DE104468C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 14: Dampfmaschinen.

CHARLES GORDON CURTIS in NEW-YORK. Mehrstufige Turbine mit Expansionsdüse.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 2. September 1896 ab.

Die bisher bekannten Dampfturbinen zerfallen im wesentlichen in zwei Arten,, welche in thatsächlichen Ausführungen nur durch die de Laval'sche und die Parson'sche Turbine "verkörpert werden.

Während de Laval mit Hülfe der von ihm erfundenen Expansionsdüse die gesammte Spannung des Dampfes vor seinem Eintritt in die Turbine in lebendige Kraft umsetzt, theilt Parson die verfügbare Geschwindigkeit in eine Anzahl von Stufen ein und treibt mit jeder Geschwindigkeitsstufe ein gesondertes Laufrad, so dafs die auf diese Weise erhaltene Umfangsgeschwindigkeit der Maschine der vorgenommenen Theilung der Dampfgeschwindigkeit entsprechend vermindert wird.

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine, bei der durch eine eigentümliche Vereinigung beider Systeme der Vortheil erzielt wird, dafs mit einer wesentlich geringeren Umdrehungszahl gearbeitet werden kann, ohne den bei den hohen Umdrehungszahlen der bekannten Systeme erreichten Wirkungsgrad herabzudrücken.

Im Folgenden sollen diejenigen Turbinen, welche die gesammte Energie des Dampfes in einem Rade ausnutzen, der Einfachheit halber als »Einstufige« und diejenigen, welche die Geschwindigkeit des Dampfes theilen, als »Mehrstufige« bezeichnet werden.

Die mehrstufigen Turbinen sind sowohl als Axial - wie als Radialturbinen ausgeführt worden, aber alle früheren Erfinder haben dabei einen sehr wichtigen Vortheil der de Lavalschen Construction übersehen und bei der als Axialturbine ausgeführten de Laval'schen Turbine kann dieser Vortheil nur in sehr be-, schränkten: Mafse zur Geltung kommen, weil sie als einstufige Turbine ausgeführt ist.

Die bisher ausgeführten mehrstufigen Turbinen lassen nämlich den Dampf durch eine ringförmige Oeffnung in die Schaufelräder eintreten , d. h. die Ausströmungsöffnung des Dampfes überdeckt die ganze Mündungsfläche des Laufrades. Nun entspricht aber einer gewissen Leistung ein gewisser Flächeninhalt der Dampfausströmungsöffnung (bei gegebenem Druck), und es folgt hieraus, dafs man bei ringförmiger Ausströmungsöffnung den Halbmesser derselben nicht über ein gewisses Mafs vergröfsern kann, ohne dafs die radiale Breite der Oeffnung und damit gleichzeitig die radiale Abmessung der Schaufeln constructiv. zu gering wird. Dementsprechend ist Parson bekanntlich auch bis an die äufserste Grenze des Erreichbaren in diesem Sinne herangegangen, indem seine Schaufeln nur wenige Centimeter im Geviert messen. Man begiebt sich also dadurch des Mittels, durch Vergröfserung des Laufraddurchmessers und unter Beibehaltung der Umfangsgeschwindigkeit die Umdrehungszahl herabzusetzen.

Bei der einstufigen Turbine wiederum spielt dieser Vortheil nur eine geringe Rolle, weil ohnehin die Umfangsgeschwindigkeit so aufserordentlich grofs gewählt werden mufs, dafs eine wesentliche Vergröfserung des Durchmessers des Laufrades zu unüberwindlichen Schwierigkeiten constructiver Natur führen würde und dafs durch die zulässige Vergröfserung immer noch keine praktisch verwendbare Umdrehungszahl zu erzielen ist.

Die vorliegende Erfindung besteht also im wesentlichen darin, dafs die Expansionsdüse der einstufigen Turbine mit einer mehrstufigen Turbine combinirt wird.

Es genügt aber nicht, die an der einstufigen Turbine vorhandene Düsenconstruction ohne jede Veränderung auf die mehrstufige Turbine zu übertragen, denn es zeigt sich, dafs es nicht ausführbar ist, die Geschwindigkeit des Dampfes durch viele Stufen zu theilen, sobald man davon absehen' will, die gesammte Mündungsfläche des Laufrades durch die Mündungsfläche der Dampfdüse zu überdecken.

Da nämlich die Schaufeln beständig an der Düsenmündung vorbeirücken, so werden periodisch immer zwei Zellen an den Enden der Mündungsfläche der Düse nur unvollkommen gefüllt werden.

Bedeckt also die Mündungsfläche der Düse beispielsweise sechs Zellen des Laufrades, so werden in denjenigen Stellungen desselben, in denen die Düsenränder auf die Mittellinien der Laufradzellen treffen, nur fünf Laufradzellen eine vollständige Füllung erhalten, dementsprechend nur vier Zellen des folgenden Leitrades, nur drei des darauffolgenden Laufrades, nur zwei des darauffolgenden Leitrades und schliefslich nur eine des darauffolgenden Laufrades. Es würde also die Anwendung eines vierten Laufrades überhaupt schon zwecklos sein.

In der That hat der Erfinder durch Versuche festgestellt, dafs'bei der Combination der Expansionsdüse mit einer mehrstufigen Turbine höchstens drei, aber in den meisten Fällen am besten nur zwei Stufen angenommen werden dürfen, weil sonst die gekennzeichneten Verluste so grofs werden, dafs die durch Abstufung der Geschwindigkeit erlangten Vortheile überwogen werden. r^ementspreche^nd entfällt bei den Turbinen nach vorliegender Erfindung ein yerhältnEsmäisig_jrrofsgr_Tfieil der_Exp~ansion auf die Leiträder und es werden nur wenige Stufen angewendet.

Dementsprechend ist es aber auch nicht zulässig, die bei den einstufigen Turbinen ausgeführte Düsenconstruction ohne jede Aenderung auf die mehrstufige Turbine zu übertragen. Während nämlich bei der de Laval'sehen Turbine die Einströmungsdüse in möglichst viele kleinere Düsen zerlegt wird, theils um den axialen Druck auf das Laufrad möglichst gleichmäfsig auf dem Umfange desselben zu vertheilen, theils um durch völlige Abdrosselung einzelner Düsen die Füllung verändern zu können, ohne das Verhältnifs der Eintrittsund Austrittsquerschnitte der Summe der Düsenöffnungen zu ändern, so wird nach der vorliegenden Erfindung stets nur eine einzige Düse verwendet, weil durch eine Vermehrung der Düsenöffnungen der gekennzeichnete Ueberlaufverlust an den Rändern der Düsenmündungsflächen entsprechend vermehrt werden würde.

In der beiliegenden Zeichnung ist die Turbine nach vorliegender Erfindung schematisch dargestellt, und zwar ist Fig. ι ein axialer Querschnitt und Fig. 2 ein abgewickelter Schnitt durch die Schaufeln in der durch die Linie x-y der Fig. i erzeugten Mantelfläche.

Die Welle A ist in den Lagern α α gelagert und mit Hülfe von Stopfbüchsen S S durch das dampfdichte Gehäuse B hindurchgeführt. An das letztere ist einerseits das Dampfrohr F und andererseits das Auspuffrohr H angeschlossen. Das Dampfrohr F ist mit dem Kessel in Verbindung stehend zu denken, es zeigt in üblicher Weise bei d eine Einschnürung, deren Qiierschnittsfläche der verlangten Arbeitsleistung und dem vorhandenen Dampfdruck entsprechend gewählt ist, und es schliefst sich unmittelbar daran die Expansionsdüse G, deren Ausströmungsöffnung e aber nicht der vollen erreichbaren Expansion entspricht, wie in der de Laval'schen Turbine, sondern nur demjenigen Theil derselben, welcher der ersten Stufe der Turbine entspricht

Auf der Achse A aufgekeilt ist das Laufrad C, welches an seinem Umfang die Schaufeln D und D¹ trägt. Dazwischen und an der Mantelfläche b b des Gehäuses B befestigt befinden sich die Schaufeln des Leitrades E, welche durch eine zweite Mantelfläche c gegen das Gehäuseinnere abgeschlossen sind.

Der Expansion des Dampfes auf seinem Wege durch die Turbine ist durch die radiale Ausdehnung der auf einander folgenden Zellen Rechnung getragen, indem die Mündungsfläche/ des Laufrades D gröfser gewählt ist als die Mündungsfläche e, die Mündungsfläche g wieder gröfser als die Mündungsfläche f und endlich die Mündungsfläche h gröfser als die Mündungsfläche g.

In Fig. 2 sind der gröfseren Uebersichtlichkeit halber in den Laufrädern D und Z)¹ die Zellen schraffirt und die Schaufeln freigelassen und bei dem Leitrade E umgekehrt die Schaufeln schraffirt und die Zellen freigelassen gezeichnet.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist der Einströmung durch eine einzige Düse entsprechend auch von dem zwischen die beiden Laufräder geschalteten Leitrade nur ein kleiner Theil wirklich ausgeführt.

Würde nun nach vorliegender Erfindung eine gröfsere Anzahl von Laufrädern hinter einander geschaltet, so würde, abgesehen von der bereits weiter oben gekennzeichneten Schwierigkeit, der Spaltverlust eine erhebliche Rolle spielen.

Diesem Uebelstande wird dadurch abgeholfen, dafs die einzelnen Laufräder oder die einzelnen, nur wenige hinter einander ge-

schaltete Laufräder enthaltenden Systeme nicht einfach hinter einander geschaltet werden, sondern jedes einzeln von einem vollständig und allseitig begrenzten dampfdichten Gehäuse umschlossen wird.

In den Fig. 3 und 4 der beiliegenden Zeichnungen ist dieser verwickeitere Fall dargestellt, und zwar ist Fig. 3 ein axialer Schnitt und Fig. 4 ein abgewickelter Schnitt nach der durch die Linien x-y der Fig. 3 erzeugten Mantelfläche.

In Fig. 3 und 4 ist der Fall dargestellt, dafs jedes einzelne Laufrad mit einem gesonderten Gehäuse umschlossen ist. Die Buchstabenbezeichnungen entsprechen im Uebrigen den in den Fig. 1 und 2 angewendeten.

. Das Dampfrohr .F ist wieder mit dem Kessel verbunden zu denken und speist durch die Expansionsdüse G das erste Laufrad D. Das letztere ist aber nicht wie in Fig. 1 und 2 mit dem zweiten Laufrade D¹ in einem gemeinschaftlichen Gehäuse eingeschlossen, sondern es ist mit einem eigenen vollständig abgeschlossenen Gehäuse versehen. Das Leitrad E ist daher zwischen zwei vollständig getrennte Turbinen eingeschaltet und speist seinerseits genau ebenso wie die Düse G das zweite Laufrad D¹ und so fort.

Infolge des Spaltverlustes wird sich das Gehäuse B des ersten Laufrades vollständig mit Dampf anfüllen. Derselbe wird aber nicht ohne Weiteres in das zweite Laufrad D¹ eindringen und weiter bis zum Auspuffrohr H gelangen können, sondern er wird nur bis in das Leitrad oder die zweite Düse E gelangen, wird dort mit dem regelrechten Abdampf des ersten Laufrades vermischt und wieder zu einem zusammenhängenden und in günstiger Richtung austretenden Strahl gesammelt und daher in Stand gesetzt werden, die in ihm noch aufgespeicherte Spannung im zweiten Laufrade in Arbeit umzusetzen. Durch dieses Mittel ist also die Möglichkeit geschaffen", die Theilung der Gesammtgeschwindigkeit des Dampfes auch bei solchen Turbinen, bei denen die Einströmungsdüse nur einen kleinen Theil der Mündungsfläche der Laufradzellen überdeckt, beliebig weit zu treiben.

Der Erfinder betrachtet es als selbstverständlich, dafs das Wesen der vorliegenden Erfindung nicht berührt werden würde, wenn die einzelnen hinter einander geschalteten Turbinen, anstatt auf einer gemeinsamen Welle aufgekeilt zu sein, getrennt gelagert wären.

Es ergiebt sich also durch diese Construction nicht lediglich eine Combination der beiden bekannten Turbinenarten, sondern es ist ein Mitteltyp geschaffen, welcher insofern mehr zu erreichen gestattet, als eine blofse Addition der Einzeleffecte bekannter Turbinen, als deren Vorzüge in dieser Combination erhalten bleiben, ohne dafs ihre Nachtheile mit übernommen sind. Dementsprechend ergiebt sich denn auch durch Versuche, dafs Ausführungen von Turbinen nach vorliegender Erfindung bei Umdrehungszahlen, die nur ein Drittel bis ein Fünftel der Umdrehungszahlen der bisher ausgeführten Dampfturbinen erreichen, dennoch keinen höheren Dampfver-. brauch aufweisen. ,

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Dampfturbine mit zwei oder mehreren hinter einander geschalteten Laufrädern, dadurch gekennzeichnet, dafs der Dampf durch eine einzige, nur einen Theil der Mündungsfiäche des ersten Laufrades überdeckende Düse zugeführt wird, wobei die radialen Abmessungen der Zellen der folgenden Systeme gröfser sind als die der vorhergehenden und jedes Laufrad oder je ein System von mehreren Laufrädern mit einem dampfdichten Gehäuse umgeben ist, zum Zwecke, bei möglichst geringer Umfangsgeschwindigkeit den Durchmesser der Laufräder unabhängig von der Leistung zu machen und so die Umdrehungszahl herabzudrücken.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.