AT512653B1 - Läufer und radial durchströmbare Turbine - Google Patents

Abstract

Gezeigt wird eine radial durchströmbare Turbine, insbesondere Mikrogasturbine, umfassend- einen Läufer (1) der eine Welle (3) und eine oder mehrere, dann parallel zueinander angeordnete, Scheiben (4) aufweist, wobei am äußeren Umfang der Scheiben nach außen gerichtete äußere Laufschaufeln (6) angeordnet sind,- sowie ein Gehäuse (2) mit einem Lager (10) für die Welle (3) des Läufers (1), wobei das Gehäuse (2) den Läufer (1) umschließt und eine in einen Einströmbereich (27) führende Einströmöffnung aufweist sowie einen Fluidauslass (16).Dabei ist vorgesehen,- dass die Scheiben (4) zwischen äußerem Umfang und Welle (3) zumindest eine Ausnehmung aufweisen, innerhalb welcher innere Laufschaufeln (7) vorgesehen sind,- dass das Gehäuse (2) äußere Leitschaufeln (11) aufweist, die außerhalb der äußeren Laufschaufeln (6) des Läufers (1) angeordnet sind, und- dass das Gehäuse (2) innere Leitschaufeln (12) aufweist, die in radialer Richtung zwischen den inneren Laufschaufeln (7) des Läufers (1) und den Scheiben (4) angeordnet sind.

Description

österreichisches pä!:« tarnt AT512 653 B1 2013-10-15

Beschreibung

RADIAL DURCHSTRÖMBARE TURBINE GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die Erfindung betrifft eine radial durchströmbare Turbine, insbesondere Mikrogasturbine, umfassend einen Läufer, der eine Welle und eine oder mehrere, dann parallel zueinander angeordnete, Scheiben aufweist, wobei am äußeren Umfang der Scheiben nach außen gerichtete äußere Laufschaufeln angeordnet sind, sowie ein Gehäuse mit einem Lager für die Welle des Läufers, wobei das Gehäuse den Läufer umschließt und eine in einen Einströmbereich führende Einströmöffnung aufweist sowie einen Fluidauslass.

[0002] Eine Turbine stellt eine Fluidenergiemaschine dar, bei der die in einem zugeführten Fluid (Flüssigkeiten und Gase) enthaltene Energie in Rotationsenergie umgewandelt wird. Mit dem Durchströmen des Fluids durch die Turbine wird die Energie an die Turbine abgegeben und es wird die Rotationsenergie der sich drehenden Turbine an eine Arbeitsmaschine abgegeben, beispielsweise an einen Generator zur Erzeugung elektrischen Leistung. Im Allgemeinen sind die Turbine und die Arbeitsmaschine (z.B. der Generator) über ihre jeweiligen drehbar gelagerten Wellen miteinander verbunden.

[0003] Gasturbinen sind nach dem Strömungsprinzip arbeitende Verbrennungskraftmaschinen. Sie verbinden die Vorteile der Strömungsmaschinen mit denen der „Maschinen mit innerer Verbrennung". Mit Gasturbinen werden elektrische Generatoren, Pumpen, Verdichter, Schiffe, Flugzeuge, Hubschrauberund Kraftfahrzeuge angetrieben.

[0004] Als Mikrogasturbinen werden kleine Gasturbinen bezeichnet, die niedrige Brennkammerdrücke und Brennkammertemperaturen aufweisen. Die Leistung dieser Turbinen beträgt weniger als 250 kW.

[0005] Die gegenständlichen Turbinen werden radial durchströmt, das heißt, das Fluid strömt zur Energieübertragung radial von außen nach innen durch die Turbine, also normal zur Rotationsachse der Welle. Die Scheiben sind kreisförmig, in der Regel eben und starr und verfügen über eine konstante Dicke. Sie sind in der Regel normal zur Welle angeordnet.

STAND DER TECHNIK

[0006] Die vorliegende Erfindung basiert auf den Patenten US 1 061 206 A und US 1 061 142 A, beide von Nikola Tesla. Aus dem Patent US 1 061 206 A eine Scheibenläuferturbine bekannt, die auch als Tesla-Turbine bezeichnet wird, bei der ein Läufer verwendet wird, an welchem eine Vielzahl von Scheiben angeordnet ist, wodurch ein schaufelloser Läufer gebildet wird. Tesla selbst hat sein ursprüngliches Konzept erweitert, was aus den Veröffentlichungen GB 174 544 A und GB 186 082 A ersichtlich ist.

[0007] Andere Entwicklungen haben auf das Tesla-Konzept der Reibungsturbine aufgesetzt, aber keine der Turbinen in den folgend angeführten Veröffentlichungen fand bisher eine breite Implementierung oder einen kommerziellen Einsatz. Ein gemeinsamer Nachteil an den bisherigen Lösungen ist deren kleiner Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Turbinen in der gleichen Leistungsklasse.

[0008] In der US 2007/0296219 A1 wird eine Anordnung von Stator und Rotor für eine Windturbine beschrieben. Es wurde versucht, die Tesla-Turbine für eine Anwendung als Windturbine anzupassen. Der Rotor weist gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 am äußeren Umfang des Scheibenstapels Laufschaufeln auf.

[0009] Die WO 2008/070369 A2 beschreibt eine Windturbine, die auch als Dampfturbine eingesetzt werden kann, und ebenfalls das Tesla-Grundkonzept übernimmt. Die einzelnen Scheiben sind innerhalb des äußeren Umfangs durch Abstandshalter, die ein Tragflächenprofil aufweisen, beabstandet. In der US 2003/0053909 A1 wird eine Läuferanordnung für eine radiale Turbine 1/15

AT512 653B1 2013-10-15 beschrieben, wo sich aerodynamische Profile zwischen dem äußeren und inneren Rand der jeweiligen Scheibe erstrecken. Die WO 2009/109020 A1 beschreibt einen modifizierten Rotor der Tesla-Turbine, wobei die ganze Anordnung „hybrid Tesla-Pelton disc turbine" genannt wurde, weil die Scheiben des Rotors nicht eben sind, sondern Vertiefungen ähnlich wie die Laufschaufeln bei Pelton-Turbinen aufweisen.

[0010] Aus der DE 10 2009 047 942 A1 ist eine Tesla-Turbine mit einem Läufer bekannt, der eine Welle mit einem hohlen Abschnitt hat, um die Strömungsverhältnisse zu verbessern.

[0011] Eine weitere Veröffentlichung, wo versucht wird, das Konzept der Tesla-Turbine anzuwenden und zu verbessern, ist die US 2002/0182054 A1. Um das Abschrägen der Endscheiben des Läufers zu vermeiden, wird hier eine stufenweise Anordnung von Scheiben unterschiedlichen Durchmessers vorgeschlagen.

[0012] Die US 4 201 512 A zeigt eine radiale Reihung von zwei Scheibenstapeln, wobei jede dieser Stufen eine eigene Achse hat und zwischen den Stufen eine ringförmige Düsenreihe entweder feststehend am Gehäuse oder rotierend mit dem äußeren Scheibenstapel vorgesehen ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0013] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Läufer und ein Gehäuse inklusive Leitwerk für eine Mikrogasturbine derart auszugestalten, dass der Wirkungsgrad der gesamten Anordnung im Bezug auf derzeit verfügbare Turbinen dieser Leistungsklasse verbessert wird.

[0014] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine radial durchströmbare Turbine, wie eine radiale Reibungsmikrogasturbine, gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung angegeben.

[0015] Beim Läufer nach Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Scheiben - in radialer Richtung gesehen - zwischen äußerem Umfang und Welle zumindest eine Ausnehmung aufweisen, innerhalb welcher innere Laufschaufeln vorgesehen sind. Dadurch kann die restliche Energie in der Strömung, wenn diese den Scheibenbereich des. Läufers verlässt, ausgenutzt werden. Diese aus den inneren Laufschaufeln gebildete Laufreihe soll, wie üblich bei einer „cantilever type turbine", als Gleichdruckstufe ausgeführt werden.

[0016] Sehr einfach lassen sich die erfindungsgemäßen Ausnehmungen dadurch realisieren, dass die Scheiben zur Bildung einer Ausnehmung die Form eines Kreisrings aufweisen und die inneren Laufschaufeln innerhalb des inneren Umfangs der Scheiben angeordnet sind.

[0017] Wenn die inneren Laufschaufeln einen Abstand zu den Scheiben aufweisen, dann können -in radialer Richtung gesehen - zwischen den Scheiben und den inneren Laufschaufeln noch Leitschaufeln angeordnet werden, die am Gehäuse der Turbine angebracht sind, um die Strömung gezielt auf die inneren Laufschaufeln zu leiten.

[0018] Das Verhältnis des äußeren zum inneren Radius der Scheiben liegt vorzugsweise zwischen 1,1 und 3. Es wird je nach erforderlicher Leistung aus dem Scheibenteil des Rotors gewählt, wobei ein größeres Verhältnis einer größeren Leistung entspricht.

[0019] Wenn die Scheiben ebene Oberflächen aufweisen, also keine Einbauten wie Rippen, Vertiefungen oder zusätzliche Schaufeln enthalten, dann ergibt sich der Pfad des Fluids durch die Scheiben (längs der Scheibenoberflächen) in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen der Geschwindigkeit der Scheiben und der Eingangsgeschwindigkeit des Fluids. Daraus resultiert auch bei einem Teillastbetrieb der Turbine ein besserer Wirkungsgrad als bei Läufern mit Einbauten auf den Scheiben, wenn die Einbauten für einen Volllastbetrieb ausgelegt sind.

[0020] Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Scheiben - in axialer Richtung gesehen -zwischen zumindest teilweise scheibenförmig ausgebildeten Abschlusselementen angeordnet sind. Diese Abschlusselemente sind meist stärker, etwa dicker, ausgeführt als die Scheiben und können zur Befestigung der Scheiben dienen. Sie können ebenfalls als Kreisringe ausgeführt 2/15

&te^id»scHg ρ®ίκηΕδίϊϊί AT512 653 B1 2013-10-15 sein. Sie sind in der Regel in radialer Richtung breiter als die Scheiben, um daran etwa auch die äußeren Laufschaufeln anbringen zu können. Der Zwischenraum zwischen der ersten und der letzten Scheibe einerseits und des angrenzenden Abschlusselements andererseits wird ebenfalls vom Fluid durchströmt. So könnte der Läufer auch nur eine Scheibe und zwei Abschlusselemente aufweisen. Meist hat der Läufer aber mehrere Scheiben. Durch eine Variation der Anzahl der Scheiben kann eine Anpassung der Leistung des Läufers bzw. der Turbine erfolgen. In Abhängigkeit der Anzahl der Scheiben müssen dann die übrigen Elemente angepasst werden, etwa die Höhe der Lauf- und Leitschaufeln.

[0021] Die Abschlusselemente können an ihrer den Scheiben abgewandten Seite mehrere konzentrische Vertiefungen aufweisen. Diese können mit entsprechenden Erhöhungen des Gehäuses nach dem Prinzip einer Labyrinthdichtung Zusammenwirken.

[0022] Es kann vorgesehen sein, dass die Hochachse der äußeren und/oder der inneren Laufschaufeln einen Winkel mit der Rotationsachse der Welle einschließt. Damit sind eine bessere Laufruhe und eine geringere Geräuschentwicklung verbunden. Der bevorzugte Winkelbereich liegt zwischen 0° und 20°.

[0023] Die Laufschaufeln können besonders einfach gefertigt werden, wenn innere und äußere Laufschaufeln über ihre gesamte Höhe den gleichen Querschnitt aufweisen. Dies gilt sowohl für Laufschaufeln, deren Hochachse parallel zur Rotationsachse ist, als auch für solche, deren Hochachse einen Winkel mit der Rotationsachse der Welle einschließt.

[0024] Wenn die äußeren Laufschaufeln aerodynamisch geformt sind, dann kann auch der dynamische Auftrieb der Laufschaufeln für den Antrieb des Läufers genützt werden.

[0025] Um die mechanische Stabilität des Läufers zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass die Hinterkanten der äußeren Laufschaufeln Ausnehmungen aufweisen, in welche die äußeren Ränder der Scheiben - insbesondere formschlüssig - eingeschoben sind. Gleichzeitig übernehmen die einzelnen Laufschaufeln damit auch die Funktion der peripheren Abstandselemente für die Scheiben.

[0026] Grundsätzlich könnten die äußeren Laufschaufeln jedoch auch in einem Abstand von den Scheiben angeordnet sein.

[0027] Die erfindungsgemäße radial durchströmbare Turbine, insbesondere Mikrogasturbine, umfassend einen erfindungsgemäßen Läufer sowie ein Gehäuse mit einem Lager für die Welle des Läufers, wobei das Gehäuse den Läufer umschließt und eine in einen Einströmbereich führende Einströmöffnung aufweist sowie einen Fluidauslass, ist weiters dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse äußere Leitschaufeln aufweist, die außerhalb der äußeren Laufschaufeln des Läufers angeordnet sind. Die äußeren Leitschaufeln dienen der Erhöhung der kinetischen Energie des Fluids. So können etwa gleich viele äußere Leitschaufeln wie äußere Laufschaufeln vorgesehen sein, sodass jede äußere Leitschaufel das Fluid auf eine äußere Laufschaufel lenkt.

[0028] Das Gehäuse weist darüber hinaus innere Leitschaufeln auf, die in radialer Richtung zwischen den inneren Laufschaufeln des Läufers und den Scheiben angeordnet sind. Diese erhöhen zusätzlich die kinetische Energie des Fluids. Die Anzahl der inneren Leitschaufeln kann geringer sein als die Anzahl der inneren Laufschaufeln, um Verluste zu minimieren.

[0029] Das Gehäuse kann weiters - an dessen Innenseite, gegenüber den Abschlusselementen des Läufers - mehrere konzentrische Erhöhungen aufweisen, welche in die Vertiefungen der Abschlusselemente des Läufers ragen, um eine Labyrinthdichtung zu verwirklichen.

[0030] Wenn die inneren und äußeren Leitschaufeln über ihre gesamte Höhe den gleichen Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt von geraden Linien begrenzt wird, dann können die Leitschaufeln besonders einfach gefertigt werden.

[0031] Mit der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Vorteile erzielt: [0032] Es wird eine effiziente Konversion der Strömungsenergie des Fluids ermöglicht, weil 3/15

8stm«iö»5idi«s AT512 653B1 2013-10-15 unterschiedlichen Methoden (Grenzschichtphänomene, Impulserhaltungssatz, Auftrieb) zum Einsatz kommen. Der Teslaturbinen-Ansatz wird erweitert und verbessert.

[0033] Die erfindungsgemäße Turbine kann durch die einfache mechanische Konstruktion und kostengünstige wärmeresistente Legierungen wirtschaftlich realisiert werden. Die Herstellungskosten und Betriebskosten sind kleiner als für aktuell verfügbare Produkte mit vergleichbarer Leistung, unter anderem durch die gegebenenfalls zweidimensionale Geometrie der Laufschaufeln (gleicher Querschnitt über deren Höhe) und die einfache zweidimensionale Geometrie (ohne Wölbung) der Leitschaufeln. Auf eine aufwändige Kühlung und damit verbundene Hilfssysteme kann verzichtet werden.

[0034] Der erfindungsgemäße Rotor hat eine erhöhte strukturelle Festigkeit im Bezug auf frühere Konstruktionen der schaufellosen Tesla-Turbine.

[0035] Als Beispiele für Einsatzgebiete der Erfindung sind Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen und Range Extender Aggregate bei Kraftfahrzeugen zu nennen. Natürlich werden damit nicht alle Einsatzmöglichkeiten erschöpft, wie z.B. Turbolader für Kolbenmotore oder Auxiliary Power Units (APU) für Flugzeuge, etc.

[0036] Die Turbine aus der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise als Gasturbine eingesetzt, ein Einsatz als Dampfturbine wäre ebenso möglich. Der Rotor wäre grundsätzlich auch bei Windturbinen einsetzbar, allerdings benötigt die Turbine hohe Geschwindigkeiten des Fluids von >100m/s, was mit dem gewöhnlich vorherrschenden Wind wohl nicht zu erreichen ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0037] Die Erfindung wird anhand eines Beispiels erläutert, dem auch weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung entnommen werden können. Es zeigt [0038] Fig. 1 den axialen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbine, [0039] Fig. 2 den radialen Querschnitt (entlang der Linie A - A') durch die Turbine aus Fig. 1, [0040] Fig. 3 den axialen Querschnitt durch den Läufer aus Fig. 1, [0041] Fig. 4 den axialen Querschnitt durch das Gehäuse aus Fig. 1, [0042] Fig. 5 eine äußere Laufschaufel in Aufsicht und Seitenansicht.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0043] Die radiale Reibungsmikrogasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 2 sowie einen Läufer 1, siehe Fig. 2.

[0044] Der Läufer 1 umfasst gemäß Fig. 1 eine drehbar gelagerte Welle 3, die in einem vorbestimmten Bereich mit einem unteren Abschlusselement 13 und einer Laufreihe aus rotationssymmetrisch angeordneten inneren Laufschaufeln 7 mittels ersten Verbindungselementen 15 verbunden wird. Die Verbindungselemente 15 können vorzugsweise als Schrauben ausgeführt werden. Die Befestigung ist derart, dass bei einer Kraftausübung auf die Scheiben 4 diese Kraft als Drehmoment auf die Welle 3 übertragen werden kann. In der Richtung des Fluidauslasses 16 endet die Welle 3 in einem strömungsführenden Element 17. Die Welle 3 verjüngt sich im Bereich der inneren Laufschaufeln 7, und zwar in Richtung des Fluidauslasses 16, also gemäß Fig. 1 nach oben. Aus den inneren Laufschaufeln 7 austretendes Fluid kann im so gebildeten Freiraum mit minimierten Verlusten zum Fluidauslass 16 strömen. Das andere Ende der Welle 3 kann mit einem elektrischen Generator verbunden werden, was allerdings in den vorliegenden Figuren nicht dargestellt wurde.

[0045] Es sind die unteren und die oberen Abschlusselemente (Endplatten) 13, 5 zu unterscheiden. Die Scheiben 4 sind als im Wesentlichen kreisringförmige ebene Scheiben ausgebildet, und sind in Form eines Stapels zwischen dem unteren Abschlusselement 13 und dem oberen, als kreisringförmige Abschlussscheibe 5 ausgeführten Abschlusselement parallel zueinander derart angeordnet, dass in Verbindung mit Abstandselementen 18, die jeweils zwischen 4/15

«tirreicmächti p*fi«!Sitiat AT512 653 B1 2013-10-15 benachbarten Scheiben 4 angeordnet sind, die Scheiben 4 einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen. Der vorbestimmte Abstand zwischen den jeweiligen Scheiben 4 wird somit im Wesentlichen durch die Dimensionen des jeweiligen Abstandselements 18 festgelegt. Somit werden Zwischenräume zwischen den Scheiben 4 gebildet. Auf diese Weise kann der vorbestimmte Abstand eindeutig definiert und bei der Fertigung eingehalten werden. Das einströmende Fluid wird tangential in Richtung der Vielzahl der Scheiben 4 geleitet und strömt auf einem Strömungsweg vom äußeren Rand der Scheiben 4 in die Zwischenräume 19 zwischen den Scheiben 4 (und auch zwischen den Scheiben 4 und den Abschlusselementen 5, 13) in Richtung der inneren Leitschaufeln 12. Die Abstandselemente 18, inneren Scheiben 4 und die Abschlusselemente 5 sowie 13 werden mit den zweiten Verbindungselementen 20 verbunden. Das Verbindungselement 20 kann als Stange oder Gewindestange ausgebildet sein und an beiden Enden mit Muttern 21 befestigt werden, allerdings sind auch andere Ausführungsvarianten der Verbindung und Befestigung möglich.

[0046] Die beiden Abschlusselemente 5, 13 begrenzen den ganzen Stapel der Scheiben 4. Die beiden Abschlusselemente 5, 13 bestehen jeweils aus einer kreisringförmigen Scheibe, das untere Abschlusselement 13 weist darüber hinaus noch einen an den inneren Umfang der Scheibe anschließenden abgestuften Abschnitt auf, mit welchem das Abschlusselement 13 mit der Welle 3 verbunden werden kann. Aus mechanischen Gründen sind die Abschlusselemente 5, 13 dicker als die inneren Scheiben 4. Das obere Abschlusselement 5 weist den gleichen Innendurchmesser auf wie die Scheiben 4. Dadurch können die inneren Leitschaufeln 12, die oben am Gehäuse 2 befestigt sind, in den Läufer 1 hineinragen.

[0047] Sowohl die obere Abschlussscheibe 5 als auch das untere Abschlusselement 13 wird mittels der dritten Verbindungselemente 22, die etwa als Schrauben ausgebildet sind, mit den äußeren Laufschaufeln 6 und den zweiten Verbindungselementen 20 mit den Scheiben 4 verbunden. Weiterhin wird das untere Abschlusselement 13 mit den ersten Verbindungselementen 15 mit der Welle 3 und den inneren Laufschaufeln 7 verbunden. Sowohl der scheibenförmige Teil des unteren 13 als auch der des oberen Abschlusselements 5 weist auf der nach außen (Richtung Gehäuse 2) gerichteten Oberfläche konzentrischen Formen auf, die in Verbindung mit den entsprechenden Formen auf den gegenüberliegenden Gehäuseteilen 8, 9 die - dem Prinzip der Labyrinthdichtungen folgende - Funktion der Reduktion von Leckageverlusten haben.

[0048] Die sogenannte äußere Laufreihe wird aus mehreren äußeren Laufschaufeln 6 gebildet, die in der Regel in gleichem Abstand von der Welle 3 und rotationssymmetrisch zu dieser angeordnet sind. Die äußeren Laufschaufeln 6 beginnen an der äußeren Peripherie der Scheiben 4 und erstrecken sich - unter einem vorbestimmten Winkel zur Tangente an die Scheiben 4 -von den Scheiben 4 weg nach außen. Die äußeren Laufschaufeln 6 weisen ein nichtsymmetrisches aerodynamisches Profil (airfoil) auf, die beiden Seiten des Querschnitts sind also in der Regel gekrümmt, und zwar unterschiedlich stark. Vorzugsweise befinden sich die Flinterkanten 24 der Profile in einem Abstand vom Zentrum der Scheiben 4, der größer oder gleich 90% des Scheibenradius ist. Der größte Teil des Profils befindet sich somit außerhalb der Scheiben 4, es ragt aus diesen heraus, was in Fig. 2 gut sichtbar ist. Letzteres bedeutet auch, dass der Großteil der Fläche der Scheiben 4 frei von irgendwelchen Hindernissen ist. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungen möglich.

[0049] Die Schaufelhöhe der äußeren Laufschaufeln 6 entspricht dem inneren Abstand zwischen den Abschlusselementen 5, 13, d.h. die Laufschaufeln 6 sind mit dem scheibenförmigen Teil der Abschlusselemente 5, 13 begrenzt. Die Schaufelhochachse liegt senkrecht zur Fläche der Scheiben 4 bzw. parallel zur Rotationsachse des Läufers 1 und zur Längsachse der Welle 3. Bei allen Laufschaufeln 6 dieser Laufreihe bildet die Schaufellängsachse mit der Tangente an die Scheiben 4 im Verbindungspunkt den gleichen Winkel. Dieser Winkel kann variieren in Abhängigkeit von der jeweiligen Ausführung. Die Funktion dieser Laufreihe ist neben der Steigerung des Wirkungsgrades (zusätzliches Moment durch Auftrieb und Impuls) auch die Steigerung der Festigkeit und mechanischer Stabilität der ganzen Läuferanordnung. Letzteres wird dadurch gewährleistet, dass die einzelne Laufschaufel 6 der äußeren Laufreihe Ausnehmungen 5/15

SsterreidiisdÄS pstwiarot AT512 653 B1 2013-10-15 33 aufweisen, in welche die äußeren Ränder der Scheiben 4 formschlüssig eingeschoben werden. Damit haben die einzelnen Laufschaufeln 6 auch die Funktion der peripheren Abstandselemente. Darüber hinaus werden die einzelnen Laufschaufeln 6 der äußeren Laufreihe mit den äußeren Scheiben 5 mittels der dritten Verbindungselemente 22 verbunden. Eine einzelne äußere Laufschaufel 6 der äußeren Laufreihe mit Ausnehmungen 33 ist in Fig. 5 dargestellt.

[0050] Diese Anordnung der äußeren Laufschaufeln 6 und der Scheiben 4 unterscheidet diese Erfindung von bekannten Ausführungen von Gas- und Dampfturbinen, wo sich die Profile bzw. Laufschaufeln 6 vollständig innerhalb des Radius der Scheiben 4 befinden und damit eine negative Beeinflussung auf die Grenzschicht-bezogenen Effekte in den Zwischenräumen 19 haben.

[0051] Neben den vorher beschriebenen Elementen beinhaltet der Läufer 1 noch eine weitere Schaufelreihe - die innere Laufreihe bestehend aus den inneren Laufschaufeln 7. Diese Laufreihe befindet sich im Raum zwischen den inneren Enden der inneren Leitreihe, bestehend aus den inneren Leitschaufeln 12, und dem strömungsführenden Element 17 der Welle 3, das eine Art „Front End" der Welle 3 ist. Die Funktion dieser inneren Laufreihe ist die Ausnutzung der restlichen Energie in der Strömung, wenn diese den Scheibenbereich des Läufers 1 verlässt. Diese Laufreihe soll, wie üblich bei einer sogenannten „cantilever type turbine", als Gleichdruckstufe ausgeführt werden. Die inneren Laufschaufeln 7 sind hier nicht als frei endende Schaufel ausgeführt, sondern, um die Schwingungen zu vermeiden bzw. zu minimieren, mit einen Deckband 25 versehen, das als Kreisring ausgebildet ist und die gleiche radiale Abmessung aufweist wie die inneren Laufschaufeln 7. Die in Fig. 1 unteren Enden der Laufschaufeln 7 sind mit einem ersten Ring 26 miteinander verbunden, welcher wiederum mit der Welle 3 über die selben ersten Verbindungselemente 15 verbunden ist, welche für die Verbindung mit dem unteren Abschlusselement 13 genutzt werden.

[0052] Das mehrteilige Gehäuse 2 umfasst ein Einströmbereich 27, über den das Fluid in die Zwischenräume 19 zwischen den Scheiben 4 eingebracht wird. Zusätzlich zu den Zwischenräumen 19 zwischen den Scheiben 4 strömt das Fluid durch die zwei Leitreihen, bestehend aus äußeren Leitschaufeln 11 bzw. inneren Leitschaufeln 12, und durch die zwei Laufreihen, bestehend aus äußeren Laufschaufeln 6 und inneren Laufschaufeln 7, wo ein Teil der Energie, die im Fluid enthalten ist, abgegeben wird und damit der Wirkungsgrad im Vergleich zu vorbekannten Turbinenmodellen verbessert wird.

[0053] Das mehrteilige Gehäuse 2 besteht aus einem unteren 8 und oberen Gehäuseteil 9. Die beiden Leitreihen - äußere Leitschaufeln 11 und innere Leitschaufeln 12 - sind mit dem Gehäuse 2 verbunden. Die äußeren Leitschaufeln 11 sind mit vierten Verbindungselementen 28 mit dem unteren Gehäuseteil 8 verbunden. Die vierten Verbindungselemente 28 können z.B. als Schrauben ausgeführt sein. Die äußere Leitreihe mit den Leitschaufeln 11 befindet sich zwischen dem Einströmbereich 27 und der äußeren Laufreihe mit den Laufschaufeln 6. Die bevorzugte Form der äußeren Leitschaufeln 11 ist aus Fig. 2 ersichtlich. Sie weisen einen Querschnitt auf, der von geraden Linien begrenzt wird. In diesem Fall bilden drei Linien ein stumpfwinkeliges Dreieck. Die Basis des Dreiecks zeigt dabei in das Innere des Gehäuses (zur Drehachse der Welle 3 hin). Die kürzere Seite des Dreiecks liegt tangential zum Kreis, auf dem die Leitschaufeln 11 angeordnet sind und die äußere Leitreihe bilden.

[0054] Die einfache - zweidimensionale - Schaufelform bewirkt eine Erhöhung der kinetischen Energie des Fluids mit gleichzeitig minimalen Verlusten und Herstellungskosten. Selbstverständlich sind auch andere Formen bzw. Querschnitte der Leitschaufeln 11 möglich.

[0055] Die unteren Enden der äußeren Leitschaufeln 11 sind mit einem zweiten Ring 29 verbunden und der zweite Ring 29 - und damit alle äußeren Leitschaufeln 11 - wird mit dem unteren Gehäuseteil 8 mit vierten Verbindungselementen 28 verbunden.

[0056] Die innere Leitreihe besteht aus den inneren Leitschaufeln 12 und befindet sich - in radialer Richtung gesehen - zwischen dem inneren Rand der Scheiben 4 und der inneren Laufreihe bestehend aus den inneren Laufschaufeln 7. Die bevorzugte Form ist in Fig. 2 erkennbar. 6/15

Merreicfcischts pi!sr:is«t AT512 653B1 2013-10-15 Für die inneren Leitschaufeln 12 gilt bezüglich ihrer Form und Ausrichtung das gleiche wie für die äußeren Leitschaufeln 11. Bei der bevorzugten, hier dargestellten Ausführung sind die oberen Enden der inneren Leitschaufeln 12 mit einem dritten Ring 30 verbunden und der Ring 30 - und damit alle inneren Leitschaufeln 12 - wird mit dem oberen Gehäuseteil 9 mittels fünfter Verbindungselemente 31 verbunden. Diese Verbindungselemente 31 können ebenfalls als Schrauben ausgeführt sein.

[0057] Die Funktion der beiden Leitreihen ist eine Erhöhung der kinetischen Energie des Strömungsmediums mit der gleichzeitigen Optimierung der Eingangsrichtung im Bezug auf die Scheiben 4 bzw. die Laufschaufeln 6, 7 der äußeren und inneren Laufreihe. Das gesamte Gehäuse 2 bildet mit seiner Spiralform eine Fluid führende Einrichtung mit dem Ziel der optimalen Verteilung des Massenstroms und der Geschwindigkeit über den gesamten Umfang des Leitapparates. Eine äußere Leitschaufel 11 ist so angeordnet, dass sie an die Innenwand des Eingangskanals, der den Anfang des Einströmbereichs 27 bildet, anschließt.

[0058] Das untere Gehäuseteil 8 beinhaltet ein Lager 10 und ist mit den vierten Verbindungselementen 28 mit den äußeren Leitschaufeln 11 verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird der Läufer 1 in dem Gehäuse 2 der Turbine drehbar gelagert. Er kann aber auch in Bereichen außerhalb des Gehäuses 2 mittels entsprechender (nicht gezeigter) Lagereinrichtungen drehbar gelagert sein. Ein Fluidauslass 16 in Form eines Diffusors ist integraler Teil des oberen Gehäuseteils 9. Sowohl das untere 8 als auch das obere Gehäuseteil 9 weisen an ihrer Innenseite konzentrischen Formen auf, die in Verbindung mit den entsprechenden Formen auf beiden Abschlusselementen 5, 13 des Läufers 1, die Funktion der Reduktion von Leckageverlusten haben. Das obere Gehäuseteil 9 wird mit den unteren Gehäuseteil 8 mittels sechster Verbindungselemente 32, etwa Schrauben, verbunden.

[0059] Generell ist zur Auslegung der erfindungsgemäßen Turbine zu sagen, dass die Anzahl der äußeren Laufschaufeln 6 sowie deren Charakteristiken (Nasenradius, Hinterkantenradius, Wölbung, Sehnenlänge) zumindest abhängig vom Radius der Scheiben und der gewünschten Umfangsgeschwindigkeit gewählt werden. Die Anzahl der inneren Laufschaufeln 7 sowie deren Charakteristiken (Nasenradius, Hinterkantenradius, Wölbung, Sehnenlänge) sind etwa abhängig vom Massenstrom des Fluids. Die Anzahl der Leitschaufeln 11, 12 der beiden Leitreihen sowie deren Charakteristiken (Dimensionen, Verhältnis Mündung/Teilung, usw.) sind abhängig von der Dimension der Scheiben 4 und der Anwendung der Turbine. Die entsprechenden Auslegungen können vom Fachmann getroffen werden und werden daher hier nicht näher erläutert. Ebenso ist die Anzahl und Form der konzentrischen Labyrinthdichtungen sowie die Diffusorcharakteristik des Fluidauslasses 16 variabel in Abhängigkeit von der jeweiligen Ausführung der Turbine. Je nach Auslegung der Turbine kann diese als Gas- oder auch als Dampfturbine betrieben werden.

[0060] Die Richtung der Rotationsachse der Turbine ist beliebig, d.h. es ist sowohl eine vertikale Anordnung als auch eine horizontale Anordnung oder auch eine schräge Anordnung im Raum realisierbar.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Läufer 2 Gehäuse 3 Welle 4 Scheibe 5 Abschlussscheibe (oberes Abschlusselement) 6 äußere Laufschaufel 7 innere Laufschaufel 8 unteres Gehäuseteil 7/15 oberes Gehäuseteil Lager äußere Leitschaufel innere Leitschaufel unteres Abschlusselement Vertiefungen erstes Verbindungselement Fluidauslass

Strömungsführendes Element der Welle 3 Abstandselement

Zwischenraum zwischen den Scheiben 4 zweites Verbindungselement

Mutter drittes Verbindungselement Erhöhungen

Hinterkante der äußeren Laufschaufel 6

Deckband erster Ring

Einströmbereich viertes Verbindungselement zweiter Ring dritter Ring fünftes Verbindungselement sechstes Verbindungselement Ausnehmungen

Claims (13)

1. ästerreidBsd!« pitwiarot AT512 653 B1 2013-10-15 Patentansprüche 1. Radial durchströmbare Turbine, insbesondere Mikrogasturbine, umfassend - einen Läufer (1) der eine Welle (3) und eine oder mehrere, dann parallel zueinander angeordnete, Scheiben (4) aufweist, wobei am äußeren Umfang der Scheiben nach außen gerichtete äußere Laufschaufeln (6) angeordnet sind, - sowie ein Gehäuse (2) mit einem Lager (10) für die Welle (3) des Läufers (1), wobei das Gehäuse (2) den Läufer (1) umschließt und eine in einen Einströmbereich (27) führende Einströmöffnung aufweist sowie einen Fluidauslass (16), dadurch gekennzeichnet, - dass die Scheiben (4) zwischen äußerem Umfang und Welle (3) zumindest eine Ausnehmung aufweisen, innerhalb welcher innere Laufschaufeln (7) vorgesehen sind, - dass das Gehäuse (2) äußere Leitschaufeln (11) aufweist, die außerhalb der äußeren Laufschaufeln (6) des Läufers (1) angeordnet sind, und - dass das Gehäuse (2) innere Leitschaufeln (12) aufweist, die in radialer Richtung zwischen den inneren Laufschaufeln (7) des Läufers (1) und den Scheiben (4) angeordnet sind.
2. 2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben zur Bildung einer Ausnehmung die Form eines Kreisrings aufweisen und die inneren Laufschaufeln (7) innerhalb des inneren Umfangs der Scheiben (4) angeordnet sind.
3. 3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Laufschaufeln (7) einen Abstand zu den Scheiben (4) aufweisen.
4. 4. Turbine nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des äußeren zum innerem Radius der Scheiben (4) zwischen 1,1 und 3 liegt.
5. 5. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (4) ebene Oberflächen aufweisen.
6. 6. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (4) - in axialer Richtung gesehen - zwischen zumindest teilweise scheibenförmig ausgebildeten Abschlusselementen (5, 13) angeordnet sind.
7. 7. Turbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlusselemente (5, 13) an ihrer den Scheiben (4) abgewandten Seite mehrere konzentrische Vertiefungen (14) aufweisen.
8. 8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochachse der äußeren (6) und/oder der inneren Laufschaufeln (7) einen Winkel mit der Rotationsachse der Welle (3) einschließt.
9. 9. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äußeren Laufschaufeln (6, 7) über ihre gesamte Höhe den gleichen Querschnitt aufweisen.
10. 10. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Laufschaufeln (6) aerodynamisch geformt sind.
11. 11. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkanten der äußeren Laufschaufeln (6) Ausnehmungen aufweisen, in welche die äußeren Ränder der Scheiben (4) - insbesondere formschlüssig - eingeschoben sind.
12. 12. Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mehrere konzentrische Erhöhungen (23) aufweist, welche in die Vertiefungen der Abschlusselemente (5, 13) des Läufers (1) ragen. 9/15

    Ssierreiösisches p3t«!S®st AT512 653B1 2013-10-15
13. 13. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äußeren Leitschaufeln (11, 12) über ihre gesamte Höhe den gleichen Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt von geraden Linien begrenzt ist. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 10/15