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Laufrad für mittels Zentrifugalkraft arbeitende Fördermaschinen Die
Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad für mittels Zentrifugalkraft arbeitende Fördermaschinen,
z. B. Zentrifugalpumpen, Turbogebläse und Turbokompressoren, bei dem jede Schaufel
aus zwei etwa gleich langen, aneinander anschließenden, stumpfwinklig zueinander
gestellten, unter leichter Krümmung stetig ineinander übergehenden, im wesentlichen
geradlinigen Abschnitten - einem inneren und einem äußeren - gebildet ist und jeder
Laufradkanal zwischen Eintritts- und Austrittskante der Schaufel einen engsten Querschnitt
aufweist, an den sich in Strömungsrichtung ein bezogen auf die Drehrichtung nach
rückwärts gerichteter Diffusor anschließt.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß jeder Diffusor von dem
äußeren Abschnitt der einen Schaufel und dem inneren Abschnitt der entgegen der
Drehrichtung folgenden nächsten Schaufel sowie den Laufradwänden begrenzt ist und
gerade Achse hat und daß die Lauf radwände in an sich bekannter Weise im radialen
Bereich zwischen den Schaufelein- und -austrittskanten gleichbleibenden axialen
Abstand aufweisen.
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Versuche haben gezeigt, daß sich die Strömung beim Austritt aus dem
Diffusor aufteilt. Für einen ersten Strömungsast, der etwa der - in Drehrichtung
des Laufrades - vorderen Hälfte der den Diffusor durchsetzenden Strömung entspricht
und entlang der Rückfläche des äußeren Abschnitts einer ersten Schaufel strömt,
fällt der Austritt aus dem Diffusor mit dem Austritt aus dem Schaufel- oder Laufradkanal
zusammen; für einen zweiten Strömungsast, der aus der hinteren Hälfte der den Diffusor
durchsetzenden Strömung entsteht, ist der Schaufelkanal hinter dem Diffusor noch
fortgesetzt. Dieser zweite Strömungsast dreht nach dem Austritt aus dem Diffusor
in dem Drehsinn des Laufrades entgegengesetzte Richtung ab und strömt entlang der
Vorderfläche des äußeren Abschnitts der folgenden Schaufel. Erst am äußeren Ende
dieser Schaufel liegt für den zweiten Ast der Austritt aus dem Schaufelkanal. Zwischen
beiden Ästen entsteht ein Wirbelraum. Der erste (vordere) Strömungsast behält -
von einem mitdrehenden Beobachter aus gesehen - beim Austritt aus dem Schaufelkanal
weitgehend die Richtung der ihn leitenden Diffusorwand bei, weil für ihn erstens
das Diffusorende im wesentlichen mit dem Schaufelkanalende zusammenfällt, so daß
er nicht entsprechend dem zweiten, hinteren Strömungsast abzudrehen vermag; zweitens
aber bildet der zwischen beiden Ästen entstehende Wirbelraum, der wie eine dort
angeordnete Schaufel entsprechender Gestalt wirkt, für den vorderen Strömungsast
eine Stütze, durch die selbst die hinteren Teile des vorderen Strömungsastes in
ihrer bisherigen Richtung gehalten werden. In dem Wirbelraum wird verhältnismäßig
wenig Energie der geradlinigen Strömung in für das Stützen des vorderen Strömungsastes
nutzbar gemachte Rotationsenergie umgesetzt, weil der Wirbelraum - in Strömungsrichtung
- hinter dem Diffusor liegt, also in einem Gebiet, in dem die Strömungsgeschwindigkeit
bereits wesentlich abgesunken ist.
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In beiden Strömungsästen herrscht nunmehr jeweils eine der Durchflußströmung
mathematisch zu überlagernde Zirkulationsströmung mit Stromlinien von geringerem
Radius, als der Radius einer Zirkulationsströmung im äußeren Teil von Schaufelrädern
mit stetiger Rückwärtskrümmung, z. B. entsprechend der logarithmischen Spirale oder
der Kreis-Evolvente, und mit gekrümmter Diffusorachse beträgt. Damit wird auch die
zu der relativen Austrittsgeschwindigkeit vektoriell zu addierende, am äußeren Ende
des Schaufelkanals rückwärts gerichtete Zirkulationsströmungsgeschwindigkeit kleiner
als bei den erwähnten bisherigen Schaufelrädern, so daß die absolute Austrittsgeschwindigkeit
und insbesondere ihre zum Laufrad tangential gerichtete Komponente größer wird.
Damit werden aber der Wirkungsgrad und der Förderdruck einer mit dem neuen Laufrad
ausgestatteten Maschine bei sonst gleichen Verhältnissen größer. Bei Zentrifugalpumpen
erhöht sich dann auch die manometrische Förderhöhe entsprechend.
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Es sind zwar auch Laufräder bekannt, bei denen ein innerer und ein
äußerer Abschnitt geradlinig ausgebildet sind; die geradlinigen Schaufelabschnitte
sind dort aber nicht so gestellt, daß der äußere Abschnitt der einen Schaufel mit
dem inneren Abschnitt der entgegen der Drehrichtung folgenden nächsten Schaufel
einen geradachsigen Diffusor bildet. Vielmehr bilden je zwei aufeinanderfolgende
Schaufeln dieser Bauart
einen Diffusor mit abgewinkelter Achse,
nämlich die inneren Abschnitte zusammen einen ersten Diffusorteil und die äußeren
zusammen einen daran anschließenden, in andere Richtung gestellten Diffusorteil.
Überdies sind dort nicht Laufradwände mit im radialen Bereich zwischen Schaufelein-
und -austrittskanten gleichbleibendem axialem Abstand verwendet, sondern die äußeren
Schaufelabschnitte werden von innen nach außen in Achsrichtung breiter, so daß auch
aus diesem Grunde nicht ein äußerer und innerer Schaufelabschnitt von zwei aufeinanderfolgenden
Schaufeln einander gegenübergestellt sind, um einen geradachsigen Diffusor miteinander
zu bilden. Die bei dem erfindungsgemäßen Laufrad geschilderten Wirkungen treten
bei der in Rede stehenden bekannten Ausführungsform nicht auf.
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Ferner ist eine Bauform eines Laufrades bekanntgeworden, bei der die
Schaufeln in einem mittleren Abschnitt geradlinig gestaltet sind. Der mittlere Abschnitt
steht aber gegenüber einem gewölbten äußeren Schaufelabschnitt der vorhergehenden
Schaufel und hat überdies andere axiale Breite als jener; es sind also keine Laufradwände
mit gleichbleibendem axialem Abstand benutzt, so daß wiederum aus diesen beiden
Abschnitten kein geradachsiger Diffusor gebildet ist und die erwähnten Erscheinungen
sich nicht einstellen.
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Schließlich ist eine Bauart bekannt, bei der zwischen je zwei aufeinanderfolgenden,
von innen nach außen durchgehenden Schaufeln eine verkürzte Zwischenschaufel eingesetzt
ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist kein geradachsiger Diffusor in der erfindungsgemäßen
Weise mit den daraus folgenden Wirkungen gebildet, und die Zwischenschaufeln vermögen
infolge ihrer Lage und Gestalt auch nicht die Stützwirkung des Wirbelraumes auf
den vorderen Strömungsast bei der erfindungsgemäßen Ausbildung zu ersetzen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung schließen die je einen Diffusor
bildenden Schaufelabschnitte einen spitzen Winkel von etwa 10° miteinander ein.
Dieser Winkel konnte experimentell als Bestwert bestimmt werden.
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Bei einer Bauart der Erfindung weist der Zulaufteil zum engsten Querschnitt
jedes Laufradkanals abnehmenden Querschnitt auf und ist vom inneren Schaufelabschnitt
der einen Schaufel und dem inneren Endstück des inneren Abschnitts der entgegen
der Drehrichtung folgenden nächsten Schaufel sowie den Lauf radwänden gebildet.
Die Durchflußströmung wird dann vor dem Eintritt in den Diffusor beschleunigt, so
daß sie an der durch das Endstück des inneren Schaufelabschnitts gebildeten Wand
besonders gut anliegt und sich daher auch von der daran anschließenden Diffusorwand
nicht ablöst. Weiter folgt die mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit in den
Diffusor eintretende Durchflußströmung auch der gegenüberliegenden Diffusorwand
besonders gut, weil die bei der Drehung des Laufrades wirkende Trägheitskraft im
Vergleich zu der Zentrifugalkraft weniger ins Gewicht fällt. Durch die somit erzielte
ablösungsfreie Strömung im Diffusor werden der Wirkungsgrad und der Förderdruck
oder - bei Zentrifugalpumpen - die manometrische Förderhöhe weiter erhöht.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die - in
Drehrichtung gesehen - vordere Fläche jedes äußeren Schaufelabschnitts nach rückwärts
gekrümmt und die rückwärtige Fläche des Schaufelabschnitts plan, wobei die Krümmung
der vorderen Fläche in an sich bekannter Weise unter spitzem Winkel zur Umfangsrichtung
bis an die mit der zugehörigen Rückfläche des gleichen Schaufelabschnitts zusammenfallende
Austrittskante heranreicht. Die Anstellwinkel, unter denen die Vorder-und die Rückfläche
des äußeren Schaufelabschnitts zu der Tangente an das Laufrad stehen, werden damit
verschieden groß; insbesondere wird der Anstellwinkel der Rückfläche wesentlich
größer als der der Vorderfläche, so daß der entlang jeder Rückfläche geleitete Strömungsast
den vor ihm unter geringerem Winkel austretenden Strömungsast aus seiner bisherigen
Richtung - vom Laufrad weg - zu lenken (>;aufzurichten«) vermag. Die auf diese Weise
aus den beiden Ästen entstehende Strömung verläßt also das Laufrad unter größerem
Winkel zur Tangente, als wenn die Rückfläche eines äußeren Schaufelabschnitts parallel
zu der zugehörigen Vorderfläche stehen würde, so daß der Wirkungsgrad und der Förderdruck
- oder bei Zentrifugalpumpen die manometrische Förderhöhe - weiter vergrößert werden.
Wegen der planen Rückfläche des äußeren Schaufelabschnitts wird die Aufrichtwirkung
auf den entlang der zugehörigen Vorderfläche geführten Ast besonders groß.
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Vorteilhaft sind Vorder- und Rückfläche jedes inneren Schaufelabschnitts
in an sich bekannter Weise plan und stehen im wesentlichen parallel zueinander.
Der so gestaltete innere Schaufelabschnitt erfüllt seine zweifache Aufgabe, einerseits
bei der Bildung des geradachsigen Diffusors, andererseits bei der Bildung des beschleunigend
wirkenden Einlaufteils wesentlich mitzuwirken, am besten.
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Zweckmäßig ist jeder äußere Schaufelabschnitt - mindestens in seinem
mittleren Bereich - dicker als der zugehörige innere Schaufelabschnitt. Die Schaufeln
haben dann auch gegen ihre Spitze hin noch ausreichende Festigkeit, so daß sie dem
außen zunehmenden Flüssigkeitsdruck standzuhalten vermögen.
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NIan hatte zwar auch bei bisherigen Laufrädern für Zentrifugalpumpen
bereits erkannt, daß durch Vergrößern der - bei diesen Laufrädern für Vorder-und
Rückfläche jeder Schaufel gleich großen - Anstellwinkel die manometrische Förderhöhe
vergrößert wird; man mußte dabei aber in Kauf nehmen, daß der labile Bereich der
Q-H-Kennlinie (Q = Fördermenge in der Zeiteinheit, H = manometrische Förderhöhe)
größer wurde. Weiter hatte man auch erkannt, daß der Einfluß der Zirkulation verringert
werden kann, indem die Anzahl der Schaufeln erhöht wird. Hierbei wurde aber der
gesamte Einlaufquerschnitt des Laufrades verkleinert; weiter wurde auch der hydraulische
Radius (Verhältnis von flüssigkeitsbenetztem Querschnitt eines Schaufelkanals zum
Umfang dieses Ouerschnitts) verkleinert, so daß die Reibungsverluste größer wurden.
Demgegenüber wird bei dem neuen Laufrad durch das Aufrichten der Strömung mittels
des entlang der Rückfläche des äußeren Schaufelabschnitts strömenden Strömungsastes
der labile Bereich der Q-H-Kennlinie nicht vergrößert, sondern in vorteilhafter
Weise verkleinert. Ferner wird der Einfluß der Zirkulation vermindert, ohne daß
dabei Einlaufquerschnitt und hydraulischer Radius in nachteiliger Weise verkleinert
werden.
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Weitere Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung und den Ansprüchen.
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Fig. 1 zeigt zum Vergleich ein bisher verwendetes Laufrad in schematischer
Darstellung, teilweise mit abgebrochener Deckscheibe;
Fig. 2 veranschaulicht
ein erfindungsgemäß ausgebildetes Schaufelrad, von dem nur zwei Schaufeln dargestellt
sind, und ein zugehöriges Geschwindigkeitsdiagramm in größerem Maßstab; Fig. 3 ist
ein senkrechter Teilschnitt nach LinieA-A in Fig. 2 und Fig.4 ein Kennliniendiagramm
einer Zentrifugalpumpe.
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Bei dem Laufrad nach Fig.1 sind die Vorderfläche a und die Rückfläche
i jeder Schaufel 1 von innen bis außen stetig gekrümmt, so daß je zwei aufeinanderfolgende
Schaufeln auf ihrer ganzen Länge miteinander einen Diffusor mit gestrichelt eingezeichneter
gekrümmter Achse 2 bilden. Der Anstellwinkel ß", den jede Vorderfläche a mit der
Tangente 25 bildet, und der Anstellwinkel ßi, den jede Rückfläche i mit ihr bildet,
sind gleich groß.
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Bei dem um die Achse 21 drehbaren Laufrad 22 nach Fig. 2 sind die
gezeichneten Schaufeln als Ganzes mit S und T bezeichnet. Jede Schaufel besteht
aus zwei etwa gleich langen Abschnitten, nämlich einem inneren Abschnitt 3 und einem
äußeren Abschnitt 4, die bei 5 einen stumpfen Winkel miteinander bilden und die
dort unter leichter Krümmung 26, 27 ineinander übergehen. Der äußere, mit planer
rückwärtiger Fläche 8 versehene Abschnitt 4 der Schaufel S und der innere, mit planer
vorderer Fläche 9 ausgestattete Abschnitt 3 der entgegen der Drehrichtung folgenden
Schaufel T bilden zusammen einen Diffusor 6 mit gerader Achse 7. Durch den eine
plane Rückfläche 11 aufweisenden inneren Abschnitt 3 der Schaufel S und das innere
Endstück 10 des inneren Abschnitts 3 der folgenden Schaufel T wird ein Zu- oder
Einlaufteil 12 für den Diffusor 6 gebildet. Einlaufteil 12 hat in Strömungsrichtung
abnehmenden Querschnitt; an der Stelle kleinsten Querschnitts des ganzen Laufrad-oder
Schaufelkanals, nämlich bei 13, schließt der Diffusor 6 an den Einlaufteil 12 an.
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Während jeder innere Schaufelabschnitt 3 im wesentlichen zueinander
parallele Flächen 9, 11 hat, also auch seine Vorderfläche 9 plan ist, ist die Vorderfläche
14 jedes äußeren Schaufelabschnitts 4 - in Drehrichtung gesehen - nach rückwärts
gekrümmt, und die Krümmung reicht unter spitzem Winkel zur Umfangsrichtung bis an
die mit der zugehörigen Rückfläche 8 des gleichen Schaufelabschnitts 4 zusammenfallende
Austrittskante oder -spitze 15 heran; ferner ist Abschnitt 4 wesentlich dicker ausgebildet
als Abschnitt 3, so daß seine Dicke erst verhältnismäßig weit außen die des Abschnitts
3 unterschreitet. Der Anstellwinkel ßi' , den die Rückfläche 8 außen mit der Tangente
16 bildet, ist wesentlich größer als der Anstellwinkel ß", den die Vorderfläche
14 außen mit ihr bildet.
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Die Strömung teilt sich beim Austritt aus dem Diffusor 6 etwa im Bereich
von dessen vorderem, gestrichelt angedeutetem Ende 19 in zwei Äste, nämlich einen
vorderen Ast 17 und einen hinteren Ast 18. Strömungsast 17, für den das Diffusorende
19 im wesentlichen auch das Ende des Schaufelkanals bildet, tritt - von einem mitdrehenden
Beobachter aus gesehen - etwa in Richtung der Rückfläche 8 der Schaufel S aus dem
Schaufelkanal aus, während Strömungsast 18 entlang der an die Fläche 9 der Schaufel
T anschließenden Fläche 14 weiterströmt. Zwischen den beiden Ästen 17,18
bildet sich, wie die Versuche zeigten, ein Wirbelraum 20, der für As:- 17 eine Stütze
ist und mit dazu beiträgt, daß Ast 17 beim Austritt aus dem Laufrad die Richtung
der Fläche 8 behält. An jeder Schaufelspitze 15 richtet der Strömungsast 17 entsprechend
dem großen Anstellwinkel ßi den Strömungsast 18 auf, so daß die relative Austrittsgeschwindigkeit
i7, (ein Vektor) mit der Tangente 16 einen Winkel ß bildet, dessen Größe zwischen
der der Winkel ßi' und ß"' liegt. Zum Vergleich ist die relative Austrittsgeschwindigkeit
C1 gestrichelt eingezeichnet, die den gleichen Betrag wie @ hat und dem Laufrad
nach Fig.1 entspricht, bei dem die Anstellwinkel ßa, ßi an Vorder- und Rückfläche
jeder Schaufel gleich sind und den Betrag des Winkels ßü in Fig. 2 besitzen. Zu
der relativen Austrittsgeschwindigkeit zv addiert sich vektoriell die am Austritt
des Schaufelkanals tangential nach hinten gerichtete Zirkulations-Strömungsgeschwindigkeit
v, die kleiner ist als die entsprechende Geschwindigkeit v1 bei dem Laufrad nach
Fig. 1. (Es ist angenommen, daß das in kleinerem Maßstab gezeichnete Laufrad nach
Fig. 1 gleiche Umgangsgeschwindigkeit wie das Laufrad nach Fig. 2 hat; die Geschwindigkeitsvektoren
des Laufrades nach Fig. 1 sind in das Diagramm in dem der Fig.2 entsprechenden Maßstab
eingetragen.) Nach vektorieller Addition der Umfangssgeschwindigkeit is des Laufrades
zu w und v erhält man die absolute Austrittsgeschwindigkeit c , die den gleichen
Winkel a, zur Tangente 16 bildet wie die entsprechende Austrittsgeschwindigkeit
cl des Laufrades nach Fig. 1, jedoch größeren Betrag hat als diese. Damit ist auch
die für den Wirkungsgrad und den Förderdruck - oder bei Zentrifugalpumpen für die
manometrische Förderhöhe - maßgebende Tangentialkomponente c.u der absoluten Austrittsgeschwindigkeit
bei dem neuen Rad nach Fig. 2 größer als die entsprechende Komponente cul des Rades
nach Fig. 1.
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Die Aufteilung der den Diffusor durchsetzenden Strömung in zwei fiste
17, 18 läßt sich gegebenenfalls auch noch bei sehr geringer Krümmung der Achse 7
des Diffusors 6 erzielen, jedoch werden dann die Differenzen vi-v, c-ci und c,-cui
der Vektorenbeträge kleiner und damit der erstrebte Erfolg geringer. Maßgebend für
die mit der Erfindung erzielte Wirkung ist das Auftreten des Wirbelraumes 20.
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Bei dem Diagramm nach Fig.4 ist auf der Abszisse die Fördermenge 0
(Einheit z. B. m/sec) und auf der Ordinate die manometrische Förderhöhe H (Einheit
z. B. m) aufgetragen. Kurve I gehört zu einer mit dem Laufrad nach Fig. 1 ausgerüsteten
Pumpe, Kurve II zu der gleichen, mit dem neuen Laufrad nach Fig.2 ausgerüsteten
Pumpe. Da Kurve II höher als Kurve I liegt, sind manometrische Förderhöhe und damit
auch Wirkungsgrad bei Verwendung des neuen Laufrades größer als bisher; weiter ist
der labile Bereich l bei dem Laufrad nach Fig. 2 kleiner als der labile Bereich
1, bei Kurve I, und die Kurve II sinkt in Richtung auf die Ordinate weniger
weit ab als Kurve I.
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Das neue Laufrad läßt sich ohne weiteres in eine Maschine einsetzen,
die bisher mit einem Laufrad nach Fig. 1 ausgerüstet war, ohne daß andere Teile.
insbesondere das Leitrad, auch ausgewechselt zu werden brauchen, weil sich das neue
Laufrad so gestalten läßt, daß der Winkel a, den die absolute Austrittsgeschwindigkeit
c mit der Tangente 16 bildet, gleich groß wird wie der Winkel zwischen der absoluten
Austrittsgeschwindigkeit cl des Rades nach Fig. 1 und der Tangente 16.