KR20210089170A

KR20210089170A - 유체 역학적 변환기

Info

Publication number: KR20210089170A
Application number: KR1020217014358A
Authority: KR
Inventors: 라인하르트 케른헨
Original assignee: 보이트 파텐트 게엠베하
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2021-07-15
Also published as: EP3880989B1; WO2020099031A1; EP3880989A1; JP7431822B2; JP2022507446A; CN113015867A; US11486479B2; US20210262557A1

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 펌프 휠에서, 적어도 하나의 터빈 휠 및 적어도 하나의 가이드 휠이 작동 챔버에 위치결정되는 유체 역학적 작동 매체 회로를 형성하기 위한 작동 챔버를 갖는 고속 역학 조절 가능한 변환기에 관한 것으로, 작동 매체는 펌프 휠을 통해 원심력에 의해 또는 원심력에 의해-대각으로 유동하고 그리고 작동 매체는 터빈 휠을 통해 구심력에 의해 또는 구심력에 의해-대각으로 유동하며; 펌프 휠 및 터빈 휠의 회전축과 관련하여 상기 터빈 휠의 입구 그레이트 에지는 펌프 휠의 입구 그레이트 에지보다 작거나 동일한 반경에 위치결정된다. 본 발명에 따른 유체 역학적 변환기는, 제1 가이드 휠이 작동 매체의 유동 방향으로 볼 때 펌프 휠 이전 작동 챔버에 제공되고, 상기 가이드 휠은 작동 매체의 순수하게 원심력에 의해 또는 대각-원심 관류를 위해 배열되며 동력 변속기에 영향을 미치는데 사용되는 것을 특징으로 한다.

Description

유체 역학적 변환기

본 발명은 제1 항의 일반적인 개념에 따른 유체 역학적 작동 매체 회로를 형성하기 위해 작동 챔버에 위치결정된 적어도 하나의 펌프 휠, 적어도 하나의 터빈 휠, 및 적어도 하나의 가이드 휠을 갖는 유체 역학적 변환기에 관한 것이다.

유체 역학적 변환기들은 수십 년 동안 알려져 왔다. 유체 역학적 변환기들은 예를 들어, 철도 차량의 유체 역학적 변속기들(hydrodynamic transmissions)에서 시동 변환기들 또는 순항 변환기들로 사용된다. 자동 2 단 변속기들(automatic two-speed transmissions) 또는 다단 변속기들(multi-speed transmissions)은 유체 역학적 파워 트랜스미터들(power transmitters)로 사용되는 변환기들의 수에 따라 생성될 수 있다. 시동 변환기들은 이들의 설계 포인트로 일반적으로 펌프 속도에 대한 터빈 속도의 속도비, 즉 터빈 휠의 속도와 펌프 휠의 속도 사이의 속도비(speed ratio)로 0.4 내지 0.6를 가지며, 극단적인 시작 변환기들은 또한 대략 0.3의 속도비를 갖는다. 순항 변환기는 종종 0.8 내지 0.9의 대응하는 속도비를 갖는다. 이는, 설계 포인트에서, 즉 차량의 정격 속도에서, 터빈 휠이 펌프 휠보다 느리게 회전한다는 것을 의미한다. 순항 변환기들의 경우에, 터빈 휠은 철도 차량에서 냉각 시스템의 설계에 따라 최대 1.3 내지 대략 1.5 배의 속도비로 사용될 수 있다.

이러한 유형의 유체 역학적 변환기가 예를 들어 DE 10 2010 018 160 B3에 개시되어 있으며, 여기서 작동 챔버의 순환 유동의 작동 매체는 펌프 휠을 통해 적어도 부분적으로 원심력으로 유동하고; 순환 유동의 작동 매체는 가이드 휠을 통해 적어도 부분적으로 원심력으로 유동하며, 변환기의 경우에 이는 가이드 베인 링으로 지칭되는데, 왜냐하면 펌프 휠 및 터빈 휠과 달리 회전하지 않기 때문이고; 그리고 순환 유동의 작동 매체의 유입 방향은 유체 역학적 변환기의 축 방향으로 회전축에 평행한 터빈 휠 상으로 진행되는 반면, 순환 유동의 작동 매체의 유출 방향은 터빈 휠 밖으로 부분적으로 구심력에 의해, 그리고 부분적으로 축 방향으로, 따라서 대각으로 진행한다.

산업적 응용 분야를 위해, 유체 역학적 변환기들은 종종, 조정 가능한 가이드 휠을 갖는 영향력있는 변환기들로 설계된다. 그러나, 수개의 가이드 휠들이 또한 제공될 수 있는데, 하나는 조정 가능하고 다른 하나는 고정되어 있다. 조정 가능한 가이드 휠에서, 베인들은 작동 중에 조정 가능하여, 변환기의 동력 소비량과 동력 전달을 지속적으로 변경할 수 있다.

그러한 유체 역학적 변환기에 대한 하나의 설계 예가 예를 들어 DE 10 2007 005 426 B3에 개시되어 있다.

산업 응용 분야를 위한 기존의 산업 유체 역학적 변환기들을 사용하더라도, 높은 토크 동력 전달(high torque transmission)을 위해 속도비가 대부분 제한되며, 이들은 설명된 시작 변환기 및 순항 변환기와 이들의 설계가 일치한다.

WO 02/14706 A2는 기계 세트에 사용하기 위한 유체 역학적 변환기를 개시하고 있으며, 여기서 구동기는 가스 터빈이고 작업 기계는 압축기이다. 이는 10의 20 MW배 이상(the order of magnitude of 20 MW or higher)인 매우 높은 출력들을 포함한다. 이러한 극한의 성능들을 바탕으로, 기계들은 또한 매우 큰 회전 질량들을 갖는다. 유체 역학적 변환기는 극도로 낮은 λ 값을 갖는다. 터빈 휠의 속도와 펌프 휠의 속도 사이의 속도 비는 10 배(the order of magnitude of 1)이다. 효율성은 7.5 배 이상(the order of magnitude of 0.75 and higher)이다. 펌프 휠을 통한 유동은 실질적으로 원심력에 의한 것이고 터빈 휠을 통한 유동은 실질적으로 구심력에 의한 것이며, 펌프 휠 블레이드들의 입구 에지들 및 터빈 휠 블레이드들의 출구 에지들은 서로 반대편에 위치된다. 펌프 휠 블레이드들의 입구 에지들 및 터빈 휠 블레이드들의 출구 에지들은 펌프 휠 블레이드들의 출구 에지들 및 터빈 휠 블레이드들의 입구 에지들보다 변환기의 회전축에 더 가깝다.

DE 10 2004 011 033 B3는 펌프 휠을 통한 원심력에 의한 유동과 터빈 휠을 통한 구심력에 의한 유동을 갖는 유체 역학적 변환기를 개시하며, 여기서 펌프 휠의 후단 에지들은 터빈 휠의 선단 에지들보다 더 큰 반경에 위치결정된다. 더욱이, 펌프 휠의 블레이드들의 선단 에지들은 터빈 휠의 블레이드들의 선단 에지들보다 더 큰 반경에 위치결정될 수 있다. 가이드 베인들은 펌프 휠과 터빈 휠 사이에서 반경 방향으로 외부 영역에 제공되고, 그리고 가이드 베인들은 터빈 휠과 펌프 휠 사이에서 반경 방향으로 내부 영역에 제공되며, 여기서 가이드 베인들을 통한 축방향 유동이 발생한다.

WO 2010/062269 A1은, 이전에 설명된 유형의 유체 역학적 변환기를 기반으로 하며, 그리고 유동이 구심력 방향 또는 축 방향 유동이 발생하는 터빈 휠의 반경 방향 외부측에 구심력에 의한 유동을 갖는 펌프 휠을 배열하는 것을 제안한다. 그 다음, 또한 가이드 베인들을 통한 유동이 구심력 방향으로 발생하는 상태로, 가이드 베인들이 펌프 휠 앞에 위치결정될 수 있다.

본 발명의 목적은 설계 지점 주변의 넓은 작동 범위뿐만 아니라 지금까지 알려진 순항 변환기들의 속도비를 초과하는 설계 지점의 고속비에 특히 적합한 유체 역학적 변환기를 지정하는 것이다.

본 발명의 목적은 제1 항의 특징들을 갖는 유체 역학적 변환기에 의해 충족된다. 본 발명의 유리하고 특히 유용한 설계들이 종속항들에서 특정된다.

본 발명에 따른 유체 역학적 변환기는, 작동 매체를 위한 유체 역학적 작동 매체 회로를 형성하기 위한 작동 챔버를 갖는다. 작동 매체로서 오일을 특별히 고려하지만, 예를 들어 물 또는 물 혼합물, 특히 물-글리콜 혼합물과 같은 다른 매체도 고려된다. 적어도 하나의 펌프 휠, 적어도 하나의 터빈 휠 및 적어도 하나의 가이드 휠이 작동 매체의 유동 방향으로 차례로 작동 챔버에 위치결정된다. 유동 방향에서 볼 때, 가이드 휠은 일반적으로 펌프 휠을 따르고 그리고 터빈 휠은 가이드 휠을 따른다. 더욱이, 예를 들어, 추가 가이드 휠이 유동 방향으로 예를 들어 펌프 휠 앞에 제공될 수 있으며, 그 다음에, 상기 가이드 휠은 유리하게 조정 가능하다. 이는, 가이드 휠의 가이드 베인들 또는 그들 중 적어도 일부가 각각 회전축 ― 이는 또한 베인 회전축으로 지칭됨 ― 을 중심으로 회전 가능하여, 가이드 휠이 작동 매체 유동에 대해 가변적으로 조정 가능하다는 것을 의미한다. 조정 가능한 가이드 휠이 제공되는 경우, "영향력있는" 변환기라는 용어가 또한 사용된다.

본 발명에 따른 변환기는 특히 소위 고속 변환기로 설계된다. 이는, 나중에 논의될 설계 속도비가 특히 크다는 것을 의미한다.

본 발명에 따르면, 작동 매체는 펌프 휠을 통해 원심력에 의해, 특히 순수하게 원심력에 의해 또는 원심력에 의해 대각으로 유동하고, 그리고 작동 매체는 터빈 휠을 통해 구심력에 의해, 특히 순수하게 구심력에 의해 또는 구심력에 의해 대각으로 유동한다.

따라서, 작동 매체는 터빈 휠에 구심력에 의해 진입하고 그리고 터빈 휠 밖으로 구심력에 의해 또는 부분적으로 구심력에 의해 그리고 부분적으로 축 방향으로 유동한다.

터빈 휠의 입구 그레이트 에지(inlet grate edge)의 반경은 펌프 휠의 입구 그레이트 에지의 반경보다 작거나 같다. 또한, 터빈 휠의 이러한 입구 그레이트 에지는 터빈 휠의 블레이드들의 입구 에지로 지칭될 수 있고 그리고 유동이 향하는 터빈 휠들의 블레이드들의 에지를 규정한다. 따라서, 출구 그레이트 에지(outlet grate edge) 또는 출구 에지는 터빈 휠의 블레이드들의 유동을 벗어나는 에지(flow-off edge)를 규정한다. 또한, 다른 휠들, 즉 펌프 휠과 가이드 휠 또는 휠들에 동일하게 적용된다.

유체 역학적 변환기는, 바람직하게는 단일 터빈 휠을 가진 단일 단계 유체 역학적 변환기로 설계된다.

또한, 바람직하게는 작동 매체와 함께 순수하게 원심력에 의해 또는 원심력에 의해- 대각 유동을 위해 배열된 단지 하나의 펌프 휠이 있다. 따라서, 작동 매체는 펌프 휠 내로 원심력에 의해 유동하고 펌프 휠 밖으로 원심력에 의해 유동하거나 각각 펌프 휠 내로 원심력에 의해 유동하고 펌프 휠 밖으로 부분적으로 원심력에 의해 그리고 부분적으로 축 방향으로 유동한다.

본 발명에 따르면, 제1 가이드 휠, 예를 들어 회전축 주위에서 조정 가능한 가이드 휠이 제공되며, 가이드 휠은 바람직하게는 작동 챔버에서 작동 매체와 함께 순수하게 원심력에 의해 또는 대각 원심력에 의한 유동을 위해 배열된다. 따라서, 작동 매체는 제1 가이드 휠 내로 원심력에 의해 유동하거나 또는 부분적으로 원심력에 의해 그리고 부분적으로 축 방향으로 유동하며 그리고 제1 가이드 휠 밖으로 원심력에 의해 유동한다. 여기서 조정 가능한 블레이드들은 순수하게 원심력에 의한 유동이 발생하는 가이드 휠의 영역에 배열된다.

제1 가이드 휠은 펌프 휠 이전, 특히 펌프 휠 직전에 작동 매체의 유동 방향으로 작동 챔버에 배열된다. 펌프 휠 직전의 제1 가이드 휠의 배열에서, 추가 블레이드 휠 또는 추가 블레이드들이 제1 가이드 휠의 출구와 펌프 휠의 입구 사이에 제공되지 않는다. 이는 출구 그레이트 에지 또는 가이드 휠의 베인들의 출구 에지들 각각이 펌프 휠의 블레이드들의 입구 그레이트 에지 또는 입구 에지들 바로 맞은 편에 위치결정된다는 것을 의미한다.

게다가, 바람직하게는, 작동 챔버에서 작동 매체의 순수하게 축 방향, 대각-축 방향 또는 축 방향-대각 유동을 위해 배열되는 제2 가이드 휠이 제공된다. 따라서, 작동 매체는 제2 가이드 휠 내로 부분적으로 반경 방향으로 그리고 부분적으로 축 방향으로 또는 축 방향으로 배타적으로 유동하고 그리고 제2 가이드 휠 밖으로 축방향으로 배타적으로 또는 각각 부분적으로 축 방향으로 그리고 부분적으로 반경 방향으로 유동한다.

제2 가이드 휠은, 작동 매체 회로에서 작동 매체의 유동 방향으로 특히 펌프 휠 뒤에 배열된다.

제1 가이드 휠의 입구 그레이트 에지 또는 각각 제1 가이드 휠의 블레이드들의 입구 에지들은 펌프 휠 및 터빈 휠의 회전 축에 대해 바람직하게는 터빈 휠의 블레이드들의 입구 그레이트 에지 또는 각각 입구 에지들의 반경에 적어도 실질적으로 대응하는 반경에 위치결정된다. 제1 가이드 휠의 입구 그레이트 에지의 반경은 터빈 휠의 입구 그레이트 에지의 반경의 0.8 배 내지 1.2 배, 특히 0.9 배 내지 1.1 배 또는 0.95 배 내지 1.05 배이다. 제1 가이드 휠의 입구 그레이트 에지의 반경은 바람직하게는 터빈 휠의 입구 그레이트 에지 반경의 0.9 배이다.

펌프 휠의 블레이드들의 입구 그레이트 에지의 또는 각각의 입구 에지들의 반경은 바람직하게는 터빈 휠의 블레이드들의 입구 그레이트 에지 또는 각각 입구 에지들의 반경의 1.1 배 내지 1.3 배, 특히 1.2 배이다

제2 가이드 휠은 특히 고정식 가이드 휠로 설계될 수 있으며, 따라서 회전축 주위에서 또는 작동 매체 유동에 대해 조정 가능한 블레이드들을 갖지 않는다.

일 실시예에 따르면, 제2 가이드 휠에는 출구 영역에 스플리터 블레이드들이 장비된다. 이는, 제2 가이드 휠이 서로 뒤에 있는 작동 챔버에서, 서로 인접한 2 개의 그룹으로 배열된 복수의 가이드 베인들을 가지며, 제1 그룹의 가이드 베인들의 수는 제2 그룹의 가이드 베인들의 수보다 적거나, 또한 동일할 수 있다는 것을 의미한다. 제1 그룹의 가이드 베인들은 예를 들어 비교적 긴 축 방향 연장부, 특히 반경 방향 연장부보다 긴 축 방향 연장부를 가질 수있다. 가이드 베인들은 작동 매체를 안내하기 위해 미리 규정된 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 3 개의 가이드 휠들이 작동 챔버에 제공되는데, 예를 들어 작동 챔버의 반경 방향 관류 영역에 있는 제1 가이드 휠, 작동 챔버의 축 방향 관류 영역에서 외경에 있는 제2 가이드 휠, 및 터빈 휠 이후에 작동 매체의 유동 방향으로 작동 챔버의 반경 방향 내경 상에서 축 방향 관통 영역에 있는 제3 가이드 휠이다. 제3 가이드 휠은 예를 들어, 작동 매체 회로에 대해 반경 방향으로 내측에 작동 챔버를 제한하는 구성요소들 또는 각각의 벽 부품들 ― 즉 작동 챔버의 자오선 윤곽을 형성 ― 을 위한 지지 기능을 제공할 수 있다.

작동 챔버는 특히 중공 토로이달(hollow toroidal)이며, 이는 유체 역학적 변환기의 회전축의 각각의 측면에 축 방향 섹션에서 환형 형상을 가지며, 여기서 환형 형상은 원형 링 형상에서 벗어날 수 있고 특히 환형 형상의 원주에 대한 다양한 두께 또는 각각의 가변 단면을 가질 수 있음을 의미한다. 즉, 작동 매체가 유동하는 변환기의 작동 챔버는 블레이드 휠들이 배열된 작동 챔버를 대칭적으로 원주 방향으로 형성하는 내부 및 외부 링 형상의 자오선 프로파일 윤곽에 의해 제한된다. 채널의 폭, 즉 외부 및 내부 자오선 프로파일 윤곽 사이의 거리는 특히 유동 방향에서 변환기의 개별 섹션들의 요구 사항들에 따라 적절한 형태로 변한다.

전술한 조정 가능한 제1 가이드 휠 및 고정된 제2 가이드 휠이 제공되고, 또한 제3 가이드 휠이 작동 챔버에 제공된다면, 상기 제3 가이드 휠은 작동 매체의 순수하게 축 방향 유동을 위해 유리하게 위치결정된다.

제2 가이드 휠은 바람직하게는 제1 가이드 휠보다 큰 직경에 위치결정되고, 그리고 제3 가이드 휠은 제1 가이드 휠보다 작은 직경에 위치결정된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 제4 가이드 휠이 작동 챔버에 제공된다. 작동 매체는 바람직하게는 대각-구심력 방향 또는 순수한 구심력 방향으로 그러한 제4 가이드 휠을 통해 유동한다. 제4 가이드 휠은 바람직하게는 제2 가이드 휠과 터빈 휠 사이, 특히 터빈 휠 바로 앞에 위치결정되어, 제4 가이드 휠의 블레이드들의 출구 그레이트 에지 또는 출구 에지는 추가 휠 또는 블레이드들이 삽입되지 않으면서 터빈 휠의 입구 그레이트 에지 바로 반대편에 위치결정된다.

이러한 제4 가이드 휠은 특히 임의의 스플리터 블레이드들을 갖지 않는 단순한 제2 가이드 휠과 결합되지만, 강제적인 것은 아니다.

물론, 스플리터 블레이드들이 없는 단순한 가이드 휠로 제2 가이드 휠을 설계하고 제2 가이드 휠 뒤에 축 방향 관류 또는 축 방향-대각 관류를 사용하여 제4 가이드 휠을 위치결정하는 것도 가능하다.

작동 챔버의 외경에 대한 작동 챔버의 내경의 비율이 0.2 미만 또는 0.1 미만이면 바람직하다. 일 실시예에 따르면, (자오선 윤곽의 상방 측 상의) 외경에 대한 내경의 비는 0.1에 대응한다.

작동 챔버의 외경에 대한 펌프 휠과 터빈 휠의 회전축 방향으로 작동 챔버의 폭의 비는, 바람직하게는 0.5 미만 또는 0.4 미만, 예를 들어 0.38 또는 0.485이다.

유체 역학적 변환기의 하나의 배열은 예를 들어, 구동 기계 및 다상 펌프를 포함하며, 여기서 다상 펌프는 구동 기계에 의해 구동된다. 본 발명에 따른 유체 역학적 변환기는 구동 기계 와 다상 펌프 사이의 구동 연결부에 제공된다.

다상 펌프들은 특히 액체-가스 혼합물을 운반하는 데 적합하며 그리고 다상 펌프의 펌프 휠 앞에 에어 포켓이 형성되는 것을 방지하기 위한 조치가 취해진다. 이것은 펌프의 공회전을 방지한다.

다상 펌프의 흡입 측은 바람직하게는 일정량만큼 조절(throttled)되어, 다상 펌프가 독립적으로 가스를 흡입할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 오일 및/또는 가스는 특히 그러한 다상 펌프로 운반된다.

본 발명에 따른 유체 역학적 변환기는 예를 들어 1.8 내지 2.0의 설계 속도비 및 최대 2.3의 작동 범위를 가질 수 있다.

조정 가능한 가이드 휠의 베인들은 바람직하게는 최대로 개방되거나 완전히 폐쇄될 수 있는 가이드 휠에서 유동 채널의 표현에 적합한 회전 범위에서 개별적으로 회전 가능하다. 축 방향 내부 가이드 휠이 제공되면, 이는 터빈 휠과 펌프 휠 사이의 영역에서 요망하는 자오선 프로파일 윤곽을 생성하고 그리고 게다가 조정 가능한 가이드 휠의 가이드 베인들을 조정하기 위한 구성요소들을 수용하는 것을 제공할 수 있다.

유체 역학적 변환기의 개별 블레이드 휠들의 블레이드들의 수는 모든 요구 사항들을 고려하여 비교적 작게 설계될 수 있다.

본 발명에 따른 변환기는 우수한 견고성을 제공하며 이는 광범위한 효율을 의미한다. 효율은 예를 들어, 1.3 내지 2.2의 속도비 범위에서 75 % 초과일 수 있다. 더욱이, 효율은 1.4 내지 2.4 의 속도비 범위에서 75 %를 초과일 수 있다. 속도 비 범위는 펌프 휠의 속도에 대한 터빈 휠의 속도를 나타낸다. 최고 효율들은 80 내지 82 % 또는 그 이상일 수 있다.

예를 들어 78 또는 80 % 이상의 가장 높은 효율에서, 설계 속도비는 예를 들어 1.8 내지 2.2이다.

펌프 휠의 압력 등급(psi)은 예를 들어 1.25 내지 3일 수 있으며 전달 속도(phi)는 대략 적어도 1.1이다. 펌프 휠의 동력 소비량(람다 값)은 바람직하게는 적어도 대략 0.6 × 10³이다.

증가하는 속도비에 대한 람다 구배는 약간 떨어지는 곡선으로 설계될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 변환기는 변환이 항상 0.7 미만이 되도록 설계되며, 이는 커플링 포인트가 없으며, 터빈 휠의 토크는 펌프 휠의 토크보다 전체 속도비 범위에서 더 작음을 의미한다.

펌프 휠 바로 앞에 조정 가능한 가이드 휠의 선호되는 배열은, 특히 잘 눈금이 매겨진 특성 다이어그램을 가능하게하고 그리고 이에 따라 변환기의 동력 전달과 관련하여 유리한 영향을 미칠 수 있다. 눈금은 또한조정 가능한 블레이드들(제1 가이드 휠의 블레이드들)의 비틀림 각도에 비례하는 펌프 휠의 동력 소비량 및 터빈 휠의 속도의 개별 특성 곡선들의 거리로 이해된다. 펌프 휠 직전에 조정 가능한 가이드 휠의 배열은 여기에서 가이드 휠을 통한 순수하게 원심력으로 유동에 의해 그리고 또한 작동 매체 회로에 적절하게 위치결정될 때 가이드 휠을 통한 축 방향 유동을 통해 달성될 수 있다.

유체 역학적 변환기는 바람직하게는 속도 제한적이며, 즉, 상부 작업 영역 속도비를 초과하는 증가하는 속도들에서, 터빈 휠은 작동 매체의 순환 질량 유동의 파괴를 보장하고 그와 연관된 임계점의 즉각적인 달성을 보장한다. 특히, 유체 역학적 변환기는 그 자체로 3의 속도비를 초과하여 속도를 제한한다.

블레이드 휠들의 배열, 특히 펌프 휠과 터빈 휠의 위치결정은 이 위치결정이 1.8 내지 2.0의 범위 뿐만 아니라 최대 2.3의 작동 범위에서 터빈 휠과 펌프 휠 속도 간의 설계 속도비를 가능하게 만들도록 발생한다. 따라서, 이러한 유형의 변환기는 고속 변환기이다.

본 발명은 설계 예들 및 첨부된 도면들을 참조하여 아래에 설명된다.
도 1은 본 발명의 고속 유체 역학적 변환기의 설계 예이다.
도 2는 구동 기계, 유체 역학적 변환기 및 다상 펌프를 갖는 본 발명의 배열의 설계 예이다.
도 3은 블레이드 휠들의 수정된 배열을 갖는 도 1에 따른 추가 예시이다.
도 4는 제2 가이드 휠에 스플리터 블레이드들을 갖는 블레이드 휠들의 배열을 갖는 도 3에 따른 예시이다.

도 1은 회전축(8)의 일측에서 유체 역학적 변환기(11)의 작동 챔버(10)를 통한 개략적인 축 방향 단면을 도시한다. 작동 챔버는 내경(DI), 외경(DA) 및 폭(B)을 가지며, 각각의 경우에 중공 원환형 작동 챔버(10)의 외부 윤곽선, 또는 각각 상기 작동 챔버(10)의 자오선 프로파일에 기초한다.

이를 통해 원심력으로 유동을 갖는 펌프 휠(1)은 작동 챔버(10)뿐만 아니라 이를 통해 구심력에 의한-대각 유동을 갖는 터빈 휠(2)에 배열된다. 터빈 휠(2)의 입구 그레이트 에지(7)는 펌프 휠(1)의 입구 그레이트 에지(9)보다 작은 반경에 위치결정된다. 펌프 휠(1)은 대략 작업 공간(10)의 평균 직경에 배열되고, 터빈 휠(2)은 적어도 실질적으로 작업 공간(10)의 내경(DI)까지 연장된다.

고정된 가이드 휠(5)은 터빈 휠(2)과 펌프 휠(1) 사이에, 즉 작업 공간(10)의 내부 영역에 배열되고, 이어서 펌프 휠(1)의 입구 그레이트 에지(9) 이전에 반경 방향으로 약간 더 외부측에 위치결정되는 조정 가능한 가이드 휠(3)이 배열된다. 게다가, 작동 챔버(10)의 반경 방향 외부 영역에는 추가적인 가이드 휠(4)이 제공된다.

현재 예에서, 펌프 휠(1) 이전의 가이드 휠(3)은 가이드 휠의 회전축(6)에 대해 조정 가능한 제1 가이드 휠(3)로 지정된다. 작동 챔버(10)의 반경 방향 외부 영역에 제공된 가이드 휠(4)은 2 개의 그룹들의 가이드 베인들(4.1, 4.2)을 포함하는 제2 가이드 휠(4)로 지정되며, 여기서 제2 그룹의 가이드 베인들(4.2)의 수는 제1 그룹의 가이드 베인들(4.1)의 수 이상이다. 작동 챔버(10)의 반경 방향 내부 영역에 제공되는 가이드 휠(5)은 제3 가이드 휠(5)로 식별된다.

제1 가이드 휠(3)은 입구 그레이트 에지(14) 및 출구 그레이트 에지(15)를 갖는다. 출구 그레이트 에지(15)는 펌프 휠(1)의 입구 그레이트 에지(7) 바로 반대편에 위치결정된다. 제1 가이드 휠(3)의 입구 그레이트 에지(14)는 회전축(8)에 평행하게 위치결정되어, 작동 매체가 제1 가이드 휠(3)을 통해 순수하게 원심력에 의해 유동한다.

도 2는 구동 기계(12)를 포함하는 배열체를 도시하고, 구동 기계(12)는 액체-공기 혼합물 또는 액체-가스 혼합물을 운반하는 다상 펌프(13)를 구동한다. 본원에서 다상 펌프(13)의 구동은 도 1의 예에 개략적으로 도시된 바와 같이 본 발명에 따라 설계된 유체 역학적 변환기(11)를 통해 발생한다.

도 3에 따르면, 제2 가이드 휠(4)은 스플리터 블레이드들없이 설계된 단순한 가이드 휠이다. 그 대신, 제4 가이드 휠(16)은 작동 매체의 유동 방향에서 볼 때 제2 가이드 휠(4) 뒤에 위치결정된다. 제4 가이드 휠(16)은 터빈 휠(2) 바로 앞에 위치결정되며, 그리고 예시된 설계 예에서 이를 통한 유동은 순수하게 구심력 방향으로 발생한다. 그러나, 대안으로 대각-구심력에 의한 유동이 또한 제공될 수 있다.

도 4에 따른 배열체에서, 제4 가이드 휠은 다시 생략된다. 그 대신에, 제2 가이드 휠(4)에는 제1 그룹의 가이드 베인들(4.1) 및 제2 그룹의 가이드 베인들(4.2)을 포함하는 스플리터 블레이드들이 장비되며, 여기서 제1 그룹의 가이드 베인들(4.1)의 배향 및/또는 그의 개수는 제2 그룹의 가이드 베인들(4.2)의 배향 및/또는 그의 개수와 상이하다.

1 : 펌프 휠
2 : 터빈 휠
3 : 제1 가이드 휠
4 : 제2 가이드 휠
4.1 : 제1 그룹의 가이드 베인들
4.2 : 제2 그룹의 가이드 베인들
5 : 제3 가이드 휠
6 : 가이드 휠 회전축
7 : 입구 그레이트 에지
8 : 회전축
9 : 입구 그레이트 에지
10 : 작동 챔버
11 : 유체 역학적 변환기
12 : 구동기
13 : 다상 펌프
14 : 입구 그레이트 에지
15 : 출구 그레이트 에지
16 : 제4 가이드 휠

Claims

유체 역학적 작동 매체 회로를 형성하기 위한 작동 챔버(10)를 갖는, 유체 역학적 변환기(hydrodynamic converter)(11)로서,
적어도 하나의 펌프 휠(1)에서, 적어도 하나의 터빈 휠(2) 및 적어도 하나의 가이드 휠(3, 4, 5)이 작동 챔버(10)에 위치결정되며, 작동 매체가 상기 펌프 휠(1)을 통해 원심력에 의해(centrifugally) 또는 원심력에 의해-대각으로(centrifugally-diagonally) 유동하고 그리고 상기 작동 매체는 상기 터빈 휠(2)을 통해 구심력에 의해(centripetally) 또는 구심력에 의해-대각으로(centripetally-diagonally) 유동하며; 상기 펌프 휠(1) 및 터빈 휠(2)의 회전축(8)과 관련하여 상기 터빈 휠(2)의 입구 그레이트 에지(inlet grate edge)(7)는 상기 펌프 휠(1)의 입구 그레이트 에지(9)보다 작거나 동일한 반경에 위치결정되며,
제1 가이드 휠(3)은 상기 작동 매체의 유동 방향으로 상기 펌프 휠(1)의 상류에 있는 작동 챔버(10)에 제공되고, 상기 가이드 휠은 이를통한 작동 매체의 순수하게 원심력에 의한 또는 대각-원심력에 의한 유동을 위해 배열되는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제1 항에 있어서,
상기 제1 가이드 휠(3)의 입구 그레이트 에지(14)는 상기 펌프 휠(1) 및 터빈 휠(2)의 회전축(8)에 대해 적어도 실질적으로 상기 터빈 휠(2)의 입구 그레이트 에지(7)의 반경에 대응하는 반경에 위치결정되는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제2 항에 있어서,
상기 제1 가이드 휠(3)의 입구 그레이트 에지(14)의 반경은, 상기 터빈 휠(2)의 입구 그레이트 에지(7) 반경의 0.8 배(times) 내지 1.2 배 또는 0.9 배 내지 1.1 배 또는 0.95 배 내지 1.05 배인 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 가이드 휠(3)은, 상기 작동 매체의 유동 방향에서 볼 때 상기 펌프 휠(1) 직전에 배열되는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 가이드 휠(4)이 작동 챔버(10)에 제공되며, 상기 제2 가이드 휠(4)은 상기 작동 매체의 순수하게 축 방향 또는 대각-축방향 또는 축방향-대각 관류를 위해 배열되는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 가이드 휠(3)은 가이드 휠 회전축(6)에 대해 조정 가능하고 그리고 작동 매체 유동에 대해 가변적으로 조정 가능한 가이드 베인들을 갖도록 설계되며, 상기 가이드 휠 회전축(6)은 특히 상기 펌프 휠(1) 및 터빈 휠(2)의 회전축(8)에 평행하거나 대각으로 진행하는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제5 항 또는 제5 항 및 제6 항에 있어서,
상기 제2 가이드 휠(4)은 고정식 가이드 휠(4)로 설계되는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제5 항 및 특히 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
상기 제2 가이드 휠(4)은 작동 챔버(10)에서 서로의 뒤에, 서로 인접한 2 개의 그룹들로 배열된 복수의 가이드 베인들(4.1, 4.2)을 가지며, 제1 그룹의 가이드 베인들(4.1)의 수는 제2 그룹의 가이드 베인들(4.2)의 수보다 더 적은 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
3 개의 가이드 휠들(3, 4, 5)이 작동 챔버(10)에 제공되는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제5 항 및 특히 제6 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
제3 가이드 휠(5)이 작동 매체의 순수하게 축 방향 유동을 위해 위치결정되는 작동 챔버(10)에 제공되는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제10 항에 있어서,
상기 제2 가이드 휠(4)은 상기 제1 가이드 휠(3)보다 큰 직경에 위치결정되고, 상기 제3 가이드 휠(5)은 상기 제1 가이드 휠(3)보다 작은 직경에 위치결정되는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제11 항에 있어서, 제11 항이 제6 항과 다시 관련되지 않는 경우,
상기 제1 가이드 휠(3) 또는 제3 가이드 휠(5)은 가이드 베인들을 갖도록 설계되고, 상기 가이드 베인들은 가이드 휠 회전축(6)에 대해 조정 가능하고 상기 변환기(11)의 작동 중에 작동 매체 유동에 대해 가변적으로 조정 가능하며, 특히 조정 가능한 가이드 베인들없이 설계된 이들 2 개의 가이드 휠들(3, 5) 중 하나는 상기 작동 매체 회로에 대해 반경 방향 내부에서 상기 작동 챔버(10)를 제한하는 벽 구성요소들을 지지하는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작동 챔버(10)의 외경(DA)에 대한 작동 챔버(10)의 내경(DI)의 비는 0.2 미만 또는 0.1 미만인 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작동 챔버(10)의 외경(DA)에 대한, 상기 펌프 휠(1)과 터빈 휠(2)의 회전축(8) 방향에서 작동 챔버(10)의 폭(B)의 비는 0.5 미만 또는 0.4 미만인 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펌프 휠(1)의 입구 그레이트 에지(9)의 반경은 상기 터빈 휠(2)의 입구 그레이트 에지(7)의 반경의 1.1 배 내지 1.3 배, 특히 1.2 배인 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드 휠들의 배열, 특히 펌프 휠과 터빈 휠의 위치결정은 1.8 내지 2.0의 범위 뿐만 아니라 최대 2.3의 작동 범위에서 터빈 휠과 펌프 휠 속도 간의 설계 속도비를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는,
유체 역학적 변환기.
구동 기계(12) 및 상기 구동 기계에 의해 구동되는 다상 펌프(13)를 갖는 배열체로서,
상기 구동 기계(12) 및 다상 펌프(13) 사이의 구동 연결부에서, 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 따른 유체 역학적 변환기(11)가 제공되는 것을 특징으로 하는,
구동 기계 및 상기 구동 기계에 의해 구동되는 다상 펌프를 갖는 배열체.