DE104468C

DE104468C -

Info

Publication number: DE104468C
Application number: DENDAT104468D
Authority: DE

Description

KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

KLASSE 14: Dampfmaschinen.CLASS 14: Steam Engines.

CHARLES GORDON CURTIS in NEW-YORK. Mehrstufige Turbine mit Expansionsdüse. CHARLES GORDON CURTIS in NEW YORK. Multi-stage turbine with expansion nozzle.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 2. September 1896 ab.Patented in the German Empire on September 2, 1896.

Die bisher bekannten Dampfturbinen zerfallen im wesentlichen in zwei Arten,, welche in thatsächlichen Ausführungen nur durch die de Laval'sche und die Parson'sche Turbine "verkörpert werden.The previously known steam turbines essentially fall into two types, which in factual explanations only by the de Laval and the Parson turbine "to be embodied.

Während de Laval mit Hülfe der von ihm erfundenen Expansionsdüse die gesammte Spannung des Dampfes vor seinem Eintritt in die Turbine in lebendige Kraft umsetzt, theilt Parson die verfügbare Geschwindigkeit in eine Anzahl von Stufen ein und treibt mit jeder Geschwindigkeitsstufe ein gesondertes Laufrad, so dafs die auf diese Weise erhaltene Umfangsgeschwindigkeit der Maschine der vorgenommenen Theilung der Dampfgeschwindigkeit entsprechend vermindert wird.During de Laval, with the help of the expansion nozzle he invented, the whole The tension of the steam is converted into living force before it enters the turbine Parson puts the available speed into a number of levels and advances with each Speed stage a separate impeller, so that the peripheral speed obtained in this way of the machine is reduced according to the division of the steam speed undertaken.

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine, bei der durch eine eigentümliche Vereinigung beider Systeme der Vortheil erzielt wird, dafs mit einer wesentlich geringeren Umdrehungszahl gearbeitet werden kann, ohne den bei den hohen Umdrehungszahlen der bekannten Systeme erreichten Wirkungsgrad herabzudrücken. The invention relates to a steam turbine in which by a peculiar association Both systems have the advantage that with a much lower number of revolutions can be worked without depressing the efficiency achieved at the high speeds of the known systems.

Im Folgenden sollen diejenigen Turbinen, welche die gesammte Energie des Dampfes in einem Rade ausnutzen, der Einfachheit halber als »Einstufige« und diejenigen, welche die Geschwindigkeit des Dampfes theilen, als »Mehrstufige« bezeichnet werden.In the following, those turbines, which the entire energy of the steam in take advantage of a wheel, for the sake of simplicity as "one-stage" and those who the Divide the speed of the steam, called "multistage".

Die mehrstufigen Turbinen sind sowohl als Axial - wie als Radialturbinen ausgeführt worden, aber alle früheren Erfinder haben dabei einen sehr wichtigen Vortheil der de Lavalschen Construction übersehen und bei der als Axialturbine ausgeführten de Laval'schen Turbine kann dieser Vortheil nur in sehr be-, schränkten: Mafse zur Geltung kommen, weil sie als einstufige Turbine ausgeführt ist.The multi-stage turbines are designed as both axial and radial turbines, but all the earlier inventors have a very important advantage of the de Lavals Construction overlooked and in the case of de Laval's designed as an axial turbine Turbine can only exercise this advantage to a very limited extent, because it is designed as a single-stage turbine.

Die bisher ausgeführten mehrstufigen Turbinen lassen nämlich den Dampf durch eine ringförmige Oeffnung in die Schaufelräder eintreten , d. h. die Ausströmungsöffnung des Dampfes überdeckt die ganze Mündungsfläche des Laufrades. Nun entspricht aber einer gewissen Leistung ein gewisser Flächeninhalt der Dampfausströmungsöffnung (bei gegebenem Druck), und es folgt hieraus, dafs man bei ringförmiger Ausströmungsöffnung den Halbmesser derselben nicht über ein gewisses Mafs vergröfsern kann, ohne dafs die radiale Breite der Oeffnung und damit gleichzeitig die radiale Abmessung der Schaufeln constructiv. zu gering wird. Dementsprechend ist Parson bekanntlich auch bis an die äufserste Grenze des Erreichbaren in diesem Sinne herangegangen, indem seine Schaufeln nur wenige Centimeter im Geviert messen. Man begiebt sich also dadurch des Mittels, durch Vergröfserung des Laufraddurchmessers und unter Beibehaltung der Umfangsgeschwindigkeit die Umdrehungszahl herabzusetzen.The previously executed multi-stage turbines let the steam through a enter annular opening in the paddle wheels, d. H. the outflow opening of the Steam covers the entire surface area of the impeller. But now corresponds to a certain Power a certain area of the steam outlet opening (for a given Pressure), and it follows from this that with an annular outflow opening one has the radius it cannot increase beyond a certain measure without the radial width the opening and thus at the same time the radial dimensions of the blades constructiv. too low will. Accordingly, Parson is known to be to the extreme of what is attainable approached with this in mind, with its blades measuring just a few centimeters in a square. So you go thereby the means, by increasing the impeller diameter and maintaining it reduce the number of revolutions of the peripheral speed.

Bei der einstufigen Turbine wiederum spielt dieser Vortheil nur eine geringe Rolle, weil ohnehin die Umfangsgeschwindigkeit so aufserordentlich grofs gewählt werden mufs, dafs eine wesentliche Vergröfserung des Durchmessers des Laufrades zu unüberwindlichen Schwierigkeiten constructiver Natur führen würde und dafs durch die zulässige Vergröfserung immer noch keine praktisch verwendbare Umdrehungszahl zu erzielen ist.In the case of the single-stage turbine, this advantage plays only a minor role because In any case, the circumferential speed must be chosen so extraordinarily large that a substantial increase in the diameter of the impeller leads to insurmountable difficulties constructive nature, and that through the permissible increase always no practically usable number of revolutions can yet be achieved.

Die vorliegende Erfindung besteht also im wesentlichen darin, dafs die Expansionsdüse der einstufigen Turbine mit einer mehrstufigen Turbine combinirt wird.The present invention essentially consists in the fact that the expansion nozzle the single-stage turbine is combined with a multi-stage turbine.

Es genügt aber nicht, die an der einstufigen Turbine vorhandene Düsenconstruction ohne jede Veränderung auf die mehrstufige Turbine zu übertragen, denn es zeigt sich, dafs es nicht ausführbar ist, die Geschwindigkeit des Dampfes durch viele Stufen zu theilen, sobald man davon absehen' will, die gesammte Mündungsfläche des Laufrades durch die Mündungsfläche der Dampfdüse zu überdecken.However, it is not sufficient to use the nozzle construction on the single-stage turbine without to transfer every change to the multistage turbine, for it turns out that it is not it is feasible to divide the velocity of the steam by many stages as soon as one refrain from it ', the entire mouth surface of the impeller through the mouth surface the steam nozzle.

Da nämlich die Schaufeln beständig an der Düsenmündung vorbeirücken, so werden periodisch immer zwei Zellen an den Enden der Mündungsfläche der Düse nur unvollkommen gefüllt werden.Since the blades are constantly moving past the nozzle orifice, they become periodic always two cells at the ends of the mouth surface of the nozzle only imperfectly be filled.

Bedeckt also die Mündungsfläche der Düse beispielsweise sechs Zellen des Laufrades, so werden in denjenigen Stellungen desselben, in denen die Düsenränder auf die Mittellinien der Laufradzellen treffen, nur fünf Laufradzellen eine vollständige Füllung erhalten, dementsprechend nur vier Zellen des folgenden Leitrades, nur drei des darauffolgenden Laufrades, nur zwei des darauffolgenden Leitrades und schliefslich nur eine des darauffolgenden Laufrades. Es würde also die Anwendung eines vierten Laufrades überhaupt schon zwecklos sein.So if the opening surface of the nozzle covers, for example, six cells of the impeller, see below are the same in those positions in which the nozzle edges on the center lines of the impeller cells meet, only five impeller cells receive a complete filling, accordingly only four cells of the following idler, only three of the following impeller, only two of the following idler and finally only one of the following Impeller. The use of a fourth impeller would be pointless at all be.

In der That hat der Erfinder durch Versuche festgestellt, dafs'bei der Combination der Expansionsdüse mit einer mehrstufigen Turbine höchstens drei, aber in den meisten Fällen am besten nur zwei Stufen angenommen werden dürfen, weil sonst die gekennzeichneten Verluste so grofs werden, dafs die durch Abstufung der Geschwindigkeit erlangten Vortheile überwogen werden. r^ementspreche^nd entfällt bei den Turbinen nach vorliegender Erfindung ein yerhältnEsmäisig_jrrofsgr_Tfieil der_Exp~ansion auf die Leiträder und es werden nur wenige Stufen angewendet.In fact, the inventor has established through experiments that when the expansion nozzle is combined with a multi-stage turbine, a maximum of three, but in most cases only two stages may be assumed, because otherwise the losses indicated will be so great that those caused by The advantages obtained with the graduation of the speed. Accordingly , in the case of the turbines according to the present invention, there is no such thing as a preservation of the expansion on the guide wheels and only a few stages are used.

Dementsprechend ist es aber auch nicht zulässig, die bei den einstufigen Turbinen ausgeführte Düsenconstruction ohne jede Aenderung auf die mehrstufige Turbine zu übertragen. Während nämlich bei der de Laval'sehen Turbine die Einströmungsdüse in möglichst viele kleinere Düsen zerlegt wird, theils um den axialen Druck auf das Laufrad möglichst gleichmäfsig auf dem Umfange desselben zu vertheilen, theils um durch völlige Abdrosselung einzelner Düsen die Füllung verändern zu können, ohne das Verhältnifs der Eintrittsund Austrittsquerschnitte der Summe der Düsenöffnungen zu ändern, so wird nach der vorliegenden Erfindung stets nur eine einzige Düse verwendet, weil durch eine Vermehrung der Düsenöffnungen der gekennzeichnete Ueberlaufverlust an den Rändern der Düsenmündungsflächen entsprechend vermehrt werden würde.Accordingly, however, it is also not permitted the nozzle construction carried out in the single-stage turbines without any change to be transferred to the multi-stage turbine. While at the de Laval's see Turbine the inflow nozzle is broken down into as many smaller nozzles as possible, partly around the axial pressure on the impeller as evenly as possible over its circumference distribute, partly to change the filling by completely throttling off individual nozzles without the ratio of the inlet and outlet cross-sections of the sum of the To change nozzle openings, according to the present invention, there is always only one Nozzle used because the marked overflow loss is caused by an increase in the nozzle openings would be increased accordingly at the edges of the nozzle opening surfaces.

In der beiliegenden Zeichnung ist die Turbine nach vorliegender Erfindung schematisch dargestellt, und zwar ist Fig. ι ein axialer Querschnitt und Fig. 2 ein abgewickelter Schnitt durch die Schaufeln in der durch die Linie x-y der Fig. i erzeugten Mantelfläche.The turbine according to the present invention is shown schematically in the accompanying drawing, namely FIG. 1 is an axial cross section and FIG. 2 is a developed section through the blades in the lateral surface generated by the line xy in FIG.

Die Welle A ist in den Lagern α α gelagert und mit Hülfe von Stopfbüchsen S S durch das dampfdichte Gehäuse B hindurchgeführt. An das letztere ist einerseits das Dampfrohr F und andererseits das Auspuffrohr H angeschlossen. Das Dampfrohr F ist mit dem Kessel in Verbindung stehend zu denken, es zeigt in üblicher Weise bei d eine Einschnürung, deren Qiierschnittsfläche der verlangten Arbeitsleistung und dem vorhandenen Dampfdruck entsprechend gewählt ist, und es schliefst sich unmittelbar daran die Expansionsdüse G, deren Ausströmungsöffnung e aber nicht der vollen erreichbaren Expansion entspricht, wie in der de Laval'schen Turbine, sondern nur demjenigen Theil derselben, welcher der ersten Stufe der Turbine entsprichtThe shaft A is supported in the bearings α α and passed through the steam-tight housing B with the aid of stuffing boxes SS . The steam pipe F on the one hand and the exhaust pipe H on the other hand are connected to the latter. The steam pipe F is to be thought of as being connected to the boiler, it shows in the usual way a constriction at d , the cross-sectional area of which is selected according to the required work performance and the existing steam pressure, and the expansion nozzle G closes directly to it, but its outlet opening e does not correspond to the full achievable expansion, as in the de Laval turbine, but only to that part of it which corresponds to the first stage of the turbine

Auf der Achse A aufgekeilt ist das Laufrad C, welches an seinem Umfang die Schaufeln D und D¹ trägt. Dazwischen und an der Mantelfläche b b des Gehäuses B befestigt befinden sich die Schaufeln des Leitrades E, welche durch eine zweite Mantelfläche c gegen das Gehäuseinnere abgeschlossen sind.The impeller C, which carries ^{the blades D and D 1} on its circumference, is keyed on the axis A. In between and attached to the jacket surface bb of the housing B are the blades of the stator E, which are closed off from the inside of the housing by a second jacket surface c.

Der Expansion des Dampfes auf seinem Wege durch die Turbine ist durch die radiale Ausdehnung der auf einander folgenden Zellen Rechnung getragen, indem die Mündungsfläche/ des Laufrades D gröfser gewählt ist als die Mündungsfläche e, die Mündungsfläche g wieder gröfser als die Mündungsfläche f und endlich die Mündungsfläche h gröfser als die Mündungsfläche g. The expansion of the steam on its way through the turbine is taken into account by the radial expansion of the successive cells, in that the opening area / of the impeller D is chosen larger than the opening area e, the opening area g again larger than the opening area f and finally the Muzzle area h larger than the muzzle area g.

In Fig. 2 sind der gröfseren Uebersichtlichkeit halber in den Laufrädern D und Z)¹ die Zellen schraffirt und die Schaufeln freigelassen und bei dem Leitrade E umgekehrt die Schaufeln schraffirt und die Zellen freigelassen gezeichnet. In Fig. 2, for the sake of greater clarity, the cells in the impellers D and Z) ¹ are hatched and the blades are left free, and in the case of the guide wheel E, conversely, the blades are hatched and the cells are left free.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist der Einströmung durch eine einzige Düse entsprechend auch von dem zwischen die beiden Laufräder geschalteten Leitrade nur ein kleiner Theil wirklich ausgeführt.As can be seen from FIG. 2, the inflow through a single nozzle is corresponding also only a small part of the guide vane connected between the two impellers really executed.

Würde nun nach vorliegender Erfindung eine gröfsere Anzahl von Laufrädern hinter einander geschaltet, so würde, abgesehen von der bereits weiter oben gekennzeichneten Schwierigkeit, der Spaltverlust eine erhebliche Rolle spielen.Would now, according to the present invention, a larger number of wheels behind switched to one another, apart from the one already identified above Difficulty, the gap loss play a significant role.

Diesem Uebelstande wird dadurch abgeholfen, dafs die einzelnen Laufräder oder die einzelnen, nur wenige hinter einander ge-This inconvenience is remedied by the fact that the individual impellers or the individual, only a few

schaltete Laufräder enthaltenden Systeme nicht einfach hinter einander geschaltet werden, sondern jedes einzeln von einem vollständig und allseitig begrenzten dampfdichten Gehäuse umschlossen wird.Systems containing switched impellers are not simply switched one behind the other, but each individually enclosed by a completely and on all sides limited, vapor-tight housing will.

In den Fig. 3 und 4 der beiliegenden Zeichnungen ist dieser verwickeitere Fall dargestellt, und zwar ist Fig. 3 ein axialer Schnitt und Fig. 4 ein abgewickelter Schnitt nach der durch die Linien x-y der Fig. 3 erzeugten Mantelfläche. This complicated case is shown in FIGS. 3 and 4 of the accompanying drawings, namely FIG. 3 is an axial section and FIG. 4 is a developed section along the lateral surface generated by the lines xy in FIG.

In Fig. 3 und 4 ist der Fall dargestellt, dafs jedes einzelne Laufrad mit einem gesonderten Gehäuse umschlossen ist. Die Buchstabenbezeichnungen entsprechen im Uebrigen den in den Fig. 1 und 2 angewendeten.In Fig. 3 and 4 the case is shown that each individual impeller with a separate Housing is enclosed. The letter designations otherwise correspond to the in Figs. 1 and 2 applied.

. Das Dampfrohr .F ist wieder mit dem Kessel verbunden zu denken und speist durch die Expansionsdüse G das erste Laufrad D. Das letztere ist aber nicht wie in Fig. 1 und 2 mit dem zweiten Laufrade D¹ in einem gemeinschaftlichen Gehäuse eingeschlossen, sondern es ist mit einem eigenen vollständig abgeschlossenen Gehäuse versehen. Das Leitrad E ist daher zwischen zwei vollständig getrennte Turbinen eingeschaltet und speist seinerseits genau ebenso wie die Düse G das zweite Laufrad D¹ und so fort.. The steam pipe .F is to be thought of as being connected to the boiler again and feeds the first impeller D through the expansion nozzle G , but the latter is not enclosed in a common housing with the second impeller D ^{1 as in FIGS} provided with its own completely enclosed housing. The stator E is therefore connected between two completely separate turbines and, in turn, just like the nozzle G, feeds the second impeller D ¹ and so on.

Infolge des Spaltverlustes wird sich das Gehäuse B des ersten Laufrades vollständig mit Dampf anfüllen. Derselbe wird aber nicht ohne Weiteres in das zweite Laufrad D¹ eindringen und weiter bis zum Auspuffrohr H gelangen können, sondern er wird nur bis in das Leitrad oder die zweite Düse E gelangen, wird dort mit dem regelrechten Abdampf des ersten Laufrades vermischt und wieder zu einem zusammenhängenden und in günstiger Richtung austretenden Strahl gesammelt und daher in Stand gesetzt werden, die in ihm noch aufgespeicherte Spannung im zweiten Laufrade in Arbeit umzusetzen. Durch dieses Mittel ist also die Möglichkeit geschaffen", die Theilung der Gesammtgeschwindigkeit des Dampfes auch bei solchen Turbinen, bei denen die Einströmungsdüse nur einen kleinen Theil der Mündungsfläche der Laufradzellen überdeckt, beliebig weit zu treiben. As a result of the loss of the gap, the housing B of the first impeller will fill up completely with steam. However, it will not easily penetrate the second impeller D ¹ and continue to the exhaust pipe H , but will only get into the stator or the second nozzle E , where it is mixed with the regular exhaust steam of the first impeller and closed again collected in a coherent jet emerging in a favorable direction and therefore put in a position to convert the voltage still stored in it into work in the second impeller. By this means the possibility is thus created of driving the division of the total velocity of the steam as far as desired, even in turbines in which the inflow nozzle covers only a small part of the surface area of the impeller cells.

Der Erfinder betrachtet es als selbstverständlich, dafs das Wesen der vorliegenden Erfindung nicht berührt werden würde, wenn die einzelnen hinter einander geschalteten Turbinen, anstatt auf einer gemeinsamen Welle aufgekeilt zu sein, getrennt gelagert wären.The inventor takes it for granted that this is the essence of the present invention would not be affected if the individual turbines connected in series, instead of being keyed on a common shaft, would be stored separately.

Es ergiebt sich also durch diese Construction nicht lediglich eine Combination der beiden bekannten Turbinenarten, sondern es ist ein Mitteltyp geschaffen, welcher insofern mehr zu erreichen gestattet, als eine blofse Addition der Einzeleffecte bekannter Turbinen, als deren Vorzüge in dieser Combination erhalten bleiben, ohne dafs ihre Nachtheile mit übernommen sind. Dementsprechend ergiebt sich denn auch durch Versuche, dafs Ausführungen von Turbinen nach vorliegender Erfindung bei Umdrehungszahlen, die nur ein Drittel bis ein Fünftel der Umdrehungszahlen der bisher ausgeführten Dampfturbinen erreichen, dennoch keinen höheren Dampfver-. brauch aufweisen. ,This construction does not result in a mere combination of the two well-known turbine types, but a middle type is created, which insofar allowed to achieve more than a mere addition of the individual effects of known turbines, as the advantages of which are retained in this combination, without their disadvantages being included are taken over. Correspondingly, it is also evident through experiments that this is the case of turbines according to the present invention at speeds that only one Reach a third to a fifth of the number of revolutions of the previously installed steam turbines, nevertheless no higher steam consumption. show need. ,

Claims

Patent claim:

Steam turbine with two or more rotors connected in series, characterized in that that the steam is supplied through a single nozzle which only covers part of the opening surface of the first impeller the radial dimensions of the cells of the following systems are greater than that of the preceding and each impeller or a system of several impellers is surrounded with a vapor-tight housing, for the purpose, at the lowest possible peripheral speed to make the diameter of the impellers independent of the power and thus reduce the number of revolutions.

1 sheet of drawings.