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Kreiselmaschine Die Erfindung bezweckt die Erhöhung des Wirkungsgrades
von solchen schnellaufenden Kreiselmaschinen wie Kreiselpumpen, Gebläsen und Wasserturbinen,
bei welchen zur Erzielung kleiner Radabmessungen die Radschaufelung bis an die Nabe
gezogen ist und im Kreiselrade sehr große Strömungsgeschwindigkeiten verwendet werden;
sie besteht in der Hauptsache in einer neuartigenKreiselradschaufelung, welche Kavitationen
nicht auftreten läßt, und in der besonderen Ausbildung der das Kreiselrad umgebenden
und die Förde;- bzw. Treibflüssigkeit führenden Gehäuseteile.
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Die meisten schnellaufenden Kreiselmaschinen leiden unter Kavitationen,
welche besonders stark dann auftreten, wenn im Saugrohr unmittelbar am Kreiselrade
die Summe aus geodätischer Saughöhe und meridiäner Geschwindigkeitshöhe gegenüber
dem Atmosphärendruck groß ist, d. h. wenn hier eine geringe absolute Pressung herrscht.
Diese Kavitationen, deren Wesen als bekannt vorausgesetzt werden kann, sind nur
die Folge einer fehlerhaften Schaufelung, wie im folgenden gezeigt werden soll.
-Zum besseren Verständnis der Strömungsvorgänge in einer Kreiselmaschine werden
in den nachstehenden Ausführungen die im-Kreiselrade auftretenden meridianen Geschwindigkeiten
in zwei Hauptströmungsrichtungen zerlegt, welche parallel zu den Z- und Y-Achsen
eines Koordinatenkreuzes verlaufen. Die Z-Achse fällt mit der Kreiselachse zusammen,
die Y-Achse steht wie in Abb. r in einem rechten Winkel oder wie in Abb. 7 in einem
stumpfen Winkel zu. der Z-Achse; sie kann natürlich auch in einem spitzen Winkel
zur Z-Achse stehen. Ferner werden die parallel zur Z- und Y-Achse liegenden Komponenten
der in einem beliebigen Punkte innerhalb der Schaufelung auftretenden Diagrammgeschwindigkeiten
mit dem Index z bzw. y bezeichnet und die aus diesen Geschwindigkeitskomponenten
zusammengesetzten Geschwindigkeitsdiagramme ;einfach Z- bzw Y-Diagramme genannt:
. Ebenso sind die durch parallel zur Y-Achse liegende Rotationsflächen gebildeten
Schaufelschnitte mit Y-Schnitte und die Zylinderschnitte mit - Z-Schnitte bezeichnet.
-In den Zeichnungen gehören auf Blatt I die Abb. r bis 6 zusammen, auf Blatt II
die Abb. 7 bis ro.
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Es stellen dar Abb. z den Meridianschnitt durch eine Kreiselmaschine
gemäß der Erfindung, bei welcher die Begrenzungsflächen des Kreiselrades als Asymptoten
zu rechtwinklig sich kreuzenden Y- und Z-Achsen konstruiert sind, Abb. 2 die Ansicht
des Kreiselrades und der Gehäusezunge in kleinerem Maßstabe, von der Saugseite aus
gesehen, Abb. 3 die Ansicht des Spiralgehäuses von der Saugseite aus gesehen, '
Abb. 4 die Y-Diagramme für drei verschiedene Radien R, R, und R3 des Kreiselrades
a in Abb. i, ,
Abb. ,.a die gleichen Diagramme für eine Schaufelung-
der bisher gebräuchlichen Bauart, Abb. 5 die dem Radius R2 in Abb. q. entsprechenden
Z-Diagramme, Abb. 6 mit ausgezogenen Linien den Zylinder- oder Z-Schnitt durch die
Kreiselradschaufel im Radius R2, mit unterbrochenen Linien den Z-Schnitt durch die
Gehäusezunge im Radius R" Abb.7 den Meridianschnitt durch eine Kreiselmaschine gemäß
der Erfindung mit in stumpfem Winkel die Z-Achse schneidender Y-Achse, Abb. 8 die
Ansicht des Gehäuses in kleinerem MaBstabe, von der Saugseite aus gesehen, Abb.9
die Ansicht des Kreiselrades und der Gehäusezunge von der Saugseite aus gesehen,
Abb. 1o mit ausgezogenen Linien den Z-Schnitt durch die Kreiselradschaufel im Radius
R_, mit unterbrochenen Linien den Z-Schnitt durch die Gehäusezunge im Radius R3.
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Die in den Zeichnungen dargestellten Kreiselmaschinen, Schaufelschnitte
und Diagramme gelten mit der durch Pfeile angedettteten Drehrichtung für Kreiselpumpen
oder Gebläse mit sogenannten zurückgebogenen Schaufeln. Sie sind ohne weiteres .auf
Turbinen anwendbar, wenn der Drehsinn und die Richtung der Diagrammgeschwindigkeiten
umgekehrt- werden.
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Auf Blatt II sind die Y- und Z Diagramme nicht zur Darstellung gebracht;
die -Z-Diagramme der Abb. 5 können aber ohne weiteres für die Kreiselmaschine der
Abb.7 gelten. Auch die Y-Diagramme der Abb. ¢-können für letztere Verwendung finden,
wenn sie hier als Projektionen der Y-Geschwindigkeiten-auf die Zeichnungsebene aufgefaßt
werden.
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Die nachstehenden Ausführungen gelten zunächst für Kreiselpumpen und
Gebläse, können aber sinngemäß auch für Turbinen gelten. -Ein Kreiselrad kann nur
dann ohne Kavitatiönen arbeiten; wenn die Winkelgeschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen
innerhalb der Schaufelung konstant ist. Die Winkelgeschwindigkeit der' Schaufeln,
die ja. starr iriit der Kreiselwelle verbunden sind, ist in allen Radien konstant,
und eine Schaufelung ist dann. in natürlicher Weise geformt, wenn in ihr die Flüssigkeitsteilchen
ebenfalls überall konstante Winkelgeschwindigkeit haben, d. h. wenn - die Rotationskomponenten
w, der absoluten Geschwindigkeiten w überall in dem gleichen Verhältnis zu .den
Umfangsgeschwindigkeiten u -stehen. Trägt man; wie in Abb, q. .dargestellt, die
Y-Diagramme des Kreiselrades a der Abb. x so auf, daß die Anfangspunkte derUmfangsgeschwindigkeiten
u auf einer durch die Kreiselachse 0 gezogenen Geraden liegen, so müssen die Endpunkte
der Rotationskomponenten wya, d. h. der Projektionen der absoluten Geschwindigkeiten
wy auf die Umfangsgeschwindigkeiten u, ebenfalls auf einer, durch den 0-Punkt gehenden
Geraden liegen. Kreiselradschaufeln, die nach diesem Grundsatz konstruiert sind,
ergeben im Y-Schnitt Spiralen, welche der Kreiselachse zustreben; sie erzeugen,
wie Versuche ergeben haben, auch bei großen Saughöhen keine oder nur geringe Kavitationen.
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Uni den Gegensatz eines Kreiselrades mit konstanter Winkelgeschwindigkeit
der Flüssigkeitsteilchen zu einem Kreiselrad der bisher üblichen Bauart, bei welchem
die Winkelgeschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen mit wachsendem Radius zunimmt,
deutlich zu machen, sind in Abb. q.a die Y-Diagramme für eine solche Schaufelung
dargestellt. Die absolute Geschwindigkeit wy tritt im Radius R, normal zur Umfangsgeschwindigkeit
u, also ohne jede Winkelgeschwindigkeit, in die Schaufelung ' ein und ändert beim
--Durchgang durch das Kreiselrad Größe und Richtung. derart,. daß im Radius _R,ihre
Rotationskomponente eine beträchtliche Größe itn Verhältnis zur ,Umfangsgeschwindigkeit
u -erreicht. Die Endpunkte der Rötationskompönenten liegen also -nicht wie in Abb.
4 auf einer Geraden, sondern auf einer nach innen konkav gekrümmten Linie,@welcl@e
@äußerhalb des 0-Punktes ihren Anfang nimmt. Ein Y-Schnitt durch eine solche Schaufelung
ergibt eine krumme Linie, welche nicht spiralförmig der Kreiselachse zustrebt; sondern
außerhalb des 0-Punktes einen Kreis tangiert.
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Solche- Schaufelformen sind unnatürlich und erzeugen.bei größeren
Saughöhen starke Kavitationen. Die Konstrukteure solcher Kreiselräder übersehen,
daß die vom Pumpenkreiselrad erzeugte Gesamtenergie aus der Summierung der von den
einzelnen Schaufel-_elementen erzeugten Einzelenergien entsteht. Ein Vergleich der
Abb. q. und qa lehrt, daß in Abb. q. im Radius R, weil hier eine Rotations--koznponente
vorhanden ist, dem Flüssigkeitsteilchen auf, dem Wege- von Ö bis R, bereitseine
tangentiale Beschleunigung erteilt ist, die einen Energiewert darstellt, während.
in Abb. q.a das Flüssigkeitsteilchen im Radis R1 keine kinetische Energie besitzt,
weil die tangentiale Drehbewegung des Schau felelernents hier gar nicht- ausgenutzt
ist. - Das Flüssigkeitsteilchen im Radius R, muß--also von den auf größeren Radien
kreisenden-Flüssigkeitsteilchen sozusagen mitgezogen werden, so daß Zugspannungen
auftreten, welche bei großen Saughöhen den Zusammenhang zwischen den Flüssigkeitsteilchen
zerstören.
Der für die radiale Flüssigkeitsbewegung aufgestellte
Grundsatz konstanter Winkelgeschwindigkeit aller von den Schaufeln erfaßten Flüssigkeitsteilchen
muß natürlich auch für die axiale Flüssigkeitsbewegung gelten; denn sonst würde
im Z-Diagramm die Rotationskomponente der absolutenGeschwindigkeit ein anderes Verhältnis
zur Umfangsgeschwindigkeit haben als im Y-Diagramm. Da nun die axiale Geschwindigkeit
in allen Teilen des Kreiselrades nach der Y-Koordinate hin abnimmt, müssen in einem
beliebigen Z-Schnitt die axialen Schaufelwinkel ß, zwischen Relativ- und Umfangsgeschwindigkeit
um so größer sein, je weiter der betrachtete Schaufelpunkt von der Y-Achse des Koordinatenkreuzes
entfernt ist. In Abb. 5 sind die Z-Diagramme für verschiedene auf gleichem Radius
R2 liegende Punkte der Schaufelung so aufgetragen, daß @ die Anfänge der Umfangsgeschwindigkeiten
u auf einer zur Z-Achse parallelen Geraden liegen. Da .die Winkelgeschwindigkeit
unveränderlich bleiben soll, müssen die Endpunkte der absoluten Geschwindigkeiten
wz bzw. ihre Rotationskomponenten, wie gezeichnet, ebenfalls auf einer zur Z-Achse
parallelen Geraden liegen.
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In der Abb. 6 ist der aus den Z-Diagrammen =sich ergebende Z-Schnitt
der Schaufel a mit durchgehenden Linien dargestellt. Regelmäßig nähern sich, wenn
die Schaufel a im Y-Schnitt gekrümmt ist, die der Saugseite zugekehrten Schaufelteile
im Z-Schnitt asymptotisch einer parallel zur Z-Achse liegenden Geraden und die von
der Saugseite abgekehrten Teile asymptotisch der Y-Achse des Koordinatensystems
bzw. der aus dieser gebildeten Rotationsfläche. Das gilt auch für Laufradprofile,
deren Y-Achse, wie in Abb. 7 dargestellt, in stumpfem Winkel oder in spitzem Winkel
zur Z-Achse steht.
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Kreiselräder mit konstanter oder annähernd konstanter Winkelgeschwindigkeit
der Flüssigkeitsteilchen sowohl in radialer wie auch in axialer Strömungsrichtung
haben also folgendes Hauptmerkmal, durch welches sie sich von anderen bisher gebräuchlichen
Konstruktionen unterscheiden: Bei im Y-Schnitt konvex gekrümmter Druckseite weist
die Schaufelung auch im Z-Schnitt eine konvex gekrümmte Druckseite auf, während
bei Kreiselrädern mit wachsender Winkelgeschwindigkeit der Flüssigkeitsteilchen
die Schaufelung bei im Y-Schnitt konvex gekrümmter Druckseite im Z-Schnitt eine
konkav gekrümmte Druckseite, im günstigsten Falle eine geradlinige Druckseite hat.
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Bei im Z-Schnitt konkav gekrümmter Druckseite muß dann natürlich auch
im Z-Schnitt die Druckseite konkav gekrümmt sein. Schaufeln mit im Y-Schnitt radial
verlaufender Druckseite weisen dagegen im Z-Schnitt eine- zur Z-Achse parallele
.Gerade auf, sind also vollständig eben. Derartige Kreiselräder sind berefts`bekännt.
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Werden die das Laufradprofil begrenzenden Kurven als mathematisch
gesetzmäßige Asymptoten so konstruiert, daß -in jedem Punkt einer der Flutbahnen
b bis d die jeweilige Meridiangeschwindigkeit bekannt ist, so lassen
sich nach Zerlegung derselben in. Y- und Z-Komponenten die Y- und
Z-Diagramme aufstellen und aus -den sich hierbei ergebenden Schaufelwinkeln die
für die Modellherstellung wichtigen Y- und Z-Schnitte zeichnen. In den Abb. r und
7 sind für die Begrenzung. der Laufradprofile solche Kurven gewählt, daß die radialen
und die Y-Komponenten der Meridiangeschwindigkeiten in allen parallel-zur Y-Achse
liegenden Schnittflächen direkt proportional dem Radius des betrachteten Schaufelpunktes
und die Z-Komponenten direkt proportional dem Abstand von der Y-Achse zunehmen.
Die Y-Schnitte der Schaufelurig bilden dann -unabhängig von ihrem Abstand von :der
Y-Achse stets die gleiche Kurve e, und zwar eine logarithmische Spirale mit dem
gleichbleibenden Schaufelwinkel ß," während die Z-Schnitte Schraubenlinien sind,
deren Steigung direkt proportional mit dem axialen Abstand von der Y-Achse wächst.
Die Schaufelfläche ist also in diesem Falle eine Schraubenfläche, bei welcher ein
- beliebiger Y-Schnitt e die Erzeugende und ein beliebiger Z-Schnitt f die Leitlinie
ist. Je größer der Schaufelwinkel ß, im Y-Schnitt ist, desto größer ist die Zunahme
der Steigung im Z-Schnitt, und für ß,, =9o° wird die Steigung im Z-Schnitt unendlich
groß, d. h. die Schaufel ist vollständig eben.
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Zur Vermeidung von Ringwirbeln müssen natürlich die Profile der Ein=
und Austrittskanten g und k der Schaufel a die Flutbahnen b bis d so schneiden,
daß die vom Kreiselrad der Flüssigkeit erteilte bzw. von der Flüssigkeit an das
Kreiselrad abgegebene Energie auf allen Flutbahnen die gleiche ist.
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Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades ist es unerläßlich, daß die
absolute Austrittsgeschwindigkeit von den das Kreiselrad umgebenden Teilen des Gehäuses
so aufgenommen und geführt wird, daß eine möglichst verlustfreie Umwandlung der
kinetischen Energie in die potentielle erfolgt. Beim übergang aus der Schaufel in
die angrenzenden Gehäuseteile muß die Größe und Richtung der absoluten Geschwindigkeiten
und ihrer Y- und Z-Komponenten zunächst unverändert bleiben. Die Y- und Z-Schnitte
durch die Zunge i der Gehäusespirale k bzw. durch den an die Laufradschaufeln anschließenden
Teil der Leitschaufeln, .falls solche
vorgesehen- werden, sind demnach
in der gleichen Weise wie die Kreiselradschaufeln aus den Y-- und Z-Diagrammen zu
konstruieren. Es ergibt sich also für diesen Teil der' Leitfläche wiederum eine
Schraubenfläche mit dem Y-Schnitt l -als Erzeugende und dem Z-Schnitt m als Leitlinie.
Letztere bildet wiederum eine Schraubenlinie, - deren Steigung direkt proportional
mit dem Abstand von der Y-Achse zunimmt. Ein Meridianschnitt durch diesen Teil der
Zunge i (Abb: i und 7) bildet eine nach innen konkav gekrümmte Linien, welche sich.
in dem der Saugseite der Kreiselmaschine-zugekehrten Teil einer zur Z-Achse parallelen
Geraden, im anderen Teile der Zunge der Y-Achse asymptotisch nähert. Damit. in einer
Kreiselpumpe die aus dem Kreiselrade austretenden absoluten Geschwindigkeiten -
ohne .Stoß in Druck umgesetzt bzw. damit -in -einer Mirbine die Pressung -der Treibflüssigkeit
nach dem Kreiselrade zu ohne Stoß in kinetische Energie umgesetzt werden kann, müssen.
die Querschnitte- der . Gehäusespirale bzw. des Leitapparats nach dem Druckstutzen
o hin allmählich sich .erweitern und am Ende des Druckstutzens in den -Kreisquerschnitt
der anschließenden Rohrleitung übergeführt werden. " Bei Verwendung sehr großer
Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Kreiselrades ist natürlich auch in den
das letztere unmittelbar umgebenden Gehäuseteilen die Strömungsgeschwindigkeit sehr
groß und hat beträchtliche Reibungsverluste im - Gefolge, deren Einfluß nur durch
eine glatte Oberfläche dieser Gehäuseteile ausgeglichen werden kann. Die Schaufelflächen
des Kreiselrades und die Innenflächen des konischen Saugstutzens p sind unschwer
zu glätten: Dagegen sind die Innenflächen der . Gehäusespirale k auch bei großen
Ausführungen für die Bearbeitung mit Werkzeugen nicht- oder nur sehr schwer zugänglich.
_ Erfindungsgemäß wird deshalb die Gehäusespirale k . so, ausgebildet, . daß die
seitlichen . Begrenzungsflächen derselben von den entsprechend im Durchmesser vergrößerten
seitlichen Gehäusedeckeln q und r gebildet werden, so daß nach Abnehmen
derselben die innere Fläche der Gehäusespirale freiliegt und von beiden Seiten für
die Bearbeitung durch eine rotierende Schmirgelscheibe oder ein anderes Werkzeug
zugänglich ist.. Die "derart in die Gehäusedeckel q und r verlegten
seitlichen Begrenzungsflächen der Gehäusespirale sind als Rotationsflächen ausgebildet
und können auf der Drehbank glattgedreht werden. Vorteilhaft erhalten die Querschnitte
- der Gehäusespirale Trapezform, weil bei solcher die Umwandlung der kinetischen
:Energie in -Pressung bzw: umgekehrt in der Spirale selbst erfolgen kann und bei
dem übergang derselben in den Anschlußstutzen o, dessen Innenflächen nicht bearbeitet
werden können, die Strömungsgeschwindigkeiten normal gehalten werden können.
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In den Abb. 7 und 8 ist wegen der Schwierigkeit der zeichnerischen
Darstellung diese Einrichtung fortgelassen. Sie läßt sich aber auch für diese Ausführung
anwenden.