DE8808920U1

DE8808920U1 - Seitenkanalmaschine

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Publication number: DE8808920U1
Application number: DE8808920U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-07-12
Filing date: 1988-07-12
Publication date: 1988-09-08

Description

U.Kayeer-Herold

Patentbeschreibung " Seit enkanalinaschine ¹¹

Die Erfindung betrifft eine Seitenkanalmaschine mit axialer Beschaufelung für der Einsatz als Pumpe oder Verdichter. Es ist allgemein bekannt,daß die Betriebscharakteristik und insbesondere der Wirkungsgrad von Seitenkanalmaschinen entscheidend von Art und Gestaltung des Schaufelrades abhängen,(Schrifttumsangabe 1-3).So betragen beispielsweise die Schaufelradverluste in herkömmlichen Seitenkanalmaschinen bis zu 7596 der Gesamtverluste / 1 /.Es ist auch aligemein bekannt,daß herkömmliche Seitenkanalmaschinen nur mit radialen Schaufelrädern ausgeführt worden sind,obwohl durch Offenlegungsschrift DE-OS 1921 94S eine Seitenkanalmaschine mit axialer Beschaufelung vorgeschlagen und erörtert wurde. Zu den wesentlichen Verlustquellen herkömmlicher radialer Schaufelräder zählen bekanntlich die Stoß-,Rei'oungs- und Spaltverluste.Gelingt es daher,ein verlustärmeres Schaufelrad su verwenden,dann ließen sich gleichzeitig die maßgeblichen Kenngrößen Wirkungsgrad,Druckziffer und lieferzahl In wünschenswerter Weise erhöhen.

Es iet allgemein bekannt,daß die Arbeitsweise der Seitenkanalmaschinen darauf beruht,da9 das Fluid iü der Seitenkanalmaschine mehrmals das Schaufelrad durchläuft und nach jedem solchen Durchlauf den im Schaufelrad gewonnenen perlplieralen Impuls auf die im Seitenkanal enthaltene Flüssigkeitssäule überträgt.Der Druckaufbau im Seitenkanal ist somit dem pro Zeiteinheit in den Seitenkanal übertragenen peripheralen Impuls des sog. Maesenaustauschetromes proportional.Der Massenaustauschetrom entspricht dabei dem Meridianvolumenstrom durch das Schaufelrad.

Anhand der allgemein bekannten Entwurfsgleichung für Seitenkanalmaschinen / 1 / läßt sich der Einfluß der wesentlichen Bestimmungsgrößen auf die Betriebscharakteristik einer Seitenkanalmaschine beurteilen:

H» I^ ( ^cau - £, ) (Gl.1)

* * int

U.Kayser-Herold - 2. -

In Gl.1 bedeuten:

H-Förderhöhe

A-Massenauetaueohstrom-Meridianmassenstrom g«Erdbeschleunigung f»Quersohnitt dee Seitenkanals V-Pördervolumenstrojß

c_ «Mittlere Umfangskomponente der Strömung am Schaufelaustritt

Gemäß Gl.1 muß ein möglichst günstiges Schaufelrad große Meridianmassenströme A liefern,d.h.,insbesondere eine große -Schluckzahl e_iifwnifl.eTi-und gleichzeitig große Umfangskomponenten c am Schaufelaustritt aufweisen,Die Umfangskomponente c wird dabei maßgeblich vom Reaktionsgrad r der Schaufeln bestimmt./ 1 /.

Aus Gl.1 geht jedoch 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. Massenaustauschströme ermöglichen als Radialräder vergleichbarer Dur chinese er. Es ist auch allgemein bekannt,daß sich bei Axialrädern durch geeignete Wahl des Reaktionsgrades,z&ldquor;B.r«1/3,die angestrebten großen Umfangskomponeten c am Sehaufelaustritt erzielen

au

lassen.

Eine nähere Untersuchung der in DE-OS 19 21 945 bekanntgewordenen axialen Beschaufelung zeigt jedoch erhebliche Ausführungsmängel,durch die keine nennenswerten Vorteile gegenüber herkömmlichen radialen Beschaufelungen erzielt werden können.Insbesondere sind die vorgeschlagenen Sin- und Austrittwinkel sowie die Profilkonturen nicht den Erfordernissen angepaßt«Durch die gegenüber der lichten Weite des Seitenkanals etwa halb so große Schaufellänge ergeben sich außerdem unverhältnismäßig große Rückströmbereiche liei entsprechender Verminderung der Druckziffer. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,die Leistungsfähigkeit, insbesondere Wirkungsgrad und Druckziffer von Seitenkanalmaschinen mit axialer Beschaufelung wesentlich zu erhöhen.

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• · < it · ·

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

Hieraus sich ergebende technische Vorteile der Erfindung sind zumindest folgende:

Dadurch,daß die axialen Schaufelblätter zweiflutig durchströmt werden und auf diese Weise über die gesamte lichte Weite des Seitenkanals 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 94.5.die nur über die halbe lichte Weite des Seitenkanals wirkt.Aus der ! Theorie der Seitenkanalmaschinen /Ibis3/ folgt außerdem,daß die Druckziffer der erfindungsgemäßen zweiflutigen axialen Beschaufelung mindestens 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 im Auslegungspunkt erfindungsgemäß die Stoßverluste über die gesamte Eintrittslänge 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 die erfindungsgemäße Profilverwindung über die gesamte Schaufellänge das Geschwindigkeitsprofil des toroidalen Wirbelkerna im Seitenkanal im Hinblick auf die angestrebte Leiatungscharak- I teristik einstellen. J

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 wird da& Profil der f

zweiflutigen Axialschaufeln im Hinblick auf eine maximale Druckziffer optimiert.Aus der Theorie der Seitenkanalmaschinen läßt sich unter anderem ableiten,daß die maximale Druckziffer ]

'«"¹U. Kayser-HeroTd - 4 - ~ "" "*

dann erzielt wi»nd>wenn· das Pi»odvfltt aus meridionaler und aus peripheraler Austrittsgeschwindigkeifc aus dem Schaufelbereich seinen größten Betrag annimmt.Aus der Theorie der Strömungsmaschinen / 1 / ist allgemein bekannt,daß dieses Produkt maßgeblich vom Reaktionsgrad der Beschaufelung bestimmt wird.Erfindungsgemäß läßt sich mit der axialen Beschaufelung «in optimaler Reaktionsgrad_fbei welchem die

: Druckziffer maximal wird,bestimmen und konstruktiv verwirklichen.Aus den Ähnlichkeitsgesetzten der Strömungsinechanik läßt sich ableiten,daß der optimale Reaktionsgrad 1/3 beträgt, woraus erfindungsgemäß eine leichte Hakenform des Schaufel-

L profile über die gesamte Schaufellänge folgt.Erfindungsgeinäß ist daher auch die Schaufel-Austrittskante leicht vorv/ärts

£ gerichtet.

&igr; Weitere Einzelheiten und"Merkmale der Erfindung ergeben sich

aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen Fig. 1a,

2t 1 b und 1c.

^ Jp Es zeigt Fig. 1a einen Meridianschnitt durch eine erfindungsgemäße Seitenkanalmaschine mit einem zweiflutigen

&Ggr; axialen Schaufelkranz an Laufrad 1 innerhalb eines zweiflutigen Seitenkanals 2a,2b,flem Seitenkanalgehäuse 3 sowie der Antriebswelle 4.Jede der zweiflutigen Axialschaufeln besteht aus einem inneren Schaufelbereich 1a und einem äußeren Schaufelbereich 1b,wobei der innere Schaufelbereich 1a und der äußere Schaufelbereich 1b zueinander entgegengerichtete Anstellwinkel - [>a besitzen.Der innere Schaufelbereich 1a und der äußere Schaufelbereich 1b

y. sind im Bereich 00 zusammengesetzt .Die entgegengerichteten Anstellwinkel -ßi zwischen innerem Schaufelbereich 1a und äußerem Schaufelbereieh 1b werden erfindungsgemäß durch

_ Profilverwindung über die gesamte Schaufellänge 1 erzielt.

Dabei verschwindet der Anstellwinkel am Übergang von innerem Schaufelbereich 1a zum äußeren Schaufelbereich 1b an der Stelle 00 örtlich.Der Bereich 00 mit verschwindendem Anstellwinkel liegt erfindungsgemäß im Mittelkreis des toroidalen Austauschwirbels 5.Der Verlauf des Ausbauschwirbels 5 beim Betrieb der Seitenkanalmaschine entspricht dem meridionalen Massenaustauschstrom,der wechselweise die beiden Seitenkanalhälften 2a und 2b durchströmt.Die Meridiangeschwindigkeit c im inneren Schaufelbereich 1a ist demgemäß der Meridiangeschwindigkeit c -. im äußeren Schaufelbereich entgegenperichtet. !·*..*'.: :.".■..: .' : : _

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Aus Fig, 1a ib't 'außerdem' zu ersehen,daß das Fluid bei jedem Umlauf im Seitenkanal 2a,2b gemäß Austauschwirbel 5 zweimal die Schaufelradebene durchquert und dabei doppelt so viel Bnsrgis -and p«?ripheralen Impuls zugeführt bekommt wie bei einer elflutigen Axialbeechaufelung gemäß DE OS 1521 945.

Es seigt Fig. 1b den Grundriß des erfindungegemäßen zweiflutigen Axialradee.

Es zeigt Fig. 1c eine Projektion der Schaufelbereiche la,1b in Richtung der Schaufelachse 6,aus der insbesondere die Profilverwindung und die leichte Hakenform des Schaufelprofila mit der leicht vorwärts gerichteten Austrittskante bv. ersehen sind.Dabei sind insbesonder die Eintrittswinkel -ß .,-9O⁰ und die Austrittswinkel -ß₂ ⁹⁰°· Weitere Vorteile dieses Ausführurigsbeispieln 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 1a entgegengesetzt gleich der Axialkraft auf den äußeren Schaufelbereich 1b ist_fund 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 zweiflutigpn Axialrad 7 in einem zweiflutigen Seitenkanal 8a,8b sowie den inneren Axialschaufeln 9a und den äußeren Axialschaufeln 9b,welche durch einen Teilungsring 10 voneinander abgegrenzt sind.Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 1a, 1b und Ic werden di.^: entgegengerichteten Anstellwinkel von innerer AxIp"? sch "-ui si. 9a und äußerer Axialschaufel 9b durch Profilsehränkung im Bereich des Teilungsrings 10 erzielt.Die Axialschaufeln 9a und 9b weisen daher keine oder nur geringe Profilverwindung sowie ebene Ein= und Austrittsflächen auf,wodurch in besonderen Fällen der Herstellungsaufwand geringer wird.

-IT

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Aus dem Ströirftuigei)ii4"gemäß''?igV 2 a 1st insbesondere der Austauschwirbel gemäß Stromlinie 11 zu erkennen, welcher symmetrisch sum Teilungsring 10 verläuft. Es zeigt Fig. 2b eine Teilabwicklung des zweiflutigen Axialrades 7 mit der inneren -gestrichelt eingezeichneten-Axialschaufel 9a und der äußeren Axialschaufel 9b,sowie die Maßgeblichen Geschwindigkeitsdreiecke für die Ein- und Austrittsströmung«!\der inneren und äußeren Axialschaufeln 9a und 9b. In Fig. 2b bedeuten:

c_B*Meridiangeschwindigkeit w-Relativgeschwindigke it csAbsolutgeschwindigkeit ^Umfangsgeschwindigkeit der Schaufel Anstellwinkel am Schaufeleintritt

In Fig. 2b gelten folgende Indizes:

"i" für innere Beschaufelung ⁿa" für äußere Beschaufelung «1« für den Schaufeleintritt "2" für den Schaufelaustritt

Aus den Geschwindigkeitsdreiecken gemäß Fig. 2b werden insbesondere die entgegengerichteten Durchflutungen bzw. Meridiangeschwindigkeiten c von inneren Axialschaufeln 9a und äußeren Axialschaufeln 9b deutlich.

Wie aus Fig. 2b zu ersehen ist,läßt sich der Schaufelwinkel im Auslegungepunkt so wählen,daß örtlich stoßfreier Eintritt an innerer und äußerer Beschaufelung 9a,9b möglich ist. Es zeigt Fig. 2c eine Normalansicht des zweiflutigen Axialrades 7 mit den inneren Axialschaufeln 9a und den äußeren Axialschaufel!! 9b,dem Teilungering 10,dem Gehäuse 12 ,dem Ansaugstutzen 13^dem Unterbrecher 14 und dem Austrittsgtutzen 15.Der Drehsinn des Axialrades 7 ist durch Pfeil 16 angegeben. Der Unterbrecher 14 ist in herkömmlicher Weise ausgeführt, wobei insbesondere auch der selbstansaugende Betrieb als Pumpe ermöglicht wird·

U.Kayser-Herold Schrifttumsangabe:

/ 1 / Pfleiderer,C₁ / 2 / Gabi,M.

N.N.

Die Kreiselpumpen,5.Aufl.

Anhang &Bgr;«

Springer Verl. 1961 Theoretische und experimentelle Untersuchung der Strömung in Seitenkanalrerdichtern Dr.Ing.Dies.Unirers.Karlsruhe,

1982

Technisches Handbuch Verdichter

3.1ufl. Kap.5.5

VEB Technik,Berlin,1983

• ti Il Il ·( Ii I'

* · III I U I I Il

Claims

·· ·*': ^eltehkanaJmaischine'

grüche:

Ansprach 1 :S»lte^irawaT»awfth<Ti«_lg«v#mn«>»if>hTi«t durch ein

■weiflutiges axiales Schaufelrad innerhalb eines ■weiflutlgen Seitenkanale alt Anstellwinkeln der inneren,achsnäheren Schaufelbereiehe,die den Anstellwinkeln der äußeren,achsferneren Schaufelbereiehe entgegengerichtet sind und einer Gesamtlinge der inneren und äußeren Sehaufeltereiche, die gleieh den lichten Durchmesser des Seitenkanals ist,wobei die Meridiangeschwindigkeiten im inneren Schaufelbereieh den Meridiangeschwindigkeiten im äußeren Schaufelbereieh entgegengeriehtet sind·

Anspruch 2;Seitewkanaimaschine nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet ,daß die entgegengerickteten\Anstellwinkel -P₁ der Sehaufelbereiche 1a und 1b durch Profilrerwindung stetig über die gesamte Schaufel-Xängr 1 Ton einem poeitiren Anstellwinkelbereich + ^₁ rom Fuß des inneren Schaufelbereiches 1a bis sur Schaufelmitte OO in einen negativen Anstellwinkelbereich- &bgr; j des äußeren Schaufelbereiches 1b Ton der Schaufelmitte 00 zur Schanfel?pitse übergeht,wobei in der Schaufelmitte 00 der Anstellwinkel örtlich verschwindend klein wird.

Anspruch 3tSeitenkanalmaschine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet ,daß die entgegengerichteten Anstellwinkel- |3 ₁ durch Profil schränkung .zwischen den inneren Axialschaufel 9a und den äußeren Axialschaufeln 9b erzielt wird.

Anspruch 4 rSeitenkanalmaschine nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den inneren Axialschaufeln 9a und den äußeren Axialschaufeln 9b ein Teilungsring 10 angeordnet ist·

Anspruch 5;Seltenkanalmaschine nach Anspruch 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet,daß die axialen Schaufeln eine dem Reaktionsgrad ron etwa 1/3 entsprechende Hakenform mit leicht vorwärtsgerichteter Austrittekante aufweisen.