DE19931738C2 - Turbine mit axialer An- und radialer Abströmung - Google Patents

Abstract

Turbine mit axialer An- und radialer Abströmung. DOLLAR A Das antreibende Medium strömt von beiden gegenüberliegenden Seiten durch Düsen (9) in das innere Turbinenrad (5) in dessen Strömungskanal (7) gleichmäßig durch das äußere Turbinenrad (6) aus dem peripheren Auslaß (11).

Description

Für die Beschreibung der bestehenden technischen Systeme zum Stand der Technik werden Dampfturbinen genannt, obwohl die erfin­ dungsgemäße Turbine mit jedem anderen Medium funktioniert, wie z. B. mit Verbrennungsgas, Druckluft, Wasser. Je nach Anforderung werden Dampfturbinen unterschiedlich konstruiert. Man unterschei­ det grob dabei drei Konstruktionsarten:

1. Die Kondensationsturbine. Bei dieser wird die gesamte ther­ modynamisch nutzbare Energie des hochgespannten Dampfes zur Erzeugung mechanischer Energie verwendet, wobei der Dampf kon­ densiert. Meist wird diese Turbinenart dreistufig betrieben, der hochgespannte, z. B. 300 bar, 535 Grad Celsius, Dampf strömt in den Hochdruckteil, von dort in den Mitteldruckteil und zu­ letzt in den Niederdruckteil mit angeschlossenem Kondensator und Wärmetauscher.

Häufig soll jedoch ein Teil der nutzbaren Dampfwärme für an­ dere Zwecke, etwa als Prozeßwärme oder (bei Kraft-Wärme-Kopp­ lung) als Fernwärme eingesetzt werden. In diesen Fällen erlau­ ben es 2. Gegendruckturbinen, den Dampf lediglich teilweise zu entspannen, d. h. der Dampf verläßt die Turbine auf einem ausreichend hohen Druck- und Temperaturniveau, bei dem er für Prozeß- oder Fernwärme genutzt werden kann.

In 3. Anzapf- oder Entnahmeturbinen wird der Dampf auf dem gewünschten Energieniveau direkt aus den Turbinen entnommen. Im Unterschied zu Gegendruckturbinen können hier die mecha­ nische Leistung an der Turbinenwelle und die thermische Leist­ ung des Abzapfdampes weitgehend unabhängig voneinander gesteu­ ert werden.

Allen vorgenannten Turbinenarten gemeinsam ist der grundsätz­ liche Aufbau von Leitschaufeln oder Düsen (1) und den Lauf­ schaufeln (2). Zur vollen Ausnutzung der im Dampf enthaltenen Energie werden meist mehrere Stufen hintereinander angeordnet, wobei sich Leit- und Laufschaufeln abwechseln, die Leitschaufeln sind dabei am Gehäuse feststehend angebracht. Durch alle Räder strömt nacheinander die gleiche Menge Dampf. Da aber mit dem schrittweisen Abbau des anfänglichen hohen Damfdruckes das Dampfvolumen mehr und mehr zunimmt, müssen die Durchschnitts­ querschnitte an den Schaufeln der einzelnen Laufräder und den Leitschaufeln immer größer werden, die somit im Abdampf größer sind als im Dampfeintritt (3). Die Strömungsrichtung verläuft bei vorgenannten herkömmlichen Turbinenarten nahezu parallel der Achse (4).

Die Untersuchung des Strömungsverlaufs an herkömmlichen Turbinen zeigt zwei Nachteile auf:

• 1. An den Grenzschichten der Kanten sowohl bei den Lauf- als auch bei den Leitschaufeln entstehen kleine Verwirbelungen infolge der aneinander vorbeilaufenden Kanten. Dadurch wird die Strömung behindert.
• 2. Die Strömung durchläuft auf relativ kurzem Weg die Schau­ feln. Herkömmliche Turbinen können daher nur mit relativ ho­ hen Strömungsdrücken betrieben werden, mindestens 6 bis 10 bar in der Niederdruckstufe, für Kleinanlagen also kaum geeignet.

Der bekannte nächstkommende Stand der Technik, nach der US-PS 1415219, zeigt einen scheibenförmigen beschaufelten Turbinenläufer für Dampf mit radial auswärts angeordneten drei weiteren Stufen für dann kondensierenden Dampf. Die erste beschaufelte Stufe wird beiderseits mit Dampf über je drei Düsen beaufschlagt, wobei die Düsen in Nabennähe angeordnet sind und den Dampf von Stufe zu Stufe radial auswärts die Turbine über eine Spirale verläßt.

Die gestellte Aufgabe besteht aus drei Teilen:

• 1. Wie können aneinander vorbeilaufende Turbinenräder ver­ mieden werden?
• 2. Wie kann die Strömungsrichtung in den Turbinenrädern gleich bleiben? (In jeder Leitschaufel in herkömmlichen Turbinen wird die Strömungsrichtung geändert.)
• 3. Wie kann der Produktionsaufwand durch eine einfache Konstruk­ tion verringert werden?

Die nachstehende Lösung erfüllt die in der Aufgabe genannten Anforderungen.

Turbinenlaufschaufelrad (5) und Turbinenlaufschaufelrad (6) sind nicht auf der Achse nebeneinander, sondern übereinander ange­ ordnet und fest miteinander verbunden, sie laufen mit gleicher Drehzahl. Die Einlaßdüsen (9) liegen vor dem Laufradkanal (8) des inneren Turbinenrades (5) auf beiden Seiten des Gehäuses sich gegenüber. In der peripheren Mitte des inneren Turbinen­ rades (5) befindet sich ein Strömungskanal (7). Das Medium durchströmt die Einlaßdüsen (9) und Laufradkanäle (8), die ummantelt sind (10), trifft im Strömungskanal (7) zusammen, umläuft dort, bevor es in das äußere Turbinenrad (6) eintritt, und verläßt es über den Auslaßkanal (11) der Turbine. Von dort könnte das Medium in die Düsen der nächsten Turbine geleitet werden, von denen mehrere (im genau berechneten, dem Volumen des Mediums angepaßten Durchmesser und Breite der Schaufelräder) auf einer Achse hintereinander angeordnet sein können. Aussteifungen als Ringe (12) sind an der Gehäusewand auch mit der Funktion von berührungslosen Dichtungen angebracht. Die Position 13 zeigt die Verschraubung der Gehäusewände.

Die Testmaschine lief bereits bei 1 bar Überdruck mit 4 Düsen. Die übereinander angeordneten Turbinenräder macht die Konstruktion sehr stabil und ist sehr einfach herzustellen.

Claims (2)

1. Turbine mit axialer An- und radialer Abströmung, bestehend aus einem inneren Laufschaufelrad (5), welches in der peripheren Mitte seiner ummantelten Lauffläche (10) einen nach außen offenen Strömungskanal (7) aufweist und ein weiteres außen liegendes Laufschaufelrad (6) fest auf dem inneren Laufschaufelrad (5) angebracht ist, wobei es sich über dem nach außen offenen Strömungskanal (7) befindet, und daß sich an beiden gegenüberliegenden Laufschaufelseiten des inneren Laufschaufelrades (5) Düsen (9) für das antreibende Medium befinden.

2. Turbine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium entweder Dampf, Verbrennungsgas, Druckluft, Öl oder Wasser ist.