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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Zentrifugal- und
Mischströmungs-Turbomaschinen
(Pumpen, Gebläse
und Kompressoren) und bezieht sich im Besonderen auf schaufellose
Diffusorturbomaschinen, die über
einen großen
Strömungsratenbereich
hinweg arbeiten, und zwar dadurch, dass Strömungsinstabilität erzeugt
bei niedrigen Strömungsraten
vermieden wird.
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Beschreibung
von verwandter Technik
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Wenn
eine Zentrifugal- oder Mischfluss-Turbomaschine, wie beispielsweise
eine aus US-A-2902209 oder EP-A-0446900 bekannte Maschine bei niedrigen
Strömungsraten
betrieben wird, so kann in einigen Teilen des Fluidkompressionssystems,
wie beispielsweise Laufrad und Diffusor Strömungstrennung auftreten, was
zu einer Reduktion des Druckanstiegsfaktors für eine gegebene Strömungsrate
führt und
ein Phänomen
der Strömungsinstabilität (Drehstillstand
bzw. Drehblockierung und Anstieg) erzeugt, und das System inoperabel
macht. Ein gegenwärtiger
Versuch zur Lösung
dieses Problems besteht darin, eine minimale Strömungsrate aufrechtzuerhalten,
und zwar dadurch, dass Umgehungs- oder Bypassleitungen oder Ablassventile
im System derart vorgesehen sind, dass die Strömungsmittelversorgung zu dem
zu betätigenden
Gerät vermindert
wird. Der Volumenfluss in dem Laufrad, der Turbomaschine bleibt
jedoch unverändert,
auf welche Weise ein Problem insofern hervorgerufen wird, dass Energie
in verschwenderischer Weise verbraucht wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Zentrifugal- oder
Mischströmungs-Turbomaschine
vorzusehen, und zwar der schaufellosen Diffusorbauart, die in stabiler
Weise bei niedrigen Strömungsraten
unterhalb der Konstruktions- oder Auslegungsströmungsrate arbeitet, und zwar
durch Verhinderung der Einleitung von Strömungsinstabilität im System
(Rotationsstocken bzw. Drehblockierung und Anstieg).
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Das
Ziel wurde in einer Turbomaschine mit einem Laufrad und einem schaufellosen
Diffusorabschnitt erreicht, wobei ein Stabilisationsglied an einer vorbestimmten
Stelle des Diffusorabschnitts angeordnet wird, um so eine Erzeugung
instabiler Strömung
im Diffusorabschnitt während
des Betriebs mit niedrigen Strömungsraten
zu verhindern. Es wird demgemäß eine relativ
einfache Möglichkeit
dazu verwendet, um die Erzeugung eines Phänomens der Umkehrströmung im
Diffusorabschnitt zu vermeiden, wodurch eine Turbomaschine vorgesehen
wird, die in effizienter Weise bei niedrigen Gesamtkosten arbeiten
kann.
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Das
Stabilisationsglied kann als ein Plattenglied gebildet sein.
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Das
Plattenglied kann derart eingebaut sein, dass es über eine
gesamte Breite des Fluid- oder Strömungsmittelströmungspfades
des Diffusorabschnittes sich erstreckt.
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In
der Turbomaschine kann eine Höhenabmessung
des Plattengliedes kleiner sein als eine Breitenabmessung eines
Strömungsmittelflusspfades
des Diffusorabschnittes, um so einen Raum zwischen dem Plattenglied
und einer entgegengesetzten Wandoberfläche des Diffusorabschnitts
vorzusehen. Eine geeignete Raumgröße ist wirksam, um die Umkehrströmung im
Diffusorabschnitt zu unterdrücken.
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Das
Stabilisierungsglied kann in den Diffusorabschnitt eingesetzt oder
daraus zurückgezogen werden,
und zwar durch Plattenantriebsmittel.
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Das
Plattenglied kann eine Höhe
h besitzen, die mit der Breitendimension b3 des
Diffusorabschnitts gemäß einer
Beziehung h/b3 > 0,5 in Zusammenhang steht.
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Das
Plattenglied kann ausgerichtet sein mit einem Winkel größer als
dem eines bei einer Drehunterbrechungseinleitungsströmungsrate
in den Diffusorabschnitt fließenden
Stroms.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines
ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Turbomaschine;
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2 ist ein Schnitt durch
eine Ebene bei II in 1;
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3 ist eine graphische Darstellung
der Pumpenleistungsfähigkeit
ausgedrückt
durch den Druckwiedergewinnungskoeffizienten Cp und Strömungsraten
in einer konventionellen schaufellosen Diffusorturbomaschine;
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4 veranschaulicht die Verteilungen
des durchschnittlichen Strömungswinkels
und der kinetischen Strömungs-
oder Flussenergie im Diffusor ohne eine Stabilisationsplatte;
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5 ist eine graphische Darstellung,
die die Verteilung der kinetischen Flussenergie im vorliegenden
Diffusor mit einer Stabilisierungsplatte darstellt;
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6 ist eine graphische Darstellung,
die die Effekte einer Stabilisationsplatte darstellt, und zwar hinsichtlich
der Dynamik des Strömungsmittelflusses in
dem vorliegenden System;
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7A bis 7E sind graphische Darstellungen, welche
Wellenformen der statischen Druckänderung zeigen, und zwar bei
unterschiedlichen Strömungsraten
am Einlass zu dem vorliegenden Diffusor;
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8 ist eine graphische Darstellung,
die die Effekte des Ausrichtungswinkels der Stabilisationsplatten
zeigt, und zwar hinsichtlich der Dynamik des Strömungsmittelflusses in dem System;
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9A, 9B sind Querschnitte von anderen Ausführungsbeispielen
des vorliegenden Diffusors;
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10A, 10B sind graphische Darstellungen, welche
die Effekte der Höhe
der Stabilisationsplatten zeigen, und zwar hinsichtlich der Dynamik des
Strömungsmittelflusses
im vorliegenden System;
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11A bzw. 11A zeigen einen Querschnitt bzw. eine
Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
des vorliegenden Diffusors;
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12A, 12B und 12C sind
Draufsichten eines weiteren Ausführungsbeispiels
des vorliegenden Diffusors; und
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13A bzw. 13A sind eine Querschnittsansicht bzw.
Draufsicht eines noch weiteren Ausführungsbeispiels des vorliegenden
Diffusors.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel
der Turbomaschine der Zentrifugalbauart, die Folgendes aufweist:
ein Pumpengehäuse 10, ein
innerhalb des Gehäuses 10 untergebrachtes drehbares
Laufrad 12 und einen schaufellosen Diffusorabschnitt 14,
mit einer stationären
Stabilisationsplatte 16 vorgesehen an einer bestimmten
Stelle des Diffusorabschnitts 14, um Instabilität in einem
Umkehrströmungsbereich
oder einer Umkehrströmungsregion
zu verhindern.
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In
der verkörperten
Pumpe ist nur eine Stabilisationsplatte 16 vorgesehen,
es können
aber auch zwei oder mehr Stabilisationsplatten verwendet werden.
Die Signifikanz des Anordnens der Stabilisationsplatte 16 innerhalb
des Diffusorabschnitts 14, wird unten erläutert, und
zwar hin sichtlich der Unterschiede der Leistungsfähigkeit
einer Turbomaschine mit und ohne einer derartigen Platte.
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3 zeigt die Leistungsfähigkeit
einer Turbomaschine mit einem konventionellen schaufellosen Diffusorabschnitt,
und zwar hinsichtlich eines Druckwiedergewinnungskoeftizienten (Pressure
Recovery Coefficient) Cp. Der Konstruktionsströmungskoeffizient dieses Kompressors
beträgt
0,35 was bedeutet, dass sämtliche
Daten in dieser Darstellung zur Niedrigströmungszone oder -region gehören, und zwar
unterhalb der Konstruktionsströmungsrate.
Die Beobachtung der Änderungen
des statischen Druckes auf der Innenoberfläche der Vorderabdeckung am
Einlass zum Diffusor sind durch die offenen Kreise in 3 angedeutet. Wenn die Strömungsrate oder
Strömungsgeschwindigkeit
durch die Turbomaschine verringert wird, so fangen die Druckfluktuationen
bei einer Spitzenfrequenz fp = 14,5 Hz an intermittend zu erscheinen,
und zwar für
einen Strömungskoeffizienten φ = 0,13
wie bei (b) angedeutet. Wenn die Strömungsrate nur leicht auf φ = 0,127
vermindert wird, so werden sowohl die Amplitude und Frequenz der
Schwingung oder Vibration als ansteigend beobachtet, wie bei (c)
gezeigt. Diese Strömungsregion
oder Zone bei fp = 14,5 Hz wird als Fluktuation ➀ bezeichnet.
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Wenn
die Strömungsrate
weiter auf φ = 0,124,
wie bei (a) gezeigt, verringert wird, so ändern sich die Wellenformen
des statischen Drucks und der Amplitude plötzlich und Cp beginnt diskontinuierlich abzufallen.
Die Strömungsrate
bei φ =
0,124 entspricht einer Einleitung einer sogenannten Rotationsunterbrechung
(Drehblockierung) (Rotating Stall), wo eine umgekehrte Strömungsregion
oder -zone zwischen dem Diffusorauslass oder Diftusorausgang und
dem Laufradauslass gebildet umfangsmäßig rotieren.
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4 ist eine Reihe von graphischen
Darstellungen, die Verteilungen des Durchschnittsströmungswinkels
und der kinetischen Strömungsenergie
innerhalb des Diffusors zeigen, während Fluktuation erzeugt wird.
Die gestrichelten Zonen in der graphischen Darstellung der Strömungswinkelverteilung beziehen
sich auf ringförmige
Umkehrströmungsregionen,
wo der Durchschnittsströmungswinkel
negativ ist. Kinetische Strömungsenergiemuster
(a)~(c) zeigen an, dass die Fluktuation besonders ernst in der Umkehrströmungsregion
oder Zone ist, die durch (r/ri) = 1,21 gegeben ist. Diese Ergebnisse
zeigen an, dass die bei fp = 14,5 Hz auftretende Druckfluktuation
verursacht wird durch Instabilität
in den ringförmigen
Umkehrströmungsregionen,
die periodisch innerhalb des Diffusors rotieren. Dies zeigt, dass
die Entwicklung der Fluktuation in den ringförmigen Umkehrströmungsregionen
erzeugt bei einer Strömungsrate,
gerade etwas höher
als die Rotationsunterbrechungsströmungsraten als der Auslöser zur
Erzeugung einer Rotationsunterbrechung (Rotating Stall) dient.
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Als
nächstes
wird eine Erläuterung
dafür gegeben,
wie eine Rotationsunterbrechung dadurch unterdrückt werden kann, dass man eine
Stabilisationsplatte 16 einführt, die die gesamte Breite
des Diffusorabschnitts 14 überspannt. Der Effekt der Anordnung der
Stabilisationsplatte 16 hinsichtlich der Erzeugung der
Umkehrströmungsregion
ist in 5 veranschaulicht.
Die Strichelung zeigt die Umkehrströmungsregionen an, und die konturierten
Kurven zeigen Linien von gleichen Niveaus der kinetischen Strömungs- oder
Flussenergie. In diesem Falle ist die Stabilisationsplatte derart
installiert, dass sie die Umkehrströmungsregionen auf den Inneroberflächen der
Vorderabdeckung überspannen,
wo die Geschwindigkeitsfluktuationsenergie am Höchsten ist. 6 zeigt die Ergebnisse des Druckwiedergewinnungskoeffizienten
Cp im Diffusorabschnitt 14, wenn die Stabilisationsplatte 16 in
dieser Weise installiert ist. Statische Druckwellenformen am Diffusoreinlass
entsprechen den Strömungsraten ➀, ➁ und ➂ gemäß 6 sind in den 7A bis 7E gezeigt.
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Analysen
der Fluktuationsfrequenzmuster deuten auf Folgendes hin. 7A zeigt Wellenformen eines
konventionellen schaufellosen Diffusors ohne die Platte 16 und
zwar arbeitend bei einer Strömungsrate
zur Bewir kung von Fluktuation ➀, was zeigt, dass die Fluktuation
bei eine Spitzenfrequenz von 14,5 Hz eingeleitet wird. Im Gegensatz
dazu zeigt die 7B Wellenform
des vorliegenden erfindungsgemäßen Diffusors,
bei dem die Platte 16 mit einem Winkel von 20 Grad ausgerichtet
ist und zwar über
die Gesamtbreite des Diffusorabschnitts 14 hinweg, was
zeigt, dass die Anfangsfluktuation ➀ fast unerkennbar ist.
Mit anderen Worten zeigen die Ergebnisse, dass die Instabilität in der
Umkehrströmungsregion
durch die Installation einer Stabilisationsplatte 16 unterdrückt wird.
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Wenn
die Strömung
weiter auf eine Strömungsrate
der Fluktuation ➁ reduziert wird, so zeigen die in 7C dargestellten Wellenformen,
dass der konventionelle Diffusor eine periodische, statische Druckfluktuation
erzeugt infolge der Rotationsunterbrechung bei der Spitzenfrequenz
von 10 Hz, wie in 7D zeigt,
dass der erfindungsgemäße Diffusor
mit der Stabilisationsplatte fast keine Änderung von den bei der Strömungsrate ➀ beobachteten
Wellenformen zeigt.
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Der
Einbau einer Stabilisationsplatte 16 in einen schaufellosen
Diffusor vermindert die Rotationsunterbrechungseinleitungsströmungsrate φs' (Strömungsrate ➂)
um ungefähr
35% verglichen mit dem konventionellen Diffusor ohne die Platte 16.
Ferner gilt: wenn die Platte 16 eingebaut ist, vermeidet
ein geringer Abfall der Strömungsrate
auf unterhalb der Einleitungsströmungsrate φs' eine Rotationsunterbrechung
und der Druckwiedergewinnungskoeffizient Cp steigt an. Anders ausgedrückt, gilt
Folgendes: selbst dann, wenn eine Rotationsunterbrechung eingeleitet
oder initiiert wird, kann die Stabilisationsplatte die Fluid- oder
Strömungsmitteldynamik
innerhalb des Diffusorabschnittes wieder herstellen, um eine Erholung
von der Rotationsunterbrechung vorzusehen.
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Folgendes
ist klar: durch Einbau der Stabilisationsplatte 16 in der
dargestellten Art und Weise wird eine Einleitung der Strömungsinstabilität in den Umkehrströmungsregionen,
was eine Rotationsunterbrechung auslöst, verhindert, und die Rotationsunterbrechungseinleitungsströmungs rate wird
zu der niedrigen Strömungsrate
verschoben, wodurch der stabile Betriebsbereich der Turbomaschine
erhöht
wird.
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Als
nächstes
sei die Beziehung zwischen dem Ausrichtwinkel der Stabilisationsplatte 16 und den
Rotationsunterbrechungsunterdrückungseffekten
erläutert. 8 vergleicht zwei Beispiele
von Effekten, der Ausrichtwinkel βb1 (dargestellt in 2) auf die Turbomaschinenperformance
oder Leistungsfähigkeit:
im ersten Fall ist die Platte 16 unter einem Winkel von
20 Grad bezüglich
einer Tangente angeordnet und im zweiten Fall ist die Platte 16 zusammenfallend
mit dem Konstruktionsströmungsratenwinkel
von 35 Grad angeordnet. Wenn βb1 = 20 Grad ist, so wird eine Rotationsunterbrechung
bei einer Strömungsrate
von φs' = 0,08 erzeugt,
wie dies zuvor erläutert
wurde, wenn aber βb1 = 35 Grad ist so wird keine Rotationsunterbrechung
erzeugt und ein plötzlicher
Abfall des Druckwiedergewinnungs- oder Erholungskoeffizienten Cp
wird nicht beobachtet. Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass
der stabile Betriebsbereich durch Ausrichten der Platte 16 mit
35 Grad anstelle von 20 Grad vergrößert wird.
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9A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Stabilisationsplatte. Die Stabilisationsplatte 16a erstreckt
sich nicht über
die gesamte Breite des Diffusorabschnitts 14 und ein Raum
(b3-h) wird zwischen der Spitze der Platte 16 und
der Wandoberfläche
der vorderen Abdeckung vorgesehen. 10A zeigt
das Verhalten des Druckreduktionskoeffizienten Cp im Diffusorabschnitt 14,
und zwar mit der Platte 16a ausgerichtet mit βb1 =
20 Grad bezüglich
der Tangentenrichtung, wenn die Höhe der Platte 16a verändert wird,
wie folgt: h/b3 = 0,5, 0,7 und 1,0. In dem konventionellen
Diffusor wird eine Rotationsunterbrechung bei einer Strömungsrate
oder Strömungsgeschwindigkeit
von φs0 erzeugt, an welchem Punkt Cp diskontinuierlich
abfällt.
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Wenn
die Höhe
der Stabilisationsplatte 16 von h/b3 =
0,5 bis 1,0 verändert
wird, so wird eine Rotationsunterbrechung bei entsprechenden Strömungsraten φs1 und φs2 erzeugt. Verglichen mit φs0 für
den konventionellen Diffusor zeigen die Ergebnisse, dass die Fluktuationseinleitungsströmungsraten um
ungefähr
20% für φs1 und 35% für φs2 zu
den niedrigen Strömungsraten
hin verschoben werden. Obwohl diese Ergebnisse zu zeigen scheinen,
dass umso höher
die Platte umso besser der Effekt der Rotationsunterbrechungsunterdrückung ist,
wurde jedoch entdeckt, dass dann, wenn h/b3 =
0,7 ist kein plötzlicher
Abfall von Cp über
die gesamten Strömungsraten
hinweg auftrat, was anzeigt, dass die Rotationsunterbrechung vollständig unterdrückt wurde.
In der Tat zeigen diese Ergebnisse, dass der Unterdrückungseffekt
durch Vorsehen eines geeigneten Abstandes zwischen der Spitze der
Platte 16a und der Innenoberfläche der vorderen Abdeckung
verbessert wird. Dieser Effekt wurde auch in 10B für den
Fall von βb1 = 35 Grad beobachtet.
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Es
sei bemerkt, dass obwohl der Raum an der vorderen Abdeckungsseite
des Diffusormantels vorgesehen wurde, und zwar durch Anbringen der Platte 16a an
der Hauptabdeckung des Diffusorgehäuses, die Beabstandung auf
der Hauptabdeckungsseite vorgesehen sein kann. Ebenfalls in 9B gezeigt ist, können die
Stabilisationsplatten 16b, 16c an beiden Seiten
des Diffusormantels oder des Diffusorgehäuses angebracht sein, um einen
Mittelraum vorzusehen bzw. übrig
zu lassen. Wie ferner in den 11A und 11B gezeigt ist, brauchen
die Stabilisationsplatten nicht innerhalb des gleichen Strömungsfeldes
angeordnet sein, sondern sie können
zu der stromaufwärts
gelegenen Seite oder der stromabwärts gelegenen Seite versetzt
sein, wie dies durch die Platten 16d, 16e gezeigt
ist.
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Die 12A bis 12C zeigen noch weitere Konfigurationen
der erfindungsgemäßen zentrifugalen
Turbomaschine. Im Diffusorabschnitt 14 wird eine Stabilisationsplatte 16f derart
vorgesehen, dass die Platte 16f in den Diffusorabschnitt
durch betätigen
eines Antriebsabschnitts 18 eingesetzt oder daraus zurück gezogen
werden kann. Ein (nicht gezeigter) Steuerabschnitt ist für den Antriebsabschnitt 18 vorgesehen.
Die Einbau stelle, der Winkel und andere Parameter sind grundsätzlich die
gleichen wie oben erläutert.
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D.
h., in einer geeigneten Stelle der Hauptabdeckungsseite des Diffusorabschnitts 14 wird
ein Schlitz 20 vorgesehen zum Einsetzen oder zum Herausziehen
der Platte 16f und ein Raum 22 ausgebildet, auf
dem Pumpengehäuse 10 ist
auf der Rückseite
des Schlitzes 20 vorgesehen, um die Platte 16f aufzunehmen
oder unter zu bringen. Eine Antriebswelle 24 ist am nahe
gelegenen Ende der Platte 16f angebracht, die durch ein
Loch 26 verläuft
ausgebildet in dem Gehäuse 10,
und zwar zur Kupplung mit einem externen Antriebsmotor 30 durch
eine Zahnstangenritzelkupplung 28. Die Zwischenräume zwischen
Schlitz 20 und Platte 16f und zwischen Loch 26 und
Welle 24 sind mit Abdichtvorrichtungen angefüllt.
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In
einer derartigen Anordnung wird die Platte 16f in den Diffusorabschnitt 14 eingesetzt
oder daraus zurückgezogen,
um die Erzeugung unstabiler Fluktuation in den Umkehrströmungsregionen
zu steuern. Ein Beispiel eines weiteren Steuerverfahrens besteht
darin, dass die Strömungsrate
detektiert wird, so dass dann, wenn die Strömungsdaten anzeigen, dass das
System unterhalb einer kritischen Strömungsrate arbeitet und empfindlich
ist gegenüber der
Verursachung von Rückwärtsströmung, was
zur Instabilität
führen
kann, die Platte 16f in den Diffusorabschnitt eingesetzt
werden kann. Oder aber, irgendein geeigneter Sensor kann eingebaut
werden, um direkter das Aufkommen einer Instabilitätsregion zu
detektieren und um das Einsetzen der Platte 16f anzufordern.
Wenn das System weg von der Instabilitätsregion betrieben wird, so
kann die Platte 16f aus dem Diffusorabschnitt 14 herausgezogen
werden, wodurch die Betriebseffizienz verbessert wird.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
kann die Platte 16f in einer halboffenen Position, was
in 9A gezeigt ist, betrieben
werden. In diesem Falle wird die Platte 16f in derart,
in den Diffusorabschnitt 14 eingesetzt, dass ein Raum zwischen
der vorderen Abdeckung und der Wandoberfläche übrigbleibt. Der Raum (b3-h) ist derart variabel, dass durch Vorsehen eines
geeigneten Sensors zur Anzeige des Grades der Strömungsstabilität in Diffusorabschnitt 14 der Raumabstand
derart gesteuert werden kann, dass der Sensor eine optimale Performance
oder Leistungsfähigkeit
des Systems anzeigt. Oder aber das System kann gemäß einer
vorherbestimmten Beziehung zwischen dem Grad der Strömungsstabilität und den
Strömungsraten
oder anderen Parametern gesteuert werden.
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13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Betriebsmechanismus für
die Platte. In dieser Anordnung ist die Stabilisationsplatte 16g an
einer Kolbenscheibe 32 untergebracht in einer Zylinderkammer 34 angebracht,
wobei der Betrieb durch eine Strömungsmitteldruckvorrichtung
durch ein Rohr 36 erfolgt. Die Effekte sind die gleichen,
wie die zuvor erwähnten.
Der Orientierungswinkel der Stabilisationsplatte kann durch Verwendung
geeigneter Mittel variabel gemacht werden.