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Einrichtung zur Umsetzung mechanischer Drehbewegung in statischen
bzw. dynamischen Druck strömender Medien oder umgekehrt Einrichtungen zur Umsetzung
mechanischer Drehbewegung in statischen bzw. dynamischen Druck strömender Medien
oder umgekehrt mittels rotierender Schaufelräder sind als Turbopumpen und Turbinen
in den mannigfaltigsten Ausführungsformen bekannt. Beide Maschinengattungen sind
jede für sich bis zum heutigen Stand der Technik entwickelt worden. Abgesehen von
jeglicher Beschaufelung liegt der engste Strömungsquerschnitt dieser Maschinen meist
am Laufradeintritt oder er erstreckt sich gleichmäßig über den gesamten Laufradbereich.
An der Stelle des engsten Strömungsquerschnittes eines durchströmten Systems konzentriert
sich das Kräftespiel zwischen Druck- und Bewegungsenergie am stärksten. Ein- bzw.
Auslauf der Energieumsetzung wirkt sich bei den bestehenden Strömungsmaschinen mit
hohem Wirkungsgrad zum großen Teil außerhalb des Laufrades in sogenannten Leiteinrichtungen
aus.
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Gemäß der Erfindung ist nun der engste Strömungsquerschnitt und somit
die Stelle größter Energieumsetzung nach der Mitte des Laufrad-Schaufelbereiches
gelegt, und der Schaufelbereich im übrigen so ausgebildet, daß der Ein- und Auslauf
der Energieumwandlung soweit wie möglich im Laufrad selbst stattfindet, so daß die
Leiteinrichtungen in der bisher gebräuchlichen Form überflüssig werden.
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Ferner sind zwecks bestmöglicher Kraftübertragung zwischen Strömung
und bewegten Flächen, in diesem Falle Laufschaufeln, die Laufschaufeln in diesem
engsten Querschnitt so angeordnet, daß bei Normalbelastung der Maschine die absolute
Strömungsrichtung senkrecht zu den Laufschaufelfiächen verläuft,
Absolut-
und Relativströmung also einen rechten Winkel miteinander bilden. Um das zu erreichen;
müssen die Schaufeln an der engsten Stelle des Laufrades einen Neigungswinkel zur
Drehrichtung von etwa q.5° haben. Darüber hinaus sind die Strömungsquerschnitte
der Schaufelkanäle erfindungsgemäß so ausgebildet, daß bei Pumpenlaufrädern die
relative Strömungsgeschwindigkeit durch die Schaufelkanäle im gesamten Schaufelbereich
konstant bleibt und bei Turbinenlaufrädern entsprechend ihrer Eigenart in Strömungsrichtung
gleichmäßig beschleunigt ist.
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Gemäß der Erfindung wird die genannte Energieumsetzung im wesentlichen
nur in dem Laufrad bzw. den Laufrädern durchgeführt, d. h. im allgemeinen kann der
Erfindungsgedanke durch die Anwendung lediglich eines Laufrades oder mehrerer ohne
Zuhilfenahme eines Leitapparates ausgeführt werden, wobei der übliche Wirkungsgrad
mindestens erhalten oder sogar beträchtlich gesteigert wird. Indessen kann gegebenenfalls
ein Leitapparat für besondere Zwecke zusätzlich Anwendung finden, z. B. um bei-
einer Pumpe nicht die gesamte zugeführte Rotationsenergie in statischen Druck zu
verwandeln, sondern einen mehr oder weniger kleinen Anteil kinetischer Energie beim
Pumpenaustritt zur Überwindung von Reibungswiderständen in einer Zweigleitung und
damit eine Förderung über große Höhen zur gewährleisten. Im allgemeinen wird jedoch
ein Leitapparat oder Düsenapparat überflüssig sein, oder, wenn er angewendet wird,
nur einen Anteil der Energie umsetzen, der klein ist im Verhältnis zu der im Laufrad
bzw. in den Laufrädern umgesetzten Energie, im Gegenteil zu den bekannten Leitapparaten
bzw. Düsen, in denen nach der herrschenden Theorie der Anteil der Energieumsetzung
jeweils gleiche Größenordnung in Laufrad und Leitapparat besitzt, z. B. bis zu 50
°/o gehen kann. Bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung ergibt sich als wesentlicher
Vorteil die Einsparung oder der nahezu vollständige Wegfall der komplizierten Leitapparate
oder Düsen.
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Des weiteren sind die Laufräder nach der vorliegenden Erfindung, die
auf Grund eingehender theoretischer und praktischer Erforschung der Strömungsvorgänge
in rotierenden Laufkörpern entwickelt wurden, für Turbopumpen und Turbinen gleichermaßen
verwendbar und eignen sich auch besonders zur Verwendung in hydraulischen Getrieben.
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Ferner ist die Erfindung in gleicher Weise für axial als auch radial
beaufschlagte Turboapparate verwendbar, wobei als besonderer Vorteil in beiden Fällen
einmal die relativ einfache Konstruktion der Schaufelform und andererseits die über
einen großen Lastbereich gleichmäßig hohen Wirkungsgrade hervorzuheben sind.
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Im Rahmen des Erfindungsgedankens konnte festgestellt werden, daß
für die Laufräder allgemein eine optimale Formgebung der Laufschaufeln erzielbar
ist, durch welche die bisher nicht genügend beachtete und erforschte Absolutströmung
einen bestimmten Weg, nämlich eine (bei verschiedenen Belastungsfällen mehr oder
weniger gekrümmte) Kreisevolvente bestreicht und gleichmäßig beschleunigt oder verzögert
wird, wodurch der gesamte Energieumsatz oder nahezu der gesamte Energieumsatz innerhalb
des Laufrades selbst erfolgt, so daß auf die bisher gebräuchlichen Leiteinrichtungen
weitgehend verzichtet werden kann, die nach bisheriger Ansicht bei Kreiselpumpen
z. B. vor allem die aus dem Laufrad austretende zu große Geschwindigkeitsenergie
in Druckhöhe (ungerichteten statischen Druck) zurückverwandeln sollen. Der vorliegenden
Erfindung liegt demgegenüber die Erkenntnis zugrunde, daß sich Strömungsenergie
nicht in ungerichteten statischen Druck verwandeln und so zurückgewinnen läßt. Ferner
sind durch die nach diesen Erkenntnissen errechneten Schaufelkanäle mit konstanter
Relativbewegung des strömenden Mediums Strömungs- und Kavitationsverluste praktisch
ausgeschaltet, da nirgends Verzögerung und Unterdruck auftritt, so daß mit diesen
Rädern hohe Wirkungsgrade erreicht werden.
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Die optimale Formgebung der Laufschaufeln liegt erfindungsgemäß vor,
wenn die Durchmesser, die Schaufelsteigungswinkel und die Schaufelbreiten in allen
Punkten des Schaufelbereiches in einer ganz bestimmten Abhängigkeit voneinander
stehen. Es kommt also nicht, wie bisher angenommen wurde, nur auf den Schaufelsteigungswinkel
am Ein- und Austritt, sondern ebenso auf die dazwischenliegenden Teile, vor allem
die Verhältnisse in der Mitte der Schaufel an. Des weiteren erbringt die Erfindung
besondere Vorteile durch die Kombination der erfindungsgemäßen Laufräder mit der
an sich bekannten Drallbremse, deren Anwendung bevorzugt wird.
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Der wesentliche Teil eines Laufrades ist der Schaufelbereich mit den
Laufschaufeln. Nach der Erfindung teilt sich dieser Schaufelbereich in zwei Teile,
die zwei strömungstechnisch scharf getrennte Aufgaben zu erfüllen haben. Die Schaufeln
sind nämlich vorzugsweise so ausgebildet, daß der kleinste Strömungsquerschnitt
des Laufrades etwa in der Mitte des Schaufelbereiches liegt. Bis zu dieser Linie
des kleinsten Querschnittes wird im Pumpenlaufrad die absolute Strömung gleichmäßig
beschleunigt und gleichzeitig auf eine Bahn gezwungen, die mathematisch eine Kreisevolvente
darstellt und daher bei Normalbelastung stets senkrecht zur Schaufelrichtung steht.
(Auch bei einer Abweichung von der Normalbelastung ändert sich diese Bedingung nicht
wesentlich): Beim Turbinenlaufrad ist dagegen die relative Strömungsgeschwindigkeit
des von außen nach innen durchströmten Laufrades gleichmäßig beschleunigt.
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Von der Mitte bis zum äußeren Durchmesser des Schaufelkranzes wird
durch den durch die senkrecht zur (wirklichen, d. h. absoluten) Strömungsrichtung
wirkenden Zentrifugalkräfte erzeugten maximalen Druck die Geschwindigkeit der Strömung
konstant gehalten. Insgesamt ergibt sich eine düsenartige Konstruktion der einzelnen
Schaufelkanäle.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehend
beschriebenen Konstruktions- und Berechnungsbeispielen und aus den zugehörigen Zeichnungen,
die schematisch gehalten sind.
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Fig. z zeigt den Querschnitt durch ein radial durchströmtes Laufrad,
der für Pumpen und Turbinenräder gleich ist;
Fig. 2 zeigt einen
Längsschnitt durch ein Pumpen-Laufrad; Fig.3 ist ein Längsschnitt durch ein Turbinenlaufrad;
Fig. ¢ ist ein Längsschnitt durch ein hydraulisches Getriebe; Fig. 5 zeigt eine
Einzelheit an Fig. q..
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Der wesentliche Teil eines Laufrades ist dessen Schaufelbereich, an
dem sich die Laufschaufeln befinden (vgl. Fig. i bis 3). Der Schaufelbereich wird
innen vom Durchmesser a, außen vom Durchmesser c und seitlich von den Laufradseitenwänden
begrenzt. Der Durchmesser b teilt den Schaufelbereich in zwei Teile, die strömungstechnisch
scharf voneinander zu trennen sind. Der Innendurchmesser a ist zugleich der Nenndurchmesser
der Maschine und maßgebend für deren Normalleistung, von ihm hängen alle anderen
Konstruktionsdaten des Laufrades ab. Die drei Durchmesser a, b und c stehen, wie
theoretische Betrachtungen ergeben haben, in einem festen Verhältnis; dieses errechnet
sich wie folgt: i. Laufradkonstruktion von Punkt A (Fig. i) nach innen: Man geht
aus vom mittleren Radius A-C. Im Punkt A ist der Schaufelsteigungswinkel q.5° und
die Schaufelrichtung A-B tangiert den gestrichelten Kreis in B. Es ist B-A
= B-C, da A-B-C ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck ist. In B wäre
der Steigungswinkel a = 0; da er aber eine endliche Größe haben muß, muß die Schaufel
etwas früher enden. Es ist
oder
Damit der Steigungswinkel innen etwa 2o° C wird, muß B-C etwas größer werden, so
daß B-C : A-C also nicht mehr 2,8: q. sondern etwa 3 : 4. wird.
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2. Schaufelkonstruktion von A nach außen: A-D ist ein Kreisbogen mit
dem Radius B-C = A -E um E, und zwar von Punkt A, wo a = 45°
ist, so weit nach außen, bis die Schaufelrichtung parallel zum geradlinigen Teil
der nächstfolgenden Schaufel ist; das ist in Punkt D der Fall. Der Radius C-D verhält
sich in diesem Falle zu C-A etwa wie 5 : q..
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Die drei Durchmesser a, b und c verhalten sich demnach wie
3 : q.: 5; die Schaufelanzahl muß dabei wenigstens ia betragen. Bei diesen Werten
haben die Schaufelkanäle gerade noch die ausreichende Länge und Höhe, so daß saubere
relative Strömungsverhältnisse im Schaufelkanal gewährleistet sind. Die Schaufelform
ist im Querschnitt (Fig. i) wie erwähnt für Pumpen und Turbinenräder vollkommen
gleich. Beim Pumpenlaufrad können gegebenenfalls die Schaufeln nach innen über den
Durchmesser a hinaus etwas überstehen, und zwar rückwärts zylindrisch mit dem Krümmungsradius
B-C = A-E gekrümmt, in dem Sinne wie bei A-D.
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Die Schaufelbreite e (Fig. 2 und 3) muß nun so groß sein, daß bei
Pumpenlaufrädern der Schaufelkanalquerschnitt senkrecht zur relativen Kanalströmung
überall konstant bleibt, weil die relative Geschwindigkeit zur Vermeidung jeglicher
Verzögerung im Kanal stets konstant bleiben soll. Am Schaufeleintritt beim Durchmesser
a ist der zylindermantelförmige Strömungsquerschnitt des Pumpenlaufrades gleich
dem Rohranschlußquerschnitt; folglich muß die Schaufelbreite beim Durchmesser a
etwa
sein. Bei Berücksichtigung der Schaufelstärke wird sie etwa ei = o,28
a werden. Bis zum Durchmesser b divergieren die Schaufeln nach außen
hin, dementsprechend nimmt wegen der Forderung konstanteren Kanalquerschnitts die
Schaufelbreite bis zum Durchmesser b auf etwa e2 = o, i a ab. Für jeden einzelnen
Punkt dieses Schaufelbereiches hat die Schaufelbreite die Größe e = o,i
- a # cotg a.
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Außerhalb des Durchmessers b bleibt durch die zurückgebogene Schaufelform
die Höhe des Schaufelkanals konstant; also muß, wenn der Kanalquerschnitt konstant
bleiben soll, hier auch die Schaufelbreite konstant = o,i a bleiben. Durch diese
Konstruktion wird erreicht, daß im Pumpenlaufrad die Geschwindigkeit der Absolutströmung
von Durchmesser a bis zum Durchmesser b gleichmäßig beschleunigt und gleichzeitig
auf eine Bahn gezwungen wird, die geometrisch eine Kreisevolvente darstellt und
bei Normalbelastung stets senkrecht zur Schaufelrichtung steht. Auch bei einer Abweichung
von der Normalbelastung ändert sich diese Bedingung nicht wesentlich. Gleichzeitig
wird von Durchmesser a bis zum Durchmesser b durch diese vorgeschriebene Bahn der
Absolutströmung im Pumpenlaufrad durch Zentrifugalkräfte, die nur senkrecht zur
wirklichen, also absoluten Strömungsrichtung auftreten können, im Laufrad selbst
ein maximaler Druck erzeugt, der vom Durchmesser b bis zum Durchmesser c ebenso
wie die Geschwindigkeiten der absoluten und der relativen Strömung konstant bleibt.
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Beim Turbinenlaufrad (Fig. 3), das im Gegensatz zum Pumpenlaufrad
von außen nach innen durchströmt wird, und dessen Drehsinn auch entgegengesetzt
von dem des Pumpenlaufrades ist, muß im Unterschied zum Pumpenlaufrad (Fig.2) die
relative Strömungsgeschwindigkeit im Schaufelkanal gleichmäßig beschleunigt sein.
Dementsprechend nimmt beim Turbinenlaufrad die Schaufelbreite, die für gleiche Leistungen
im Durchmesser b wieder gleich o,i a sein muß, nach innen hin bis zum Durchmesser
a nach der Formel e = o,i a . cotg a - o,72 f auf etwa o,16 cc und nach außen hin
bis zum Durchmesser c nach der Formel e = o,i a + 0,72 f auf etwa o,22 a
zu. f ist hierbei der jeweilige Abstand vom Kreise mit dem Durchmesser b.
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Pumpen- und Turbinenlaufräder haben also für gleiche Leistungen im
Durchmesser b gleiche Schaufelbreiten; gleichzeitig haben beide Laufradarten im
Durchmesser b ihren engsten zylindrischen Strömungsquerschnitt. Sie unterscheiden
sich lediglich durch den Verlauf der Schaufelbreiten zum Schaufelein- und -austritt
hin. Der Unterschied zwischen der Schaufelbreite des Pumpen- und Turbinenlaufrades
erklärt sich aus der Tatsache, daß bei der Turbine lediglich die Druckhöhe in kinetische
Energie verwandelt wird, während umgekehrt das Pumpenlaufrad nicht nur einen bestimmten
Druck herstellen, sondern auch fördern muß, also statischen und dynamischen Druck
herstellen soll, und daß sich Druck wohl ohne weiteres
in Geschwindigkeit,
nicht aber umgekehrt Geschwindigkeit in Druck umsetzen läßt.
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Durch die nach den neuen strömungstechnischen Erkenntnissen errechnete
Schaufelgestaltung sind Strömungs- und Kavitationsverluste weitgehend ausgeschaltet,
da nirgendwo Verzögerung und Unterdruck auftritt, so daß hohe Wirkungsgrade mit
den Rädern erreicht werden.
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Die beschriebenen Laufräder stellen Standardtypen dar, die maßstäblich
je nach gewünschter Normal-Leistung beliebig vergrößert oder verkleinert werden
können, ohne daß sich die Strömungsverhältnisse grundsätzlich ändern, was bei bisherigen
Konstruk tionen nicht ohne weiteres möglich ist.
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Die Anzahl der Schaufeln muß mindestens zwölf sein, denn die Schaufeln
müssen sich so weit überdecken, daß in der Mitte des Schaufelbereiches beim Durchmesser
b die vorgeschriebene Strömung gewährleistet ist. Sind mehr als zwölf Schaufeln
angeordnet, kann der Außendurchmesser c des Laufrades gegebenenfalls etwas kleiner
gehalten werden.
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Die angegebenen Maßverhältnisse gelten in erster Linie als Richtwerte
für flüssigkeitsdurchströmte Räder. Bei gasdurchströmten Rädern sind gegebenenfalls
.Änderungen erforderlich, die dem Druck- bzw. Temperaturgefälle entsprechend den
Gasgesetzen Rechnung tragen.
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Zur Aufnahme des insbesondere bei Turbinen am Schaufelaustritt beim
Durchmesser a auftretenden Strömungsdralles ist innerhalb des schaufelfreien Laufradinnenraumes
eine Drallbremse vorgesehen, die aus einem feststehenden Stern von ebenen, radial
in Achsrichtung verlaufenden Flächen besteht und die Drallgeschwindigkeit in eine
geringere achsparallele Geschwindigkeit verzögert, also auch eine gewisse Diffusorwirkung
hat.
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Die in ein Turbinenrad eintretende Strömung muß kurz vor Eintritt
in das Turbinenrad im richtigen Verhältnis in Druck- und Geschwindigkeitsenergie
aufgeteilt werden. Das geschieht normalerweise in den bekannten Drehschaufelkränzen,
die die radial von außen kommende Strömung der Turbine zuführen. Oft ist es zweckmäßig,
die Strömung von der Seite her in das radial durchströmte Turbinenrad zu bringen.
Beides kann vorteilhaft durch einen Ring geschehen, der innen konisch ausgebildet
ist und Führungsrippen besitzt, die etwa unter einem Winkel von 30° zur Umfangsrichtung
verlaufen, wie in Abb. 3 oben dargestellt ist. Durch axiales Verschieben dieses
Ringes läßt sich eine Regelung der Turbine bewirken, wie es bisher durch das 'Verdrehen
der Drehschaufeln geschieht.
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Fig. 4 stellt ein hydraulisches Getriebe im Längsschnitt dar. In einem
gemeinsamen Gehäuse, das mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit angefüllt ist,
befinden sich auf getrennten Wellen angeordnet je ein Pumpen- und Turbinenlaufrad
der beschriebenen Art in im wesentlichen unveränderter Form mit ihren offenen Seiten
einander zugekehrt. Beide können sich unabhängig voneinander in dem Gehäuse drehen.
In dem gemeinsamen schaufelfreien Innenraum der beiden Laufräder befindet sich wiederum
eine stillstehende Drallbremse. Das von außen angetriebene Pumpenrad fördert die
Flüssigkeit unter Druck durch die außerhalb der Laufräder im Gehäuse vorgesehenen
Übergangskanäle in das Turbinenrad, und zwar so, daß die Strömungsgeschwindigkeit
und deren Anströmrichtung in diesen Kanälen konstant bleibt. Zu diesem Zwecke weist
die im Gehäuse vorgesehene Aussparung (Fig. 5) Führungsrippen auf, die eine Neigung
zur Umfangsrichtung haben, die dem Austrittswinkel der Absolutströmung aus dem Pumpenrad
entspricht. Dieser Winkel beträgt etwa 3o°. Die Flüssigkeit durchströmt das Türbinenrad
von außen nach innen und erteilt ihm eine Drehzahl, die mit größer werdendem, an
der Turbinenwelle abgenommenem Drehmoment kleiner wird, so daß das Getriebe als
Drehzahl- und Drehmomentwandler wirkt. Der aus dem Turbinenrad austretende Flüssigkeitsdrall
wird von der Drallbremse aufgenommen, die die Flüssigkeit wieder verzögert und dem
Pumpenrad wieder zuführt. Die Drallbremse nimmt, zusammen mit den Überführungskanälen
außen im Gehäuse, das Stützdrehmoment auf, welches dem Drehsinn des Laufrades entgegengesetzt
ist.