DE8628975U1 - Leistungsgeregelte Strömungsmaschine - Google Patents

Description

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Die Neuerung betrifft eine Strömungsmaschine, sei sie vom Zentrifugaltyp, vom Axialtyp oder auch vom teilweise Axial- und teilweise Zentrifugaltyp und insbesondere eine Anordnung zur Steuerung des Leistungsaustausches mit dem Fluid.

Es ist bekannt, daß Strömungsmaschinen Maschinen zum Fluidtransport sind, deren Differenzdruck oder die dem Fluid übertragene Arbeit mit der Leistung schwankt und umgekehrt für einen gegebenen Rotationszustand, wobei dieses Verhältnis üblicherweise durch eine charakteristische Kurve definiert ist. Der Verwendungsbereich des Fluids seinerseits weist einen Druckverlust oder einen Leistungsverlust auf, der sich mit der Leistung entsprechend einer anderen charakteristischen Kurve ändert, wobei der Schnittpunkt der beiden Kurven den Arbeitsbereich bildet.

Für eine vorgegebene Anwendung ist es erforderlich, wenn die Eigenschaften des Verwendungsbereiches variieren oder auch, wenn die Eigenschaften der Strömungsmaschine vorgegeben worden sind mit einer gewissen Leistungserhöhung/ die dem Fluid erteilte Leistung einzustellen als Funktion der tatsächlichen Gegebenheiten. Eine erste Möglichkeit besteht darin, den Lauf zustand der Strömungsmaschine zu verändern, wobei es jedoch im allgemeinen sehr schwierig ist, die Geschwindigkeit des Antriebsmotors für die Strömmungsmaschine zu verändern, da diese Motoren oftmals asynchrone Motoren sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Eigenschaften des Verwendungsbereichs zu verändein mittels eines einstellbaren zusätzlichen Druckver · lustes, jedoch führt dies zu einem erheblichen Energieverlust sowie zu Vibrationen und unangenehmen Geräuschen durch turbulentes Fließen.

Um diese beiden Nachteile zu vermeiden, verwendet man im allgemeinen eine Neigungs-Regelvorrichtung, die aus fest stehenden Flügeln mit veränderlicher Anströmfläche besteht und in der Axialfluidleitung stromaufwärts des Ro-

tors der Strömungsmaschine angeordnet ist. Diese Flügel sind im allgemeinen eben, um bei axialer Anordnung keine Rotationsbewegungen in der Fluidleitung zu erzeugen und damit einen minimalen Druckverlust. Neigt man jedoch diese Flügel um so eine Rotationsbewegung in der Fluidleitung zu erzeugen, üblicherweise in der Rotationsrichtung des Hauptrotors, so erhält man eine Leistungsänderung, insbesondere deren Verringerung. Die Profile derartiger Flügel sind jedoch schlecht angepaßt, so daß Wirbel und Strömungsturbulenzen der Fluide auftreten bei erheblicher Neigung der Flügel i Es erfolgt <?.en\?v>fplae ein weiterer Druckverlust und ein Leistungsverlust durch turbulentes Fließen, wodurch wenigstens teilweise die oben genannten Nachteile wieder auftreten.

Aufgabe der Neuerung ist es, diese Nachteile zu beseitigen, d.h. die Leistung einer Strömungsmaschine zu regeln in einem großen Leistungsbereich, ohne Leistungsverlust und ohne komplizierten mechanischen Aufbau.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß eine Strömungsmaschine, die wenigstens einen Hauptrotor aufweist mit einem zusätzlichen Rotor mit Axialströmung versehen ist, der Profilschaufeln aufweist und dessen Rotation unabhängig von derjenigen des Hauptrotors ist und zwar in einer axialen Fluidleitung, entweder stromaufwärts des Hauptrotors, um dem Fluid eine Vorrotation zu erteilen oder stromabwärts zum Ausrichten oder Verändern einer gegebenenfalls im Fluid herrschenden Rotation mit einer geeig-

3Q neten Anordnung zur Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit des zusätzlichen Rotors.

Diese Anordnung kann insbesondere eine Bremsung mit progressiver Wirkung sein, die dem zusätzlichen Rotor ein Gepc genmoment zuführt um seine Geschwindigkeit zu verändern zwischen einer Geschwindigkeit, die im wesentlichen gleich der Eigenro'tationsgeschwindigkeit in Gegenrichtung zur derjenigen des Hauptrotors ist und einer Geschwindigkeit, die

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im wesentlichen Null ist.

BeL einem anderen Ausführungsbeispiel kann diese Anordnung aus einer umkehrbaren elektrischen Maschine bestehen, die in der Lage ist, ein variables Gegenmoment mit Energierückgewinnung zu erzeugen und gleichzeitig ein Motormoment erzeugen kann um so einen Geschwindigkeitsbereich jenseits der Eigenrotationsgeschwindigkeit abzudecken. Für bestimmte Anwendungen kann der Motor auch in beiden Drehrichtungen laufen, um sich so mit dem Hauptrotor oder entgegengesetzt zum Hauptrotor zu drehen.

Im folgenden wird die Neuerung anhand der Zeichnung näher beschrieben, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigens

Fig. 1 eine Ansicht eines neuerungsgemäßen Ausführungsbeispiels ;

Pig. 2 eine schematische Ansicht in vergrößertem Maßstab ds zusätzlichen Rotors;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 die charakteristischen Kurven für den Fall uer Neuerung; und

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit axialer Turbine und stromabwärts angeordnetem zusätzlichen Rotor.

Eine herkömmliche Strömungsmaschine weist einen Hauptrotor auf, der über eine Kraftübertragungswelle mit einem Antriebsmotor verbunden ist, wobei der Rotor von einem Stator umgeben ist, der eine Spirale oder einen Sammlerkanal bildet, von dem das Fluid in eine Leitung austritt. Die Anordnung bildet z.B. einen Ventilator, einen Kompressor oder ein Gebläse, insbesondere für gasförmige Fluide.

Für einen bestimmten Drehzahlbereich, der z.B. dem Normalzustand des Motors entspricht, sofern dieser ein Asynchronmotor ist, variiert die dem Fluid übertragene Massenarbeit als Funktion der Durchflußleistung des Fluids gemäß einer charakteristischen Kurve der Strömungsmaschine. Andererseits wird die vom Anwendungsbereich'des Fluids, in den die Strömungsmaschine einspeist, absorbierte Leistung durch eine charateristische Kurve dss Bsjrsichss dstr^sstsllt. Dsr Schnittⁿvinki2 d.eir bsiclen charakteristischen Kurven bestimmt den Funktionsbereich, d.h. die Durchflußleistung und die Leistung, dia vom Asynchronmotor abgegeben wird.

Am Auftreffpunkt der Schaufel des Hauptrotors verläuft die Relati-!'geschwindigkeit des Fluids bezüglich der Schaufel prinzipiell tangential

zur Schaufel. Die Antriebsgeschwindigkeit am Auftreffpunkt, die sich aus der Rotation ergibt/ wirkt mit der P.elativcreschwindierkeit in herkömmlicher Weise zusammen, um die Absolutgeschwindigkeit des Fluids bezüglich des Stators zu bilden.

Die Beschaufelung des Hauptrotors ist ausgehend vom Auftreffpunkt derart ausgelegt, daß die Richtung der Relativgeschwindigkeit derart ist, daß ihre Zusammensetzung mit der Richtung der Antriebsgeschwindigkeit kompatibel ist mit der natürlichen Richtung der Absolutgeschwindigkeit . Diese natürliche Richtung ist derartig symmetrisch, daß die senkrechte Projektion des Vektors der Absolutgeschwindigkeit auf den Vektor der Antriebsgeschwindigkeit Null ist. Dies bedeutet, daß bei Fehlen einer Anordnung stromaufwärts des Rotors der Vektor der Absolutgeschwindigkeit in einer Ebene liegt, die die Ebene des Hauptrotors enthält.

Wenn die Strömungsmaschine für unterschiedliche Anforderungen ausgelegt werden soll, ist die Absolutgeschwindigkeit derart zu neigen, daß die senkrechte Projektion von der Ab so lut geschwindigkeit auf die Antriebsgeschwindigkeit nicht mehr Null wird. Damit wird es möglich, die Strömungsmaschine in Abhängigkeit von der senkrechten Projektion der Absolutgeschwindigkeit auf die Achse der Strömungsmaschine an unterschiedliche Strömungsdurchflußmengen und abhängig von der senkrechten Projektion der Absolut geschwindigkeit auf die Antriebs geschwindigkeit an unterschiedliche Arbeitsleistungen anzupassen.

Dies erzielt man in herkömmlicher Weise, indem man stromaufwärts vom Einlaß der Strömungsmaschine eine Regelvorrichtung anordnet, die Flügel mit einer im wesentlichen ebenen Form aufweist, deren Anströmfläche von einer vollständig axialen Richtung, in der dem durchfließenden Medium keinerlei Rotation erteilt wird, bis zu stark geneigten Stellungen, die eine Rotationsbewegung der Gesamtheit des Fluids am Einlaß bewirken, variieren kann, was einer zunehmenden Neigung der Absolutgeschwindigkeit bezüglich des Auftreffpunktes entspricht .

Dies entspricht einer Verschiebung der charatkeristischen Kurve der maximalen Leistung bei der Neigung Null in Richtung geringerer Leistung, was anders ausgedrückt bedeutet, daß die Leistung rapide abnimmt, wenn die Neigung ansteigt.

Dieser bekannte und nützliche Effekt tritt jedoch unter schlechten Bedingungen auf, da mit zunehmender Neigung der Flügel das eintretende Flvi.M einen steigenden Winkel mit der Wand dar Auftrefffl&c ^a der Flügel einschließt, wodurch hinter den Flügeln Wirbel und Turbulenzen auftreten, die Druckverluste und Energieviarluste bedingen.

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Um diesen Nachteil zu vermeiden, geht die Neuerung, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, von dem gleichen Turbogebläse aus, bei dem jedoch die Neigungs-Rege!vorrichtung mit den feststehenden Schaufeln und der variablen Neigung durch einen zusätzlichen Rotor 13 ersetzt ist, der drehbar um eine Welle 14 angeordnet ist, und dessen Schaufeln 15 eine feste Schaufelteilung aufweisen. Dieser zusätzliche Rotor 13 ist in einem Stator 16 angeordnet, wobei seine Welle 14 zum direkten oder indirekten Antrieb mit einer sich drehenden Maschine 17 verbunden ist.

Es wird nun angenommen, daß die Maschine 17 weder ein Motormoment noch ein Gegenmoment dem zusätzlichen Rotor 13 erteilt, wie es annäherungsweise dadurch verwirktlich werden kann, daß Lager mit geringem Gegenmoment verwendet werden. Unter diesen Bedingungen bewirkt die radial bei 10 einströmende Luft im vorstehenden Beispiel eine Autorotation des Rotors 13, in der durch den Pfeil 18 (Fig. 2) angegebenen Richtung, d.h. in der zur Rotation des Hauptrotors 1 entgegengesetzten Richtung. Wenn tatsächlich das Gegenmoment am Rotor 13 praktisch Null ist, erzeugt letzterer keine wesentliche Rotationsbewegung des Fluids, das praktisch parallel und ohne Störung bei 10 ausströmt.

Wird nun durch die sich drehende Maschine 17 eine Bremsung erzeugt, die ein Gegenmoment mit steigender Größe bewirkt, erfolgt eine zunehmende Rotation des Fluids im Einlaß 7 und in der gewünschten Richtung, d.h. in Rotationsrichtung des Hauptrotors 1. Diese Bremsung kann z.B. erzielt werden, indem die Maschine 17 aus einer einfachen elektromagnetischen Bremse mit herkömmlichen Foucault-Strömen besteht, wodurch die Rotationsgeschwindigkeit des zusätzlichen Rotors 13 von der

freien Eigenrotationsgeschwindigkeit bis zu einer Geschwindigkeit verändert wird, die praktisch Null ist. Im letzteren Fall erzielt man durch Stillstehen des zusätzlichen Rotors 13 eine Rotation der Luft im Einlaß 7 unter hervorragenden Bedingungen, da die Schaufeln 15 eine Krümmung in der vorteilhaften Richtung aufweisen. Es sei bemerkt, daß das strenge Einhalten der durch das Geschwindigkeitsdreieck festgelegten Bedingungen am Eingang und am Ausgang einer jeden Schaufel 15 nicht perfekt für alle Geschwindigkeiten gewährleistet ist, jeaoch unter allen Bedingungen sehr gut angenähert werden kann um äußerst günstige Ergebnisse zu erzielen.

Bei einem anderen in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel können die Schaufeln 15 das Rotors 13 derart profiliert sein, wie es mit 15a bezeichnet ist. Dies bedeutet, daß die Schaufeln 15 tangential zum Auftreffpunkt verlaufen, wobei die Null-Neigung durch eine relativ guringe Neigung ersetzt ist, entsprechend einer Rotationsgeschwindigkeit des zusätzlichen Rotors 13 zwischen der Geschwindigkeit Null und der Geschwindigkeit der Eigenrotation. Auf diese Weise bildet dfjnn, wenn das Bremsmoment vom Moment Null bis zum Maximalmoment variiert, die Richtung der Relativgeschwindigkeit der Strömungsfäden immer einen geringen positiven oder negativen Winkel mit der Tangente an der Schaufel 15a am Auftreffpunkt.

Mit dieser Ausgestaltung kann, wie dies oben beschrieben wurde, eine zunehmende Verschiebung der charakteristischen Kurven der Strömungsmaschine TO, Tl, T2 und T3 bewirkt werden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, wobei man jedoch den Kurven für den Wirkungsgrad entnehmen kann, daß der maximale Wirkungsgrad höher ist, jedoch nicht inehr bei den Maximalwerten der Leistung W und der Durchflußleistung Q erzielbar ist, sondern für Zwischen-

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werte, die im wesentlichen der häufigsten Verwendungsart entsprechen, insbesondere im Fall von Überdimensionierungen der Bauteile aus Leistungssicherheitsgründen.

Alles was bisher im Zusammenhang mit einer Maschine vom Radialtyp ausgeführt wurde, gilt in gleicher Weise für Strömungsmaschinen, die teilweise axial und teilweise radial arbeiten oder für ausschließlich axial arbeitende Maschinen. Im letzteren Fall kann der zusätzliche Rotor für die Leistungsregelung nicht nur stromaufwärts, wie es oben dargelegt wurde, sondern auch stromabwärts von der letzten Stufe der Turbine angeordnet sein, um so in der Art eines herkömmlichen Leitapparates zu wirken.

Fig. 5 zeigt beispielsweise, daß der Hauptrotor vom Axialtyp sich um seine Welle 2 dreht und daß das Fluid von der linken Seite in Fig. 5 einströmt, während der zusätzliche Rotor 13b sich um seine Welle 14 dreht und Schaufeln 15b aufweist, die unterschiedliche Profile zu denjenigen der Rotoren 13 und 13a aufweisen. In Fig. 9 sind schematisch die Geschwindigkeitsdreiecke beim Auftreffen und beim Verlassen der Schaufeln 5a eingezeichnet, wodurch sich die Absolut geschwindigkeit C beim Verlassen ergibt, die sich aus einer nützlichen Axialkomponente Ca und einer schädlichen Tangentialkomponente Ct zusammensetzt. Um nun die durch Ct dargestellte kinetische Energie zurückzugewinnen, wird üblicherweise stromabwärts vom Hauptrotor ein Gitter aus statischen Schaufeln angeordnet, die den Leiterapparat bilden, um die Geschwindigkeit in die Axialrichtung umzulenken. Dieses Resultat kann neuerungsgemäß dadurch erzielt werden, daß der Rotor 13b stillsteht oder sich mit einer äußerst geringfügigen Geschwindigkeit dreht. Im Gegensatz dazu, kanu die Bremsung des Rotors zunehmend freigegeben werden, so daß die Ausgangskomponente geneigt, und demzufolge die Leistung der Strömungsmaschine ver-

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ringert wird.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann an Stelle der eingebauten Bremsung gemäß den beiden vorhergehenden Beispielen die sich drehende Maschine 17 durch einen Elektromotor ersetzt werden, der einerseits die gleiche Bremswirkung ausübt, jedoch eine Energierückgewinnung erlaubt, und andererseits den Rotor mit einem Motormoment antreibt, damit er nicht nur diesseits der Eigenrotationscjeschvindigkeit erbeitet; sondern euch jen dieser Geschwindigkeit. Die erforderliche Leistung zur Versorgung der Maschine 17 ist immer sehr gering bezüglich der Leistung des Hauptmotors 3 selbst im Vergleich zu der durch die Neuerung eingesparten Energie.

Schließlich sei noch erwähnt, daß für bestimmte Anwendungen die sich drehende Maschine 17 auch durch einen Motor mit zwei Drehrichtungen ersetzt werden kann, der in der Lage ist, sich diesseits der Null-Geschwindigkeit mit negativen Geschwindigkeiten zu drehen.

Claims (4)

München, G 86 28 975.6 Etabilissements Neu Meine Akte: P 3654 ET/Ca Schutzansprüche

1. Strömungsmaschine vom Zentrifugaltyp zum Fluidtransport mit wenigstens einem Hauptrotor (1), einem zusätzlichen Rotor (13) mit Profilcchaufein (15) für eine Axialströmung, dessen Drehung unabhängig von derjenigen des Hauptrotors (1) ist und dsr in einer axialen Fluidleitung (10) stromaufwärts des Hauptrotors (1) angeordnet ist, um dem Fluid eine Vorrotation zu erteilen mittels einer Anordnung (17) zur Veränderung der Geschwindigkeit des zusätzlichen Rotors (13), dadurch gekenzeichnet, daß der Hauptrotor (1) ein, *-ine im wesentliche radiale Strömung erzeugender Rotor ist, und daß der Hauptrotor (1) vom zusätzlichen Rotor (13) durch einen ausgedehnten Raum getrennt ist, in dem die Richtungsänderung erfolgt.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine ein variables Gegenmoment erzeugende Bremsverrichtung mit progressiver Wirkung ist, durch das die Geschwindigkeit des zusätzlichen Rotors (13) von der Geschwindigkeit der Eigenrotation in entgegengesetzter Drehrichtung zu derjenigen des Hauptrotors (1) bis zu einer Geschwindigkeit, die im wesentlichen Null beträgt, veränderbar ist.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die Anordnung eine ein Gegenmoment mit Energierückgewinnung für eine Rotation diesseits der Geschwindigkeit der Eigenrotation und ein Motormoment für die Geschwindigkeiten jenseits der Geschwindigkeit der Eigenrotation erzeugende, sich drehende Maschine ist.

4. Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die sich drehende Maschine in beiden Richtungen drehbar ist, um auch bei negativen Geschwindigkeiten diesseits der Nullgeschwindigkeit zu arbeiten.