DE19829810B4

DE19829810B4 - Induktoreinrichtung für eine Pumpe mit hoher Saugkapazität

Info

Publication number: DE19829810B4
Application number: DE19829810A
Authority: DE
Inventors: Philippe Morel; Philippe Geai; Noël David
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2018-07-04
Also published as: FR2765639A1; JPH1182385A; FR2765639B1; DE19829810A1; ITTO980559A0; ITTO980559A1; CN1122755C; RU2216649C2; US6065929A; JP4108830B2; CN1206790A

Abstract

Induktoreinrichtung für eine Pumpe mit hoher Saugkapazität, wobei die Induktoreinrichtung ein Gehäuse (124) aufweist, das einen Induktorrotor (123) mit einer Mehrzahl von Schaufeln (136) umgibt, welche mit dem Gehäuse (124) ein Spiel (J11) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiel (J12) zwischen einem Umfangsbereich der Schaufeln (136) und dem Gehäuse (124) einen vergrösserten Wert, der über dem Wert des normalen Spiels (J11) liegt, in einer Zone aufweist, die sich zugleich in einem ersten zylindrischen Bereich (127) der Innenwand des Gehäuses (124) stromaufwärts von dem Induktorrotor (123) und in einem Bereich (127A) der Innenwand des Gehäuses (124) erstreckt, der zu dem ersten zylindrischen Bereich (127) benachbart ist und einen Bereich stromaufwärts von dem Induktorrotor (123) entsprechend einer Strecke (d11) überlappt, welche von einer Vorderkante der Schaufeln (136) des Induktorrotors (123) ausgeht, und dass das Verhältnis zwischen dem Spiel mit vergrössertem Wert (J12) und dem Spiel mit normalem Wert (J11) grösser als 10 ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktoreinrichtung für eine Pumpe mit hoher Saugkapazität, wobei die Induktoreinrichtung ein Gehäuse aufweist, das einen Induktorrotor mit einer Mehrzahl von Schaufeln umgibt, welche mit dem Gehäuse ein Spiel bilden.
Stand der Technik
Es sind bereits verschiedene Arten von Pumpen mit hoher Saugkapazität oder Turbopumpen bekannt, die insbesondere zur Druckbeaufschlagung von Tiefsttemperaturflüssigkeiten bestimmt sind, z. B. Treibstoffen zur Versorgung von Raketenmotoren.
DE 28 54 656 A1 offenbart eine Pumpe mit einem Gehäuse, in dem auf einer Antriebswelle ein Axialrad angeordnet ist, dessen Nabe Arbeitsschraubenschaufeln trägt, die Schaufelkanäle für die zu fördernde Flüssigkeit bilden, wobei in dem Pumpengehäuse ein zusätzliches Axialsaugrad mit Arbeitsschraubenschaufeln vorgesehen ist, das auf der Antriebswelle in der Strömungsrichtung vor dem Axialrad angeordnet ist, und dessen Außendurchmesser kleiner als der Außendurchmesser des Axialrads ist, und bei dem die Steigung der Schraubenlinie der Arbeitsschaufeln kleiner ist, als die Steigung der Schraubenlinie der Arbeitsschaufeln des Axialrads in dessen Eintrittsquerschnitt. Das Verhältnis der Außendurchmesser des zusätzlichen Axialsaugrads und Axialrads sowie das Verhältnis der Steigungen der Schraubenlinie der Arbeitsschaufeln des zusätzlichen Axialsaugrads und des Axialrads zu den Außendurchmessern der Räder sind so gewählt, dass eine möglichst hohe Saugleistung der Pumpe erreicht wird.
FR 2 303 975 A1 offenbart ein Axialströmungsvorlaufrad für hydraulische Vorrichtungen, bestehend aus einem Pumpengehäuse, einer Welle, die an dem Pumpengehäuse drehbar gelagert ist, einem Hauptflügelrad, das an der Welle befestigt ist, und einem Vorlaufrad koaxial vor der Ansaugeinlassseite des Hauptflügelrads, wobei wenigstens zwei Axialströmungsflügel so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie das Auftreten von Geräuschen im gesamten Strömungsmengenbereich verhindern.
US 4 900 222 A offenbart eine Rotationspumpe mit einem Einlassströmungskanal, der stromaufwärts der Spitzen der Rotorschaufeln einen onvergenten Bereich hat. Der konvergente Bereich verringert den Querschnitt des Strömungsbereiches des Einlassströmungskanals, bevor die Strömung dem Rotor zugeführt wird. Dadurch wird unmittelbar vor den Rotorschaufeln ein im Wesentlichen einheitlich Geschwindigkeitsprofil erzeugt.
US 4 426 190 A offenbart eine Pumpe mit einem Gehäuse, in dem mit einem radialen Abstand ein Axialströmungssaugrad und ein Axialströmungsantriebsrad installiert sind, wobei die Räder in Strömungsrichtung hintereinander auf einer gemeinsamen Antriebswelle angebracht sind. Der inneren Durchmesser des Pumpengehäuses nimmt im Bereich des Saugrades in Strömungsrichtung ab. Das Saugrad hat eine Nabe mit daran befestigten schraubenförmigen Schaufeln.
Derartige Pumpen sind mit einem ersten Eingangs-Rotationselement ausgerüstet, welches als Induktor bezeichnet wird.
Weil der Induktor einer Turbopumpe mit ausreichend hohen Durchflusskoeffizienten bzw. Leistungskoeffizienten arbeitet, tritt das Phänomen der supersynchronen Kavitation auf.
Wenn phi den Durchflusskoeffizient bzw. Leistungskoeffizient der Maschine bezeichnet und wenn phi 0 den Durchflusskoeffizient bzw. den Leistungskoeffizient bezeichnet, welcher dem Anpassungspunkt des Induktors entspricht (d. h. dem Fall, in dem die Strömung in den Induktor gemäss einem mittleren Winkel eintritt, der demjenigen der Beschaufelung im Gehäuse der Maschine gleich ist), arbeiten verschiedene Induktoren europäischen, amerikanischen und japanischen Ursprungs mit Durchflüssen bzw. Leistungen phi/phi 0 nahe bei 0,6. In diesem Arbeitsbereich begegnet man dem Phänomen der supersynchronen Kavitation. Dieses Phänomen ist insbesondere bei dem Induktor für eine Turbopumpe für flüssigen Wasserstoff, welche einem Raketenmotor VULCAIN 1 zugeordnet ist, und in gleicher Weise bei dem Induktor für eine Turbopumpe für flüssigen Wasserstoff, welche einem Raketenmotor VULCAIN 1 zugeordnet ist, und in gleicher Weise bei dem Induktor für eine Turbopumpe für flüssigen Sauerstoff vorhanden, welche dem gleichen Raketenmotor VULCAIN 1 zugeordnet ist.
Ferner beobachtet man, wenn man den Druck an dem Eingang eines Induktors erniedrigt, eine Phase der drehenden Kavitation, welche bedeutende Vibrationen und radiale Kräfte an der Welle hervorruft. Diese Art von Kavitation ergibt sich aufgrund der verschiedenen Verdampfungen der Flüssigkeit in den verschiedenen beschaufelten Passagen des Induktors. Die Amplitude dieser Vibrationen ist bei einer Supersynchronfrequenz Fs vorherrschend, welche in der Grössenordnung von 1, 2 mal die Rotationsfrequenz F₀ der Maschine ist, wobei sich diese Supersynchronfrequenz Fs progressiv der Synchronfrequenz F₀ annähert, je nach dem man damit fortfährt, den Versorgungsdruck des Induktors herabzusetzen.
In 6 ist schematisch eine Kurve 1 der Funktion ψ = f(τ) dargestellt, bei der ψ den nicht dimensionsgerechten Überdruck des Induktors und τ den nicht dimensionsgerechten Druck am Eingang des Induktors darstellen.
Wie ersichtlich ist, weist diese Kurve 1 einen ungefähr horizontalen Bereich 10 und, wenn sich der Druck τ vermindert, eine aus einem Berg 12 und einem Tal 11 bestehende Zone auf, wobei diese Zone der Phase der drehenden Kavitation entspricht. Zwischen dem Berg 12 und dem Tal 11 ist eine Zone vorhanden, in der die durch dψ/dτ definierte Steigung der Kurve negativ ist. In dieser Zone gibt es eine Destabilisierung für das mit Leitungen und der Pumpe vollständig ausgerüstete System. Der Bereich 13 der Kurve entspricht dem Leistungsabfall bei Überdruck des Induktors, wenn der Wert von τ zu klein wird.
In JP 05-332 300 A ist bereits vorgeschlagen worden, die Geometrie des Gehäuses der Pumpe in Nachbarschaft zu dem Induktor zu verändern, um zu versuchen, die supersynchrone Linie verschwinden zu lassen. Somit reduziert sich, wie in 2 und 4 dargestellt, der Innendurchmesser des vorderen Teils des Gehäuses 24 progressiv gemäss einem geneigten Bereich 43 stromaufwärts der Schaufeln 36 des Induktorrotors 23, um in einer Zone 26 einen Wert D2 unterhalb des Durchmessers D1 der Innenwand des Bereichs 27 des Gehäuses 24 aufzuweisen, der stromaufwärts von dem Induktor angeordnet ist, wobei der Durchmesser D2 oberhalb des Durchmessers Dt des Induktorrotors 23 bleibt, indem ein Spiel J1 zwischen der zylindrischen Innenwand des Gehäuses 24 in der Zone 26 und dem Induktorrotor 23 gebildet wird. Das Spiel J2, das zwischen dem Durchmesser Dt des Induktorrotors 23 und dem Bereich 27 des Gehäuses 24 mit dem Durchmesser D1 vorhanden ist, ist somit grösser als das Spiel J1, das zwischen dem Rotor 23 und der Zone 26 des Gehäuses vorhanden ist und sich durch eine kleine Strecke d1 stromaufwärts von dem Induktorrotor 23 verlängert. Gemäß diesem Stand der Technik ist das Spiel J2 ungefähr das Doppelte des Spiels J1. Gleichwohl haben Untersuchungen gezeigt, dass unter diesen Bedingungen die Realisierung eines hinsichtlich des Innendurchmessers vergrösserten Bereichs des Gehäuses stromaufwärts von dem Rotor nicht ausreichend ist, um in sämtlichen Fällen die Abwesenheit drehender Kavitation und die Unterdrückung der supersynchronen Linie zu gewährleisten.
Die in der JP 05-332 300 A empfohlene Lösung erlaubt somit nicht in sicherer Weise, die durch das Phänomen der drehenden Kavitation in Bezug auf das Gehäuse oder in Bezug auf den Rotor hervorgerufenen Vibrationen zu beseitigen. Daraus ergibt sich, dass Gefahren der Beschädigung von Bauelementen der Pumpe, z. B. der Lager, weiterbestehen und dass der Druck der Flüssigkeit am Eingang der Pumpe oberhalb eines Minimalwertes bleiben muss, wobei diesseits dieses Wertes das Phänomen der drehenden Kavitation auftreten kann. Nun ist es wünschenswert, den Druck der Flüssigkeit am Eingang der Pumpe derart herabzusetzen, dass der Druck der Flüssigkeit, die in eine Rakete verladen und in einem Behälter gespeichert wird, der niedrigstmögliche ist, damit die mechanische Konstruktion des mit der Pumpe, die mit einem Induktor versehen ist, verbundenen Flüssigkeitsspeicherbehälters erleichtert und vereinfacht werden kann.
Mit Rücksicht auf den wie oben geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen und eine verbesserte Induktoreinrichtung für eine Pumpe mit hoher Saugkapazität zu schaffen, wobei bei dieser Induktoreinrichtung die Supersynchronlinie über den gesamten Betriebs-Durchflußbereich bzw. -Leistungsbereich des Induktors unterdrückt wird, damit das Phänomen der supersynchronen Kavitation vermieden und gleichzeitig die Gefahren des Auftretens von Vibrationen mit hoher Amplitude reduziert werden.
Ausgehend von einer Induktoreinrichtung für eine Pumpe mit hoher Saugkapazität, wobei die Induktoreinrichtung ein Gehäuse aufweist, das einen Induktorrotor mit einer Mehrzahl von Schaufeln umgibt, welche mit dem Gehäuse ein Spiel bilden, wird die wie vorstehend definierte Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß ein Spiel zwischen einem Umfangsbereich der Schaufeln und dem Gehäuse einen vergrößerten Wert, der über dem Wert des normalen Spiels liegt, in einer Zone aufweist, die sich zugleich in einem ersten zylindrischen Bereich der Innenwand des Gehäuses stromaufwärts von dem Induktorrotor und in einem Bereich der Innenwand des Gehäuses erstreckt, der zu dem ersten zylindrischen Bereich benachbart ist und einen Bereich stromaufwärts von dem Induktorrotor entsprechend einer Strecke überlappt, welche von einer Vorderkante der Schaufeln des Induktorrotors ausgeht, und daß das Verhältnis zwischen dem Spiel mit vergrößertem Wert und dem Spiel mit normalem Wert größer als 10 ist.
Das Spiel mit normalem Wert weist einen Wert auf, der im Bereich von 0,4% bis 1% des Radius des Umfangsbereichs der Schaufeln des Induktors liegt.
Beispielsweise weist das Spiel mit normalem Wert einen Wert auf, der im Bereich von 0,4 bis 0,9 mm liegt, während beispielsweise das Spiel mit vergrößertem Wert einen Wert aufweist, der im Bereich von 5 bis 10 mm liegt.
Vorzugsweise liegt die Strecke der Überlappung, wobei sich diese Strecke ausgehend von der Vorderkante der Schaufeln längs der Achse des Induktorrotors erstreckt, im Bereich von 15 bis 20% der axialen Länge der Schaufeln des Induktors.
Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines wesentlichen Merkmals der Erfindung, das mit der Geometrie eines Gehäuses verbunden ist, das in Nachbarschaft zu einem Induktorrotor angeordnet ist;
2 eine 1 entsprechende, schematische Darstellung, jedoch zur Veranschaulichung der Geometrie eines Gehäuses, das in Nachbarschaft zu einem Induktorrotor gemäß dem Stand der Technik angeordnet ist;
3 eine axiale Schnittansicht eines Beispiels einer Turbopumpe nach dem Stand der Technik, bei welcher die Erfindung anwendbar ist;
4 eine vergrößerte axiale Schnittansicht des Eingangsbereichs der Pumpe nach 3, welcher den Induktor aufweist;
5 eine Endansicht des Eingangsbereichs gemäß 4;
6 eine Kurve ψ = f(τ), welche für eine klassische Pumpe den Verlauf des nicht dimensionsgerechten Überdrucks ψ des Induktors als Funktion des nicht dimensionsgerechten Druckes τ am Eingang des Induktors darstellt;
7 in der selben grafischen Darstellung drei Kurven ψ = f(τ), von denen zwei Kurven bekannten Induktoreinrichtungen entsprechen und die dritte Kurve einer Induktoreinrichtung gemäß der Erfindung entspricht;
8 für verschiedene Induktoren den Bereich des Auftretens der supersynchronen Frequenz in der Ebene (φ/φ₀, τ), welche durch den Durchflußkoeffizient bzw. Leistungskoeffizient φ/φ₀ und den Druck τ am Eingang des Induktors definiert ist;
9 den Verlauf der charakteristischen Frequenzlinien als Funktion des nicht dimensionsgerechten Drucks τ am Eingang eines bekannten, klassischen Induktors, wobei insbesondere supersynchrone Linien auftreten;
10 den Verlauf der charakteristischen Frequenzlinien als Funktion des nicht dimensionsgerechten Druckes τ am Eingang eines ähnlichen Induktors, der mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung ausgerüstet ist, welche die Ausgestaltung nach 1 aufweist, wobei supersynchrone Linien vollständig eliminiert sind; und
11 den Verlauf der charakteristischen Frequenzlinien als Funktion des nicht dimensionsgerechten Druckes τ am Eingang eines ähnlichen Induktors, der mit einer Einrichtung gemäß dem Stand der Technik ausgerüstet ist, z. B. derjenigen nach 2, wobei insbesondere supersynchrone Linien auftreten.
Unter Bezugnahme auf 3 bis 5 wird zunächst ein Beispiel einer Induktoreinrichtung beschrieben, die insbesondere durch die japanischen Patentanmeldung (KOKAI) JP 05-332 330 A bekannt ist und die bei einer Pumpe 21 mit hoher Saugkapazität, z. B. einer Turbopumpe angewendet wird, welche beispielsweise dazu dient, einen Treibstoff, z. B. flüssigen Wasserstoff, zur Versorgung einer Trägerrakete, unter Druck zu setzen.
Die Pumpe 21 mit hoher Saugkapazität weist ein Flügelrad 29 auf, das auf einer Rotationswelle 28 befestigt ist, deren hinterer Teil ein oder mehrere Räder 31 einer Turbine 30 trägt. Die Rotationswelle 28 ist in Bezug auf das Gehäuse des Körpers 32 der Pumpe 21 mit Hilfe eines Lagers 33 angebracht. Ein Induktorrotor 23 ist an dem Ende vor einer Welle 34 angeordnet, welche die Welle 28 des Trägers des Flügelrads 29 verlängert und welche von einem Lager 46 abgestützt wird. Der Induktorrotor 23 kann beispielsweise eine Anordnung aus drei Schaufeln 36 in schraubenförmiger Gestalt aufweisen, die auf einem zentralen Element 35 angebracht sind, das mit dem Ende vor der Welle 34 einstückig ist. Wie man aus 3 und 4 ersehen kann, weist das zentrale Element 35 oder die Nabe des Induktorrotors 23 einen Radius auf, dessen Wert sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Induktorrotors 23 zunehmend erweitert.
An dem Eingangsende 39 des Gehäuses 24 können Flansche 44 vorgesehen sein, um einen Flüssigkeitsbehälter oder ein Leitungssystem zum Zuführen von Flüssigkeit zu befestigen. Feste Schaufeln 45, die mit dem Gehäuse 24 einstückig sind, können zwischen dem Induktorrotor 23 und dem Flügelrad 29 vorgesehen sein.
Ferner weist die in 3 dargestellte Pumpe 21 eine Induktoreinrichtung auf, welche in einer klassischen Art an dem Eingang der Pumpe 21 im engeren Sinne plaziert ist, die mit ihrem Flügelrad 29 versehen ist, wobei diese Induktoreinrichtung eine Konstruktion erhalten hat, die darauf abzielt, die Vibrationen zu verhindern, die durch die drehende Kavitation hervorgerufen werden. Zu diesem Zweck ist an dem Eingang des Gehäuses 24, welcher die Strömungswege des Induktorrotors 23 unterteilt, ein vergrösserter Bereich 27 mit einem Innendurchmesser D1 vorgesehen, welcher grösser als der Innendurchmesser D2 der Zone 26 ist, welche die Schaufeln 36 des Induktorrotors 23 umgibt.
Es wurde durch verschiedene Vergleichsversuche in der Tat festgestellt, dass eine solche Geometrie des Gehäuses 24 zweifellos dazu beiträgt, die drehende supersynchrone Kavitation ein wenig zu reduzieren, dass eine solche Geometrie aber nicht eine vollständige Unterdrückung der supersynchronen Linie und der entsprechenden radialen Vibrationen erlaubt.
Die vorliegende Erfindung weicht von der bekannten Geometrie des Gehäuses 24 ab, wie diese unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 beschrieben worden ist, und schlägt eine unterschiedliche Geometrie des Gehäuses 24 vor, welche es erlaubt, die supersynchrone Linie vollständig und sicher zu beseitigen. Diese neue Geometrie des Gehäuses 24 ist in 1 dargestellt, welche einen Vergleich mit der in 2 veranschaulichten bekannten Geometrie erlaubt. Es wird darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Erfindung auf eine verbesserte Induktoreinrichtung bezieht, welche sich bei verschiedenen Arten von Pumpen mit hoher Saugkapazität anwenden lässt. Somit ist die vorliegende Erfindung nicht auf die unter Bezugnahme auf die 3–5 beispielhaft beschriebene Konstruktion einer Pumpe beschränkt.
Bei der Ausführungsform nach 1 weist ein erster zylinderischer Bereich 127 der Innenwand des Gehäuses 24, wobei dieser erste zylindrische Bereich 127 stromaufwärts von dem Induktorrotor 123 angeordnet ist, eindeutig einen Durchmesser auf, der grösser als der Durchmesser eines zweiten zylinderischen Bereichs 126 der Innenwand des Gehäuses 124 ist, wobei dieser zweite zylindrische Bereich 126 gegenüber den Schaufeln 136 des Induktorrotors 123 angeordnet sind. Gleichwohl ist eine Zone des kegelstumpfförmigen Übergangs zwischen dem ersten zylindrischen Bereich 127 und dem zweiten zylindrischen Bereich 126 (im Gegensatz zu der Zone nach 2) nicht vorgesehen und der erste zylindrische Bereich 127 der Innenwand des Gehäuses 24 verlängert sich selbst durch einen zylindrischen Ergänzungsbereich 127A, dessen Durchmesser gleich zu demjenigen des zylindrischen Bereichs 127 ist, mit einer Strecke d11, die von der Vorderkante der Schaufeln 136 ausgeht, derart, dass ein Spiel J12 mit vergrössertem Wert nicht nur stromaufwärts von dem Induktorrotor 123, sondern ebenfalls im Bereich einer Strecke d11 definiert ist, welche einen Bereich stromaufwärts von dem Induktorrotor 123 überlappt. Andererseits ist gemäss einem anderen Merkmal der Erfindung, welches dem im vorangehenden beschriebenen Merkmal hinzugefügt wird, das Verhältnis zwischen dem Spiel mit dem vergrösserten Wert J12 einerseits, welches zwischen den Bereichen 127, 127A der Innenwand des Gehäuses 124 und dem Umfangsbereich der Schaufeln 136 des Induktors vorhanden ist, und dem Spiel mit normalem Wert J11 andererseits, das zwischen dem Bereich 126 der Innenwand des Gehäuses 124 und dem Umfangsbereich der Schaufeln 136 des Indikators vorhanden ist, grösser als 10. Das Spiel mit normalem Wert weist einen Wert auf, der im Bereich von 0,4% bis 1% des Radius des Umfangsbereichs der Schaufeln 136 des Induktors liegt.
Beispielsweise weist das Spiel mit normalem Wert J11 einen Wert auf, der im Bereich von 0,4 bis 0,9 mm liegt, und das Spiel mit vergrössertem Wert J12 weist einen Wert auf, der im Bereich von 5 bis 10 mm liegt.
In typischer Weise kann das Spiel J11 in der Grössenordnung von 0,4 mm sein, während das Spiel J12 in der Grössenordnung von 6 mm ist.
Die Überlappungsstrecke d11, die sich ausgehend von der Vorderkante der Schaufeln 136 längs der Achse des Induktorrotors 123 erstreckt, kann im Bereich von 15 bis 20% der axialen Länge der Schaufeln des Induktors liegen.
Ferner kann, wie auch immer die Gestalt der Vorderkante ist, die supersynchrone Linie über den gesamten Betriebs-Durchflußbereich bzw. -Leistungsbereich des Induktors unterdrückt werden, wenn für das Gehäuse eine solche Geometrie gewählt wird, daß die Zone des vergrößerten Spiels einen Bereich des Rotors durch eine kennzeichnende Strecke d11 überlappt und daß das Verhältnis J12/J11 bedeutend ist, das heißt größer als 10.
10 zeigt den Verlauf der charakteristischen Frequenzlinien als Funktion des Drucks τ am Eingang des Induktors für eine Turbopumpe, die mit einer Induktoreinrichtung gemäß der Erfindung ausgerüstet ist. Hier ist zu erkennen, daß in normaler Weise eine Linie 61 vorhanden ist, die der der Rotationsfrequenz F₀ der Maschine entspricht, und daß ferner für die niedrigen Drücke eine subsynchrone Linie 62 vorhanden ist. Es ist zu erwähnen, daß diese subsynchrone Linie 62, welcher eine subsynchrone Kaviation entspricht, nur in einer beschränkten Zone niedriger Drücke auftritt und daß diese subsynchrone Linie 62 infolgedessen nicht die gleichen Nachteile wie die supersynchronen Linien der bekannten Induktoren mit sich bringt.
Aus Vergleichsgründen ist in den 9 und 11 der Verlauf der charakteristischen Frequenzlinien als Funktion des Drucks τ am Eingang des Induktors einerseits für eine Turbopumpe, die mit einer bekannten Induktoreinrichtung ausgerüstet ist, welche ein normales Spiel aufweist, und andererseits für eine Turbopumpe dargestellt, welche mit einer Induktoreinrichtung ausgerüstet ist, wie diese unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 definiert ist.
Aus 9 ergibt sich, daß neben den Linien 53, 54, 56 entsprechend der Rotationsfrequenz F₀ der Maschine und neben dem um diese Rotationsfrequenz F₀ herum vorhandenen Rauschen 55 zahlreiche andere Linien entsprechend den Phänomenen der drehenden Kavitation das Auftreten von Vibrationen zur Folge haben. Ferner ist eine sehr ausgeprägte supersynchrone Linie 57 bei einer Frequenz Fs zu beobachten, welche in der Grössenordnung von 1,1 bis 1,2 mal die Rotationsfrequenz F₀ ist. Die supersynchrone Linie 57 ist in einem verhältnismässig erhöhten und ausgedehnten Bereich der Eingangsdrücke τ vorhanden, was in der Praxis umso störender ist. Linien 59, 60 treten ebenfalls in der 9 bei einer Frequenz auf, welche das Doppelte der Rotationsfrequenz F₀ ist. Weitere störende Linien 51, 58 entsprechend einer Kombination der Rotationsfrequenz F₀ und der supersynchronen Frequenz F_s erscheinen ebenfalls in der graphischen Darstellung nach 9. Ferner entspricht die Linie 51 einer Frequenz gleich 4 (F_s – F₀). Man erkennt ebenfalls eine subsynchrone Linie 52.
In 11 ist in gleicher Weise eine supersynchrone Linie 77 in einem verhältnismässig erhöhten und ausgedehnten Bereich der Eingangsdrücke sehr deutlich zu erkennen, und zwar neben einer Gesamtheit von anderen zugeordneten Linien 72 bis 76 und 78 bis 80, deren Analyse sich in einer zu derjenigen der Linien 52 bis 56 und 58 bis 60 nach 9 ähnlichen Art ausführen lässt.
Durch einen Vergleich zwischen der 10 und den 9 und 11 ist zu erkennen, wieviele der parasitären Vibrationsquellen reduziert sind, wenn eine Gehäusegeometrie gemäss der vorliegenden Erfindung realisiert wird.
Wenn andererseits die Kurve ψ = f(τ) nach 7 in Betracht gezogen wird und wenn eine solche Kurve einerseits in dem Falle einer Turbopumpe, die mit einer Induktoreinrichtung gemäss der Erfindung ausgerüstet ist (Kurve 301), und andererseits in dem Fall einer Turbopumpe nach dem Stand der Technik, welche ein normales Spiel aufweist (Kurve 101), und ferner in dem Fall einer Turbopumpe, deren Gehäusegeometrie derjenigen nach 2 bis 5 entspricht (Kurve 201), aufgestellt wird, so ist festzustellen, dass die Kurven 101 und 201 alle beide die Konfiguration der Kurve 1 nach 6 beibehalten, wobei die Kurve 101 bzw. 201 auf einen Bereich 110 bzw. 210 in der Gestalt einer Ebene folgend ein Tal 111 bzw. 211 und sodann ein einem Abfall 113 bzw. 213 vorausgehenden Berg 112 bzw. 212 aufweist, wenn man den Druck τ an dem Eingang des Induktors herabsetzt.
Im Gegensatz hierzu zeigt die einer Induktoreinrichtung gemäss der Erfindung entsprechende Kurve 301, dass, wenn man den Druck τ am Eingang des Induktors herabsetzt, diese Kurve eine Ebene 310 aufweist, welche sich ohne einen Berg bis zu einem geringen Wert fortsetzt, bevor die Kurve abfällt. Ferner existiert keine Zone mehr, wo die Steigung dψ/dτ negativ ist, was die Garantie für eine verbesserte Stabilität der aus der Pumpe und den Versorgungs- und Förderleitungen zusammengesetzten Gesamtheit des Systems ist. Es ist somit die Kombination eines Gehäusehohlraums, der durch den zylindrischen Ergänzungsbereich 127A begrenzt ist und einen Bereich der Schaufeln 136 überlappt, und eines erhöhten Wertes des Verhältnisses J12/J11, welche es erlaubt, das Verschwinden der supersynchronen Kavitation über den gesamten brauchbaren Durchflussbereich bzw. Leistungsbereich zu erzielen.
Wenn φ den Durchflusskoeffizienten bzw. Leistungskoeffizienten der Maschine bezeichnet, so stellt man fest, dass das Phänomen der supersynchronen Kavitation in der Ebene (φ, τ) begrenzt ist (8).
Ferner gibt es, wenn τ einen erhöhten Wert aufweist, keine oder eine geringe Kavitation (was dem Bereich in Form der Ebene der Kurven gemäss den 6 und 7 entspricht), und, wenn τ einen Wert genügend nahe bei der durch den Induktor zugelassenen Grenze darstellt, tritt eine Resymmetrierung der verschiedenen beschaufelten Kanäle des Induktors mit einer stark fortgeschrittenen Kavitation auf, welche den unmittelbar bevorstehenden Leistungsabfall bei Überdruck des Induktors begleitet (was dem sinkenden Bereich der Kurven nach den 6 und 7 entspricht).

Claims

Induktoreinrichtung für eine Pumpe mit hoher Saugkapazität, wobei die Induktoreinrichtung ein Gehäuse (124) aufweist, das einen Induktorrotor (123) mit einer Mehrzahl von Schaufeln (136) umgibt, welche mit dem Gehäuse (124) ein Spiel (J11) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiel (J12) zwischen einem Umfangsbereich der Schaufeln (136) und dem Gehäuse (124) einen vergrösserten Wert, der über dem Wert des normalen Spiels (J11) liegt, in einer Zone aufweist, die sich zugleich in einem ersten zylindrischen Bereich (127) der Innenwand des Gehäuses (124) stromaufwärts von dem Induktorrotor (123) und in einem Bereich (127A) der Innenwand des Gehäuses (124) erstreckt, der zu dem ersten zylindrischen Bereich (127) benachbart ist und einen Bereich stromaufwärts von dem Induktorrotor (123) entsprechend einer Strecke (d11) überlappt, welche von einer Vorderkante der Schaufeln (136) des Induktorrotors (123) ausgeht, und dass das Verhältnis zwischen dem Spiel mit vergrössertem Wert (J12) und dem Spiel mit normalem Wert (J11) grösser als 10 ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel (J11) mit normalem Wert einen Wert aufweist, der im Bereich von 0,4% bis 1% des Radius des Umfangsbereichs der Schaufeln (136) des Induktorrotors (123) liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel mit normalem Wert (J11) einen Wert aufweist, der im Bereich von 0,4 bis 0,9 mm liegt, und dass das Spiel mit vergrössertem Wert (J12) einen Wert aufweist, der im Bereich von 5 bis 10 mm liegt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke (d11) der Überlappung, wobei sich diese Strecke (d11) ausgehend von der Vorderkante der Schaufeln (136) längs der Achse des Induktorrotors (123) erstreckt, im Bereich von 15 bis 20% der axialen Länge der Schaufeln (136) des Induktorrotors (123) liegt.