DE10028053C2 - Strömungskraftmaschine zur Nutzung geringer Druckdifferenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungskraftmaschine zur Nutzung geringer Druckdifferenzen, die zum Antrieb einer Arbeitsmaschine genutzt werden kann.

Strömungskraftmaschinen sind axial, diagonal oder radial durchströmte Energiewandler (Turbinen) mit mindestens einem Rotor. Sie erzeugen ein Drehmoment durch Änderung des Dreh­ impulses (Drall) einer Strömung, welches als Antrieb für eine Arbeitsmaschine genutzt werden kann. Beispiele nach dem Stand der Technik sind hierzu für Dampf oder Luft die Dampfturbine, die Gasturbine und die Windkraftanlage, sowie für Wasser die Pelton-, Kaplan-, Francis- und Ossbergerturbine. Diese Turbinen senken den Impuls oder den Drall eines strömenden Fluids, das sind in der Regel Luft, Dampf oder Wasser. Dadurch entsteht nach der Euler'schen Turbinengleichung ein Drehmoment, das eine Arbeitsmaschine antreiben und Wellenarbeit an einen Verbraucher übertragen kann, z. B. einen Propeller, eine Pumpe, einen Verdichter, einen Generator oder ein Getriebe.

Die pro Zeiteinheit übertragbare Wellenarbeit (Leistung) steigt mit dem Drehmoment und der Drehzahl der Turbine. Das Drehmoment steigt mit der Änderung des Drehimpules der Strömung, also mit steigendem Massenstrom und mit steigender Geschwindig­ keit der durchströmenden Fluidmenge, sowie mit steigendem Abstand zwischen Strömung und Drehachse. Die Geschwindigkeit einer Strömung wird nach dem Bernoulli'schen Satz durch Umwandlung von statischem oder geodätischem Druck in dynamischen Druck erzielt. Bei Wasserturbinen erfolgt dies in der Regel durch das geodätische Druckgefälle zwischen Zufluß und Abfluß, bei Dampfturbinen durch die Dampfdruckdifferenz zwischen Kessel und Kondensator, bei Gasturbinen durch einen vorgeschalteten Verdichter, der einen Teil der Turbinenleistung für den Aufbau der Druckdifferenz verbraucht. Bei Windkraftanlagen und ggf. auch Flußkraftwerken wird die notwendige Druckdifferenz zwischen Zufluß und Abfluß dynamisch erzeugt und ergibt sich rechnerisch aus der Staudruckdifferenz.

Die Leistung solcher Turbinen ist proportional zur dritten Potenz ihrer Rotordrehzahl und proportional zur dritten Potenz des Rotordurchmessers. Die Rotordrehzahl ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des durch die Turbine fließenden Mediums, die nach Bernoulli proportional zur Quadratwurzel aus geodätischer Höhendifferenz bzw. statischer Druckdifferenz ist. Daraus folgt, daß der Durchmesser einer Strömungsmaschine bei gegebener Leistung mit sinkender Druckdifferenz zwischen Zufluß und Abfluß steigen muß, weil die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Drehzahl der Turbine sinkt. Mit dem Durchmesser steigen aber die auf den Rotor und seine Lagerung wirkenden Kreisel-, Flieh- und Massenkräfte in der dritten Potenz der Abmessungen. Diese müssen vom Werkstoff der Turbine aufgenommen werden, dessen Bruchgrenze letztlich die maximale Dimension und Leistung der Maschine bestimmt.

Der Nachteil dieser Turbinen ist demnach, daß ihre Abmessungen bei geringen Druckdifferenzen zwischen Zufluß und Abfluß sehr groß werden müssen, wobei die Bruchgrenze des Werkstoffes ihre Abmessungen begrenzt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Strömungsmaschine zu finden, die bei niedrigen Druckdifferenzen zwischen Zufluß und Abfluß bei geringem Rotordurchmesser eine wirtschaftlich nutzbare Wellenleistung liefert. Die Erfindung wird unter Bezug auf zwei Figuren beschrieben.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß parallelwandige Rotationshohlräume von außen nach innen durchströmt als Düse wirken und die Geschwindigkeit einer Strömung steigern, während sie von innen nach außen durchströmt als Diffusor wirken und die Geschwindigkeit einer Strömung verzögern. Weiterhin ist bekannt, daß eine drallbehaftete Strömung den Drehimpuls nicht ändert, solange kein äußeres Drehmoment auf sie wirkt (Satz über den Erhalt des Drehimpulses). Aus diesem Satz folgt der Flächensatz der rotierenden Strömung, nach dem das Produkt aus Radius und Umfangsgeschwindigkeit einer drallbehafteten Quellen- oder Senkenströmung konstant ist. Aus dem Flächensatz läßt sich die Änderung der Winkelgeschwindigkeit von Flüssigkeitsteilchen ermitteln, die in einem parallelwandigen Rotationshohlraum von einem äußeren Radius Ra auf einen inneren Radius Ri in einer drallbehafteten Strömung fließen: Die Winkelgeschwindigkeit der Teilchen wächst mit dem Quadrat des Radienverhältnisses k = Ra/Ri, d. h. für k = 2 ist die innere Winkelgeschwindigkeit 4 mal, und für k = 3 sogar 9 mal größer als die äußere Winkelgeschwindigkeit.

Aus dem Impulssatz für strömende Medien ist bekannt, daß die Kraftwirkung einer Strömung auf eine feste Wand durch eine Änderung der Strömungsrichtung entsteht und mit dem Quadrat ihrer Fließgeschwindigkeit sowie um sin(phi/2) bei einer Richtungsänderung um Winkel phi wächst. Die größte Kraftwirkung erfährt danach eine Wand, welche die Richtung einer schnellen Strömung um 180° wendet (Beispiel: Peltonturbine). Aus dem Drehimpulssatz für strömende Medien ist bekannt, daß das von einer Strömung an einem Turbinenrotor ausgeübte Drehmoment durch die Dralländerung der Strömung entsteht. Weiterhin ist aus dem Strömungsmaschinenbau bekannt, daß der Drall einer Strömung durch Leitvorrichtungen, das sind in der Regel feststehende Gitter (Drallgitter), vergrößert oder verringert werden kann.

Aus diesen nach dem Stand der Technik bekannten Faktoren lassen sich nun die Konstruktionsanforderungen an eine Strömungsmaschine ableiten, die aus einer geringen Druckdifferenz eine wirtschaftlich nutzbare Wellenleistung liefern soll:

• 1. Weil die Leistung in der dritten Potenz der Rotordrehzahl steigt und diese von der Fließgeschwindigkeit abhängt, soll die Strömung durch eine Düse beschleunigt werden, vorzugsweise durch einen parallelwandigen Rotations­ hohlraum.
• 2. Weil die Leistung mit der Winkelgeschwindigkeit des Rotors und dem Drehmoment steigt, und das Drehmoment durch die Dralländerung einer Strömung entsteht, muß die Düsenströmung drallbehaftet sein. Der Drall muß der Strömung durch ein Drallgitter aufgeprägt werden, welches sich im Eingang der Düse befindet.
• 3. Weil das Drehmoment aus der Änderung des Strömungsdralls entsteht, und die Strömung drallbehaftet aus der Düse auf den Rotor zuströmt, soll der Rotor den Drall möglichst auf Null reduzieren.
• 4. Weil das Drehmoment aus dem Produkt von Kraft mal Hebelarm besteht, und die größte Kraftwirkung einer Strömung durch Richtungsänderung um 180° entsteht, soll der Rotor die Strömung um 180° wenden.
• 5. Weil zwischen Zufluß und Abfluß der Maschine nur eine kleine Druckdifferenz zur Verfügung steht, soll die Maschine über mehrere Stufen verfügen.
• 6. Bei mehreren Stufen muß die Strömung wiederholt durch eine Düse mit Leitvorrichtung von außen nach innen gegen innen nach außen strömend möglichst drallfrei durch einen Diffusor nach außen transportiert und über die Leitvorrichtung dem Düseneingang der Folgestufe zugeführt werden muß.

Danach handelt es sich um eine mehrstufige Strömungsmaschine (Turbine), deren Rotor wiederholt radial von außen nach innen angeströmt wird, wobei das Fluid über eine Düse beschleunigt wird. Turbinen mit radialer Anströmung sind lange bekannt als Francis-, Pelton-, oder Ossbergerturbine (Wasser), und sie finden Einsatz bei Abgasturboladern, als Gas- und Dampfturbinen, hier beispielsweise unter dem Namen Terry-Turbine, oder auch als Druckgasturbine gemäß DE 27 33 066 A1. Eine mehrstufige Maschine ist in DE-PS 962 762 beschrieben. Bei Maschinen der genannten Bauart findet die Kraftübertragung auf den Rotor durch Änderung des Strömungsimpulses statt. Eine Besonderheit bietet die sogenannte Tesla-Turbine, bei der die Kraftübertragung an einen unbeschaufelter Scheibenläufer über Adhäsionskräfte erfolgt. Allen genannten Turbinenbauarten ist gemeinsam, daß die Umsetzung von Strömungsdruck in Geschwindigkeit vor Beaufschlagung des Rotors stets über eine rohrförmige Düse oder, im Leitapparat, über kanalförmige Düsen erfolgt, und der Rotor UNMITTELBAR anschließend beaufschlagt wird. (Anmerkung: Ein Spiralgehäuse kann als aufgewickelte Rohrdüse betrachtet werden.)

Nach den genannten Überlegungen sieht die erfindungsgemäße Maschine wie folgt aus:
Die Strömungsmaschine besteht aus einer Folge von n koaxial hintereinander angeordneten Stufen jeweils bestehend aus einem Anteil Turbinengehäuse und einem Anteil Turbinenrotor.

Der Gehäuseanteil jeder Stufe besteht aus je zwei parallelwandigen Rotationshohlräumen, einer Düse und einem Diffusor, wobei Düse und Diffusor jeweils durch eine gemeinsame ebene kreisförmige und senkrecht zur Rotorachse stehenden Wand getrennt sind. Diffusorausgang und Düseneingang zweier aufeinanderfolgender Stufen sind über eine ringförmige beschaufelte Leitvorrichtung verbunden, welche die radiale Richtung der Strömung um 180° wendet, ihr einen Drall aufprägt und sie über die durch die Schaufeln gebildeten Kanaldüsen unter Wandlung von Druck in Geschwindigkeit ein erstes Mal beschleunigt (Anmerkung: Die Wand zwischen Düse und Diffusor kann auch eine Kegelfläche sein. Die dann entstehenden Axialkräfte im Turbinenrotor müssen durch Rotorlager aufgenommen werden).

Der Rotoranteil jeder Stufe wendet die radiale Richtung der Strömung vom Ausgang der Düse um 180° in den Eingang des Diffusors und senkt Strömungsdrall und -geschwindigkeit mittels einer Anzahl auf dem Rotorumfang gleichmäßig verteilter und in den Rotorkörper eingefaßter U-förmiger Schaufeln, deren Schenkel gegeneinander verschränkt sind. Die Strömung fließt aus der Düse kommend mit hohem Drall in die Rotorstufe, wird dort gewendet und fließt mit vermindertem Drall in den Eingang des Diffusors. Die Änderung des Strömungsdralls ergibt ein Drehmoment im Rotor.

Der Ausgang einer Stufe mündet in den Eingang der folgenden Stufe. Der Eingang der ersten Stufe ist der Zufluß der Maschine, der Ausgang der letzten Stufe ist ihr Abfluß (ggf. fehlt bei der ersten oder der letzen Stufe eine Düse bzw. ein Diffusor). Zwischen Zufluß und Abfluß ist eine Druckdifferenz erforderlich, welche das Fluid durch die Strömungsmaschine treibt. Alle Rotorstufen sind fest auf einer gemeinsamen Turbinenwelle montiert, welche die Wellenarbeit an einen oder mehrere externe Verbraucher abgibt. Verbraucher können sein eine Pumpe, ein Verdichter, ein Propeller, ein Generator, ein Getriebe oder eine Kombination daraus.

Die Leistung der Maschine wird dann bestimmt durch die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang, durch die Radien von Düse und Diffusor und deren Verhältnis (k = Ra/Ri), durch die Anzahl n der Stufen und durch den Volumenstrom, der letztlich durch die Breite der parallelwandigen Rotationshohlräume beeinflußt wird. (Anmerkung: Die Wirkung von Düse und Diffusor läßt sich noch steigern, indem die äußere Breite der Rotations­ hohlräume größer als ihre innere Breite gestaltet wird. In diesem Fall sind Düse und Diffusor nicht mehr parallelwandig.)

Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt das Konstruktionsprinzip der Strömungsmaschine ohne Darstellung von Wellenlager oder Verbraucher (Fig. 1.1), sowie die Stromlinien in der Düse mit Drall (Fig. 1.2) und im Diffusor ohne Drall (Fig. 1.3).

Fig. 2 zeigt den Geschwindigkeitsplan einer U-förmigen Schaufel des Rotors deren Schenkel gegeneinander verschränkt sind (Fig. 2.1). Über den ersten Schenkel fließt die Strömung zu, wird gewendet und fließt über den zweiten Schenkel wieder ab. Beide Schenkel können durch einen Steg voneinander getrennt sein (Fig. 2.2). Über die Verschränkung wird der Strömungsdrall verändert. Die Maße der Schaufeln sind jeweils auf den Arbeitspunkt der Maschine auszulegen. Der Steg zwischen den Verschränkten Schenkeln der U-Schaufeln kann feststehen oder rotieren und zur Verminderung der Kavitationsgefahr bei inkompressiblen Medien auf der Innenseite eine Hohlkehle aufweisen (Fig. 2.3). Für kompressible Medien können die Schenkel unterschiedliche Länge und unterschiedliche Breite aufweisen (Fig. 2.4).

Eine Schaufel nach Fig. 2.2 führt zu einem Rotor mit konstantem Radius, der vorzugsweise für Gleichdruckturbinen oder inkompressible Medien eingesetzt werden kann. Eine Schaufel nach Fig. 2.4 führt zu einem Rotor mit veränderlichem Radius, der vorzugsweise für Überdruckturbinen und kompressible Medien Verwendet werden kann. Eine solche Maschine läßt sich vorteil­ haft als Endstufe im Niederdruckbereich eines Dampfkraftwerkes einsetzen, weil zwischen Leitvorrichtung und Rotorschaufel im Gegensatz zu herkömmlichen axialen Niederdruckdampfturbinen ein großer Abstand besteht. Dadurch wird die Gefahr der Beschädigung des Rotors durch Tropfenschlag vermieden und die Endstufe kann mit höherer Dampfnässe gefahren werden.

Claims (7)

1. Strömungskraftmaschine in der ein Fluid zwischen Zufluß und Abfluß eine Folge von n Stufen durchfließt, die jeweils aus einer feststehenden beschaufelten Leitvorrichtung, einer Düse, einem Rotor und einem Diffusor bestehen, wobei die Strömung abwechselnd von außen nach innen fließend durch die Düse beschleunigt und von innen nach außen fließend durch den Diffusor verzögert wird, und die Rotorstufe und das Drallgitter jeweils eine Anzahl gleichmäßig auf den Umfang verteilte, in den Rotorkörper und das Gehäuse eingefaßte U- förmige Schaufeln mit zwei gegeneinander verschränkten und durch einen Steg getrennten Schenkeln enthält, über die das Fluid zufließt und nach radialer Richtungsänderung um 180° mit verändertem Dreh abfließt,
wobei die Leitvorrichtung den Drall und die Geschwindigkeit der Strömung n-mal steigert und der Rotor den Drall und die Geschwindigkeit der Strömung n-mal senkt, und alle Rotorstufen auf einer gemeinsamen Welle fest verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß Düse und Diffusor durch parallelwandige Rotationshohlräume gebildet werden, deren Hauptachse koaxial zur Rotorachse verläuft.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefälle zwischen Zufluß und Abfluß durch Dampfdruck oder geodätischen Druck oder Staudruck oder eine angetriebene Pumpe oder einen angetriebenen Verdichter erzeugt wird.

3. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kanalbreite von Düse und Diffusor größer ist als die innere Kanalbreite.

4. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Düse und Diffusor von koaxialen Kegelflächen begrenzt werden.

5. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel der U-förmigen Schaufeln von Drallgitter und Rotor verschiedene Länge und Breite und die Stufen unterschiedliche Rotor- bzw. Gehäuse­ durchmesser haben können.

6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg zwischen den Schenkeln der U-förmigen Schaufeln von Rotor oder Drallgitter feststeht oder rotiert und mit einer Hohlkehle versehen sein kann.

7. Strömungsmaschine nach einem der Vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine oder mehrere Maschinen antreibt, welche Wellenarbeit nutzen.