DE649668C - Laeufer fuer hydraulische Maschinen - Google Patents

Laeufer fuer hydraulische Maschinen

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DE649668C
DE649668C DEG78535D DEG0078535D DE649668C DE 649668 C DE649668 C DE 649668C DE G78535 D DEG78535 D DE G78535D DE G0078535 D DEG0078535 D DE G0078535D DE 649668 C DE649668 C DE 649668C
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18Rotors
    • F04D29/181Axial flow rotors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Läufer für hydraulische Maschinen Die Erfndung bezieht sich auf Schraubenläufer für hydraulische Maschinen, in denen die Allgemeinrichtung der Strömung durch den Läufer axial oder jedenfalls stärker axial als radial ist. Sie bezieht sich weiter auf die Vereinigung derartiger Läufer mit geeigneten Gehäusen und Leitschaufeln oder deren Äquivalent zur Bildung derartiger hydraulischer Maschinen.
  • Der Bau derartiger Läufer basierte bisher auf der allgemeinen Voraussetzung, daß im wesentlichen die gleiche Zuflußgeschwindigkeit normal längs aller konzentrischen Strömungsfäden eintritt, welche durch einen Ouerschnitt in dem Ring zwischen Läuferumfang und Läufernabe hindurchgehen. Es tritt aber eine Reibungsverzögerung der axialen Strömungsgeschwindigkeit in den äußeren und inneren Grenzbezirken des Ringes ein, so daß die Geschwindigkeit mit der Annäherung an die Grenzbezirke abnimmt. Diese Wirkung wächst mit der Länge des Einlaßkanals und der Nabe oder des Kerns, ferner auch mit der Viscosität des strömenden Mittels und nach Maßgabe des Anteils von Feststoffen, die sich darin in Suspension befinden.
  • Bekanntlich ist es bei manchen Axialströmungsmaschinen wünschenswert, eine im wesentlichen gleichförmige Druckhöhenverteilung über die Läuferfläche zu haben, und es sind Läufer zu diesem Zweck unter der Annahme einer entsprechend gleichförmigeh axialen Strömung entworfen, jedoch ohne Rücksicht auf die Reibungsverzögerung oder -auf die Fliehkraftwirkung infolge des steilen Anstieges der Schaufelwurzeln.
  • Die- Hauptaufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Läuferkonstruktion, bei welcher die praktisch geleistete Arbeit äquivalent ist der Arbeitsart, die aus der theoretischen Annahme -der gleichförmigen axialen Strömung mit gleichförmiger Druckhöhe errechnet ist, und zwar trotz der modifizierenden Einwirkung der Oberflächenverzögerung auf das Strömungsvolumen und der Zentrifugaltendenz der Schaufelwurzelsteigungen. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß man vom Verlauf der Lähferschaufelsteigung abgeht, die unter den angenommenen theoretischen Voraussetzungen bezüglich gleichförmiger axialer Strömungsgeschwindigkeit und Druckverteilung abweicht und sie ersetzt durch einen Verlauf der Schaufelsteigung, der verhältnismäßig stdiler nach den Mittelringquerschnitten der Läuferschaufeln ist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine derartige Ausbildung des Läufers, daß bei Anwendung auf eine Axialströmungspumpe jeder unnötige Stoß am Läufereinlaß beseitigt wird, insbesondere in der Nähe der Nabe, wo die Steigung größer ist, und daß man die Energie auf das strömende Mittel fortschreitend überträgt, während sie durch den Läufer hindurchströrnt, während im Falle einer axialen Cberdruckturbine die umgekehrte Wirkung der fortschreitenden Energieaufnahme erzielt wird.
  • Bei dein Läufer gemäß der Erfindung wächst die Steigung der Schaufeln allmählich radial einwärts von einem gegebenen Wert am Umfang des Läufers aus, zunehmend in solchem Maß, daß die Steigung bei einem beliebigen Halbmesser r- beträchtlich kleiner ist als , aber größer als rz außer in der Nähe der Nabe, wo die Steigung rasch nach einem Werte zu anwächst, der sich nähert, wenn R der Umfangshalbmesser ist, h der gewählte Steigungswert am und a- das Verhältnis vom \ abenhalbmesser zum Urnfangshalbinesser. Für Mittel von verhältnismäßig hoher Viscosität oder solche, die in Suspension verhältnismäßig viel Feststoffe enthalten, wird die Steigungsprofilkurve, d.11. die Kurve, die aus der Steigung im Verhältnis zum Halbmesser aufgetragen, wird, so angeordnet, daß sie sich stärker der oberen Grenzkurve P - annähert (wobei P die Steigung beim Halbinesser r ist) als bei strömenden Mitteln von verhältnismäßig geringer Viscosität. Selbst bei strömenden Mitteln von niederer Viscosität aber ist es selten erwünscht, sich der izilteren Grenzkurve P - an den inneren Halbmessern in irgendeinem Falle anzunähern, ünd es wird im allgemeinen vorzuziehen sein. dali die Steigung größer ist als Der Ausdruck Steigung bezieht sich auf die Steigung an der Arbeitskante der Schaufel und ist mathematisch wiedergegeben durch den Ausdruck 2 r.-r# # tg i-, wenn r der radiale Abstand von der Achse für den Punkt ist, an dem die Steigung gemessen wird, und f: der Schaufelwinkel, d. h. der Winkel, der festgelegt wird durch die Schnittlinie der Schaufelfläche und der Strömungsröhre durch den betreffenden Punkt gegenüber einer Fläche, die durch den Punkt senkrecht zur Strömungsröhre gelegt wird. Bei zylindrischen Strömungsröhren wird die Steigung ausgedrückt sein durch den anialen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Umgängen derjenigen Schraube, von der der Teil der Schaufelfläche, an der die Steigung gemessen werden soll, einen Teil bildet, und der Verlauf der Steigung wird festgelegt durch die Durchdringungskurve dieses zur Läuferachse konzentrischen Strömungszylinders mit der Schaufeldruckseite.
  • Die Definition der oben ausgedrückten Grenzen schließt notwendigerweise einen Wechsel im Steigungsprofil df-#r Kurven aus, d. h. Kurven, die plötzlich Unstetigkeiten oder scharfe Veränderungen in der Neigung oder wiederholte Wellungen aufweisen, ein Ergebnis, das praktisch undurchführbar bei Läuferkonstruktionen ist. Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nur im allgemeinen glatt verlaufende Kurven innerhalb dieser Grenzen einschließt, wie sie den natürlichen Bedingungen der Strömung entsprechen und die, wenn der Läufer mit Wasser unter normalen Konstruktionsbedingungen arbeitet, einen Steigungswert am Umfang der Schaufeln herbeiführen, der, multipliziert mit der Zahl der Umdrehungen in der Zeiteinheit, einen Zahlenwert ergibt, der kleiner ist als das zl1_fache und gewöhnlich kleiner als das l'/,fache der durchschnittlichen axialen Strömungsgeschwindigkeit (d. 1i. entsprechend den Schlupfverhältniswerten am Umfang unter 33113°/o und gewöhnlich unter 2o°/0).
  • In den meisten Fällen, in denen der Nabendurchmesser verhältnismäßig gering ist, wird die Steigung an den Schaufelspitzen so gewählt, daß sie (bei Wasser als Arbeitsmittel) einem Betrieb mit einem Umfangsschlupfverhältnis zwischen ro und 1,3 °j, entspricht, errechnet auf die mittlere gewünschte Strömungsgeschwindigkeit.
  • In der Praxis wird zur Bestimmung des besten Steigungswertes am Umfang der folgende Weg eingeschlagen: Es wird eine mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit, wie sie erforderlich ist, um die gewünschte Flüssigkeitsmenge zu liefern, nach Maßgabe der in der Pumpe verfügbaren Querschnittsfläche angenommen, und von dieser mittleren axialen Geschwindigkeit und der vorgeschriebenen Umdrehungsgeschwindigkeit wird ein mittlerer Steigungswert für ein angenommenes Schlupfverhältnis von etwa -25'/" gewählt. Die Steigung am mittleren Halbmesser wird ein wenig größer gewählt, als sie dem Mittelwert entspricht, und dies gestattet, die Umfangssteigung nach -Maßgabe des radialen Steigungsgesetzes zu errechnen, da nach diesem Gesetz die Steigung bei mittlerem Halbmesser etwa das t,3rfache der Umfangs Steigung ist.
  • Die Bemessung der gewählten Nabe hängt zu einem Teil von dein Typ der Maschine ab, bei welcher der Läufer Anwendung finden soll, und auch von den Betriebsbedingungen. Für eine Axialpumpe oder Reaktionsturbine kann der Nabenhalbmesser zwischen 3/a und'/, des Umfangshalbmessers liegen, entsprechend dem Querschnitt, der notwendig ist, um die normal verlangte Strömung bei gegebener Druckhöhe und Geschwindigkeit aufzunehmen. Bei Reaktionstriebschrauben kann die untere Nabenhalbmessergrenze bis zu 1/5 des Umfangshalbmessers gehen.
  • Bei der bevorzugten typischen Läuferform für eine axiale Wasserpumpe wächst die Steigung von dem Umfang bis zu einem Schaufelquerschnitt bei mittlerem Halbmesser annähernd entsprechend dem Gesetz P - und wächst dann gleichmäßig, aber rascher auf einen Wert annähernd dem, der sich dem Wert an der Nabe nähert, dessen Halbmesser zwischen 3/a und 1/2 des Umfangshalbmessers beträgt.
  • Nach einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung wird den Läuferschaufeln eine axiale Steigungsveränderung, abgesehen von der radialen Steigungsveränderung, gegeben. In diesem Falle wird die Steigung in der Nähe einer Schaufelkante (nämlich der Austrittskante bei einem Pumpenläufer oder der Eintrittskante bei einem Turbinenläufer) in den erwähnten Grenzen liegen, während die Steigung in der Nähe der anderen Kanten geringer ist und einen annähernd konstanten Wert haben kann, entsprechend dem gewählten Umfangssteigungswert; der axiale Steigungsübergang der konzentrischen Strömungsröhren verläuft dabei nach glatten Kurven. Bei hydraulischen Schraubenturbinen und bei Axialpumpen, die mit Schlupfverhältnissen oberhalb der normalen Werte oder mit viscosen Mitteln arbeiten, ist die axiale Steigungsveränderung von größerer Bedeutung, weil sie die maximale Ablenkung des strömenden Mittels im Läufer bei Turbinen ergibt und einen glatten Zufluß zu den steileren Läuferteilen bei Pumpen.
  • Die Erfindung läßt sich praktisch in mannigfacher Weise nach Maßgabe des Typs der hydraulischen Maschine ausführen, bei welchem der Läufer Anwendung findet, ebenfalls nach Maßgabe der Art des Arbeitsmittels und der Betriebsbedingungen. Eine bevorzugte Läuferkonstruktion gemäß der Erfindung und einige zweckmäßige Anwendungen auf hydraulische Maschinen sind beispielsweise auf den Zeichnungen dargestellt. Es ist Fig. i ein Diagramm, welches die Steigungsverteilung in den Schaufeln des Läufers gemäß der Erfindung wiedergibt; Fig. 2 zeigt den mittleren Teil einer Axialpumpe, insbesondere einer Wasserpumpe mit einer bevorzugten Läuferform; Fig. 3 zeigt eine Projektion einer Läuferhälfte nach Fig. 2 auf einer die Achse senkrecht schneidenden Ebene; Fig. 4 ist eine ähnliche Projektion der Auslaßleitschaufeln bei der Pumpe nach Fig.2; Fig.5 veranschaulicht eine zweckmäßige Anwendung der bevorzugten Läuferform auf eine Reaktionsaxialturbine; Fig. 6 bis 8 sind abgeänderte Darstellungen entsprechend Fig.2 bis 4 für eine andere Form einer Axialpumpe; Fig.9 und io sind Fig. 2 und 4 entsprechende Darstellungen einer weiteren abgeänderten Axialpumpenform; Fig. i i und 12 sind Darstellungen von zwei weiteren -Abänderungen; Fig. 13 und 14 zeigen Geschwindigkeits-und Druckdiagramme für die bevorzugte Form eines Läufers.
  • Das Diagramm der Fig. i zeigt einen Satz von Steigungsprofilkurven, d. h. von Kurven, welche die relative Steigung der Läuferschaufeln im Verhältnis zum Abstand von der Läuferachse für verschiedene Läufer gemäß der Erfindung wiedergeben. Für Vergleichszwecke ist die Steigungsprofijkurve für einen typischen Läufer mit gleichförmiger Druckhöhe, der in der üblichen Weise unter der Annahme gleichförmiger axialer Strömung entworfen ist, bei Al in einer strichpunktierten Linie wiedergegeben, während die punktierte Linie A= die Kurve für einen Läufer mit gleichförmiger Steigung ist. Die Kurven A3 bis Aa beziehen sich auf Läufer gemäß der Erfindung, und zwar stellt die Kurv e A3 die bevorzugte Form dar, während die Kurven A4 und A5 die obere bzw. untere Grenzkurve bedeuten; As ist eine andere begrenzende Kurve.
  • Die bevorzugte Läuferform, von der zwei Darstellungen einer typischen Konstruktion in Fig. 2 und .3 gegeben sind, hat zwischen zwei bis sechs Schaufeln B (im Beispiel Fig. 2 und 3 sind es fünf Schaufeln), die von einer zylindrischen Nabe C getragen werden, welche auf der Triebwelle Cl im zylindrischen Gehäuse D angebracht ist. Im Beispiel hat die Nabe C einen Halbmesser, der 2[5 des Umfangshalbmessers der Läuferschaufeln beträgt. Die Kanten der Schaufeln an einem Läuferende liegen in der Fläche eines konaxialen Kegels und die Kanten am anderen Ende in einer senkrecht zur Achse liegenden Querschnittsebene oder auf der Oberfläche eines anderen konaxialen Kegels von verschiedenem oder auch entgegengesetztem Spitzenwinkel, derart, daß die axiale Länge des Läufers an der Nabe beträchtlich-größer ist als am Umfang. Die Gerade A' in Fig. i zeigt das Ansichtsprofil einer Schaufelkaate für den Fäll, wenn die horizontale Grundlinie A_' des Diagramins die Profilansicht der anderen Schaufelkanten bedeutet. Der Läufer nach Fig. 2 besitzt eine Austrittskante B', die sich mit der Linie A7 der Fig. i deckt; die Eintrittskante B= liegt in einer senkrecht zur Achse gerichteten Querschnittsebene. Bei dem Läufer nach Fig. 5 liegen die Kanten in konaxialen Kegeln entgegengesetzt gerichteten Spitzenwinkels.
  • In der Projektion auf der Querschnittsebene (Fig. 3) überdecken die kanten B', B= der Schaufeln einander nicht; die Kanten sind hier konvex in bezug auf gerade Linien, welche Schaufelwurzeln und -spitzen verbinden. Die Grade der konvexen Krümmung und Zerteilung der Schaufelfläche hängen ab von der besonderen Schaufelsteigung an den verschiedenen Halbmessern sowie von dein Grad der im wesentlichen geradlinig, erfolgenden Verjüngung in der Profilansicht der Schaufeln. Die gesamte Projektionsfläche der Schaufeln liegt zwischen 6o und 8o0/" der gesamten projizierten Ringfläche zwischen Nabe und Umfang nach Maßgabe der zugelassenen Belastung für die Flächeneinheit der 'Schaufelfläche und der verlangten Führung für das durchfließende Mittel.
  • Die Steigungsverteilung in den Läuferschaufeln läßt sich am besten an Hand des Diagramms der Fig. i beschreiben. Es entsprechen in dem Diagramm die Abszissen den radialen Abständen von der Läuferachse, und zwar reicht das Diagramm von der Oberfläche der Nabe bis zum Läuferumfang, und der Läuferhalbmesser ist als Einheit gewählt. Die Ordinaten veranschaulichen die Steigung bei den verschiedenen Halbmessern. Wiederum ist der Steigungswert am Umfang als Einheit verwendet. Wie erwähnt, stellt die Kurve A4 die obere Grenze der Steigimgsprofilkurve dar; sie folgt dem Gesetz P - die die untere Grenze darstellende Kurve A 5 folgt dem Gesetz P - K wobei a = o,.1 ist. Im Bereich der Erfindung liegen alle Läufer, deren radiale Steigungsverteilung einer im ganzen stetigen Kurve folgt, die zwischen diesen beiden Grenzwertkurven liegt. Es ist aber selten erwünscht, sich eng der unteren Grenzkurve AS zu nähern. In der Mehrzahl der Fälle wird die Steigungsprofilkurve oberhalb der Kurve A1 liezen. welche dem Gesetz folgt: P - K d. h. im Falle des Beispiels P - Bei dem bevorzugten Läufer folgt die Steigung der Kurve A 3. Diese Kurve geht aus von dein Steigungswert ain Umfang, der gewählt ist entsprechend einem Betriebe bei einem normalen Umfangsschlupfverhältnis von z. B. 12.5 °/o, gerechnet auf die mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit und von diesem Wert bis zu einem Halbmesser in der Mitte der Schaufeln (bei '/", des 1,'mfangshalbmessers i ann:;hi-rnd entsprechend (lein Gesetz P - so daß der Steigerungswert bei mittleren Halbmesser etwa das i,3fache des LTinfangshalbmessers beträgt. Von diesem Mittelhalbmesser einwärts zur Nabe wächst die Steigung schneller, als es diesem Gesetz entspricht, und an der Nabe erreicht die Steigung einen Wert gleich dem 2,5fachen der Umfangssteigung, wobei das Steigungsprofil einer stetigen Kurve von Nabe bis Umfang folgt. Diese ProfilverteilungskurveA3 (und auch alle die anderen Steigungsprofilkurven ini Bereich der Erfindung) ist weniger konkav als die Kurve A' für die bekannten Läufer gleichförmiger Druckhöhe, die unter Annahme der gleichförtnigen axialen Strömung ermittelt sind, und durch Beschleunigung der Strömung durch den mittleren Teil des Ringes ermöglicht die Kurve A3 die Erzielung der gewünschten Kompensation für den Effekt der Oberflächenverzögerung, und sie trägt Rechnung den verschiedenen Fliehkrafttendenzen bei den verschiedenen Halbmessern. Bei Arbeitsmitteln von höherer @'iscosität, als sie Wasser besitzt, kann eine Steigungsprofilkurve verwendet werden, die flacher ist als die Kurve A3; das Verhältnis von Mittelschaufelneigung zur Umfangsneigung wird um einen Betrag vergrößert, der von der Viscosität des Mittels abhängt, und das Verhältnis der Steigung an der Nabe zur Umfangssteigung bleibt 2,5 für das gleiche Verhältnis des Nabendurchmessers.
  • Außer der beschriebenen radialen Veränderung der Steigung können die Läuferschaufeln auch eine axiale Steigungsveränderung aufweisen. Bei einer zweckmäßigen Anordnung, wie sie sich in den Fig. 2 und 3 findet, haben die Schaufeln den gleichen Umfangssteigungswert an der Austrittskante B' und an der Einlaßkante B=, und die Steigung längs der Austrittskante B' entspricht der Kurve A3. An der Einlaßkante B= dagegen ist die Steigung bei allen Halbmessern gleichmäßig entsprechend der geraden Linie A2 in Fig. i, oder sie wächst nur sehr schwach nach innen; die Steigung verändert sich kontinuierlich und stetig längs jeder Strömungsröhre vom Einlaßkantenwert auf den Auslaßkantenwert.
  • Die Art, in welcher der Läufer in einer hydraulischen :Maschine mit Axialfluß verwendet wird, hängt von dem :@laschinentvp und von den Betriebsverhältnissen ab. - Bei einer Axialpumpe wird es in der Regel am besten sein, den Läufer in einem zylindrischen Gehäuse zwischen gleichachsig angeordneten Einlaß- und Auslaßschaufeln anzuordnen, wenn auch in manchen Fällen, z. B. wenn die Austrittsrichtung rechtwinklig zur Läuferachse innerhalb eines beschränkten Raumes liegen soll, die konaxialen Auslaßleitschaufeln in erweiterten Gehäuseteilen liegen können und im äußersten Falle durch eine Wirbelkammer von trichter- oder trompetenartig sich erweiternder Gestalt mit mittlerem Kern oder von Schneckenform oder durch einstellbare Leitschaufeln des ausbalanzierten Flügeltyps ersetzt werden; die letzterwähnten Ausführungsformen sind insbesondere auch geeignet für die umgekehrte Anwendung für eine Axialreaktionsturbine. In anderen Fällen, für andere hydraulische Maschinen sowie für Pumpen z. B: mit großer Druckhöhe und mäßiger Umlaufgeschwindigkeit kann ein zweiter, entgegengesetzt kreisender gleichachsiger Läufer die Auslaßführungsschaufeln ersetzen. Typische Fälle derartiger hydraulischer Maschinen sind in den Fig. a bis 1z der Zeichnungen wiedergegeben.
  • Bei der Axialpumpe nach Fig. z bis q. wirkt der oben beschriebene Läufer zwischen anliegenden, festen und gleichachsigen Leitschaufeln in einem zylindrischen Gehäuse D. Die Zahl der Einlaßleitschaufeln liegt vorzugsweise zwischen zwei und sechs, und die Schaufeln können radial oder tangential oder im Grundriß gekrümmt angeordnet sein. Die Schaufeln sind gewöhnlich so bemessen, daß sie eine axiale Einströmungsrichtung zum Läufer aufrechterhalten, können aber auch in Läuferdrehrichtung oder gegen die Läuferdrehrichtung gekrümmt sein, um sich besonderere Einströmungsbedingungen anzupassen oder diese herbeizuführen.
  • Die @ Auslaßleitschaufeln F, vorzugsweise zwischen vier und acht (im Beispiel sind es sechs), haben Einlaßkanten F1 von solcher Krümmung, daß sie das strömende Mittel annähernd in der axialen Austrittsrichtung aus dein Läufer aufnehmen. Sie schließen einen kleinen Winkel mit einer transaxialen Ebene nahe der Nabe und einen größeren Winkel nahe dem Umfange ein. Die Tätig-Izeit dieser Schaufeln besteht in einer Umwandlung der Kreiselbewegung, die dein strömenden Mittel durch den Läufer erteilt ist, in Druckhöhe bzw. Druckenergie. Der Grad der Krümmung der Schaufeln folgt dem Gesetz s # tgy = (r-s) tg ß, dabei sind ß und y die Winkel, die mit einer zur Strömungsröhre senkrechten Fläche bei einem beliebigen Halbmesser durch die Auslaßkanten der Läuferschaufel bzw. durch die Einlaßkanten der Auslaßleitschaufel gebildet werden, während s das Schlupfverhältnis bei dem betreffenden Halbmesser ist. Die Auslaßkanten F= der _Auslaßleitschaufeln sind so ausgeführt, daß sie eine annähernd axiale Richtung des Austritts unterstützen; die Schaufeln selbst können in der dargestellten Weise tangential oder radial oder im Grundriß gekrümmt gestaltet sein. Die Querschnitte der Schaufeln sind vorzugsweise von solcher Stromlinienform und Dicke, daß die sektorförmigen Räume zwischen den Schaufeln in der Strömungsrichtung annähernd den Veränderungen der nuerschnittsfläche selbst zu den sich erweiternden Durchlässen für die maximale Druckerhöhung folgen.
  • Die Abstände zwischen Läufer und anliegenden Kanten der Leitschaufeln werden gewöhnlich' klein gehalten. Soll in Suspension befindliche feste Masse behandelt werden oder sollen erhebliche Schwankungen in der Pumpleistung berücksichtigt werden, so kann dieser Abstand verändert werden; eine radial nach auswärts verlaufende Zunahme im Abstand ist in vielen Fällen wünschenswert, selbst wenn keine Feststoffe vorhanden sind.
  • Gestalt und Abmessung der Naben El und F3 in den Räumen, die axial von den Leitschaufeln eingenommen werden, sind nach Maßgabe der Nabe C gewählt; in manchen Fällen kann es wünschenswert sein, von der Zylinderform der Läufernabe abzuweichen, und in diesem Falle kann zweckmäßig der Körper, der sich aus den drei Naben E', C, F3 zusammensetzt, nach einer Stromlinienform, sich allmählich verjüngender oder Wulstform oder in sonst als zweckmäßig erachteten Weise ausgeführt sein. Das Gehäuse D wird eine solche Form im Verhältnis zu den Naben aufweisen, wie es die Rücksicht auf die axialen Durchtrittsquerschnitte fordert.
  • Die beschriebene Anordnung und auch die Axialpumpe, die unten beschrieben wird, kann auch in umgekehrter Strömungsrichtung als axiale Reaktionsturbine arbeiten. Gewöhnlich jedoch wird es zweckmäßig sein, eine spiralige Einlaßkammer bzw. ausgeglichene, verschwenkbare Leitschaufeln zur Regelung der Einströmung zu verwenden. Eine solche Ausführung der Erfindung für eine Axialturbine zeigt Fig. 5. Bei dieser Anordnung dreht sich in der schon beschriebenen Weise der Läufer G in seinem senkrechten Gehäuse H von im allgemeinen zylindrischer Form. Der Einlaß an dem oberen Ende der Gehäuseoberseite H erfolgt durch einen schräg gerichteten kingeinlaß Hl, und er wird gesteuert durch die verschwenkbaren doppelflügeligen Leitschaufeln T, die gleichzeitig durch bekannte Einrichtungen, wie beispielsweise den mit Schlitzen versehenen drehbaren Aufsatz 7', einstellbar sind. Bei dieser Anordnung ist der Läufer G axial in der durch punktierte Linien angedeuteten Weise eins s tellbar, um eine Anpassung an verschiedene Betriebsbedingungen zu ermöglichen.
  • In manchen Fällen, sowohl für Pumpen wie für Turbinen, kann es zweckmäßig sein, den Läufer so zu gestalten, daß er leicht mit anderen der Erfindung @ entsprechenden Läufern vertauscht werden kann, die annähernd die gleiche Länge haben, jedoch verschiedene nominelle Steigungswerte und entsprechend verschiedene Schaufelzahlen. .Andererseits ist es manchmal erforderlich, für Untersuchung und Reinigung der arbeitenden Teile einer Pumpe Sorge zu tragen, ohne daß das Gehäuse auseinander genommen wird. Hierzu können Auslaß- und Einlaßleitschaufeln, zwischen denen der Läufer arbeitet, in einem herausnehmbaren Einsatz des Gehäuses angeordnet sein statt im Gehäuse selbst, so daß die ganze Pumpe als Einheit aus dem Gehäuse herausgenommen werden kann; die Einlaßleitschaufeln können so angeordnet sein, daß der Läufer axial zwischen ihnen herausgezogen «erden kann, wenn dies gewünscht wird.
  • Bei anderen Ausführungsbeispielen kann man verschiedenen ,1ilbeitsverhältnissen durch Drehung der Läufei schaufeln um ihre radiale Achse Rechnung tragen. Eine zweckmäßige, praktische Anordnung dieser Art ist in Fig. 6 bis S dargestellt; hier hat jede Läuferschaufel K einen schildzapfenartigen Fortsatz K', der dicht in die Nabe paßt, die zu diesem Zweck quer in zwei Hälften L und L' zerschnitten ist. Die beiden Nabenhälften werden durch Bolzen L= zusammengehalten, die in Nuten K= der Zapfen passen und die Schaufeln radial gegen die Fliehkraftwirkung in ihrer Lage halten.
  • Eirie derartige Dreheinstellung der Läuferschaufeln wird sie etwas aus der Steigungsanordnung' bringen und infolgedessen den Wirkungsgrad der Pumpe ein wenig herabsetzen: das Gesetz, «-elches die Steigungsverteilung im Läufer gemäß der Erfindung regelt, ist jedoch derart, daß der Abfall im Wirkungsgrad durch Drehung der Schaufeln um z. B. etwa 7' nach einer oder der anderen Seite der Normalstellung sehr gering ist, und der Nachteil dieses Abfalls im Wirkungsgrad wird weiter aufgohoben durch den Vorteil der Anpassungsfähigkeit der Pumpe an verschiedene Betriebsverhältnisse. Eine andere Art der Schaufelanordnung besteht darin, daß ein geschlitzter Flansch an der Schaufelwurzel vorgesehen wird, mittels dessen die Schaufel an der Nabe angebolzt werden kann: die Schlitze im Flansch sind so lang, daß sie die verlangte Einstellung um 7° nach der einen oder anderen Seite von der Normalstellung zulassen.
  • Die Einlaßleitschaufeln .il sind zwischen einer Nabe dl' und dem zylindrischen Gehäuse i11= in einer Weise angeordnet, die im allgemeinen ähnlich ist der der Leitschaufeln beim Beispiel nach Fig.2 bis 4.. Auch die Auslaßleitschaufeln können wie bei der Konstruktion nach Fig. 2 bis 4. angeordnet werden, doch sollen Fig.6 bis 8 beispielsweise eine abgeänderte Anordnung dieser Leitschaufeln zeigen, die in diesem Falle um ihre Längsachse drehbar sind, um Veränderungen in der absoluten Austrittsrichtung aus dem Läufer Rechnung zu tragen, welche aus Veränderungen in den normalen Betriebsbedingungen entstehen, und ferner auch aus der Dreheinstellung der Läuferschaufeln. Es wird zu diesem Zweck jede der Auslaßleitschaufeln N durch einen kurzen Zapfen N' getragen, der durch die Gehäusewandung 1V12 hindurchgeht und durch eine lfutter \p in seiner Lage gesichert werden kann. In anderen Beziehungen sind die Auslaßleitschaufeln im wesentlichen in der gleichen Weise angeordnet wie die Schaufeln hei der Konstruktion nach Fig. 2 bis 4..
  • Statt die Auslaßleitschaufeln drehbar im Gehäuse anzuordnen, kann man ein im-allgemeinen gleichartiges Ergebnis dadurch erzielen, daß man die Schaufeln mit einstellbaren Einlaßkanten versiebt. Eine solche Anordnung ist durch Fig.9 und io veranschaulicht: hier besteht jede Auslaßleitschaufel aus zwei Teilen O, O'. Der obere Teil O ist im Gehäusebefestigt, während der untere Teil 0' mit einem Ringflansch 0= versehen ist, der in ein Gehäuseloch paßt. Diese Anordnung gestattet nicht nur eine kleine Dreheinstellung des Einlaßteils O' der Schaufel, sondern auch eine leichte Herausnahrne des betreffenden Schaufelteils und Ersatz durch eine anders geformte Ersatzeinlaßkante für die Schaufel.
  • Fig.9 soll weiter zeigen, wie eine abgeänderte Anordnung für die Einlaßleitschaufeln (auch anwendbar auf die Konstruktion der in anderen Figuren dargestellten Axialpumpen) beschaffen sein kann, die insbesondere in solchen Fällen Verwendung finden soll, bei denen die Pumpe Flüssigkeiten fördert, die Feststoffe enthalten. Hier ist jede Einlaßleitschaufel aus einer Reihe von Zungen P gebildet: diese Zungen P sind an schmale, vom Gehäuse radial einwärts ragende und an der Achse verbundene Platten P' angebolzt. Die oberen Ränder der Zungen liegen in der Nähe der Einlaßränder der Läuferschaufeln. Im Beispiel sind vier derartige, aus zungenartigen Gebilden sich zusammensetzende Einlaßleitschaufeln verwendet, und die Anordnung ist derart, daß sie nicht nur in der normalen Weise dazu dienen, die Flüssigkeit richtig zu dem Läufer zu leiten, sondern daß sie außerdem mit dem Läufer O auf Zerkleinerung etwaiger in der Flüssigkeit vorhandener Festkörper hinwirken.
  • Fig. i i zeigt eine weitere Abänderung einer Axialpumpe mit völliger Weglassung der Auslaßleitschaufeln. Hier ist das Gehäuse R mit einem trompetenförmigen Fortsatz R' an der Auslaßseite des Läufers S versehen; ein Mittelkern H' hat solche Gestalt, daß er sich an die Läufernabe S' anschließt und mit dem Gehäusefortsatz R' zusammen die Auslaßkreiselkammer bildet, die veränderlichen Ouerschnitt derart aufweist, daß die regelmäßige Rückwandlung der Umlaufströmungsgeschwindigkeit vom Läufer nach der Austrittsöffnung zu erfolgt. Bei -einer solchen Anordnung ist es bisweilen wünschenswert, verstellbare Einlaßleitschaufeln zu haben, um Veränderungen in den Betriebsverhältnissen Rechnung zu tragen. Hierzu sind alle Einlaßleitschaufeln T auf kurzen Wellen T' angeordnet, die durch die Wand -des Gehäuses R hindurchgehen. Im ganzen ist die Anordnung entsprechend der der drehbaren Auslaßleitschaufeln nach Fig. 6 bis B.
  • Fig. 1a zeigt eine Anordnung, bei der die Auslaßleitschaufeln durch einen zweiten Läufer ersetzt sind. Diese Anordnung sei in ihrer Verwendung als Axialpumpe beschrieben; sie kann jedoch offenbar leicht als Kraftübertrager und für andere Zwecke benutzt werden. Im Beispiel sind die beiden Läufer U und V auf gleichachsigen Wellen U' und V' angeordnet, welche durch die Wände des Gehäuses W hindurchragen, das hierzu entsprechend abgebogen ist, während der mittlere Teil des Gehäuses in der Nähe der Läufer wenigstens annähernd, wie die Zeichnung zeigt, zylindrisch ist. Die beiden Wellen U' und L'' drehen sich in entgegengesetzter Richtung, wie die eingezeichneten Pfeile andeuten, und von den beiden Läufern ist der eine entsprechend rechtsgängig und der andere linksgängig. Der Läufer U an der Einlaßseite ist in der oben beschriebenen Weise gestaltet. Der zweite Läufer V aber, dessen Wirkung bei einer Pumpe ähnlich der von Auslaßleitschaufeln ist, weist eine Steigungsverteilung in seinen Schaufeln aus, die der richtigen Umwandlung der Austrittsumlaufgeschwindigkeit des Läufers U in Druckhöhe entspricht. In diesem Falle sind die Einlaßleitschaufeln durch eine stromlinienförmig verlaufende Rippe W' ersetzt, welche die Welle U' abstützt, und eine gleichartige Stützrippe W@' kann auch für die Welle U' vorgesehen sein. Fig. 13 und 14 zeigen Geschwindigkeits-und Druckdiagramme am Pumpeneintritt für die bevorzugte Form eines Läufers, wie er oben, insbesondere an Hand der Fig. i bis 3, geschildert wurde. In den Diagrammen zeigen die ausgezogenen Linien die Verhältnisse am Nabenhalbmesser, entsprechend dem Abstand von der Achse (dieser Halbmesser ist zu 2/5 des Außenhalbmessers angenommen). Die punktierten Linien beziehen sich auf die Flügelspitzen und die strichpunktierten Linien auf die Verhältnisse bei mittlerem Halbmesser.
  • Im Geschwindigkeitsdiagramm (Fig. 13) entspricht die Abszisse den Umfangsgeschwindigkeiten, während die Ordinaten Axialgeschwindigkeiten bedeuten. Die drei Punkte an der Abszissenachse veranschaulichen die Läuferumfangsgeschwindigkeit bei den drei Halbmessern, und die parallel zur Abszissenachse gemessenen Strecken, die mit w1, w2, iCl3 bezeichnet sind, bedeuten die Umfangskomponenten der absoluten Geschwindigkeit, die dem strömenden Mittel durch den Läufer bei den entsprechenden Halbmessern mitgeteilt werden; die entsprechenden Ordinaten v1, v2, v3 sind die Axialkomponenten der Geschwindigkeit. Die absoluten Austrittswinkel bei den drei Halbmessern sind mit y1 bis y' bezeichnet, und die entsprechenden Schaufelwinkel sind ß' bis ß3.
  • Das Druckdiagramm (Fig. 14) zeigt eine Kurve der Drücke im Verhältnis zum radialen Abstand. Es bedarf keiner weiteren Beschreibung.
  • Axialpumpen mit Läufern gemäß der Erfindung können auch als vielstufige Serienpumpen mit zwei oder mehr Läufern auf der gleichen Welle ausgebildet werden, die durch feste Leitschaufeln getrennt sind, und welche (wenn die Folge von Stufen sehr nahe beieinanderli,egt) so gestaltet werden könn"n, daß sie als Auslaßleitschaufeln für einen Läufer und als Einlaßleitschaufeln für den nächsten Läufer der Aufeinanderfolge dienen können.
  • Die Läufer können auch allein oder in Verbindung mit Leitschaufeln oder - sonstigen Läufern in anderen hvdraulischen Maschinen mit Axialströmung verwendet werden, z. B. für Triebschrauben, für Mischer oder für Kraftumwandler.
  • Die besonderen beispielsweise beschriebenen Anordnungen können im Erfindungsbereich nach Maßgabe besonderer Anforderun-, gen abgeändert werden, beispielsweise können Profil und Projektionsfläche der Läuferschaufeln verschiedene Formen und Flächenverhältnisse aufweisen, und die Läufer können offen oder mit Umschlußringen ausgeführt werden. Die zylindrischen Stücke der Läuferschaufeln können nach Stromlinien gebildet «-erden oder sonst geeignet erscheinenden Verlauf aufweisen.

Claims (1)

  1. PATRNTANSPRÜCHR: i. Läufer für hvdraulische :Maschiner. mit axialer Strömungsrichtung und an .einer Nabe angebrachten Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung an der Arbeitskante (Eintrittskante bei Turbinen, Austrittskante 'bei Pumpen) der Schaufeln von einem gegebenen Wert am Unifang des Läufers radial einwärts zunehmend allmählich in solchem Maße anw-4,cltst, daß die Steigung bei einem beliebigen Halbmesser r kleiner ist als aber größer als außer rinderNähe Nähe der Nabe, wo die Steigung rasch nach einem Werte zu anwächst, der sieh n i ähei -t-, wenn R der Umfan- 's halbniesser, K der gew"ihlte Steigungswert am Umfang und a das Verhältnis des Nabenhalbmessers zum Umfangshalbmesser bedeutet. Läufer nach Anspruch z, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Halbmesser idie Steigung größer ist als 3. Läufer nach Anspruch t oder a für Axialpuntpen, dadurch gekennzeichnet. daß die Steigung in der äußeren Hälfte des LävfPrri"peo einen Wert von annähernd hat, während in der inneren Hälfte des Ringes die Steigung allmählich über diesen Wert bis zu einem Wert an der Nabe wächst. der sich nach der Nabe zu dem Wert nähert. Läufer für eine hydraulische Maschine mit radialer Steigungsveränderung nach Ansprüchen i, 2 oder 3 an einer Läuferkante (Auslaßkante bei Pumpen, Eintrittskante bei Turbinen), bei dem die Steigung sich in axialer Richtung allmählich von dem Wert an dieser Kante zti einem annähernd konstanten Wert an der anderen Kante ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung einen annähernd konstanten Wert gleich K am Umfang an allen Stellen in Achsrichtung aufweist, wobei die Steigung an der zweiten Läuferkante annähernd bei allen Hall)-inessern konstant ist oder nur wenig vom Umfangswert K nach der Nabe zu anwächst. 5. Axialpumpe mit Läufer nach Anspruch r oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, da.ß in -der Nähe des Läufers angeordnete Einlaßleitschaufeln je aus einem Satz von biegsamen Zungen bestehen, die axial in Richtung auf den Läufer von einem raflial starren Glied vorspringen.
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