DE962762C

DE962762C - Flow machine for the expansion or compression of gaseous or vaporous substances, in particular gas turbines

Info

Publication number: DE962762C
Application number: DEB15952A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Herbert Bachl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1951-07-21
Filing date: 1951-07-21
Publication date: 1957-04-25

Description

(WiGBl. S. 175)(WiGBl. P. 175)

AUSGEGEBEN AM 25. APRIL 1957ISSUED APRIL 25, 1957

B15952 Ia/46 fB15952 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.The well-known axial and radial types of rotating power and working machines work at relatively high speeds, high speeds and small reversal angles to avoid high flow losses during energy consumption.

Als Kennzeichen der verschiedenen Bauarten von Strömungsmaschinen dient bekanntlich der Begriff der spezifischen Drehzahl. Je kleiner derAs is known, the characteristic of the various types of turbomachines is Concept of specific speed. The smaller the

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.ίο deflection angle of the flow in the running body is, the greater the specific .Speed of the type in question. The previously common designs of prime movers for gases and vapors work with relatively small deflection angles, they can so only at high specific speeds, i. H. with large throughput volumes, relatively high speeds and a low step gradient achieve high levels of efficiency.

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 durchIn order to also handle small throughputs with a small specific volume at low speeds and It is known to be able to process a relatively high step gradient economically in every step to provide a large deflection angle and to reduce the flow losses the working medium to lead in closed channels. When using the machine as a prime mover the working fluid enters the rotor tangentially in the direction of the peripheral speed and against the peripheral speed tangentially. Entry and exit points on the runner are through

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.a closed channel located inside the running body connected to the working fluid in the projection on a tangential plane at the rotor deflects by about i8o °, whereby the flow channels composed of curved and straight lines with a rectangular cross-section are. The guide channels are designed in a similar way.

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.The invention relates to the development of such a turbine, in such a way that the Flow channels are designed with a constant double spatial curvature, the radii of curvature the channels in the guide and running body are at no point smaller than double the Channel diameter at the relevant point.

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.In the known turbine, the flow channels are composed of curved and straight sections. The straight stretches are not unfavorable in terms of flow; but since they are so at an angle to the one before them Direction of flow are short, curved connectors with a very small radius of curvature necessary. Such a channel design leads to bumps and the associated ones Eddy losses, so significantly reduces the efficiency. According to the invention are therefore the flow channels are designed with a constant double spatial curvature.

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.In the known machine, the flow channels are designed with a rectangular cross section. In The flow channels are not a simple flow, but because of the spatial The course of the channel is the simple forward flow superimposed on a rotational movement, so that the Flow executes a screwing within the channel. Form with a rectangular cross-section therefore eddies form in the corners, which disturb the flow course and lead to further losses to lead.

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.All channels are therefore given in a development of the invention inside the barrel and of the guide body has a round or oval cross-section. The flow course corresponds to one Spiral distorted at the transition points, the turns of which lie partly in the barrel and partly in the guide body and the axis of which comes to rest in the cylindrical gap area between the running and guide bodies. The running body can be designed as a simple cylinder or composed of cylindrical disks be, the inlet and outlet openings of the channels in the same or different Distance from the axis of rotation, but in different radial planes.

Die Erfindung sei an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert.The invention will be explained on the basis of exemplary embodiments.

Nach der Lage der Spiralenachse zur Drehachse der Maschine werden zwei Bautypen unterschieden: A. Die Spiralenachsen liegen konzentrisch zur Drehachse (Fig. 1),According to the position of the spiral axis in relation to the axis of rotation of the machine, a distinction is made between two types of construction: A. The spiral axes are concentric to the axis of rotation (Fig. 1),

B. die Spiralenachsen liegen parallel zur Drehachse (Fig. 2).B. the spiral axes are parallel to the axis of rotation (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.3 to 8 show two power machines. FIGS. 3 to 5 show an exemplary embodiment of construction type A, namely FIG. 3 an axial section through the housing, FIG. 4 three radial sections through the rotor and housing, and FIG. 5 a view of the rotor in the cut housing. This design has a similar flow pattern as the Riedler-Stumpf turbine, which is known in America as the Terry turbine; however, it differs from this in that it is not a free-jet design. 6 to 8 show an embodiment of construction type B, namely Fig. 6 a diagram of the flow course (above in the housing, below in the rotor), Fig. 7 an axial section through the housing (left without rotor, right view of the rotor) and FIG. 8 shows two radial sections through the rotor and housing. The working fluid flows through several parallel channels with spiral axes concentric to the axis of rotation. In contrast to type A, however, the individual pressure stages in the running body are separated from one another, so that the surface between the stages can be used to accommodate sealing elements (not shown). In both machines, the working fluid enters the Leitkkörpersex in a round channel at α. B. semicircular, at the exit by an edge c of constant length limited cross-section b , which is reduced to zero.

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.These nozzles act on a different number of running channels in which the flow direction at the inlet and outlet is also tangential and the cross section of an edge c to a z. B. semicircular cross-section d increases so that the relative entry speed into the running body is equal to the absolute exit speed from the guide body reduced by the peripheral speed. After taking up the entire gas (steam) volume, each channel in the barrel bends in the direction of the axis of rotation and at the same time turns into a round or oval. Cross section e across. The channel is then deflected in the barrel body by i8o ° in a spatial curvature and goes at the exit point f again into a z. B. semicircular cross-section, which also tapers tangentially like a nozzle, but against the direction of rotation. The following guide channel stages are designed in the same way and also change their cross-section tangentially in the direction of flow from zero to z. B. semicircular shape at g, there follows the spatial deflection by 180 ° and the transition to a round or oval cross-section at h, then again the transition to the semicircular shape at i. The run channel cross-sections can remain the same (d = f) or also taper, ie the run channels can be designed according to the principle of action or reaction.

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 demIn each stage, the guide channels can be arranged concentrically to the axis of rotation Pressure equalization channel are connected to each other (Fig. 7 and 8). It is also possible to attend the transition point, e.g. B. at the exit from the

Laufkörper bei der Bauart B, einen Sammelkanal anzuordnen, um Leitkanäle von großem Querschnitt von diesem abzweigen zu können.Running body in type B to arrange a collecting duct to guide ducts of large cross-section to be able to branch off from this.

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-It is possible to manufacture barrel and guide bodies from a different material than the walls of the Flow channels and the sealing surfaces between the running and guide bodies. The use of different Materials for these parts can offer the following advantages: Good thermal insulation between

J.0 sehen den einzelnen Kanälen, hohe Glätte und Polierbarkeit der Kanalwände und Schutz der Kanalwände gegen chemisch aggressive Arbeitsstoffe. J.0 see the individual channels, high smoothness and The duct walls can be polished and the duct walls protected against chemically aggressive substances.

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-The running body is expediently manufactured in such a way that the running body has recesses to receive the channels that are inserted or partially or completely into the barrel body be poured. To fasten these channels, a cover body made up of at least two parts is

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.ao, whose cylindrical surface forms the sealing surface and whose parts are secured by suitable tie rods, Bandages, shrink rings or similar elements are held together. The gap cross-sections between the inlet and outlet openings can be sealed by labyrinths or similar sealing elements.

Claims

Patent claims:

i. Turbo machine for expansion or compression of gaseous or vaporous Substances, in particular gas turbines, in which the working medium - when used as a prime mover - in the rotor of the machine in the direction of the peripheral speed in closed Channels tangentially and exits tangentially against the circumferential speed (on machines the flow direction is vice versa), and inlet and outlet parts on the runner through a closed one arranged inside the runner body Channel connected to the work equipment in the projection on a tangential plane deflects the runner by about 180 °, characterized in that the channel apart from this Curvature in the tangential plane in the projection onto a perpendicular to the axis of rotation Level when entering the runner in the direction of the axis of rotation, but when exiting from the axis of rotation is continuously curved away, so that the flow describes a continuous space curve, to represent at least two Radius of curvature in different, mutually perpendicular planes are required, of which at least one radius of curvature is at least twice the length of the middle one Channel diameter owns.

2. Machine according to claim 1, characterized in that that the conversion of pressure into speed of the working medium in each stage wholly or predominantly in fixed- the guide channels takes place.

3. Machine according to claim 2 in multi-stage design, characterized in that the Guide channels between two rotor stages as a space curve with two different radius of curvature in two mutually perpendicular planes like the rotor channels are formed.

4. Machine according to claim 1, characterized in that that the radii of curvature of the channels in the guide and rotor body are at no point smaller than twice the channel diameter at the relevant point.

5. Machine according to one or more of the • preceding claims with multi-stage Training, characterized in that the flow channels of the successive Stages in the rotor either in the circumferential direction or in the axial direction are arranged one behind the other are.

6. Machine according to one or more of the preceding claims with multi-stage Training, characterized in that the guide channels each one stage by a concentric to the axis of rotation arranged pressure equalization channel are connected to each other.

7. Machine according to one or more of the preceding claims, characterized in that that a collecting channel is arranged in the guide channel housing at the exit points of the running channels.

8. Machine according to claim 1, characterized in that that the space available between the individual channels is used to accommodate thermal insulation.

Documents considered: German Patent No. 142662; U.S. Patent No. 1,546,744.

1 sheet of drawings

® 609 706/221 10.56 (609 865 4.57)® 609 706/221 10.56 (609 865 4.57)