DE962762C - Stroemungsmaschine zur Entspannung oder Verdichtung gas- oder dampffoermiger Stoffe, insbesondere Gasturbine - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 25. APRIL 1957

B15952 Ia/46 f

Die bekannten axialen und radialen Bauarten von rotierenden Kraft- und Arbeitsmaschinen arbeiten mit relativ hohen Drehzahlen, hohen Geschwindigkeiten und kleinen Umkehrwinkeln, um hohe Strömungsverluste beim Energieumsatz zu vermeiden.

Als Kennzeichen der verschiedenen Bauarten von Strömungsmaschinen dient bekanntlich der Begriff der spezifischen Drehzahl. Je kleiner der

ίο Umlenkungswinkel der Strömung im Laufkörper ist, um so größer ist die spezifische .Drehzahl der betreffenden Bauart. Die bisher üblichen Bauarten von Kraftmaschinen für Gase und Dämpfe arbeiten mit relativ kleinen Umlenkwinkeln, sie können also nur bei hohen spezifischen Drehzahlen, d. h. bei großem Durchsatzvolumen, relativ hohen Drehzahlen und niedrigem Stufengefälle hohe Wirkungsgrade erreichen.

Um auch kleine Durchsatzmengen mit kleinem spezifischen Volumen bei niedrigen Drehzahlen und relativ hohem Stufengefälle wirtschaftlich verarbeiten zu können, ist bekannt, in jeder Stufe einen großen Umlenkungswinkel vorzusehen und zur Verminderung der Strömungsverluste das Arbeitsmittel in geschlossenen Kanälen zu führen. Bei einer Verwendung der Maschine als Kraftmaschine tritt das Arbeitsmittel in den Läufer in Richtung der Umfangsgeschwindigkeit tangential ein und entgegen der Umfangsgeschwindigkeit tangential aus. Ein- und Austrittsstelle am Läufer sind durch

einen geschlossenen im Innern des Laufkörpers angeordneten Kanal verbunden, der das Arbeitsmittel in der Projektion auf eine tangentiale Ebene an den Läufer um etwa i8o° umlenkt, wobei die Strömungskanäle aus gekrümmten und geraden Strecken mit rechteckigem Querschnitt zusammengesetzt sind. In ähnlicher Weise sind auch die Leitkanäle ausgeführt.

Die Erfindung betrifft die Weiterbildung einer ίο solchen Turbine, und zwar in der Weise, daß die Strömungskanäle mit stetiger doppelter räumlicher Krümmung ausgeführt sind, wobei die Krümmungsradien der Kanäle im Leit- und Laufkörper an keiner Stelle kleiner sind als das Doppelte des Kanaldurchmessers an der betreffenden Stelle.

Bei der bekannten Turbine sind die Strömungskanäle aus gekrümmten und geraden Strecken zusammengesetzt. Die geraden Strecken sind an sich strömungsmäßig nicht ungünstig; da sie jedoch so unter einem Winkel zur vor ihnen herrschenden Strömungsrichtung stehen, sind kurze gekrümmte Verbindungsstücke mit sehr kleinem Krümmungsradius erforderlich. Eine solche Kanalgestaltung führt zu Stoßen und den damit verbundenen Wirbelverlusten, verringert also den Wirkungsgrad wesentlich. Gemäß der Erfindung sind daher die Strömungskanäle mit stetiger doppelter räumlicher Krümmung ausgeführt.

Bei der bekannten Maschine sind die Strömungskanäle mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt. In den Strömungskanälen herrscht aber nicht eine einfache Strömung, sondern infolge des räumlichen Kanalverlaufs ist der einfachen Vorwärtsströmung eine Rotationsbewegung überlagert, so daß die Strömung eine Schraubung innerhalb des Kanals ausführt. Bei einem rechteckigen Querschnitt bilden sich daher in den Ecken Wirbel aus, die den Strömungsverlauf stören und zu weiteren Verlusten führen.

Sämtliche Kanäle erhalten daher in Weiterbildung der Erfindung im Innern des Lauf- und des Leitkörpers einen runden oder ovalen Querschnitt. Der Strömungsverlauf entspricht also einer an den Übergangsstellen verzerrten Spirale, deren Windungen teils im Lauf-, teils im Leitkörper liegen und deren Achse in die zylindrische Spaltfläche zwischen Lauf- und Leitkörper zu liegen kommt. Der Laufkörper kann als einfacher Zylinder ausgeführt oder aus zylindrischen Scheiben zusammengesetzt sein, wobei sich die Ein- und Austrittsöffnung der Kanäle in gleichem oder in verschiedenem Abstand von der Drehachse, aber in verschiedenen Radialebenen befinden.

Die Erfindung sei an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Nach der Lage der Spiralenachse zur Drehachse der Maschine werden zwei Bautypen unterschieden: A. Die Spiralenachsen liegen konzentrisch zur Drehachse (Fig. 1),

B. die Spiralenachsen liegen parallel zur Drehachse (Fig. 2).

Die Fig. 3 bis 8 stellen zwei Kraftmaschinen dar. Die Fig. 3 bis 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Bautype A, und zwar Fig. 3 einen Axialschnitt durch das Gehäuse, Fig. 4 drei Radialschnitte durch Rotor und Gehäuse und Fig. 5 eine Ansicht des Rotors im geschnittenen Gehäuse. Diese Bauart hat einen ähnlichen Strömungsverlauf wie die Riedler-Stumpf-Turbine, die in Amerika als Terry-Turbine bekannt ist; sie unterscheidet sich jedoch von dieser dadurch, daß es sich nicht um eine Freistrahlbauart handelt. Die Fig. 6 bis 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Bautype B, und zwar Fig. 6 ein Schema des Strömungsverlaufes (oben im Gehäuse, unten im Rotor), Fig. 7 einen Axialschnitt durch das Gehäuse (links ohne Rotor, rechts Ansicht des Rotors) und Fig. 8 zwei Radialschnitte durch Rotor und Gehäuse. Das Arbeitsmittel durchströmt hier mehrere parallel geschaltete Kanäle mit zur Drehachse konzentrischen Spiralachsen. Im Gegensatz zur Bauart A sind jedoch die einzelnen Druckstufen im Lauf körper voneinander getrennt, so daß die Oberfläche zwischen den Stufen zur Unterbringung von (nicht eingezeichneten) Dichtungselementen ausgenutzt werden kann. Bei beiden Maschinen tritt das Arbeitsmittel bei α in den Leitkörpex in einem runden Kanal ein, dieser geht in eine oder mehrere zur Drehrichtung tangentiale Düsen von z. B. halbkreisförmigem, am Austritt durch eine Kante c von gleichbleibender Länge begrenzten Querschnitt b über, der sich bis auf Null vermindert.

Diese Düsen beaufschlagen eine verschiedene Zahl von Lauf kanälen, in denen die Strömungsrichtung am Ein- und Austritt ebenfalls tangential verläuft und deren Querschnitt von einer Kante c bis zu einem z. B. halbkreisartigen Querschnitt d so zunimmt, daß die relative Eintrittsgeschwindigkeit in den Laufkörper gleich der absoluten Austrittsgeschwindigkeit aus dem Leitkörper vermindert um die Umfangsgeschwindigkeit wird. Nach Aufnahme des gesamten Gas-(Dampf-) Volumens biegt jeder Kanal im Lauf körper in Richtung zur Drehachse ab und geht zugleich in einen runden oder ovalen. Querschnitt e über. Der Kanal wird im Lauf körper dann um i8o° in räumlicher Krümmung umgelenkt und geht an der Austrittsstelle f wieder in einen z. B. halbkreisartigen Querschnitt über, der sich ebenfalls düsenartig tangential, aber entgegen der Drehrichtung verjüngt. Die folgenden Leitkanalstufen sind in gleicher Weise ausgeführt und verändern ebenfalls ihren Querschnitt tangential in Strömungsrichtung von Null bis zur z. B. halbkreisartigen Form bei g, es folgt die räumliche Umlenkung um i8o° und der Übergang zu rundem oder ovalem Querschnitt bei h, anschließend wieder der Übergang zu der Halbkreisform bei i. Die .Laufkanalquerschnitte können gleichbleiben (d = f) oder sich ebenfalls verjüngen, d. h. die Laufkanäle können nach dem Aktions- oder Reaktionsprinzip ausgeführt werden.

In jeder Stufe können die Leitkanäle durch einen konzentrisch zur Drehachse angeordneten Druckausgleichskanal miteinander verbunden werden (Fig. 7 und 8). Es ist ferner möglich, auch an der Übergangsstelle, z. B. am Austritt aus dem

Laufkörper bei der Bauart B, einen Sammelkanal anzuordnen, um Leitkanäle von großem Querschnitt von diesem abzweigen zu können.

Es ist möglich, Lauf- und Leitkörper aus einem anderen Material herzustellen als die Wände der Strömungskanäle und die Dichtflächen zwischen Lauf- und Leitkörper. Die Verwendung von verschiedenen Materialien für diese Teile kann folgende Vorteile bieten: Gute Wärmeisolierung zwi-

J.0 sehen den einzelnen Kanälen, hohe Glätte und Polierbarkeit der Kanalwände und Schutz der Kanalwände gegen chemisch aggressive Arbeitsstoffe.

Die Herstellung des Laufkörpers erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß der Laufkörper Aussparungen zur Aufnahme der Kanäle erhält, die ganz oder geteilt in den Laufkörper eingelegt oder eingegossen werden. Zur Befestigung dieser Kanäle wird ein mindestens zweiteiliger Deckkörper auf-

ao gelegt, dessen zylindrische Oberfläche die Dichtfläche bildet und dessen Teile durch geeignete Zuganker, Bandagen, Schrumpfringe oder ähnliche Elemente zusammengehalten werden. Die Spaltquerschnitte zwischen den Ein- und Austrittsöffnungen können durch Labyrinthe oder ähnliche Dichtungselemente abgedichtet werden.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Strömungsmaschine zur Entspannung oder Verdichtung gasförmiger oder dampfförmiger Stoffe, insbesondere Gasturbine, bei der das Arbeitsmittel — bei Verwendung als Kraftmaschine — in den Läufer der Maschine in Richtung der Umfangsgeschwindigkeit in geschlossenen Kanälen tangential eintritt und tangential entgegen der Umfangsgeschwindigkeit austritt (bei Arbeitsmaschinen ist die Strömungsrichtung umgekehrt), und Ein- und Austrittssteile am Läufer durch einen geschlossenen, im Innern des Läuferkörpers angeordneten Kanal verbunden sind, der das Arbeitsmittel in der Projektion auf eine Tangentialebene an den Läufer um etwa i8o° umlenkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal außer dieser Krümmung in der Tangentialebene in der Projektion auf eine zur Drehachse senkrechte Ebene beim Eintritt in den Läufer in Richtung zur Drehachse hin, beim Austritt jedoch von der Drehachse weg stetig gekrümmt ist, so daß die Strömung eine stetige Raumkurve beschreibt, zu deren Darstellung mindestens zwei Krümmungshalbmesser in verschiedenen, zueinander senkrechten Ebenen erforderlich sind, von denen mindestens ein Krümmungshalbmesser mindestens die doppelte Länge des mittleren Kanaldurchmessers besitzt.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung von Druck in Geschwindigkeit des Arbeitsmediums in jeder Stufe ganz oder vorwiegend in feststehen- · den Leitkanälen erfolgt.
3. 3. Maschine nach Anspruch 2 in mehrstufiger Ausbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkanäle zwischen zwei Läuferstufen als Raumkurve mit zwei verschiedenen Krümmungshalbmessern in zwei zueinander senkrechten Ebenen wie die Läuferkanäle ausgebildet sind.
4. 4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsradien der Kanäle im Leit- und Läuferkörper an keiner Stelle kleiner sind als das Doppelte des Kanaldurchmessers an der betreffenden Stelle.
5. 5. Maschine nach einem oder mehreren der •vorhergenannten Ansprüche mit mehrstufiger Ausbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle der aufeinanderfolgenden Stufen im Läufer entweder in Umfangsrichtung oder in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind.
6. 6. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche mit mehrstufiger Ausbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkanäle je einer Stufe durch einen konzenirisch zur Drehachse angeordneten Druckausgleichskanal miteinander verbunden sind.
7. 7. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Leitkanalgehäuse an den Austrittsstellen der Laufkanäle ein Sammelkanal angeordnet ist.
8. 8. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den einzelnen Kanälen verfügbare Raum zur Unterbringung einer Wärmeisolierung verwendet wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 142662; USA.-Patentschrift Nr. 1 546 744.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ® 609 706/221 10.56 (609 865 4.57)