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Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einem Leitwerk und einem Laufwerk, deren Gehäuse zwischen dem Strömungseinlass und dem Strömungsauslass mindestens ein mehrstufiges Verdichtungsmodul und/oder mindestens ein mehrstufiges Expansionsmodul aufnimmt.
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Das Leitwerk der Turbine besteht aus mehreren, jeweils mit einem Abstand zueinander angeordneten und starr mit dem Gehäuse verbundenen Leiträdern, während das Laufwerk aus einer Kaskade mehrerer, zwischen den Leiträdern in einer Rotationsebene laufender und durch eine gemeinsame Welle untereinander verbundener Laufräder besteht, wobei eine einzelne Stufe des mehrstufigen Verdichtungs- und des mehrstufigen Expansionsmoduls von einem Leitrad und einem Laufrad gebildet wird. Die Laufräder der Turbine weisen jeweils mindestens einen Laufringflügel mit einer konvexen Saug- und einer konkaven Druckseite auf, der in einer mit einem Neigungswinkel gegenüber der Rotationsebene geneigten Neigungsebene von einer aus der Strömungsgeschwindigkeit, aus der Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads und aus einem in der Rotationsebene vorhandenen Konuswinkel der Strömung gebildeten resultierenden Anströmung angeströmt wird und in der Neigungsebene ein asymmetrisches Flügelprofil hat.
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Die Erfindung betrifft in einer ersten Anwendung Strömungsmaschinen, die dazu ausgebildet sind, die innere Energie eines kompressiblen Fluids in eine Rotationsleistung an der Welle der Turbine zu wandeln. Eine erfindungsgemäße Dampfmaschine besteht z.B. aus mehreren Expansionsmodulen, die als Hoch-, Mittel- und Niederdruck-Expansionsmodule ausgebildet sind. Andererseits betrifft die Erfindung auch Gasturbinen für die Stromerzeugung und Turbinen-Strahltriebwerke für Flugzeuge, wie z. B. ein Mantelstromtriebwerk, bei dem das Hochdruck-Verdichtungsmodul von einem Hochdruck-Expansionsmodul und der Fan von einem Niederdruck-Expansionsmodul jeweils mit einer separaten Welle angetrieben werden. Die Turbine kann aber auch als Wärmepumpe oder als Kühlturbine ausgebildet werden, bei denen das Verdichtungsmodul mit einem Wärmeübertrager verbunden ist. Besondere Aufmerksamkeit wird im Rahmen der Erfindung elektrischen Turbinen-Strahltriebwerken geschenkt, bei denen das antreibende Expansionsmodul durch einen Elektromotor ersetzt ist und das Strahltriebwerk eine Schubstufe hat, die als Niederdruck-Verdichtungsmodul arbeitet. Weitere Anwendungen des Niederdruck-Verdichtungsmoduls betreffen allgemein einen Lüfter oder ein Gebläse und auch einen Ventilator in Verbindung mit einem Gerät, z.B. für den Luftaustausch in einem Raum oder für die thermische Konditionierung eines Gebäudes oder eines Fahrzeugs und auch in Verbindung mit einem Turbinensauger.
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Stand der Technik
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Große Turbinen gehören als Strömungsmaschinen zu den leistungsfähigsten Maschinen überhaupt. Aus der Verstromung von Kohle und Atomenergie sind Strömungsmaschinen als Dampfturbinen mit einer nutzbaren mechanischen Leistung von bis zu 1,5 Gigawatt bekannt. Die im Jahr 1888 von Carl Gustaf Patrik de Laval vorgestellte Dampfturbine hatte bereits einen Wirkungsgrad von 30%. Der Wirkungsgrad aktueller Hochdruckdampfturbinen erreicht fast 50% - mehr nicht. Im Sinne einer jederzeit verfügbaren Energieversorgung besteht heute ein Bedarf an Gasturbinen, die in Kraftwerken temporär immer dann eingesetzt werden, wenn die Energie aus Sonne und Wind nicht zur Verfügung steht. Mit einer Kombination von Gas- und Dampfturbine ist ein elektrischer Wirkungsgrad von bis zu 60% erreichbar. Die Angaben zum Wirkungsgrad sind jeweils auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems bezogen und betreffen den thermodynamischen Prozess und die Turbine selbst. Für sich betrachtet erreicht eine Stufe einer Gas- oder Dampfturbine einen Wirkungsgrad von 90%. Turbinen-Strahltriebwerke bilden mit ihrer hohen Leistung, ihrer Schubkraft und ihrer Zuverlässigkeit das Rückgrat des weltweiten Flugverkehrs. Dabei sind unterschiedliche Bauformen für Turbinen-Strahltriebwerke bekannt, wie z.B. ein Mantelstromtriebwerk, ein Turboprop-Fantriebwerk, ein Turboprop-Strahltriebwerk, eine Wellenturbine oder ein Einstrom-Strahltriebwerk. Eine doppelreihige Anordnung der radialen Leitschaufeln eines Verdichtungsmoduls ist als sog. Tandem-Schaufel für den Axialverdichter eines Flugzeugtriebwerks bekannt. Diese Tandem-Schaufeln bewirken eine maximale Umlenkung der Strömung an einem Leitrad des Verdichtungsmoduls, ohne dass es zu unerwünschten Strömungsablösungen innerhalb einer Kaskade von Leit- und Laufrädern kommt. Alternative Antriebe für den Flugverkehr sind notwendig, um den Eintrag schädlicher Treibhausgase in die Atmosphäre zu vermeiden. Ein Strahltriebwerk besteht in Strömungsrichtung aus einem zur Strömung ausgerichteten Lufteinlass mit einem Fan als Niederdruckstufe des mehrstufigen Verdichtungsmoduls, mit sich daran anschließenden, jeweils von einem Leit- und einem Laufrad gebildeten höher verdichtenden Stufen, auf die mehrere Brennkammern und das eigentliche Expansionsmodul folgen. Eine Schubdüse am Strömungsauslass des Gehäuses ist dazu ausgebildet, den heißen Luft- und Abgasstrahl in die umgebende Luft auszustoßen. Dem Rückstoßprinzip entsprechend wirkt die das Flugzeug antreibende Schubkraft in Flugrichtung. Bei einem Turbinen-Strahltriebwerk wird im Unterschied zu einem Propeller, der eine große Luftmasse mäßig beschleunigt, eine vergleichsweise geringe Luftmasse sehr stark beschleunigt. Deshalb ist es wünschenswert, die von einem Turbinen-Strahltriebwerk erfasste Luftmasse zu vergrößern. Bei hohen Geschwindigkeiten in großen Flughöhen ist ein Turbinen-Strahltriebwerk sehr effizient. Bei geringen Geschwindigkeiten sind Triebwerke mit Propeller-Antrieb effizienter. Bei Mantelstromtriebwerken mit einem Fan wird durch den Mantelstrom zusätzliche Antriebsenergie für die Schubentwicklung zur Verfügung gestellt. Ein Mantelstromtriebwerk, bei dem der Fan einen wesentlich größeren Durchmesser hat als das Verdichtungsmodul, besitzt der Fan eine eigene Welle, um einerseits die Fliehkräfte an seinen Turbinenschaufeln zu begrenzen und andererseits Überschallgeschwindigkeiten an den Blattspitzen der Turbinenschaufeln zu vermeiden. Der Fan befindet sich deshalb auf einer eigenen Welle, die von dem Niederdruck-Expansionsmodul angetrieben wird. Am Ausgang der Verdichtungsstufe strömt die durch Kompressionswärme erhitzte Luft in die Brennkammer. Durch die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs ist das Triebwerk hohen Temperaturen von bis zu 2200°C ausgesetzt und benötigt deshalb eine aufwändige Kühlung. Im Sinne eines thermodynamischen Kreisprozesses sind erfindungsgemäße Strömungsmaschinen und Turbinen- Strahltriebwerke rechtsdrehend und betreffen Prozesse, bei denen Wärme in Arbeit umgewandelt wird.
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Die Erfindung betrifft jedoch auch eine Wärmepumpe und eine Kühlturbine, die im Sinne eines linksdrehenden Kreisprozesses unter Aufwendung von Arbeit Wärme von einem niedrigen- auf ein höheres Temperaturniveau fördert und als Wärmepumpe bzw. als Kältemaschine ausgebildet ist.
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Aus der CH 509 502 geht eine Regelvorrichtung für Dampfturbinen, die aus mehreren Expansionsmodulen für Hoch-, Mittel- und Niederdruck bestehen, hervor.
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Aus der
CH 700 013 B1 geht ein Laufrad (Diaphragma) für eine Dampfturbine hervor, bei der die radialen Turbinenschaufeln (Rotorblätter) jeweils an ihrem inneren und äußeren Ende mit einem Ring verbunden sind, um die strukturelle Integrität des Laufrads zu verbessern.
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Aus der
DE 102 57 044 A1 geht ein Leitschaufelgitter für eine Gasturbine hervor, bei dem die Wölbung der einzelnen Leitschaufeln zur Optimierung der Strömung unabhängig voneinander einstellbar ist.
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Aus der
DE 198 58 702 B4 geht ein Verfahren zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine sowie die Schaufel und der Rotor einer Gasturbine hervor.
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Aus der
DE 10 2014 206 216 B4 geht ein Verdichtungsgitter für einen Axialverdichter hervor, bei dem die radialen Leitschaufeln doppelreihig angeordnet und in Strömungsrichtung eine vordere und eine hintere Schaufel haben, wobei sich die Schaufeln gegenseitig überdecken.
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Aus der
US 2009/0047132 A1 geht eine Anordnung von radialen Rotorblättern mit einer Saug- und einer Druckseite hervor, die durch einen konzentrisch zu der Rotationsachse angeordneten Kragen untereinander verbunden sind.
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Aus der
EP 2 743 453 A1 geht eine Anordnung von Rotorblättern für eine Turbine hervor, die jeweils eine Flügelnase und eine Flügelhinterkante haben und untereinander durch abkragende, sich verjüngende Verbindungsstücke in tangentialer Richtung verbunden werden, sodass ein die Rotorblätter eines Laufrads verbindender Kragen mit einem tropfenförmigen Profil gebildet wird.
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Aus der
EP 3 187 688 A1 geht ein radiales Rotorblatt mit einer konvexen Saugseite und einer konkaven Druckseite für eine Gasturbine hervor. Zwischen der Blattwurzel und der Rotorblattspitze sind jeweils zwei von dem Rotorblatt abkragende Flügel vorgesehen, die auf der konvexen Saugseite als Saugflügel und auf der konkaven Druckseite als Druckflügel bezeichnet werden, wobei an zwei einander benachbarten Rotorblättern eine Schnittstelle gebildet wird. Diese Kragflügel bilden an einem Laufrad der Turbine untereinander einen stabilisierenden Kragen, der im Betrieb der Turbine eine Torsionsverformung der einzelnen Rotorblätter verhindern soll und außerdem den Austausch eines einzelnen Rotorblatts des Laufrads ermöglicht. Der in Strömungsrichtung jeweils vorgelagerte Flügel ist dicker ausgebildet als der in Strömungsrichtung nachgelagerte Flügel, sodass eine Stufe gebildet wird und die Schnittstelle zwischen den Flügeln im Windschatten der Strömung liegt.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Turbine mit einem thermodynamischen oder elektrischen Antrieb anzugeben, die aus mindestens einem mehrstufigen Verdichtungsmodul und/oder aus mindestens einem mehrstufigen Expansionsmodul aufgebaut ist, deren Laufräder strömungsdynamisch als Auftriebsläufer wirken, sodass der Wirkungsgrad der Turbine erheblich verbessert werden kann. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, einen über die radialen Turbinenschaufeln mit der Welle verbundenen Laufringflügel für das Laufrad einer Turbine anzugeben, der in einer mit einem Neigungswinkel gegenüber der Rotationsebene geneigten Neigungsebene so angeströmt wird, dass in der Rotationsebene eine aus dem dynamisch bewirkten Auftrieb des Laufringflügels resultierende, in Drehrichtung des Laufrads wirkende tangentiale Antriebskraft und parallel zu der Rotationsachse eine am Strömungseinlass des Gehäuses wirkende Saugkraft gebildet werden. Daraus ergibt sich die weitere Aufgabe der Erfindung, ein Profil für den Laufringflügel zu finden, das in der mit einem definierten Neigungswinkel gegenüber der Rotationsebene geneigten Neigungsebene strömungsdynamisch als Auftriebsläufer wirkt und ein asymmetrisches Flügelprofil aufweist.
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Diese Aufgaben werden mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen erfüllt. Weitere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Im Einzelnen löst die Erfindung die folgenden Aufgaben:
- - Aktivierung von dynamischem Auftrieb an den Laufringflügeln der Laufräder des Laufwerks einer Turbine
- - Bereitstellung einer aus dem dynamischen Auftrieb einer Vielzahl von Laufringflügeln des Laufwerks resultierenden tangentialen Antriebskraft, die eine Rotationsleistung an der Welle einer mehrstufig aufgebauten Turbine bewirkt
- - Bereitstellung einer aus dem dynamischen Auftrieb einer Vielzahl von Laufringflügeln des Laufwerks resultierenden Saugkraft am Strömungseilass der mehrstufig aufgebauten Turbine
- - Angabe eines von mehreren Leitringflügeln und einer Vielzahl von radialen Leitschaufeln gebildeten Profilgitters
- - Angabe eines Leitrads mit mindestens einem Leitringflügel, der strömungsdynamisch mit dem Laufringflügel des Laufrads zusammenwirkt
- - Angabe eines biege-, schub- und torsionssteifen Schaufelgitters für ein Leitrad des Leitwerks und eines biege-, schub- und torsionssteifen Turbinenschaufelgitters für ein Laufrad des Laufwerks einer Turbine
- - Angabe eines Laufrads mit mindestens einem Laufringflügel für eine niedrige Reynolds-Zahl im subsonischen Bereich
- - Angabe eines von mehreren Laufringflügeln und einer Vielzahl von radialen Turbinenschaufeln gebildeten Turbinenschaufelgitters
- - Angabe einer Verbindungstechnik für einen Kreissektor eines Laufrads des Laufwerks der Turbine, die die Auswechslung einer einzelnen radialen Turbinenschaufel ermöglicht
- - Vermeidung der Wirbelbildung und Wirbelablösung an den Enden der radialen Turbinenschaufeln
- - Angabe einer leisen Turbine mit vergleichsweise sehr geringer Geräuschentwicklung
- - Verbesserung des Wirkungsgrads eines thermodynamischen Luftstrahltriebwerks für Luftfahrzeuge um bis zu 25%
- - Angabe eines elektrisch angetriebenen Turbinen-Strahltriebwerks
- - Angabe eines elektrisch angetriebenen Niederdruck-Verdichtungsmoduls für einen Turbinensauger
- - Angabe eines Lüfters mit einem elektrisch angetriebenen Niederdruck-Verdichtungsmodul
- - Angabe einer elektrisch angetriebenen Kühlturbine, bei der das Verdichtungsmodul und das Expansionsmodul eine Kühlfunktion haben
- - Angabe einer elektrisch angetriebenen Kühlturbine mit Verdichtungs- und Expansionsmodul zur Luftkühlung der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs
- - Angabe einer Wärmepumpe zur Förderung von Wärme aus der Umgebungsluft
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Das Leitwerk der Turbine
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Das Gehäuse der Turbine nimmt mindestens ein mehrstufiges Verdichtungsmodul und/oder mindestens ein mehrstufiges Expansionsmodul auf, welche Module jeweils von einer inneren und einer äußeren, rotationssymmetrisch ausgebildeten Strömungsleitfläche begrenzt werden. An einem mehrstufigen Verdichtungsmodul verengt sich der Querschnitt des Gehäuses in Strömungsrichtung, wobei der Konuswinkel der Strömung entweder von den Strömungsleitflächen und/oder von den Leitringflügeln des Leitwerks der Turbine vorgegeben wird. An dem mehrstufigen Verdichtungsmodul sind die konvexen Seiten der radialen Leitschaufeln und die konvexen Seiten der radialen Turbinenschaufeln jeweils gegen die Drehrichtung der Laufräder orientiert. An dem mehrstufigen Expansionsmodul dagegen sind die konvexen Seiten der radialen Leitschaufeln gegen die Drehrichtung der Laufräder und die konvexen Seiten der radialen Turbinenschaufeln in Drehrichtung der Laufräder orientiert. An dem mehrstufigen Expansionsmodul bildet sich der Konuswinkel strömungsdynamisch bei ansteigendem Druck und abnehmender Geschwindigkeit eines strömenden Fluids von selbst aus, wobei sich der Querschnitt des Gehäuses in Strömungsrichtung mit einem Konuswinkel erweitert. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung weist das dem Laufrad in Strömungsrichtung vorangestellte Leitrad mindestens einen Leitringflügel mit einem asymmetrischen Flügelprofil auf. Der Leitringflügel ist entweder einteilig oder zweiteilig ausgebildet und verleiht dem in dem Gehäuse strömenden Fluid den Konuswinkel für die resultierende Anströmung des nachfolgenden Laufringflügels. Ein zweiteiliger Leitringflügel hat ein Tandemflügelprofil aus zwei hintereinander angeordneten und sich gegenseitig überlappenden asymmetrischen Flügelprofilen, jeweils mit einer bzgl. der Rotationachse geneigten Profilsehne, die den Konuswinkel für die resultierende Anströmung des stromab angeordneten Laufringflügels vorgibt. Die Profilsehnen der Leitringflügel sind steiler geneigt als die Profilsehnen der Laufringflügel. An dem Leitschaufelgitter des Leitrads entsteht eine Düsenströmung, die mit dem Nachlauf des Turbinenschaufelgitters des Laufrads interagiert, sodass eine beschleunigte Strömung die Anströmung der Laufringflügel des Laufrads mit einem maximalen Konuswinkel ermöglicht. Die innere und die äußere Strömungsleitfläche des Gehäuses können in diesem Fall parallel zueinander angeordnet werden. Mit der Überströmung des Laufringflügels wird die Strömung an jeder Stufe eines mehrstufigen Verdichtungs- oder Expansionsmoduls wieder parallel zu der Rotationsachse ausgerichtet, sodass sich die aus der Überströmung des stromab folgenden Leitringflügels resultierenden Kräfte gegenseitig aufheben. An einer Verdichtungsstufe und an einer Expansionsstufe wechselt die konvexe Saugseite an dem Leitringflügel und an dem Laufringflügel jeweils von der der Rotationsachse zugewandten Innenseite auf die der Rotationsachse abgewandte Außenseite oder umgekehrt von der Außenseite auf die Innenseite.
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Das Laufwerk der Turbine
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Die radialen Leitschaufeln der Leiträder geben den Neigungswinkel für die aus der Strömungsgeschwindigkeit, aus der Umlaufgeschwindigkeit und aus dem Konuswinkel resultierende Anströmung der Laufringflügel in der gegenüber der Rotationsebene mit einem Neigungswinkel geneigten Neigungsebene vor. Dabei sind die radialen Leitschaufeln des Leitrads und die radialen Turbinenschaufeln des Laufrads jeweils als in sich verwundene asymmetrische Flügelprofile ausgebildet, deren Anstellwinkel gegenüber der Rotationsebene von ihrem der Welle zugekehrten Ende zu ihrem äußeren Ende hin jeweils kontinuierlich abnimmt. Die radialen Turbinenschaufeln und die Laufringflügel durchdringen einander so dass die Flügelnasen der Turbinenschaufeln und die Flügelnasen der Laufringflügel möglichst in einer Ebene liegen. Das Laufwerk des mehrstufigen Verdichtungsmoduls und des mehrstufigen Expansionsmoduls besteht jeweils aus einer Kaskade von Laufrädern. Ein einzelner und mehrere Laufringflügel eines Laufrads, die in der Rotationsebene mit einer Mehrzahl von radialen Turbinenschaufeln verbunden sind, haben jeweils ein Ringprofil, das in dem Querschnitt entlang der Rotationsachse und senkrecht zu der Rotationsebene so ausgebildet ist, dass der Schrägschnitt des Laufringflügels in einer mit einem Neigungswinkel gegenüber der Rotationsebene geneigten Neigungsebene ein strömungsdynamisch wirksames, asymmetrisches Flügelprofil aufweist. In der Rotationsebene des Laufrads weisen die radialen Turbinenschaufeln einen von der jeweiligen Umlaufgeschwindigkeit abhängigen Anstellwinkel auf, dessen Betrag vom wellenseitigen zum äußeren Ende der radialen Turbinenschaufeln hin abnimmt. Die radialen Turbinenschaufeln eines Laufrads sind in der Rotationsebene entweder mit nur einem einzelnen Laufringflügel kraftschlüssig verbundenen oder das Laufrad weist eine Mehrzahl konzentrisch zueinander angeordneter Laufringflügel auf, die in der Rotationsebene jeweils mit den radialen Turbinenschaufeln verbunden sind. Der Laufringflügel hat eine leicht nach Luv geneigte, sich zwischen der Flügelnase und der Flügelhinterkante erstreckende Profilsehne sowie eine kreisförmig ausgebildete Druckpunktlinie und wird über seinen gesamten Umfang von der resultierenden Anströmung angeströmt, sodass der Laufringflügel in der Neigungsebene einen senkrecht zu der resultierenden Anströmung an der kreisförmigen Druckpunktlinie angreifenden dynamischen Auftrieb erzeugt.
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Strömungsdynamisch bewirkte Kräfte
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In der Neigungsebene teilt sich der dynamische Auftrieb des Laufringflügels in die senkrecht zu der Rotationsachse wirkende Sogkraft und in den Widerstand sowie in die Vortriebskraft, die ihrerseits in eine in der Rotationsebene in Drehrichtung des Laufringflügels wirkende und an der Welle ein Drehmoment erzeugende, tangentiale Antriebskraft und in eine der Strömung entgegenwirkende Saugkraft aufteilbar ist, wobei der tangentialen Antriebskraft in der Rotationsebene der Rotationswiderstand und der senkrecht zu der Rotationsebene wirkenden Saugkraft die Schubkraft entgegenwirkt. Während die tangentiale Antriebskraft ein Drehmoment an der Welle erzeugt, sodass eine vorgegebene Drehzahl mit weniger Energieaufwand erreicht wird, addiert sich die Saugkraft einer Vielzahl, jeweils aus einem Leit- und einem Laufrad bestehender Stufen des Verdichtungs- und /oder des Expansionsmoduls zu der am Strömungseinlass des Gehäuses wirkenden Saugkraft der Turbine. Die Antriebsleistung einer Strömungsmaschine oder eine Turbinen-Strahltriebwerks kann deshalb um bis zu 25% reduziert werden.
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Herstellung, Montage und Wartung der Turbine
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Das Laufrad einer elektrisch angetriebenen Turbine kann aus einem Stück aus Kunststoff in einem Spritzgussverfahren oder aus Metall in einem Druckgussverfahren hergestellt werden. Thermisch beanspruchte Laufräder einer Turbine bestehen aus speziellen Metalllegierungen und können z.B. aus einer strömungszugewandten und einer strömungsabgewandten Hälfte, die untereinander verschweißt werden, aufgebaut werden. Ein Laufrad einer thermodynamisch angetriebenen Turbine kann aber auch aus radialen Segmenten bestehen, wobei eine obere und eine untere Hälfte des Laufrads Wartung und Reparatur des Laufrads ermöglichen, indem das Leitwerk von dem Turbinenschaft abgehoben wird. Um den Austausch einer einzelnen radialen Turbinenschaufel zu ermöglichen, benötigt der Laufringflügel jeweils eine Fuge mit einer Ausnehmung für die Aufnahme einer Feder zur Herstellung einer Nut-und-Feder-Verbindung zwischen zwei benachbarten Turbinenschaufeln. Für den Austausch einer einzelnen Turbinenschaufel werden die Schraubverbindungen der linken und rechten Feder mit dem Laufringflügel gelöst, wobei die Federn vollständig in die Ausnehmung des Hohlkammerprofils geschoben werden um die Turbinenschaufel aus den Nuten der Welle herausschieben zu können. In der Arbeitsstellung ist die Feder kraftschlüssig mit dem Laufringflügelsegment einer ersten Turbinenschaufel verbunden und ragt zur Hälfte in das anschließende Laufringflügelsegment einer zweiten Turbinenschaufel hinein, sodass die Verbindung einander benachbarter Turbinenschaufeln jeweils ein Fest- und ein Gleitlager aufweisen. Ein Laufrad, bei dem die Flügelnasen und die Flügelhinterkanten der radialen Turbinenschaufeln und der Laufringflügel jeweils in einer Ebene liegen, bildet eine biege-, schub- und torsionssteife Scheibe, die sich durch hohe Stabilität und geringes Gewicht auszeichnet. Die Scheibe kann an einem Stück oder, wie beschrieben aus einer Mehrzahl untereinander verbundener Kreissektoren hergestellt werden. Zum Auswechseln eines Laufrads kann eine genutete Welle vorgesehen sein, die in Richtung der Rotationsachse aus dem Laufwerk herausgeschoben wird. Zwischen der Welle und einer einzelnen Turbinenschaufel ist eine dem Stand der Technik entsprechende hinterschnittene Verbindung vorgesehen.
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Turbinen-Strahltriebwerke
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Bei einem thermodynamisch oder elektrisch angetriebenen Turbinen-Strahltriebwerk bildet am Strömungseinlass des Gehäuses ein Laufrad zusammen mit dem sich stromab anschließenden Leitrad die erste Stufe eines mehrstufigen Verdichtungsmoduls. Die radialen Turbinenschaufeln des Laufrads sind an ihrem äußeren Ende mit einem Laufringflügel verbunden, dessen konvexe Saugseite zur Rotationsachse orientiert ist. Bei einem thermodynamischen Turbinen-Strahltriebwerk schließt sich in Richtung der Strömung mindestens eine Brennkammer sowie mindestens ein mehrstufiges Expansionsmodul mit einer Schubdüse als Strömungsauslass an das mehrstufige Verdichtungsmodul an. Das Turbinen-Strahltriebwerk ist entweder als ein Mantelstromtriebwerk oder als ein Propfan-Triebwerk oder als eine Wellenturbine oder als ein Turboprop-Triebwerk oder als ein Einstrom-Strahltriebwerk ausgebildet.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante eines Turbinen-Strahltriebwerks besteht das Gehäuse der Turbine aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Schalen und weist entweder am Strömungseinlass oder am Strömungsauslass eine von einem Leit- und einem Laufrad gebildete Schubstufe auf. Bei einem Mantelstromtriebwerk ist die Schubstufe am Strömungseinlass des Gehäuses unmittelbar vor dem mehrstufigen Verdichtungsmodul und bei einem Propfan-Triebwerk ist die Schubstufe unmittelbar hinter dem Expansionsmodul am Strömungsauslass des Gehäuses angeordnet. Das als Fan ausgebildete Laufrad am Strömungseinlass des Gehäuses bildet zusammen mit dem stromab folgenden Leitrad die erste Stufe des Verdichtungsmoduls eines Turbinen-Strahltriebwerks, das von einer Brennkammer und einem mehrstufigen Expansionsmodul thermodynamisch angetrieben wird. Die hohe Drehzahl des Fans beschleunigt die anströmende Luft und bewirkt in der Rotationsebene einen schlagartigen Druckabfall in der Strömung, sodass sich der Konuswinkel für die Anströmung des Laufringflügels strömungsdynamisch einstellt. An einem elektrisch angetriebenen Mantelstromtriebwerk bildet die Schubstufe den Strömungseinlass der Turbine und ist unmittelbar vor dem mehrstufig aufgebauten Verdichtungsmodul angeordnet. Das Verdichtungsmodul ist dazu ausgebildet, den Druck der Luft stufenweise zu erhöhen, sodass die vorgespannte Strömung an der Schubdüse als kalter Luftstrahl mit hoher Geschwindigkeit in die Atmosphäre ausgestoßen wird und ein Fahrzeug nach dem Rückstoßprinzip beschleunigt. Bei einem Mantelstrom- und bei einem Propfan-Triebwerk sind aufgrund der unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten des Fans und der Laufräder der Verdichtungs- und Expansionsmodule zwei Wellen vorgesehen, wobei der Fan von einem Niederdruck-Expansionsmodul und das Verdichtungsmodul von einem Hochdruck-Expansionsmodul angetrieben werden.
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Strömungsmaschinen
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Eine Dampf- oder Gasturbine weist mindestens ein mehrstufig aufgebautes Expansionsmodul auf, das dazu ausgebildet ist, ein mit hohem Druck und hoher Temperatur beaufschlagtes Arbeitsmedium zwischen dem Strömungseinlass und dem Strömungsauslass des Gehäuses der Turbine in mehreren, jeweils von einem Leitrad und einem Laufrad gebildeten Stufen zu entspannen und die dabei gewonnene Rotationsleistung an der Welle der Turbine z.B. für den Antrieb eines Generators zur Verfügung zu stellen. Die rotative Wirkung der Laufringflügel an einer Mehrzahl von Laufrädern des Laufwerks der Strömungsmaschine ermöglicht es, eine vorgegebene Drehzahl mit weniger Energieaufwand zu erreichen. Dies bedeutet umgekehrt, dass bei einer Dampfturbine in einer Abfolge von Hoch-, Mittel- und Niederdruck- Expansionsmodulen bei einer bestimmten Dampftemperatur und einem bestimmten Dampfdruck aus dem Entspannungsprozess mehr Energie gewonnen werden kann. Bei einer Gasturbine wird eine vorgegebene Leistung entsprechend mit weniger Brennstoff erreicht. Thermodynamisch beschreiben Strömungsmaschinen und Turbinen-Strahltriebwerke einen rechtsdrehenden Kreisprozess, bei dem Wärme in Arbeit umgewandelt wird.
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Wärmepumpen und Kühlturbinen
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Thermodynamisch betrachtet betrifft die Erfindung aber auch einen linksdrehenden Prozess, bei dem im Falle einer Wärmepumpe unter Zufuhr von Arbeit Wärme von einem niedrigeren Niveau auf ein höheres Niveau gefördert wird. Dementsprechend besteht eine erfindungsgemäße Wärmepumpe aus einem elektrisch angetriebenen Verdichtungsmodul, bei dem das Gehäuse und das Leitwerk und ggf. auch das Laufwerk als ein mediendurchströmter Wärmeübertrager ausgebildet ist, der die Kompressionswärme auf ein in einem separaten Kreislauf geführtes Wärmeträgerfluid überträgt. Die von den Laufringflügeln der Laufräder bewirkte Saugkraft addiert sich am Strömungseinlass der Turbine zu einem resultierenden Sog, der den Wärmeträger Luft ansaugt. In einem separaten Kältekreis, dessen Wärmeträgerfluid das Gehäuse, das Leitwerk und ggf. auch das Laufwerk durchströmt, kann die von der Wärmepumpe geförderte Wärme einer Nutzung, z.B. der Beheizung eines Gebäudes, zugeführt werden. Entsprechend ist eine Kühlturbine aufgebaut, die z.B. dazu ausgebildet ist, einen Aufenthaltsraum zu temperieren. In einem geschlossenen Kreislauf wird zunächst die überschüssige Raumluftwärme von einer elektrisch angetriebenen Verdichtungsstufe angesaugt und verdichtet, wobei sich Druck und Temperatur der angesaugten Luft erhöhen. Da auch hier das Leitwerk und das Laufwerk als Wärmeübertrager ausgebildet sind und von dem Wärmeträgerfluid eines separaten Kältekreises durchströmt werden, kann die Wärme z.B. in dem Kältekreis, der einen Phasenwechsel des Wärmeträgerfluids vorsieht, sehr effektiv aus dem Verdichtungsmodul abgeleitet werden, um anschließend in dem auf derselben Antriebswelle liegenden Expansionsmodul weiter abgekühlt, um dann dem Raum als kühle Zuluft wieder zugeführt zu werden. Erfindungsgemäß bildet die Kühlturbine einen Sauger, der die Umwälzung der Raumluft antreibt. In modifizierter Form eignet sich der für die Raumluftkonditionierung beschriebene Kreislauf auch für die Kühlung einer Traktionsbatterie oder eines Verbrennungsmotors. Eine weitere Anwendung für eine erfindungsgemäße Kühlturbine besteht in der Wärmerückgewinnung aus Abgas durch ein Verdichtungsmodul, das als Wärmeübertrager ausgebildet ist und von dem heißen Abgas selbst angetrieben wird.
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Lüfter und Turbinensauger
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Die Saugwirkung zusammen mit der antreibenden Wirkung eines Laufringflügels kann mit Vorteil auch für den Betrieb eines Lüfters, eines Ventilators und allgemein eines Gebläses genutzt werden. Ein erfindungsgemäßer Turbinensauger besteht in Strömungsrichtung aus einem dem Strömungseinlass des Gehäuses vorangestellten Saugschlauch mit einem durchströmten Auffangbehälter sowie aus dem elektrisch angetriebenen Niederdruck-Verdichtungsmodul und dem Strömungsauslass des Gehäuses.
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Die Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten und Anwendungen der Erfindung.
Es zeigen:
- 1 eine Stufe des Expansionsmoduls einer Dampfturbine mit Querschnitten der Laufringflügel des Laufrads und mit Darstellung der strömungsdynamisch bewirkten Kräfte in der perspektivischen Übersicht
- 2 eine Stufe des Expansionsmoduls einer Dampfturbine mit Querschnitten der Leitringflügel des Leitrads und der Laufringflügel des Laufrads mit Darstellung der strömungsdynamisch bewirkten Kräfte in der perspektivischen Übersicht
- 3 ein Niederdruck-Expansionsmodul einer Dampfturbine mit Leit- und Laufringflügeln im schematischen Längsschnitt
- 4 eine Stufe des Expansionsmoduls einer Dampfturbine mit Tandemflügelprofilen der Leitringflügel des Leitrads in der perspektivischen Übersicht
- 5 ein aus zwei Kreissektoren aufgebautes Laufrad in der perspektivischen Übersicht
- 6 eine Stufe des Expansionsmoduls einer Gasturbine mit Querschnitten der Leitringflügel des Leitrads und der Laufringflügel des Laufrads mit Darstellung der strömungsdynamisch bewirkten Kräfte in der perspektivischen Übersicht
- 7 eine Stufe des Verdichtungsmoduls einer Gasturbine mit Querschnitten der Leitringflügel des Leitrads und der Laufringflügel des Laufrads mit Darstellung der strömungsdynamisch bewirkten Kräfte in der perspektivischen Übersicht
- 8 den Längsabschnitt einer elektrisch oder thermodynamisch angetriebenen Verdichtungsmoduls mit Leit- und Laufringflügeln im schematischen Längsschnitt
- 9 eine Stufe des Verdichtungsmoduls einer Gasturbine mit Querschnitten der Tandemflügelprofile an den Leitringflügeln des Leitrads und der asymmetrischen Flügelprofile an den Laufringflügeln des Laufrads in der perspektivischen Übersicht
- 10 den Längsabschnitt eines elektrisch oder thermodynamisch angetriebenen Verdichtungsmoduls mit Tandemflügelprofilen an den Leitringflügeln und asymmetrischen Flügelprofilen an den Laufringflügeln im schematischen Längsschnitt
- 11 ein thermodynamisches Turbinen-Strahltriebwerk mit Darstellung der strömungsdynamisch bewirkten Kräfte an dem Laufringflügel des Fans in der Ausschnittsperspektive
- 12 ein thermodynamisches Mantelstromtriebwerk im schematischen Längsschnitt
- 13 ein Propfan-Triebwerk im schematischen Längsschnitt
- 14 ein Einstromstrahltriebwerk im schematischen Längsschnitt
- 15 eine Wellenturbine im schematischen Längsschnitt
- 16 einen Turbinensauger in der perspektivischen Übersicht
- 17 das elektrisch angetriebene Verdichtungsmodul des Turbinensaugers nach 16 in der Ausschnittsperspektive
- 18 ein elektrisches Mantelstromtriebwerk mit Darstellung der strömungsdynamisch bewirkten Kräfte an dem Laufringflügel des Fans in der Ausschnittsperspektive
- 19 das Mantelstromtriebwerk nach 18 im schematischen Längsschnitt
- 20 ein Flugzeug mit zwei Mantelstromtriebwerken, die in ihrem Aufbau dem in 18 und 19 gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechen, in der perspektivischen Übersicht
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1 zeigt eine von einem Leitrad 10 und von einem Laufrad 11 gebildete Stufe eines mehrstufigen Expansionsmoduls 15 einer Strömungsmaschine 16, die als Dampfturbine 160 ausgebildet ist. Das Leitrad 10 besteht aus einem von einer Mehrzahl von radialen Leitschaufeln 100 gebildeten Schaufelgitter, das mit dem Gehäuse 101 starr verbunden ist, während das Laufrad 11 eine Mehrzahl radialer Turbinenschaufeln 111 aufweist, die auf Seiten der Welle 110 mit einem nicht näher bezeichneten Ring und an ihrem äußeren Ende mit einem Laufringflügel 2 verbunden sind. Zwei weitere Laufringflügel 2 unterteilen das Laufrad 11 in drei Felder. Die drei konzentrisch zueinander und zu der Rotationsachse x angeordneten Laufringflügel 2 weisen in der mit dem Neigungswinkel β gegenüber der Rotationsebene R geneigten Neigungsebene N, wie in dem Detailschnitt gezeigt, ein asymmetrisches Flügelprofil 21 auf, dessen konvexe Saugseite auf der Außenseite des Laufringflügels 2 liegt. Die Flügelnase n des asymmetrischen Flügelprofils 21 ist zum Strömungseinlass 102 und die Flügelhinterkante e zum Strömungsauslass 103 des Expansionsmoduls 15 ausgerichtet. Die Dampfturbine 160 läuft im subsonischen Bereich, wobei der Dampfdruck von Stufe zu Stufe abnimmt und sich die Strömung S innerhalb des Gehäuses 101 mit dem Konuswinkel α ausdehnt. Aus der Strömungsgeschwindigkeit A, der Umlaufgeschwindigkeit B und aus dem Konuswinkel α resultiert in der Neigungsebene N die Anströmung C des Laufringflügels 2. Die Profilsehne p des Laufringflügels 2 ist, wie im Detailschnitt des asymmetrischen Flügelprofils 21 in der Neigungsebene N gezeigt, mit einem im Vergleich zu dem Konuswinkel α der resultierenden Anströmung C flacheren Steigungswinkel δ von etwa 15 Grad nach Luv zur Rotationsachse x hin geneigt und deshalb mit einem Anstellwinkel zu der resultierenden Anströmung C ausgerichtet. Senkrecht zu der Anströmung C greift der Auftrieb D an der kreisförmigen Druckpunktlinie q an und bewirkt in der Neigungsebene N eine Vortriebskraft E, die sich in eine in der Rotationsebene R wirksame tangentiale Antriebskraft F und in eine parallel zur Rotationsachse x in Richtung des Strömungseinlasses 102 des Expansionsmoduls 15 gerichtete Saugkraft G aufteilt. In der Neigungsebene N wirkt der Vortriebskraft E der Widerstand J entgegen, während in der Rotationsebene R der Rotationswiderstand K und in Richtung der Strömung S die Schubkraft L wirksam ist. Radial zur Rotationsachse x wirkt der Sog H.
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2 zeigt ebenfalls eine Stufe des Expansionsmoduls 15 einer Dampfturbine 160. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Stufe weist das Leitrad 10 bei diesem Ausführungsbeispiel drei konzentrisch zu der Rotationsachse x angeordnete Leitringflügel 20 auf, die mit den drei Laufringflügeln 2 des Laufrads 11 zusammenwirken. Während die konvexen Saugseiten der Leitringflügel 20 zur Rotationsachse x hin orientiert sind, sind die konvexen Saugseiten der Laufringflügel 2 jeweils nach außen, zu dem Gehäuse 101 hin orientiert. Die sich zwischen dem Strömungseinlass 102 und dem Strömungsauslass 103 eines mehrstufigen Expansionsmoduls 15 entspannende Strömung S wird, wie auch in 3 gezeigt, mit einem Konuswinkel α von der Rotationsachse x weggelenkt. An den Leitringflügeln 20 erhält die Strömung S einen Drall, der sie ebenfalls von der Rotationsachse x weglenkt und so den Konuswinkel α der resultierenden Anströmung C des Laufringflügels 2 erhöht. Für die in der Neigungsebene N aus dem Auftrieb D abgeleitete Vortriebskraft E ist der Konuswinkel α der resultierenden Anströmung C von entscheidender Bedeutung und bewirkt in der Rotationsebene R die tangentiale Antriebskraft F und die entgegen der Strömung S wirkende Saugkraft G. Wie der Detailschnitt des asymmetrischen Flügelprofils 21 in der Neigungsebene N zeigt, ist die Profilsehne p mit einem Steigungswinkel δ gegenüber der Rotationsachse x geneigt, der mit einer Steigung von etwa 18 Grad flacher ausgebildet ist als der Konuswinkel α der resultierenden Anströmung C selbst. Die radialen Turbinenschaufeln 111 des Laufrads 11 sind als in sich verwundene Schaufelprofile ausgebildet und mit einem von der Blattwurzel zur Blattspitze kontinuierlich flacher werdenden Anstellwinkel gegenüber der Rotationsebene R geneigt.
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3 zeigt eine Kaskade von drei jeweils aus einem Leitrad 10 und einem Laufrad 11 gebildeten Stufen des Expansionsmoduls 15 einer Strömungsmaschine 16, die als Dampfturbine 160 ausgebildet ist. Die Anordnung der Leitringflügel 20 und der Laufringflügel 2 einer Stufe entspricht dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Die konvexen Saugseiten der asymmetrischen Flügelprofile 21 der Leitringflügel 20 sind jeweils zur Rotationsachse x hin orientiert, während die konvexen Saugseiten der Laufringflügel 2 zu dem sich in Richtung der Strömung S erweiternden Gehäuse 101 hin orientiert sind. Wie in 2 gezeigt, bilden jeweils ein Leitringflügel 20 und ein Laufringflügel 2 eine funktionale Einheit, die dazu ausgebildet ist, den Konuswinkel α der resultierenden Anströmung C des Laufringlfügels 2 zu erhöhen. Die Profilsehnen p des asymmetrischen Flügelprofils 21 der Laufringflügel 2 weisen einen flacheren Steigungswinkel δ gegenüber der Rotationsachse x auf als die Profilsehnen p des asymmetrischen Flügelprofils 21 der Leitringflügel 20.
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4 zeigt eine von einem Leitrad 10 und einem Laufrad 11 gebildete Stufe des Expansionsmoduls 15 einer Dampfturbine 160, bei der der Leitringflügel 20 ein Tandemflügelprofil 210 aus zwei asymmetrischen Flügelprofilen 21 aufweist. Ein Schnitt des Tandemflügelprofils 210 ist in 10 dargestellt. Das Tandemflügelprofil 210 des Leitringflügels 20 hat die Aufgabe, der Strömung S einen maximalen Drall zu verleihen, sodass das asymmetrische Flügelprofil 21 des Laufringflügels 2, wie in 2 gezeigt, in der Neigungsebene N mit einem möglichst steilen Konuswinkel α angeströmt wird, wobei die Tandemflügelprofile 210 des Leitrads 10 und das asymmetrische Flügelprofil 21 des Laufrads 11 jeweils unterschiedliche Steigungswinkel δ gegenüber der Rotationsachse x aufweisen. Der Detailschnitt zeigt den Steigungswinkel δ des strömungsdynamisch wirksamen asymmetrischen Flügelprofil 21 in der Neigungsebene N.
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5 zeigt das Laufrad 11 einer Dampfturbine 160, bei dem sich ein Vielzahl von radialen Turbinenschaufeln 111 des Laufrads 11 mit insgesamt drei konzentrisch um die Rotationsachse x angeordneten Laufringflügeln 2 durchdringen und ein biege-, schub- und torsionssteifes Turbinenschaufelgitter bilden. Das Laufrad 11 ist aus zwei halbkreisförmigen Segmenten aufgebaut, die in der Rotationsebene R untereinander durch die Federn 211 einer Nut-und-Feder-Verbindung verbunden werden. Durch Keil- oder Schraubverbindungen sind die Federn 211 mit einer Hälfte des Laufrads 11 starr verbunden, während mit der zweiten Hälfte des Laufrads 11 eine gleitende Verbindung hergestellt wird.
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6 zeigt eine von einem Leitrad 10 und einem Laufrad 11 gebildete Stufe des Expansionsmoduls 15 einer Strömungsmaschine 16, die als Gasturbine 161 ausgebildet ist. Das Leitrad 10 besteht aus einer Vielzahl von radialen Leitschaufeln 100, die zusammen mit den drei konzentrisch um die Rotationsachse x angeordneten Leitringflügeln 20 ein Schaufelgitter bilden. Die drei Leitringflügel 20 beeinflussen die resultierende Anströmung C der drei zugeordneten Laufringflügeln 2 des sich stromab an das Leitrad 10 anschließenden Laufrads 11, indem die Strömung S einen Drall von der Rotationsachse x weg erhält. Die resultierende Anströmung C strömt den Laufringflügel 2 in der Neigungsebene N mit einem Konuswinkel α an und setzt sich aus der Strömungsgeschwindigkeit A und der Umlaufgeschwindigkeit B zusammen. Der von dem asymmetrischen Flügelprofil 21 bewirkte Auftrieb D ist in Drehrichtung T des Laufrads 11 nach Luv geneigt. Aus dem Auftrieb D leiten sich in der Neigungsebene N der Sog H und die Vortriebskraft E ab. In der Rotationsebene R wirkt an der Druckpunktlinie q eine Komponente der Vortriebskraft E als tangentiale Antriebskraft F. Parallel zu der Rotationsachse x wirkt die zweite Komponente der Vortriebskraft E als eine zum Strömungseinlass 102 gerichtete Saugkraft G. In der Neigungsebene N wirkt der Vortriebskraft E der Widerstand J entgegen, der sich in der Rotationsebene R entsprechend in den Rotationswiderstand K und parallel zu der Rotationsachse x in die Schubkraft L aufteilt. Die Profilsehnen p des asymmetrischen Flügelprofils 21 der Laufringflügel 2 weisen, wie auch in 8 gezeigt, einen Steigungswinkel δ gegenüber der Rotationsachse x auf, der flacher ausgebildet ist als der Steigungswinkel δ der Profilsehnen p des asymmetrischen Flügelprofils 21 der Leitringflügel 20.
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7 zeigt eine von einem Leitrad 10 und einen Laufrad 11 gebildete Stufe des Verdichtungsmoduls 13 einer Strömungsmaschine 16, die als Gasturbine 161 ausgebildet ist. Das Leitrad 10 besteht aus einer Vielzahl von radialen Leitschaufeln 100, die zusammen mit drei konzentrisch um die Rotationsachse x angeordneten Leitringflügeln 20 ein Schaufelgitter bilden. Die drei Leitringflügel 20 beeinflussen die resultierende Anströmung C von drei Laufringflügeln 2 des sich stromab an das Leitrad 10 anschließenden Laufrads 11, indem die Strömung S einen Drall von der Rotationsachse x weg erhält. Die von dem Laufringflügel strömungsdynamisch bewirkten Kräfte A bis L entsprechen dem in 6 erläuterten Ausführungsbeispiel. An dem Verdichtungsmodul 13 ist die konkave Seite der radialen Turbinenschaufeln 111 in Drehrichtung T des Laufrads 11 ausgerichtet. Insgesamt drei Laufringflügel 2 sind jeweils kraftschlüssig mit den radialen Turbinenschaufeln 111 des Laufrads 11 verbunden, wobei an dem asymmetrischen Flügelprofil 21 der Laufringflügel 2 jeweils eine Nut- und Federverbindung zwischen den radialen Turbinenschaufeln 111 vorgesehen ist, sodass die Auswechslung einer einzelnen radialen Turbinenschaufel 111 ermöglicht wird. An jeder Fuge weist die Feder 211 ein Fest- und ein Loslager auf, sodass für den Austausch einer radialen Turbinenschaufel 111 das Festlager gelöst und die Feder 211 in eine Ausnehmung des Laufringflügels 2 zurück geschoben werden kann, um die radiale Turbinenschaufel 111 parallel zu der Rotationsachse x aus einer Nut an der Wurzel der radialen Turbinenschaufel 111 herausschieben zu können.
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8 zeigt am Beispiel eines schematischen Längsschnitts durch zwei Stufen des Verdichtungsmoduls 13 einer thermodynamisch oder elektrisch angetriebenen Turbine 1 die Überströmung der asymmetrischen Flügelprofile 21 der Leiträder 10 und der Laufräder 11. Die starr mit dem Gehäuse 101 verbundenen Leiträder 10 weisen jeweils drei starre Leitringflügel 20 mit einem asymmetrischen Flügelprofil 21 auf, deren Profilsehne p mit einem Steigungswinkel δ von ca. 20 Grad in Richtung des Strömungseinlasses 102 zur Rotationsachse x hin geneigt ist, wobei die Saugseite des asymmetrischen Flügelprofils 21 zur Welle 110 ausgerichtet ist. Das Laufrad 11 weist jeweils drei konzentrisch zur Rotationsachse x rotierende Laufringflügel 2 mit asymmetrischen Flügelprofilen 21 auf, deren Profilsehnen p mit einem Steigungswinkel δ von ca. 7 Grad in Richtung des Strömungseinlasses 102 zur Rotationsachse x hin geneigt sind, wobei die Saugseiten der asymmetrischen Flügelprofile 21 auf der dem Gehäuse 101 zugewandten Außenseite liegen. Zusammen mit den radialen Leitschaufeln 100 bilden die Leitringflügel 20 ein Schaufelgitter, das dazu ausgebildet ist, die Strömung S auf das Laufrad 11 zu leiten. An dem Laufrad 11 bilden die Laufringflügel 2 zusammen mit den radialen Turbinenschaufeln 111 ein zu dem Schaufelgitter des Leitrads 10 komplementäres Turbinenschaufelgitter, das dazu ausgebildet ist, die kinetische Energie der Strömung S in eine Drehbewegung mit Drehrichtung T zu wandeln. Der im Betrag geringere Steigungswinkel δ der Profilsehnen p der Laufringflügel 2 wirkt an den asymmetrischen Flügelprofilen 21 der Laufringflügel 2 als Anstellwinkel in Bezug zu der resultierenden Anströmung C, sodass die Laufringflügel 2 einen maximalen Auftrieb D liefern, aus dem sich, wie auch in 7 gezeigt, die tangentiale Antriebskraft F und eine luvseitige Saugkraft G ableiten.
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9 zeigt eine von einem Leitrad 10 und einem Laufrad 11 gebildete Stufe des Verdichtungsmoduls 13 einer Strömungsmaschine 16 am Beispiel einer Gasturbine 161, bei der im Unterschied zu dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel die drei Leitringflügel 20 des Leitrads 10 ein Tandemflügelprofil 210 aufweisen. Wie auch in 10 gezeigt, beeinflusst das Tandemflügelprofil 210 des Leitringflügels 20 den Konuswinkel α der resultierende Anströmung C des Laufringflügels 2. Die vektorielle Darstellung der Kräfte A-L an einem Ausschnitt des Laufringflügels 2 zeigt den Konuswinkel α der resultierenden Anströmung C als Vektorsumme aus der Strömungsgeschwindigkeit A und der Umlaufgeschwindigkeit B des Laufrads 11. Die diagonale Überströmung des Laufringflügels 2 bewirkt einen in Drehrichtung T des Laufrads 11 geneigten Auftrieb D, aus dem sich die tangentiale Antriebskraft F und die zum Strömungseinlass 102 orientierte Saugkraft G ableiten.
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10 zeigt am Beispiel eines schematischen Längsschnitts durch zwei Stufen des Verdichtungsmoduls 13 einer thermodynamisch oder elektrisch angetriebenen Turbine 1 die Überströmung der Tandemflügelprofile 210 der Leiträder 10 und der asymmetrischen Flügelprofile 21 der Laufräder 11. Das Tandemflügelprofil 210 besteht aus zwei sich einander übergreifenden asymmetrischen Flügelprofilen 21, die, wie auch in 9 gezeigt, einen maximalen Konuswinkel α für die resultierende Anströmung C des Laufringflügels 2 bewirken. Die Profilsehnen p der Laufringflügel 2 sind mit einem Steigungswinkel δ von ca. 12 Grad in Richtung des Strömungseinlasses 102 zur Rotationsachse x hin geneigt, während die Profilsehnen p der asymmetrischen Flügelprofile 21 des Tandemflügelprofils 210 jeweils einen steileren Steigungswinkel δ gegenüber der Rotationsachse x aufweisen. Die Strömung S wird an den Laufringflügeln 2 der Laufräder 11 regelmäßig wieder parallel zu der Rotationsachse x ausgerichtet, sodass sich die strömungsdynamisch bewirkten Kräfte an den Tandemflügelprofilen 210 gegenseitig weitgehend aufheben.
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11 zeigt ein thermodynamisch angetriebenes Turbinen-Strahltriebwerk 17, das als Mantelstromtriebwerk 170 ausgebildet ist. Der Strömungseinlass 102 weist eine von einem Laufrad 11 und einem Leitrad 10 gebildete Schubstufe 12 auf, an die sich in Richtung der Strömung S mehrere aufeinanderfolgende Verdichtungsmodule 13, mehreren Brennkammern 14 und mindestens ein Expansionsmodul 15 am Strömungsauslass 103 des Gehäuses 101 der Turbine 1 anschließen. Das Laufrad 11 der Schubstufe 12 besteht aus einer Mehrzahl radialer Turbinenschaufeln 111, die als Fan 112 wirken und an ihrem äußeren Ende mit einem Laufringflügel 2 verbunden sind. Die Beschleunigung der Strömung S durch die radialen Turbinenschaufeln 111 geht in der Rotationsebene R mit einem schlagartigen Druckabfall einher, sodass die aus der Strömungsgeschwindigkeit A und der Umlaufgeschwindigkeit B gebildete resultierende Anströmung C einen zur Rotationsachse x geneigten Konuswinkel α aufweist. Die Saugseite des Laufringflügels 2 liegt deshalb auf der Innenseite des asymmetrischen Flügelprofils 21. An dem Laufringflügel 2 bewirkt die resultierende Anströmung C in der Neigungsebene N einen in Drehrichtung T geneigten Auftrieb D, der sich in die Vortriebskraft E und den Sog H aufteilen lässt. Eine Komponente der Vortriebskraft E wirkt in der Rotationsebene R als tangentiale Antriebskraft F, während die zweite Komponente der Vortriebskraft E als Saugkraft G entgegen der Richtung der Strömung S in Flugrichtung wirkt. Wie in den vorangehenden Ausführungsbeispielen in 6-10 gezeigt, weisen auch die sich an die Schubstufe 12 anschließenden Verdichtungsmodule 13 und das sich an die Brennkammer 14 anschließende Expansionsmodul 15 jeweils mehrere Laufringflügel 2 auf, die ebenfalls jeweils rotativ und saugend wirken.
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12 zeigt ein Turbinen-Strahltriebwerk 17 als Mantelstromtriebwerk 170 in einem schematischen Längsschnitt, das dem in 11 erläuterten Ausführungsbeispiel weitgehend entspricht.
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13 zeigt den Aufbau eines Turbinen-Strahltriebwerks 17, das als Propfan-Triebwerk 171 ausgebildet ist, in einem schematischen Längsschnitt. In Richtung der Strömung S folgt auf den von einem Laufrad 11 und einem Leitrad 10 gebildeten Fan 112 am Strömungseinlass 102 das mehrstufige Verdichtungsmoduls 13, die Brennkammer 14, das mehrstufige Expansionsmodul 15 sowie eine von einem Leitrad 10 und von einem Laufrad 11 gebildete 12 am Strömungsauslass 103 des aus zwei konzentrischen Schalen aufgebauten Gehäuses 101 der Turbine 1. Die Welle des Propfan-Triebwerks 171 ist stromab des Strömungsauslasses 103 mit dem Laufrad 11 der Schubstufe 12 verbunden, dessen radiale Turbinenschaufeln 111 an ihrem äußeren Ende einen Laufringflügel 2 aufweisen. Der Druckabfall in der Rotationsebene des Laufrads 11 bewirkt, wie in 11 erläutert, die resultierende Anströmung C des Laufringflügels 2 mit einem Konuswinkel α.
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14 zeigt den Aufbau eines Turbinen-Strahltriebwerks 17, das als Einstromstrahltriebwerk 173 ausgebildet ist, in einem schematischen Längsschnitt. In Richtung der Strömung S folgt auf die von einem Fan 112 und einem Leitrad 10 gebildete erste Stufe am Strömungseinlass 102 das mehrstufige Verdichtungsmoduls 13, die Brennkammer 14 und das mehrstufige Expansionsmodul 15 am Strömungsauslass 103 des Gehäuses 101 der Turbine 1. Die Laufringflügel 2 der Laufräder 11 des Verdichtungsmoduls 13 und des Expansionsmoduls 15 sind jeweils am äußeren Ende der radialen Turbinenschaufeln 111 mit einem Laufringflügel 2 verbunden, wobei die Saugseite des asymmetrischen Flügelprofils 21 an dem Verdichtungsmodul 13 der Rotationsachse x und an dem Expansionsmodul 15 dem Gehäuse 101 zugewandt ist. Wie in 11 gezeigt, wird der für die Wirksamkeit der Laufringflügel 2 erforderliche Konuswinkel α an den Laufringflügeln 2 der Laufräder 11 am Strömungseinlass 102 durch den Druckabfall der Strömung S in der Rotationsebene R des Fans 112 und im weiteren Verlauf der Strömung S in dem Verdichtungsmodul 13 durch die äußere Strömungsleitfläche 105 des Gehäuses 101, und an dem Expansionsmodul 15 durch den Druckanstieg der Strömung S bewirkt.
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15 zeigt ein Turbinen-Strahltriebwerk 17 als Wellenturbine 172 in einem schematischen Längsschnitt mit Darstellung eines Verdichtungsmoduls 13 am Strömungseinlass 102 und eines Expansionsmoduls 15 am Strömungsauslass 103 der Turbine 1 mit dazwischenliegender Brennkammer 14. Funktion und Anordnung der Laufringflügel 2 entsprechen dem in 12 erläuterten Einstromstrahltriebwerk 174.
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16 zeigt einen Turbinensauger 19 für den gewerblichen oder häuslichen Gebrauch. Wie in 17 gezeigt, wird die hohe Saugleistung des von einem Elektromotor 18 angetriebenen Verdichtungsmoduls 13, dem der Saugschlauch 190 und der durchsttrömte Auffangbehälter 191 vorangestellt sind, z.B. für die Gebäudereinigung genutzt.
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17 zeigt das von dem Elektromotor 18 angetriebene Verdichtungsmodul 13, bei dem in Richtung der Strömung S mehrere jeweils von einem Leitrad 10 und einem Laufrad 11 gebildete Stufen hintereinander angeordnet sind. Die Saugwirkung der Turbine beruht auf dem in 8 beschriebenen strömungsdynamischen Zusammenwirken der Leitringflügel 20 der Leiträder 10 mit den Laufringflügeln 2 der Laufräder 11. Bei dem Turbinensauger 19 ist am Strömungseinlass 102 der Turbine 1 ein durchströmter, z.B. von einem Papiersack gebildeter Auffangbehälter 191 angeordnet, während am Strömungsauslass 103 das Gehäuse 101 mit der Welle und dem Elektromotor 18 verbunden ist.
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18 zeigt eine Turbine 1 mit einem Turbinen-Strahltriebwerk 17, das als elektrisch angetriebenes Mantelstromtriebwerk 170 ausgebildet ist. Am Strömungseinlass 102 der Turbine ist ein als Fan 112 ausgebildetes Laufrad 11 vorgesehen, dessen radiale Turbinenschaufeln 111 an ihrem äußeren Ende mit einem Laufringflügel 2 verbunden sind. Stromab des Fans 112 teilt sich die Strömung S an dem zweischalig aufgebauten Gehäuse 101 und an dem auf das Laufrad 11 folgenden Leitrad 10 in eine äußere Mantelströmung und eine Innenströmung, die das mehrstufig aufgebaute Verdichtungsmodul 13 durchströmt. Eine Stufe des Verdichtungsmoduls 13 besteht jeweils aus einem Leitrad 10 mit Leitringflügeln 20 und aus einem Laufrad 11 mit Laufringflügeln 2 und entspricht im Wesentlichen dem in 8 näher erläuterten Ausführungsbeispiel. Der Elektromotor 18 treibt das Verdichtungsmodul 13 an. Eine separate Welle ist für den Antrieb der von dem Fan 112 und dem Leitrad 10 gebildeten Schubstufe 12 vorgesehen. Wie im Detail gezeigt, bewirkt der Konuswinkel α der resultierenden Anströmung C des Laufringflügels 2 einen in Drehrichtung T und nach Luv geneigten Auftrieb D, der sich in der Neigungsebene N in eine Vortriebskraft E und einen zur Rotationsachse x gerichteten Sog H teilt. In der Rotationsebene R treibt die tangentiale Antriebskraft F den Fan 112 an, während parallel zu der Rotationsachse x die Saugkraft G wirksam ist und für zusätzlichen Schub an dem Turbinen-Strahltriebwerk 17 sorgt.
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19 zeigt das von einem Elektromotor 18 angetriebene Mantelstromtriebwerk 170 nach 18 in einer schematischen Schnittansicht entlang der Rotationsachse x. Die radialen Turbinenschaufeln 111 des Fans 112 beschleunigen die Strömung S, sodass der in der Rotationsebene R schlagartig eintretende Druckabfall die Strömung S, wie gezeigt, als konvergente Strömung S zur Rotationsachse x hinlenkt. Der Druckabfall in der Strömungsröhre bewirkt, wie in 18 gezeigt, den Konuswinkel α der resultierenden Anströmung C, die in der Rotationsebene R an dem Laufringflügel 2 die tangentiale Antriebskraft F und parallel zu der Rotationsachse x die Saugkraft G erzeugt. Das Laufrad 11 und das nachfolgende Leitrad 10 bilden die Schubstufe 12 des elektrischen Mantelstromtriebwerks 170, wobei sich die Strömung S in eine äußere Mantelströmung und in eine innere, das Verdichtungsmodul 13 durchquerende Teilströmung aufteilt. Das Verdichtungsmodul 13 besteht aus einer kaskadenartigen Abfolge von insgesamt vier Stufen, die jeweils von Leiträdern 10 und Laufrädern 11 gebildet werden, wobei, wie in 8 gezeigt, die Leiträder 10 konzentrisch zu der Rotationsachse x angeordnete Leitringflügel 20 und die Laufräder 11 konzentrisch zu der Rotationsachse x angeordnete Laufringflügel 2 aufweisen. Der Elektromotor 18 treibt jeweils eine Welle für die Schubstufe 12 und für das Verdichtungsmodul 13 an. Sowohl die äußere Mantelströmung als auch die verdichtete Innenströmung des elektrischen Turbinen-Strahltriebwerks 17 erzeugen Schub in Flugrichtung nach dem Rückstoßprinzip.
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20 zeigt ein Flugzeug 22, das von zwei elektrischen Turbinen 1 angetrieben wird, die als Turbinen-Strahltriebwerke 17 ausgebildet sind und jeweils ein Mantelstromtriebwerk 170 aufweisen, das dem in 18 und 19 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht.
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Bezugszeichenliste
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| Turbine |
1 |
Laufringflügel |
2 |
| Leitrad |
10 |
Leitringflügel |
20 |
| Radiale Leitschaufel |
100 |
Asymmetrisches Flügelprofil |
21 |
| Gehäuse |
101 |
Tandemflügelprofil |
210 |
| Strömungseinlass |
102 |
Feder |
211 |
| Strömungsauslass |
103 |
Flügelnase |
n |
| Innere Strömungsleitfläche |
104 |
Flügelhinterkante |
e |
| Äußere Strömungsleitfläche |
105 |
Profilsehne |
p |
| Laufrad |
11 |
Druckpunktlinie |
q |
| Welle |
110 |
Strömung |
S |
| Radiale Turbinenschaufel |
111 |
Rotationsachse |
x |
| Fan |
112 |
Rotationsebene |
R |
| Schubstufe |
12 |
Neigungsebene |
N |
| Verdichtungsmodul |
13 |
Drehrichtung |
T |
| Brennkammer |
14 |
Konuswinkel |
α |
| Expansionsmodul |
15 |
Neigungswinkel |
β |
| Strömungsmaschine |
16 |
Steigungswinkel |
δ |
| Dampfturbine |
160 |
Strömungsgeschwindigkeit |
A |
| Gasturbine |
161 |
Umlaufgeschwindigkeit |
B |
| Turbinen-Strahltriebwerk |
17 |
Resultierende Anströmung |
C |
| Mantelstromtriebwerk |
170 |
Auftrieb |
D |
| Propfan-Triebwerk |
171 |
Vortriebs kraft |
E |
| Wellenturbine |
172 |
Tangentiale Antriebskraft |
F |
| Einstromstrahltriebwerk |
173 |
Saugkraft |
G |
| Elektromotor |
18 |
Sog |
H |
| Turbinensauger |
19 |
Widerstand |
J |
| Saug schlauch |
190 |
Rotationswiderstand |
K |
| Auffangbehälter |
191 |
Schubkraft |
L |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CH 700013 B1 [0007]
- DE 10257044 A1 [0008]
- DE 19858702 B4 [0009]
- DE 102014206216 B4 [0010]
- US 2009/0047132 A1 [0011]
- EP 2743453 A1 [0012]
- EP 3187688 A1 [0013]
