Laufradschaufelhinterkante 7 und
der Diffusorschaufelvorderkante 8 in Richtung längs der Drehachse
geändert
werden. Die Relativposition in Umfangsrichtung zwischen der Laufradschaufelhinterkante 7 und
der Diffusorschaufelvorderkante 8 von 3 sind
in 4 gezeigt. Man erhält 4 durch Projizieren
der Laufradschaufelhinterkante 7 und der Diffusorschaufelvorderkante 8 auf
eine kreisförmige zylindrische
Abwicklung der Diffusorschaufelvorderkante. Mit anderen Worten,
die Laufradschaufelhinterkante 7 und die Diffusorschaufelvorderkante 8 von 3 sind
gesehen von der Mitte der Welle auf den zylindrischen Querschnitt
A-A projiziert und in eine Ebene abgewickelt. Der Grund dafür besteht
darin, dass bei Turboströmungsmaschinen
eine Schaufelausrichtung zwischen dem drehenden Laufrad und einem
stationären
Diffusor gesehen in Durchflussrichtung entgegengesetzt ist. Dadurch,
dass die Neigungen auf einer Meridionalebene der Diffusorschaufelvorderkante 8 und
der Laufradschaufelhinterkante 7 in der gleichen Ausrichtung
vorgesehen werden, stellt sich eine Verschiebung in der Umfangsposition zwischen der
Laufradschaufelhinterkante 7 und der Diffusorschaufelvorderkante 8 ein.
Aufgrund einer solchen Verschiebung in der Umfangsrichtung trifft der
pulsierende Durchfluss, der von der Laufradschaufelhinterkante 7 abströmt, die
Diffusorschaufelvorderkante 8 in einer Phasenverschiebung,
so dass die Druckpulsation abgeschwächt wird. Wenn der Diffusor 4 an
dem Gehäuse 1 über ein
Anschlussteil 10, wie in 5 gezeigt,
befestigt ist, setzt sich die Vibration des von der Druckpulsation
in Schwingung versetzten Diffusors 4 zu dem Gehäuse 1 über das Anschlussteil 10 fort
und versetzt die umgebende Luft in Schwingung, wodurch Lärm erzeugt
wird. Der Lärm
wird somit gemindert, wenn die auf die Diffusorschaufelvorderkante 8 wirkende
Druckpulsation bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung abgeschwächt wird.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführung ist die Form jeder Laufradschaufelhinterkante 7 und
Diffusorschaufelvorderkante 8 auf einer Meridionalebene eine
gerade Linie. Insgesamt genügt
es jedoch, dass der Radius der Laufradschaufelhinterkante 7 und
der Radius der Diffusorschaufelvorderkante 8 in der Richtung
längs der
Drehachse monoton zunehmen, d. h. diese Radien nehmen mit der Zunahme
der axialen Entfernung von der Frontabdeckung 9b zu, oder in
der Richtung längs
der Drehachse monoton abnehmen, d. h. diese Radien nehmen mit der
Zunahme der axialen Entfernung von der Frontabdeckung 9b ab,
während
die Neigungen der Laufradschaufelhinterkante 7 und der
Diffusorschaufelvorderkante 8 auf einer Meridionalebene
der gleichen Ausrichtung geneigt sind, wie es in 6 gezeigt
ist. Weiterhin ist auch möglich,
dass, wie in 7 oder 8 gezeigt ist,
bei der Laufradschaufelhinterkante 7 der Radius an der
Mitte 7c in der Richtung längs der Drehachse größer oder
kleiner als der Radius an den beiden Enden 7a, 7b in
der Richtung der Drehachse gemacht wird und dass bei der Diffusorschaufelvorderkante 8 der
Radius an der Mitte 8c in der Richtung der Drehachse größer oder
kleiner als der Radius an den beiden Enden 8a, 8b in
der Richtung längs
der Drehachse gemacht wird.
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Bei
der vorliegenden Ausgestaltung, wie sie in 2 gezeigt
ist, brauchen die Außendurchmesser
der Hauptabdeckung 9a und der Frontabdeckung 9b des
Laufrads 3, wie in 9 gezeigt
ist, nicht zueinander gleich zu sein, und die Innendurchmesser der
Frontabdeckungen 11a, 11b des Diffusors müssen zueinander
nicht gleich sein. Bei einem solchen Aufbau kann das Verhältnis der
Radien zwischen der Laufradschaufelhinterkante 7 und der
Diffusorschaufelvorderkante 8 herkömmlich sein, so dass eine Leistungsverschlechterung
beispielsweise der Druckhöhe
oder des Wirkungsgrads aufgrund einer Zunahme im Verhältnis des
Radius der Diffusorschaufelvorderkante zum Radius der Laufradschaufelhinterkante
nicht eintritt. Wie in 10 gezeigt ist, wird dadurch,
dass der Außendurchmesser
der Hauptabdeckung 9a des Laufrades 3 kleiner
als der Außendurchmesser
der Frontabdeckung 9b gemacht wird, besonders bevorzugt
die Schaufellänge
des Laufrads von der Seite der Hauptabdeckung 9a zur Seite
der Frontabdeckung 9b gleichförmig gestaltet, so dass die
projizierte Fläche
in der Richtung längs der
Drehachse der Hauptabdeckung 9a auf der Hochdruckseite
bezüglich
der projizierten Fläche
der Frontabdeckung 9b auf der Niederdruckseite reduziert
werden kann, was den Axialschub verringert.
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Wie
in 3 gezeigt ist, wird das Verhältnis (Ra/ra) des Radius Ra des äußersten
Umfangsteils 8a der Diffusorschaufelvorderkante 8 zum
Radius ra des äußersten Umfangsteils 7a der
Laufradschaufelhinterkante 7 auf dem gleichen Wert wie
das Verhältnis (Rb/rb) des Radius
Rb des innersten Umfangsteils 8b der
Diffusorschaufelvorderkante 8 zu dem Radius rb des
innersten Umfangsteils 7b der Laufradschaufelhinterkante 7 eingestellt,
während
das Verhältnis
des Radius der Laufradschaufelhinterkante zum Radius der Diffusorschaufelvorderkante
in der Axialrichtung konstant gemacht ist, wodurch eine Leistungsverschlechterung
auf ein Minimum reguliert werden kann.
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Wie
in 2, 3, 5, 9 und 10 gezeigt
ist, ist es schwierig, wenn das Verhältnis zwischen dem Hinterkantenradius
der Laufradschaufel und dem Vorderkantenradius der Diffusorschaufel
in der Richtung längs
der Drehachse konstant ist, dass die Pumpenleistung in einem Bereich
mit geringem Durchsatz abfallende Kennlinien hat.
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11 zeigt
weiter im Einzelnen einen Fall, bei dem die Laufradschaufel 5 und
die Diffusorschaufel 6 zweidimensional ausgelegt sind.
In 11 sind die Schaufeln 5 und 6 zweidimensional
geformt, d. h. die Umfangsposition der Schaufel ist in der Richtung längs der
Drehachse konstant, jedoch werden durch Ändern des Radius der Laufradschaufelhinterkante 7 von
dem äußersten
Umfangsteil 7a zum innersten Umfangsteil 7b und
des Radius der Diffusorschaufelvorderkante 8 von dem äußersten
Umfangsteil 8a zum innersten Umfangsteil 8b in
der Richtung längs der
Drehachse hin die Umfangspositionen der Laufradschaufelhinterkante 7 und
der Diffusorschaufelvorderkante 8 in der Richtung längs der
Drehachse geändert.
Aus diesem Grund trifft der pulsierende Durchfluss auf den Diffusor
mit einer Phasenverschiebung, so dass die Kraft, die den Diffusor
in Schwingung versetzt, reduziert wird, was das Geräusch vermindert.
Durch Ausbilden der Schaufeln in zweidimensionaler Form wird insbesondere
die Diffusionsbindung und die Herstellung aus einem Pressstahlblech
leichter, und es können
die Bearbeitbarkeit, die Präzision
und die Festigkeit der Schaufel verbessert werden.
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Die
vorliegende Erfindung, wie sie in 2 oder 5 gezeigt
ist, kann bei einer Kreiselpumpe oder einem Kreiselkompressor unabhängig davon zur
Anwendung gelangen, ob es sich um eine einstufige oder mehrstufige
Bauweise handelt.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun anhand von 12 beschrieben.
In einem Gehäuse 1 dreht
sich auf einer Welle 2 ein Laufrad 3, während in
dem Gehäuse 1 ein
Diffusor 4 festgelegt ist. Das Laufrad 3 hat eine
Vielzahl von Schaufeln 5 und der Diffusor 4 hat
eine Vielzahl von Schaufeln 6, wobei eine Hinterkante 7 der Schaufel 5 des
Laufrads 3 und eine Vorderkante 8 des Laufrads 6 des
Diffusors 4 so ausgebildet sind, dass ihr Radius in Richtung
längs der
Drehachse konstant ist. 13 zeigt
im Einzelnen die Nachbarschaft der Laufradschaufelhinterkante 7 und
der Diffusorschaufelvorderkante 8 längs des Schnitts XIII-XIII
von 12. Die Laufradschaufel 5 und die Diffusorschaufel 6 haben
eine dreidimensionale Form, d. h. die Umfangsposition der Schaufeln ändert sich in
der Richtung längs
der Drehachse. Die Relativposition in der Umfangsrichtung der Laufradschaufelhinterkante 7 und
der Diffusorschaufelvorderkante 8 von 13 ist
in 14 gezeigt. 14 erhält man durch
Projizieren der Laufradschaufelhinterkante 7 und der Diffusorschaufelvorderkante 8 auf
eine kreiszylindrische Abwicklung der Diffusorschaufelvorderkante.
D. h., mit anderen Worten, dass die Laufradschaufelhinterkante 7 und
die Diffusorschaufelvorderkante 8 gesehen von der Mitte
der Welle von 13 auf den kreiszylindrischen
Abschnitt A-A projiziert sind, der in eine Ebene abgewickelt ist.
Wie in 14 gezeigt ist, ist die Differenz
(l1 – l2) zwischen dem Maximalwert l1 und
dem Minimalwert l2 der Umfangsentfernung
zwischen der Laufradschaufelhinterkante 7 und der Diffusorschaufelvorderkante 8 zu der
Umfangsentfernung l3 zwischen den Schaufelhinterkanten
gleichgemacht, die sich bei dem Laufrad am nächsten zueinander befinden.
Da zwischen den Schaufelhinterkanten, die sich bei dem Laufrad am nächsten zueinander
befinden, ein pulsierender Durchfluss mit einer Wellenlänge auftritt,
wird die Phase des pulsierenden Durchflusses, der auf die Diffusorschaufelvorderkante 8 tritt,
genau entsprechend der einen Wellenlänge längs der Drehachse verschoben.
Dadurch werden eine Druckpulsation, die an der Diffusorschaufelvorderkante 8 aufgrund der
Pulsation anliegt, und die Vibrationskraft, die sich daraus ergibt,
durch eine Integration in der Axialrichtung beseitigt. Die vorliegende
Erfindung, wie sie in 13 gezeigt ist, kann auf eine
Kreiselpumpe oder einen Kreiselkompressor unabhängig davon angewendet werden,
ob es sich um eine einstufige oder mehrstufige Bauweise handelt.
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Alternativ
wird durch Einstellen von (l1 – l2) auf einen Teil, den man durch Teilen von
l3 in "n" (ganzzahlig) identische
Teile erhält,
die Phase des Pulsationsdurchflusses, der auf die Diffusorschaufelvorderkante 8 trifft,
genau entsprechend der einen Wellenlänge der "n"-ten höheren Harmonischen
in der Axialrichtung so verschoben, dass die Vibrationskräfte, die
auf die Diffusorschaufelvorderkante 8 aufgrund der "n"-ten höheren harmonischen Schwankungskomponente
wirken, beseitigt sind, wenn sie in der Axialrichtung integriert
werden. Bei einer mehrstufigen Strömungsmaschine oder bei einer
Strömungsmaschine
mit einem Gehäuse
in Verstärkungsbauweise
wird insbesondere die Vibration durch ein Anschlussteil zwischen
den Stufen oder zwischen dem inneren und äußeren Gehäuse so übertragen, dass die Vibrationskraft
aufgrund der ersten oder "n"-ten dominanten Frequenz
der obigen Druckpulsation stark zur Geräuschbildung beiträgt. Deshalb
ist es zur Geräuschreduzierung
wesentlich, die Auslegung so vorzunehmen, dass von den Vibrationskräften aufgrund
des pulsierenden Durchflusses die zur Geräuschbildung beitragenden speziellen Komponenten
mit einer Frequenz höherer
Größenordnung
beseitigt werden.
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Wenn,
wie in 15 gezeigt ist, außerdem die
Diffusorschaufelvorderkante und die Laufradschaufelhinterkante auf
eine Kreiszylinderabwicklung der Diffusorschaufelvorderkante projiziert
werden, indem die Laufradschaufelhinterkante 7 und die
Diffusorschaufelvorderkante 8 senkrecht zueinander auf der
kreiszylindrischen Abwicklung gesetzt werden, wird die Richtung
der Kraft aufgrund des Druckunterschieds zwischen der Druckseite
und der Saugseite der Laufradschaufel parallel zur Diffusorschaufelvorderkante,
wodurch die Vibrationskraft aufgrund einer solchen Druckdifferenz
nicht auf die Diffusorschaufel wirkt und das Geräusch gemindert werden kann.
Das Frequenzspektrum des Geräusches
und der Druckschwankung am Diffusoreinlass ist in 18 für den Fall
gezeigt, bei welchem die in 15 gezeigte
Ausgestaltung einer Kreiselpumpe eingesetzt wird. Diese Pumpe hat
eine Kombination einer solchen Anzahl von Schaufeln, dass die Vibrationsfrequenzen
von 4NZ und 5NZ dominant sind. Im Falle einer herkömmlichen
Pumpe ist, wie in 17 gezeigt, das Geräusch ebenfalls
bei den Frequenzkomponenten von 4NZ, 5NZ dominant. Bei der Pumpe,
bei der die vorliegende Erfindung eingesetzt wird, wird die Dominanz
der 4NZ-, 5NZ-Frequenzkomponenten
bezüglich
der Druckschwankung beseitigt, wie es in 18 gezeigt
ist, und als Folge sind die 4NZ-, 5NZ-Frequenzkomponenten auch im
Geräusch
beträchtlich reduziert,
so dass die Geräuschminderung
groß ist.
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Der
anhand der Ausgestaltung von 15 gezeigte
erfindungsgemäße Aufbau
kann auch verwendet werden, um das Geräusch einer einstufigen oder
mehrstufigen Kreiselpumpe oder eines einstufigen oder mehrstufigen
Kreiselkompressors zu verringern, bei der/dem ein Anschlussteil
zwischen dem Diffusorabschnitt und dem Gehäuse oder zwischen dem inneren
Gehäuse
und dem äußeren Gehäuse vorgesehen
ist.
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Zu
vermerken ist, dass die Ausführungsformen
von 14 und 15 auch
dadurch erreicht werden können,
dass der Radius der Laufradschaufelhinterkante und der Radius der
Diffusorschaufelvorderkante in der Richtung längs der in 2 gezeigten
Drehachse geändert
werden. Mit anderen Worten, sie entsprechen den Spezialfällen der
Ausgestaltung, die in 4 gezeigt ist.
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Es
wird nun die Arbeitsweise der oben beschriebenen Ausführungsformen
weiter im Einzelnen beschrieben.
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Ein
Durchfluss W2 am Auslass des Laufrads bildet
eine Durchsatzverteilung, die in Umfangsrichtung, wie in 16 gezeigt,
aufgrund der Dicke der Schaufel 5 und der Sekundärströmung und
der Grenzschicht zwischen den Schaufeln nicht gleichförmig ist.
Ein solcher nicht gleichförmiger,
pulsierender Durchfluss steht in einer solchen Wechselwirkung mit
einer Diffusorschaufelvorderkante oder einer Spiralzunge, dass eine
periodische Druckpulsation erzeugt wird, die Lärm verursacht. In anderen Fällen lässt eine
solche Druckpulsation den Diffusor und weiterhin ein Gehäuse oder
ein außerhalb
davon befindliches äußeres Gehäuse über ein
Anschlussteil schwingen, so dass sich die Vibration in die die Pumpe
umgebende Luft fortpflanzt und ein Geräusch verursacht.
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Das
Frequenzspektrum des Geräusches
und die Druckpulsation am Diffusoreinlass der Kreiselpumpe ist in 17 gezeigt.
Die Frequenz des pulsierenden Durchflusses ist das Produkt N × Z der Drehzahl
N des Laufrades und der Anzahl Z der Laufradschaufeln, wobei die
Frequenz an der horizontalen Achse durch N × Z dimensionslos gemacht wird. Die
Druckpulsation ist nicht nur bei der Grundfrequenzkomponente von
N × Z,
sondern auch bei höheren
harmonischen Komponenten davon dominant. Der Grund dafür besteht
darin, dass die Durchsatzverteilung an dem Laufradauslass nicht
die einer Sinuswelle, sondern verzerrt ist. Das Geräusch ist
dominant bei spezifischen höheren
harmonischen Komponenten der Grundfrequenzkomponente von N × Z, während das
Geräusch
nicht notwendigerweise dominant bei allen dominanten Frequenzkomponenten der
obigen Druckpulsation ist. Es gibt nämlich, wie in der japanischen
Offenlegungsschrift 60-50299 offenbart ist, dann, wenn der pulsierende
Durchfluss die Diffusorschaufel vibrieren lässt, einige Frequenzkomponenten,
für die
die Vibrationskraft bezüglich des
gesamten Diffusors aufgehoben ist, und einige andere Komponenten,
bei denen sie aufgrund der Kombination der Anzahl von Schaufeln
des Laufrads und des Diffusors nicht aufgehoben ist. Insbesondere wird
die Vibration durch ein Anschlussteil zwischen den Stufen oder zwischen
dem inneren und äußeren Gehäuse in einer
mehrstufigen Strömungsmaschine oder
einer Strömungsmaschine
mit einem Gehäuse in
Verstärkungsbauweise,
oder im Fall einer einzigen Stufe zwischen dem Diffusor und dem Gehäuse übertragen,
so dass die Vibrationskraft aufgrund der obigen dominanten Frequenzen
stark zu dem Lärm beiträgt. Die
Kreiselpumpe, deren gemessenes Ergebnis in 17 gezeigt
ist, wird von einer Kombination einer Anzahl von Schaufeln gebildet,
für die
Vibrationsfrequenzen bei 4NZ und 5NZ dominant sind, wodurch das
Geräusch
ebenfalls bei den Frequenzkomponenten von 4NZ, 5NZ dominant sind.
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Insbesondere
nimmt die Vibrationskraft zu, wenn der nicht gleichförmige, pulsierende
Durchfluss auf die entsprechende Position in der Richtung längs der
Drehachse der Diffusorschaufelvorderkante oder der Spiralzunge mit
einer identischen Phase trifft. Die Druckpulsation und die Vibrationskraft
können
dementsprechend verringert werden, um das Geräusch zu reduzieren, indem die
Phase des pulsierenden Durchlasses, der die Diffusorschaufelvorderkante oder
die Spiralzunge erreicht, dadurch verschoben wird, dass eine Neigung
an der Diffusorschaufelvorderkante oder an der Spiralzunge, oder
eine Neigung an der Laufradschaufelhinterkante ausgebildet wird.
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Wie
in einer Meridionalschnittansicht von 2 und einer
Stirnansicht von 11 gezeigt ist, die das Laufrad
und den Diffusor einer Diffusorpumpe zeigen, ändern sich der Radius der Laufradschaufelhinterkante 7 und
der Radius der Diffusorschaufelvorderkante 8 in der Richtung
längs der
Drehachse. Dadurch ändern
sich die Umfangspositionen der Laufradschaufelhinterkante und der
Diffusorschaufelvorderkante in der Richtung längs der Drehachse. Insbesondere
wird bei einer Turboströmungsmaschine
eine Schaufelausrichtung getroffen, die zwischen einem drehenden
Laufrad und einem stationären
Diffusor gesehen in Durchflussrichtung entgegengesetzt ist. Dementsprechend
wird, wie in 2 gezeigt ist, der Radius der
Laufradschaufelhinterkante und der Diffusorschaufelvorderkante monoton
in der Richtung längs
der Drehachse erhöht
oder verringert, während
die Laufradschaufelhinterkante und die Diffusorschaufelvorderkante
in der gleichen Ausrichtung auf einer Meridionalebene geneigt werden,
wodurch, wie in 4 und 14 gezeigt
ist, dann, wenn die Laufradschaufelhinterkante und die Diffusorschaufelvorderkante
auf eine kreiszylindrische Abwicklung des Diffusorvorderkantenteils
oder der Spiralzunge projiziert werden, sich eine Verschiebung in
der Umfangsposition zwischen der Laufradschaufelhinterkante 7 und
der Diffusorschaufelvorderkante 8 ergibt. Dementsprechend ändert sich
die Umfangsentfernung zwischen der Laufradschaufelhinterkante und
der Diffusorschaufelvorderkante in der Axialrichtung, wodurch der
fluktuierende Durchfluss, der von der Laufradschaufelhinterkante
abströmt,
auf die Diffusorschaufelvorderkante mit einer solchen Phasenverschiebung
trifft, dass die Druckpulsation ausgelöscht wird. Aus diesem Grund
wird die auf das Gehäuse
wirkende Vibrationskraft verringert und der Lärm ebenfalls vermindert. Zu
vermerken ist, dass die Änderung
in der Richtung längs
der Drehachse des Radius der Laufradschaufelhinterkante und des
Ra dius der Diffusorschaufelvorderkante nicht auf eine monotone Zunahme
oder Abnahme begrenzt ist, sondern ein ähnlicher Geräuschminderungseffekt
auch dadurch erreicht werden kann, dass sie auf andere Arten verändert werden.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich in dem Fall anwenden, in dem die Diffusorschaufel und die Laufradschaufel
eine zweidimensionale Form haben, d. h. wenn sie so ausgelegt sind,
dass die Umfangsposition der Schaufel in der Richtung der Drehachse (11)
konstant ist, sowie für
den Fall, bei welchem sie in einer dreidimensionalen Form ausgebildet
sind, d. h. so ausgelegt sind, dass die Umfangsposition der Schaufel
sich in Richtung der Drehachse (3) ändert. Da
insbesondere die Geräuschminderung
mit Schaufeln möglich
ist, die eine zweidimensionale Form haben, sind die Diffusionsbindung
und die Herstellung aus Pressstahlblech einfacher, und die Fertigungsgenauigkeit
der Schaufeln und der Spirale kann verbessert werden. Da außerdem die
Neigungen auf einer Meridionalebene der gleichen Ausrichtung liegen, ändert sich
das Verhältnis
des Radius der Laufradschaufelhinterkante zum Radius der Diffusorschaufelvorderkante
nicht stark in Richtung der Drehachse, wodurch die Leistungsverschlechterung gering
ist. Mit anderen Worten, es können
Druckverluste aufgrund eines erhöhten
Radiusverhältnisses zur
Steuerung der Verschlechterung der Druckhöhe und des Wirkungsgrads reduziert
werden. Dadurch, dass das Verhältnis
des Radius der Laufradschaufelhinterkante zum Radius der Diffusorschaufelvorderkante
in der Richtung längs
der Drehachse auf einen konstanten Wert eingestellt wird, kann die
Leistungsverschlechterung auf ein Minimum reguliert werden.
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Anhand
von 14 werden nun weitere Effekte der vorliegenden
Erfindung beschrieben. In 14 sind
die Laufradschaufelhinterkante 7 und die Diffusorschaufelvorderkante 8 gesehen
von der Mitte der Drehachse in der Frontschnittansicht (13) des
Laufrads und des Diffusors auf einen kreiszylindrischen Abschnitt
A-A projiziert und eine Ebene abgewickelt. Die Umfangsentfernung
zwischen der Laufradschaufelhinterkante 7 und der Diffusorschaufelvorderkante 8 ändert sich
in der Richtung längs
der Drehachse derart, dass die Differenz (l1 – l2) zwischen dem Maximalwert l1 und
dem Minimalwert l2 der Umfangsentfernung
zwischen der Laufradschaufelhinterkante und der Diffusorschaufelvorderkante
identisch zu der Umfangsentfernung l3 zwischen
den Schaufelhinterkanten ist, die sich bei dem Laufrad am nächsten zueinander
befinden. Da zwischen den Schaufelhinterkanten, die sich am nächsten bei
dem Laufrad zueinander befinden, ein einer Wellenlänge entsprechender
pulsierender Durchfluss erzeugt wird, wird die Phase des pulsierenden
Durchflusses, der auf die Diffusorschaufelvorderkante trifft, genau um
eine Wellenlänge
verschoben, so dass die Druckpulsation und die Vibrationskraft,
die auf die Diffusorschaufelvorderkante aufgrund der Pulsation wirken, bei
einer Integration in der Richtung längs der Drehachse ausgelöscht werden.
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Es
ist jedoch eine ziemlich große
Neigung erforderlich, um die obige Differenz (l1 – l2) gleich der Umfangsentfernung l3 zwischen den Schaufelhinterkanten zu machen,
die sich in dem Laufrad am nächsten
zueinander befinden. Wie oben beschrieben, sind, wenn der pulsierende
Durchfluss am Auslass des Laufrads die Diffusorschaufelvorderkante
vibrieren lässt,
nur spezifische höhere
harmonische Komponenten der NZ-Frequenzkomponenten dominant und
tragen dazu bei, den Diffusor in Schwingung zu versetzen, was von
der Kombination der Zahl der Laufradschaufeln und der Zahl der Diffusorschaufeln abhängt. Wenn
deshalb die Differenz (l1 – l2) zwischen dem Maximalwert l1 und
dem Minimalwert l2 der Umfangsentfernung
zwischen der Laufradschaufelhinterkante und der Diffusorschaufelvorderkante gleich
einem von gleich verteilten "n" (ganzzahligen) Teilen
der Umfangsentfernung l3 zwischen den Schaufelhinterkanten
gemacht wird, die sich bei dem Laufrad am nächsten zueinander befinden,
wird die Phase des pulsierenden Durchflusses, der auf die Diffusorschaufelvorderkante
trifft, genau entsprechend einer Wellenlänge der "n"-ten
höheren
Harmonischen in der Richtung längs
der Drehachse so verschoben, dass die Vibrationskräfte, die
an der Diffusorschaufelvorderkante aufgrund der "n"-ten
höheren
harmonischen Komponente der Pulsation anliegen, integriert in der
Richtung längs
der Drehachse aufgehoben werden. Insbesondere wird bei einer mehrstufigen
Strömungsmaschine
oder einer Strömungsmaschine
mit verstärktem
Gehäuse
die Vibration durch ein Anschlussteil zwischen den Stufen oder zwischen
einem äußeren und
einem inneren Gehäuse übertragen,
wodurch Vibrationskräfte
aufgrund der obigen dominanten Frequenzen in großem Maße zum Lärm beitragen. Deshalb ist es
für die
Geräuschminderung
wesentlich, die Auslegung so zu treffen, dass von den Vibrationskräften aufgrund
des pulsierenden Durchflusses die spezifischen, zur Geräuscherzeugung
beitragenden Komponenten mit einer Frequenz höherer Größenordnung beseitigt werden.
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Der
obige Effekt kann auch dadurch erhalten werden, dass die Laufradschaufelhinterkante
und die Diffusorschaufelvorderkante in eine dreidimensionale Form
gebracht werden und dass, wie in 13 gezeigt
ist, während
der jeweilige Radius der Laufradschaufelhinterkante und der Diffusorschaufelvorderkante
in der Richtung längs
der Drehachse fest ist, nur ihre Umfangspositionen geändert werden.
D. h. mit anderen Worten, dass, wenn die Differenz (l1 – l2) zwischen dem Maximalwert l1 und
dem Minimalwert l2 der Umfangsentfernung
zwischen der Laufradschaufelhinterkante und der Diffusorschaufelvorderkante gleich
der Umfangsentfernung l3 zwischen den Schaufelhinterkanten,
die sich bei dem Laufrad am nächsten
zueinander oder zu einem Teil von "n" (ganzzahligen)
gleich geteilten Teilen davon befinden, gemacht wird, die erste
Größenordnung
oder die "n"-te Größenordnung,
die die Vibrationskräfte
an der Diffusorschaufelvorderkante anwandten, bei einer Integration
in Axialrichtung gelöscht
wird.
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Wenn
außerdem
die Diffusorschaufelvorderkante und die Laufradschaufelhinterkante
auf eine Kreiszylinderabwicklung der Diffusorschaufelvorderkante
projiziert werden, indem die Schaufelvorderkante und die Schaufelhinterkante
senkrecht zueinander auf der obigen kreiszylindrischen Abwicklung gesetzt
werden, ist es möglich,
Vibrationskraft aufgrund der an der Diffusorschaufelvorderkante
angelegten Druckpulsation zu mindern. Wenn also, wie in 19 gezeigt
ist, die Laufradschaufelhinterkante und die Diffusorschaufelvorderkante
senkrecht zueinander gesetzt sind, wird die Richtung der Kraft F aufgrund
der Druckdifferenz zwischen der Druckseite P und der Saugseite S
der Laufradschaufel parallel zur Diffusorschaufelvorderkante, so
dass die Vibrationskraft nicht auf die Diffusorschaufel oder auf
die Spiralzunge wirkt.
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Wenn,
wie in 9 gezeigt, der Außendurchmesser der Hauptabdeckung 9a des
Laufrads größer gemacht
wird als der Außendurchmesser
der Frontabdeckung 9b und wenn die Innendurchmesser der
beiden entsprechenden Frontabdeckungen des Diffusors jeweils entsprechend
den Außendurchmessern
der Hauptabdeckung und der Frontabdeckung des Laufrads geändert werden,
während
das Radiusverhältnis
des Laufrads vom Diffusor kleiner gemacht werden kann, um die Leistungsverschlechterung
zu regulieren, tritt ein Problem in Form eines axialen Schubs aufgrund
der Tatsache auf, dass die projizierten Flächen in der Richtung längs der
Drehachse der Hauptabdeckung und der Frontabdeckung voneinander
verschieden sind. Im Falle von mehreren Stufen werden deshalb zusätzlich zur Änderung
des Radius der Laufradschaufelvorderkante in der Richtung längs der
Drehachse die Außendurchmesser
der Hauptabdeckung und der Frontabdeckung für wenigstens zwei Laufräder unterschiedlich
gemacht, wobei bei den Laufrädern,
bei denen die Außendurchmesser
der Hauptabdeckung und der Frontabdeckung voneinander unterschiedlich
gemacht sind, der Außendurchmesser
der Hauptabdeckung größer als
der Außendurchmesser
der Frontabdeckung für wenigstens
ein Laufrad und der Außendurchmesser der
Hauptabdeckung kleiner als der Außendurchmesser der Frontabdeckung
für die
restlichen Laufräder
gemacht wird, wodurch es möglich
ist, den Axialschub zu reduzieren, der aufgrund der Differenz der projizierten
Flächen
in der Richtung längs
der Drehachse der Hauptabdeckung und der Frontabdeckung auftritt.
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Wie
oben beschrieben, können
erfindungsgemäß Geräusch und
Druckpulsation einer Kreiselaggregatmaschine optimal vermindert
werden, wobei eine Verschlechterung der Druckhöhe und des Rhythmusgrads oder
das Auftreten eines Axialschubs auf das mögliche Ausmaß beschränkt wird.