EP2954214A1 - Strömungsmaschine, sowie strömungsleitelement für eine strömungsmaschine - Google Patents

Strömungsmaschine, sowie strömungsleitelement für eine strömungsmaschine

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EP2954214A1
EP2954214A1 EP14701085.4A EP14701085A EP2954214A1 EP 2954214 A1 EP2954214 A1 EP 2954214A1 EP 14701085 A EP14701085 A EP 14701085A EP 2954214 A1 EP2954214 A1 EP 2954214A1
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EP
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impeller
turbomachine
flow
flow guide
fluid
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Arnaldo Rodrigues
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Sulzer Management AG
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Publication date
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    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular a pump or a turbine, for energy exchange between a flow energy of a flowing fluid and a mechanical rotational energy, as well as a flow guide for such a turbomachine according to the preamble of the independent claims 1 and 15.
  • turbomachines ever higher demands in terms of optimal operation, high reliability and above all, low energy consumption.
  • a turbomachine is intended, on the one hand, in particular, but not exclusively, to be known per se
  • Turbomachine also understand any type of turbine for turbining a fluid. In particular, but not just turbines for Recovery and / or conversion of flow energy inherent in a flowing Fuid.
  • Prominent examples include turbines such as those in pumped storage power plants for the recovery of potential storage energy in a conventional manner for a very long time in use. As those skilled in the art know, in such applications surplus electrical energy is converted into storable potential energy by means of a pump, that by means of the excess
  • a pump is driven by an electric motor, wherein the pump pumping water, for example, from a low-lying river in an elevated water reservoir, so that at least the greater part of the excess electrical energy in the elevated lying
  • Water reservoir is stored in the form of potential energy of the water. When the stored electrical energy is then needed again, it is returned from the elevated reservoir to the flow via a turbine. In this case, the turbine is driven by the flowing down into the water flow, which in turn drives an electric generator so that the electrical energy can be recovered back.
  • the invention is not limited to a particular type of pump or
  • Turbine type limited as such.
  • the invention also relates to double-flow machines, which in the context of this application are understood to mean those turbomachines whose
  • Double suction pumps are called, it is that the fluid is supplied to the impeller of the pump on both sides, substantially symmetrically from both sides.
  • the fluid is guided away from the impeller of the turbine on both sides, essentially symmetrically away from both sides.
  • double impellers are often used, which have two parallel sets of impeller blade, which by a Partition in the axial direction can be separated, but not necessarily.
  • An enormous advantage of such double-flow machines is that the axial thrust on the impeller and the impeller axis and thus on the thrust bearing is substantially compensated by the bilateral symmetrical inflow and outflow of the fluid and not by consuming
  • centrifugal pump A very commonly used in the art for pumping pump type is z. B. the centrifugal pump, often called centrifugal pump.
  • a known from the prior art, simple embodiment of this type of pump is shown schematically greatly simplified with reference to FIG. 1.
  • reference numerals which refer to features of known examples from the prior art are provided with an apostrophe, as in the known example according to FIG. 1. While reference numerals, which relate to features of inventive embodiments wear no apostrophe, as in those shown in Figs. 1 a to 3c
  • Centrifugal pump according to FIG. 1 are sketched by way of example.
  • the skilled artisan understands immediately that the analog problems in the prior art in principle even with a pump, eg in a centrifugal pump gem.
  • Fig. 1 occur when it is operated as a turbine, so when the fluid is supplied to the turbomachine in the reverse direction.
  • the known centrifugal pump of Fig. 1 which is hereinafter referred to in its entirety by the reference numeral 1 ', operates in a conventional manner for a very simple basic principle.
  • the fluid F ' eg water, is not shown explicitly for reasons of clarity
  • the impeller 2 'of the centrifugal pump 1' is thereby driven via an axis of rotation A 'by an electric motor, also not shown, so that the fluid F' by the rapid rotation of the impeller 2 'by the centrifugal force to the outer edge of the impeller 2' and in the direction of Inner wall 31 'of the
  • Impeller space 3 ' is thrown radially outward, so that at least a portion of the mechanical rotational energy of the impeller 2' on the fluid F ', partly in the form of kinetic flow energy and partly as
  • centrifugal pump V can in principle also be used as a turbine by simply supplying the fluid in the reverse direction via the outlet 91 'of the turbomachine 1' of FIG. 1 under a prescribable pressure and / or with a predetermined flow energy is supplied via the impeller space 3 'from the outside via the outer edge of the impeller 2' and the impeller hub and not shown intake passage from the turbomachine 1 'is discharged again.
  • Turbomachine according to the exemplary Fig. 1, or other known to those skilled turbomachinery, be it now pumps or turbines, very much from the interaction between the rotating in the operating state impeller 2 ', the flowing fluid F' and the inner wall 31 'of the impeller space 3 'of the housing 4'. Due to the fact that, by design, the impeller 2 'is not surrounded rotationally symmetrically by the inner wall 31', in the operating state one is directed toward or away from the impeller 2 'in the direction of the axis of rotation A'
  • this defect can not be remedied by having the impeller space 3 'e.g. Example rotationally symmetrical about the axis of rotation A ', that is formed around the impeller 2'.
  • the constriction or expansion of the free one shown in FIG. 1 is increasing in the circumferential direction U ' Space between the impeller 2 'and the inner wall 31' of basic technical reasons mandatory to even achieve a sufficient pumping action in pumping operation or a sufficient turbine effect in turbine operation.
  • the result is that, for example, where the impeller 2 'is closer to the inner wall 31', the forces on the impeller 2 'in the operating state are greater than, seen in the circumferential direction LT at another point where the impeller 2' a greater distance to the inner wall 31 'has. This fact is true for both a pump and a turbine in operation.
  • the force acting on the impeller 2 'in the operating state thus increases correspondingly in the circumferential direction LT when the distance between the impeller 2' and the inner wall 31 'decreases.
  • the area in the vicinity of the input lip L ' where the distance between the impeller 2' and inner wall 31 'is usually the smallest and strong interactions or repercussions between the exiting from the impeller 2' and the outlet channel over 9 'outflowing fluid F'.
  • the person skilled in the art knows that analogous strong interactions also occur in the case of a turbine in the area of the lip L '. It comes not only to static, in the circumferential direction U 'different forces on the impeller 2', but there are also more or less periodically pulsating pressure forces on the impeller 2 'and on the inner wall 31', the additional harmful effects Turbulence or turbulence in the fluid F ', periodically varying harmful forces on the bearing of the impeller etc. result.
  • Turbomachines V can be sensitively reduced, and thus in pumps, the electrical energy consumption of the pump drive can massively increase. Respectively, in the case of a turbine, the efficiency of the recoverable energy can be massively reduced, which in each case from an economic point of view but also from environmental policy
  • the object of the invention is therefore to provide a turbomachine in which the static and dynamic force effects on the impeller compared to the prior art are significantly reduced and at the same time occurring in the impeller space, especially in the area of the inlet lip negative effects and turbulence in the fluid massively
  • Impeller axis and the bearings of the impeller axis is achieved, and
  • the energy efficiency of the turbomachine is significantly increased, so that longer life and longer maintenance intervals are possible and so costs are saved and at the same time the most environmentally friendly operation is guaranteed.
  • the invention thus relates to a turbomachine, in particular pump or turbine, comprising an impeller in an impeller space of a
  • housing the turbomachine is rotatably disposed about a rotation axis.
  • a flow guide element running around the axis of rotation in a circumferential direction of the impeller is provided in the impeller space between an inner wall of the impeller space and the impeller such that the impeller from the flow guide element in one
  • Essential for the present invention is thus that, in contrast to the prior art, a running around the axis of rotation in a circumferential direction of the impeller flow guide is provided in the impeller space between an inner wall of the impeller space and the impeller that the impeller from the flow in a predetermined axial width is enclosed.
  • the flow guide according to the invention in the simplest case, a ring with rectangular or square
  • Ring cross section is, more preferably concentric with respect to the axis of rotation about the impeller of the turbomachine is arranged. It is particularly important that the impeller of the turbomachine in particular in the region of the inlet lip, where in the prior art, the turbulence occurring in the fluid or the forces are often particularly strong and subject to particularly strong temporal fluctuations of the novel flow guide
  • inlet lip is used structurally or geometrically the same for both turbines and pumps.
  • the inventive flow guide namely has the consequence that, for example, where the impeller is closer to the inner wall, the forces on the impeller in the operating state are substantially no larger than seen in the circumferential direction at another point, where the impeller a greater distance from the inner wall Has.
  • the forces acting on the impeller are distributed much more uniformly by the flow guide according to the invention and the forces acting on the impeller of the turbomachine during operation thus no longer grow massively in the corresponding circumferential direction in which the distance between impeller and inner wall decreases.
  • Impeller space occur, there are also the forces on the impeller, as well as the turbulence and negative interactions between fluid and Interior wall or between fluid and impeller significantly reduced.
  • Reduction of the harmful interactions affects not only the static, circumferentially different forces on the impeller, but also the more or less periodically pulsating pressure forces on the impeller.
  • predeterminable width which preferably, but not necessary, corresponds approximately to the axial width of the impeller. That's it
  • a cross-section of the flow-guiding element is particularly preferably rectangular and / or at least partially droplet-shaped, with the width of the flow-guiding element being advantageous in the radial direction towards the impeller or away from the impeller
  • a compact ring is formed, but that one or more flow openings of predeterminable same or different size are provided on the flow element, e.g. can extend substantially in the radial direction and / or in the axial and / or transverse to the radial direction, which depending on the specific construction of the turbomachine, the flow of the fluid can be optimized and the formation of harmful turbulence and turbulence in the fluid is further reduced.
  • extending edge surface of the flow guide element has a structured surface, in particular has a circumferentially extending periodically structured surface, which of course analogously also extending in the radial direction edge surface of the
  • Flow guide may have a structured surface
  • Turbomachine can be optimized. Also for optimizing the Fuidhnees and / or to further
  • the flow guide can also be designed as a multi-part flow guide, in particular as a multi-part flow guide comprising at least two radially nested sub-elements, in particular in the form of two mutually concentric sub-elements.
  • a multi-part flow guide comprising at least two radially nested sub-elements, in particular in the form of two mutually concentric sub-elements.
  • the flow guide can be alternatively or simultaneously a multi-part flow guide, in particular a multi-part flow guide comprising at least two axially may be mutually offset axial sub-elements, and in particular comprises two juxtaposed axial sub-elements.
  • Flow guide be attached to a fastener on the housing, wherein preferably a plurality of fasteners can be provided.
  • the fastener may be any suitable fastener, e.g. one at the housing and at the
  • Flow guide at the same time be welded or bolted web or rod, which is suitable in relation to the fluid flow in the
  • Turbomachine is formed and aligned or any other, the skilled person known per se suitable fastening means.
  • the fastening element can be arranged parallel to the axis of rotation of the turbomachine and / or the fastening element can be arranged perpendicular to the axis of rotation and / or the fastening element can of course also be arranged transversely to the axis of rotation.
  • the person skilled in the art knows which type of attachment he advantageously selected depending on the specific structural design of the turbomachine. For optimal management of the fluid flow within the turbomachine and / or to reduce harmful turbulence or
  • Flow guide a vane be provided, in addition or alternatively, of course, also be provided on the inner wall of the impeller space a Wandleitschaufel.
  • the guide vane may extend at a predeterminable radial angle of inclination of the flow guide in the radial direction to the inner wall of the impeller space, and / or the guide vane may be at a predeterminable axial inclination angle from the flow guide also extends in the axial direction to the inner wall of the impeller space. All measures known to those skilled in the art from the prior art.
  • Turbomachine in particular may also be a double-flow machine, in particular a double suction pump or a double-flow turbine and / or a multi-stage turbomachine with a plurality of impellers.
  • a turbomachine of the present invention may be any turbomachine in which
  • flow guide can be used advantageously.
  • the invention also relates to a flow guide for a turbomachine of the present invention, wherein a
  • Fig. 1 is a known from the prior art centrifugal pump; Fig. 1a is a first specific embodiment of a
  • inventive turbomachine in the form of a
  • 1 b is a section along the section line 1-l according to FIG. 1 a;
  • FIG. 1 c shows a second embodiment according to FIG. 1 a with a
  • FIG. 1 d shows a third exemplary embodiment according to FIG. 1 a with a flow guide element with radially extending flow openings;
  • FIG. 1 e a third embodiment of Figure 1 a with vanes on the flow control element and Wandleitschaufeln.
  • FIG. 1f an embodiment according to FIG. 1 a obliquely to
  • FIG. 2a another special embodiment of a
  • inventive turbomachine in the form of a simple turbine
  • FIG. 2b shows a section along the section line II-II according to Fig. 2a;
  • FIG. 3a shows a flow guide according to the invention with an axially extending structured surface
  • 3b shows another inventive flow guide with radially extending structured surface.
  • Fig. 1 relates to a better understanding of the delimitation of the invention to the prior art, a known centrifugal pump, which has already been described in detail and therefore need not be discussed here.
  • FIG. 1 b shows a section along the section line l-l according to Fig. 1 a.
  • the inventive turbomachine of FIG. 1 a and FIG. 1 b, which is hereinafter referred to in its entirety by the reference numeral 1 is in the present special embodiment, a centrifugal pump comprising an impeller 2, which in an impeller space 3 of a housing 4 of
  • Turbomachine 1 is arranged rotatable about an axis of rotation A. In this case, the energy exchange between a flow of energy flowing through the pump fluid F and a mechanical
  • a flow guide element 5, 51, 52 running around the rotation axis A in a circumferential direction U of the impeller 2 is provided in the impeller space 3 between an inner wall 31 of the impeller space 3 and the impeller 2 in such a way that the impeller 2 of FIG
  • Flow guide 5, 51, 52 is enclosed in a predetermined axial width B.
  • Turbomachine 1 according to Fig. 1 a and Fig. 1 b is the
  • Flow guide 5, 51, 52 in the form of a substantially cylindrical flow ring 51 of the width B at a radial distance R from the
  • the width B of the flow guide 5, 51, 52 is designed to be substantially rectangular, but the width B of
  • Flow guide 5, 51, 52 slightly reduced in the radial direction to the impeller 2, as can be seen in particular in FIG. 1 b, whereby the flow around the flow guide 5, 51, 52 is optimized.
  • FIG. 1 c and FIG. 1 d each show a second or third exemplary embodiment according to FIG. 1 a, with reference to FIG. 1 c, a turbomachine 1 with a flow guide 5, 51, 52 with two radially, concentrically nested sub-elements 521, while FIG. 1 d shows a third exemplary embodiment according to FIG. 1 a, in which the flow-guiding element 5, 51, 52 has a plurality of flow-through openings 500 extending radially outwards, which on the one hand enclose the
  • Fig. 1 e shows schematically a third embodiment of a
  • Guide vanes 7 on the inventive flow element 5, 51 are mounted under a vorgebaren radial inclination angle ⁇ , depending on the
  • the flow-guiding element can also be directed away from the axis of rotation A or away from the axis of rotation A.
  • the flow guide 5, 51, 52 is tightly secured on one side over the entire circumference on the inner wall 31 of the impeller space 3, so that the
  • Flow guide 5, 51, 52 forms a half-closed with respect to the impeller space 3 space or can be arranged or configured in any other suitable form.
  • FIGS. 2 a and 2 b show diagrammatically another specific embodiment of a turbomachine 1 according to the invention, which is realized here in the form of a simple turbine.
  • FIG. 2b shows a section along the section line II-II according to FIG. 2a.
  • the basic basic construction of the turbine according to FIG. 2 a or FIG. 2 b is essentially identical to that of the pump according to FIG. 1 a or FIG. 1 b.
  • the pump of Fig. 1 a and Fig. 1 b is actually simply gem to the turbine gem. 2a and 2b that the fluid F is now supplied via the connection designated as outlet channel 9 or outlet 91 in the case of the pump to the flow machine 1 and is discharged again for further use via the connection designated as inlet channel in the pump.
  • the pump according to FIG. 1 a or FIG. 1 b thereby becomes the turbine according to FIG. 2 a or FIG. 2 b that the direction of the flow of the fluid F through the turbomachine 1 is reversed.
  • Such turbomachines 1 may e.g. beneficial in
  • FIGS. 3a and 3b show, by way of example, a schematic representation of two further variants of a specific embodiment
  • FIG. 3a shows a flow guide element 5, 51 according to the invention with an axially extending structured surface which periodically forms longitudinal channels in the circumferential direction U on an inner surface of the flow guide element 5, 51.
  • Fig. 3b shows another invention
  • Embodiments may be provided suitable. It is within the skill of the skilled person to find a correspondingly optimal structure formation on the flow-guiding element 5, 51, 52 in the specific case. It is understood that all embodiments of the invention described in the context of this application are to be understood by way of example only and by way of example and that the invention is particularly, but not exclusively, all

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine (1), insbesondere Pumpe oder Turbine, umfassend ein Laufrad (2), das in einem Laufradraum (3) eines Gehäuses (4) der Strömungsmaschine (1) drehbar um eine Rotationsachse (A) angeordnet ist. Dabei ist zum Energieaustausch zwischen einer Strömungsenergie eines strömenden Fluids (F) und einer mechanischen Rotationsenergie, das Fluid (F) dem Gehäuse (4) der Strömungsmaschine derart zuführbar, dass es zum Energieaustausch mit dem Laufrad (2) in strömenden Kontakt bringbar ist, und aus dem Gehäuse (4) der Strömungsmaschine wieder abführbar ist. Erfindungsgemäss ist ein um die Rotationsachse (A) in einer Umfangsrichtung (U) des Laufrads (2) verlaufendes Strömungsleitelement (5, 51, 52) derart im Laufradraum (3) zwischen einer Innenwand (31) des Laufradraums (3) und dem Laufrad (2) vorgesehen, dass das Laufrad (2) vom Strömungsleitelement (5, 51, 52) in einer vorgebbaren axialen Breite (B) umschlossen ist. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Strömungsleitelement (5, 51, 52) für eine Strömungsmaschine (1).

Description

Strömungsmaschine, sowie Strömungsleitelement für eine
Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Pumpe oder eine Turbine, zum Energieaustausch zwischen einer Strömungsenergie eines strömenden Fluids und einer mechanischen Rotationsenergie, sowie ein Strömungsleitelement für eine solche Strömungsmaschine gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 15.
Wie überall in der industriellen Technik werden auch bei
Strömungsmaschinen immer höherer Anforderungen in Bezug auf optimalen Betrieb, hohe Zuverlässigkeit und vor allem auch niedrigen Energieverbrauch gestellt. Unter einer Strömungsmaschine sollen im Rahmen dieser Anmeldung zum Einen insbesondere, aber nicht ausschliesslich, an sich bekannte
Pumpen zum Pumpen von Fluiden wie beispielsweise Wasser, Öl, Rohöl, insbesondere auch Mehrphasengemische, die flüssige und / oder gasförmigen und / oder festen Bestandteile enthalten können oder auch andere Maschinen zum Befördern bzw. Pumpen von beliebigen Fluiden verstanden werden. Andererseits ist im Rahmen dieser Anmeldung unter einer
Strömungsmaschine auch jedwede Art von Turbine zum turbinieren eines Fluids zu verstehen. Insbesondere, aber nicht nur Turbinen zur Rückgewinnung und / oder Umwandlung von Strömungsenergie, die einem strömenden Fuid innewohnt.
Prominente Beispiele sind hierfür unter anderem Turbinen, wie Sie zum Beispiel in Pumpspeicherkraftwerken zur Rückgewinnung von potentieller Speicherenergie in an sich bekannter Weise seit sehr langer Zeit im Einsatz sind. Wie der Fachmann weiss, wird in solchen Anwendungen mittels einer Pumpe überschüssig vorhandene elektrische Energie dadurch in lagerbare potentielle Energie umgewandelt, dass mittels der überschüssigen
elektrischen Energie eine Pumpe über einen Elektromotor angetrieben wird, wobei die Pumpe Wasser, beispielweise aus einem niedrig gelegenen Fluss in ein erhöht liegendes Wasserreservoir pumpt, so dass zumindest der grösste Teil der überschüssigen elektrischen Energie in dem erhöht liegenden
Wasserreservoir in Form von potentieller Energie des Wassers gespeichert ist. Wenn die so gespeicherte elektrische Energie dann wieder benötigt wird, wird Sie aus dem erhöht liegenden Reservoir wieder dem Fluss über eine Turbine zugeführt. Dabei wird die Turbine von dem in den Fluss nach unten strömenden Wasser angetrieben, die ihrerseits wieder einen elektrischen Generator antreibt, so dass die elektrische Energie wieder zurück gewonnen werden kann. Dabei ist die Erfindung nicht auf einen bestimmten Pumpentyp oder
Turbinentyp als solches beschränkt. Beispielweise, aber nicht nur, betrifft die Erfindung auch Doppelstrommaschinen, unter denen im Rahmen dieser Anmeldung solche Strömungsmaschinen zu verstehen sind, deren
wesentliches Merkmal im Falle von Pumpen, die dann oft auch als
Doppelsaugpumpen bezeichnet werden, darin besteht, dass das Fluid dem Laufrad der Pumpe beidseitig, im Wesentlichen symmetrisch von beiden Seiten zugeführt wird. Analog bei Doppelstromturbinen wird das Fluid vom Laufrad der Turbine beidseitig, im Wesentlichen symmetrisch von beiden Seiten weg geführt. Dabei werden oft auch Doppellaufräder verwendet, die zwei parallele Sätze von Laufradschaufel aufweisen, die durch eine Trennwand in axialer Richtung voneinander getrennt sein können, aber nicht müssen. Ein enormer Vorteil solcher Doppelstrommaschinen besteht dabei darin, dass der Axialschub auf das Laufrad und die Laufradachse und damit auf die Axiallager durch den beidseitigen symmetrischen Zu- bzw. Abfluss des Fluids im wesentlichen kompensiert wird und nicht durch aufwendige
Massnahmen im Lager kompensiert werden muss.
Es versteht sich von selbst, dass im Rahmen dieser Anmeldung unter einer Strömungsmaschine auch jeglicher andere Typ einer Pumpe oder Turbine, z.B. mehrstufige Pumpen oder Turbinen mit jeweils mehr als einem Laufrad usw. zu verstehen sind.
Ein in der Technik zum Pumpen sehr häufig verwendeter Pumpentyp ist z. B. die Kreiselpumpe, oft auch Zentrifugalpumpe genannt. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes, einfaches Ausführungsbeispiels dieses Pumpentyps ist schematisch stark vereinfacht anhand der Fig. 1 gezeigt. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass sich Bezugszeichen, die sich auf Merkmale von bekannten Beispielen aus dem Stand der Technik beziehen, mit einem Hochkomma versehen sind, wie bei dem bekannten Beispiel gemäss Fig. 1 . Während Bezugszeichen, die sich auf Merkmale von erfindungsgemässen Ausführungsbeispielen beziehen kein Hochkomma tragen, wie bei den in den Fig. 1 a bis Fig. 3c dargestellten
Ausführungsbeispielen.
Auch wenn sich die Erfindung keineswegs nur auf Kreiselpumpen bzw.
Zentrifugalpumpen bezieht, sollen die im Stand der Technik bestehenden Probleme, die die vorliegende Erfindung erstmals löst, anhand der
Kreiselpumpe gemäss Fig. 1 exemplarisch skizziert werden. Der Fachmann versteht sofort, dass die analogen Probleme im Stand der Technik prinzipiell auch dann bei einer Pumpe, z.B. bei einer Kreiselpumpe gem. Fig. 1 auftreten, wenn diese als Turbine betrieben wird, also wenn das Fluid der Strömungsmaschine in umgekehrter Richtung zugeführt wird. Insofern ist die folgende Darstellung der aus dem Stand der Technik bekanten Probleme nicht nur für die Pumpe gem. Fig. 1 zutreffend, sondern analog auch für andere Pumpentypen und auch für andere Typen von Strömungsmaschinen, also auch für Turbinen prinzipiell zutreffend. Die bekannte Kreiselpumpe der Fig. 1 , die im Folgenden gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 ' bezeichnet wird, arbeitet in an sich bekannter Weise nach einem ganz einfachen Grundprinzip. Das Fluid F', z.B. Wasser, wird über einen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellten
Einlasskanal der Strömungsmaschine 1 ', also hier der Kreiselpumpe 1 ', dem Laufrad 2' im Bereich der Laufradnabe zugeführt. Das Laufrad 2' ist dabei, in einem Laufradraum 3' des Gehäuses 4' der Strömungsmaschine 1 ' drehbar um die Rotationsachse A' angeordnet.
Das Laufrad 2' der Kreiselpumpe 1 ' wird dabei über eine Rotationsachse A' von einem ebenfalls nicht dargestellten Elektromotor angetrieben, so dass das Fluid F' durch die schnelle Rotation des Laufrads 2' durch die Fliehkraft zur Aussenkante des Laufrades 2' und in Richtung zur Innenwand 31 ' des
Laufradraumes 3' radial nach aussen geschleudert wird, so dass zumindest ein Teil der mechanischen Rotationsenergie des Laufrades 2' auf das Fluid F', teilweise in Form von kinetischer Strömungsenergie und teilweise als
Druckenergie übertragen wird. Über den Auslasskanal 9' verlässt das Fluid F' dann unter erhöhtem Druck und / oder mit erhöhter Strömungsenergie die Pumpe 1 ' über den Auslass 91 ' und wird einer weiteren Verarbeitung bzw. Verwendung zugeführt.
Der Fachmann versteht sofort, dass die Kreiselpumpe V im Prinzip auch als Turbine verwendet werden kann, indem das Fluid einfach in umgekehrter Richtung über den Auslass 91 ' der Strömungsmaschine 1 ' der Fig. 1 unter einem vorgebaren Druck und / oder mit einer vorgebaren Strömungsenergie zugeführt wird, über den Laufradraum 3' von aussen über die Aussenkante dem Laufrad 2' zugeführt wird und über die Laufradnabe und den nicht dargestellten Einlasskanal aus der Strömungsmaschine 1 ' wieder abgeführt wird.
Das heisst, rein funktional gesehen, wird der im Pumpbetrieb als Auslass betriebene Anschluss der Strömungsmaschine im Turbinenbetrieb zum Einlass für das Fluid, so dass funktional durch Umkehrung des Fluidstroms aus der Pumpe eine Turbine wird, mit der sich die Strömungsenergie des durchströmenden Fluids beim durchströmen des Laufrads in Rotationsenergie umwandeln lässt, die dann z.B. über einen angeschlossenen elektrischen Generator in elektrische Energie gewandelt werden kann. Der Fachmann kennt dabei die Massnahmen, die eventuell beim Umstellen vom Pumpbetrieb auf Turbinenbetrieb oder umgekehrt ergriffen werden müssen; beispielweise das Verstellen der Leitradschaufeln des Laufrades oder andere, seit langem wohlbekannte Massnahmen.
Das aus dem Stand der Technik wohl bekannte Problem einer
Strömungsmaschine gemäss der exemplarischen Fig. 1 , oder auch anderer dem Fachmann bekannter Strömungsmaschinen, seien es jetzt Pumpen oder Turbinen, resultiert ganz wesentlich aus der Wechselwirkung zwischen dem im Betriebszustand rotierenden Laufrad 2', dem strömendem Fluid F' und der Innenwand 31 ' des Laufradraums 3' des Gehäuses 4'. Dadurch, dass konstruktionsbedingt das Laufrad 2' nicht rotationssymmetrisch von der Innenwand 31 ' umschlossen ist, ist im Betriebszustand eine auf das Laufrad 2' in Richtung zur Rotationsachse A' hin- bzw. weg gerichtete
Radialkraft in Umfangsrichtung U' nicht gleichmässig verteilt.
Dieser Mangel kann grundsätzlich nicht dadurch behoben werden, dass der Laufradraum 3' z.B. Beispiel rotationssymmetrisch um die Rotationsachse A', also um das Laufrad 2' ausgebildet wird.
Wie dem Fachmann hinreichend bekannt ist, ist die in Fig. 1 dargestellte, in Umfangsrichtung U' zunehmende Verengung bzw. Erweiterung des freien Raums zwischen dem Laufrad 2' und der Innenwand 31 ' aus grundsätzlichen technischen Gründen zwingend notwendig, um überhaupt eine ausreichende Pumpwirkung im Pumpbetrieb oder eine ausreichende Turbinenwirkung im Turbinenbetrieb zu erreichen. Die Folge ist, dass beispielweise dort wo das Laufrad 2' näher zur Innenwand 31 ' benachbart ist, die Kräfte auf das Laufrad 2' im Betriebszustand grösser sind als, in Umfangsrichtung LT gesehen an einer anderen Stelle, wo das Laufrad 2' einen grösseren Abstand zur Innenwand 31 ' hat. Diese Tatsache ist sowohl für eine Pumpe als auch für eine Turbine im Betriebszustand zutreffen. Die im Betriebszustand auf das Laufrad 2' wirkende Kraft wächst also entsprechend in Umfangrichtung LT, wenn der Abstand zwischen Laufrad 2' und Innenwand 31 ' abnimmt.
Besonders kritisch ist dabei der Bereich in der Umgebung der Eingangslippe L', wo der Abstand zwischen Laufrad 2' und Innenwand 31 ' in der Regel am kleinsten ist und starke Wechselwirkungen bzw. Rückwirkungen zwischen dem aus dem Laufrad 2' austretenden und dem über den Auslasskanal 9' ausströmenden Fluid F'. Der Fachmann weiss, dass auch bei einer Turbine im Bereich der Lippe L' analoge starke Wechselwirkungen auftreten. Dabei kommt es nicht nur zu statischen, in Umfangsrichtung U' unterschiedlich starken Kräften auf das Laufrad 2', sondern es treten auch mehr oder weniger periodisch pulsierende Druckkräfte auf das Laufrad 2' bzw. auf die Innenwand 31 ' auf, die zusätzlich schädliche Wirkungen wie Verwirbelungen oder Turbulenzen im Fluid F', periodisch veränderliche schädliche Kräfte auf das Lager des Laufrades usw. zur Folge haben. Das führt nicht nur zu den unterschiedlichsten statischen und dynamischen, zu dem noch in Umfangsrichtung U' verschiedenen Kraftwirkungen auf das Laufrad 2' und damit auf die Laufradachse und die Lager der Laufradachse, die dadurch auf Dauer geschädigt werden, sondern durch die entstehenden Verwirbelungen und Turbulenzen im Fluid F' entstehen starke innere Reibungsverluste im Fluid F' bzw. unnötige Reibungsverluste bei der
Wechselwirkung des strömenden, verwirbelten Fluids F' mit der Innenwand 31 ' des Laufradraumes 3', wodurch der Wirkungsgrad solcher
Strömungsmaschinen V empfindlich herabgesetzt werden kann, und damit bei Pumpen der elektrische Energieverbrauch des Pumpenantriebs massiv ansteigen kann. Beziehungsweise im Falle einer Turbine der Wirkungsgrad der zurück gewinnbaren Energie massiv reduziert werden kann, was jeweils aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten aber auch aus umweltpolitischen
Gründen in der heutigen Zeit eigentlich nicht mehr akzeptabel ist. Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Strömungsmaschine bereitzustellen, bei welcher die statischen und dynamischen Kraftwirkungen auf das Laufrad im Vergleich zum Stand der Technik signifikant reduziert sind und gleichzeitig die im Laufradraum, insbesondere auch im Bereich der Eingangslippe auftretenden negativen Effekte und Turbulenzen im Fluid massiv zu
reduzieren, so dass einerseits ein geringerer Verschleiss an Laufrad,
Laufradachse und den Lagern der Laufradachse erreicht wird, und
andererseits die Energieeffizienz der Strömungsmaschine deutlich gesteigert wird, so dass längere Standzeiten und längere Wartungsinterwalle möglich werden und so Kosten eingespart werden und gleichzeitig ein möglichst umweltschonender Betrieb gewährleistet ist.
Die diese Aufgabe lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 15 gekennzeichnet.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung betrifft somit eine Strömungsmaschine, insbesondere Pumpe oder Turbine, umfassend ein Laufrad, das in einem Laufradraum eines
Gehäuses der Strömungsmaschine drehbar um eine Rotationsachse angeordnet ist. Dabei ist zum Energieaustausch zwischen einer
Strömungsenergie eines strömenden Fluids und einer mechanischen Rotationsenergie, das Fluid dem Gehäuse der Strömungsmaschine derart zuführbar, dass es zum Energieaustausch mit dem Laufrad in strömenden Kontakt bringbar ist, und aus dem Gehäuse der Strömungsmaschine wieder abführbar ist. Erfindungsgemäss ist ein um die Rotationsachse in einer Umfangsrichtung des Laufrads verlaufendes Strömungsleitelement derart im Laufradraum zwischen einer Innenwand des Laufradraums und dem Laufrad vorgesehen, dass das Laufrad vom Strömungsleitelement in einer
vorgebbaren axialen Breite umschlossen ist.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist somit, dass im Gegensatz zum Stand der Technik ein um die Rotationsachse in einer Umfangsrichtung des Laufrads verlaufendes Strömungsleitelement derart im Laufradraum zwischen einer Innenwand des Laufradraums und dem Laufrad vorgesehen ist, dass das Laufrad vom Strömungsleitelement in einer vorgebbaren axialen Breite umschlossen ist. Das heisst, dass das erfindungsgemässe Strömungsleitelement, das im einfachsten Fall ein Ring mit rechteckigem oder quadratischen
Ringquerschnitt ist, besonders bevorzugt konzentrisch in Bezug auf die Rotationsachse um das Laufrad der Strömungsmaschine angeordnet ist. Besonders wichtig ist dabei, das das Laufrad der Strömungsmaschine insbesondere auch im Bereich der Eingangslippe, wo im Stand der Technik die auftretenden Turbulenzen im Fluid bzw. die auftretenden Kräfte oft besonders stark sind und besonders starken zeitlichen Fluktuationen unterliegen, von dem erfindungsgemässen Strömungsleitelement
umschlossen ist. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Begriff Eingangslippe sowohl für Turbinen als auch für Pumpen konstruktiv bzw. geometrisch gleich verwendet wird.
Durch die Erfindung ist es somit erstmals gelungen, einerseits die aus grundsätzlichen technischen Gründen zwingend notwendige, in Umfangsrichtung verlaufende zunehmende Verengung bzw. Erweiterung des freien Raums zwischen dem Laufrad und der Innenwand beizubehalten, und andererseits gleichzeitig die statischen und dynamischen Krafteinwirkungen auf das Laufrad im Vergleich zum Stand der Technik signifikant zu reduzieren. Und zudem gleichzeitig die im Laufradraum, insbesondere auch im Bereich der Eingangslippe auftretenden negativen Effekte wie Verwirbelungen und Turbulenzen im Fluid massiv zu reduzieren, so dass einerseits ein geringerer Verschleiss an Laufrad, Laufradachse und den Lagern der Laufradachse erreicht wird. Und andererseits die Energieeffizienz der Strömungsmaschine deutlich gesteigert wird, so dass durch die Erfindung längere Standzeiten und längere Wartungsinterwalle möglich sind, wodurch deutlich Kosten eingespart werden und gleichzeitig ein möglichst umweltschonender Betrieb
gewährleistet ist.
Das erfindungsgemässe Strömungsleitelement hat nämlich zur Folge, dass beispielweise auch dort wo das Laufrad näher zur Innenwand benachbart ist, die Kräfte auf das Laufrad im Betriebszustand im Wesentlichen nicht grösser sind als in Umfangsrichtung gesehen an einer anderen Stelle, wo das Laufrad einen grösseren Abstand zur Innenwand hat. Anders ausgedrückt: durch das erfindungsgemässe Strömungsleitelement werden die auf das Laufrad wirkenden Kräfte viel gleichmässiger verteilt und die im Betriebszustand auf das Laufrad der Strömungsmaschine wirkenden Kräfte wachsen somit nicht mehr massiv in der entsprechenden Umfangrichtung an, in der der Abstand zwischen Laufrad und Innenwand abnimmt.
Da das erfindungsgemässe Strömungsleitelement das Laufrad auch im
Bereich der Eingangslippe umschliesst, wo der Abstand zwischen Laufrad und Innenwand in der Regel am kleinsten ist und damit im Stand der Technik besonders starke Wechselwirkungen bzw. Rückwirkungen im strömenden Fluid bzw. zwischen dem strömenden Fluid und der Innenwand des
Laufradraums auftreten, werden auch dort die Kräfte auf das Laufrad, sowie die Turbulenzen und negativen Wechselwirkungen zwischen Fluid und Innenwand bzw. zwischen Fluid und Laufrad erheblich reduziert. Die
Reduzierung der schädlichen Wechselwirkungen betrifft dabei nicht nur die statischen, in Umfangsrichtung unterschiedlich starken Kräfte auf das Laufrad, sondern auch die mehr oder weniger periodisch pulsierenden Druckkräfte auf das Laufrad.
Bei einem für die Praxis besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Strömungsmaschine ist das Strömungsleitelement wie bereits erwähnt in Form eines zylindrischen Strömungsrings einer
vorgebbaren Breite ausgebildet, die bevorzugt, aber nicht notwendig, ungefähr der axialen Breite des Laufrads entspricht. Dabei ist das
Strömungsleitelement, im Speziellen der zylindrische Strömungsring in einem vorgebbaren radialen Abstand von der Rotationsachse in der
Umfangsrichtung um das Laufrad herum ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist dabei ein Querschnitt des Strömungsleitelements zumindest abschnittsweise rechteckig und / oder zumindest abschnittsweise tropfenförmig ausgebildet, wobei sich die Breite des Strömungsleitelements in radialer Richtung zum Laufrad hin oder vom Laufrad weg vorteilhaft
verkleinern kann, wodurch ein Umströmen des Strömungsleitelements eventuell verbessert bzw. optimiert werden kann. So ist es möglich, dass im Fall einer Pumpe sich die Breite des Strömungselements in radialer Richtung zum Laufrad hin verkleinert, während im Fall einer Turbine sich die Breite des Strömungsleitelements in radialer Richtung vom Laufrad weg verkleinert. Es versteht sich von selbst, dass sich die Breite des Strömungsleitelements in bestimmten Fällen auch gleichzeitig in beide radiale Richtung, also in radiale Richtung zum Laufrad hin und vom Laufrad weg verkleinern kann, was besonders vorteilhaft für eine Strömungsmaschine sein kann, die sowohl als Pumpe als auch als Turbine verwendet wird, was aber je nach Konstruktion bei einer nur als Pumpe oder nur als Turbine betriebenen
Strömungsmaschine vorteilhaft sein kann. Dabei ist es auch möglich, dass das Strömungsleitelement nicht als
kompakter Ring ausgebildet ist, sondern das am Strömungselement eine oder mehrere Durchströmöffnungen vorgebbarer gleicher oder verschiedener Grösse vorgesehen sind, die sich z.B. im wesentlichen in radialer Richtung und / oder in axialer und / oder quer zur radialer Richtung erstrecken können, wodurch je nach konkreter Konstruktion der Strömungsmaschine der Fluss des Fluids optimierbar ist und die Entstehung schädlicher Verwirbelungen und Turbulenzen im Fluid weiter reduzierbar ist.
Auch ist es in der Praxis möglich, dass eine sich in axialer Richtung
erstreckende Randfläche des Strömungsleitelements eine strukturierte Oberfläche hat, insbesondere eine sich in Umfangsrichtung erstreckende periodisch strukturierte Oberfläche hat, wobei selbstverständlich analog auch eine sich in radialer Richtung erstreckende Randfläche des
Strömungsleitelements eine strukturierte Oberfläche haben kann,
insbesondere eine sich in Umfangsrichtung erstreckende periodisch strukturierte Oberfläche haben kann, wodurch ebenfalls der Fluss des Fuids in der Strömungsmaschine bzw. die Entstehung schädlicher Verwirbelungen und Turbulenzen unter Berücksichtung der Konstruktionsdetails der
Strömungsmaschine optimierbar sind. Ebenfalls zur Optimierung des Fuidflusses und / oder zur weiteren
Reduzierung von schädlichen Verwirbelungen oder Turbulenzen im Fluid kann das Strömungsleitelement auch als ein mehrteiliges Strömungsleitelement ausgebildet sein, insbesondere als ein mehrteiliges Strömungsleitelement umfassend mindestens zwei radial ineinander geschachtelte Teilelemente, im Speziellen in Form von zwei zueinander konzentrischen Teilelementen ausgebildet sein. Wobei selbstverständlich in einem anderen
Ausführungsbeispiel das Strömungsleitelement alternativ oder gleichzeitig ein mehrteiliges Strömungsleitelement sein kann, das insbesondere ein mehrteiliges Strömungsleitelement umfassend mindestens zwei axial zueinander versetzte axiale Teilelemente sein kann, und im Speziellen zwei nebeneinander angeordnete axiale Teilelemente umfasst.
Zur Befestigung des erfindungsgemässen Strömungsleitelement im Inneren des Gehäuses der Strömungsmaschine stehen dem Fachmann eine ganze Reihe unterschiedlicher Möglichkeiten zur Verfügung. So kann das
Strömungsleitelement an einem Befestigungselement am Gehäuse befestigt sein, wobei bevorzugt eine Mehrzahl von Befestigungselementen vorgesehen werden können. Das Befestigungselement kann konkret jedes geeignete Befestigungselement sein, z.B. ein am Gehäuse und am
Strömungsleitelement gleichzeitig verschweisster oder verschraubter Steg oder Stab sein, der geeignet in Bezug auf den Fluidstrom in der
Strömungsmaschine ausgebildet und ausgerichtet ist oder jedes andere, dem Fachmann an sich bekanntes geeignetes Befestigungsmittel sein. Dabei kann das Befestigungselement parallel zur Rotationsachse der Strömungsmaschine angeordnet sein und / oder das Befestigungselement kann senkrecht zur Rotationsachse angeordnet sein und / oder das Befestigungselement kann natürlich auch quer zur Rotationsachse angeordnet sein. Der Fachmann weiss dabei, welche Art der Befestigung er in Abhängigkeit von der konkreten konstruktiven Gestaltung der Strömungsmaschine vorteilhaft gewählt. Zur optimalen Führung des Fluidstroms innerhalb der Strömungsmaschine und / oder zur Reduzierung von schädlichen Verwirbelungen oder
Turbulenzen im Fluid und / oder zur besseren Verteilung der im
Betriebszustand herrschenden Kräfte oder Momente kann in einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel in an sich bekannter Weise am
Strömungsleitelement eine Leitschaufel vorgesehen sein, wobei zusätzlich oder alternativ selbstverständlich auch an der Innenwand des Laufradraums eine Wandleitschaufel vorgesehen sein. Dabei kann sich die Leitschaufel unter einem vorgebbaren radialen Neigungswinkel vom Strömungsleitelement in radialer Richtung zur Innenwand des Laufradraums erstrecken, und / oder die Leitschaufel kann sich unter einem vorgebbaren axialen Neigungswinkel vom Strömungsleitelement auch in axialer Richtung zur Innenwand des Laufradraums erstreckt. Alles Massnahmen, die dem Fachmann an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Es versteht sich dabei von selbst, dass die erfindungsgemässe
Strömungsmaschine im Speziellen auch eine Doppelstrommaschine, insbesondere eine Doppelsaugpumpe oder eine Doppelstromturbine und / oder eine mehrstufige Strömungsmaschine mit einer Mehrzahl von Laufrädern sein kann. Im Prinzip kann eine Strömungsmaschine der vorliegenden Erfindung jegliche Strömungsmaschine sein, bei welcher ein
erfindungsgemässes Strömungsleitelement vorteilhaft verwendet werden kann.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Strömungsleitelement für eine Strömungsmaschine der vorliegenden Erfindung, wobei ein
erfindungsgemässes Strömungsleitelement im konkreten Fall gemäss einer der in dieser Anmeldung geschilderten Ausführungsformen oder gemäss geeigneter Kombinationen daraus ausgeführt sein kann.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Kreiselpumpe; Fig. 1 a ein erstes spezielles Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemässen Strömungsmaschine in Form einer
Kreiselpumpe;
Fig. 1 b einen Schnitt entlang der Schnittlinie l-l gemäss Fig. 1 a;
Fig. 1 c ein zweites Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 a mit einem
Strömungsleitelement mit zwei radial ineinander geschachtelten Teilelementen; Fig. 1 d ein drittes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 a mit einem Strömungsleitelement mit sich radial erstreckenden Durchflussöffnungen;
Fig. 1 e ein drittes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 a mit Leitschaufeln am Strömungsleiteelement und Wandleitschaufeln;
Fig. 1f ein Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 a mit schräg zur
Rotationsachse angeordnetem Strömungsleitelement;
Fig. 2a ein anderes spezielles Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemässen Strömungsmaschine in Form einer einfachen Turbine;
Fig. 2b einen Schnitt entlang der Schnittlinie II-II gemäss Fig. 2a;
Fig. 3a ein erfindungsgemässes Strömungsleitelement mit sich axial erstreckender strukturierter Oberfläche;
Fig. 3b ein anderes erfindungsgemässes Strömungsleitelement mit sich radial erstreckender strukturierter Oberfläche.
Fig. 1 betrifft zum besseren Verständnis der Abgrenzung der Erfindung zum Stand der Technik eine bekannte Kreiselpumpe, die eingangs bereits ausführlich beschrieben wurde und daher hier nicht mehr diskutiert werden muss.
Anhand der Fig. 1 a und Fig. 1 b wird nachfolgend exemplarisch zunächst ein erstes spezielles Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen
Strömungsmaschine in Form einer Kreiselpumpe eingehend beschrieben, wobei Fig. 1 b einen Schnitt entlang der Schnittlinie l-l gemäss Fig. 1 a zeigt. Die erfindungsgemässe Strömungsmaschine der Fig. 1 a bzw. Fig. 1 b, die im Folgenden gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, ist im vorliegenden speziellen Ausführungsbeispiel eine Kreiselpumpe umfassend ein Laufrad 2, das in einem Laufradraum 3 eines Gehäuses 4 der
Strömungsmaschine 1 drehbar um eine Rotationsachse A angeordnet ist. Dabei ist zum Energieaustausch zwischen einer Strömungsenergie eines durch die Pumpe strömenden Fluids F und einer mechanischen
Rotationsenergie, das Fluid F dem Gehäuse 4 der Strömungsmaschine 1 derart über einen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellten Einlasskanal über das Laufrad 2 im Bereich der Laufradnabe zuführbar, dass das Fluid F zum Energieaustausch mit dem Laufrad 2 in strömenden Kontakt bringbar ist, und aus dem Gehäuse 4 der Strömungsmaschine 1 über den Auslasskanal 9 und den Auslass 91 zur weiteren Verwendung wieder abführbar ist. Erfindungsgemäss ist ein um die Rotationsachse A in einer Umfangsrichtung U des Laufrads 2 verlaufendes Strömungsleitelement 5, 51 , 52 derart im Laufradraum 3 zwischen einer Innenwand 31 des Laufradraums 3 und dem Laufrad 2 vorgesehen, dass das Laufrad 2 vom
Strömungsleitelement 5, 51 , 52 in einer vorgebbaren axialen Breite B umschlossen ist.
Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen
Strömungsmaschine 1 gemäss Fig. 1 a bzw. Fig. 1 b ist das
Strömungsleitelement 5, 51 , 52 in Form eines im wesentlichen zylindrischen Strömungsrings 51 der Breite B in einem radialen Abstand R von der
Rotationsachse A in der Umfangsrichtung U um das Laufrad 2 ausgebildet, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Strömungsring 51 eine Breite B hat, die ungefähr der axialen Breite des Laufrades 2 entspricht. Der Querschnitt des Strömungsleitelements 5, 51 , 52 ist dabei weitgehend rechteckig ausgestaltet, wobei sich jedoch die Breite B des
Strömungsleitelements 5, 51 , 52 in radialer Richtung zum Laufrad 2 hin leicht verkleinert, wie insbesondere der Fig. 1 b zu entnehmen ist, wodurch das Umfliessen des Strömungsleitelements 5, 51 , 52 optimiert wird.
Die Fig. 1 c und Fig. 1 d zeigen je ein zweites bzw. drittes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 a, wobei anhand der Fig. 1 c eine Strömungsmaschine 1 mit einem Strömungsleitelement 5, 51 , 52 mit zwei radial, konzentrisch ineinander geschachtelten Teilelementen 521 dargestellt ist, während anhand der Fig. 1 d ein drittes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 a gezeigt ist, bei welchem das Strömungsleitelement 5, 51 , 52 eine Mehrzahl von sich radial nach aussen erstreckenden Durchflussöffnungen 500 aufweist, die einerseits die
Strömungscharakteristik des Fluids F im Bereich des Laufrades 2 verbessern und andererseits derart ausgestaltet sind, dass aufgrund der
Durchflussöffnungen 500 auch die im Betriebszustand auf das Laufrad 2 wirkenden Kräfte optimiert sind.
Die Fig. 1 e zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemässen Strömungsmaschine 1 gemäss Fig. 1 a mit Leitschaufeln 7 am Strömungsleiteelement 5, 51 zur Führung des Fluids F und zusätzlichen Wandleitschaufeln 8 zur Führung des Fluids F, die in an sich bekannter Weise an der der Innenwand 31 des Laufradraums 3 vorgesehen sind. Die
Leitschaufeln 7 am erfindungsgemässen Strömungselement 5, 51 sind unter einem vorgebaren radialen Neigungswinkel α angebracht, der je nach
Anwendung als Pumpe oder Turbine bzw. in Abstimmung mit den in der speziellen Anwendung benötigten Betriebsparameter vom Fachmann geeignet eingestellt werden kann.
Es versteht sich dabei von selbst, dass die Anordnung bzw. die Ausgestaltung des Strömungsleitelements 5, 51 , 52 auch anders erfolgen kann, als in den Zeichnungen exemplarisch dargestellt. So kann gemäss Fig. 1f das Strömungsleitelement 5, 51 , 52 auch schräg zur Rotationsachse A angeordnet sein oder eine Dachform habe, wobei die Spitze des Dachs des
Strömungsleitelements je nach hydraulischen Anforderungen in Richtung zur Rotationsachse A oder von der Rotationsachse A auch weg gereichtet sein kann.
Ebenso ist es in einem anderen Ausführungsbeispiel auch möglich, dass das Strömungsleitelement 5, 51 , 52 auf einer Seite über den gesamten Umfang an der Innenwand 31 des Laufradraums 3 dicht befestigt ist, so dass das
Strömungsleitelement 5, 51 , 52 einen in Bezug auf den Laufradraum 3 halbseitig geschlossenen Raum bildet oder kann in jeder anderen geeigneten Form angeordnet oder ausgestaltet sein.
Die Fig. 2a und Fig. 2b zeigen in schematischer Weise ein anderes spezielles Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Strömungsmaschine 1 , die hier in Form einer einfachen Turbine realisiert ist. Die Fig. 2b zeigt dabei zur Verdeutlichung einen Schnitt entlang der Schnittlinie II-II gemäss Fig. 2a.
Der prinzipielle grundlegende Aufbau der Turbine gemäss Fig. 2a bzw. Fig. 2b ist dabei im Wesentlichen identisch zu dem der Pumpe gemäss Fig. 1 a bzw. Fig. 1 b. Die Pumpe der Fig. 1 a bzw. Fig. 1 b wird eigentlich einfach dadurch zur Turbine gem. Fig. 2a bzw. Fig. 2b, dass das Fluid F nunmehr über den bei der Pumpe als Auslasskanal 9 bzw. Auslass 91 bezeichneten Anschluss der Strömungsmaschine 1 zugeführt wird und zur weiteren Verwendung über den bei der Pumpe als Einlasskanal bezeichnete Anschluss wieder abgeführt wird. Oder einfacher ausgedrückt: die Pumpe gemäss Fig. 1 a bzw. Fig. 1 b wird dadurch zur Turbine gemäss Fig. 2a bzw. Fig. 2b, dass die Richtung der Strömung des Fluids F durch die Strömungsmaschine 1 umgekehrt wird.
Solche Strömungsmaschinen 1 können z.B. vorteilhaft in
Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt werden, weil dann mit ein und derselben Strömungsmaschine 1 zunächst das Wasser zur Speicherung überschüssiger elektrischer Energie im Pumpbetrieb in ein höher gelegenes Reservoir gepumpt werden kann und später mit derselben Strömungsmaschine 1 , die einfach jetzt umgekehrt vom Wasser durchflössen wird und damit als Turbine arbeitet, wieder in elektrische Energie zurückverwandelt werden kann. Die Fig. 3a und Fig. 3b zeigen schliesslich exemplarisch in schematischer Darstellung zwei weitere Ausführungsvarianten spezieller
Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Strömungsleiteelement 5, 51 .
Fig. 3a zeigt ein erfindungsgemässes Strömungsleitelement 5, 51 mit sich axial erstreckender strukturierter Oberfläche, die in Umfangsrichtung U periodisch Längskanäle an einer Innenfläche des Strömungsleitelements 5, 51 ausbildet. Fig. 3b dagegen zeigt ein anderes erfindungsgemässes
Strömungsleitelement 5, 51 mit einer sich radial erstreckendenden, periodisch strukturierten Oberfläche an den beiden axialen Begrenzungsflächen des Strömungsleitelements 5, 51 . Es versteht sich, dass solche Strukturen, die alle einer Optimierung des Fluidflusses am Strömungsleitelement 5, 51 , 52 vorbei diesen, auch an allen anderen erfindungsgemässen
Ausführungsbeispielen geeignet vorgesehen sein können. Es liegt dabei im Können des Fachmannes, im konkreten Fall eine entsprechend optimale Strukturbildung am Strömungsleitelement 5, 51 , 52 zu finden. Es versteht sich, dass alle im Rahmen dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung nur beispielhaft bzw. exemplarisch zu verstehen sind und die Erfindung insbesondere, aber nicht nur, alle
geeigneten Kombinationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele umfasst, ebenso wie einfache Fortbildungen, die der Fachmann ohne Weiteres aufgrund seiner praktischen Erfahrung erkennt.

Claims

Patentansprüche
1 . Strömungsmaschine, insbesondere Pumpe oder Turbine, umfassend ein Laufrad (2), das in einem Laufradraum (3) eines Gehäuses (4) der
Strömungsmaschine drehbar um eine Rotationsachse (A) angeordnet ist, wobei zum Energieaustausch zwischen einer Strömungsenergie eines strömenden Fluids (F) und einer mechanischen Rotationsenergie, das Fluid (F) dem Gehäuse (4) der Strömungsmaschine derart zuführbar ist, dass es zum Energieaustausch mit dem Laufrad (2) in strömenden
Kontakt bringbar ist, und aus dem Gehäuse (4) der Strömungsmaschine wieder abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein um die
Rotationsachse (A) in einer Umfangsrichtung (U) des Laufrads (2) verlaufendes Strömungsleitelement (5, 51 , 52) derart im Laufradraum (3) zwischen einer Innenwand (31 ) des Laufradraums (3) und dem Laufrad (2) vorgesehen ist, dass das Laufrad (2) vom Strömungsleitelement (5, 51 , 52) in einer vorgebbaren axialen Breite (B) umschlossen ist.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 , wobei das Strömungsleitelement (5, 51 , 52) in Form eines zylindrischen Strömungsrings (51 ) der Breite (B), in einem radialen Abstand (R) von der Rotationsachse (A) in der
Umfangsrichtung (U) um das Laufrad (2) ausgebildet ist. 3. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei ein
Querschnitt des Strömungsleitelements (5, 51 , 52) zumindest
abschnittsweise rechteckig und / oder zumindest abschnittsweise tropfenförmig ist.
4. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche wobei sich die Breite (B) des Strömungsleitelements (5, 51 , 52) in radialer
Richtung, zum Laufrad (2) hin verkleinert und / oder wobei sich die Breite (B) des Strömungsleitelements (5, 51 , 52) in radialer Richtung vom
Laufrad (2) weg verkleinert. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei am Strömungsleitelement (5, 51 , 52) eine Durchströmöffnung (500) vorgesehen ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine sich in axialer Richtung erstreckende Randfläche (510) des
Stromungsleitelements (5, 51 , 52) eine strukturierte Oberfläche (51 1 ) hat, insbesondere eine sich in Umfangsrichtung (U) erstreckende periodisch strukturierte Oberfläche (51 1 ) hat.
Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine sich in radialer Richtung erstreckende Randfläche (520) des
Stromungsleitelements (5, 51 , 52) eine strukturierte Oberfläche (521 ) hat, insbesondere eine sich in Umfangsrichtung (U) erstreckende periodisch strukturierte Oberfläche (521 ) hat.
Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Strömungsleitelement (5, 51 , 52) ein mehrteiliges
Strömungsleitelement (52) ist, insbesondere ein mehrteiliges
Strömungsleitelement (52) umfassend mindestens zwei radial ineinander geschachtelte Teilelemente (521 ), im Speziellen zwei zueinander konzentrische Teilelemente (521 ) umfasst.
Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Strömungsleitelement (5, 51 , 52) ein mehrteiliges
Strömungsleitelement (52) ist, insbesondere ein mehrteiliges
Strömungsleitelement (52) umfassend mindestens zwei axial zueinander versetzte axiale Teilelemente, im Speziellen zwei nebeneinander angeordnete axiale Teilelemente umfasst.
10. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Strömungsleitelement (5, 51 , 52) an einem Befestigungselement (6) am Gehäuse (4) befestigt ist, wobei bevorzugt eine Mehrzahl von Befestigungselementen (6) vorgesehen ist, und / oder wobei das
Befestigungselement (6) parallel zur Rotationsachse (A) der
Strömungsmaschine angeordnet ist und / oder wobei das
Befestigungselement (6) senkrecht zur Rotationsachse (A) angeordnet ist und / oder wobei das Befestigungselement (6) quer zur Rotationsachse (A) angeordnet ist.
1 1 . Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Strömungsleitelement (5, 51 , 52) halbseitig über den gesamten Umfang an der Innenwand (31 ) des Laufradraums (3) dicht befestigt ist, so dass das Strömungsleitelement (5, 51 , 52) einen in Bezug auf den Laufradraum (3) halbseitig geschlossenen Raum bildet.
12. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei am Strömungsleitelement (5, 51 , 52) eine Leitschaufel (7) zur Führung des Fluids (F) vorgesehen ist und / oder wobei an der Innenwand (31 ) des Laufradraums (3) eine Wandleitschaufel (8) zur Führung des Fluids (F) vorgesehen ist.
13. Strömungsmaschine nach Anspruch 12, wobei sich die Leitschaufel (7) unter einem vorgebbaren radialen Neigungswinkel (a) vom
Strömungsleitelement (5, 51 , 52) in radialer Richtung zur Innenwand (31 ) des Laufradraums (3) erstreckt, und / oder wobei sich die Leitschaufel (7) unter einem vorgebbaren axialen Neigungswinkel vom
Strömungsleitelement (5, 51 , 52) in axialer Richtung zur Innenwand (31 ) des Laufradraums (3) erstreckt.
14. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strömungsmaschine eine Doppelstrommaschine, insbesondere eine
Doppelsaugpumpe oder eine Doppelstromturbine und / oder wobei die Strömungsmaschine eine mehrstufige Strömungsmaschine mit einer Mehrzahl von Laufrädern (2) ist.
15. Strömungsleitelennent für eine Strömungsmaschine (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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