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Strömungsmaschine mit einem Laufrad,mit mehreren Kanälen Die Erfindung
betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere Strömungsarbeitsmaschine, mit einem
Strömungsmittel-durchflossenen Laufrad mit mehreren Kanälen.
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Bei bekannten Maschinen dieser Art, beispielsweise Turboladern, Kesselspeise-,
Prozeß-, oder Pressenpumpen, werden die verschiedenen Kanäle des Laufrades von unterechiedlichen
Teilen des zu fördernden Strömungsmittels durchlaufen, d.h. ein bestimmtes Massenteilchen
durchwandert das Laufrad nur einmal in Förderrichtung und zwar durch einen bestimmten
Kanal, der ihm durch die Jeweilige Stellung des Laufrades zufällig zugeordnet ist.
Will man bei einer derartigen bekannten Maschine die F5rderh8he steigern, so muß
entweder die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades erhöht worden, oder es muß die
Anzahl der Stufen vergrößert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Strömungsreaktionsmaschine
mit mindestens einem strömungsmitteldurchflossenen Laufrad mit mehreren Kanälen
die Förderhöhe gegenüber bekannten Maschinen mehrfach zu erhöhen, ohne daß die Anzahl
der Stufen und damit die Baugröße der Maschine oder die Umfangsgeschwindigkeit erhöht
wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß ein feststehendes,
in Umfangarichtung in vier Sektoren gegliederen Schaufel system ringförmig um die
Laufradachse angeordnet ist, wobei der erste Sektor mindestens einen Saugkanal,
der zweite Sektor mehrere Rückführkanäle und der dritte Sektor mindestens einen
Druckkanal aufweist, sowie der vierte Sektor geschlossen ist, und daß die im Laufrad
ausgebildeten Kanäle und die Rackfffhrkanale des feststehenden Schaufelsystems derart
angeordnet sind, daß die die Kanäle durchziehenden Stromfäden eine Schleifenbahn
bilden, deren Schleifen sich im Bereich dieses zweiten Sektors um einen zur Rotationsachse
konzentriachen, gedachten Ring winden.
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Durch diese Konstruktion wird erreicht, daß eine aus Laufrad und mehreren
Rückführkanälen bestehende Reaktionsstufe mehrfach vom gleichen Masseteilchen durchlaufen
wird, so daß innerhalb einer Stufe die Förderhöhe entsprechend der mehrfachen Durchströmung
vervielfacht wird, weil dem Maßseteilchen mehrmals pro Stufe Energie zugeführt wird.
Bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit sind demnach zur Erzielung der gleichen Förderhöhe
weniger Stufen nötig.
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Eine vorteilhefte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß
die Za'hl der Saug- und Drückkanäle gleich ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausfuhrungsform ist es, daß die Zahl der
Rückführkanäle größer ist als die Zahl der Saug- bzw. Druckkanäle.
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Noch eine weitere zweckmäßige Weiterbildung ist es, daß dem feststehenden
Schaufelsystem ein koaxial zum Laufrad verlaufendes zweites Laufrad vorgeschaltet
ist.
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Durch dieses vorgeschaltete Rad wird die durch die Schleifenstufe
bedingte Druckabsenkung ausgeglichen.
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Noch eine andere vorteilhafte Ausgestaltung ist es, daß das zweite
Laufrad ein Francis-Rad ist.
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Eine zweckmäßige Ausfuhrungsform besteht darin, daß koaxial mehrere
aus Je einem Laufrad und einem feststehenden Schaufelsystem bestehende Stufen vorgesehen
sind. Dabei ist es eine weitere zweckmäßige Außgestaltung, daß die Anzahl der Saug-
und der Druckkanäle in den Schaufel-Systemen aller Stufen gleich ist.
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Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung ist es, daß die Laufräder an
den Stirnseiten sich vom Umfang her radial nach innen erstreckende Nuten besitzen,
die in Umfangsrichtung gerundete Übergänge in die Stirnseiten besitzen.
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Noch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist es, daß die Trennfugen
an beiden Stirnseiten eines Schaufelsystems von einem Zentrierring überdeckt werden,
dabei ist es weiterhin zweckmaBlg, daß im Bereich der Trennfugen eine Umfangsnut
an einem der in radialer Richtung aneinander stoßenden Teile ausgebildet ist, in
der ein elastischer
Dichtungsring angeordnet und von einem Zentrierring
festgehalten ist.
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Schließlich ist es noch eine bevorzugte Ausfuhrungsforn, daß die einzelnen
Stufen in axialer Richtung durch ein an seinen Enden mit Innengewinde versehenes
Hüllrohr zusammengespannt sind, in dessen Enden zur Abstützung der Stufen Gewinderinge
eingedreht, sind.
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Anhand der nun folgenden BeschreLbung eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels der Erfindung wird diese näher erläutert.
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Es zeigt: Figur 1 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete
Strömungsarbeitsmasohine mit einem vorgeschalteten Francis-Rad und drei Laufradstufen,
Figur 2 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines feststehenden,
das ringförmige, in vier Sektoren unterteilte Schaufelsystem aufweisenden Ringes
und Figur 3 eine schematische Abwicklung einer Laufradstufe zur Erläuterung der
Bildung der Rückführschleifen.
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In Figur 1 bezeichnet 10 eine Antriebswelle, die bei 12 mit einer
Schulter und bei 14 mit einem Gewindeende versehen ist. An die Schulter 12 schließt
sich auf dem im Durchmesser verjüngten Abschnitt der Antriebswelle 10 eine Lagerbüchse
16 an, während auf die Lagerbüchse 16 ein Francis-Rad 18, ein erstes Laufrad 20,
ein zweites
Laufrad 22 und ein dritte Laufrad 24 sowie eine weitere
Lagerbüchse 26 folgen. Auf das Gewindeende 14 ist eine Mutter 28 aufgezogen und
gegen die Lagerbüchse 26 gespannt, so daß zwischen der Mutter 28 und der Schulter
12 das Francis-Rad 18 und die Laufräder 20 bis 24 axial fest positioniert sind.
Zur drehfesten Verbindung der Laufräder 20, 22 und 24 und des Francis-Rades 18 mit
der Antriebswelle 10 dient eine Paasfeder 30.
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Den Laufrädern2O, 22 und 24 sind ringförmige Gehäuseelemente 32, 34
bzw. 36 zugeordnet, von denen eines in Figur 2 dargestellt und nachfolgend noch
näher erläutert ist.
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Dem Franois-Rad 18 ist ein Gehäuseelement 38 zugeordnet, das mit einem
Ansaugkanal 40 versehen ist, der durch ein Ringsieb 42 abgeschlossen ist. An die
aus dem Laufrad 24 und dem Gehäuseeleient 36 bestehende letzte Stufe schließt sich
ein Gehäuseeleinent 44 an, das den Ausgangskanal 46 aufweist. Die Gehäuseelemente
38, 32, 34, 36 und 44 stoßen mit ihren einander benachbarten Stirnwänden aneinander,
wobei das Gehäuseebnent 38 mit einer vom Gehäuseelement 32 abgewandten Schulter
48 und das Gehäuseelement 44 mit einer vom Gehäuseelement 36 abgewandten Schulter
50 versehen ist. Mit radialem Abstand werden unter Bildung eines zylinderischen
Ringspaltes 52 die Gehäuseelemente 38, 32, 34, 36, 44 von einem Hüllrohr 54 umgeben,
das an seinen beiden Enden mit Innengewinden 56 bzw. 58 versehen ist, in die mit
Aussengewinde versehene Ringe 60 bzw. 62 eingeschraubt sind, die an dstr Schultern
48 bzw. 50 anliegen und somit die Gehäuseelemente in axialer Richtung zu einem geschlossenen
Gehänsebauteil zusammenspannen Die Gehäuseelemente 38, 32, 34, 36, 44 weisen zumindest
im Bereich ihrer Stoßfugen einen einheitlichen
Außendurchmesser
auf, so daß sie durch die Stoßfugen überdeckende Zentrierringe 64, 66, 68, 70 in
Bezug auf die Gehäuselängsachse zentrierbar sind. Außerdem sind an den in Fig. 1
Jeweils rechten Stirnfläohen der Gehäuseelemente 32, 34, 36 und 44 Umfangsnuten
72, 74, 76 und 78 ausgebildet, in die Dichtungsringe 80, 82, 84 bzw. 86 aus elastischem
Material eingespannt sind. Die Antriebswelle 10 mit den Lagerbüchsen 26 bzw. 16
ist in den Gehäuseelementen 38 bzw. 44 mit den Laufbuchsen 88 und 90 gelaget.
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Zur Aufnahme des Achsschubs haben die Laufräder 20, 22 und 24 sowie
das Francis-Rad 18 an ihren Stirnseiten jeweils vom äußeren Umfang her nach innen
sich erstreckende Nuten, die anhand des laifrades 20 näher dargestellt sind. An
diesem Laufrad sind die beiden Nuten mit 92a und 92b bezeichnet, wobei außerdem
eine Detailansicht in radialer Richtung gezeigt ist, aus der hervorgeht, daß die
Nuten in Umfangsrichtung gerundete Übergänge 94a bzw. 94b aufweisen.
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während das Francis-Rad 18 und die laufräder 20 bis 24 in an sich
bekannter Weise ausgebildet sind und deshalb keiner näheren Erläuterung bedürfen,
sind die wesentlichsten Merkmale der vorliegenden Erfindung in den neuartig geatalteten
Gehäuseelementen 32, 34 und 36 anzutreffen.
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Diese Gehäuseelemente weisen den gleichen Aufbau aur, weshalb ihre
Konstruktion beispielsweise anhand des Gehäuseelements 34 näher erläutert wird,
das in Fig. 2 dargestellt ist.
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Das Gehäuseelemeat 34 weist die Form eines Rings auf,
der
in seinem inneren Bereich mit einer Ausnehmung 96 versehen ist, die das Laufrad
22 aufnimmt, wie aus Figur 1 ersichtlich ist. Durch diese Ausnehmung 96 entsteht
eine in axialer Richtung verlaufende, radial nach innen weisende Zylinderfläche
98 sowie eine in axialer Richtung weisen de Stirnfläche 100, wobei die Zylinderfläche
98 dem druckseitigen Ausgang 102 des Laufrades 22 zugewandt ist, während die Stirniläche
100 dem saugseitigen Eingang 104 des Laufrades 22 zugewandt ist. In der in Figur
3 zur Erläuterung des Erfindungsprinzips gewählten schematischen Darstellung ist
das Laufrad 22 als mittlerer Streifen abgewickelt dargestellt und zwar derart, als
würde die den Eingang 104 aufweisende radial verlaufende Stirnfläche des Laufrades
22 konzentrisch zu der den Ausgang 102 aufweisenden Ringfläche verlaufen, wobei
dann sinngemäß auch die dem Einlaß 104 des Laufrades 22 zugewandte Stirnfläche 100
des Gehäuseelementes 34 nicht als radiale, sondern als Umfangsfläche in Erscheinung
tritt, so als würde das ringförmige Gehäuseelement 34 keinen L-förmigen Querschnitt,
aondern einen U-förmigen Querschnitt besitzen. Unter dieser gedachten Voraussetzung,
stellt die Figur 3einen Radialschnitt durch die beiden Schenkel des U-förmigen GehEuseelementes
34 und des dazwischen eingeschlossenen Laufrades 22 dar, wobei die sich ergebende
ringförmige Schnittfläche als Abwicklung dargestellt ist.
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Wie aus Figur 3 in Verbindung mit Figur 2 ersichtlich ist, ist das
Gehäuseelement 34 in Umfangsrichtung in vier unterschiedliche Sektoren aufgeteilt.
Im ersten Sektor A befinden sich Saugkanäle 110, deren Verlauf beispielsweise auch
deutlich im unteren Teil des Gehäuseelementes 32 in Figur 1 ersichtlich ist und
die die D.ruckseito des vorangehenden
Laufrades mit der Saugseite
des nächstfolgenden Laufrades verbinden, In einem zweiten Vektor B sind Mehrfach-Rückführungskanäle
112 ausgebildet, die die Druckseite des beispielsweise den Gehäuseelement 34 zugeordneten
Laufrades 22 wiederum mit der Saugseite 104 des gleichen Laufrades verbinden und
so bewirken, daß ein Masseteilichen das gleiche Laufrad mehrmals durchläuft und
ibm dadurch mehrmals pro Stufe Energie zugeführt wird.
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In einem dritten Sektor C sind Drukkanäle 114 ausgebildet, von denen
einer in der oberen Hälfte des Gehäuseelementes 36 in Figur 1 deutlich dargestellt
ist. Diese Drückkanäle 114 verbinden beispielsweise beim Gehäuseelement 34 (unten)
den druckseitigen Ausgang des Laufrads 22 mit dem anschließenden Saugkanal des nachfolgenden
Gehäuseelements 36, um das mehrfach mit Energie versorgte Massenteilchen nun an
die nächste Stufe bzw. im Falle der letzten Stufe an den druckseitigen Ausgang der
Maschine weiterzugeben.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich geworden ist, weist
die Maschine einen relativ einfachen, baukastenartigen Aufbau auf, wobei Je nach
den Erfordernissen die Anzahl der Stufen erhöht oder verringert werden kann.
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Da nach dem Einlaufen eines Masseteilchens in eine Stufe dieses Teilchen
mit Hilfe der Kanäle 112 mehrmals aus dem Laufrad heraus und anschließend wieder
in das Laufrad, das sich inzwischen in Uflifangsrichtung weiterbewegt hat, hineingeleitet
wird, erfährt es insgesamt eine Bewegung, die einer spiraligen Schleifenbahn um
eine Ringlinie entspricht, die konzentrisch zur Maschinenachse verläuft.
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Während die Zahl der Saug- und der Druckkanäle gleich groß ist, ist,
wie deutlich aug Figur 3 ersichtlich ist, die Anzahl der Rückführkanäle größer und
beträgt beispielsweise in Figur 3 das Vierfache der Zahl der Saug- bzw. Druckkanäle.
Die erhöhte Druckabsenkung im Einlauf der die Rückführschleife aufweisenden Stilfen
wird durch das vorgeschaltete Francis-Rad mit geringem Haltedruck (mit kleiner dynamischer
Druckabsenkung) ausgeglichen.
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Die beschriebene Maschinenbauart eignet sich insbesondere zur Förderung
von Strömungsmitteln bei kleinen Schnell-# 1/2 läufigkeiten nq, wobei nq = n H 3/4
Hierbei bedeutet n = Drehzahl = Förderstrom (z.B. klein) H = Förderhöhe (z.B. groß).
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-Patentansprüche-