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Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine neuartige und besonders vorteilhafte Strömungsmaschine, wie Pumpe, Kompressor, Turbine od. dgl., zum Verdichten, Entspannen oder Fördern kompressibler bzw. nichtkompressibler Medien.
Bisher bekannte Strömungsmaschinen basieren auf einer eindimensionalen Bauweise, d. h. ihre Kon- struktion stützt sich auf eine nur eine eindimensionale Strömung des Mediums berücksichtigende mathematische Berechnung. Bei diesen konventionellen Strömungsmaschinen bestehen die beträchtlichen Nachteile, dass einerseits ihr Wirkungsgrad verhältnismässig niedrig ist, anderseits eine genügende Stabilität hinsichtlich ihrer Fördercharakteristik, die als Drosselkurve üblicherweise im P-V-Diagramm, der graphischen Darstellung der Abhängigkeit zwischen Förderdruck oder-höhe P und dem pro Zeiteinheit durch die Maschine laufenden Fördervolumen V, veranschaulicht werden kann,
sich nicht immer erreichen lässt und ferner bei ihnen verlustreiche Querströmungen sich kaum vermeiden lassen, die insbesondere für den verhältnismässig niedrigen Wirkungsgrad verantwortlich sind. Schliesslich liegt ein beachtlicher Mangel bei diesen bisher bekannten Strömungsmaschinen auch noch darin, dass ihr mechanisches Laufverhalten durch Strömungsabrisse oft stark gestört ist.
Durch eine dreidimensionale mathematische Betrachtungsweise der Strömungsverhältnisse wurde nun festgestellt, dass sich die oben aufgezeigten Nachteile bisher bekannter Strömungsmaschinen weitgehend vermeiden lassen, wenn erfindungsgemäss bei einer solchen Strömungsmaschine
1. sämtliche längs einer zur jeweiligen Rotorachssenkrechten unter veränderlichem Winkel verlaufenden Leitlinie jeder Schaufel ihres Rotors geführten Schaufel-Mittellinien senkrecht auf der Rotorachse stehen und
2. die Bereiche von dem jeweils gleichen Achslot getroffener Punkte der meridionalen äusseren und inneren Schaufelprofillinien, zumindest angenähert, einander achskongruent sind.
Eine diese beiden Haupterfindungsmerkmale aufweisende Strömungsmaschine besitzt gegenüber den bisher bekannten Strömungsmaschinen überraschend höhere Wirkungsgrade, wesentlich stabilere Charakteristiken und ruhigere mechanische Laufeigenschaften.
Wenn auch ein mit diesen beiden Merkmalen ausgestatteter Rotor als Laufrad sowohl für Pumpen und Kompressoren als auch für Turbinen mit gleichem Erfolg eingesetzt werden kann, so soll doch der Einfachheit halber in der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher dargelegt ist, in der Regel nur auf die Verhältnisse einer Pumpe oder eines Kompressors Bezug genommen werden.
Fig. la veranschaulicht schematisch den Rotor einer Strömungsmaschine der erfindungsgemässen Art in einer verallgemeinernden beispielsweisen Ausführungsform.
Fig. 1b zeigt einen beispielsweisen Verlauf der der äusseren Schaufelprofillinie zugehörigen sogenannten Leitlinie L, die sich aus der zur einfacheren Darstellung in eine Ebene abgewickelten äusseren
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jeweiligen Rotorachssenkrechten (z. B. 1, 2 oder 2") längs der äusseren Schaufelprofillinie wiedergibt.
Die jeweilige Rotorachssenkrechte stellt hiebei die bei dieser Abwicklung in die gleiche Ebene zu einer Geraden gelegte, in einer zur Rotorachse senkrecht stehenden Ebene durch den jeweils in Betracht gezogenen Punkt der äusseren Schaufelprofillinie konzentrisch zur Rotorachse verlaufende Kreislinie dar, so dass der Winkel Ba demjenigen zwischen der äusseren Schaufelprofillinie und der von ihr geschnittenen betreffenden Kreislinie entspricht, wie auch in Fig. la beispeilsweise für den Punkt la der äusseren Schaufelprofillinie angedeutet ist.
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Fig. 2 zeigt verschiedene Verläufe a bis e der Leitlinie L, deren Krümmung l/p ein negatives Vorzeichen hat, wenn der Vektor p auf die Rotorachse gerichtet ist, und positiv ist, wenn dieser Vektor von der Rotorachse wegweist. Das Vorzeichen kann-wie ersichtlich-je nach den sich stellenden Bedingungen auch innerhalb der betreffenden Leitlinie wechseln. Ferner ist es möglich, dass die Krümmung in einem Bereich der Leitlinie den Wert Null annimmt, d. h. letztere geradlinig wird.
Fig. 3 veranschaulicht einen erfindungsgemäss ausgebildeten Rotor, dessen meridionalen Schaufelprofillinien über ihre gesamte Länge eine negative Krümmung l/R aufweisen, also konkav verlaufen.
Fig. 4a zeigt einen. Rotor mit durchwegs positiver Krümmung seiner meridionalen Schaufelprofillinien.
Fig. 4b stellt einen Rotor dar, dessen Schaufelprofillinien in Anpassung an besondere Strömungsverhältnisse in einem Bereich des Rotorinnern konkav (negative Krümmung), im übrigen Bereich konvex (positive Krümmung) verlaufen.
Fig. 5 veranschaulicht schliesslich einen Rotor mit nach den gleichen Erfindungsprinzipien konstruierten ror-und nachgeschalteten Leitschaufelringeii.
Gemäss dem ersten vorhin angeführten Haupterfindungsmerkmal sind die Laufschaufeln 4 des Rotors 10 (Fig. la) derart ausgebildet, dass alle ihre radialen Mittellinien längs einer gedachten Stromlinie (beispielsweise angedeutet bei 7), längs der das Strömungsmedium z. B. mit der meridionalen Geschwindig-
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der Achse der Rotorwelle 5 stehen. Auf Grund dieser Konstruktion ist u. a. der Vorteil gegeben, dass die Laufschaufeln im Umlauf lediglich durch Fliehkräfte beansprucht werden, wenn man die verhältnismässig geringen Drehmomentenkräfte vernachlässigt.
Bezeichnet man nun-wie allgemein üblich - den Anstellwinkel der Schaufel, der von der axialen aber in radialer Richtung betrachteten Komponente einer bestimmten Stromlinie und einer sie schneidenden, zur Rotorachse konzentrischen Kreislinie eingeschlossen wird, mit ss,. der sich nach obigen Ausführungen durch Abwicklung der betreffenden Stromlinie, z. B. einer Schaufelprofillinie, in eine Ebene als Winkel zwischen der sich ergebenden Leitlinie und der jeweiligen Rotorachssenkrechten besser darstellen lässt, so ergibt sich bei Anwendung des ersten Haupterfindungsmerkmals, dass der Tangens von ss längs einer radialen Schaufel-Mittellinie (wie z.B. 1a-1f oder 2a - 2i in Fig. la) sich in jedem Punkt derselben umgekehrt proportional zu dessen Abstand r zur Rotorachse verhält.
Danach erhält man beispiels-
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Schaufelprofillinie die Beziehung tgss =-tgss.. Dieses Verhältnis gilt für jeden senkrecht zur Ro- a torachse geführten Schnitt.
Hat man nun nach allgemeinen konstruktiven und hydraulischen Gesichtspunkten den Grössenverlauf des Schaufelwinkels Ba längs der äusseren Schaufelprofillinie la (verl. f'ig. la) festgelegt, so ergibt sich zwangsläufig nach vorgenannter Gleichung auch die Grössenänderung des Scl1anfelwinkels längs aller übrigen, zur äusseren Profillinie la - 2a parallelen gedachten Stromlinien, wie z. B. des Winkels Bi längs der inneren Schaufelprofillinie li-2i.
Nach dem oben bereits herausgestellten zweiten Haupterfindungsmerkmal sind nun die beiden meri- dionalenSchaufelprofillinien la-2a (äussere) und li-Si (innere) innerhalb der Bereiche, in deren sie je- weils von einem einzigen Lot auf die Rotorachse getroffen werden können, zumindest angenähert, einan- der achskongruent. Hieraus ergibt sich, dass die beiden Schaufelprofillinien in allen ihren durch einen je- weils gemeinsamen, auf die Rotorachse senkrechten Schnitt getroffenen Punkten sowohl die jeweils glei- che Krümmung l/R als auch den jeweils gleichen Neigungswinkel et gegen die betreffende Achsparallele aufweisen, wodurch ein besonders ruhiger Lauf der erfindungsgemässen Strömungsmaschine gewährleistet wird.
Bei dieser erstmalig angewandten dreidimensionalen mathematischen Betrachtungsweise der Strömungs- verhältnisse beim Entwurf derartiger Strömungsmaschinen ist es zur exakten Erfassung der sich jeweils stellenden Bedingungen und genauen Festlegung der Formen der Schaufeln, ohne wie bisher bei eindimen- sionaler Bauweise auf mathematische Vernachlässigungen angewiesen zu sein, von Wichtigkeit, dass die beiden einander weitgehend achskongruenten meridionalen Schaufelprofillinien la - 2a und li - 2" zwar
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B.fen, wobei unter Umständen der Veraluf der Profillinie in ihren einzelnen Abschnitten nach verschiedenen derartigen Funktionen erfolgen kann.
In Fig. la und 3 ist durch die gestrichelte Verlängerungslinie 6 der weitere Verlauf der die äussere Schaufelprofillinie bestimmenden Funktionskurve angedeutet.
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Je nach den hydraulischen Erfordernissen kann hiebei die Krümmung 1/R der meridionalen Schaufelprofillinien la-2a und li-2"hinsichtlich ihres Vorzeichens (konkav =-, konvex = +) in jedem Punkt entweder entgegengesetzt oder gleich der Krümmung 1/p der zugehörigen Leitlinie L sein.
Im Sinne der erfindungsgemässen Zielsetzung ist es von weiterem Vorteil, dass die mathematische Kurvenform der meridionalen Schaufelprofillinien la - 2a und 1i-2" und der Winkel B der Leitlinie L zur Achssenkrechten so aufeinander abgestimmt sind, dass die meridionale Strömungsgeschwindigkeit cm
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äusseren Schaufelprofillinie la - 2a in deren Austrittspunkt 2a sowie der Winkel ss zwischen der Leitlinie L und der Achssenkrechten im gleichen Punkt 2a jeweils kleiner als 900 ist.
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Unter Anwendung dieser Besonderheiten und bei Einhaltung der beiden Haupterfindungsmerkmale kann durch entsprechende Abstimmung des Verlaufs und der Krümmung l/R der meridionalen Schaufelprofillinien auf die Grössenänderung des Winkels a längs der Stromlinien ein radial-äquilibriertes Gleichgewicht der Strömung durch den gesamten Rotor hindurch erzielt werden - ein Idealfall, der mittels konventioneller eindimensionaler Auslegung nicht erreicht werden kann-, wodurch eine wesentlich ruhigere Strömung, eine Verbesserung des Wirkungsgrades, eine höhere Stabilität der Fördercharakteristik und ein besseres hydromechanisches Verhalten solcher Strömungsmaschinen gewonnen wird.
Jede Schaufel 4 des Rotors lässt sich nun in drei sich axial erstreckende Abschnitte x,x,x unter-
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streckt sich die äussere Schaufelprofillipie nur auf die beidenAbschnitte x1 und x, da gemäss einer hydraulischen Grundbedingung die äussere Profillinie kürzer als die innere sein muss, damit die längs beider Profillinien erteilte (Pumpe) bzw. entnommene (Turbine) Energie gleich gross ist.
Die Leistungshöhe an jedem Punkt des Rotors ist u.a. durch den goniometrischen Quotienten cosα/tgssa der beiden Winkel a und Ba bestimmt. Unter Einhaltung der Grundprinzipien der Erfindung lässt sich nun
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derart gestalten, dass innerhalb seiner Länge dem Strömungsmedium keine Energie zu-noch Energie abgeführt wird, was zur Beruhigung der Strömung stark beiträgt. Hiebei hat es sich als zweckmässig herausgestellt, die Länge dieses ersten Abschnitts x, auf mindestens 20% des inneren Abstands von Schaufel zu Schaufel zu bemessen.
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fillinie.
Wie sich nun durch analytische Ableitung zeigen lässt, steht bei Einhaltung des grundlegenden Erfindungsprinzips die bei Drehung des Laufrades dem Strömungsmedium zwischen den Schaufeln erteilte Rotationsgeschwindigkeit Cu (als Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit des Mediums) in jedem
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r
Jedoch von der schrägen Schaufelkante 2" - 2a ab, der Austrittskante der Schaufel einer Pumpe bzw.
Eintrittskante der Schaufel einer Turbine, welche Kante zusammen mit der inneren Profillinie 2i-2"den dritten Abschnitt x3 begrenzt, besitzt das aus-bzw. einströmende Medium eine Rotationsgeschwindigkeit
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innere meridionale Schaufelprofillinie li - 2" so lang und deren jeweiliger Winkel a zu der Achsparallelen sowie der jeweilige Winkel zwischen der Leitlinie L und der Achssenkrechten so gross gehalten sind, dass die dem Strömungsmedium in der gesamten Länge li-2"der inneren Schaufelprofillinie erteilte bzw. entnommene Energie gleich derjenigen ist, die längs der äusseren meridionalen Schaufelprofillinie la - 2a erzeugt bzw. gewonnen wird.
Der vorgenannte Quotient cos x/tg Ba kann hiebei in einer für jeden Maschinentyp charakteristischen Grösse gehalten werden, die es zulässt, den im P-V-Diagramm vorhandenenMaximalpunkt der Charakteristik nach links zu kleinerem Fördervolumen V, gegebenenfalls bis auf den Punkt V = 0 zu verschieben, um damit eine hohe hydraulische Stabilität der Förderleistung zu erreichen.
Die Leitlinie L kann nach einem weiteren Erfindungsmerkmal in den einzelnen Abschnitter'x,x und x geradlinig und/oder konkav- und/oder konvex-gekrümmt verlaufen, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Die Schaufelprofillinien können gemäss Fig. 3,4a und 4b in den einzelnen Abschnitten x, x und x3
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eine beliebige, positive oder negative Krümmung l/R besitzen, was sich jeweils aus den gestellten Strömungsbedingungen und der Dimensionierung der Schaufeln ergibt.
Die radiale Erstreckung und Belastung der Schaufeln gemäss dem ersten Haupterfindungsmerhmal lässt nicht nur zu, auf die vordereSchaufeldeckwand gänzlich verzichten zu können, sondern gestattet vorteilhafterweise darüber hinaus, auch die rückwärtige Schaufeldeckwand 3 (vgl. Fig. la), gegebenenfalls bis hinunter zum Achskörper 5 des Rotors fortzulassen. Dies ergibt sich dadurch, dass bei der erfindungsgemässen Konstruktion eine Abstützung der Schaufeln durch Deckwände nicht notwendig ist, und vermindert nicht unbeachtlich die axialen Lagerbeanspruchungen als auch die Oberflächenreibung des Rotors. Demnach kann erfindungsgemäss der Durchmesser D3 der rückwärtigen Schaufeldeckwand 3 vorzugsweise kleiner als 80% des grössten Rotordurchmessers D gehalten sein.
Will man die Strömung in ihrem Weg vor und hinter dem Rotor im Einzelfall auf an sich bekannte Art noch besonders beeinflussen, so können dem Rotor Leitschaufelringe vor-und/oder nachgeschaltet sein (vgl. Fig. 5), deren Schaufeln 8 bzw. d nach einem selbständigen Merkmal der Erfindung in ihrer Formgebung und Auslegung derjenigen der Rotorschaufeln 4 entsprechen, d. h. nach genau den gleichen, oben dargelegten Gesichtspunkten der Erfidnung wie die Laufsehaufeln konstruiert sind. Es ist durchaus möglich, derartige erfindungsgemäss bemessene Vor- und Nachleitschaufelringe auch Laufrädern bisher bekannter Strömungsmaschinen zuzuschalten.
Bei einer allgemeineren Betrachtung der Strömungsverhältnisse im Laufrad zeigt sich, dass das erste Hauptmerkmal der Erfindung abgeändert werden kann, wenn man die hydrodynamischen Folgen dieser Änderung entsprechenderweise mit den andern erfindungsgemässen Hauptmerkmalen herücksichtigt.
Man wählt dann die Stellung der Schaufelmittellinien nicht wie beim Hauptmerkmal als Senkrechte auf die Rotorachse, sondern legt sie derartig aus, dass der Winkel ss (in gleichbleibender Bedeutung wie vorher) längs eines jeweils radialen Schnittes nach der Formel :
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verläuft (wodurch die besagte Schaufelmittellinie festgelegt wird), wobei der Faktor g als Funktion vorn Abstand (r) so gewählt wird, dass an dem Radius r = ra (also auf der äusseren meridionalen Profillinie (la-2a)) g den Wert 1 und an den andern Bereichen, einen beliebigen von 1 verschiedenen annimmt.
Infolge dieserMittellinienfestlegung muss auch eine entspreenende Änderung der jeweils dem radialen Schnitt zugehörigen Form und Krümmung der Leitlinie (L) als auch Form und Krümmung der meridionalen Profillinie vorgenommen werden, ohne dabei aber deren grundsätzliche, im vorherigen beschriebene Charakteristik zu verändern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Strömungsmaschine, wie Pumpe, Kompressor, Turbine od. dgl., zum Verdichten, Entspannen oder Fördern kompressibler bzw. r. ichtkompressibler 1\1edien, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche längs einer zur jeweiligen Rotorachssenkrechten unter veränderlichem Winkel (8) verlaufenden Leitlinie (L) jeder Schaufel- (4) ihres Rotors geführten Schaufel-Mittellinien senkrecht auf der Rotorachse stehen und die Bereiche von dem jeweils gleichen Achslot getroffener Punkte der meridionalen äusseren (1a - 2a) und inneren (1i - 2i) Schaufelprofillinien, zumindest angenähert, einander achskongruent sind.