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Die
Erfindung betrifft ein Reaktionsrad zur Verwendung in Turbinen-
bzw. Verdichteranordnungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
dem Stand der Technik bekannte Strömungsmaschinen, insbesondere
Turbinen und Verdichter, beinhalten oft eine Kombination aus einem Laufrad
und einem Leitrad. Das Leitrad bildet dabei ein statisches System,
mit dem sich die Strömungsrichtung
und/oder die Geschwindigkeit eines strömenden Mediums ändern lässt, während das
Laufrad vom strömenden
Medium angetrieben wird oder das strömende Medium antreibt.
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Eine
derartige Anordnung ist bei einer ganzen Reihe von Anwendungen nachteilig.
Beispielsweise werden bei Organic- Rankine-Kreisprozessen, nachfolgend
als ORC-Prozesse bezeichnet, in den dafür vorgesehenen Turbinen zur
Beschleunigung des dampfförmigen
Mediums lange Düsen
benötigt, weil
das ORC-Arbeitsmedium sehr häufig
um mehr als das 100fache seines ursprünglichen Volumens entspannt
werden muss. Ein entsprechender Platzbedarf muss dafür bei der
Gestaltung des Leitrades einberechnet sein. Dadurch wird entweder
das gesamte Dampfgehäuse
unverhältnismäßig groß oder es
kommt zu Platzproblemen bei der Integration eines Leitrades in ein
Dampfgehäuse
mit vorgegebenen Bemaßungen.
Zudem müssen
für die
Gestaltung des Laufrades, des Leitrades und deren Verankerung in
der Turbine bzw. dem Verdichter erhebliche konstruktive Anforderungen
erfüllt
werden, die einen erhöhten
Materialaufwand und erhebliche Kosten mit sich bringen.
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Aus
der gattungsbildenden
DE
102 11 423 A1 ist eine Turbine vorbekannt, welche als Schaufeln durch
Seitenwände
begrenzte Rinnen aufweist, die im wesentlichen kombiniert kreis-
oder spiralförmig sowie
wendelförmig
verlaufen. Die Rinnen selbst sind dabei in einem massiven Formkörper ausgebildet.
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Der
Gasturbinenrotor gemäß
DE 19 49 625 C2 besitzt
eine besondere Schaufelform derart, dass die Tangentialgeschwindigkeit
des Gases in den Schaufelkanälen
an einem Punkt, der sich in der Nähe des Eintritts befindet, kleiner
ist als die des Rotors im selben Punkt. Weiterhin weisen die Rotorschaufeln
eine besondere Krümmung
auf. Ein wesentliches Merkmal der speziellen Schaufelform besteht
darin, dass dann, wenn die Strömung
ein Flüssigkeitsteilchen
mitreißt,
das klein genug ist, um mit der Strömung bei einer nur mäßigen Abdrift,
sogar unter der Wirkung großer
Beschleunigungskräfte
mitgerissen zu werden, dieses Flüssigkeitsteilchen
nicht auf die Kanalwand aufprallt.
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Bohl,
Willi: Strömungsmaschinen-Aufbau und
Wirkungsweise; Vogel-Verlag, 1977, Seite 34, 35, zeigt verschiedene
Methoden, nach denen Geschwindigkeiten und Kanalberechnungen bei
Schaufelrädern
für Kraft-
und Arbeitsmaschinen bestimmt bzw. berechnet werden können. Zum
Strömungsmechanismus
in Laufrädern
sei noch auf Pfleiderer, C., Petermann H.: Strömungsmaschinen; Springer-Verlag,
6. Auglage, 1991, Abbildung 2.28, 2.29 und 2.30, verwiesen.
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Es
besteht somit die Aufgabe, eine weiterentwickelte Konstruktion für eine Turbine
bzw. einen Verdichter anzugeben, mit dem die erwähnten Nachteile nachhaltig überwunden
werden können.
Die gesuchte Konstruktion soll einen möglichst einfachen Aufbau aufweisen
und mit einem Minimum an strömungsmechanischem
Widerstand eine maximale Verdichtungsleistung bzw. eine maximale
Ausbeute an mechanischer Nutzenergie im Falle der Turbinenverwendung
gewährleisten.
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Die
Aufgabe wird mit einem Reaktionsrad zur Verwendung in Turbinen-
bzw. Verdichteranordnungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten
zweckmäßige Ausführungsformen
der Erfindung.
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Das
Reaktionsrad besteht aus einer im wesentlichen zylindrischen Scheibe
mit einer in deren Rotationsachse angeordneten axial orientierten,
im wesentlichen zum Scheibenmittelpunkt verlaufenden ersten Öffnung in
Verbindung mit einer Reihe von aus dem Scheibenmittelpunkt zur Mantelfläche der Scheibe
entlang einer Krümmung
verlaufenden Strömungskanälen mit
einem entlang ihres Verlaufs veränderlichen
Querschnitt.
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Der
Querschnitt der Strömungskanäle ist erfindungsgemäß in axialer
Richtung veränderlich
ausgebildet. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
geändert
werden, ohne dass die optimale Bahn des Strömungskanals beeinflusst wird.
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Bei
einer Verwendung des Reaktionsrades als Verdichter ist die Strömung des
zu verdichtenden Arbeitsmediums radial von der Mantelfläche zu dessen
Mittelpunkt mit einer axialen Umlenkung und Abführung des Mediums gerichtet.
Das Arbeitsmedium wird somit über
die Mantelfläche
in die Strömungskanäle des sich
drehenden Reaktionsrades geleitet und verlässt das Rad im verdichteten
Zustand über
die erste Öffnung
in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Rotationsachse des sich
drehenden Reaktionsrades.
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Bei
einer Verwendung des Reaktionsrades als Turbine ist die Strömung des
antreibenden Mediums axial über
die erste Öffnung
in den Mittelpunkt des Reaktionsrades eintretend und radial über die Strömungskanäle zur Mantelfläche gerichtet.
Die axiale Zuführung
gewährleistet
eine gleichmäßige Beschickung
des Reaktionsrades mit dem Arbeitsmedium mit einer optimalen Umwandlung
der Strömungsgeschwindigkeit
des Arbeitsmediums in eine Drehbewegung.
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Bei
einer überkritischen
Entspannung bzw. Verdichtung des Arbeitsmediums sind die Strömungskanäle als Lavaldüsen bzw.
Lavaldiffusoren ausgebildet. Bei einer unterkritischen Entspannung bzw.
Verdichtung des Arbeitsmediums weisen die Strömungskanäle eine kontinuierliche Querschnittsverminderung
in Richtung der Mantelfläche
auf.
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Bei
einer Ausführungsform
ist die axial verlaufende erste Öffnung
in deren Querschnitt verstellbar ausgebildet. Dadurch kann das Entspannungsverhältnis des
Mediums um Reaktionsrad in Abhängigkeit
von laufenden Betriebsparametern kontinuierlich reguliert werden.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausführungsform ist
der verstellbare Querschnitt als ein zur Lavaldüse bzw. dem Lavaldiffusor gehörender axial
innerhalb der ersten Öffnung
verschiebbarer Kegel ausgebildet. Diese Gestaltung verhindert die
sonst bei einem einfachen Drosselventil auftretenden Strömungsverluste.
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Das
Reaktionsrad soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur
Verdeutlichung dienen die 1 bis 3. Es werden für gleiche oder gleich wirkende
Teile die selben Bezugszeichen verwendet.
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Es
zeigt:
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1 eine
beispielhafte Prinzipdarstellung eines Reaktionsrades gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
beispielhafte Ausführungsform des
Reaktionsrades mit einem regulierbaren Entspannungs- bzw. Verdichtungsverhältnis,
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3a weitere
Darstellung des Reaktionsrades entlang der Schnittlinie A-A aus 2,
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3b eine Ausführungsform der Strömungskanäle in Form
von Lavaldüsen
bzw. Lavaldiffusoren und
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3c eine Ausführungsform der Strömungskanäle mit einer
kontinuierlichen Querschnittsverjüngung.
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1 zeigt
eine Prinzipdarstellung eines bekannten Reaktionsrades. Das Reaktionsrad
weist im wesentlichen eine flache zylinderförmige Form auf. Die durch das
Reaktionsrad erzeugte oder auf das Reaktionsrad beaufschlagte Drehbewegung
wird auf bzw. von einer mit dessen Zentrum verbundenen, in der Figur
nicht dargestellten Welle übertragen.
Im Drehpunkt des Laufrades befindet sich eine erste Öffnung 1.
Das Medium durchfließt
die erste Öffnung
in axialer Richtung. Bei einer Verwendung des Reaktionsrades als
eine Turbinenvorrichtung strömt
das Arbeitsmedium axial in die erste Öffnung ein, während es
bei der Verwendung des Reaktionsrades als Pumpe oder Verdichter
axial aus der ersten Öffnung
ausströmt.
Der zylinderförmige
Grundkörper
weist weiterhin im wesentlichen rotationssymetrisch angeordnete
Strömungskanäle 2 zwischen
dem Zentrum der Scheibe und deren Außendurchmesser auf. Das Arbeitsmedium
wird durch diese Strömungskanäle in radialer
Richtung durch den Scheibenkörper
geleitet.
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Die
Strömungskanäle weisen
eine über
deren Verlauf unterschiedliche Krümmung auf. Dabei wechselt der
Winkel β zwischen
der Mittellinie des entsprechenden Strömungskanals und einer durch den
Schnittpunkt zwischen einem Kreis mit dem Radius R und der Mittellinie
gelegten Tangente vom Mittelpunkt der Scheibe bis zu deren Mantelfläche. Die Krümmung jedes
Strömungskanals
im Reaktionsrad ist so ausgeführt,
dass durch den sich dabei ergebenden Verlauf jedes Strömungskanals
die durch die rotierende Scheibe und die radiale Strömung des
Arbeitsmediums erzeugte Corioliskraft zu einer möglichst geringen Reibung im
strömenden
Arbeitsmedium bzw. zwischen dem Arbeitsmedium und den Wänden der
Strömungskanäle führt.
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Unter
diesen Umständen
ergibt sich bei einem Turbinenbetrieb des Reaktionsrades mit einem axial
in die erste Öffnung
eintretenden und durch die Strömungskanäle zur Mantelfläche nach
außen
strömenden
Arbeitsmedium wirkende Drehmoment des Laufrades vorwiegend aus der
kontinuierlichen Beschleunigung des Mediums in tangentialer Richtung bezüglich des
Umfangs der Reaktionsrades.
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Zusätzlich dazu
weisen die Strömungskanäle über den
größten Teil
der Länge
der Strömungskanäle 2 einen
veränderlichen
Querschnitt auf. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums
im Strömungskanal
bei einem Turbinenbetrieb kontinuierlich gesteigert oder bei einem Pumpen-
bzw. Verdichterbetrieb verringert. Die Krümmung jedes Strömungskanals
ist entsprechend der durch diese Querschnittsänderung beeinflussten jeweiligen
Mediumsgeschwindigkeit angepasst. Die bei einem gegebenen Radius
R wirksame Bahngeschwindigkeit des Laufrades und deren Einfluss
auf die Strömung
des Arbeitsmediums im Strömungskanal
mit der entsprechenden Reibung infolge der Corioliskraft wird durch
diese Gestaltung weitgehend kompensiert. Der jeweilige Strömungskanal 2 ist
somit entlang seines Verlaufs kontinuierlich mit unterschiedlichen
Schnittwinkeln β1-3 zwischen der Mittellinie 3 jedes
Kanals und einer Tangente gekrümmt
und weist einen damit einher gehenden veränderlichen Querschnitt auf.
Diese Gestaltung führt
dazu, dass die verlängerte
Mittellinie 3 der Strömungskanäle 2 im
Idealfall als eine Spirale vom Zentrum zum Außendurchmesser verläuft, für die bei
einem gegebenen Radius R > 0
jeder Winkel β1...3...n < 90° beträgt.
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Das
Arbeitsmedium wird dadurch im wesentlichen über die gesamte Kanallänge beschleunigt bzw.
verzögert.
Eine ähnliche
Kanalkrümmung
ist von Pumpenlaufrädern
bekannt. Jedoch ist dort die Strömungsrichtung
bei gleicher Anwendung entgegengesetzt der Strömungsrichtung im erfindungsgemäßen Reaktionsrad.
Der Strömungsverlauf
erfolgt bei herkömmlichen
Kreiselpumpen vom Zentrum des Laufrades nach Außen während im hier dargestellten Reaktionsrad
das Arbeitsmedium im Verdichterbetrieb von Außen zum Zentrum der Scheibe
fließt.
Herkömmliche
Laufräder
weisen zudem Strömungskanäle mit einem
im wesentlichen unveränderten
Querschnitt auf.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung des Reaktionsrades mit einer Darstellung
des veränderlichen
Querschnittes der Strömungskanäle 2 und
einer Einstellmöglichkeit
für das
Verdichtungs- bzw. Entspannungsverhältnis an der ersten Öffnung 1.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht das Reaktionsrad aus einem Oberteil 4 mit der ersten Öffnung 1 und
einem Unterteil 5, das auf der hier nicht dargestellten
Welle aufsitzt. Zweckmäßigerweise
werden das Oberteil und das Unterteil getrennt voneinander gefertigt
und anschließend
zum gezeigten Reaktionsrad zusammen gefügt. 2 zeigt
zusätzlich
den veränderlichen
Querschnitt 6 der Strömungskanäle.
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In 2 ist
ebenfalls eine Modifizierung des Reaktionsrades gezeigt, die eine
Regulierung des Entspannungs- bzw. Verdichtungsverhältnisses
während
des Laufradbetriebs ermöglicht.
Die erste Öffnung 1 weist
hierzu eine konische rotationssymmetrische Form mit einer Trichteröffnung 2.d und
einem Durchlass 2.c auf. Bei der Verwendung des Reaktionsrades
als Turbine beginnt hier die regulierbare Entspannung d.h. Beschleunigung
des Arbeitsmediums durch einen axial in die Abschnitte 2.c und 2.d eingeschobenen
Verstellkegel 7. Es wird somit bereits in der axialen Zuströmung zum
Reaktionsrades eine Entspannung, d.h. Beschleunigung des Arbeitsmediums
bewirkt. Bei einer überkritischen
Entspannung liegt der dafür
maßgebliche
kritische Querschnitt im Abschnitt 2.c in axialer Richtung
bezüglich des
Reaktionsrades. Der Querschnitt kann durch ein axiales Verschieben
des Verstellkegels 7 während des
Betriebes jederzeit kontinuierlich verändert werden. Hierdurch ändert sich
das Entspannungsverhältnis über dem
Gesamtsystem.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform bildet der Verstellkegel 7 zusammen
mit den entsprechend gestalteten Strömungskanälen eine Lavaldüse aus.
Durch die axiale Verschiebung des Verstellkegels 7 ändert sich
das Entspannungsverhältnis,
ohne das Verluste wie beim einfachen Drosselventil auftreten. Das
axiale, zentrisch angeordnete System bildet zusammen mit den radial/tangential
angeordneten Strömungskanälen 2 des
Reaktionsrades ein Düsensystem,
das das Energiegefälle
des Arbeitsmediums variabel abbaut. Die erhöhte Meridiangeschwindigkeit
am Eintritt in das Reaktionsrad wird zu einem großen Teil
durch die beschriebene Geometrie der Strömungskanäle in Umfangsgeschwindigkeit
umgesetzt und für
die Drehung des Laufrades genutzt.
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Das
gleiche Prinzip wirkt auch bei einer Verwendung des Reaktionsrades
als Verdichter. Das zu verdichtende Arbeitsmedium, in diesem Fall
ein Gas, strömt
durch die Rotation des Reaktionsrades zu dessen Zentrum. Das Medium
wird dort um 90° umgelenkt
und anschließend
durch einen axial angeordneten Diffusor weiter verlangsamt. Dieser
Diffusor kann ebenfalls so gestaltet werden, dass sein Querschnitt
während
des Betriebes variierbar ist. Das Reaktionsrad ist insbesondere
für die überkritische
Verdichtung sehr geeignet.
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3a zeigt
in Verbindung mit den 3b und 3c eine weitere beispielhafte Ausführungsform des
Reaktionsrades. 3a zeigt hierbei eine Anordnung
von Strömungskanälen in der
Draufsicht entlang der Schnittlinie A-A aus 2, 3b und 3c die
dazu gehörenden
möglichen
Ausführungsformen
in Form von seitlichen Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinie
B-B aus 3a. Aus 3a ist zu
entnehmen, dass die Strömungskanäle in der Draufsicht
einen gleichbleibenden Querschnitt 2.a entlang der Mittellinie 3 des
jeweiligen Strömungskanals
aufweisen. Die Querschnittsveränderung
der Strömungskanäle erfolgt
somit nur in axialer Richtung. Querschnittsveränderungen in der Breite der Strömungskanäle können zusätzlich für Korrekturen vorgesehen
werden, sind aber nicht zwingend notwendig.
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3b zeigt einen veränderlichen axialen Querschnitt 2.b,
der sich mit zunehmenden Radius des Reaktionsrades in Form einer
Lavaldüse
bzw. eines Lavaldiffusors verändert.
Wie aus 3b zu entnehmen ist, weist
der axiale Querschnitt 2.b bei diesem Ausführungsbeispiel
von der Nähe
des Zentrums des Reaktionsrades bis zu einem gewissen Radius einen
zunächst
abnehmenden Betrag mit einem Minimum bei einem Radius Rmi n der Scheibe auf. Der Querschnitt 2.b nimmt
dann in Richtung der Mantelfläche
des Reaktionsrades wieder zu. Wie bereits erwähnt, ist eine derartige Gestaltung
der Strömungkanäle für eine überkritische
Entspannung bzw. Verdichtung des Arbeitsmediums vorteilhaft.
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3c zeigt eine Ausführungsform der Strömungskanäle für einen
Betrieb mit unterkritischen Strömungsgeschwindigkeiten.
Der axiale Querschnitt nimmt in diesem Fall monoton, insbesondere
linear, fallend zur Mantelfläche
des Reaktionsrades hin ab.
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Die
jeweiligen Düsenöffnungswinkel
sind gegenüber
den Schaufel- und Umlenkachsen der Strömung innerhalb der Schaufeln
im wesentlichen um 90° verdreht.
Dadurch ist es sowohl in eine Axialturbine, wie auch bei einer Radialturbine
möglich,
preisgünstige
und materialsparende Düsen
einzusetzen, die eine gerade Orientierung mit kleinsten kritischen Querschnitten
und extremen Erweiterungen aufweisen.
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- 1
- erste Öffnung,
axial orientiert
- 2
- Strömungskanal
- 2.a
- gleichbleibender
Querschnitt
- 2.b
- veränderlicher
axialer Querschnitt
- 2.c
- Durchlass
- 2.d
- Trichteröffnung
- 3
- Kanalmittellinie
- 4
- Oberteil
- 5
- Unterteil
- 6
- veränderlicher
Querschnitt
- 7
- Verstellkegel