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Dokumentenidentifikation DE102006028597A1 27.12.2007
Titel Turbopumpe in kompakter Bauweise mit verbessertem Wirkungsgrad
Anmelder Hagge, Stefan, Dipl.-Ing., 80333 München, DE
Erfinder Hagge, Stefan, Dipl.-Ing., 80333 München, DE
DE-Anmeldedatum 22.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028597
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse F04D 1/12(2006.01)A, F, I, 20060622, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Turbopumpe, die nach dem Prinzip der Turbomaschinen arbeitet, dabei jedoch trotz Bauteil- und Bauraumreduzierung einen besseren Wirkungsgrad erzielt als herkömmliche Turbopumpen. Die zu befördernde Flüssigkeit kann im Vergleich zu bekannten Turbopumpen aufgrund der wesentlichen Verbesserung der Rotoreffektivität mehr Arbeit an der Flüssigkeit verrichten und diese somit auf eine deutlich größere Umfangsgeshwindigkeit beschleunigen. Die über den Umfang des Rotors (1) plazierten Schaufeln (2) ergeben in Zusammenhang mit der höchsten Beschleunigung der Flüssigkeit am Rotormantel und der relativ langen Verweilzeit der Flüssigkeit im Rotor (3) eine deutliche Verbesserung des Verhältnisses aus befördertem Volumenstrom und Fläche, welche die Energie auf die Flüssigkeit überträgt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Turbopumpe, die nach dem Prinzip der Turbomaschinen arbeitet, dabei jedoch trotz Bauteil- und Bauraumreduzierung einen besseren Wirkungsgrad erzielt, als herkömmliche Turbopumpen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, Flüssigkeiten nach dem Prinzip der Turbomaschinen zunächst mittels eines Rotors zu beschleunigen und die auf diese Weise der Flüssigkeit zugeführte kinetische Energie in einer dem Rotor nachgeschalteten Verzögerungsgeometrie bzw. in einem Verzögerungsgitter teilweise in statischen Druck zu verwandeln. Bei herkömmlichen Turbomaschinen kann mit einer Rotor-Stator-Kombination jedoch nur ein verhältnismäßig geringer Druck erzielt werden, da die Verweilzeit der Flüssigkeit im Rotor die zu verrichtende Beschleunigungsarbeit an der Flüssigkeit stark limitiert. Bei herkömmlichen Turbopumpen ist die zu verrichtende Arbeit an der Flüssigkeit durch die maximale Schaufelarbeit limitiert. Die Schaufelarbeit ist durch die Kavitation begrenzt, weshalb größere Drücke, z.B. 50 bar, nur mit mehreren in Serie geschalteten Rotor-Stator-Sätzen erzielt werden können. Diese Bauweise führt zu einem großen Bauvolumen, hoher Teilezahl, einer großen von der Flüssigkeit überstrichenen Oberfläche und häufigen Strömungsumlenkungen innerhalb der Turbomaschine.

Aufgabe

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gegenüber herkömmlichen Turbomaschinen wesentliche Wirkungsgradsteigerung bei gleichzeitiger Reduktion der Teilezahl und des Bauvolumens zu erzielen.

Lösung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Turbomaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erreichte Vorteile

Die zu befördernde Flüssigkeit kann im Vergleich zu bekannten Turbopumpen aufgrund der wesentlichen Verbesserung der Rotoreffektivität mehr Arbeit an der Flüssigkeit verrichten und diese somit auf eine deutlich größere Umfangsgeschwindigkeit beschleunigen. Die über den Umfang des Rotors (1) plazierten Schaufeln (2) ergeben im Zusammenhang mit der höchsten Beschleunigung der Flüssigkeit am Rotormantel (3) eine deutliche Verbesserung des Verhältnisses aus befördertem Volumenstrom und der Fläche, welche die Energie auf die Flüssigkeit überträgt. Die Flüssigkeit wird aufgrund der relativ langen Zeit, während der die Schaufeln (2) Arbeit an der Flüssigkeit verrichten können und der senkrecht zur Förderrichtung angebrachten Schaufeln (2) nahezu bis an die Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt, ohne Kavitation zu erzeugen.

Ebenso vorteilhaft erweist sich die relativ lange Verweilzeit der Flüssigkeit im Rotor (1), da die über den Zuströmkanal (4) in der Mitte des Rotors (1) zuströmende Flüssigkeit während mehrerer Umdrehungen durch Schereffekte der Flüssigkeit und zusätzlicher an den Stirnseiten des Rotors (1) angebrachten Förderrippen (16) mit zunehmendem Radius kontinuierlich bis auf die geforderte Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt wird.

Ein weiterer Vorteil besteht in dem optimalen Flächenverhältnis zwischen Rotor und Stator. Bei herkömmlichen Turbopumpen ist jedem Rotor ein großflächiger Stator mit Verzögerungsgitter nachgeschaltet, innerhalb dessen aufgrund großer überstrichener Fläche erhebliche Reibungs- und somit Wirkungsgradverluste entstehen. Bei der erfindungsgemäßen Turbopumpe ist die Verzögerungsgeometrie auf einen entsprechend des zu fördernden Volumenstroms angepaßte Austragschleife (7) reduziert. Auf diese Weise entfallen die gesamte Beschaufelung des konventionellen Verzögerungsgitters und somit die Diffusor bedingten Strömungsverluste. Die Austragschleife (7) ist strömungsgünstig gestaltet, so daß der einzige nennenswerte Strömungsverlust in der Staufläche des Austragsquerschnitts (8) entsteht.

Beschreibung

Ein Ausführungsbeispiel ist in den 1 bis 3 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

1 einen Achsschnitt durch die Turbopumpe mit angeflanschtem Elektromotor (10), Wälzlagern (11), Dichtungen (17) und Anschlußstutzen (18).

2 einen Querschnitt durch die Turbopumpe auf der Höhe der Austragschleife (7), bei dem die Schaufeln (2) des Rotors (1), der Zuströmkanal (4), der Abströmkanal (5) und die Kanalfinne (9) ersichtlich sind.

3 einen Querschnitt durch die Kanalfinne (9), in dem die strömungsgünstige Gestalt und der Kanal der Austragschleife (7) dargestellt sind.

Der Rotor (1) ist über Wälzlager oder sonstige Drehlager auf der Statorachse (12) drehbar gelagert und wird über den stirnseitigen Flansch (13), beispielsweise durch einen Elektromotor (10) angetrieben. Über den Zuströmkanal (4) gelangt die Flüssigkeit in den Rotor (1). Die Schaufeln (2) übertragen die Drehbewegung auf die im Rotor (1) befindliche Flüssigkeit und beschleunigen diese entsprechend der Unfangsgeschwindigkeit des Rotors (1).

Unmittelbar über den Enden der Schaufeln (2) ist senkrecht zur Strömungsrichtung ein strömungsoptimierter Austragquerschnitt (8), vorzugsweise mit scharfen Kanten, angeordnet, der einen Teil des umlaufenden Volumenstromes in die Austragschleife (7) leitet. Innerhalb der Austragschleife (7) wird der Drall des Fördervolumenstromes in statischen Druck verwandelt und die Geschwindigkeit dieses Fördervolumenstromes entsprechend des geforderten Volumenstromes bzw. Förderdruckes verzögert. Durch den Abströmkanal (5) gelangt die Flüssigkeit aus der Pumpe.


Anspruch[de]
Turbopumpe zur Beförderung von Flüssigkeiten bei gesteigertem Wirkungsgrad insbesondere zum Einsatz bei großen Volumenströmen und vergleichsweise hohen Drücken, dadurch gekennzeichnet, daß ein kreiszylindrischer oder ähnlich gestalteter Rotor (1) auf einer mit dem Gehäuse (14) fest verbundenen Statorachse (12) drehbar gelagert ist, der Flüssigkeitsaustausch über innerhalb der Statorachse angeordneten Zu- bzw. Abströmkanäle realisiert wird, daß die durch den Zuströmkanal in das Innere des Rotors geleitete Flüssigkeit durch innerhalb des Rotors angebrachte, geeignete Fördergeometrien in Rotation versetzt wird und durch eine im Inneren des Rotors und fest mit der Statorachse verbundene Austragschleife, die im Bereich großer Umfangsgeschwindigkeit der Flüssigkeit einen Austragquerschnitt plaziert, in Zusammenhang mit der Führung der Austragschleife den Drall in statischen Druck verwandelt und einen Teil des innerhalb des Rotors umlaufenden Volumenstromes aus der Pumpe führt. Turbopumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Austragschleife in der Form einer stetigen Spiralkurve mit vom Austragquerschnitt zum Abströmkanal abnehmendem Radius derart gestaltet ist, daß der Strömungskanal der Austragschleife unmittelbar hinter dem Austragquerschnitt derart im Querschnitt variiert wird, daß er in Strömungsrichtung hinter dem Austragquerschnitt bereits in einen strömungsgünstigen schlanken Rechteckquerschnitt transformiert ist. Turbopumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Austragschleife in einer strömungsgünstigen, beispielsweise einem Kreisbogenprofil entsprechenden, gestalteten Kanalfinne geführt wird. Turbopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Rotors (1) Fördergeometrien, wie beispielsweise Schaufeln (2) oder Förderrippen (16), angebracht sind, die in Form und Anzahl entsprechend der zu fördernden Flüssigkeit bzw. des geforderten Förderdruckes ausgeführt werden. Turbopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) entweder einseitig bzw. fliegend oder beidseitig des Rotors (1) mit zusätzlicher tragender Gehäusestruktur (nicht dargestellt) und Lageranordnung beiderseits des Rotors (1) gelagert wird. Turbopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) stirnseitig mittels eines geeigneten Antriebs, wie beispielsweise einem Elektromotor oder einer Gastrubine, wahlweise auch mittels der Verwendung eines geeigneten Getriebes (nicht dargestellt), über den stirnseitigen Flansch (13) angetrieben wird.






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