DE3823514C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Seitenkanalmaschine mit axialer Beschaufelung für den Einsatz als Pumpe oder Verdichter.

Eine derartige Seitenkanalmaschine ist beispielsweise aus der DE-OS 19 21 945 bekannt.

Es ist bekannt, daß die Betriebscharakteristik und insbesondere der Wirkungsgrad von Seitenkanalmaschinen entscheidend von Art und Gestaltung des Schaufelrades abhängen. So betragen beispielsweise die Schaufelradverluste in herkömmlichen Seitenkanalmaschinen bis zu 75% der Gesamtverluste. Herkömmliche Seitenkanalmaschinen werden üblicherweise mit radialen Schaufelrädern hergestellt, obwohl in der DE-OS 19 21 945 bereits eine Seitenkanalmaschine mit axialer Beschaufelung vorgeschlagen und erörtert wird. Zu den wesentlichen Verlustquellen bei den radialen Schaufelrädern zählen bekanntlich die Stoß-, Reibungs- und Spaltverluste. Gelingt es daher, ein verlustärmeres Schaufelrad zu verwenden, dann lassen sich gleichzeitig die maßgeblichen Kenngrößen Wirkungsgrad, Druckziffer und Lieferzahl erhöhen.

Die Arbeitsweise der Seitenkanalmaschinen beruht darauf, daß das Fluid in der Seitenkanalmaschine mehrmals das Schaufelrad durchläuft und nach jedem solchen Durchlauf den im Schaufelrad gewonnenen peripheralen Impuls auf das im Seitenkanal enthaltene Fördermedium überträgt. Der Druckaufbau im Seitenkanal ist somit dem pro Zeiteinheit in den Seitenkanal übertragenen peripheralen Impuls des sog. Massenaustauschstromes proportional. Der Massenaustauscherstrom entspricht dabei dem Meridianvolumenstrom durch das Schaufelrad.

Anhand der Entwurfsgleichung für Seitenkanalmaschinen läßt sich der Einfluß der wesentlichen Bestimmungsgrößen auf die Betriebscharakteristik einer Seitenkanalmaschine beurteilen:

In dieser Gleichung bedeuten:
H = Förderhöhe
= Meridianmassenstrom
g = Erdbeschleunigung
A = Querschnitt des Seitenkanals
V = Fördervolumenstrom
c _au = Mittlere Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit am Schaufelaustritt

Gemäß dieser Gleichung muß ein möglichst günstiges Schaufelrad große Meridianmassenströme liefern, d. h., insbesondere eine große Schluckzahl aufweisen, und gleichzeitig eine große Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit c _au am Schaufelaustritt aufweisen. Die Umfangskomponente c _au wird dabei maßgeblich vom Reaktionsgrad r der Schaufeln bestimmt.

Aus der Gleichung geht nicht unmittelbar hervor, welche Schaufelart, z. B. axial oder radial, die vorgenannten Bedingungen am besten erfüllt, da grundsätzlich jede Schaufel mit einem Reaktionsgrad zwischen 0 und 1 in einer Seitenkanalmaschine verwendbar ist. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß Axialräder aufgrund ihrer größeren Schluckzahlen um ein mehrfaches größere Meridianmassenströme bzw. Massenaustauscherströme ermöglichen als Radialräder vergleichbarer Durchmesser. Durch geeignete Wahl des Reaktionsgrades lassen sich bei Axialrädern die angestrebten großen Umfangskomponenten c _au am Schaufelaustritt erzielen.

Die aus der DE-OS 19 21 945 bekanntgewordene axiale Beschaufelung zeigt Mängel, so daß keine nennenswerten Vorteile gegenüber herkömmlichen radialen Beschaufelungen erzielt werden können. Denn durch die in radialer Richtung gegenüber der lichten Weite des Seitenkanals etwa halb so große Schaufellänge ergeben sich große Rückströmbereiche, was zu einer entsprechenden Verminderung der Druckziffer führt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Wirkungsgrad und Druckziffer der bekannten Seitenkanalmaschinen mit axialer Beaufschlagung wesentlich zu erhöhen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Hieraus sich ergebende technische Vorteile der Erfindung sind folgende:

Dadurch, daß die axialen Schaufelblätter zweiflutig durchströmt werden und auf diese Weise über die gesamte Höhe des Seitenkanals in radialer Richtung wirken, wird auf das Fluid bei jedem Umlauf durch den Seitenkanal doppelt so viel Energie bzw. peripheraler Impuls übertragen wie bei der einflutigen, herkömmlichen Axialschaufel gemäß DE-OS 19 21 945, die nur über die halbe Höhe des Seitenkanals wirkt. Das hat zur Folge, daß die Druckziffer der erfindungsgemäßen zweiflutigen axialen Beschaufelung etwa doppelt so groß ist wie bei der einflutigen Bauweise gemäß DE-OS 19 21 945. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße zweiflutige axiale Beschaufelung geringere schädliche Rückströmbereiche im Seitenkanal auf als bei herkömmlichen einflutigen Axialschaufeln, da die mittlere Verweilzeit eines Fluidelementes im Seitenkanal zwischen Austritt und Wiedereintritt in den Schaufelbereich nur halb so groß ist wie bei der einflutigen Bauweise mit halber Schaufellänge.

Durch die über die gesamte Schaufellänge verlaufende Profilverwindung werden vorteilhafterweise im Auslegungspunkt die Stoßverluste über die gesamte Eintrittskante der Axialschaufel vermieden, während dies bei den in DE-OS 19 21 945 vorgeschlagenen Axialschaufeln mit konstantem Anstellwinkel nicht oder nur in einem begrenzten Bereich der Eintrittskante möglich ist. Darüber hinaus läßt sich durch diese Profilverwindung über die gesamte Schaufellänge das Geschwindigkeitsprofil des toroidalen Wirbelkerns im Seitenkanal im Hinblick auf die angestrebte Leistungscharakteristik einstellen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 3 und 4 angegeben.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1a einen Meridianschnitt eines erfindungsgemäßen axialen Laufrades;

Fig. 1b eine Draufsicht auf das Laufrad;

Fig. 1c, 1d Profilschnitte des Laufrades gemäß Fig. 1b;

Fig. 2a ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen axialen Laufrades;

Fig. 2b eine Abwicklung des axialen Laufrades;

Fig. 2c eine Ansicht des axialen Laufrades.

In Fig. 1a, 1b, 1c und 1d gelten folgende Bezeichnungen:
1 - Laufrad
1 a - innerer Schaufelbereich
1 b - äußerer Schaufelbereich
2 a - linker Seitenkanal
2 b - rechter Seitenkanal
3 - Seitenkanalgehäuse
4 - Antriebswelle
5 - Austauschwirbel
u - Umfangsgeschwindigkeit
C _mi - Meridiangeschwindigkeit im inneren Schaufelbereich
C _ma - Meridiangeschwindigkeit im äußeren Schaufelbereich
OO - Schaufelmitte
e₁ - Schaufelradebene am Eintritt von 1 b
e₂ - Schaufelradebene am Eintritt von 1 a
e₃ - Schaufelradebene am Austritt von 1 b
e₄ - Schaufelradebene am Austritt von 1 a
t₁ - Profiltangente am Eintritt von 1 b
t₂ - Profiltangente am Eintritt von 1 a
t₃ - Profiltangente am Austritt von 1 b
t₄ - Profiltangente am Austritt von 1 a
β₁ - Anstellwinkel der Schaufel zwischen e₁ und t₁ bzw. e₂ und t₂
β₂ - Anstellwinkel der Schaufel zwischen e₃ und t₃ bzw. e₄ und t₄

In Fig. 2a, 2b und 2c gelten folgende Bezeichnungen:
7 - Laufrad
8 a - linker Seitenkanal
8 b - rechter Seitenkanal
9 a - innerer Schaufelbereich
9 b - äußerer Schaufelbereich
10 - Teilungsring
11 - Stromlinie
12 - Gehäuse
13 - Ansaugstutzen
14 - Unterbrecher
15 - Austrittsstutzen
16 - Drehrichtung
l _i = Länge der inneren Axialschaufel 9 a
l _a = Länge der äußeren Axialschaufel 9 b

In Fig. 2b gelten insbesondere folgende Abkürzungen:
c _m = Meridiangeschwindigkeit
w = Relativgeschwindigkeit
c = Absolutgeschwindigkeit
u = Umfangsgeschwindigkeit der Schaufel
β₁ = Anstellwinkel der Schaufel zwischen Profiltangente t _i bzw. t _a und Schaufelradebene e _i bzw. e _a

Es gelten folgende Indizes:
″i″ für innere Beaufschlagung
″a″ für äußere Beaufschlagung
″1″ für den Schaufeleintritt
″2″ für den Schaufelaustritt

Es zeigen die Fig. 1a bis 1d eine erfindungsgemäße Seitenkanalmaschine mit einem zweiflutigen axialen Schaufelkranz am Laufrad 1 innerhalb eines zweiflutigen Seitenkanals 2 a, 2 b, dem Seitenkanalgehäuse 3 sowie der Antriebswelle 4. Jede der zweiflutigen Axialschaufeln besteht aus einem inneren Schaufelbereich 1 a und einem äußeren Schaufelbereich 1 b. Aus den Profilschnitten gemäß Fig. 1c und 1d ist zu ersehen, daß die Anstellwinkel ±β₁ von äußerem (Fig. 1c) und innerem (Fig. 1d) Schaufelbereich zueinander entgegengerichtet sind, wobei die Anstellwinkel ±β₁ durch die Profiltangenten t₁ bzw. t₂ am Schaufeleintritt und die Schaufelradebene e₁ und e₂ gebildet werden.

Wie aus Fig. 1a, 1b zu ersehen ist, werden die entgegengerichteten Anstellwinkel ±β₁ durch Profilverbindung über die gesamte Schaufellänge l erzielt. In der Schaufelmitte OO zwischen dem äußeren Schaufelbereich 1 b und dem inneren Schaufelbereich 1 a beträgt der Anstellwinkel β₁ annähernd 0°. Der Bereich OO liegt im Mittelkreis des toroidalen Austauschwirbels 5.

Aus Fig. 1a ist auch zu ersehen, daß beim Betrieb der erfindungsgemäßen Seitenkanalmaschine der für diese Strömungsmaschine kennzeichnende Austauschwirbel 5 entsteht und dadurch einen Massenaustauschstrom in beide Seitenkanalhälften 2 a, 2 b liefert. Aus dem Verlauf des Austauschwirbels 5 folgt weiterhin, daß die Meridangeschwindigkeit C _mi an der inneren Schaufel 1 a der Meridangeschwindigkeit C _ma an der äußeren Schaufel 1 b entgegengerichtet ist. Aus Fig. 1a ist außerdem zu ersehen, daß das Fluid bei jedem Umlauf im Seitenkanal 2 a, 2 b gemäß Austauschwirbel 5 zweimal die Schaufelradebene durchquert und dabei doppelt so viel Energie und peripheralen Impuls zugeführt bekommt, wie bei einer einflutigen Axialbeschaufelung.

Weitere Vorteile dieses Ausführungsbeispiels bestehen darin, daß

• - die die gesamte Beschaufelung aus einem Blechteil geformt werden kann, und daß
• - der auf die Laufradlagerung wirkende Axialschub vollständig ausgeglichen ist, da die Axialkraft auf den inneren Schaufelbereich 1 a entgegengesetzt gleich der Axialkraft auf den äußeren Schaufelbereich 1 b ist, und daß
• - die Schallemission aufgrund des geringen, im Schaufelraum eingeschlossenen Gasvolumens und der geringen Stoß- und Reibungseffekte wesentlich geringer ist als bei herkömmlichen Seitenkanalmaschinen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2a, 2b und 2c dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Es zeigt Fig. 2a einen Meridianschnitt durch eine Seitenkanalmaschine mit einem zweiflutigen axialen Laufrad 7 in einem zweiflutigen Seitenkanal 8 a, 8 b,. Der innere Schaufelbereich 9 a ist vom äußeren Schaufelbereich 9 b durch einen Teilungsring 10 abgegrenzt. Gegenüber dem Laufrad 1 im ersten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Axialschaufeln des Laufrades 7 dadurch, daß deren Profil unverwunden ist und daß somit deren Anstellwinkel +β₁ bzw. -β₁ über die jeweilige Schaufellänge l₁ bzw. l _a konstant bleibt. Der unterschiedliche Richtungssinn der Anstellwinkel +β₁ bzw. -β wird durch eine feste Einstellung der jeweiligen Schaufelbereiche 9 a bzw. 9 b in bezug auf die Schaufelradebenen e _i bzw. e _a erzeugt. Eine derartige Anordnung zweier Schaufelprofile wird als Profilschränkung bezeichnet.

Aus dem Strömungsbild gemäß Fig. 2 ist insbesondere der Austauschwirbel gemäß Stromlinie 11 zu erkennen, welcher symmetrisch zum Teilungsring 10 verläuft.

Es zeigt Fig. 2b eine Teilabwicklung des zweiflutigen Laufrades 7 mit dem inneren - gestrichelt eingezeichneten - Schaufelbereich 9 a und dem äußeren Schaufelbereich 9 b, sowie die maßgeblichen Geschwindigkeitsdreiecke für die Ein- und Austrittsströmungen der inneren und äußeren Schaufelbereiche 9 a und 9 b.

Aus den Geschwindigkeitsdreiecken gemäß Fig. 2b werden insbesondere die entgegengerichteten Durchflutungen bzw. Meridiangeschwindigkeiten c _m vom inneren Schaufelbereich 9 a und äußerem Schaufelbereich 9 b deutlich.

Wie aus Fig. 2b zu ersehen ist, läßt sich der Schaufelwinkel im Auslegungspunkt so wählen, daß örtlich stoßfreier Eintritt an innerem und äußerem Schaufelbereich 9 a, 9 b möglich ist.

Es zeigt Fig. 2c eine Normalschicht des zweiflutigen axialen Laufrades 7 mit dem inneren Schaufelbereich 9 a und dem äußeren Schaufelbereich 9 b, dem Teilungsring 10, dem Gehäuse 12, dem Ansaugstutzen 13, dem Unterbrecher 14 und dem Austrittsstutzen 15. Der Drehsinn des Axialrades 7 ist durch Pfeil 16 angegeben. Der Unterbrecher 14 ist in herkömmlicher Weise ausgeführt.

Claims (4)

1. Seitenkanalmaschine mit axialer Beschaufelung für den Einsatz als Pumpe oder Verdichter, gekennzeichnet durch ein zweiflutiges axiales Laufrad (1, 7) innerhalb eines zweiflutigen Seitenkanals (2 a, 2 b; 8 a, 8 b) mit Anstellwinkeln β₁ der inneren, achsnäheren Schaufelbereiche (1 a, 9 a) die den Anstellwinkeln β₁ der äußeren, achsferneren Schaufelbereiche (1 b, 9 b) entgegengerichtet sind, und einer gesamten Schaufellänge l in radialer Richtung der inneren und äußeren Schaufelbereiche (1 a, 1 b; 9 a, 9 b), die gleich der radialen Erstreckung des Seitenkanals (2 a, 2 b; 8 a, 8 b) ist, wobei die Meridiangeschwindigkeiten C _mi im inneren Schaufelbereich (1 a, 9 a) den Meridiangeschwindigkeiten C _ma im äußeren Schaufelbereich (1 b, 9 b) entgegengerichtet sind.

2. Seitenkanalmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstellwinkel β₁ der Schaufelbereiche (1 a, 1 b) durch Profilverwindung stetig über die gesamte Schaufellänge l von einem positiven Anstellwinkelbereich +β₁ vom Fuß des inneren Schaufelbereiches (1 a) bis zur Schaufelmitte (OO) in einen negativen Anstellwinkelbereich -β₁ des äußeren Schaufelbereiches (1 b) von der Schaufelmitte (OO) zur Schaufelspitze übergeht, wobei in der Schaufelmitte (OO) der Anstellwinkel annährend 0° beträgt.

3. Seitenkanalmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegengerichteten Anstellwinkel ±β, durch Profilschränkung zwischen dem inneren Schaufelbereich (9 a) und dem äußeren Schaufelbereich (9 b) erzielt wird.

4. Seitenkanalmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem inneren Schaufelbereich (9 a) und dem äußeren Schaufelbereich (9 b) ein Teilungsring (10) angeordnet ist.