DE112017006146T5

DE112017006146T5 - Trennbaugruppe mit einer einteiligen impulsturbine

Info

Publication number: DE112017006146T5
Application number: DE112017006146.6T
Authority: DE
Inventors: Peter K. Herman; Arun P. Janakiraman
Original assignee: Cummins Filtration IP Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2019-08-22
Also published as: CN110049820A; US11458484B2; WO2018106539A1; CN110049820B; US20200061638A1

Abstract

Eine Trennbaugruppe umfasst ein Gehäuse, eine Düse, die ein Fluid innerhalb des Gehäuses ausstößt, und eine Turbine, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das Fluid bewirkt, dass sich die Turbine um eine zentrale Drehachse im Gehäuse dreht. Die Turbine umfasst ein erstes axiales Ende, ein zweites axiales Ende und eine Vielzahl von Leitschaufeln, die sich axial in Bezug auf die zentrale Drehachse vom ersten axialen Ende bis zum zweiten axialen Ende erstrecken. Die Vielzahl von Leitschaufeln definiert axial verlaufende Kanäle zwischen jeder der Vielzahl von Leitschaufeln. Das erste axiale Ende umfasst eine sich radial erstreckende Struktur, die den Fluidstrom durch das erste axiale Ende axial blockiert. Das zweite axiale Ende umfasst keine Struktur, die die Strömung des Fluids durch das zweite axiale Ende axial blockiert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE PATENTANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung 62/430,014 , eingereicht am 5. Dezember 2016, deren vollständige Offenbarung hierin durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist.
GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Impulsturbinen.
HINTERGRUND
Eine Impulsturbinenbaugruppe ist ein Rotationssystem, bei dem der Fluidstrom aus einer Düse eine Turbine dreht und dabei hydraulische Energie aus dem Fluidstrom in Rotationsenergie umwandelt. Dementsprechend können Impulsturbinenbaugruppen zur Versorgung verschiedener Vorrichtungen verwendet werden.
Die 1-6 zeigen verschiedene Beispiele für herkömmliche Impulsturbinenbaugruppen 130. 1 ist ein Beispiel für eine herkömmliche Turbinenbaugruppe 130, die einen Turgo-Stil mit einem nahezu tangentialen Düse 170 (mit einem leichten axial nach unten geneigten Winkel) aufweist, der das Fluid 172 ausstößt. 2 ist ein Beispiel für eine weitere herkömmliche Turbinenbaugruppe 130, die einen Pelton-Stil mit einem „geteilten Becher“ mit einer Tangentialdüse 170 aufweist. 3 ist ein Beispiel für eine herkömmliche Turbinenbaugruppe 130, die eine modifizierte Einzelbecherturbine im Pelton-Stil mit einer Tangentialdüse 170 aufweist, so dass das Fluid 172 durch die Oberseite eintritt und durch die Unterseite austritt. 4 ist ein weiteres Beispiel für eine herkömmliche Turbinenbaugruppe 130, die eine modifizierte „zweiteilige“ Turbine im Pelton-Stil aufweist. Die 5-6 zeigen weitere Beispiele für herkömmliche Turbinenbaugruppen 130.
Wie in den 1-6 gezeigt, umfasst jede der herkömmlichen Turbinenbaugruppen 130 „Gegenschrägen-“ oder Hinterschnittgeometriemerkmale 142 (einschließlich einer Bodenplatte), die sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite der herkömmlichen Turbinenbaugruppe 130 einen „geschlossenen Boden“ oder ein „geschlossenes Ende“ bilden. Diese Hinterschnittgeometriemerkmale 142 bewirken, dass die Leitschaufel-/Becherkrümmung der herkömmlichen Turbinenbaugruppen 130 relativ komplex ist, was verhindert, dass die herkömmliche Turbinenbaugruppe 130 aus einem Stück geformt wird, und mehrteilige herkömmliche Turbinenbaugruppen 130 erforderlich macht. Dementsprechend bewirken die Hinterschnittgeometriemerkmale 142, dass die herkömmlichen Turbinenbaugruppen 130 mindestens zwei Teile oder Stücke (oder sogar 20 Teile) umfassen, die zusammengefügt werden, wodurch die Komplexität und die Kosten der herkömmlichen Turbinenbaugruppe 130 erhöht werden.
Aufgrund der Geometrie der Hinterschnittgeometriemerkmale 142 erfordern die herkömmlichen Turbinenbaugruppen 130 beispielsweise, dass mindestens zwei Komponenten oder Teile zusammengefügt werden, um eine herkömmliche Turbinenbaugruppe 130 zu erzeugen oder herzustellen. Wie in 4 gezeigt, kann die herkömmliche Turbinenbaugruppe 130 eine zweiteilige Turbinenbaugruppe mit einer Teilung 144 entlang einer im Wesentlichen horizontalen radialen Ebene im zentralen oder mittleren Bereich der Turbinenbaugruppe 130 zwischen der oberen Hälfte und der unteren Hälfte der herkömmlichen Turbinenbaugruppe 130 sein. Die obere Hälfte und die untere Hälfte der herkömmlichen Turbinenbaugruppe 130 können miteinander verbunden werden, um die herkömmliche Turbinenbaugruppe 130 zu bilden.
Alternativ kann eine herkömmliche Turbinenbaugruppe 130 aufgrund der Hinterschnittgeometriemerkmale 142 erfordern, dass Dutzende von Teilen (z. B. mehr als 15 Teile) zusammengefügt werden. So kann beispielsweise die herkömmliche Turbinenbaugruppe 130 für jeden Becher oder jede Schaufel ein separates Teil aufweisen, das mit einer Nabe montiert werden kann, was bei bestehenden hydroelektrischen Turbinenlaufrädern der herkömmlichen Turbinenbaugruppe 130 üblich ist.
KURZDARSTELLUNG
Verschiedene Ausführungsformen stellen eine Trennbaugruppe bereit, die ein Gehäuse, eine Düse, die ein Fluid innerhalb des Gehäuses ausstößt, und eine im Gehäuse angeordnete Turbine umfasst. Das Fluid bewirkt, dass sich die Turbine um eine zentrale Drehachse im Gehäuse dreht. Die Turbine umfasst ein erstes axiales Ende, ein zweites axiales Ende und eine Vielzahl von Leitschaufeln, die sich axial in Bezug auf die zentrale Drehachse vom ersten axialen Ende bis zum zweiten axialen Ende erstrecken. Die Vielzahl von Leitschaufeln definiert axial verlaufende Kanäle zwischen jeder der Vielzahl von Leitschaufeln. Das erste axiale Ende umfasst eine sich radial erstreckende Struktur, die den Fluidstrom durch das erste axiale Ende axial blockiert. Das zweite axiale Ende ist axial offen, sodass das Fluid axial ungehindert durch das zweite axiale Ende strömen kann.
Verschiedene andere Ausführungsformen stellen eine Turbine für eine Trennbaugruppe bereit, die so positioniert ist, dass sie mit dem durch eine Düse ausgestoßenen Fluid in Kontakt kommt. Die Turbine umfasst ein erstes axiales Ende, ein zweites axiales Ende und eine Vielzahl von Leitschaufeln. Das erste axiale Ende umfasst eine sich radial erstreckende Struktur, die den Fluidstrom durch das erste axiale Ende axial blockiert. Das zweite axiale Ende ist axial offen, sodass das Fluid axial ungehindert durch das zweite axiale Ende strömen kann. Die Vielzahl von Leitschaufeln erstreckt sich axial in Bezug auf die zentrale Drehachse vom ersten axialen Ende bis zum zweiten axialen Ende. Die Vielzahl von Leitschaufeln definiert axial verlaufende Kanäle zwischen jeder der Vielzahl von Leitschaufeln. Das Fluid bewirkt, dass sich die Turbine um die zentrale Drehachse dreht.
Noch weitere Ausführungsformen stellen ein Verfahren zur Herstellung einer Turbine für eine Trennbaugruppe bereit. Das Verfahren umfasst das Bilden der Turbine als einstückiges Material, sodass die Turbine keine Montage von Teilen erfordert. Die Turbine umfasst ein erstes axiales Ende, ein zweites axiales Ende und eine Vielzahl von Leitschaufeln. Das erste axiale Ende umfasst eine sich radial erstreckende Struktur, die einen Fluidstrom von einer Düse durch das erste axiale Ende axial blockiert. Das zweite axiale Ende ist axial offen, sodass das Fluid axial ungehindert durch das zweite axiale Ende strömen kann. Die Vielzahl von Leitschaufeln erstreckt sich axial in Bezug auf die zentrale Drehachse vom ersten axialen Ende bis zum zweiten axialen Ende. Die Vielzahl von Leitschaufeln definiert axial verlaufende Kanäle zwischen jeder der Vielzahl von Leitschaufeln, wobei das Fluid bewirkt, dass sich die Turbine um die zentrale Drehachse dreht.
Diese und andere Merkmale (einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Rückhaltemerkmale und/oder Sichtmerkmale) sowie die Organisation und Art ihrer Betätigung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, wobei gleiche Elemente in den verschiedenen, nachstehend beschriebenen Zeichnungen durchgehend gleiche Bezugszeichen haben.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Turbinenbaugruppe.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Turbinenbaugruppe.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Turbinenbaugruppe.
4 ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Turbinenbaugruppe.
5 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Turbinenbaugruppe.
6 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Turbinenbaugruppe.
7A ist eine Querschnittsansicht einer Trennbaugruppe gemäß einer Ausführungsform.
7B ist eine Querschnittsansicht der Trennbaugruppe von 7A.
8 ist eine Querschnittsansicht der Trennbaugruppe von 7A.
9 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Trennbaugruppe von 7A.
10 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Trennbaugruppe von 7A.
11A ist eine perspektivische Ansicht einer Turbine gemäß einer Ausführungsform, die innerhalb der Trennbaugruppe von 7A verwendet werden kann.
11B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Turbine von 11A.
11C ist eine Querschnittsansicht der Turbine von 11A.
12 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbine gemäß einer Ausführungsform, die innerhalb der Trennbaugruppe von 7A verwendet werden kann.
13 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbine gemäß noch einer weiteren Ausführungsform, die innerhalb der Trennbaugruppe von 7A verwendet werden kann.
14 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbine gemäß noch einer weiteren Ausführungsform, die innerhalb der Trennbaugruppe von 7A verwendet werden kann.
15 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Turbine von 14.
16 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbine gemäß einer weiteren Ausführungsform, die innerhalb der Trennbaugruppe von 7A verwendet werden kann.
17A ist eine perspektivische Ansicht einer Turbine gemäß noch einer weiteren Ausführungsform, die innerhalb der Trennbaugruppe von 7A verwendet werden kann.
17B ist eine Unterseitenansicht der Turbine von 17A.
17C ist eine Seitenansicht der Turbine von 17A.
Die 18A-18F sind perspektivische, progressive Ansichten der numerischen Strömungsmechanik(CFD - computational fluid dynamics)-Modellierung, die zeigen, wie das Fluid eine Turbine gemäß einer Ausführungsform dreht.
19A ist eine perspektivische Ansicht der CFD-Modellierung, die zeigt, wie das Fluid eine Turbine gemäß einer weiteren Ausführungsform dreht.
19B ist eine perspektivische Ansicht der Turbine von 19A bei einer anderen Drehung.
19C ist eine perspektivische Unterseitenansicht der Turbine von 19A bei einer anderen Drehung.
20A ist eine perspektivische Ansicht der CFD-Modellierung, die zeigt, wie das Fluid eine Turbine gemäß noch einer weiteren Ausführungsform dreht.
20B ist eine perspektivische Unterseitenansicht der Turbine von 20A bei einer anderen Drehung.
21A ist eine perspektivische Ansicht der CFD-Modellierung, die zeigt, wie das Fluid eine Turbine gemäß noch einer weiteren Ausführungsform dreht.
21B ist eine perspektivische Ansicht der Turbine von 21A bei einer anderen Drehung.
22A ist eine perspektivische Ansicht der CFD-Modellierung, die zeigt, wie das Fluid eine Turbine gemäß einer weiteren Ausführungsform dreht.
22B ist eine perspektivische Ansicht der Turbine von 22A, die den Strömungsweg des Fluids zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren im Allgemeinen beziehen sich verschiedene hierin offenbarte Ausführungsformen auf eine Trennbaugruppe mit einer Turbine, die hydraulisch angetrieben wird. Die Turbine ist einteilig konstruiert. Da die Turbine eine einzelne, einheitliche Komponente ist, besteht die Turbine aus einem durchgehenden Materialstück und kann nicht in mehrere separate Komponenten getrennt werden, ohne dass eine Beschädigung oder Zerstörung der Turbine auftritt. Da die Turbine eine einfache, einteilige Bauweise aufweist, ist die Turbine im Vergleich zu herkömmlichen Turbinen kostengünstiger. Die besondere Struktur und Profilgeometrie der Leitschaufeln der Turbine ermöglichen es, dass die Turbine als einzelnes Teil formbar oder extrudierbar ist und dennoch einen ausreichenden hydraulischen Wirkungsgrad beibehält.
Trennbaugruppe
Wie in den 7A-10 gezeigt, umfasst die Trennvorrichtung oder -baugruppe 20 ein Gehäuse 22 mit einer Turbine 30 und einem Rotorabschnitt 24, wobei die Turbine 30 zum Drehen konfiguriert ist. Die Turbine 30 und der Rotorabschnitt 24 sind innerhalb des Gehäuses 22 positioniert und drehbar. Die Trennbaugruppe 20 umfasst ferner eine Tangentialdüse 70, die konfiguriert ist, um Fluid 72 in Richtung der Turbine 30 und in sie hinein auszustoßen, um die Turbine 30 innerhalb des Gehäuses 22 zu drehen.
Die Trennbaugruppe 20 kann als eine Vielzahl von verschiedenen rotierenden Filtrations- oder Trennvorrichtungen verwendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf ein schmierölgetriebenes Produkt, eine Zentrifuge (z. B. einen Flüssigkeit-Partikel-Abscheider), einen Trägheitsabscheider, einen Schmierölabscheider und einen Luft-Öl-Abscheider (z. B. einen Kurbelgehäuseentlüftungs-Luft-Öl-Abscheider, einen Kurbelgehäuseabscheider oder einen rotierenden Kurbelgehäuse-Luft-Öl-Abscheider). Die Trennbaugruppe 20 kann beispielsweise als Schmieröl-Zentrifuge verwendet werden, wie sie gemäß einer Ausführungsform im US-Patent Nr. 6,071,300 beschrieben ist, dessen vollständige Offenbarung hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Die Trennbaugruppe 20 kann zur Luftfiltration und/oder für Emissionen verwendet werden und kann hydraulisch angetrieben werden. Ferner kann die Trennbaugruppe 20 an einem Motor angebracht oder innerhalb eines Motors verwendet werden.
Der Rotorabschnitt 24 kann eine Vielzahl von verschiedenen drehbaren Abschnitten innerhalb der Trennbaugruppe 20 umfassen und kann beispielsweise Kegelstapel, Spiralschaufeln oder Medientypen umfassen, um ein Fluid zu filtern. Der Rotorabschnitt 24 ist so konfiguriert, dass er von der Turbine 30 gedreht oder angetrieben wird.
Düse
Wie in den 7A-12, 14 und 17A-17C gezeigt, ist der druckbeaufschlagte und auftreffende bzw. Impulsfluiddüse 70 in der Nähe der Turbine 30 positioniert, um das Fluid 72 zur Turbine 30 zu leiten. Wie in den 7A-10 gezeigt, kann die Düse 70 in einen Abschnitt des Gehäuses 22 integriert sein. Wie in den 18A-22B gezeigt, stößt die Düse 70 ein druckbeaufschlagtes Fluid 72 (z. B. eine Antriebsflüssigkeit) in Richtung der Turbine 30 aus, um die Turbine 30 zu drehen, rotieren zu lassen oder anderweitig zu in Drehung zu versetzen. Der Druck oder die Strömung des Fluids 72 bewirkt eine Drehung der Turbine 30 und überträgt so die kinetische Energie (die durch die Umwandlung von Druck gemäß Bernoulli erzeugt wird) des strömenden Fluids 72 auf die Turbine 30, die die Turbine 30 dreht.
Die Düse 70 leitet das Fluid 72 in Richtung des Strahleintrittsbereichs oder der Strahleintrittszone 43 an der Turbine 30 (wie z. B. in 14 gezeigt). Die Strahleintrittszone 43 ist ein Bereich entlang der Turbine 30, in dem die Düse 70 das Fluid 72 auf die Turbine 30 ausstößt. Dementsprechend kann die Strahleintrittszone 43 direkt unter der radial verlaufenden Struktur 53 des ersten axialen Endes 52 der Turbine 30 positioniert sein. Dementsprechend ist die Düse 70 an einem Ende der Turbine 30 (z. B. zum ersten axialen Ende 52 der Turbine 30) so positioniert, dass die Düse 70 das Fluid direkt unter die sich radial erstreckende Struktur 52 leitet und das Fluid 72 vom ersten axialen Ende 52 zum zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30 strömen kann.
Die Düse 70 kann in Bezug auf die Turbine 30 so positioniert sein, dass der Fluidstrom 72 tangential zum Teilkreisdurchmesser der Turbine 30 verläuft. Gemäß einer Ausführungsform kann die Düse 70 optional um etwa 15-20 Grad über oder unter einer im Wesentlichen horizontalen radialen Ebene der Turbine 30 abgewinkelt sein. Die Düse 70 kann innerhalb des Gehäuses 22 befestigt sein.
Das Fluid 72 kann beispielsweise eine Flüssigkeit sein. Gemäß einer spezielleren Ausführungsform kann das Fluid 72 ein typisches Antriebsfluid sein, wie beispielsweise Öl (z. B. Motoröl, Schmieröl oder Hydrauliköl). So kann beispielsweise das Fluid 72 ein druckbeaufschlagtes Motorschmieröl sein. Wie nachfolgend weiter beschrieben, weist das Fluid 72 eine im Vergleich zu Wasser relativ hohe Arbeitstemperatur-Viskosität auf. So kann beispielsweise das Fluid 72 eine Viskosität zwischen 5-50 Centipoise (cP) aufweisen.
Turbine
Wie in den 7A-10 gezeigt, ist die einteilige Impulsturbine 30 eine drehbare Komponente innerhalb der Trennbaugruppe 20, die durch das Fluid 72 angetrieben wird, um den Rotorabschnitt 24 innerhalb der Trennbaugruppe 20 zu drehen. Die Turbine 30 ist konfiguriert, um den Rotorabschnitt 24 so zu drehen oder anzutreiben, dass die Drehung des Rotorabschnitts 24 mit der Drehung der Turbine 30 korreliert. Da die Turbine 30 eine einzelne, einheitliche Komponente innerhalb der Trennbaugruppe 30 ist, kann die Turbine 30 nicht in weitere getrennte Komponenten getrennt werden, ohne dass die Turbine 30 beschädigt oder zerstört wird. Die Kraft des einströmenden Fluids 72 aus der Düse 70 bewirkt, dass sich die Turbine 30 innerhalb der Trennbaugruppe 20 um die zentrale Drehachse 64 dreht und so die Hydraulikleistung in mechanische Leistung umwandelt, wie nachfolgend näher beschrieben wird.
Die Turbine 30 wird hydraulisch durch das Fluid 72 aus der Düse 70 angetrieben und kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Arten von hydraulischen Impulsturbinen sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine Peltonturbine oder eine Gasturbine (die beide in modifizierter Form oder einer Variante vorliegen können oder nicht). Zusätzlich kann die Turbine 30 mit Einzelbechern oder „geteilten Bechern“ ausgeführt sein.
Die Turbine 30 wird zum Umwandeln von Hydraulikleistung in mechanische Leistung verwendet, wobei Hydraulikleistung = Druck*Fluss und mechanische Leistung = Drehmoment*Drehzahl ist. Dementsprechend nimmt die Turbine 30, wie in 18A-22B gezeigt, einen Fluidstrom 72 aus der Fluiddüse 70 bei einer hohen Geschwindigkeit auf. Der Fluidimpulsstrom des Fluids 72 wird als Impulskraft auf die Turbine 30 übertragen, die dann die Turbine 30 mit einigen zugehörigen Verlusten (z. B. Verlusten bei der Umwandlung von Leistung von hydraulisch in drehbar) dreht. Obwohl eine Vielzahl von unterschiedlichen Drehzahlen möglich ist, beträgt die Drehzahl in bestimmten Ausführungsformen 5.000 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute (U/min).
Die Turbine 30 ist aus einem einzigen Materialstück gebildet und kann daher in kostengünstigen Herstellungsverfahren geformt, gegossen oder extrudiert werden. Da die Turbine 30 aus einem einzigen Materialstück hergestellt ist, erfordert die Turbine 30 keine Teilemontage. Dementsprechend kann die Turbine 30 kostengünstig hergestellt werden, um die Trennbaugruppe 20 kostengünstig anzutreiben und mit einer relativ hohen Drehzahl zu betreiben.
Um eine einteilige Konstruktion oder Bildung der Turbine 30 zu ermöglichen, weist die Turbine 30 eine Geometrie mit „offenem Boden“ oder „offenem Ende“ auf, die es ermöglicht, dass die Turbine 30 im Geradeauszug formbar oder extrudierbar ist. Dementsprechend umfasst die Turbine 30 keine „Gegenschrägen-“ oder Hinterschnittgeometriemerkmale (einschließlich einer Bodenplatte) entlang des zweiten axialen Endes 54 der Turbine 30, die ansonsten eine mehrteilige Turbinenbaugruppe erfordern würden (wie beispielsweise eine zweiteilige herkömmliche Turbinenbaugruppe 130 mit dem Spalt 144 durch die Mitte oder eine herkömmliche Turbinenbaugruppe 130 mit Dutzenden von Teilen (d. h. ein separates Teil für jeden Becher und jede Laufschaufel), wie in den 1-6 gezeigt).
Das Hinterschnittgeometriemerkmal ist ein beliebiger Abschnitt oder eine beliebige Struktur, durch den oder die das Fluid 72 darin gehindert, blockiert oder gehemmt wird, axial durch den Boden 44 der Leitschaufeln 32 (durch die Kanäle 58) zu strömen und axial aus der Turbine 30 durch das zweite axiale Ende 54 auszutreten. Die Turbine 30 umfasst keine Strukturen, die den Axialstrom des Fluids 72 durch das zweite axiale Ende 54 axial blockieren oder hemmen. Das Hinterschnittgeometriemerkmal beinhaltet einen beliebigen Abschnitt oder ein beliebiges Merkmal, der oder das sich radial und/oder tangential von beispielsweise der Aufprallfläche 34 und/oder der Rückseite 36 der Leitschaufeln 32 (insbesondere vom unteren Ende 44 der Leitschaufeln 32), von der Außenfläche der Nabe 59 der Turbine 30 zwischen den Leitschaufeln 32 (insbesondere einem Bodenbereich der Nabe 59) oder vom Boden der Turbine 30 (z. B. entlang des zweiten axialen Endes 54) erstreckt. Das Hinterschnittgeometriemerkmal kann nur als Beispiel eine Lippe, einen Vorsprung, eine Verlängerung, eine Wand oder einen Flansch umfassen. Dementsprechend blockieren die Hinterschnittgeometriemerkmale den axialen Fluidstrom durch das zweite axiale Ende 54 der Turbine 30. Somit ist das zweite axiale Ende 54 „axial offen“, indem das Fluid innerhalb der Kanäle 58 zwischen den Leitschaufeln 32 von einer Bodenoberfläche der radial verlaufenden Struktur 53 zum zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30 und anschließend durch das zweite axiale Ende 54 strömen kann. Die Konfiguration der Turbine 30 ermöglicht es der Turbine 30 weiterhin, einen guten hydraulischen Wirkungsgrad zu erreichen, indem sie den Impuls des Fluids 72 in die Drehzahl der Turbine 30 umwandelt.
Wie in den 11A-17C gezeigt, ist die Gesamtform der Turbine 30 im Wesentlichen zylindrisch. Die Turbine 30 weist eine zentrale Drehachse 64 auf, die sich durch die Mitte und entlang der Länge der Turbine 30 erstreckt. Die zentrale Drehachse 64 erstreckt sich in axialer Richtung. Die Turbine 30 kann optional eine zentrale Nabe 59 definieren, die sich entlang mindestens eines Abschnitts der Länge der Turbine 30 und durch die Mitte der Turbine 30 erstreckt (d. h. im Wesentlichen parallel zur und um die zentrale Drehachse 64). Mindestens ein Abschnitt der Nabe 59 kann hohl sein, um einen Bereich innerhalb der Turbine 30 bereitzustellen, der mit einem Merkmal innerhalb der Trennbaugruppe 20 verbunden ist, das die Turbine 30 mit dem Rotorabschnitt 24 verbindet, sodass die Turbine 30 ein Drehen des Rotorabschnitts 24 bewirken kann. Die Leitschaufeln 32 erstrecken sich von einer Außenfläche der Nabe 59.
Die Turbine 30 umfasst ein erstes axiales Ende 52, ein zweites axiales Ende 54 und eine Vielzahl von Leitschaufeln 32, die sich axial in Bezug auf die zentrale Drehachse 64 von dem ersten axialen Ende 52 bis zum zweiten axialen Ende 54 erstrecken. Das erste axiale Ende 52 der Turbine 30 umfasst ein geschlossenes Ende oder eine geschlossene Oberseite und das andere gegenüberliegende zweite axiale Ende 54 der Turbine 30 (entlang der zentralen Drehachse 64) umfasst ein offenes Ende oder eine offene Unterseite.
Das erste axiale Ende 52 der Turbine 30 umfasst eine sich radial erstreckende Struktur 53, die den Fluidstrom 72 durch das erste axiale Ende 52 axial verhindert, hemmt oder blockiert. Dementsprechend kann das Fluid 72 nicht axial aus den Kanälen 58 durch das erste axiale Ende 52 der Turbine 30 strömen. Gemäß einer Ausführungsform kann die sich radial erstreckende Struktur 53 eine Platte oder Wand umfassen, die sich radial und tangential über die durch die Kanäle 58 entlang des ersten axialen Endes 52 der Turbine 30 definierten Räume erstreckt. Die Leitschaufeln 32 können sich von einer Unterseite der radial verlaufenden Struktur 32 am ersten axialen Ende 52 bis zum zweiten axialen Ende 54 erstrecken. Das zweite axiale Ende 54 umfasst keine Struktur, die den Durchfluss des Fluids 72 durch das zweite axiale Ende 54 axial verhindert, hemmt oder blockiert. Dementsprechend kann das Fluid 72 axial aus den Kanälen 58 durch das zweite axiale Ende 54 der Turbine 30 strömen.
So ist beispielsweise eine potenzielle axiale Strömungslinie 66 für das Fluid 72, wobei das Fluid 72 innerhalb eines der Kanäle 58 strömen kann, in 12 gezeigt. Die axiale Strömungslinie 66 in 12 ist im Wesentlichen parallel zur zentralen Drehachse 64 und ist innerhalb eines der Kanäle 58 positioniert. Wie gezeigt, endet das obere Ende der axialen Strömungslinie 66 am ersten axialen Ende 52 der Turbine 30 (insbesondere an der Unterseite der radial verlaufenden Struktur 53, von der sich die Leitschaufeln 32 erstrecken). Das untere Ende der axialen Strömungslinie 66 tritt jedoch durch das zweite axiale Ende 54 aus der Turbine 30 aus und kann über die Turbine 30 hinausgehen. Dementsprechend kann das Fluid 72 nicht durch das erste axiale Ende 52 und durch das zweite axiale Ende 54 strömen.
Leitschaufeln
Die Turbine 30 umfasst auch mehrere oder eine Vielzahl von Leitschaufeln 32, die so positioniert und geformt sind, dass sie die Strömung des Fluids 72 in radialer und tangentialer Richtung erfassen. Dementsprechend leitet die Düse 70 das Fluid 72 in Richtung der Leitschaufeln 32, um die gesamte Turbine 30 zu drehen.
Wie in den 11A-17C gezeigt, stellen die Leitschaufeln 32 kurvenförmige Oberflächen entlang des Umfangs der Turbine 30 in radialer und tangentialer Richtung bereit. Da die Turbine 30 keine Hinterschnittgeometriemerkmale aufweist, erstrecken sich die Leitschaufeln 32 im Wesentlichen linear in axialer Richtung entlang mindestens eines Abschnitts der Länge der Turbine 30 und krümmen oder erstrecken sich nicht tangential oder radial entlang ihrer Länge in einer Weise nach außen, dass das Fluid axial blockiert wird und nicht axial zum zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30 strömt (wie in 11C gezeigt). Abgesehen von einer etwaigen schraubenförmigen Verdrehung, die die Leitschaufeln 32 aufweisen können, liegen die Leitschaufeln 32 im Wesentlichen parallel zur zentralen Drehachse 64 der Turbine 30. Dementsprechend ist der Querschnitt (entlang einer Ebene senkrecht zur zentralen Drehachse 64, wie in 11C gezeigt) entlang der Oberseite 42 der Leitschaufel 32 benachbart zur radial verlaufenden Struktur 53 ungefähr gleich oder größer als der entsprechende Querschnitt entlang der Unterseite 44 der Leitschaufel 32 und des zweiten axialen Endes 54 der Turbine 30.
Wie in 13 gezeigt, erstrecken sich die Leitschaufeln 32 axial (z. B. entlang der Richtung der zentralen Drehachse 64) von einer Unterseite der radial verlaufenden Struktur 53 am ersten axialen Ende 52 der Turbine 30 bis zum zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30. Die Oberseite 42 der Leitschaufel 32 bezeichnet den Abschnitt der Leitschaufel 32, der dem ersten axialen Ende 52 und der radial verlaufenden Struktur 53 der Turbine 30 am nächsten liegt. Die Unterseite 44 der Leitschaufel 32 bezeichnet den Abschnitt der Leitschaufel 32, der dem zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30 am nächsten liegt.
Jede der Leitschaufeln 32 erstreckt sich auch radial zur zentralen Drehachse 64 (und optional von der Nabe 59) der Turbine 30 und verläuft um einen Umfangsabschnitt (z. B. um die zentrale Drehachse 64) der Turbine 30. Die Leitschaufeln 32 sind über den gesamten Umfang der Turbine 30 positioniert. Die Leitschaufeln 32 definieren axial verlaufende, längsgerichtete, u-förmige Spalten, Zwischenräume oder Kanäle 58 zwischen jeder der Leitschaufeln 32, um es dem Fluid 72 zu ermöglichen, durch die Kanäle 58 zwischen den Leitschaufeln 32 zu strömen und das Fluid 72 entlang der Turbine 30 zu leiten. Die Kanäle 58 erstrecken sich axial vom ersten axialen Ende 52 bis zum zweiten axialen Ende 54.
Die Anzahl der Leitschaufeln 32 und der relative Abstand der Leitschaufeln 32 um den Umfang der Turbine 30 können gemäß der gewünschten Konfiguration variieren. Die Anzahl der Leitschaufeln 32 kann den hydraulischen Wirkungsgrad der Turbine 30 beeinflussen. So kann beispielsweise eine unzureichende Anzahl von Leitschaufeln 32 (und/oder ein Betriebszustand mit überhöhter Drehzahl) einen Strahlauslauf verursachen. Ein Strahlauslauf ist die Strömung des Fluids 72, die unmittelbar nach dem Auftreffen des Fluids 72 auf die Leitschaufeln 32 nach außen abgelenkt wird, wie in den Bereichen 94 von 21A und 22B gezeigt. Ein Strahlauslauf kann verhindern, dass ein Teil des Impulses des Fluids 72 erfasst und in eine Drehung der Turbine 30 umgewandelt wird, was den hydraulischen Wirkungsgrad der Turbine 30 verringert.
Die Leitschaufeln 32 umfassen jeweils eine Druckfläche oder eine gekrümmte Aufprallfläche 34 auf einer ersten Seite der Leitschaufel 32 und eine nach hinten gekehrte Oberfläche, Rückfläche, Saugfläche oder Rückseite 36 auf einer zweiten Seite der Leitschaufel 32. Die Aufprallfläche 34 krümmt sich nach innen entlang der Länge der Leitschaufel 32 (d. h. nach innen entlang eines mittleren Abschnitts der Länge der Leitschaufel 32), die die Rückseite 36 nach außen entlang einer ähnlichen Krümmung entlang der Länge der Leitschaufel 32 (d. h. nach außen entlang eines mittleren Abschnitts der Länge der Leitschaufel 32) krümmt. Die Aufprallfläche 34 und die Rückseite 36 laufen an der radialen Außenspitze oder Kante 38 der Leitschaufel 32 zusammen. Die Außenkante 38 der Leitschaufel 32 erstreckt sich axial vom ersten axialen Ende 52 zum zweiten axialen Ende 54 der Turbine 32. Zusätzlich verbindet und geht die Aufprallfläche 34 einer Leitschaufel 32 zwischen jeder der Leitschaufeln 32 und entlang der Außenfläche der Nabe 59 der Turbine 30 in die Rückseite 36 einer anderen benachbarten Leitschaufel 32 über.
Die Geometrie der Leitschaufeln 32 ermöglicht es, die Turbine 30 einteilig mit einem ausreichenden hydraulischen Wirkungsgrad (einem hydraulischen Wirkungsgrad von etwa 50 %) zu konstruieren. Um zu ermöglichen, dass die Turbine 30 einteilig konstruiert oder gebildet werden kann, umfassen die Leitschaufeln 32 am zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30 beispielsweise keine „Gegenschrägen-“ oder Hinterschnittgeometriemerkmale, die ansonsten eine mehrteilige Turbinenbaugruppe erfordern würden.
Wie in 11C gezeigt, weist die Leitschaufel 32 einen steilen Pfeilwinkel auf (bezogen auf die Drehrichtung 62 der Turbine 30). Diese Konfiguration stellt einen Gegenvektor des Leitschaufelwinkels in Bezug auf die Tangentialgeschwindigkeit des Fluids 72 (wobei Geschwindigkeit (v) = Winkelgeschwindigkeit (ω) * Radius (r)) an der Außenkante 38 der Leitschaufel 32 bereit. Dementsprechend erhöht der Pfeilwinkel der Leitschaufeln 32 die Impulsmenge des Fluids 72, das auf die Turbine 30 übertragen wird, indem die Rest(austritts)geschwindigkeit des Fluids 72 reduziert wird.
Die Form oder Ausrichtung der Leitschaufeln 32 kann entsprechend der gewünschten Konfiguration geändert werden. Gemäß einer Ausführungsform, wie in den 11A-1 1C gezeigt, sind die Außenkanten 38 der Leitschaufeln 32 im Wesentlichen parallel zur zentralen Drehachse 64 der Turbine 30, sodass sich die Leitschaufeln 32 axial geradlinig in Bezug auf die zentrale Drehachse 64 erstrecken. Dementsprechend befindet sich, wie in 11A gezeigt, der obere Abschnitt 47 der Außenkante 38 an der Oberseite 42 einer Leitschaufel 32 in etwa der gleichen Umfangslage entlang der Turbine 30 wie der untere Abschnitt 48 der Außenkante 38 an der Unterseite 44 der Leitschaufel 32.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, wie in den 12-17C gezeigt, sind die Außenkanten 38 der Leitschaufeln 32 gegenüber der zentralen Drehachse 64 der Turbine 30 so abgewinkelt, dass die Leitschaufeln 32 eine Entformungsschräge oder eine leichte schraubenförmige Drehung aufweisen. Es ist anzumerken, dass sich die Außenkante 38 einer jeweiligen Leitschaufel 32 durch eine „Spiralverdrehung“ nicht im Wesentlichen senkrecht zum ersten axialen Ende 52 axial erstreckt. Dementsprechend befindet sich, wie in 12 gezeigt, der obere Abschnitt 47 der Außenkante 38 an der Oberseite 42 einer Leitschaufel 32 an einer anderen Umfangsposition oder Position entlang des Umfangs der Turbine 30 als der untere Abschnitt 48 der Außenkante 38 an der Unterseite 44 der Leitschaufel 32. Der untere Abschnitt 48 der Außenkante 38 an der Unterseite 44 der Leitschaufel 32 kann hinter dem oberen Abschnitt 47 der Außenkante 38 an der Oberseite 42 der Leitschaufel 32 entlang der Drehrichtung 62 der Turbine 30 liegen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das optimale schraubenförmige Verdrehungsverhältnis zwischen etwa 5 % und etwa 30 % liegen, wobei das Verdrehungsverhältnis als Verdrehungsaxialabstand/Turbinenteilkreisdurchmesser definiert ist. Der Verdrehungsaxialabstand ist definiert als der axiale Abstand, der erforderlich wäre, damit eine einzelne Leitschaufel eine volle spiralförmige Drehung (d. h. 360°) um die zentrale Achse durchläuft. Die Turbine 30 kann beispielsweise einen Verdrehungswinkel von etwa 10-30° bezogen auf die zentrale Drehachse 64 aufweisen. Die spiralförmige Verdrehung in den Leitschaufeln 32 kann während des Modellierungsprozesses der Turbine 30 mit einem abschraubbaren Kern oder einer verdrehten Extrusion erzeugt werden.
Die spiralförmige Verdrehung kann den hydraulischen Wirkungsgrad der Übertragung der kinetischen Energie des Fluids 72 auf die Turbine 30 weiter verbessern. In einem Beispiel kann die spiralförmige Verdrehung den hydraulischen Wirkungsgrad um etwa 6 % erhöhen. Der umgekehrte Schrägungswinkel erzeugt einen zusätzlichen Widerstand gegen den axialen Auswurf oder die Auslenkung des Fluids 72, was dazu führt, dass der Impuls des Fluids 72 radial entlang der Rückseite 36 einer benachbarten Leitschaufel 32 und nicht in Richtung des zweiten axialen Endes 54 der Turbine 30 abgelenkt wird.
Gemäß einer Ausführungsform, wie in 11A-13 gezeigt, weisen die Rückseiten 36 der Leitschaufeln 32 eine im Wesentlichen glatte oder kontinuierliche Oberfläche auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, wie in den 14-15 und 16-17C gezeigt, weisen die Rückseiten 36 der einzelnen Leitschaufeln 32 einen Punkt, einen Schlitz, einen Schnitt, eine Stufe oder eine Kante 46 der scharfen oder abrupten Tropfenfreigabe auf, um die Leistung zu verbessern und den hydraulischen Wirkungsgrad der Turbine 30 zu erhöhen. Wie beispielsweise im numerischen Fluiddynamik(CFD)-Fluidvolumen(VOF - volume of fluid)-Simulation in 21A-21B gezeigt, bewirkt die Tropfenfreigabekante 46, dass sich das Fluid 72 von den Rückseiten 36 der Leitschaufeln 32 ablöst oder von diesen wegbricht, bevor es die Außenkanten 38 der Leitschaufeln 32 erreicht (wobei die Geschwindigkeit an den Außenkanten 38 der Leitschaufeln 32 relativ höher ist, da die Geschwindigkeit (v) = Winkelgeschwindigkeit (ω) * Radius (r)). Wie in den Bereichen 92 in den 21A-21B gezeigt, bewirkt die Tropfenfreigabekante 46, dass sich das Fluid 72 von den Rückseiten 36 der Leitschaufeln 32 löst oder freigegeben wird. Wie in den Bereichen 96 in 22B gezeigt, wird das Restfluid 72 aufgrund der Tropfenfreigabekante 46 um den Umfang der Turbine 30 herum freigegeben, wenn sich die Turbine 30 dreht. Ohne die Tropfenfreigabekante 46 kann das Fluid 72 an der Rückseite 36 der Leitschaufel 32 bis zur Außenkante 38 der Leitschaufel 32 haften bleiben, wodurch das Fluid 72 mit einer höheren Restgeschwindigkeit aus der Turbine 30 ausgestoßen werden kann, was den hydraulischen Wirkungsgrad der Turbine reduziert. Für einen maximalen Wirkungsgrad würde das Fluid 72 ohne Restgeschwindigkeit aus der Turbine 30 ausgestoßen werden.
Wie in 15 gezeigt, kann die Tropfenfreigabekante 46 als eine abrupte Änderung des Winkels 84 entlang der Oberfläche der Rückseite 36 der Leitschaufel 32 oder der Dicke der Leitschaufel 32 (d. h. der Abstand zwischen der Aufprallfläche 34 und der Rückseite 36 der Leitschaufel 32) definiert sein. Der Außenabschnitt der Leitschaufeln 32 kann dicker, dünner oder versetzt vom Innenabschnitt der Leitschaufeln 32 sein, sodass sich die Tropfenfreigabekante 46 im Wesentlichen nach außen oder nach innen von der Oberfläche der Rückseiten 36 der Leitschaufeln 32 erstreckt. Wie in 15 gezeigt, kann die Tropfenfreigabekante 46 gemäß der gewünschten Konfiguration eine Vielzahl von unterschiedlichen Eigenschaften und Abmessungen aufweisen. So können beispielsweise die Stufenhöhe 82, der Winkel (alpha) 84 und die Radialposition 86 der Tropfenfreigabekante 46 jeweils gemäß der gewünschten Konfiguration geändert werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Tropfenfreigabekante 46 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Rückseite 36, was eine Stufenkonfiguration entlang der Oberfläche der Rückseite 36 der Leitschaufel 32 erzeugt. Gemäß einer Ausführungsform kann die Stufenhöhe 82 etwa ¼ bis ½ der Gesamtdicke der Leitschaufel 32 an der Stufenposition betragen. Der Winkel 84 kann mehr als etwa 10° und vorzugsweise etwa 90° betragen. Die Radialposition 86 kann etwa die Hälfte der Radialabmessung der Leitschaufel 32 betragen.
Die Tropfenfreigabekante 46 ist mindestens teilweise radial von der Außenkante 38 der Leitschaufel 32 beabstandet. Die Tropfenfreigabekante 46 erstreckt sich über mindestens einen Abschnitt der Länge der Leitschaufel 32. Gemäß einer Ausführungsform, wie in 14 gezeigt, endet die Tropfenfreigabekante 46 axial an einem Bereich unterhalb dessen, an dem die Düse 70 das Fluid 72 auf die Turbine 30 ausstößt, bevor sie die Strahleintrittszone 43 der Leitschaufel 32 erreicht. So erstreckt sich beispielsweise, wie in 14 gezeigt, die Tropfenfreigabekante 46 axial in linearer Weise im Wesentlichen parallel zur Außenkante 38 der Leitschaufel 32 von der Unterseite 44 (z. B. der Unterkante) der Leitschaufel 32 bis knapp unter die Strahleintrittszone 43. Direkt unter der Strahleintrittszone 43, an der die Tropfenfreigabekante 46 axial endet, erstreckt sich die Tropfenfreigabekante 46 in Richtung der Außenkante 38 der Leitschaufel 32 entlang einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Unterkante der Leitschaufel 32 verläuft, sodass die Oberseite der Tropfenfreigabekante 46 im Wesentlichen parallel zur Unterkante der Leitschaufel 32 liegt.
Gemäß einer Ausführungsform wurde die Leistung der Turbine 30 mit der Tropfenfreigabekante 46 (im Vergleich zu einer Turbine 30 der gleichen Auslegung, aber ohne die Tropfenfreigabekante 46) um etwa 11 % verbessert, wie durch die numerische Strömungsdynamik(CFD)-Modellierung bestimmt. Genauer gesagt lag der Wirkungsgrad der Turbine 30 mit der Tropfenfreigabekante 46 bei 50,4 % und der Wirkungsgrad der Turbine 30 ohne die Tropfenfreigabekante 46 lag bei 45,2 %.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform einer Turbine 30 mit einer leichten Änderung der Wendelgeometrie und der Leitschaufelanzahl konnte durch Hinzufügen der Tropfenfreigabekante 46 zur Turbine 30 der Wirkungsgrad um 6 % erhöht werden. Genauer gesagt weisen die Turbinen 30 in den 13 und 16 jeweils eine spiralförmige Verdrehung auf. Die Turbine 30 in 13 (die keine Tropfenfreigabekante 46 aufweist) weist jedoch einen Turbinenwirkungsgrad von etwa 43,3 % auf und die Turbine 30 in 16 (die eine Tropfenfreigabekante 46 aufweist) weist einen Turbinenwirkungsgrad von etwa 46 % auf.
Gemäß der CFD-Modellierung lag der vorhergesagte hydraulische Wirkungsgrad einer Ausführungsform einer Turbine 30 mit der Tropfenfreigabekante 46 bei über 50 % (wobei das Fluid 72 Schmieröl mit einer Viskosität von 12 cP war, und mit einer Drehzahl von 7.000 U/min, einem Öldruck von 2,4 bar, einer Düse 70 von 2,8 Millimetern (mm), einem Teilkreisdurchmesser von 32 mm, einer Oberflächenspannung von 20 dyne/cm und einem Ö1-Wand-Kontaktwinkel von 20°).
Die Leitschaufeln 32 schneiden oder berühren direkt eine Unterseite der radial verlaufenden Struktur 53 der Turbine 30 am ersten axialen Ende 52 der Turbine 30. Gemäß einer Ausführungsform, wie in 13 gezeigt, ist der Radius der Oberseite 42 der Leitschaufeln 32 mit dem Radius der radial verlaufenden Struktur 53 integriert oder kombiniert (z. B. sind die Aufprallfläche 34 der Leitschaufel 32, die Rückseite 36 der Leitschaufel 32 und die Unterseite der radial verlaufenden Struktur 53 miteinander integriert, um eine glatte Schnittstelle dazwischen zu schaffen), sodass innerhalb der Kanäle 58 (z. B. zwischen der Aufprallfläche 34 und der Rückseite 36 der Leitschaufel 32) und zwischen den Oberseiten 42 der Leitschaufeln 32 und der Unterseite der radial verlaufenden Struktur 53 ein Kombinationsradius 56 gebildet wird. Der Kombinationsradius 56 ist innerhalb der Strahleintrittszone 43 so positioniert, dass das direkt aus der Düse 70 strömende Fluid 72 zunächst mindestens einen Abschnitt des Kombinationsradius 56 der Turbine 30 kontaktiert. Der Kombinationsradius 56 ist nach unten zum zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30 (und nach innen zur zentralen Drehachse 64) abgewinkelt oder geneigt, wodurch das Fluid 72 nach unten weg vom ersten axialen Ende 52 der Turbine 30 und zum zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30 abgelenkt wird.
Die Wechselwirkung zwischen dem Fluid und der Turbine
Die Turbine 30 (insbesondere die Leitschaufeln 32) ist so konzipiert, dass sie die Strömung und kinetische Energie des Fluids 72 erfasst, um so viel wie möglich vom Fluidimpulsstrom des Fluids 72 als eine Impulskraft, die die Turbine 30 dreht, auf die Turbine 30 zu übertragen. Dementsprechend sollte so viel wie möglich von der Geschwindigkeit des Fluids 72 in die Drehzahl der Turbine 30 übertragen werden.
Indem das Fluid 72 in die Leitschaufeln 32 geleitet wird, wird der Impuls des Fluids 72 auf die Turbine 30 übertragen und bewirkt ein Drehen der Turbine 30. Die Turbine 30 nutzt die relativ hohe Viskosität des Fluids 72 (z. B. des Öls), um den Impuls des Fluids 72 auf die Leitschaufel 32 zu übertragen, bevor das Fluid 72 austritt oder von der Oberfläche der Turbine 30 ausgestoßen wird.
Wie in den 18A-22B gezeigt, zeigen die CFD-Modellierung, Simulationen und Animationen der Turbine 30, wie das Fluid 72 mit der Turbine 30 zusammenwirkt. Wie gezeigt, tritt das Fluid 72 aus der Düse 70 in die Turbine 30 ein und wird von der Außenkante 38 der Leitschaufeln 32 „geschnitten“ und tritt in die Kanäle 58 zwischen den Leitschaufeln 32 und der Strahleintrittszone 43 ein. Wenn das Fluid 72 die Leitschaufeln 32 kontaktiert, „verlangsamt“ sich das Fluid 72, wenn das Fluid 72 entlang der Aufprallfläche 34 der Leitschaufel 32 strömt und kinetische Energie an die Turbine 30 überträgt. Der Impuls des Fluids 72 bewirkt, dass sich das Fluid 72 in die Kanäle 58 bewegt und zunächst auf den Kombinationsradius 56 trifft, wodurch das Fluid 72 zunächst axial entlang der Kanäle 58 (zum zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30) nach unten abgelenkt wird oder geleitet wird. Das Fluid 72 strömt dann radial nach außen vom Innenradius an dem Schnittpunkt oder der Wurzel zwischen der Aufprallfläche 34 einer Leitschaufel 32 und der Rückseite 36 einer anderen Leitschaufel 32.
Das Fluid 72 wird dann aus der Turbine 30 ausgestoßen oder abgeführt. Ein Teil des Fluids 72 wird radial nach außen von den Rückseiten 36 der Leitschaufeln 32 abgeführt, und ein Teil des Fluids 72 wird axial von dem zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30 abgeführt. Der Großteil des Fluids 72 wird jedoch radial von den Seiten der Leitschaufeln 32 und nicht axial vom zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30 ausgestoßen.
Wie in den 18A-22B gezeigt, tritt das Fluid 72 mit hoher Geschwindigkeit (in einem helleren Farbton dargestellt) in die Turbine 30 ein und verlässt die Turbine 30 mit niedrigerer Geschwindigkeit (in einem dunkleren Farbton dargestellt), da der Fluidimpulsstrom des Fluids 72 in eine Impulskraft an der Turbine 30 umgewandelt wird, um die Turbine 30 zu drehen. Ein Teil des Fluids 72 kann eine Restgeschwindigkeit aufweisen (wobei Geschwindigkeit (v) = Winkelgeschwindigkeit (ω) * Radius (r)) an der Außenkante 38 der Leitschaufel 32 ist. Ein Teil des Fluids 72 kann aus dem zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30 austreten.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Fluid 72 mit einer Geschwindigkeit von etwa 18 Metern pro Sekunde (m/s) in die Turbine 30 eintreten und aus der Turbine 30 mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 m/s oder weniger austreten. Da die kinetische Energie = ½ * Masse * Geschwindigkeit² ist, werden etwa 70 % der kinetischen Energie des Fluids 72 erfasst (obwohl die CFD-Modellierung, wie nachfolgend näher beschrieben, eine genauere Berechnung des Wirkungsgrads der Turbine 30 ermöglicht).
Um zu maximieren, wie viel von der Energie des Fluids 72 auf die Turbine 30 übertragen wird, kann die axiale Länge oder Höhe der Turbine 30 relativ „lang“ sein. Die Turbine 30 ist ausreichend lang, sodass der Großteil des Fluids 72 einen Abschnitt der Turbine 30 hinunterströmt, aber radial aus der Turbine 30 ausgestoßen wird, bevor es das zweite axiale Ende 54 der Turbine 30 erreicht und aus der Turbine 30 axial austritt. Die relativ große axiale Länge der Turbine 30 stellt einen größeren Bereich für das Fluid 72 (mit einer Geschwindigkeit aus der Düse 70) bereit, um sich entlang der Aufprallfläche 34 der Leitschaufel 32 durch viskosen Widerstand zu verlangsamen, und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Fluid 72 von den Leitschaufeln 32 radial nach außen ausgeworfen wird, bevor es das zweite axiale Ende 54 der Turbine 30 erreicht. Da der rückwärtige Winkel der Rückseite 36 der Leitschaufeln 32 einen größeren Teil des Impulses des Fluids 72 auf die Turbine 30 überträgt, ist es besonders vorteilhaft, das Fluid 72 radial von den Leitschaufeln 32 auszustoßen (anstatt axial vom zweiten axialen Ende 54 der Turbine 30).
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die axiale Länge der Turbine 30 (entlang einer Linie parallel zur zentralen Drehachse 64) mehr als etwa das Zwei- oder Dreifache des Innendurchmessers der Düse 70 (durch die das Fluid 72 strömt). Nach einer weiteren Ausführungsform beträgt die axiale Länge der Turbine 30 mehr als etwa das Fünffache des Durchmessers der Düse 70. Wenn die axiale Länge der Turbine 30 zu kurz ist (z. B. weniger als etwa das Dreifache des Durchmessers der Düse 70), kann eine beträchtliche Menge an Fluid 72 mit einer hohen verbleibenden axialen Geschwindigkeit (d. h. nicht aufgenommenen Impulsenergie) axial durch das zweite axiale Ende 54 der Turbine 30 „schießen“ (durch die axialen Kanäle 58 zwischen den Leitschaufeln 32), was die vom Fluid 72 auf die Turbine 30 übertragene Energiemenge senkt und damit den hydraulischen Wirkungsgrad verringert.
Wirkungsgrad der Turbine
Die Impulsturbine 30 und die herkömmliche Impulsturbinenbaugruppe 130 sind relativ klein und das mit der Turbine 30 bzw. der herkömmlichen Turbinenbaugruppe 130 verwendete Fluid 72, 172 weist eine relativ hohe Flüssigkeitsviskosität auf. Im Vergleich dazu sind Wasserkraftturbinen, wie beispielsweise „Picohydro“-Turbinen, in der Regel um ein Vielfaches größer als die Turbine 30 und die herkömmliche Turbinenbaugruppe 130. Des Weiteren verwenden Wasserkraftturbinen Wasser anstelle von Ö1, um die Turbine 30 anzutreiben. Die Viskosität von Wasser beträgt weniger als 1/10 der Viskosität des Fluids 72, 172 (z. B. Motoröl), das mit der Turbine 30 bzw. der herkömmlichen Turbinenbaugruppe 130 verwendet wird. So beträgt beispielsweise die Viskosität von Wasser etwa 1 cP und die Viskosität des Fluids 72, 172 (z. B. des Öls) etwa 10-20 cP. Dementsprechend sind der Wirkungsgrad der Turbine 30 und der Wirkungsgrad der herkömmlichen Turbinenbaugruppe 130 wesentlich niedriger als der Wirkungsgrad von größeren Turbinen, die mit Wasser in Wasserkraftwerken verwendet werden.
Der „Skaleneffekt“ kann mittels der Reynoldszahl der Turbinen durch die folgende Gleichung charakterisiert werden: $R e = \frac{ρ v D}{μ}$
wobei Re die Reynoldszahl ist, rho (ρ) die Dichte des Fluids ist, v die durchschnittliche Geschwindigkeit des Fluids ist, D der Durchmesser ist und µ die Viskosität des Fluids ist.
Die Reynoldszahl der Turbine 30 und der herkömmlichen Turbinenbaugruppe 130 ist im Vergleich zur Reynoldszahl der Wasserkraftturbinen aufgrund einer Reihe verschiedener Faktoren, insbesondere wie viskos, benetzend und „klebrig“ das Fluid 72, 172 ist, relativ begrenzt. So ist beispielsweise die Reynoldszahl der Turbine 30 und der herkömmlichen Turbinenbaugruppe 130 typischerweise mindestens zwei bis drei Größenordnungen kleiner als die Reynoldszahl der Wasserkraftturbinen. Daher sind die Turbine 30 und die herkömmlichen Turbinenbaugruppen 130 weniger effizient als Wasserkraftturbinen. Typischerweise liegt der hydraulische Wirkungsgrad von Wasserkraftturbinen (auch von kleinen Wasserkraftturbinen) zwischen etwa 70-90 %. Der Wirkungsgrad herkömmlicher Turbinenbaugruppen 130 liegt zwischen etwa 30-65 % (genauer gesagt etwa 57 %), abhängig von den Konstruktionsdetails und der Sorgfalt, mit der gegenseitige Behinderung zwischen Strahl und Becher, Strahlauslauf und andere konstruktionsbedingte Probleme vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform, wie in 19A gezeigt, kann der Wirkungsgrad der Turbine 30 etwa 42 % betragen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Wirkungsgrad der Turbine 30 etwa 45,2 % betragen. Wie im Folgenden beschrieben, kann der Wirkungsgrad der Turbine 30 in Abhängigkeit von der jeweiligen Konfiguration der Turbine 30 über 50 % liegen.
Wie hierin verwendet, sollen die Begriffe „ungefähr“, „etwa“, „im Wesentlichen“ und ähnliche Begriffe eine breitgefächerte Bedeutung aufweisen, die in Übereinstimmung mit der herkömmlichen und akzeptierten Verwendung durch den Fachmann auf dem Gebiet ist, auf das sich der Gegenstand dieser Offenbarung bezieht. Der Begriff „etwa“, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf ±5 % der referenzierten Messung, Position oder Abmessung. Es ist für einen Fachmann bei Lektüre dieser Offenbarung offensichtlich, dass diese Begriffe eine Beschreibung bestimmter beschriebener und beanspruchter Merkmale zulassen sollen, ohne den Umfang dieser Merkmale auf die bereitgestellten, genauen numerischen Bereiche einzuschränken. Demgemäß sollen diese Begriffe so ausgelegt werden, dass sie angeben, dass unwesentliche oder unbedeutende Modifikationen oder Abänderungen an dem beschriebenen und beanspruchten Gegenstand als innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt, liegend betrachtet werden.
Die Begriffe „gekoppelt,“ „verbunden,“ „angesetzt“ und dergleichen, wie hierin verwendet, bedeutet Zusammenfügen von zwei Elementen direkt oder indirekt miteinander. Diese Verbindung kann stationär (z. B. permanent) oder beweglich (z. B. entfernbar oder lösbar) geschehen. Diese Verbindung kann dadurch erreicht werden, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und beliebige weitere Zwischenelemente untereinander einstückig als ein einheitlicher Körper ausgebildet sind, oder dadurch, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und beliebige weitere Zwischenelemente aneinander befestigt sind.
Bezugnahmen hierin auf die Positionen der Elemente (z. B. „Ober-“, „Unter-“, „oben“, „unten“ usw.) beschreiben lediglich die Ausrichtung der unterschiedlichen Elemente in den Figuren. Es gilt zu beachten, dass die Ausrichtung unterschiedlicher Elemente je nach anderen beispielhaften Ausführungsformen unterschiedlich ausfallen kann, und dass solche Variationen durch die vorliegende Offenlegung abgedeckt sein sollen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Aufbau und die Anordnung der verschiedenen, beispielhaften Ausführungsformen lediglich der Veranschaulichung dienen. Obwohl nur einige Ausführungsformen in dieser Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, erkennt die Fachwelt beim Lesen dieser Offenbarung unschwer, dass viele Modifikationen möglich sind (z. B. Variationen in Größen, Dimensionen, Strukturen, Formen und Proportionen der verschiedenen Elemente, Werte von Parametern, Montageanordnungen, Verwendung von Materialien, Farben, Orientierungen usw.), ohne erheblich von den neuen Lehren und Vorteilen des hierin beschriebenen Gegenstands abzuweichen. Beispielsweise können Elemente, die als einstückig geformt dargestellt werden, aus mehreren Teilen oder Elementen konstruiert werden, die Position der Elemente kann umgekehrt oder anderweitig variiert werden, und die Art oder Anzahl separater Elemente bzw. Positionen kann geändert oder variiert werden. Die Reihenfolge oder Abfolge von Verfahrens- oder Prozessschritten kann gemäß alternativen Ausführungsformen variiert oder neu geordnet werden. Weitere Ersetzungen, Modifikationen, Änderungen und Auslassungen können ebenfalls in der Konstruktion, den Betriebsbedingungen und der Anordnung der verschiedenen, beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62430014 [0001]
US 6071300 [0014]

Claims

Trennbaugruppe, umfassend: ein Gehäuse; eine Düse, die ein Fluid innerhalb des Gehäuses ausstößt; eine Turbine, die innerhalb des Gehäuses positioniert ist und so positioniert ist, dass sie von dem aus der Düse austretenden Fluid kontaktiert wird, wobei das Fluid die Turbine veranlasst, sich um eine zentrale Drehachse innerhalb des Gehäuses zu drehen, wobei die Turbine ein erstes axiales Ende, ein zweites axiales Ende und eine Vielzahl von Leitschaufeln umfasst, die sich axial in Bezug auf die zentrale Drehachse vom ersten axialen Ende bis zum zweiten axialen Ende erstrecken, wobei die Vielzahl von Leitschaufeln axial verlaufende Kanäle zwischen jeder der Vielzahl von Leitschaufeln definiert, wobei das erste axiale Ende eine sich radial erstreckende Struktur umfasst, die den Fluidstrom durch das erste axiale Ende axial blockiert, wobei das zweite axiale Ende axial offen ist, sodass das Fluid ungehindert axial durch das zweite axiale Ende strömen kann.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Turbine einstückig ausgebildet ist.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei sich die Außenkanten der Vielzahl von Leitschaufeln axial im Wesentlichen parallel zur zentralen Drehachse erstrecken.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei sich die Außenkanten der Vielzahl von Leitschaufeln axial in einem Verdrehwinkel in Bezug auf die zentrale Drehachse erstrecken, sodass die Vielzahl von Leitschaufeln eine schraubenförmige Verdrehung aufweist.
Trennbaugruppe nach Anspruch 4, wobei sich ein oberer Abschnitt der Außenkante in einer anderen Umfangsposition entlang des Umfangs der Turbine befindet als ein unterer Abschnitt der Außenkante.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Leitschaufeln jeweils eine Aufprallfläche auf einer ersten Seite davon und eine Rückseite auf einer zweiten Seite davon umfasst, wobei die Rückseite eine im Wesentlichen kontinuierliche Oberfläche aufweist.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Leitschaufeln jeweils eine Aufprallfläche auf einer ersten Seite davon und eine Rückseite auf einer zweiten Seite davon umfasst, wobei die Aufprallfläche und die Rückseite an einer Außenkante der jeweiligen Leitschaufel konvergieren.
Trennbaugruppe nach Anspruch 7, wobei die Rückseite jeder der Vielzahl von Leitschaufeln eine Tropfenfreigabekante umfasst, die mindestens teilweise radial von der Außenkante der jeweiligen Leitschaufel beabstandet ist.
Trennbaugruppe nach Anspruch 8, wobei sich die Tropfenfreigabekante im Wesentlichen parallel zur Außenkante der jeweiligen Leitschaufel erstreckt.
Trennbaugruppe nach Anspruch 8, wobei sich die Tropfenfreigabekante in linearer Weise axial von einer Unterkante der jeweiligen Leitschaufel erstreckt und axial an einem Bereich unterhalb endet, in dem die Düse das Fluid auf die Turbine ausstößt.
Trennbaugruppe nach Anspruch 10, wobei sich die Tropfenfreigabekante entlang des Bereichs unterhalb der Stelle, wo die Düse das Fluid auf die Turbine ausstößt und wo die Tropfenfreigabekante axial endet, in Richtung der Außenkante der Leitschaufel entlang einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Unterkante der Leitschaufel erstreckt.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die sich radial erstreckende Struktur eine Platte umfasst, die sich über Räume erstreckt, die durch die sich axial erstreckenden Kanäle definiert sind.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Düse in Richtung des ersten axialen Endes der Turbine positioniert ist, sodass die Düse das Fluid direkt unter die sich radial erstreckende Struktur leitet.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Turbine konfiguriert ist, um einen Rotorabschnitt innerhalb der Trennbaugruppe zu drehen.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Turbine keine Hinterschnittgeometriemerkmale umfasst, die sich radial und/oder tangential von der Vielzahl der Leitschaufeln, einer Außenfläche einer mittleren Nabe der Turbine zwischen den Leitschaufeln oder einem Boden des zweiten axialen Endes der Turbine erstrecken und den axialen Fluidstrom durch das zweite axiale Ende der Turbine blockieren.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Fluid axial innerhalb der Kanäle zwischen der Vielzahl von Leitschaufeln von einer Bodenfläche der sich radial erstreckenden Struktur bis zum zweiten axialen Ende der Turbine ungehindert strömen kann.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei sich die Vielzahl von Leitschaufeln linear in axialer Richtung erstreckt und sich nicht tangential oder radial entlang der Länge der Vielzahl von Leitschaufeln in einer Weise nach außen erstreckt, in der das Fluid axial von dem axial vom ersten axialen Ende zum zweiten axialen Ende der Turbine strömenden Fluid blockiert würde.
Trennbaugruppe nach Anspruch 1, wobei ein Querschnitt entlang einer Ebene senkrecht zur zentralen Drehachse entlang eines oberen Abschnitts jeder einzelnen Leitschaufel benachbart zur radial verlaufenden Struktur ungefähr gleich oder größer als ein entsprechender Querschnitt entlang eines unteren Abschnitts der jeweiligen Leitschaufel ist.
Turbine für eine Trennbaugruppe, die so positioniert ist, dass sie mit einem Fluid in Kontakt kommt, das durch eine Düse ausgestoßen wird, wobei die Turbine Folgendes umfasst: ein erstes axiales Ende, umfassend eine sich radial erstreckende Struktur, die den Fluidstrom durch das erste axiale Ende axial blockiert; ein zweites axiales Ende, das axial offen ist, sodass das Fluid axial ungehindert durch das zweite axiale Ende strömen kann, und eine Vielzahl von Leitschaufeln, die sich axial in Bezug auf eine zentrale Drehachse vom ersten axialen Ende bis zum zweiten axialen Ende erstrecken, wobei die Vielzahl von Leitschaufeln axial verlaufende Kanäle zwischen jeder der Vielzahl von Leitschaufeln definiert, wobei das Fluid bewirkt, dass sich die Turbine um die zentrale Drehachse dreht.
Turbine nach Anspruch 19, wobei die Turbine in einem Gehäuse der Trennbaugruppe angeordnet ist, wobei die Düse das Fluid innerhalb des Gehäuses ausstößt.
Turbine nach Anspruch 19, wobei die Turbine einstückig ausgebildet ist.
Turbine nach Anspruch 19, wobei die sich radial erstreckende Struktur eine Platte umfasst, die sich über Räume erstreckt, die durch die sich axial erstreckenden Kanäle definiert sind.
Turbine nach Anspruch 19, wobei die Turbine keine Hinterschnittgeometriemerkmale umfasst, die sich radial und/oder tangential von der Vielzahl der Leitschaufeln, einer Außenfläche einer mittleren Nabe der Turbine zwischen der Vielzahl von Schaufeln oder einem Boden des zweiten axialen Endes der Turbine erstrecken und den axiale Fluidstrom durch das zweite axiale Ende der Turbine blockieren.
Verfahren zur Herstellung einer Turbine für eine Trennbaugruppe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden der Turbine als einteiliges Materialstück, sodass die Turbine keine Montage von Teilen erfordert, die Turbine umfassend ein erstes axiales Ende, umfassend eine sich radial erstreckende Struktur, die einen Fluidstrom von einer Düse durch das erste axiale Ende axial blockiert; ein zweites axiales Ende, das axial offen ist, sodass das Fluid axial ungehindert durch das zweite axiale Ende strömen kann; und eine Vielzahl von Leitschaufeln, die sich axial in Bezug auf eine zentrale Drehachse vom ersten axialen Ende bis zum zweiten axialen Ende erstrecken, wobei die Vielzahl von Leitschaufeln axial verlaufende Kanäle zwischen jeder der Vielzahl von Leitschaufeln definiert, wobei das Fluid bewirkt, dass sich die Turbine um die zentrale Drehachse dreht.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bilden der Turbine mindestens eines von Formen, Gießen oder Extrudieren der Turbine umfasst.