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Radial oder axial beaufschlagte Druck-oder'Überdruckturbine für elastische Treibmittel (Gase, Dämpfe) ohne Geschwindigkeitsstufung und mit Überschallgeschwindigkeit in den Leitvorrichtungen.
Die Erfinder haben auf Grund von Versuchen über die Abhängigkeit der Strömung- verluste (bzw. des Geschwindigkeitskoeffizienten), in den Leitvorrichtungen und Laufschaufeln von Turbinen gefunden, dass diese Verluste unter ganz bestimmten, bislang unbekannten Verhältnissen ein Minimum werden, welches Verhalten durch die Eigenart des strömungsvorganges in den Leitvorrichtungen und Laufschaufeln begründet ist.
Bezüglich der Leitvorrichtungen mit parallelen Wänden bzw. der Düsen mit verschiedenen
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Leitvorrichtungen mit parallelen Wänden und Düsen mit Erweiterungsverhältnis 1 ein ausgesprochenes Maximum bei einem die Schallgeschwindigkeit überschreitenden Werte aufweisen.
Die Erfinder haben weiter durch Versuche die Abhängigkeit des Geschwindigkeitskoeffizienten für die Laufschaufeln festgelegt und die Entdeckung gemacht, wie sie in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt ist. Hiebei stellt ? die relative Eintrittsgeschwindigkeit in die Laufschaufel dar, T den Geschwindigkeitskoeffizienten der Laufschaufel.
Es ergibt sich entgegen bisheriger Auffassung, dass der Geschwindigkeitskoeffizient in unmittelbarer Nähe der sogenannten Schallgeschwindigkeit (für Dampf ungefähr 400-500 112) ein Maximum erreicht, wobei das Profil, das verwendet wird, nahezu gleichgültig ist bezüglich des allgemeinen Charakters der Kurve.
Was den Charakter der Kurven für den Geschwindigkeitskoeffizienten der Leitvorrichtungen bzw. Düsen nach Fig. 1 anlangt, so ist der Verlauf der dem Nullpunkt des Diagrammes zugekehrten fallenden Äste jener Kurven bedingt einmal durch grössere spezifische Gewichte des Dampfes bei kleineren Geschwindigkeiten, zweitens durch die Diffusorwirkung der Leitvorrichtung und drittens durch die Verdichtungsstösse und Schallschwingungen in dem elastischen Medium bei Überschallgeschwindigkeit.
Dagegen ist der Verlauf des dem Nullpunkt abgewandten Astes bedingt durch die Ab-
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u. zw. sind Beträge bis zu 50 und mehr möglich. Diese Ablenkung der Achse ist als eine Folge des üblichen Schrägabschnittes der Leitschaufel, d. h. der Schräglage der Austrittsebene zur geometrischen Achse der Leitschaufel, anzusehen.
Die diesbezüglichen Ergebnisse der Versuche der Erfinder sind in Fig. 3 dargestellt. In dieser ist für eine Düse mit bestimmtem Erweiterungsverhältnis c die Kurve des Geschwindigkeitskoeffizienten bei dem üblichen Schrägabschnitt, c'ist die Kurve des Geschwindigkeitskoeffizienten für die gleiche Düse, jedoch mit Normalabschnitt.
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Auf Grund dieser Versuchsergebnisse der Erfinder werden nun, um eine Turbine möglichst billig und dabei doch mit den höchst erreichbaren Gütegraden zu bauen, nach der den
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vorrichtungen bzw.
Düsen die relative Eintrittsgeschwindigkeit 1/'in die Laufschaufel so gross ist, dass sie ihrer Grössenordnung nach in unmittelbare Nähe der kritischen Geschwindigkeit des Dampfes (Schallgeschwindigkeit) fällt, d. h. 400-500 m je nach dem Dampfzustande beträgt.
Des ferneren kann zur weiteren Erhöhung des Gütegrades der Turbine der schädliche Einfluss des Schrägabschnittes der. Leitvorrichtungen oder Düsen durch entsprechende Ausgestaltung des Austrittes der Leitvorrichtungen oder Düsen beseitigt werden.
In Fig. 4 der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel. an welchem die Erfindung verwirklich ist, eine Turbine dargestellt, bei welcher alle Stufen auf einem scheibenartigen Laufrad angeordnet sind, was wegen der geringen Zahl der Stufen als Folge der Erfindung möglich ist. Fig. ; -) und 5 a zeigen die Ausbildung einer Leitvorrichtung mit Normalabschnilt statt Schrägabschnitt. wobei der Spalt zwischen Leitvorrichtung und Laufrad durch vorstehende Ringe des Laufrades überdeckt ist. Fig. 6 und 6 a stellen die Ausbildung einer Leitvorrichtung mit Normalabsehnitt statt Schrägabschnitt dar. wobei der Spalt zwischen Leitvorrichtung und Laufrad durch vorstehende Ringe der Leitvorrichtung abgedeckt ist.
Fig. 7 zeigt eine Leitvorrichtung mit besonders gestaltetem Schaufelrücken von der Stelle des Normalschnittes an. Die Fig. 8 bringt eine Düse gleichfalls mit besonders gestaltetem Schaufelrücken vom Normalabsehnitt an zur Darstellung.
Die erzielten Vorteile sind dabei die folgenden : 1. Erzielung des besten thermischen Wirkunggrades der gesamten Turbine bei geringstem Aufwand hochwertigen Konstruktionsmaterials; 2. eine beträchtliche Erhöhung der Leistung, dabei eine Verminderung der Herstellungskosten. des Raumund Platzbedarfes und des Gewichtes der Turbine ; 3. die wirksame Ausnutzung des höchst erreichbaren Vakuums. was bei bekannten Systemen infolge der durch die maximale Schaufellänge frühzeitig gebotenen Grenzen nicht möglich ist ; 4. die Leitvorrichtungen arbeiten. unabhängig von den Anfangs-und Enddrücken stets richtig, wodurch die Strahlrichtung für alle Gefälle-erhalten-bleibt, d. li. eine richtige Zuleitung unter allen Betriebsverhältnissen erreicht wird ;
5. günstigste Verhältnisse bei Regelung der Turbine ; 6. Verringerung der Spaltverluste zwischen LeiLvorrichtungen und Laufrädern ; 7. Verminderung der Saugwirkung bei Eintritt des Arbeitsstrahles in die Laufschaufel und 8. zentrische Beaufschlagung.
Diese Vorteile treten bei allen gemäss der Erfindung gebauten, radial oder axial beaufschlagten, ein- oder mehrstufigen Druck- oder Überdruckturbinen oder kombinierten Druck-und Überdruckturbinen auf.
Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 tritt der Dampf bei 7 ein. die Beaufschlagung erfolgt zuerst radial nach aussen, dann axial und schliesslich wieder radial nach innen und man kann dabei von der partiellen in die volle Beaufschlagung übergehen. Alle Laufschaufeln sitzen auf dem einzigen Laufrad 8 ; die mittleren Dampfgeschwindigkeiten der einzelnen Stufen sind nur um wenige Prozente verschieden ; jede Stufe trägt bei bestem indiziertem Wirkungsgrad gleichviel zur Leistungsentwicklung bei. u. zw. bei minimalstem Aufwand an hochwertigem Konstruktionsmateria1. Das Laufrad selbst rotiert im Dampf von geringer Spannung (allenfalls Vakuum), wobei die Labyrinthdichtungen. 9 und 10 die auf beiden Seiten des.
Laufrades (oder falls erwünscht nur auf einer Seite des Laufrades')
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Axialschubes dienen ausserdem noch ein oder mehrere Ausgleichsrohre 11. Der Dampf verlässt die Turbine durch den Abdampfstutzen 12.
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Normalabsehnitt statt Schrägabschnitt zur Verhinderung der Strahlablenkung dargestellt, u. zw. im Auf-und Grundriss.
Die Austrittsmündungen 13 der Leitschaufeln liegen nicht mehr in einer gemeinsamen zur Radebene parallelen Ebene. sondern stehen senkrecht zu den geometrischen Achsen der Leitschaufeln. Bei Anwendung von grosser Strahlgeschwindigkeit (Überschallgeschwindigkeit) in Verbindung mit dem hieraus folgenden geringen spezifischen Gewicht des Mediums einerseits und durch Fortfall von beträchtlichen Flächen für die Oberflächenreibung des Dampfes anderseits wird eine weitere Erhöhung des Geschwindigkeitskoeffizienten gegenüber demjenigen Koeffizienten, wie er Leitvorrichtungen mit gewöhnlichem Schrägabschnitt entspricht, erreicht (vgl. Fig. 3 der Zeichnung).
Bei der senkrechten Anordnung der Austrittsmündung der Leitvorrichtung zur geometrischen Achse ist es zweckmässig, zur Verminderung grosser Spaltverluste einen die gemeinsame Spaltbreite überdeckenden Aufnahmering -. ferner einen inneren Schutzring 15 anzuordnen. welcher verhindert, dass die durch die Zentrifugalwirkung auftretende Nebendampfströmung eine Störung des arbeitenden Dampfstrahles hervorruft.
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In Fig. G und 6 a ist das Gleiche erreicht durch feststehende innere und äussere Schutzringe 14', 151 der Leitvorrichtung.
Bei der Ausgestaltung der Leitvorrichtung nach Fig. 7 ist eine gewöhnliche Leit- vorrichtung mit parallelen Wänden angenommen. Die Schaufeloberflächen sind mil 16, dip Schaufelrückenfläclien mit 17 bezeichnet. Die Oberflächen 16 der Leitschaufeln dienen wie gewöhnlich als durchgehende Leitflächen des Strahles, wogegen die Schaufelrückenfläche 17 sowie die anschliessenden Begrenzungsflächen nur bis zum normalen Austritt 18 gebraucht werden, von da ab aber zurückspringen. Der Strahl e kann nun vollständig frei sich entwickeln (Parallelstrahl) bei richtiger Expansion oder (divergierender Strahl) bei sogenannter Spaltexpansion.
Dadurch wird die Oberflächenreibung wesentlich herabgesetzt, da ein erhebliches Flächenstück gerade an der Stelle höchster Dampfgeschwindigkeit fortfällt. Die richtige Zuleitung bleibt vollständig erhalten und die sogenannte Spaltexpansion kann in grösserem Bereich für zulässig erachtet werden, was insbesondere für die Hochdruckstufen einer Turbine sehr wichtig ist, wo bekanntlich bei Leistungsabnahme eine Zunahme des verfügbaren Gefälles eintritt. Der Übergang des Schaufel'rückens vom normalen Austritt bis Ende Leitvorrichtung kann in beliebiger Kurve 19 erfolgen. Die in Fig. 8 mit f bezeichnete Grösse bzw. die zusätzliche Erweiterung des Endaustrittsquerschnittes wird zweckmässig so gewählt. dass bei grösstem verfügbaren Gefälle eine Ablenkung der Strahlachse nicht eintreten kann.
Analog ergibt sich die Anwendung obiger Erfindung für den Fall, wo eine Düse mil
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ersichtlich ist.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Radial oder axial beaufschlagte Drucks oder Überdruckturbine für elastische Treibmittel (Gase, Dämpfe) ohne Geschwindigkeitsstufung und mit Überschallgeschwindigkeit in den Leitvorrichtungen. dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenzahl und Laufradverhältnisse so gewählt sind, dass die relative Eintrittsgeschwindigkeit in die Laufschaufeln in ahan Stufen bei jeder Leistung in unmittelbarer Nähe der zu dem Dampfzustande beim Eintritt in die Laufschaufpl gehörigen Schallgeschwindigkeit liegt.