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Einrichtung zur Stabilisierung der Charakteristik von Kreiselradarbeitsmaschinen mit in einem Strömungskanal angeordnetem, axial durchströmten Laufrad
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stabilisierung der Charakteristik (Vil-Kennlinie) von
Kreiselradarbeitsmaschinen mit in einem Strömungskanal od. dgl. angeordnetem, axial durchströmtem
Laufrad, insbesondere von Axialpumpen und-ventilatoren.
Bei solchen Maschinen wird bei optimalem Betrieb das Laufrad erfahrungsgemäss meist gleichförmig beaufschlagt, d. h. die Zuströmgeschwindigkeit des Betriebsmediums ist über den ganzen Querschnitts- bereich des Laufrades hinweg zumindest ungefähr gleich. Dagegen ändert sich bei Teillastbetrieb die Zu- strömgeschwindigkeit des Betriebsmediums über den Querschnittsbereich des Laufrades hinweg mehr oder weniger stark.
Dies ist zum einen darauf zurückzuführen, dass bei Teillast, also bei geänderter Zuord- nung zwischen Strömungsvolumen und Förderhöhe, die einzelnen Partien der Laufradschaufeln mit zuneh- mendem Abstand von der Nabe eine zunehmende Erhöhung des Energieinhaltes (Druck+ kinetische Energie des Betriebsmediums bewirken, wodurch sich hinter dem Laufrad eine Strömung ausbildet, die mit zunehmendem Abstand von der Nabe stärker drallbehaftet ist, aber kleinere axiale Geschwindigkeiten aufweist.
Zum andern ist die ungleiche Verteilung der Zuströmgeschwindigkeit des Betriebsmediums über den Querschnittsbereich des Laufrades hinweg darauf zurückzuführen, dass sich bei Teillastbetrieb bekanntlich hauptsächlich im Randbereich des Laufrades die sogenannten rotierenden Stauzonen (" rotating stall") ausbilden, in denen die Durchströmgeschwindigkeit ungefähr gleich Null ist und die mit einer Geschwindigkeit rotieren, die etwas kleiner ist als die Drehgeschwindigkeit des Laufrades.
Vorstehend genannte Erscheinungen, nämlich die mit wachsendem Abstand von der Nabe zunehmende Abbremsung der axialen Geschwindigkeit der Strömung hinter dem Laufrad und die Ausbildung der rotierenden Stauzonen im Aussenbereich des Laufrades verursachen darüber hinaus die Entstehung eines Ringwirbels an der Wand des Strömungskanals vor dem Laufrad. Dieser Ringwirbel, der sich, wie durch eingehende Beobachtungen festgestellt wurde, sowohl in Form eines geschlossenen Rings wie auch in Form eines oder mehrerer über den Umfang verteilter Ringsegmente ausbilden kann, hat die Eigenschaft, dass er mit ungefähr derselben Geschwindigkeit wie die sogenannten Stauzonen in Umfangsrichtung sowohl als auch etwa senkrecht dazu in sich selbst rotiert.
Als Folge der vorstehend genannten Erscheinungen ergibt sich eine Stauung des Betriebsmediums in einem Teil des Durchflussquerschnitts des Laufrades. Dies hat eine mehr oder weniger starke Veränderung der Förderhöhe der Strömungsmaschine zur Folge und ist die Ursache für die Instabilität der Charakterstik - Kennlinie) dieser Maschine im Bereich einer gewissen Zone im Teillastgebiet. Diese sogenannte "instabile Zone", innerhalb der die Förderhöhe H kleiner ist als die Förderhöhe bei der dem Punkt besten Wirkungsgrades entsprechenden Fördermenge V und auch kleiner ist als bei der Fördermenge V = 0, ist aus der Kennlinie, auch Drosselkurve genannt, zu ersehen (vgl. Fig. l, wo der stabile Teil der Kennlinie strichpunktiert und mit a bezeichnet, die instabile Zone der Kennlinie schraffiert und mit b bezeichnet, dargestellt ist).
Zwecks Vermeidung der durch die Instabilität der Charakteristik der Kreiselradarbeitsmaschinen sich ergebenden Nachteile sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden. So hat man versucht, diese Instabilität dadurch zu beheben, dass bei einem Axialventilator in der Anordnung Laufrad-Nachleitrad vor
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dem Laufrad ein Saugring angeordnet wurde. Des weiteren wurde bei einem Axialventilätor in der Anordnung Vorleitrad-Laufrad vorgeschlagen, zwischen dem Laufrad und dem Vorleitrad einen koaxialen dünnen Ring, einen sogenannten Aussenring, mit möglichst grossem Durchmesser, nämlich mit einem etwa 8/10 des äusseren Laufraddurchmessers betragenden Durchmesser, einzubauen. Obwohl dabei versucht wurde, durch verschiedene Formgebung des Aussenrings zum Ziel zu kommen, konnten keine befriedigenden Ergebnisse erzielt werden.
Zwar wurde eine Verbesserung der Instabilität erreicht, aber dies nur auf Kosten einer erheblichen Verschlechterung des Wirkungsgrades.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zu Grunde, dass eine Stabilisierung der Charakteristik von Krei-
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rotierenden Stauzonen im Aussenbereich des Laufrades und von Ringwirbeln an der Wand des Strömungskanals vor dem Laufrad bei Teillastbetrieb an der Wand des Strömungskanals eine, vorzugsweise aber auf den Umfang des Strömungskanals verteilt mehrere, zumindest angenähert in Richtung der Maschinenachse verlaufende, strömungsgünstig ausgebildete, im wesentlichen radiale Rippen, Schaufeln od. dgl.
angeordnet werden, deren Höhe höchstens halb so gross ist wie der im Bereich ihrer Längserstreckung kürzeste Abstand zwischen der inneren und der äusseren Begrenzung des Strömungsquerschnitts, und deren Austrittskante unmittelbar vor der Eintrittskante der Laufradschaufeln liegt und, im Meridianschitt betrachtet, dieser, wie an sich bekannt, im wesentlichen angepasst ist.
Durch diese Rippen, die mit ihrer ebenen Erstreckung etwa senkrecht zur Drehrichtung der rotierenden Ringwirbel vor dem Laufrad sowie der rotierenden Stauzone im Laufrad stehen, werden die rotierenden Stauzonen nämlich viel wirkungsvoller abgebaut bzw. schon an ihrem Entstehen gehindert, als dies durch einen Ring möglich ist, dessen Profil in Schnittebenen senkrecht zur Drehrichtung der Ringwirbel und Stauzonen relativ gering ist und dessen ebene Erstreckung in allen Punkten sehr genau mit der Drehrichtung übereinstimmt, dem Umlaufen dieser Störzonen also lediglich mit der Reibungswirkung zwischen Störzonen und Ring entgegenwirkt.
Da sich die rotierenden Stauzonen entsprechend den jeweiligen Verhältnissen mehr oder weniger stark über die axiale Erstreckung der Laufschaufeln hinaus bis vor das Laufrad erstrecken und sich dementsprechend auch die Ringwirbelin einem mehr oder weniger grossen Abstand vom Laufrad vor diesem ausbilden, wird der axiale Abstand zwischen der Austrittskante der Rippe, Schaufel od. dgl. und der Eintrittskante der Laufschaufeln möglichst klein gewählt, auf jeden Fall aber so klein, dass zumindest der austrittsseitige Teil der Rippe in die rotierende Stauzone hineinragt. Die Länge der Rippe in axialer Richtung wird dabei möglichst klein gehalten, jedoch mindestens so gross, dass ihre Eintrittskante den rotierenden Ringwirbel mindestens zum Teil erfasst.
Die Lage und Form der Eintritts- und Austrittskante der Rippe wird zweckmässig ebenfalls den jeweiligen Verhältnissen, d. h. den an das Betriebsverhalten der Maschine gestellten Anforderungen angepasst. Daraus ergibt sich, dass es unter Umständen genügt, wenn die eine oder auch die mehreren, vorzugsweise bis zu zwölf, auf den Umfang des Strömungskanals verteilt angeordneten Rippen sowohl in bezug auf ihre Längserstreckung als auch in bezug auf ihre radiale Erstreckung in sich gerade ausgebildet werden. Beispielsweise können die Rippen mit in Ebenen senkrecht zur Längsrichtung des Strömungskanals von aussen nach innen sich stetig verjüngendem Querschnitt ausgebildet werden. Es kann sich aber auch als zweckmässig erweisen, dass die Rippen, insbesondere zur Erzeugung eines positiven oder negativen Dralles, einfach oder doppelt gekrümmt ausgebildet werden.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel gezeigt und wird im folgenden an Hand dieses noch näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die VH-Kennlinie, Fig. 2 in einem Längsschnitt durch einen Strömungskanal das Laufrad einer Kreiselradarbeitsmaschine mit einer vor diesem angeordneten Rippe und Fig. 3 hiezu einen Querschnitt längs der Linie a-a.
In den Fig. 2 und 3 bezeichnet 1 den Strömungskanal, 2 die Schaufeln und 3 die Nabe des im Strömungskanal angeordneten Laufrades einer Kreiselradarbeitsmaschine, beispielsweise einer Axialpumpe, das in Richtung des Pfeiles angeströmt wird. Mit Bezug auf die Anströmung des Laufrades ist unmittelbar vor demselben an der Wand des Strömungskanals die Rippe 4 angeordnet, deren Austrittskante 5 der Eintrittskante 2a der Laufschaufeln 2 angepasst und deren Eintrittskante 6 hier als eine unter einem Winkel von etwa 45 gegen die Strömungsrichtung geneigte Gerade ausgebildet ist.
Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, ist der axiale Abstand zwischen der Eintrittskante 2a der Laufschaufeln 2 und der Austrittskante 5 der Rippe 4 so bemessen, dass das austrittsseitige Ende der Rippe 4 sowohl den mit strichpunktierter Begrenzung und schraffiert angedeutetem rotierendem Ringwirbel 7 vor dem Laufrad als auch die mit gestrichelter Begrenzung und schraffiert angedeutete und sich über die axiale Länge der Laufschaufeln 2 hinaus erStrecken- de rotierende Stauzone 8 erfasst.
Wie aus dem Schnitt gemäss Fig. 3 zu ersehen ist, ist die in genau radialer Richtung verlaufende Rippe 4 mit einem von aussen nach innen sich stetig verjüngenden, schwach kegel-
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förmigen Profil ausgebildet und sowohl in Richtung ihrer genau mit der Achse des Strömungskanals parallel verlaufenden Längsrichtung als auch in Richtung ihrer Radialerstreckung in sich gerade. Ihre radiale Er- streckung ist mit weniger als 0, 5 der radialen Erstreckung der Laufschaufeln bemessen.
Erforderlichenfalls kann zur Abschirmung der gesunden Strömung gegen das Nabentotgebiet hinter dem Laufrad zusätzlich ein an sich bekannter Nabenring mit einem Durchmesser, der in Abhängigkeit vom jeweiligen Nabenverhält- nis 10 - 30po grösser als der Nabendurchmesser ist, und einer axialen Länge von etwa 0, 1 des Laufrad- aussendurchmessers angeordnet sein, der in den Fig. 2 und 3 als zylindrischer Ring 9 strichpunktiert ein- gezeichnet ist, aber auch, im Längsschnitt gesehen, etwa konisch oder kreisbogenförmig oder ähnlich aus- gebildet sein kann.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Einrichtung zur Stabilisierung der Charaktersitik von Kreiselradarbeitsmaschinen mit in einem
Strömungskanal angeordnetem, axial durchströmtem Laufrad, insbesondere von Axialpumpen und-venti- latoren, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Behinderung des Ausbildens bzw. Verhinderung des Ent- stehens von sogenannten rotierenden Stauzonen im Aussenbereich des Laufrades und von Ringwirbeln an der
Wand des Strömungskanals vor dem Laufrad bei Teillastbetrieb an der Wu'bd des Strömungskanals (l) eine, vorzugsweise aber auf den Umfang des Strömungskanals (1) verteilt mehrere, zumindest angenähert in
Richtung der Maschinenachse verlaufende, strömungsgünstig ausgebildete, im wesentlichen radiale Rip- pen, Schaufeln od. dgl.
(4) angeordnet sind, deren Höhe höchstens halb so gross ist wie der im Bereich ihrer Längserstreckung kürzeste Abstand zwischen der inneren und der äusseren Begrenzung des Strömungs- querschnitts, und deren Austrittskante (5) unmittelbar vor der Eintrittskante (2a) der Laufradschaufeln (2) liegt und, im Meridianschnitt betrachtet, dieser, wie an sich bekannt, im wesentlichen angepasst ist.
2. Einrichtung nachAnspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (4) in bezug auf ihre Längs- erstreckung und/oder in bezug auf ihre radiale Erstreckung in sich gerade ausgebildet sind.