Freifliegend gelagerte Turbine, insbesondere für heisse Gase. Die Erfindung betrifft eine freifliegend gelagerte Turbine mit nachgeschaltetem Dif- fusor, insbesondere für heisse Gase, und be steht darin, dass ein von aussen beaufschlagtes Turbinenrad mit annähernd ebenen aber schräg zur Turbinenachse gestellten Schau feln angeordnet ist, deren äussere Partien am Eintritt annähernd in Radialrichtung liegen, und dass die Begrenzung der Schaufelung in achsialer Richtung im Radkörper von solcher Form ist,
dass die Gase mit möglichst kleinen Verlusten in die achsiale Richtung umgelenkt werden und von dort mit Unterdruck in den Diffusor übertreten, in welchem die Geschwin digkeit derselben verzögert wird und sich ihr Druck erhöht. Das Turbineneintrittsgehäuse kann das Turbinenlaufrad spiralförmig um fassen und mit derart abnehmenden Durch gangsquerschnitten ausgebildet sein, dass bis in alle Eintrittsdüsen eine gleiche Eintritts gasgeschwindigkeit eingehalten wird. Bei mehreren gegeneinander getrennten Zuström- leitungen für die Gase zu den Eintrittsdüsen können dieselben diese schraubenförmig in- einandergewunden umfassen.
Bei getrennten Zuströmleitungen kann auch das Gaseintritts gehäuse mit dem Diffusorteil aus einem Stück hergestellt sein. Die Schaufelung des Laufrades kann mit solcher Austrittsrich tung hergestellt werden, dass sich im Dif- fusorinnern eine annähernd achsial gerich tete Gasströmung und am äussern Umfang desselben eine zum Teil tangentiale Strömung und dadurch eine Drehbewegung der Gase einstellt,
um ihre Ablösung am äussern Um fang des Diffusors zu verhindern und eine gute Geschwindigkeitsumsetzung in Druck auch in einem verhältnismässig kurzen und sich verhältnismässig stark erweiternden Dif- fusor zu erreichen.
Die Laufradschaufelprofile können aus dem Radkörper selbst herausgearbeitet und ihre Schaufeln können mit gegen die Tur binenscheibe hin verdickten Wurzeln aus geführt sein.
Im Innern des an das Laufrad sich an schliessenden Diffusors kann in Richtung der Turbinenachse ein konisch sich verjüngendes Leitstück eingebaut sein, um die Umsetzung der Geschwindigkeit in Druck verlustloser zu gestalten.
Der sich erweiternde Diffusor kann sich in Richtung der Turbinenachse direkt an den Laufradaustritt anschliessen, oder es können die Abgase mittels einer Umlenkvorrichtung in einen beliebig anders gerichteten Diffusor überströmen. Die Kühlung des Turbinenrad innern und auch des sich dort anschliessenden Füllstückes im Diffusor kann durch Zufuhr von Kühlmittel, insbesondere von dem dem Turbinenrad entgegengesetzten Ende der An triebswelle aus, erfolgen.
Das ungekühlte Turbinengehäuse kann nur auf der Antriebsseite der Turbine mit einem mit Kühlvorrichtung versehenen Ab- schlussstüek abgeschlossen sein. Zur Zen trierung des heissen, sieh ausdehnenden Tur binengehäuses an dem gekühlten, sich wenig ausdehnenden Abschlussstück können zwi schen diesen beiden Teilen, um genaue Zen trierung zu sichern, mindestens zwei dia metral zueinander angeordnete Keilpaare, deren Achsen sich in der Turbinenachse schneiden, angeordnet sein.
Die Rückseite der Turbinenscheibe kann zur Kühlung des Turbinenrades mit Kühl luftzutritt bezw. einer Kühlgebläsescbaufe- lung und einer Deckscheibe versehen sein, wobei ausserdem Kühlluft durch Bohrungen durch die Laufschaufeln hindurch oder durch in der Radscheibe angeordnete Öffnungen auf dieTurbinenschaufelflächen, insbesonderenahe der Eintrittsstelle der Gase und der Sehaufel- wurzeln gepresst werden.
Dabei kann die Kühlluft von aussen oder von andernorts, zum Beispiel von irgendeiner Stelle der Druck seite des angetriebenen Gebläses, entnommen erden. In letzterem Fall erübrigt sieh die Anbringung einer Kühlgebläseschaufelung auf der Turbinenradrüekseite. Damit: aber dort auch eine stärkere Kühlung stattfindet, ist auch dann die Anbringung von Kühlrip pen zu empfehlen.
Um während des Betriebes einen mög lichst vollkorrunenen Druckausgleich in ach sialer Richtung der umlaufenden Turbinen- teile zu erhalten, werden zweckmässigerweise auf der Rückseite des Turbinenrades an einer gegenüber dem Aussendurchmesser des Tur binenrades engeren Stelle Dichtungsvorrich tungen angeordnet. Um ein Hinübertreten von Abgasen gegen die angetriebene Seite zu ver hindern, kann nach der Dichtungsstelle eine an die Atmosphäre oder an die Abgasleitung angeschlossene Leitung vorgesehen sein.
In den beiliegenden Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand in einigen beispiels- vveisen Ausführungsformen dargestellt.
Gleiche Teile sind mit gleichen Zahlen bezeichnet.
Die Fig.l bis 3 stellen eine Turbine entsprechend dem Erfindungsgegenstand mit vier voneinander getrennten Gaszuleitungen Jar. Es handelt sich dabei um eine einstufige Gasturbine, welche ein Gebläserad antreibt.
In Fig.1, welche einen Schnitt entspre chend der Linie I-1 der Fig. 2 darstellt, ist. 1 das freifliegende Turbinenrad, welches mit tels der Welle 2 in der Büchse 3 gelagert ist. 4 ist das Turbineneintrittsgehäuse, 5 der die Eintrittsschaufeln 6 enthaltende Düsenring, und 7 ist ein mit Kühlraum 8 versehenes Ab- sehlussstück zwischen dem Gaseintrittsgehäuse 4 und dem Gebläsesammelgehäuse 9. Das Laufrad besteht aus einem eigentlichen Rad körper 1, aus welchem die Schaufeln 17 bei spielsweise herausgearbeitet sind.
Diese Schau feln 17, von denen eine in der Radmitte in Ansicht dargestellt ist, haben die Eigentüm lichkeit, dass ihre äussern Partien am Eintritt 19 annähernd in Radialriehtung liegen und die annähernd ebenen Schaufelflächen schräg zur Turbinenachse verlaufen. An den Wur zeln 18 der Schaufeln 17, wo letztere mit der Radscheibe 1 verbunden sind, sind die Schau feln 17 aus Festigkeitsgründen verdickt.
In achsialer Richtung gegen den Radaus tritt 20 hin wird das Turbinenrad 1 zwischen den Schaufeln 17 so ausgehöhlt, dass verhält nismässig schwach gebogene Begrenzungen 21 entstehen. Die Richtung und die Querschnitte der Laufradschaufelung sind so ausgeführt, class die Gase an den Austrittskanten 20 mit Unterdruck und relativ hoher Geschwindig- keit aus und in den geradlinig konisch er weiterten Diffusor 22 eintreten. Die Ausbil dung des Diffusors 22 ist so getroffen,
dass am Ende 23 desselben sich die Gase an nähernd auf den Aussendruck verdichtet haben. Damit die Geschwindigkeitsumsetzung im Diffusor 22. wirkungsvoll ist, wird in sei nem Innern im Anschluss an die Turbinen radnabe eine konisch sich verjüngende Ein baute 24 eingebaut. Diese verhindert, dass an der Innenseite der Laufradschaufelung eine verlustbringende, plötzliche Verpuffung der Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad erfolgt.
Statt, dass der Diffusor 22 achsial mit der Turbine angeordnet ist, kann derselbe auch in einer andern Richtung, z. B. wie 22' zeigt, angeordnet sein. In diesem Fall werden dem Diffusor 2'2' die aus der Laufradschaufelung 17 austretenden Gase vorerst durch einen Krümmer 25 zugeführt, der ebenfalls eine Geschwindigkeitsverpuffung verhütende Ein baute 26' aufweisen kann.
Damit das heisse, sich ausdehnende Gas eintrittsgehäuse 4 gegenüber dem gekühlten Abschlussgehäuse 7, dem Turbinenrad 1 und auch dem Gebläsegehäuse 9 stets im Zentrum bleibt, werden beide Gehäuse 4 und 7, zum Beispiel mittels vier mit ihren Achsen durch die Achse der Turbine gehende Keile 27, gegeneinander gehalten.
Zur Kühlung der Turbinenscheibe kann auf der Rückseite derselben Kühlluft zu geführt werden. Bei einer Ausbildung ent sprechend F'ig. 1 sind zu diesem Zweck auf der Rückseite des Turbinenrades 1 Schaufeln 28 vorgesehen, durch welche aus dem Raum 29 Kühlluft angesaugt wird. Diese Kühlluft kann aus der Atmosphäre entnommen werden oder aber auch zum Beispiel durch die Lei tung 30@ aus dem Gebläsesammelgehäuse 9. Die Kühlgebläseschaufeln 28 sind mit einer Deckscheibe 31 abgedeckt.
Die damit ge förderte Luft tritt durch in der Scheibe 1 mindestens aussen entsprechend angeordnete und orientierte Öffnungen 32 in Richtung auf die Oberflächen der Schaufeln 17 bezw. ihre äussern Enden 19 und Wurzeln 18 aus und setzen deshalb ihre Temperatur ebenfalls herab.
Um das Austreten von Gasen auf der Rückseite des Turbinenrades zu verhindern, sind Dichtungsstellen 33 angeordnet. Desglei chen können solche auch von kleinerem Durch messer 34, beide zum Beispiel an der mit dem Turbinenrad verbundenen Deckscheibe 31, vorgesehen sein. Der Raum 35 zwischen die sen Dichtungsstellen 33 und 34 kann mit der Atmosphäre oder durch eine Leitung 36 mit der Austrittsleitung 23 der Gasturbine in Verbindung stehen.
Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Linie II-II der Fig.1.
Man sieht im Zentrum dieser Figur die Ausbildung der Laufradschaufeln 17, welche annähernd eben sind, aber schräg zur Tur binenachse verlaufen, und deren äussere Par tien am Eintritt annähernd in Radialrich- tung liegen. Das Eintrittsgehäuse 4 der Tur. bine besteht aus einem Stück mit dem Dif- fusorteil 22.
Die vier Eintrittskanäle 10, 11, 12 und 13 sind so eng ineinandergewunden,, dass ein möglichst kleiner Aussendurchmesser des Gehäuses 4 entsteht. In den Eintritts spiralen nehmen die Durchflussquerschnitte der Zuleitungen 10, 11, 12 und 13 so ab, dass bis zum Eintritt in alle verengten Düsen 14 die gleiche Geschwindigkeit herrscht -und auch nur eine verhältnismässig schwache Um lenkung der Gase in die Eintrittsrichtung stattfindet.
Zwischen den spiralförmigen Zu leitungen 10, 11, 12 und 13 sind vier Trenn zungen 15 angeordnet, zwischen welchen nur noch je zwei schwach gebogene Düsenschau feln 6 eingebaut sind, welche miteinander'die r;chtige Eintrittsrichtung und Geschwindig- keit der Gase auf das Laufrad vermitteln. .Infolge der Führung der Eintrittskanäle 10, 11, 12,
13 bezw. der Zungen 15 und der Zwischenschaufeln 6 erleidet das Gas eine Lmlenkung mit durchwegs grossen Krüm- mungsradien. Es werden deshalb darin nur kleine Verluste bis vor das Laufrad entstehen. Man erkennt in Fig. 2 auch deutlich, wie die Zuleitungen 10, 11, 12 und 13 bis zu ihren Austrittsenden stark und eng ineinander- gewunden sind. 22 zeigt den Querschnitt durch die Aussenwand des Diffusors und 24 einen solchen durch seine Innenwand.
Fig.3 ist ein Schnitt nach der Linie 111-11I der Fig. 2. Man sieht darin, wie die vier getrennten Leitungen 10, 11, 12 und 13 zueinander liegen.
F'ig.4 stellt eine Ansicht mit partiellem Schnitt durch eine Gasturbine mit nur zwei Eintrittsleitungen 10 und 11, nach der Linie IV-IV von Fig. 5 dar. 10 ist der eine, 11 der andere Gaseintritt. 17 sind die Laufrad schaufeln mit ihren Eintrittskanten 19 und den Austrittskanten 20. Die Austrittskanten 20 sind schräg zur Turbinenachse abgeschnit ten. Es ist hier deutlich zu erkennen, dass der innere engste Durchmesser des Diffusors 2'2 kleiner ist als der äussere Durchmesser der Austrittskante 20 der Turbinenschaufeln 17.
Dies wird deshalb so ausgeführt, um die ab solute Gasaustrittsgeschwindigkeit aus dem Turbinenrad an der Eintrittsstelle des Dif- fusors 22 möglichst zu erhalten, um dort Ver- puffungsverluste zu vermeiden. Es geschieht dies dadurch, indem man den Eintrittsquer schnitt des Diffusors 22 mindestens so klein macht, dass er der Austrittsfläche der Tur- binenschaufelun g unter Abzug der endlichen Schaufeldicken entspricht.
Die Schaufelaus- frittskanten 20 liegen bei dieser Ausführung auf einer Kegelfläche, welche ihre Achse in der Turbinenachse hat. Dadurch entsteht an der äussern Austrittsfläche des Turbinenrades eine kleinere Umlenkung. Wenn die relative Geschwindigkeit der Gase in der Turbinen schaufelung 17 grösser ist als die absolute Austrittsgeschwindigkeit dieser Gase aus dem Rad bei 20, siehe Fig. 8, ist eine Umlenkung hinter und ausserhalb des Turbinenrades, be vor die Gase in den Diffusor eintreten, weni ger verlustreich.
Eine kleinere Umlenkung der Gase im Laufrad kann auch dadurch erzielt ;-erden, indem man den Eintrittsdüsen 14 eine zur Turbinenachse gegen den Diffusor hin schräge Richtung gibt, wie dies durch die strichpunktierten seitlichen Düsenwäncle 16 in Fig.4 angedeutet ist. In diesem Fall er halten die Eintrittsteile der Laufschaufelung ebenfalls eine zur Turbinenachse gegen den Diffusor hin schräge Richtung wie die Düsen wände 16.
Bei dieser Ausführungsform sind auf der Rückseite des Turbinenrades 1 ebenfalls Kühlschaufeln 28 angeordnet, welche die Kühlluft aus dem Raum 29 ansaugen. Diese Kühlschaufeln sind ebenfalls durch eine Deckscheibe 31 seitlich und aussen abgeschlos sen. In den einzelnen Schaufeln 17 sind hier aber mindestens aussen Bohrungen 32' an gebracht, durch welche die aus dem Kühl gebläse austretende Kühlluft gedrückt wird. Dies ist im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 1. Durch die Leitung 29 saugt das Kühl gebläse seine Luft von aussen durch die Lei tung 30' an. Der konisch verjüngte innere Teil 24 des Diffusors ist hier aus einem Stück mit dem Radkörper 1 hergestellt.
Es könnten aber auch gleichzeitig Kühlluftöff- nungen 32, 32' und auch 32" (siehe Fig. 6) in der Radscheibe 1 angebracht sein.
Bei einer Ausführung nach Fig.4 ent stehen, im Gegensatz zu einer Ausführung nach Fig.l, beim achsialen Gasaustritt 20 keine Spaltverluste.
Die Mitte der Radnabe sowie dieser Dif- fusorteil sind ausgehöhlt und werden durch ein bei 37 ein- und bei 38 austretendes Kühl mittel gekühlt.
In Fig. 5, welche einen Schnitt nach der Linie V-V von Fig. 4 - und zwar von links gesehen - darstellt, sieht man wieder die Ausbildung der Laufradschaufeln 17 mit ihren annähernd in Radialrichtung liegenden Eintrittspartien 19 und ihren von der radia len Richtung abweichenden Austrittskanten 20. Die eng ineinandergewundenen beiden Leitungen 10 und 11 verengen sich auch hier spiralförmig gegen die zwei sie trennenden Zungen 15 hin. Dazwischen sind im Düsen ring 5 für jede Leitung nur je fünf Düsen schaufeln 6 angeordnet, welche die Gase auf das Laufrad führen.
Fig. 6 zeigt eine axonometrische Ansicht des Turbinenrades 1 mit den Laufradschaufeln 17, ihren annähernd in Radialrichtung lie genden Eintrittspartien 19 und den von der radialen Richtung abweichenden Austritts enden 2,0. Man erkennt sehr gut die an nähernd ebene Ausbildung der Laufradschau- feln und auch ihre namentlich gegen die Tur binenscheibe hin zunehmende Dicke der Schau feln 17, insbesondere an den Füssen 18.
Man sieht in Fig. 6 auch die in der Tur binenscheibe 1 gebohrten Löcher 32 für den Durchtritt der Kühlluft, welche eine solche Richtung haben, dass die Kühlluft auf die Schaufeloberflächen, und zwar besonders nahe der Schaufeleintrittskanten und der Schaufelwurzeln geführt wird. In Fig. 6 er kennt man, dass dies dort auf beide Schaufel oberflächen, die Vorder- wie die Rückseite, erfolgt. .Statt Öffnungen 32 können für die sen Zweck beispielsweise auch Nuten 32" am äussern Rande der Turbinenscheibe 1 angeord net sein.
In Fig. 7 ist das Eintrittsgeschwindig- keitsdreieck der Turbine beim Schaufelein tritt 19 dargestellt, wobei c, die absolute Gas eintrittsgeschwindigkeit, zcl die Geschwindig keit am Radumfang und w1 die radial gerich tete relative Gaseintrittsgeschwindigkeit dar stellt.
Fig. 8 zeigt die Geschwindigkeitsdreiecke am Schaufelradaustritt 20. ui ist die Umfangs geschwindigkeit am äussersten Austritts durchmesser, w2 die dortige relative Gas geschwindigkeit und c2 die entsprechende ab solute Gasgeschwindigkeit. u2" ist die klei nere Umfangsgeschwindigkeit an der Wur zel der Schaufel; w2" die relative Gas geschwindigkeit an der gleichen Stelle und c2" die entsprechende absolute Gasgeschwin digkeit.
Die Querschnitte zwischen den Schaufeln 17, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, werden v orteilhafterweise so gewählt, dass die rela tiven Gasgeschwindigkeiten w2' und w2" unter sich und die absoluten Geschwindig keiten e2' und c," unter sich beim Radaus tritt annähernd gleich gross sind.
Für die Her stellung der verlangten Austrittswinkel a2 und a," können die Schaufelflächen vorerst als ebene Flächen hergestellt werden, ent sprechend dem Austrittswinkel a;2" an der Schaufelwurzel 18 und dann die äussern Aus trittsenden in die bezweckte andere Richtung entsprechend dem Austrittswinkel a,, unter Umständen in warmem Zustand, umgebogen werden.
Hierzu ist aussen ein etwas kleinerer Schaufelwinkel a2 zu wählen als innen, ent sprechend a,2'. Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Richtung der Schaufelaustritte so. gewählt wird, dass sich im Diffusorinnern eine achsial gerichtete absolute Geschwindigkeit ex' und am äussern Diffusorumfang eine - eine Dre hung des Gasstrahls bewirkende - Ge schwindigkeit c2' ergibt.
Beide Massnahmen erfolgen deshalb, um im Diffusor 22 eine möglichst gute und gleichmässige Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck und wenig Ab lösung selbst in einem stärker sich öffnen den und relativ kurzen Diffusor zu erzielen.