DE2942703A1

DE2942703A1 - Energieumsetzende rotationsmaschine

Info

Publication number: DE2942703A1
Application number: DE19792942703
Authority: DE
Inventors: Ulric Keith Gerry
Original assignee: Gerry U K
Current assignee: Gerry U K
Priority date: 1978-10-24
Filing date: 1979-10-23
Publication date: 1980-05-08
Also published as: IT1125995B; JPS5560699A; IT7946880A0; FR2439869A1

Description

Anmeldet Ulric Keith Gerry,

56, Beverley Gardens, Wembley, Middlesex HA9 9QZ,England

Energieumsetzende Rotationsmaschine

Die Erfindung betrifft eine energieumsetzende Rotationsmaschine oder ei? ebensolches System, wie z.B. ein Axial- oder Zentrifugalkompres!-^r/ ^eiⁿ Axialgebläse, Wasser- und Luftpropeller mit Leitkanal b:"·· Leitkranz, Fluidlaufräder und andere Vorrichtungen zum Komprim -ren und/oder Beschleunigen von Fluid, welche Maschinen und Svsi'^jme nachstehend unter dem Begriff energieumsetzende Rotationsmar-hinen verstanden werden sollen. Die Erfindung betrifft Ströir.unc^sP^r°bleme, die in der Zone der gegenseitigen Beeinflussung zwischer den sich bewegenden Rotorschaufeln und dem benachbarten Gehäuseteil oder vergleichbaren Begrenzungsaufbau entstehen, wobei die Erf^:i(3ung hauptsächlich, jedoch nicht ausschließlich, bei Axialst^^mun<-J^smascni-^nen anwendbar ist.

Eine Prc lemgruppe bezieht sich auf das Spiel zwischen den Spitzen oder Ξηο=η der Schaufeln und dem Begrenzungsaufbau. Ein übliches Erforder is für einen leistungsfähigen Betrieb einer energieumsetzendf Maschine besteht darin, daß das eben erwähnte Endspiel klein sen sollte. Ein wesentliches Spiel kann zu einer unerwünschten Rezirkuj tion der Strömung an den Enden der Rotorschaufeln, zu einer st^rken Wirbelablösung, zu einer Ablösung der Strömung von dem Begrnzungsaufbau nach der Rotorebene und zu anderen Effekten

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führen, die für den Betrieb der energieumsetzenden Rotationsmaschinen schädlich sind.

Es sind viele Versuche vorgeschlagen oder durchgeführt worden, um die Leistung von Axialgebläsen und Axialkompressoren, Propellern mit Leitkranz und dergleichen energieumsetzenden Vorrichtungen zu verbessern, indem versucht wurde, das Spiel zwischen den sich bewegenden Schaufelenden und dem festen Gehäuse bzw. Leitkranz abzudichten oder auf andere Weise zu behandeln. Dies schließt die Verwendung des aus der Turbinenpraxis bekannten Deckringes oder Deckbandes mit einer dahinter vorgesehenen Labyrinthdichtung ein, wodurch jedoch zu große Ventilationsverluste bei den Gebläsen und Kompressoren usw. auftreten, um wirklich brauchbar zu sein, und schließt ferner ein das vorstehende Anbringen eines kleinen Flansches unmittelbar hinter der Hinterkante des Schaufelendes bzw. der Schaufelspitze, was zu einer Strömungsabtrennung im folgenden Inneren des Gehäuses führt, und schließt ferner ein die Beseitigung des Spieles, indem zwischen den Schaufelenden und der Gehäusewandung ein Reibkontakt vorgesehen wird, der jedoch nur im Versuchszustand erreicht worden ist. Die wirksamste und am meisten verbreitete Teillösung besteht in der Anwendung eines sehr kleinen bzw. feinen Endspieles, jedoch bringt dies immer technische Probleme mit sich und, bezüglich der Wasserpropeller, ist eine hohe Kavitationserosion zusätzlich anzutreffen.

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Um diese auf das feine Spiel zurückzuführenden Probleme zu vermeiden, ist eine breite Toroidausnehmung in der den Schaufelenden gegenüberliegenden Gehäusewandung vorgeschlagen worden, wodurch die technischen Beschränkungen aufgrund des Spieles herabgesetzt oder ausgeschaltet sind, wobei es aber gleichzeitig möglich ist, daß sich der Endwirbel voll entwickeln kann. Das große Ausmaß der Toroidaussparung kann selbst technische Probleme einführen bzw. bewirken, während die große Menge des die Schaufelenden umspülenden bzw. umströmenden Fluids mit der Folge eines Verlustes des effektiven bzw. wirksamen Schaufelaspektverhältnisses bzw. Schaufelstreckung und einer Verringerung der Schaufelendbelastungsfähigkeit Faktoren sind, die in vielen Fällen besser vermieden sind.

Andere Näherungslösungen dieser Probleme bestehen in verschiedenen Gehäusebehandlungen bzw. Gehäusegestaltungen, die radiale, umfangsmäßige, schräge und andere Schlitze einschließen, die in der Gehäusewandung in Fortsetzung bzw. Verlängerung der Schaufelenden vorgesehen sind. In einigen Fällen können diese Ausbildungen eine positive Wirkung auf die Leistung der Maschine ausüben sowie eine gesteigerte Wirksamkeit, verbesserte Drosseleigenschaften und einen zunehmenden Druckkoeffizient hervorrufen.

Im Unterschied zu den Ausgestaltungen der vorerwähnten Natur stützt sich die Erfindung auf dynamische Fluidmittel bzw. Fluidverhältnisse, um die Wirkung des Spieles zu verändern, um aufga-

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bengemäß unter anderem die Leistung zu verbessern, die Erfordernisse für das feine Spiel zu verringern bzw. leichter zu erfüllen und um die Kavitationseffekte bei Anwendung im Wasser zu minimieren oder zu beherrschen. Demgegenüber wurde nach dem Stand der Technik der Versuch gemacht, die Schaufelendeffekte durch Anwendung gewisser starrer Konstruktionen oder von feinem Spiel oder einer Kombination von beidem einzuschränken.

Die Basis der vorliegenden Vorschläge besteht in der Stabilisation der Strömung, die das Schaufelende und/oder den Schaufelfuß verläßt, durch den Lösungsgedanken, einen kleinen stehenden Ringwirbel in der Nähe bzw. Nachbarschaft der Hinterkante des Endes bzw. der Spitze und/oder des Fußes der Schaufel, wo analoge Zustände auftreten, aufrechtzuerhalten. Im allgemeinen wird der Strömung, die in diesem Wirbel gefangen, hineingeleitet oder geschleudert oder sonstwie induziert ist, die Möglichkeit gegeben, in eine geordnete Bewegung überzugehen, bevor sich äußere Schichten abschälen bzw. ablösen und, wenigstens teilweise, als eine Lamelle oder dergleichen Schicht an der Wandung des Begrenzungsaufbaues fortströmen oder sich mit der Verwirbelung vermischen, die an der nächstfolgenden Schaufel bzw. Flügel erzeugt wird.

Eine Vorrichtung bzw. Maschine nach der Erfindung ist so gestaltet, um eine lokale Form bzw. Ausbildung am Begrenzungsaufbau in der Nachbarschaft eines energieumsetzenden Rotors vorzusehen, der-

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gestalt, daß ein vollständiger oder wenigstens teilweiser und größtenteils stabiler Ringwirbel an einer solchen Stelle gebildet wird, der einen Raum zwischen dem relevanten Teil des Rotors und dem lokalen Begrenzungsaufbau besetzt bzw. einnimmt. Die betreffende Gestaltung kann so geformt sein, daß, wenn sie einem Fluidstrom in Abwesenheit eines energieumsetzenden Rotors ausgesetzt ist, von selbst einen stehenden Ringwirbel erzeugt, der in derselben Richtung dreht wie ein rotorerzeugter Wirbel, z.B. ein Schaufelendwirbel, oder daß diese Gestaltung die Rotorwirbel auf einfache Weise einfängt. In jedem Fall erfolgt die Rotation in dem Ringwirbel in der Richtung, welche die Fortbewegung des Fluids in dem Ring, Scheibe oder einem anderen Durchgang fördert, worin das Fluid eingeschlossen oder eingegrenzt ist.

Demgemäß besteht die Erfindung in einer energieumsetzenden Rotationsmaschine, die sich dadurch kennzeichnet, daß ein Begrenzungsaufbau vorgesehen ist, in dem wenigstens ein energieumsetzender Rotor mit einer Vielzahl von Schaufeln, Flügeln oder dergleichen gelagert ist, daß sich der Aufbau bis hinter die Schaufeln und im wesentlichen in axialer Richtung erstreckt sowie wenigstens eine zu den Schaufeln benachbarte, umfangsmäßige Diskontinuität bzw. Unstetigkeitsstelle aufweist, daß wenigstens ein Teil des Querschnittsprofiles der Unstetigkeitsstelle gekrümmt gestaltet ist und daß die Unstetigkeitsstelle zur Aufnahme eines Fluidwirbels angeordnet ist, der durch die Schaufelrotation innerhalb des Be-

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grenzungsaufbaues derart entsteht, daß an der Unstetigkeitsstelle ein stehender Ringwirbel mit einem axialen Ausmaß aufrechterhalten wird, das geringer ist als die Breite der durch die Schaufelenden betrichenen Bahn.

Vorzugsweise wird wenigstens ein Teil des Fluids in dem stehenden Ringwirbel in Form einer Lamelle bzw. laminaren Strömungsschicht an der Unstetigkeitsstelle abgelöst.

Die Unstetigkeitsstelle kann sowohl an der Innenwandung oder Außenwandung als auch an beiden Wandungen des Begrenzungsaufbaues vorgesehen sein, z.B. benachbart zur Schaufelhinterkante an deren freiem Ende oder Fuß oder an beiden Stellen.

Die Unstetigkeitsstelle kann in einer Mehrzahl von Formen ausgestaltet sein. Sie kann z.B. aus einer umfangsmäßigen, im allgemeinen halbkreisförmigen Ausnehmung in der Wandung des Begrenzungsaufbaues bestehen. Sie kann auch aus einer teilweise kreisförmigen Ausnehmung mit einer sich anschließenden Schulter bestehen, die eine glatte bzw. verrundete oder strömungsgünstige Lippe aufweist, die sich in den Fluidstrom hinter der Schaufelhinterkante erstreckt. Sie kann ferner aus einer Lippe oder Schulter bestehen, die sich in den Fluidstrom erstreckt, wobei die Ausnehmung in der oder durch die Lippe bzw. Schulter gebildet ist. Schließlich kann sie aus einer strömungsgünstigen Schulter bestehen/ die sich in den

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Fluidstrom hineinerstreckt, wobei zwischen der Schaufelhinterkante und der Schulter ein Raum vorgesehen ist, in dem sich der stehende Ringwirbel entwickeln kann.

Die energieumsetzende Rotationsmaschine kann einen Axial- oder einenZentrifugalkompressor umfassen, z.B. für Gasturbinen, ferner Axialgebläse mit oder ohne Leitkranz für sowohl Gasturbinen als auch Ventilatoren sowie schließlich Propeller mit oder ohne Leitkranz zur Anwendung im Wasser oder in der Luft.

Im folgenden ist die Erfindung anhand mehrerer in den anliegenden Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Figuren 1 ,2 ,3 , 3a

Figuren 4,5,6,6a

Figuren 7,7a-7d,
8-11,11a,
12-15

Figur 16

Wirbelausbildungen, die von einer Rotorschaufel

in Gegenwart eines Begrenzungsaufbaues abgelöst

sind,

vier unterschiedliche Formen weiter oben erwähnter

energieumsetzender Rotationsmaschinen mit Un-

stetigkeitsstellen im Begrenzungsaufbau,

verschiedene Ausführungsformen nach der Erfindung in schematischer Darstellung, einige Aspekte der Fluidströmung in einer bestimmten Form der Unstetigkeitsstelle in Übereinstimmung mit der Erfindung.

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Nach den Figuren 1,2,3 und 3a hat die Wirbelbildung, die sich an oder nahe einem Schaufelende ablöst, welches sich in dichter Nähe einer Gehäusewandung entlangbewegt, nicht nur eine Ursache, sondern mehrere. Eine dieser Ursachen ist der klassische Flügelendwirbel, wie er durch die Gegenwart der Gehäusewandung verändert ist und der verschwindet, wenn ein Reibkontakt oder eine andere vollständige Abdichtung erzielt ist. Es wird manchmal angenommen, daß dies die einzige Quelle der Wirbelbildung und der Verluste am Schaufelende ist. Andere Quellen der Endwirbelbildung sind nicht ausgeschlossen durch irgendwelche Formen der Abdichtung. An der Schaufel ist jedes Fluid, das sich in der Grenzschicht bedeutend verlangsamt, Zentrifugalkräften unterworfen und neigt daher entlang der Schaufel zur Radialbewegung nach außen. Dieser Effekt ist am stärksten auf der Saugfläche feststellbar, wo sich das Fluid entlang der Hinterkante der Schaufel sammelt und sich in einer verdickenden Schicht in Richtung zum Schaufelende bewegt. Während dieser Bewegung zum Schaufelende kann das Fluid mit der Wirbelabtrennung beginnen und in der Entwicklung der Schaufelendverzögerung bzw. Schaufelenddrosselung eine große Rolle spielen. Dieses Fluid verläßt das Schaufelende als ein rotierender Wirbel, dessen Drehsinn derselbe ist wie beim vorgenannten Wirbel, mit dem er normalerweise zusammenwirkt, worauf er dann in Form einer wendeiförmigen Gestalt in Nähe der Gehäusewandung abströmt.

Diese beiden Wirbel sind in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Es sei angemerkt, daß der Drehsinn dieser beiden Wirbel entgegenge-

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setzt ist zu demjenigen, der an einem "Wirbelerzeuger" erforderlich ist, der manchmal verwendet wird, um eine schlaffe Grenzschicht wieder zu erregen. Die vorliegenden Wirbel neigen dazu, das Fluid an der Gehäusewandung zur Ruhe zu bringen und ihre überschüssige Energie der Hauptströmung zu übergeben, wodurch die Gehäusegrenzschicht ungewöhnlich vergrößert als vielmehr unter»- drückt wird.

Ein dritter Wirbel entsteht, wo die Schaufel mit der Gehäusegrenzschicht oder ihrem Äquivalent zusammenwirkt; auf jeden Fall wird die Grenzschicht beeinflußt. Der Ursprung dieses Wirbels ist derselbe wie derjenige, den man bei Wind am Fuß eines hohen flachen Gebäudes oder an einem Pfahl im Flußbett antrifft. In diesen Fällen strömt das schnellere Fluid an der angeströmten Seite des Hindernisses nach unten, um das weniger energiereiche Fluid der Grenzschicht am Fuß zu verdrängen. Bei einem symmetrischen rechteckigen Gebäude wird diese nach unten gerichtete Strömung in Form eines hufeisenförmigen Wirbels von der Basis bzw. am Unterende des Gebäudes abgelöst, wie es in Figur 3 gezeigt ist. Wenn die Anströmfläche des Gebäudes zu der ankommenden Strömung geneigt ist, weisen die Schenkel bzw. Bogenteile des Wirbels eine ungleiche Stärke auf. Bei einer Gebläse- oder Kompressorschaufel tritt das gleiche Phänomen auf. In diesem Fall ist meistens das sich auf diese Weise ablösende Fluid in dem Schenkel konzentriert, der sich an der Hinterkante der Druckfläche ablöst und wenig Neigung zeigt, seinen

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Weg nach vorne zur Schaufelvorderkante bzw. um diese herum zu finden und dann über die Saugseite am Schaufelende wegzuströmen. Die Bewegung des Fluids in diesen Wirbel wird durch die Zentrifugaltätigkeit unterstützt, die ebenfalls dazu neigt, die Grenzschicht auf der Druckfläche (so dünn sie auch sein mag) in dieselbe allgemeine Bewegung zu drängen. Der Drehsinn dieses Wirbels, wo der von der Hinterkante der Druckfläche abgelöst wird, ist entgegengesetzt zu demjenigen der vorstehend erwähnten Wirbel, während der Drehsinn desjenigen Wirbels, der die Vorderkante passiert, der gleiche ist (Figur 3a)·

Die Stärke dieses Wirbels hängt stark von der Dicke der Grenzschicht ab und das Ausmaß seiner Erscheinung ist abhängig vom Schaufelendspiel. Wenn das letzere im Verhältnis zur Größe des Wirbels eine bedeutsame Größe aufweist, kann das gesamte Fluid,das den Wirbel bildet, unterhalb des Schaufelendes passieren und es erscheint kein beobachtbarer Wirbel.

Ein weiterer Faktor, der sich auf die Schaufelendströmung in Verbindung mit einer Gehäusegrenzschicht bezieht, besteht darin, daß die letztere eine vorzeitige oder sogar permanente Schaufelenddrosselung hervorrufen kann, was die Komplexität des Strömungsprofils erhöht. In den Fällen, in denen gewisse Arten von Schaufelenddrosselungen oder lokalen Strömungsablösungen gegeben sind, kann ein gut Teil der Wirbelausbildung vor der Schaufelhinterkante abgelöst werden und diese Ablösungsstelle kann die optimale Stelle

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für die Entwicklung eines ständigen Ringwirbels zum Zwecke der vorliegenden Erfindung beeinflussen.

Gemäß der Darstellung nach Figur 4, in welcher eine Anordnung dargestellt ist, die in dem US-Patent 3 011 762 offenbart ist, ist eine Anzahl Turbinenschaufeln in einem Gehäuse rotierbar, in , welchem eine Nut ausgebildet ist. Die axiale Länge der Nut ist größer als die Breite des Schaufelweges und weist eine ringförmige Ausnehmung auf, die zu der Hinterkante der Schaufeln benachbart ist. Es sei angemerkt, daß diese Anordnung im Unterschied zur vorliegenden Erfindung Turbinenschaufeln und die zugehörigen Gehäuse betreffen, z.B. einen sich expandierenden und verzögernden Fluidstrom, in dem die Wirbel- und Strömungsprofile im Bereich der Schaufelenden und -fuße sich beträchtlich von denjenigen der erfindungsgemäßen energieumsetzenden Strömungsmaschinen unterscheiden .

Die Funktion der Anordnung nach Figur 4 ist so, daß die ringförmige Ausnehmung Kühlluft empfängt, die radial aus dem hinteren Teil der Turbinenschaufeln ausgestoßen wird, wobei diese Luft dann in den Raum zwischen den Schaufeln und der Nut gedrängt wird, wodurch die Neigung zu Leckagen des Hauptgasstromes zwischen den Schaufeln und der Nut und den Räumen zwischen benachbarten Schaufeln vermieden ist.

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Somit wird die Kühlluft verwendet, um Leckagen des Hauptgasstromes zwischen den Schaufeln und des Turbinengehäuses zu vermeiden, wobei die Kühlluft in Zuströmrichtung befördert wird, so daß es möglich ist, die meiste Arbeit, die zum Komprimieren der Kühlluft benötigt wurde, in Form von Expansionsarbeit wiederzugewinnen, wobei diese Luft zum Verhindern von Gaslecks und zur Kühlung der Schaufeln verwendet wurde.

Figur 5 zeigt einen mit einem Leitkranz versehenen Propeller, der in dem US-Patent 3 620 640 offenbart ist, wobei der Leitkranz eine sehr große toroidförmige Ausnehmung aufweist. Die Enden der Propellerschaufeln rotieren in dieser Ausnehmung und die Aufgabe dieser Anordnung besteht darin, daß Schäufelendspielproblem durch Ausschalten des Gehäuses im Bereich der Schaufelenden zu lösen. Die Größe der Ausnehmung erlaubt es, daß eine große Luftmenge eintreten kann, was effektiv darauf hinausläuft, daß ein voll entwickelter Endwirbel gebildet wird. Diese Anordnung reduziert das effektive Aspektverhältnis der Schaufel im Vergleich zu einem orthodoxen Kranz. Diese Anordnung wird wahrscheinlich auch die durch die Propellertätigkeit erzeugte Grenzwirbelbildung um den Leitkranz reduzieren und somit auch den Leitkranzdruck bzw. -schub reduzieren. Ferner wird diese Anordnung das ungleichförmige Geschwindigkeitsprofil im Bereich der Schaufelenden ungewöhnlich vergrößern.

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Figur 6 zeigt ebenfalls einen mit einem Leitkranz umgebenen Propeller, wobei der Leitkranz eine Ausnehmung aufweist, die den Schaufelenden benachbart gegenüberliegt, wobei diese Ausführungsform in dem US-Patent 3 934 410 offenbart ist. Die vorgeschlagene Aufgabe dieser Anordnung besteht darin, den Schaufelendwirbel zu fesseln bzw. zu fangen und ihm zu erlauben, langsam abströmwärts zu fließen, wobei sich der Propellernachstrom ausdehnt, so daß die durchschnittliche Austrittsgeschwindigkeit reduziert ist. Diese Vorrichtung hat Ähnlichkeiten mit derjenigen in Figur 5, abgesehen davon, daß die Schaufelenden tatsächlich nicht in der Ausnehmung laufen und daß die Ausnehmung eine größere Krümmung zu haben scheint.

In Figur 6 ist eine in dem US-Patent 4 061 188 offenbarte Anordnung dargestellt, bei welcher der Coanda-Effekt in Verbindung mit einem kurzen und stark gekrümmten Leitkranz ausgenutzt bzw. verwendet wird. Diese Anordnung, die ein großes Schaufelendspiel aufweist, schlägt vor, Wirbel mit niedrigem Druck zu verwenden, um die Strömungshaftung an der Gehäusewandung bei stark divergierenden Strömungszuständen aufrechtzuerhalten. Eine solche Anordnung ist für Hochleistungsmaschinen aufgrund des übergroßen Schaufelendspieles und der Unwahrscheinlichkeit der Schaffung eines stabilen Wirbelzustandes ungeeignet.

Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsformen nach der Erfindung beschrieben.

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Die Beschreibung und die Funktion dieser Ausführungsformen, wie sie in den Figuren 7 bis 16 dargestellt sind, wird dazu dienen, die vorliegende Erfindung gegenüber den Vorschlägen nach dem Stand der Technik klar zu unterscheiden.

Figur 7 zeigt im Querschnitt und in Strömungsrichtung eine halbkreisförmige, sich umfangsmäßig erstreckende Diskontinuität bzw. eine Unstetigkeitsstelle in Form einer Ausnehmung 1 in einem Begrenzungsaufbau oder Gehäuse 2. Die Ausnehmung lokalisiert einen Ringwirbel 3 über der Hinterkante eines Rotorschaufelendes 4, wobei die Ausnehmung benachbart zu der bzw. angrenzend an die Schaufelhinterkante vorgesehen ist und nur zu einem Teil gegenüber dieser Hinterkante vorsteht, d.h. die Unstetigkeitsstelle ist im Bereich der Hinterkante der Schaufel vorgesehen. Die allgemeine Strömungsrichtung des Fluidstromes ist durch Pfeile 5 angegeben. Die genaue Längsbeziehung zwischen dem Schaufelende und der Ausnehmung ist durch diese Figur nicht definiert.

Figur 7a zeigt eine Ausnehmung, deren Umfang nur einen Teil eines Kreises darstellt, wobei die Umfangslänge, die in diesem Falle im Begrenzungsaufbau 2 eingelassen ist, größer ist als die eines Halbkreises. Figur 7b zeigt eine ähnliche Ausnehmung 1b, deren abströmseitige Kante sanft geglättet bzw. strömungsgünstig in die Linie bzw. Wandung des Begrenzungsaufbaues übergeht. Figur 7c zeigt eine Ausnehmung 1c, die vor der Schaufelhinterkante vorgesehen ist,

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wobei sowohl die zuströmseitige als auch die abströmseitige Kante dieser Ausnehmung sanft geglättet sind. Figur 7d zeigt eine halbelliptische Ausnehmung 1d.

Die Angabe der Stelle der Wirbel in diesen und den folgenden Figuren bezieht sich nur auf die Lage dieser Stellen und definiert nicht ihre Zusammenwirkung mit der Schaufelströmung.

Figur 8 zeigt eine ähnliche Ausbildung wie Figur 7, und zwar mit einer zusätzlichen Schulter 6, die in einem Teil vorgesehen .ist, um die Lokalisierung des Ringwirbels 3 in der erforderlichen Position zu unterstützen. Die Schulter 6 erstreckt sich in den Fluidstrom und hat auf ihrer Zuströmseite einen sanften übergang zu der Ausnehmung und ebenfalls einen solchen.mit der fortlaufenden bzw. sich anschließenden abströmseitigen Gehäusewand.

Figur 9 zeigt eine ähnliche Ausbildung wie Figur 7, ausgenommen, daß eine Ausnehmung 7 mit einer größeren Bogenlänge vorgesehen ist, die durch eine Lippe 8 gebildet ist, die sich in den Fluidstrom hineinerstreckt.

Figur 10 zeigt eine einen Ringwirbel aufnehmende Ausnehmung 9, die vollständig in einer Schulter 10 vorgesehen ist, wobei der Verlauf der ursprünglichen, zuströmseitigen Wandung des Gehäuseaufbaues 2 nicht unterbrochen ist. Diese Ausbildung kann verwendet werden, wo die Schulter beispielsweise einen Einsatz- oder getrennten

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Aufbau umfaßt, der in einem Gehäuse mit einem ununterbrochenen Wandungsverlauf eingesetzt ist. In diesem Fall ist die Unstetigkeitsstelle nur im Bereich der Hinterkante der Schaufeln vorgesehen.

Figur 11 zeigt eine Ausbildung, bei welcher die Unstetigkeit durch eine Schulter 12 geschaffen ist, die sich in den Fluidstrom erstreckt, wobei zwischen der Schulter und der Schaufelhinterkante ein schmaler Spalt gelassen ist, in dem sich ein ständiger Ringwirbel entwickeln kann. Figur 11a zeigt eine ähnliche Schulter 12a, deren Zuströmbereich durch eine Kurve bzw. gekrümmte Linienführung 39 strömungsgünstig ausgebildet ist.

Figur 12 zeigt im wesentlichen die Ausbildung nach Figur 9, wobei sie jedoch so angepaßt ist, um den Bedingungen am Schaufelfuß zu entsprechen, wo anderenfalls ein Wirbel entlang der Oberfläche der glatten Nabe 15 abgelöst werden könnte.

Figur 13 zeigt eine Ausbildung, bei der der Verlauf des Begrenzungsaufbaues 16 in dem Bereich gekrümmt ausgebildet ist, der durch das Schaufelende 17 bestrichen wird, wobei die Ausnehmung bzw. die Unstetigkeitsstelle in der Nachbarschaft des Weges der Hinterkante des Schaufelendes 19 ausgebildet ist.

Figur 14 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Axialkompressor, z.B. für eine Gasturbine. In Strömungsrichtung folgt einer Leit-

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schaufel 20 eine Rotorschaufel 21, wobei der Begrenzungsaufbau ein äußeres Gehäuse 22 und eine Nabe 23 umfaßt, die beide mit einer Unstetigkeitsstelle bzw. mit einer Schulter 24 bzw. 25 versehen sind, wobei die Schultern einen stehenden Ringwirbel (nicht gezeigt) lokalisieren, wie es beim Beispiel nach Figur 11 dargestellt ist. Eine Leitschaufel 26 der folgenden Stufe ist zwischen den beiden Schultern montiert.

Figur 15 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Wasserpropeller 27, der in einem Ringkanal läuft, der eine Unstetigkeitsstelle in Form einer Ausnehmung 29 und einer Schulter 30 umfaßt. Die Strömungsrichtung ist durch Pfeile 31 angegeben.

Figur 16 zeigt in bildhafter Weise einige der Strömungsaspekte bei einer Form der Unstetigkeitsstelle. Eine Schaufel 32 bewegt sich in einem Gehäuse 33 in Richtung der Pfeile 34, wobei sich das Arbeitsfluid aus der Richtung der Pfeile 35 nähert. Zwei der Komponenten eines durch die Unstetigkeitsstelle 36 lokalisierten stehenden Ringwirbels sind teilweise dargestellt, und zwar ein sich ausdehnender Kern 3 7 und eine äußere Schicht 38, die sich in Form einer Lamelle oder lamellaren Schicht abschält bzw. herausbildet und in Strömungsrichtung entlang der Gehäusewandung abströmt bzw. weiterströmt.

Die Größe, Form und Lage der für die Entwicklung des Ringwirbels vorgesehene Unstetigkeitsstelle sowie ihre Lage relativ zum Schau-

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feiende hängt von den dynamischen Fluidbedingungen bzw. -gegebenheiten ab, die für die jeweilige Anwendung bedeutsam sind, und ferner von solchen Zwängen, wie sie durch konstruktionsmäßige, gewichtsmäßige oder kostenbetreffende Faktoren gegeben sind. Die Ausbildungen nach den Figuren 7 und 11 zeichnen sich durch Einfachheit aus, während sehr stabile Bedingungen mit solchen Ausführungsformen erreicht werden, wie sie z.B. in den Figuren 7a oder 8 gezeigt sind. Beispielsweise kann bei Anwendungen bei energieumsetzenden Vorrichtungen, z.B. ein Axialkompressor, bei dem die Querschnittsfläche zwischen den Stufen reduziert ist, die Schulter derart ausgebildet sein, um die benötigte Reduktion und gleichzeitig eine solche Form vorzusehen, um ein geeignetes Strömungsprofil für die nächste Stufe zu erzielen. Im Fall der Anwendung bei einem Wasserpropeller mit Leitkranz, wobei der Propeller der Endwirbelkavitation unterworfen sein kann, kann die Ausbildung für den Ringwirbel derart sein, um den Einschluß der Kavitation in einer ausreichenden Schicht unkavitierten Fluids zu sichern, um den Zusammenbruch der Kavitation an der Oberfläche des Begrenzungsaufbaues zu verhindern. Dies kann ebenfalls vorgesehen werden in Verbindung mit der Propellerbelastung, der Schaufelendform, des Schaufelsteigungsverlaufes und anderen bedeutsamen Faktoren, um soweit wie möglich die Bedingungen aufrechtzuerhalten, bei denen der Kern des stehenden Ringwirbels in einem kavitierten Zustand verbleibt, wodurch wenigstens die Effekte bzw. Vorgänge in einem gewissen Ausmaß ausgeschaltet sind, die mit dem Kavita-

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tionszusammenbruch verknüpft sind.

Ein Aspekt der Fluiddynamik kann in etwa folgendermaßen beschrieben werden. Ein Teil des Fluides auf der Druckfläche einer Schaufel wird unter das Schaufelende gedrängt und gelangt als ein Wirbel in die Ausnehmung oder in eine andere Unstetigkeitsstelle, anstatt abströmseitig zu passieren. Der Wirbel wird dann durch die nächstfolgende Schaufel getroffen, wo er sich erfahrungsgemäß als ein Wirbel erweist, der dazu neigt, das Fluid nach oben zur Druckfläche dieser Schaufel zu treiben, im Gegensatz zur Tendenz des Fluides, an der Druckfläche nach unten getrieben zu werden. Da die Stärke des Wirbels, der bei gleichförmigen Schaufeln in einem gleichförmigen Strom abgelöst wird, gleichbleibt, bedeutet dieser Gegensatz, daß die Schaufeln zur Gesamtstärke des Wirbels nichts progressiv hinzufügen, sondern lediglich genügend Energie benötigen, um diejenige Energie zu ersetzen, die durch Reibung zwischen den aufeinanderfolgenden Schaufeln verlorengegangen ist. Demgemäß wird die Gesamtenergie, die durch diese Komponente des Schaufelendwirbelsystems aufgenommen ist, lediglich diejenige sein, die zur Aufrechterhaltung des Ringwirbels selbst erforderlich ist, wobei diese im allgemeinen beträchtlich geringer sein sollte als diejenige, die verlorengeht, wenn die Endwirbel getrennt abgelöst werden.

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An den Schaufelfüßen (oder an den Schaufelenden beim Zustand von Reibkontakt), wo kein Radialspiel besteht, wird dennoch ein ähnlicher Wirbel abgelöst, dessen Ursprung im allgemeinen den Grenzschichtwirkungen zugeschrieben wird. Eine erfindungsgemäße Ausbildung kann in gleicher Weise angewendet werden und wird in einer Weise funktionieren, die der vorstehend beschriebenen analog ist.

Eine weitere Wirkung der Erfindung, wenn diese bei mehrstufigen Maschinen angewendet wird, besteht darin, daß die Reduzierung der Wirbelbildung, die entlang der Fläche des Begrenzungsaufbaues im Bereich des Schaufelendes und des Schaufelfußes abgelöst wird, zu einer gleichmäßigeren Geschwindigkeitsverteilung in dem Fluid- strom führen wird, der zur jeweilig nachfolgenden Stufe gelangt.

Die Ausführungsform nach Figur 14, die oben teilweise beschrieben ist, ist bei einer Stufe in einem Axialkompressor angewendet. Alternativ zu der in Figur 14 gezeigten Ausbildung kann die Unstetigkeitsstelle eine der in den Figuren 7 bis 10, 11a und 13 auf weisen. Die Höhe jeder Schulter, wo sie vorhanden ist, und ihr Abstand von der Hinterkante jeder Schaufel ist so gewählt, um den Ringwirbel bei den gewünschten Betriebsbedingungen zu lokalisieren und zu stabilisieren·. Die Höhe einer Schulter kann ebenfalls auf das Ausmaß und die Form einer Querschnittsreduzierung des Ringkanals zwischen aufeinanderfolgenden Stufen abgestimmt sein.

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Die Größe und die Form der Unstetigkeitssteiie brauchen am Fuß und am Ende einer Schaufel nicht übereinzustimmen. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Ausbildung auf nur einen Begrenzungsaufbau beschränkt sein und kann bei einer oder mehreren Stufen verwendet werden. Die optimale Ausbildung hinsichtlich der Position, der Größe, der Form und des Spiels für die Schulter und die Ausnehmung bzw. Ausnehmungen, falls vorhanden, sowie des Schaufelendes und des Schaufelfußes kann durch Versuche ermittelt werden.

Wo hinsichtlich der maschinellen oder anderweitigen Herstellung bei der Schaffung der Unstetigkeitssteiie oder aus baulichen oder anderen Gründen Schwierigkeiten auftreten, kann ein Teil oder der gesamte erforderliche Begrenzungsaufbau als ein separater Einsatzteil ausgestaltet sein. Der Einsatzteil kann ein vollständiger Ring sein, aus zwei halbkreisförmigen Teilen oder aus Segmenten bestehen. Er kann mit den folgenden Leitschaufeln verbunden oder darin eingebettet sein.

Eine ähnliche Ausführung ist die eines Axialgebläses, bei dem im allgemeinen nur ein Satz Leitschaufeln vorgesehen ist, und zwar entweder auf der Zuströmseite oder auf der Nachströmseite. Wenn verstellbare Schaufeln bei einem solchen Gebläse verwendet werden, kann dafür gesorgt werden, daß das gewünschte Spiel zwischen den Schaufeln und der Schulter, wo eine solche vorgesehen ist, erhalten bleibt, und zwar dadurch, daß die Stellung der Schulter einstellbar ist. Wo die Steigung der Schaufeln als Ganzes durch gewisse äußere

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Steuermittel verändert werden kann, ist dafür gesorgt, daß die axiale Position eines Teiles oder der gesamten Schulter gleichzeitig verändert wird. Alternativ kann die Ausrichtung der Rotationsachse der Schaufel derart sein, daß dadurch die Veränderung des Spiels zwischen den Schaufeln und der Vorderfläche der Schulter minimiert ist. Ferner kann die Veränderung des Spieles in einigen Fällen akzeptiert werden. Ebenfalls kann die Form des Schaufelfußes und des Schaufelendes verändert werden, um sich der Gegenwart der Schulter anzupassen, wobei darauf geachtet werden muß, daß bezüglich der Position des stehenden Ringwirbels eine abströmseitige Wirbelablösung vermieden ist. Diese Ausgestaltungen können auch miteinander kombiniert werden.

Bei dem in Figur 15 gezeigten Ausführungsbeispiel für beispielsweise eine Wasserpropeller kann dieser Propeller 27 von einem Leitkranz 28 umgeben sein, der eine Tiefe bzw. eine Breite aufweist, die etwa dem halben Propellerdurchmesser entspricht, wobei der Propeller etwa bei der halben Breite angeordnet ist. Die Ausnehmung 29 und die Schulter 30 sind hinter dem Schaufelende vorgesehen. Um die Entfernung des Propellers zu erleichtern, kann der Leitkranz aus zwei Teilen bestehen, wobei der hintere Teil entfernbar ist, um die Demontage des Propellers zu erlauben. Alternativ können Ausgestaltungen gewählt werden, die von der Formgebung der Schulter und den erforderlichen Eigenschaften des Leitkranzes abhängen, um beispielsweise eine beschleunigende, verzögernde

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oder diffusierende Wirkung des Leitkranzes zu erhalten. Die Tiefe oder Breite des Leitkranzabschnittes vor dem Propeller kann um ein gewünschtes Maß reduziert sein, und der übrige Teil des Leitkranzes kann bestimmt sein durch Formgebungen bzw. Bedingungen, die für eine Strömungshaftung und durch die Stärke der Grenzwirbelbildung erforderlich sind. Es können ferner andere Ausgestaltungen der Unstetigkeitsstelle verwendet werden einschließlich solcher, die entlang dem Umfang in der Form verändert sind, um nichtgleichförmigen Strömungen zu genügen.

Varianten der Ausführungsbeispiele enthalten Ausnehmungen, die vom teilweise kreisförmigen Querschnitt abweichen, z.B. teilelliptische Ausnehmungen. Ausnehmungsformen ohne scharfe innere Winkel werden vorgezogen.

Analoge Ausbildungen können in anderen Fällen verwendet werden, z.B. können derartige Ausgestaltungen an der Abgabeseite von Laufrädern von zentrifugalen oder halbaxialen Kompressoren oder Gebläsen vorgesehen sein. Es wird davon ausgegangen, daß die Erfindung eine beträchtliche Breite in Form und Anwendung aufweist und somit nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt ist.

Es sei angemerkt, daß bei allen Ausführungsformen, die in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben sind, wenigstens ein Teil bzw. ein Bereich der Unstetigkeitsstelle eine gekrümmte

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Gestalt aufweist, wenn diese in den dargestellten Querschnittsansichten betrachtet wird, und daß der stehende Ringwirbel eine axiale Ausdehnung aufweist, die geringer ist als die Breite des Weges, der von den Schaufeln bestrichen wird bzw. der sich durch den Umlauf der Schaufeln ergibt.

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Claims

-~,pnn nv;mas Wilson

Anmelder: UIric Keith Gerry,

56, Beverley Gardens, Wembley, Middlesex HA9 9QZ, England

Ansprüche

( 1 .yEnergieumsetzende, fluidbetriebene Rotationsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Begrenzungsaufbau vorgesehen ist, -in dem wenigstens ein energieumsetzender Rotor mit einer Vielzahl von Schaufeln, Flügeln oder dergleichen gelagert ist, daß sich der Aufbau bis hinter die Schaufeln und im wesentlichen in axialer Richtung erstreckt sowie wenigstens eine zu den Schaufeln benachbarte, umfangsmäßige Unstetigkeitsstelle aufweist, daß wenigstens ein Teil des Querschnittsprofiles der Unstetigkeitsstelle gekrümmt ausgestaltet ist und daß die Unstetigkeitsstelle zur Aufnahme eines Fluidwirbels. angeordnet ist, der durch die Schaufelrotation innerhalb des Begrenzungsaufbaues derart entsteht, daß an der Unstetigkeitsstelle ein stehender Ringwirbel mit einem axialen Ausmaß aufrechterhalten wird, das geringer ist als die Breite der durch die Schaufeln bestrichenen Bahn.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstelle eine Form aufweist, die sich als Folge der Tatsache ergibt, daß wenigstens ein Teil des Fluides des stehenden Ringwirbels im Bereich der Unstetigkeitsstelle in Form einer Strömungsschicht abgelöst wird.

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3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stehende Ringwirbel einen Durchmesser aufweist, der geringer ist als die Hälfte der Schaufelbreite,
4. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstelle im wesentlichen im Bereich der. Hinterkante der Schaufeln gelegen ist.
5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstelle nur im Bereich der Hinterkante der Schaufeln gelegen ist.
6. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstelle eine solche Form aufweist, daß die Bewegung des Fluides in Abwesenheit eines Rotors an der Unstetigkeitsstelle einen stehenden Ringwirbel erzeugen würde.
7. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstelle eine Querschnittsform aufweist, die entlang dem Umfang des Begrenzungsaufbaues geändert ist.
8. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstelle die Form einer in der Wandung des Begrenzungsaufbaues vorgesehenen Ausnehmung aufweist.

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9. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstelle eine Lippe oder Schulter einschließt, die sich hinter der Hinterkante der Schaufeln in den Weg des Fluidstromes erstreckt.
10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die . Vorderkante der Lippe oder Schulter eine Ausnehmung aufweist.
11. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstelle in einer Wandung des Begrenzungsaufbaues eine Ausnehmung und ferner eine Schulter aufweist, die hinter der Hinterkante der Schaufeln in den Weg des Fluidstromes hineinragt.
12. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstelle benachbart zum Ende der Schaufeln vorgesehen ist.
13. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeitsstelle benachbart zum Fuß der Schaufeln vorgesehen ist.
14. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid aus einer Flüssigkeit besteht.und daß die Unstetigkeitsstelle eine Form aufweist, die derart ist, daß ein

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vollständig kavitierter Kern in wenigstens einem Teil des stehenden Ringwirbels entwickelt wird.
15. Axialkompressor der Gasturbinenbauart, dadurch gekennzeichnet, daß er eine energieumsetzende Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13 aufweist.
16. Vorrichtung zur Erzeugung einer Vortriebskraft im Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine energieumsetzende Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 14 aufweist.
17. Zentrifugaler oder halbaxialer Kompressor oder Gebläse, dadurch gekennzeichnet,daß er oder es eine energieumsetzende Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13 umfaßt.

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