DE1020833B - Umsteuerbare Radialturbine, insbesondere fuer Heissluft- und Gasturbinenanlagen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine umsteuerbare Radialturbine, insbesondere für Heißluft- und Gasturbinenanlagen, bei welcher das Arbeitsmittel von außen nach innen einem Laufrad mit Drall zugeleitet wird.

Bei manchen Kraftanlagen, wie etwa von solchen zum Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere von Schiffen, ist es erwünscht, daß die Antriebsmaschine auf eine zur normalen Drehrichtung entgegengesetzte Drehrichtung umgesteuert werden kann.

Für solche Fälle ist schon die Verwendung einer Radialturbine vorgeschlagen worden, bei welcher das Arbeitsmittel von außen nach innen dem Laufrad mit Drall zugeleitet und nach Durchströmen! des Laufrades in im wesentlichen axialer Richtung abgeleitet wird. Bei einer bisher bekanntgewordenen Bauart einer solchen Turbine erfolgt die Umsteuerung der Drehrichtung durch Verdrehen von Leitschaufeln, welche dem Eintritt des Laufrades vorgelagert sind, wobei dem zuströmenden Arbeitsmittel je nach der gewünschten Drehrichtung durch entsprechende Ein- ao stellung der Leitschaufeln ein Drall im einen oder anderen Drehsinn erteilt werden kann. Die Leitschaufeln schließen hierbei an einen Ringraum an, welchem das Arbeitsmittel zugeleitet wird.

Solche Leitapparate mit drehbaren Leitschaufeln besitzen aber einerseits den Nachteil, daß es bei größerer Schaufelzahl, also bei enger Teilung des Schaufelgitters, nicht mehr gelingt, für jede Schaufel den Verstellmechanismus innerhalb der Schaufelteilung unterzubringen. Strömungstechnisch ist ferner eine solche Ausführung auch nur dann vorteilhaft, wenn es möglich ist, das Arbeitsmittel von allen Seiten mehr oder weniger gleichmäßig zuzuführen. Tritt dagegen das Arbeitsmittel nur an einer Stelle in den dem Leitschaufelgitter vorgelagerten Ringraum ein, so ergibt sich, falls sich das Arbeitsmittel auf beide Seiten des Umfanges verteilt, der Nachteil, daß die Leitschaufeln der einen Hälfte mit Stoß angeströmt werden. Wird indessen das Arbeitsmittel dem Ringraum tangential zugeführt, so daß es dem ganzen Umfang in gleicher Drehrichtung zuströmt, so werden wohl die Leitschaufeln in jener Stellung, welche für die eine der beiden Drehrichtungen bestimmt ist, richtig angeströmt. Es ergibt sich aber dann bei der für die andere Drehrichtung bestimmten Stellung eine Anströmung mit Stoß und damit unter Umständen eine beträchtliche Einbuße an Wirkungsgrad.

Dieser Nachteil tritt auch dann auf, wenn, wie auch schon vorgeschlagen wurde, an Stelle von drehbaren Leitschaufeln zwei Leitschaufelgitter mit verschiedener Drehrichtung vorgesehen werden, von denen wahlweise das eine oder das andere vor das Laufrad geschoben werden kann, oder auch, wenn ge-Umsteuerbare Radialturbine,

insbesondere für Heißluft-

und Gasturbinenanlagen

Anmelder:

Aktiengesellschaft für technische Studien, Zürich (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Albrecht, Patentanwalt,
Berlin-Frohnau, Edelhofdamm 26

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 13. Oktober 1954

Dipl.-Ing. Mehmet Sahabettin Ergeng, Zürich (Schweiz), ist als Erfinder genannt worden

maß einem anderen Vorschlag zwischen einem feststehenden Leitapparat und dem Laufrad zur Umkehrung der Drehrichtung ein zweiter Leitapparat zwischengeschaltet wird. Auch hier ergibt sich eine merkliche Einbuße an Wirkungsgrad für die eine der beiden Drehrichtungen.

Hierzu kommt bei den bisher bekanntgewordenen Bauarten noch die Schwierigkeit, Verstellmechanismen für die Leitapparate bei den hohen Arbeitsmitteltemperaturen von Heißluft- und Gasturbinen betriebssicher zu bauen.

Im weiteren ist eine umsteuerbare Dampfturbine bekanntgeworden, bei welcher das Arbeitsmittel von außen nach innen einem Laufrad mit Drall zugeleitet wird und zwei axial nebeneinander angeordnete Eintrittsräume und umsteuerbare Mittel vorgesehen sind, welche gestatten, das Arbeitsmittel je nach der gewünschten Drehrichtung durch den einen oder den anderen dieser beiden Eintrittsräume dem Laufrad zuzuleiten.

Bei dieser Turbine sind für die Beaufschlagung des Laufrades Düsenreihen vorgesehen, wobei die Mündungen der Düsen, welche vom einen Eintrittsraum ausgehen, und jener Düsen, die vom andern Eintrittsraum ausgehen, in ein und derselben Radialebene

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liegen. Es wechselt dabei jeweils eine Düse für die eine Drehrichtung mit einer Düse für die andere Drehrichtung ab.

Eine solche Bauart ist indessen für die Beaufschlagung eines Radialrades außerordentlich ungünstig. Es würde sich nämlich stets eine Teilbeaufschlagung des Rades ergeben, wobei jeweils eine vom Arbeitsmittel durchströmte Düse mit einer nicht benutzten Düse abwechseln würde. Dies führt zu einem schlechten Wirkungsgrad der Einrichtung.

Im weiteren weist bei einer bekannten Bauart eines Ventilators das Spiralgehäuse zwei in axialer Richtung nebeneinander gelegene Durchströmkanäle auf, von denen der eine für die Vorwärts- und der andere

ren Umfang mit Drall von außen nach innen zugeleitet. Nach Durchströmen des Laufrades verläßt es die Turbine durch einen axial gerichteten Abströmstutzen7. Das Turbinengehäuse 1 begrenzt nun zwei in 5 axialer Richtung nebeneinander angeordnete, gegensinnig verlaufende Eintritts-Spiralräume 8 und 9.

In der Leitung 6 ist eine Klappe 10 um eine Achse 11 schwenkbar gelagert. Entsprechende Einstellung der Klappe 10 gestattet, das zuströmende Arbeitso mittel wahlweise in den Eintritts-Spiralraum 8 oder in den Eintritts-Spiralraum 9 zu leiten. In Fig. 2 ist die Klappe 10 in einer Stellung gezeigt, bei welcher das zuströmende Arbeitsmittel dem Eintritts-Spiralraum 8 zugeführt wird. In diesem Spiralraum erhält

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für die Rückwärtsdrehung bestimmt ist. Es sind hier 15 es gemäß Fig. 2 eine Drehung gegen den Uhrzeigerzwei Schaufelgitter vorgesehen, von denen wahlweise drehsinn. Der Spiralraum 8 setzt sich in im wesentdas eine oder das andere vor das Laufrad verschoben liehen radialer Richtung nach innen in einen ringwird. Diese beiden wahlweise zu benutzenden Leit- förmigen Verbindungskanal 12 fort, in welchem festapparate dienen zur Verbesserung des Wirkungs- stehende Leitschaufeln 13 angeordnet sind und durch grades. Sie dienen nicht der Änderung der Drehrich- 20 welchen das Arbeitsmittel dem Laufrad zugeleitet rung, da das Zentrifugalgebläse auch ohne diese Ein- wird. Der Kanal 12 mündet hierbei in eine dem Laufrichtungen mit beiden Drehrichtungen betrieben rad am äußeren Umfang vorgelagerte Ringdüse 14 werden kann. aus. Die Leitschaufeln 13 erteilen dem Arbeitsmittel

Bei einer umsteuerbaren Radialturbine, insbeson- vor dem Eintritt in das Laufrad die zu dessen Antrieb dere für Heißluft- und Gasturbinenanlagen, bei 25 erforderliche Drehbewegung. Das Laufrad dreht dabei welcher das Arbeitsmittel von außen nach innen in der Richtung gegen den Uhrzeigerdrehsinn, einem Laufrad mit Drall zugeleitet wird und zwei Bei Umstellen der Klappe 10 nach links wird da-

axial nebeneinander angeordnete Eintrittsräume und gegen das Arbeitsmittel in den gemäß Fig. 2 hinter umsteuerbare Mittel vorgesehen sind, welche ge- dem Spiralraum 8 gelegenen Eintritts-Spiralraum 9 statten, das Arbeitsmittel je nach der gewünschten 30 geleitet. Es erhält dabei eine Drehung im Uhrzeiger-Drehrichtung durch den einen oder den anderen dieser drehsinn. und gelangt über einen mit Leitschaufeln 15 beiden Eintrittsräume dem Laufrad zuzuleiten, versehenen Verbindungskanal 16 in die dem Laufrad weisen nun gemäß der Erfindung diese zwei Eintritts- vorgelagerte Ringdüse 14. Die seitlichen Begrenzungsräume zwei in Richtung gegen die Achse sich fort- wände der Ringdüse 14 sind als stetige Fortsetzungen setzende ringförmige Verbindungskanäle auf, die in 35 der äußeren Begrenzungs wände der axial nebeneineine dem Laufrad vorgelagerte Ringdüse ausmünden, ander angeordneten Verbindungskanäle 12 und 16 ausgebildet. Die Leitschaufeln 15 sind so gestellt, daß sie dem Arbeitsmittel eine zusätzliche Drehung im Uhrzeigerdrehsinn erteilen. Bei dieser Stellung der Klappe 40 10 wird also das Laufrad in entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben zu jener bei der in Fig. 2 gezeigten Stellung der Klappe 10.

Bei der beschriebenen Bauart ergibt sich der Vorteil, daß bei beiden Drehrichtungen des Laufrades das nun von dem einen oder von dem anderen der Ein- 45 Arbeitsmittel in einem Spiralraum zugeleitet wird, trittsräume herkomme. Sie schließt sich stetig an die dessen Querschnittsverlauf in korrekter Weise dem äußeren Begrenzungen der axial nebeneinanderliegen- allmählichen Abströmen von Arbeitsmittel nach dem den Verbindungskanäle an, so daß dort auch keine Innern längs des Umfanges angepaßt werden kann. Wirbelverluste entstehen. Verschiebbare Leitapparate, Beide Spiralräume leiten das Arbeitsmittel stoßfrei welche besonders bei hohen Temperaturen Schwierig- 50 zu den Leitschaufeln. Es wird auf diese Weise für keiten ergeben, sind hierbei nicht erforderlich. Das beide Drehrichtungen ein guter Wirkungsgrad der Umsteuerorgan befindet sich außerhalb der Turbine. Turbine erzielt.

Die Strömungsführung ist günstiger als bei den be- Bei der gezeigten Ausführungsform des Erfindungs-

kannten Ausführungsformen. gegenstandes liegen die Eintritte der beiden Spiral-

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungs- 55 räume 8 und 9 nahe beieinander. Die Querschnitte beispiele des Erfindungsgegenstandes in vereinfachter dieser Spiralräume nehmen in L'mfangrichtung ali-Darstellung veranschaulicht. Es zeigt mählich ab. Da die beiden Spiralräume gegensinnig

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine verlaufen, kommt nun der Endquerschnitt des einen Radialturbine, Spiralraumes ungefähr nebeil den Anfangsquer-

Fig. 2 einen Schnitt quer zur Achse nach der 60 schnitt des andern Spiralraumes zu liegen. Bei dieser Linie II-II der Fig. 1 und Anordnung bleibt die Summe der Querschnitte der

Fig. 3 eine Variante für die Anordnung der Ein- nebeneinanderliegenden Spiralräume längs des ganzen tritts-Spiralräume in axialem Längsschnitt. Umfanges ungefähr konstant. Die äußeren Ab-

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Turbine messungen des Gehäuses bleiben somit praktisch über ist in einem Gehäuse 1 ein Laufrad 2 mit radial ge- 65 den ganzen Umfang gleich, während sich nur die stellten Schaufeln 3 fliegend auf einer Welle 4 an- innere Unterteilung des Querschnittes auf die beiden geordnet. Von der Lagerung der Welle ist ein der Spiralräume ändert.

Turbine benachbartes Lager 5 gezeigt. An der Einströmstelle in die beiden Spiralräume

Das Arbeitsmittel tritt durch eine Leitung 6 in die erfährt hier das Arbeitsmittel eine Umlenkung von

Turbine ein und wird dem Laufrad 2 an seinem äuße- 70 der Radialrichtung in die Umfangsrichtung. Es er-

deren seitliche Begrenzungswände als stetige Fortsetzungen der äußeren Begrenzungswände der axial nebeneinander angeordneten Verbindungskanäle ausgebildet sind.

Durch diese Maßnahme ergibt sich stets eine volle Beaufschlagung des Laufrades. Die Ringdüse bewirkt bei der Turbine eine Ordnung der Strömung vor ihrem Auftreffen auf das Laufrad, gleichgültig, ob sie

geben sich dabei aber immerhin nur verhältnismäßig geringe Strömungsverluste, da die in Betracht kommenden Geschwindigkeiten des Arbeitsmittels noch klein sind.

Will man das Arbeitsmittel, wie es sonst bei Spiralturbinen üblich ist, in tangentialer Richtung zuleiten, so werden zweckmäßig die Eintritte der beiden Spiralräume in Umfangsrichtung ungefähr mit einem Zentriwinkel von 180° versetzt, wobei getrennte Zuleitungskanäle für das Arbeitsmittel tangential in die beiden Spiralräume einmünden. Hierbei erhält dann das Gehäuse auf der einen Hälfte des Umfanges einen etwas größeren Gesamtquerschnitt als auf der anderen Hälfte des Umfanges. Bei der tangentialen Einführung des Arbeitsmittels kann gegebenenfalls auf das Anordnen von Leitschaufeln zwischen dem Spiralraum und dem Laufrad verzichtet werden.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform des Errlndungsgegenstandes münden die Verbindungskanäle 12 und. 16 V-artig in die dem Laufrad vorgelagerte Ringdüse 14. Die beiden äußeren axialen Begrenzungen der Spiralräume sind im wesentlichen senkrecht zur Maschinenachse stehende Ebenen. Die Mittelwand zwischen den beiden Spiralräumen verschiebt sich in axialer Richtung nach Maßgäbe der Abnahme des Querschnittes des einen und der entsprechenden Zunahme des Querschnittes des anderen auf dem Umfang.

Im Gegensatz hierzu behält nun in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 die Mittelwand eine feste Lage. Die Turbine hat ein Gehäuse 17, welches zwei gegensinnig verlaufende Eintritts-Spiralräume 18 und 19 begrenzt. Diese sind in axialer Richtung nebeneinander angeordnet und durch eine in der Mittel ebene senkrecht zur Achse des Laufrades 2 verlaufende Zwischenwand 20 voneinander getrennt. Das Arbeitsmittel wird durch von der gleichen Zwischenwand 20 voneinander getrennte Verbindungskanäle 21 bzw. 22 dem Laufrad zugeleitet, wobei es vorerst in eine dem Eintritt des Laufrades vorgelagerte Ringdüse 23 gelangt.

Die äußeren axialen Begrenzungen des Gehäuses im Bereich der Spiralräume verlaufen bei dieser Ausfuhr ungs form nach Art von Schraubenflächen schief zur Achse. Die Verbindungskanäle 21 und 22 verlaufen dagegen auf dem ganzen Umfang nahe der Mittelebene des Laufrades. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind ferner noch Vorkehrungen getroffen, um bei Benutzung des einen oder des anderen Spiralraumes eine gute Führung des Arbeitsmittels in der Ringdüse 23 zu erhalten. Zu diesem Behufe ist in diesem Ringraum ein Ringkörper 24 von keilförmigem Querschnitt angeordnet, welcher von. außen durch Zugstangen 25 in axialer Richtung verschoben werden kann. In der gezeichneten Lage schließt er den Verbindungskanal 22 ab und dient gleichzeitig als Führung für das Arbeitsmittel in der Ringdüse 23. Er ist so ausgebildet, daß er bei Benutzung des Eintritts-Spiralraumes 19 für die Zuleitung des Arbeitsmittels nach Verschiebung in seine linke Extremlage den Verbindungskanal 21 abschließt und für das nun vom Verbindungskana.1 22 zuströmende Arbeitsmittel in der Ringdüse 23 als Führung dient. Da die Umsteuerung des Arbeitsmittels auf dem einen oder anderen Eintritts-Spiralraum schon vorher durch die in Fig. 3 nicht mehr gezeigte Klappe 10 oder äquivalente Mittel erfolgt, ist kein dichter Abschluß des nicht benutzten Ringkanals durch den Ringkörper 24 erforderlich.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Umsteuerbare Radialturbine, insbesondere für Heißluft- und Gasturbinenanlagen, bei welcher das Arbeitsmittel von außen nach innen einem Laufrad mit Drall zugeleitet wird und zwei axial nebeneinander angeordnete Eintritts räume und umsteuerbare Mittel vorgesehen, sind, welche gestatten, das Arbeitsmittel je nach der gewünschten Drehrichtung durch den einen oder den anderen dieser beiden Eintrittsräume dem Laufrad zuzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß diese zwei Eintrittsräume (8, 9) zwei in Richtung gegen die Achse sich fortsetzende ringförmige Verbindungskanäle (12, 16) aufweisen, die in eine dem Laufrad (3) vorgelagerte Ringdüse (14) ausmünden, deren seitliche Begrenzungswände als stetige Fortsetzungen der äußeren Begrenzungswände der axial nebeneinander angeordneten Verbindungskanäle (12, 16) ausgebildet sind.

2. Umsteuerbare Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsräume in an sich bekannter Weise als gegensinnig verlaufende Spiralräume ausgebildet sind.

3. Umsteuerbare Radialturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritte der beiden Spiralräume in Umfangsrichtung ungefähr mit einem Zentriwinkel von 180° gegeneinander versetzt sind und daß getrennte Zuleitungskanäle für das Arbeitsmittel tangential in die beiden Spiralräume einmünden.

4. Umsteuerbare Radialturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Verbindungskanäle (21,22) durch eine im wesentlichen zur Turbinenachse senkrecht stehende ebene Wand (20) voneinander getrennt sind, welche auch die beiden Spiralräume (18, 19) voneinander trennt.

5. Umsteuerbare Radialturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritte der beiden Spiralräume (8,9) am Umfang nahe beieinanderliegen und unmittelbar an eine gemeinsame Zuleitung (6) anschließen und daß an der Anschlußstelle ein umsteuerbares Abschlußorgan (10) für die wahlweise Verbindung der Zuleitung (6) mit dem einen oder anderen der Spiralräume (8,9) vorgesehen ist.

6. Umsteuerbare Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Verbindungskanäle als schaufelloser Raum und der zugehörige Eintrittsraum als Spiralraum ausgebildet ist.

7. Umsteuerbare Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der dem Laufrad vorgelagerten Ringdüse ein in axialer Richtung verschiebbarer Ringkörper (24) von Keilquerschnitt angeordnet ist, welcher zwischen zwei Lagen verschoben werden kann, in denen er je den einen der Verbindungskanäle (21,22) verdeckt und dem aus dem anderen Verbindungskanal austretenden Arbeitsmittel als Führung dient.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 860 294, 823 455; niederländische Patentschrift Nr. 58 839.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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