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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine vorwiegend radial durchströmte Strömungsmaschine mit wiederholter Beaufschlagung des Schaufelkranzes für einen kontinuierlichen Impulsabbau und mit einer Axialschubentlastung durch das Arbeitsfluid.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Strömungsmaschinen bekannt, mittels welchen die Energie eines strömenden Fluides in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, soll das strömende Fluid laminar durch den Läufer der Turbine strömen.
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Aus der Patentschrift
US 1 061 206 A ist eine Scheibenläuferturbine bekannt, welche im Wesentlichen aus mehreren glatten kreisförmigen Scheiben besteht. Die mehreren Scheiben sind in vorbestimmten Abständen zueinander parallel auf einer Welle fest angeordnet und bilden mit der Welle einen Scheibenläufer, welcher in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Mittels Düsen am Umfang des Gehäuses wird Fluid tangential auf den äußeren Rand der Scheiben des Scheibenläufers eingebracht. Die Energie der Fluidströmung wird durch Viskosität und Adhäsion auf die Scheiben übertragen, wobei das Fluid spiralförmig in die Scheibenmitte abgelenkt wird. Über Strömungswege im Zentrum des Scheibenläufers wird das Fluid aus der Turbine abgeführt. Dadurch wird eine einfach aufgebaute Radialturbine gebildet. Der erreichbare Wirkungsgrad der Scheibenläuferturbine bleibt hinter den erreichbaren Wirkungsgraden von modernen Radialturbinen und Axialturbinen zurück.
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Aus der Offenlegungsschrift
EP 2 260 178 A1 ist eine Scheibenläuferturbine bekannt, bei welcher die einzelnen Scheiben zur Erhöhung des Wirkungsgrades mit Leitschaufeln versehen sind, welche sich vom Äußeren der Scheibe hauptsächlich spiralförmig bis zum Zentrum der Scheibe erstecken. Durch die Mehrfachanordnung der Scheiben ergibt sich ein Scheibenläufer, welcher mehrere spiralförmige Strömungskammern bildet, wobei die Leitschaufeln eine Impulsübertragung zwischen dem strömenden Fluid und dem Scheibenläufer ermöglichen.
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Aus der Patentschrift
AT 512 653 B1 ist eine Scheibenläuferturbine bekannt, bei welcher mehrere parallel beabstandete ringförmige Scheiben einen Scheibenläufer bilden. Der Scheibenläufer weist so im Inneren einen Freiraum auf, innerhalb welchem mit dem Scheibenläufer verbundene innere Laufschaufeln vorgesehen sind. Mittels der inneren Laufschaufeln soll zur Erhöhung des Wirkungsgrades die beim Verlassen des Scheibenbereichs noch vorhandene restliche Energie in der Strömung ausgenutzt werden.
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Aus der Patentschrift
US 2 524 549 A ist eine Radialturbine mit einem ringförmigen Rotor und einem den Rotor aufnehmenden Gehäuse bekannt. Der ringförmige Rotor weist mehrere über den Umfang verteilte gekrümmte Strömungsleitelemente zur Bildung von hauptsächlich radial durch den Rotor verlaufenden Strömungskanälen auf und ist innerhalb des Gehäuses der Radialturbine mittels einer Rotorwelle drehbar gelagert. Im Gehäuse sind zum äußeren Umfang und zum inneren Umfang des ringförmigen Rotors ausgerichtete Strömungstaschen mit Strömungsleitelementen vorgesehen, mittels welchem eine Strömungsumlenkung eines in die Radialturbine eingeleiteten Arbeitsfluides erfolgt. Für eine optimale Nutzung der Energie des Arbeitsfluides wird der ringförmige Rotor mehrmals mit dem Arbeitsfluid beaufschlagt, indem das Arbeitsfluid aus den Strömungskanälen des Rotors in die Strömungstaschen des Gehäuses und nach einer Strömungsumlenkung darin erneut in die Strömungskanäle des Rotors geleitet wird. Es erfolgt eine Umlenkung der Strömung in den Strömungstaschen im Gehäuse. Insbesondere sind die Strömungstaschen derart ausgebildet, dass das Arbeitsfluid parallel aus mehreren Strömungskanälen des Rotors in die jeweilige Strömungstasche und nach einer Umlenkung der Strömung aus dieser Strömungstasche wieder parallel in mehrere Strömungskanäle des Rotors strömen kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Radialturbine bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch eine Radialturbine nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine erfindungsgemäß vorteilhafte Radialturbine bereit. Die Radialturbine weist einen kreisförmigen Scheibenrotor auf, welcher in einem Turbinengehäuse mittels einer Rotorwelle drehbar gelagert ist. Der kreisförmige Scheibenrotor weist zwei entgegengesetzte zueinander ausgerichtete Rotorstirnflächen und eine nach außen gerichtete Rotormantelfläche auf. Das Turbinengehäuse weist zwei den Rotorstirnflächen entgegengesetzte ausgerichtete Gehäusestirnflächen und eine der Rotormantelfläche entgegengesetzte nach innen gerichtete Gehäusemantelfläche auf. Im Turbinengehäuse ist wenigstens eine Arbeitsmittelzuführung vorgesehen, welche im Bereich eines äußeren Umfangs des Scheibenrotors angeordnet ist. Im Turbinengehäuse ist weiter wenigstens eine Arbeitsmittelabführung vorgesehen, welche im Bereich eines Zentrums des Scheibenrotors angeordnet ist.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind in wenigstens einer Rotorstirnfläche und in einer dieser Rotorstirnfläche entgegengengesetzten Gehäusestirnfläche mehrere keilförmige, insbesondere hauptsächlich zylinderkeilförmige Strömungstaschen ausgebildet. Die Strömungstaschen des Scheibenrotors und die Strömungstaschen des Turbinengehäuses sind zueinander entgegengesetzt ausgerichtet und dabei derart ausgeführt, dass jeweils eine Strömungstasche des Scheibenrotors und eine Strömungstasche des Turbinengehäuses einen scheibenförmigen Taschenraum bilden würden, wenn diese gegenüberliegend positioniert sind, wobei der scheibenförmige Taschenraum gegenüber der Rotorstirnfläche geneigt ist. Durch einen Spalt zwischen Scheibenrotor und Turbinengehäuse ist der Taschenraum in eine keilförmige Strömungstasche in der Rotorstirnfläche und in eine keilförmige Strömungstasche in der Gehäusestirnfläche geteilt. Der scheibenförmige Taschenraum kann dabei die Form einer Kreisscheibe oder auch die Form einer elliptischen Scheibe aufweisen, so dass die keilförmigen Strömungstaschen als hauptsächlich zylinderkeilförmige Strömungstaschen gebildet werden. In vorteilhafter Weise ist der scheibenförmige Taschenraum als Kreisscheibe ausgeführt, so dass zylinderkeilförmige Strömungstaschen gebildet werden. Als Zylinderkeil ist dabei ein schräg abgeschnittener Zylinder zu verstehen, bei welchem die Schnittebene durch die Basis des Zylinders verläuft.
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In vorteilhafter Weise ist der Scheibenrotor als kreisförmige gerade Scheibe ausgeführt, so dass ebene Rotorstirnflächen zueinander entgegengesetzt parallel und senkrecht zu einer Drehachse der Rotorwelle ausgerichtet sind, sowie ebene Gehäusestirnflächen zueinander entgegengesetzt parallel und senkrecht zur Drehachse der Rotorwelle ausgerichtet sind. Alternativ ist der Scheibenrotor als Doppelkegel ausgeführt, so dass kegelige Rotorstirnflächen und kegelige Gehäusestirnflächen zueinander entgegengesetzt ausgerichtet sind.
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Der einzelne scheibenförmige Taschenraum weist eine scheibenrotorseitige Taschenraumstirnfläche, welche in der Rotorstirnfläche ausgeführt ist, eine turbinengehäuseseitige Taschenraumstirnfläche, welche in der Gehäusestirnfläche ausgeführt ist und eine nach innen in den Taschenraum gerichtete Taschenraummantelfläche auf, welche teilweise in der Rotorstirnfläche und teilweise in der Gehäusestirnfläche ausgeführt ist, da der scheibenförmige Taschenraum gegenüber dem Scheibenrotor geneigt ist. Die scheibenrotorseitige Taschenraumstirnfläche und die turbinengehäuseseitige Taschenraumstirnfläche sind parallel zueinander ausgerichtet. Durch einen derart ausgeführten scheibenförmigen Taschenraum ergibt sich jeweils eine in der Rotorstirnfläche keilförmig, insbesondere hauptsächlich zylinderkeilförmig ausgebildete Strömungstasche und eine in der Gehäusestirnfläche keilförmig, insbesondere hauptsächlich zylinderkeilförmig ausgebildete Strömungstasche.
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Es ergibt sich für eine Strömungstasche eine Strömungsleitkontur durch die Taschenraummantelfläche, welche einerseits durch die jeweilige Taschenraumstirnfläche und andererseits durch die Rotorstirnfläche begrenzt ist. Der scheibenförmige Taschenraum zwischen Scheibenrotor und Turbinengehäuse verteilt sich dabei gleichteilig auf die in der Rotorstirnfläche ausgebildete Strömungstasche und die in der Gehäusestirnfläche ausgebildete Strömungstasche, wodurch sich gleiche aber entgegengesetzt zueinander ausgerichtete Strömungstaschen im Scheibenrotor und im Turbinengehäuse bilden. Ist die jeweilige Strömungstasche als zylinderkeilförmige Ausnehmung gebildet, so ergibt sich eine teilkreisförmige Ström ungsleitkontur.
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Die Neigung des scheibenförmigen Taschenraumes gegenüber dem Scheibenrotor ist als eine Drehung des scheibenförmigen Taschenraumes um eine Neigungsachse zu verstehen, welche senkrecht zur Taschenraummantelfläche ausgerichtet ist und in der Rotorstirnfläche liegt. In vorteilhafter Weise schneidet die Neigungsachse die Drehachse der Rotorwelle zusätzlich. Ausgehend von einer parallelen Ausrichtung mit einer Neigung von 0° ist die Neigung des scheibenförmigen Taschenraumes gegenüber dem Scheibenrotor, also die Neigung der scheibenrotorseitigen Taschenraumstirnfläche gegenüber der Rotorstirnfläche und die Neigung der turbinengehäuseseitigen Taschenraumstirnfläche gegenüber der Gehäusestirnfläche dabei im Bereich von 10° bis 30°, insbesondere im Bereich von 15° bis 20° festgelegt.
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Zur Bildung mehrerer Strömungstaschen in der Rotorstirnfläche und der Gehäusestirnfläche werden mehrere über den Umfang des Scheibenrotors gleichmäßig verteilte Taschenräume gebildet, wobei sich benachbarte Taschenräume teilweise überlappen, so dass sich durch die Neigung der Taschenräume gegenüber dem Scheibenrotor eine fächerförmige Anordnung überlappender Strömungstaschen ergibt und die jeweilige Strömungstasche die Form eines Keils, insbesondere hauptsächlich die Form eines Zylinderkeils aufweist. Ein Keilwinkel wird dabei durch die Neigung bestimmt. Dementsprechend sind die Strömungstaschen als keilförmige, insbesondere hauptsächlich zylinderkeilförmige Ausnehmungen mit einem bestimmten Keilwinkel entsprechend dem Neigungswinkel in der Rotorstirnfläche und in der Gehäusestirnfläche ausgebildet.
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In besonders vorteilhafter Weise sind beiderseits des Scheibenrotors gleiche, aber zueinander entgegengesetzt geneigte Taschenräume gebildet, indem in der ersten Rotorstirnfläche und in der dieser Rotorstirnfläche entgegengengesetzten ersten Gehäusestirnfläche und weiter in der zweiten Rotorstirnfläche und in einer dieser zweiten Rotorstirnfläche entgegengengesetzten zweiten Gehäusestirnfläche mehrere über den Umfang des Scheibenrotors und des Turbinengehäuses verteilt angeordnete hauptsächlich zylinderkeilförmige Strömungstaschen ausgebildet sind. Durch die Strömungstaschen werden Strömungsleitkonturen gebildet, welche eine mehrfache Umlenkung eines Arbeitsmittels in der Radialturbine für eine mehrfache Beaufschlagung des Scheibenrotors mit dem Arbeitsmittel ermöglichen.
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Im Betrieb wird das Arbeitsmittel durch die Arbeitsmittelzuführung tangential zum Scheibenrotor in die Strömungstaschen des Scheibenrotors, insbesondere in Richtung der Strömungsleitkonturen des Scheibenrotors eingeleitet. Das Arbeitsmittel wird in den Strömungstaschen des Scheibenrotors entlang der jeweiligen Taschenraummantelfläche, also entlang der Strömungsleitkonturen umgelenkt. Dabei überträgt das Arbeitsmittel einen Teil seiner Energie, insbesondere einen Teil seines Impulses auf den Scheibenrotor. Durch die Drehbewegung des Scheibenrotors verlässt das Arbeitsmittel die Strömungsleitkontur des Scheibenrotors mit einem tangentialen Versatz entgegen der Laufrichtung des Scheibenrotors. An dieser Stelle wird das Arbeitsmittel von den Strömungstaschen, insbesondere von den Strömungsleitkonturen des Turbinengehäuses aufgenommen und erneut in Laufrichtung des Scheibenrotors umgelenkt. Auf diese Weise wird das Arbeitsmittel mehrfach in die Strömungstaschen des Scheibenrotors eingeleitet, bis es seinen Impuls vollständig auf das Laufrad übertragen hat und die Radialturbine durch die Arbeitsmittelabführung verlässt.
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Die Arbeitsmittelzuführung ist dazu hauptsächlich tangential zum Scheibenrotor ausgerichtet. In vorteilhafter Weise ist die Arbeitsmittelzuführung gegenüber dem Scheibenrotor entsprechend der Neigung des Taschenraumes gegenüber dem Scheibenrotor geneigt ausgerichtet, so dass die Arbeitsmittelzuführung eine Arbeitsmittelanströmung auf den Scheibenrotor ermöglicht, welche hauptsächlich tangential ausgerichtet ist und parallel zur Taschenraumstirnfläche in der Rotorstirnfläche in die Strömungstasche einströmen kann. In vorteilhafter Weise sind mehrere, über den Umfang des Scheibenrotors verteilt angeordnete Arbeitsmittelzuführungen im Turbinengehäuse ausgebildet. In vorteilhafter Weise ist die Arbeitsmittelzuführung als Lavaldüse ausgeführt. In vorteilhafter Weise sind wenigstens zwei Arbeitsmittelzuführungen im Turbinengehäuse vorgesehen, wobei eine erste Arbeitsmittelzuführung einer ersten Rotorstirnfläche und eine zweite Arbeitsmittelzuführung einer zweiten Rotorstirnfläche zugeordnet ist, so dass jeweils eine hauptsächlich tangentiale und gegenüber dem Scheibenrotor entgegengesetzt geneigte Arbeitsmittelanströmung beiderseits auf den Scheibenrotor ermöglicht wird.
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In vorteilhafter Weise wird eine vereinfachte Radialturbine mit kontinuierlichem Impulsabbau bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Radialturbine ist durch den einfachen Aufbau und die einfache Geometrie der Strömungstaschen durch Spritzguss-, Sinter- oder Pressverfahren herstellbar und kann somit auch in kostengünstigen Vorrichtungen Anwendung finden.
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Ausführungsbeispiel
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Beispielhaft wird hier eine besonders vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Radialturbine 1 dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Radialturbine 1,
- 2 eine schematische Darstellung eines Scheibenrotors 3 und eines Turbinengehäuses 2, und
- 3 eine schematische Darstellung einer Arbeitsmittelanströmung 7 auf den Scheibenrotor 3.
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Die vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Radialturbine 1 umfasst in einem Turbinengehäuse 2 einen kreisförmigen Scheibenrotor 3, welcher in dem Turbinengehäuse 2 drehbar gelagert ist, dargestellt in 1.
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Der kreisförmige Scheibenrotor 3 weist eine Rotorstirnfläche 3a auf. Das Turbinengehäuse 2 weist eine der Rotorstirnfläche 3a entgegengesetzte und parallel ausgerichtete Gehäusestirnfläche 2a auf. Im Turbinengehäuse 2 ist eine Arbeitsmittelzuführung 5 vorgesehen, welche im Bereich eines äußeren Umfangs des Scheibenrotors 3 angeordnet ist. Im Turbinengehäuse 2 ist weiter eine Arbeitsmittelabführung 6 vorgesehen, welche in Bezug auf die Arbeitsmittelzuführung 5 radial innenliegend angeordnet ist, dargestellt in 2.
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In der Rotorstirnfläche 3a und in der Gehäusestirnfläche 2a sind mehrere über den Umfang der Radialturbine 1 gleichmäßig verteilt angeordnete Strömungstaschen 4 vorgesehen. Die Strömungstaschen 4 sind als zylinderkeilförmige Ausnehmungen ausgebildet und überlappen sich teilweise, so dass sich eine fächerförmige Struktur ergibt. Die Strömungstaschen 4 des Scheibenrotors 3 und die Strömungstaschen des Turbinengehäuses 2 sind gleich und sind zueinander entgegengesetzt ausgerichtet.
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Durch die Strömungstaschen 4 werden teilkreisförmige Strömungsleitkonturen 4a gebildet, welche eine mehrfache Umlenkung eines Arbeitsmittels 7 in der Radialturbine 1 für eine mehrfache Beaufschlagung des Scheibenrotors 3 mit dem Arbeitsmittel 7 ermöglichen.
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Die Arbeitsmittelzuführung 5 ist dazu hauptsächlich tangential ausgerichtet am äußeren Umfang der fächerförmigen Struktur im Turbinengehäuse 2 angeordnet, so dass im Betrieb das Arbeitsmittel 7 durch die Arbeitsmittelzuführung 5 tangential zum Scheibenrotor 3 in die Strömungstaschen 4 des Scheibenrotors 3, insbesondere in Richtung der Strömungsleitkonturen 4a des Scheibenrotors 3 eingeleitet wird.
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Das Arbeitsmittel 7 wird in den Strömungstaschen 4 des Scheibenrotors 3 entlang der jeweiligen Strömungsleitkonturen 4a unter teilweiser Abgabe eines Strömungsimpulses umgelenkt. Anschließend strömt das Arbeitsmittel 7 entgegen der Laufrichtung des Scheibenrotors 3 in die Strömungstaschen 4 des Turbinengehäuses 2. In den Strömungstaschen 4 des Turbinengehäuses 2 wird das Arbeitsmittel 7 mittels der Strömungsleitkontur 4a erneut in Laufrichtung des Scheibenrotors 3 umgelenkt, so dass das Arbeitsmittel 7 wiederholt in eine Strömungstasche 4 des Scheibenrotors 3 eingeleitet werden kann, bis es seinen Impuls nahezu vollständig auf den Scheibenrotor 3 übertragen hat und die Radialturbine 1 durch die Arbeitsmittelabführung 6 verlässt.
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Die Anordnung von Strömungstaschen 4 im Scheibenrotor 3 und im Turbinengehäuse 2 ist beiderseits des Scheibenrotors vorgesehen, so dass sich in Bezug auf den Scheibenrotor eine spiegelsymmetrische Anordnung von Strömungstaschen ergibt, wie in 1 dargestellt.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
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- 1
- Radialturbine
- 2
- Turbinengehäuse
- 2a
- Gehäusestirnfläche
- 3
- Scheibenrotor
- 3a
- Rotorstirnfläche
- 4
- Strömungstasche
- 4a
- Strömungsleitkontur
- 5
- Arbeitsmittelzuführung
- 6
- Arbeitsmittelabführung
- 7
- Arbeitsmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1061206 A [0003]
- EP 2260178 A1 [0004]
- AT 512653 B1 [0005]
- US 2524549 A [0006]