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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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..
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das Druckdiagramm (Fig. 14) zeigt eine Kurve der Drücke im Verhältnis
zum radialen Abstand. Es bedarf keiner weiteren Beschreibung.
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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.
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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.
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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.