DE1962380A1 - Turbine - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE HELMUTSCHROETER KLAUS LEHMANN "

DIPL.-PHYS. DIPt.'INC. β MÖNCHEN 25 · LI POWSKYSTR. IO

ca-th-12 Bu/ku

II.12.1969

Thermodynamic Sy st eras Inc«

Turbine

Di® Erfindung besieht sieh auf eine

Bei bekannten Turbinenarten ist eine getrennte gflnne Schaufel am Umfang des Rotors oder Stators vergauchcn₉ an welcher der Dampf oder ein anderes durch die turbine staunendes Fluid angreifen muS» Dan Fluid tritt in die Turbine an einem Ende ein und strömt durch die* selbe auf einem allgemein parallel zur A®h@e vorlau» fendest Weg· An jeder Schaufel wird die Biehtung am Fltsids leicht a&gel©pkt_s ffodureh Kraftko&p©»#sit®n auf &®n MQtm suß Drehantrieb deaeelbtn ausgeOblr tf®rdesi«

BAD OBlGSNAL

Solche Turbinen haben ein sehr geringes Startdrehmoment, wodurch ihre Anwendbarkeit für viele Zwecke begrenzt ist. Darüberhinaus sind sie tetter herzustellen, da cn schwierig ist, die einseinen Schaufeln hörzustellen und am Rotor und am Stator zu befestigen. Während des Betriebs der Turbine besteht die Gefahr, daß ©ine Schaufel vom Rotor abgeschleudert wird. Ausserdem muß häufig das Material der Schaufeln sorgfältig ausgewählt werden, no daß eis liehe Temperaturen aushSlt, da diese dünnen Elemente auf keine Weise Wärme abführen odor gekühlt werden k8nn@n.

Die Erfindung schafft eine billig herssustcrllende Turbine, welch© trotssdem eine tsoss@rd Leinfewns uad ein viel größeres StartdrchsaomeHt ersielt als bekannte Turbinen. Rotor und Stator dieser Turbine sind η or malerwoiri® aus Scheiben gebildet^ in %e£ch® die Schaufeln eingearbeitet sind. Die Schaufeln werden äu.?eh Fräsen in der radialen Stirnfläche der Scheibe unter einem Winkel von etwa 15° ausgebildet» wodurch Aussparungen in einem kreiofdnaigegi ISiastor gebiidat ^erden, deren jede @ine gekrüisst© .tnn©?* Enäifand bo^ltst. Das Fluid kann auf einer Seit® ύ*ι* 8&imut®l eintreten, um die gekrümmt« Endtrand strusaen» ass der. seine Rieh» .-tung uiagekehrt wird, imd auf ü&v aperen Ssite d«r Schaufel ftusstrSmen. Die @eMitf@£i% m$g& in konse»tri» sohen Reihen angeordnet« so daft das Fluid in radialer . Richtung flach außen und nicht in axialer Riehtung strömte wie bei be^afifite» Tur-Miiöii. P£e EeiS&eis Schaufeln in den g®gf^§feer&&@@«!i3®!i Wläfih^n. toss

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■ Sad

und Stator «eisen in entgegengesetzten Richtungen und sind gegeneinander veroctct angeordnet, so daß das ausströmende Fluid aus einer Schaufel in die Einlaßseite der angrenzenden Schaufel eintritt» Quer verlaufende Elemente In den Mitten der Schaufeln trogen zur Strumungeurakehr und zur Erzeugung einer glatten, wirkungsvollen Strömungsverteilung bei· Biese quer verlaufenden Elemente können aus. Wülsten an einem Teil bestehen, welche in Nuten oder Aussparungen its anderen Teil ragen, oder sie können durch getrennte, kleine Platten gebildet werden, weiche in die Schaufeln -eingepaßt sind.

Durch die Erfindung fioll eine Turbine mit einer wirksamen Energieübertragung vom Fluid auf die beweglichen Teile geschaffen werden.

Weiter soll durch die Erfindung eine Turbine mit einem hohen Startdrehmoment geschaffen werden«

Außerdem soll dureh die Erfindung eine Turbine geschaffen werden, welche einfach» zuverlässig und billig musgebildet ist·

Schließlich besweekfe.die Erfindung die Schaffung einer Turbine, bei welcher die Verwendung von elnselnen Schaufeln vermieden ist·

Anhand der Figuren werden Ausfahrungsbeisplele der Erfindung nlher erläutert. Es selgt

Figur 1 einen Längsschnitt durch die erflndungegemä&e Turbine»

Figur 2 eine Stlrnansioht des Rotors der Turbine» Figur 3 eine Stirnanolcht des Stators der Turbine,

Figur 4 eine Tellochragansleht» in welcher die anelnanderllogenden Flächen von Rotor und Stator in einer getrennten Lage dargestellt sind, Figur 5 einen Schnitt lunge der Linie 5-5 in Figur 1, Figur 6 einen Schnitt lange der Linie 6-6 in Figur 1,

Figur 7,eine vergrößerte Teilseltenansicht des Endes dee Rotors, in welcher die inneren Laufschaufeln dargestellt sind,

Figur 8 einen vergrößerten Teilschnitt lungs der Linie 8-8 in Figur 2,

Figur 9 einen Schnitt lfings der Linie 9-9 in Figur 8,

Figur 10 eine sohenatlsehe Darstellung» in welcher der Weg des Fluide durch die Turbine gesolgt 1st»

Figur 11 eine Tellschrfigansloht einer anderen Aueftth- ' rungsfom der Turbine» bei welcher besondere Trennplatten in den Lauf schaufeln vorgesehen sind» und

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Figur 12 einen Schnitt längs der Linie 12-12 in Figur 11.

Die erfindungsgesnäße Turbine 1st für Dampfbetrieb ausgelegt» obwohl auch andere Fluids verwendet werden können. Wie aus Figur 1 ersichtlich, weist die Turbine eine Abtriebiswelle 10 auf, welche eich in ein Gehäuse 11 erstreckt, in dem sie durch Lager 12 und 13 unterstützt wird. Das innere Ende der VJeHe 10 ißt In die Mitte eines Rotors 15 geschraubt. Sine Klemmutter 17 auf der Welle 10 drückt gegen die Außenseite des Rot or ο 15, so daß Rotor und Welle susarcraengehalten werden.

Das Gehäuse 11 1st durch Schrauben 19 mit der Außenseite eines Stators 20 verbunden. Der letstere lot in ein Ende eines ringförmigen Elements 21 geschraubt, das an seinem anderen Ende an einen Stator 22 angeschraubt 1st. Der Mittelteil des Stators 20 1st zur Aufnahme einer Dichtung 23 und einer Dichtungoisutter 24, welche die Wolle 10 abdichten, ausgespart. Außerdem bildet eine Scheibe 25 an der Welle 10 einen Schleuderring, welcher Jegliches Wasser, welches in&aa Gehäuse 11 eindringen kann, von den Lagern 12 und 13 ablenkt« Eine Öffnung 26 ist sum Ableiten dieses Wassers vorgesehen.

Dampf tritt in die Turbine durch eine Leitung 27 in der Achse ein, trifft dort auf die konischen Außenfläche 28 des Nabenteile des Rotors 15 und wird in eine

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Durchführung 29 geleitet. Diese Durchführung mündet in die Laufschaufeln 32 der ersten Stufe des Rotors 15* welche in einer kreisförmigen Reihe konzentrisch zur Welle 10 angeordnet sind. Auf der rechten Seite des Rotors befinden sich drei Stufen von konzentrischen Reihen von Laufschaufeln mit der inneren Reihe von Laufschaufeln 32, außerhalb welcher Laufschaufeln 33 und eine letzte Reihe von Laufschaufeln 34 angeordnet sind. Eine gleiche Anzahl von Laufschaufeln 1st in jeder Stufe vorgesehen, sie sind jedoch radial nach außen zunehmend größer. Im Stator 22 sind konzentrische kreisförmige Reihen von Schaufeln 36 und 37 vorgesehen, welche in die Rotorschaufeln auf dieser Seite des Rotors 15 münden. Die Schaufeln 36 sind etwas grüßer als die. Rotorschaufeln 32 und kleiner als die Rotorochaufein 33 in der nächsten, weiter außen gelegenen Stufe. Die Statorachaufein 37 liegen in ihrer Größe zwischen den Rotorschaufeln 33 und 3*1 ·

Dampf aus der Durchführung 29 tritt in die Laufschaufeln 32 ein, bewegt sich radial nach außen zu den Statorechaufeln 36, dann na3h außen zu den Rotorschaufeln 33« zu den Statorschaufeln 37 und zu den Rotorschaufeln 34 und in dia offene Zone 38 außerhalb des Außenumfangs des Rotors 15 und strömt durch die Auslaßöffnungen 39 im ringförmigen Organ 21 ab. Die Steigerung der Schaufelgrüße von der ersten Reihe nahe der Achse bis zur letzten Reihe am Umfang ermöglicht eine Ausdehnung des Dampfes, während er durch die Turbine strömt.

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Weiter oind mit der Durchführung 29 Öffnungen 40 verbunden, welche unter einem Winkel durch den Rotor 15 führen. Der Dampf auo den Öffnungen 40 strömt in die erste Reihe von Schaufeln 41 in» Stator 20, von wo er aich in die Schaufeln 42 im Rotor 1? bewegt. Aua den letzteren Schaufeln tritt der Dampf in eine cwelte Stufe von Schaufeln 43 im Stator 20 ein und strürat zuletzt in die Schaufeln 44 der Äußeren Stufe des Rotors 15« Wiederum strömt der Dampf radial nach außen und tritt in die Zone 38 zur Ableitung durch die Offnungen 39 aus.

Die Schaufeln im Rotor und in den Statoren besitzen ähnliche Form. Wie am booten aus den Figuren 7, 8 und 9 ersichtlich, in denen die Schaufeln 32 vergrößert dargestellt sind, sind die die Schaufeln bildenden Aushöhlungen crceugt, indem unter einem Winkel gerade Frusschnltte in den Radlalflachen von Rotor und Statoren «ungeführt werden« Die Schaufeln liegen unter einem flachen Winkel zu diesen Flüchen, welcher normalerweise 15° beträgt# Jede Schaufel hat daher einen Eingang an der radialen Stirnfläche des Rotors oder Stators und erstreckt iiich nach innen im allgemeinen in Umfangerichtung. Die Schaufel 32 hat parallele Boden» und Deckwände 4$ und 46 an ihrem äußeren Ende, welche mit einer Inneren Stirnwand 47 mit etwa Halbkreieform verbunden oind. Die Seitenwfindc 48 und 49 der Schaufeln sind parallel und oenkrecht tür Achse des Rotors 15.

Die radial»StirnflÄüu« 50 an einem Ende des Rotors 15

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ist mit einer bogenförmigen Aussparung 51 veroehon, welche in der Mitte jeder Schaufel 32 angeordnet iet. Zusammen sind die Aussparungen 51 in einem kreisförmigen Muster koaxial zur Welle IO angeordnet. Gleichartige Aussparungen 52 und 53 sind in den Mitten der Schaufeln 33 und 34 angeordnet« Diese Aussparungen nehmen vorspringende Ringwülste 54, 55 und 56 an der radialen _ Stirnfläche 57 des Stators 22 auf, welche komplemen-™ tor In die Aussparungen passen. Daher befindet sich an jeder Schaufel des Rotors ein Vorsprung des Stators, welcher eich teilweise in Axialrichtung des Rotors in dieselbe erstreckt.

In vergleichbarer Weise weist der Stator 22 ringförmig gebogene Nuten 60 und 6l in seiner radialen stirnfläche 57 in den Mitten der Schaufeln 36 und 37 tuf. Der Rotor 15 weist axial nach außen vorspringende Ringttülste 63 und 64 auf, welche sich komplementär ir< die Nuten 60 bzw. 61 erstrecken. Dadurch ergibt eich eine axiale Fortsetzung teilweise in jede der Stater m: haufein fc hinein.

Auf der 'entgegengesetzten Seite 1st eine ähnliche' Anordnung mit ningwülflten 65 und 66 dec Rotors vor&eaehen, welche sich in die Mitton der Schaufeln *J1 bzw. 'Ο des Stators 20 erstrecken. Der letztere hat itclneriieita Ringwüiste 67 und 68, welche sich In die Mitten der Schaufeln 42 und 44 dos Rotors 15 erstrecken«

Entsprechend dieoor Anordnung tritt daher das Fluid in

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die Schaufel auf einer Seite des in dieselbe ragondon Wulstes ein, wird in seiner Richtung an der halbkreisförmigen Innenwand umgekehrt und tritt aus der Schaufel an der gegenüberliegenden Seite des Wulstes aus. Daher tritt das Fluid aus den Durchführungen 29 bei den Schaufeln 32 an den Schaufeleingängen längs der unteren Teile dieser Schaufeln sswiochen den PlUchen

45 und dem Wulst 56 aus. Sodann wird das Fluid, wie durch die Pfello in den Figuren 7 und 9 angedeutet, längs der halbkreisförmigen Wand 47 umgelenkt, so daß es seine Richtung umkehrt und allgemein parallel su seiner ursprünglichen Richtung längs der oberen Wand

46 strömt. Das Fluid tritt aus den Schaufeln 32 an ihren Ausgängen oberhalb des Wulstes 54 und unterhalb der Deckband 46 aus* Während das Fluid in den Schaufeln 32 umgelenkt wird, übt es eine Kraft auf den Rotor 15 aus. Da die Schaufeln unter einem fIachtm Winkel be süßlich der Rotorflfiche angeordnet slnd_e lsit die größere Komponente dieser Kraft in Umfangorlwhtung gerichtet und erzeugt eine Kraft auf den Rot;or, so daß er in Drehrichtung angetrieben wird.

Eine ähnliche Wirkung tritt in den anderen Schaufeln dor Statoren und doo Rotors auf. Wenn das Fluid die Schaufeln 32 verläßt, tritt es In die unteren ?,'e:Lle der Schaufeln 36 ein, welche den Schaufeln 32 ß©i5©nüborliegen. Der Dampf tritt in die Schaufeln 36 unterhalb der Wulstο 63 oin, seine Strömung«richtung wird umgekehrt und er tritt oberhalb der Wülste 63 in die unteren Teile der Schaufeln 33 aus. So tritt da· Fluid

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in die Schaufeln 33 in der gleichen Richtung ein, in der on In die Schaufeln 32 eintrat, wodurch ein ευ-cötsucher, vorwärts gerichteter Impuls auf den Rotor 15 gegeben wird. Da© Fluid strömt radial nach außen durch die Schaufeln 33 in die Statorschaufeln 37» welche den Rotorschaufelngegenüberliegen. Aus den Statorachaufeln 37 strömt der Dampf zurück zu den Rotorschaufeln 34 und in die Auelaßberclche 30 und 39· Eine gleiohe Wirkung wird auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors ersielt«

Bei dieser Anordnung erfährt das Fluid in Jeder Schaufel im wesentlichen eine Umlenkung von l80°. Dies bedeutet, daß es eine ochr große Kraft auf jede der Schaufeln ausübt, da seine Richtung nicht nur leicht . abgelenkt, sondern umgekehrt wird. Dies erhöht das von der Turbine erseugte Drehmoment wesentlich. Infolgedeosen 1st die Turbine in der Lage, von der Geschwindigkeit Null su starten und besltst etwa das zweifach© Startdrehmoment besüglloh seines Laufdrohmonents bei einem gegebenon Druck· Die Umkehrung der Bewegungsrichtung des Fluids bewirkt auch, daß es die richtige Richtung sum Eintritt in die n&ehste Schaufel annimmt. Die Wülste in don Mitten der Schaufeln tragen sur Strömungoumkehr bei und bilden tine Labyrinthdichtung, wolehe ein Dampfleeken swisehen den benachbarten Radialfläohen von Rotor und Stator vorhlndort. Der Wirkungsgrad der Strömung wird auf diose Weise er* höht, da das Fluid von einer Schaufel in die nächste unter eine« optimalen Winkel übertritt. Dl· die Sohau-

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fein bildondcn, eingearbeiteten Aushöhlungen loosen eich echr leicht hersteilen, ohne daß enge Toleranzen erforderlich sind. Eo mOeeen nicht getrennte Schaufeln angebracht werden« wie bei einer bekannten Turbine, da die Schaufeln einstöckig »it den Rotor und den Statoren verbunden sind. Die Turbino läßt sieh daher sehr billig herstellen.

Ee kann jede Anzahl von Stufen cur Anpassung an die praktischen Lolstungsbedürfnisee vorgesehen werden. Da die Schaufeln in Rotor und Stator ausgebildet sind, können sie eine beträchtliche wärmemenge abführen und daher ist die Verwendung von heißeren Dampf oder anderen Fluid möglich. Die Masse des Rotors und Stators kann die Wfirmo abführen und, wenn erforderlich, kann im Gegonsats zu gctftihnlichen Bauweisen, bei ve loh© η eine dünne, getrennte Schaufel verwendet wird, eine Kühlung vorgesehen werden. Darüborhinaus arbeitofc die Turbine ruhig, da ηich der Dampf am Auslaß viel langsamer bewegt als der eintretende Dampf. Der sich schnell bewegende einströmende Dampf ist von der Außenseite isoliert, da er sich in der Mitte der Turbine befindet.

Bei einigen Turbinengrößen wird es bevorzugt, die Wülste und Aussparungen in den Mitten der Schaufeln wegzulassen. Statt dessen ist, wie in den Plguren 11 und 12 geneigt, eine kleine, flache Platte 69 an der Schnur fei vorgesehen» Die Platte 69 ist in Drauf sieht drei*· eckig, so daß sie in eingebautem Zustand mit der radialen Oberfläche 71 des Rotors oder Stator·» in den sie

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eingebaut let, bündig liogt. Sie paßt in einen Schlitz 72, welcher in dor Mitte des Einlacooe in die Schaufel 70 ausgebildet lot und sich parAllel tür Türbinenachse crotreokt. Dao Innere Ende73 der Platte 69 endet in der Mitte der Krümmung der inneren Endwand 74 der Schaufel 70· .

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ORSGiNAL

Claims (1)

1. Pat entftnsprUcho

   urbinc mit einem eine radiale Stirnflache aufwelsenen Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Stlrnflfi* ehe eine Mehrzahl von Aushöhlungen aufweist, Molche oloh in derselben unter einem vcrhSltnlamäßig flachen Winkel cesOgllch der radialen Stirnfläche erstrecken» die Aushöhlungen in einem kreisförmigen Muster koaxial sur Drehachse des Rotors angeordnet sind, Jede AushOhlung eine bogenförmige innere Endwand, die sich Ober Im wesentlichen 180° erstreckt, einen Einlaßteil en olnor Seite der Endwand und einen Auslaßtell auf dor gegenüberliegenden Seite der Endwand aufweist und daß eine Einrichtung sum Einlelton von Pluid in die Einlaßteile der Aushöhlungen vorgesehen ist.

   2· Turbine nach Anspruch 1, gekonnceiehnet durch eine quer verlaufende Einrichtung in jeder der AushOhiun-) gen «wischen den Einlaß und Auslaß derselben·

   3· Turbine mit cwel gegenseitig drehbaron Teilen, deren Stirnflfiohen einander gegenüber liegen, dadurch ge· kennsolohnet, daß Jeder d*r Teile eine Nehrsahl von Aushöhlungen aufweist, welche sieh von den Stirnfliehen nach innen unter eines verhältnismäßig flachen Winkel bezüglich desselben erstrecken, die Aushöhlun gen in krelsfOmlgen Mustern und in wenigstens einem der Teil· in mehreren Reihen angeordnet sind. Jede

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   Aushöhlung cine bogenförmig© innerα Endwand, die ulch aber Im wesentlichen l8O° erstreckt, einen Einlaßteil auf einer Seite der Endwand und einen Auslaste 3.1 auf der gegenüberliegenden Seite der Endwand auf« weist, die Aushöhlungen in den gegenüberliegenden Stirnf!flehen gegeneinander versetst sind und in entgegengesetsten Richtungen weisen, so daß die Auslässe aus den Aushöhlungen in eine» der Teile in.die-EIn-l&soe in den anderen Teil münden, und daß eine Einrichtung sun Einleiten von Plulö in die Einlaßteile trenigstons einiger der Aueholllungen vorgesehen 1st·

   Ie Turbine nach Anspruch >, gekennseichnet durch in Querrichtung in die Aushöhlungen ragende Einrichtungen Kur Trennung von Einlaß- und Auslaßteilen derselben.

   5· Turbine nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß die in die AuohOhlungon ragenden Einrichtungen aus in axialer Richtung vorstehenden Rlngwaisten an einem der Teile bestehen, wobei der andere Teil die Ringwttlste aufnehmend· Ringnuten aufweist.

   6, Turbine naoh Anspruch5» dadurch gekennseiohnet, daß Jeder der Teile nlndestens einen der Ringwülsteund olno Aussparung sur Aufnahne Jedos Rlngwulstes des anderen Teils aufweist«

   7· Turbine nach Anspruch Ί, dadurch gokennselchnet, daß die lh Querrichtung In die Aushöhlungen ragenden Kinrlehftungen eine Platto aufweisen, welche in Querrich-

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   tung durch das ftußero Ende Jeder Aushöhlung «wischen Einlaß- und Auslaßteil ragt.

   8. Turbine nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß Jede Aushöhlung in wesentlichen ebene, parallelo SeI-tenwfinde bosltst, welche Im wesentlichen senkrecht sur gegenseitigen Drehachse der Teile verlaufen·

   9. Turbine nach Anspruch 5, dadurch gekennselchnet _t daß die Tolle Sehelben sind» eine der Scheiben drehbar und die andere feststehend 1st und die Aushöhlungen durch mit den StirnflSohen in Verbindung stehende Aussparungen in den Scheiben gebildet sind·

   10. Turbine nach Anspruch 9* dadurch gekennselchnet, daß die Stirnflächen radial verlaufen und daß die Aushöhlungen etwa unter einem Winkel von15° besOgilch der radialen StirnflHohen geneigt sind·

   11· Turbine nach Anspruch 3, dadurch gekennselehnet, daß die Aushöhlungen in den Teilen in konzentrischen Reihen angeordnet sind» wobei die Einrichtung sun Einleiten von Fluid in die Aushöhlungen in diese Aushöhlungen in einem der Teile in der der Achse desselben nahe gelegenen Reihe mündet·

   12· Turbine naeh Anspruch 11, dadurch gek«nnxclehnet, daß die Aushöhlungen in den Reihen von der am nächsten an den Achsen der Teile gelegenen Reihe bütii der von der Achse in radialer Riehtung entfernten Reihe sunehaend großer werden. *

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   Turbine nach Anopruch 12, dadurch gekennccIchnet, daß In wesentliche gleiche Anzahlen von Aushöhlungen in den Reihen vorgesehen sind·

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